대부분의 레이저는 원형 또는 타원형 단면의 빔을 방출합니다. 이러한 광선이 평평한 표면에 닿으면 작은 둥근 점이 생깁니다. 그러나 레이저 라인을 사용하는 것이 더 유용한 경우가 많이 있습니다. 예를 들어, 투사된 레이저 라인은 건설, 제조 조립 공정, 나아가 CAT 스캐너 및 기타 의료 영상 시스템에서 환자 위치를 지정할 때 정렬 참조로 자주 사용됩니다. 또한 유세포 분석기에서 빔을 형성하는 데에도 사용됩니다.
레이저 라인이 상업적으로 활용되는 주요 분야 중 하나는 머신 비전 시스템입니다. 이러한 라인은 부품의 모양과 치수를 자동으로 측정하는 데 사용됩니다. 이 유형의 머신 비전 시스템을 이루는 기본 요소는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1: 레이저 라인을 활용하는 머신 비전 시스템의 기본 요소. 카메라를 통해 빔을 기준으로 비스듬히 보면, 부품 높이의 차이가 카메라 검출기의 라인 위치에서 움직이는 것처럼 보입니다.
레이저는 부품에 라인을 투영하고 카메라는 이 투영된 라인을 비스듬히 봅니다. 그런 다음 카메라의 관점에서 본 라인의 변위를 사용하여 기하 공식을 통해 물체의 높이 프로파일이 계산됩니다.
이 기술은 컨베이어 벨트 위에서 이동하는 부품을 검사하는 데 자주 사용됩니다. 레이저 라인은 고정된 상태를 유지하며 부품은 이 라인을 통과하여 이동합니다. 이렇게 하면 레이저 라인이 부품의 길이 전체를 스캔하게 됩니다. 이를 통해 부품의 전체 3차원 형상 프로파일을 측정할 수 있습니다.
이러한 유형의 머신 비전 시스템의 경우, 레이저 라인이 전체 길이에 걸쳐 균일한 강도를 유지할 경우 매우 유용합니다. 이 경우 이미지를 분석하고 정확하고 정량적인 데이터를 얻는 작업이 단순화되기 때문입니다.
그러나 대부분의 레이저는 가장자리보다 중앙에서 훨씬 더 밝은 소위 "가우스 빔"을 생성합니다. 그리고 가우스 빔의 한 가지 고유한 특성은 기존 광학 장치를 사용하여 초점을 맞추거나, 확장하거나, 다른 방식으로 모양을 변경할 때 가우스 강도 프로파일을 유지한다는 것입니다. 이 프로파일을 제거하는 일은 실제로 꽤 어렵습니다.
Powell 렌즈
가우스 빔을 균일한 강도의 레이저 라인으로 변환하는 매우 효과적이고 스마트한 방법 중 하나는 Powell 렌즈(이 렌즈를 개발한 Ian Powell 박사의 이름을 따서 명명)입니다. Powell 렌즈는 비구면 원통형 렌즈입니다.
Powell 렌즈는 원형 레이저 빔을 가져와 이를 1차원의 부채꼴 형상으로 펼칩니다. 이렇게 하면 빔이 평평한 표면에 닿을 때 점이 아닌 라인을 형성하게 됩니다.
Powell 렌즈의 모양은 레이저 빛을 빔의 중앙에서 가장자리로 방향을 바꾸도록 특별히 설계되었습니다. 이러한 설계 덕분에 중앙의 "핫스폿"이 제거되고 가우스 빔이 "톱햇" 프로파일이라고도 하는 균일한 강도의 빔으로 변환됩니다.
다음 그림은 Powell 렌즈의 단면 모양을 보여주며, Power 렌즈의 작동 원리를 기존 원통형 렌즈(라인을 생성하나 가우스 강도 프로파일을 유지)와 비교한 것입니다.
그림 2. Powell 렌즈(왼쪽)와 기존 원통형 렌즈(오른쪽)의 비교. 두 광학 장치 모두 둥근 가우스 프로파일 레이저 빔을 발산하는 부채꼴 빛(빛이 투사되는 표면에 선이 만들어짐)으로 변환합니다. Powell 렌즈는 빛을 빔의 중심에서 가장자리로 이동시켜 강도가 균일한 선을 생성하는 반면, 원통형 렌즈는 빔의 가우스 프로파일을 유지하므로 선이 중앙에서 훨씬 더 밝습니다.
Powell 렌즈 외에도 가우스 빔을 균일한 라인으로 변환하는 데 사용할 수 있는 방법이 있는데, 회절 광학 요소(DOE)와 렌즈렛 배열이 대표적입니다. 그러나 이들 중 어느 것도 동일한 광학 효율성을 제공하지 않으며(즉, 라인에 도달하는 레이저 광의 양이 적음) 강도가 균일화된 빔을 제공하지도 않습니다.
Powell 렌즈의 또 다른 유용한 특성은 입력 파장에 상당히 둔감하다는 것입니다. 이는 파장에 따라 매우 특정한 회절 광학 요소에 비해 큰 장점입니다.
이러한 특성에 힘입어 Powell 렌즈를 다이오드 레이저와 결합하여 저렴한 초소형 라인 제너레이터를 만들 수 있습니다. 다이오드 레이저는 일반적으로 파장이 단위별로 크게 변하며, 대역폭과 파장도 온도에 따라 달라집니다. 그러나 파장에 둔감한 Powell 렌즈를 사용하면 파장을 선택하거나 제거할 필요 없이 다이오드 레이저와 함께 사용할 수 있습니다.
Powell 렌즈 구매하기
Powell 렌즈에서 원통형 비구면을 만드는 것은 매우 까다로운 작업으로, 이를 올바르게 수행하기 위해서는 전문 장비와 전문 지식이 필요합니다. 그렇기 때문에 Powell 렌즈의 품질은 제조업체마다 큰 차이가 있습니다.
일반적으로 사용자는 사용하려는 응용 분야에 필요한 입력 빔 직경, 파장 및 "팬 각도"를 지정합니다. 그러면 광학 제조업체는 이러한 요구 사항에 부합하는 Powell 렌즈 디자인을 선택하거나 제작합니다.
물론 실제 부품에는 허용 오차가 발생할 수밖에 없는데, 이는 장치 간 성능 차이로 이어집니다. 대부분의 응용 분야에서 가장 중요한 성능 기준은 균일성, "내전력" 및 라인 직진도입니다.
그러나 모든 제조업체가 이러한 사양을 동일한 방식으로 정의하는 것은 아닙니다. 따라서 구매자는 제공되는 정보를 어떻게 해석해야 할지를 제대로 알고 있는 것이 중요합니다.
먼저, 부채꼴 각도는 일반적으로 전력이 피크 값의 80%로 떨어진 지점에서 측정됩니다. 이는 일반적으로 레이저 빔 크기를 계산하는 방식과 다릅니다. 다시 말해, 가우스 레이저 빔의 직경은 출력이 피크 값의 1/e²(13.5%)인 지점으로 정의됩니다. 그러나 물론 Powell 렌즈의 핵심은 가우스 빔을 생성하지 않는다는 데 있습니다.
F림 3. Powell 렌즈 부채꼴 각도는 일반적으로 강도가 피크 값의 80%로 떨어진 지점에서 측정됩니다. 강도 균일성은 제조업체마다 다르게 지정됩니다.
그러나 라인의 강도 균일성(그림의 공식 감안)이 항상 같은 방식으로 지정되는 것은 아닙니다. 가장 중요한 점은 많은 제조업체가 가장자리(100%)가 아닌 라인의 중앙 80%(그림에 표시됨)에만 강도 균일성을 적용한다는 것입니다. 그러나 빔의 가장자리를 제외한다면 실제 성능에 대한 예측은 비현실적입니다. 일반적으로 이 부분에서 불균일성이 가장 뚜렷하게 나타나기 때문입니다.
Coherent는 균일성 사양에 대해 보다 엄격한 100% 기준을 적용합니다. 그 결과 Coherent Powell 렌즈는 더 나은 측정 정확도, 신호 대 잡음비 및 장치 대 장치 일관성을 자랑합니다. 고성능 Coherent Powell 렌즈에 대해 자세히 알아보시고 이 렌즈가 머신 비전, 생명과학 등 다양한 분야에 어떤 이점을 제공하는지에 대해서도 확인해 보십시오.
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