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0431-81702023
光学工程
双轴激光扫描系统的介绍

      一束激光被两片扫描振镜反射,并且通过一片聚焦镜。振镜片在一个galvo-扫描器马达的带动下高速的来回延轴旋转。在大多数情况下,最高偏转角镜是+12.5°(+10°往往是一个较安全范围)入射角不能偏于45°。 




     在设计双轴扫描器时,我们的目标是: 

 能够达到理想的扫描范围. 
能够达到最高的速度. 
能够达到最小的焦斑. 
使得成本能够最低. 
一些要考虑到的限制因素:
光束质量的因素q (q=m2). 
扫描角度的限制因 素. 
光束能量减少的因素. 
扫描器通光口径的影响因素.  
扫描器的扫描范围 
      光束的扫描范围较超过某个角度q,等于两倍的振镜反射角。因此,在x和y两个方向上扫描的范围可能是q=±20°。(最大的扫描范围应该是q=±25°)。在x和y轴上,实际的扫描面积应该是2ftanq。 
      近似值发生的原因: 
      通常在镜片的设计中,会考虑到它的失真现象。所以对于q来说扫描的位置是对称的,而不是tanq。 
      在双轴上扫描时,会出现几何失真的现象,这个是与镜头的属性不相 干的。
      焦斑尺寸 
      焦斑尺寸下限d (1/e2 亮度直径) 相对于激光光束直径‘d’ (1/e2)是d = 13.5qf/d mm例如:一束tem00(q=1) 的直径是13.5mm(1/e2)用一个焦距100mm的理想聚焦镜片,焦距出来的点的直径是100mm(带入一个实际数值q=1.5, 焦斑尺寸应该是150um.) 
从上面的方程式可以看出,光的速度和光学畸变可导致聚焦点大小都大于最低衍射值。 
      大尺寸范围需要使用长焦距镜头。相反的,这会导致更大的聚焦点,除非把光束直径大小, 振镜大小,和镜头直径全部加大。 
在大多数的扫描结果里,焦斑的尺寸大小通常是以平均值的形式给出的。 
     割光现象 
     扫描器的口径往往是有限的,比如说直径是‘a ’mm。 

     光的衍射发生在有限的口径中,也就是光束的能量会被阻挡,即使是一束中心光束也一样。对于一束tem00光束(q=1),它在圆孔的能量损耗可以参考下面的数据:  
a/d
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
loss%
27.8
13.5
5.6
1.98
0.6
0.15
0.03

      表中显示,那里的扫描器口径仅限于a毫米直径, 激光光束直径d (1/e2) 必须选定一个尺寸和功率低损耗的折衷点。对于大多数的激光扫描系统来说d=a/1.4这个值可以被接受。 
      振镜的设计 
      振镜1(或者叫振镜x) 
      振镜1的宽度是由光束的直径所决定的。完整光束直径在这里是比较容易讨论的,完整的光束直径在一定程度上是任意的。 
      例如,一个系统设计师可能将df界定为激光射在有机玻璃留下的烧焦的光束直径。另外df可能被定为一个能量为99%的标准能量点,或者是限定在某个范围内,如1.4d ╟ 1.6d. 
      考虑到镜片的误差,振镜的宽w1要略微大于所选择的df的值。镜片上的最大入射角imax决定了振镜的长度。让a= (90°-imax)。当振镜的长度是l1,这里l1=w1/sina. 
      振镜2(或者叫振镜y) 
      振镜2的宽度应该等于振镜1的长度。振镜2的长度就是光束打在第二个振镜上时同s1的距离,和最大入射角q。这些镜片被制作并被镀上的特定的膜层,从而决定用于co2激光还是yag激光。他们有很高的激光损伤值, 1000w/mm的情况下光束直径是1/e2(d). 
      f-theta 的特点 
      我们将镜头描述为f-theta镜头,或者‘fq’。设计的方法是要产生一个离轴点的位置成正比的扫描角度。依次,就是要产生成正比的电压,已适用于扫描器马达。由于失真是来自于两个振镜,所以我们两个轴上的扫描器要有能够转动f-theta的特征。 
      单片式镜片设计得最好的折衷点是要同时具备最小光斑尺寸与f-θ特点。对于单片式的镜头,在f-theta特征下,误差通常是2%-3%。多片式的镜头,它的设计会更加接近f-theta的特点。f-theta特征的误差范围是<0.36%,并且只有75mmfl的微小差距。 
      镜头设计 
      所有扫描透镜设计是基于上述因素,对于典型的小型扫描器系统,光束直径的范围在10mm或是15mm,镜片的直径为48mm是比较合适的。对于光束直径是15mm,这时镜片的直径要通过s1和m2l的距离作为参数。 
      每次设计镜头旨在提供最佳性能的打标范围,最小最均匀的焦斑和在指定的光束直径和振镜位置下要具备f-theta特征。尽可能避免镜片口径和金属圆孔带来的衍射。

 


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