《Journal of Manufacturing Processes》：A high-efficiency laser processing array micro-holes method based on acousto-optic deflector and galvanometer hybrid
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高密度微孔阵列加工中，传统机械式方法因扫描速度受限导致效率低、精度差。本文提出基于声光偏转器（AOD）与Galvanometer的混合加工系统，通过离散轨迹分区规划，将加工区域划分为AOD的高频微扫与Galvanometer的宏观扫描结合，使总加工时间减少77.4%，定位误差降低89.8%。
冯志豪|梁宇峰|张天|荣友民|杨洪平|陈龙|刘秀峰|张国军|黄宇
华中科技大学智能制造装备与技术国家重点实验室，中国武汉
摘要
阵列微孔已被广泛用作显示面板中环境光传感器的光学孔径。现有的振镜加工方法由于镜子振荡的机械惯性限制了扫描速度，导致大量微孔（<30 μm）的加工效率低下。为了解决这个问题，提出了一种基于声光偏转器（AOD）和振镜混合技术的激光加工方法，该方法采用针对不连续、高密度点阵列设计的离散轨迹划分框架。通过充分利用AOD的扫描场来划分加工区域，从而减少了振镜的移动路径长度和跳跃次数。目标轨迹由微孔的脉冲分布确定，AOD的位移通过坐标变换得到。实验结果表明，与仅使用振镜的加工方法相比，所提出的方法的最大振镜跟随误差降低了89.8%，并且具有更好的一致性和更高的加工质量。同时，给定图形的总加工时间从2.157–3.813秒减少到0.487–0.875秒，减少了77.4%。
引言
阵列微孔在显示领域被广泛用作环境光传感器的光学孔径，实现了高效的背光控制[1]、[2]、[3]。为了实现均匀的光线传输和视觉隐蔽效果，阵列微孔具有小直径（<30 μm）、高数量（数千到数万个）以及密集分布（>200个孔/平方毫米），并通过选择性去除盖玻片基板上的丝印墨层来制造[4]、[5]。由于物理接触限制[6]和工具磨损[7]，传统的微钻孔或微冲压加工方法在制造阵列微孔时存在显著缺陷[8]。
超快激光加工因其高材料去除精度[9]、高加工效率[10]、非接触式特性[11]和最小的热影响区域[12]、[13]而被广泛用于微孔制造。一种常见的实现方法是使用振镜扫描系统，采用螺旋或同心圆形扫描策略来生成微孔[14]、[15]。然而，在高通量制造中使用的激光重复率增加时，会出现重大挑战[16]、[17]。由于机械惯性的限制，振镜扫描器难以在微孔加工过程中保持低脉冲重叠比，这会导致过度的热量积累和加工质量的下降[18]、[19]。因此，为了减轻这些问题并确保高质量的微孔钻孔，需要一种能够在高重复率条件下实现高速转向的光束偏转系统。
声光偏转器（AOD）因其非惯性特性和优越的带宽优势[20]而成为高速光束转向的核心技术，能够实现MHz级别的控制频率[21]、[22]。然而，AOD的有限角度偏转范围使其无法处理超出其狭窄视野范围的阵列微孔[23]。为了解决这个问题，开发了将AOD与振镜结合的混合系统[24]，其中振镜提供大范围定位，而AOD执行局部化、高动态响应的扫描。虽然这类系统实现了显著的定位速度[25]，但其效果严重依赖于复杂的轨迹规划和两个执行器之间的同步[26]。因此，核心挑战在于设计能够充分利用两种执行器互补特性的高效轨迹分配策略。
对于这种运动冗余的级联系统，通常采用两种轨迹规划策略：步进扫描和即时加工。步进扫描策略适用于不规则图案，但由于离散点之间的加速、减速和稳定时间累积，其吞吐量较低。即时加工策略旨在消除这些空闲时间，适用于连续加工。现有研究主要集中在振镜扫描器和平台的相关控制上。Wang等人[27]提出了一种基于频率分割的轨迹分配低通滤波算法。Zhu等人[28]通过对目标路径进行几何缩放来生成伺服平台的路径，并通过矢量减法得到振镜轨迹。Xiong等人[29]设计了二阶有限脉冲响应（FIR）滤波器，以生成具有有界加速度和平滑加速度的伺服平台运动轨迹。然而，这些方法本质上假设了大规模连续轨迹，无法满足空间隔离孔之间不连续跳跃过渡的高密度微孔要求。Zhang等人[30]应用了自适应离散灰狼优化器来优化孔之间的振镜跳跃轨迹，从而提高了加工效率。Erkorkmaz等人[31]通过最小化受轴动态和孔延长限制的瞬时平方来优化轨迹，实现了时间压缩。Alzaydi[32]通过最小抖动规划和路径拼接优化了钻孔簇内和之间的定位时间。这些方法将离散孔强制纳入连续轨迹，但在极密集的阵列中遇到了物理极限，导致路径变得过长且曲折，从而影响了效率。
在本文中，提出了一种用于高通量微孔阵列加工的新混合加工方法。该方法通过协同分配任务实现了二维平面覆盖：振镜提供恒速的宏观扫描，创建一个移动坐标系统，而AOD利用其高动态响应在每个瞬时视野内进行离散、高速的点加工，显著提高了高密度微孔阵列的吞吐量。基于AOD和振镜坐标系之间的位置和方向关系，建立了混合加工系统的运动学模型。根据AOD的视野和微孔的分布特性划分加工区域，并通过扫描线邻近排序和逆运动学计算将轨迹分配给AOD和振镜。所提出的方法在加工效率和精度方面与仅使用振镜的扫描方法进行了比较。
实验设置
建立了一个包括2D振镜扫描器和AOD的测试平台。实验设备系统的控制图如图1所示。使用重复频率为500 kHz的UV飞秒激光作为能量输入，光线通过镜子导向AOD（WGAOD170-60-7.5-355-A，Waveguard）。AOD的最大频率更新率为1.5 MHz，扫描角度为3.7 mrad，在我们的设置中计算出的最大振幅为185 μm。控制器
混合控制和规划方法
AOD和振镜混合加工的核心机制是将目标图案分解为振镜和AOD的轨迹数据，使激光束能够通过它们运动的叠加沿所需轨迹扫描。振镜作为低频、大视野（FOV）组件，而AOD作为高频、小FOV组件。组合系统具有冗余的自由度，其中振镜负责
仿真分析
轨迹规划算法使用Qt 5.14.0在标准PC（AMD Ryzen 9，16 GB RAM）上实现。绘制A和绘制B的总计算时间分别约为319毫秒和273毫秒。
为了评估扫描线邻近排序方法的有效性，对绘制A和B分别使用初始CAD定义的序列和扫描线邻近排序方法进行了轨迹分解计算。结果如图7所示。蓝色
结论
本文提出了一种用于高速激光加工高密度阵列微孔的新方法。开发了一种集成2D振镜扫描器和声光偏转器（AOD）的混合加工系统来验证该方法。本工作的主要结论总结如下：
- 1)
建立了时间评估模型和综合运动学模型，用于评估加工时间并统一坐标系统
CRediT作者贡献声明
冯志豪：撰写——原始草案，正式分析，数据管理。梁宇峰：方法论，正式分析。张天：软件，方法论。荣友民：撰写——审稿与编辑，方法论，资金获取，概念化。杨洪平：验证。陈龙：验证。刘秀峰：资源，正式分析，监督。张国军：资金获取。黄宇：资源，资金获取。
资助
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB4609803）、湖北省关键技术创新项目（2025BAA004）、国家自然科学基金（批准号52375433，92573204）、湖北省重大科技项目（2022AAA008）、广东省基础与应用基础研究基金（批准号2024A1515030285）、湖北省重大项目（2023BAA015）以及创新联盟项目的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
