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光斑效果不理想？别忽略了场镜的设计

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发布时间： 2020-06-03 15:01
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激光工业加工、医疗、科研和测量应用等领域通常会使用振镜扫描系统。激光束经过准直或扩束后入射到 X、Y 两个方向的振镜片上，再经过F-theta透镜聚焦于工作面，如图1。同时光束入射角与像面上的光斑位置满足线性关系，从而通过控制入射光束的扫描角来控制聚焦光斑在像面上的位置。

与普通成像物镜不同，F-Theta镜头的像高与视场角成正比。如图2所示镜头的视场角、焦距和像高满足下式所示的关系：

y = f × θ （1）

式中 θ、f、y 分别表示F-Theta镜头的视场角、焦距和像高。当F-Theta焦距一定时，像高 y 与视场角 θ 成正比，满足线性关系。

与场镜相关的几个显著参数有入射激光波长、扫描幅面、场镜焦距、入射激光口径和聚焦光斑大小等。常见的场镜型号如SL-1064-110-163Q-D10。1064表示激光波长为1064 nm，Nd:YAG激光器；110表示场镜扫描幅面是110 mm×110 mm；163表示场镜焦距163 mm；Q表示场镜材料为全石英，石英对激光吸收少，温漂小；D10表示激光入射光束直径为10 mm（在1/e²）。

选择场镜时，需要注意各参数之间的关系；掌握其使用技巧可以延长相关光学组件的使用寿命。

1）

焦距与幅面的关系：

L = f × 2θ （2）

其中 L 为方形扫描幅面的对角线长度，θ 为以弧度表示的最大光学偏转角，f为透镜的有效焦距。通过将 θ 最大化，系统焦距可以最小化。一般这是维持 L 优先考虑的方法，因为它能减小光学元件的尺寸，从而搭建更紧凑、更高性价比的系统。

此外，由扫描反射镜电机的不稳定性所引起的f-theta畸变也能降低，因为这些畸变与EFL成正比(EFL越小，畸变越小)。这里要提一点，θ 表示的最大光学偏转角，与振镜的最大光学偏转角有区别。以scanlab 10 振镜为例，它的最大光学偏转角为 ±0.35 rad，即 ±20°，则 θ 为±28.28°。所以，当设计一款场镜时，不能一味的追求场镜焦距小、幅面大，要考虑振镜的偏转角能否达到要求值，也要考虑设计成本。

2）

聚焦光斑大小公式

Spot size = 1.83×λ×f/D （3）

通常在进行场镜设计时，聚焦光斑都在衍射极限内，其中λ为激光波长，f为透镜的有效焦距，D为1/e²处的入射光束直径。1.83为常数，与光瞳照明和输入截断的程度有关(对于高斯光束，当入射光束在1/e²直径处截断时，取1.83)。

如果对聚焦光斑大小有要求，可以根据该公式选择合适的场镜焦距和入射光束直径。

3）

场镜的后反点和内反点

场镜为了达到更好的平场性，大多数使用多镜片设计, 激光在透镜表面的后反射点能量高度集中，随着工业使用中激光功率的不断提升，如果后反射点聚焦在 X、Y 振镜片上（图3），会烧蚀振镜片的反射膜层，造成系统透过率的大幅降低；如果内反射点聚焦在扫描镜内部镜片上（图4），造成明显的热透镜效应，该透镜折射率随着能量的积聚发生变化，直接改变扫描镜的工作距离，反映为标记光斑变大、标记颜色变浅甚至无法标记。

不同的场镜设计厂家会以不同的方式给出一个场镜所有后反射点的数据，如图5。后反射点是一个场镜的固有数据，与振镜没有关系。当场镜和振镜配合使用的时候，无论是直接连接还是通过转接圈连接，都应该注意后反射点离振镜 X、Y 片间的距离，避免后反点直接在振镜片上，设计转接圈的时候保证每一个后反点离振镜片的距离在3 mm以上。

此外，当后反射点数据过大时，还应该关注这些后反射点对振镜前的光学组件造成的影响。当振镜和场镜配合使用需要转接圈的时候，转接圈的长度有限制：

（1）装上转接圈，要避开后返点；

（2）转接圈太短，场镜和振镜机械部分会产生干涉；

（3）转接圈过长，会减小扫描幅面，因此为了减少转接圈长度的限制，选择场镜幅面的时候最好留余量。

4）

场镜的远心角

场镜的远心角指边缘光线经过场镜后的光束光轴与工作面之间的夹角。场镜一般分为普通场镜和远心场镜，普通场镜远心角在4°-17°；远心场镜远心角在0°-4°。远心场镜的好处是整个幅面聚焦光斑大小一致，主要用于精密打标（边缘和中间打标效果一致）和切割（OLED屏切边更垂直）等应用中。

当光路中有同轴视觉监控的时候，远心场镜成像效果比普通场镜好。远心度越小，使用的镜片数量也越多，镜片口径也会变大，场镜价格也就越高。应该根据实际使用需求来选择场镜的远心角。

5）

场镜全石英设计和水冷

石英热稳定性好、低羟基，对紫外、绿光、半导体和Nd:YAG等激光具备高透过率，因此很多场镜为全石英设计。但石英折射率比大多数玻璃低，所以全石英场镜镜片数量比全玻璃设计的多，价格也更高。针对高功率1064 nm激光，场镜还必须增加水冷设计，高功率镀膜，增强散热，减少吸收。

6）

损伤阈值

连续激光和脉冲激光对激光损伤阈值的要求是不同的，连续激光（W/cm²）和脉冲激光（J/cm²），与激光脉宽和重复频率有关。脉冲激光器一般会给出脉冲宽度、峰值功率和重复频率，可计算如下：

脉冲能量=峰值功率×脉冲宽度

平均功率=脉冲能量×重复频率

功率密度=平均功率/光斑面积

能量密度=脉冲能量/光斑面积

当场镜承受的损伤阈值大于激光器损伤阈值的两倍时，场镜使用才是保险的。场镜抗激光损伤的判断实际上很难，除了理论计算外，还需要考虑透镜的吸收率、表面粗糙度、光洁度、超光滑加工、设计上的内反射消除等等因素，需要大量实验数据支撑，所以，以上只是一些理论概念，用于引导其设计与制造。

作者简介

Yan H. W ，南京波长光电科技股份有限公司的产品运用经理，光电专业硕士，在波长光电负责激光光学镜头、DOE衍射镜片、视觉镜头的开发和运用。Yan 曾在国内大型激光上市企业担任研发工程师。

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