前聚焦式3轴振镜的调焦原理与应用

摘 要：使用两轴振镜配合ftheta透镜进行激光扫描加工已经获得了广泛应用，但该方式的扫描幅面较小，无法满足大幅面加工的要求。前聚焦式振镜不需要使用ftheta透镜，能够在保持近衍射极限聚焦光斑下获得数倍于ftheta透镜的扫描范围。文章研究讨论了前聚焦式3轴振镜的调焦原理和在典型大幅面加工上的应用。

关键词：3轴激光振镜；前聚焦式；调焦光学原理；大幅面加工应用

引言

激光扫描加工技术已经在工业领域获得了广泛的应用。振镜是扫描加工的主流实现途径。在消费电子、汽车零件、动力电池等行业中，使用激光振镜进行工件的远程标记、切割、焊接等已经成为行业标准解决方案，振镜加工具有非接触、柔性化，可任意编辑加工图形，硬件限制小等优点[1]。振镜加工不要求特别严格的工作环境，加工时也不产生废水废料，通常仅需抽尘集尘装置即可。振镜加工技术已经成为激光工业加工领域中的重要加工技术，随着振镜本身的种类和性能不断提高，越来越多的激光精密微细加工工艺得以开拓。

1 前聚焦式3轴振镜的优势

以聚焦方式划分，振镜加工可以分为使用ftheta透镜的后聚焦式加工和不使用ftheta透镜的前聚焦式加工两种。随着终端用户要求同时加工更多工件以进一步提升生产效率，或者开始加工更大尺寸的工件，目前的两轴振镜配合ftheta透镜的方式就遇到了瓶颈。由于ftheta透镜的加工幅面一般都在200mm以下，只有通过多个两轴振镜拼接加工才可以增大幅面，但这样会导致设备调试难度提高。由于存在拼缝，加工精度和长期稳定性也难以保证。

前聚焦式3轴振镜不需要ftheta透镜进行聚焦，因此扫描范围不受透镜最大视场角的限制，可以实现数倍于ftheta透镜的扫描范围，同时保持近衍射极限聚焦光斑。不同于ftheta透镜通过光学设计引入负场曲来获得一定尺寸范围的平坦焦平面，前聚焦式3轴振镜通过电机带动目镜沿着激光束传输方向前后运动，实时改变光束发散角实现调焦，补偿幅面内中心以外聚焦点的光程差，从而获得平坦的焦平面。因此前聚焦方式也叫动态聚焦[2]。

多个二轴振镜拼接加工大幅面工件往往需要根据不同的工件尺寸和固定方式，开发专用外挂程序进行拼缝校正，软件通用性差。当拼缝接头处有一定对准误差时，即使误差尺度只有10μm以内，由于人眼视觉的对比作用，也容易被判定为不合格，导致废品率高。工作台和夹具的机械误差以及长期蠕变，也会造成拼接加工的长期稳定性不佳。

前聚焦式3轴振镜容易获得大扫描范围，因此可以避免使用多个二轴振镜进行拼接。使用前聚焦式3轴振镜进行大幅面加工，定位精度由振镜本身保证。由于避免了拼缝接头，因此对工作台和夹具的要求不高，加工一致性与稳定性好。市面上已经有商品化的工业标准3D振镜控制软件，只需根据实际工况在软件内做标准幅面校正即可，不需额外开发外挂程序，通用性强。

2 前聚焦式3轴振镜调焦的光学原理

由矢量的正交合成法则可知，二轴振镜可以实现水平面内x和y方向平面图形的的任意扫描，但无法进行纵向平面内运动，即无法实现调焦。因此前聚焦式3轴振镜包含z轴调焦模组与二轴振镜两部分[3]。

z轴模组通常为一倒置的伽利略式望远镜，其中目镜由振镜电机驱动，使目镜和物镜间距改变，实现调焦。改变量由几何光学中的轴向放大率α决定，即光轴上一对共轭点沿轴移动量之比，计算公式如下，

α=■=■β2 （1）

其中，dl為物点沿轴移动距离，dl'为其共轭像点沿轴移动距离。n'与n分别为像方和物方折射率，β为垂轴放大率。

以加工幅面600mm×600mm为例，激光波长1064nm，此时中心工作距离700mm，到幅面的四角时光程约818mm，最大光程差为118mm。z轴模组的轴向放大率一般在12×左右，即目镜行程达到11mm即可补偿该光程差，并且有一定余量。

3 前聚焦式3轴振镜的典型应用

前聚焦式3轴振镜在导光板激光打点、紫外光固化成型SLA、ITO薄膜激光刻蚀等领域有着广泛的应用。导光板材质一般为PMMA，对CO2激光有良好的吸收。尺寸可达490×380mm和450×450mm，要求聚焦点直径φ0.4mm。如使用ftheta透镜，其焦距将达到720mm，对应聚焦光斑超过φ0.6mm。30mm通光口径的前聚焦式振镜可以在500x500mm范围内获得φ0.4mm焦斑，满足导光板打点应用要求。

3D打印中的紫外光固化快速成型（SLA）的前沿应用已经要求扫描幅面达到甚至超过1m×1m；为保证感光树脂成型的均匀度和结合力，对聚焦光斑质量亦有严格限制。现有紫外透镜最大扫描幅面不超过500mm，无法满足需求。而12mm通光口径的前聚焦式3轴振镜即可达到1m幅面，同时保持聚焦光斑直径不超过70μm，完全满足需求。

铟锡氧化物（ITO）薄膜具有导电率高、可见光波段透过率高等特点，近年来在显示屏、触摸屏等领域应用广泛。传统的ITO薄膜刻蚀方法为化学法，存在环境污染等问题，使用激光刻蚀ITO薄膜成为新工艺研究的重点。以二轴振镜和ftheta透镜组合为例，其扫描范围受ftheta透镜的焦距和低畸变视场范围限制，通常不会超过150×150mm。如果屏幕尺寸达到30寸以上，使用单个二轴振镜将无法进行加工。30寸对应扫描幅面约540×540mm，使用前聚焦式3轴振镜可以实现一次性加工，获得良好的效果，图形线宽50μm，最大幅面600×600mm。

4 前聚焦式3轴振镜的局限

前聚焦式3轴振镜的聚焦组件为固定式，镜片数量一般为两片，经过z轴目镜发散的激光束具有较大直径，相对而言其球差校正不如三片或四片式的ftheta透镜。如果要求聚焦光斑小于30μm，前聚焦式3轴振镜的焦斑可能会带有旁瓣，能量集中度不高，对加工的精细度存在不利影响。因此聚焦光斑在50μm或以上时，使用前聚焦式3轴振镜可以获得理想的效果。

为完全接收z轴模组输出的发散或汇聚的激光束，前聚焦式3轴振镜的二轴反射镜片通光口径一般较大，典型通光口径为φ30mm-50mm。大口径反射镜片转动惯量大，对阶跃命令信号的响应有较明显的延迟，如果加工图形有较多的小直角或钝角，这些角度的实际加工效果会趋于圆弧角，造成加工图形的还原度有一定下降。

5 结束语

前聚焦式3轴振镜在大幅面激光加工中有不可替代的优势，由于能够达到500-1000mm以上的幅面，同时保持近衍射极限的聚焦光斑，因此特别适合CO2激光加工导光板、紫外激光固化快速成型SLA以及大尺寸ITO薄膜激光刻蚀等应用。设备调试校正容易，长期加工一致性和稳定性能够满足产线7×24h加工需要。

参考文献

[1]林盛鑫，黄丁香.基于三维动态聚焦技术的激光打标系统设计研究[J].东莞理工学院学报，2011，18（3）：66-69.

[2]谢永迅，麦焯伟.LDS激光打标机的振镜扫描失真分析及矫正[J].机床与液压，2015，43（5）：53-56.

[3]汪会清，史玉升.三维振镜激光扫描系统的控制算法及应用[J].华中科技大学学报（自然科学版），2003，31（5）70-71.

作者简介：何里（1982-），男，湖北武汉人，硕士，工程师，主要研究方向：激光振镜扫描加工技术。