激光振镜工作原理

2023年12月29日发(作者：)

激光振镜工作原理

激光打标设备的核心是激光打标控制系统和激光打标头，因此，激光打标的发展历程就是打标控制系统和激光打标头的发展过程。从1995年起，在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代，控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变，如今，半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战,振镜式激光打标头(振镜式扫描系统)是最新产品。1998年，振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V—5V或-10V－+10V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。

振镜扫描式打标头主要由XY扫描镜、场镜、振镜及计算机控制的打标软件等构成。根据激光波长的不同选用相应的光学元器件。相关的选件还包括激光扩束镜、激光器等。其工作原理是将激光束入射到两反射镜（扫描镜）上，用计算机控制反射镜的反射角度，这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动，从而在材料表面上留下永久的标记，聚焦的光斑可以是圆形或矩形，其原理如右图所示。在振镜扫描系统中，可以采用矢量图形及文字，这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式，具有作图效率高，图形精度好，无失真等特点，极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式，采用这种方式对于在线打标很适用，根据不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜，与前面所述的阵列式打标相比，可以标记更多的点阵信息，对于标记汉字字符具有更大的优势。

振镜扫描式打标因其应用范围广，可进行矢量打标和点阵打标，标记范围可调，而且具有响应速度快、打标速度高（每秒钟可打标几百个字符）、打标质量较高、光路密封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品，并被认为代表了未来激光打标的发展方向，具有广阔的应用前景。

外形图1(LSHL系列打标外形图2(LSCT系列打标外形图3(LSSL系列打标外形图4(LS22系列打标头) 头) 头) 头)

外形图5(LSHL系列打标外形图6(LSJC系列打标外形图7(LSGT/3系列打标

头) 头) 头)

激光打标头

双打标头（双头打标头，双头）

双打标头由两个扫描头组成，一路激光束进入打标头后通过光学组合分成两路激光束，专用的双头打标软件分别控制双头工作，其打标效率是单头的二倍，同时打标面积也是单头的二倍，特别适合要求快速和大面积打标的场所。

双打标头的技术参数与上面的单打标头一样，但打标面积就是单打标头的两倍，如单打标头的打标面积是100x100mm，对应的双打标头的打标面积则是200x100mm。

上图是用两个LSSL单头组成的双头打标头。

光学元件

我们精确优化并调试所有的光学元件，保证达到最佳的聚焦质量和稳定的过程参数。我们提供的光学产品有紧凑设计的物镜，包括标准物镜的转接件，还提供各种波长，功率密度，焦距和视场的光学元件。

质量

这款高质量打标头得益于我们多年来开发生产光学扫描振镜和扫描系统的经验。而且，每个扫描系统必须在运输给客户前经过我们质量检测。

常用参数指标 (所有角度以光学角度计算)

重复精度

动态性能

零点漂移

增益漂移

8小时期漂移

典型扫描角度

增益误差

光学性能

零点偏置

非线性

< 5mrad

< 3.5mrad

< 22μrad

30μrad/K

80ppm/K

< 0.3mrad, 加上增益和零点漂移带来的温漂

±0.35rad

< 5mrad

模拟式打标头

接口

数字式打标头

操作温度

数字激光打标头

±4.8 V

XY2-100 标准

25 °C ± 10 °C

数字打标头与传统的模拟打标头比较，具有体积小、扫描速度快、抗干扰能力强的显著特点，主要应用于光纤激光打标机、端泵固体激光打标机和飞行激光打码机中。

型号

入射光斑直径, mm

小步长阶跃响应时间, ms

光学扫描角度

重复精度, urad

扫描速度, m/s

位置控制信号

电源要求

外形尺寸 (LxWxH), mm

说明：

LSSL-xxx-10-S10

10

0.40

±20°

22

7

XY2-100

±15VDC, 2A

115x95x95

LSHL-xxx-10-S10A

10

0.26

±24°

12

7

XY2-100

±15VDC, 5A

143x123x113

LS22-1064-10

10

≤0.40

±20°

20

9

（XY2-100）

±15VDC, 3A

80×54×33

1)上述数字打标头的激光波长为1064nm、532nm或10.6um。其它波长可以定做。

2)打标面积取决于场镜，标准配置通常是STY-1064-110-160(1064nm)、STY-532-110-160

(532nm)或 STSL-10.6-105-149(10.6um)。也可以是其它打标面积的场镜。

3)上述数字打标头的入射光斑直径是10mm，也可以提供其它入射光斑的数字打标头。

4)打标软件LMC、SamLight等可以用来控制这些打标头。

激光飞行打标头

激光飞行打标头由一对扫描镜、一对光学扫描振镜、场镜、振镜底座、专用打标软件、编码器及相关的机械部件和电源组成。根据激光波长的不同选用相应的光学元器件。相关的选件还包括激光扩束镜、激光器等。

本产品适合在各类企业的产品生产线上对产品表面或外包装表面进行在线飞行打标。打标内容包括产品商标、符号、批号、序列号、生产日期、保质期、制造单位名称、条形码、图案等各种信息，标记永久，不可擦涂，无任何耗材，清洁环保。传统上使用墨水喷码标记，极易擦涂。

产品特点：

•

1、与传统在线墨水喷码方法相比，激光在线打标具有速度更快（高达100米/分钟）、效率更高、防伪效果显著、符合欧洲环保标准、运行费用极低等优点。

•

•

2、飞行打标头可以与各类激光器配合，制作飞行激光打标机。

3、操作简便、应用领域广泛、适应多种材料的打标。

应用行业：

由飞行打标头制造的激光飞行打标机可广泛应用于医药、个人护理品、烟草、食品饮料包装、酒类、乳制品、服装辅料、皮革、电子元器件、化工建材产品等领域的生产及有效日期、批号、班次、厂家名称和标识等图形和文字的标记。适用于绝大多数材料的在线打标，如纸质包装、皮革布料、有机玻璃、树脂塑胶材料、竹木制品、有镀层的金属、PCB板等。

动态聚焦单元

典型应用

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•

•

•

•

打孔、切割和焊接

激光深雕

快速成型，快速加工

微结构

三维工件处理

工作原理

在扫描过程中，装置里的发散镜片相对于聚焦镜片由马达驱动实现在光轴上动态精准定位。这个过程改变系统总的焦距，并与扫描偏转镜片同步工作，因此可以将二维扫描扩展成三维扫描系统。该装置可以取代二维扫描应用中价钱昂贵的平场物镜，也可以实现三维光束偏转扫描系统。

LSSL-DNF-40F聚焦镜片靠马达驱动，可以获得连续变化的成像范围和工作距离。所有光学电气元件都包含安装在其中。对于光孔超过40mm的扫描系统，我们推荐使用LSSL-DNF-60, -60I, -80或者-80I系列产品。

图例(单位: mm)

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•

•

•

1 水冷进光孔

2 线性马达和调焦镜片

3 聚焦镜片

4 马达驱动偏转镜片

A 风冷接口

•

W 水冷接口

控制

动态聚焦模块带有一个数字标准接口，方便和基于电脑接口的二维扫描系统实现接口控制。该模块分数字式和模拟式两种。

光学设计

我们提供动态聚焦装置和整个扫描系统范围内的对各种工作距离、视野范围、光束直径、波长和功率光学系统优化组态,满足客户特定需求。在取得最大视野范围的同时也保证了最小的光斑直径。

图例(单位: mm)

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•

•

•

•

•

•

1 水冷进光孔 (LSSL-DNF-20可选)

2 线性马达和调焦镜片

3 安装固定面

4 物镜连接头

5 聚焦镜片

6 聚焦调节环

A 风冷接口

W 水冷接口

LSSL-DNF-40 和LSSL-DNF-40I允许客户安装各式各样可切换的光学组件。集成的风冷和水冷系统可使系统在很高的功率水平上工作。LSSL-DNF-20I型号也配有水冷接口。

三轴扫描系统典型光学配置

激光

波长

LSSL-DNF-20I

Nd:YAG

1064 nm

10mm 光孔

焦距 55 mm

Nd:YAG x 3

355 nm

14mm光孔

无

LSSL-DNF-40I

CO2

10.6 nm

30mm光孔

无

LSSL-DNF-40F

CO2

10.6 μm

30mm光孔

无

CO2

10.6 μm

30mm光孔

无

XY 扫描装置

平场物镜

(200x200)mm2 to (600x600)mm2 to

像场大小 Ø15 mm (600x600)mm2 (500x500)mm2

(600 x 600)mm2 (2000x2000)mm2

焦深 ± 4 mm ± 80 mm ± 100 mm ±2mm to ±40mm ±2mm to ±400mm

200μm (M2=1) to 550μm (M2=1) to

焦点光斑 (1/e2) <15μm (M2=1) <75μm(M2=1) 550μm(M2=1)

550μm (M2=1)

光束扩大倍率

透镜行程内平均焦点偏移

2.8

2 mm/mm

3.8

61 mm/mm

2.35

49.3mm/mm

2.4 to 2.1

-

(395±18) mm to

焦距 - (1300±122)mm (850±148)mm

(940±140) mm

最大连续激光功率

工作温度

安装

性能参数表(所有角度都是光学角度)

入射光孔

出射光孔

LSSL-DNF-20I

最大 8 mm

最大 20 mm

马达参数

透镜最大行程

跟踪误差

典型运动速度

重复精度

非线性

长期工作漂移

(环境条件不变，连续工作超8小时)

30VDC (29-33V),最大电力需求

1.5A

XY2-100 增强型,

电气接口

SL2-100 SL2-100 SL2-100 或者光数据传输 (1),

1.5A

XY2-100 增强型, XY2-100标准型,

30VDC (29-33V),最大±(15+1.5) V DC,最大1.5 A

< 3 μm < 3 μm < 10 μm

±2 mm

0.55 ms

≤280 mm/s

< 0.5 μm

0.05 % FS

±3 mm

0.7 ms

≤140 mm/s

< 0.5 μm

0.05 % FS

±1.5 mm

1.4 ms

≤100 mm/s

< 1 μm

1.5 % FS

LSSL-DNF-40I

最大16 mm

最大40 mm

LSSL-DNF-40F

最大16 mm

最大40 mm

20 W

25°C ±10°C

50 W

25 °C ±10°C

1000 W

25°C±10°C

500 W

25°C ± 10°C

(2850±600) mm

500 W

25°C ± 10°C

1.8mm (M2=1)

2.1 to 1.9

-

(940±60)mm to

水平安装，电气隔离，导热接触良好

(2)

包含的控制板

重量 (视光学配置)

DSCB + 接口板

500 g to 700 g

DSCB + 接口板

大约 2.4 kg

SSV30

大约 2.4 kg / 4.5 kg

(1) 模拟版：输入信号可选: ±4.8 V; ±9.6 V / ±4.8 mA; ±9.6 mA; 输出信号: TTL 电平

(2) 对于LSSL-DNF-40F: 步进马达输入和限位开关输出信号

三维激光焊接头(德国制造)

典型应用

•

•

•

•

机器人辅助焊接（远程焊接）

三维激光应用

飞行处理

型号Model: OSSL-SWH-30FC/OSSL-SWH-30FC-V

智能焊接头

专为机器人辅助焊接应用设计的三维扫描系统可以快速准确地将激光束定位在任意的三维轮廓上。在机器人手臂的导引下，该焊接头可以快而准地运动并精确将激光光斑定位到任何一个目标点；其减少了复杂的运动和重复定位，可以将两次焊接之间机器人手臂的定位时间缩短到毫秒级，从而将激光器的运用潜能发挥到极致。

虽然允许30mm的入射光斑，这款焊接头的体积依然小巧，便于安装在机器人手臂上方便焊接任何难以到达的位置。经优化设计的光纤耦合光学系统可承受高达8kW堞片或光纤激光器输出的能量。这款焊接头应用了全数字式驱动技术，高度集成，安全可控，而且还提供实时监控扫描头所有参数状态。独立于软件外的安全互锁装置可以显示设备的任何异常状态。

图例（所有单位为mm）

1 安装螺栓

2 法兰（机器人连接转换片）

3 对准针

4 光纤接头锁紧配件

5 光纤连接配件

6 水冷接口

7 数据接口

8 安全互锁

9 电源接口

10 物镜座或者保护气喷嘴安装孔

11 光纤转接头

12 可调准直器

13 耦合二色镜

14 聚焦镜片

15 偏转镜片1

16 偏转镜片2

17 物镜

18 工作面

19 连接视觉观察系统

20 可调影像跟踪镜片 **

21 影像装置连接处 **

** 仅限型号 OSSL-SWH-30FC-V

工作原理

激光束用光纤传导到扫描系统水冷准直器，然后投射到两片运动偏转镜片上。在物镜前扫描系统中，位于出口处的扫描物镜将光束聚焦并投射在工作面上；而在物镜后扫描系统中，光束聚焦是由偏转镜片前的集成聚焦镜片组实现的（如上图）。

可调准直镜片由马达驱动，动态调节准直光束的发散度从而改变整个系统的焦距。扫描头密封安装，前后各有一片窗口镜片保护扫描物镜和出光孔以免除污染。所有型号都配有物镜或者预聚焦镜片。

过程监控

所有扫描系统都可以连接到过程监控设施上，收集从工件表面传出的光或光辐射，并再次耦合回光路，通过附加的监控设备捕获为进一步的分析提供依据。而且OSSL-SWH-30FC-V型号还配有另外一路带有可调图像跟踪镜片组的端口，方便在很大范围内连续调节焦点，从而实现全过程监控。

控制

OSSL-SWH-30FC应用了全数字控制技术，展示了激光和处理过程安全性能的完美集成，也可以实时监控扫描头和两个保护镜片的状态参数。设备的自检测促使了先进的远程诊断技术，独立于软件的安全互锁信号指示系统异常，并且可以将系统转换到一个预定义的状态或者触发自动紧急停止。

可选项

在该焊接扫描系统光束出口一边附有示教指示，大大简化了激光扫描系统的组建工作。两个激光二极管的光经偏转镜片在工件表面投射了一个大的十字和一个小的偏转45度的十字，方便视觉观察激光束焦点位置。两个十字都准确地交叉在工件中心（x = y = z = 0）。

该装置让示教过程中的光学控制变得简单快速，可以方便地检查机器人扫描系统在预定的焊接位置处定位是否正确。

机器人同步是一个为激光焊接系统（激光、焊接头和机器人）设计的中央控制单元。简单直接高效，易于焊接编程(看右图)。

性能指标(所有角度都是光学角度）

波长

通用参数

最大激光功率

8000 W (2)

（带指定冷却方式）

焦距

数值孔径限制

准直器特点

QBH, Q5 / LLK-B,QD / LLK-D

光纤连接

(其他型号接受定做)

满量程的1%

阶跃响应时间（阶跃调试，稳定到满量程的1/1000） 满量程的10%

满量程的100%

处理速度

典型速度（矢量调试）

定位速度

跟随误差

重复精度

动态性能

8小时长期工作漂移

< 0.6 mrad

(系统预热后)

典型扫描角度

光学性能 增益误差

非线性

电源需求

输入输出信号

重量

操作温度

典型水冷需求

±0.35 rad

< 5 mrad

< 3.5 mrad

± (15+1.5) V DC, 每路max. 8A

SL2-100 或者光数据传输 (XY2-100-O)

21 - 37 kg

25°C ± 10°C

3 l/min at 20°C 和 p<0.1bar, p<4bar

50 rad/s

0.6 ms

< 22 μrad

1.2 ms

3.5 ms

11 ms

4 rad/s

110 mm

典型 0.125 (3)

1030 nm - 1085 nm (1)

(1) 工作在1030nm, 1055-1085nm 和 1070-185的镀膜镜片都有供应。

(2) 宽带宽扫描镜片的最大承受激光功率略有降低。

(3) 供应小数值孔径转接头。

典型光学配置

聚焦镜片焦距

操作距离

成像体积(立体)

成像范围(椭圆)

Z向焦点范围

焦点光斑大小

光纤直径

成像比例

物镜前扫描

460 mm

488 mm

(220 x 220 x 140) mm3

(385 x 270) mm2

±70 mm

630μm (with 150μm fiber)

100μm, 150μm or 200μm

1:4

物镜前扫描

330 mm

382 mm

(185 x 185 x 80) mm3

(240 x 200) mm2

±40 mm

600μm (with 200μm fiber)

150μm or 200μm

1:3

物镜后扫描

660 mm

472 mm

(370 x 370 x 200) mm3

approx. (450 x 450) mm2

up to ±100 mm

600μm (with 100μm fiber)

50μm or 100μm

1:6