折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统设计

　　0　引言

　　自从1988年Swanson和Veldkamp等人[1]利用衍射光学元件的色散特性校正单透镜的轴上色差研制了多阶相位透镜以来,便开始了衍射光学在光学成像领域的应用研究[2~6].随着激光技术的成熟,激光在工业领域的应用越来越多,如激光打印机、条形码扫描、图形传真、报警扫描、激光雕刻等等.在这些应用中用到了工作于单波长的f2θ物镜[7~10].而对于现在的新兴产业如彩色激光打印机、激光数码彩扩等系统中要用到消色差的f2θ物镜[11].在另外一方面,一个激光器工作于多波长时的输出能量要比单波长时高得多,所以对于能量要求较高的扫描系统中,可以用小体积的多波长激光器代替大体积的单波长激光器[10],这对于整个系统的小型化是非常重要的.

　　用于多波长的f2θ物镜需要校正的像差主要有色差、场曲、相对f2θ畸变、垂轴像差.美国1990年专利(专利号4,925,279)设计了一个用于激光扫描的远心消色差f2θ物镜,其像差满足一般的激光扫描系统的要求[12].

　　本文基于此专利,引入折/衍混合透镜,获得了更好的消色差效果,并且减少了组成f2θ物镜的单透镜片数,使整个激光扫描系统具有优良的光学扫描特性.

　　1　折/衍混合远心消色差f2θ物镜设计

　　在普通光学系统中,如果畸变和场曲得到了校正,则像平面上的理想像高y=ftanθ·f2θ系统要求消场曲,像面为平面,同时光学系统产生一个负畸变,使在扫描平面上的像高与入射扫描角成正比,即y=f·θ·从而当扫描角保持一定的转速时,像点在平面上保持线性的扫描.产生负畸变的大小应为(f·tanθ-f·θ)/ f·θ×100%,在软件ZEMAX中,评价线性度用相对f2θ畸变,定义如前文所述.

　　在激光扫描系统中,被扫描平面应置于f2θ物镜的理想像面处,因此扫描平面与f2θ物镜之间的距离应保持不变,其扫描准确度在很大程度上取决于理想像面与扫描平面的重合程度.由于在扫描过程中,被扫描平面不可能与理想像面完全重合,此时除了中心视场外,其他视场的像高都会产生误差,对于像高与扫描角度成正比的f2θ物镜来说,这种线性误差是不允许存在的.像方远心光路的光阑(即入瞳)位于系统的前焦面,出射主光线都平行于光轴,垂直于理想像面,此条件保证当扫描平面沿光轴方向有偏移时,像高并不会产生误差,因此扫描时不会产生线性误差.

　　由于所有光学材料的阿贝数均为正值,消色差必须采用正负透镜组合,这使得每块透镜的光焦度都较大,而且要选用阿贝数相差较大的材料组成,这不仅使光学系统的体积和重量增加,材料选择有限制,还给单色像差的校正带来困难.