CO2激光打標機f-theta透鏡的光學設計

趙鑫

（武漢軟件工程職業學院 電子工程學院，湖北 武漢　430205）

CO2激光打標機f-theta透鏡的光學設計

趙鑫

（武漢軟件工程職業學院 電子工程學院，湖北 武漢430205）

隨著激光應用技術的發展，F-θ透鏡被廣泛地應用于紅外，激光等掃描系統中。文章基于F-θ透鏡的原理和特性，根據使用要求，利用ZEMAX軟件，設計一個F-θ鏡頭。該鏡頭焦距160mm，視場角40°。優化設計后，像散值在像差容限范圍內，滿足平場要求；F-θ鏡頭相對畸變小于0.005%；光能利用率好，聚焦性能接近衍射極限。該鏡頭結構簡單，符合使用要求。

F-θ鏡頭；畸變；衍射極限；光學設計

1　f-theta鏡設計原則

激光打標機的掃描系統一般有兩個振鏡組成，分別完成X方向和Y方向的掃描。掃描系統出射的光束經光學系統聚焦在焦平面上。兩光束的光軸夾角為θ，光學系統的焦距為f，則像高h為：

將式（1）對時間t求導：

打標機掃描振鏡的掃描角速度是均勻的，則dθ/dt為常數，這樣在不同的θ位置，攜帶圖像信息的光束在加工平面上的掃描線速度dh/dt不是勻速的，θ越大，dh/dt越大，這也意味著θ越大，對于相同的轉角dθ，dh越大。因此對于不考慮像差的理想光學聚焦系統，其在工件平面上形成圖像的線條將是中間深邊緣淺，而且圖像失真量越來越大。

如果能做到h與θ滿足線性關系則上述問題將不存在。

滿足（3）式的光學系統稱為f-theta鏡頭，實現的方法是利用光學系統的負畸變現象設計合適的結構使得（3）式成立，此時需要產生的畸變量VL為

實際的f-theta鏡的線性度總存在偏差。設其實際像高為H，偏離線性關系的相對畸變量為η，則

在ZEMAX軟件中用η值評價f-theta鏡頭的線性度，η值越小越好。

2　光學系統設計與分析

根據要求，我們設計了波長為10.6μm，焦距為160mm，掃描角為±20°，用于激光打標機的f-theta鏡頭系統。由于實際工作面一般為平面，因此要進行平場設計。f-theta鏡頭的光焦度分配應滿足：

其中h為像高（主光線于像平面交點的高度），φi為第i塊透鏡的光焦度，ni第i塊透鏡的折射率。為了保證像面光斑的地均勻性，還要考慮能量集中度和各個視場像面的輻照度。f-theta鏡頭屬于大視場，小相對孔徑。系統對單色光成像不需要考慮色差。

文章是對已有的一個激光掃描物鏡進行改動，將原來的焦距縮放至f'=160mm，并對鏡片的厚度提出限制要求。根據式選取正負光焦度組合，并且工作距離比焦距長，采用反攝遠結構，即負透鏡在前，正透鏡在后，利用第三片厚透鏡校正場曲。每片透鏡均為球面鏡，并且結構緊湊較好的控制了成本。優化得到的f-θ鏡頭。圖1為該系統場曲和畸變曲線圖，最大場曲0.5mm，最大像散0.2mm，小于由式（7）計算得到的焦深，在像差容限范圍內滿足平場條件。最大相對畸變0.005%，滿足畸變要求。圖2為系統的點列圖。各視場光斑直徑為4～8μm，都在艾里斑內。艾里斑直徑為41.3μm。圖3是鏡頭的像面相對照度分布曲線。通過圖形分析可以看出像面照度分布均勻，聚焦效果良好，滿足使用的要求。

圖1　f-θ鏡頭場曲和畸變圖

圖2　點列圖

圖3　鏡頭的像面相對照度分布曲線

3　結語

文章利用ZEMAX軟件，基于F-θ透鏡特點，設計F-θ掃描鏡頭。根據像差理論，建立合理的評價函數，優化設計得到了焦距160mm符合實際使用要求的F-θ鏡頭。該鏡頭成像質量良好，結構簡單緊湊，成本低，加工可行性強。

［1］鄭啟光.激光先進制造技術［M］.武漢：華中科技大學出版社，2002.

Optical Design of CO2Laser Marking Machine F-theta Lens

ZHAO Xin
（School of Electronic Engineering，Wuhan Vocational College of Software and Engineering，Wuhan，Hubei 430205，China）

With the development of laser application technology，hereby f-lens is widely application in infrared and laser scanning system.This article，based on principle and characteristics of the f-theta lens，according to the requirements of the user，with ZEMAX software，designed a f-lens.This lens'focal length is 160mm，and the view angle is 40 degrees.After optimization of this design，the astigmatism values in aberration capacity within the limit，meet the flat field requirements；this flens relative distortion is less than 0.005%；has a good light energy utilization rate，the focusing performance is close to the diffraction limit.This lens has a advantages of simple structure，match the requirements.

F-lens；distortion；diffraction limit；optical design

TN249

A

2095-980X（2016）04-0077-02

2016-03-24

趙鑫（1973-），男，湖北武漢人，碩士，講師，主要研究方向：光學設計。