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雙軸激光掃描系統(tǒng)的基本原理

發(fā)布時(shí)間：

　　一束激光被兩片掃描振鏡反射，并且通過一片聚焦鏡。振鏡片在一個(gè)galvo-掃描器馬達(dá)的帶動(dòng)下高速的來回延軸旋轉(zhuǎn)。在大多數(shù)情況下,最高偏轉(zhuǎn)角鏡是+12.5°(+10°往往是一個(gè)較安全范圍)入射角不能偏于45°

　　

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　　在設(shè)計(jì)雙軸掃描器時(shí)，我們的目標(biāo)是：

　　•能夠達(dá)到理想的掃描范圍.

　　•能夠達(dá)到最高的速度.

　　•能夠達(dá)到最小的焦斑.

　　•使得成本能夠最低.

　　一些要考慮到的限制因素：

　　•光束質(zhì)量的因素Q (Q=M2).

　　•掃描角度的限制因 素.

　　•光束能量減少的因素.

　　•掃描器通光口徑的影響因素.

　　掃描器的掃描范圍

　　光束的掃描范圍較超過某個(gè)角度q，等于兩倍的振鏡反射角。因此，在X和Y兩個(gè)方向上掃描的范圍可能是q=±20°。(最大的掃描范圍應(yīng)該是q=±25°)。在X和Y軸上，實(shí)際的掃描面積應(yīng)該是2Ftanq。

　　近似值發(fā)生的原因：

　　通常在鏡片的設(shè)計(jì)中，會(huì)考慮到它的失真現(xiàn)象。所以對于q來說掃描的位置是對稱的，而不是tanq。在雙軸上掃描時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幾何失真的現(xiàn)象，這個(gè)是與鏡頭的屬性不相干的。

　　焦斑尺寸下限d (1/e2 亮度直徑) 相對于激光光束直徑‘D’ (1/e2)是d = 13.5QF/D mm例如：一束TEM00(Q=1) 的直徑是13.5mm(1/e2)用一個(gè)焦距100mm的理想聚焦鏡片，焦距出來的點(diǎn)的直徑是100mm(帶入一個(gè)實(shí)際數(shù)值Q=1.5, 焦斑尺寸應(yīng)該是150um.)

　　從上面的方程式可以看出，光的速度和光學(xué)畸變可導(dǎo)致聚焦點(diǎn)大小都大于最低衍射值。

　　大尺寸范圍需要使用長焦距鏡頭。相反的，這會(huì)導(dǎo)致更大的聚焦點(diǎn)，除非把光束直徑大小， 振鏡大小，和鏡頭直徑全部加大。

　　在大多數(shù)的掃描結(jié)果里，焦斑的尺寸大小通常是以平均值的形式給出的。

　　掃描器的口徑往往是有限的，比如說直徑是‘A ’mm。

　　光的衍射發(fā)生在有限的口徑中，也就是光束的能量會(huì)被阻擋，即使是一束中心光束也一樣。對于一束TEM00光束(Q=1)，它在圓孔的能量損耗可以參考下面的數(shù)據(jù)：

　　

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　　表中顯示,那里的掃描器口徑僅限于A毫米直徑, 激光光束直徑D (1/e2) 必須選定一個(gè)尺寸和功率低損耗的折衷點(diǎn)。對于大多數(shù)的激光掃描系統(tǒng)來說D=A/1.4這個(gè)值可以被接受。

　　振鏡1(或者叫振鏡X)

　　振鏡1的寬度是由光束的直徑所決定的。完整光束直徑在這里是比較容易討論的，完整的光束直徑在一定程度上是任意的。

　　例如,一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可能將DF界定為激光射在有機(jī)玻璃留下的燒焦的光束直徑。另外DF可能被定為一個(gè)能量為99%的標(biāo)準(zhǔn)能量點(diǎn)，或者是限定在某個(gè)范圍內(nèi)，如1.4D – 1.6D.

　　考慮到鏡片的誤差，振鏡的寬W1要略微大于所選擇的DF的值。鏡片上的最大入射角imax決定了振鏡的長度。讓a= (90°-imax)。當(dāng)振鏡的長度是L1，這里L(fēng)1=W1/sina.

　　振鏡2(或者叫振鏡y)

　　振鏡2的寬度應(yīng)該等于振鏡1的長度。振鏡2的長度就是光束打在第二個(gè)振鏡上時(shí)同S1的距離，和最大入射角q。這些鏡片被制作并被鍍上的特定的膜層，從而決定用于CO2激光還是YAG激光。他們有很高的激光損傷值, 1000w/mm的情況下光束直徑是1/e2(D).

　　我們將鏡頭描述為F-theta鏡頭，或者‘Fq’。設(shè)計(jì)的方法是要產(chǎn)生一個(gè)離軸點(diǎn)的位置成正比的掃描角度。依次，就是要產(chǎn)生成正比的電壓，已適用于掃描器馬達(dá)。由于失真是來自于兩個(gè)振鏡，所以我們兩個(gè)軸上的掃描器要有能夠轉(zhuǎn)動(dòng)F-theta的特征。

　　單片式鏡片設(shè)計(jì)得最好的折衷點(diǎn)是要同時(shí)具備最小光斑尺寸與F-θ特點(diǎn)。對于單片式的鏡頭，在F-theta特征下，誤差通常是2%-3%。多片式的鏡 頭，它的設(shè)計(jì)會(huì)更加接近F-theta的特點(diǎn)。F-theta特征的誤差范圍是<0.36%，并且只有75mmFL的微小差距。

　　所有掃描透鏡設(shè)計(jì)是基于上述因素，對于典型的小型掃描器系統(tǒng)，光束直徑的范圍在10mm或是15mm,鏡片的直徑為48mm是比較合適的。對于光束直徑是15mm，這時(shí)鏡片的直徑要通過S1和M2L的距離作為參數(shù)。

　　每次設(shè)計(jì)鏡頭旨在提供打標(biāo)范圍，最小最均勻的焦斑和在指定的光束直徑和振鏡位置下要具備F-theta特征。盡可能避免鏡片口徑和金屬圓孔帶來的衍射。