F-Theta 掃描透鏡應用說明

作者：Neo – 首席工程師，Christopher Lee – 研發經理

Ronar-Smith® F-Theta 掃描鏡頭 經過精心設計和製作，適用於廣泛的激光應用。 憑藉在光學級和鍍膜生產領域十多年的專業知識， Ronar-Smith® 掃描鏡頭具有世界上市場上最好的光學性能。 我們還根據客戶的要求為客戶提供定制服務。

我們的 F-Theta 掃描鏡頭針對激光材料工藝進行了優化，特別適用於雕刻、切割、焊接和粘合。 掃描鏡頭提供工作波長遠心（TSL-Q 和 TSL 系列）和非遠心（SL-Q 和 SL 系列）配置。 對於需要額外波長的視覺系統，我們提供遠心（TSLA 系列）和非遠心（SLA 系列）配置的消色差掃描鏡頭。

工作原則

F-Theta掃描鏡頭

對於激光材料工藝中的大多數應用，平面成像場是高質量輸出所必需的。 傳統的光學器件（如近軸透鏡）僅聚焦在它們的球面上，導致在平面上成像時出現球面像差等失真。

平場透鏡通過創建平坦的焦場解決了球面場定向光學的挑戰，但以引入非線性行為為代價。 由於這種非線性 (𝑓 ∗ tan 𝜃)，有效焦距 (𝑓) 和偏轉角 (𝜃) 之間的位移項阻止了掃描鏡的均勻移動（即恆定掃描速率）。 它還會導致角度視場，並導致視覺系統的不同放大倍率和觀察到的測量值之間不准確。 為了解決這種非線性，F-theta 透鏡的設計和製造使光束位移與偏轉角的正切無關。

F-theta 透鏡提供 𝑓 和 𝜃 之間的線性相關性，從而產生線性位移，非常適合與以恆定角速度旋轉的掃描儀（帶鏡子的 XY 檢流計）一起使用。 掃描儀的固定速度對應於平坦焦場上焦點的恆定速度，幾乎不需要電子噪聲校正。 消除了用於非線性補償的複雜掃描儀算法，從而為客戶提供了準確、安全且廉價的解決方案。

我們的 F-theta 掃描鏡頭專為廣泛的應用而設計。 它可用於寬波長范圍，包括 UV、VIS、NIR 和 CO2 激光。 我們還為任何特定波長的應用提供定制解決方案。

F-theta 掃描透鏡在平面上會發生光斑尺寸變化，光斑尺寸圖提供了有關兩個反射鏡在檢流計 XY 軸上的角度移動導致的典型變化的更多信息。 也可以使用以下等式計算光斑尺寸變化。

遠心與非遠心掃描鏡頭

Ronar-Smith® F-Theta 掃描鏡頭旨在滿足客戶廣泛的工業需求。當雷射材料加工需要恆定的視野且不依賴鏡頭放大倍率和深度時，建議使用物空間遠心鏡頭。對於對焦平面光潔度要求不太嚴格的工藝，非遠心鏡頭能夠使客戶滿意。

遠心度描述激光加工過程中傳遞到材料表面的激光束的入射角。 通常，焦平面上每個點的入射角都是相同的，而非遠心鏡頭在同一平面的不同點上具有不同的入射角。 遠心的最終結果是在物體空間場上產生可重複且均勻的光斑尺寸分佈，同時減少視差的影響。

消色差掃描鏡頭

Ronar-Smith® F-Theta 消色差掃描鏡頭旨在限制球差和色差，並將兩種不同的波長（工作波長和可見光）引入同一平面。這使得能夠在雷射材料加工過程中傳輸特定波長的雷射光束，同時確保可見光（反饋）和雷射光束波長在時間和空間上匹配。我們的消色差掃描鏡頭使機器視覺能夠在工業過程中實現自動化控制和回饋，同時確保產品品質不受影響。

重要定義：

孔徑光闌表面

F-Theta 通常用於激光掃描系統。 工作波長為單波長，工件為平面。 F-Theta鏡頭屬於大視場小相對系統設計。 則孔徑光闌直徑等於激光束直徑。 在二維振鏡系統中，實際上沒有光學孔徑光瞳。

如果只使用一面反射鏡，則孔徑光闌位於反射鏡上。 如果使用兩個反射鏡，孔徑光闌位於兩個反射鏡的中間，光束會發生傾斜。 通常，他們會使用兩個檢流計並將光束聚焦在二維平面上。

在實際應用中，沒有機械邊界可以在其中創建任何類型的孔徑。 設計時，他們會把光圈放在兩個鏡子的中間，如下圖所示。

掃描角度

通常，F-Theta鏡頭有兩個掃描角，一個掃描角是光學掃描角，另一個是機械掃描角。 光學掃描角是鏡頭的視場，它決定了最大掃描視場的對角線長度。

F-Theta鏡頭規格通常會提到光學掃描角度，示意圖如下：

機械掃描角度與掃描鏡有關。 通常是兩個反射鏡的旋轉角度，從兩個方向控制掃描範圍。 在 Galvo Scanner 系統中，掃描儀的規格是指反射鏡的機械掃描角度。

示意圖如下：

我們使用兩個機械掃描鏡，分別作為 X 鏡角度和 Y 鏡角度，則它們與光學掃描角度的關係為：（X 鏡角度）² +（Y 鏡角度）² =（光學掃描角度/2）²

背反射

背反射重影是掃描鏡頭的表面反射。 反射的焦點出現在不同的位置。 使用皮秒或飛秒脈衝激光時，反射的焦點很容易損壞鏡片表面的塗層或鏡片材料。

這對設計師來說是一個挑戰。 設計者在優化時，不僅要考慮設計的性能，還要避開鏡頭上的反射焦點。

紫外掃描透鏡：大面積精密激光加工

355nm 的紫外激光作為微加工工具具有優勢。 該波長的光主要通過光燒蝕與材料相互作用，高能光子通過光燒蝕破壞分子鍵，從而實現乾淨的切割，對周圍材料的破壞性影響最小。 對於從微電子到醫療設備生產的各種應用，固態紫外激光器以低運營成本為微加工行業提供高通用性。 對大面積掃描範圍的需求，以及激光加工和視覺檢測光束的簡化光學系統設計，對激光系統中的關鍵部件，即掃描鏡頭提出了新的挑戰。

工作原理

掃描鏡頭的兩個主要設計類別包括遠心和非遠心 F-Theta 掃描鏡頭。 遠心 F-Theta 掃描透鏡是一種特殊類型的透鏡系統，偏轉的離軸激光束可以像同軸聚焦光束一樣垂直聚焦到工件上。 遠心掃描鏡頭的優勢在於，它可以使場曲變平，使失真最小，同時在整個掃描場提供卓越的光斑質量。 總體設計理念如圖11所示。

當視覺系統被集成到激光加工系統中時，我們的消色差遠心掃描鏡頭會在工作波長和視覺波長之間進行顏色校正。 消色差遠心掃描鏡頭提供與普通遠心鏡頭相同的優勢，同時提供準確的視覺定位。 設計佈局如圖12所示。

下面列出了 UV 掃描鏡頭的主要規格。 與市場同類產品相比，我們提供更大的掃描區域和靈活的消色差性能設計。 對於高功率激光和超快激光源，我們提供特殊的 Q 系列，以最大限度地減少熱透鏡效應和焦移。

應用領域

大掃描區域有利於高吞吐量精密激光加工。 當顯示電子產品需要高速製造時，這是必不可少的； 例如，柔性和大面積 OLED 工藝中的激光剝離。 這些掃描透鏡可以與我們定制設計的擴束器（請參閱多功能光束擴展的 WOE 應用說明 - 從可調諧到自動化）和光束整形器的新設計（請參閱光束整形器的 WOE 應用說明 - 從DUV 到 MIR）。