前聚焦式3軸振鏡的調(diào)焦原理與應(yīng)用

摘 要：使用兩軸振鏡配合ftheta透鏡進(jìn)行激光掃描加工已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，但該方式的掃描幅面較小，無(wú)法滿(mǎn)足大幅面加工的要求。前聚焦式振鏡不需要使用ftheta透鏡，能夠在保持近衍射極限聚焦光斑下獲得數(shù)倍于ftheta透鏡的掃描范圍。文章研究討論了前聚焦式3軸振鏡的調(diào)焦原理和在典型大幅面加工上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3軸激光振鏡；前聚焦式；調(diào)焦光學(xué)原理；大幅面加工應(yīng)用

引言

激光掃描加工技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。振鏡是掃描加工的主流實(shí)現(xiàn)途徑。在消費(fèi)電子、汽車(chē)零件、動(dòng)力電池等行業(yè)中，使用激光振鏡進(jìn)行工件的遠(yuǎn)程標(biāo)記、切割、焊接等已經(jīng)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)解決方案，振鏡加工具有非接觸、柔性化，可任意編輯加工圖形，硬件限制小等優(yōu)點(diǎn)[1]。振鏡加工不要求特別嚴(yán)格的工作環(huán)境，加工時(shí)也不產(chǎn)生廢水廢料，通常僅需抽塵集塵裝置即可。振鏡加工技術(shù)已經(jīng)成為激光工業(yè)加工領(lǐng)域中的重要加工技術(shù)，隨著振鏡本身的種類(lèi)和性能不斷提高，越來(lái)越多的激光精密微細(xì)加工工藝得以開(kāi)拓。

1 前聚焦式3軸振鏡的優(yōu)勢(shì)

以聚焦方式劃分，振鏡加工可以分為使用ftheta透鏡的后聚焦式加工和不使用ftheta透鏡的前聚焦式加工兩種。隨著終端用戶(hù)要求同時(shí)加工更多工件以進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，或者開(kāi)始加工更大尺寸的工件，目前的兩軸振鏡配合ftheta透鏡的方式就遇到了瓶頸。由于ftheta透鏡的加工幅面一般都在200mm以下，只有通過(guò)多個(gè)兩軸振鏡拼接加工才可以增大幅面，但這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備調(diào)試難度提高。由于存在拼縫，加工精度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性也難以保證。

前聚焦式3軸振鏡不需要ftheta透鏡進(jìn)行聚焦，因此掃描范圍不受透鏡最大視場(chǎng)角的限制，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)倍于ftheta透鏡的掃描范圍，同時(shí)保持近衍射極限聚焦光斑。不同于ftheta透鏡通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)引入負(fù)場(chǎng)曲來(lái)獲得一定尺寸范圍的平坦焦平面，前聚焦式3軸振鏡通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)目鏡沿著激光束傳輸方向前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)改變光束發(fā)散角實(shí)現(xiàn)調(diào)焦，補(bǔ)償幅面內(nèi)中心以外聚焦點(diǎn)的光程差，從而獲得平坦的焦平面。因此前聚焦方式也叫動(dòng)態(tài)聚焦[2]。

多個(gè)二軸振鏡拼接加工大幅面工件往往需要根據(jù)不同的工件尺寸和固定方式，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用外掛程序進(jìn)行拼縫校正，軟件通用性差。當(dāng)拼縫接頭處有一定對(duì)準(zhǔn)誤差時(shí)，即使誤差尺度只有10μm以?xún)?nèi)，由于人眼視覺(jué)的對(duì)比作用，也容易被判定為不合格，導(dǎo)致廢品率高。工作臺(tái)和夾具的機(jī)械誤差以及長(zhǎng)期蠕變，也會(huì)造成拼接加工的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不佳。

前聚焦式3軸振鏡容易獲得大掃描范圍，因此可以避免使用多個(gè)二軸振鏡進(jìn)行拼接。使用前聚焦式3軸振鏡進(jìn)行大幅面加工，定位精度由振鏡本身保證。由于避免了拼縫接頭，因此對(duì)工作臺(tái)和夾具的要求不高，加工一致性與穩(wěn)定性好。市面上已經(jīng)有商品化的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)3D振鏡控制軟件，只需根據(jù)實(shí)際工況在軟件內(nèi)做標(biāo)準(zhǔn)幅面校正即可，不需額外開(kāi)發(fā)外掛程序，通用性強(qiáng)。

2 前聚焦式3軸振鏡調(diào)焦的光學(xué)原理

由矢量的正交合成法則可知，二軸振鏡可以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)x和y方向平面圖形的的任意掃描，但無(wú)法進(jìn)行縱向平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。因此前聚焦式3軸振鏡包含z軸調(diào)焦模組與二軸振鏡兩部分[3]。

z軸模組通常為一倒置的伽利略式望遠(yuǎn)鏡，其中目鏡由振鏡電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使目鏡和物鏡間距改變，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。改變量由幾何光學(xué)中的軸向放大率α決定，即光軸上一對(duì)共軛點(diǎn)沿軸移動(dòng)量之比，計(jì)算公式如下，

α=■=■β2 （1）

其中，dl為物點(diǎn)沿軸移動(dòng)距離，dl'為其共軛像點(diǎn)沿軸移動(dòng)距離。n'與n分別為像方和物方折射率，β為垂軸放大率。

以加工幅面600mm×600mm為例，激光波長(zhǎng)1064nm，此時(shí)中心工作距離700mm，到幅面的四角時(shí)光程約818mm，最大光程差為118mm。z軸模組的軸向放大率一般在12×左右，即目鏡行程達(dá)到11mm即可補(bǔ)償該光程差，并且有一定余量。

3 前聚焦式3軸振鏡的典型應(yīng)用

前聚焦式3軸振鏡在導(dǎo)光板激光打點(diǎn)、紫外光固化成型SLA、ITO薄膜激光刻蝕等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)光板材質(zhì)一般為PMMA，對(duì)CO2激光有良好的吸收。尺寸可達(dá)490×380mm和450×450mm，要求聚焦點(diǎn)直徑φ0.4mm。如使用ftheta透鏡，其焦距將達(dá)到720mm，對(duì)應(yīng)聚焦光斑超過(guò)φ0.6mm。30mm通光口徑的前聚焦式振鏡可以在500x500mm范圍內(nèi)獲得φ0.4mm焦斑，滿(mǎn)足導(dǎo)光板打點(diǎn)應(yīng)用要求。

3D打印中的紫外光固化快速成型（SLA）的前沿應(yīng)用已經(jīng)要求掃描幅面達(dá)到甚至超過(guò)1m×1m；為保證感光樹(shù)脂成型的均勻度和結(jié)合力，對(duì)聚焦光斑質(zhì)量亦有嚴(yán)格限制?，F(xiàn)有紫外透鏡最大掃描幅面不超過(guò)500mm，無(wú)法滿(mǎn)足需求。而12mm通光口徑的前聚焦式3軸振鏡即可達(dá)到1m幅面，同時(shí)保持聚焦光斑直徑不超過(guò)70μm，完全滿(mǎn)足需求。

銦錫氧化物（ITO）薄膜具有導(dǎo)電率高、可見(jiàn)光波段透過(guò)率高等特點(diǎn)，近年來(lái)在顯示屏、觸摸屏等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。傳統(tǒng)的ITO薄膜刻蝕方法為化學(xué)法，存在環(huán)境污染等問(wèn)題，使用激光刻蝕ITO薄膜成為新工藝研究的重點(diǎn)。以二軸振鏡和ftheta透鏡組合為例，其掃描范圍受ftheta透鏡的焦距和低畸變視場(chǎng)范圍限制，通常不會(huì)超過(guò)150×150mm。如果屏幕尺寸達(dá)到30寸以上，使用單個(gè)二軸振鏡將無(wú)法進(jìn)行加工。30寸對(duì)應(yīng)掃描幅面約540×540mm，使用前聚焦式3軸振鏡可以實(shí)現(xiàn)一次性加工，獲得良好的效果，圖形線寬50μm，最大幅面600×600mm。

4 前聚焦式3軸振鏡的局限

前聚焦式3軸振鏡的聚焦組件為固定式，鏡片數(shù)量一般為兩片，經(jīng)過(guò)z軸目鏡發(fā)散的激光束具有較大直徑，相對(duì)而言其球差校正不如三片或四片式的ftheta透鏡。如果要求聚焦光斑小于30μm，前聚焦式3軸振鏡的焦斑可能會(huì)帶有旁瓣，能量集中度不高，對(duì)加工的精細(xì)度存在不利影響。因此聚焦光斑在50μm或以上時(shí)，使用前聚焦式3軸振鏡可以獲得理想的效果。

為完全接收z軸模組輸出的發(fā)散或匯聚的激光束，前聚焦式3軸振鏡的二軸反射鏡片通光口徑一般較大，典型通光口徑為φ30mm-50mm。大口徑反射鏡片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，對(duì)階躍命令信號(hào)的響應(yīng)有較明顯的延遲，如果加工圖形有較多的小直角或鈍角，這些角度的實(shí)際加工效果會(huì)趨于圓弧角，造成加工圖形的還原度有一定下降。

5 結(jié)束語(yǔ)

前聚焦式3軸振鏡在大幅面激光加工中有不可替代的優(yōu)勢(shì)，由于能夠達(dá)到500-1000mm以上的幅面，同時(shí)保持近衍射極限的聚焦光斑，因此特別適合CO2激光加工導(dǎo)光板、紫外激光固化快速成型SLA以及大尺寸ITO薄膜激光刻蝕等應(yīng)用。設(shè)備調(diào)試校正容易，長(zhǎng)期加工一致性和穩(wěn)定性能夠滿(mǎn)足產(chǎn)線7×24h加工需要。

參考文獻(xiàn)

[1]林盛鑫，黃丁香.基于三維動(dòng)態(tài)聚焦技術(shù)的激光打標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].東莞理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，18（3）：66-69.

[2]謝永迅，麥焯偉.LDS激光打標(biāo)機(jī)的振鏡掃描失真分析及矯正[J].機(jī)床與液壓，2015，43（5）：53-56.

[3]汪會(huì)清，史玉升.三維振鏡激光掃描系統(tǒng)的控制算法及應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，31（5）70-71.

作者簡(jiǎn)介：何里（1982-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，主要研究方向：激光振鏡掃描加工技術(shù)。