振镜扫描系统

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振镜简介

振镜激光扫描的主要优势是高速和高精度,广泛用于激光加工、生命科学和医学诊断等领域。位置传感器集成在电机设计中,以闭环伺服控制提供可预测的线性时不变(LTI)系统。机械角度可达±20度以上,扫描速率从几Hz到几kHz不等;反射镜较小的低惯性系统通常比重系统具有更快的速度。振镜可单轴使用,也可组成多轴配置,或者配合互补技术(比如共振或多边形扫描仪)实现更复杂的扫描形状。

振镜控制的基础架构可分模拟式、数字式或混合式。轴角度传感器内置于振镜构造中,降低运动质量并提高系统性能,所以高性能位置探测器是基本需求。现代振镜采用动磁设计提供高扭矩比,对于小型系统,通常用小电机推动相对大的负载。如果负载接近或超过转子惯性可能出现有害的机械共振,这可用陷波滤波器抑制。放大器的陷波、PID等配置出厂设好,为用户提供稳定可靠的性能。

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控制器监视误差,即要求位置和所测所致之差,使用差值算出适当的控制输出,是误差趋近于零.数字控制器常用PID或状态空间实现.

轴角度传感器内置于振镜结构内,能减低运动质量和提高性能

现代振镜采用动磁设计实现高扭矩比.当负载接近或超过转子惯性时,或出现不想要的机械共振.使用陷波滤波器抑制

单轴和双轴振镜

单轴振镜套件一般包括振镜反射镜、伺服放大器和连接电缆。反射镜镀膜选项包括用于红外和可见光的宽带膜和用于特定单波长或多波长的介质膜。完备的振镜应用还需要购买各种配件、伺服散热器、振镜安装夹具、信号源和光源等等。

双轴振镜是用于OEM加工和三轴系统的核心构造模块。经过匹配调谐的XY双轴振镜是搭建高性能扫描系统的关键,两个反射镜必须确保精确的光路对准。

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另外,双轴振镜扫描头兼容各种激光,通过选配镜头提供最佳光斑、工作距离和视场,提高激光加工速度。

与合适的激光和镜头组合使用时具有非常广泛的用途:打标;切割太阳能电池薄膜;表面处理和深雕;半导体材料切割、划线和修整;低功率焊接和烧结。

如何选择合适的扫描头呢?建议从激光加工要求开始考虑。加工效率取决于光束能量如何高效传递到工件表面。双轴扫描头采用物镜前扫描配置,即运动反射镜位于物镜前面。镜头必须具有平坦视场,将光斑均匀聚焦在整个工作表面上。

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fθ镜头是最常用的扫描镜头。它的扫描场大于镜头,光斑在视场中心为圆形,四角有点椭圆,所以略不均匀。CO2激光等长波长应用经常可以只用单透镜,从紫外255 nm到1064 nm YAG激光等短波长应用需要多元件镜头才能提供高质量光斑。

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远心镜头虽然在此不常用但出于完整起见也一并介绍。远心镜头的扫描场等于或小于镜头直径,激光始终正入射到工作表面,光斑大小和能量密度在整个视场内保持一致。

双轴扫描头加fθ镜头适合平坦物体和大约6英寸的视场,但太阳能电池面板可能远大于此,所以就要用到更大视场的三轴扫描头。(1英寸= 2.54厘米)

三轴扫描头

三轴扫描头包含标准XY双轴扫描头加Z轴电动对焦器,不用fθ镜头扫描。灵活的三轴扫描头非常适合三维非平坦面形打标,视场可达一平方米,所以只用单通扫描就能处理整块太阳能电池板,而聚焦光斑直径可低至22 µm,还可以通过故意散焦控制热量。

三轴扫描头采用物镜后扫描配置,即运动反射镜位于物镜后面。在下面的工作原理图中,激光从右方输入,先后通过扩束镜和物镜,然后由扫描反射镜聚焦到工作表面。曲面是扩束镜保持不动的聚焦结果(使用fθ镜头扫描就是如此),为了提供平坦视场只要移动扩束镜,由控制器算出任意XY位置的校正量并相应调节Z轴对焦。

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我们有两种Z轴对焦方式。传统的Z轴对焦器采用旋转转线性位移台,这种技术仍是XG三轴扫描头的主力,提供更大视场以及可调的光斑和工作距离比值,不过批量加工的速度受限于较大的镜头组运动质量。

DB15振镜控制

振镜控制信号为数字信号,可以直接连接至协议为 XY2-100 的数字振镜。注意:数字信号建议采用带屏蔽层的双绞线连接。

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管脚号 信号名称 具体说明
1, 9 CLK-/CLK+ 时钟信号—/时钟信号+
2,10 SYNC-/SYNC+ 同步信号—/同步信号+
3,11 Xchannel-/ XChannel+ 振镜 X 信号—/振镜 X 信号+
4,12 Ychannel-/ YChannel+ 振镜 Y 信号—/振镜 Y 信号+
5,13 NULL 保留
6,14 NULL 保留
7 NULL 保留
8,15 GND

工作原理

平行光纤由两个扫描振镜来偏转激光的光束。

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振镜模块由两个扫描振镜在X-Y平面上偏转平行光线的光束。图2显示了基本的工作原理:激光光束通过振镜的入光小孔进入到振镜模块内。一旦光束进入到模块内,就打到镜片1和扫描电机1,然后经过偏转达到镜片2和扫描电机2偏转角度是由扫描电机偏转角度来调整的。光束偏转后经过装有F⊙透镜的出光口进入到工作区域。

⊙透镜的作用是将平行光束聚焦到工作区域。通过£⊙后,光束进入工作区域的入射角度和聚焦点的位置是有直接的比例关系的。

在工作区域上光线扫描图形在光束经过振镜模块后会有枕型失真,这需要通过控制系统调整,校正失真。

振镜模块在设计中对平行光线的直径是有要求的,最大的通光孔径标注在振镜小孔边,请注意使用的激光光束最大直径不能超过该孔的大小

物镜

物镜必须要与焦距和激光器波长相互匹配。如图3所示,激光器的输入光到加工区域的距离A和加工区域的大小(4)由下列因素影响:透镜的焦距、振镜模块的小孔孔径。而且A还受到激光发散角的影响。由于振镜模块的偏转镜的机械尺寸的原因,如果偏转角度超出设定值,有些光斑会超出镜子的范围。这就导致一些光斑不能被转镜反射,振镜传输激光时会有功率的损失,。而阻:超出设定尺寸的光斑会打在振镜内其他的地方,这将导致损坏振镜模块。

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如果使用高斯光束,就算扫描角度不超出偏转镜的偏转角度,它的效果也不好

输入信号参照系统

输入信号决定了输入光束在X-Y轴上的位置。具体的定义见图10。振镜模块的位置由下列方式决定:当电压为-4.8V时在工作区域的负轴向最大处,以0点为中心,当电压为+4.8V时在工作区域的正轴向最大处。

由于扫描电机和物镜的作用,使得光束在工作区域有明显的枕形失真。如图10所示。这需要通过控制系统来补偿(使其变为方形)。

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