Óptica para corregir la distancia focal en un plano

Tengo un rayo láser que se enfoca en un punto a cierta distancia. Luego voy a usar un galvanómetro para escanear ese rayo a través de un plano. Obviamente, a medida que el rayo recorre el plano, la distancia entre la fuente del rayo y el plano variará y, por lo tanto, el rayo solo se enfocará en una parte del plano (un círculo equidistante del eje central del galvo). Quiero minimizar este efecto.

Obviamente, cuanto más lejos esté el galvo del plano donde quiero enfocar el haz, menos significativo será este efecto. Sin embargo, eso lo convierte en una máquina incómodamente grande.

¿Hay algún tipo de óptica que pueda usar para corregir esto de modo que el haz se enfoque correctamente en el plano objetivo?

Editar Quería agregar esto como un comentario, pero no creo que pueda poner imágenes en los comentarios. ¿Qué pasa con este arreglo:

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Esto se basa en poder formar un haz colimado del láser; en la práctica, creo que tendrá una divergencia de haz notable, pero no estoy seguro de qué tan malo sería. Enfoca el rayo en el plano objetivo, independientemente de la dirección que se dé desde el galvo:

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Obviamente, tendré que corregir la desviación introducida por la lente, y es un poco molesto porque aumenta la desviación del espejo requerida para una desviación del haz dada. Pero es mucho más fácil que, por ejemplo, un láser en movimiento o una lente impresa a medida.

¿Comentarios?

¿Puede el plano volverse curvo de modo que la distancia sea sensiblemente constante?
No. El plano es la parte inferior de una impresora SLA: una superficie de impresión plana es más o menos un requisito.
¿Puede decirnos más sobre su aplicación... especialmente por qué el tamaño de punto nativo del láser es demasiado grande? Saber lo que está tratando de lograr le ayudará.
Programe un servo para mover la lente hacia adelante a medida que el haz recorre un camino más largo; tendrá que calcular la longitud de la ruta en función del ángulo y usarla para el programa.
@PeterDiehr: No es una mala idea, aunque dado que el galvo es capaz de ~ 30 kpps, tendría que ser un bucle de servo muy rápido que mueva un módulo láser relativamente pesado (la lente está integrada en el módulo láser).
@garyp: Busco usar un módulo láser como este: [ uk.civillaser.com/… para curar la resina sensible a los rayos UV en una impresora 3D SLA de arriba hacia abajo. El módulo láser tiene una distancia focal variable, pero no es variable rápidamente (aunque supongo que sería posible montar un mecanismo servo para el ajuste del enfoque). Obviamente, la calidad de la impresión va a depender de cómo se puede enfocar exactamente el haz en la superficie de impresión.
En general, esperaba que fuera posible usar otra lente para enfocar el haz en un plano en lugar de una esfera; como dije en la pregunta, una opción es hacer que el galvo esté lo suficientemente lejos del plano de construcción para que se aproxima a una esfera, pero eso conduce a una máquina torpemente grande.
Trabajé en un laboratorio con un proyecto similar. Así fue como lo hicieron; el programa de servo se calculó de antemano para el servo y los galvos; luego se mantiene sincronizado.
Supongo que otra opción es enfocar el haz lo más cerca posible del infinito (es decir, lo más cerca posible de un haz colimado) y luego colocar una lente aguas abajo del galvo. ¿Alguna idea?
Tendrías que traducir esta lente aguas abajo en coordinación con los galvos; esto parece mucho más difícil que un ligero movimiento hacia adelante y hacia atrás requerido para mantener constante la longitud de la trayectoria.
¿Qué tal si formas un haz colimado de diámetro pequeño en su lugar? Entonces no tienes que preocuparte por la distancia focal delta.
@Carl: tal vez. Pero no estoy seguro de cuán posible es eso con los componentes económicos (relativamente) involucrados. Dos preocupaciones: primero, cómo formar un haz colimado desde esa fuente láser. En segundo lugar, si los espejos del galvo pueden soportar la densidad de potencia. En realidad, el segundo punto es una preocupación de todos modos y todavía estoy tratando de obtener información del proveedor sobre las especificaciones de los espejos con los que viene.

Respuestas (3)

Si el ángulo de desviación es grande, creo que la placa correctora será muy gruesa en el centro, posiblemente una gran fracción de la distancia focal. Si el haz fuera paralelo en lugar de enfocado frente al espejo, el corrector se convertiría en una gran lente que enfoca el haz en un campo plano.

..aunque no digo que sea fácil de diseñar! ...
No creo que puedas diseñarlo para que el haz entre y salga normalmente del material. Entonces el haz no se desviaría al entrar y para ser normal a ambas superficies, las superficies tendrían que ser paralelas, es decir, las dos caras serían esferas concéntricas, por lo que el material tendría un grosor uniforme y ningún efecto.
Gracias, Pedro. Sí, creo que tratar de obtener un haz (casi) paralelo antes del espejo y luego una lente grande (más o menos) parece ser el camino a seguir. Cuanto mayor sea la distancia focal, más cerca podrá estar la lente del espejo y, por lo tanto, menor será el diámetro de la lente. Tendré que volver a pensar en el módulo láser e intentar encontrar algo con óptica de colimación en lugar de óptica de enfoque (el diámetro del haz no es un problema, por supuesto, ya que solo voy a enfocarlo en un punto más adelante). de todos modos, de alguna manera, más grande es mejor para reducir la densidad de potencia en la óptica).
Sí. Por supuesto que no estaba del todo bien acerca de "sin efecto". Lo que quise decir es que solo movería la superficie focal de una curva no deseada a otra. Si tiene que hacer que la lente sea grande, es posible que desee hacerlo como una lente de Fresnel, para que no se vuelva demasiado gruesa, aunque esto podría crear destellos a medida que el haz pasa por los escalones. Buena suerte
@Tom por todos los medios! Mi palabra no es la ley, esto simplemente apareció como una bandera en las colas de revisión y mi evaluación rápida fue que no parecía una respuesta completa. Pero si cree que su pregunta ha sido respondida, ¡puede marcarla como la respuesta aceptada!
En mi experiencia, las preguntas significativas generalmente requieren una aclaración por parte del autor de la pregunta. Aquellas que no se responden generalmente en los libros de texto estándar. Creo que mi primer comentario hizo dos puntos relevantes que no habían sido planteados por otros colaboradores. De hecho, Tom había estado pensando en la misma línea entre los comentarios anteriores y los míos, pero si no lo hubiera hecho, me gustaría pensar que podrían haber sido útiles. Kyle, como tu palabra no es ley, podría ser útil no usar el imperativo. :)

El problema es entregar luz enfocada correctamente a una superficie plana desde una lente con una ubicación fija. Cualquier método que mantenga constante la longitud del camino óptico, sin refractar el haz, funcionaría.

Por lo tanto, introduzca una placa de fase transparente cuidadosamente diseñada, donde el grosor óptico en cada punto esté destinado a compensar el camino más corto; por lo tanto, la placa sería más gruesa en el centro del campo y más delgada hacia los bordes. El grosor mínimo está determinado por los requisitos estructurales, de modo que pueda mantenerse rígidamente en su lugar.

Idealmente, el haz entraría y saldría del material normal a la superficie, de modo que no haya efectos de enfoque; las distancias calculadas para cada uno de los ángulos del galvo y la ubicación donde los rayos se cruzarían con esta placa proporcionan la mayor parte de la información requerida.

Este es un elemento pasivo; no más partes móviles; solo tiene que mantenerse limpio.

Después de considerar esto durante diez segundos, me pregunto si es posible hacer esto sin refractar el haz. La trayectoria óptica de la óptica tendría que cambiar continuamente con el ángulo, lo que parece implicar un perfil de fase curvo.
@garyp: ¡Correcto! Es como diseñar una cámara, pero en 2D. Podían imprimir moldes con su impresora 3D. Para un sistema estándar, esto sería mucho más económico y confiable que agregar más partes móviles.
Pero, ¿se puede hacer sin refractar el haz? Tal vez debería agregar la palabra "significativamente" al final. Se necesita modelado, creo.
@Garyp: Estoy de acuerdo; los cambios en el tamaño del punto focal serían la medida de variación aceptable. Me imagino una superficie muy lisa, con un lento cambio de forma. Pero todo comienza con un modelo que muestra la longitud del camino óptico a medida que se cambian los dos ángulos del galvo para llegar a cada punto del plano. Esto, a su vez, depende de la geometría real de la configuración.

Según el tamaño total del diseño, es posible que desee una lente aplanadora de campo. No sé qué tan grande es su pantalla, pero para la curvatura de Petzval (la curvatura de campo natural para todos los sistemas ópticos dada por P = Sum(poweri/ni), donde power es 1/(longitud focal) y n es el índice de refracción del vidrio. Pero esto no es curvatura de campo. Solo digo que para corregir la curvatura puede colocar una lente en la pantalla. Para un campo curvo que es cóncavo, usaría una lente cóncava/plana. Para una curva convexa campo, necesitaría una lente de potencia positiva. Desea que la distancia focal sea más larga en función del ángulo de campo para que la luz se enfoque en la pantalla plana en lugar de frente a ella en la esfera. Por lo tanto, necesitaría una lente cóncava / lente plano en su pantalla Probablemente no aplicable en su situación. Dependiendo del tamaño de todo, podría considerar una lente F/theta o una configuración telecéntrica. Coloque el galvo en el plano focal frontal de su lente. La luz colimada es enfocada por la lente y se enfocará a una distancia f (la misma distancia de la lente que el galvo). Pero dado que el galvo está en el plano focal frontal, eso significa que su tope de apertura también está efectivamente en el plano focal frontal y todos sus haces convergentes serán paralelos. El spot siempre estará enfocado en la pantalla. Podría considerar usar una parábola fuera del eje en lugar de una lente si el elemento es grande. Efectivamente, su elemento de imagen (lente o espejo) tendrá el mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. Coloque el galvo en el plano focal frontal de su lente. La luz colimada es enfocada por la lente y se enfocará a una distancia f (la misma distancia de la lente que el galvo). Pero dado que el galvo está en el plano focal frontal, eso significa que su tope de apertura también está efectivamente en el plano focal frontal y todos sus haces convergentes serán paralelos. El spot siempre estará enfocado en la pantalla. Podría considerar usar una parábola fuera del eje en lugar de una lente si el elemento es grande. Efectivamente, su elemento de imagen (lente o espejo) tendrá el mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. Coloque el galvo en el plano focal frontal de su lente. La luz colimada es enfocada por la lente y se enfocará a una distancia f (la misma distancia de la lente que el galvo). Pero dado que el galvo está en el plano focal frontal, eso significa que su tope de apertura también está efectivamente en el plano focal frontal y todos sus haces convergentes serán paralelos. El spot siempre estará enfocado en la pantalla. Podría considerar usar una parábola fuera del eje en lugar de una lente si el elemento es grande. Efectivamente, su elemento de imagen (lente o espejo) tendrá el mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. Pero dado que el galvo está en el plano focal frontal, eso significa que su tope de apertura también está efectivamente en el plano focal frontal y todos sus haces convergentes serán paralelos. El spot siempre estará enfocado en la pantalla. Podría considerar usar una parábola fuera del eje en lugar de una lente si el elemento es grande. Efectivamente, su elemento de imagen (lente o espejo) tendrá el mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. Pero dado que el galvo está en el plano focal frontal, eso significa que su tope de apertura también está efectivamente en el plano focal frontal y todos sus haces convergentes serán paralelos. El spot siempre estará enfocado en la pantalla. Podría considerar usar una parábola fuera del eje en lugar de una lente si el elemento es grande. Efectivamente, su elemento de imagen (lente o espejo) tendrá el mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. su elemento de imagen (lente o espejo) será del mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí. su elemento de imagen (lente o espejo) será del mismo tamaño que su pantalla. Pero funciona muy bien. Tengo un dibujo de Power Point simple, pero no sé cómo adjuntarlo aquí.