לייזר אוטקולימציה ותיאום כוונות

אורן אהרון CTO, דומא אופטרוניקה

טכנולוגיות מודרניות מתאפיינות במורכבות קיצונית והעובדה שמערכת אחת נבנית על ידי שילוב של מספר טכנולוגיות יחד. מערכת טיפוסית עשויה לשלב טכנולוגיות כגון מכניקה מדויקת, לייזרים, מערכות אופטיות, מחשבים, אלקטרוניקה ואריזה. המאמר הנוכחי יתמקד במספר היבטים של יישור בין לייזרים, מערכות ראייה, אופטיקה ובעיבוד שבבי מדויק ביותר.

יישור מושג על ידי טכניקות חדשות הכוללות אוטוקולימאטור אלקטרוני מדוייק ומדידות חדשניות של יושר לייזר. מכשיר האוטוקולימאטור החדשני מורכב משני מכשירים הממוזגים ליחידה אחת, אחד אוטוקולימאטור אלקטרוני והשנייה היא מערכת לניתוח פרופיל של קרן לייזר. שילוב זה עם אופטיקה נוספת יהיה מאוד שימושי עבור יישום תיאום כוונות בין מערכת ראייה אופטית ומערכות לייזר. היבט נוסף של מאמר זה יהיה, שימוש בלייזר ביישומי יישור תעשייתי ספציפיים. אפקט היישור מושג על ידי מכשיר שתוכנן במיוחד, ה-Alingmeter.
שניים מהיתרונות החשובים ביותר של לייזרים על מקורות אור אחרים היא היכולת שלהם להתפשט על פני מרחקים ארוכים מבלי להתבדר באופן משמעותי (כלומר, להיות מאוד מקולמטים), והיכולת שלהם לנוע בקווים ישרים מושלמים ללא כל סטייה (בהנחה שאין מערבולת אוויר משמעותיות). הדרך הקלה ביותר לאפיין סטייה בין קו לייזר מושלם וגוף מכאני היא בעזרת מכשיר מדידה המסוגל למדוד את מיקום האלומה והזווית של קרן הלייזר הנכנסת אליו.

תיאור של ה-Laser Autocollimator
אוטוקולימאטורים מהדור הנוכחי הם מכשירים בעלי דיוק גבוה למדידת שינוים זוויתיים בעזרת החזרים. יישומים עיקריים הם משימות כיול ומדידה באופטיקה ובהנדסת מכונות.
אוטוקולימאטור מקרין תבנית של תחריט לאינסוף על ידי עדשה טלסקופית. מראה המוצבת בנתיב ההתפשטות האופטית תשקף חזרה את התבנית חזרה למפתח העדשה של המכשיר.
אלומת האור המוחזרת יוצרת את תמונת הקולימציה אשר נצפית על ידי המשתמש באמצעות עיינית.
השם אוטוקולימאטור נגזר מהעובדה שאותה העדשה הטלסקופית משמשת להקרנת התמונה ולאיסוף ההשתקפות המוחזרת שלה מרכיב המראה.
השינוי במיקום של תמונת הקולימציה ממרכז הצלב בשני הכיוונים x ו-y הוא פרופורציונאלי לזווית ההטייה של המראה.
בגלל חוקי ההחזרה הזווית הנמדדת כפולה מזווית הסטייה של המראה, עקב כך אוטוקולימאטורים מכוילים להראות את מחצית הזווית של סך הסטייה של הקרן הנכנסת. כאשר המראה נמצאת בניצב לציר האופטי התבנית החוזרת מוחזרת באותו מסלול בו היא מוקרנת והתמונה המוצגת תהיה ממורכזת בדיוק.
היישומים מחולקים באופן גס לשני תחומים – אופטיקה והנדסה מכנית.
כמה דוגמאות טיפוסיות יבהירו את השטחים העיקריים של היישומים ואת התועלת של הטכנולוגיה בת המאה הזו.
היישומים הנפוצים בתחום האופטי הם:
בדיקה של מקביליות של משטחים אופטיים של טריז או חלונות אופטיים
בדיקה של אלמנטים מנסרתיים
מדידה יחסית של שגיאה זוויתית של מנסרות
בדיקה של אוביקטים של מצלמה
מדידה של רדיוס קעור ושל משטחים כדוריים קעורים
מדידה של שגיאת מירכוז
יישומים בהנדסת מכונות:
מדידה של מקביליות של שני משטחים
מדידה של מקבילות בין שתי רולרים
מדידה של גילגול ועילרוד של מוליכים מכאניים
מדידה של זווית גילגול
מדידה של ישרות
מדידה של שטיחות
פיתוחים בתחום הלייזר יצרו צורך ביישור מדויק של קרן לייזר לבסיס המכני שלה. יישומים אחרים רבים דורשים יישור של קרן הלייזר לחלל האופטי שלה או לאלמנטים אופטיים אחרים. לייזרים נמצאים לעתים קרובות בתחומים דומים כמו אוטוקולימאטורים כגון מדידות יושר, יישור מכונה ומדפסות מיטה רחבה.
יישור של לייזרים לנתון אופטי או מכאני, תוך התאמת זווית סטיית לייזר לאורך הציר האופטי תשפר את הביצועים האופטיים של מערכות לייזר רבות.
המכשיר החדש מבוסס על אוטוקולימאטור אלקטרוני בשילוב עם מאבחן קרן לייזר.
הטכנולוגיה המוצגת מאפשרת שילוב הנתונים של האוטוקולימאטור עם מידע על קרן לייזר נכנסת, כדי להגדיל את הביצועים הכוללים ואת היישומים האפשריים. מדידת סטיית קרן לייזר בהשוואה לציר המרכזי של האוטוקולימאטור מאפשרת יישור מורכב של לייזרים למישורים אופטיים או מכאניים נתונים.

תיאום כוונות של לייזר עם כוונות אופטיות שונות
עניין מיוחד הוא היישור של שניים או יותר קווי ראיה, אחד ממקור לייזר והשני ממצלמה אחת או יותר, עם מרחק פרלקסה משמעותי בין המכשירים. נתייחס למצב זה כבעיית תיאום כוונות וננתח את הפתרון באמצעות המכשיר החדש, Laser Autocollimator.
תיאום כוונות מוגדר במקור כהתאמה שבוצעה בכדי ליישר בין כוונת אופטית לקנה הנשק. מכשיר שנקרא בורסייטר או קולימאטור משמש כדי להשיג את המטרה. המכשיר מורכב מראש אופטי ומתאם בקוטר הקנה הדרוש, אשר מוכנס לתוך הלוע של הרובה. על ידי התבוננות ביעד חיצוני, פעם אחת בעזרת הראש האופטי ושנית באמצעות כוונת הנשק, אפשר להתאים את השניים, כך ששניהם יצביעו לאותו היעד.
Boresighting מסורתי, כפי שהשם מרמז (ראיה=sight), כרוך בהתאמה של כוונת הרובים לקנה באמצעות יעד נקודה חיצוני קבוע. שיטה מודרנית יותר של boresighting היא להשתמש בלייזר לסימון נקודה על היעד החיצוני ולא על ידי בדיקה חזותית שלה. שיטה זו עדיפה בגלל ההתאמה דרך כוונת הנשק הנעשית על ידי תצפית אחת בלבד.
ככל שטכנולוגית הלייזר הפכה פחות יקרה, תיאום כוונות עם לייזר הפך להיות פופולרי לאיפוס כוונות ברובים.
לעתים קרובות המושג תיאום כוונות מושאל ליישומים של יישור קווי ראיה ללא קשר לנשק, יישור של לייזר לקו ראייה, או קו ראיה לקו ראיה. לכל היישומים הללו תכונה משותפת עם היישום המקורי, העובדה כי יש צורך ביעד חיצוני מרוחק על מנת לבצעם.
המטרה של המכשיר החדש ה-Laser Autocollimator היא לאפשר יישור של לייזרים לצירים מכאניים או כוונות חיצוניות ללא צורך ביעד חיצוני מרוחק, וכל זאת ברמת דיוק גבוהה ואמינות.
כדי לאפשר את המטרה יש צורך בשתי טכנולוגיות; שימוש בפריסקופ מדוייק ושימוש במכשיר ה-Laser Autocollimator.
ההתקדמות שחלה באחרונה בטכנולוגיות עיבוד שבבי בעזרת יהלומים מציעה את היכולת של ייצור פריסקופ מחתיכת מתכת אחת עם דיוקים גבוהים מאוד.
יכולת ייחודית מסוג זה מוצעת בישראל על ידי חנוך לבנון בע”מ, חברה המתמחה בעיבוד שבבי מתוחכם והממוקמת בחיפה.
באיור מעלה מוצגים שני תאורים סכמטיים המתארים שני יישומים, אחד היישור בין הלייזר וקו ראייה אופטי והשני בין ציר מכני, לייזר וקו ראיה. שני היישומים (באיור לעיל) דורשים את השימוש ב-Laser Autocollimator ומכשיר בעל שמורה אופטית שיגשר על הפראלקסה שבין הלייזר ושאר קווי הראיה.
שמורה אופטית מתייחסת למכשיר אופטי שמשאיר את ההקבלה בין הקרינה הנכנסת והיוצאת דרך פתחיו, ללא קשר לנטייה המכנית של המכשיר. המכשירים הידועים ביותר בתחום זה הם פריסקופים אופטיים ומחזירי רטרו.
בדוגמאות הבאות יישום תיאום הכוונות הוא בין מערכות עם פרלקסה של כ-20 ס”מ ובהתאם פריסקופ הקיזוז האופטי הוא במפתח 10 ס”מ.
הליך תיאום הכוונות מתבצע בשני שלבים.
בשלב הראשון הפריסקופ מוצב בכדי לבטל את הפרלקסה בין הלייזר והלייזר-אוטוקולימאטור. באמצעות כפתורי הכוונה מכאניים מובנים ה-Laser Autocollimator מוכוון להתאים לכיוון הלייזר. ההתאמה מתבצעת הן בציר של העילרוד והן בציר של הסיבסוב.
בשלב זה מסובבים את הפריסקופ ב-180 מעלות כדי לבטל את הפרלקסה בין קו הראייה והלייזר-אוטוקולימאטור. כעת יוקרן הצלב המובנה של האוטוקולימאטור לקו הראיה ובעזרתו יותאם קו הראיה כך שהצלב המוחזר יהיה ממורכז במדויק.
הליך זה יביא לתיאום מושלם בין קו הראיה לכיוון הלייזר. אם דרושה זווית קטנה לקיזוז בין השתיים אפשר בקלות לעשות גם זאת באמצעים הנ”ל.
בגלל ההגדרה המיוחדת של ה-Laser Autocollimator המפתח היעיל ליישומי תיאום כוונות הוא 200 מ”מ, המפתח היעיל היא פונקציה של אורכו של הפריסקופ שבשימוש.
ביישום השני הדרישה הבסיסית היא להביא את הלייזר ואת קו הראיה להיות מתואמים עם ממשק הרכבה מכאני.
ביישום זה ה-LAA ייושר תחילה למשטח מראה המייצג את הממשק המכני. אז יורכב הפריסקופ בכדי לבטל את הפרלקסה בין הלייזר וה-LAA, כך תתאפשר התאמה של הלייזר ל-LAA, בהמשך בדרך דומה כפי שהוסבר מתאימים את קו הראיה ל-LAA. הליך זה יבטיח יישור מושלם בין הממשק המכני לאמצעים האופטיים שלו.
ביישומי תצפית נושא הדיוק וההיתכנות הסופית הוא קריטי. טכנולוגיה חדשה זו משיגה תוצאות טובות יותר בזמן קצר יותר וללא הצורך של מטרות חיצוניות, מה שמאפשר ליישר בצורה מושלמת קווי ראיה של חיישנים ולייזרים שונים. עד כה המערכת עובדת היטב עם לייזרים מתחום ה-UV ללייזרים בתחום התקשורת וכאלה הבטוחים לעיניים של 1550 ננומטר, למרות שטכנולוגיה זו יכולה להיות מופנית בהמשך לאורכי גל ארוך יותר.

יושר ויישור מכאני כללי באמצעות Alignmeter
באופן כללי, לייזר משמש ליישור על ידי כך שהופכים אותו למקביל לנקודות התייחסות מסוימות או לנתון בסיס מסויים ובאמצעות מדידה של חריגות מנקודות אלו על מטרה. ליושר ויישור לאורך קו ההתייחסות הטבעית תהיה קו לייזר בשילוב עם מכשיר רגיש מיקום לקריאת הוריאציות.
הלייזר מזוהה, או מייורט, על ידי גלאי מיקום חישה (PSDs). מרכז האנרגיה של הלייזר במקום מזוהה ומומר לאות חשמלי שפרופורציונאלי למיקומו על פני השטח של החיישן. תוך שימוש במגוון של צגים או ממשק מחשב לשימוש עם תוכנה קניינית, האות מומר לקריאה מכוילת.
על מנת לבצע מדידות יושר יש צורך גם בכיוון הנכנס של קרן הלייזר יחסית לציר האופטי של המערכת. ה-Alignmeter המוצע על ידי דומא אופטרוניקה עושה בדיוק את זה על ידי שילוב של שני גלאים למכשיר אחד.
עבור יישומי מדידת דיוק קו ישר של לייזר, מדידת יושר קורה, יישור כמה קטעים מכאנים לתווך אחד, נדרשות שתי נקודות התייחסות.
את היישור של רכיבים מכאניים כדוגמת מוליכים מכאניים, או בדיקה של יושר תנועה מכנית ניתן לבדוק עם ה-Alignmeter רכוב ולייזר על בסיס. ה-Alignmeter מועבר צעד אחר צעד לאורך המוליך הנועד להימדד.
אם בסיס ה-Alignmeter מוטה או נע בכיוון רוחבי בגלל חוסר בישרות של המוליך, אז זווית ההטיה והתנועה לרוחב תימדד. דיוק המדידה תלוי במספר נקודות המדידה לאורך הקו.
יישום דומה מנקודת מבט של המדידה הוא הרכבת דרך ישרה הבנויה מחלקים בדידים.
למרות הדמיון מנקודת מבט של המדידה זו היא למעשה טכנולוגיה מכאנית המהווה יתרון, היא מאפשרת בניית דרך ישרה מדויקת וארוכה מכמה חלקים נפרדים, בכך ניתן לפשט באופן משמעותי את הייצור וההובלה ובמקביל לאפשר את בניית הדרך ברמת דיוק גבוהה באתר עצמו.
כל יישום הכרוך בבנית דרך מכנית ארוכה חווה את אותה בעיה, האם לייצר את הקורה המכנית הארוכה מיחידה בודדת או מכמה חלקים.
ייצור יחידה בודד דורש עיבוד שבבי במכונות גדולות ובדיוק מאוד גדול ומציב אתגרים מיוחדים בנושא תעבורה והרכבה סופית.
מצד שני, ייצור המבוסס על חלקים והרכבה למסילה אחת ארוכה בשלב מאוחר יותר, הוא בעל יתרונות רבים מנקודת מבט של הייצור, אך מהווה אתגר גדול מבחינת דיוק והרכבה סופיים.
על ידי שימוש ב-Alingnmeter (ראו איור לעיל) ניתן לייצר את הדרך המכנית הישרה מחלקים ולאחר מכן להרכיבה ברמת דיוק גבוהה כדי ליצור יחידה בודדת מאוד מדויקת.
היתרונות של גישה זו ברורים מאליהם. העיבוד יכול להיות מבוצע על מכונות מדויקות וקטנות יותר, ההובלה והרכבה קלים יותר ומדויקים יותר, שכן רמת הדיוק נבדקת בזמן אמת.
הרעיון של שימוש בלייזרים בשילוב עם מדידת דיוק גבוהה של המיקום והזווית לבדיקת ישרות של קורה בזמן אמת, נראה במבט הראשון פשוט, אבל היישום במכשיר מדידה קומפקטי אחד מאפשר פיתוח אפשרויות יישום חדשות.

מסקנות
הפיתוח והיישום של מיכשור מדידה ברמת דיוק גבוהה ושילוב בין ניתוח לייזר ואופטיקה מסורתית יאפשר התקדמות משמעותית בתחום תיאום הכוונות ללא מטרה מרוחקת ובתחום יישור מכאני מדויק.
גישות חדשות ליישור וללייזרים בשילוב עם עיבוד שבבי בעזרת יהלומים של מכלולים אופטיים מורכבים, תוביל להרכבה נכונה ומדויקת של המכניקה, הלייזרים והאופטיקה.
תהליך היישור ותיאום הכוונות המוצגים יאפשרו תוצאות יוצאות דופן למשתמשים תעשייתיים עם הליכי אימות בזמן אמת.