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制造能力Manufacturing capacity
F-θ掃描透鏡原理
發布日期:2015-2-17   點擊次數:1708
F-θ掃描透鏡原理

     近年來,激光打標技術已成為激光加工的最大應用領域之一 ,并以其標記速度快,字跡清晰,防偽功能強,污染小等特點得到工業界的廣泛關注。目前國內主要使用振鏡掃描系統。激光束經擴束入射到兩個被電機控制的互相垂直的振鏡上,兩個振鏡可以分別在 和y方向掃描,實現激光束的偏轉。光束經f-theta透鏡聚焦于工作面上,同時光束入射角與像面上的光斑位置滿足線性關系,從而通過控制入射光束的掃描角來控制光斑在像面上的位置。

 f-θ透鏡與普通透鏡的區別

1、普通透鏡

如圖2-1所示,設透鏡的焦距為f,掃描角度為θ,普通透鏡如圖校正了畸變。

 

                       2-1  普通透鏡成像

其像高為:

                            (2-1)

將此式兩邊對時間t求導,那么有:

                    (2-2

由此可見,對以等角速度偏轉的入射光束在焦平面上的掃描速度不是線性的。

 

2、f-θ透鏡

透鏡而言,為得到一定的掃描速度,其像高必須為:

                                     (2-3

這樣,對時間t微分的結果為

                    (2-4

其中ω是掃描元件恒定的角速度,這樣要求透鏡要故意產生正畸變,當掃描角度θ增大時,實際像高比幾何光學確定的理想像高要小,是它的θ/ Tanθ倍,其線性畸變

                (2-5

其相對畸變量為

                                    (2-6

具有式(2-6)所給出的畸變像差量的透鏡,當入射光以等角速度偏轉入射時,在焦面上的掃描速度就是等速的,由于此透鏡的像高等于f  θ,故常簡稱為f-θ透鏡。

f-θ透鏡和普通透鏡的區別見圖1-2所示,圖1-2中比較f-θ透鏡和普通透鏡的Hθ之間的關系,隨著θ的增大,兩者之間的差別越來越明顯,在線性地保持掃描角度和掃描位置關系方面,f-θ透鏡起到了重要要作用。

 

2.2  f-θ透鏡的特點及成像特點

根據f-θ透鏡的基本性能,它有以下特點:

(1) 從結構看f-θ透鏡,光束偏轉點的位置,相當于普通透鏡系統的孔徑光闌中心,因此f-θ透鏡系統是孔徑光闌位于透鏡前方的非對稱型系統。

(2) 從掃描過程中看,將準直激光光束以不同的視場角進入入瞳、通過f-θ透鏡在象平面上的不同位置得到光點。這里反射鏡的有效轉角、相當于普通系統的視場角2ω。因此f-θ透鏡是一個相對口徑小而視場較大的光學系統。

(3) f-θ透鏡常常要求光板尺寸從邊緣到中心是一致的。由于口徑小,球差很容易較正。視場角大,對象散和場曲有較高的相差校正要求。

(4) 一般情況下,作為單一激光光源的掃描系統,只有單色象差,而無色差。這對光學材料的選擇帶來方便。要求同時適應多種激光光源系統、必須校正色差。

(5) 為滿足線性掃描的要求,必須使系統產生一定的畸變。使y=k tg θ變y=k θ為相對畸變量為:

 

 (6)用于激光光束傳播的激光光束,與一般光束的傳播規律不相同,必須考慮高斯光束在光學系統中傳播的特性。7)般光學系統中,像高y與θ視場角成非線性的正切關系,即

兩邊微分可得

                        (2-10)

 

從式(2-10) 易見,像點間隔Δy除與Δθ有關外,還與θ角余弦值有關,因此相等時間間隔Δt和相同的角度間隔Δθ,將產生不的空間間隔Δy,這樣就會使記錄信息產生失真。為保證f-θ。透鏡的像高y與掃描視場角θ之間成線性關系,就必須使鏡頭本身產生一定的桶形畸變:

 

把θ對應的實際像點高度記為H(θ),則有

                           (2-13)


 

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