CN102062931A - 一种激光扫描镜头 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种激光扫描镜头，包括透镜组、光阑及焦平面，所述光阑位于透镜组的前方，所述透镜组位于光阑与焦平面之间，所述透镜组包括三个透镜，该三个透镜由光阑开始依序排列的第一、第二、第三透镜，所述第一、第二、第三透镜以“正-负-正”的光焦度分布设计，各透镜的焦距与整个光学***的焦距按以下要求：0.9＜f1/f＜1.1-0.4＜f1/f＜-0.30.3＜f3/f＜0.5且，本激光扫描范围为600mm*600mm。本发明的有益效果是：本激光扫描在成像范围内的聚焦点，没有渐晕存在，且所有“刻出”的像点都相一致和清晰，且激光扫描范围能达到Φ860mm直径范围，即可扫描600mm×600mm范围。

Description

一种激光扫描镜头

【技术领域】

本发明涉及一种大范围的F-theta激光扫描镜头。

【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。

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，激光打标机是因为有了F-theta镜头才得以实现。

图1是一种典型的F-Theta镜头的光学***，光束顺次经两块绕X轴和Y轴转动的X振镜1和Y振镜2，最后通过F-theta镜头聚焦在像面4上，由振镜扫描形成图像。F-theta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h与X振镜1和Y振镜2的扫描角度theta成线性关系，即h＝f*Theta(sr)。其中，f为F-theta镜头3的焦距，theta为振镜的扫描角度(单位为弧度)。

由高斯光学成像理论，像高h与镜头焦距f和振镜转角Theta关系为：h＝f*tan(theta)。它不满足h＝f*theta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h与振镜的转角theta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dh，使得满足下式所示关系：h＝(f*tan(theta)-dh)＝f*theta。这个结论是非常重要的。虽然dh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，应满足下式：

dh＝f*tan(theta)-f*theta

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-theta光学***。

【发明内容】

本发明的目的在于针提供一种扫描范围达到600mm×600mm的F-Theta激光扫描镜头，以达到激光扫描视场大、扫描范围大、像差校正容易。

本发明实施例是这样实现的，本发明揭示一种激光扫描镜头，包括透镜组、光阑及焦平面，所述光阑位于透镜组的前方，所述透镜组位于光阑与焦平面之间，所述透镜组包括三个透镜，该三个透镜由光阑开始依序排列的第一、第二、第三透镜，所述第一、第二、第三透镜以“正-负-正”的光焦度分布设计，所述第一、第二、第三透镜均为弯月型透镜，且第一、第二、第三透镜的曲面均向着光阑方向弯曲，各透镜的焦距与整个光学***的焦距按以下要求：

0.9＜f1/f＜1.1

-0.4＜f1/f＜-0.3

0.3＜f3/f＜0.5

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；且，本激光扫描范围为600mm*600mm。

其中，所述第一透镜距光阑的距离为25-40mm。

其中，各透镜的焦距与整个光学***的焦距按以下要求：f1/f＝1.043，f2/f＝-0.3723，f3/f＝0.3908。

本发明的有益效果是：本激光扫描在成像范围内的聚焦点，没有渐晕存在，且所有“刻出”的像点都相一致和清晰，且激光扫描范围能达到Φ860mm直径范围，即可扫描600mm×600mm范围。

【附图说明】

下面参照附图结合实例对本发明作进一步的描述：

图1为现有F-Theta镜头的光学***；

图2为本激光扫描镜头的结构示意图；

图3本激光扫描镜头的光纤追迹图；

图4为本激光扫描镜头的各视场角的能量分布图；

图5为本激光扫描镜头的弥散光斑图；

图6为本激光扫描镜头的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

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F-theta镜所需要的，此畸变很容易达到F-theta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F-theta扫描镜头，包括透镜组和光阑(振镜)1，所述光阑(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，所述第一、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是玻璃。

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，其中各透镜的焦距与整个光学***的焦距f比率按以下要求：

0.9＜f1/f＜1.1

-0.4＜f1/f＜-0.3

0.3＜f3/f＜0.5

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。

其中，第一透镜L1距光阑(振镜)1的距离d0为25-40mm，第一透镜L1为弯月型正透镜；第二透镜L2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L2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2的距离为d6。

它们的具体结构及参数表述为：本光学F-theta扫描镜头由L1、L2、L3三个透镜构成，第一透镜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；第二透镜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Nd2/Vd2；第三透镜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Nd3/Vd3；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，其具体参数如下所示：

第一透镜L1分别由曲率半径为R1＝-1397.98mm、R2＝-381.95mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝5.6mm，材料为Nd1/Vd1约为1.8/25.4；第二透镜L1分别由曲率半径为R3＝-99.43mm、R4＝-536.12mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝6.39mm，材料为Nd3/Vd3约为1.51/64；第三透镜L3分别由曲率半径为R5＝-234.08mm、R6＝-110.03的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝15.72mm，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＝8.09，第二透镜L1与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝4.2mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6＝692.1mm。并列表如下：

其中，上表中的负数的含义是曲面的球心位于曲面的左边。

根据上表，可得出数据如下：

f＝650mm        D/f＝1:43

λ＝1064nm      f1/f＝1.043

f2/f＝-0.3723   f3/f＝0.3908

视场角2ω＝70°

图3为上例中的光线追迹图，图4为各视场角的能量分布图，图5为各视场角的弥散光斑图。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，弥散光斑都在爱里斑内，即达到了衍射极限。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。

从图3可以看出，激光扫描范围能达到Φ860mm直径范围，即可扫描600mm×600mm范围。

Claims (3)

1.一种激光扫描镜头，包括透镜组、光阑及焦平面，所述光阑位于透镜组的前方，所述透镜组位于光阑与焦平面之间，所述透镜组包括三个透镜，该三个透镜由光阑开始依序排列的第一、第二、第三透镜，其特征在于：所述第一、第二、第三透镜以“正-负-正”的光焦度分布设计，所述第一、第二、第三透镜均为弯月型透镜，且第一、第二、第三透镜的曲面均向着光阑方向弯曲，各透镜的焦距与整个光学***的焦距按以下要求：

0.9＜f1/f＜1.1

-0.4＜f1/f＜-0.3

0.3＜f3/f＜0.5

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；且，本激光扫描范围为600mm*600mm。

2.根据权利要求1所述的激光扫描镜头，其特征在于：所述第一透镜距光阑的距离为25-40mm。

3.根据权利要求1所述的激光扫描镜头：各透镜的焦距与整个光学***的焦距按以下要求：f1/f＝1.043，f2/f＝-0.3723，f3/f＝0.3908。

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