扫描器视场的基本原理及改进策略

您已经决定了您的过程需要基于电流计的激光扫描仪的速度和精度，您面临的是确定您的应用程序将需要哪个视野。

你可能会想到很多问题，包括:

• “什么是视野?”
• “我的激光和光学设备会如何影响我的视野?”
• “有哪些策略可以增加我的扫描仪的视野?”

本白皮书将确定可以影响扫描仪视野的规格，并突出显示用于改善其的硬件和面向控制器的解决方案。亚博登录平台

什么是视场?

激光扫描仪的视场是焦平面上的区域，在这里系统的激光束可以被透镜聚焦。在镜头数据表上，这个区域通常用一个类似于图1的正方形表示。这个图像被称为理论光斑图，用来描述在galvo扫描仪的视场内任意给定点上光束聚焦光斑的大小。
知道光斑尺寸的预期行为有助于预测激光标记在焦平面上的大小，从而有助于预测视野中任何给定点的预期能量密度。

为什么视野的大小很重要?

扫描器视野之外的任何特征都需要增加线性或旋转级，以显示下一个未标记的衬底剖面。这些额外的阶段将导致更高的系统成本，并增加了控制扫描仪和伺服级子系统的复杂性。此外，从一个区域移动到另一个区域，通常被称为“步进扫描”，将这一过程限制在伺服级的速度上。这种策略不仅耗时，而且扫描区域之间几乎总是存在缺陷。如图2所示，这些不完美被称为拼接错误，是我们的视场边缘从一个区域到下一个区域不匹配的畸变的结果。在给系统添加伺服台阶之前，确定是否可以通过其他方式扩展视场以适应过程。

如何增加我的视野以及我的过程将如何受到影响？

某些设置组件可以修改以增强扫描仪的视场。本文涉及的组件包括焦距、激光波长和输入光束尺寸。改变每个组件都有其独特的优点和缺点。

改善视场最简单的方法之一就是选择一个焦距较大的镜头。图3中的插图演示了如何改变焦距来增加视野。然而，距离的增加是有代价的。改变扫描仪的视场常常会导致光斑大小和视场之间的权衡。基本的光学原理规定光斑大小与焦距成正比。因此，随着离焦平面距离的增加，光斑的大小也会增加。如果不能牺牲光斑大小的区域，就必须确定其他增加视场的方法。

激光器的波长直接影响光斑尺寸和视野。当观看图像1和4时，可以看出，考虑到光斑尺寸和视野的差异。使用163 mm远心f-theta镜头生成这些斑点图。当使用1030nm波长激光器如图像4中时，与图像1中使用的515 nm激光相比，可用的视野增加高达约47％。这似乎已经实现了目标。然而，在接近检查时，显然，光斑尺寸增加了四倍。再次，如果该过程不能接受光斑尺寸的这种增加，则必须考虑其他手段以增加​​视野，同时保持光斑尺寸。

在所有其他组件相同的情况下，更小的扫描头和更小的输入孔径可以允许一个更有利的机械设置，透镜可以更靠近最终的转向镜。这样的安排产生了更大的视野。然而，较小的孔径和较小的输入光束直径将增加我们的合成光斑大小。或者，通过增加入射光束的尺寸，光斑的尺寸在视野范围内缩小。然而，随着激光束和输入孔径的增大，用于将激光束反射到工件上的镜子的尺寸也必须增大。这种镜子尺寸的增加增加了电机组件的惯性，从而降低了扫描系统的动态性能。

组件和规范级别的改变，以增强每个人的福利和缺点。如果不焦距，波长和输入光束直径的变化，则不会产生可接受的视野和光斑尺寸，必须考虑硬件和面向控制器的解决方案。亚博登录平台

扫描仪解决方案增亚博登录平台加视野

单枢轴点扫描仪为操作者提供了一种解决方案，通过给定的f-theta镜头来增加扫描仪的视野。这种扫描仪在传统的双镜扫描仪系统上增加了第三个镜。这个额外的镜子可以防止光束在最后的镜子上行走，从而使最终的镜子和聚焦光学非常接近。这种定位可以更有效地使用f-theta镜头。

这种近距离提供了更大的视场，更小的最大光斑直径和更小的视场内光斑大小的变化。如图5所示Aerotech AGV-SPO使用这种三镜子布置，可以增加355nm波长，255mm焦距，远心镜头的视野，远心镜头多达2.5倍。

这种三面镜的安排也有缺点。第三面镜子需要额外的控制硬件轴。与传统的二维扫描仪相比，由于附加反射镜的惯性，动态性能略有下降。

另一个增加扫描器视野的策略是加入物镜后扫描装置。到目前为止，大多数技术和组件已确定在前置物镜扫描设置(即扫描镜将光束引导到聚焦透镜)中包含聚焦光学元件。在后物镜扫描仪中，光束聚焦发生在扫描镜之前，这可以用来增加视野，超过典型的检流计扫描仪。

通过在galvo扫描镜前聚焦光束，可实现的扫描角度不再受聚焦透镜的输入孔径大小的限制。相反，扫描区域的新极限变成了galvo马达本身的机械极限或扫描仪外壳本身的出口孔径。下表显示了使用Aerotech时可实现的光斑尺寸和相应的视场AGV3D.扫描仪。

物镜后扫描还提供了在不同焦距聚焦光束的额外好处。衬底并不总是平坦的，有时可能相当复杂。通过物镜后扫描，用户能够处理复杂的三维表面和体积，否则无法用传统的galvo扫描仪处理。

这种安排的缺点包括视场边缘的斑点畸变和控制体系结构的复杂性增加。在预物镜扫描装置中，远心f-theta透镜确保激光束在与扫描头垂直或接近垂直的位置接触焦平面。使用后物镜扫描仪时，光束以更大的入射角与衬底接触，这可能会导致光斑在视场边缘扭曲。

面向控制器的解决方案，扩大您的视野亚博登录平台

有时，基板太大，不能适合任何扫描仪设置或镜头视野。幸运的是，有面向控制器的解决方案，使线性或旋转伺服轴与激光扫描仪同步。亚博登录平台Aerotech的无限视野（IFOV.)功能在控制器中自动完成这一任务，而不需要在逐路径的基础上进行优化。

同步伺服和扫描轴允许激光扫描仪用户极大地扩展其系统的操作区域。大于扫描仪视场的模式可以连续处理，这提高了处理质量，同时降低了编程的复杂性和周期时间。位置命令序列在扫描器和伺服级之间分割。扫描仪处理高加速度，复杂的运动，而伺服阶段保持材料在工作信封的扫描仪。

这种技术是超快速激光器的理想选择，或者当需要小光斑尺寸来保持激光功率密度高于材料烧蚀阈值时。使用这些技术，短焦距镜头可以用来减少激光光斑的大小，同时仍然允许扫描仪进入一个大的工作区域。因此，用户能够在不影响工作区域的情况下为工作选择最佳的光学配置。