作者簡介

Yan H。 W ，

南京波長光電科技股份有限公司

的產品運用經理，光電專業碩士，在波長光電負責鐳射光學鏡頭、DOE衍射鏡片、視覺鏡頭的開發和運用。Yan 曾在國內大型鐳射上市企業擔任研發工程師。

鐳射工業加工、醫療、科研和測量應用等領域通常會使用振鏡掃描系統。鐳射束經過準直或擴束後入射到 X、Y 兩個方向的振鏡片上，再經過F-theta透鏡聚焦於工作面，如圖1。同時光束入射角與像面上的光斑位置滿足

線性關係

，從而透過控制入射光束的掃描角來控制聚焦光斑在像面上的位置。

圖1

鐳射打標機

工作原理圖

與普通成像物鏡不同，F-Theta鏡頭的像高與視場角成正比。如圖2所示鏡頭的視場角、焦距和像高滿足下式所示的關係：

y = f × θ （1）

式中 θ、f、y 分別表示F-Theta鏡頭的視場角、焦距和像高。當F-Theta焦距一定時，像高 y 與視場角 θ 成正比，滿足線性關係。

圖2 F-Theta鏡頭原理圖與實物圖

與場鏡相關的幾個顯著引數有入射鐳射波長、掃描幅面、場鏡焦距、入射鐳射口徑和聚焦光斑大小等。常見的場鏡型號如SL-1064-110-163Q-D10。1064表示

鐳射波長

為1064 nm，Nd：YAG鐳射器；110表示場鏡掃描幅面是110 mm×110 mm；163表示場鏡焦距163 mm；Q表示場鏡材料為全石英，石英對鐳射吸收少，溫漂小；D10表示鐳射入射光束直徑為10 mm（在1/e2）。

選擇場鏡時，需要注意各引數之間的關係；掌握其使用技巧可以延長相關

光學元件

的使用壽命。

1）

焦距與幅面的關係：

L = f × 2θ （2）

其中 L 為方形掃描幅面的對角線長度，θ 為以弧度表示的最大光學偏轉角，f為透鏡的有效焦距。透過將 θ 最大化，系統焦距可以最小化。一般這是維持 L 優先考慮的方法，因為它能減小

光學元件

的尺寸，從而搭建更緊湊、更高性價比的系統。

此外，由掃描反射鏡電機的不穩定性所引起的f-theta畸變也能降低，因為這些畸變與EFL成正比（EFL越小，畸變越小）。這裡要提一點，θ 表示的最大光學偏轉角，與振鏡的最大光學偏轉角有區別。以

scanlab 10 振鏡

為例，它的最大光學偏轉角為 ±0。35 rad，即 ±20°，則 θ 為±28。28°。所以，當設計一款場鏡時，不能一味的追求場鏡焦距小、幅面大，要考慮振鏡的偏轉角能否達到要求值，也要考慮設計成本。

2）

聚焦光斑大小公式

Spot size = 1.83×λ×f/D （3）

通常在進行場鏡設計時，聚焦光斑都在衍射極限內，其中λ為鐳射波長，f為透鏡的有效焦距，D為1/e2處的入射光束直徑。1。83為常數，與光瞳照明和輸入截斷的程度有關（對於高斯光束，當入射光束在1/e2直徑處截斷時，取1。83）。

如果對聚焦光斑大小有要求，可以根據該公式選擇合適的場鏡焦距和入射光束直徑。

3）

場鏡的後反點和內反點

場鏡為了達到更好的平場性，大多數使用多鏡片設計， 鐳射在透鏡表面的後反射點能量高度集中，隨著工業使用中鐳射功率的不斷提升，如果後反射點聚焦在 X、Y 振鏡片上（圖3），會燒蝕振鏡片的反射膜層，造成系統透過率的大幅降低；如果內反射點聚焦在掃描鏡內部鏡片上（圖4），造成明顯的熱透鏡效應，該透鏡折射率隨著能量的積聚發生變化，直接改變掃描鏡的工作距離，反映為標記光斑變大、標記顏色變淺甚至無法標記。

圖3 後返點靠近 Y 振鏡片

圖4 內返點靠近鏡片內部

不同的場鏡設計廠家會以不同的方式給出一個場鏡所有後反射點的資料，如圖5。後反射點是一個場鏡的固有資料，與振鏡沒有關係。當場鏡和振鏡配合使用的時候，無論是直接連線還是透過轉接圈連線，都應該注意後反射點離振鏡 X、Y 片間的距離，避免後反點直接在振鏡片上，設計轉接圈的時候保證每一個後反點離振鏡片的距離在3 mm以上。

圖5 後反射點資料（左上角）

此外，當後反射點資料過大時，還應該關注這些後反射點對振鏡前的光學元件造成的影響。當振鏡和場鏡配合使用需要轉接圈的時候，轉接圈的長度有限制：

（1）裝上轉接圈，要避開後返點；

（2）轉接圈太短，場鏡和振鏡機械部分會產生干涉；

（3）轉接圈過長，會減小掃描幅面，因此為了減少轉接圈長度的限制，選擇場鏡幅面的時候最好留餘量。

4）

場鏡的遠心角

場鏡的遠心角指邊緣光線經過場鏡後的光束光軸與工作面之間的夾角。場鏡一般分為普通場鏡和遠心場鏡，普通場鏡遠心角在4°-17°；遠心場鏡遠心角在0°-4°。遠心場鏡的好處是整個幅面聚焦光斑大小一致，主要用於精密打標（邊緣和中間打標效果一致）和切割（OLED屏切邊更垂直）等應用中。

圖6 遠心場鏡

圖7 普通場鏡

當光路中有同軸視覺監控的時候，遠心場鏡成像效果比普通場鏡好。遠心度越小，使用的鏡片數量也越多，鏡片口徑也會變大，場鏡價格也就越高。應該根據實際使用需求來選擇場鏡的遠心角。

5）

場鏡全石英設計和水冷

石英熱穩定性好、低羥基，對紫外、綠光、半導體和Nd：YAG等鐳射具備高透過率，因此很多場鏡為全石英設計。但石英折射率比大多數玻璃低，所以全石英場鏡鏡片數量比全玻璃設計的多，價格也更高。針對高功率1064 nm鐳射，場鏡還必須增加水冷設計，高

功率鍍膜

，增強散熱，減少吸收。

6）

損傷閾值

圖8 波長光電場鏡

連續鐳射和

脈衝鐳射

對鐳射損傷閾值的要求是不同的，連續鐳射（W/cm2）和脈衝鐳射（J/cm2），與鐳射脈寬和重複頻率有關。

脈衝鐳射器

一般會給出脈衝寬度、

峰值功率

和重複頻率，可計算如下：

脈衝能量

=峰值功率×脈衝寬度

平均功率=脈衝能量×重複頻率

功率密度=平均功率/光斑面積

能量密度=脈衝能量/光斑面積

當場鏡承受的損傷閾值大於鐳射器損傷閾值的兩倍時，場鏡使用才是保險的。場鏡抗鐳射損傷的判斷實際上很難，除了理論計算外，還需要考慮透鏡的吸收率、表面粗糙度、光潔度、超光滑加工、設計上的內反射消除等等因素，需要大量實驗資料支撐，所以，以上只是一些理論概念，用於引導其設計與製造。

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