Anwendungshinweis für F-Theta-Scanobjektive

Autor: Neo – Hauptingenieur, Christopher Lee – F&E-Manager

Ronar-Smith® F-Theta Scanobjektive sind sorgfältig entworfen und gefertigt für eine breite Palette von Laseranwendungen. Mit über einem Jahrzehnt Erfahrung in der Herstellung optischer Qualitäten und Beschichtungen, Ronar-Smith® Scanobjektive bieten einige der weltweit besten optischen Leistungen auf dem Markt. Wir bieten auch Anpassungsdienste für Kunden basierend auf ihren Anforderungen.

Unsere F-Theta-Scan-Objektive sind für Laser-Materialprozesse optimiert, insbesondere für das Gravieren, Schneiden, Schweißen und Kleben. Die Scanobjektive sind in telezentrischen (TSL-Q- und TSL-Serien) und nicht-telezentrischen (SL-Q- und SL-Serien) Konfigurationen mit Arbeitswellenlänge erhältlich. Für ein Bildverarbeitungssystem, das eine zusätzliche Wellenlänge erfordert, bieten wir achromatische Scanobjektive in telezentrischer (TSLA-Serie) und nicht-telezentrischer (SLA-Serie) Konfiguration an.

Arbeitsgrundsätze

F-Theta Scan-Objektiv

Für die meisten Anwendungen in Lasermaterialprozessen ist ein planares Abbildungsfeld für eine qualitativ hochwertige Ausgabe erforderlich. Herkömmliche Optiken wie paraxiale Linsen konzentrieren sich nur auf ihre sphärische Ebene, was zu Verzerrungen wie sphärischen Aberrationen führt, wenn sie auf einer ebenen Oberfläche abgebildet werden.

Bildfeldebnungslinsen lösen die Herausforderungen der kugelfeldorientierten Optik, indem sie ein flaches Brennfeld erzeugen, jedoch auf Kosten eines nichtlinearen Verhaltens. Der Verschiebungsterm zwischen effektiver Brennweite (𝑓) und Ablenkwinkel (𝜃) verhindert aufgrund dieser Nichtlinearität (𝑓 ∗ tan 𝜃) eine gleichmäßige Bewegung (dh konstante Scanrate) des Scanspiegels. Es führt auch zu einem Winkelsichtfeld und verursacht Ungenauigkeiten zwischen unterschiedlicher Vergrößerung und beobachteten Messungen durch das Sichtsystem. Um diese Nichtlinearität zu beheben, sind F-Theta-Linsen so konzipiert und konstruiert, dass die Strahlverschiebung unabhängig von der Tangente des Ablenkwinkels ist.

Die F-Theta-Linse liefert die lineare Abhängigkeit zwischen 𝑓 und 𝜃 und erzeugt eine lineare Verschiebung, die ideal für die Verwendung mit Scannern (XY-Galvanometer mit Spiegeln) ist, die sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehen. Die feste Geschwindigkeit der Scanner entspricht einer konstanten Geschwindigkeit des Fokuspunkts auf dem flachen Fokusfeld, wobei wenig bis gar keine elektronische Rauschkorrektur erforderlich ist. Der komplexe Abtastalgorithmus für die nichtlineare Kompensation wird eliminiert, wodurch den Kunden eine genaue, sichere und kostengünstige Lösung geboten wird.

Unsere F-Theta-Scan-Objektive sind für eine Vielzahl von Anwendungen konzipiert. Es ist über einen breiten Wellenlängenbereich verfügbar, der von UV-, VIS-, NIR- und CO2-Lasern reicht. Wir bieten auch kundenspezifische Lösungen für alle wellenlängenspezifischen Anwendungen.

F-Theta-Scan-Linsen unterliegen Schwankungen der Punktgröße auf der planaren Oberfläche, und das Diagramm der Punktgröße liefert weitere Informationen über die typische Variation als Ergebnis der Winkelbewegungen beider Spiegel auf der XY-Achse eines Galvanometers. Die Schwankungen der Punktgröße können auch unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden.

Telezentrisches vs. nicht-telezentrisches Scan-Objektiv

Ronar-Smith® F-Theta Scan-Objektive sind so konzipiert, dass sie die breiten industriellen Anforderungen unserer Kunden erfüllen. Wenn Lasermaterialbearbeitungen ein konstantes Sichtfeld ohne Abhängigkeit zwischen der Linsenvergrößerung und der Tiefe erfordern, wird ein objektraumtelezentrisches Objektiv empfohlen. Bei Prozessen, die weniger strenge Anforderungen an die Oberflächenqualität in der Brennebene haben, kann ein nicht-telezentrisches Objektiv die Arbeit zur Zufriedenheit des Kunden erledigen.

Telezentrie beschreibt den Einfallswinkel des Laserstrahls, der während der Laserbearbeitung auf die Oberfläche des Materials eingestrahlt wird. Im Allgemeinen ist der Einfallswinkel für jeden Punkt auf der Brennebene gleich, während nicht-telezentrische Objektive unterschiedliche Einfallswinkel an verschiedenen Punkten derselben Ebene haben. Das Endergebnis der Telezentrie erzeugt eine wiederholbare und homogene Punktgrößenverteilung auf dem Objektraumfeld, während die Auswirkungen von Parallaxenfehlern reduziert werden.

Achromatisches Scanobjektiv

Ronar-Smith® F-Theta Das achromatische Scanobjektiv wurde entwickelt, um die sphärische und chromatische Aberration zu begrenzen und zwei verschiedene Wellenlängen (Arbeits- und sichtbare Wellenlängen) auf dieselbe Ebene zu bringen. Dies ermöglicht die Übertragung wellenlängenspezifischer Laserstrahlen während der Lasermaterialbearbeitung und stellt gleichzeitig sicher, dass die Wellenlängen des sichtbaren (Feedback) und des Laserstrahls zeitlich und räumlich aufeinander abgestimmt sind. Unser achromatisches Scanobjektiv ermöglicht die maschinelle Bildverarbeitung in industriellen Prozessen zur Automatisierungssteuerung und -rückmeldung, während sichergestellt wird, dass die Produktqualität nicht beeinträchtigt wird.

Wichtige Definitionen:

Blendenstoppfläche

F-Theta wird normalerweise in Laserscansystemen verwendet. Die Arbeitswellenlänge ist eine einzelne Wellenlänge und das Werkstück ist eine Ebene. Das F-Theta-Objektiv gehört zu einem großen Sichtfeld und einem kleinen relativen Systemdesign. Dann ist der Blendendurchmesser gleich dem Laserstrahldurchmesser. Im 2D-Galvo-Scanner-System gibt es eigentlich keine Pupille mit optischer Blende.

Wird nur ein Spiegel verwendet, befindet sich die Aperturblende auf dem Spiegel. Wenn zwei Spiegel verwendet werden, befindet sich die Aperturblende in der Mitte der beiden Spiegel, und der Strahl wird schräg gestellt. Normalerweise verwenden sie zwei Galvanometer und fokussieren den Strahl auf eine 2D-Ebene.

In praktischen Anwendungen gibt es keine mechanische Grenze, um irgendeine Art von Öffnung darin zu erzeugen. Beim Entwerfen platzieren sie die Blende in der Mitte der beiden Spiegel, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Scanwinkel

Normalerweise hat das F-Theta-Objektiv zwei Abtastwinkel, ein Abtastwinkel ist ein optischer Abtastwinkel und ein anderer ist ein mechanischer Abtastwinkel. Der optische Scanwinkel ist das Sichtfeld des Objektivs, das die diagonale Länge des maximalen Scanfelds bestimmt.

Die Spezifikationen der F-Theta-Objektive erwähnen normalerweise den optischen Scanwinkel, das Diagramm sieht wie folgt aus:

Der mechanische Scanwinkel bezieht sich auf den Scanspiegel. In der Regel ist es der Drehwinkel der beiden Spiegel, der den Scanbereich aus zwei Richtungen steuert. Beim Galvo-Scanner-System beziehen sich die Spezifikationen des Scanners auf den mechanischen Scanwinkel des Spiegels.

Das schematische Diagramm ist wie folgt:

Wir verwenden zwei mechanische Abtastspiegel als Spiegel-X-Winkel bzw. Spiegel-Y-Winkel, dann ist die Beziehung zwischen ihnen und dem optischen Abtastwinkel: (Spiegel-X-Winkel)2 + (Spiegel-Y-Winkel)2 = (optischer Abtastwinkel/2)2

Rückreflexion

Geisterbilder der Rückreflexion sind Oberflächenreflexionen von der Abtastlinse. Die reflektierten Fokuspunkte erscheinen an unterschiedlichen Positionen. Bei Verwendung eines gepulsten Pikosekunden- oder Femtosekundenlasers kann der reflektierte Fokuspunkt leicht die Beschichtung oder das Linsenmaterial auf der Linsenoberfläche beschädigen.

Das ist eine Herausforderung für den Designer. Bei der Optimierung muss der Designer nicht nur die Leistung des Designs berücksichtigen, sondern auch den Reflexionsfokuspunkt auf der Linse vermeiden.

Ultraviolett-Scan-Linse: Großflächige Präzisions-Laserbearbeitung

Als Mikrobearbeitungswerkzeuge sind UV-Laser bei 355 nm vorteilhaft. Licht dieser Wellenlänge interagiert mit Materialien hauptsächlich durch Photoablation, durch die hochenergetische Photonen molekulare Bindungen aufbrechen, was zu einem sauberen Schnitt mit minimalen störenden Auswirkungen auf das umgebende Material führt. Für Anwendungen, die von der Mikroelektronik bis zur Herstellung medizinischer Geräte reichen, bieten Festkörper-UV-Laser eine hohe Vielseitigkeit bei niedrigen Betriebskosten für die Mikrobearbeitungsindustrie. Die Nachfrage nach einem großen Abtastbereich und einem vereinfachten optischen Systemdesign sowohl für Laserbearbeitungs- als auch Sichtprüfstrahlen stellen neue Herausforderungen für eine kritische Komponente in einem Lasersystem dar, nämlich die Abtastlinse.

Funktionsprinzip

Die beiden Hauptdesignkategorien von Scan-Objektiven umfassen telezentrische und nicht-telezentrische F-Theta-Scan-Objektive. Das telezentrische F-Theta-Scan-Objektiv ist ein spezielles Linsensystem, bei dem der abgelenkte außeraxiale Laserstrahl wie der axiale Fokussierstrahl senkrecht auf das Werkstück fokussiert werden kann. Der Vorteil des telezentrischen Scanobjektivs besteht darin, dass es die Feldkrümmung so glätten kann, dass sie am wenigsten verzerrt wird, während es im gesamten Scanfeld eine hervorragende Punktqualität bietet. Das Gesamtdesignkonzept ist in Abbildung 1 dargestellt.

Wenn ein Bildverarbeitungssystem in ein Laserbearbeitungssystem integriert wird, werden unsere achromatischen telezentrischen Scanobjektive zwischen Arbeits- und Bildwellenlänge farbkorrigiert. Das achromatische telezentrische Scanobjektiv bietet die gleichen Vorteile wie das normale telezentrische Objektiv und bietet gleichzeitig eine genaue Sichtpositionierung. Das Designlayout ist in Abbildung 2 dargestellt.

Die wichtigsten Spezifikationen des UV-Scan-Objektivs sind unten aufgeführt. Im Vergleich zu ähnlichen Produkten auf dem Markt bieten wir einen größeren Scanbereich und ein flexibles Design der achromatischen Leistung. Für Hochleistungslaser und ultraschnelle Laserquellen bieten wir eine spezielle Q-Serie an, um thermische Linsenbildung und Fokusverschiebung zu minimieren.

Anwendungen

Der große Abtastbereich ist vorteilhaft für eine Präzisions-Laserbearbeitung mit hohem Durchsatz. Dies ist wichtig, wenn die Anzeigeelektronik eine Hochgeschwindigkeitsfertigung erfordert; zB das Laser-Lift-Off in flexiblen und großflächigen OLED-Prozessen. Diese Abtastlinsen können in Verbindung mit unserem kundenspezifischen Design von Strahlaufweitern (siehe WOE-Anwendungshinweis zu vielseitiger Strahlaufweitung – von abstimmbar bis automatisiert) und neuem Design von Strahlformern (siehe WOE-Anwendungshinweis zu Strahlformern – Formung des Strahls) verwendet werden DUV nach MIR).

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