CN100476489C - 激光应用光学fθ镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光应用光学fθ镜头，包括三个透镜，第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为平凸型正透镜，第三透镜为弯月型正透镜；其中各透镜的光焦度与***的光焦度比率符合以下要求：-0.65＜f1/fw＜-0.55，0.65＜f2/fw＜0.75，1.3＜f3/fw＜1.5，其中f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，fw为整个***的光焦度。本发明光学***采用三个透镜布局成“负—正—正”分离的光焦度***，使***的像散和场曲得到很好的校正，在全视场上成像均匀，没有渐晕存在。

Description

激光应用光学fθ镜头

【技术领域】

本发明是关于一种镜头，尤其是指一种激光应用f-θ光学镜头。

【技术背景】

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***。在目前市场上激光束打标机，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。

激光振镜打标机是因为有了fθ镜头才得以实现。图1是一种典型的fθ镜头光学***，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镜头3聚焦在成像面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4上像高η与X轴振镜1和Y轴振镜2的扫描角度θ成线性关系，即：η＝f·θ。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，这并不满足η＝f·θ关系式。因此，激光打标***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，所刻出来的图形与实物不相似，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＝(f·tgθ-Δη)＝fθ。所以，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f-θ镜头。

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是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：一种激光应用光学fθ镜头，包括第一、第二、第三透镜，所述透镜布局成“负-正-正”分离的光焦度***，其中第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为平凸型正透镜，第三透镜为弯月型正透镜，所述透镜的曲面均向着Y振镜方向弯曲。

所述各透镜的光焦度与***的光焦度比率符合以下要求：

-0.65＜f1/fw＜-0.55，

0.65＜f2/fw＜0.75，

1.3＜f3/fw＜1.5，

其中f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，fw为整个***的光焦度。

本发明所达到的技术效果是：本发明光学镜头采用三个透镜布局成“负-正-正”分离的光焦度***，使***的像散和场曲得到很好的校正，在全视场上成像均匀，没有渐晕存在。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。

图1是一种典型的fθ镜头光学***。

图2是本发明激光应用光学fθ镜头的光学***结构示意图。

图3为本发明激光应用光学fθ镜头较佳实施例中的光线追迹图。

图4为本发明激光应用光学fθ镜头较佳实施例中的像散、场曲及畸变。

图5为本发明激光应用光学fθ镜头较佳实施例中的视场分别为0、0.3、0.5、0.7、0.85以及1.0各视场上的光程差图。

图6为本发明激光应用光学fθ镜头较佳实施例中的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

fθ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。而且其结构更加紧凑，特别是对于焦距较小的***，由于振镜位置离镜头相对较远，此种结构也易于解决光阑较长的结构问题。因此，fθ镜头也是一个大视场、平像场的物镜。

如图2所示，本发明所采用的技术方案为：利用“负-正-正”分离的光焦度***进行设计，共有三个透镜L1、L2、L3构成，其中第一透镜L1为负，第二透镜L2的光焦度f2为正，第三透镜L3的光焦度f3为正，其中三个透镜的光焦度与***的光焦度fw比率按以下要求：

-0.65＜f1/fw＜-0.55

0.65＜f2/fw＜0.75

1.3＜f3/fw＜1.5

第一透镜L1距Y轴振镜2间的距离d0为20-30mm，第一透镜L1为双凹型负透镜，第二透镜L2为平凸型正透镜，第三透镜L3为弯月型正透镜，由图2可以明显的看出，Y轴振镜2位于三个透镜L1、L2、L3的前方，也就该三个透镜L1、L2、L3的入射光的方向，且第二、第三透镜L2、L3的曲面均向着Y振镜2方向弯曲，也即：第二、第三透镜L2、L3的曲面均向着入射光方向弯曲。

如图2所示，透镜L1分别由曲率半径为R1＝-27.99mm、R2＝188.8mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝5mm，材料为Nd1:Vd1＝1.47/67；透镜L2分别由曲率半径为R3＝0mm，材料为Nd3:Vd3＝1.8/25.4；透镜L3分别由曲率半径为R5＝-500mm、R6＝-76.03mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝5.6mm，材料为Nd5:Vd5＝1.8/25.4；透镜L1与透镜L2在光轴上的间隔为d2＝5.2mm，透镜L2与透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.5mm，透镜L3与成象面4在光轴上的距离为d6＝124.5mm。并列表如下：

曲面S	曲率R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				1	-27.99	5	1.47/67
2	188.8	5.2
				3	0	7	1.8/25.4
4	-52	0.5
				5?	-500	5.6	1.8/25.46
-76.03	124.5

由以上结构，设计的镜头具体数据或参数分别如下所示：

实例：

fw＝97.9mm     D/fw＝1∶8.5

λ＝1064nm     2ω＝50°

f1/fw＝-0.6    f2/f3＝0.71    f3/fw＝1.39

其中fw为整个透镜***的光焦度，f1、f2、f3分别为三个透镜的光焦度，2ω为视场角，D/fw为数值孔径。

图3为上例中的光线追迹图，图4为像散、场曲及畸变图，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。由以上各图说明：***的像散与场曲得到很好地校正，光程差最大也不超过0.5λ，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。

Claims (2)

1、一种激光应用光学fθ镜头，其特征在于：包括第一、第二、第三透镜，所述透镜布局成“负-正-正”分离的光焦度***，其中第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为平凸型正透镜，第三透镜为弯月型正透镜，所述第二、第三透镜的曲面均向着入射光方向弯曲。

2、如权利要求1所述的激光应用光学fθ镜头，其特征在于：所述各透镜的光焦度与***的光焦度比率符合以下要求：

-0.65＜f1/fw＜-0.55，

0.65＜f2/fw＜0.75，

1.3＜f3/fw＜1.5，

其中f1为第一透镜的光焦度，f2为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，fw为整个***的光焦度。

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