レーザースキャン

レーザースキャンとは、可視光線または不可視光線のレーザー光線を制御された方向に偏向させることです。 ^[1] スキャンされたレーザー光線は、一部の3Dプリンター、ラピッドプロトタイピング、材料加工機械、レーザー彫刻機、老眼治療用の眼科用レーザーシステム、共焦点顕微鏡、レーザープリンター、レーザーショー、レーザーテレビ、バーコードスキャナーなどで使用されています。マッピングや3Dオブジェクトの再構築に特化したアプリケーションは、 3Dレーザースキャナーとして知られています。

ほとんどのレーザー スキャナーは、可動ミラーを使用してレーザー ビームを操作します。ビームのステアリングは、レーザー プリンター内部のように1 次元にすることも、レーザー ディスプレイ システムのように2 次元にすることもできます。さらに、ミラーは、バーコード スキャナーの回転ポリゴン ミラーやいわゆる共振ガルバノメータースキャナーのように周期的な動きをしたり、サーボ制御のガルバノメータースキャナーのように自由にアドレス指定可能な動きをしたりすることができます。この 2 つの状況を区別するために、ラスター スキャンとベクター スキャンという用語も使用されます。スキャン動作を制御するために、スキャナーにはロータリー エンコーダと、目的の角度または位相に対して適切な電流をモーター (ポリゴン ミラーの場合) またはガルバノメーター (ガルボとも呼ばれる) に供給する制御電子機器が必要です。通常、ソフトウェア システムがスキャン動作を制御し、3D スキャンが実装されている場合は測定データの収集も制御します。

レーザービームを2 次元に配置するには、1 つのミラーを 2 軸に沿って回転させる (主に低速スキャン システムで使用) か、またはレーザービームを直交軸に取り付けられた 2 つの近接したミラーに反射させるかのいずれかが可能です。2 つの平面ミラーまたはポリゴン (多角形) ミラーはそれぞれ、ガルバノメータまたは電動モーターによって駆動されます。2 次元システムは、材料処理、共焦点顕微鏡、および医学のほとんどのアプリケーションで不可欠です。一部のアプリケーションでは、レーザービームの焦点を3 次元に配置する必要があります。これは、通常「フォーカス シフター」または「Z シフター」と呼ばれるサーボ制御レンズ システムによって実現されます。多くのレーザー スキャナーでは、レーザーの強度を変更することもできます。

レーザーテレビやレーザーディスプレイ用のレーザープロジェクターでは、3 つの基本色 (赤、青、緑) が 1 つのビームに結合され、2 つのミラーで一緒に反射されます。

ミラーを動かす最も一般的な方法は、前述のように、電動モーターまたはガルバノメーターを使用することです。ただし、 圧電アクチュエーターまたは磁歪アクチュエーターも代替オプションです。これらは達成可能な角速度が高くなりますが、達成可能な最大角度が小さくなることがよくあります。また、マイクロスキャナーもあります。これは、1 次元または 2 次元で傾斜を制御できる小さな (ミリメートル) ミラーを含む MEMS デバイスで、ピコプロジェクターで使用されます。

2 つのリズレー プリズムを互いに回転させる と、円錐内で光線を自由にスキャンできます。このようなスキャナーはミサイルの追跡に使用されます。

2 つの光学レンズを互いに移動または回転させると、ミラー スキャナーと同様の方法でレーザー ビームをスキャンできます。

一部の特殊なレーザー スキャナーでは、可動ミラーの代わりに、音響光学偏向器または電気光学偏向器を使用します。これらのメカニズムにより、これまでで最も高いスキャン周波数が可能になります。これらは、たとえばレーザー TVシステムで使用されます。一方、これらのシステムはミラー スキャン システムよりもはるかに高価です。

フェーズドアレイによるレーザービームのスキャンを実現する研究が進行中です。この方法は、可動部品なしでレーダービームをスキャンするために使用されます。垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)を使用すると、近い将来に高速レーザースキャナーを実現できる可能性があります。

3Dオブジェクトスキャンの分野では、レーザースキャン（ライダーとも呼ばれる）は、レーザービームの制御されたステアリングとレーザー距離計を組み合わせたものです。あらゆる方向から距離を測定することで、スキャナーは物体、建物、風景の表面形状をすばやくキャプチャします。完全な3Dモデルの構築には、さまざまな視野角から取得した複数の表面モデルを組み合わせたり、他の既知の制約を混ぜたりする必要があります。小さな物体は、写真測量法に似た技術で回転台に置くことができます。^[2]

3Dオブジェクトスキャンは設計プロセスを強化し、データ収集のエラーをスピードアップして削減し、時間とコストを節約できるため、従来のデータ収集技術に代わる魅力的な方法となります。3Dスキャンは、モバイルマッピング、測量、建物や建物の内部のスキャン、 ^[3]、考古学にも使用されています。

レーザーの出力に応じて、加工対象物への影響は異なります。レーザー彫刻やレーザーアブレーションでは、レーザー出力が低い値が使用されます。レーザー出力が低い場合、材料は部分的にレーザーで除去されます。出力が高いと材料が流動的になり、レーザー溶接が可能になります。また、出力が材料を完全に除去できるほど高い場合は、レーザー切断を行うことができます。最新のレーザーは、厚さ 10 cm 以上ある鋼鉄ブロックを切断したり、わずか数マイクロメートルの厚さの角膜層をアブレーションしたりできます。

液体ポリマーを硬化させるレーザーの能力は、レーザースキャナーと組み合わせてラピッドプロトタイピングに使用され、ポリマーと金属を溶融させる能力は、レーザースキャナーと組み合わせてレーザー焼結またはレーザー溶融によって部品を製造するために使用されます。

これらすべてのアプリケーションで使用される原理は同じです。PCまたは組み込みシステムで実行され、プロセス全体を制御するソフトウェアがスキャナ カードに接続されます。そのカードは、受信したベクトル データを移動情報に変換し、スキャンヘッドに送信します。このスキャンヘッドは、レーザー ビームを 1 つのレベル (X 座標と Y 座標) で偏向できる 2 つのミラーで構成されています。3 番目の次元は、必要に応じて、レーザーの焦点を深さ方向 (Z 軸) に移動できる特定の光学系によって実現されます。

曲面のレーザー スクライビングや、レーザーが材料内の特定の位置に影響を与える必要があるガラス内マーキングなどの特殊なアプリケーションでは、3 次元空間でレーザー焦点をスキャンする必要があります。これらのケースでは、レーザーの焦点が可能な限り小さいことが重要です。

レーザースキャンのアプリケーションを強化したり、製造中に材料のスループットを高めたりするには、複数のスキャンヘッドを備えたスキャンシステムを使用します。この場合、ソフトウェアは、このようなマルチヘッドアプリケーション内で正確に何が行われるかを制御する必要があります。つまり、処理を高速化するために、使用可能なすべてのヘッドが同じものをマークする必要がある場合や、作業領域が広い場合は、各スキャンヘッドがジョブの一部を実行する状態で、ヘッドが 1 つのジョブを並列にマークする場合があります。

多くのバーコード リーダー、特に数メートルの距離からバーコードを読み取る機能を持つものは、走査型レーザー ビームを使用します。これらのデバイスでは、通常、半導体レーザー ビームは共振ミラー スキャナーを使用して走査されます。ミラーは電磁的に駆動され、金属コーティングされたポリマーで作られています。^{[引用が必要]}

宇宙輸送機が宇宙ステーションにドッキングする必要がある場合、正しい位置まで慎重に操縦する必要があります。宇宙ステーションに対する相対的な位置を決定するために、宇宙輸送機の前面に内蔵されたレーザー スキャナーが宇宙ステーションの形状をスキャンし、コンピューターを介して操縦コマンドを決定します。このアプリケーションには、共振ガルバノメーター スキャナーが使用されます。

レーザー ライト ショーでは通常、XY 構成の 2 つのガルバノメータ スキャナーを使用して、娯楽や宣伝の目的で、壁、天井、劇場の煙や霧などの表面にパターンや画像を描画します。^{[引用が必要]}

ジェラルド・F・マーシャル著「光学およびレーザースキャンのハンドブック」 - 3D オブジェクトのスキャンと材料処理 - ジャーナル Annals of Forest Science Dassot, M.、Constant, T.、Fournier, M. (2011)、森林科学における地上 LiDAR 技術の使用: 応用分野、利点、課題、Annals of Forest Science、68(5)、959-974。PBS News (2020)、「3D モデルはノートルダム大聖堂のようなランドマークの保存に役立ちます」