一种激光扫描镜头.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102062931 A(43)申请公布日 2011.05.18CN102062931A*CN102062931A*(21)申请号 201010527536.0(22)申请日 2010.10.29G02B 13/06(2006.01)G02B 13/18(2006.01)(71)申请人深圳市大族激光科技股份有限公司地址 518055 广东省深圳市南山区高新技术园北区新西路9号大族激光大厦(72)发明人汪玉树高云峰(54) 发明名称一种激光扫描镜头(57) 摘要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。

2、，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系统的焦距按以下要求：0.9f1/f1.1-0.4f1/f-0.30.3f3/f0.5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860mm直径范围，即可扫描600mm600mm范围。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 4 页附图 6 页CN 10。

3、2062941 A 1/1页21.一种激光扫描镜头，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系统的焦距按以下要求：0.9f1/f1.1-0.4f1/f-0.30.3f3/f0.5其中，整个光学系统的焦距为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。

4、。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系统的焦距按以下要求：f1/f1.043，f2/f-0.3723，f3/f0.3908。权利要求书CN 102062931 ACN 102062941 A 1/4页3一种激光扫描镜头【技术领域】0001 本发明涉及一种大范围的F-theta激光扫描镜头。【背景技术】0002 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系统。在目前市场上激光打标机，以其速度快，灵活性强，无。

5、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。0003 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。0004 图1是一种典型的F-Theta镜头的光学系统，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hf*Theta(sr)。其中，f为F-theta镜头3的。

6、焦距，theta为振镜的扫描角度(单位为弧度)。0005 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：hf*tan(theta)。它不满足hf*theta关系式。因此，激光打标系统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。0006 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：0007 dh。

7、f*tan(theta)-f*theta0008 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光学系统。【发明内容】0009 本发明的目的在于针提供一种扫描范围达到600mm600mm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。0010 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”。

8、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系统的焦距按以下要求：0011 0.9f1/f1.1说明书CN 102062931 ACN 102062941 A 2/4页40012 -0.4f1/f-0.30013 0.3f3/f0.50014 其中，整个光学系统的焦距为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。0015 其中，所述第一透镜距光阑的距离为25-40mm。0016 其中，各透镜的焦距与整个光学系统的焦距按以下要求：f1/f1.043，f2/。

9、f-0.3723，f3/f0.3908。0017 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860mm直径范围，即可扫描600mm600mm范围。【附图说明】0018 下面参照附图结合实例对本发明作进一步的描述：0019 图1为现有F-Theta镜头的光学系统；0020 图2为本激光扫描镜头的结构示意图；0021 图3本激光扫描镜头的光纤追迹图；0022 图4为本激光扫描镜头的各视场角的能量分布图；0023 图5为本激光扫描镜头的弥散光斑图；0024 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。

10、】0025 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。0026 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。

11、，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。0027 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系统的焦距f比率按以下要求：0028 0.9f1/f1.10029 -0.4f1/f-0.30030 0.3f3/f0.50031 其中，整个光学系统的焦距为f，第一、第二、第三透镜的焦距分别为f1，f2，f3。0032 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L。

12、3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说明书CN 102062931 ACN 102062941 A 3/4页5的距离为d6。0033 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。

13、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：0034 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d15.6mm，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d36.39mm，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、R6-1。

14、10.03的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d515.72mm，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d28.09，第二透镜L1与第三透镜L3在光轴上的间隔为d44.2mm，第三透镜L3与成象面在光轴上的距离为d6692.1mm。并列表如下：0035 0036 其中，上表中的负数的含义是曲面的球心位于曲面的左边。0037 根据上表，可得出数据如下：0038 f650mm D/f1:430039 1064nm f1/f1.0430040 f2/f-0.3723 f3/f0.39080041 视场角2700042 图3为上例中的光线追迹图，图。

15、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。0043 由上以各图说明：系统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，说明在全视场说明书CN 102062931 ACN 102062941 A 4/4页6上成像均匀，没有渐晕存在。0044 从图3可以看出，激光扫描范围能达到860mm直径范围，即可扫描600mm600mm范围。说明书CN 102062931 ACN 102062941 A 1/6页7图1说明书附图CN 102062931 ACN 102062941 A 2/6页8图2说明书附图CN 102062931 ACN 102062941 A 3/6页9图3说明书附图CN 102062931 ACN 102062941 A 4/6页10图4说明书附图CN 102062931 A。

摘要
申请专利号：	CN201010527536.0	申请日：	2010.10.29
公开号：	CN102062931A	公开日：	2011.05.18
当前法律状态：	驳回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):G02B 13/06申请公布日:20110518\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G02B 13/06申请日:20101029\|\|\|公开
IPC分类号：	G02B13/06; G02B13/18	主分类号：	G02B13/06
申请人：	深圳市大族激光科技股份有限公司
发明人：	汪玉树; 高云峰
地址：	518055 广东省深圳市南山区高新技术园北区新西路9号大族激光大厦
优先权：
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内容摘要

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系统的焦距按以下要求：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。

权利要求书

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系统的焦距按以下要求： 0.9 ＜ f1/f ＜ 1.1 -0.4 ＜ f1/f ＜ -0.3 0.3 ＜ f3/f ＜ 0.5 其中，整个光学系统的焦距为 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系统的焦距按以下要求： f1/f ＝ 1.043， f2/f ＝ -0.3723， f3/f ＝ 0.3908。

说明书

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系统。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 镜头的光学系统，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，激光打标系统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 光学系统。【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系统的焦距按以下要求：
     0.9 ＜ f1/f ＜ 1.1-0.4 ＜ f1/f ＜ -0.3
     0.3 ＜ f3/f ＜ 0.5
     其中，整个光学系统的焦距为 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系统的焦距按以下要求： 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 镜头的光学系统；
     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系统的焦距 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，整个光学系统的焦距为 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：系统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。