使用可調焦透鏡EL-10-42-OF 和DSD數字控制器板進行激光加工應用說明

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

在本應用說明中，我們提供了將 EL-10-42-OF 可調諧透鏡與數字控制板相結合用于快速 3D激光加工應用的一般指導原則。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中。

通過特殊而簡單的光學設計，使用 EL-10-42-OF 鏡頭的三維激光加工系統可以在整個掃描范圍內實現相同的光斑尺寸。EL-10-42-OF 鏡頭專為脈沖激光器設計，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用提供了可能性，如下圖所示。

系統集成

使用DSD 控制板控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭

DSD 是一塊基于 FPGA 的數字控制板，用于控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭。當 EL-10-42-OF 液態鏡頭在 z（垂直）方向移動激光光斑時，振鏡會在 x-y（水平）平面偏轉激光光斑。

這種方法在附錄 3 和附錄 4 所示的緊湊型激光打標機中得以實現，其示意圖如圖 1 左側面板所示。在擴展的 XY2-100 協議中，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。從控制卡輸出的 Z軸數字信號可直接發送到DSD 板，如圖 1 左側面板所示。

圖 1 右側顯示了另一種可能的集成方式，即使用 SCAPS 的控制器板。然后，就可以應用雙向 XY-SCAPS 通信協議。

這兩種情況都可以實現快速三維激光加工，而且不需要 f-theta 鏡頭。經證實，在不使用 f-theta 鏡頭的情況下，對 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。

圖 1：在提供 x、y 和 z 信號的數字協議中集成 EL-10-42-OF 液態鏡頭。控制卡輸出的 Z 軸信號可直接輸入DSD板，用于控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭。

注：DSD 板專為控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭而開發。在激光加工應用中，需要使用脈沖和高功率激光束，這對光學反饋 (OF) 控制的精度提出了相當大的挑戰。微量的雜散光仍然會對光學反饋控制產生偏移，從而使實際設定值發生偏移。雖然剩余的偏移可以通過電子方式消除，但為了實現高效的光學反饋控制，建議激光重復頻率 >= 20 kHz。

與 f-theta 鏡頭集成

一種可能的集成方法是將 EL-10-42-OF 液態鏡頭和數字控制器與 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上沿 X 和 Y 方向偏轉。模擬中顯示的光場大小是鏡面偏轉角度 +/- 10° 的結果。激光光斑的 Z 位置可通過調整 EL-10-42-OF液態鏡頭的焦距來控制。對于焦距較長的 f-theta 透鏡，所產生的 z 值調整范圍和掃描區域尺寸都會增大。在每種配置中，EL-10-42-OF 的焦距都在最大范圍內進行調整（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，無需額外的光學器件，因此這種配置的實施非常簡單。

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。黑色箭頭表示相應的 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 光學鏡片的不完美，仍會存在場失真。這些影響 在使用 EL-10-42-OF 操作 f-theta 鏡頭時，由于進入 f-theta 鏡頭的輸入光束會聚或發散，這些影響會略微增強。為了獲得最佳的處理質量，必須在軟件方面考慮到這一點。為了獲得最佳的處理質量，必須在軟件方面考慮到這一點，例如引入校正網格。

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 液態鏡頭可實現 Z 方向上的掃描場平坦化和調整。不使用f-theta鏡頭的系統的主要優點是掃描區域更大，z 范圍更廣，整個掃描區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器件來聚焦激光束。根據這些透鏡的位置和焦距，可實現不同的工作距離范圍和掃描區域大小。請聯系我們，我們將為您提供所需的配置支持。

我們設計并測試了一個 3D 演示模塊（圖 3），除 EL-10-42-OF 外，還安裝了多個固定鏡頭（圖4）。可以使用標準的 1 英寸球面定焦鏡頭。

圖 3：三維模塊設計渲染圖

圖 4：帶有 5 個固定鏡頭位置的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。根據所使用的定焦鏡頭，可以實現不同的配置，如圖 6所示。我們提供該模塊的 STEP 文件，以便于制造或根據您的特定光學布局進一步定制。

圖 5：在三維激光加工裝置中集成三維模塊

圖 6：使用3D 模塊實現的固定鏡頭設置和相應光學性能

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

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

Z軸校準

DSD 板控制透鏡的光學功率，因此可以在 Z 方向移動激光光斑（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與激光光斑以毫米為單位的 Z 軸物理位置之間進行校準。校準后，設定信號直接表示 z 方向上 zmin 和 zmax 之間的調諧范圍，如圖 8 右面板所示。實際的 z 調諧范圍取決于 EL-10-42-OF 液態鏡頭集成的光學布局。校準過程只需進行一次，數據通常可以存儲在激光加工軟件的查找表中。建議至少測量十個校準點。測量點越多，控制精度越高。

圖 8：左圖顯示通過調節 EL-10-42-OF 如何改變激光光斑的 Z 軸位置。右圖是控制信號與 Z 軸焦點位置的校準曲線。淺綠色的點代表提高校準精度所需的更多點。

更多信息和支持

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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系統的集成示例。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 液態鏡頭的機械支架的設計確保了光束、EL-10-42-OF 液態鏡頭和振鏡頭的光圈同軸。

圖 11：激光打標系統使用電動聚焦可調透鏡 EL-10-42-OF，用于快速 Z 軸聚焦。

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

典型的激光打標結果如圖 13 所示。右側的標尺是水平方向的，說明了實地平坦化能力。左側顯示的標尺傾斜 45°，代表需要進行全 3D 打標的極端情況。最高 Z 位置的最大區域尺寸為 110 x 110mm。在二維平面上，最大打標速度可達 15m/s。在傾斜 45° 的表面上打標，速度可達 6m/s。

圖 13：3D 標記功能的真實示例。右圖是一把水平標尺，用于說明實地平整功能。左圖是在 45° 傾斜表面上標記的標尺。

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 實現了激光打標。如圖 14 所示，在沒有 f-theta透鏡的情況下，必須使用標準的 1 英寸光學器件。 建議在 EL-10-42-OF 和固定板之間使用白色特氟龍墊圈，以實現良好的熱隔離。

圖 14：激光打標系統的光學裝置示例，不帶 f-theta 透鏡，置于激光器和掃描頭之間。

相應的光學布局如圖 15 所示。EL-10-42-OF 鏡頭將光束從 -2 dpt 調諧到 +2 dpt，而接下來的兩個鏡頭（f= -50 mm 和 f = 75 mm）組成了一個光束擴展器，用于擴大光束尺寸。最后，使用 f = 300 mm透鏡將光束聚焦到工作平面上。要達到與 f-theta 系統（f = 160 mm）相當的光斑尺寸和打標質量，光束擴展是必
要的。

圖 15：不帶 f-theta 透鏡的激光打標系統的光學布局。EL-10-42-OF 調整光束發散，f = -50 mm透鏡進一步發散光束，使光束擴大約 1.5 倍。f = 75 mm透鏡對光束進行準直，然后由 f = 300 mm透鏡將光束聚焦到工作平面上。