LBTEK F-Theta场镜——技术说明

一、概述

LBTEK F-Theta场镜（F-Theta Lens，FT）是一种平场扫描透镜，采用高透过率的光学玻璃作为基材，由透镜组以特定的设计方案集成于机械外壳中组成。其聚焦光束的高度为f×θ（θ为入射光束的入射角），因此输入光束和输出光束的角速度直接成正比，使扫描反射镜能够以恒定的角速度运转，常用于提高边缘光束入射到探测器的能力、使探测器光敏面上的非均匀光得以均匀化、补偿系统的场曲与畸变等。F-Theta场镜在使用时能够提供平场像平面，同时能极大简化控制电路，具有高透过率、大扫描范围、低像差和低F-Theta畸变的特点，在中低激光功率的微加工方面，如标刻机、雕刻机、激光打印机、传真机、印刷机以及制作半导体集成电路的激光图形发生器和激光扫描精密设备中，有较大发展潜力。

二、产品结构

LBTEK F-Theta场镜由透镜组以特定设计方案集成于机械外壳中组成，外壳上注有产品型号及关键参数，在出射端带有保护窗口片。其安装螺纹规格为M85×1.0，适用于大部分商用打标机系统，无需螺纹转接。

图1 LBTEK F-Theta场镜结构图

三、光学性能

LBTEK F-Theta场镜实现了入射激光束的角度θ与平场像平面上聚焦光斑的高度h之间的线性依赖性，两者间的比例因子是焦距f，即h = f ×θ，这也是“F-Theta”场镜名字的由来。

如果聚焦光斑的高度h与θ的正切值成正比，平场像平面上光斑扫描的速度将随着角度的增大而增大，在材料加工场景下，作用于材料表面的能量将因速度的增大而降低，使加工的均匀性变差，通常要采用复杂的控制电路作为弥补。而 F-Theta 场镜入射角与聚焦光斑高度间的线性关系则针对此方面做出了优化，使得平场像平面即加工平面上的扫描光斑速度恒定，避免了加工深度不一的问题。

图2 LBTEK F-Theta场镜原理图

四、参数说明

1. 焦距：

由F-Theta关系h = f ×θ可知，聚焦光斑高度与F-Theta场镜的焦距成正比，如果要增大扫描范围，则可以使用焦距较大的场镜，但若想要保持相同的聚焦光斑尺寸，则必须同时增加入射光束尺寸。另外，当需要增大场镜和加工平面之间的距离时，通常也需要增大所选场镜的焦距。

2. 扫描区域：

通常用来衡量扫描区域大小的有扫描角度和扫描范围两参数。扫描角度是F-Theta场镜扫描范围内在对角线方向和边长方向上的发散角度，如果入射光角度大于扫描角度，则会导致光束被遮挡。扫描范围则为方形扫描区域在对角线方向和边长方向上的尺寸大小，受焦距f影响，若扫描区域边长为l，则：

3. 入射光束尺寸：

为了控制杂散光，并减小材料加工应用场景下光学元件的尺寸，通常将入射光束直径控制在最大值的1/e²处。

光束直径越大，光斑尺寸越小，反之亦然。使用直径大于最大允许入射光尺寸的光束将导致光束被消减。

5. 聚焦光斑尺寸：

聚焦光斑的形状和大小，极大程度上取决于入射光束的尺寸，一般通过截断比T来描述，T等于入射光束直径d_L （1/e²处）除以通光孔径d_EP，若其比例低于0.5，则光束是不对称的。当入射光束直径d_L等于场镜的通光孔径d_EP时，则T = 1。估算透镜衍射极限的光斑大小时，还需要一个额外的切趾因子（APO），它与截断比T之间的关系如下图所示。

图3 切趾因子APO与截断比T关系图

由此，聚焦光斑尺寸d可参考下式计算得到：

其中，λ为工作波长，f为场镜焦距，M²为激光参数。

5. 损伤阈值：

激光诱导损伤阈值（LIDT）描述了不发生场镜损伤的极限激光强度（或通量）。该阈值取决于几个参数，如波长、脉冲持续时间等，并涉及不同的物理现象。对于连续激光和长脉冲激光（>10 ns），主要问题是材料内部能量的积累以及随之而来的熔化和蒸发。而对于超短脉冲激光（<10 ps），雪崩电离和库仑爆炸等非热过程是造成损害的主要原因。

LBTEK F-Theta场镜——应用案例

F-Theta场镜是一种平场扫描透镜，通常通过振镜与场镜组合实现在一维或二维上线性移动，被用于各种应用。其中配合其他器件不仅可用于微型电路板、太阳能电池板、芯片的切割和刻蚀，还可以应用于激光切割、雕刻、激光显示器、激光雷达、玻璃/半导体微结构加工、导弹跟踪瞄准等，同时也可应用于汽车、医疗等行业。

图1  F-Theta场镜与匀化DOE、振镜结合应用光路示意图

图2  F-Theta场镜与分束DOE、振镜结合应用光路示意图