使用可調焦透鏡EL-10-42-OF和模擬控制板進行激光加工應用說明

目前，市場上常見的激光加工 Z 坐標控制解決方案是基于光學器件的機械平移。這種方法的主要局限是速度慢、Z 軸移動范圍小。此外，精密活動部件的使用壽命有限，系統集成需要大量空間。

在本應用說明中，我們介紹了如何將使用 EL-E-OF-A 電子板驅動的 EL-10-42-OF 可調焦透鏡集成到不同的激光加工系統中。EL-10-42-OF 透鏡重量輕、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諸多缺點的理想選擇，同時還能確保降低成本。

專為脈沖激光器設計的 EL-10-42-OF 透鏡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 透鏡用于各種激光加工應用提供了可能性，如下圖所示。

使用 EL-E-OF-A 模擬控制板控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭

EL-E-OF-A 控制板設計用于控制 EL-10-42-OF 液態鏡頭。EL-10-42-OF 透鏡在 Z（垂直）方向移動激光光斑，振鏡則在 X-Y（水平）平面偏轉激光光斑。這種方法在第 3 節介紹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。電腦（用戶）與 XY2-100 數字控制卡之間的通信通常通過串行總線（如 USB）進行。在擴展的 XY2-100協議中，除了控制振鏡的 x 軸和 y 軸外，還提供用于控制 EL-10-42-OF 鏡頭的 z 軸。控制卡將 x 軸和 y 軸的數字信號傳輸給掃描頭，用于控制振鏡。Z 軸的數字信號必須通過數模轉換板（如 SCAPS AEB-2 板）轉換為模擬電壓。圖 1 右側顯示了另一種可能的集成方式，即 XY2-100 控制卡具有輔助模擬電壓輸出。該電壓輸出通常用于控制 Z 級等外部設備。

EL-E-OF-A 配置非常適合需要在不同高度（z-步進）對平面物體進行激光加工的所有應用。由于每次改變Z 軸坐標時加工過程都會中斷，因此使用數字控制器可以更好地實現快速 3D 加工，這一點在另一份應用說明中作了解釋。在這種配置中，z 軸的控制器板與工業實時總線（如 XY2-100 協議）同步，從而實現沿三維輪廓的高速聚焦。

圖 1：左側面板顯示的是 EL-10-42-OF 集成在數字協議中，提供 x、y 和 z 信號。Z 軸信號被轉換成模擬信號，用于 EL-E-OF-A 板。右圖中，鏡頭由控制卡提供的模擬信號直接控制。

系統集成

圖 2 顯示了 1064 nm 緊湊型 2.5D 激光打標系統的集成示例。由于結構緊湊，EL-10-42-OF 可以方便地安裝在激光輸出端和振鏡頭之間的空隙中（見圖 3）。振鏡頭之間的空隙中（見圖 3）。需要為 EL-10-42-OF 鏡頭專門設計一個機械支架，以確保激光束、EL-10-42-OF 確保激光束、EL-10-42-OF鏡頭和振鏡頭的孔徑同軸。

圖 2：激光打標系統使用的電動聚焦可調鏡頭 EL-10-42-OF，以及用于快速 Z 軸聚焦的模擬控制器EL-E-OF-A。

圖 3：激光打標演示裝置示意圖。電動可調焦透鏡 EL-10-42-OF 位于激光頭和振鏡之間。

與 f-theta 透鏡集成

上節所示的設置是激光加工系統所采用的幾種典型布局之一。在本節中，我們將展示與 EL-10-42-OF 鏡頭相結合的三種常見光學布局。圖 4 顯示了與不同 f-theta 鏡頭組合后的 Z 調整范圍1。在所有三種情況下，輸出激光束的直徑都約為6mm。EL-10-42-OF 透鏡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 鏡頭的焦距來控制。對于焦距較長的 f-theta 透鏡，所產生的 z 值調整范圍以及標記區域尺寸都會增大。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打標平面由 f-theta鏡頭完成。由于 EL-10-42-OF 可直接集成到現有系統中，因此這種配置很容易實現。

注：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，f-theta 光學鏡片的瑕疵導致的場失真會略微增加。 為了獲得最佳的打標質量，軟件方面應考慮到這一點，例如引入校正網格。

圖 4：配備 EL-10-42-OF、振鏡和 f-theta 鏡頭的激光掃描系統。 不同的 f-theta 焦距（f = 100、160 和 254 mm）導致不同的 Z 掃描范圍、工作距離（WD）和打標體積（紅色表示）。

與伽利略擴束鏡集成

第3.1節中描述的配置在工作區大小、Z調諧范圍和光斑尺寸方面提供了一定的自由度。然而，在許多應用中，需要更大的靈活性來優化調諧范圍和光斑尺寸。一種方法是將 EL-10-42-OF 鏡頭與伽利略擴束鏡結合使用，這樣就可以將光束放大系數作為額外的自由度。通用設計如圖 5 所示。EL-10-42-OF 位于構成擴束鏡的兩個定焦透鏡之間。然后，光束被傳送到振鏡上，并由 f-theta 透鏡聚焦。

圖5：伽利略擴束鏡與 EL-10-42-OF 組合的通用設計。 光束放大系數是優化調諧范圍和激光光斑尺寸的關鍵參數。

下圖描述了不同的 f-theta 鏡頭和伽利略放大鏡組合如何定性地控制工作區域、z 軸調節范圍和激光光斑大小。 根據客戶的要求，我們可以為系統集成提供光學設計建議。

與現成的擴束鏡集成

使用現成的擴束鏡也可以實現各種光斑尺寸和 Z 范圍。圖 6 展示了一個通用的光學裝置。擴束鏡應盡可能靠近 EL-10-42-OF 后放置，但精確定位并不重要。為了避免振鏡上的光束削波，振鏡的尺寸必須足夠大，以容納放大后的激光束。

圖 6：用于集成現成擴束鏡的光學裝置，該擴束鏡必須直接置于 EL-10-42-OF 之后。

假定輸出激光光束直徑為 8mm，使用不同的擴束鏡和 EL-10-42 鏡頭，可以獲得下表所總結的 Z 范圍和聚焦光斑尺寸。對不同供應商的擴束鏡進行了測試，結果表明其性能偏差微乎其微，僅為百分之幾。

Z 軸校準

通過 EL-E-OF-A 控制板控制鏡頭需要 0 至 5V 的模擬電壓。信號的分辨率至少應為 12 位。EL-E-OF-A 控制透鏡的光學功率，因此可以在Z方向上移動激光光斑，如圖 7 左側面板所示。由于透鏡的生產公差，有必要對控制電壓和激光光斑在z軸方向的位置進行校準。使用SAMLight進行Z軸校準的詳細步驟見附錄1。校準后，設定信號直接表示 zmin 和 zmax 之間的 Z 方向調諧范圍，如圖 7 右面板所示。實際的 Z 調諧范圍取決于 EL-10-42-OF 集成的光學布局。校準只需進行一次，數據可通過查詢表存儲在打標軟件中。建議至少創建十個校準點。更多的點將提高 Z 軸控制的精度。

圖 7：左圖顯示了通過調節 EL-10-42-OF 如何改變激光光斑的 Z 軸位置。右圖是控制信號（0-5 V）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。

打標測試

使用演示激光打標機（見圖 2），在打標量的兩個極端位置打標一個 10 x 10mm的矩形。在放大 8倍的顯微鏡下觀察結果，沒有發現明顯的差異或劣化。

圖 8：打標體積兩個極端位置的打標質量。在這兩種情況下，都是標記一個 10 x 10mm的小矩形，然后用 8 倍顯微鏡檢查結果。沒有明顯差異。

在第二項測試中，我們研究了插入 EL-10-42-OF 對打標質量的影響。我們在水平面上標記了一個 4 x 4 點的點陣。圖 9 左圖顯示的是 EL-10-42-OF 位于光束路徑中時的結果，右圖顯示的是 EL-10-42-OF 從系統中取出時的打標結果。用 8 倍顯微鏡對打標樣品進行觀察后發現，由于 EL-10-42-OF 的存在，圖像質量沒有明顯下降。

圖 9：在光束路徑中安裝和不安裝 EL-10-42-OF 時的打標質量比較，兩種設置之間沒有任何差異。

注：EL-E-OF-A 電子裝置是專為控制 EL-10-42-OF 鏡頭而開發的。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在光學反饋控制上產生偏移，使實際設定值發生偏移。雖然 EL-E-OF-A 板上的電子元件可以消除剩余偏移，但要實現高效的光學反饋控制，建議激光重復頻率 >= 20 kHz。

線性化： 焦距功率與模擬電壓

在 EL-E-OF-A 控制板的固件中，我們實現了一項功能，可將鏡頭的焦距功率與施加的電壓線性化。通過主動將連接器 P4 中的引腳 11 拉至低電平，用戶可以啟用此線性化功能。一個簡單的方法是將引腳 11和引腳 10（接地）連接起來，如下圖所示。

啟用和未啟用線性化功能時的測量結果見圖 10。

圖 10：測量焦功率（dpt）與外加電壓的關系。左圖啟用了線性化功能，右圖（默認情況下）禁用了線性化功能。

這一功能的主要優點是，當一個工廠需要校準兩個以上的打標系統時，可以簡化整個 Z 軸校準過程。第一套打標系統被視為主系統。這套系統必須進行第 4 節所述的全部 Z 軸校準，為此建議采集 10 個以上的數據點。如果啟用了線性化功能，理論上其余機器的校準程序可以簡化，只需兩個校準點即可。但仍需要一個包含十個以上數據點的查找表，以實現最佳和精確的 Z 位置控制。根據要求，Optotune 可提供Excel 表格，以便根據主系統的數據，從兩點校準結果生成新的查找表。

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