F-Theta透鏡教程

F-Theta透鏡教程

透鏡經過設計可以在激光掃描或雕刻係統中實現最佳性能。這些透鏡極其適合雕刻和標記係統、圖像轉移和材料處理等應用。對於(yu) 激光掃描和雕刻係統中的很多應用，平麵成像場可以實現優(you) 良的結果。一個(ge) 球麵透鏡隻能在圓形平麵上成像(參看圖1A)。平場聚焦透鏡可以解決(jue) 這個(ge) 問題。然而，光束的偏移取決(jue) 於(yu) 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(jue) 方案是產(chan) 生一個(ge) 線性偏移(即恒定的掃描速率)。平場聚焦透鏡設計具有桶形畸變，產(chan) 生的偏移大小與(yu) θ成線性關(guan) 係(f*θ，參看圖1C)。這種簡單的對應關(guan) 係不需要複雜的電子矯正，可以實現快速、相對廉價(jia) 和小型化的掃描係統。

圖1 - 掃描透鏡

F-theta透鏡可以解決(jue) 許多與(yu) 激光掃描相關(guan) 的問題。此外，平場聚焦透鏡的緊湊設計使用戶可以減少用來實現平麵像麵的光學部件數量。這些透鏡能夠實現更緊密的光斑尺寸，這樣就可以實現更高的掃描或印製分辨率，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(ge) 像平麵上幾乎都是恒定值。

掃描透鏡裝置

激光掃描係統經過優(you) 化可以實現對激光束腰尺寸(聚焦光斑的直徑)和束腰確切位置的精密控製。一個(ge) 激光掃描係統根據功能，一般將會(hui) 結合一片或兩(liang) 片掃描反射鏡。例如，在單片反射鏡的係統中，該反射鏡將被放置於(yu) 平場聚焦透鏡的入瞳處。在一個(ge) 雙反射鏡係統中，平場聚焦透鏡的入瞳則位於(yu) 兩(liang) 片反射鏡之間。為(wei) 了實現平場聚焦透鏡的最佳性能，反射鏡的間隔應該最小。

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在掃描係統中設置更多的限製，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，是指在像平麵中光束由透鏡聚焦所在方形區域的對角線長度。該規格可以幫助定義(yi) 偏移(沿著焦距方向)。輸出掃描角(OSA)為(wei) 輸出激光光束在它通過掃描透鏡後與(yu) 像平麵法線的夾角。盡管對於(yu) 掃描或雕刻係統而言OSA的變化都不會(hui) 大幅度地影響動力，OSA在整個(ge) 像場範圍內(nei) 都是不同的。應該注意的是，OSA對於(yu) 遠心透鏡而言總是為(wei) 零。後焦距(BFL)為(wei) 物理透鏡(外部玻璃元件)的頂端和近軸焦點之間的距離。後工作距(BWD)為(wei) 透鏡外殼與(yu) 近軸焦點之間的距離。

另外一個(ge) 需要考慮的重要參數為(wei) 場畸變和場曲。盡管平場聚焦透鏡通過精心設計後可以提供一個(ge) 平麵像麵，但對於(yu) 一個(ge) 真實的透鏡而言，測量值很難達到理論值。實際應用中總會(hui) 出現一些畸變和場曲。圖2顯示了我們(men) FTH100-1064平場聚焦透鏡的這些參數，其焦距為(wei) 100毫米，最大偏移角為(wei) 28度。該圖顯示了毫米為(wei) 單位的場曲，以及與(yu) 掃描角存在函數關(guan) 係的f-theta畸變，用百分比表示。一般地，在構建掃描係統時，最好能將零場曲點設計到掃描範圍的中點，這樣可以在掃描過程中幫助限製場曲的程度。

總結

如前所述，激光係統的目標是為(wei) 必要的分辨率產(chan) 生適當的光斑尺寸，並精確地將其定位在平麵像麵中的任意一點上。一般地，衍射極限掃描透鏡所產(chan) 生光斑尺寸由下式確定

其中，光斑尺寸為(wei) 光束直徑的1/e2，λ為(wei) 激光波長，f為(wei) 透鏡的有效焦距，A為(wei) 入射光束直徑。C為(wei) 常數，與(yu) 光瞳照明和輸入截斷的程度有關(guan) (對於(yu) 高斯光束，當入射光束在1/e2
直徑位置截斷時C=1.83)。

焦距也會(hui) 影響掃描場的直徑，可以由下式表示

其中L為(wei) 掃描場的對角線長度，θ為(wei) 最大偏移角，單位為(wei) 弧度，而f為(wei) 透鏡的有效焦距。通過將θ最/大化，係統的焦距可以最小化。一般而言這是保持L所優(you) 先考慮的方法，這是因為(wei) 它將減小所需雷竞技竞彩底金的尺寸，從(cong) 而構建一個(ge) 更加緊湊、性價(jia) 比更高的係統。此外，由掃描反射鏡電動機的不穩定性所引起的f-theta畸變也會(hui) 被減小，這是因為(wei) 這些畸變與(yu) EFL是成比例的(更小的EFL引起更小的畸變)。