F-Theta透鏡教程
透鏡經(jīng)過設(shè)計可以在激光掃描或雕刻系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳性能。這些透鏡極其適合雕刻和標(biāo)記系統(tǒng)、圖像轉(zhuǎn)移和材料處理等應(yīng)用。對于激光掃描和雕刻系統(tǒng)中的很多應(yīng)用,平面成像場可以實現(xiàn)優(yōu)良的結(jié)果。一個球面透鏡只能在圓形平面上成像(參看圖1A)。平場聚焦透鏡可以解決這個問題。然而,光束的偏移取決于有效焦距(f)和偏移角θ正切值的乘積[f × tan (θ),請參看圖1B]。
雖然這種非線性的偏移可以通過合適的軟件算法進行說明,但理想的解決方案是產(chǎn)生一個線性偏移(即恒定的掃描速率)。平場聚焦透鏡設(shè)計具有桶形畸變,產(chǎn)生的偏移大小與θ成線性關(guān)系(f*θ,參看圖1C)。這種簡單的對應(yīng)關(guān)系不需要復(fù)雜的電子矯正,可以實現(xiàn)快速、相對廉價和小型化的掃描系統(tǒng)。
圖1 - 掃描透鏡
F-theta透鏡可以解決許多與激光掃描相關(guān)的問題。此外,平場聚焦透鏡的緊湊設(shè)計使用戶可以減少用來實現(xiàn)平面像面的光學(xué)部件數(shù)量。這些透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的光斑尺寸,這樣就可以實現(xiàn)更高的掃描或印制分辨率,以及更高的雕刻或焊接密度。最重要的是,使用這些透鏡時,光斑尺寸(分辨率和強度)在整個像平面上幾乎都是恒定值。
掃描透鏡裝置
激光掃描系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化可以實現(xiàn)對激光束腰尺寸(聚焦光斑的直徑)和束腰確切位置的精密控制。一個激光掃描系統(tǒng)根據(jù)功能,一般將會結(jié)合一片或兩片掃描反射鏡。例如,在單片反射鏡的系統(tǒng)中,該反射鏡將被放置于平場聚焦透鏡的入瞳處。在一個雙反射鏡系統(tǒng)中,平場聚焦透鏡的入瞳則位于兩片反射鏡之間。為了實現(xiàn)平場聚焦透鏡的最佳性能,反射鏡的間隔應(yīng)該最小。
掃描透鏡特征
選擇平場聚焦透鏡需要考慮的一些最重要的因素有工作波長、光斑尺寸和掃描長直徑(SFD)。用戶可以通過這些參數(shù)在掃描系統(tǒng)中設(shè)置更多的限制,比如入射光束直徑、掃描反射鏡偏移、反射鏡安裝和反射鏡位置。
圖2 -場曲和F-Theta畸變
掃描場直徑(SFD),或掃描長度,是指在像平面中光束由透鏡聚焦所在方形區(qū)域的對角線長度。該規(guī)格可以幫助定義偏移(沿著焦距方向)。輸出掃描角(OSA)為輸出激光光束在它通過掃描透鏡后與像平面法線的夾角。盡管對于掃描或雕刻系統(tǒng)而言O(shè)SA的變化都不會大幅度地影響動力,OSA在整個像場范圍內(nèi)都是不同的。應(yīng)該注意的是,OSA對于遠(yuǎn)心透鏡而言總是為零。后焦距(BFL)為物理透鏡(外部玻璃元件)的頂端和近軸焦點之間的距離。后工作距(BWD)為透鏡外殼與近軸焦點之間的距離。
另外一個需要考慮的重要參數(shù)為場畸變和場曲。盡管平場聚焦透鏡通過精心設(shè)計后可以提供一個平面像面,但對于一個真實的透鏡而言,測量值很難達(dá)到理論值。實際應(yīng)用中總會出現(xiàn)一些畸變和場曲。圖2顯示了我們FTH100-1064平場聚焦透鏡的這些參數(shù),其焦距為100毫米,最大偏移角為28度。該圖顯示了毫米為單位的場曲,以及與掃描角存在函數(shù)關(guān)系的f-theta畸變,用百分比表示。一般地,在構(gòu)建掃描系統(tǒng)時,最好能將零場曲點設(shè)計到掃描范圍的中點,這樣可以在掃描過程中幫助限制場曲的程度。
總結(jié)
如前所述,激光系統(tǒng)的目標(biāo)是為必要的分辨率產(chǎn)生適當(dāng)?shù)墓獍叱叽?,并精確地將其定位在平面像面中的任意一點上。一般地,衍射極限掃描透鏡所產(chǎn)生光斑尺寸由下式確定
其中,光斑尺寸為光束直徑的1/e2,λ為激光波長,f為透鏡的有效焦距,A為入射光束直徑。C為常數(shù),與光瞳照明和輸入截斷的程度有關(guān)(對于高斯光束,當(dāng)入射光束在1/e2
直徑位置截斷時C=1.83)。
焦距也會影響掃描場的直徑,可以由下式表示
其中L為掃描場的對角線長度,θ為最大偏移角,單位為弧度,而f為透鏡的有效焦距。通過將θ最/大化,系統(tǒng)的焦距可以最小化。一般而言這是保持L所優(yōu)先考慮的方法,這是因為它將減小所需光學(xué)元件的尺寸,從而構(gòu)建一個更加緊湊、性價比更高的系統(tǒng)。此外,由掃描反射鏡電動機的不穩(wěn)定性所引起的f-theta畸變也會被減小,這是因為這些畸變與EFL是成比例的(更小的EFL引起更小的畸變)。