目前，市場上常見的激光加工 Z 坐標(biāo)控制方法是使用機(jī)械平移。然而，這種方法的主要局限是速度慢、Z 偏移范圍小。精密活動(dòng)部件的使用壽命有限，而且需要大量空間才能集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。EL-10-42-OF 鏡頭重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)速度快、使用壽命長。因此，它是克服機(jī)械解決方案缺點(diǎn)
 的理想選擇。

在本應(yīng)用說明中，我們提供了將 EL-10-42-OF 可調(diào)諧透鏡與數(shù)字控制板相結(jié)合用于快速 3D激光加工應(yīng)用的一般指導(dǎo)原則。我們介紹了如何將 EL-10-42-OF 鏡頭DSD 控制板集成到激光加工系統(tǒng)中。

通過特殊而簡單的光學(xué)設(shè)計(jì)，使用 EL-10-42-OF 鏡頭的三維激光加工系統(tǒng)可以在整個(gè)掃描范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同的光斑尺寸。EL-10-42-OF 鏡頭專為脈沖激光器設(shè)計(jì)，有兩種波長可供選擇：950nm至 1100nm的近紅外波長和 532nm的可見光波長。這為 EL-10-42-OF 鏡頭用于各種激光加工應(yīng)用提供了可能性，如下圖所示。

系統(tǒng)集成

使用DSD 控制板控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭

DSD 是一塊基于 FPGA 的數(shù)字控制板，用于控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭。當(dāng) EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭在 z（垂直）方向移動(dòng)激光光斑時(shí)，振鏡會(huì)在 x-y（水平）平面偏轉(zhuǎn)激光光斑。

這種方法在附錄 3 和附錄 4 所示的緊湊型激光打標(biāo)機(jī)中得以實(shí)現(xiàn)，其示意圖如圖 1 左側(cè)面板所示。在擴(kuò)展的 XY2-100 協(xié)議中，除了控制振鏡的 X 軸和 Y 軸之外，還提供用于控制 Z 軸的信號(hào)。從控制卡輸出的 Z軸數(shù)字信號(hào)可直接發(fā)送到DSD 板，如圖 1 左側(cè)面板所示。

圖 1 右側(cè)顯示了另一種可能的集成方式，即使用 SCAPS 的控制器板。然后，就可以應(yīng)用雙向 XY-SCAPS 通信協(xié)議。

這兩種情況都可以實(shí)現(xiàn)快速三維激光加工，而且不需要 f-theta 鏡頭。經(jīng)證實(shí)，在不使用 f-theta 鏡頭的情況下，對(duì) 45° 傾斜物體的加工速度為 6 m/s，在二維平面上的加工速度為 15 m/s，其工作距離與使用160mm f-theta 鏡頭和用于 Z 軸的 EL-10-42-OF 的裝置相當(dāng)。

圖 1：在提供 x、y 和 z 信號(hào)的數(shù)字協(xié)議中集成 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭。控制卡輸出的 Z 軸信號(hào)可直接輸入DSD板，用于控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭。

注：DSD 板專為控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭而開發(fā)。在激光加工應(yīng)用中，需要使用脈沖和高功率激光束，這對(duì)光學(xué)反饋 (OF) 控制的精度提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。微量的雜散光仍然會(huì)對(duì)光學(xué)反饋控制產(chǎn)生偏移，從而使實(shí)際設(shè)定值發(fā)生偏移。雖然剩余的偏移可以通過電子方式消除，但為了實(shí)現(xiàn)高效的光學(xué)反饋控制，建議激光重復(fù)頻率 >= 20 kHz。

與 f-theta 鏡頭集成

一種可能的集成方法是將 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭和數(shù)字控制器與 f-theta 鏡頭配置在一起。圖 2 顯示了與不同f-theta鏡頭組合后的 Z 調(diào)整范圍。在這種特殊情況下，輸出激光束的直徑約為 6mm。EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭位于從激光輸出到振鏡掃描器的光束路徑上。光束隨后被振鏡反射，振鏡允許光束在目標(biāo)上沿 X 和 Y 方向偏轉(zhuǎn)。模擬中顯示的光場大小是鏡面偏轉(zhuǎn)角度 +/- 10° 的結(jié)果。激光光斑的 Z 位置可通過調(diào)整 EL-10-42-OF液態(tài)鏡頭的焦距來控制。對(duì)于焦距較長的 f-theta 透鏡，所產(chǎn)生的 z 值調(diào)整范圍和掃描區(qū)域尺寸都會(huì)增大。在每種配置中，EL-10-42-OF 的焦距都在最大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整（從 -2 屈光度到 +2 屈光度）。場平坦化和最終聚焦到處理平面由 f-theta 鏡頭完成。由于 EL-10-42-OF 集成在激光器和掃描頭之間，無需額外的光學(xué)器件，因此這種配置的實(shí)施非常簡單。

圖 2：帶有 EL-10-42-OF、振鏡和不同 fθ 鏡頭 f = 100、160 和 254mm的激光掃描系統(tǒng)。黑色箭頭表示相應(yīng)的 Z 掃描范圍和工作距離 (WD) 的變化。紅色表示不同情況下的掃描量。

注：由于 f-theta 光學(xué)鏡片的不完美，仍會(huì)存在場失真。這些影響 在使用 EL-10-42-OF 操作 f-theta 鏡頭時(shí)，由于進(jìn)入 f-theta 鏡頭的輸入光束會(huì)聚或發(fā)散，這些影響會(huì)略微增強(qiáng)。為了獲得最佳的處理質(zhì)量，必須在軟件方面考慮到這一點(diǎn)。為了獲得最佳的處理質(zhì)量，必須在軟件方面考慮到這一點(diǎn)，例如引入校正網(wǎng)格。

不使用 f-theta 鏡頭的整合

在不使用 f-theta 鏡頭的情況下，EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭可實(shí)現(xiàn) Z 方向上的掃描場平坦化和調(diào)整。不使用f-theta鏡頭的系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是掃描區(qū)域更大，z 范圍更廣，整個(gè)掃描區(qū)域的光斑尺寸變化最小，甚至沒有變化。在沒有 f-theta 透鏡的情況下，激光器和掃描頭之間需要額外的光學(xué)器件來聚焦激光束。根據(jù)這些透鏡的位置和焦距，可實(shí)現(xiàn)不同的工作距離范圍和掃描區(qū)域大小。請(qǐng)聯(lián)系我們，我們將為您提供所需的配置支持。

我們?cè)O(shè)計(jì)并測試了一個(gè) 3D 演示模塊（圖 3），除 EL-10-42-OF 外，還安裝了多個(gè)固定鏡頭（圖4）。可以使用標(biāo)準(zhǔn)的 1 英寸球面定焦鏡頭。

圖 3：三維模塊設(shè)計(jì)渲染圖

圖 4：帶有 5 個(gè)固定鏡頭位置的3D 模塊示意圖

3D 模塊位于激光器和掃描頭之間，如圖 5 所示。根據(jù)所使用的定焦鏡頭，可以實(shí)現(xiàn)不同的配置，如圖 6所示。我們提供該模塊的 STEP 文件，以便于制造或根據(jù)您的特定光學(xué)布局進(jìn)一步定制。

圖 5：在三維激光加工裝置中集成三維模塊

圖 6：使用3D 模塊實(shí)現(xiàn)的固定鏡頭設(shè)置和相應(yīng)光學(xué)性能

作為比較，圖 7 顯示了使用 EL-10-42、DSD 數(shù)字控制器和 160mm f-theta 鏡頭（無附加光學(xué)器件）的系統(tǒng)性能。

圖 7：配備 160mm f-theta 鏡頭的典型二維激光加工裝置的光學(xué)性能

Z軸校準(zhǔn)

DSD 板控制透鏡的光學(xué)功率，因此可以在 Z 方向移動(dòng)激光光斑（見圖 8）。由于施加的電壓與光功率之間存在非線性特性，因此有必要在控制信號(hào)與激光光斑以毫米為單位的 Z 軸物理位置之間進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后，設(shè)定信號(hào)直接表示 z 方向上 zmin 和 zmax 之間的調(diào)諧范圍，如圖 8 右面板所示。實(shí)際的 z 調(diào)諧范圍取決于 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭集成的光學(xué)布局。校準(zhǔn)過程只需進(jìn)行一次，數(shù)據(jù)通?？梢源鎯?chǔ)在激光加工軟件的查找表中。建議至少測量十個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。測量點(diǎn)越多，控制精度越高。

圖 8：左圖顯示通過調(diào)節(jié) EL-10-42-OF 如何改變激光光斑的 Z 軸位置。右圖是控制信號(hào)與 Z 軸焦點(diǎn)位置的校準(zhǔn)曲線。淺綠色的點(diǎn)代表提高校準(zhǔn)精度所需的更多點(diǎn)。

更多信息和支持

Optotune 提供廣泛的內(nèi)部專業(yè)知識(shí)，核心競爭力在于動(dòng)態(tài)光控制組件的光電機(jī)械設(shè)計(jì)，對(duì)材料的理解以及對(duì)高效和清潔制造過程的控制。Optotune 是調(diào)焦鏡頭（也稱為液態(tài)鏡頭）的供應(yīng)商，Optotune的調(diào)焦鏡頭和反射鏡用于條形碼讀取，機(jī)器人視覺，包裝分揀，檢查，質(zhì)量控制和3D成像。Optotune 鏡頭由三個(gè)子系列組成：電動(dòng)可調(diào)鏡頭、手動(dòng)可調(diào)鏡頭和電動(dòng)鏡頭模塊 （ELM）。無論是電動(dòng)驅(qū)動(dòng)還是機(jī)械驅(qū)動(dòng)，可調(diào)透鏡相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)器件的優(yōu)勢(shì)都是驚人的。Optotune的調(diào)焦鏡頭允許在幾毫秒內(nèi)進(jìn)行靜止對(duì)焦，從而將景深延長100倍或更多。快速聚焦可調(diào)諧透鏡和具有精確光學(xué)反饋的 2D 反射鏡是需要大 x-y-z-掃描范圍的 2.5D 和 3D 激光加工系統(tǒng)的理想選擇。調(diào)焦鏡片通過提供一百萬個(gè)鏡片來簡化眼科設(shè)備的設(shè)計(jì)。Optotune的鏡頭可以根據(jù)您在尺寸、調(diào)諧范圍、傳輸范圍或速度方面的特定需求進(jìn)行定制。武漢新特光電技術(shù)有限公司目前是Optotune在中國的授權(quán)代理商，為尋求滿足所有液態(tài)鏡頭需求的客戶提供了便捷途徑，如果您對(duì)液態(tài)鏡頭有任何需求，請(qǐng)隨時(shí)通過手機(jī)18162698939或者電郵lql@SintecLaser.com與我們的產(chǎn)品經(jīng)理羅經(jīng)理聯(lián)系。

附錄

使用 f-theta 透鏡的集成示例

圖 11 顯示了緊湊型激光打標(biāo)系統(tǒng)的集成示例。EL-10-42-OF 是一種非常緊湊的透鏡，可以很容易地安裝在激光輸出和振鏡頭之間的空隙中（見圖 12）。EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭的機(jī)械支架的設(shè)計(jì)確保了光束、EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭和振鏡頭的光圈同軸。

圖 11：激光打標(biāo)系統(tǒng)使用電動(dòng)聚焦可調(diào)透鏡 EL-10-42-OF，用于快速 Z 軸聚焦。

圖 12：激光打標(biāo)演示裝置的 3D 模型。電動(dòng)聚焦可調(diào)諧透鏡 EL-10-42-OF 位于激光頭和振鏡之間。

典型的激光打標(biāo)結(jié)果如圖 13 所示。右側(cè)的標(biāo)尺是水平方向的，說明了實(shí)地平坦化能力。左側(cè)顯示的標(biāo)尺傾斜 45°，代表需要進(jìn)行全 3D 打標(biāo)的極端情況。最高 Z 位置的最大區(qū)域尺寸為 110 x 110mm。在二維平面上，最大打標(biāo)速度可達(dá) 15m/s。在傾斜 45° 的表面上打標(biāo)，速度可達(dá) 6m/s。

圖 13：3D 標(biāo)記功能的真實(shí)示例。右圖是一把水平標(biāo)尺，用于說明實(shí)地平整功能。左圖是在 45° 傾斜表面上標(biāo)記的標(biāo)尺。

不使用 f-theta 透鏡的集成示例

我們還在不使用 f-theta 透鏡的情況下使用 EL-10-42-OF 實(shí)現(xiàn)了激光打標(biāo)。如圖 14 所示，在沒有 f-theta透鏡的情況下，必須使用標(biāo)準(zhǔn)的 1 英寸光學(xué)器件。 建議在 EL-10-42-OF 和固定板之間使用白色特氟龍墊圈，以實(shí)現(xiàn)良好的熱隔離。

圖 14：激光打標(biāo)系統(tǒng)的光學(xué)裝置示例，不帶 f-theta 透鏡，置于激光器和掃描頭之間。

相應(yīng)的光學(xué)布局如圖 15 所示。EL-10-42-OF 鏡頭將光束從 -2 dpt 調(diào)諧到 +2 dpt，而接下來的兩個(gè)鏡頭（f= -50 mm 和 f = 75 mm）組成了一個(gè)光束擴(kuò)展器，用于擴(kuò)大光束尺寸。最后，使用 f = 300 mm透鏡將光束聚焦到工作平面上。要達(dá)到與 f-theta 系統(tǒng)（f = 160 mm）相當(dāng)?shù)墓獍叱叽绾痛驑?biāo)質(zhì)量，光束擴(kuò)展是必
要的。

圖 15：不帶 f-theta 透鏡的激光打標(biāo)系統(tǒng)的光學(xué)布局。EL-10-42-OF 調(diào)整光束發(fā)散，f = -50 mm透鏡進(jìn)一步發(fā)散光束，使光束擴(kuò)大約 1.5 倍。f = 75 mm透鏡對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直，然后由 f = 300 mm透鏡將光束聚焦到工作平面上。