CN204065443U - 一种透镜及其构成的透镜组和应用 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种透镜，包括透明本体，透明本体的入射面为平面，出射面为满足特定微分公式的曲面，所述曲面的三维轮廓仅在两个方向发生变化。多个上述的透镜均匀镶嵌在一底座上形成透镜组，而透镜组又可以应用于高速共轴线性激光扫描仪。本实用新型所述的透镜曲面的三维轮廓仅在两个方向发生变化，因此在生产该透镜时可同时打磨多个相同的透镜，适合批量生产，而其构成的透镜组在以通过透镜组的底座中心点且垂直于底座的直线为旋转轴旋转时，可实现激光的共轴线性扫描，且透镜组应用于扫描仪时，可实现激光的高速共轴线性扫描。

Description

一种透镜及其构成的透镜组和应用

技术领域

本实用新型涉及一种透镜及其构成的透镜组及其应用，尤其是涉及一种适合批量生产的可实现激光的高速旋转式共轴线性扫描的透镜及其构成的透镜组和应用，属于光学技术领域。

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式扫描，振镜反射式扫描应用最为广泛，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；而反射式高速扫描中，较为常用的高速旋转式多面镜由于其反射平面与旋转轴平行的特点，导致多面镜镜面在高速旋转时产生形变，从而降低了扫描的速度和精度。

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，其具有能实现高速共轴线性扫描且适合批量生产以降低生产成本。

实用新型内容

为了克服现有技术问题，本实用新型的目的在于提供一种适合批量生产、成本低、体积小、可实现实现激光的高速旋转式共轴线性扫描的透镜及其构成的透镜组和应用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种透镜，包括透明本体，其特征在于，所述的透明本体的入射面为平面，而透明本体的出射面则为一曲面，所述的曲面为满足如式(I)所示的微分公式的曲面，

式(I)中，z为透镜在z方向的高度；r为光束到旋转轴的径向距离；c_s为一常数；n₀为透镜所处介质的折射率；n₁为透镜材料的折射率。

进一步，所述的透镜本体的材料为玻璃、陶瓷、塑料中的任一种，当然，也可以为其他任何透明材料。

一种上述的透镜构成的透镜组，其特征在于，包括底座和多个透镜，底座所在的平面与xyz坐标系中的xy平面平行，所述的多个透镜均匀镶嵌在底座上，且多个透镜的入射面均与底座所在的平面平行，此外，所述的多个透镜的旋转轴与底座的中心轴以及xyz坐标系中z轴重合。

进一步，所述的底座的材料为金属或玻璃，当然也可以为其他硬物制成的底座材料。

一种上述的透镜组用于高速共轴线性激光扫描仪。

本实用新型的有益效果为：本实用新型所述的透镜曲面的三维轮廓仅在两个方向发生变化，因此在生产该透镜时可同时打磨多个相同的透镜，适合批量生产，而其构成的透镜组在以通过透镜组的底座中心点且垂直于底座的直线为旋转轴旋转时，可实现激光的共轴线性扫描，且透镜组应用于扫描仪时，可实现激光的高速共轴线性扫描。

附图说明：

图1为本实用新型所述的透镜的三维立体图；

图2为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的xy平面的截面图；

图3为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的xz平面的截面图；

图4为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的yz平面的截面图；

图5为本实用新型所述的透镜的工作原理图；

图6为本实用新型所述的标靶的平面图；

图7为本实用新型所述的透镜同时生产时的状态示意图；

图8为本实用新型所述的透镜同时生产时的切割状态是示意图；

图9为本实用新型一实施例六周期曲面透镜的三维立体图；

图10为本实用新型所述的六周期全面透镜的在xyz坐标系中的xy平面的截面图。

1、透镜   11、入射面   12、出射面   2、标靶   3、底座。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例详细说明本实用新型。

图1为本实用新型所述的透镜的三维立体图；图2为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的xy平面的截面图；图3为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的xz平面的截面图；图4为本实用新型所述的透镜在xyz坐标系中的yz平面的截面图。

如图1-图4所示：透镜1，包括透明本体，在本实施例中，透镜本体的材料为玻璃，当然其也可以为陶瓷或塑料等其他任何透明材料，所述的透明本体的入射面11为平面，而透明本体12的出射面则为一曲面，所述的曲面为满足如式(I)所示的微分公式的曲面，

$\mathrm{dz}=\frac{\frac{C_S\·r}{\sqrt{r^2-x^2}}}{-1+\frac{n_1}{n_0}\sqrt{{{1+C}_S}^2\·\frac{r^2}{r^2-x^2}}}\mathrm{dx}---\left(I\right),$

式(I)中，z为透镜1在z方向的高度；r为光束到旋转轴的径向距离；c_s为一常数；n₀为透镜所处介质的折射率，在空气中时，n₀为1；n₁为透镜材料的折射率。

透镜1对光束折射时，必须遵循斯奈尔折射定律(Snell’s RefractionLaw):n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，其中n₁、n₂分别为入射介质、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，当入射介质、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。

图5为本实用新型所述的透镜的工作原理图；图6为本实用新型所述的标靶的平面图。

如图5和图6所示：透镜1的旋转轴为z轴，透镜1的底面(入射面11)为xy平面，xyz坐标系的原点与透镜1的底面共面，而透镜1的顶面(出射面12)则满足上述的如式(I)所示的曲面微分公式。

当入射光沿z轴正方向垂直入射透镜1的底面A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z轴正方向；当入射光到达透镜1的顶面B点时，出射光将发生偏转，并到达标靶2上的C点。

如果透镜1不存在，则出射光将不发生偏转并到达标靶2上的B′点。

出射光在xy平面(标靶所在平面)的投影B′C存在x分量B′C_x和y分量CC_x，如果想实现激光的旋转式线性共轴扫描，需使得当透镜1以z轴为旋转轴转动时，出射光仅在CC_x所在直线上移动，因此需使得无论透镜旋转至任何位置，B′C_x的长度为一固定值，要实现上述目的，只需要该透镜1的顶面(出射面12)满足如公式(I)所示的微分方程。

图7为本实用新型所述的透镜同时生产时的状态示意图；图8为本实用新型所述的透镜同时生产时的切割状态是示意图。

如图7和图8所示：由于该透镜1的轮廓仅在x方向和z方向发生变化，而在y方向不变，因此在制造时，可以一次制造多个透镜。然后将得到的透镜沿图8所示的虚线切割，得到本实施例所述的透镜1，在本实施例中，以一次切割六个透镜为例，当然，实际生产可根据需要同时生产更多数量的透镜。

图9为本实用新型一实施例六周期曲面透镜的三维立体图；图10为本实用新型所述的六周期全面透镜的在xyz坐标系中的xy平面的截面图。

如图9和图10所示，将上述的切割后的透镜1均匀镶嵌在底座3上即可得到透镜组，本实施例中，所述的底座3的材料为金属，当然也可以为玻璃等其他硬物制成的底座材料。

且在本实施例中，以六周期曲面透镜组为例，底座3所在的平面与xyz坐标系中的xy平面平行，且六个透镜1的入射面均与底座3所在的平面平行，此外，六个透镜1的旋转轴与底座3的中心轴以及xyz坐标系中z轴重合，且六个透镜1与旋转轴的距离相等。

上述的六周期曲面透镜组可应用于高速共轴线性激光扫描仪，每一个透镜可以实现y轴方向的一次扫描，因此，将n个相同的透镜均匀镶嵌在共底面的底座且它们与旋转轴的距离相等时，由此形成的透镜组每旋转一周将完成n次沿y轴方向扫描，如图9和图10所示的六周期透镜组，透镜组每旋转一周可实现六次沿y轴方向的扫描，由此可以实现激光的高速旋转式线性共轴扫描。

由于本实用新型所述的透镜采用透射式扫描，且转动轴与入射面11垂直，故避免了传统的高速旋转式多面镜扫描存在的多面镜镜面在高速旋转时发生形变导致扫描精度下降的缺点，因此本实用新型具有更高的扫描速度和精度。

本实用新型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实用新型，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种透镜，包括透明本体，其特征在于，所述的透明本体的入射面为平面，而透明本体的出射面则为一曲面，所述的曲面为满足如式(I)所示的微分公式的曲面，

$\mathrm{dz}=\frac{\frac{C_S\·r}{\sqrt{r^2-x^2}}}{-1+\frac{n_1}{n_0}\sqrt{{{1+C}_S}^2\·\frac{r^2}{r^2-x^2}}}\mathrm{dx}---\left(I\right),$

式(I)中，z为透镜在z方向的高度；r为光束到旋转轴的径向距离；c_s为一常数；n₀为透镜所处介质的折射率；n₁为透镜材料的折射率。

2.根据权利要求1所述的一种透镜，其特征在于，所述的透镜本体的材料为玻璃、陶瓷、塑料中的任一种。

3.一种权利要求1所述的透镜构成的透镜组，其特征在于，包括底座和多个透镜，底座所在的平面与xyz坐标系中的xy平面平行，所述的多个透镜均匀镶嵌在底座上，且多个透镜的入射面均与底座所在的平面平行，此外，所述的多个透镜的旋转轴与底座的中心轴以及xyz坐标系中z轴重合。

4.根据权利要求3所述的一种透镜组，其特征在于，所述的底座为金属或玻璃。

5.一种权利要求3所述的透镜组用于高速共轴线性激光扫描仪。