שיטות מדידת מיקום בעזרת לייזר

אלומת לייזר הינה אור הנע בכיוון אחד. ללייזר שימושים רבים בתעשייה. שימוש נפוץ בלייזר הוא מדידת מיקום (/התקה). השימוש בלייזר לצורך מדידת מיקום נוחה במיוחד עקב נוחות בכיוון נקודת הבדיקה לעומת מכשירים אחרים. כאשר הלייזר פוגע במטרה הוא בדרך כלל מוחזר לכיוונים רבים, שאחר מהם הוא בחזרה למכשיר המדידה. במכשיר המדידה מתקבל אור הלייזר ושם מעובד האות ומחושב המרחק מהמכשיר וחזרה.

קיימות כמה שיטות למדידת המיקום:

חישוב הטווח לפי הזמן שלוקח ללייזר לחזור למכשיר

שיטה זו מקובלת בעיקר לטווחים גדולים ודיוקים נמוכים יחסית (מילימטרים-סנטימטרים). המכשיר נקרא מד-טווח-לייזר (מט"ל).

הלייזר נע במהירות האור וחוזר חזרה. חישוב המרחק יהיה לפי הנוסחא הכללית:

X[m]=V[m/s]*t[sec], כלומר, המרחק שווה למכפלת המהירות בזמן. במקרה הזה הזמן שנלקח בחשבון לצורך חישוב המרחק הוא חצי מזמן החזרה של קרן האור, שכן קרן הלייזר יוצאת וחוזרת, והמהירות היא מהירות האור (C).

הנוסחא הפרטית: X=C*t/2 (X=מרחק, t= הזמן הנמדד).

השימושים הם העיקריים הם בתחום הבנייה, הצבא והמשטרה (לצורך מדידה מהירות כלי רכב).

דיוק מכשיר זה נקבע בעיקר על פי מהירות התגובה של המקלט שבמכשיר ויכולת ההבחנה שלו בהפרשי זמן קטנים מאוד – סדרי גודל של ננו-שניות לפחות.

מדידת מיקום בשיטת טריאנגולציה  (חישוב צורת משולש)

בניגוד למד טווח לייזר, שבו הטווח מחושב בהתאם לזמן שדרוש לפעימה של קרן לייזר להגיע למטרה ולשוב אל המכשיר, המכשירים הללו פועלים המתאם למיקום החזר הלייזר בחיישן.
מדי הלייזר מסוג זה מיועדים לטווחים קצרים ודיוקים גבוהים - של מיקרונים בודדים וחלקי מיקרונים.

עקרון פעולת המכשיר:

1. קרן לייזר משודרת לעבר המטרה הנמדדת וחוזרת חזרה למכשיר.
2. במכשיר מותקן חיישן זיהוי מיקום פגיעת הלייזר. חיישן זה יכול להיות אנלוגי מסוג
      PSD (Position Sensing Detector) או דיגיטלי: שורה של תאים פוטואלקטריים בשורה, אשר משנים את מתח המוצא שלהם בהתאם לעוצמת התאורה בתדר הלייזר. חיישנים אילו הם בדרך כלל מסוג CCD (Charge Coupled Device) או
   CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). המיקום נקבע לפי מקום פגיעת הלייזר על גבי החיישן.

תיאור סכמטי:

התוצאה שתתקבל תהיה גרף של עצמת המתח (/האור המתקבל) בכל אחר מהתאים שבחיישן:

חישוב הטווח מתבצע על ידי מיצוע של העוצמות הנמדדות ויצירת "מרכז כובד" של הגרף, או על ידי חישוב נקודת המקסימום. לאחר מציאת הנקודה העיקרית והקובעת על גבי החיישן, המייצגת את המרחק של העצם הנמדד, החישוב המבוצע מתבסס על משפט הסינוסים למשולש:

המרחק a והזווית γ ידועים משיקולים מכאניים (אופן ייצור מכשיר המדידה). הזווית  β מחושבת לפי מבנה האופטיקה. כך מחושב המרחק b, שהוא המרחק מן האובייקט:

דיוק מערכת כזו נקבע על פי דיוק האופטיקה, עובי קרן הלייזר, רזולוציית החיישן ותדר דגימת האותות.

דוגמאות לשימוש:

מדידת אובייקט חצי שקוף:

ניתן לבחור להתעלם מההחזרים הנמוכים, המוחזרים מהחלק הנמון יותר החומר הנמדד ולהתייחס לאות בנקודת המקסימום – המייצג את קצה החומר.

מדידת אובייקט שקוף:

מתקבלים שני אותות בחיישן. אחד מהחלר העליון של הזכוכית ואחד מהחלק התחתון.

ניתן לבדוק כל אחד מהאותות המוחזרים בנפרד. וכך ניתן לקבל את הטווח של פני הזכוכית, או להתעלם מהגל הראשון ולמדוד את המרחק מהחלק התחתון, תוך התעלמות מקיום הזכוכית בטווח. כמו כן, ניתן למדוד את עובי הזכוכית – הפרש המרחק מפני הזכוכית לתחתית.

מדידת חלק רפלקטיבי (מראה):

ניתן למדוד גם אובייקטים רפלקטיביים במיוחד כגון מראה. אלגוריתם במכשיר מתעלם מהחזרי אור שחודרים דרך הציפוי המבריק ונותן תוצאה מדוייקת.
במקרים מסויימים יש לשנות את הזווית שבה מתקינים את החיישן ביחס לאובייקט ה"מראתי" הנמדד.

שימושים ביותר מראש מדידה יחיד:

 שימוש ביותר מראש מדידה אחד מאפשר לבצע באופן אוטומטי חישובי זווית משטחים, הפרשי גדלים, עובי וכד'.

מדידות במהירויות גבוהות – אנליזת רעידות:

כאשר משתמשים בחיישן בעל קצב דגימה מהיר, כגון LK-G5000, תוצרת KEYENCE, הפועל בקצב דגימה של עד 392,000 דגימות בשניה, ניתן לבצע אנליזה של מיקום בכמה נקודות ולקבל מידע על מהירות ותאוצה של האובייקט הנמדד בכל נקודה נמדדת.

מדידות תלת מימד ודו-מימד:

על פי אותה שיטת מדידה, אם משתמשים בחיישן CCD או CMOS דו-מימדי, שבנוי בצורת מטריטת חיישנים במקום שורת חיישנים -  בדומה לזה הקיים במצלמות דיגיטליות, ניתן לבצע מדידות דו-ממדיות לאורך קרן לייזר בצורת קו, במקום נקודה.

 כך ניתן למשל, ליצור תוך כדי תנועת אובייקט את הפרופיל התלת מימד שלו, למדוד זוויות, מיקומים, הפרשי גבהים וכדומה.

שימוש בשיטת אברציה כרומטית של האור (שבירה לצבעים)

מכשיר זה, מדרת SI של KEYENCE, מיועד למדידת טווחים קטנים ורזולוציה של עד ננו-מטר אחד (0.000001 מילימטר). המכשיר משתמש בתכונה פיזיקאלית של האור להישבר כאשר הוא עובר מתווך אחד לתווך אחר בעל צפיפות שונה (חוק סנל). מכיוון שבתוך החומר של הסיב האופטי (בניגוד למעבר בריק), מהירות של כל אורך גל של האור היא שונה, זווית השבירה של האור תהייה שונה, עבור כל אורך גל (צבע אור).

 עקרון פעולה:

הלייזר משודר מדיודת SLD - Superluminescent Light-emitting Diode. דיודה זו משדרת אור באורכי רבים ("אור לבן"). האור עובר דרך סיב אופטי מקוטב ומדויק אשר מחזיר את האור מקצה הסיב וגם מהאובייקט הנמדד, על ידי משטח רפלקטיבי חצי שקוף בקצה הסיב. האור המוחזר מורכב מהחזר מקצה הסיב האופטי ומהאובייקט הנמדד. הוא נשבר בעזרת מראה מיוחדת והאור מתפזר על גבי חיישן CCD. על החיישן יתקבלו שני החזרים, כאמור: אחד מהאובייקט הנמדד ואחד מקצה הסיב. החישוב של המרחק מתבצע על ידי אנליזה של פיזור צבעי האור של שני האותות בחיישן. כלומר יש התחשבות במרחק בין כל זוג צבעים זהים בחיישן.

סכימת מלבנים של חיישן מרחק ספקטרומטרי.

אחד היתרונות המשמעותיים בהתקנת המכשיר הזה הוא ראש מדידה קומפקטי במיוחד ודיוק גבוה.

החיסרונות בשיטת מדידה זו הם טווח מדידה קטן יחסית וצורך במטרה מבריקה בכדי לקבל תוצאות אופטימליות.

השימושים למכשיר כזה:

מדידות גדלים של חלקים מדויקים, כגון עדשות, מראות וכד'.

מדידת עובי של חומרים חצי שקופים, וויפרים, דיסקים אופטיים וכו'.

מכשיר מסדרת SI, תוצרת KEYENCE יכול להתחבר לעד שישה ראשי מדידה כאלו ולבצע חישובים של הנתונים מכל הראשים.

סיכום:

מדידה בלייזר היא שיטה נפוצה למדידות מיקום ללא מגע.
בבחירת המוצר המתאים למדידות מיקום בלייזר יש להתחשב בפרמטרים שונים כגון: טווח המדידה, מרחק מדידה מהאובייקט, הדירות (repeatability) ודיוק נדרשים, קצב דגימה, סוג וצבע החומר הנמדד, דרישות התקנה מכאניות ועוד.

הכותב הינו מהנדס מכירות בחברת מדיטל, נציגת KEYENCE בישראל.