F-θ镜头

简单了解一下F-θ镜头（激光扫描聚焦镜）；及其一些原理和要求。

F-θ镜头，也称为激光扫描聚焦镜，是激光加工行业中非常重要的光学元件之一。它的作用是修正光束的偏转角度与轨迹位置之间的非线性关系，使其成为线性关系，从而实现匀速扫描。这种透镜的设计目的是使像高与扫描角呈线性关系，因此也被称为线性扫描透镜。它常用于激光标刻系统，这种系统广泛用于制作激光防伪标记、雕刻等。

F-Theta 扫描镜头通常用于激光扫描系统，该系统采用两轴振镜扫描指定区域，但不能容忍像平面上的角度。通过在扫描镜头中引入特定量的桶形畸变，F-Theta 扫描镜头成为像激光扫描、打标、雕刻和切割系统等图像平面上需要平坦视场的应用的理想选择。根据应用的要求，这些衍射受限的透镜系统可以针对波长、光斑尺寸和焦距进行优化，并且在整个透镜的视场中畸变保持在 0.25% 以下。

对于理想薄透镜，光束的偏转角度与轨迹位置的关系为Y=F*tan(θ)，这种非线性关系会使得匀速偏转的振镜扫描速度与轨迹运动速度是不匹配的，导致扫描轨迹不均匀或者说点密度不一致。所以，F-theta透镜的作用是修正这种非线性关系，使其成为线性关系。

F-θ镜头的设计要求包括引入负的桶形畸变，校正系统的场曲，使匹兹伐尔场曲为零，轴外和轴上像质一致，整个像面成平面，且系统波像差小于 λ/4。这样设计的目的是为了保证通过透镜聚焦后的像点在像面上能够匀速移动，实现线性扫描，从而保障扫描精度。

在实际应用中，F-θ镜头需要关注平场特性，即在振镜的不同偏转角度时，光束焦点处于同一平面。设计时需要考虑的基本参数包括入射光束直径、透镜焦距、扫描角度、扫描长度等。

F-θ镜头的工作原理是，对于理想薄透镜，光束的偏转角度与轨迹位置存在一定的关系，这种非线性关系会导致匀速偏转的振镜扫描速度与轨迹运动速度不匹配，造成扫描轨迹不均匀或点密度不一致。F-θ镜头通过引入特定的负畸变，使得光束焦点在像面上的移动速度与振镜的偏转角度呈线性关系，从而实现匀速扫描。

此外，F-θ镜头的设计还需要考虑场曲的要求，因为激光扫描系统通常使用单色光，为了保证扫描质量，整个像面应成平面且像质一致，满足等晕条件。这样在像差校正时，必须使波像差小于 λ/4，并同时校正系统的场曲，只有这样才能实现等晕成像，使得轴外和轴上像质一致。

总的来说，F-θ镜头是激光扫描系统中的关键组件，它的设计和性能直接影响到激光加工的精度和质量。

 扫描透镜

F-theta透镜可以解决许多与激光扫描相关的问题。此外，平场聚焦透镜的紧凑设计使用户可以减少用来实现平面像面的光学部件数量。这些透镜能够实现更紧密的光斑尺寸，这样就可以实现更高的扫描或印制分辨率，以及更高的雕刻或焊接密度。最重要的是，使用这些透镜时，光斑尺寸(分辨率和强度)在整个像平面上几乎都是恒定值。

扫描透镜装置

激光扫描系统经过优化可以实现对激光束腰尺寸(聚焦光斑的直径)和束腰确切位置的精密控制。一个激光扫描系统根据功能，一般将会结合一片或两片扫描反射镜。例如，在单片反射镜的系统中，该反射镜将被放置于平场聚焦透镜的入瞳处。在一个双反射镜系统中，平场聚焦透镜的入瞳则位于两片反射镜之间。为了实现平场聚焦透镜的最佳性能，反射镜的间隔应该最小。

场曲和F-Theta畸变

扫描场直径(SFD)，或扫描长度，是指在像平面中光束由透镜聚焦所在方形区域的对角线长度。该规格可以帮助定义偏移(沿着焦距方向)。输出扫描角(OSA)为输出激光光束在它通过扫描透镜后与像平面法线的夹角。尽管对于扫描或雕刻系统而言OSA的变化都不会大幅度地影响动力，OSA在整个像场范围内都是不同的。应该注意的是，OSA对于远心透镜而言总是为零。后焦距(BFL)为物理透镜(外部玻璃元件)的顶端和近轴焦点之间的距离。后工作距(BWD)为透镜外壳与近轴焦点之间的距离。

另外一个需要考虑的重要参数为场畸变和场曲。尽管平场聚焦透镜通过精心设计后可以提供一个平面像面，但对于一个真实的透镜而言，测量值很难达到理论值。实际应用中总会出现一些畸变和场曲。图2显示了我们FTH100-1064平场聚焦透镜的这些参数，其焦距为100毫米，最大偏移角为28度。该图显示了毫米为单位的场曲，以及与扫描角存在函数关系的f-theta畸变，用百分比表示。一般地，在构建扫描系统时，最好能将零场曲点设计到扫描范围的中点，这样可以在扫描过程中帮助限制场曲的程度。

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