使用可调焦透镜EL-10-42-OF和模拟控制板进行激光加工应用说明

目前，市场上常见的激光加工 Z 坐标控制解决方案是基于光学器件的机械平移。这种方法的主要局限是速度慢、Z 轴移动范围小。此外，精密活动部件的使用寿命有限，系统集成需要大量空间。

在本应用说明中，我们介绍了如何将使用 EL-E-OF-A 电子板驱动的 EL-10-42-OF 可调焦透镜集成到不同的激光加工系统中。EL-10-42-OF 透镜重量轻、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诸多缺点的理想选择，同时还能确保降低成本。

专为脉冲激光器设计的 EL-10-42-OF 透镜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 透镜用于各种激光加工应用提供了可能性，如下图所示。

使用 EL-E-OF-A 模拟控制板控制 EL-10-42-OF 液态镜头

EL-E-OF-A 控制板设计用于控制 EL-10-42-OF 液态镜头。EL-10-42-OF 透镜在 Z（垂直）方向移动激光光斑，振镜则在 X-Y（水平）平面偏转激光光斑。这种方法在第 3 节介绍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。电脑（用户）与 XY2-100 数字控制卡之间的通信通常通过串行总线（如 USB）进行。在扩展的 XY2-100协议中，除了控制振镜的 x 轴和 y 轴外，还提供用于控制 EL-10-42-OF 镜头的 z 轴。控制卡将 x 轴和 y 轴的数字信号传输给扫描头，用于控制振镜。Z 轴的数字信号必须通过数模转换板（如 SCAPS AEB-2 板）转换为模拟电压。图 1 右侧显示了另一种可能的集成方式，即 XY2-100 控制卡具有辅助模拟电压输出。该电压输出通常用于控制 Z 级等外部设备。

EL-E-OF-A 配置非常适合需要在不同高度（z-步进）对平面物体进行激光加工的所有应用。由于每次改变Z 轴坐标时加工过程都会中断，因此使用数字控制器可以更好地实现快速 3D 加工，这一点在另一份应用说明中作了解释。在这种配置中，z 轴的控制器板与工业实时总线（如 XY2-100 协议）同步，从而实现沿三维轮廓的高速聚焦。

图 1：左侧面板显示的是 EL-10-42-OF 集成在数字协议中，提供 x、y 和 z 信号。Z 轴信号被转换成模拟信号，用于 EL-E-OF-A 板。右图中，镜头由控制卡提供的模拟信号直接控制。

系统集成

图 2 显示了 1064 nm 紧凑型 2.5D 激光打标系统的集成示例。由于结构紧凑，EL-10-42-OF 可以方便地安装在激光输出端和振镜头之间的空隙中（见图 3）。振镜头之间的空隙中（见图 3）。需要为 EL-10-42-OF 镜头专门设计一个机械支架，以确保激光束、EL-10-42-OF 确保激光束、EL-10-42-OF镜头和振镜头的孔径同轴。

图 2：激光打标系统使用的电动聚焦可调镜头 EL-10-42-OF，以及用于快速 Z 轴聚焦的模拟控制器EL-E-OF-A。

图 3：激光打标演示装置示意图。电动可调焦透镜 EL-10-42-OF 位于激光头和振镜之间。

与 f-theta 透镜集成

上节所示的设置是激光加工系统所采用的几种典型布局之一。在本节中，我们将展示与 EL-10-42-OF 镜头相结合的三种常见光学布局。图 4 显示了与不同 f-theta 镜头组合后的 Z 调整范围1。在所有三种情况下，输出激光束的直径都约为6mm。EL-10-42-OF 透镜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 镜头的焦距来控制。对于焦距较长的 f-theta 透镜，所产生的 z 值调整范围以及标记区域尺寸都会增大。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打标平面由 f-theta镜头完成。由于 EL-10-42-OF 可直接集成到现有系统中，因此这种配置很容易实现。

注：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，f-theta 光学镜片的瑕疵导致的场失真会略微增加。 为了获得最佳的打标质量，软件方面应考虑到这一点，例如引入校正网格。

图 4：配备 EL-10-42-OF、振镜和 f-theta 镜头的激光扫描系统。 不同的 f-theta 焦距（f = 100、160 和 254 mm）导致不同的 Z 扫描范围、工作距离（WD）和打标体积（红色表示）。

与伽利略扩束镜集成

第3.1节中描述的配置在工作区大小、Z调谐范围和光斑尺寸方面提供了一定的自由度。然而，在许多应用中，需要更大的灵活性来优化调谐范围和光斑尺寸。一种方法是将 EL-10-42-OF 镜头与伽利略扩束镜结合使用，这样就可以将光束放大系数作为额外的自由度。通用设计如图 5 所示。EL-10-42-OF 位于构成扩束镜的两个定焦透镜之间。然后，光束被传送到振镜上，并由 f-theta 透镜聚焦。

图5：伽利略扩束镜与 EL-10-42-OF 组合的通用设计。 光束放大系数是优化调谐范围和激光光斑尺寸的关键参数。

下图描述了不同的 f-theta 镜头和伽利略放大镜组合如何定性地控制工作区域、z 轴调节范围和激光光斑大小。 根据客户的要求，我们可以为系统集成提供光学设计建议。

与现成的扩束镜集成

使用现成的扩束镜也可以实现各种光斑尺寸和 Z 范围。图 6 展示了一个通用的光学装置。扩束镜应尽可能靠近 EL-10-42-OF 后放置，但精确定位并不重要。为了避免振镜上的光束削波，振镜的尺寸必须足够大，以容纳放大后的激光束。

图 6：用于集成现成扩束镜的光学装置，该扩束镜必须直接置于 EL-10-42-OF 之后。

假定输出激光光束直径为 8mm，使用不同的扩束镜和 EL-10-42 镜头，可以获得下表所总结的 Z 范围和聚焦光斑尺寸。对不同供应商的扩束镜进行了测试，结果表明其性能偏差微乎其微，仅为百分之几。

Z 轴校准

通过 EL-E-OF-A 控制板控制镜头需要 0 至 5V 的模拟电压。信号的分辨率至少应为 12 位。EL-E-OF-A 控制透镜的光学功率，因此可以在Z方向上移动激光光斑，如图 7 左侧面板所示。由于透镜的生产公差，有必要对控制电压和激光光斑在z轴方向的位置进行校准。使用SAMLight进行Z轴校准的详细步骤见附录1。校准后，设定信号直接表示 zmin 和 zmax 之间的 Z 方向调谐范围，如图 7 右面板所示。实际的 Z 调谐范围取决于 EL-10-42-OF 集成的光学布局。校准只需进行一次，数据可通过查询表存储在打标软件中。建议至少创建十个校准点。更多的点将提高 Z 轴控制的精度。

图 7：左图显示了通过调节 EL-10-42-OF 如何改变激光光斑的 Z 轴位置。右图是控制信号（0-5 V）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。

打标测试

使用演示激光打标机（见图 2），在打标量的两个极端位置打标一个 10 x 10mm的矩形。在放大 8倍的显微镜下观察结果，没有发现明显的差异或劣化。

图 8：打标体积两个极端位置的打标质量。在这两种情况下，都是标记一个 10 x 10mm的小矩形，然后用 8 倍显微镜检查结果。没有明显差异。

在第二项测试中，我们研究了插入 EL-10-42-OF 对打标质量的影响。我们在水平面上标记了一个 4 x 4 点的点阵。图 9 左图显示的是 EL-10-42-OF 位于光束路径中时的结果，右图显示的是 EL-10-42-OF 从系统中取出时的打标结果。用 8 倍显微镜对打标样品进行观察后发现，由于 EL-10-42-OF 的存在，图像质量没有明显下降。

图 9：在光束路径中安装和不安装 EL-10-42-OF 时的打标质量比较，两种设置之间没有任何差异。

注：EL-E-OF-A 电子装置是专为控制 EL-10-42-OF 镜头而开发的。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在光学反馈控制上产生偏移，使实际设定值发生偏移。虽然 EL-E-OF-A 板上的电子元件可以消除剩余偏移，但要实现高效的光学反馈控制，建议激光重复频率 >= 20 kHz。

线性化： 焦距功率与模拟电压

在 EL-E-OF-A 控制板的固件中，我们实现了一项功能，可将镜头的焦距功率与施加的电压线性化。通过主动将连接器 P4 中的引脚 11 拉至低电平，用户可以启用此线性化功能。一个简单的方法是将引脚 11和引脚 10（接地）连接起来，如下图所示。

启用和未启用线性化功能时的测量结果见图 10。

图 10：测量焦功率（dpt）与外加电压的关系。左图启用了线性化功能，右图（默认情况下）禁用了线性化功能。

这一功能的主要优点是，当一个工厂需要校准两个以上的打标系统时，可以简化整个 Z 轴校准过程。第一套打标系统被视为主系统。这套系统必须进行第 4 节所述的全部 Z 轴校准，为此建议采集 10 个以上的数据点。如果启用了线性化功能，理论上其余机器的校准程序可以简化，只需两个校准点即可。但仍需要一个包含十个以上数据点的查找表，以实现最佳和精确的 Z 位置控制。根据要求，Optotune 可提供Excel 表格，以便根据主系统的数据，从两点校准结果生成新的查找表。

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