Как выбрать линзу F-theta: поле гравировки и фокусное расстояние

Линза F-theta задаёт сразу три параметра станка: размер поля гравировки, диаметр сфокусированного пятна и рабочее расстояние до детали. Менять их по отдельности нельзя — это одна связка. При переходе с поля 70×70 мм на 300×300 мм плотность мощности падает примерно в десять раз, и источник, который уверенно гравировал нержавейку, начинает оставлять на ней еле заметный след. Ниже разбираем, как подобрать линзу для лазерного станка под конкретную задачу и что померить до заказа.

Что делает линза F-theta и чем она отличается от обычной фокусирующей

Линза F-theta формирует плоское поле фокусировки: точка фокуса остаётся в одной плоскости при любом угле отклонения луча. Обычная фокусирующая линза строит фокус по сфере — в центре поля отпечаток резкий, а к краям уходит вверх и размывается.

Название отражает оптическую схему: смещение пятна пропорционально углу отклонения θ, а не его тангенсу. Именно это позволяет галванометрическому сканатору отрабатывать всю рабочую зону без перемещения головы по оси Z. Зеркала поворачиваются, луч проходит через линзу под разными углами — и на всей площади поля сохраняет фокус.

Фокусное расстояние, поле гравировки и диаметр пятна

Чем больше фокусное расстояние линзы, тем больше поле гравировки — и тем крупнее пятно на детали. Обратная сторона большого поля: разрешение падает, а плотность мощности снижается пропорционально квадрату диаметра пятна.

Диаметр пятна оценивают по соотношению d ≈ 1,27 × λ × f × M² / D, где λ — длина волны, f — фокусное расстояние, M² — качество пучка источника, D — диаметр пучка на входе в линзу. Из формулы видно главное: удвоение фокусного расстояния удваивает пятно и уменьшает плотность мощности вчетверо.

Значения приведены для волоконного источника 1064 нм при входном пучке 10 мм и M² около 1,2. У конкретных производителей поля и рабочие расстояния отличаются на единицы процентов — итоговые цифры берём из паспорта линзы.

Два практических следствия из таблицы:

• Мелкий шрифт, штриховые коды и Data Matrix требуют малого поля. На 300×300 мм пятно диаметром около 70 мкм физически не прорисует штрих шириной 0,2 мм.
• Глубокая гравировка и отжиг зависят от мощности лазерного источника и плотности энергии одновременно. Источник 30 Вт на поле 70×70 даёт больше глубины, чем 50 Вт на поле 200×200.

Реальное рабочее поле всегда меньше номинального. По углам пятно вытягивается в эллипс, контраст падает — закладывайте запас 10–15% от заявленного размера.

Не уверены, какое поле закроет ваш типоразмер деталей? Пришлите габарит детали и модель сканатора — подберём фокусное расстояние и проверим совместимость по апертуре. Линзы F-theta есть на складе в Барановичах, отгрузка по всей Беларуси. Связаться с нами.

Рабочее расстояние: почему оно не равно фокусному

Рабочее расстояние — это дистанция от нижнего среза корпуса линзы до поверхности детали, а фокусное — параметр оптической схемы. Отличаются они на десятки миллиметров, и при расчёте оснастки используют именно рабочее расстояние из паспорта.

От него зависит три вещи: высота стойки станка, свободное пространство под деталь и возможность поставить дополнительную оснастку. Например, при работе с поворотным устройством цилиндрическая деталь поднимает зону обработки на высоту центров — если запаса по рабочему расстоянию нет, головку придётся переустанавливать или менять стойку.

Ещё один нюанс: фокусирующая линза для лазерного станка с большим фокусным расстоянием уводит оптику дальше от зоны обработки. Для лазерной сварки и очистки это плюс — меньше брызг долетает до стекла. Для гравировки мелких деталей — минус, потому что растёт пятно.

Длина волны: линзы не взаимозаменяемы

Линза оптическая для лазерного станка рассчитана на одну длину волны — просветляющее покрытие и материал подбираются под неё. Совпадение резьбы не означает совместимость.

• 1064 нм — волоконные источники. Кварц или оптическое стекло со специальным покрытием.
• 355 нм — УФ-станки. Только кварц, покрытие под ультрафиолет.
• 532 нм — «зелёные» источники для маркировки пластиков и меди.
• 10,6 мкм — CO₂-станки. Материал — селенид цинка, конструкция и правила обращения отличаются принципиально.

Что происходит при ошибке: покрытие не пропускает излучение, линза поглощает энергию и нагревается, часть мощности отражается обратно в оптический тракт. В лучшем случае выгорает покрытие, в худшем повреждается сканатор или изолятор источника. Подробнее о конструктивных различиях — в материале о сравнении CO₂ и волоконных лазеров.

Апертура и посадка: что померить перед заказом

Перед заказом линзы нужно снять четыре параметра. Три из них — из паспорта сканатора и источника, один измеряется штангенциркулем.

Отдельно про апертуру: если входное отверстие линзы меньше выходной апертуры сканатора, край пучка срезается. Мощность на детали падает, а пятно перестаёт быть круглым. Обратная ситуация — линза с большей апертурой — работает, но потенциал по минимальному пятну не раскрывается: диаметр пятна считается по фактическому диаметру пучка, а не по возможностям оптики.

Признаки того, что линза выбрана или установлена неправильно

Большинство проблем с оптикой проявляются как неравномерность гравировки по полю или как беспричинное падение мощности. Разбор по симптомам:

• В центре поля гравировка глубже, по углам слабее. Несовпадение апертуры со сканатором либо работа за пределами полезного поля. Проверяем паспортные значения и уменьшаем рабочую зону в задании.
• Размеры детали не совпадают с макетом. Не загружен коррекционный файл или загружен файл от другой линзы. Лечится калибровкой.
• Мощность упала без изменения настроек. Загрязнение, помутнение или выгорание покрытия. Если лазер теряет мощность, оптику проверяем в первую очередь — это самая частая причина.
• Двоение контура, размытый край. Расфокус: ошибка в рабочем расстоянии либо смещение головы после переустановки.
• Тёмные точки и кратеры на нижней поверхности. Брызги от сварки или очистки. Меняем защитное стекло. Саму линзу, как правило, спасать уже поздно, если стекла не было.

Порядок проверки оптического тракта, если симптом не очевиден, описан в материале про диагностику лазерного излучателя. Если мощность упала, а источник исправен, причина чаще всего в оптике.

После замены линзы: калибровка поля в EzCad

Замена линзы без калибровки даёт расхождение размеров на детали относительно макета — от долей миллиметра до нескольких миллиметров по краям поля. Порядок действий:

1. Загрузить коррекционный файл, соответствующий новому фокусному расстоянию.
2. Указать фактический размер поля в параметрах устройства.
3. Програвировать тестовый квадрат заданного размера — например, 50×50 мм — по центру поля.
4. Замерить стороны штангенциркулем и скорректировать масштабный коэффициент.
5. Повторить тест по углам поля: проверяем равномерность и отсутствие трапеции.
6. Совместить луч красного указателя с реальной зоной обработки.

Пошаговая работа с масштабом разобрана в статье о том, как настроить размерность в EzCad. Если после замены линзы «поехала» ещё и геометрия, смотрите настройки геометрии при запуске станка. Подбор параметров под конкретный материал после смены поля — в материале про резку и гравировку металлов в EzCad2: при изменении пятна мощность и скорость приходится пересчитывать заново.

Алгоритм выбора линзы за пять шагов

1. Длина волны источника. Отсекает несовместимые варианты сразу.
2. Габарит детали. Помещается ли она в одно поле или допустима разбивка на сегменты с перепозиционированием.
3. Минимальный элемент рисунка. Высота шрифта, ширина штриха Data Matrix — задают предельный диаметр пятна.
4. Тип задачи. Отжиг и поверхностная маркировка терпят крупное пятно, глубокая гравировка и рез — нет.
5. Механика. Апертура и резьба сканатора, рабочее расстояние с запасом под оснастку.

Если на четвёртом шаге требования по глубине и по габариту детали противоречат друг другу, то задача не решается заменой линзы. Варианты: разбивка поля на сегменты, источник большей мощности либо станок с другой конфигурацией. Есть и промежуточное решение — держать две сменные линзы под разные типы заказов; в каталоге представлены модели с разными фокусными расстояниями.

Если поле нужного размера в принципе не закрывается вашим станком, вопрос решается не линзой, а конфигурацией оборудования. Поможем подобрать модель под типоразмер деталей, обучим оператора и запустим станок на вашей площадке. Подбор станка.