레이저 스캐닝
레이저 스캐닝은 무엇입니까?
레이저 스캐닝은 제품 바코드 판독, 레이저 조명쇼 투사 또는 차체 용접 등 표면을 가로질러 레이저빔을 이동시키는 장치입니다. 개념적으로 단순하지만 레이저 스캐닝에 사용되는 실제 기술은 상당히 정교할 수 있습니다.
우리는 레이저 스캐닝을 자주 접하고 있습니다. 상점에서 물건을 구매할 때 제품 바코드에 레이저 빔을 통과시키는 데 사용되는 기술입니다. 하지만 레이저 스캐닝은 이보다 더 많은 방법으로 사용됩니다. 실제로 스캐닝 응용분야의 다양성은 매우 크기 때문에 세 가지 주요 범주로 분류하는 것이 유용합니다.
목적 |
과정 |
일반 응용분야 |
데이터 수집 및 이미징 |
레이저는 물체의 물리적 특성(크기, 모양, 공간 위치, 공간 방향, 색상, 색상 변화, 표면 질감, 화학 성분 등)을 결정하는 데 사용됩니다. 이를 위해 레이저 빔이 표면 또는 볼륨 안에서 스캔됩니다. 그다음 투영된 레이저 패턴을 (반사, 산란 또는 형광을 통해) 이미징하거나 반사된 빛을 감지하여 원하는 정보를 구성합니다. |
바코드, QR 코드, 데이터 매트릭스 코드 등을 읽습입니다. 컨베이어 벨트 위에서 통과하는 제품의 물리적 치수를 측정하여 규격을 벗어난 제품을 식별합니다. 이동 중인 차량에서 LIDAR를 수행하기 위해 풍경을 레이저빔으로 스캐닝합니다. 컨베이어 벨트 위를 지나가는 식품(예: 새우 또는 견과류)을 이미지화하여 크기에 따라 등급을 매기거나 불량 제품을 식별합니다. 치아 또는 건물 내부와 같은 실제 개체를 스캔하여 정확한 컴퓨터 모델 생성 레이저빔이 현미경을 통해 샘플에 투사되고 전체 샘플 투과를 스캐닝하여 이미지가 형성되는 Confocal microscopy 의료 영상용 광간섭 단층 촬영(OCT) 반도체 웨이퍼 검사 |
데이터 작성 및 표시 |
레이저빔은 정보를 표시하거나 패턴 또는 이미지를 생성하는 데 사용됩니다. 이를 위해 레이저빔의 강도가 조절되는 동안 표면 또는 볼륨 안에서 이동합니다. |
레이저 프린터에서 회전하는 광전도성 드럼을 가로질러 스캐닝 레이저 조명쇼 및 간판 건설 및 측량을 위한 레이저 정렬 게이지 |
재료 가공 |
레이저는 물리적으로 변형(절단, 용접, 블레이팅, 용융 등), 영향(애닐, 색상 변화, 열 등)을 주거나 공간적으로 다양한 방식으로 물체에 영향을 주기 위해 사용됩니다. 이는 레이저빔 강도가 조절되는 동안 표면 위로 또는 볼륨 안에서 이동함으로써 수행됩니다. |
마킹 용접 절단 Engraving 열처리 클래딩 |
위에 설명한 용도(레이저 스캐닝 응용분야의 일부 샘플에 해당)는 기술적 요건이 매우 다양합니다. 여기에는 스캐닝 속도, 스캐닝해야 하는 영역 또는 볼륨의 크기, 관련 레이저 전력, 스캐너 비용, 크기, 신뢰성, 수명 등과 같은 매개변수가 포함됩니다. 이러한 응용분야의 다양한 요건을 충족시키기 위해 다양한 스캐닝 기술이 개발되었습니다.
대부분의 응용분야는 검류계 미러, 폴리곤 미러 또는 음향 광학 편향기의 세 가지 스캐닝 기술 중 하나를 사용합니다. 이들 각각이 어떻게 작동하는지 운영적이고 실용적인 특성을 살펴볼 가치가 있습니다.
검류계 스캐너
검류계 스캐너는 자유롭게 회전할 수 있는 샤프트에 장착된 거울로 구성됩니다. 샤프트에는 자석이 장착되어 있습니다. 샤프트는 코일 안에 매달려 있으며 코일에 전기를 흘리면 축(및 거울)이 회전합니다.
작업의 특성에 따라 검류계 스캐너는 종종 쌍으로 사용됩니다. 특히 이런 경우에는 스캐닝 방향이 서로 직각이 되도록 장착해야 합니다. 이렇게 하면 레이저빔이 평면의 모든 지점에 도달할 수 있습니다. 많은 응용분야에서 F-theta 렌즈와 같은 특수 스캔 광학 장치를 사용하여 빔을 최종 표면에 집중시킵니다.
그림 1. 검류계 스캐너는 종종 쌍으로 사용되어 2D 스캐닝 패턴을 생성합니다.
검류계 스캐너의 작동은 즉석에서 컴퓨터로 제어될 수 있기 때문에 작동 유연성을 제공합니다. 상대적으로 큰 스캐닝 각도(일반적으로 최대 ±20°)에 걸쳐 2D 벡터 패턴을 생성하기 위해 쌍으로 사용할 수 있습니다. 이것은 대형 빔을 수용하기 위해 큰 거울과 함께 사용할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 조명쇼, 재료 마킹 및 용접, 생의학 및 안과 이미징, Confocal Microscopy, 레이저를 이용한 치료와 같은 응용분야에 이상적입니다.
폴리곤 스캐너
폴리곤 스캐너의 핵심 요소는 폴리곤 모양의 부품으로 가장자리가 광택 처리되고 거울처럼 코팅되어 있습니다. 이 다각형 거울은 모터 축에 장착되어 빠르게 회전합니다. 이를 통해 레이저빔을 한 방향으로 빠르게 스캔할 수 있습니다.
검류계 스캐너와 마찬가지로 폴리곤 스캐닝 시스템은 종종 특수한 스캔 광학 장치를 사용합니다. 레이저빔이 좁은 직선 경로를 따라서만 통과하기 때문에 이러한 광학 장치가 일반적으로 길고 얇은 줄무늬로 제작됩니다. 이렇게 하면 스캐닝 시스템의 크기와 무게가 많이 줄어듭니다.
그림 2. 폴리곤 스캐너는 레이저빔을 한 방향으로 빠르게 이동할 수 있습니다.
폴리곤 스캐너는 고속의 한방향 스캔이 필요한 응용분야에 탁월합니다. 아우 큰 스캐닝 각도(50° 이상)에서 작동할 수 있습니다. 2차원 스캐닝이 필요한 경우 일반적으로 스캐닝에 수직 방향으로 부품 모션의 일부 형태와 결합하여 래스터 패턴을 생성합니다. 이러한 특성으로 인해 레이저 프린터 및 LIDAR와 같은 응용분야와 대면적 표면 처리 및 박막 패터닝과 같은 특정 고속 재료 가공 용도에 이상적입니다.
음향 광학 편향기
음향 광학(AO) 편향기는 측면에 압전 변환기가 있는 투명 재료 블록으로 구성됩니다. 무선 주파수에서 구동될 때 압전 변환기는 크리스탈 내에서 음파(압력/밀도)를 생성합니다. 재료의 굴절률에 가변적이고 주기적이며 공간적인 변화를 일으켜 브래그 회절 격자처럼 작용합니다. 이 격자는 주기에 따라 달라지는 양만큼 입력 레이저빔을 편향시킵니다. 따라서 입력 신호의 주파수를 변경하면 빔 편향 각도가 변경됩니다.
그림 3. 음향 광학 편향기는 회절을 이용하여 레이저빔을 스캐닝하며 움직이는 부분이 없습니다.
움직이는 부품(및 관성)이 없기 때문에 음향 광학 편향기는 다른 기술보다 훨씬 더 빠른 스캐닝 속도(MHz 범위까지)를 달성할 수 있습니다. 또한 "랜덤 액세스" 스캐닝이 가능합니다. 이것은 스캐닝 필드의 한 지점에서 다른 지점으로 빠르게 이동할 수 있는 기능입니다. 하지만 매우 제한된 각도 범위(최대 몇 도)에서만 빔을 편향시킬 수 있습니다. 또한 작은 조리개(<2.5mm) 크기만 제공합니다. 따라서 레이저 냉각, 레이저 핀셋, 현미경 및 의료 이미징, 일부 그래픽아트 응용분야의 특수 용도에 가장 유용합니다.
이 세 가지 일반적인 유형의 스캐너 외에도 특수 용도로 사용되는 다른 많은 기술들이 있습니다. 이 모두가 엄청나게 다양한 레이저 스캐닝 응용분야를 지원합니다.