ES2241779T3 - Dispositivo laser. - Google Patents

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.

Sector técnico al que pertenece la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo láser destinado a controlar la dirección de un haz de luz procedente de un láser.

Estado de la técnica

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.

Descripción de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Ejemplos de las realizaciones

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).