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    雙軸激光掃描系統的基本原理


    發布時間:

      一束激光被兩片掃描振鏡反射,并且通過一片聚焦鏡。振鏡片在一個galvo-掃描器馬達的帶動下高速的來回延軸旋轉。在大多數情況下,最高偏轉角鏡是+12.5°(+10°往往是一個較安全范圍)入射角不能偏于45°

      

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      在設計雙軸掃描器時,我們的目標是:

      •能夠達到理想的掃描范圍.

      •能夠達到最高的速度.

      •能夠達到最小的焦斑.

      •使得成本能夠最低.

      一些要考慮到的限制因素:

      •光束質量的因素Q (Q=M2).

      •掃描角度的限制因 素.

      •光束能量減少的因素.

      •掃描器通光口徑的影響因素.

      掃描器的掃描范圍

      光束的掃描范圍較超過某個角度q,等于兩倍的振鏡反射角。因此,在X和Y兩個方向上掃描的范圍可能是q=±20°。(最大的掃描范圍應該是q=±25°)。在X和Y軸上,實際的掃描面積應該是2Ftanq。

      近似值發生的原因:

      通常在鏡片的設計中,會考慮到它的失真現象。所以對于q來說掃描的位置是對稱的,而不是tanq。在雙軸上掃描時,會出現幾何失真的現象,這個是與鏡頭的屬性不相干的。

      焦斑尺寸下限d (1/e2 亮度直徑) 相對于激光光束直徑‘D’ (1/e2)是d = 13.5QF/D mm例如:一束TEM00(Q=1) 的直徑是13.5mm(1/e2)用一個焦距100mm的理想聚焦鏡片,焦距出來的點的直徑是100mm(帶入一個實際數值Q=1.5, 焦斑尺寸應該是150um.)

      從上面的方程式可以看出,光的速度和光學畸變可導致聚焦點大小都大于最低衍射值。

      大尺寸范圍需要使用長焦距鏡頭。相反的,這會導致更大的聚焦點,除非把光束直徑大小, 振鏡大小,和鏡頭直徑全部加大。

      在大多數的掃描結果里,焦斑的尺寸大小通常是以平均值的形式給出的。

      掃描器的口徑往往是有限的,比如說直徑是‘A ’mm。

      光的衍射發生在有限的口徑中,也就是光束的能量會被阻擋,即使是一束中心光束也一樣。對于一束TEM00光束(Q=1),它在圓孔的能量損耗可以參考下面的數據:

      

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      表中顯示,那里的掃描器口徑僅限于A毫米直徑, 激光光束直徑D (1/e2) 必須選定一個尺寸和功率低損耗的折衷點。對于大多數的激光掃描系統來說D=A/1.4這個值可以被接受。

      振鏡1(或者叫振鏡X)

      振鏡1的寬度是由光束的直徑所決定的。完整光束直徑在這里是比較容易討論的,完整的光束直徑在一定程度上是任意的。

      例如,一個系統設計師可能將DF界定為激光射在有機玻璃留下的燒焦的光束直徑。另外DF可能被定為一個能量為99%的標準能量點,或者是限定在某個范圍內,如1.4D – 1.6D.

      考慮到鏡片的誤差,振鏡的寬W1要略微大于所選擇的DF的值。鏡片上的最大入射角imax決定了振鏡的長度。讓a= (90°-imax)。當振鏡的長度是L1,這里L1=W1/sina.

      振鏡2(或者叫振鏡y)

      振鏡2的寬度應該等于振鏡1的長度。振鏡2的長度就是光束打在第二個振鏡上時同S1的距離,和最大入射角q。這些鏡片被制作并被鍍上的特定的膜層,從而決定用于CO2激光還是YAG激光。他們有很高的激光損傷值, 1000w/mm的情況下光束直徑是1/e2(D).

      我們將鏡頭描述為F-theta鏡頭,或者‘Fq’。設計的方法是要產生一個離軸點的位置成正比的掃描角度。依次,就是要產生成正比的電壓,已適用于掃描器馬達。由于失真是來自于兩個振鏡,所以我們兩個軸上的掃描器要有能夠轉動F-theta的特征。

      單片式鏡片設計得最好的折衷點是要同時具備最小光斑尺寸與F-θ特點。對于單片式的鏡頭,在F-theta特征下,誤差通常是2%-3%。多片式的鏡 頭,它的設計會更加接近F-theta的特點。F-theta特征的誤差范圍是<0.36%,并且只有75mmFL的微小差距。

      所有掃描透鏡設計是基于上述因素,對于典型的小型掃描器系統,光束直徑的范圍在10mm或是15mm,鏡片的直徑為48mm是比較合適的。對于光束直徑是15mm,這時鏡片的直徑要通過S1和M2L的距離作為參數。

      每次設計鏡頭旨在提供打標范圍,最小最均勻的焦斑和在指定的光束直徑和振鏡位置下要具備F-theta特征。盡可能避免鏡片口徑和金屬圓孔帶來的衍射。

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