双轴激光扫描系统的基本原理

一束激光被两片扫描振镜反射，并且通过一片聚焦镜。振镜片在一个galvo-扫描器马达的带动下高速的来回延轴旋转。在大多数情况下,最高偏转角镜是+12.5°(+10°往往是一个较安全范围)入射角不能偏于45°。

在设计双轴扫描器时，我们的目标是：

·能够达到理想的扫描范围.

·能够达到最高的速度.

·能够达到最小的焦斑.

·使得成本能够最低.

一些要考虑到的限制因素：

·光束质量的因素Q (Q=M2).

·扫描角度的限制因素.

·光束能量减少的因素.

·扫描器通光口径的影响因素.

扫描器的扫描范围

光束的扫描范围较超过某个角度q，等于两倍的振镜反射角。因此，在X和Y两个方向上扫描的范围可能是q=±20°。（最大的扫描范围应该是q=±25°）。在X和Y轴上，实际的扫描面积应该是2Ftanq。

近似值发生的原因：

通常在镜片的设计中，会考虑到它的失真现象。所以对于q来说扫描的位置是对称的，而不是tanq。

在双轴上扫描时，会出现几何失真的现象，这个是与镜头的属性不相干的。

焦斑尺寸

焦斑尺寸下限d (1/e2 亮度直径)相对于激光光束直径'D'(1/e2)是d = 13.5QF/D mm例如：一束TEM00(Q=1) 的直径是13.5mm(1/e2)用一个焦距100mm的理想聚焦镜片，焦距出来的点的直径是100mm（带入一个实际数值Q=1.5, 焦斑尺寸应该是150um.）

从上面的方程式可以看出，光的速度和光学畸变可导致聚焦点大小都大于最低衍射值。

大尺寸范围需要使用长焦距镜头。相反的，这会导致更大的聚焦点，除非把光束直径大小，振镜大小，和镜头直径全部加大。

在大多数的扫描结果里，焦斑的尺寸大小通常是以平均值的形式给出的。

割光现象

扫描器的口径往往是有限的，比如说直径是'A 'mm。

光的衍射发生在有限的口径中，也就是光束的能量会被阻挡，即使是一束中心光束也一样。对于一束TEM00光束（Q=1），它在圆孔的能量损耗可以参考下面的数据：

A/D	0.8	1 #p#分页标题#e#	1.2	1.4	1.6	1.8	2
Loss%	27.8	13.5	5.6	1.98	0.6	0.15	0.03

表中显示,那里的扫描器口径仅限于A毫米直径,激光光束直径D(1/e2)必须选定一个尺寸和功率低损耗的折衷点。对于大多数的激光扫描系统来说#p#分页标题#e#D=A/1.4这个值可以被接受。

振镜的设计

振镜1（或者叫振镜X）

振镜1的宽度是由光束的直径所决定的。完整光束直径在这里是比较容易讨论的，完整的光束直径在一定程度上是任意的。

例如,一个系统设计师可能将DF界定为激光射在有机玻璃留下的烧焦的光束直径。另外DF可能被定为一个能量为99%的标准能量点，或者是限定在某个范围内，如1.4D – 1.6D.

考虑到镜片的误差，振镜的宽W1要略微大于所选择的DF的值。镜片上的最大入射角imax决定了振镜的长度。让a= (90°-imax)。当振镜的长度是L1，这里L1=W1/sina。

振镜2（或者叫振镜y）

振镜2的宽度应该等于振镜1的长度。振镜2的长度就是光束打在第二个振镜上时同S1的距离，和最大入射角q。这些镜片被制作并被镀上的特定的膜层，从而决定用于CO2激光还是YAG激光。他们有很高的激光损伤值, 1000w/mm的情况下光束直径是1/e2（D）。

F-theta的特点

我们将镜头描述为F-theta镜头，或者'Fq'。设计的方法是要产生一个离轴点的位置成正比的扫描角度。依次，就是要产生成正比的电压，已适用于扫描器马达。由于失真是来自于两个振镜，所以我们两个轴上的扫描器要有能够转动F-theta的特征。

单片式镜片设计得最好的折衷点是要同时具备最小光斑尺寸与F-θ特点。对于单片式的镜头，在F-theta特征下，误差通常是2%-3%。多片式的镜头，它的设计会更加接近F-theta的特点。F-theta特征的误差范围是 < 0.36%，并且只有75mmFL的微小差距。

镜头设计

所有扫描透镜设计是基于上述因素，对于典型的小型扫描器系统，光束直径的范围在10mm或是15mm,镜片的直径为48mm是比较合适的。对于光束直径是15mm，这时镜片的直径要通过S1和M2L的距离作为参数。

每次设计镜头旨在提供最佳性能的打标范围，最小最均匀的焦斑和在指定的光束直径和振镜位置下要具备F-theta特征。尽可能避免镜片口径和金属圆孔带来的衍射。