고급 스캐너/레이저 제어기법

1. 위치 의존적 보정 기법

스캐너는 F-Theta 렌즈를 사용하여 레이저빔을 아주 작은 영역에 모아 큰 에너지를 낼수있는 구조입니다.

 2차원의 필드(Field)의  영역을 가공하기 위해서는 갈바노메터(미러가 달린)의 각도를 살짝 돌려야 겠지요? 이때 필드의 중심에서 외곽으로 갈수록 레이저 파워(에너지)가 일정할까요? 빔의 경로가 다르고 빔의 이동 거리도 다르고 렌즈라는 물리적 매체를 통과하면서 손실되는 에너지도 다르지 않을까요? 렌즈를 통과한 레이저 빔이 수직으로 목표에 떨어질까요? 레이저 빔의 스팟(spot)의 크기가 영역별로 미세하게 바뀐다면?
결국 다양한 광학 오차가 반영되어야 합니다.

이처럼 필드 영역에서 에너지 손실 오차가 있고 이를 상쇄할만한 기능이 필요합니다.
이를 통상, 위치에 의존적인 파워 보정이라고 부르고 있습니다.

해당 보상 방식으로는

• 2차원 필드의 영역을 중심에서의 거리값(즉 반지름값)에 스케일 값을 적용해 출력을 변경하는 방법
• 2차원 필드의 영역을 파워 스케일 (power scale factor) 맵을 만들어 가중치를 적용해 이를 근사하는 방법

등이 가능합니다.

참고) 렌즈를 바꾼다던지, 레이저 빔의 경로가 변경된다면 이 보정 절차를 새로 해야 겠지요.

2. 속도 의존적 보정 기법

스캐너가 위와 같은 모양 가공을 한다면, 당연히 그 시작 끝 부분에서는 가속, 감속이 발생하게 되는데, 이로 인해 가감속 영역에서는 레이저 출력펄스를 여러대 더 맞게(!)되고, 결국 의도하지 않은 에너지가 중첩되어 전달되고, 레이저 가공면의 폭도 일정하지 않고, 단위면적당 에너지 밀도(density)도 다르고, 이에 따라 열 에너지가 그 주변에 확산(HAZ 영역 증가)되는등의 부작용이 발생합니다.

더군다나 연속된 형상(mark, arc, …)을 가공할지라도 스캐너의 속도는 각 벡터별로 사용자가 다양하게 변경하여 가공할수 있으니 가속 감속이 항상 발생할 수 밖에 없습니다. 아예 90도 혹은 180도를 꺽어서 움직여야 한다면? (시속 100km/h 달리던 차가 급정거하여 후진을 한다면 당연히 스키드마크가 생기는건 예상해야 겠지요 !)

이를 해결하기 위해, 통상 속도에 의존적인 파워 보정이라는 방법을 사용합니다. 해당 방식으로는

• 레이저 출력 주파수(Frequency)을 가변하는 방식
• 레이저 출력 펄스폭(Pulse width)을 가변하는 방식
• 레이저 출력 제어용 아날로그  혹은 디지털 출력을 가변하는 방식
• 외부 신호(속도 입력용 엔코더)를 활용해 위 3가지를 적용하는 방식

등이 가능합니다.

(참고) 물론 각도가 급격히 꺽이는것은 sky-writing 이란 기법으로도 해결이 가능하지만 해당 방식은 레이저 출력이 꺼졌다 켜지는 추가시간이 필요하므로 논외로 하겠습니다.

마치며, 레이저 소스의 출력 변경이 위 방식을 대응할만큼 지연(latency)없이 기민해야 가능하며 일부 벤더에서는 벤더고유의 가변방식을 제공하기도 합니다

(참고) 일부 레이저 소스 모델들중에는 통상 POD(Pulse On Demand) 라는 제어 인터페이스를 제공해 이 문제를 해결할 수 있습니다.