ES2241779T3 - Dispositivo laser. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo láser que comprende un elemento láser (1), un cuerpo reflectante (3) y un dispositivo de direccionado (2, 4) para direccionar el haz láser a través de dicho cuerpo reflectante (3) que, a su vez, está diseñado para reflejar dicho haz láser, de manera que es dirigido al espacio circundante dentro de un área que, desde el cuerpo reflectante (3) y en un plano (11) del instrumento que corta el cuerpo reflectante cubre, como mínimo, una parte de una revolución circular, así como un intervalo de ángulo de aproximadamente " 60o con respecto al plano del instrumento, y dicho dispositivo de direccionado (2, 4) está dispuesto en la trayectoria del haz láser, entre el elemento láser (1) y el cuerpo reflectante (3), y están dispuestos para dirigir el haz láser dentro de dicha área de acuerdo con una dirección preseleccionada del haz láser reflejado desde dicho cuerpo reflectante, de manera que los medios de dirección comprenden un modulador de luz espacial (2), cuyo modelo de desplazamientode fase determina el ángulo de modulación del haz láser desde el modulador.
Description
Dispositivo láser.
La presente invención se refiere a un dispositivo
láser destinado a controlar la dirección de un haz de luz
procedente de un láser.
En muchas aplicaciones es deseable poder dirigir
un láser, por ejemplo, hacer que éste efectúe un barrido sobre áreas
grandes. Normalmente, el láser está montado sobre una mesa rotativa
que puede bascular para permitir que el láser realice un movimiento
de barrido. Cuando el láser se tiene que utilizar en un medio
ambiente sometido a sacudidas, el movimiento de la mesa rotativa
puede ser controlado por acoplamiento a un dispositivo giroscópico,
estabilizando de esta manera el haz de rayos láser.
La patente JP 09015526 A da a conocer un
dispositivo alternativo que presenta un espejo en forma de cono
dispuesto de manera asimétrica sobre un eje. El eje propiamente
dicho puede ser obligado a girar a su vez utilizando un motor. Un
haz de rayos láser dirigido de manera continuada que choque sobre la
superficie del espejo será reflejado, a causa de la asimetría, en
una dirección que depende del ángulo del eje. Como consecuencia,
este dispositivo permite la posibilidad de efectuar un barrido
mediante el haz de láser reflejado por el espejo en un giro completo
de 360º al girar el eje en una vuelta o revolución completa.
De acuerdo con un aspecto de la invención en
cuestión, tal como se define en la reivindicación 1, la presente
invención da a conocer un dispositivo láser que comprende un
elemento láser, un cuerpo reflectante y medios para dirigir el haz
de rayos láser a través de dicho cuerpo reflectante, que a su vez
está diseñado para reflejar dicho haz láser, de manera que es
dirigido a un espacio circundante dentro de un área que, desde el
cuerpo reflectante, cubre como mínimo una parte de una rotación
circular en el plano del instrumento que corta el cuerpo
reflectante, así como un intervalo de ángulo de aproximadamente
\pm 60º con respecto al plano del instrumento. Los medios de
dirección están dispuestos en la trayectoria del haz entre el láser
y el cuerpo reflectante, y están diseñados para dirigir el haz láser
dentro del área, de acuerdo con una dirección preseleccionada del
haz reflejado. Los medios de direccionado del dispositivo comprenden
un modulador espacial de luz (SLM), cuyo modelo de desplazamiento de
fase determina el ángulo de modulación del haz láser desde el
modulador de luz.
El modelo de desplazamiento de fase del modulador
de luz altera el ángulo de modulación al desplazar la fase en
diferentes puntos, según la sección transversal del haz en
diferentes magnitudes que dependen de la modulación deseada del haz.
Por ejemplo, se pueden utilizar placas de vidrio sometido a ataque
químico para alterar el frente de la fase de un haz láser. Estas
placas modeladas o dotadas de dibujo son las llamadas
"kinoforms".
El cuerpo reflectante puede tener una serie de
formas distintas. Al permitir que el haz de rayos láser efectúe
barrido sobre la superficie envolvente de un cono o un tronco de
cono, es posible reflejar el haz de rayos láser en el espacio
circundante dentro de un área que, desde la superficie envolvente en
el plano del instrumento, comprende un bucle circular así como un
intervalo de ángulo de aproximadamente \pm 45º con respecto al
plano del instrumento. Esta posible área de reflexión puede ser
conseguida sin tener que girar el propio láser. Aproximadamente la
misma área de reflexión podría ser obtenida utilizando un cuerpo
reflectante, esencialmente hemisférico. Esta área reflectante podría
ser algo más grande utilizando cuerpos reflectantes con otras
formas, por ejemplo, un cuerpo reflectante de forma parabólica o una
lente de gran ángulo.
Es preferible que el mecanismo de dirección
contenga alguna unidad de cálculo dispuesta para calcular la
dirección del haz con respecto a la dirección preseleccionada, y
también para calcular los ajustes del modelo de desplazamiento de
fase del modulador de luz de manera correspondiente. También sería
preferible que se calculara el modelo de desplazamiento de fase, de
manera que se consiga el apuntado en la dirección escogida sin
ninguna pérdida significativa de intensidad.
El límite de la velocidad de actualización de
imágenes del modulador de luz es aproximadamente 10 kHz. Por lo
tanto es posible, con ayuda de un modulador de luz espacial, dirigir
el haz láser hasta 10.000 direcciones por segundo en cualquier lugar
dentro del área antes mencionada. La utilización de un modulador de
luz espacial significa que ninguno de los componentes del
dispositivo contiene piezas móviles, facilitando una expectativa de
vida muy larga del dispositivo y bajos costes de fabricación y de
mantenimiento.
Mediante la utilización del modulador de luz
antes mencionado, es posible guiar el haz de manera tal que inhiba
la divergencia de haz en el cuerpo reflectante. La unidad de cálculo
está dispuesta para dar instrucciones al modulador de luz para
reconformar el frente de la onda del haz láser, de manera que se
evite la aparición de divergencia del haz.
Para aplicaciones en ambientes expuestos a
movimiento y vibración puede ser de considerable ventaja que el
elemento láser, modulador de luz y órgano reflectante estén todos
ellos firmemente fijados en un sistema conjuntamente con un
dispositivo de detección de movimiento, tal como un dispositivo
giroscópico. En esta realización, al calcular la dirección del haz,
el mecanismo de dirección está diseñado para compensar el movimiento
en el sistema detectado por el dispositivo giroscópico. El sistema
puede ser estabilizado, por lo tanto, sin necesidad de partes
móviles, tales como una mesa rotativa o de estabilización. Esto
produce considerables ahorros de costes en el diseño, fabricación y
mantenimiento.
La figura 1 es una representación esquemática de
un ejemplo de un sistema basado en la invención.
La figura 2 es una representación esquemática de
un sistema alternativo basado también en la invención.
La figura 3 muestra un ejemplo de un espejo
insertado en el sistema mostrado en la figura 1.
La figura 4 muestra un ejemplo de un receptor por
el sistema mostrado en la figura 1.
En la figura 1, el elemento láser se ha indicado
con el numeral (1), y el modulador espacial de luz SLM, situado en
la trayectoria del haz (12) desde el láser (1), mediante el numeral
(2). Un espejo, indicado con el numeral (3), está colocado de manera
tal que haga posible guiar el haz de rayos láser a través de aquél
con intermedio del SLM (2). En este ejemplo, el espejo (3) está
diseñado en forma de superficie envolvente de un cono truncado
circular. El elemento láser (1), SLM (2) y espejo (3) están fijados
firmemente a una distancia definida entre sí, a efectos de impedir
cualquier movimiento de uno con respecto a otro. De este modo, el
haz procedente del láser (1) choca siempre con el SLM (2) con el
mismo ángulo. Se debe indicar que el término radiación láser se
refiere, en esta descripción, tanto a un flujo de luz no
interrumpido como a un flujo pulsante.
El diseño de un SLM (2) no se explicará en
detalle, pero se deben mencionar algunas de sus características más
importantes a efectos de comprensión. El SLM puede ser utilizado
para alterar la fase de la luz láser perpendicular a la dirección
longitudinal del haz a efectos de enfocar, desenfocar o alterar el
haz de otro modo. Una característica importante es que el frente de
onda del haz que choca con el SLM (2) puede ser dirigido en
alejamiento, con un ángulo distinto que el obtenido por reflexión en
la superficie del SLM (2). Se ha demostrado que es posible disponer
en ángulo o dirigir haces hasta 30º en alejamiento de la dirección
de reflexión planificada por alteración de la fase del haz. De esta
manera es posible dirigir la radiación láser desde el SLM (2) a un
área definida como un cono, con el SLM (2) en el vértice del cono y
la superficie reflectante del espejo (3) en la base o fondo del
cono, determinándose el ángulo de inclinación del cono por el ángulo
de modulación máximo (a) utilizado. Dado que el haz es dirigido por
desplazamiento de fase, el volumen de la energía del haz entrante
será dirigida en ángulo, alejándose de la dirección planificada
facilitada por el modelo de fase del SLM que se describirá más
adelante. Con ángulos de modulación (\alpha), que llegan hasta
30º, queda muy poca intensidad en el haz de rayos láser. Es más
realista, en este momento, utilizar ángulos de modulación (\alpha)
que llegan a 4º, de manera que se consigue una resolución muy buena.
De manera breve, los ángulos dentro del área de ángulo modulado
utilizados son cambiados por el hecho de que la superficie del SLM
está dotada de un dibujo (el dibujo o modelo de fase antes
mencionado), que desplaza la fase en diferentes magnitudes en
diferentes puntos en la sección transversal del haz, dependiendo de
la modulación deseada del mismo. Por ejemplo, se pueden utilizar
placas de cristal sometidas a ataque químico para alterar el frente
de la fase en un haz de rayos láser. Estas placas con dibujo se
llaman "kinoforms".
Tal como es evidente por la descripción anterior,
el espejo (3) en forma de cono está situado con su parte superior
truncada en la parte media del haz (9) para contrarrestar cualquier
reflexión no deseable en la superficie del SLM (2). En un ejemplo,
en la parte superior del cono truncado (10), existe una trampa o
retención de luz en forma de un material absorbente de la luz láser
para la absorción de la reflexión no deseada. Con la superficie
envolvente reflectante del espejo, situada simétricamente alrededor
de la trayectoria del haz reflejada no deseable (9), se hace posible
la reflexión en la superficie envolvente del espejo según el modelo
predeterminado al dirigir el haz desde el SLM. Por ejemplo, el haz
procedente del SLM es dirigido de manera que alcanza la superficie
envolvente en un radio (11), de manera tal que el haz reflejado
desde el espejo hace un barrido de 360º en una dirección
perpendicular al eje del espejo de simetría (equivalente a la
trayectoria (9) del haz). Después de ello, el plano en el que se
encuentra el radio (11) se indica como plano del instrumento de
espejo. Dependiendo del ángulo máximo de modulación del SLM
(\alpha), el gradiente de la envolvente de la superficie del
espejo y distancia con respecto al SLM, el haz se puede hacer
incluso que efectúe barrido hacia arriba y hacia abajo con respecto
al plano del instrumento de espejo. Con el espejo en forma de cono
de la figura 1 es posible que el haz efectúe barrido hacia arriba y
hacia abajo aproximadamente en \pm 45º con respecto al plano del
instrumento. Cuando se utiliza un cono muy corto, el haz puede
efectuar el barrido hacia arriba y hacia abajo solamente en unos
pocos grados desde el plano del instrumento. En otro caso,
utilizando un cono dividido a lo largo del eje simétrico del espejo,
es posible que el haz efectúe un barrido por ejemplo de 180º o
90º.
Una unidad de cálculo (4), por ejemplo un
ordenador personal (PC), está conectado al SLM (2) y está diseñada
para influir en el ajuste del modelo de fase del SLM (2). El PC (4)
está equipado con software para introducir información del usuario
para dirigir el haz de rayos láser a un objetivo en el espacio (por
ejemplo, indicado por sus coordenadas), o a una dirección del
espacio (por ejemplo, por medio de ángulos). El software contiene
instrucciones para calcular la forma en la que el haz procedente del
SLM (2) debe ser dirigido a efectos de conseguir un haz reflejado,
dirigido de acuerdo con la acción de entrada del usuario, así como
las instrucciones para ajustar el modelo de fase del SLM de manera
correspondiente. Para los especialistas en esta técnica, es evidente
la forma en la que se realizan estos cálculos y la forma en que se
pueden implementar en el software. Cuando se introducen secuencias
largas de información, por ejemplo cuando se dirige el láser a
varios objetivos uno después de otro, o cuando se hace que el haz
lleve a cabo movimientos de barrido en una área determinada, es
posible actualizar la dirección del haz reflejado en el espejo con
un alto nivel de frecuencia. Dado que es habitualmente posible el
funcionamiento del SLM con una velocidad de actualización de
imágenes mínima de 10 kHz (es decir, 10.000 modelos de fase por
segundo), resulta posible actualizar el ángulo de modulación del haz
(\alpha), a partir de ello con una frecuencia que llegue hasta 10
kHz, siempre que la capacidad del PC y/o interfaz entre el PC y SLM
sea suficientemente elevada.
En el caso en el que la capacidad del PC no se
adapta a cálculos en tiempo real del aspecto del modelo de fase para
cada ángulo, entonces el modelo de fase puede ser calculado de
antemano para una serie de ángulos, de los cuales se pueden
interpolar las posiciones intermedias en tiempo real. Se debe
recordar que un determinado modelo de fase en un SLM dirige
solamente la luz láser de manera efectiva dentro de una cierta
longitud de onda. Diferentes longitudes de onda láser requieren, por
lo tanto, el cálculo de diferentes modelos de fase.
En un ejemplo, el PC (4) contiene instrucciones
de programa diseñadas para influir en el modulador de luz a efectos
de reconformar el frente de onda del haz láser, a efectos de evitar
que ocurra divergencia del haz en la reflexión en el espejo. Los
expertos en esta materia comprenderán fácilmente la forma en la que
se pueden implementar estas instrucciones.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, el láser
(1), el SLM (2) y el espejo (3) están todos fijados en un sistema
junto con un dispositivo giroscópico (5). El PC (4) está conectado
al dispositivo giroscópico (5) y dispuesto con intermedio de un
interfaz (no mostrado) para recibir datos relativos a movimientos
del sistema con intermedio del dispositivo giroscópico. En el
cálculo de los ajustes del SLM, los movimientos del sistema son
detectados por lo tanto y compensados de manera que el haz
procedente del sistema está dirigido en un punto determinado del
espacio, con independencia del movimiento del sistema. Es evidente
para un experto en la materia la forma en la que esto se podría
implementar en el software.
En el ejemplo mostrado en la figura 1, el espejo
(3) está diseñado en forma de cono truncado. Los expertos en la
materia reconocerán fácilmente que espejos conformados en una serie
de otras formas distintas podrían ser también utilizados sin quedar
fuera del ámbito de la invención, tal como se ha indicado en los
dibujos adjuntos, por ejemplo, el espejo hemisférico (3) en el
ejemplo mostrado en la figura 2. Tal como se ha descrito
anteriormente, incluso espejos cuyas superficies reflectantes
constituyen parte de una revolución circular, tal como un
semicírculo o cuarto de círculo, quedan también incluidos. Tal como
se ha mencionado anteriormente, es posible, por medio de un espejo
conformado como superficie envolvente cónica, reflejar el haz de
láser al espacio dentro de un área definida por el plano del
instrumento del espejo y un intervalo de ángulo de unos \pm 45º
con respecto al plano del instrumento y cuya longitud está
determinada por la potencia de la luz de láser. Sería posible
conseguir aproximadamente la misma área reflectante con un espejo
hemisférico (3). También sería posible fabricar otros espejos o
lentes reflectantes, cuyas formas son optimizadas para incrementar
la anchura del diagrama de radiación antes mencionado.
El numero (6) de la figura 3 indica un espejo
convexo que, en una realización alternativa, está situado entre el
SLM (2) y el espejo (3), y se hace referencia al mismo en este caso
como espejo intermedio. Es apropiado introducir este espejo
intermedio (6) en el sistema, en una situación en la que el ángulo
máximo modulado (\alpha) del SLM (2) se considera
insuficiente.
El sistema antes mencionado es adecuado para una
amplia gama de aplicaciones. En un caso se utiliza como elemento de
direccionado de un láser que tiene la capacidad de direccionado o
apuntado hasta 10.000 objetivos por segundo lateralmente en 360º, y
con un espejo bien conformado de -45 a 60º verticalmente. En una
realización adicional, el sistema es utilizado como láser de grandes
dimensiones. Es incluso posible utilizar el sistema como buscador de
alcance o radar basado en láser. Para estas aplicaciones es
necesario que se incorpore en el sistema un dispositivo
receptor-sensor. El ejemplo de la figura 4 muestra
un dispositivo receptor-sensor (7), montado por
debajo del espejo (3), con los sensores (8) dispuestos en forma de
anillo.
Dado que los ajustes del SLM pueden ser cambiados
con rapidez, es posible desmontar de manera rápida el haz del
sistema, a efectos de tratar muchos objetivos al mismo tiempo y/o
utilizar varios láser que funcionen, por ejemplo, a frecuencias
separadas.
En los ejemplo anteriormente mencionados, el SLM
se ha mostrado en una realización reflectante. La invención no está
desde luego limitada a esta realización. En una realización de
transmisión del SLM se coloca un láser directamente por debajo del
espejo (3) con el SLM dispuesto entre el láser (1) y el espejo
(3).
Claims (6)
1. Dispositivo láser que comprende un elemento
láser (1), un cuerpo reflectante (3) y un dispositivo de
direccionado (2, 4) para direccionar el haz láser a través de dicho
cuerpo reflectante (3) que, a su vez, está diseñado para reflejar
dicho haz láser, de manera que es dirigido al espacio circundante
dentro de un área que, desde el cuerpo reflectante (3) y en un plano
(11) del instrumento que corta el cuerpo reflectante cubre, como
mínimo, una parte de una revolución circular, así como un intervalo
de ángulo de aproximadamente \pm 60º con respecto al plano del
instrumento, y dicho dispositivo de direccionado (2, 4) está
dispuesto en la trayectoria del haz láser, entre el elemento láser
(1) y el cuerpo reflectante (3), y están dispuestos para dirigir el
haz láser dentro de dicha área de acuerdo con una dirección
preseleccionada del haz láser reflejado desde dicho cuerpo
reflectante, de manera que los medios de dirección comprenden un
modulador de luz espacial (2), cuyo modelo de desplazamiento de fase
determina el ángulo de modulación del haz láser desde el
modulador.
2. Dispositivo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el cuerpo reflectante (3) tiene
esencialmente forma cónica.
3. Dispositivo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque el cuerpo reflectante (3) tiene
esencialmente forma hemisférica.
4. Dispositivo, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios
de dirección (2, 4) comprenden una unidad de cálculo (4), conectada
operativamente a un modulador de luz (2) y dispuestos para calcular
el ajuste del modelo de desplazamiento de fase del modulador de luz
(2), a partir de la dirección preseleccionada.
5. Dispositivo, según la reivindicación 4,
caracterizado porque la unidad de cálculo (4) está dispuesta
para dar instrucciones al modulador de luz (2) para reconformar el
frontal de la onda del haz láser, a efectos de evitar la aparición
de divergencia de haz en el cuerpo reflectante (3).
6. Dispositivo, según la reivindicación 1,
caracterizado porque, como mínimo, el elemento láser (1), el
modulador de luz (2) y el cuerpo reflectante (3) se encuentran todos
fijos en un sistema junto con un dispositivo detector de movimiento
(5), preferentemente un dispositivo giroscópico, de manera que, al
calcular la dirección del haz, la unidad de cálculo (4) funciona
para compensar los movimientos del sistema detectados por medio del
dispositivo giroscópico(5).
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