Nota de aplicación de la lente de escaneo F-Theta

Autor: Neo – Ingeniero principal, Christopher Lee – Gerente de I+D

Ronar-Smith® Lentes de escaneo F-Theta están meticulosamente diseñados y fabricados para una amplia gama de aplicaciones láser. Con más de una década de experiencia en grado óptico y producción de recubrimientos, Ronar-SmithLas lentes de escaneo ® ofrecen uno de los mejores rendimientos ópticos del mercado. También ofrecemos servicios de personalización para los clientes en función de sus requisitos.

Nuestras lentes de escaneo F-Theta están optimizadas para procesos de materiales láser, específicamente para grabado, corte, soldadura y unión. Los lentes de escaneo están disponibles en configuraciones telecéntricas de longitud de onda de trabajo (series TSL-Q y TSL) y no telecéntricas (series SL-Q y SL). Para un sistema de visión que requiere una longitud de onda adicional, proporcionamos lentes de exploración acromáticas en configuraciones telecéntricas (serie TSLA) y no telecéntricas (serie SLA).

Principios de trabajo

Lente de escaneo F-Theta

Para la mayoría de las aplicaciones en procesos de materiales láser, se necesita un campo de imagen plano para obtener resultados de calidad. La óptica tradicional, como las lentes paraxiales, se enfoca solo en su plano esférico, lo que genera distorsiones, como la aberración esférica, mientras se toman imágenes en una superficie plana.

Las lentes que aplanan el campo resuelven los desafíos de la óptica orientada al campo esférico al crear un campo focal plano, pero a costa de inducir un comportamiento no lineal. El término de desplazamiento entre la distancia focal efectiva (𝑓) y el ángulo de desviación (𝜃) evita un movimiento uniforme (es decir, una velocidad de exploración constante) del espejo de exploración debido a esta no linealidad (𝑓 ∗ tan 𝜃). También da como resultado un campo de visión angular y provoca imprecisiones entre el aumento variable y las mediciones observadas por el sistema de visión. Para resolver esta falta de linealidad, las lentes F-theta están diseñadas y fabricadas para que el desplazamiento del haz sea independiente de la tangente del ángulo de desviación.

La lente F-theta proporciona la dependencia lineal entre 𝑓 y 𝜃, creando un desplazamiento lineal que es ideal para usar con escáneres (galvanómetro XY con espejos) que giran a una velocidad angular constante. La velocidad fija de los escáneres corresponde a una velocidad constante del punto focal en el campo focal plano, con poca o ninguna corrección de ruido electrónico requerida. Se elimina el complejo algoritmo del escáner para la compensación no lineal, lo que proporciona una solución precisa, segura y económica para los clientes.

Nuestras lentes de escaneo F-theta están diseñadas para una amplia gama de aplicaciones. Está disponible en una amplia longitud de onda, desde UV, VIS, NIR y CO2 Laser. También proporcionamos soluciones personalizadas para cualquier aplicación específica de longitud de onda.

Los lentes de exploración F-theta están sujetos a variaciones de tamaño de punto en la superficie plana, y el diagrama de tamaño de punto proporciona más información sobre la variación típica como resultado de los movimientos angulares de ambos espejos en el eje XY de un galvanómetro. Las variaciones del tamaño del punto también se pueden calcular utilizando la siguiente ecuación.

Lente de escaneo telecéntrica vs no telecéntrica

Ronar-SmithLas lentes de escaneo F-Theta® están diseñadas para satisfacer los amplios requisitos industriales de nuestros clientes. Cuando los procesos de material láser requieren un campo de visión constante sin dependencia entre el aumento de la lente y la profundidad, se recomienda una lente telecéntrica en el espacio del objeto. Para los procesos que tienen requisitos menos estrictos en cuanto a la calidad del acabado en el plano focal, una lente no telecéntrica es capaz de realizar el trabajo a satisfacción del cliente.

La telecentricidad describe el ángulo de incidencia del rayo láser entregado a la superficie del material durante el procesamiento láser. En general, el ángulo de incidencia para cada punto del plano focal es el mismo, mientras que las lentes no telecéntricas tienen ángulos de incidencia variables en diferentes puntos del mismo plano. El resultado final de la telecentricidad produce una distribución repetible y homogénea del tamaño del punto en el campo del espacio del objeto al tiempo que reduce los efectos del error de paralaje.

Lente de escaneo acromático

Ronar-SmithLa lente de escaneo acromática F-Theta® está diseñada para limitar la aberración esférica y cromática y para incorporar dos longitudes de onda diferentes (de trabajo y visible) en el mismo plano. Esto permite la transmisión de rayos láser específicos de longitud de onda durante los procesos de láser-material, al tiempo que se garantiza que las longitudes de onda visibles (retroalimentación) y del rayo láser coincidan temporal y espacialmente. Nuestra lente de escaneo acromática permite la visión artificial en procesos industriales para el control y la retroalimentación de la automatización, al tiempo que se garantiza que la calidad del producto no se vea comprometida.

Definiciones importantes:

Superficie de tope de apertura

F-Theta se usa generalmente en sistemas de escaneo láser. La longitud de onda de trabajo es una sola longitud de onda y la pieza de trabajo es un plano. La lente F-Theta pertenece a un gran campo de visión y un diseño de sistema relativo pequeño. Entonces, el diámetro del tope de apertura es igual al diámetro del rayo láser. En el sistema 2D Galvo Scanner, en realidad no hay pupila de apertura óptica.

Si solo se usa un espejo, el tope de apertura se encuentra en el espejo. Si se utilizan dos espejos, el tope de apertura se encuentra en el medio de los dos espejos y el haz estará sesgado. Por lo general, usarán dos galvanómetros y enfocarán el haz en un plano 2D.

En aplicaciones prácticas, no hay límite mecánico para crear ningún tipo de apertura en él. Al diseñar, colocarán la abertura en el medio de los dos espejos, como se muestra en la figura a continuación.

Ángulo de escaneo

Por lo general, la lente F-Theta tiene dos ángulos de escaneo, un ángulo de escaneo es un ángulo de escaneo óptico y otro es un ángulo de escaneo mecánico. El ángulo de escaneo óptico es el campo de visión de la lente, que determina la longitud diagonal del campo de escaneo máximo.

Las especificaciones de la lente F-Theta generalmente mencionan el ángulo de escaneo óptico, el diagrama es el siguiente:

El ángulo de escaneo mecánico está relacionado con el espejo de escaneo. Por lo general, es el ángulo de rotación de los dos espejos, lo que controla el rango de exploración desde dos direcciones. En el sistema Galvo Scanner, las especificaciones del escáner se refieren al ángulo de escaneo mecánico del espejo.

El diagrama esquemático es el siguiente:

Utilizamos dos espejos de escaneo mecánicos como ángulo X del espejo y ángulo Y del espejo, respectivamente. La relación entre ellos y el ángulo de escaneo óptico es: (ángulo X del espejo)² + (ángulo Y del espejo)² = (ángulo de escaneo óptico/2)²

Reflexión de espalda

El efecto fantasma del reflejo posterior es el reflejo de la superficie de la lente de escaneo. Los puntos de enfoque reflejados aparecen en diferentes posiciones. Cuando se utiliza un láser pulsado de picosegundos o femtosegundos, el punto de enfoque reflejado puede dañar fácilmente el revestimiento o el material de la lente en la superficie de la lente.

Este es un desafío para el diseñador. En la optimización, el diseñador no solo debe considerar el rendimiento del diseño, sino también evitar el punto de enfoque de reflexión en la lente.

Lente de escaneo ultravioleta: procesamiento láser de precisión de área grande

Los láseres UV a 355 nm son ventajosos como herramientas de micromecanizado. La luz en esta longitud de onda interactúa con los materiales principalmente a través de la fotoablación, a través de la cual los fotones de alta energía rompen los enlaces moleculares, lo que da como resultado un corte limpio con efectos disruptivos mínimos en el material circundante. Para aplicaciones que van desde la microelectrónica hasta la producción de equipos médicos, los láseres UV de estado sólido ofrecen una gran versatilidad a bajos costos operativos para la industria del micromecanizado. La demanda de un rango de escaneo de área grande y un diseño de sistema óptico simplificado para el procesamiento láser y los haces de inspección visual presentan nuevos desafíos para un componente crítico en un sistema láser, a saber, la lente de escaneo.

Principio de la operación

Las dos categorías principales de diseño de lentes de escaneo incluyen lentes de escaneo F-Theta telecéntricas y no telecéntricas. La lente de exploración telecéntrica F-Theta es un tipo especial de sistema de lentes mediante el cual el rayo láser fuera del eje desviado puede enfocarse perpendicularmente sobre la pieza de trabajo como el rayo de enfoque en el eje. La ventaja de la lente de escaneo telecéntrica es que puede aplanar la curvatura del campo para que se distorsione lo menos posible mientras ofrece una excelente calidad de punto en todo el campo de escaneo. El concepto de diseño general se muestra en la Figura 11.

Cuando se integra un sistema de visión en un sistema de mecanizado láser, nuestras lentes de escaneo telecéntricas acromáticas se corrigen en color entre las longitudes de onda de trabajo y de visión. La lente de escaneo telecéntrica acromática ofrece los mismos beneficios que la lente telecéntrica normal al tiempo que proporciona un posicionamiento de visión preciso. El esquema de diseño se muestra en la Figura 12.

Las especificaciones clave de la lente de escaneo UV se enumeran a continuación. En comparación con productos similares en el mercado, ofrecemos un área de escaneo más grande y un diseño flexible de rendimiento acromático. Para fuentes láser ultrarrápidas y de alta potencia, ofrecemos una serie Q especial para minimizar la lente térmica y el cambio focal.

Aplicaciones

La gran área de escaneo es ventajosa para el procesamiento láser de precisión de alto rendimiento. Esto es esencial cuando la electrónica de visualización requiere una fabricación de alta velocidad; por ejemplo, el despegue láser en procesos OLED flexibles y de gran superficie. Estos lentes de escaneo pueden funcionar en conjunto con nuestro diseño personalizado de expansores de haz (consulte la nota de aplicación WOE de Versatile Beam Expansion, de sintonizable a automatización) y el nuevo diseño de formadores de haz (consulte la nota de aplicación WOE de Beam Shapers, que da forma al haz desde DUV a MIR).