CN103792598A - 一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，所述的透镜的入射面为平面，而出射面则为满足如下公式的曲面：在式（1）中，y为透镜在y方向的长度，x为透镜在x方向的位置，c_s为限定透镜形状的常数；c_y为限定透镜在y轴方向最薄处的厚度的常数；n₀为透镜所处介质的折射率，n₁则为透镜的材料的折射率。本发明所述的透镜结构简单，体积小，生产成本低，且当透镜沿垂直于光轴的方向来回移动时，能够有效实现高精度的激光平移式共轴线性扫描。

Description

一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜

技术领域

本发明涉及一种透镜，尤其是涉及一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，属于光学装置技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展及生产中的需要，激光扫描技术得到了广泛的应用和发展，尤其在激光扫描显微成像、激光打印、激光切割等领域起着至关重要的作用。

扫描镜是激光扫描技术的一个关键部分，目前通用的技术以反射式扫描为主，其中又以旋转多面镜反射扫描，振镜扫描应用最为广泛。但是反射式扫描又存在无法共轴、增大系统误差、以及增大系统体积的缺点。现有的共轴扫描技术普遍存在无法进行线性扫描或造价过高的缺点，故需设计一种透镜，其具有能实现高精度共轴线性扫描且生产成本较低。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够缩小扫描系统的体积和成本的可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜。

为达到上述目的，本发明是通过以下的技术方案来实现的：

一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，其特征在于，所述的透镜的入射面为平面，而出射面则为满足如下公式的曲面：

$y=\frac{1}{c_s}*\frac{n_0}{n_1}*\{\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-1+\frac{n_0}{n_1}*1n[\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-\frac{n_0}{n_1}\left]\right\}+c_y---\left(1\right)$

在式（1）中，y为透镜在y方向的长度，x为透镜在x方向的位置，c_s为限定透镜形状的常数，c_y为限定透镜在y轴方向最薄处的厚度的常数，n₀为透镜所处介质的折射率，n₁则为透镜的材料的折射率。

进一步，所述的透镜的材料为玻璃、陶瓷、塑料中的任一种。

而所述的入射光垂直入射于所述的透镜的入射面时，所述的透镜的出射光的偏转角度的正切正比于入射光与透镜光轴的距离。

且所述的入射光垂直入射于所述的透镜的入射面时，所述的透镜的出射光在标靶上的位移正比于入射光与透镜光轴的距离。

本发明的有益效果是：本发明所述的透镜结构简单，体积小，生产成本低，且当透镜沿垂直于光轴的方向来回移动时，能够有效实现高精度的激光平移式共轴线性扫描。

附图说明

图1为本发明一实施例的工作原理图；

图2为本发明一实施例的透镜3D结构图；

图3为本发明一实施例的透镜的xy截面图；

图4为本发明一实施例的透镜的xz截面图；

图5为本发明一实施例的透镜的yz截面图。

图中主要附图标记含义为：

1、透镜  11、入射面  12、出射面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行具体的介绍。

图1为本发明一实施例的工作原理图；图2为本发明一实施例的透镜3D结构图；图3为本发明一实施例的透镜的xy截面图；图4为本发明一实施例的透镜的xz截面图；图5为本发明一实施例的透镜的yz截面图。

如图1-图5所示：一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜1，其入射面11为平面，而出射面12则为一曲面。且在本实施例中，所述的透镜1的材料为玻璃。当然，其也可以为陶瓷、塑料等任一种透明材料。

我们知道：透镜对光束进行折射时，必须遵循斯奈尔折射定律（Snell’s Refraction Law）:n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，其中n₁、n₂分别为入射、出射介质的折射率，θ₁、θ₂分别为入射角和折射角。由上述折射定律可知，当入射、出射介质的材料恒定（即折射率恒定），而入射角发生变化时，出射角也发生相应变化。

在本实施例中，透镜1的一侧为平面，另一侧为一特殊曲面，透镜1的光轴沿y轴方向，虚线透镜所示位置为透镜1的初始位置，透镜1处于初始位置时的中心为O'点，实线透镜所示位置为透镜1移动后的位置，此时透镜的中心为O点。

当入射光沿y轴正方向垂直入射透镜左侧面O点时，入射角为0°，由斯奈尔折射定律可知，出射角也为0°，此时光线方向不发生改变，仍然沿y轴正方向；当入射光到达透镜1右侧面时，如果透镜处于虚线所示位置，光线通过透镜的光轴，不发生偏转，光线通过透镜后将到达标靶上的B'点，而如果透镜1处于实线位置，光线将到达透镜1右侧面A点时，由于右侧面不与y轴垂直，出射光的角度将发生偏转，其偏转角度β取决于右侧面的曲率，偏转后的出射光将到达标靶上B点，我们将B'点与B点间的距离B'B定义为出射光的偏转位移。

而欲实现激光在x轴方向的平移式共轴线性扫描，需要使得当透镜沿x轴方向来回移动时，出射光的偏转位移B'B正比于透镜的位移O'O，在标靶与透镜的距离不变的情况下，要实现B'B正比于O'O，需使得出射光偏转角度β的正切（即tan(β)）正比于O'O，而要实现tan(β)正比于O'O，需使透镜1右侧曲面的形状满足如下公式（以O点为原点）：

$y=\frac{1}{c_s}*\frac{n_0}{n_1}*\{\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-1+\frac{n_0}{n_1}*1n[\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-\frac{n_0}{n_1}\left]\right\}+c_y---\left(1\right)$

在式（1）中，y为透镜1在y方向的长度，x为透镜1在x方向的位置，c_s为限定透镜1形状的常数；c_y为限定透镜1在y轴方向最薄处的厚度的常数，n₀为透镜1所处介质的折射率，在本实施例中，由于介质为空气，因此，n₀为1，n₁则为透镜的材料的折射率。

此时所述的入射光垂直入射于所述的透镜1的入射面11时，所述的透镜的出射光的偏转角度的正切正比于入射光与透镜光轴的距离。且所述的入射光垂直入射于所述的透镜1的入射面11时，所述的透镜1的出射光在标靶上的位移正比于入射光与透镜光轴的距离。

本发明按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，其特征在于，所述的透镜的入射面为平面，而出射面则为满足如下公式的曲面：

$y=\frac{1}{c_s}*\frac{n_0}{n_1}*\{\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-1+\frac{n_0}{n_1}*1n[\sqrt{1+{(c_s*x)}^2}-\frac{n_0}{n_1}\left]\right\}+c_y---\left(1\right)$

在式（1）中，y为透镜在y方向的长度，x为透镜在x方向的位置，c_s为限定透镜形状的常数，c_y为限定透镜在y轴方向最薄处的厚度的常数，n₀为透镜所处介质的折射率，n₁则为透镜的材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，其特征在于，所述的透镜的材料为玻璃、陶瓷、塑料中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，其特征在于，所述的入射光垂直入射于所述的透镜的入射面时，所述的透镜的出射光的偏转角度的正切正比于入射光与透镜光轴的距离。

4.根据权利要求1所述的一种可实现激光的平移式共轴线性扫描的透镜，其特征在于，所述的入射光垂直入射于所述的透镜的入射面时，所述的透镜的出射光在标靶上的位移正比于入射光与透镜光轴的距离。

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