Optik zur Korrektur der Brennweite über eine Ebene

Ich habe einen Laserstrahl, der auf einen Punkt in einer bestimmten Entfernung fokussiert wird. Ich werde dann ein Galvanometer verwenden, um diesen Strahl über eine Ebene zu scannen. Wenn der Strahl die Ebene überstreicht, ändert sich offensichtlich der Abstand zwischen der Strahlquelle und der Ebene, und daher wird der Strahl nur auf einen Teil der Ebene fokussiert (ein Kreis, der von der Mittelachse des Galvo gleich weit entfernt ist). Diesen Effekt möchte ich minimieren.

Je weiter der Galvo von der Ebene entfernt ist, auf die ich den Strahl fokussieren möchte, desto weniger signifikant wird dieser Effekt sein. Das macht jedoch eine unangenehm große Maschine.

Gibt es eine Art Optik, mit der ich dies korrigieren kann, damit der Strahl korrekt über die Zielebene fokussiert wird?

Bearbeiten Ich wollte dies als Kommentar hinzufügen, aber ich glaube nicht, dass ich Bilder in die Kommentare einfügen kann. Was ist mit dieser Anordnung:

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Dies hängt davon ab, dass aus dem Laser ein kollimierter Strahl gebildet werden kann - in der Praxis wird es meiner Meinung nach eine merkliche Strahldivergenz geben, aber ich bin mir nicht sicher, wie schlimm es wäre. Es fokussiert den Strahl auf die Zielebene, unabhängig davon, welche Steuerung vom Galvo gegeben wird:

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Offensichtlich muss ich die durch das Objektiv eingeführte Ablenkung korrigieren, und es ist ein bisschen mühsam, weil es die für eine bestimmte Strahlablenkung erforderliche Spiegelablenkung erhöht. Aber es ist viel einfacher als zB ein sich bewegender Laser oder eine individuell bedruckte Linse.

Kommentare?

Kann die Ebene gekrümmt werden, so dass der Abstand vernünftig konstant ist?
Nein. Die Ebene ist die Unterseite eines SLA-Druckers – eine flache Druckoberfläche ist mehr oder weniger eine Voraussetzung.
Können Sie uns mehr über Ihre Anwendung erzählen ... insbesondere warum die native Spotgröße des Lasers zu groß ist. Zu wissen, was Sie zu erreichen versuchen, wird Ihnen helfen.
Programmieren Sie einen Servo, um die Linse vorwärts zu bewegen, wenn der Strahl einen längeren Weg zurücklegt; Sie müssen die Weglänge als Funktion des Winkels berechnen und für das Programm verwenden.
@PeterDiehr: Kein schlechter Gedanke, aber da der Galvo ~ 30 kpps erreichen kann, müsste es eine sehr schnelle Servoschleife sein, die ein relativ schweres Lasermodul bewegt (die Linse ist in das Lasermodul eingebaut).
@garyp: Ich möchte ein Lasermodul wie dieses verwenden: [ uk.civillaser.com/… um UV-empfindliches Harz in einem Top-Down-SLA-3D-Drucker zu härten. Das Lasermodul hat eine variable Brennweite, ist aber nicht schnell variabel (obwohl ich denke, dass es möglich wäre, einen Servomechanismus für die Fokuseinstellung einzurichten). Offensichtlich hängt die Druckqualität davon ab, wie genau der Strahl auf die Druckoberfläche fokussiert werden kann.
Insgesamt hatte ich gehofft, dass es möglich wäre, eine andere Linse zu verwenden, um den Strahl auf eine Ebene und nicht auf eine Kugel zu fokussieren - wie ich in der Frage sagte, besteht eine Möglichkeit darin, das Galvo weit genug von der Bauebene entfernt zu machen, dass es nähert sich einer Kugel an, aber das führt zu einer unhandlich großen Maschine.
Ich habe in einem Labor mit einem ähnlichen Projekt gearbeitet. So machten sie es; Das Servoprogramm wurde für das Servo und die Galvos im Voraus berechnet. dann synchron gehalten.
Ich denke, eine andere Möglichkeit besteht darin, den Strahl so nahe wie möglich auf Unendlich zu fokussieren (dh so nah wie möglich an einem kollimierten Strahl) und dann eine Linse hinter dem Galvo zu platzieren. Irgendwelche Gedanken?
Sie müssten diese nachgeschaltete Linse in Abstimmung mit den Galvos übersetzen; dies scheint viel schwieriger zu sein als eine leichte Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, die erforderlich ist, um die Weglänge konstant zu halten.
Wie wäre es stattdessen mit einem kollimierten Strahl mit kleinem Durchmesser? Dann müssen Sie sich keine Gedanken über die Delta-Brennweite machen.
@Karl: evtl. Aber ich bin mir nicht sicher, wie das mit den (relativ) preiswerten Komponenten möglich ist. Zwei Bedenken: Erstens, wie man überhaupt einen kollimierten Strahl aus dieser Laserquelle bildet. Zweitens, ob die Spiegel am Galvo der Leistungsdichte standhalten. Eigentlich ist der zweite Punkt sowieso ein Problem und ich versuche immer noch, Informationen vom Lieferanten über die Spezifikation der Spiegel zu erhalten, mit denen er geliefert wird.

Antworten (3)

Wenn der Ablenkwinkel überhaupt groß ist, denke ich, dass die Korrektorplatte in der Mitte sehr dick sein wird, möglicherweise einen großen Bruchteil der Brennweite. Wenn der Strahl parallel und nicht vor dem Spiegel fokussiert wäre, würde der Korrektor zu einer großen Linse, die den Strahl auf ein flaches Feld fokussiert.

..obwohl ich nicht sage, dass das einfach zu entwerfen wäre! ...
Ich glaube nicht, dass Sie es so gestalten können, dass der Strahl normal in das Material eintritt und es verlässt. Dann würde der Strahl beim Eintritt nicht abgelenkt, und um senkrecht zu beiden Oberflächen zu sein, müssten die Oberflächen parallel sein, dh die beiden Flächen wären konzentrische Kugeln, daher hätte das Material eine gleichmäßige Dicke und keine Wirkung.
Danke Peter. Ja, ich denke, der Versuch, einen (fast) parallelen Strahl vor den Spiegel und dann eine große (ähnliche) Linse zu bekommen, scheint der richtige Weg zu sein. Je länger die Brennweite, desto näher kann das Objektiv an den Spiegel herangeführt werden und desto kleiner kann der Durchmesser des Objektivs sein. Über das Lasermodul muss ich noch einmal nachdenken und versuchen, etwas mit Kollimationsoptik statt Fokussieroptik zu finden (Strahldurchmesser ist natürlich kein Problem, da ich es später nur auf einen Punkt fokussieren werde). sowieso - in gewisser Weise ist größer besser, um die Leistungsdichte in der Optik zu reduzieren).
Ja. Natürlich lag ich mit "keine Wirkung" nicht ganz richtig. Was ich meinte, ist, dass es nur die Fokusfläche von einer unerwünschten Kurve zur anderen verschieben würde. Wenn Sie die Linse groß machen müssen, möchten Sie sie vielleicht als Fresnel-Linse verwenden, damit sie nicht zu dick wird, obwohl dies zu Ausreißern führen kann, wenn der Strahl über die Stufen läuft. Viel Glück
@Tom auf jeden Fall! Mein Wort ist kein Gesetz, dies tauchte nur als Flag in den Überprüfungswarteschlangen auf und meine schnelle Einschätzung war, dass es keine umfassende Antwort zu sein schien. Aber wenn Sie der Meinung sind, dass Ihre Frage beantwortet wurde, können Sie sie als akzeptierte Antwort markieren!
Meiner Erfahrung nach bedürfen sinnvolle Fragen in der Regel einer Klärung durch den Fragesteller. Diejenigen, die dies nicht tun, werden normalerweise in Standardlehrbüchern beantwortet. Ich denke, mein erster Kommentar hat zwei relevante Punkte angesprochen, die von anderen Mitwirkenden nicht angesprochen wurden. Tatsächlich hatte Tom zwischen den früheren Kommentaren und meinen in die gleiche Richtung gedacht, aber wenn er es nicht getan hätte, denke ich gerne, dass sie hilfreich gewesen wären. Kyle, da dein Wort kein Gesetz ist, könnte es hilfreich sein, den Imperativ nicht zu verwenden. :)

Das Problem besteht darin, richtig fokussiertes Licht von einer Linse mit fester Position auf eine planare Oberfläche zu liefern. Jedes Verfahren, das die optische Weglänge konstant hält, während der Strahl nicht gebrochen wird, würde funktionieren.

Führen Sie daher eine sorgfältig entworfene transparente Phasenplatte ein, bei der die optische Dicke an jedem Punkt den kürzeren Weg kompensieren soll; Somit wäre die Platte in der Mitte des Feldes dicker und zu den Rändern hin dünner. Die Mindestdicke wird durch statische Anforderungen bestimmt, damit sie fest an Ort und Stelle gehalten werden kann.

Idealerweise würde der Strahl senkrecht zur Oberfläche in das Material eintreten und es verlassen, so dass es keine Fokussierungseffekte gibt; Die berechneten Abstände für jeden der Galvowinkel und die Stelle, an der die Strahlen diese Platte schneiden würden, liefern die meisten erforderlichen Informationen.

Dies ist ein passives Element; keine beweglichen Teile mehr; es muss nur sauber gehalten werden.

Nachdem ich zehn Sekunden lang darüber nachgedacht habe, frage ich mich, ob es möglich ist, dies zu tun, ohne den Strahl zu brechen. Der optische Pfad der Optik müsste sich kontinuierlich mit dem Winkel ändern, was ein gekrümmtes Phasenprofil zu implizieren scheint.
@garyp: Richtig! Es ist wie das Entwerfen einer Kamera, aber 2D. Sie konnten Formen mit ihrem 3D-Drucker drucken. Für ein Standardsystem wäre dies viel billiger und zuverlässiger als das Hinzufügen weiterer beweglicher Teile.
Aber geht das auch ohne Strahlbrechung? Vielleicht sollte ich das Wort "erheblich" am Ende hinzufügen. Modellierung ist erforderlich, denke ich.
@Garyp: Ich stimme zu; Änderungen der Brennpunktgröße wären das Maß für eine akzeptable Variation. Ich stelle mir eine sehr glatte Oberfläche vor, mit einer langsamen Formänderung. Aber alles beginnt mit einem Modell, das die optische Weglänge zeigt, wenn die beiden Galvowinkel geändert werden, um jeden Punkt der Ebene zu erreichen. Dies wiederum hängt von der tatsächlichen Geometrie des Aufbaus ab.

Abhängig von der Gesamtgröße des Layouts möchten Sie möglicherweise eine Feldebnungslinse. Ich weiß nicht, wie groß Ihr Bildschirm ist, aber für die Petzval-Krümmung (die natürliche Feldkrümmung für alle optischen Systeme, gegeben durch P = Sum (poweri / ni), wobei die Leistung 1 / (Brennweite) und n der Brechungsindex ist des Glases. Aber dies ist keine Feldkrümmung. Ich sage nur, dass Sie zur Korrektur der Krümmung eine Linse auf dem Bildschirm platzieren können. Für ein konkaves gekrümmtes Feld würden Sie eine konkave/plano Linse verwenden. Für eine konvex gekrümmte Feld, würden Sie ein Objektiv mit positiver Brechkraft benötigen. Sie möchten die Brennweite als Funktion des Feldwinkels länger machen, damit das Licht auf den Flachbildschirm fokussiert wird, anstatt davor auf die Kugel. Sie würden also ein konkaves / Plano-Linse auf Ihrem Bildschirm. In Ihrer Situation wahrscheinlich nicht anwendbar. Abhängig von der Größe von allem könnten Sie ein F / Theta-Objektiv oder ein telezentrisches Setup in Betracht ziehen. Platzieren Sie den Galvo in der vorderen Brennebene Ihres Objektivs. Das kollimierte Licht wird durch die Linse fokussiert und wird in einer Entfernung f fokussiert (gleiche Entfernung von der Linse wie das Galvo). Aber da sich das Galvo in der vorderen Brennebene befindet, bedeutet dies, dass sich Ihre Blendenblende effektiv auch in der vorderen Brennebene befindet und alle Ihre konvergierenden Strahlen parallel sind. Der Punkt wird immer auf dem Bildschirm fokussiert. Wenn das Element groß ist, sollten Sie anstelle einer Linse eine außeraxiale Parabel verwenden. Effektiv hat Ihr Abbildungselement (Linse oder Spiegel) die gleiche Größe wie Ihr Bildschirm. Aber es funktioniert sehr gut. Ich habe eine einfache Power Point-Zeichnung, kann aber nicht herausfinden, wie ich sie hier anhängen kann. Platzieren Sie den Galvo in der vorderen Brennebene Ihres Objektivs. Das kollimierte Licht wird durch die Linse fokussiert und wird in einer Entfernung f fokussiert (gleiche Entfernung von der Linse wie das Galvo). Aber da sich das Galvo in der vorderen Brennebene befindet, bedeutet dies, dass sich Ihre Blendenblende effektiv auch in der vorderen Brennebene befindet und alle Ihre konvergierenden Strahlen parallel sind. Der Punkt wird immer auf dem Bildschirm fokussiert. Wenn das Element groß ist, sollten Sie anstelle einer Linse eine außeraxiale Parabel verwenden. Effektiv hat Ihr Abbildungselement (Linse oder Spiegel) die gleiche Größe wie Ihr Bildschirm. Aber es funktioniert sehr gut. Ich habe eine einfache Power Point-Zeichnung, kann aber nicht herausfinden, wie ich sie hier anhängen kann. Platzieren Sie den Galvo in der vorderen Brennebene Ihres Objektivs. Das kollimierte Licht wird durch die Linse fokussiert und wird in einer Entfernung f fokussiert (gleiche Entfernung von der Linse wie das Galvo). Aber da sich das Galvo in der vorderen Brennebene befindet, bedeutet dies, dass sich Ihre Blendenblende effektiv auch in der vorderen Brennebene befindet und alle Ihre konvergierenden Strahlen parallel sind. Der Punkt wird immer auf dem Bildschirm fokussiert. Wenn das Element groß ist, sollten Sie anstelle einer Linse eine außeraxiale Parabel verwenden. Effektiv hat Ihr Abbildungselement (Linse oder Spiegel) die gleiche Größe wie Ihr Bildschirm. Aber es funktioniert sehr gut. Ich habe eine einfache Power Point-Zeichnung, kann aber nicht herausfinden, wie ich sie hier anhängen kann. Aber da sich das Galvo in der vorderen Brennebene befindet, bedeutet dies, dass sich Ihre Blendenblende effektiv auch in der vorderen Brennebene befindet und alle Ihre konvergierenden Strahlen parallel sind. Der Punkt wird immer auf dem Bildschirm fokussiert. Wenn das Element groß ist, sollten Sie anstelle einer Linse eine außeraxiale Parabel verwenden. Effektiv hat Ihr Abbildungselement (Linse oder Spiegel) die gleiche Größe wie Ihr Bildschirm. Aber es funktioniert sehr gut. Ich habe eine einfache Power Point-Zeichnung, kann aber nicht herausfinden, wie ich sie hier anhängen kann. Aber da sich das Galvo in der vorderen Brennebene befindet, bedeutet dies, dass sich Ihre Blendenblende effektiv auch in der vorderen Brennebene befindet und alle Ihre konvergierenden Strahlen parallel sind. Der Punkt wird immer auf dem Bildschirm fokussiert. Wenn das Element groß ist, sollten Sie anstelle einer Linse eine außeraxiale Parabel verwenden. 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Optik zur Korrektur der Brennweite über eine Ebene
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