超广角大工作面f-theta镜头的光学设计

第32卷第6期 2011年11月 文章编号：1002—2082(2011)06—1083—05 应用 光学 JournalofAppliedOptics 超广角大工作面f-theta镜头的光学 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 付敏敏，陈培锋，王 英，蒋红阳 (华中科技大学光电子科学与工程学院，湖北武汉430074) V01．32No．6 NOV．2011 摘 要：目前国内用于激光标刻机的f-theta镜头的视场角一般小于60。。采用望远镜结构，利用 视觉放大率增大视场角，得到了超广角90。镜头。该 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 具有简洁、可靠、易实现等特点。通过 初级像差 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，确定系统的初级结构参数，利用ZEMAX软件优化得到了大工作面为,／,285mm 的f-theta镜头，镜头线性畸变误差值不超过1％，在半径为698肛m的圆内，能量集中度为80％， 聚焦性能接近衍射极限。 关键词：光学设计；超广角f-theta镜头；初级像差理论；激光打标；ZEMAX 中图分类号：TN202}TH703 文献标志码：A doi：10．5768／JA0201132．0601006 Opticaldesignofsuperwideanglef-thetalenswithlargeoperationarea FUMin—min。CHENPei—feng，WANGYing，JIANGHong—yang (DepartmentofOptoelectronicScienceandEngineering．HuazhongUniversityofScience＆ Technology，Wuhan430074，China) Abstract：The．fieldangleoff-thetalensusedinlasermarkingsystemisgenerallylessthan60。． Byadoptingatelescopestructureandusingamethodofvisualmagnification，asuperwidelens withthefieldangleof90。wasobtainedintheopticalsystem．Themethodissimple，reliable， andeasytoachieve．Basedontheanalysisofprimaryaberrations，theparametersofinitial structureweredetermined．andthef-thetalenswithalargeworkingareaof285mmindiame— terwasobtainedbyoptimizingtheinitialstructurewithZEMAX．Thelineardistortionerrorof thelensislessthan1％，theenergyconcentrationrateis80％inthecirclewitharadiusof 698肛mandthefocusingperformanceisdiffraction—limited． Keywords：opticaldesign；superwideanglef-thetalens；primaryaberrationtheory；laser marking；ZEMAX 引言 f-theta透镜是信息处理、激光刻字、激光照排 和激光打印机等激光扫描记录装置中广泛采用的 一种具有特殊要求的光学镜头[1]，其理想像高与 扫描角成线性关系，即以等角速度偏转的入射光 束在焦平面上的扫描速度是常数。具有无污染、 分辨率高、非接触、标记永久保持、无非线性误差 和塔形误差等优点[2]。 随着激光打标应用范围的进一步伸展，对f_ theta镜头提出了更高的要求，使它朝大工作面[2‘3] 的方向发展。增大工作面的途径有两种：一种是通 过提高镜头焦距／；另一种是增加视场角2口。为了 使系统的尺寸尽量减小，焦距／不能取得太大，因而 只有增加视场角2口。国内外专利、期刊报导[2。5]的f- theta镜头的视场角一般均在30。～60。之间。扫描角 度在50。～60。的f-theta镜头可认为是广角f-them 镜头，超过60。的为超广角f-theta镜头[1]。 本文利用望远镜结构，设计了超广角f-theta 镜头，使视场角2口为90。。从初级像差理论出发， 收稿日期：2011_04—21#修回日期：2011一05—30 作者简介：付敏敏(1985一)．男。江西新余人，硕士研究生，主要从事光学设计，光电检测方面的研究。 E-mail：fumm20@126．corn 万方数据 应用光学2011．32(6)付敏敏，等：超广角大]i作面rtheta镜火的光学设计 应用f-theta镜头的设计原理l。“j并合理使用非球 面，使得超广角f-theta镜头线性特性的相对误差 值不超过1％．在半径为698“m的圆内，能量集巾 度为80％，系统像质优良，能达到衍射极限。 1设计思想 用于激光标刻系统中的f-tbeta透镜是一种常 用的具有特殊要求的透镜系统，它具有以下几个 特性： 1)由于光源一般为CO：激光或YAG激光， 因此工作在单波长，不需考虑色差。 2)由于r：件表面一般为平面，幽此要求f-the— ta镜头具有平场特性，即匹兹凡和场曲为零。 3)为丁实现等速扫描，应使透镜产生一定的负 畸变，从而实现线性扫描。此时产生的负畸变量为 △y一／·日一，·tan0--，(0-tan0)(1) 实际像高与理想像高之差和理想像高的百分 比定义为线性误差“1，如下式所示：7一生铲X]00％一(，一竽)X100％ (2) 图1为激光标刻原理图，}L径光阑位于x扫 描振镜处，口径等于入射激光束直径，约为10mm。 两片振镜由电流计驱动做等速偏转，偏转光束经 f-theta镜头作用后聚焦在工件表面上，聚焦光点在 表平面上按规律运动，就可以得到标刻图案。 X 、 图1 激光标刻机打标原理 Fig．1Principleoflasermarkingsystem 为了满足扫描大工作面(如200ITIYllX150mrn) 工件的需要，设计了扫描长度为d285rflm的ftheta 镜头，视场角为±45。，南成像公式Y=，×0可得 镜头焦距约为180mm。 为了获得优良的打孔效果，一般要求镜头具 有衍射受限的性能。该ftheta镜头的F数约为 54，工作波长为10．6”m．达到衍射受限的爱里斑 半径n为 口=1．222×F (3) 经(3)式计算得口约为698“m。 能量集中度和像面相对照度是衡量f—theta镜 头性能的2个重要指标，能量集中度要求能量主要 集巾在爱里斑半径内，像面相对照度应好于80％。 通过引入小的相对孔径可以减少球差，为校正场 曲，系统中引入分离薄透镜组，彗差可通过改变透 镜的形状因子改变“，将透镜的表面弯向光阑有 助于引入畸变。 对于10．6bcm波段的红外激光，选用ZnSe和 Ge作为透镜 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 。由于超广角入射，使得入射光 线在透镜各面的入射角和入射高度大，导致系统 的像差大，通过合理使用非球面可以减小系统 像差。 2望远镜结构 南于受打标系统光学结构的限制，扫描振镜 的偏转角度一般不超过±15。[“，即视场角不超过 ±30。。为了获得±45。超广角(望远镜像方视场 角)，需要使用望远镜结构来提高视场角。根据望 远镜物方视场角±l5。，可知望远镜的视觉放大率 为一3倍。图2为开普勒望远镜结构，采用“正光 组一正光组”构成。／：为物镜的像方焦距，^为目 镜的物方焦距，w、“7分别为物方视场角和像方视 场角。物镜第l面离孔径光阑的距离为10mm， 孔径光阑位于X扫描振镜处。 物镜 几镜 凡射扎J ≮r步蔫妄=雪、斧弋7--／7：—／，、 17 √I＼ 1 f 二一，—一一， 圈2望远镜结构 Fig．2Telescopestructure 考虑到物方视场角和像方视场角都比较大 万方数据 应用光学2011，32(6)付敏敏，等：超广角大工作面f-theta镜头的光学设计 会带来大的像差，为了校正像差，望远镜采用多片 分离的弯月透镜结构。望远镜物镜和目镜焦距、 筒长L和视觉放大率满足以下关系 L=一+一，11=一是 (4) 由(4)式解得：一=鲁≥，^=T兰蓦。由筒长L为 70mm和11为一3计算出物镜和目镜的焦距分别 为52．5mm和17．5mm。 望远镜的物镜和目镜结构分别从专利文献[7】 中获得，但文献中给出的结构参数并不符合设计 要求。通过ZEMAX软件，对给出的结构参数进 行等比例缩放、替换透镜、删减透镜、优化参数等 操作，可以得到符合要求的望远镜结构。图3为优 化后的望远镜头。物镜为二片式球面透镜，目镜 由向场镜和接目镜组成，为三片式球面透镜，向场 镜采用平凸结构，平的一面朝向物镜。 ：Ⅱ q 豳 、--—-_、r---—一 目镜 图3优化得到的望远镜头 Fig．3Telescopelensafteroptimization 3 f-theta镜头结构 为了简化光学系统的计算，以二片式f-theta 镜头为例。根据光焦度分配公式和平场特性，二 片式f-theta镜头满足以下关系 f∑h；妒；=P。+JIl：伫=1 【∑7盟／i2塑nl+亚n2一o < (5) 式中，咒。为ZnSe玻璃的折射率，取值为2．403；以z 为Ge玻璃的折射率，取值为4．003。光焦度分配 后，根据薄透镜系统的初级像差理论求出系统的 初始结构，可将初级球差S。、彗差S。、像散S。和畸 变S。等像差系数表示为 f∑S-=s。(即，亿；P-，Pz；w，，W2) j∑sz．5“”即；P¨P2∥¨％’(6) l∑S3=s3(妒1，即；Pl，P2；wl，W2) 【∑S。=St(仍，弘；P1，P2；w·，W2) 求解方程(6)，得到透镜的r、旷参数并计算透 镜形状因子Q。因推导过程较繁杂和冗长，在此不 给出详细求解过程。 计算镜头的初始结构时略去了系统的高级像 差和透镜厚度，它是一个近似解，须经过优化才能 得到一个优质的镜头。在超广角大工作面的情况 下，二片式f-theta透镜不能够很好地控制系统的 像差，通过将单片透镜分裂成双片来增加透镜片 数的方法可以减少系统的像差。图4为优化后的 三片式f-theta镜头结构，第1片为负透镜，中间片 和第3片为正透镜，保证了球差和场曲的校正。第 1片和第3片透镜弯向光阑，第2片透镜背向光 阑，有利于校正像散和彗差。 图4优化得到的f-theta镜头 Fig．4Fthetalensafteroptimization 4 优化设计 将前面优化好的望远镜头和f-theta镜头组合 在一起就是f-theta镜头打标系统，组合后的系统 像差并不是两镜头像差的简单相加，组合后系统 的像差变大了，成像质量变差了，光学聚焦性能达 不到衍射极限。通过采用非球面可以进一步提高 系统的像质。将系统中第1片透镜的第2表面设 置为非球面Binary2，即二元衍射面。将透镜间 隔、厚度、曲率半径设置为变量对系统进行优化， 优化后的镜头打标系统如图5所示。孔径光阑到 第1片透镜的距离为10mm，系统F数约为54，入 射到系统中f-theta镜头的视场角为士45。(望远镜 像方视场角)，望远镜物方视场角为±15。，扫描范 围为200mm×200ram(扫描长度击285ram)，镜 头总长为195mm。 图6给出了此{-theta打标系统聚焦性能评价 曲线，工作波长为10．6“m。图6(a)中右边是评 价f-theta镜头线性特性的畸变曲线图，横坐标表 示相对畸变值的大小，即'7值，纵坐标为视场角。 可见光学系统的相对畸变值最大约为1．0％，满足 万方数据 ·1086· 应用光学2011，32(6)付敏敏，等：超广角大工作面f-theta镜头的光学设计 。《垂秀要=辆nl 二元衍射面鼍吣 一 图5优化后的镜头系统 Fig．5Lenssystemafteroptimization‘ 设计要求。左边是场曲曲线随视场的变化情况， 子午场曲和弧矢场曲之差为像散值，像散值较大。 大像散值的出现是由于平场条件是在初级像差理 S +YT ．1 ： 0 场曲／mm 论计算初始结构时考虑的，最后的像面是通过自 动优化像差后得到的，确实不一定平场，会有残余 的场曲像差，用来平衡像散等高级像差[2]。最大 的像散值约为100mm。根据焦深公式，可得该系 统的焦深约为123．6mm，这样的像散值是合理 的。图6(b)是激光束在工件表面的相对辐射照度 分布，整个成像工件表面上的照度分布均匀性接 近90％，符合实际工作要求；图6(c)是COz激光 束经f-theta透镜后在成像表面的能量集中度分布 曲线，图中A点表示入射光束的近80％的能量都 在半径为700／．tm的爱里斑内，各视场角能量集中 度曲线与衍射极限的能量集中度曲线基本重合， 系统达到了衍射极限。 +Y {≥ ／ ；； (a)相对畸变和场曲图 (b)像面辐照度分布曲线 0 2 畸变肠 (c)能量集中度曲线 图6聚焦性能评价 Fig．6Evaluationoffocusingperformances 5 结论 应用望远镜结构结合f-theta设计原理设计了 超广角大工作面f-theta镜头，给出了设计思想、设 计结果和像质评价。镜头的聚焦性能接近衍射极 限，具有畸变小、光能利用率高、像面照度分布均 匀、结构紧凑、像质优良等优点，适合大工作面的 激光打标机要求。 参考文献： E13崔桂华．超广角大l：l径f-o透镜设计[J]．应用光学． 万方数据 应用光学2011，32(6)付敏敏，等：超广角大工作面f-theta镜头的光学设计·1087· 1993，14(3)：13一15． 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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_yygx201106006.aspx