超广角大工作面f_theta镜头的光学设计

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1、第３２卷第６期应用光学Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．６２０１１年１１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＮｏｖ．２０１１文章编号：１００２－２０８２（２０１１）０６－１０８３－０５超广角大工作面ｆ－ｔｈｅｔａ镜头的光学设计付敏敏，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）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。该方法具有简洁、可靠、易实现等特点。通过初级像差分析，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

2、的ｆ－ｔｈｅｔａ镜头，镜头线性畸变误差值不超过１％，在半径为６９８μｍ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：Ａｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１１３２．０６０１００６Ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｓｕｐｅｒｗｉｄｅａｎｇｌｅｆ－ｔｈｅｔａｌｅｎｓｗｉｔｈｌａｒｇｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｒｅａＦＵＭｉｎ－ｍｉｎ，ＣＨＥＮＰｅｉ－ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＹｉｎｇ，ＪＩＡＮＧＨｏｎｇ－ｙａｎｇ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉ

3、ｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｉｅｌｄａｎｇｌｅｏｆｆ－ｔｈｅｔａｌｅｎｓｕｓｅｄｉｎｌａｓｅｒｍａｒｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｌｅｓｓｔｈａｎ６０°．Ｂｙａｄｏｐｔｉｎｇａｔｅｌｅｓｃｏｐｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｕｓｉｎｇａｍｅｔｈｏｄｏｆｖｉｓｕａｌｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｓｕｐｅｒｗｉｄｅｌｅｎｓｗｉｔｈｔｈｅｆｉｅｌｄａｎｇｌｅｏｆ９０°ｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｃａ

4、ｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｓｉｍｐｌｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄｅａｓｙｔｏａｃｈｉｅｖｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｉｍａｒｙａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｆ－ｔｈｅｔａｌｅｎｓｗｉｔｈａｌａｒｇｅｗｏｒｋｉｎｇａｒｅａｏｆ２８５ｍｍｉｎｄｉａｍｅ－ｔｅｒｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈＺＥＭＡＸ．Ｔｈｅｌｉｎｅａｒｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｌｅｎｓｉｓｌｅｓｓｔｈ

5、ａｎ１％，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒａｔｅｉｓ８０％ｉｎｔｈｅｃｉｒｃｌｅｗｉｔｈａｒａｄｉｕｓｏｆ６９８μｍａｎｄｔｈｅｆｏｃｕｓｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ－ｌｉｍｉｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｓｕｐｅｒｗｉｄｅａｎｇｌｅｆ－ｔｈｅｔａｌｅｎｓ；ｐｒｉｍａｒｙａｂｅｒｒａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙ；ｌａｓｅｒｍａｒｋｉｎｇ；ＺＥＭＡＸ［２－３］引言ｔｈｅｔａ镜头提出了更高的要求，使它朝大工作面的方向发展。增大工作面的途径有两种：一种是通ｆ－ｔｈｅｔａ透镜是信息处理、激光刻字、激光照排过提高镜头焦距

6、ｆ′；另一种是增加视场角２θ。为了和激光打印机等激光扫描记录装置中广泛采用的使系统的尺寸尽量减小，焦距ｆ′不能取得太大，因而［１］一种具有特殊要求的光学镜头，其理想像高与［２－５］只有增加视场角２θ。国内外专利、期刊报导的ｆ－扫描角成线性关系，即以等角速度偏转的入射光ｔｈｅｔａ镜头的视场角一般均在３０°～６０°之间。扫描角束在焦平面上的扫描速度是常数。具有无污染、度在５０°～６０°的ｆ－ｔｈｅｔａ镜头可认为是广角ｆ－ｔｈｅｔａ分辨率高、非接触、标记永久保持、无非线性误差镜头，超过６０°的为超广角ｆ－ｔｈｅｔａ镜头［１］。［２］和塔形误差等优点。本文利用望远镜结构，设

7、计了超广角ｆ－ｔｈｅｔａ随着激光打标应用范围的进一步伸展，对ｆ－镜头，使视场角２θ为９０°。从初级像差理论出发，收稿日期：２０１１－０４－２１；修回日期：２０１１－０５－３０作者简介：付敏敏（１９８５－），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．ｃｏｍ·１０８４·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［５－６］应用ｆ－ｔｈｅｔａ镜头的设计原理并合理使用非球镜头，视场角为±４５°，由成像公式Ｙ＝ｆ×θ可得面，使得超广角ｆ－ｔｈｅｔａ镜头线性特性的相对误差镜头焦