최신 응용 분야를 위한 레이저 시력 통합

대부분의 사람들은 레이저 조준기가 총기 전용이라고 생각하지만 기술은 초기 시장을 넘어 훨씬 더 널리 퍼졌습니다. 우리는 2019년부터 레이저 조준 시스템을 사용해 왔으며 정밀 포인팅이 중요한 산업, 의료 및 로봇 공학 분야로 응용 분야가 계속 확장되고 있습니다.

기본 원리는 크게 변하지 않았습니다. - 물체가 닿는 위치나 도구가 작동하는 위치를 표시하는 가시 광선 또는 IR 광선을 투사합니다. 그러나 장착 옵션, 전력 요구 사항 및 환경 조건을 고려하면 실행이 빠르게 복잡해집니다.

Crimson Trace는 2018년에 Rail Master 시리즈를 출시했으며 해당 장치는 1000G의 반동 충격을 처리할 수 있습니다. 이 사양은 총기의 반동을 견디면 제조 과정에서 대부분의 진동 환경을 처리할 수 있기 때문에 산업용 장착의 기준이 되었습니다. RM-110 모델의 소매 가격은 약 280달러(2020년 crimsontrace.com 가격)로, 가파르지만 반복적인 충격 후에도 0으로 유지되는 5mW 빨간색 레이저를 제공했습니다.

조립 라인 작업을 위해 Streamlight의 TLR 시리즈와 해외 제조업체의 저렴한 옵션을 테스트했습니다. 온도 드리프트는 $50 미만의 비용이 드는 - 장치가 작업 현장 온도를 60°F에서 95°F로 이동할 때 20피트에서 목표 지점을 3-4인치 이동시키는 킬러였습니다. 2021년 여름 벤치 테스트에 따르면 Streamlight 장치(모델에 따라 약 $180-220)는 해당 범위에서 0.5인치 내에서 0을 유지했습니다.

하지만 항상 그런 수준의 안정성이 필요한 것은 아닙니다. 전적으로 당신이 무엇을 하고 있는지에 달려있습니다.

Laser Sight

의료 기기 조립에는 종종 클래스 2 레이저가 필요하지만(FDA 규정에 따라 1mW 미만 출력 - accessdata.fda.gov에 전체 분류가 있음) 300-500mm의 작동 거리에서 0.1mm 미만의 위치 정확도가 필요하기 때문에 이는 이상해집니다. Coherent Inc.는 이러한 사양에 맞는 레이저 모듈을 만듭니다. Coherent Inc.의 CUBE 시리즈 가격은 파장 및 전력 출력에 따라 단위당 약 $400-600입니다.

우리는 작년에 일부 635nm 적색 레이저를 카테터 조립 시스템에 통합했습니다. 사람들이 인식하는 것보다 파장이 더 중요합니다. - 635nm는 일반적인 형광등 아래에서 650nm보다 훨씬 더 잘 보입니다. 이는 Laserex의 기술 문서에 따르면 4배 더 잘 보입니다. 비용 차이는 15~20% 정도이지만 작업자가 8시간 교대로 정렬 시스템을 사용하는 경우에는 그만한 가치가 있습니다.

녹색 레이저(일반적으로 532nm)는 사람의 눈에 훨씬 더 잘 보입니다. 이는 동일한 출력에서 빨간색 레이저보다 약 5배 더 잘 보입니다. 그러나 비용이 더 많이 들고 배터리를 더 빨리 소모합니다. 우리는 동등한 빨간색 출력에 대해 180mA와 120mA에서 5mW 녹색 모듈의 전류 소모를 측정했습니다. 중요한 휴대용 도구에 적합합니다. 벽 전원을 사용하는 고정 설치의 경우 예산이 허용되면 녹색을 사용하십시오.

ABB Robotics는 티치 펜던트 작업을 위해 2017년부터 레이저 포인터를 IRB 시리즈에 통합하기 시작했습니다. 기술자가 실제 작업을 실행하지 않고도 로봇 경로를 시각화하는 것이 훨씬 쉬워졌습니다. 그들이 사용한 레이저 모듈은 전혀 화려하지 않았습니다. - 기본적으로 더 나은 충격 장착 및 IP67 등급 하우징을 갖춘 상업용 장치를 다시 포장했습니다.

Fanuc은 CRX 협동 로봇을 통해 레이저 방출기를 도구 플랜지에 배치하고 안전 영역 시각화에 사용하는 등 다른 접근 방식을 취했습니다. 그들의 시스템은 엔드 이펙터와 함께 움직이는 10-15mm 직경의 스폿을 투사합니다. 전력 소비는 약 2W 연속이며 이는 도구 전력 예산에서 직접적으로 발생합니다. 그리퍼나 기타 엔드 이펙터를 지정할 때 이를 고려해야 합니다.

Universal Robots에는 표준으로 레이저 조준기가 포함되어 있지 않지만 UR+ 생태계에는 여러 가지 타사 옵션이 있습니다.- Robotiq 손목 카메라는 때때로 깊이 측정을 위해 동축 레이저와 결합되지만 이는 단순한 조준보다는 구조화된 광 영역에 속합니다.

건설용 레이저 레벨은 완전히 다른 범주이지만 언급할 가치가 있습니다. Bosch의 GLL 시리즈와 Dewalt의 DW088은 모두 도트 대신 클래스 2 레이저와 프로젝트 라인을 사용합니다. DW088은 약 150달러 정도이며 30피트에서 ±1/8인치까지 정확한 수직선을 던집니다(dewalt.com 사양 시트). 이러한 것들은 레이아웃 작업을 위해 소규모 상점 환경에 나타날 만큼 충분히 저렴해졌습니다.

레이저 다이오드 효율은 온도에 따라 달라지기 때문에 배터리 수명 계산이 복잡해집니다. 일반적인 적색 레이저 다이오드의 효율은 15-20%입니다. 이는 입력 전력의 80-85%가 열이 된다는 의미입니다. 이것이 바로 저전력 모듈의 경우에도 지속적인 설치에 방열판이 필요한 이유입니다.

우리는 3.3V에서 90mA를 끌어오는 5mW 적색 레이저 모듈을 측정했습니다. - 이는 5mW 출력에 대해 약 300mW 입력이므로 대략 17% 효율입니다. CR123A 배터리(3V에서 1500mAh 용량)를 사용하면 이론적으로 16~17시간의 런타임을 얻을 수 있지만, 부하가 걸리면 배터리 전압이 떨어지기 때문에 실제로는 12~14시간 정도 더 오래 사용할 수 있습니다.

장착 자체는 현장 설치에서 볼 수 있는 문제의 절반을 발생시킵니다. M3 장착 구멍은 표준이지만 나사 깊이는 제조업체마다 다릅니다. 일부 중국 모듈 사양 M3x0.5 스레드는 깊이가 4mm이고 다른 모듈은 깊이가 6mm입니다. 사소하게 들리지만 적절한 나사 결합으로 3mm 알루미늄 플레이트를 통해 장착하려고 할 때 2mm 차이로 표준 볼트를 사용할 수 있는지 또는 맞춤형 하드웨어가 필요한지 여부가 결정됩니다.

Surefire는 X400 무기 조명에 독점 레일 그래버 시스템을 사용합니다. 이 시스템은 T-슬롯 알루미늄 압출에 산업용으로 장착하는 데에도 적합합니다. 조임력은 조정 가능하며 스레드 토크에 의존하지 않으므로 진동이 높은 환경에서 0을 유지하는 데 도움이 됩니다.- 단위 비용은 약 $ 600이지만 영원히 지속됩니다. 우리는 2018년부터 배터리 교체 외에는 유지 관리가 필요 없는 일부 제품을 운영하고 있습니다.

Laser Sight

IR 레이저(일반적으로 850nm 또는 940nm 파장)는 카메라 센서에 표시되지만 사람의 눈에는 표시되지 않습니다. 가시광선이 작업자의 시선을 방해하는 것을 원하지 않는 머신 비전 애플리케이션에 유용합니다. Edmund Optics는 표준 산업용 카메라와 짝을 이루는 850nm 모듈을 약 $200{7}}300에 판매합니다. Basler ace 시리즈 카메라는 해당 범위에서 감도가 좋습니다. acA1920-40gm 모델은 데이터시트(baslerweb.com)에 따르면 850nm에서 50% 양자 효율을 보여줍니다.

940nm는 더욱 눈에 띄지 않지만 카메라 감도는 떨어집니다. 대부분의 실리콘 센서는 940nm에서 QE가 30%이고 850nm에서는 50%이므로 더 나은 은폐성을 위해 신호를 포기하게 됩니다. 인간의-가시광선이 실제로 문제가 되는 경우에만 가치가 있습니다.

광학 시스템용 레이저 정렬 도구는 가시광선이 문제를 일으키는 환경에서 작동하기 때문에 IR을 사용하는 경우가 있습니다. Newport Corporation의 IR 정렬 레이저 가격은 $800-1200이지만 저렴한 모듈보다 조정 가능한 출력과 더 나은 빔 품질을 제공합니다. 상업용 유닛의 경우 M² 값이 1.1 미만이고 1.3-1.5입니다. 이는 작은 조리개에 결합하거나 장거리에서 시준을 유지하려고 할 때 중요합니다.

하지만 애플리케이션에서 요구하지 않는 한 이를 사용하지 않습니다. 비용이 빠르게 추가됩니다.

"5mW 레이저 포인터"는 0.5밀리라디안에서 1.5밀리라디안 사이의 빔 발산을 가질 수 있습니다. 10미터에서는 5mm 도트와 15mm 도트의 차이입니다. 제조업체에서는 이를 사양할 때도 있고 그렇지 않을 때도 있습니다.

Amazon의 저렴한 녹색 레이저는 1.2-1.5 mrad 발산을 실행하는 경향이 있습니다. 우리는 간단한 설정으로 여러 장치를 측정했습니다. 즉, 고정된 거리의 레이저, 흰색 대상, 캘리퍼로 스폿 직경을 측정했습니다. 정확히 NIST 추적이 가능하지는 않지만 애플리케이션 작업에는 충분합니다. CNI 또는 Laserglow Technologies의 더 비싼 DPSS 녹색 레이저는 일반적으로 더 나은 원형 빔 프로파일로 1.0mrad 미만으로 제공됩니다.

작은 목표물을 맞추려고 할 때 빔 프로필이 중요합니다. 가우스 빔은 점진적인 롤오프를 통해 깨끗한 중앙 지점을 제공합니다. 더 저렴한 다이오드 레이저는 때로는 정확한 조준을 어렵게 만드는 타원형 또는 불규칙한 프로파일을 가지고 있습니다. 알 수 있는 유일한 방법은 제조업체의 사양표를 신뢰하거나(-유명 브랜드가 없으면 위험함) 직접 테스트하는 것입니다.

수술 기구 정렬을 위해 작업 거리가 400mm이고 타겟 크기가 직경 2mm였기 때문에 우리는 최대 0.6mrad 발산 사양을 지정했습니다. 그것은 당신에게 약간의 슬로프를 제공하지만 많지는 않습니다. 더 엄격한 차이에 대한 비용 프리미엄은 표준 산업용 모듈에 비해 약 40%였습니다.

자동화된 도구 설정을 위해 레이저 정렬 시스템을 CNC 밀 설정에 적용했습니다. 간단해 보입니다. - 스핀들 하우징에 레이저를 장착하고, 고정된 기준 대상에 빔을 투영하고, 각 도구를 교체하기 전에 편차를 측정합니다. 테스트에서는 잘 작동했지만 절삭유 미스트가 2주 이내에 레이저 창을 저하시켜 생산에 실패했습니다. 디자인 단계에서는 누구도 그런 생각을 하지 않았습니다.

해결책은 레이저 조리개 전체에 일정한 공기 흐름을 유지하는 압축 공기 퍼지 노즐을 추가하는 것이었습니다. 부품 비용이 $45 추가되고 기계당 설치 시간이 2시간이 소요됩니다. 원래 디자인에 있었어야 했는데.

온도 보상은 사람들을 괴롭히는 또 다른 문제입니다. 우리는 화씨 65도에서 화씨 140도까지 작동하는 복합 레이업 도구용 레이저 포지셔닝 시스템을 지정했습니다. 레이저 모듈 제조업체는 해당 장치의 정격이 화씨 140도라고 말했지만 제로 시프트가 화씨 120도까지만 보장된다는 점은 언급하지 않았습니다. 그 이상에서는 장착 브래킷의 열 팽창으로 인해 빔이 20피트에서 0.060인치 이동했습니다. 레이업 공차는 전혀 허용되지 않습니다.

결국 온도 보상 데이터를 명시적으로 제공하는 다른 제조업체(Laser Components DG GmbH, 해당 FP 시리즈)로 전환했습니다. 비용은 모듈당 약 380달러로 비슷했지만 실제로 우리가 중요하게 생각하는 동작을 테스트하고 문서화했습니다.

Laser Sight

레이저 조준기가 제품에 내장되어 있는 -대량 생산의 경우 완제품 모듈을 구매하는 대신 원시 다이오드와 드라이버 회로를 직접 장착하기만 하면 되는 경우도 있습니다. 우리는 3mW 적색 레이저가 필요한 의료 기기에 대해 이 작업을 수행했습니다. - Osram PLT5 450 다이오드를 수량 1000으로 구매하면 개당 약 $4.20(유통업체를 위한 osram.com 2023 가격)에 드라이버 IC 및 패시브 부품에 대해 추가로 $2-3가 소요됩니다. 전체 모듈의 가격은 각각 25~40달러이므로 DIY는 대량 구매에 적합합니다.

단점은 광학 설계, 방열판, 드라이버 회로 검증 및 신뢰성 테스트를 직접 수행한다는 것입니다. FDA 제출이 필요한 의료 기기에 들어가는 것은 상당한 엔지니어링 작업입니다. 우리는 설계 및 검증에 총 약 200시간을 소비했지만 생산 과정에서 구성 요소 비용을 약 18,000달러 절약했습니다. 1000+ 단위에서는 가치가 있지만 500 단위 미만에서는 가치가 없습니다.

시준 광학은 까다로운 부분입니다. 베어 다이오드에서 적절한 빔 품질을 얻으려면 비구면 렌즈나 다중{1}}요소 시스템이 필요합니다. Edmund Optics에서는 NA와 직경에 따라 약 $25-50부터 시작하는 레이저 시준용 비구면 렌즈를 판매합니다. 그러나 좋은 시준을 얻으려면 다이오드와 렌즈 사이의 정확한 간격(일반적으로 0.05mm 이내)이 필요합니다. 이는 하우징의 정밀 가공 또는 잠금 장치가 있는 조정 나사를 의미합니다.

일부 제조업체에서는 사전 시준된 다이오드 모듈을 사용하여 이 문제를 해결하고 있습니다.- Thorlabs는 소형 TO{2}}캔 패키지에 다이오드, 드라이버 및 시준 광학 장치를 결합한 CPS 시리즈를 보유하고 있습니다. 완성된 레이저 포인터보다 여전히 저렴하고 더 많은 디자인 유연성을 제공하는 단위당 약 $80-120입니다.

왜 더 많은 사람들이 임베디드 애플리케이션에 이것을 사용하지 않는지 잘 모르겠습니다. 적당한 양으로 비용을 합리적으로 유지하면서 대부분의 기계적 공차 문제를 해결합니다.

1-5mW 범위의 휴대용 레이저 모듈의 경우,리튬 CR1/3N 배터리놀랍게도 잘 작동합니다. 물리적으로는 작지만 3V에서 170mAh 용량을 제공하므로 일반적인 빨간색 레이저 모듈에서 8~10시간의 런타임을 사용할 수 있습니다. 우리는 AA 배터리가 너무 부피가 큰 휴대용 정렬 도구에 사용했습니다. 비용은 수량 기준으로 셀당 약 $2-3이며, 유효 기간은 10+년으로 예비 재고에 중요합니다.