F-Theta透镜教程

F-Theta透镜教程

透镜经过设计可以在激光扫描或雕刻系统中实现最佳性能。这些透镜极其适合雕刻和标记系统、图像转移和材料处理等应用。对于激光扫描和雕刻系统中的很多应用，平面成像场可以实现优良的结果。一个球面透镜只能在圆形平面上成像(参看图1A)。平场聚焦透镜可以解决这个问题。然而，光束的偏移取决于有效焦距(f)和偏移角θ正切值的乘积[f × tan (θ)，请参看图1B]。

虽然这种非线性的偏移可以通过合适的软件算法进行说明，但理想的解决方案是产生一个线性偏移(即恒定的扫描速率)。平场聚焦透镜设计具有桶形畸变，产生的偏移大小与θ成线性关系(f*θ，参看图1C)。这种简单的对应关系不需要复杂的电子矫正，可以实现快速、相对廉价和小型化的扫描系统。

图1 - 扫描透镜

F-theta透镜可以解决许多与激光扫描相关的问题。此外，平场聚焦透镜的紧凑设计使用户可以减少用来实现平面像面的光学部件数量。这些透镜能够实现更紧密的光斑尺寸，这样就可以实现更高的扫描或印制分辨率，以及更高的雕刻或焊接密度。最重要的是，使用这些透镜时，光斑尺寸(分辨率和强度)在整个像平面上几乎都是恒定值。

扫描透镜装置

激光扫描系统经过优化可以实现对激光束腰尺寸(聚焦光斑的直径)和束腰确切位置的精密控制。一个激光扫描系统根据功能，一般将会结合一片或两片扫描反射镜。例如，在单片反射镜的系统中，该反射镜将被放置于平场聚焦透镜的入瞳处。在一个双反射镜系统中，平场聚焦透镜的入瞳则位于两片反射镜之间。为了实现平场聚焦透镜的最佳性能，反射镜的间隔应该最小。

扫描透镜特征

选择平场聚焦透镜需要考虑的一些最重要的因素有工作波长、光斑尺寸和扫描长直径(SFD)。用户可以通过这些参数在扫描系统中设置更多的限制，比如入射光束直径、扫描反射镜偏移、反射镜安装和反射镜位置。

图2 -场曲和F-Theta畸变

扫描场直径(SFD)，或扫描长度，是指在像平面中光束由透镜聚焦所在方形区域的对角线长度。该规格可以帮助定义偏移(沿着焦距方向)。输出扫描角(OSA)为输出激光光束在它通过扫描透镜后与像平面法线的夹角。尽管对于扫描或雕刻系统而言OSA的变化都不会大幅度地影响动力，OSA在整个像场范围内都是不同的。应该注意的是，OSA对于远心透镜而言总是为零。后焦距(BFL)为物理透镜(外部玻璃元件)的顶端和近轴焦点之间的距离。后工作距(BWD)为透镜外壳与近轴焦点之间的距离。

另外一个需要考虑的重要参数为场畸变和场曲。尽管平场聚焦透镜通过精心设计后可以提供一个平面像面，但对于一个真实的透镜而言，测量值很难达到理论值。实际应用中总会出现一些畸变和场曲。图2显示了我们FTH100-1064平场聚焦透镜的这些参数，其焦距为100毫米，最大偏移角为28度。该图显示了毫米为单位的场曲，以及与扫描角存在函数关系的f-theta畸变，用百分比表示。一般地，在构建扫描系统时，最好能将零场曲点设计到扫描范围的中点，这样可以在扫描过程中帮助限制场曲的程度。

总结

如前所述，激光系统的目标是为必要的分辨率产生适当的光斑尺寸，并精确地将其定位在平面像面中的任意一点上。一般地，衍射极限扫描透镜所产生光斑尺寸由下式确定

其中，光斑尺寸为光束直径的1/e2，λ为激光波长，f为透镜的有效焦距，A为入射光束直径。C为常数，与光瞳照明和输入截断的程度有关(对于高斯光束，当入射光束在1/e2
直径位置截断时C=1.83)。

焦距也会影响扫描场的直径，可以由下式表示

其中L为扫描场的对角线长度，θ为最大偏移角，单位为弧度，而f为透镜的有效焦距。通过将θ最/大化，系统的焦距可以最小化。一般而言这是保持L所优先考虑的方法，这是因为它将减小所需光学元件的尺寸，从而构建一个更加紧凑、性价比更高的系统。此外，由扫描反射镜电动机的不稳定性所引起的f-theta畸变也会被减小，这是因为这些畸变与EFL是成比例的(更小的EFL引起更小的畸变)。