《Optics & Laser Technology》：Laser high-efficient chamfering of carbon black and polyester film laminated structure collaborative application of acousto-optic deflector and galvanometer
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提出了一种基于声光偏转器（AOD）与光栅（galvanometer）协同的高效激光倒角方法，通过同心圆扫描策略减少热效应，并建立基于圆间距与功率的角度控制模型，实验验证平均倒角角度误差小于0.22°（5‰以内），较传统方法效率提升55.57%。
梁宇峰|荣友民|冯志豪|张天|陈龙|刘秀峰|张国军|黄宇
中国华中科技大学智能制造装备与技术国家重点实验室，武汉
摘要
碳黑和聚酯薄膜的层压结构常被制成遮光环，并广泛应用于光学镜头模块中。其内部的圆角处理可以减少杂散光，提高镜头成像质量。本文提出了一种结合声光偏转器（AOD）和振镜的高速激光倒角方法。采用同心圆扫描策略以减少热效应，并通过在各同心圆之间均匀分布脉冲来抑制倒角表面的轮廓波动。在AOD-振镜协同加工过程中，振镜沿同心圆轨迹移动，同时AOD快速将多个脉冲偏转到同一位置，从而缩短了振镜重复扫描所需的跳跃时间。与传统的振镜扫描方法相比，该方法将平均加工时间从1.956秒缩短至0.869秒，效率提高了55.57%。为了实现可控制的倒角角度，建立了一个基于圆圈间距和功率的角度模型。在30°、40°、50°和60°的倒角角度下对模型进行了验证，预测角度与实际加工角度之间的平均误差为0.22°（<5‰），证明了该模型的高精度和实用性。
引言
涂有碳黑的聚酯薄膜（C-PET-C）是一种高性能的遮光复合材料，如图1 [1]、[2] 所示，可加工成遮光环，广泛应用于消费电子和精密成像的光学镜头模块中 [3]、[4]。遮光环内孔的倒角是加工过程中的关键步骤，有助于减少漫射光和折射光的进入，直接影响镜头的成像质量 [5]、[6]。传统的冲压倒角方法效率低下，边缘易产生毛刺等问题 [7]。激光加工具有非接触、可控且环保的优点 [8]、[9]，为高质量加工提供了创新手段 [10]。
振镜激光加工系统具有高扫描速度和加工精度等优点 [11]、[12]，是常见的倒角加工方法 [13]。刘等人 [14] 研究了不同脉冲宽度激光对金刚石刀具边缘粗糙度的影响，发现紫外飞秒激光加工后的表面更加光滑且粗糙度更低；孙等人 [15] 通过控制激光束与工件的相对姿态，建立了微孔锥度与姿态角度之间的线性关系；乔等人 [16] 在CFRP激光钻孔过程中通过改变飞秒激光入射角度来调节孔壁倾斜度，提高了孔的质量；黄等人 [17] 通过调整加工平台的角度来改变光束方向和旋转轴，实现了钨基微孔加工中孔壁倾斜度的可控性；崔等人 [18] 结合物镜和微振动器，通过调节振幅来改变激光聚焦平面位置，从而实现钻孔时孔壁倾斜度的调节。然而，随着电子工业的发展，对加工效率的要求越来越高 [19]、[20]。振镜扫描方法受电机摆动惯性的限制 [21]，在进一步提高扫描速度方面存在固有局限性。
为了在保证加工质量的同时提高效率，本文提出了一种利用声光偏转器（AOD）和振镜协同加工的高效激光倒角方法。AOD具有无惯性、响应快速等优点 [22]、[23]、[24]，与振镜结合使用可提高加工效率同时保持大格式扫描能力，近年来逐渐应用于激光加工系统 [25]、[26]、[27]。相关研究表明，声光偏转器（AOD）能够在高重复频率下实现激光脉冲的完全时间分离 [28]，提供灵活快速的脉冲定位控制 [29]，并与振镜扫描器配合使用可实现沿振镜定义轨迹的连续激光加工 [30]。这些特性使AOD特别适合倒角应用。然而，现有的基于AOD的激光加工研究主要集中在钻孔方面，而AOD技术在提高倒角效率方面的潜力尚未得到充分探索。
本文提出了一种结合AOD和振镜的高速激光倒角方法。该方法采用同心圆扫描策略，振镜沿圆形轨迹引导激光束，同时AOD将多个脉冲偏转到圆周上的同一空间位置，实现脉冲叠加而无需增加振镜的跳跃次数。振镜从内向外扫描，减少热积累效应。基于此策略，建立了倒角角度模型和时间-成本模型，并引入了AOD-振镜协同加工的脉冲偏转算法。通过不同圆圈间距和激光功率的协同扫描实验评估了该方法的有效性。协同加工原理和实验系统如图2所示，实验装置和步骤的详细描述见第2节。
本文结构如下：第2节详细介绍了实验系统和设计方案；第3节阐述了角度模型和AOD-振镜协同倒角方法；第4节讨论了关键参数设置和误差补偿；分析了参数对倒角效果的影响，并与其他方法进行了效率比较；第5节总结了研究结论。
材料
本实验使用了光学精密成像中常用的遮光材料。该材料的总厚度为68 ± 5 μm，由两部分组成：一部分两侧涂有碳黑，另一部分是夹在碳黑之间的黑色PET。
实验设置
图2展示了AOD-振镜协同倒角加工的原理和系统。如图2(a)所示，振镜沿同心圆轨迹扫描，而AOD负责调制激光束的方向。
模型与方法
为实现遮光环的倒角，采用了如图4所示的同心圆扫描策略。倒角区域内的材料去除区域被划分为多个垂直于表面的去除单元。每个去除单元在平面上可表示为一组同心圆轨迹 Circlei》，如图4(a)所示。在倒角截面的同一位置，每个同心圆包含多个脉冲的冲击。
位置误差补偿
振镜的位置精度直接影响遮光环倒角的轮廓一致性和加工质量。为了减轻振镜跟踪误差的影响，首先记录了振镜的指令速度和相应的反馈位置，如图9(a)所示。通过比较指令速度曲线和反馈响应，确定了跟踪延迟。
结论
本文提出了一种用于遮光环的高速激光倒角方法，通过AOD和振镜的协同作用实现。首先设计了同心圆扫描策略以减少热效应，进而建立了倒角角度模型以实现精确的角度控制。在协同加工过程中，开发了AOD-振镜协同的脉冲偏转算法以缩短振镜的跳跃时间。
CRediT作者贡献声明
梁宇峰：撰写——原始草案、方法论、概念构建。荣友民：撰写——审阅与编辑。冯志豪：验证、数据管理。张天：可视化、软件开发。陈龙：资源协调。刘秀峰：资源协调、项目管理。张国军：资金筹集。黄宇：监督、项目管理。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4609803）、湖北省关键技术创新项目（2025BAA004）、国家自然科学基金（项目编号52375433、92573204）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2024A1515030285）、河南省重大科技专项（241100220200）以及武汉半导体激光设备产业创新联合实验室的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
