CN101324696B - 光学镜头 - Google Patents
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Abstract
一种用于激光加工使用的光学fθ镜头,包括透镜组和光阑,所述光阑位于透镜组的前方,透镜组包括三个透镜,分别为第一、第二、第三透镜,依次排列为“负-正-正”分离的光焦度***,所述第一透镜为凹平型负透镜,第二透镜为弯月型正透镜,第三透镜为双凸型正透镜,第二透镜所有的曲面均向着光阑方向弯曲,其中,整个光学***的焦距为f,第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3,各透镜的焦距与整个光学***的焦距f比率满足以下要求关系:-0.6<f1/f<-0.4;1.0<f2/f<1.2;0.6<f3/f<0.8。本发明所提供的光学fθ镜头,使得***的的球差、彗差与场曲都达到较好的平衡,使得成像结果良好且在整个像面上成像均匀,且该结构应用于大口径入射的fθ镜头的小型化取得较好的效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种激光应用的光学镜头,尤其是指在激光加工使用的F-theta(fθ)光学镜头。
【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***。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。
fθ(F-theta)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。激光振镜打标机是因为有了fθ(F-theta)镜头才得以实现。图1是一种典型的fθ镜光学***,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3聚焦在像面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,要求在成像面上像高η与X振镜1和Y振镜2的扫描角度θ成线性关系即:η=f·θ(Sr)。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。它不满足η=f·θ(Sr)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,所雕刻出来的图形与实物不相似,反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=(ftgθ-Δη)=fθ。这个结论是非常重要的。虽然Δη是有意引入的,但决不意味着畸变就可以不考虑,随意大小都可以,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fθ光学***。
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,并且在高功率的激光***中,不能采用双胶面进行校正相关的像差。
【发明内容】
本发明所欲解决的技术问题在于提供一种大通光口径的非对称学***、且使球差与场差都达到较好平衡、并使成像面在没有渐晕的情况下成像均匀的光学fθ镜头。
本发明所采用的技术方案是提供一种用于激光加工使用的光学fθ镜头,包括透镜组和光阑,所述光阑位于透镜组的前方,透镜组包括三个透镜,分别为第一、第二、第三透镜,依次排列为“负-正 -正”分离的光焦度***,其中,所述第一透镜为凹平型负透镜,第二透镜为弯月型正透镜,第三透镜为双凸型正透镜,第二透镜所有的曲面均向着光阑方向弯曲,且全光学***的焦点距离为f,第一、第二、第三透镜的镜片焦点距离分别为f1、f2、f3,各透镜的光焦度与***的光焦度1/f比率满足以下要求关系:
-0.6<f1/f<-0.4
1.0<f2/f<1.2
0.6<f3/f<0.8。
其中,f1/f=-0.5;f2/f=1.14;f3/f=0.62。
其中,所述第一透镜与光阑的距离为35-80mm。
本发明所提供的光学fθ镜头,使得***的的球差、彗差与场曲都达到较好的平衡,使得成像结果良好且在整个像面上成像均匀,且该结构应用于大口径入射的fθ镜头的小型化取得较好的效果,且在高功率的激光***中,通过采用双胶面的透镜进行校正相关的像差。
【附图说明】
图1是一种典型的fθ镜头光学***示意图。
图2是本发明镜头的光学***结构示意图。
图3为本发明fθ镜头较佳实施例1中的光线追迹图。
图4为本发明fθ镜头较佳实施例1中的像散、场曲及畸变。
图5为本发明fθ镜头较佳实施例1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fθ镜头较佳实施例1中的光学传递函数MTF图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一段步说明。
fθ(F-theta)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。同时,它是一个大视场的照相物镜,与照相物镜一样,它是一个“平像场”的物镜。
如图2,本发明所采用的技术方案是提供一种用于激光加工使用的光学fθ镜头,包括透镜组和光阑(透镜)1,所述光阑位于透镜组的前方,透镜组包括三个透镜,分别为第一、第二、第三透镜L1、L2、L3,采用三片式“负-正-正”的光焦度分布进行设计,其中三片透镜的材质都胶体,可解决在高功率的激光***中,通过采用双胶面的透镜进行校正相关的像差。
其中,第一透镜的光焦度1/f1为负透镜,第二透镜的光焦度1/f2与第三透镜的光焦度1/f3均为正,其中各透镜的光焦度与***的光焦度1/f比率按满足以下要求关系:
-0.6<f1/f<-0.4
1.0<f2/f<1.2
0.6<f3/f<0.8。
其中,全光学***的焦点距离为f,第一、第二、第三透镜的镜片焦点距离分别为f1、f2、f3。
其中,第一透镜L1距光阑(振镜)1的距离d0为35-80mm, 第一透镜L1为凹平型的负厚透镜;第二透镜L2为弯月型正透镜,第二透镜L2所有的曲面均向着光阑(振镜)1方向弯曲;第三透镜L3为双凸型正透镜,第三透镜L3到焦平面4的距离为d6。
它们的具体结构及参数表述为:***由L1、L2、L3三个透镜构成,L1分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成,其中心厚度d1,材料光学参数为Nd1:Vd1;L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成,其中心厚度d3,材料光学参数为Nd3:Vd3;L3分别由曲率半径为R5、R6的两个曲面S5、S6构成,其中心厚度d5,材料光学参数为Nd5:Vd5;第一透镜L1与第二透镜L2的间隔为d2,第二透镜L2与第三透镜L3的间隔为d4。
结合以上的参数,本发明设计了一组镜头,其具体参数分别如下所示:
第一透镜L1分别由曲率半径为R1=-67.074mm、R2=∞mm的两个曲面S1、S2构成,其光轴上的中心厚度d1=12mm,材料为Nd1∶Vd1约为1.52/64;第二透镜L2分别由曲率半径为R3=-201.899mm、R4=0.1mm的两个曲面S3、S4构成,其光轴上的中心厚度d3=9mm,材料为Nd3∶Vd3约为1.8/25.4;第三透镜L3分别由曲率半径为R5=18mm、R6=-316.2mm的两个曲面S5、S6构成,其光轴上的中心厚度d5=18mm,材料为Nd5∶Vd5约为1.8/25.4;第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔为d2=7mm,第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4=0.1mm,第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6=316.2mm。并列表如下:
根据上表,可得出数据如下:
f=164.3mm D/f=1∶8
λ=1064nm 2ω=50°
f1/f=-0.62 f2/f=1.11
f3/f=0.92
由于f1/f=-0.62满足-0.6<f1/f<-0.4,f2/f=1.14满足1.0<f2/f<1.2,f3/f=0.92满足0.6<f3/f<0.8。
图3为上例中的光线追迹图,图4为像散、场曲及畸变分布图,
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。
由上以各图说明:***的像散与场曲得到很好的较正,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,且在***的入射光束口径较大,采用的与一般的fθ光学***不同的结构形式,使得该***的产品能够与一般小入射光束口径的产品进行互换,达到小型化设计,且在高功率的激光***中,通过采用双胶面的透镜进行校正相关的像差。
Claims (2)
1.一种用于激光加工使用的光学fθ镜头,包括透镜组和光阑,其特征在于:所述光阑位于透镜组的前方,透镜组包括三个透镜,分别为第一、第二、第三透镜,依次排列为“负—正—正”分离的光焦度***,所述第一透镜为凹平型负透镜,第二透镜为弯月型正透镜,第三透镜为双凸型正透镜,第二透镜所有的曲面均向着光阑方向弯曲,其中,整个光学***的焦距为f,第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3,各透镜的焦距与整个光学***的焦距f比率满足以下要求关系:f1/f=-0.5;f2/f=1.14;f3/f=0.62;且在第三透镜的像方侧设置有焦平面,第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔为7mm,所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔为0.1mm,第三透镜与焦平面在光轴上的距离为316.2mm,且第一透镜分别由曲率半径为R1=-67.074mm、R2=∞mm的两个曲面构成,其光轴上的中心厚度d1=12mm;第二透镜分别由曲率半径为R3=-201.899mm、R4=0.1mm的两个曲面构成,其光轴上的中心厚度d3=9mm;第三透镜分别由曲率半径为R5=18mm、R6=-316.2mm的两个曲面构成,其光轴上的中心厚度d5=18mm。
2.如权利要求1所述光学fθ镜头,其特征在于:所述第一透镜与光阑的距离为35-80mm。
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