激光工業(yè)加工、醫(yī)療、科研和測(cè)量應(yīng)用等領(lǐng)域通常會(huì)使用振鏡掃描系統(tǒng)。激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直或擴(kuò)束后入射到 X、Y 兩個(gè)方向的振鏡片上，再經(jīng)過(guò)F-theta透鏡聚焦于工作面，如圖1。同時(shí)光束入射角與像面上的光斑位置滿足線性關(guān)系，從而通過(guò)控制入射光束的掃描角來(lái)控制聚焦光斑在像面上的位置。
圖1 激光打標(biāo)機(jī)工作原理圖
與普通成像物鏡不同，F(xiàn)-Theta鏡頭的像高與視場(chǎng)角成正比。如圖2所示鏡頭的視場(chǎng)角、焦距和像高滿足下式所示的關(guān)系：
y = f × θ （1）
式中 θ、f、y 分別表示F-Theta鏡頭的視場(chǎng)角、焦距和像高。當(dāng)F-Theta焦距一定時(shí)，像高 y 與視場(chǎng)角 θ 成正比，滿足線性關(guān)系。
圖2 F-Theta鏡頭原理圖與實(shí)物圖
與場(chǎng)鏡相關(guān)的幾個(gè)顯著參數(shù)有入射激光波長(zhǎng)、掃描幅面、場(chǎng)鏡焦距、入射激光口徑和聚焦光斑大小等。常見(jiàn)的場(chǎng)鏡型號(hào)如SL-1064-110-163Q-D10。1064表示激光波長(zhǎng)為1064 nm，Nd:YAG激光器；110表示場(chǎng)鏡掃描幅面是110 mm×110 mm；163表示場(chǎng)鏡焦距163 mm；Q表示場(chǎng)鏡材料為全石英，石英對(duì)激光吸收少，溫漂小；D10表示激光入射光束直徑為10 mm（在1/e2）。
選擇場(chǎng)鏡時(shí)，需要注意各參數(shù)之間的關(guān)系；掌握其使用技巧可以延長(zhǎng)相關(guān)光學(xué)組件的使用壽命。
1）
焦距與幅面的關(guān)系：
L = f × 2θ （2）
其中 L 為方形掃描幅面的對(duì)角線長(zhǎng)度，θ 為以弧度表示的最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角，f為透鏡的有效焦距。通過(guò)將 θ 最大化，系統(tǒng)焦距可以最小化。一般這是維持 L 優(yōu)先考慮的方法，因?yàn)樗軠p小光學(xué)元件的尺寸，從而搭建更緊湊、更高性價(jià)比的系統(tǒng)。
此外，由掃描反射鏡電機(jī)的不穩(wěn)定性所引起的f-theta畸變也能降低，因?yàn)檫@些畸變與EFL成正比(EFL越小，畸變?cè)叫?。這里要提一點(diǎn)，θ 表示的最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角，與振鏡的最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角有區(qū)別。以scanlab 10 振鏡為例，它的最大光學(xué)偏轉(zhuǎn)角為 ±0.35 rad，即 ±20°，則 θ 為±28.28°。所以，當(dāng)設(shè)計(jì)一款場(chǎng)鏡時(shí)，不能一味的追求場(chǎng)鏡焦距小、幅面大，要考慮振鏡的偏轉(zhuǎn)角能否達(dá)到要求值，也要考慮設(shè)計(jì)成本。
2）
聚焦光斑大小公式
Spot size = 1.83×λ×f/D （3）
通常在進(jìn)行場(chǎng)鏡設(shè)計(jì)時(shí)，聚焦光斑都在衍射極限內(nèi)，其中λ為激光波長(zhǎng)，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(shù)，與光瞳照明和輸入截?cái)嗟某潭扔嘘P(guān)(對(duì)于高斯光束，當(dāng)入射光束在1/e2直徑處截?cái)鄷r(shí)，取1.83)。
如果對(duì)聚焦光斑大小有要求，可以根據(jù)該公式選擇合適的場(chǎng)鏡焦距和入射光束直徑。
3）
場(chǎng)鏡的后反點(diǎn)和內(nèi)反點(diǎn)
場(chǎng)鏡為了達(dá)到更好的平場(chǎng)性，大多數(shù)使用多鏡片設(shè)計(jì), 激光在透鏡表面的后反射點(diǎn)能量高度集中，隨著工業(yè)使用中激光功率的不斷提升，如果后反射點(diǎn)聚焦在 X、Y 振鏡片上（圖3），會(huì)燒蝕振鏡片的反射膜層，造成系統(tǒng)透過(guò)率的大幅降低；如果內(nèi)反射點(diǎn)聚焦在掃描鏡內(nèi)部鏡片上（圖4），造成明顯的熱透鏡效應(yīng)，該透鏡折射率隨著能量的積聚發(fā)生變化，直接改變掃描鏡的工作距離，反映為標(biāo)記光斑變大、標(biāo)記顏色變淺甚至無(wú)法標(biāo)記。
圖3 后返點(diǎn)靠近 Y 振鏡片
圖4 內(nèi)返點(diǎn)靠近鏡片內(nèi)部
不同的場(chǎng)鏡設(shè)計(jì)廠家會(huì)以不同的方式給出一個(gè)場(chǎng)鏡所有后反射點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如圖5。后反射點(diǎn)是一個(gè)場(chǎng)鏡的固有數(shù)據(jù)，與振鏡沒(méi)有關(guān)系。當(dāng)場(chǎng)鏡和振鏡配合使用的時(shí)候，無(wú)論是直接連接還是通過(guò)轉(zhuǎn)接圈連接，都應(yīng)該注意后反射點(diǎn)離振鏡 X、Y 片間的距離，避免后反點(diǎn)直接在振鏡片上，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接圈的時(shí)候保證每一個(gè)后反點(diǎn)離振鏡片的距離在3 mm以上。
圖5 后反射點(diǎn)數(shù)據(jù)（左上角）
此外，當(dāng)后反射點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)大時(shí)，還應(yīng)該關(guān)注這些后反射點(diǎn)對(duì)振鏡前的光學(xué)組件造成的影響。當(dāng)振鏡和場(chǎng)鏡配合使用需要轉(zhuǎn)接圈的時(shí)候，轉(zhuǎn)接圈的長(zhǎng)度有限制：
（1）裝上轉(zhuǎn)接圈，要避開(kāi)后返點(diǎn)；
（2）轉(zhuǎn)接圈太短，場(chǎng)鏡和振鏡機(jī)械部分會(huì)產(chǎn)生干涉；
（3）轉(zhuǎn)接圈過(guò)長(zhǎng)，會(huì)減小掃描幅面，因此為了減少轉(zhuǎn)接圈長(zhǎng)度的限制，選擇場(chǎng)鏡幅面的時(shí)候最好留余量。
4）
場(chǎng)鏡的遠(yuǎn)心角
場(chǎng)鏡的遠(yuǎn)心角指邊緣光線經(jīng)過(guò)場(chǎng)鏡后的光束光軸與工作面之間的夾角。場(chǎng)鏡一般分為普通場(chǎng)鏡和遠(yuǎn)心場(chǎng)鏡，普通場(chǎng)鏡遠(yuǎn)心角在4°-17°；遠(yuǎn)心場(chǎng)鏡遠(yuǎn)心角在0°-4°。遠(yuǎn)心場(chǎng)鏡的好處是整個(gè)幅面聚焦光斑大小一致，主要用于精密打標(biāo)（邊緣和中間打標(biāo)效果一致）和切割（OLED屏切邊更垂直）等應(yīng)用中。
圖6 遠(yuǎn)心場(chǎng)鏡
圖7 普通場(chǎng)鏡
當(dāng)光路中有同軸視覺(jué)監(jiān)控的時(shí)候，遠(yuǎn)心場(chǎng)鏡成像效果比普通場(chǎng)鏡好。遠(yuǎn)心度越小，使用的鏡片數(shù)量也越多，鏡片口徑也會(huì)變大，場(chǎng)鏡價(jià)格也就越高。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用需求來(lái)選擇場(chǎng)鏡的遠(yuǎn)心角。
5）
場(chǎng)鏡全石英設(shè)計(jì)和水冷
石英熱穩(wěn)定性好、低羥基，對(duì)紫外、綠光、半導(dǎo)體和Nd:YAG等激光具備高透過(guò)率，因此很多場(chǎng)鏡為全石英設(shè)計(jì)。但石英折射率比大多數(shù)玻璃低，所以全石英場(chǎng)鏡鏡片數(shù)量比全玻璃設(shè)計(jì)的多，價(jià)格也更高。針對(duì)高功率1064 nm激光，場(chǎng)鏡還必須增加水冷設(shè)計(jì)，高功率鍍膜，增強(qiáng)散熱，減少吸收。
6）
損傷閾值
圖8 波長(zhǎng)光電場(chǎng)鏡
連續(xù)激光和脈沖激光對(duì)激光損傷閾值的要求是不同的，連續(xù)激光（W/cm2）和脈沖激光（J/cm2），與激光脈寬和重復(fù)頻率有關(guān)。脈沖激光器一般會(huì)給出脈沖寬度、峰值功率和重復(fù)頻率，可計(jì)算如下：
脈沖能量=峰值功率×脈沖寬度
平均功率=脈沖能量×重復(fù)頻率
功率密度=平均功率/光斑面積
能量密度=脈沖能量/光斑面積
當(dāng)場(chǎng)鏡承受的損傷閾值大于激光器損傷閾值的兩倍時(shí)，場(chǎng)鏡使用才是保險(xiǎn)的。場(chǎng)鏡抗激光損傷的判斷實(shí)際上很難，除了理論計(jì)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(shè)計(jì)上的內(nèi)反射消除等等因素，需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，所以，以上只是一些理論概念，用于引導(dǎo)其設(shè)計(jì)與制造。
作者簡(jiǎn)介
Yan H. W ，南京波長(zhǎng)光電科技股份有限公司的產(chǎn)品運(yùn)用經(jīng)理，光電專業(yè)碩士，在波長(zhǎng)光電負(fù)責(zé)激光光學(xué)鏡頭、DOE衍射鏡片、視覺(jué)鏡頭的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用。Yan 曾在國(guó)內(nèi)大型激光上市企業(yè)擔(dān)任研發(fā)工程師。
