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双轴激光扫描系统的基本原理

发布人:广东星之球

责任编辑:激光制造网通讯员

来源:波长光电

2014-09-25 14:26

     一束激光被两片扫描振镜反射,并且通过一片聚焦镜。振镜片在一个galvo-扫描器马达的带动下高速的来回延轴旋转。在大多数情况下,最高偏转角镜是+12.5°(+10°往往是一个较安全范围)入射角不能偏于45°


在设计双轴扫描器时,我们的目标是:
•能够达到理想的扫描范围.
•能够达到最高的速度.
•能够达到最小的焦斑.
•使得成本能够最低.
一些要考虑到的限制因素:
•光束质量的因素Q (Q=M2).
•扫描角度的限制因 素.
•光束能量减少的因素.
•扫描器通光口径的影响因素.
扫描器的扫描范围
光束的扫描范围较超过某个角度q,等于两倍的振镜反射角。因此,在X和Y两个方向上扫描的范围可能是q=±20°。(最大的扫描范围应该是q=±25°)。在X和Y轴上,实际的扫描面积应该是2Ftanq。
近似值发生的原因:
通常在镜片的设计中,会考虑到它的失真现象。所以对于q来说扫描的位置是对称的,而不是tanq。
在双轴上扫描时,会出现几何失真的现象,这个是与镜头的属性不相干的。

  焦斑尺寸下限d (1/e2 亮度直径) 相对于激光光束直径‘D’ (1/e2)是d = 13.5QF/D mm例如:一束TEM00(Q=1) 的直径是13.5mm(1/e2)用一个焦距100mm的理想聚焦镜片,焦距出来的点的直径是100mm(带入一个实际数值Q=1.5, 焦斑尺寸应该是150um.)
从上面的方程式可以看出,光的速度和光学畸变可导致聚焦点大小都大于最低衍射值。
大尺寸范围需要使用长焦距镜头。相反的,这会导致更大的聚焦点,除非把光束直径大小, 振镜大小,和镜头直径全部加大。
在大多数的扫描结果里,焦斑的尺寸大小通常是以平均值的形式给出的。

  扫描器的口径往往是有限的,比如说直径是‘A ’mm。
光的衍射发生在有限的口径中,也就是光束的能量会被阻挡,即使是一束中心光束也一样。对于一束TEM00光束(Q=1),它在圆孔的能量损耗可以参考下面的数据:


表中显示,那里的扫描器口径仅限于A毫米直径, 激光光束直径D (1/e2) 必须选定一个尺寸和功率低损耗的折衷点。对于大多数的激光扫描系统来说D=A/1.4这个值可以被接受。

  振镜1(或者叫振镜X)
振镜1的宽度是由光束的直径所决定的。完整光束直径在这里是比较容易讨论的,完整的光束直径在一定程度上是任意的。
例如,一个系统设计师可能将DF界定为激光射在有机玻璃留下的烧焦的光束直径。另外DF可能被定为一个能量为99%的标准能量点,或者是限定在某个范围内,如1.4D – 1.6D.
考虑到镜片的误差,振镜的宽W1要略微大于所选择的DF的值。镜片上的最大入射角imax决定了振镜的长度。让a= (90°-imax)。当振镜的长度是L1,这里L1=W1/sina.
振镜2(或者叫振镜y)
振镜2的宽度应该等于振镜1的长度。振镜2的长度就是光束打在第二个振镜上时同S1的距离,和最大入射角q。这些镜片被制作并被镀上的特定的膜层,从而决定用于CO2激光还是YAG激光。他们有很高的激光损伤值, 1000w/mm的情况下光束直径是1/e2(D).

  我们将镜头描述为F-theta镜头,或者‘Fq’。设计的方法是要产生一个离轴点的位置成正比的扫描角度。依次,就是要产生成正比的电压,已适用于扫描器马达。由于失真是来自于两个振镜,所以我们两个轴上的扫描器要有能够转动F-theta的特征。
       单片式镜片设计得最好的折衷点是要同时具备最小光斑尺寸与F-θ特点。对于单片式的镜头,在F-theta特征下,误差通常是2%-3%。多片式的镜头,它的设计会更加接近F-theta的特点。F-theta特征的误差范围是<0.36%,并且只有75mmFL的微小差距。

  所有扫描透镜设计是基于上述因素,对于典型的小型扫描器系统,光束直径的范围在10mm或是15mm,镜片的直径为48mm是比较合适的。对于光束直径是15mm,这时镜片的直径要通过S1和M2L的距离作为参数。
每次设计镜头旨在提供最佳性能的打标范围,最小最均匀的焦斑和在指定的光束直径和振镜位置下要具备F-theta特征。尽可能避免镜片口径和金属圆孔带来的衍射。