CN101324697A - 光学镜头 - Google Patents

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周朝明
李家英
鲍瑞武
李红梅
孙博
张维臣
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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，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“正—负—正”分离的光焦度***其中，所述第一透镜为弯月型正透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第一透镜、第二透镜及第三透镜所有的曲面均向着光阑方向弯曲，且整个光学***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：0.8＜f1/f＜1.0；－0.5＜f2/f＜－0.3；0.3＜f3/f＜0.5。本发明所提供的光学fθ镜头是一种长焦距镜头，同时要求在同样的焦距下标记范围比一般的fθ镜头大得多，所以其视场较一般fθ镜头大，达到70°，比一般镜头的50°要求视场大大增加。

Description

光学镜头
【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·thθ。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***。
一般fθ镜头视场的50°，但许多场合要求在一定焦距的情况下的标记范围要加大，这要求在原视场的基础上增大视场，同时还要保证原来视场的镜头相一致的效果。
【发明内容】
本发明所欲解决的技术问题在于提供一种长焦距、视场较大、且达到非常好的平像场效果的光学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，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“正-负-正”分离的光焦度***，其中，所述第一透镜为弯月型正透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第一透镜、第二透镜及第三透镜所有的曲面均向着光阑方向弯曲，且整个光学***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：0.8＜f1/f＜1.0；-0.5＜f2/f＜-0.3；0.3＜f3/f＜0.5。
其中，f1/f＝0.82；f2/f＝-0.35；f3/f＝0.40。
其中，所述第一透镜与光阑的距离为20-60mm。
本发明所提供的光学fθ镜头是一种长焦距镜头，同时要求在同样的焦距下标记范围比一般的fθ镜头大得多，所以其视场较一般fθ镜头大，达到70°，比一般镜头的50°要求视场大大增加，且使得***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***的入射光束口径较大，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。
【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“正-负-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(振镜)1，光阑(振镜)1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“正-负-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，第二透镜L2的光焦度1/f2为负透镜，第一透镜L1的光焦度1/f1与第三透镜L3的光焦度1/f3均为正，其中各透镜的焦距与整个光学***的焦距f比率按以下要求：
0.8＜f1/f＜1.0
-0.5＜f2/f＜-0.3
0.3＜f3/f＜0.5。
其中，全光学***的焦点距离为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3。
其中，第一透镜L1距光阑(振镜)1的距离d0为20-60mm，第一透镜L1为弯月型正透镜；第二透镜L1为弯月型负透镜，第三透镜L3为弯月型正透镜，第一透镜L1、第二透镜L1及第三透镜L3所有的曲面均向着光阑(振镜)1方向弯曲，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L1的间隔为d2，第二透镜L1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＝-221.056mm、R2＝-139.16mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝4.6mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.8/25.4；第二透镜L1分别由曲率半径为R3＝-64.71mm、R4＝-175.655mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝3.0mm，材料为Nd3∶Vd3＝1.52/64；第三透镜L3分别由曲率半径为R5＝-114.274mm、R6＝-72.02mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝8mm，材料为Nd5∶Vd5＝1.8/25.4；第一透镜L1与第二透镜L1在光轴上的间隔为d2＝7.6mm，第二透镜L1与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝4.4mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6＝609mm。并列表如下：
Figure A20081006690500081
根据上表，可得出数据如下：
f＝575.4mm    D/f＝1∶25
λ＝1064nm    2ω＝70°
f1/f＝0.82    f2/f＝-0.35    f3/f＝0.40
由于f1/f＝0.82满足0.8＜f1/f＜1.0，f2/f＝-0.35满足-0.5＜f2/f＜-0.3，f3/f＝0.40满足0.3＜f3/f＜0.5。
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0.3 λ，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，且本发明的光学fθ镜头是一种长焦距镜头，同时要求在同样的焦距下标记范围比一般的fθ镜头大得多，所以其视场较一般fθ镜头大，达到70°，比一般镜头的50°要求视场大大增加。

Claims (3)

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：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“正-负-正”分离的光焦度***，其中，所述第一透镜为弯月型正透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第一透镜、第二透镜及第三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、第三透镜的焦距分别为f1、f2、f3，各透镜的光焦度与***的光焦度1/f比率以下要求：
0.8＜f1/f＜1.0
-0.5＜f2/f＜-0.3
0.3＜f3/f＜0.5。
2.如权利要求1所述光学fθ镜头，其特征在于：f1/f＝0.82；f2/f＝-0.35；f3/f＝0.40。
3.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20-60mm。
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