CN101369046A - 光学镜头 - Google Patents

Abstract

一种用于激光加工使用的光学fθ镜头，包括透镜组和光阑，所述光阑位于透镜组的前方，透镜组包括三个透镜，分别为第一、第二、第三透镜，依次排列为“负－正－正”分离的光焦度系统，所述第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸型正透镜，第二透镜的两个曲面均向着光阑方向弯曲，且整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3，各透镜的焦距与系统的焦距f比率满足以下要求关系：－0.7＜f1/f＜－0.5；1.0＜f2/f＜1.3；0.8＜f3/f＜1.0。本发明所提供的光学fθ镜头，使得系统的球差、彗差与场曲都达到较好的平衡，使得成像结果良好且在整个像面上成像均匀，且该结构应用于大口径入射的fθ镜头的小型化取得较好的效果。

Description

光学镜头

【技术领域】

本发明涉及一种激光应用的光学镜头，尤其是指在激光加工使用的F-theta(fθ)光学镜头。

【背景技术】

目前，激光应用已深入到我们现代生活的各个方面，在激光应用中便离不开为了符合各种工艺要求的各种应用光学系统。在目前市场上激光打标机，以其速度快，灵活性强，无耗材，标记永久性等特点，已逐渐地替代各种印字机，丝印机等。

fθ(F-theta)镜头是一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物镜，从它要负担的参数来说，选用“三片”型的照相物镜，应该是较为合适的。激光振镜打标机是因为有了fθ(F-theta)镜头才得以实现。图1是一种典型的fθ镜光学系统，光束顺次经两块绕x轴和y轴转动的振镜1、2，最后通过fθ镜3聚焦在像面4上，由振镜扫描形成图像。fθ镜头3是一种平像场的聚焦镜，在打标时，要求在成像面上像高η与X振镜1和Y振镜2的扫描角度θ成线性关系即：η＝f·θ(Sr)。其中，f为fθ镜头3的焦距，θ为振镜的扫描角度(单位为弧度)。

由高斯光学成像理论知，像高η与镜头焦距f和振镜转角θ为下列关系：η＝f·tgθ。它不满足η＝f·θ(Sr)关系式。因此，激光打标系统用常规的镜头是不可行的，这是因为像高η与振镜的转角θ不是呈线性关系变化，所雕刻出来的图形与实物不相似，反而是一个变形的图像。

为了解决这个问题，要求在光学设计时的象差校正中，有意引入畸变Δη，使得满足下式所示关系：η＝(ftgθ-Δη)＝fθ。这个结论是非常重要的。虽然Δη是有意引入的，但决不意味着畸变就可以不考虑，随意大小都可以，Δη应满足下式：

Δη＝f·tgθ-f·θ＝f(tgθ-θ)

上式表明：畸变应为振镜转角的正切和弧度之差与镜头焦距f的乘积时才能满足要求。能满足这个条件的才能称作fθ光学系统。

光学设计的另一个特点，就是要求所有在成像范围内的聚焦点，应有相似的聚焦质量，且不允许有渐晕，以保证所有“刻出”的像点都相一致和清晰。

【发明内容】

本发明所欲解决的技术问题在于提供一种镜头入射光束口径大的中短焦距、能与现有的镜头安装尺寸进行呼唤的小型化光学fθ镜头。

本发明所采用的技术方案是提供一种用于激光加工使用的光学fθ镜头，包括透镜组和光阑，所述光阑位于透镜组的前方，透镜组包括三个透镜，分别为第一、第二、第三透镜，依次排列为“负—正—正”分离的光焦度系统，其中，所述第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸型正透镜，第二透镜的两个曲面均向着光阑方向弯曲，且整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3，各透镜的焦距与整个光学系统的焦距f比率满足以下要求要求：

-0.7<f1/f<-0.5

1.0<f2/f<1.3

0.8<f3/f<1.0。

其中，f1/f＝-0.62；f2/f＝1.11；f3/f＝0.92。

其中，所述第一透镜与光阑的距离为25—60mm。

本发明所提供的光学fθ镜头，使得系统的的球差、彗差与场曲都达到较好的平衡，使得成像结果良好且在整个像面上成像均匀，且该结构应用于大口径入射的fθ镜头的小型化取得较好的效果，且又能与现有的镜头安装尺寸进行互换，同时，在透镜总个数仍为三片的情况下，使得孔径、慧差、球差与像散得到较好的平衡。

【附图说明】

图1是一种典型的fθ镜头光学系统示意图。

图2是本发明镜头的光学系统结构示意图。

图3为本发明fθ镜头较佳实施例1中的光线追迹图。

图4为本发明fθ镜头较佳实施例1中的像散、场曲及畸变。

图5为本发明fθ镜头较佳实施例1中的视场分别为0、0.3、0.5、0.7、0.85以及1.0各视场上的光程差图。

图6为本发明fθ镜头较佳实施例1中的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一段步说明。

fθ(F-theta)镜头是一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物镜，从它要负担的参数来说，选用“三片”型的照相物镜，应该是较为合适的。我们采用“负—正—正”的光焦度分布型式。其入瞳在镜头外产生的畸变，正好也是fθ镜所需要的，此畸变很容易达到fθ镜要求，是一种“无变形”的打标。同时，它是一个大视场的照相物镜，与照相物镜一样，它是一个“平像场”的物镜。

如图2，本发明采用三片式“负—正—正”的光焦度分布进行设计，包括透镜组和光阑(振镜)1，所述光阑(振镜)1位于透镜组的前方，透镜组包括三个透镜，分别为第一、第二、第三透镜L1、L2、L3，其中第一透镜的光焦度1/f1为负的厚透镜，其厚度为30mm左右，且由于第一透镜是厚透镜，可使整个透镜在三片的情况下，使得孔径高级球差与像散得到较好的平衡；第二透镜的光焦度1/f2与第三透镜的光焦度1/f3均为正，其中各透镜的焦距与整个光学系统的焦距f比率按以下要求：

-0.7<f1/f<-0.5

1.0<f2/f<1.3

0.8<f3/f<1.0。

其中，整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3.

其中，第一透镜L1距光阑(振镜)的距离d0为25-60mm，第一透镜L1为双凹型的负厚透镜；第二透镜L2为弯月型正透镜，第二透镜L2的两个曲面均向着光阑(振镜)1方向弯曲；第三透镜L3为双凸型正透镜，第三透镜L3到焦平面4的距离为d6。

它们的具体结构及参数表述为：系统由L1、L2、L3三个透镜构成，L1分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成，其中心厚度d1，材料光学参数为Nd1:Vd1；L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成，其中心厚度d3，材料光学参数为Nd3:Vd3；L3分别由曲率半径为R5、R6的两个曲面S5、S6构成，其中心厚度d5，材料光学参数为Nd5:Vd5；第一透镜L1与第二透镜L2的间隔为d2，第二透镜L2与第三透镜L3的间隔为d4。

结合以上的参数，本发明设计了一组镜头，其具体参数分别如下所示：

第一透镜L1分别由曲率半径为R1＝-56.116mm、R2＝776.87mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝30mm，材料为Nd1:Vd1约为1.52/64；第二透镜L2分别由曲率半径为R3＝-361.22mm、R4＝-102.494mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝9mm，材料为Nd3:Vd3约为1.8/25.4；第三透镜L3分别由曲率半径为R5＝339.46mm、R6＝-175.248mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝6mm，材料为Nd5:Vd5约为1.8/25.4；第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔为d2＝6mm，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.2mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6＝213.5mm。并列表如下：

根据上表，可得出数据如下：

f＝164.3mm              D/f＝1:8

λ＝1064nm               2ω＝50°

f1/f＝-0.62             f2/f＝1.11

f3/f＝0.92

由于f1/f＝-0.62满足-0.7<f1/f<-0.5，f2/f＝1.11满足1.0<f2/f<1.3，f3/f＝0.92满足0.8<f3/f<1.0。

图3为上例中的光线追迹图，图4为像散、场曲及畸变分布图，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。

由上以各图说明：系统的像散与场曲得到很好的较正，光程差最大也不超过0.3λ，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，且在系统的入射光束口径较大，采用的与一般的fθ光学系统不同的结构形式，使得该系统的产品能够与一般小入射光束口径的产品进行互换，达到小型化设计，且又能与现有的镜头安装尺寸进行互换，同时，在透镜总个数仍为三片的情况下，使得孔径、慧差、球差与像散得到较好的平衡。

Claims (4)

1.一种用于激光加工使用的光学fθ镜头，包括透镜组和光阑，其特征在于：所述光阑位于透镜组的前方，透镜组包括三个透镜，分别为第一、第二、第三透镜，依次排列为“负—正—正”分离的光焦度系统，所述第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸型正透镜，第二透镜的两个曲面均向着光阑方向弯曲，且整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3，各透镜的焦距与系统的焦距f比率以下要求：-0.7<f1/f<-0.5

1.0<f2/f<1.3

8<f3/f<1.0。

2.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：f1/f＝-0.62；f2/f＝1.11；f3/f＝0.92。

3.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：所述第一透镜与光阑的距离为25-60mm。

4.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：所述第一透镜的厚度为30mm左右。

Images