作者 | Novanta實驗室charlotte Solak、Mathew Tedford、Malte Hemmerich

通常掃描振鏡的規(guī)格文檔中對于分辨率、重復(fù)精度、溫度穩(wěn)定性和長時間漂移等參數(shù)都進行了明確定義，但校準精度受到的關(guān)注往往比較少。在了解和管理特定掃描場位置的誤差方面，此參數(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但它高度依賴于像光學(xué)系統(tǒng)（例如，F(xiàn)-Theta 光學(xué)透鏡）和機器設(shè)置（例如，材料平整度、斜率）等因素。因此，校準精度只能在機臺現(xiàn)場安裝期間確定和精調(diào)，無法由制造商預(yù)先設(shè)定。本文深入探討了幾種校準策略，并說明了它們的復(fù)雜性和精度水平。我們著重在混合型和全數(shù)字兩軸掃描振鏡的場景下考察這些策略，希望為它們對激光系統(tǒng)性能的影響提供了有價值的參考意見。

在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，掃描場校準的重要性取決于當前的具體任務(wù)。當任務(wù)涉及固定位置的打標、切割或雕刻等重復(fù)過程時，主要關(guān)注的是重復(fù)性和漂移等參數(shù)。在這些情景中，幾何尺寸或定位的任何偏差都可以通過調(diào)整作業(yè)配置文件來解決，這樣一來，校準這項因素便不是考慮的重點。不過，當我們深入研究具有動態(tài)和移動位置特征的應(yīng)用時，情況就會完全不同。像飛行打標 (MOTF) 或視覺定位這樣的任務(wù)，從一開始就需要確保精度，沒有留下后處理調(diào)整的空間。在這些場景下，實現(xiàn)精確的校準精度對于成功完成任務(wù)至關(guān)重要。

不同的應(yīng)用需要不同水平的校準精度。對于給定的掃描電機和鏡頭組合，使用CO₂ 激光器和兩軸混合掃描振鏡的打標打碼應(yīng)用通�？梢猿晒κ褂贸鰪S的預(yù)設(shè)設(shè)置。這些應(yīng)用的大焦斑直徑和有限的定位要求通常允許這樣做。另一方面，電動汽車或半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用通常具有更嚴格的定位要求，常常使用飛行加工或視覺定位。在這里，預(yù)定義的校準表將不足以應(yīng)對，因為每個光學(xué)系統(tǒng)都會增加非線性缺陷。因此，機器設(shè)置期間全面的校準過程變得不可或缺，涵蓋基本的手動校準到以計量為導(dǎo)向的嚴格方法等。

掃描振鏡在焦平面內(nèi)有兩個主要的光學(xué)畸變來源。由于 X 和 Y 鏡片在掃描振鏡內(nèi)分離，掃描場內(nèi)到目標位置的光學(xué)距離發(fā)生變化，因此會導(dǎo)致枕形畸變。隨后，F(xiàn)-Theta 鏡頭會引入桶形畸變，從而使獲得的形狀不是完美的正方形或矩形，而是非線性畸變的形狀。

在以下部分中，我們說明了為實現(xiàn)不同水平的校準精度，對一組掃描振鏡（Versia 和 Lighting II）、校準方法（手動校準、平板掃描儀方法和計量方法）和基材（玻璃和打標紙）進行兩軸校準的前提條件、程序和結(jié)果。為獲得最佳可比性，我們對兩種掃描振鏡類型使用相同的夾具、激光器和鏡頭。

方法和材料

在這項研究中，我們比較了兩個 14 mm 兩軸掃描振鏡的校準結(jié)果。為確保獲得最高水平的可比性，我們在整個校準過程中采用相同的設(shè)備，包括 20W 光纖激光器、機械治具和 F-Theta 鏡頭。第一個掃描振鏡是 Novanta 的 VERSIA，它是一種將數(shù)字驅(qū)動器和模擬電機相結(jié)合的混合兩軸掃描振鏡。VERSIA 擁有極高的靈活性，允許通過 XY2-100 協(xié)議以 16 位分辨率或通過 NVL-100 通信模型以 20 位分辨率運行。考慮到本研究的目的，我們采用 NVL-100 協(xié)議。我們分析的第二個掃描振鏡是 Novanta 的 Lightning II，配置為帶 14 mm 通光孔徑的全數(shù)字兩軸系統(tǒng)。Lightning II 以其狀態(tài)空間閉環(huán)控制機制和 24 位雙向 GSBus 通信協(xié)議而著稱，可以提供更優(yōu)越的精度性能。

我們的研究旨在比較三種不同復(fù)雜程度的校準方法。這包括快速且設(shè)備需求很少的入門級手動校準、利用平板掃描儀來輔助校準過程的中等校準以及使用計量站的高端校準。在這三種方法中，我們使用黑色打標紙和玻璃基材來展示打標材料對校準結(jié)果的影響。這三種方法的總體過程非常相似。首先，使用掃描振鏡在打標基材上生成一個垂直線的圖案。接下來，測量圖案交點的距離，并將數(shù)據(jù)輸入控制器校準軟件 CalWizard。重復(fù)執(zhí)行此過程，直到兩次迭代步驟之間不再有任何改善為止。

手動校準方法

手動校準是執(zhí)行校準的最快速且成本最低的一種方式。同時，由于測量工具的粗糙度和能夠充分處理以構(gòu)建校準表的點數(shù)較少，這種方法是現(xiàn)有校準方法中精度最低的。通常，會在材料上標記一個由水平線和垂直線組成的 3x3 至 5x5 網(wǎng)格。隨后，手動使用尺子或卡尺測量每個交叉位置之間的距離，并將數(shù)據(jù)輸入 CalWizard 軟件。之后重復(fù)此過程，直到誤差開始反轉(zhuǎn)。這通常需要大約三次迭代，可以在相對較短的時間內(nèi)完成，而且不需要投入較高的成本。對于手動校準，可接受的誤差量為掃描場的 1%。

平板掃描儀方法

Novanta 在市場中具有無可比擬的優(yōu)勢，可以為尋求通過高精度激光系統(tǒng)改進其制造過程的 OEM、系統(tǒng)集成商和最終用戶提供應(yīng)對最復(fù)雜挑戰(zhàn)的解決方案。為了提高整體校準質(zhì)量，消除手動校準的人為限制至關(guān)重要。于是，便引入平板掃描儀作為解決方案，它不僅能提高每次迭代可以測量的交叉位置數(shù)，還能降低測量距離時人為因素的影響。由于常見的平板掃描儀未經(jīng)校準，且用途是輸出掃描圖像，因此 Novanta 創(chuàng)建了一種程序來規(guī)避這兩個缺陷。CalWizard 中基于 LabView 的軟件工具與校準工件結(jié)合使用，在平板掃描儀打開后對其進行校準。校準工件是 Novanta 專門為這項任務(wù)設(shè)計的一組方框交叉點。

之后，使用振鏡掃描儀生成 11x11 垂直線組成的矩陣（見圖 3）。平板掃描儀隨后測量每個交叉位置之間的距離，并將結(jié)果直接輸入 CalWizard。重復(fù)此過程，直到誤差開始反轉(zhuǎn)。通常，這需要大約 6-7 次迭代，時間約為 1 小時，只需數(shù)百美元的成本即可實現(xiàn)整個過程。對于平板掃描儀，可接受的誤差量為掃描場的 0.1%，但在許多情況下可以獲得更好的結(jié)果。

計量方法

高端校準方法與高端位置測量相輔相成�？偟膩碚f，由于測量工具 MicroVu 的精度和構(gòu)建校準表的點數(shù)眾多，計量方法擁有最高的精度。盡管這種方法預(yù)測的精度基于所使用的計量機器。這與預(yù)測誤差可以用掃描場的百分比來計算的其他兩種方法完全不同。與使用平板掃描儀的方法類似，高端校準也需要以網(wǎng)格圖案形式布置 11 條間隔均勻的水平線和垂直線。MicroVu 會測量各條線之間的距離，然后將數(shù)據(jù)手動輸入 CalWizard。

重復(fù)此過程，直到誤差開始反轉(zhuǎn)，這同樣需要大約 6-7 次迭代。每次迭代大約需要 20 分鐘的時間。雖然這是最精確的校準方法，但它所需時間最長，所需設(shè)備成本也最高。

總結(jié)

為了衡量每種方法的性能，使用上述三種方法分別對 Lightning II 和 VERSIA 進行了校準，同時在紙張和玻璃上進行了測試。在校準步驟結(jié)束后，分別在兩種基材上打標了整體尺寸為 100 mm x 100 mm 的 10x10 網(wǎng)格圖案并由計量站進行分析。

圖 5 顯示，玻璃基材通常優(yōu)于紙張基材，而 Lightning II 優(yōu)于 VERSIA。唯一的例外是手動校準，其中 Versia 產(chǎn)生了更好的結(jié)果，正如預(yù)期的那樣。在這種校準方法中，由于人工測量和尺子精度水平引起的校準誤差遠大于掃描振鏡所帶來的性能優(yōu)勢。此外，在打標夾具和計量機器之間保持可重復(fù)性和平整度方面，玻璃基材往往更出色。相比之下，紙張在打標和測量夾具之間會產(chǎn)生更大的形變，從而引入誤差。鑒于上述原因，從紙張試驗記錄的結(jié)果可能不會遵循預(yù)期的結(jié)果趨勢。例如，圖 5 顯示 Versia 計量方法產(chǎn)生的結(jié)果優(yōu)于 Lighting II 紙張方法，而玻璃的情況則剛好相反。由于紙張是一種非剛性非平整的基材，這種偏差可能是由此引起的，而不是由掃描振鏡的性能造成的。圖 6 顯示，校準水平與校準所花費的時間和成本之間存在反比關(guān)系。在選擇適合特定應(yīng)用的校準方法時，應(yīng)當綜合分析測量精度、基材材料、成本和時間等各種因素。

我們的校準測試結(jié)果符合我們的預(yù)期，即全數(shù)字的 Lightning II 掃描振鏡可實現(xiàn)優(yōu)于混合 Versia 掃描振鏡的校準，而更復(fù)雜的方法可實現(xiàn)優(yōu)于簡單方法的校準結(jié)果。不過，這些結(jié)果也有助于全面評估掃描振鏡和校準方法之間的差異以及校準的時間和成本，同時更好地理解總體上能夠?qū)崿F(xiàn)的校準水平。

轉(zhuǎn)自：Novanta Photonics

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