CN102809804B - 一种F-theta镜头及其光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种F-theta镜头及其光学系统，该F-theta镜头包括沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，曲面均向着光线入射方向弯曲；该镜头的入射光波长为10.6um，视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。本发明是采用双片式“负-正”的光焦度分布进行设计的一种大范围平场镜头，其在保证激光的能量集中、聚焦光斑小的前提下，进一步提高可扫描范围，有利于扩大激光加工工业的应用范围。

Description

一种F-theta镜头及其光学系统

【技术领域】

本发明涉及到的是一光学镜头，尤其是涉及到一种大范围F-theta镜头及使用该光学透镜的光学系统。

【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。

F-theta镜头是一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物镜。激光振镜打标机是因为有了F-theta镜头才得以实现。图1是一种典型的F-Theta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F-theta镜头聚焦在像面4上，由振镜扫描形成图像。

F-theta镜头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。但是，视场越大，扫描范围越大，像差校正越困难。而目前市场上的镜头扫描范围都有限，还没有扫描范围超过600mm×600mm的F-theta镜头，尤其还没有扫描范围超过600mm×600mm的CO2 F-theta镜头。

【发明内容】

针对上述的问题，本发明提供一种F-theta镜头，该F-theta镜头包括沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，曲面均向着光线入射方向弯曲；该镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

同时，本发明还提供了一种使用该F-theta镜头的光学系统，该系统包括可绕X轴和Y轴转动且引导光束在该F-theta镜头扫描的振镜系统，该振镜系统包括第一振镜和第二振镜，所述的F-theta镜头包括沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，曲面均向着光线入射方向弯曲；该F-theta镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

本发明是采用双片式“负-正”的光焦度分布进行设计的一种大范围F-theta镜头，其在保证激光的能量集中、聚焦光斑小的前提下，进一步提高可扫描范围，有利于扩大激光加工工业的应用范围。

【附图说明】

下面参照附图结合实施方式对本发明作进一步的描述。

图1为一种典型的F-Theta镜光学系统的原理示意图；

图2为本发明F-theta镜头及其光学系统的原理示意图；

图3为本发明提供的F-theta镜头的光线追迹图；

图4为本发明提供的F-theta镜头的各视场角的弥散光斑图。

【具体实施方式】

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

实施例1，如图2所示，本发明提供的是一种双片式的F-theta镜头，其包括沿着光线入射的方向依次排列的第一透镜L1和第二透镜L2，第一透镜L1为弯月型负透镜，第二透镜L2为弯月型正透镜，该两透镜的曲面均向着光线入射方向弯曲；该镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

在本实施例中，各所述透镜的焦距分别与该F-theta镜头的系统焦距满足：

-1.2＜f1/f＜-1

0.5＜f2/f＜0.7

其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f为该F-theta镜头的系统焦距。

优选地，各所述透镜的焦距分别与该F-theta镜头的系统焦距进一步满足：f1/f＝-1.168；f2/f＝0.597。

在本实施例中，该镜头的入射激光波长为10.6um。在每片镜片均镀有针对10.6um波长的增透膜，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。

进一步地，该F-theta镜头可以运用于CO2激光器上。

实施例2，在满足以上条件下，本发明进一步提供一实施例。

如图2所示，第一透镜L1包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其中心厚度为d1，其中，R1＝-108.029mm、R2＝-128.433mm，d1＝13.288mm；第二透镜L2包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其中心厚度为d3，其中，R3＝-277.299mm、R4＝-188.451mm，d3＝7.441mm；第二透镜L2与成像面在光轴上的距离为d4，d4为743.3mm。其中，第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的间距为d2，d2为19.271mm。

进一步地，第一透镜L1和第二透镜L2均采用材料ZnSe。

上述具体的结构参数如下表：

注：负数的含义是曲面的球心位于曲面的左边。

实施例3，在实施例1或实施例2的基础上，提供一种光学系统，如图1、2所示，其包括可绕X轴和Y轴转动且引导光束在F-theta镜头3扫描的振镜系统，其中振镜系统包括第一振镜1和第二振镜2，该F-theta镜头3包括沿光传播方向依次排列的第一透镜L1和第二透镜L2，第一透镜L1为弯月型负透镜，所述的第二透镜L2为弯月型正透镜，曲面均向着光线入射方向弯曲；该镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

第一、二透镜的焦距分别与该F-theta镜头的系统焦距满足：

-1.2＜f1/f＜-1

0.5＜f2/f＜0.7

其中，f1为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f为该F-theta镜头的系统焦距。

优选地，各所述透镜的焦距分别与该F-theta镜头的系统焦距进一步满足：f1/f＝-1.168；f2/f＝0.597。

在本实施例中，该光学系统的F-theta镜头的入射激光波长为10.6um。在每片镜片均镀有针对10.6um波长的增透膜，从而增加透射光的强度，使光学系统成像更清晰。

进一步地，该F-theta镜头可以运用于CO2激光器上。

在本实施例中，第一透镜与第一振镜1的光学距离在25mm-62mm之间。

在本实施例中，第一透镜与第二振镜2的光学距离在25mm-62mm之间。

根据上述的方案，通过计算机可以检测如图3、4的处理效果。

其中，图3为光线追迹图，从图中的激光扫描半径r为430mm，因此该扫描范围可达到Φ860mm直径范围，由于一般要求激光光束垂直于待加工工件，因此可扫描的有效直径为860*0.707＝608mm，可扫描的有效范围608mm×608mm。

图4为各视场角的弥散光斑图，从图中可以看出弥散光斑都在艾里斑内，及像差校正已经达到了衍射极限，得到了很好的校正。

本发明的实施，并不限于以上实施例所公开的方式，凡基于上述设计思路，进行简单推演与替换，得到的具体的F-theta镜头及其光学系统，都属于本发明的实施。

Claims (8)

1.一种F-theta镜头，其特征在于：其包括沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，所述第一透镜和第二透镜的凹面均向着光线入射方向；各所述透镜的焦距分别与所述的F-theta镜头的系统焦距满足：

-1.2<fl/f<-1

0.5<f2/f<0.7

其中，fl为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f为所述的F-theta镜头的系统焦距；该镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

2.根据权利要求1所述的F-theta镜头，其特征在于：各所述透镜的焦距分别与所述的F-theta镜头的系统焦距满足f1/f＝-1.168；f2/f＝0.597。

3.根据权利要求1所述的F-theta镜头，其特征在于：所述的F-theta镜头的入射光波长为10.6um。

4.一种光学系统，其包括可绕X轴和Y轴转动且引导光束在F-theta镜头扫描的振镜系统，其中该振镜系统包括第一振镜和第二振镜，其特征在于：所述的F-theta镜头包括沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，所述第一透镜和第二透镜的凹面均向着光线入射方向；所述的F-theta镜头的各所述透镜的焦距分别与所述的F-theta镜头的系统焦距满足：

-1.2<fl/f<-1

0.5<f2/f<0.7

其中，fl为所述第一透镜的焦距，f2为所述第二透镜的焦距，f为所述的F-theta镜头的系统焦距；该F-theta镜头的视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述的F-theta镜头的各透镜的焦距分别与所述的F-theta镜头的系统焦距满足f1/f＝-1.168；f2/f＝0.597。

6.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述的F-theta镜头的入射光波长为10.6um。

7.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜与第一振镜的光学距离在25mm-62mm之间。

8.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于：所述的第一透镜与第二振镜的光学距离在25mm-62mm之间。