Οι γαλβανόμετρο-βασισμένοι οπτικοί ανιχνευτές είναι η προτιμημένη λύση προσδιορισμού θέσης για μια όλο και περισσότερο ευρεία σειρά της βιομηχανικής, επιστημονικής, απεικόνισης, και των ιατρικών εφαρμογών λέιζερ. Ενώ διάφορες προσεγγίσεις ανίχνευσης είναι διαθέσιμες, γαλβανόμετρο-βασισμένοι ανιχνευτές — συνήθως αποκαλούμενα «galvos» — ευελιξία, ταχύτητα και ακρίβεια προσφοράς με ελκυστικό κόστος. Ενώ πολλές εφαρμογές απεικόνισης εκμεταλλεύονται τη δυνατότητα του galvo να παρασχεθεί μια σταθερή ταχύτητα για την ανώτερη ποιότητα εικόνας, άλλες διανυσματικός-βασισμένες ανιχνευτικές εφαρμογές ωφελούνται από τους γρήγορους χρόνους απόκρισης βημάτων των σύγχρονων galvos. Με τις συνεχείς προόδους στο galvo και τη σερβο τεχνολογία, οι συσκευές προσφέρουν σήμερα τα εύρη ζώνης κλειστών βρόγχων διάφορα kilohertz ακόμη και για μεγαλύτερες ακτίνα, χρόνοι βήμα-απάντησης στη σειρά 100-&s, ανώτατη συχνότητα >2kHz, ενιαίο ψήφισμα προσδιορισμού θέσης επιπέδων microradian-, χαμηλότερο κόστος RMS ανά τον άξονα και εύκαμπτο τοποθετώντας έλεγχο για να περιγράψουν ποικίλες κινήσεις στους ευρυγώνιους φακούς.

Αυτό έχει επιτρέψει τα νέα επίπεδα απόδοσης εφαρμογές χαρακτηρισμού λέιζερ σε άλλες υλικής επεξεργασίας και, μέσω της διάτρησης, των εφαρμογών τυπωμένων υλών υψηλής ανάλυσης και απεικόνισης, των συστημάτων ανακαλύψεων ανάλυσης DNA και φαρμάκων, και των βιοϊατρικών συστημάτων χαμηλότερου κόστους που φέρνουν τις ικανότητες διαλογής και ανίχνευσης από το ερευνητικό εργαστήριο στο γραφείο του γιατρού. Οι απαιτήσεις σχεδίου κάθε εφαρμογής, εντούτοις, δίνουν ποικίλη έμφαση στην ταχύτητα, την ακρίβεια, το μέγεθος και το κόστος.

Ευτυχώς, οι πολλές διαμορφώσεις galvo και οι ικανότητες επιτρέπουν στους σχεδιαστές συστημάτων για να επιλέξουν το βέλτιστο προϊόν για τις απαιτήσεις της εφαρμογής στόχων.

Συστατικά και τεχνολογία

Ένα σύστημα galvo αποτελείται από τρία κύρια συστατικά: το γαλβανόμετρο, ο καθρέφτης (ή καθρέφτες) και ο σερβο οδηγός που ελέγχει το σύστημα. Δεδομένου ότι τα συστήματα galvo προσφέρουν τις υψηλότερες ταχύτητες και την απόδοση, το σωστό σχέδιο και η κατάλληλη επιλογή μεταξύ αυτών των συστατικών γίνονται όλο και περισσότερο σημαντικά στην επίτευξη της μέγιστης απόδοσης. Δεδομένου ότι τα συστήματα galvo έχουν φθάσει στους χρόνους βημάτων 100-&s και οι συχνότητες RMS έχουν φθάσει σε >2kHz, πολλοί από τους κανόνες σχεδίου και τις αρχές ότι ισχύων όταν μετρήθηκε η απόδοση σύστημα-προσδιορισμού θέσης στα χιλιοστά του δευτερολέπτου δεν είναι πλέον επαρκής.

Το γαλβανόμετρο

Το ίδιο το galvo έχει δύο σημαντικά μέρη: ο ενεργοποιητής που χειρίζεται το φορτίο καθρεφτών και τον ακέραιο ανιχνευτή θέσης που παρέχει τις πληροφορίες θέσης καθρεφτών στο κλειστό σύστημα βρόχων.

Δύο διαμορφώσεις ενεργοποιητών εξυπηρετούν συνήθως τα σημερινά υψηλής απόδοσης συστήματα. Ο κινούμενος μαγνήτης, στον οποίο ο μαγνήτης είναι μέρος του στροφέα και η σπείρα είναι μέρος του στάτη, παρέχει τις υψηλότερες σύστημα-ηχηρές συχνότητες λόγω του ομοιόμορφου σχεδίου στροφέων του. Η κινούμενη σπείρα, στην οποία η σπείρα είναι ακέραια στο στροφέα και στην οποία ο μαγνήτης είναι μέρος του στάτη, προσφέρει την υψηλότερη αναλογία ροπή--αδράνειας και την υψηλότερη αποδοτικότητα ροπής.

Στους δύο κοινούς τύπους ανιχνευτών θέσης, οι κινήσεις στοιχείων ανιχνευτών ως τμήμα της δομής στροφέων galvo. Στο κινούμενο διηλεκτρικό χωρητικό σχέδιο, οι κινήσεις μιας ραδιοσυχνότητας πηγής δύο μεταβλητοί πυκνωτές, και τα προκύπτοντα αποκατεστημένα διαφορικά ρεύματα εκθέτουν τη θέση του ενεργοποιητή και του καθρέφτη galvo. Στα νέα οπτικά σχέδια ανιχνευτών θέσης, μια πηγή φωτός φωτίζει τα μέρη τεσσάρων φωτοκυττάρων. Μεταξύ της πηγής φωτός και των δεκτών, μια κινούμενη πεταλούδα όπως τη μορφή πετά λίγο πολύ τη σκιά επάνω στα ζευγάρια των κυττάρων δεκτών. Τα προκύπτοντα ρεύματα εκθέτουν τη θέση του ενεργοποιητή και του καθρέφτη galvo.

Το σχέδιο του τοποθετώντας ανιχνευτή καθορίζει πολύ την ακρίβεια προσδιορισμού θέσης του συστήματος, και τα χαρακτηριστικά αδρανούς και ηχηρής συχνότητάς του έχουν επιπτώσεις στην ταχύτητα του συστήματος. Τα συμπαγή, χαμηλού θορύβου και χαμηλά χαρακτηριστικά γνωρίσματα αδράνειας των κατοχυρωμένων με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας οπτικών ανιχνευτών θέσης μας παρέχουν την υψηλότερη ταχύτητα, το μικρότερο μέγεθος, και το μειωμένο κόστος έναντι των χωρητικών συσκευών, χωρίς θυσία της ακρίβειας ή της σταθερότητας. Επιπλέον, μερικοί χωρητικοί ανιχνευτές μπορούν να εκπέμψουν τον ηλεκτρικό θόρυβο RF που μπορεί να παρεμποδίσει την κοντινή ηλεκτρονική στο σύστημα και αυτός ο θόρυβος αποβάλλεται με τους οπτικούς ανιχνευτές θέσης.

Ο καθρέφτης

Ο καθρέφτης είναι ένα σημαντικό συστατικό του συστήματος, ιδιαίτερα με τις αυξανόμενες ταχύτητες. Το σχέδιό του μπορεί να κάνει ή να σπάσει τους στόχους σχεδίου για την ταχύτητα και την ακρίβεια.

Το περισσότερο το βασικό επίπεδο, ένας καθρέφτης ή οι καθρέφτες πρέπει να κρατήσουν την απαραίτητη διάμετρο ακτίνων πέρα από την απαραίτητη γωνιακή σειρά που διευκρινίζεται στη χαρακτηριστική εφαρμογή. Το πάχος, το σχεδιάγραμμα, η διατομή και τα υλικά καθρεφτών (συνηθέστερα συνθετικό λιωμένο πυρίτιο, πυρίτιο ή βηρύλλιο) είναι πολύ σημαντικά. Επηρεάζουν την αδράνεια του συστήματος καθώς επίσης και την ηχηρής συχνότητα ακαμψίας και της συνέλευσης ενεργοποιητών και καθρεφτών.

Οι αυξήσεις στην ακαμψία και την ηχηρή συχνότητα που δεν προσθέτουν πολύ στη συνολική αδράνεια συστημάτων επιτρέπουν τους γρηγορότερους χρόνους απόκρισης και το υψηλότερο εύρος ζώνης. Επομένως, το σχέδιο καθρεφτών έχει επιπτώσεις όχι μόνο στην οπτική πορεία και το κόστος του συστήματος galvo, αλλά και την ταχύτητα και την ακρίβεια του γενικού συστήματος.

Στα συστήματα οδηγώ-ακτίνων δύο-άξονα, μια απόσταση μεταξύ των αξόνων της περιστροφής και η διαθέσιμη γωνιακή σειρά του σχεδίου απαιτούν συνήθως το δεύτερο καθρέφτη στο σύστημα για να είναι μεγαλύτερο από τον πρώτο. Λόγω αυτού, ο δεύτερος καθρέφτης μπορεί να είναι το συστατικό που περιορίζει την ταχύτητα του ολόκληρου συστήματος δύο άξονα, που καθιστούν το σχέδιο και την κατασκευή του κρίσιμα. Σε ένα βελτιστοποιημένο σχέδιο δύο-άξονα, ο δεύτερος καθρέφτης σε ένα τέτοιο σύστημα θα παράσχει μόνο τα μικρά όρια στην ταχύτητα συστημάτων, όπως συγκρίνεται με τον πρώτο καθρέφτη.

Ο σερβο οδηγός

Το τελικό συστατικό του συστήματος galvo είναι τα σερβο στοιχεία κυκλώματος που οδηγούν το galvo και ελέγχουν τη θέση του καθρέφτη. Ο σερβο αποδιαμορφώνει τα τρέχοντα σήματα παραγωγής του ανιχνευτή θέσης, τα συγκρίνει με το διαταγμένο σήμα θέσης και οδηγεί τον ενεργοποιητή για να φέρει το galvo στην επιθυμητή θέση, που αναγκάζει το λάθος μεταξύ των σημάτων σχεδόν σε μηδέν.

Τα χαρακτηριστικά servos χρησιμοποιούν έναν συνδυασμό της ανιχνευμένης θέσης, της τρέχουσας, γωνιακής ταχύτητας κίνησης galvo, και των σημάτων λάθους ή ακέραιος--λάθους για να επιτρέψουν τον έλεγχο συστημάτων κλειστών βρόγχων με την επιθυμητές ταχύτητα και την ακρίβεια προσδιορισμού θέσης. Ακριβώς όπως έχουν υπάρξει πολλές πρόοδοι στο σχέδιο των ενεργοποιητών και των ανιχνευτών θέσης, οι τρέχουσες εξελίξεις στη σερβο ηλεκτρονική ήταν κρίσιμες για την αξιοποίηση του πληρέστερου των προόδων galvo στο εύρος ζώνης και την ικανότητα RMS. Οι νέες ψηφιακές σερβο αρχιτεκτονικές όπως το κράτος-διάστημα, έχουν ωθήσει την απόδοση galvo πέρα από αυτό που ήταν επιτεύξιμο με τα αναλογικά ή ψηφιακά servos PID.

Αναλογικές σερβο διαμορφώσεις

Δύο αναλογικές σερβο διαμορφώσεις βελτιστοποιούν συνήθως ή ισορροπούν τις απαιτήσεις ταχύτητας και ακρίβειας, οι οποίες ανταγωνίζονται συχνά στη σημασία. Μια ενσωμάτωση σερβο, αναφερόμενος ως κατηγορία 1, ή το PID (ανάλογος-ακέραιος-παράγωγο), χρησιμοποιεί το ενσωματωμένο λάθος θέσης που εγκαθιστά στο πιό υψηλό επίπεδο ακρίβειας προσδιορισμού θέσης με το λιγότερο γωνιακό λάθος. Οι εφαρμογές που εκτιμούν την ακρίβεια πέρα από την ταχύτητα στηρίζονται συχνά στην ενσωμάτωση της κατηγορίας 1 σερβο ελεγκτές. Μια μη-ενσωμάτωση σερβο, ή η κατηγορία 0, μπορεί να παρέχει τις υψηλότερες ταχύτητες συστημάτων επειδή αποφεύγει το χρόνο ολοκλήρωσης. Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιείται όταν θυσιάζεται κάποια ακρίβεια (μέχρι περίπου 100 &rad) για να αυξήσει την ταχύτητα, συχνά κατά 10 τοις εκατό ή περισσότερο. Πολλές από τις εφαρμογές υψηλός-ταχύτητας στηρίζονται στην μη-ενσωμάτωση της κατηγορίας 0 servos.

Πέρα από το PID Servos

Οι νέες ψηφιακές κράτος-διαστημικές σερβο αρχιτεκτονικές έχουν βελτιστοποιήσει την απόδοση των galvos με ουσιαστικά να μειώσουν ή να εξαλείψουν το «λάθος καταδίωξης» που είναι επικρατόν στα αναλογικά ή ψηφιακά) servos PID (. Το μειωμένο λάθος καταδίωξης επιτρέπει στους χρήστες για να αποβάλει τις καθυστερήσεις λογισμικού στα προγράμματα κινήσεών τους που παρεμβλήθηκαν για να αντισταθμίσουν τις χρονικές παραλλαγές που προκλήθηκαν με την καταδίωξη του λάθους, και η γενική απόδοση galvo (πρώτιστα στις διανυσματικές εφαρμογές τύπων) βελτιώνεται πολύ. Στο λέιζερ που χαρακτηρίζει τις εφαρμογές, είναι χαρακτηριστικό να δει ο χαρακτηρισμός της αύξησης 2x ταχυτήτων σε 4x μόλις εξαλειφτεί αυτό το λάθος καταδίωξης. Άλλα πλεονεκτήματα των ψηφιακών servos περιλαμβάνουν συχνά το self-tuning ή με υπολογιστή συντονισμό.

Κατηγορίες κινήσεων

Ενώ υπάρχουν πολλοί τύποι τοποθετώντας κινήσεων ακτίνων ή δομών εντολής που χρησιμοποιούνται στα συστήματα λέιζερ, τα περισσότερα μπορούν να ταξινομηθούν ως είτε τυχαίος είτε επαναλαμβανόμενος στη φύση. Από αυτούς, ο πιό κοινός είναι διανυσματικές, τοποθετώντας κινήσεις ράστερ και βήμα-και-λαβής. Ένα αξιόλογο συστατικό στο επιτυχές σχέδιο συστημάτων λέιζερ είναι σήμερα η ευφυείς εντολή και ο έλεγχος των σημάτων που δίνονται στο σύστημα ανιχνευτών.

Διανυσματικός προσδιορισμός θέσης

Στις εφαρμογές διανυσματικός-προσδιορισμού θέσης όπως οι χαρακτηρίζοντας λέιζερ και άλλες μορφές βιομηχανικής επεξεργασίας υλικών, η κίνηση ακτίνων μπορεί να κτιστεί σε μια σειρά μικρών γωνιακών διανυσμάτων ή βημάτων για τη συνέπεια διαδικασίας και τη μέγιστη υλική ρυθμοαπόδοση. Η χρήση των μικρών βημάτων μεγιστοποιεί την αποδοτικότητα με την ελαχιστοποίηση της παραλλαγής εγκαθιστώντας χρόνου, και τις καθυστερήσεις που συνδέονται με τις μετακινήσεις μεγάλος-γωνίας, οι οποίες μπορούν να περιοριστούν από την τάση ή τους τρέχοντες περιορισμούς, τη ροπή galvo, τους θερμικούς περιορισμούς ή τον ηλεκτρικό κορεσμό μέσα στο βρόχο ελέγχων με σερβομηχανισμό. Η επιτυχία αξιολογείται συχνά στους χαρακτήρες, τα διανύσματα ή τα βήματα που εκτελούνται ανά δευτερόλεπτο.

Στις γρηγορότερες εφαρμογές διανυσματικός-προσδιορισμού θέσης, το σύστημα είναι σπάνια στάσιμο μεταξύ των διανυσμάτων. Στην ικανοποίηση αυτών των απαιτήσεων, συχνά δεν περιορίζεται από τη ροπή galvo, τους περιορισμούς διασκεδασμού δύναμης Galvo, τα επίπεδα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος, κ.λπ. Μάλλον, η κρίσιμη περιοριστική παράμετρος είναι το εύρος ζώνης κλειστών βρόγχων, που καθορίζεται και που περιορίζεται από τις ηχηρές συχνότητες του συνδυασμένων καθρέφτη και του galvo, καθώς επίσης και από τη σερβο δυνατότητα να ελεγχθούν και να κατασταλθούν οι φυσικές ηχηρές συχνότητες του συστήματος.

Προσδιορισμός θέσης ράστερ

Για τις εφαρμογές ράστερ-ύφους όπως η εκτύπωση, η μικροσκόπηση λέιζερ ανίχνευσης, και η εικόνα συλλαμβάνουν, η ακτίνα ή το άνοιγμα κινείται σε μια σταθερή ταχύτητα κατά τη διάρκεια της ενεργού απεικόνισης, που διαμορφώνει τις ενεργές γραμμές που ενώνονται από συχνά έναν γρηγορότερο ανιχνεύουν εκ νέου. Κατά τη διάρκεια αυτού του ενεργού χρόνου απεικόνισης, η επιτάχυνση (και με αυτόν τον τρόπο το ρεύμα μέσω της σπείρας galvo) είναι σχεδόν μηδέν. Κατά τη διάρκεια του flyback, η επιτάχυνση είναι υψηλή, έτσι το ρεύμα μέσω της σπείρας galvo είναι υψηλό.

Η γενική λειτουργούσα συχνότητα του συστήματος galvo περιορίζεται από την πίσω μερίδα μυγών της περιόδου ανίχνευσης και της σχέσης της στον ενεργό χρόνο απεικόνισης, που περιγράφεται επίσης ως κύκλος καθήκοντος ή αποδοτικότητα της ανίχνευσης. Αν και μπορεί να μην είναι προφανές, μια χαλαρωμένη αποδοτικότητα επιτρέπει συχνά μια υψηλότερη λειτουργούσα συχνότητα. Όταν περισσότερος χρόνος επιτρέπεται για την πλάτη μυγών, τρέχων στον ανιχνευτή είναι χαμηλότερος, η λειτουργούσα συχνότητα μπορεί να είναι
υψηλότερος, και περισσότερες γραμμές μπορεί να τυπωθεί ή να μαζευτεί ανά δευτερόλεπτο χωρίς θερμικά να περιορίσει το σύστημα.

Οι εφαρμογές ράστερ υιοθετούν χαρακτηριστικά τη λιγότερη δύναμη λέιζερ, και το μέγεθος εικονοκυττάρου ή σημείων και το μήκος πορειών καθορίζουν τις απαιτήσεις διαμέτρων ακτίνων και μεγέθους galvo καθρεφτών. Η δυνατότητα να εκτελεσθούν τα βήματα μεγάλος-γωνίας με τη χαμηλούς ταλάντευση και το συγχρονισμό καθρεφτών διαγώνιος-ανίχνευσης jitter, μαζί με την υψηλή διαχειριζόμενη ικανότητα δύναμης galvo, είναι κριτική όπως τα ακραία επίπεδα επανάληψης από την ανίχνευση στην ανίχνευση στα υψηλά επαναληπτικά ποσοστά απαιτούνται. Η άκαμπτη δομή του ενεργοποιητή κινώ-μαγνητών, μαζί με τη χαμηλή θερμική αντίστασή της από τη σπείρα στην περίπτωση, όπως στην οικογένεια 62xxH των galvos, το κάνει μια άριστη επιλογή για πολλές εφαρμογές ράστερ.

Μια υπόλοιπη εκτίμηση σε αυτήν την ομάδα εφαρμογής είναι η δομή του κυματοειδούς εντολής που στέλνεται στο σύστημα galvo. Ένα κυκλοειδές κυματοειδές εντολής συστήνεται για να διαχειριστεί τις ασυνέχειες θέσης, ταχύτητας και επιτάχυνσης που μπορούν ταυτόχρονα να περιορίσουν την ποιότητα εικόνας και τη λειτουργούσα συχνότητα. Ένας ομαλός, «διοικούμενη επιτάχυνση» απόδοση συστημάτων ενισχύσεων εισαγωγής με τον περιορισμό του περιεχομένου συχνότητας που περνούν στο σύστημα galvo. Αυτό τείνει να αποφύγει τη διέγερση των φυσικών αντηχήσεων του συστήματος, επιτρέποντας τη μεγαλύτερη ποιότητα εικόνας. Χαμηλώνει επίσης την επιτάχυνση στην πίσω φάση μυγών, η οποία μειώνει τη δύναμη στο σύστημα. Αυτοί οι δύο παράγοντες επιτρέπουν συχνά μια καλύτερη επανάληψη σε μια υψηλότερη λειτουργούσα συχνότητα από είναι δυνατός χρησιμοποιώντας τις απλούστερες εισαγωγές μορφής δοντιών πριονιών.

Προσδιορισμός θέσης βήμα-και-λαβής

Ο προσδιορισμός θέσης βήμα-και-λαβής ποικίλλει από το διανυσματικό προσδιορισμό θέσης δεδομένου ότι το σύστημα διατάζεται σε μια σταθερή γωνία και κρατιέται όσο το δυνατόν πιό ακόμα ενώ η λειτουργία εκτελείται. Αυτές οι κινήσεις προσδιορισμού θέσης κυμαίνονται στη συχνότητα και το εύρος, αν και η υπερβολικά ακριβής και επαναλαμβανόμενη τοποθέτηση ακτίνων απαιτείται χαρακτηριστικά.

Οι κρισιμότερες παράμετροι συστημάτων galvo σε αυτόν τον τύπο προσδιορισμού θέσης είναι ένας ακριβής και σταθερός ανιχνευτής θέσης και αποδοτικές, υψηλός-ροπή αλλά ενεργοποιητής χαμηλός-αδράνειας για τη γρήγορη επιτάχυνση και τακτοποίηση στη διαταγμένη θέση. Ανάλογα με τους στόχους της εφαρμογής και, όπως στον προσδιορισμό θέσης ράστερ, που διαχειρίζεται το σήμα εντολής για να περιορίσει το περιεχόμενο συχνότητας που μεταφέρεται προς το σύστημα ανιχνευτών μπορεί να ενισχύσει το αποτέλεσμα βήμα-και-λαβής.

Τέτοιος προσδιορισμός θέσης είναι διαθέσιμος στα οπτικά σαφή ανοίγματα που κυμαίνονται από 3 - στις διαμέτρους ακτίνων 50 χιλ. σε όλες τις εφαρμογές συστημάτων λέιζερ. Η κατηγορία κινώ-σπειρών galvo, που χαρακτηρίζει την ενιαίος-microradian επανάληψη, τα τοις εκατό γραμμικότητας >99.9 ανιχνευτών θέσης και την ανεπανόρθωτη κλίση κλίμακας 50 PPM ανά βαθμό αλλαγής θερμοκρασίας, εξυπηρετεί καλύτερα αυτές τις εφαρμογές.

Βελτιστοποίηση της απόδοσης

Το γαλβανόμετρο κλειστών βρόγχων προσφέρει στο σχεδιαστή συστημάτων έναν ισχυρό συνδυασμό ταχύτητας, ακρίβειας και χαμηλότερου κόστους, καθώς επίσης και μιας ευελιξίας που δεν είναι δυνατή με άλλες τεχνολογίες ανιχνευτών. Η σειρά των ιδιοτήτων galvos ικανοποιεί ποικίλες εφαρμογές. Οι πρόοδοι σε αυτήν την τεχνολογία, μαζί με τις προόδους στη τεχνολογία λέιζερ, συνεχίζουν να διευρύνουν τη σειρά εφαρμογής του γαλβανομέτρου, επιτρέποντας τα νέες επίπεδα απόδοσης, τις εφαρμογές και τις αγορές. Η παραγωγή της υψηλότερης πιθανής απόδοσης σε οποιαδήποτε εφαρμογή galvo απαιτεί μια κατανόηση των κρισιμότερων παραμέτρων για την ταχύτητα και την ακρίβεια προσδιορισμού θέσης, μαζί με το κατάλληλες σχέδιο και την επιλογή του galvo, του καθρέφτη, και του σερβο οδηγού.