F-Theta透鏡教程

透鏡經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可以在激光掃描或雕刻系統(tǒng)中實(shí)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(duì)于激光掃描和雕刻系統(tǒng)中的很多應(yīng)用，平面成像場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的結(jié)果。一個(gè)球面透鏡只能在圓形平面上成像(參看圖1A)。平場(chǎng)聚焦透鏡可以解決這個(gè)問(wèn)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(qǐng)參看圖1B]。

雖然這種非線性的偏移可以通過(guò)合適的軟件算法進(jìn)行說(shuō)明，但理想的解決方案是產(chǎn)生一個(gè)線性偏移(即恒定的掃描速率)。平場(chǎng)聚焦透鏡設(shè)計(jì)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(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系不需要復(fù)雜的電子矯正，可以實(shí)現(xiàn)快速、相對(duì)廉價(jià)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(wèn)題。此外，平場(chǎng)聚焦透鏡的緊湊設(shè)計(jì)使用戶可以減少用來(lái)實(shí)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(shí)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(shí)，光斑尺寸(分辨率和強(qiáng)度)在整個(gè)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(guò)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)激光掃描系統(tǒng)根據(jù)功能，一般將會(huì)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(chǎng)聚焦透鏡的入瞳處。在一個(gè)雙反射鏡系統(tǒng)中，平場(chǎng)聚焦透鏡的入瞳則位于兩片反射鏡之間。為了實(shí)現(xiàn)平場(chǎng)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(chǎng)聚焦透鏡需要考慮的一些最重要的因素有工作波長(zhǎng)、光斑尺寸和掃描長(zhǎng)直徑(SFD)。用戶可以通過(guò)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(chǎng)曲和F-Theta畸變

掃描場(chǎng)直徑(SFD)，或掃描長(zhǎng)度，是指在像平面中光束由透鏡聚焦所在方形區(qū)域的對(duì)角線長(zhǎng)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(guò)掃描透鏡后與像平面法線的夾角。盡管對(duì)于掃描或雕刻系統(tǒng)而言O(shè)SA的變化都不會(huì)大幅度地影響動(dòng)力，OSA在整個(gè)像場(chǎng)范圍內(nèi)都是不同的。應(yīng)該注意的是，OSA對(duì)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(diǎn)之間的距離。后工作距(BWD)為透鏡外殼與近軸焦點(diǎn)之間的距離。

另外一個(gè)需要考慮的重要參數(shù)為場(chǎng)畸變和場(chǎng)曲。盡管平場(chǎng)聚焦透鏡通過(guò)精心設(shè)計(jì)后可以提供一個(gè)平面像面，但對(duì)于一個(gè)真實(shí)的透鏡而言，測(cè)量值很難達(dá)到理論值。實(shí)際應(yīng)用中總會(huì)出現(xiàn)一些畸變和場(chǎng)曲。圖2顯示了我們FTH100-1064平場(chǎng)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(chǎng)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(shí)，最好能將零場(chǎng)曲點(diǎn)設(shè)計(jì)到掃描范圍的中點(diǎn)，這樣可以在掃描過(guò)程中幫助限制場(chǎng)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(diǎn)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(zhǎng)，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?cái)嗟某潭扔嘘P(guān)(對(duì)于高斯光束，當(dāng)入射光束在1/e2
直徑位置截?cái)鄷r(shí)C=1.83)。

焦距也會(huì)影響掃描場(chǎng)的直徑，可以由下式表示

其中L為掃描場(chǎng)的對(duì)角線長(zhǎng)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(guò)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?yàn)樗鼘p小所需光學(xué)元件的尺寸，從而構(gòu)建一個(gè)更加緊湊、性價(jià)比更高的系統(tǒng)。此外，由掃描反射鏡電動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定性所引起的f-theta畸變也會(huì)被減小，這是因?yàn)檫@些畸變與EFL是成比例的(更小的EFL引起更小的畸變)。