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(jìn)行了明確定義，但校準(zhǔn)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(jī)器設(shè)置(例如，材料平整度、斜率)等因素。因此，校準(zhǔn)精度只能在機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)的重要性取決于當(dāng)前的具體任務(wù)。當(dāng)任務(wù)涉及固定位置的打標(biāo)、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(zhǔn)這項(xiàng)因素便不是考慮的重點(diǎn)。不過，當(dāng)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(biāo) (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(shí)現(xiàn)精確的校準(zhǔn)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(zhǔn)精度。對于給定的掃描電機(jī)和鏡頭組合，使用CO? 激光器和兩軸混合掃描振鏡的打標(biāo)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(yán)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(zhǔn)表將不足以應(yīng)對，因?yàn)槊總€光學(xué)系統(tǒng)都會增加非線性缺陷。因此，機(jī)器設(shè)置期間全面的校準(zhǔn)過程變得不可或缺，涵蓋基本的手動校準(zhǔn)到以計(jì)量為導(dǎo)向的嚴(yán)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(biāo)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(shí)現(xiàn)不同水平的校準(zhǔn)精度，對一組掃描振鏡(Versia 和 Lighting II)、校準(zhǔn)方法(手動校準(zhǔn)、平板掃描儀方法和計(jì)量方法)和基材(玻璃和打標(biāo)紙)進(jìn)行兩軸校準(zhǔn)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(xiàng)研究中，我們比較了兩個 14 mm 兩軸掃描振鏡的校準(zhǔn)結(jié)果。為確保獲得最高水平的可比性，我們在整個校準(zhǔn)過程中采用相同的設(shè)備，包括 20W 光纖激光器、機(jī)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(jī)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(yùn)行?？紤]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(jī)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(zhǔn)方法。這包括快速且設(shè)備需求很少的入門級手動校準(zhǔn)、利用平板掃描儀來輔助校準(zhǔn)過程的中等校準(zhǔn)以及使用計(jì)量站的高端校準(zhǔn)。在這三種方法中，我們使用黑色打標(biāo)紙和玻璃基材來展示打標(biāo)材料對校準(zhǔn)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(biāo)基材上生成一個垂直線的圖案。接下來，測量圖案交點(diǎn)的距離，并將數(shù)據(jù)輸入控制器校準(zhǔn)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(zhǔn)方法
手動校準(zhǔn)是執(zhí)行校準(zhǔn)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(zhǔn)表的點(diǎn)數(shù)較少，這種方法是現(xiàn)有校準(zhǔn)方法中精度最低的。通常，會在材料上標(biāo)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(zhǔn)，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(jìn)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(zhǔn)質(zhì)量，消除手動校準(zhǔn)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(zhǔn)，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(zhǔn)工件結(jié)合使用，在平板掃描儀打開后對其進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)工件是 Novanta 專門為這項(xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)的一組方框交叉點(diǎn)。
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(shí)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(jì)量方法
高端校準(zhǔn)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(zhǔn)表的點(diǎn)數(shù)眾多，計(jì)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(jì)量機(jī)器。這與預(yù)測誤差可以用掃描場的百分比來計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行了校準(zhǔn)，同時在紙張和玻璃上進(jìn)行了測試。在校準(zhǔn)步驟結(jié)束后，分別在兩種基材上打標(biāo)了整體尺寸為 100 mm x 100 mm 的 10x10 網(wǎng)格圖案并由計(jì)量站進(jìn)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(zhǔn)，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(zhǔn)方法中，由于人工測量和尺子精度水平引起的校準(zhǔn)誤差遠(yuǎn)大于掃描振鏡所帶來的性能優(yōu)勢。此外，在打標(biāo)夾具和計(jì)量機(jī)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?jiān)诖驑?biāo)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?jiān)囼?yàn)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(jì)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(zhǔn)水平與校準(zhǔn)所花費(fèi)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(zhǔn)方法時，應(yīng)當(dāng)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)優(yōu)于混合 Versia 掃描振鏡的校準(zhǔn)，而更復(fù)雜的方法可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于簡單方法的校準(zhǔn)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(zhǔn)方法之間的差異以及校準(zhǔn)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(zhǔn)水平。
（來源：諾萬特）
