場鏡關(guān)鍵參數(shù)深度解析與選型指南

場鏡（Field Lens），又稱F-Theta透鏡或平場聚焦鏡，是工業(yè)激光設(shè)備（如激光打標(biāo)、激光切割、激光焊接、3D打印）中的關(guān)鍵光學(xué)元件。其核心作用是將光束在整個加工平面上形成尺寸均一、形狀規(guī)則的聚焦光斑，確保精度與加工效果的一致性。其核心功能是在整個加工平面范圍內(nèi)，將激光束聚焦成尺寸穩(wěn)定、能量分布均勻的光斑，從而確保加工過程的精度一致性與成品質(zhì)量穩(wěn)定性。場鏡之所以能夠滿足高速、高精度激光加工需求，關(guān)鍵在于其獨特的 F-Theta 線性成像特性，即：y′ = f · θ，該關(guān)系使聚焦光斑在像面上的位置與光束的掃描角度呈嚴(yán)格的線性對應(yīng)關(guān)系。通過精確控制掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度，即可實現(xiàn)光斑在加工平面內(nèi)的高速、精準(zhǔn)線性掃描。而普通聚焦透鏡遵循的是 y = f · tanθ 關(guān)系。當(dāng)光束以一定角度入射時，容易產(chǎn)生焦點位置偏移和明顯像差，導(dǎo)致加工區(qū)域邊緣光斑失焦或尺寸變化，難以滿足高精度激光加工的實際需求。因此，F(xiàn)-Theta 場鏡是振鏡式激光加工系統(tǒng)中追求高品質(zhì)加工不可或缺的核心光學(xué)部件。

場鏡的核心作用

實現(xiàn)平場聚焦，保證光斑一致性

場鏡經(jīng)過精心設(shè)計，可在振鏡式激光加工系統(tǒng)中提供最高性能。非常適合用于雕刻和標(biāo)簽系統(tǒng)、圖像傳輸和材料加工。對于許多激光掃描和雕刻應(yīng)用而言，平面成像場是獲得最佳效果的必要條件。球面透鏡只能沿圓形平面成像，場鏡解決了激光掃描的諸多難題，場鏡緊湊設(shè)計使用戶能夠減少實現(xiàn)平坦像面所需的光學(xué)元件數(shù)量，更小的光斑尺寸，從而提高掃描或打印的分辨率，以及雕刻或焊接的強度。最重要的是，場鏡能夠在整個加工范圍內(nèi)將光束聚焦在同一平面上，使不同掃描角度下的光斑尺寸和焦點位置保持高度一致，無論激光束以何種角度入射，其焦點都能精確地落在同一個平坦的平面上，消除了普通透鏡會產(chǎn)生的“場曲”這個像差，避免邊緣區(qū)域失焦或光斑變大問題。確保了在整個加工區(qū)域（即“場”）內(nèi)，加工效果（如切割深度、熔覆寬度）的一致性。

普通的透鏡的焦面是個曲面，如下圖

這樣不利于掃描雕刻，為了解決這個問題，于是就有了Flat-Field Scanning Lens（中文場鏡的名字大概就是從這里來的吧），然而，傳統(tǒng)的平場透鏡產(chǎn)生的圖像與透鏡焦點和掃描角正切成比例。這意味著，當(dāng)掃描角度線性變化時，圖像不會線性移動。這也可能導(dǎo)致制造錯誤。于是就有了F-Theta lens，這些鏡頭產(chǎn)生的圖像高度與焦距和掃描角theta成線性比例。下圖給出了三個透鏡的區(qū)別。

這樣當(dāng)我們再看到場鏡的時候，就知道這個場鏡是指field lens、flat-field scanning lens還是f-theta lens。比如DLP的光機中用于勻光的場鏡，其實是flat-field scanning lens，因為對于theta很小的情況，tanθ約等于θ。

建立 F-Theta 線性掃描關(guān)系

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的高斯光學(xué)，一個無像差的理想透鏡遵循的是 y = f * tanθ 的關(guān)系（其中 f 是焦距），tanθ 函數(shù)本身是非線性的。當(dāng) θ 增大時，y 的增加速度會越來越快。例如：當(dāng) θ 從 0° 轉(zhuǎn)到 10° 時，y 的變化量是 Δy1；當(dāng) θ 從 20° 轉(zhuǎn)到 30° 時（同樣的角度變化量），y 的變化量 Δy2 會遠大于 Δy1。如果掃描鏡以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，光斑在焦平面上的移動速度會越來越快，無法實現(xiàn)勻速掃描。想要掃描一個正方形，計算機會給掃描鏡一個線性的角度信號，但由于 tanθ 的非線性，實際畫出來的圖形會變成“枕形”。為了克服 tanθ 的非線性，建立 f*θ 的線性關(guān)系，光學(xué)設(shè)計師們通過引入一種特殊的“畸變”來實現(xiàn)。簡單來說，F(xiàn)-Theta 場鏡是一個被精心設(shè)計了特定“畸變”的透鏡。F-Theta 場鏡的設(shè)計，正是刻意地引入了正確數(shù)量的負(fù)畸變，來抵消 tanθ 帶來的非線性增長。F-Theta 場鏡通過其負(fù)畸變特性，將原本由 tanθ 決定的非線性曲線“壓低”并“拉直”，使得最終的像高 y 與掃描角 θ 呈現(xiàn)出完美的線性關(guān)系。

場鏡的核心作用之一就是將振鏡的角度掃描，轉(zhuǎn)換為加工平面上的嚴(yán)格線性位移。在振鏡式激光加工系統(tǒng)中，光束通過掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)大范圍、高速度的光斑移動。使聚焦光斑在加工平面上的位置與掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系（y′ = f · θ），從而實現(xiàn)高速、精確、可預(yù)測的線性掃描，其中y′ 為聚焦光斑在加工平面上的實際位移；f 為場鏡的有效焦距；θ 為掃描振鏡的偏轉(zhuǎn)角度。這一線性關(guān)系使得光斑在像面上的移動距離與振鏡偏轉(zhuǎn)角度成正比，從而實現(xiàn)等角度、等位移的掃描特性。在實際加工中，這種線性映射具有非常重要的工程意義。

補償掃描像差，提升加工精度

在振鏡式激光加工系統(tǒng)中，光束需要在短時間內(nèi)完成大角度、高頻率的掃描。普通透鏡的理想成像面為彎曲面，隨著掃描角度增大，焦點會偏離加工平面，導(dǎo)致邊緣區(qū)域失焦。如果僅使用普通聚焦透鏡，在大角度掃描條件下，激光在偏軸入射時會產(chǎn)生明顯的桶形或枕形畸變掃描像差，導(dǎo)致加工圖形拉伸、壓縮或變形，直接影響加工精度和一致性。偏軸掃描時，普通透鏡容易產(chǎn)生彗形拖尾或焦點方向不一致的問題，導(dǎo)致光斑形狀不規(guī)則、能量分布不均。隨著掃描角度和工作距離的變化，若無法有效補償，焦點位置會不斷漂移，導(dǎo)致加工深淺不一。場鏡通過專用光學(xué)設(shè)計，可有效校正由大角度掃描引起的像差、畸變和焦點漂移，顯著降低彗差和像散，實現(xiàn)真正的“平場聚焦”，使光斑始終保持近似圓形，確保整個加工區(qū)域內(nèi)加工尺寸、深度和線寬的一致性，提高了切縫、焊縫或標(biāo)刻線條的質(zhì)量。

擴大有效加工幅面

在振鏡式激光加工系統(tǒng)中，加工幅面并不單純?nèi)Q于振鏡的掃描角度，而是由光學(xué)成像關(guān)系、像差控制能力以及焦點穩(wěn)定性共同決定。場鏡通過場曲補償和掃描畸變校正，在保證加工精度的前提下，即使在加工區(qū)域邊緣，光斑尺寸和能量分布也能保持與中心區(qū)域高度一致，顯著擴大激光系統(tǒng)的有效加工范圍，提高單次加工覆蓋面積，提升整體加工效率。

提升加工穩(wěn)定性與一致性

在工業(yè)激光加工中，加工穩(wěn)定性與一致性不僅決定單件質(zhì)量，更直接影響批量良率和生產(chǎn)可靠性。場鏡通過對聚焦特性、掃描線性和像差的系統(tǒng)控制，確保相同掃描指令在不同時間、不同工件位置上獲得一致的聚焦和軌跡效果，從而顯著提高重復(fù)加工的一致性，為激光加工提供穩(wěn)定、可重復(fù)的光學(xué)基礎(chǔ)。

場鏡從尺寸到參數(shù)全面解析

1. 焦距、后焦距、工作距離、法蘭距

在振鏡式激光加工系統(tǒng)中，場鏡不僅決定加工幅面，更直接影響安裝結(jié)構(gòu)、光斑質(zhì)量與系統(tǒng)匹配性。正確理解場鏡的幾何尺寸與光學(xué)參數(shù)，是設(shè)備設(shè)計與選型的關(guān)鍵。

焦距：指場鏡的等效光學(xué)中心到聚焦平面的距離，是決定加工幅面大小的核心參數(shù)，焦距越大可實現(xiàn)的加工幅面越大，焦距越小，光斑更小、能量密度更高。

后焦距：指的是從場鏡最后一片透鏡表面，到實際聚焦平面之間的距離，決定光路內(nèi)部結(jié)構(gòu)和安全余量，決定保護鏡、輔助結(jié)構(gòu)是否有安裝空間，后焦距不足，容易發(fā)生焦點“頂在鏡片上”的問題。

工作距離：指場鏡的安裝基準(zhǔn)面（通常為法蘭面）到工件加工面的距離，工作距離需與設(shè)備結(jié)構(gòu)、工件高度一起整體規(guī)劃，工作距離并非光學(xué)參數(shù)，而是系統(tǒng)參數(shù)，工作距離決定設(shè)備的 Z 軸安裝高度，影響工件裝夾高度和空間布局，對自動上下料、三維加工尤為重要。

法蘭距：指場鏡法蘭安裝面到光學(xué)參考面或設(shè)計焦點基準(zhǔn)的距離，是設(shè)備設(shè)計早期必須確認(rèn)的參數(shù)之一。法蘭距一旦確定，設(shè)備結(jié)構(gòu)基本被鎖定，法蘭距決定場鏡與振鏡系統(tǒng)的相對位置，直接影響光軸對準(zhǔn)，法蘭距不一致會導(dǎo)致無法正確聚焦。

2. 入射光斑尺寸與聚焦光斑尺寸

為了控制雜散光，并減小材料加工應(yīng)用場景下光學(xué)元件的尺寸，通常將入射光束直徑控制在最大值的1/e2處。光束直徑越大，光斑尺寸越小，反之亦然。使用直徑大于最大允許入射光尺寸的光束將導(dǎo)致光束被消減。

聚焦光斑的形狀和大小，極大程度上取決于入射光束的尺寸，一般通過截斷比T來描述，T等于入射光束直徑dL （1/e2處）除以通光孔徑dEP，若其比例低于0.5，則光束是不對稱的。當(dāng)入射光束直徑dL等于場鏡的通光孔徑dEP時，則T = 1。估算透鏡衍射極限的光斑大小時，還需要一個額外的切趾因子（APO），它與截斷比T之間的關(guān)系如下圖所示。

由此，聚焦光斑尺寸d可參考下列計算得到（λ為工作波長，f為場鏡焦距，M2為激光參數(shù)）：

3. 幅面內(nèi)聚焦光斑的均勻性（或一致性）

在實際激光加工系統(tǒng)中，光學(xué)鏡頭在整個工作幅面內(nèi)的成像性能并非完全一致。其主要原因在于光學(xué)系統(tǒng)中不可避免地存在場曲像差——即不同掃描角度下入射的激光束，其最佳聚焦位置在高度方向上并不完全相同。即便采用了平場型 F-Theta 場鏡，通過專門的光學(xué)設(shè)計對場曲進行有效補償，使焦面盡可能接近理想平面，但在實際光學(xué)設(shè)計中，還需要同時平衡畸變、像散、彗差等多種像差因素。因此，在綜合優(yōu)化的前提下，系統(tǒng)中仍不可避免地會殘留少量場曲。受此影響，在加工幅面內(nèi)不同位置處的聚焦光斑尺寸和能量分布會存在一定差異。當(dāng)光斑均勻性較差時，會直接導(dǎo)致幅面中心與邊緣加工效果不一致，線寬、切縫或標(biāo)刻深度出現(xiàn)波動以及整個幅面內(nèi)加工質(zhì)量穩(wěn)定性下降。

均勻性表征計算公式（供參考）：

Sill Optics的紫外消色差掃描場鏡S4LFT4010-075參數(shù)

4. 掃描角度θ和掃描幅面

在振鏡式激光加工系統(tǒng)中，加工幅面的大小并不是一個獨立參數(shù)，而是由掃描振鏡的最大掃描角度 θ 與 場鏡的焦距 f 共同決定。掃描角度 θ 是指掃描振鏡相對于光軸的最大偏轉(zhuǎn)角度，通常以機械角或光學(xué)掃描角表示。振鏡偏轉(zhuǎn)角度越大，可覆蓋的掃描范圍越廣，過大的掃描角度會顯著增加光學(xué)像差控制難度，實際系統(tǒng)中，掃描角度往往受振鏡性能、響應(yīng)速度及鏡面尺寸限制。在相同焦距條件下，提高振鏡的最大掃描角度，可有效擴大加工覆蓋范圍。在相同掃描角度下，選擇更大焦距的場鏡，可獲得更大的掃描幅面。在實際應(yīng)用中，通常只選用焦點偏移在允許范圍內(nèi)、光斑尺寸變化受控和能量分布滿足工藝要求這樣一部分掃描區(qū)域，這一范圍稱為有效掃描幅面，也是用戶真正可以使用的加工區(qū)域。

場鏡掃描幅面示意圖

5. 場曲

場曲是光學(xué)系統(tǒng)中一種典型的像差，指的是理想成像焦面并非完全平面，而是呈現(xiàn)一定彎曲形態(tài)。在振鏡式激光掃描系統(tǒng)中，不同掃描角度下的激光束以不同的傾斜角度入射到場鏡中，由于光路差異，各束光的最佳聚焦位置在高度方向上并不重合，從而形成整體呈弧形分布的焦面，這種現(xiàn)象即為場曲。場曲的存在會影響整個像面的清晰度，使得一個較大的平面物體無法在各點保持清晰：中心部分較為清晰，而邊緣部分則相對模糊。對激光加工而言，場曲帶來的影響就是離焦，場曲的大小就是離焦量的尺寸。從下圖可以看到，中心聚焦在焦面上，而邊緣聚焦點就偏離了焦面，導(dǎo)致在工作面上中心光斑尺寸小，邊緣光斑因場曲離焦尺寸變大，邊緣加工效果不理想。

場曲的焦點連線面與理想焦平面（工作面）差異示意圖

一般場鏡會給出整個幅面內(nèi)場曲量的分布圖，單位一般為微米(um)，表示焦點距離理想焦面的距離量。如下所示：

6. 透過率以及全幅面透過率

在工業(yè)激光加工系統(tǒng)中，場鏡不僅決定掃描精度和加工一致性，其光能透過效率同樣是影響加工效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。其中，場鏡透過率與全幅面透過率一致性是評價場鏡光學(xué)性能的重要參數(shù)。

場鏡透過率是指激光光束通過場鏡后，實際輸出能量與入射能量的比值，通常以百分比表示。透過率越高，激光能量損耗越小，可在相同功率條件下獲得更高的加工效率，降低鏡片吸收引起的熱效應(yīng)，提高光學(xué)穩(wěn)定性。

全幅面透過率是指在整個掃描加工幅面內(nèi)，不同掃描位置處的透過率分布及其一致性。不僅關(guān)注“中心點能通過多少光”，還關(guān)注“邊緣位置是否同樣保持高透過率”。在大掃描角度條件下，全幅面透過率可能出現(xiàn)差異，若全幅面透過率一致性較差，會直接導(dǎo)致幅面中心與邊緣能量密度不一致，加工深度、線寬隨位置變化，邊緣區(qū)域加工質(zhì)量下降以及批量加工一致性變差等問題尤其在精密焊接、薄板切割及高一致性打標(biāo)應(yīng)用中，影響尤為明顯。

7. 后向反射聚焦點（后反點）

后向反射聚焦點，通常稱為后反點，是指激光光束在通過場鏡時，由于鏡片表面和內(nèi)部界面產(chǎn)生的反射光，沿原光路或近似反向返回，并在光路中形成的能量再次聚焦位置。該聚焦點并非設(shè)計的有效工作焦點，而是由多界面反射、鬼像（Ghost Image）疊加形成的寄生聚焦點。

場鏡通常由多片透鏡組成，每個光學(xué)界面都會存在一定的菲涅耳反射。即便采用高性能減反射鍍膜，仍會殘留少量反射光。在高功率激光加工系統(tǒng)中，后反點可能引發(fā)一系列安全和穩(wěn)定性問題，高品質(zhì)場鏡在設(shè)計階段通常通過優(yōu)化光學(xué)結(jié)構(gòu)布局、高性能減反射鍍膜和引導(dǎo)反射光偏離關(guān)鍵光路等多種方式對后反點進行抑制和管理。因此，在挑選場鏡的時候務(wù)必需要考慮后反點的距離，安裝在振鏡上后，是否會落在振鏡上。做好振鏡與場鏡的選型搭配。

場鏡選型指南

1. 確定工作波長

場鏡的工作波長需與激光器的波長匹配。例如，光纖激光器（1064 nm）需選用1064 nm光纖場鏡，CO?激光器（10.6 μm）需選用10.6 μm CO?場鏡，綠光激光器（532 nm）需選用532nm綠光場鏡等。不同波長的場鏡材質(zhì)和鍍膜不同，需確保場鏡能有效透過對應(yīng)波長的激光。激光波長的選擇則與加工材料對該波長的吸收率相關(guān)、以及該波長激光器的價格相關(guān)。

2. 確定焦距和掃描幅面

掃描幅面：場鏡的掃描幅面決定了激光能加工的區(qū)域大小。一般通過場鏡焦距計算，經(jīng)驗公式為：幅面（mm）約0.7×焦距（mm）。

焦距：焦距越長，掃描幅面越大（幅面與焦距成正比），但聚焦光斑直徑也會增大，導(dǎo)致功率密度下降，加工精度變差。需根據(jù)加工需求平衡掃描范圍和功率密度。例如，大幅面加工需長焦距場鏡，小幅面精細(xì)加工可選短焦距場鏡。（在3D打印中為了追求精細(xì)打印，犧牲掃描幅面，選擇小光斑加工，但可以用多個場鏡拼接的方案來彌補幅面效率的損失。）

3. 通光孔徑

場鏡的通光孔徑，一般根據(jù)振鏡的孔徑來匹配。比如使用20mm的振鏡，則匹配20mm入瞳直徑的場鏡。一般入射到振鏡的光束尺寸建議不要超過入瞳的75%（擋光3%左右），最好≤50%（擋光0.03%）。

4. 場鏡類型

平場場鏡：適用于大多數(shù)激光加工場景，能實現(xiàn)加工幅面內(nèi)的線性掃描加工，成像質(zhì)量較好，用量大，標(biāo)準(zhǔn)型號多，價格更實惠。

遠心場鏡：適用于對精度要求極高的場景，如精密打標(biāo)、鉆孔等，能保證聚焦光束垂直于焦平面，但價格較高。

5. 后反點位置

激光加工使用場鏡必須標(biāo)準(zhǔn)所有后反射點的位置信息，后反射點需要避免落在場鏡的鏡片上以及振鏡的鏡片上。

6. 場鏡的鏡片材質(zhì)

常規(guī)光學(xué)玻璃：如K9等，使用于低功率場鏡，對損傷要求很低，材料價格便宜，性能穩(wěn)定；

石英玻璃：石英玻璃也分紫外熔石英和紅外融石英。一般在中高功率使用。不過像常規(guī)的康寧7980能滿足大部分紫外到紅外的應(yīng)用了（紫外選用低金屬離子含量的、紅外選用低羥基的）。極端高功率和高穩(wěn)定性的需求則需要特種石英如康寧的7979和康寧8655這一級別的（不過，高端材料禁運，國內(nèi)有接近可替代的）。

硒化鋅：主要用于CO?激光器，其對10.6μm波長的透過率高，但成本較高。

7. 螺紋接口

不同振鏡和不同加工平臺設(shè)計的場鏡接口螺紋型號不同，需要特別注意。如果沒辦法非得用不匹配的，那就做個轉(zhuǎn)接接圈吧。

8.個性定制數(shù)據(jù)

量身定制的話，可能還需要脈沖持續(xù)時間、脈沖能量、M2等信息。

一些建議與經(jīng)驗

武漢新特光電是德國Sill Optics在中國的授權(quán)官方合作伙伴，致力于將全球領(lǐng)先的光學(xué)元件引入中國市場，我們負(fù)責(zé)Sill Optics品牌產(chǎn)品在中國的技術(shù)選型、項目實施與全生命周期服務(wù)，并提供整套器件集成解決方案，為您提供一站式的產(chǎn)品應(yīng)用與技術(shù)服務(wù)！

Sill Optics 為脈沖持續(xù)時間低至190fs的超短脈沖激光器推出了一款新型消色差掃描透鏡—S4LFT4015-075-FS，詳情請查閱:http://m.haoyi1688.cn/new-arrivals/1406.html,更多場鏡請查閱：http://m.haoyi1688.cn/optical/sill-ftheta-lens.html。

本文參考了微信公眾號:光啟航，如需轉(zhuǎn)載,請聯(lián)系原作者。