F-Theta объективы

F-Theta объективы

F-Theta объективы разработаны специально для повышения точности лазерных сканирующих систем, а также систем лазерной гравировки. Данные объективы широко применяются при передаче изображений и обработке материалов. При лазерной гравировке, как и при лазерном сканировании, лучших результатов добиваются с применением визуализации в плоском поле. Сферические линзы строят изображения только в круговой плоскости (рис. 1А). Сканирующие объективы с плоским полем решают эту проблему, при этом смещение луча зависит от произведения эффективного фокусного расстояния f на тангенс угла отклонения θ (рис. 1B). Хотя нелинейное смещение может быть высчитано с помощью специальных алгоритмов программного обеспечения, оптимальным решением считается выработка линейного смещения, то есть постоянной скорости сканирования. Изображения, формируемые объективами F-Theta обладают бочкоообразным искажением и прямо пропорциональным к углу отклонения смещением (Рис. 1C). Эта особенность устраняет необходимость сложной электронной коррекции, таким образом появляется возможность создавать быструю, относительно недорогую и компактную систему сканирования.

Рисунок 1. Сканирующие объективы: А – сферическая линзы, В – объектив с плоским полем, С – F-Theta объектив

F-Theta объективы решают множество задач, связанных с лазерным сканированием. Кроме того, они благодаря своей конструкции снижают количество оптических компонентов в системе, где требуется плоское поле визуализации. Эти объективы позволяют формировать более точные размеры пятна, повышать разрешение при сканировании или печати, а также увеличивать интенсивность при гравировке или сварке. Важно отметить, что интенсивность и разрешение постоянны на всей плоскости изображения.

Установка сканирующих объективов

Лазерные сканирующие системы оптимизированы для тщательного контроля диаметра фокального пятна лазерного пучка и точного позиционирования. В основном лазерные сканирующие системы оснащены одним или двумя сканирующими зеркалами, в зависимости от типа установки. Например, в однозеркальной системе зеркало должен располагаться на входном зрачке F-Theta объектива. В системе с парой зеркал входной зрачок F-Theta объектива должен располагаться между двумя зеркалами. Наилучшая производительность F-Theta объектива достигается путем уменьшения расстояния между зеркалами.

Характеристики сканирующих объективов

При выборе F-Theta объективов необходимо обращать внимание на рабочую длину волны, размер пятна, а также на диаметр поля сканирования. Оптимальный подбор этих параметров позволит пользователю рассчитать рабочие величины сканирующей системы: диаметр входного пучка, отклонение сканирующего зеркала, положение зеркала и его положение.
 

Рисунок 2. Кривизна поля (%) и искажение F-Theta объектива (мм) в зависимости от угла отклонения (^о)

Диаметр поля сканирования (или длина сканирования) – длина диагонали квадратной области в плоскости изображения, где пучок может быть сфокусирован объективом. Эта особенность позволяет определить отклонение (по всему фокусному расстоянию). Выходной угол сканирования – угол между выходным пучком, прошедшим сканирующий объектив, и нормалью к плоскости визуализации. Выходной угол сканирования меняется по полю, однако его значение невелико. Следует отметить, что угол выходного сканирования всегда нулевой у телецентрических объективов. Обратное фокусное расстояние – расстояние от вершины линзы (физической) до параксиальной точки фокусировки. Обратное рабочее расстояние – расстояние от корпуса объектива до параксиальной точки фокусировки.

Другой важной особенностью объектива, на которую стоит обратить внимание, является кривизна поля. F-Theta объективы оптимальны для создания плоского поля визуализации, однако на практике необходимо учитывать погрешности, вносимые компонентами. На рис. 2 в качестве примеров показаны графики для F-Theta объектива Thorlabs FTH100-1064, фокусное расстояние которого равно 100 мм, а угол отклонения составляет 28^о. Из рисунка видно, что кривизна поля (мм) и искажение (%) представляют собой функцию угла сканирования. При конструировании сканирующих систем удобно размещать точку нулевой кривизны в середине диапазона сканирования, чтобы снизить погрешности при дальнейшей работе.

Сводные данные

Как было отмечено ранее, цель лазерной системы – создание подходящего размера пятна, с помощью которого достигается нужное разрешение и точное позиционирование по всему полю изображения. Для сканирующих объективов размер пятна дифракционно-ограниченного на уровне интенсивности 1/e² рассчитывается в соответствии с соотношением:

        (1)

где λ – длина волны лазерного источника, f – эффективное фокусное расстояние объектива, A – диаметр входного пучка, C – некоторая константа, вычисляемая как отношение степени освещения зрачка к усечению пучка на входе (для гауссовых пучков C = 1.83, когда входной пучок усекается по уровню 1/e²).

Фокусное расстояние также влияет на диаметр поля сканирования, который рассчитывается по формуле:

        (2)

где L – диагональ квадратной области поля сканирования, θ – наибольший угол отклонения в радианах, f – эффективное фокусное расстояние объектива.

С увеличением угла отклонения, фокусное расстояние системы уменьшается. Это наиболее распространенный подход к поддержанию длины сканирования, поскольку он предоставляет возможность уменьшить размеры оптических компонентов, что в свою очередь позволяет работать с более компактной и экономически эффективной системой. Кроме того, искажения, вызванные нестабильностью двигающихся сканирующих зеркал, будут снижены, поскольку эти искажения регулируются фокусным расстоянием (меньшее фокусное расстояние снижает искажения).

© Thorlabs Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ