通常扫描振镜的规格文档中对于分辨率、重复精度、温度稳定性和长时间漂移等参数都进行了明确定义，但校准精度受到的关注往往比较少。在了解和管理特定扫描场位置的误差方面，此参数发挥着至关重要的作用，但它高度依赖于像光学系统(例如，F-Theta 光学透镜)和机器设置(例如，材料平整度、斜率)等因素。因此，校准精度只能在机台现场安装期间确定和精调，无法由制造商预先设定。本文深入探讨了几种校准策略，并说明了它们的复杂性和精度水平。我们着重在混合型和全数字两轴扫描振镜的场景下考察这些策略，希望为它们对激光系统性能的影响提供了有价值的参考意见。
在工业应用领域，扫描场校准的重要性取决于当前的具体任务。当任务涉及固定位置的打标、切割或雕刻等重复过程时，主要关注的是重复性和漂移等参数。在这些情景中，几何尺寸或定位的任何偏差都可以通过调整作业配置文件来解决，这样一来，校准这项因素便不是考虑的重点。不过，当我们深入研究具有动态和移动位置特征的应用时，情况就会完全不同。像飞行打标 (MOTF) 或视觉定位这样的任务，从一开始就需要确保精度，没有留下后处理调整的空间。在这些场景下，实现精确的校准精度对于成功完成任务至关重要。
不同的应用需要不同水平的校准精度。对于给定的扫描电机和镜头组合，使用CO₂ 激光器和两轴混合扫描振镜的打标打码应用通常可以成功使用出厂的预设设置。这些应用的大焦斑直径和有限的定位要求通常允许这样做。另一方面，电动汽车或半导体行业内的应用通常具有更严格的定位要求，常常使用飞行加工或视觉定位。在这里，预定义的校准表将不足以应对，因为每个光学系统都会增加非线性缺陷。因此，机器设置期间全面的校准过程变得不可或缺，涵盖基本的手动校准到以计量为导向的严格方法等。
扫描振镜在焦平面内有两个主要的光学畸变来源。由于 X 和 Y 镜片在扫描振镜内分离，扫描场内到目标位置的光学距离发生变化，因此会导致枕形畸变。随后，F-Theta 镜头会引入桶形畸变，从而使获得的形状不是完美的正方形或矩形，而是非线性畸变的形状。
在以下部分中，我们说明了为实现不同水平的校准精度，对一组扫描振镜(Versia 和 Lighting II)、校准方法(手动校准、平板扫描仪方法和计量方法)和基材(玻璃和打标纸)进行两轴校准的前提条件、程序和结果。为获得最佳可比性，我们对两种扫描振镜类型使用相同的夹具、激光器和镜头。
方法和材料
在这项研究中，我们比较了两个 14 mm 两轴扫描振镜的校准结果。为确保获得最高水平的可比性，我们在整个校准过程中采用相同的设备，包括 20W 光纤激光器、机械治具和 F-Theta 镜头。第一个扫描振镜是 Novanta 的 VERSIA，它是一种将数字驱动器和模拟电机相结合的混合两轴扫描振镜。VERSIA 拥有极高的灵活性，允许通过 XY2-100 协议以 16 位分辨率或通过 NVL-100 通信模型以 20 位分辨率运行。考虑到本研究的目的，我们采用 NVL-100 协议。我们分析的第二个扫描振镜是 Novanta 的 Lightning II，配置为带 14 mm 通光孔径的全数字两轴系统。Lightning II 以其状态空间闭环控制机制和 24 位双向 GSBus 通信协议而著称，可以提供更优越的精度性能。
我们的研究旨在比较三种不同复杂程度的校准方法。这包括快速且设备需求很少的入门级手动校准、利用平板扫描仪来辅助校准过程的中等校准以及使用计量站的高端校准。在这三种方法中，我们使用黑色打标纸和玻璃基材来展示打标材料对校准结果的影响。这三种方法的总体过程非常相似。首先，使用扫描振镜在打标基材上生成一个垂直线的图案。接下来，测量图案交点的距离，并将数据输入控制器校准软件 CalWizard。重复执行此过程，直到两次迭代步骤之间不再有任何改善为止。
手动校准方法
手动校准是执行校准的最快速且成本最低的一种方式。同时，由于测量工具的粗糙度和能够充分处理以构建校准表的点数较少，这种方法是现有校准方法中精度最低的。通常，会在材料上标记一个由水平线和垂直线组成的 3x3 至 5x5 网格。随后，手动使用尺子或卡尺测量每个交叉位置之间的距离，并将数据输入 CalWizard 软件。之后重复此过程，直到误差开始反转。这通常需要大约三次迭代，可以在相对较短的时间内完成，而且不需要投入较高的成本。对于手动校准，可接受的误差量为扫描场的 1%。
平板扫描仪方法
Novanta 在市场中具有无可比拟的优势，可以为寻求通过高精度激光系统改进其制造过程的 OEM、系统集成商和最终用户提供应对最复杂挑战的解决方案。为了提高整体校准质量，消除手动校准的人为限制至关重要。于是，便引入平板扫描仪作为解决方案，它不仅能提高每次迭代可以测量的交叉位置数，还能降低测量距离时人为因素的影响。由于常见的平板扫描仪未经校准，且用途是输出扫描图像，因此 Novanta 创建了一种程序来规避这两个缺陷。CalWizard 中基于 LabView 的软件工具与校准工件结合使用，在平板扫描仪打开后对其进行校准。校准工件是 Novanta 专门为这项任务设计的一组方框交叉点。
之后，使用振镜扫描仪生成 11x11 垂直线组成的矩阵(见图 3)。平板扫描仪随后测量每个交叉位置之间的距离，并将结果直接输入 CalWizard。重复此过程，直到误差开始反转。通常，这需要大约 6-7 次迭代，时间约为 1 小时，只需数百美元的成本即可实现整个过程。对于平板扫描仪，可接受的误差量为扫描场的 0.1%，但在许多情况下可以获得更好的结果。
计量方法
高端校准方法与高端位置测量相辅相成。总的来说，由于测量工具 MicroVu 的精度和构建校准表的点数众多，计量方法拥有最高的精度。尽管这种方法预测的精度基于所使用的计量机器。这与预测误差可以用扫描场的百分比来计算的其他两种方法完全不同。与使用平板扫描仪的方法类似，高端校准也需要以网格图案形式布置 11 条间隔均匀的水平线和垂直线。MicroVu 会测量各条线之间的距离，然后将数据手动输入 CalWizard。
重复此过程，直到误差开始反转，这同样需要大约 6-7 次迭代。每次迭代大约需要 20 分钟的时间。虽然这是最精确的校准方法，但它所需时间最长，所需设备成本也最高。
总结
为了衡量每种方法的性能，使用上述三种方法分别对 Lightning II 和 VERSIA 进行了校准，同时在纸张和玻璃上进行了测试。在校准步骤结束后，分别在两种基材上打标了整体尺寸为 100 mm x 100 mm 的 10x10 网格图案并由计量站进行分析。
图 5 显示，玻璃基材通常优于纸张基材，而 Lightning II 优于 VERSIA。唯一的例外是手动校准，其中 Versia 产生了更好的结果，正如预期的那样。在这种校准方法中，由于人工测量和尺子精度水平引起的校准误差远大于扫描振镜所带来的性能优势。此外，在打标夹具和计量机器之间保持可重复性和平整度方面，玻璃基材往往更出色。相比之下，纸张在打标和测量夹具之间会产生更大的形变，从而引入误差。鉴于上述原因，从纸张试验记录的结果可能不会遵循预期的结果趋势。例如，图 5 显示 Versia 计量方法产生的结果优于 Lighting II 纸张方法，而玻璃的情况则刚好相反。由于纸张是一种非刚性非平整的基材，这种偏差可能是由此引起的，而不是由扫描振镜的性能造成的。图 6 显示，校准水平与校准所花费的时间和成本之间存在反比关系。在选择适合特定应用的校准方法时，应当综合分析测量精度、基材材料、成本和时间等各种因素。
我们的校准测试结果符合我们的预期，即全数字的 Lightning II 扫描振镜可实现优于混合 Versia 扫描振镜的校准，而更复杂的方法可实现优于简单方法的校准结果。不过，这些结果也有助于全面评估扫描振镜和校准方法之间的差异以及校准的时间和成本，同时更好地理解总体上能够实现的校准水平。
（来源：诺万特）
