CN101236291A - 远心F-theta光学镜头及光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种远心F－theta光学镜头及光学系统，该光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、二、三、四透镜，第一透镜为双凹型负透镜；第二透镜为曲面朝向入光侧的弯月型正透镜；第三透镜为平凸型或双凸型正透镜；第四透镜为凸平型或双凸型正透镜。此外，各透镜的光焦度与该光学镜头的系统光焦度优选满足：－0.65＜f1/fw＜－0.55，1.6＜f2/fw＜2.5，0.8＜f3/fw＜1.2，2.2＜f4/fw＜2.5，其中f1、f2、f3、f4分别为第一、二、三、四透镜的光焦度，fw为该光学镜头的系统光焦度。通过将四个透镜布局成“负－正－正－正”分离的光焦度系统，使F－theta光学镜头的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线互相平行并垂直于成像面。此外，像散和场曲得到很好的校正，在全视场上成像均匀，没有渐晕。

Description

远心F-theta光学镜头及光学系统
【技术领域】
本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种适于激光应用的远心F-theta光学镜头以及使用该光学透镜的光学系统。
【背景技术】
随着科技的不断进步，激光应用已深入到我们现代生活的各个方面。例如，激光打标机以其速度快、灵活性强、无耗材、标记永久性等优势已逐渐替代各种传统印字机、丝印机。此外，随着工业的发展，激光应用领域也在不断地扩大，包括激光划片、激光切割、激光钻孔在内的各种激光应用由于其优良的加工品质也逐渐得到广泛应用。
在激光打标、激光划片、激光切割、激光钻孔等诸多激光应用领域中均会使用到F-theta光学镜头。F-theta光学镜头的作用是将平行入射光成像在成像面上，同时使像高与扫描角度层正比。在使用普通F-theta光学镜头进行钻孔时，由于普通F-theta光学镜头的像方主光线与成像面之间有一定的倾角，特别在视场较大的边缘区域，该倾角甚至可以达到15-20°。用普通镜头F-theta光学镜头钻出来的孔将倾斜变形。
【发明内容】
为了解决现有技术的F-theta光学镜头的像方主光线与成像面成一定倾角，使得加工边缘倾斜变形的技术问题，本发明提出了一种出瞳位于无穷远处，视场内的像方主光线互相平行并垂直于成像面的远心F-theta光学镜头以及光学系统。
本发明解决现有技术的F-theta光学镜头的像方主光线与成像面成一定倾角，使得加工边缘倾斜变形的技术问题所采用的技术方案是：提供一种远心F-theta光学镜头，该光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二、第三以及第四透镜，其中第一透镜为双凹型负透镜；第二透镜为曲面朝向入光侧的弯月型正透镜；第三透镜为平凸型或双凸型正透镜；第四透镜为凸平型或双凸型正透镜。
根据本发明一优选实施例，第一、第二、第三以及第四透镜的光焦度与光学镜头的系统光焦度满足：
-0.65＜f1/fw＜-0.55，
1.6＜f2/fw＜2.5，
0.8＜f3/fw＜1.2，
2.2＜f4/fw＜2.5
其中：f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，f4为第四透镜的光焦度，fw为光学透镜的系统光焦度。
本发明解决现有技术的F-theta光学镜头的像方主光线与成像面成一定倾角，使得加工边缘倾斜变形的技术问题所采用的另一种技术方案是：提供一种光学系统，该光学系统包括：F-theta光学镜头；可绕两个正交轴转动并导引光束在F-theta光学镜头上进行扫描的第一和第二振镜，其中F-theta光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二、第三以及第四透镜，其中第一透镜为双凹型负透镜；第二透镜为曲面朝向入光侧的弯月型正透镜；第三透镜为平凸型或双凸型正透镜；第四透镜为凸平型或双凸型正透镜。
根据本发明一优选实施例，第一、第二、第三以及第四透镜的光焦度与光学镜头的系统光焦度满足：
-0.65＜f1/fw＜-0.55，
1.6＜f2/fw＜2.5，
0.8＜f3/fw＜1.2，
2.2＜f4/fw＜2.5
其中：f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，f4为第四透镜的光焦度，fw为光学透镜的系统光焦度。
根据本发明一优选实施例，第一透镜距相邻振镜的距离为20mm-50mm。
根据本发明一优选实施例，该光学系统进一步包括设置在第一透镜的入光侧的光阑。
根据本发明一优选实施例，光阑距第一透镜的距离为20mm-50mm。
上述结构的有益效果是：通过将四个透镜布局成“负-正-正-正”分离的光焦度系统，使F-theta光学镜头的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线互相平行并垂直于成像面。此外，像散和场曲得到很好的校正，在全视场上成像均匀，没有渐晕。
【附图说明】
图1是采用本发明的远心F-theta光学镜头的光学系统的结构示意图；
图2是本发明的远心F-theta光学镜头结构示意图；
图3是本发明的远心F-theta光学镜头一优选实施例的光线追迹图；
图4是本发明的远心F-theta光学镜头一优选实施例的像散、场曲及畸变图；
图5是本发明的远心F-theta光学镜头一优选实施例的视场分别为0、0.3、0.5、0.7、0.85以及1.0情况上的光程差图；以及
图6是本发明的远心F-theta光学镜头一优选实施例的光学传递函数(MTF)图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，图1是采用本发明的远心F-theta光学镜头的光学系统的结构示意图。该光学系统可广泛应用于激光打标、激光转孔以及激光切割。由激光源(未图示)所发出的光束顺次经两块绕彼此正交的x轴和y轴转动的振镜1、2，最后通过远心F-theta镜头3聚焦在成像面4上。通过振镜1、2的绕轴摆动实现激光束在成像面4上的扫描。一方面，该远心F-theta镜头3要满足普通F-theta镜头的线性关系，成像面4上的像高与扫描角度成正比。另一方面，远心F-theta镜头3与普通F-theta镜头的不同之处在于像方主光线都垂直于成像面4，从而使得激光加工的加工边缘也能与待加工表面垂直，由此消除由于普通F-theta镜头的像方主光线与成像面4之间存在一定的倾角，而使加工边缘倾斜变形的问题。此外，本发明的远心F-theta镜头还能得到一致的像方孔径角，而改善由于在不同视场情况下产生的像方孔径角不一致而造成成像质量的差别，使得实际成像质量达到较高的一致性。
基于以上设计要求，本发明基于“负-正-正-正”分离的光焦度系统进行设计，如图2所示，图2是本发明的远心F-theta光学镜头结构示意图。在本发明的远心F-theta光学镜头沿入光方面依次包括：光焦度f1为负的第一透镜L1，光焦度f2、f3、f4均为正的第二、第三、第四透镜L2、L3、L4，其中透镜L1为双凹型负透镜、透镜L2为曲面朝向入光侧的弯月型正透镜，透镜L3为平凸型或双凸型正透镜，透镜L4为凸平型或双凸型正透镜。在优选实施例中，各透镜的光焦度与该F-theta光学镜头的系统光焦度fw满足：
-0.65＜f1/fw＜-0.55
1.6＜f2/fw＜2.5
0.8＜f3/fw＜1.2
2.2＜f4/fw＜2.5
根据以上要求，本申请进一步提供了一个设计实例：
透镜L1分别由曲率半径为R1＝-31.05mm、R2＝1577.6mm的两个曲面S1、S2构成，其距振镜2距离d0＝20-50mm。光轴上的中心厚度d1＝1.5mm，材料为Nd1∶Vd1(折射率/色散系数)＝1.46/68；透镜L2分别由曲率半径为R3＝-78.34mm、R4＝-45.19mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝12.6mm，材料为Nd3∶Vd3＝1.46/68；透镜L3分别由曲率半径为R5＝0mm，R6＝-56.49mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝15mm，材料为Nd5∶Vd5＝1.46/68；透镜L4分别由曲率半径为R7＝112.98mm、R8＝0mm的两个曲面S7、S8构成，其光轴上的中心厚度d7＝12mm，材料为Nd7∶Vd7＝1.46/68；透镜L1与透镜L2在光轴上的间距为d2＝5.2mm，透镜L2与透镜L3在光轴上的间距为d4＝0.5mm，透镜L3与透镜L4在光轴上的间距为d6＝0.5mm，透镜L4与成像面4在光轴上的间距为d8＝140mm。具体结构参数如下表所示：
Figure A20071007316100071
此外，通过上述结构参数所设计的F-theta光学镜头的其它数据或参数分别如下所示：
fw＝106.3mm，D/fw＝1∶12.5，
λ＝266nm，  2ω＝50°，
f1/fw＝-0.6，f2/fw＝1.88，
f3/fw＝1.12，f4/fw＝2.23，
其中fw为整个光学镜头的系统光焦度，f1、f2、f3，f4分别为四个透镜的光焦度，2ω为视场角，D/fw为数值孔径。
根据上述设计方案，通过计算机模拟可以得到图3-图6的模拟结果。其中，图3为上例中的光线追迹图，图4为像散、场曲及畸变图，图5为视场分别为0、0.3、0.5、0.7、0.85以及1.0各视场上的光程差图，图6为光学传递函数(MTF)图。通过上图我们可以看出，本设计实例的F-theta光学镜头的出瞳位于在无限远处，视场内的像方主光线都互相平行，从而像方主光线与成像面垂直。此外，该F-theta光学镜头的像散与场曲得到很好的较正，光程差最大不超过0.5λ，且从光学传递函数(MTF)图上看，各视场的MTF值均较一致，说明在全视场上成像均匀，没有渐晕存在。
由于该远心F-theta镜头也属于一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物镜，在本发明中它要保证其光阑位置为物方焦点位置。由于振镜的位置离镜头的距离受到结构方面的限制，光阑位置一般要求的第一镜片之前的20mm-50mm的范围内。
在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在不脱离本发明所保护的范围和精神的情况下，可根据不同的实际需要设计出各种实施方式。

Claims (7)

1. 一种远心F-theta光学镜头，其特征在于：所述光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二、第三以及第四透镜，其中所述第一透镜为双凹型负透镜；所述第二透镜为曲面朝向出光侧的弯月型正透镜；所述第三透镜为平凸型或双凸型正透镜；所述第四透镜为凸平型或双凸型正透镜。
2. 如权利要求1所述的远心F-theta光学镜头，其特征在于：所述第一、第二、第三以及第四透镜的光焦度与所述光学镜头的系统光焦度满足：
-0.65＜f1/fw＜-0.55，
1.6＜f2/fw＜2.5，
0.8＜f3/fw＜1.2，
2.2＜f4/fw＜2.5
其中：f1为所述第一透镜的光焦度，f2为所述第二透镜的光焦度，f3为所述第三透镜的光焦度，f4为所述第四透镜的光焦度，fw为所述光学透镜的系统光焦度。
3. 一种光学系统，所述光学系统包括：F-theta光学镜头；可绕两个正交轴转动并导引光束在所述F-theta光学镜头上进行扫描的第一和第二振镜，其特征在于：所述F-theta光学镜头包括沿入光方向依次排列的第一、第二、第三以及第四透镜，其中所述第一透镜为双凹型负透镜；所述第二透镜为曲面朝向入光侧的弯月型正透镜；所述第三透镜为平凸型或双凸型正透镜；所述第四透镜为凸平型或双凸型正透镜。
4. 如权利要求3所述的光学系统，其特征在于：所述第一、第二、第三以及第四透镜的光焦度与所述光学镜头的系统光焦度满足：
-0.65＜f1/fw＜-0.55，
1.6＜f2/fw＜2.5，
0.8＜f3/fw＜1.2，
2.2＜f4/fw＜2.5
其中：f1为所述第一透镜的光焦度，f2为所述第二透镜的光焦度，f3为所述第三透镜的光焦度，f4为所述第四透镜的光焦度，fw为所述光学透镜的系统光焦度。
5. 如权利要求3或4所述的光学系统，其特征在于：所述第一透镜距相邻振镜的距离为20mm-50mm。
6. 如权利要求3或4所述的光学系统，其特征在于：所述光学系统进一步包括设置在所述第一透镜的入光侧的光阑。
7. 如权利要求6所述的光学系统，其特征在于：所述光阑距所述第一透镜的距离为20mm-50mm。
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