Бележка за приложението на F-Theta сканиращ обектив

Автор: Нео – Основен инженер, Кристофър Лий – Р&Д мениджър

Ronar-Smith® F-Theta сканиращи лещи са щателно проектирани и изработени за широк спектър от лазерни приложения. С повече от десетилетие опит в производството на оптичен клас и покрития, Ronar-Smith® сканиращите лещи дават едни от най-добрите оптични характеристики в света на пазара. Ние също така предоставяме услуги за персонализиране за клиенти въз основа на техните изисквания.

Нашите сканиращи лещи F-Theta са оптимизирани за процеси с лазерни материали, по-специално за гравиране, рязане, заваряване и залепване. Сканиращите лещи се предлагат в телецентрични конфигурации с работна дължина на вълната (серии TSL-Q и TSL) и нетелецентрични (серии SL-Q и SL). За зрителна система, която изисква допълнителна дължина на вълната, ние предоставяме ахроматични сканиращи лещи в телецентрични (TSLA серия) и нетелецентрични (SLA серия) конфигурации.

Принципи на работа

Обектив за сканиране F-Theta

За повечето приложения в процесите на лазерни материали е необходимо плоско поле за изобразяване за качествен изход. Традиционната оптика като параксиалните лещи се фокусира само върху тяхната сферична равнина, което води до изкривявания като сферична аберация при изобразяване върху равнинна повърхност.

Лещите с изравняване на полето решават предизвикателствата на оптиката, ориентирана към сферично поле, като създават плоско фокусно поле, но с цената на предизвикване на нелинейно поведение. Терминът на изместване между ефективното фокусно разстояние (𝑓) и ъгъла на отклонение (𝜃) предотвратява равномерно движение (т.е. постоянна скорост на сканиране) на сканиращото огледало поради тази нелинейност (𝑓 ∗ tan 𝜃). Това също води до ъглово зрително поле и причинява неточности между променливото увеличение и наблюдаваните измервания от системата за зрение. За да се разреши тази нелинейност, F-тета лещите са проектирани и проектирани така, че изместването на лъча да бъде независимо от тангенса на ъгъла на отклонение.

F-тета лещата осигурява линейната зависимост между 𝑓 и 𝜃, създавайки линейно изместване, което е идеално за използване със скенери (XY галванометър с огледала), въртящи се с постоянна ъглова скорост. Фиксираната скорост на скенерите съответства на постоянна скорост на фокусната точка върху плоското фокусно поле, като се изисква малка или никаква електронна корекция на шума. Сложният алгоритъм на скенера за нелинейната компенсация е елиминиран, като по този начин се предоставя точно, безопасно и евтино решение за клиентите.

Нашите F-theta сканиращи лещи са проектирани за широк спектър от приложения. Предлага се за широка дължина на вълната, варираща от UV, VIS, NIR и CO2 лазер. Ние също така предоставяме персонализирани решения за всякакви приложения, специфични за дължина на вълната.

F-тета сканиращите лещи са обект на промени в размера на петна върху равнинната повърхност, а графиката на диаграмата на размера на петна предоставя повече информация за типичната вариация в резултат на ъгловите движения на двете огледала по оста XY на галванометър. Вариациите в размера на петна също могат да бъдат изчислени с помощта на следното уравнение.

Телецентричен срещу нетелецентричен сканиращ обектив

Ronar-Smith® F-Theta сканиращи лещи са проектирани да отговорят на широките индустриални изисквания на нашите клиенти. Когато процесите с лазерен материал изискват постоянно зрително поле без зависимост между увеличението на лещата и дълбочината, се препоръчва телецентрична леща за обектно пространство. За процеси, които имат по-малко строги изисквания към качеството на покритие във фокалната равнина, нетелецентричният обектив е в състояние да изпълни задачата така, че да удовлетвори клиентите.

Телецентричността описва ъгъла на падане на лазерния лъч, доставен към повърхността на материала по време на лазерна обработка. Като цяло, ъгълът на падане за всяка точка от фокалната равнина е един и същ, докато нетелецентричните лещи имат различни ъгли на падане върху различни точки от една и съща равнина. Крайният резултат от телецентричността създава повторяемо и хомогенно разпределение на размера на петна върху полето на пространството на обекта, като същевременно намалява ефектите от грешката на паралакса.

Ахроматична сканираща леща

Ronar-Smith® F-Theta ахроматична сканираща леща е проектирана да ограничава сферичната и хроматичната аберация и да въвежда две различни дължини на вълната (работна и видима) в една и съща равнина. Това позволява предаването на специфични за дължината на вълната лазерни лъчи по време на процеси с лазерен материал, като същевременно се гарантира, че видимата (обратна връзка) и дължината на вълната на лазерния лъч съвпадат във времето и пространството. Нашата ахроматична сканираща леща позволява машинно зрение в промишлени процеси за автоматизиран контрол и обратна връзка, като същевременно гарантира, че качеството на продукта не е компрометирано.

Важни дефиниции:

Повърхност за спиране на блендата

F-Theta обикновено се използва в системи за лазерно сканиране. Работната дължина на вълната е една дължина на вълната, а работният детайл е равнина. Обективът F-Theta принадлежи към голямо зрително поле и малък относителен дизайн на системата. Тогава диаметърът на ограничителя на блендата е равен на диаметъра на лазерния лъч. В системата 2D Galvo Scanner всъщност няма зеница с оптична апертура.

Ако се използва само едно огледало, ограничителят на блендата се намира на огледалото. Ако се използват две огледала, ограничителят на блендата се намира в средата на двете огледала и лъчът ще бъде изкривен. Обикновено те ще използват два галванометъра и ще фокусират лъча върху 2D равнина.

В практическите приложения няма механична граница, която да създаде какъвто и да е отвор в него. При проектирането те ще поставят отвора в средата на двете огледала, както е показано на фигурата по-долу.

Ъгъл на сканиране

Обикновено обективът F-Theta има два ъгъла на сканиране, един ъгъл на сканиране е оптичен ъгъл на сканиране, а друг е механичен ъгъл на сканиране. Оптичният ъгъл на сканиране е зрителното поле на обектива, което определя дължината на диагонала на максималното поле на сканиране.

Спецификациите на обектива F-Theta обикновено споменават оптичния ъгъл на сканиране, диаграмата е както следва:

Механичният ъгъл на сканиране е свързан със сканиращото огледало. Обикновено ъгълът на въртене на двете огледала контролира обхвата на сканиране от две посоки. В системата Galvo Scanner спецификациите на скенера се отнасят до механичния ъгъл на сканиране на огледалото.

Схематичната диаграма е както следва:

Използваме две механични сканиращи огледала съответно като ъгъл на огледалото X и ъгъл на огледалото Y, тогава връзката между тях и ъгъла на оптичното сканиране е: (ъгъл на огледалото X)2 + (ъгъл на огледалото Y)2 = (ъгъл на оптичното сканиране/2)2

Обратно отражение

Обратното отражение е отражението на повърхността от сканиращия обектив. Отразените точки за фокусиране се появяват на различни позиции. Когато използвате пикосекунден или фемтосекунден импулсен лазер, отразената фокусна точка може лесно да повреди покритието или материала на лещата върху повърхността на лещата.

Това е предизвикателство за дизайнера. При оптимизацията дизайнерът трябва не само да вземе предвид ефективността на дизайна, но също така да избягва фокусната точка на отражението върху лещата.

Обектив за ултравиолетово сканиране: прецизна лазерна обработка с голяма площ

UV лазерите при 355 nm са изгодни като инструменти за микрообработка. Светлината при тази дължина на вълната взаимодейства с материалите предимно чрез фотоаблация, чрез която високоенергийни фотони разрушават молекулярните връзки, което води до чисто изрязване с минимални разрушителни ефекти върху околния материал. За приложения, вариращи от микроелектроника до производство на медицинско оборудване, UV лазерите в твърдо състояние предлагат висока гъвкавост при ниски оперативни разходи за индустрията за микромашини. Търсенето на обхват на сканиране на голяма площ и опростеният дизайн на оптичната система както за лазерна обработка, така и за лъчи за визуална инспекция, представляват нови предизвикателства за критичен компонент в лазерна система, а именно сканиращата леща.

Принцип на работа

Двете основни дизайнерски категории сканиращи лещи включват телецентрични и нетелецентрични F-Theta сканиращи лещи. Телецентричната сканираща леща F-Theta е специален тип система от лещи, при която отклоненият извън аксиален лазерен лъч може да бъде перпендикулярно фокусиран върху детайла като аксиалния фокусиращ лъч. Предимството на телецентричния обектив за сканиране е, че той може да изравнява кривината на полето, за да бъде най-малко изкривено, като същевременно предлага превъзходно качество на място в цялото поле на сканиране. Цялостната концепция на дизайна е показана на фигура 11.

Когато система за зрение се интегрира в система за лазерна обработка, нашите ахроматични телецентрични лещи за сканиране се коригират по цвят между дължините на вълната за работа и зрението. Ахроматичният телецентричен обектив за сканиране предлага същите предимства като нормалния телецентричен обектив, като същевременно осигурява точно позициониране на зрението. Оформлението на дизайна е показано на фигура 12.

Основните спецификации на обектива за UV сканиране са изброени по-долу. В сравнение с подобни продукти на пазара, ние предлагаме по-голяма площ за сканиране и гъвкав дизайн на ахроматично изпълнение. За високомощни лазерни и свръхбързи лазерни източници ние предлагаме специална Q-серия за минимизиране на термичните лещи и изместването на фокуса.

Приложения

Голямата площ на сканиране е предимство за прецизна лазерна обработка с висока производителност. Това е от съществено значение, когато електрониката на дисплея изисква високоскоростно производство; например лазерното издигане при гъвкави OLED процеси с голяма площ. Тези сканиращи лещи могат да работят заедно с нашия персонализиран дизайн на разширители на лъч (вижте бележката за WOE приложение на Versatile Beam Expansion – от регулируемо до автоматизирано) и нов дизайн на устройства за оформяне на лъч (вижте бележката за WOE приложение на Beam Shapers – оформяне на лъча от DUV към MIR).