使用可調(diào)焦透鏡EL-10-42-OF和模擬控制板進(jìn)行激光加工應(yīng)用說明

目前，市場上常見的激光加工 Z 坐標(biāo)控制解決方案是基于光學(xué)器件的機(jī)械平移。這種方法的主要局限是速度慢、Z 軸移動范圍小。此外，精密活動部件的使用壽命有限，系統(tǒng)集成需要大量空間。

在本應(yīng)用說明中，我們介紹了如何將使用 EL-E-OF-A 電子板驅(qū)動的 EL-10-42-OF 可調(diào)焦透鏡集成到不同的激光加工系統(tǒng)中。EL-10-42-OF 透鏡重量輕、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)械解決方案諸多缺點的理想選擇，同時還能確保降低成本。

專為脈沖激光器設(shè)計的 EL-10-42-OF 透鏡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 透鏡用于各種激光加工應(yīng)用提供了可能性，如下圖所示。

使用 EL-E-OF-A 模擬控制板控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭

EL-E-OF-A 控制板設(shè)計用于控制 EL-10-42-OF 液態(tài)鏡頭。EL-10-42-OF 透鏡在 Z（垂直）方向移動激光光斑，振鏡則在 X-Y（水平）平面偏轉(zhuǎn)激光光斑。這種方法在第 3 節(jié)介紹的緊湊型激光打標(biāo)機(jī)中得以實現(xiàn)，其示意圖如圖 1 左側(cè)面板所示。電腦（用戶）與 XY2-100 數(shù)字控制卡之間的通信通常通過串行總線（如 USB）進(jìn)行。在擴(kuò)展的 XY2-100協(xié)議中，除了控制振鏡的 x 軸和 y 軸外，還提供用于控制 EL-10-42-OF 鏡頭的 z 軸?？刂瓶▽?x 軸和 y 軸的數(shù)字信號傳輸給掃描頭，用于控制振鏡。Z 軸的數(shù)字信號必須通過數(shù)模轉(zhuǎn)換板（如 SCAPS AEB-2 板）轉(zhuǎn)換為模擬電壓。圖 1 右側(cè)顯示了另一種可能的集成方式，即 XY2-100 控制卡具有輔助模擬電壓輸出。該電壓輸出通常用于控制 Z 級等外部設(shè)備。

EL-E-OF-A 配置非常適合需要在不同高度（z-步進(jìn)）對平面物體進(jìn)行激光加工的所有應(yīng)用。由于每次改變Z 軸坐標(biāo)時加工過程都會中斷，因此使用數(shù)字控制器可以更好地實現(xiàn)快速 3D 加工，這一點在另一份應(yīng)用說明中作了解釋。在這種配置中，z 軸的控制器板與工業(yè)實時總線（如 XY2-100 協(xié)議）同步，從而實現(xiàn)沿三維輪廓的高速聚焦。

圖 1：左側(cè)面板顯示的是 EL-10-42-OF 集成在數(shù)字協(xié)議中，提供 x、y 和 z 信號。Z 軸信號被轉(zhuǎn)換成模擬信號，用于 EL-E-OF-A 板。右圖中，鏡頭由控制卡提供的模擬信號直接控制。

系統(tǒng)集成

圖 2 顯示了 1064 nm 緊湊型 2.5D 激光打標(biāo)系統(tǒng)的集成示例。由于結(jié)構(gòu)緊湊，EL-10-42-OF 可以方便地安裝在激光輸出端和振鏡頭之間的空隙中（見圖 3）。振鏡頭之間的空隙中（見圖 3）。需要為 EL-10-42-OF 鏡頭專門設(shè)計一個機(jī)械支架，以確保激光束、EL-10-42-OF 確保激光束、EL-10-42-OF鏡頭和振鏡頭的孔徑同軸。

圖 2：激光打標(biāo)系統(tǒng)使用的電動聚焦可調(diào)鏡頭 EL-10-42-OF，以及用于快速 Z 軸聚焦的模擬控制器EL-E-OF-A。

圖 3：激光打標(biāo)演示裝置示意圖。電動可調(diào)焦透鏡 EL-10-42-OF 位于激光頭和振鏡之間。

與 f-theta 透鏡集成

上節(jié)所示的設(shè)置是激光加工系統(tǒng)所采用的幾種典型布局之一。在本節(jié)中，我們將展示與 EL-10-42-OF 鏡頭相結(jié)合的三種常見光學(xué)布局。圖 4 顯示了與不同 f-theta 鏡頭組合后的 Z 調(diào)整范圍1。在所有三種情況下，輸出激光束的直徑都約為6mm。EL-10-42-OF 透鏡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 鏡頭的焦距來控制。對于焦距較長的 f-theta 透鏡，所產(chǎn)生的 z 值調(diào)整范圍以及標(biāo)記區(qū)域尺寸都會增大。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打標(biāo)平面由 f-theta鏡頭完成。由于 EL-10-42-OF 可直接集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，因此這種配置很容易實現(xiàn)。

注：在使用 EL-10-42-OF 操作 f-theta 鏡頭時，由于進(jìn)入 f-theta 鏡頭的輸入光束會聚或發(fā)散，f-theta 光學(xué)鏡片的瑕疵導(dǎo)致的場失真會略微增加。 為了獲得最佳的打標(biāo)質(zhì)量，軟件方面應(yīng)考慮到這一點，例如引入校正網(wǎng)格。

圖 4：配備 EL-10-42-OF、振鏡和 f-theta 鏡頭的激光掃描系統(tǒng)。 不同的 f-theta 焦距（f = 100、160 和 254 mm）導(dǎo)致不同的 Z 掃描范圍、工作距離（WD）和打標(biāo)體積（紅色表示）。

與伽利略擴(kuò)束鏡集成

第3.1節(jié)中描述的配置在工作區(qū)大小、Z調(diào)諧范圍和光斑尺寸方面提供了一定的自由度。然而，在許多應(yīng)用中，需要更大的靈活性來優(yōu)化調(diào)諧范圍和光斑尺寸。一種方法是將 EL-10-42-OF 鏡頭與伽利略擴(kuò)束鏡結(jié)合使用，這樣就可以將光束放大系數(shù)作為額外的自由度。通用設(shè)計如圖 5 所示。EL-10-42-OF 位于構(gòu)成擴(kuò)束鏡的兩個定焦透鏡之間。然后，光束被傳送到振鏡上，并由 f-theta 透鏡聚焦。

圖5：伽利略擴(kuò)束鏡與 EL-10-42-OF 組合的通用設(shè)計。 光束放大系數(shù)是優(yōu)化調(diào)諧范圍和激光光斑尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。

下圖描述了不同的 f-theta 鏡頭和伽利略放大鏡組合如何定性地控制工作區(qū)域、z 軸調(diào)節(jié)范圍和激光光斑大小。 根據(jù)客戶的要求，我們可以為系統(tǒng)集成提供光學(xué)設(shè)計建議。

與現(xiàn)成的擴(kuò)束鏡集成

使用現(xiàn)成的擴(kuò)束鏡也可以實現(xiàn)各種光斑尺寸和 Z 范圍。圖 6 展示了一個通用的光學(xué)裝置。擴(kuò)束鏡應(yīng)盡可能靠近 EL-10-42-OF 后放置，但精確定位并不重要。為了避免振鏡上的光束削波，振鏡的尺寸必須足夠大，以容納放大后的激光束。

圖 6：用于集成現(xiàn)成擴(kuò)束鏡的光學(xué)裝置，該擴(kuò)束鏡必須直接置于 EL-10-42-OF 之后。

假定輸出激光光束直徑為 8mm，使用不同的擴(kuò)束鏡和 EL-10-42 鏡頭，可以獲得下表所總結(jié)的 Z 范圍和聚焦光斑尺寸。對不同供應(yīng)商的擴(kuò)束鏡進(jìn)行了測試，結(jié)果表明其性能偏差微乎其微，僅為百分之幾。

Z 軸校準(zhǔn)

通過 EL-E-OF-A 控制板控制鏡頭需要 0 至 5V 的模擬電壓。信號的分辨率至少應(yīng)為 12 位。EL-E-OF-A 控制透鏡的光學(xué)功率，因此可以在Z方向上移動激光光斑，如圖 7 左側(cè)面板所示。由于透鏡的生產(chǎn)公差，有必要對控制電壓和激光光斑在z軸方向的位置進(jìn)行校準(zhǔn)。使用SAMLight進(jìn)行Z軸校準(zhǔn)的詳細(xì)步驟見附錄1。校準(zhǔn)后，設(shè)定信號直接表示 zmin 和 zmax 之間的 Z 方向調(diào)諧范圍，如圖 7 右面板所示。實際的 Z 調(diào)諧范圍取決于 EL-10-42-OF 集成的光學(xué)布局。校準(zhǔn)只需進(jìn)行一次，數(shù)據(jù)可通過查詢表存儲在打標(biāo)軟件中。建議至少創(chuàng)建十個校準(zhǔn)點。更多的點將提高 Z 軸控制的精度。

圖 7：左圖顯示了通過調(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（0-5 V）與 Z 軸焦點位置的校準(zhǔn)曲線。淺綠色的點代表提高校準(zhǔn)精度所需的更多點。

打標(biāo)測試

使用演示激光打標(biāo)機(jī)（見圖 2），在打標(biāo)量的兩個極端位置打標(biāo)一個 10 x 10mm的矩形。在放大 8倍的顯微鏡下觀察結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差異或劣化。

圖 8：打標(biāo)體積兩個極端位置的打標(biāo)質(zhì)量。在這兩種情況下，都是標(biāo)記一個 10 x 10mm的小矩形，然后用 8 倍顯微鏡檢查結(jié)果。沒有明顯差異。

在第二項測試中，我們研究了插入 EL-10-42-OF 對打標(biāo)質(zhì)量的影響。我們在水平面上標(biāo)記了一個 4 x 4 點的點陣。圖 9 左圖顯示的是 EL-10-42-OF 位于光束路徑中時的結(jié)果，右圖顯示的是 EL-10-42-OF 從系統(tǒng)中取出時的打標(biāo)結(jié)果。用 8 倍顯微鏡對打標(biāo)樣品進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，由于 EL-10-42-OF 的存在，圖像質(zhì)量沒有明顯下降。

圖 9：在光束路徑中安裝和不安裝 EL-10-42-OF 時的打標(biāo)質(zhì)量比較，兩種設(shè)置之間沒有任何差異。

注：EL-E-OF-A 電子裝置是專為控制 EL-10-42-OF 鏡頭而開發(fā)的。在激光加工應(yīng)用中，需要使用脈沖和高功率激光束，這對光學(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在光學(xué)反饋控制上產(chǎn)生偏移，使實際設(shè)定值發(fā)生偏移。雖然 EL-E-OF-A 板上的電子元件可以消除剩余偏移，但要實現(xiàn)高效的光學(xué)反饋控制，建議激光重復(fù)頻率 >= 20 kHz。

線性化： 焦距功率與模擬電壓

在 EL-E-OF-A 控制板的固件中，我們實現(xiàn)了一項功能，可將鏡頭的焦距功率與施加的電壓線性化。通過主動將連接器 P4 中的引腳 11 拉至低電平，用戶可以啟用此線性化功能。一個簡單的方法是將引腳 11和引腳 10（接地）連接起來，如下圖所示。

啟用和未啟用線性化功能時的測量結(jié)果見圖 10。

圖 10：測量焦功率（dpt）與外加電壓的關(guān)系。左圖啟用了線性化功能，右圖（默認(rèn)情況下）禁用了線性化功能。

這一功能的主要優(yōu)點是，當(dāng)一個工廠需要校準(zhǔn)兩個以上的打標(biāo)系統(tǒng)時，可以簡化整個 Z 軸校準(zhǔn)過程。第一套打標(biāo)系統(tǒng)被視為主系統(tǒng)。這套系統(tǒng)必須進(jìn)行第 4 節(jié)所述的全部 Z 軸校準(zhǔn)，為此建議采集 10 個以上的數(shù)據(jù)點。如果啟用了線性化功能，理論上其余機(jī)器的校準(zhǔn)程序可以簡化，只需兩個校準(zhǔn)點即可。但仍需要一個包含十個以上數(shù)據(jù)點的查找表，以實現(xiàn)最佳和精確的 Z 位置控制。根據(jù)要求，Optotune 可提供Excel 表格，以便根據(jù)主系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從兩點校準(zhǔn)結(jié)果生成新的查找表。

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