CN101369047A - 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，该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，所述第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸型或弯月型正透镜，第一透镜、第二透镜及第三透镜所有的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比率满足以下要求关系：－0.6＜f1/f＜－0.4；0.5＜f2/f＜0.8；0.9＜f3/f＜1.2。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在全视场上成像均匀、没有渐晕存在的激光应用光学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，所述第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸型或弯月型正透镜，第一透镜与第二透镜所有的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比率以下要求：

-0.6<f1/f<-0.4

0.5<f2/f<0.8

0.9<f3/f<1.2。

其中，f1/f＝-0.49；f2/f＝0.69；f3/f＝1.03。

其中，f1/f＝-0.49；f2/f＝0.58；f3/f＝1.01。

其中，所述第一透镜与光阑的距离为30—80mm。

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。

【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。

图7为本发明fθ镜头较佳实施例2中的光线追迹图。

图8为本发明fθ镜头较佳实施例2中的像散、场曲及畸变。

图9为本发明fθ镜头较佳实施例2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10为本发明fθ镜头较佳实施例2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，本发明光学fθ镜头采用三片式“负—正—正”的光焦度分布进行设计，包括透镜组和光阑(振镜)，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L1的光焦度1/f1为负透镜，第二透镜L2的光焦度1/f2与第三透镜L3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的比率按以下要求：

-0.6<f1/f<-0.4

0.5<f2/f<0.8

0.9<f3/f<1.2。

其中，整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜L1、L2、L3的焦距分别为f1、f2、f3。

其中，第一透镜L1距光阑(振镜)1的距离d0为25-60mm，第一透镜L1为弯月型的负透镜、第二透镜L2为弯月型正透镜，两个透镜的所有曲面均向着光阑(振镜)1方向弯曲，第三透镜L3为平凸型或弯月型正透镜，它们所有的曲面向着光阑(振镜)1方向弯曲，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，本发明设计了两个镜头，其具体参数分别如下所示：

实例1：

第一透镜L1分别由曲率半径为R1＝-38.973mm、R2＝-85.54mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝4.4mm，材料为Nd1:Vd1约为1.52/64；第二透镜L2分别由曲率半径为R3＝-85.54mm、R4＝-50.275mm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＝∞、R6＝-162.62mm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＝2.5mm，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.5mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6＝235mm。并列表如下：

根据上表，可得出数据如下：

f＝203.6mm              D/f＝1:10

λ＝1064nm               2ω＝50°

f1/f＝-0.49             f2/f＝0.69

f3/f＝1.03

由于f1/f＝-0.49满足-0.6<f1/f<-0.4，f2/f＝0.69满足0.5<f2/f<0.8，f3/f＝1.03满足0.9<f3/f<1.2。

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0.15λ，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。

实例2：

第一透镜L1分别由曲率半径为R1＝—63.66mm、R2＝—156.46mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝5.9mm，材料为Nd1:Vd1约为1.52/64；第二透镜L2分别由曲率半径为R3＝—122.14mm、R4＝—78.585mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝11mm，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＝—744.74mm、R6＝—232.62mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝8mm，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＝3.2mm，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.3mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6＝485mm。并列表如下：

根据上表，可得出数据如下：

f＝433.3mm                D/f＝1:14

λ＝1064nm                 2ω＝50°

f1/f＝-0.49               f2/f＝0.58

f3/f＝1.01

由于f1/f＝-0.49满足-0.6<f1/f<-0.4，f2/f＝0.58满足0.5<f2/f<0.8，f3/f＝1.01满足0.9<f3/f<1.2。

图7为上例中的光线追迹图，图8为像散、场曲及畸变分布图，图9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10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0.2λ，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。

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，其中，所述第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸型或弯月型正透镜，第一透镜、第二透镜及第三透镜所有的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比率以下要求：

-0.6<f1/f<-0.4

5<f2/f<0.8

9<f3/f<1.2。

2.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：f1/f＝-0.49；f2/f＝0.69；f3/f＝1.03。

3.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：f1/f＝-0.49；f2/f＝0.58；f3/f＝1.01。

4.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：所述第一透镜与光阑的距离为30—80mm。

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