CN209821482U - 一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于自由曲面的CO2远心f‑theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸正透镜，第四透镜为双平面保护窗口片；沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为自由曲面。本实用新型基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f‑theta镜头，通过自由曲面的设计，使得场曲和像散均至少降低了一个数量级，散和场曲均小于0.02mm。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，属于CO2远心f-theta镜头领域。
背景技术
振镜式激光扫描技术以其高速、精确扫描的优点，广泛应用于激光打标、激光钻孔、激光扫描显示等技术中,激光器发出的高能量激光束依次经过振动方向互相垂直的X和Y振镜片，入射到f-theta扫描镜，由f-theta扫描镜聚焦后到达工件表面；通过转动X和Y扫描振镜，可以控制激光束在工件表面的X和Y向以及任意方向上移动，实现矢量打标或打孔。
f-theta扫描镜设计要求整场平整，场曲会导致最佳工作面弯曲，像散会造成X、Y两个方向线宽不一致或者钻孔变成椭圆，在激光微精细加工、激光钻孔加工等对平场要求更苛刻的应用中，要求所使用的远心F-theta镜头尽量消除场曲、像散的不利影响。
然而，现有的远心F-theta镜头仍然存在场曲和像散较大的缺陷，进而影响工作精度。例如公开号CN 101236291A的专利申请，从其图4中可看出像散约为0.3mm；公开号CN101846791A的专利申请，从其图4中可看出像散约为0.3mm；公开号CN 101881875A的专利申请，从其图4中可看出散约为0.5mm；公开号CN 108415147A的专利申请的场曲约为0.2mm。因此，残余的场曲及像散非常有进一步降低的必要。
实用新型内容
为了进一步降低CO2远心f-theta镜头的场曲和像散，本实用新型提供一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，使得场曲和像散降低了一个数量级。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸正透镜，第四透镜为双平面保护窗口片；沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为自由曲面。
在传统光学系统应用中，通常采用的是由球面透镜或者非球面透镜等旋转对称面组成的光学系统，进一步减小场曲及像散的难度较大，进入到瓶颈期，每0.01mm的降低，都非常困难，尤其是场曲的降低难上加难，而申请人经研究发现，通过将第一像侧面设计为自由曲面，使得场曲和像散均至少降低了一个数量级，由于自由曲面相对传统球面透镜或者非球面透镜具有较高的设计自由度和灵活的空间布局。
为了进一步降低场曲及像散，沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为使用扩展多项式表征的自由曲面，所使用的扩展多项式公式为：
其中，j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1，z为自由曲面矢高，x和y为各面局部坐标，c为顶点曲率，k为圆锥系数，Cj为xmyn多项式系数，r为距离光轴镜面口径，m取值范围0～10，n取值范围0～10，归一化系数为1。
合理分配第一透镜、第二透镜、第三透镜的光焦度，可以进一步减小场曲及像散，优选，-2.5＜f1/f0＜-1.90；1.80＜f2/f0＜2.5；1.0＜f3/f0＜2.0，其中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f0为系统总焦距。
上述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料为硒化锌或锗等。
作为本申请的一种优选方案，第一透镜所用材料为硒化锌，第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料为锗。
作为本申请的另一种优选方案，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料均为硒化锌材料，这样可兼顾650nm红光指示。
为了提高CO2远心f-theta镜头的功率，同时降低场曲和像散，作为本申请的一种优选方案，第一透镜的中心厚度为7±0.2mm，第二透镜的中心厚度为8±0.2mm，第三透镜的中心厚度为9±0.2mm，第四透镜的中心厚度为3±0.2mm。
作为本申请的另一种优选方案，第一透镜的中心厚度为7±0.2mm，第二透镜的中心厚度为11±0.2mm，第三透镜的中心厚度为11±0.2mm，第四透镜的中心厚度为3±0.2mm。
为了保证透过率，同时降低场曲和像散，作为本申请的一种优选方案，第一透镜的外径为60-70mm，第二透镜的外径为100-104mm，第三透镜的外径为112mm，第四透镜的外径为115mm。
作为本申请的另一种优选方案，第一透镜的外径为60-65mm，第二透镜的外径为96-102mm，第三透镜的外径为112mm，第四透镜的外径为115mm。
沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；为了进一步降低场曲及像散，第一物侧面为球面，第一像侧面为自由曲面，第二物侧面为球面，第二像侧面为球面，第三物侧面为球面，第三像侧面为球面，第四物侧面为平面，第四像侧面为平面。
为了提高透过率和工作效率，同时进一步降低场曲及像散，作为本申请的一种优选方案，第一物侧面的曲率半径为-57.494±2mm，第一像侧面的曲率半径为-72.861±2mm，第二物侧面的曲率半径为-137.666±2mm，第二像侧面的曲率半径为-120.535±2mm，第三物侧面的曲率半径为446.391±2mm，第三像侧面的曲率半径为无穷大，第四物侧面的曲率半径为无穷大，第四像侧面的曲率半径为无穷大。
作为本申请的另一种优选方案，第一物侧面的曲率半径为-72.341±2mm，第一像侧面的曲率半径为-108.329±2mm，第二物侧面的曲率半径为-102.112±2mm，第二像侧面的曲率半径为-89.595±2mm，第三物侧面的曲率半径为235.633±2mm，第三像侧面的曲率半径为989.327±2mm，第四物侧面的曲率半径为无穷大，第四像侧面的曲率半径为无穷大。
为了提高透过率和工作效率，同时进一步降低场曲及像散，作为本申请的一种优选方案，第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为35.71±0.02mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为1±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为5±0.02mm。
作为本申请的另一种优选方案，第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为38.71±0.02mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为1±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为5±0.02mm。
本申请基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的像散和场曲均小于0.02mm。
本实用新型未提及的技术均参照现有技术。
本实用新型基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头，通过自由曲面的设计，使得场曲和像散均至少降低了一个数量级，散和场曲均小于0.02mm。
附图说明
图1为实施例1中基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头的光学结构图；
图2为实施例1的光路图；
图3为实施例1的光学传递函数图；
图4为实施例1的场曲及f-theta畸变图；
图5为实施例2基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头的光学结构图；
图6为实施例2的光路图；
图7为实施例2的光学传递函数图；
图8为实施例2的场曲及f-theta畸变图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示，基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3及第四透镜G4；所述第一透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为平凸正透镜，所述第四透镜为双平面保护窗口片。
沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面S2和第一像侧面S3，第二透镜的两面依次为第二物侧面S4和第二像侧面S5，第三透镜的两面依次为第三物侧面S6和第三像侧面S7，第四透镜的两面依次为第四物侧面S8和第四像侧面S9。
本例中，f1/f0＝-2.29，f2/f0＝2.24，f3/f0＝1.45，其中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f0为系统总焦距。
表1实施例1基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的设计参数
上表中，S1为入射光阑，S10为工作面或像面，S1对应的厚度为光阑到第一物侧面中心的距离，S2对应的厚度为第一透镜的中心厚度，S3对应的厚度为第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离，S4对应的厚度为第二透镜的中心厚度，S5对应的厚度为第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离，S6对应的厚度为第三透镜的中心厚度，S7对应像侧面的厚度为第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离，S8对应的厚度为第四透镜的中心厚度，S9对应的厚度为第四像侧面中心到工作面的距离；外径为各透镜物侧面和像侧面有效工作面的外径。
第一像侧面为使用扩展多项式表征的自由曲面，所使用的扩展多项式公式为：
其中，j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1，z为自由曲面矢高，x和y为各面局部坐标，c为顶点曲率，k为圆锥系数，Cj为xmyn多项式系数，r为距离光轴镜面口径，m取值范围0～10，n取值范围0～10，归一化系数为1，本实施例Cj取21项。具体系数见表2。
表2实施例1自由曲面系数
从图3可看出，本例中基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的像质校正好，达到衍射极限；从图4可看出，本例中基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的场曲及像散校正均小于0.02mm，工作面非常平整；本例的扫描范围65mmx65mm，焦距115mm，远心度小于3°。
实施例2
如图5所示，基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜G1、第二透镜G2、第三透镜G3及第四透镜G4；所述第一透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为平凸正透镜，所述第四透镜为双平面保护窗口片。
沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面S2和第一像侧面S3，第二透镜的两面依次为第二物侧面S4和第二像侧面S5，第三透镜的两面依次为第三物侧面S6和第三像侧面S7，第四透镜的两面依次为第四物侧面S8和第四像侧面S9。
本例中，f1/f0＝-1.94，f2/f0＝1.85，f3/f0＝1.58，其中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f0为系统总焦距。
表3实施例2基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的设计参数
上表中，S1为入射光阑，S10为工作面或像面，S1对应的厚度为光阑到第一物侧面中心的距离，S2对应的厚度为第一透镜的中心厚度，S3对应的厚度为第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离，S4对应的厚度为第二透镜的中心厚度，S5对应的厚度为第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离，S6对应的厚度为第三透镜的中心厚度，S7对应像侧面的厚度为第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离，S8对应的厚度为第四透镜的中心厚度，S9对应的厚度为第四像侧面中心到工作面的距离；外径为各透镜物侧面和像侧面有效工作面的外径。
第一像侧面为使用扩展多项式表征的自由曲面，所使用的扩展多项式公式为：
其中，j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1，z为自由曲面矢高，x和y为各面局部坐标，c为顶点曲率，k为圆锥系数，Cj为xmyn多项式系数，r为距离光轴镜面口径，m取值范围0～10，n取值范围0～10，归一化系数为1，本实施例Cj取21项。具体系数见表4。
表4实施例2自由曲面系数
从图7可看出，本例中基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的像质校正好，达到衍射极限；从图8可看出，本例中基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头的场曲及像散校正均小于0.02mm，工作面非常平整；本例的扫描范围60mmx60mm,焦距130mm，远心度小于2°。
Claims (10)
1.一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸正透镜，第四透镜为双平面保护窗口片；沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为自由曲面。
2.如权利要求1所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一像侧面为使用扩展多项式表征的自由曲面，所使用的扩展多项式公式为：
其中，j＝[(m+n)2+m+3n]/2+1，z为自由曲面矢高，x和y为面局部坐标，c为顶点曲率，k为圆锥系数，Cj为xmyn多项式系数，r为距离光轴镜面口径，m取值范围0～10，n取值范围0～10，归一化系数为1。
3.如权利要求1或2所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：-2.5<f1/f0<-1.90；1.80<f2/f0<2.5；1.0<f3/f0<2.0，其中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f0为系统总焦距。
4.如权利要求1或2所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料为硒化锌或锗。
5.如权利要求4所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一透镜所用材料为硒化锌，第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料均为锗；或者，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜所用材料均为硒化锌材料。
6.如权利要求1或2所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一透镜的中心厚度为7±0.2mm，第二透镜的中心厚度为8±0.2mm，第三透镜的中心厚度为9±0.2mm，第四透镜的中心厚度为3±0.2mm；或者，第一透镜的中心厚度为7±0.2mm，第二透镜的中心厚度为11±0.2mm，第三透镜的中心厚度为11±0.2mm，第四透镜的中心厚度为3±0.2mm。
7.如权利要求1或2所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一透镜的外径为60-70mm，第二透镜的外径为100-104mm，第三透镜的外径为112mm，第四透镜的外径为115mm；或者，第一透镜的外径为60-65mm，第二透镜的外径为96-102mm，第三透镜的外径为112mm，第四透镜的外径为115mm。
8.如权利要求1或2所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面；第一物侧面为球面，第一像侧面为自由曲面，第二物侧面为球面，第二像侧面为球面，第三物侧面为球面，第三像侧面为球面，第四物侧面为平面，第四像侧面为平面。
9.如权利要求8所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一物侧面的曲率半径为-57.494±2mm，第一像侧面的曲率半径为-72.861±2mm，第二物侧面的曲率半径为-137.666±2mm，第二像侧面的曲率半径为-120.535±2mm，第三物侧面的曲率半径为446.391±2mm，第三像侧面的曲率半径为无穷大，第四物侧面的曲率半径为无穷大，第四像侧面的曲率半径为无穷大；或者，第一物侧面的曲率半径为-72.341±2mm，第一像侧面的曲率半径为-108.329±2mm，第二物侧面的曲率半径为-102.112±2mm，第二像侧面的曲率半径为-89.595±2mm，第三物侧面的曲率半径为235.633±2mm，第三像侧面的曲率半径为989.327±2mm，第四物侧面的曲率半径为无穷大，第四像侧面的曲率半径为无穷大。
10.如权利要求8所述的基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，其特征在于：第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为35.71±0.02mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为1±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为5±0.02mm；或者，第一像侧面中心到第二物侧面中心的距离为38.71±0.02mm，第二像侧面中心到第三物侧面中心的距离为1±0.02mm，第三像侧面中心到第四物侧面中心的距离为5±0.02mm；基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头的像散和场曲均小于0.02mm。
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2019
- 2019-04-04 CN CN201920449052.5U patent/CN209821482U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN110007434A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-07-12 | 南京波长光电科技股份有限公司 | 一种基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头 |
| CN110007434B (zh) * | 2019-04-04 | 2023-10-27 | 南京波长光电科技股份有限公司 | 一种基于自由曲面的消场曲及消像散的CO2远心f-theta镜头 |
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