В мире высокоточной лазерной обработки выбор оптики имеет решающее значение. Сканирующие линзы Ronar-Smith и OPEX F-Theta обладают уникальными характеристиками, обеспечивающими превосходные результаты в таких задачах, как гравировка, резка, сварка и склеивание. В этой статье мы расскажем о ключевых особенностях линз F-Theta, их типах, принципах работы и преимуществах для различных промышленных применений.
Сканирующие линзы Ronar-Smith и OPEX F-Theta спроектированы и изготовлены для широкого спектра лазерных применений. Они обладают одними из лучших оптических характеристик на рынке.
Сканирующие объективы доступны в телецентрической конфигурации (серии TSL и TSL-Q) и нетелецентрической конфигурации (серии SL и SL-Q). Для систем машинного зрения, которым требуется совмещение рабочей и дополнительной длин волн, существуют ахроматические сканирующие линзы в телецентрической (серия TSLA) и нетелецентрической (серия SLA) конфигурациях.
Принципы работы
Сканирующий объектив F-Theta
Для большинства применений в лазерной обработке материалов для получения качественного изображения необходимо плоское поле зрения. Традиционная оптика, такая как параксиальные линзы, фокусируется только на их сферической плоскости, что приводит к искажениям, таким как сферическая аберрация, при отображении на плоской поверхности.
Линзы с выравниванием поля зрения решают проблемы оптики, ориентированной на сферическое поле, создавая плоское фокусное поле, но за счет нелинейного поведения. Коэффициент смещения между эффективным фокусным расстоянием (f) и углом отклонения (θ) препятствует равномерному перемещению (т.е. постоянной скорости сканирования) сканирующего зеркала из-за этой нелинейности (f ∗ tg(θ)). Это также приводит к изменению угла обзора и приводит к неточностям между изменением увеличения и наблюдаемыми измерениями с помощью системы машинного зрения. Чтобы устранить эту нелинейность, линзы F-theta разработаны таким образом, чтобы смещение луча не зависело от тангенса угла отклонения.
Объектив F-theta обеспечивает линейную зависимость между f и θ, создавая линейное смещение, которое идеально подходит для использования со сканерами (XY-гальванометрами с зеркалами), вращающимися с постоянной угловой скоростью. Фиксированная скорость сканеров соответствует постоянной скорости фокусной точки в плоском фокальном поле, при этом электронная коррекция шума практически не требуется. Сложный алгоритм сканера для нелинейной компенсации исключен, что обеспечивает точное, безопасное и недорогое решение.
Сканирующие линзы F-theta предназначены для широкого спектра применений. Они доступны в широком диапазоне длин волн, начиная от ультрафиолетового, видимого, ближнего ИК-диапазона и CO2-лазера.
Объективы F-theta подвержены изменениям размера пятна на плоской поверхности, и диаграмма размеров пятна предоставляет более подробную информацию о типичных изменениях в результате угловых перемещений обоих зеркал по оси XY гальванометра. Различия в размерах пятна также могут быть рассчитаны с помощью следующего уравнения.
Где APO - коэффициент, связывающий отношение диаметра пучка D и входного зрачка
Телецентрический или нетелецентрический сканирующий объектив
Сканирующие объективы Ronar-Smith и OPEX F-Theta разработаны в соответствии с широкими промышленными требованиями. Когда для обработки лазерных материалов требуется постоянное поле зрения без зависимости между увеличением объектива и глубиной, рекомендуется использовать телецентрический объектив, ориентированный на пространство объекта. Для процессов, предъявляющих менее строгие требования к качеству обработки в фокальной плоскости, нетелецентрический объектив способен обеспечить удовлетворительный результат.
Телецентричность описывает угол падения лазерного луча, падающего на поверхность материала во время лазерной обработки. Как правило, угол падения для каждой точки в фокальной плоскости одинаков, в то время как нетелецентрические объективы имеют разные углы падения в разных точках одной и той же плоскости. Конечным результатом телецентричности является повторяемое и однородное распределение пятен по размеру в пространстве объекта при одновременном снижении эффекта параллакса.
Ахроматический сканирующий объектив
Ахроматический сканирующий объектив Ronar-Smith F-Theta предназначен для ограничения сферической и хроматической аберрации и совмещения двух различных длин волн (рабочей и видимой) в одной плоскости. Это позволяет передавать лазерные лучи с определенной длиной волны во время обработки материалов лазером, обеспечивая при этом соответствие видимой длины волны (обратная связь) и длины волны лазерного луча во времени и пространстве. Наши ахроматические сканирующие линзы обеспечивают машинное зрение в промышленных процессах для автоматизации управления и обратной связи, гарантируя при этом, что качество продукции не пострадает.
Важные определения:
Ограничительная поверхность диафрагмы
F-Theta обычно используется в лазерных сканирующих системах. Рабочая длина волны - это длина волны лазерного источника, а рабочая часть - плоскость. Объектив F-Theta обладает большим полем зрения и компактной конструкцией относительно системы. Тогда диаметр ограничителя диафрагмы будет равен диаметру лазерного луча. В системе 2D гальванических сканаторов фактически отсутствует оптический апертурный зрачок.
Если используется только одно зеркало, то ограничитель диафрагмы располагается на зеркале. Если используются два зеркала, то ограничитель диафрагмы расположен посередине двух зеркал, и луч будет искажен. Обычно они используют два гальванометра и фокусируют луч в двумерной плоскости.
На практике нет механических границ, позволяющих создать в нем какое-либо отверстие. При проектировании отверстие размещается посередине двух зеркал, как показано на рисунке ниже.
Угол сканирования
Обычно объектив F-Theta имеет два угла сканирования, один из которых представляет собой оптический угол сканирования, а другой - механический угол сканирования. Оптический угол сканирования - это поле зрения объектива, которое определяет длину диагонали максимального поля сканирования.
В спецификациях объектива F-Theta обычно указывается оптический угол сканирования, схема выглядит следующим образом:
Механический угол сканирования связан со сканирующим зеркалом. Обычно это угол поворота двух зеркал, который управляет диапазоном сканирования в двух направлениях. В гальванической системе сканирования характеристики сканатора относятся к механическому углу сканирования зеркала.
Принципиальная схема представлена ниже:
Для использования двух механических сканирующих зеркал, угол одного обозначается как угол зеркала X, а другого — как угол зеркала Y. Взаимосвязь между этими углами и оптическим углом сканирования определяется следующим уравнением: (угол зеркала X)2 + (угол зеркала Y)2 = (оптический угол сканирования / 2)2.
Обратное отражение
Обратное отражение - это отражение от поверхностей оптических элементов сканирующего объектива. При использовании пикосекундного или фемтосекундного импульсного лазера отраженная точка фокусировки может легко повредить покрытие или материал линзы.
При разработке объектива его дизайн должен не только учитывать оптические характеристики конструкции, но и избегать попадания точки фокусировки на оптические элементы объектива.
Объектив для ультрафиолетового сканирования: Высокоточная лазерная обработка больших площадей
Ультрафиолетовые лазеры с длиной волны 355 нм эффективны в качестве инструментов для микрообработки. Свет с этой длиной волны взаимодействует с материалами главным образом посредством фотоабляции, при которой фотоны высокой энергии разрушают молекулярные связи, что приводит к чистому испарению с минимальным разрушающим воздействием на окружающий материал. Твердотельные ультрафиолетовые лазеры для различных областей применения - от микроэлектроники до производства медицинского оборудования - обладают высокой универсальностью при низких эксплуатационных затратах в области микрообработки. Потребность в большом диапазоне сканирования и упрощенная конструкция оптической системы как для лазерной обработки, так и для визуального контроля ставят новые задачи перед важнейшим компонентом лазерной системы, а именно сканирующим объективом.
Принцип действия
Существуют две основные конструктивные категории сканирующих линз: телецентрические и нетелецентрические F-Theta-сканирующие объективы. Телецентрический сканирующий объектив F-Theta - это особый тип линзовой системы, с помощью которой отклоненный от оси лазерный луч может быть перпендикулярно сфокусирован на обрабатываемой детали подобно лучу с осевой фокусировкой. Преимущество телецентрического объектива заключается в том, что он позволяет сгладить кривизну поля сканирования, чтобы оно было наименее искаженным, обеспечивая при этом превосходное качество изображения по всей плоскости. Общая концепция дизайна показана на рисунке.
Когда система машинного зрения интегрируется в оптическую схему лазерной обработки, ахроматические телецентрические сканирующие линзы корректируются в зависимости от длины волны лазерного источника и рабочей длины волны камеры. Ахроматические телецентрические сканирующие объективы обладают теми же преимуществами, что и обычные телецентрические объективы, и обеспечивают точное позиционирование в поле зрения.
Сферы применения
Одна из сфер применения таких объективов это отклеивание структуры OLED от стекла носителя. Большая область сканирования обеспечивает высокую производительность прецизионной лазерной обработки. Это важно, когда требуется высокая скорость изготовления электронных дисплеев. Использование лазерного разделения для гибких OLED-систем большой площади позволяет избежать этап утонения стекла-носителя, что значительно ускоряет процесс производства.
Источники: https://wavelength-oe.com/application-notes/f-theta-scan-lens/
