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系統中實現最佳性能。這些透鏡極其適合雕刻和標記系統、圖像轉移和材料處理等應用。對于激光掃描和雕刻系統中的很多應用，平面成像場可以實現優良的結果。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生一個線性偏移(即恒定的掃描速率)。平場聚焦透鏡設計具有桶形畸變，產生的偏移大小與θ成線性關系(f*θ，參看圖1C)。這種簡單的對應關系不需要復雜的電子矯正，可以實現快速、相對廉價和小型化的掃描系統。

圖1 - 掃描透鏡

F-theta透鏡可以解決許多與激光掃描相關的問題。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面像面的光學部件數量。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

激光掃描系統經過優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制。一個激光掃描系統根據功能，一般將會結合一片或兩片掃描反射鏡。例如，在單片反射鏡的系統中，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中，平場聚焦透鏡的入瞳則位于兩片反射鏡之間。為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系統中設置更多的限制，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域的對角線長度。該規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而言OSA的變化都不會大幅度地影響動力，OSA在整個像場范圍內都是不同的。應該注意的是，OSA對于遠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為場畸變和場曲。盡管平場聚焦透鏡通過精心設計后可以提供一個平面像面，但對于一個真實的透鏡而言，測量值很難達到理論值。實際應用中總會出現一些畸變和場曲。圖2顯示了我們FTH100-1064平場聚焦透鏡的這些參數，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關系的f-theta畸變，用百分比表示。一般地，在構建掃描系統時，最好能將零場曲點設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

如前所述，激光系統的目標是為必要的分辨率產生適當的光斑尺寸，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，與光瞳照明和輸入截斷的程度有關(對于高斯光束，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，系統的焦距可以最小化。一般而言這是保持L所優先考慮的方法，這是因為它將減小所需光學元件的尺寸，從而構建一個更加緊湊、性價比更高的系統。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)。