F-Theta 扫描透镜应用说明

作者：Neo – 首席工程师，Christopher Lee – 研发经理

Ronar-Smith® F-Theta 扫描镜头 经过精心设计和制作，适用于广泛的激光应用。 凭借在光学级和镀膜生产领域十多年的专业知识， Ronar-Smith® 扫描镜头具有世界上市场上最好的光学性能。 我们还根据客户的要求为客户提供定制服务。

我们的 F-Theta 扫描镜头针对激光材料工艺进行了优化，特别适用于雕刻、切割、焊接和粘合。 扫描镜头提供工作波长远心（TSL-Q 和 TSL 系列）和非远心（SL-Q 和 SL 系列）配置。 对于需要额外波长的视觉系统，我们提供远心（TSLA 系列）和非远心（SLA 系列）配置的消色差扫描镜头。

工作原则

F-Theta 扫描镜头

对于激光材料工艺中的大多数应用，平面成像场是高质量输出所必需的。 传统的光学器件（如近轴透镜）仅聚焦在它们的球面上，导致在平面上成像时出现球面像差等失真。

平场透镜通过创建平坦的焦场解决了球面场定向光学的挑战，但以引入非线性行为为代价。 由于这种非线性 (𝑓 ∗ tan 𝜃)，有效焦距 (𝑓) 和偏转角 (𝜃) 之间的位移项阻止了扫描镜的均匀移动（即恒定扫描速率）。 它还会导致角度视野，并导致视觉系统的不同放大倍率和观察到的测量值之间不准确。 为了解决这种非线性，F-theta 透镜的设计和制造使光束位移与偏转角的正切无关。

F-theta 透镜提供 𝑓 和 𝜃 之间的线性相关性，从而产生线性位移，非常适合与以恒定角速度旋转的扫描仪（带镜子的 XY 检流计）一起使用。 扫描仪的固定速度对应于平坦焦场上焦点的恒定速度，几乎不需要电子噪声校正。 消除了用于非线性补偿的复杂扫描仪算法，从而为客户提供了准确、安全且廉价的解决方案。

我们的 F-theta 扫描镜头专为广泛的应用而设计。 它可用于宽波长范围，包括 UV、VIS、NIR 和 CO2 激光。 我们还为任何特定波长的应用提供定制解决方案。

F-theta 扫描透镜在平面上会发生光斑尺寸变化，光斑尺寸图提供了有关两个反射镜在检流计 XY 轴上的角度移动导致的典型变化的更多信息。 也可以使用以下等式计算光斑尺寸变化。

远心与非远心扫描镜头

Ronar-Smith® F-Theta 扫描镜头旨在满足我们客户广泛的工业需求。当激光材料加工需要恒定的视野且镜头放大倍数和深度之间没有依赖性时，建议使用物方远心镜头。对于对焦平面光洁度要求较低的加工，非远心镜头能够让客户满意地完成工作。

远心度描述激光加工过程中传递到材料表面的激光束的入射角。 通常，焦平面上每个点的入射角都是相同的，而非远心镜头在同一平面的不同点上具有不同的入射角。 远心的最终结果是在物体空间场上产生可重复且均匀的光斑尺寸分布，同时减少视差的影响。

消色差扫描镜头

Ronar-Smith® F-Theta 消色差扫描镜头旨在限制球面像差和色差，并将两种不同的波长（工作波长和可见波长）引入同一平面。这使得特定波长的激光束能够在激光材料加工过程中传输，同时确保可见光（反馈）和激光束波长在时间和空间上匹配。我们的消色差扫描镜头可在工业过程中实现机器视觉，实现自动化控制和反馈，同时确保产品质量不受影响。

重要定义：

孔径光阑表面

F-Theta 通常用于激光扫描系统。 工作波长为单波长，工件为平面。 F-Theta镜头属于大视场小相对系统设计。 则孔径光阑直径等于激光束直径。 在 2D Galvo Scanner 系统中，实际上没有光学孔径光瞳。

如果只使用一面反射镜，则孔径光阑位于反射镜上。 如果使用两个反射镜，孔径光阑位于两个反射镜的中间，光束会发生倾斜。 通常，他们会使用两个检流计并将光束聚焦在二维平面上。

在实际应用中，没有机械边界可以在其中创建任何类型的孔径。 设计时，他们会把光圈放在两个镜子的中间，如下图所示。

扫描角度

通常，F-Theta镜头有两个扫描角，一个扫描角是光学扫描角，另一个是机械扫描角。 光学扫描角是镜头的视场，它决定了最大扫描视场的对角线长度。

F-Theta镜头规格通常会提到光学扫描角度，示意图如下：

机械扫描角度与扫描镜有关。 通常是两个反射镜的旋转角度，从两个方向控制扫描范围。 在 Galvo Scanner 系统中，扫描仪的规格是指反射镜的机械扫描角度。

示意图如下：

我们使用两个机械扫描镜，分别作为 X 镜角度和 Y 镜角度，则它们与光学扫描角度的关系为：（X 镜角度）² +（Y 镜角度）² =（光学扫描角度/2）²

背反射

背反射重影是扫描镜头的表面反射。 反射的焦点出现在不同的位置。 使用皮秒或飞秒脉冲激光时，反射的焦点很容易损坏镜片表面的涂层或镜片材料。

这对设计师来说是一个挑战。 设计者在优化时，不仅要考虑设计的性能，还要避开镜头上的反射焦点。

紫外扫描透镜：大面积精密激光加工

355nm 的紫外激光作为微加工工具具有优势。 该波长的光主要通过光烧蚀与材料相互作用，高能光子通过光烧蚀破坏分子键，从而实现干净的切割，对周围材料的破坏性影响最小。 对于从微电子到医疗设备生产的各种应用，固态紫外激光器以低运营成本为微加工行业提供高通用性。 对大面积扫描范围的需求，以及激光加工和视觉检测光束的简化光学系统设计，对激光系统中的关键部件，即扫描镜头提出了新的挑战。

工作原理

扫描镜头的两个主要设计类别包括远心和非远心 F-Theta 扫描镜头。 远心 F-Theta 扫描透镜是一种特殊类型的透镜系统，偏转的离轴激光束可以像同轴聚焦光束一样垂直聚焦到工件上。 远心扫描镜头的优势在于，它可以使场曲变平，使失真最小，同时在整个扫描场提供卓越的光斑质量。 总体设计理念如图11所示。

当视觉系统被集成到激光加工系统中时，我们的消色差远心扫描镜头会在工作波长和视觉波长之间进行颜色校正。 消色差远心扫描镜头提供与普通远心镜头相同的优势，同时提供准确的视觉定位。 设计布局如图12所示。

下面列出了 UV 扫描镜头的主要规格。 与市场同类产品相比，我们提供更大的扫描区域和灵活的消色差性能设计。 对于高功率激光和超快激光源，我们提供特殊的 Q 系列，以最大限度地减少热透镜效应和焦移。

应用

大扫描区域有利于高吞吐量精密激光加工。 当显示电子产品需要高速制造时，这是必不可少的； 例如，柔性和大面积 OLED 工艺中的激光剥离。 这些扫描透镜可以与我们定制设计的扩束器（请参阅多功能光束扩展的 WOE 应用说明 - 从可调谐到自动化）和光束整形器的新设计（请参阅光束整形器的 WOE 应用说明 - 从DUV 到 MIR）。