레이저 스캐닝이란 무엇입니까?
레이저 스캐닝은 제품 바코드 판독, 레이저 조명 쇼 투사, 차체 용접 등 표면을 가로질러 레이저 빔을 이동시키는 것입니다. 개념적으로는 단순하지만 레이저 스캐닝에 사용되는 실제 기술은 상당히 정교할 수 있습니다.
우리 모두는 레이저 스캐닝을 자주 접하게 됩니다. 매장에서 물건을 구매할 때 제품 바코드에 레이저 빔을 통과시키는 기술입니다. 그러나 레이저 스캐닝은 그보다 더 다양한 방법으로 사용됩니다. 실제로 스캐닝 애플리케이션은 매우 다양하여 세 가지 주요 범주로 분류하는 것이 유용합니다.
목적 |
프로세스 |
일반 응용프로그램 |
데이터 수집 및 이미징 |
레이저는 크기, 모양, 공간 위치, 공간 방향, 색상, 색상 변화, 표면 질감, 화학적 구성 등 물체의 물리적 특성을 결정하는 데 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 레이저 빔은 표면이나 볼륨 내에서 스캔됩니다. 그런 다음 투사된 레이저 패턴을 이미지화하거나 반사, 산란 또는 형광을 통해 반사된 빛을 감지하고 분석하여 원하는 정보를 도출합니다. |
바코드, QR 코드, 데이터 매트릭스 코드 등을 읽습니다. 컨베이어 벨트에서 이동하는 제품의 물리적 치수를 측정하여 사양을 벗어난 제품을 식별합니다. 이동하는 차량에서 LIDAR를 수행하기 위해 풍경 위로 레이저 빔을 스캔합니다. 크기별로 등급을 매기거나 부적합 제품을 식별하기 위해 컨베이어 벨트를 따라 이동하는 식품(예: 새우 또는 견과류)을 이미지화합니다. 치아나 건물 내부와 같은 실제 물체를 스캔하여 정확한 컴퓨터 모델 생성 레이저 빔이 현미경을 통해 샘플에 투사되고 스캔되어 이미지를 생성하는 공초점 현미경 의료 영상용 광학 간섭 단층 촬영(OCT) 반도체 웨이퍼 검사 |
데이터 쓰기 및 표시 |
레이저 빛은 정보를 표시하거나 패턴이나 이미지를 생성하는 데 사용됩니다. 이를 달성하기 위해 레이저 빔은 강도가 변조되면서 표면 위나 볼륨 내에서 이동합니다. |
레이저 프린터에서 회전하는 광전도 드럼을 스캔하는 중 레이저 조명 쇼 및 간판 건설 및 측량용 레이저 정렬 게이지 |
재료 처리 |
레이저는 공간적으로 다양한 방식으로 재료를 물리적으로 변환(절단, 용접, 절제, 용융 등)하거나 영향을 주는(어닐링, 색상 변경, 열 등) 데 사용됩니다. 이것은 강도가 변조되는 동안 레이저 빔을 표면 위로 또는 볼륨 내에서 이동함으로써 수행됩니다. |
마킹 용접 절단 중 조각 열처리 클래딩 |
방금 나열된 용도는 레이저 스캐닝 응용 프로그램의 일부에 불과하며 기술적 요구 사항이 매우 다양합니다. 여기에는 스캔 속도, 처리해야 하는 영역 또는 부피의 크기, 관련 레이저 전력, 스캐너의 비용, 크기, 신뢰성 및 수명 등과 같은 매개변수가 포함됩니다. 이러한 응용 분야의 다양한 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 스캐닝 기술이 개발되었습니다.
대부분의 응용프로그램은 검류계 거울, 다각형 거울 또는 음향광학 편향기의 세 가지 스캐닝 기술 중 하나를 사용합니다. 각각의 작동 방식과 작동 및 실제 특성을 살펴보는 것이 좋습니다.
검류계 스캐너
검류계 스캐너는 자유롭게 회전할 수 있는 샤프트에 장착된 거울로 구성됩니다. 샤프트에는 자석이 장착되어 있습니다. 샤프트는 코일 내에 매달려 있습니다. 코일에 전기를 가하면 샤프트(및 거울)가 회전합니다.
작업의 성격에 따라 검류계 스캐너는 종종 쌍으로 사용됩니다. 특히 이 경우 스캔 방향이 서로 직각을 이루도록 장착됩니다. 이를 통해 레이저 빔이 평면의 모든 지점에 도달할 수 있습니다. 많은 응용 분야에서 F-세타 렌즈와 같은 특수 스캔 광학 장치를 사용하여 최종 표면에 빔의 초점을 맞춥니다.
그림 1. 검류계 스캐너는 2D 스캔 패턴을 생성하기 위해 쌍으로 사용되는 경우가 많습니다.
검류계 스캐너는 움직임을 컴퓨터로 즉시 제어할 수 있으므로 작동 유연성을 제공합니다. 쌍으로 사용하면 상대적으로 큰 스캔 각도(일반적으로 최대 ±20°)에 걸쳐 2D 벡터 패턴을 생성할 수 있습니다. 큰 빔 크기를 수용하기 위해 큰 거울과 함께 사용할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 조명 쇼, 재료 마킹 및 용접, 생물의학 및 안과 이미징, 공초점 현미경, 레이저 보조 의료 치료와 같은 응용 분야에 이상적입니다.
다각형 스캐너
다각형 스캐너의 핵심 요소는 다각형 모양의 구성 요소입니다. 가장자리는 연마되고 코팅되어 거울이 됩니다. 이 다각형 거울은 모터 샤프트에 장착되어 빠르게 회전합니다. 이를 통해 레이저 빔을 한 방향으로 빠르게 스캔할 수 있습니다.
검류계 스캐너와 마찬가지로 다각형 스캐닝 시스템은 종종 특수 스캔 광학 장치를 활용합니다. 레이저 빔이 좁은 직선 경로를 따라서만 통과하기 때문에 이러한 광학 장치가 길고 얇은 줄무늬로 제작되는 것은 드문 일이 아닙니다. 이는 스캐닝 시스템의 크기와 무게를 크게 줄여줍니다.
그림 2. 다각형 스캐너는 레이저 빔을 한 방향으로 빠르게 이동할 수 있습니다.
다각형 스캐너는 고속의 단방향 스캔이 필요한 응용 분야에 탁월합니다. 매우 큰 스캔 각도(50° 이상)에서 작동할 수 있습니다. 2차원 적용 범위가 필요한 경우 일반적으로 스캔에 수직인 방향으로 일부 형태의 부품 동작과 결합되어 래스터 패턴을 생성합니다. 이러한 특성으로 인해 레이저 프린터, LIDAR와 같은 응용 분야와 대면적 표면 처리 및 박막 패터닝과 같은 특정 고속 재료 처리 용도에 이상적입니다.
음향 광학 편향기
음파광학(AO) 편향기는 측면에 접착된 압전 변환기가 있는 투명 재료 블록으로 구성됩니다. 무선 주파수로 구동될 때 압전 변환기는 크리스털 내에서 소리(압력/밀도) 파동을 생성합니다. 이는 브래그 회절 격자처럼 작용하는 재료의 굴절률에 가변적이고 주기적인 공간적 변화를 생성합니다. 이 격자는 주기에 따라 달라지는 양만큼 입력 레이저 빔을 편향시킵니다. 따라서 입력 신호의 주파수를 변경하면 빔 편향 각도가 변경됩니다.
그림 3. 음향 광학 편향기는 회절을 사용하여 레이저 빔을 스캔하며 움직이는 부분이 없습니다.
움직이는 기계 부품(따라서 관성)이 없기 때문에 음향 광학 편향기는 다른 기술보다 훨씬 더 빠른 스캔 속도(MHz 범위까지)를 달성할 수 있습니다. 또한 "랜덤 액세스" 스캐닝이 가능합니다. 이는 스캔 필드의 한 지점에서 다른 지점으로 빠르게 이동할 수 있는 기능입니다. 그러나 매우 제한된 각도 범위(최대 몇 도)에서만 빔을 편향시킬 수 있습니다. 그리고 작은 조리개(<2.5mm) 크기만 제공합니다. 따라서 레이저 냉각, 레이저 핀셋, 현미경 및 의료 영상, 일부 그래픽 아트 응용 분야의 특수 용도에 가장 유용합니다.
이 세 가지 일반적인 유형의 스캐너 외에도 특수 용도로 서비스를 제공하는 다른 기술이 많이 있습니다. 이 모든 것이 엄청나게 다양한 레이저 스캐닝 애플리케이션을 지원합니다.