前聚焦式3軸振鏡的調焦原理與應用

摘 要：使用兩軸振鏡配合ftheta透鏡進行激光掃描加工已經獲得了廣泛應用，但該方式的掃描幅面較小，無法滿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軸振鏡的調焦原理和在典型大幅面加工上的應用。

關鍵詞：3軸激光振鏡；前聚焦式；調焦光學原理；大幅面加工應用

引言

激光掃描加工技術已經在工業領域獲得了廣泛的應用。振鏡是掃描加工的主流實現途徑。在消費電子、汽車零件、動力電池等行業中，使用激光振鏡進行工件的遠程標記、切割、焊接等已經成為行業標準解決方案，振鏡加工具有非接觸、柔性化，可任意編輯加工圖形，硬件限制小等優點[1]。振鏡加工不要求特別嚴格的工作環境，加工時也不產生廢水廢料，通常僅需抽塵集塵裝置即可。振鏡加工技術已經成為激光工業加工領域中的重要加工技術，隨著振鏡本身的種類和性能不斷提高，越來越多的激光精密微細加工工藝得以開拓。

1 前聚焦式3軸振鏡的優勢

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。隨著終端用戶要求同時加工更多工件以進一步提升生產效率，或者開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，只有通過多個兩軸振鏡拼接加工才可以增大幅面，但這樣會導致設備調試難度提高。由于存在拼縫，加工精度和長期穩定性也難以保證。

前聚焦式3軸振鏡不需要ftheta透鏡進行聚焦，因此掃描范圍不受透鏡最大視場角的限制，可以實現數倍于ftheta透鏡的掃描范圍，同時保持近衍射極限聚焦光斑。不同于ftheta透鏡通過光學設計引入負場曲來獲得一定尺寸范圍的平坦焦平面，前聚焦式3軸振鏡通過電機帶動目鏡沿著激光束傳輸方向前后運動，實時改變光束發散角實現調焦，補償幅面內中心以外聚焦點的光程差，從而獲得平坦的焦平面。因此前聚焦方式也叫動態聚焦[2]。

多個二軸振鏡拼接加工大幅面工件往往需要根據不同的工件尺寸和固定方式，開發專用外掛程序進行拼縫校正，軟件通用性差。當拼縫接頭處有一定對準誤差時，即使誤差尺度只有10μm以內，由于人眼視覺的對比作用，也容易被判定為不合格，導致廢品率高。工作臺和夾具的機械誤差以及長期蠕變，也會造成拼接加工的長期穩定性不佳。

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二軸振鏡進行拼接。使用前聚焦式3軸振鏡進行大幅面加工，定位精度由振鏡本身保證。由于避免了拼縫接頭，因此對工作臺和夾具的要求不高，加工一致性與穩定性好。市面上已經有商品化的工業標準3D振鏡控制軟件，只需根據實際工況在軟件內做標準幅面校正即可，不需額外開發外掛程序，通用性強。

2 前聚焦式3軸振鏡調焦的光學原理

由矢量的正交合成法則可知，二軸振鏡可以實現水平面內x和y方向平面圖形的的任意掃描，但無法進行縱向平面內運動，即無法實現調焦。因此前聚焦式3軸振鏡包含z軸調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鏡，其中目鏡由振鏡電機驅動，使目鏡和物鏡間距改變，實現調焦。改變量由幾何光學中的軸向放大率α決定，即光軸上一對共軛點沿軸移動量之比，計算公式如下，

α=■=■β2 （1）

其中，dl為物點沿軸移動距離，dl'為其共軛像點沿軸移動距離。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1064nm，此時中心工作距離700mm，到幅面的四角時光程約818mm，最大光程差為118mm。z軸模組的軸向放大率一般在12×左右，即目鏡行程達到11mm即可補償該光程差，并且有一定余量。

3 前聚焦式3軸振鏡的典型應用

前聚焦式3軸振鏡在導光板激光打點、紫外光固化成型SLA、ITO薄膜激光刻蝕等領域有著廣泛的應用。導光板材質一般為PMMA，對CO2激光有良好的吸收。尺寸可達490×380mm和450×450mm，要求聚焦點直徑φ0.4mm。如使用ftheta透鏡，其焦距將達到720mm，對應聚焦光斑超過φ0.6mm。30mm通光口徑的前聚焦式振鏡可以在500x500mm范圍內獲得φ0.4mm焦斑，滿足導光板打點應用要求。

3D打印中的紫外光固化快速成型（SLA）的前沿應用已經要求掃描幅面達到甚至超過1m×1m；為保證感光樹脂成型的均勻度和結合力，對聚焦光斑質量亦有嚴格限制。現有紫外透鏡最大掃描幅面不超過500mm，無法滿足需求。而12mm通光口徑的前聚焦式3軸振鏡即可達到1m幅面，同時保持聚焦光斑直徑不超過70μm，完全滿足需求。

銦錫氧化物（ITO）薄膜具有導電率高、可見光波段透過率高等特點，近年來在顯示屏、觸摸屏等領域應用廣泛。傳統的ITO薄膜刻蝕方法為化學法，存在環境污染等問題，使用激光刻蝕ITO薄膜成為新工藝研究的重點。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范圍限制，通常不會超過150×150mm。如果屏幕尺寸達到30寸以上，使用單個二軸振鏡將無法進行加工。30寸對應掃描幅面約540×540mm，使用前聚焦式3軸振鏡可以實現一次性加工，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，鏡片數量一般為兩片，經過z軸目鏡發散的激光束具有較大直徑，相對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帶有旁瓣，能量集中度不高，對加工的精細度存在不利影響。因此聚焦光斑在50μm或以上時，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。大口徑反射鏡片轉動慣量大，對階躍命令信號的響應有較明顯的延遲，如果加工圖形有較多的小直角或鈍角，這些角度的實際加工效果會趨于圓弧角，造成加工圖形的還原度有一定下降。

5 結束語

前聚焦式3軸振鏡在大幅面激光加工中有不可替代的優勢，由于能夠達到500-1000mm以上的幅面，同時保持近衍射極限的聚焦光斑，因此特別適合CO2激光加工導光板、紫外激光固化快速成型SLA以及大尺寸ITO薄膜激光刻蝕等應用。設備調試校正容易，長期加工一致性和穩定性能夠滿足產線7×24h加工需要。

參考文獻

[1]林盛鑫，黃丁香.基于三維動態聚焦技術的激光打標系統設計研究[J].東莞理工學院學報，2011，18（3）：66-69.

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

[3]汪會清，史玉升.三維振鏡激光掃描系統的控制算法及應用[J].華中科技大學學報（自然科學版），2003，31（5）70-71.

作者簡介：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。