18. 광학계 - 3D 레이져 스캐너 사양

이번 포스팅에서는 3d 레이져 스캐너 사양 선정을 위해 알아야할 사항에 대해 알아보겠습니다.

3d 레이져 스캐너란 점, 선 형태의 레이저를 대상물에 투사하여 대상물의 형상 정보를 추출한 뒤 3d 모델링 데이터를 만들어 주는 장치를 말합니다. 

기본적인 구조는 레이저다이오드, 라인 생성을 위한 렌즈, 카메라(렌즈, 라인형 이미지센서(CCD,CMOS,PSD)로 구성되어 있습니다.

레이져 다이오드에서 나오는 빔을 대상체에 조사하여 표면에 확산 반사되는 레이저를 카메라 렌즈를 통해 모아 이미지센서에 물체의 변위 data를 얻습니다.

3D 레이저 스캐너의 사양에 대해 알아보기위해 lmi 사의 라인 레이져 스캐너의 데이터 시트를 살펴보겠습니다. 

출처 : lmi 2300 datasheet

 

3D 레이져 스캐너 선정에 중요한 파라미터는 크게 레이저 파장, x축/z 축 resolution, repeatability, scan rate, 측정범위(measurement range), FOV(Field of view), CD (Clearance range), 센서-카메라 각도 등이 있습니다. 

하나씩 알아보겠습니다.

 

1. 레이져 파장

레이저 광원으로는 수명 및 정밀도 확보를 위해 레이져 다이오드가 사용되며 파장대역이 낮을 수록 강도가 강해집니다.

일반적으로 3D 레이져 스캐너는 강도 및 정밀도 확도를 위해 블루, 그린 계열의 레이져를 사용합니다.

주로 쓰이는 파장대역으로는 405nm, 450nm 이 있습니다.

출처 : Wikipedia : Light Frequency

 

2. x축/ z축 resolution, scan rate

resolution은 레이져라인에서 생성되는 점들의 최소 거리로 검사기에서 검출하고자하는 최소 변위, 최소 검출 불량 사이즈에 따라 결정됩니다. 

 

x축 resolution은 레이져 다이오드로 부터 생성되는 레이져의 길이와 한 라인 내 존재하는 데이터 포인트에 의해 결정됩니다.

데이터 시트에서 2340 모델을 예로 들어 파라미터를 설명하겠습니다.

x축 resolution 은 13~37um 으로 나와있는데 이는 검사위치에서의 레이져 라인 길이에 data point 수를 나눈 값과 동일합니다. 

출처 : metrology.news

 

scan rate는 카메라가 초당 촬상할 수 있는 횟수로 레이져 스캐너가 진행하는 방향으로의 분해능을 결정하며 scan rate (frame rate) 가 5000Hz 이고 스캔 속도가 20mm/s일때 스캔 방향인 y축 방향의 분해능은 스캔속도/카메라의 프레임레이트 로 구할 수 있다. 

따라서 동일한 카메라에서는 스캔속도가 낮을수록, 스캔 속도가 동일할 때에는 카메라의 frame rate 가 높을 수록 동일 시간동안 획득할 수 있는 검사 data가 증가하며 더욱 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 

 

z축 resolution은 변위 센서의 z축방향으로 측정가는한 최소 변위를 결정하는 요소이다. 일반적으로 센서는 센서와 대상체의 거리가 짧고 beam 폭이 작을 수록 고정도의 z축 분해능을 가진다. 센서와 대상체의 거리가 가까울수록 확산되어 퍼지는 빛이 감소하여 레이져의 강도가 높고 외부 노이즈의 영향도 적어지기 때문에 고정도의 측정이 가능하여 repeatability에도 영향을 미친다. 

출처 : 이오비스텍_멀티센서 데이터의 합성

 

3. 측정 범위 (measurement range, MR) /

     Clearance range( CD), FOV (fiel of view)

 

측정범위란 대상체가 상하로 이동하더라고 측정정밀도를 유지한채 변위 data를 얻을 수 있는 영역을 뜻합니다. 

CD는 측정을 위해 확보해야하는 대상체와 센서의 거리를 뜻합니다. 

ÇD의 카메라와 센서의 거리에서의 레이져 길이를 near field of view 라고 하며 측정범위 내에서 가장 높은 분해능을 가지는 위치입니다 (ex) 13um

출처 : lmi 2300 datasheet

CD에 측정범위 MR를 더했을때의 거리에서의 레이져 길이를 far fiel of view 하며 측정범위 내에서 가장 낮은 분해능을 가지는 위치입니다.

일반적으로 레이져 스캐너는 검사 대상체로부터 (WD) CD + WD/2 거리에 위치시킵니다. 

출처 : 출처 : metrology.news

 

4. 센서와 레이저의 각도

센서와 레이저의 각도는 일반적으로 15도~45도 사이로 세팅합니다. 센서와 레이져가 통합된 형태인 모델이 있고, 센서와 레이져를 개별 부품으로 분리하여 세팅가능한 모델이 있습니다. 이때 센서와 레이저의 각도는 대상체의 재질, 거칠기에 따라 정반사광을 센서에서 받아들여 반사면에서 강한 강도로 반사된 레이져를 입사하거나, 확산 반사 광을 받아들여 균일한 강도의 레이져를 입사가능하도록 설계됩니다. 이 내용에 대해서는 다음 포스팅에서 자세히 다뤄볼 수 있도록 하겠습니다. 

 

 

* 참고 자료

1. resolution

  2. 멀티센서

  3. lmi datasheet

  4. 레이저 빛의 파장