CN102012554A - 输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜 - Google Patents

Abstract

输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，涉及一种大口径扫描透镜。解决了现有的F-Theta扫描透镜6扫面光束与成像面不垂直的问题，提出一种输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜。输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，它的***焦距f＝430mm，F数为430，前工作距离h1为242.24mm，后工作距离h2为328.50mm。本发明为近红外激光外差干涉仪***提供一种匀速、均匀、平行扫描的F-Theta扫描透镜扫描***，并且具有大口径，均匀匀速扫描的优点。本发明应用于近红外外差干涉仪***的快速高精度的测量领域。

Description

输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜

技术领域

本发明涉及一种大口径扫描透镜。

背景技术

激光外差干涉仪以其测量精度高，速度快，对样品没有损害，灵敏度高等优点，在半导体硅片检测，光学玻璃生产监测，超光滑表面检测中越来越受到广泛的应用。然而，传统的激光外差干涉仪中对待测样品的扫描测量是通过样品的运动来达到扫描的目的，这种扫描方式虽然简单易行，但是在精度上已不能满足要求。相比之下，光扫描技术就显得优势明显。

光扫描技术是上世纪70年代中期以后出现的一种动态测试技术，它主要利用白光或激光形成对被测对象的扫描运动，配合光电器件，电子技术与计算机，构成各种精密测试方法，这种技术适合于做精密的测量。目前，从高精度的自动定位、面型检测、三维尺寸计量、表面瑕疵检查一直到超级市场的自动收货都已经应用了光扫描技术。

目前在国内外市场上，F-Theta扫描透镜6已经取得了广泛的应用，如激光扫描***，激光打标，刻印，光学精细加工，激光防伪和生物扫描仪等精密设备中常采用F-Theta扫描透镜6实现其功能。然而，以上这些应用紧紧停留在光束的单方向传播上。换句话说，光束只是以一个方向从F-Theta扫描透镜6出射，在空间达到一定扫描区域。另外，目前F-Theta扫描透镜6所采用的光源都是针对于可见光波段来实现研究和生产的。第三，目前的F-Theta扫描透镜紧紧考虑光束在空间的扫描点的聚焦成像质量，对于光束的方向性问题并没有在研究范围之内。而最新公告的专利申请并被授于的专利发明号位200510122760.0的专利就是研制了用于激光打标机中的F-Theta扫描透镜6扫描镜头，该专利仅仅考虑的激光光束的聚焦问题，对于出射的扫描光束并没有在考虑之内。

总之，现有的F-Theta扫描透镜具有以下3个方面的不足。一，使用波长单一，停留在可见光波段。二，扫描光束单方向传播扫描。三，扫描光束和成像面不垂直。这三点给应用在近红外外差干涉仪中的光学扫描带来很大的困难，因此，设计一种更合理的光学扫描技术相当紧迫。

发明内容

本发明为了解决现有的F-Theta扫描透镜扫面光束与成像面不垂直的问题，提出一种输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜。

输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，它的***焦距f＝430mm，F数为430，前工作距离h1为242.24mm，后工作距离h2为328.50mm。

本发明为近红外激光外差干涉仪***提供一种匀速、均匀、平行扫描的F-Theta扫描透镜，并且具有大口径，均匀匀速扫描的优点。

附图说明

图1是F-Theta扫描透镜在光学***中的位置示意图；图2是F-Theta扫描透镜的结构示意图；图3-5是具体实施方式三中所述组成F-Theta扫描透镜的三个透镜的结构示意图，其中图3是第一个透镜示意图，图4是第二个透镜示意图；图5是第三个透镜示意图；图6是F-Theta扫描透镜的3维实物结构示意图；图7是F-Theta扫描透镜的像平面上的点阵图。图8和图9是F-Theta扫描透镜的***畸变参数图，其中图8是F-Theta扫描透镜的曲场畸变参数图，图9是F-Theta扫描透镜的畸变百分比参数图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图2说明本实施方式，输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，它的***焦距f＝430mm，F数为430，前工作距离h1为242.24mm，后工作距离h2为328.50mm。

F数就是f/d，f为焦距，d为入射光瞳直径，F数为相对孔径的倒数，决定了像面照度，决定了设计的难度。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，它由第一透镜6-1、第二透镜6-2和第三透镜6-3组成，所述第一透镜6-1和第二透镜6-2的材料均是SF11，第三透镜6-3的材料是BK7。

与现有技术相比，本发明的特点在于：F-Theta扫描透镜6仅由三片式透镜组成，透镜组由SF11和BK7两种材料组成，镜头结构简单，加工成本低；适用波长为人眼安全的2μm波段；在空间扫描的工作面积可以达到Φ300mm×300mm，从F-Theta扫描透镜扫描出的光束跟像平面是完全垂直的，同时保证了激光束在像平面上的聚焦性能达到了衍射极限。这跟普通F-Theta扫描透镜是完全不同的。本发明为近红外外差干涉仪***的快速高精度的测量提供了可能。

具体实施方式三、结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，第一透镜6-1的第一表面的曲率半径r11为-241mm，第二表面的曲率半径r12为-197.70mm，中心厚度d1o为31.15mm，边沿厚度d1s为25.72mm，第二透镜6-2的第一表面的曲率半径r21为-1472.30mm，第二表面的曲率半径r22为-510.50mm，中心厚度为d2o为19.87mm，边沿厚度d2s为5.00mm，第三透镜6-3的第一表面的曲率半径r31为1432.20mm，第二表面的曲率半径r32为-1260.83mm，中心厚度d3o为24.16mm，边沿厚度d3s为5.00mm。

第一透镜6-1的外径分别W1为200.00mm，第二透镜6-2的外径分别W2为300.00mm，第三透镜6-3的外径分别W3为320.00mm。

具体实施方式四、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二或三的进一步说明，第一透镜6-1和第二透镜6-2之间的距离d12为188.54mm，第二透镜6-2和第三透镜6-3之间的距离d23为16.28mm。

如图7所示，为三片式透镜在空间扫描市场内，各个扫描点在像面上的光线追迹点列图。根据公式，艾利斑的直径为d＝2.44λF/d＝2151μm。由图7可以看出在整个视场内，各个视场内的光束分布图都在艾里斑之内，符合衍射极限理论。

如图8所示，分别是像散分布图和畸变分布图。在像散图里，横坐标代表的是场曲像散值，纵坐标代表的是归一化视场，所包含的两条曲线T和S分别代表的是子午场曲和弧矢场曲，这两个场曲的差就等于***的像散值。如图8所示，代表的是F-Theta扫描透镜的畸变分布图。横坐标代表的是F-Theta的畸变百分比，纵坐标代表的是归一化视场。由图8可以看出，最大畸变值小于0.5％，满足了像高和扫描角度的线性要求。

具体实施方式五、本实施方式是利用本发明的F-Theta扫描透镜为近红外外差干涉仪***提供一套平行光束的扫描光学透镜。所述光学***如图1说所示，包括2μm激光器1，偏振分束棱镜2，1/4波片4，待测样品7，反射镜8，反射振镜5，F-Theta扫描透镜6，光电探测器3。图2为三片式F-Theta扫描透镜6。所述透镜组***焦距等于430mm，入射在第一透镜6-1的光束直径为1mm，***的F数等于430，反射振镜5的空间扫描角度是40度。该F-Theta扫描透镜6前工作距离h1和后工作距离h2分别是242.24mm和328.50mm。激光束依次透过偏振分束棱镜2，1/4波片4，反射振镜5在工作时，在空间扫描出角度为40度的空间范围，扫描出的光束经过三片式的F-Theta扫描透镜6后，以完全平行光穿过待测样品7，最后在反射镜8上反射，并且沿原光路返回，依次经过待测样品7、F-Theta扫描透镜6，反射振镜5，1/4波片4，这时，光束的振动方向已经被改变了90度，因此从偏振分束棱镜2反射出去，最后被光电探测器3探测接收。在用ZEMAX软件设计F-Theta扫描透镜6的过程中，涉及到最终的优化问题。由于本扫描***是应用在近红外外差干涉仪***中，因此，要满足以下5个方面的要求。第一，从F-Theta扫描透镜6中的第三透镜6-3出射的光束要尽可能和像平面垂直，这样才能保证扫描出的光束在透射过玻璃样品和高反射镜之后，依然沿原光路返回。第二，由于该外差干涉仪***最终实现的目的是要对待测样品进行扫描测量，因此，尽量保证在振镜的振动过程中，扫描光束在成像面上的光束之间分布是均匀的。第三，光束在像面上的运动速度是匀速的。第四，扫描光束在成像面上的光斑要在艾里斑衍射极限以内。第五，由于该光学扫描***是F-Theta扫描透镜6中的一种，因此它必须满足畸变像差和像散像差的要求。对于上述5点基本要求，在设计的过程当中，分别通过添加不同的优化函数来一一解决。是通过添加RAIN操作数来保证从F-Theta扫描透镜6出射的扫描光束和像平面尽量垂直。RAIN指的是实际光线和指定表面的法线的夹角，因此在优化时保证此操作数的目标值为0。第二建立F-Theta扫描透镜6发光源的视场角度函数，这里的视场角度函数对应于MEMS振镜的空间扫描角度随扫描时间的函数关系，所选择的操作数是RAIN和SINE，SINE的含义是对所应用的操作数取正弦。目的是在归一化视场里建立振镜的扫描角度函数，然后再针对于像平面添加操作数REAZ，该操作数代表的是实际光线在指定面上的像高，保证这个操作数和上述建立振镜扫描角度函数的操作数是一一对应的。最后要添加的操作数是DISC，这个操作数表示的是归一化畸变参数，它是对整个可见视场计算标准化畸变，得到对于F-Theta条件下的最大非线性度值的绝对值，该操作数对于F-Theta镜头的设计十分有用。DISC也是对归一化视场里面的每一个值的目标值都是以0为目标值优化的，如图8和图9所示为***得到畸变像差曲线分布图。由图8和图9可以看出，***的最大畸变像差小于0.5％，这符合对于F-Theta扫描透镜的要求。为了使优化结果更加合理，默认的优化函数里还有关于像平面上的点阵光斑大小做了优化，由图7可以看出，在视场内所成的点阵光斑都在艾利斑以内。

激光外差干涉仪***以其测量精度高，测量时间短而在半导体硅片检测，红外玻璃面型检测，薄膜厚度和折射率测量等方面发挥着重要角色。尤其是这种工作波长在近红外的外差干涉仪***，更是以人眼安全的工作波长以及在光纤空间传播的特点，越来越受到科研工作着们的青睐。本发明就是针对于这种近红外外差干涉仪***设计了一种F-Theta扫描透镜，该扫描***可以以均匀平行的光束出射，并和MEMS振镜相结合对样品进行匀速的扫描。

Claims (5)

1.输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，其特征在于它的***焦距f＝430mm，F数为430，前工作距离h1为242.24mm，后工作距离h2为328.50mm。

2.根据权利要求1所述的输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，其特征在于它由第一透镜(6-1)、第二透镜(6-2)和第三透镜(6-3)组成，所述第一透镜(6-1)和第二透镜(6-2)的材料均是SF11，第三透镜(6-3)的材料是BK7。

3.根据权利要求2所述的输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，其特征在于第一透镜(6-1)的第一表面的曲率半径r11为-241mm，第二表面的曲率半径r12为-197.70mm，中心厚度d1o为31.15mm，边沿厚度d1s为25.72mm，第二透镜(6-2)的第一表面的曲率半径r21为-1472.30mm，第二表面的曲率半径r22为-510.50mm，中心厚度为d2o为19.87mm，边沿厚度d2s为5.00mm，第三透镜(6-3)的第一表面的曲率半径r31为1432.20mm，第二表面的曲率半径r32为-1260.83mm，中心厚度d3o为24.16mm，边沿厚度d3s为5.00mm。

4.根据权利要求2或3所述的输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，其特征在于第一透镜(6-1)和第二透镜(6-2)之间的距离d12为188.54mm，第二透镜(6-2)和第三透镜6-3之间的距离d23为16.28mm。

5.根据权利要求2或3所述的输出光垂直于像面的大口径F-Theta扫描透镜，其特征在于第一透镜(6-1)的外径分别W1为200.00mm，第二透镜(6-2)的外径分别W2为300.00mm，第三透镜(6-3)的外径分别W3为320.00mm。

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