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激光线性扫描镜头F-Theta或K-Theta物镜

日期:2021-10-29 来源: 13202262841作者:徐国鸣 评论:0

激光扫描系统是一种将时间信息转变为可记录空问信息的系统。它使某种信息通过光调制器对激光束调制后,经光束扫描器和F-Theta激光聚焦镜头再接收形成一维或二维扫描图像。它已被广泛用于标刻机、跟踪瞄准、激光打印机、、集成路激光图形发生器等激光扫描精密设备中。

激光打标是激光技术的一个重要的应用领域,它与传统的刻蚀、机刻等打标方式相比,有许多优点,如无污染、分辨率高、非接触及标记保持等。激光束到达工件表面的瞬间,光能转换为热能,使工件表面材料熔融甚至汽化,从而标刻出相应的图案或标记。

激光打标机的工作原理如图1所示,激光器发出的高能量激光束依次经过动方向互相垂直的X和Y扫描振镜,入射到F-Theta物镜,由F-Theta后到达工件表面。通过转动X和Y扫描振镜,可以控制激光束在工件表面的X和Y两个方向上任意移动,实现矢量打标。振镜式激光打标具有响应速度快、打标速度快、打标质量高等许多优点。

图1激光打标机工作原理图

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:

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

图2.F-Theta镜头原理图

为满足式(1-1)的线性扫描关系,同时校正F-Theta镜头的像差,往往需要多个透镜合理布局;激光在透镜表面的后反射点(图3-图6)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XY振镜片上,会烧蚀振镜片的反射膜层,造成系统透过率的大幅降低;如果后反射点聚焦在扫描镜内部镜片上(图6),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。

图3 后反射点示意1

图4后反射点示意2

图5后反射点示意3

图6后反射点示意4

综上在设计F-theta平场扫描镜时要仔细排查每个镜片表面的后反射点,通过改变镜片的曲率半径尽量消除后反射点的不利影响。

激光打标机场镜是一种线性扫描镜头,与传统成像物镜相比,后者具有衍射受限、物高与视场角成正比的特点,便于计算机图像点阵的线性扫描处理。激光线性扫描镜头也称之为F-Theta或K-Theta物镜,除了激光打标之外,该镜头也广泛用于光学检测、计算机扫描成像、三维打印等领域,近二十年来伴随信息技术、应用软件和设计软件技术的成熟应用,发展十分迅速。

目前中国已开始深度步入工程师红利时期,扫描成像技术的相关配套技术模块(扫描振镜、激光器、高速光调制器及新材料)已基本完善,该相关技术以往具有典型的高技术所有特征,但有开始朝中端、中低端产业扩散的趋势明显。

考虑到国内外产业格局的现状,考虑快速进入该领域应是一次机会,值得投入精力尝试。


2.行动路线

首先从近年来最基本、应用泛的2款标准镜头入手。虽然该类型系列镜头应用广泛、且市场基本处于相对饱和状态,但技术风险小,容易寻找新起的整机中小企业,面对的竞争对手是早期进入该领域的中型部件提供科技企业(他们的创新及可持续发展优势正在被工程师红利时代扁平化)。

其次做好向大功率或工作波长包括紫外、绿光以及中远红外场镜发展,积极发展与新兴科技企业的配套业务,发展高精度光敏树脂3D打印配套镜头产品。

第三,适当时机介入某些类型的整机业务。

第一步可能面临性价比的激烈竞争,但我们还是有自己的优势,并有信心获得经济效益;第二步是期望阶段获得好的经济和社会效益;第三部涉及跨越式发展,关键是寻求新技术和新应用。


3.产品计划

a)激光功率<30W,波长1064nm,常用焦距)

b)激光功率<20W,波长355nm或525nm,

c)中功率(100W)

d)大功率,波长8-12um

e)成型打印镜头

f)扫描测量镜头

g)其他


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