使用可调焦透镜EL-10-42-OF 和DSD数字控制器板进行激光加工应用说明

目前，市场上常见的激光加工 Z 坐标控制方法是使用机械平移。然而，这种方法的主要局限是速度慢、Z 偏移范围小。精密活动部件的使用寿命有限，而且需要大量空间才能集成到现有系统中。EL-10-42-OF 镜头重量轻、结构紧凑、响应速度快、使用寿命长。因此，它是克服机械解决方案缺点
 的理想选择。

在本应用说明中，我们提供了将 EL-10-42-OF 可调谐透镜与数字控制板相结合用于快速 3D激光加工应用的一般指导原则。我们介绍了如何将 EL-10-42-OF 镜头DSD 控制板集成到激光加工系统中。

通过特殊而简单的光学设计，使用 EL-10-42-OF 镜头的三维激光加工系统可以在整个扫描范围内实现相同的光斑尺寸。EL-10-42-OF 镜头专为脉冲激光器设计，有两种波长可供选择：950nm至 1100nm的近红外波长和 532nm的可见光波长。这为 EL-10-42-OF 镜头用于各种激光加工应用提供了可能性，如下图所示。

系统集成

使用DSD 控制板控制 EL-10-42-OF 液态镜头

DSD 是一块基于 FPGA 的数字控制板，用于控制 EL-10-42-OF 液态镜头。当 EL-10-42-OF 液态镜头在 z（垂直）方向移动激光光斑时，振镜会在 x-y（水平）平面偏转激光光斑。

这种方法在附录 3 和附录 4 所示的紧凑型激光打标机中得以实现，其示意图如图 1 左侧面板所示。在扩展的 XY2-100 协议中，除了控制振镜的 X 轴和 Y 轴之外，还提供用于控制 Z 轴的信号。从控制卡输出的 Z轴数字信号可直接发送到DSD 板，如图 1 左侧面板所示。

图 1 右侧显示了另一种可能的集成方式，即使用 SCAPS 的控制器板。然后，就可以应用双向 XY-SCAPS 通信协议。

这两种情况都可以实现快速三维激光加工，而且不需要 f-theta 镜头。经证实，在不使用 f-theta 镜头的情况下，对 45° 倾斜物体的加工速度为 6 m/s，在二维平面上的加工速度为 15 m/s，其工作距离与使用160mm f-theta 镜头和用于 Z 轴的 EL-10-42-OF 的装置相当。

图 1：在提供 x、y 和 z 信号的数字协议中集成 EL-10-42-OF 液态镜头。控制卡输出的 Z 轴信号可直接输入DSD板，用于控制 EL-10-42-OF 液态镜头。

注：DSD 板专为控制 EL-10-42-OF 液态镜头而开发。在激光加工应用中，需要使用脉冲和高功率激光束，这对光学反馈 (OF) 控制的精度提出了相当大的挑战。微量的杂散光仍然会对光学反馈控制产生偏移，从而使实际设定值发生偏移。虽然剩余的偏移可以通过电子方式消除，但为了实现高效的光学反馈控制，建议激光重复频率 >= 20 kHz。

与 f-theta 镜头集成

一种可能的集成方法是将 EL-10-42-OF 液态镜头和数字控制器与 f-theta 镜头配置在一起。图 2 显示了与不同f-theta镜头组合后的 Z 调整范围。在这种特殊情况下，输出激光束的直径约为 6mm。EL-10-42-OF 液态镜头位于从激光输出到振镜扫描器的光束路径上。光束随后被振镜反射，振镜允许光束在目标上沿 X 和 Y 方向偏转。模拟中显示的光场大小是镜面偏转角度 +/- 10° 的结果。激光光斑的 Z 位置可通过调整 EL-10-42-OF液态镜头的焦距来控制。对于焦距较长的 f-theta 透镜，所产生的 z 值调整范围和扫描区域尺寸都会增大。在每种配置中，EL-10-42-OF 的焦距都在最大范围内进行调整（从 -2 屈光度到 +2 屈光度）。场平坦化和最终聚焦到处理平面由 f-theta 镜头完成。由于 EL-10-42-OF 集成在激光器和扫描头之间，无需额外的光学器件，因此这种配置的实施非常简单。

图 2：带有 EL-10-42-OF、振镜和不同 fθ 镜头 f = 100、160 和 254mm的激光扫描系统。黑色箭头表示相应的 Z 扫描范围和工作距离 (WD) 的变化。红色表示不同情况下的扫描量。

注：由于 f-theta 光学镜片的不完美，仍会存在场失真。这些影响 在使用 EL-10-42-OF 操作 f-theta 镜头时，由于进入 f-theta 镜头的输入光束会聚或发散，这些影响会略微增强。为了获得最佳的处理质量，必须在软件方面考虑到这一点。为了获得最佳的处理质量，必须在软件方面考虑到这一点，例如引入校正网格。

不使用 f-theta 镜头的整合

在不使用 f-theta 镜头的情况下，EL-10-42-OF 液态镜头可实现 Z 方向上的扫描场平坦化和调整。不使用f-theta镜头的系统的主要优点是扫描区域更大，z 范围更广，整个扫描区域的光斑尺寸变化最小，甚至没有变化。在没有 f-theta 透镜的情况下，激光器和扫描头之间需要额外的光学器件来聚焦激光束。根据这些透镜的位置和焦距，可实现不同的工作距离范围和扫描区域大小。请联系我们，我们将为您提供所需的配置支持。

我们设计并测试了一个 3D 演示模块（图 3），除 EL-10-42-OF 外，还安装了多个固定镜头（图4）。可以使用标准的 1 英寸球面定焦镜头。

图 3：三维模块设计渲染图

图 4：带有 5 个固定镜头位置的3D 模块示意图

3D 模块位于激光器和扫描头之间，如图 5 所示。根据所使用的定焦镜头，可以实现不同的配置，如图 6所示。我们提供该模块的 STEP 文件，以便于制造或根据您的特定光学布局进一步定制。

图 5：在三维激光加工装置中集成三维模块

图 6：使用3D 模块实现的固定镜头设置和相应光学性能

作为比较，图 7 显示了使用 EL-10-42、DSD 数字控制器和 160mm f-theta 镜头（无附加光学器件）的系统性能。

图 7：配备 160mm f-theta 镜头的典型二维激光加工装置的光学性能

Z轴校准

DSD 板控制透镜的光学功率，因此可以在 Z 方向移动激光光斑（见图 8）。由于施加的电压与光功率之间存在非线性特性，因此有必要在控制信号与激光光斑以毫米为单位的 Z 轴物理位置之间进行校准。校准后，设定信号直接表示 z 方向上 zmin 和 zmax 之间的调谐范围，如图 8 右面板所示。实际的 z 调谐范围取决于 EL-10-42-OF 液态镜头集成的光学布局。校准过程只需进行一次，数据通常可以存储在激光加工软件的查找表中。建议至少测量十个校准点。测量点越多，控制精度越高。

图 8：左图显示通过调节 EL-10-42-OF 如何改变激光光斑的 Z 轴位置。右图是控制信号与 Z 轴焦点位置的校准曲线。浅绿色的点代表提高校准精度所需的更多点。

更多信息和支持

Optotune 提供广泛的内部专业知识，核心竞争力在于动态光控制组件的光电机械设计，对材料的理解以及对高效和清洁制造过程的控制。Optotune 是调焦镜头（也称为液态镜头）的供应商，Optotune的调焦镜头和反射镜用于条形码读取，机器人视觉，包装分拣，检查，质量控制和3D成像。Optotune 镜头由三个子系列组成：电动可调镜头、手动可调镜头和电动镜头模块 （ELM）。无论是电动驱动还是机械驱动，可调透镜相对于传统光学器件的优势都是惊人的。Optotune的调焦镜头允许在几毫秒内进行静止对焦，从而将景深延长100倍或更多。快速聚焦可调谐透镜和具有精确光学反馈的 2D 反射镜是需要大 x-y-z-扫描范围的 2.5D 和 3D 激光加工系统的理想选择。调焦镜片通过提供一百万个镜片来简化眼科设备的设计。Optotune的镜头可以根据您在尺寸、调谐范围、传输范围或速度方面的特定需求进行定制。武汉新特光电技术有限公司目前是Optotune在中国的授权代理商，为寻求满足所有液态镜头需求的客户提供了便捷途径，如果您对液态镜头有任何需求，请随时通过手机18162698939或者电邮lql@SintecLaser.com与我们的产品经理罗经理联系。

附录

使用 f-theta 透镜的集成示例

图 11 显示了紧凑型激光打标系统的集成示例。EL-10-42-OF 是一种非常紧凑的透镜，可以很容易地安装在激光输出和振镜头之间的空隙中（见图 12）。EL-10-42-OF 液态镜头的机械支架的设计确保了光束、EL-10-42-OF 液态镜头和振镜头的光圈同轴。

图 11：激光打标系统使用电动聚焦可调透镜 EL-10-42-OF，用于快速 Z 轴聚焦。

图 12：激光打标演示装置的 3D 模型。电动聚焦可调谐透镜 EL-10-42-OF 位于激光头和振镜之间。

典型的激光打标结果如图 13 所示。右侧的标尺是水平方向的，说明了实地平坦化能力。左侧显示的标尺倾斜 45°，代表需要进行全 3D 打标的极端情况。最高 Z 位置的最大区域尺寸为 110 x 110mm。在二维平面上，最大打标速度可达 15m/s。在倾斜 45° 的表面上打标，速度可达 6m/s。

图 13：3D 标记功能的真实示例。右图是一把水平标尺，用于说明实地平整功能。左图是在 45° 倾斜表面上标记的标尺。

不使用 f-theta 透镜的集成示例

我们还在不使用 f-theta 透镜的情况下使用 EL-10-42-OF 实现了激光打标。如图 14 所示，在没有 f-theta透镜的情况下，必须使用标准的 1 英寸光学器件。 建议在 EL-10-42-OF 和固定板之间使用白色特氟龙垫圈，以实现良好的热隔离。

图 14：激光打标系统的光学装置示例，不带 f-theta 透镜，置于激光器和扫描头之间。

相应的光学布局如图 15 所示。EL-10-42-OF 镜头将光束从 -2 dpt 调谐到 +2 dpt，而接下来的两个镜头（f= -50 mm 和 f = 75 mm）组成了一个光束扩展器，用于扩大光束尺寸。最后，使用 f = 300 mm透镜将光束聚焦到工作平面上。要达到与 f-theta 系统（f = 160 mm）相当的光斑尺寸和打标质量，光束扩展是必
要的。

图 15：不带 f-theta 透镜的激光打标系统的光学布局。EL-10-42-OF 调整光束发散，f = -50 mm透镜进一步发散光束，使光束扩大约 1.5 倍。f = 75 mm透镜对光束进行准直，然后由 f = 300 mm透镜将光束聚焦到工作平面上。