雷射掃描器應用的比較

雷射一詞在英文中屬於縮寫字，代表 受到激發輻射加強之光線，更是一種會放射出一道或多道同調光束的電子元件。「同調」一詞意味著頻率和波形相同，且相位差恆定的電磁波。雷射可用於：

• 切割、蝕刻、熔接和切片等應用；包括精準雕刻、鑽探、半導體表面處理、機械表面重修，以及醫療領域中的 LASIK 眼部手術等
• 成像和投影；包括全像顯示、共焦顯微鏡、高解析度測量 (建立點雲)、雷射光譜學等
• 資料傳輸；包括條碼讀取器以及光纖和 DVD 技術等
• 定位；包括工作單元安全系統、3D 列印、光達 (LiDAR) 系統等

雷射掃描是指使用掃頻或偏轉的雷射光束陣列，也是上述許多應用的核心。本文將探討工業自動化中最常見的幾種雷射掃描應用。

雷射訊號最簡單的呈現方式，會先以點源形式生成，然後透過精準控制的內鏡反射，掃過有效的角度而得。內部光偵測器會讀取反射的訊號。由於雷射光束的投射角和飛行時間 (ToF) 為已知資訊，因此掃描器的電子元件可以使用返回的訊號，在掃描器範圍內建構詳盡的結構圖。

概念上很簡單，但在現實世界裡，需要克服一堆開發挑戰，才能讓雷射掃描技術發揮作用。環境光的變化、平台移動、如何校正光源以達到一致輸出，以及對工業環境常見之塵土的耐受性，這些都是比較困難的挑戰。

這些技術方面的挑戰都已有解決方案；現在某些最複雜的應用是在 360˚ 範圍內使用 3D 掃描的無人搬運車 (AGV)。如今營造業也普遍使用自調平雷射掃描器，以便精準懸吊石膏板或地面調平。另外，還有一種雷射掃描器應用是用於經緯測量儀，能協助土木工程師以毫米的解析度規劃道路坡度。以上是專用型雷射掃描裝置執行特定功能的例子，但雷射掃描器的多功能性要在廠區才能真正發揮。

工業安全用途的雷射掃描器

雷射掃描器在自動化作業中有個必備應用，就是保護具危險性的工作單元。在基本安裝裡，雷射掃描器放置在固定位置上，而雷射則會掃過單一平面。此類掃描器可作為安全監控系統所用的光幕。光幕的放置地點必須能保護具有潛在危險性的特定設備，而且能監控任何光束中斷情形。發生中斷時，光幕會放慢或停止關鍵設備，或是發出警報訊號，以作為回應。

掃描器的放置地點以及光束的幾何形狀，必須要能對操作員可能進入的任意點進行監控。如同上述回應模式所示，掃描器往往會搭配其他安全設備使用 (如護罩、警報和關斷開關)，以確保操作員接近設備時不會受到傷害。

在光學掃描技術發明之前，會採用機械聯鎖來防範具危險性的工作單元。在維護期間，會停止對工作單元供電，並且實施上鎖掛牌程序。眾所皆知，人類極不可靠，總會想方設法越過防護裝置。光學聯鎖則更為可靠，特別是搭配硬重置或雙操作員面板後，即可確保無法由單一操作員發動重啟作業。如需深入瞭解此部份，可閱讀 DigiKey 文章《使用安全雷射掃描器保護操作人員》。

圖 1：這款 SX5 系列安全雷射掃描器能讓 OEM 廠商或使用者使用 PC，來定義多達六個安全區和兩個警告區。(圖片來源：Banner)

有關飛行時間 (ToF) 技術的註解：使用 ToF 就能夠根據極座標 (光束角以及與觀察區內某物件的距離)，精準地繪製物件的位置。此資訊可用來建立掃描器進入前述各區時的觀察範圍圖。對於使用協作式機器人 (cobot) 的下一個特殊案例，這種能力極為關鍵。

協作式機器人的設計用意，是為了搭配操作人員一同協作。因此人員與機器人必須相當接近，而且也有伴隨的風險。掃描器若有經過編程的工作空間圖，即可根據協作式機器人的位置和共同工作人員的動作，來控制機器人可允許的動作。在機器人及掃描器市場中，這是相當新穎且尚待成長的領域，因此新的應用還在持續演化中。

AGV 和定位工作用途的雷射掃描器

現在，我們要看看在移動平台上，光達 (LiDAR) 搭配使用 ToF 的雷射掃描器會有哪些優點和缺點。此類系統用於無人搬運車 (AGV)，須仰賴 AGV 內建的位置圖，以便所有的物件偵測作業都有對照資訊。此能力稱為同步定位和繪圖，簡稱 SLAM。這會增加系統的複雜性，因為定位位置錯誤會直接影響到障礙物或目標的繪圖位置。使用局部應答器、教導編程能力或地面嵌入式軌道，都有助於緩解此問題。

圖 2：此 270° SEL-H05LPC 安全雷射掃描器，可用於 AGV、堆高機、機器人，以及工業設施內的其他移動設備。(圖片來源：IDEC)

掃描技術的訊噪比 (SNR) 會依據環境光的變化而有所改變。最糟的情況是全日照，此時光線可能比掃描照明還要強上幾個數量級。目前已有幾種可用的解決方案，包括光源調變、結構式掃描，以及採用窄頻搭配濾波。幸好 AGV 大多都在光線受控的倉庫使用，因此不需要這些技術。至於在戶外使用的車輛，目前正在密集地研究解決方案中。

依照定義，雷射掃描器屬於直視性裝置，這意味著此類裝置的視野僅限於正前方。如果正面對一整排柱子，掃描器只會看到這一排的第一根柱子。掃描器要改變視角才能偵測到其他柱子，但前提是柱子要在偵測範圍內。

行動車輛上的 LiDAR 相當有價值，尤其是 LiDAR 結合其他感測器，以因應倉庫環境裡的即時變化時。此時，LiDAR 可協助提高運送速率、減少人力需求，並將意外事故降到最少。

若要選擇 LiDAR 系統的正確掃描能力，便要指明線性範圍、角度掃描窗口，以及這些測量作業的線性和角度解析度。頻寬或更新率也是關鍵要素，因為會限制 AGV 的運作速度。最後且最重要的一點，功耗將會決定下次充電的時間，以及可在任何指定時間部署的單元數。

目前市面上有許多 AGV 使用 LiDAR 進行廠房或自動化倉儲環境的導航作業。(圖片來源：Gettyimages)

AGV 內 LiDAR 的電氣與機械考量因素

LiDAR 仍在持續演變中，主要是由自動駕駛車市場所推動。因此有各式各樣的性能、功能和價格點。此外，這也代表目前尚未制訂安裝或連線方面的標準。考慮在應用中使用 AGV 時，要讓現有產品符合系統要求，然後再指明實體結構。有幾家公司可執行系統工程，並提供現成或可客製化的 LiDAR 系統。根據要求而定，已預先完成工程設計的解決方案可能只是起點，可藉此促成進一步最佳化的解決方案。

美國國家標準暨技術局 (NIST) 已帶頭制訂 AGV 的安全標準。目前主要關注在碰撞問題，包括：

• 可拆卸保險桿：絕大多數用於較舊機型，其用意是讓保險桿包含力感測功能，並且在撞到障礙物時會停止行進，以限制接觸力道。
• 非接觸式方法：現代化 AGV 預期可偵測物體，並在不造成碰撞的情況下停止。目前已使用模擬人類體形的測試形狀，且也已提出更多類似人類的形體和姿勢，將在未來進行測試。
• 突然出現的障礙物：安全區內意外出現障礙物。AGV 預期會觸發緊急停止，但並未預期有碰撞防範。
• 預期出現妨礙前行的障礙物：這些障礙物包括在 AGV 行徑路線附近的設備或人員。預期未來會有指定的慢速區，因為在此區中，與 AGV 行徑路線的間隔距離只有不到 0.5 公尺。

為了預想未來的 AGV 應用，他們也配合機器人安全標準，開始研擬測試方法，其中涉及到使用固定在 AGV 底座上的機器人手臂。

LiDAR 發展有個明顯趨勢，就是促使 LiDAR 縮小尺寸、減輕重量及降低成本，且不會犧牲效能。過去十年已有所進展，且這些層面已縮減一個數量級。如前所述，SLAM 或定位技術也越來越受關注。理想的解決方案是讓 AGV 可隨地發動，然後針對其所運作的環境，在內部繪製地圖。要達到這種操作，就要將 LiDAR 與其他類型的感測器整合，包括 GPS、輪速感測器和攝影機。

數據通訊用途的雷射掃描器

線性條碼讀取器的概念很簡單：線條與空間的組合構成某種摩斯密碼，並且可由以下方式直接讀取：

• 當掃描器發出的光線從條碼反射回來時，對此光線進行測量
• 當環境光反射回來時，對此光線進行測量

全球慣用的線形條碼共有九種不同形式，端視應用而定。雖然雷射掃描器是條碼掃描的標準裝置，但條碼未必需要精準的雷射光源，但以下情況除外。在多數情況中，條碼內容的讀取和解譯全都在掃描器內完成。通常，條碼掃描器會將解碼的數值直接傳送到資料庫。

有一些領域會要求條碼雷射具有精細解析度。在空間受限的地方，標準條碼的線條須保持在更窄的實體尺寸標準內。如此便需要精細解析度的讀取器，而雷射掃描器可以輕易做到這一點。同樣的情況也會發生在條碼距離更遠時 (例如在倉庫的貨架上)，這會明顯縮小條碼的角度大小。

有時環境光不夠亮，無法確保線條和空白處之間有良好的對比。在此情況下，雷射等已知光源就相當適合照亮條碼，即可輕易讀取。

即便常去雜貨店的消費者，都已經相當熟悉自助結帳台的手持式掃描器。但條碼能以無限種方向出示，因此上述場景的掃描器必須產生由雷射掃描線交錯構成的緊密矩陣。如此即可確保無論條碼以何種方式出示，至少會有一條掃描線能擷取到整個條碼。

圖 4：這款 MIKROE-2913 條碼掃描器板可讀取符合多種協定的 1D 和 2D 條碼。此板件含有 micro-USB 連接埠，可作為獨立元件使用，或搭配其他板件使用。(圖片來源：MikroElektronika)

2D 條碼掃描器：二維 (2D) 條碼與前述的線性條碼不同。2D 條碼由於具有高資訊密度及錯誤檢查功能，而且即使在條碼破損的情形下仍具有可讀性，因此使用越來越普遍。2D 條碼的複雜性意味著不適合搭配雷射掃描器使用，因此需仰賴相機進行解碼。常用的 2D 條碼共有四種類型，不過多數消費者都熟悉快速回應碼 (QR Code)，因為多數智慧型手機都能輕鬆讀取。

機器製造商和使用者在權衡條碼與掃描器選項時，需考量三個主要面向：

1. 掃描器的使用場合為何？是用於倉庫的盤點、追蹤生產線上的生產零件，或是用於銷售點？
2. 需要多少資料，以及物件上有多少實體空間可放置條碼？
3. 條碼將會印刷在什麼表面上，且此表面能保持多高的印刷解析度？

一旦知道這三個問題的答案，應該就有一些可行方案可供選擇。

圖 5：Brady Corporation 的 Code Reader 950 (CR950) 條碼雷射掃描器具有大面積的影像感測器，能讓掃描更加輕鬆。最終可全方向讀取 1D 和 2D 條碼，即便在閃亮表面也能做到。(圖片來源：Brady Corporation)

其他讀取器和相機型替代方案：前面已探討過絕大多數類型的條碼掃描器。值得一提的是，有些條碼掃描器會使用一長列的 LED 來照亮條碼，同時使用與其配合的一列電荷耦合元件 (CCD) 偵測器來偵測反射光線。這就是所謂的 LED 讀取器。

此外，還有專門設計與配置的相機系統，可有效且快速地讀取 2D 碼。

雷射掃描器應用結論

自從 1960 年發明雷射以來，以雷射為基礎的裝置與用途蓬勃發展的程度相當驚人。雖然條碼的出現比雷射早 11 年，但使用同調光掃描讀取資訊的方式已經成為黃金標準。此外，雷射型定位追蹤與偵測掃描技術，也是工業環境首選的解決方案。無論是從零開始設計系統或強化現有流程，對某種雷射掃描方法添加點變化，很有可能就能為多數工業製造或追蹤應用帶來好處。考量到目前技術的發展程度，如果現在沒有剛好適用的配置，相信不久以後就會有適合的配置出現。