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激光打标机扫描透镜选型指南

来源:永诺喷码设备 日期:2020-05-28 14:46:31

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  根据激光波长、打标范围选镜头,打标幅面越大,焦距越长,聚焦光斑也越大,失真度也越大,激光光斑不够细腻,激光单点功率能量密度也越小。

  F-theta扫描透镜,也称为镜头、透镜、场镜、物镜等,在激光打标机、激光打码机、激光雕刻机、激光刻字机等设备上主要起到一个聚焦的作用,外形如下:

激光打标机扫描透镜选型指南

  下面是常规激光打标机(激光雕刻机、激光打码机、激光刻字机等)的工作原理,如下:

激光打标机扫描透镜选型指南

  我们根据常规激光打标机(激光雕刻机、激光打码机、激光刻字机等)的选型,选择镜头的时候,也有一定的规则,如下:

  根据选择激光器的类型选择,这个是根据所选择的激光波长来进行选择(此为必须项):

  1、1064nm波长镜头;

  2、532nm绿光波长镜头(450nm蓝光波长镜头不常用);

  3、355nm紫外光波长镜头(266nm深紫外波长镜头不常用);

  以上3种是常规固体激光器镜头;

  4、10.6μm波长CO2镜头;

  5、10.2μm波长CO2镜头;

  6、9.3μm波长CO2镜头;

  以上3种是常规气体激光器的镜头;

  根据打标范围选择镜头,以下图表为常规选型(单位:mm):

激光打标机扫描透镜选型指南

  根据镜片的数量选择镜头:

  1、常规CO2激光器一般选择单镜片组(镜片上的镀膜工艺的主要材料为硒化锌,材料很贵),有特殊工艺的才会选择双镜片组和三镜片组;

  2、常规固体激光器一般选择双镜片组(镀膜工艺简单,常规价格),有特殊工艺的才会选择三镜片组;

  根据以上,我们其实可以定义一下扫描透镜:

  F-theta扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等),就是经过一定的设计,使像素高与扫描角度满足一定关系式的一种聚焦平面度的物品,与扫描角度呈现一定的线性关系,公式为:y=F-theta*θ(θ为振镜的偏转角度)。

  它的主要特点就是:

  (1)、成像在一定的平面范围内,像素一致不变形,像素差别小。

  (2)、一定范围内的平面打标,对应一定速度内的振镜扫描速度(别听信一些公司说振镜的最高扫描速度,那是针对小镜头而言,用大镜头让他们试试就知道了)。

  常规F-theta扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等)选型的其它知识:

  1、打标幅面:

  我们拿到一个镜头后,一般镜头只标注焦距,镜头环上一般标注:F-theta lens 1064nmf=160mm 1604803,这个镜头就是1064nm波长的镜头,焦距为160mm的镜头,1604803一般是160镜头的一个序列号;

  这里有一个常规的换算公式:

  (1)、打标幅面f=0.7*焦距=0.7*160=112mm

  (2)、打标幅面f=0.7*焦距=0.7*254=177.8mm

  解答(1):F160mm的扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等),对应的打标范围是112mm*112mm的正方形,一般校正幅面(行业内称为校正BOX)取一个整数就是110mm*110mm。

  解答(2):F254mm的扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等),对应的打标范围是177.8mm*177.8mm的正方形,一般校正幅面(行业内称为校正BOX)取一个整数就是170mm*170mm。

  很多客户总是主观的认为,选择扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等)的打标幅面越大越好,其实不然。

  主要原因如下:打标幅面越大,焦距越长,聚焦光斑也越大,失真度也越大,激光光斑不够细腻,激光单点功率能量密度也越小,当大到一定范围之后,可能在你的产品也打标不上了或者没有深度了,反而达不到使用要求。

  所以,选择一个适合自己的最重要,没有必要非得选择一个更大范围的扫描透镜,从而增大自己的成本。

  2、根据入射光斑大小来选择扫描透镜(弥散斑直径),原则上:扫描透镜的入射光斑要≥从振镜过来的激光光斑大小,这样扫描透镜才能接住从激光器—扩束镜—振镜过来的光。

  弥散光斑直径的计算公式为:激光器的入射光斑*扩束镜倍数。

  特别注意:如果从振镜过来的激光入射光斑>扫描透镜的入射光斑,很明显的现象就是——打标幅面范围内中间能量强,边缘能量特别弱,这就是典型的没有选对扫描透镜的弥散光斑直径的原因。这个是错误,切记!切记!切记!

  (10mm、8mm入射光斑的激光器,选择扫描透镜不一样,不一样!)

  (还要搞清楚扩束镜倍数先!)

  3、聚焦光斑d的计算公式为:d=2fλ/D

  f=焦距,焦距越长,聚焦光斑d越大(这就是前面我们所讲的镜头越大,光斑直径越大越粗的原因);

  这里还有一个典型的例子:为何有的公司的打标范围一样的两台机器,一个光斑细腻,一个光斑略大,其实根本的原因就是一个公司用的短焦镜头,一个公司用的长焦镜头,打标出来的光斑直径肯定不一样。

  这里的一个常规应用选择就是苏打水瓶身的激光打码,用常规镜头,打标出来的线条太细,不容易分辨,而选用长焦镜头后,明显的可以看出来,激光光斑变大了,更容易分辨。(当然在扫描透镜不变的情况下,选择低倍数的扩束镜也可以实现)。

  λ=波长,波长越长,聚焦光斑d越大(这就是我们知道的为何光纤激光器的光斑直径要远远大于紫外激光器的光斑直径的真正原因);

  D=激光器入射光斑,这个是根据选择的激光器来决定的一个固定值,激光器入射光斑越大,聚焦光斑d越小;

  4、弥散光斑(极限衍射光斑、最小光斑):这个是扫描透镜的参数里面的一个理论值,以1064nm波长的几款常规应用为例:

激光打标机扫描透镜选型指南

  弥散光斑直径就是这个扫描透镜所能聚焦的理论最小值,我们看一下,是不是扫描透镜越大,弥散光斑直径也越大?这个就是理论上的打标范围越大,激光打标出来的线条越粗的原因!理论上,我们选择上面的镜头的话,是可以打出弥散光斑直径的线条的,但是,往往我们的激光打在不同的材料上,对激光的吸收率不一样,往往就会比这个理论值大,所以,这个仅仅是理论值,理论值。

  5、工作距离计算:从激光打标机台面上的工件的表面+扫描透镜焦距<升降立柱的最高行程—振镜方头的高度,如果要换大镜头的话,请先确认升降立柱是否可以足够支撑你的打标范围。

  常规应用:

  打标范围<200mm*200mm,用常规550mm行程的升降立柱即可;

  打标范围<300mm*300mm,用600mm行程以上的升降立柱;

  打标范围<400mm*400mm,用800mm行程以上的升降立柱;

  打标范围<500mm*500mm,用1000mm行程以上的升降立柱;

  6、扫描透镜的焦深,常规的如下表,我们还以常规的1064nm波长的扫描透镜为例:

激光打标机扫描透镜选型指南

  焦深的意思就是:在这个一定值的范围之内,理论上打标出来的产品,用肉眼无法明显分辨出打标线条的起伏变化,这个在打标有一丁点起伏或者一定弧度的产品的时候很有用,我们可以在一定范围之内,更换大镜头即可实现。

  同理,小镜头对焦距也越敏感,打标线条也越细腻,大镜头焦深大了,但是打标出来的线条却也变粗了,主要看是否可以满足效果要求来判定。

  7、常用的几种扫描透镜(也称为:镜头、透镜、场镜、物镜等)的安装螺纹:

  (1)、最常规的为M85*1;

  (2)、德国SCANLAB振镜的扫描透镜为M79*1;

  (3)、德国RAYLASE振镜的扫描透镜为M55*1;

  (4)、激光清洗和美容行业的扫描透镜为M39*1;

  (5)、常规振镜式激光焊接机的扫描透镜为M95*1、M102*1、M112*1;

  如有特殊行业的,需要制作螺纹转换圈。

  8、其它:

  (1)、M1和M2值(振镜镜片距离扫描透镜镜片的距离),坚决不能振镜片与扫描透镜的镜片打架;

  (2)、扫描角度:一般为±24°,特殊应用的才会用到更大范围的值;

  说在最后:

  当打标线条的精细度与打标范围无法调和的时候,可以从下面几条路走:

  (1)、用XY平台小幅面拼接打标(需要增加XY伺服平台和拼接打标控制卡);

  (2)、用3D振镜完成(价格昂贵,主要是起伏面大和弧度比较大的产品适用);

  (3)、试试进口的远心扫描透镜(一般都是进口货,价格昂贵);

  (4)、试试用紫外机器打样(紫外激光器本身对焦深就不敏感);