多波长、大工作面折-衍混杂f-θ镜头设计

    0 引 言

    近年来，激光打标技术已成为激光加工的最大应用领域之一，并以标记速度快、字迹清晰、防伪功能强、污染小等特点得到工业界的广泛关注[1-2]。 随着激光打标应用范围的进一步扩展， 对大工作面的需求越来越迫切，目前，国内 f蛳θ 镜头的工作面积一般小于 350 mm×350 mm，南开大学王肇圻[4]、吴环宝[2]等人设计了工作于红外波段的多波长 f蛳θ 镜头，但扫描范围相对较小；苏州大学季轶群[3]等人设计了大工作面的 f蛳θ 镜头，但只工作在单一波长。 国外虽有工作面较大的 f蛳θ 镜头，但结构复杂、价格昂贵,且未见详细报道[3]。 目前用于多色系统的镜头，当更换工作物质时，激光波长也相应地发生改变，影响了系统的稳定性，必须更换扫描镜头，重新调整系统，而设计应用于多波长的 f蛳θ 镜头可以解决这一难题。

    基于 f蛳θ 镜头对大工作面和多波长的要求， 利用二元光学元件的特殊色散性质， 设计了 808~1 064 nm波段, 工作面为 450 mm×450 mm 的折-衍混杂 f蛳θ 镜头。 镜头的色差、场曲、f蛳θ 误差均得到很好的矫正，光斑质量优良，单波长工作时达到衍射极限。

    1 f–θ 镜头介绍

    f蛳θ 镜头即像高与扫描角之间呈线性关系的一种特殊镜头，设 f蛳θ 镜头的焦距为 f，扫描角为 2θ。 在普通光学系统中，如果畸变得到矫正，其理想像高 h 为[5]：

h=f×tanθ (1)

    即像高与入射角 θ 的正切成正比。 而对于激光扫描系统，要求像高与扫描角之间呈线性关系，因此，要求透镜产生一定的负畸变， 使像高与入射角 θ 满足 h=f×θ，这样的系统为 f蛳θ 镜。 此时产生畸变 △h，则 △h 为：

△h=f×(θ-tanθ) (2)

    通常， 设计中需要引入的负畸变不可能完全满足，一般通过 f蛳θ 误差来判断 f蛳θ 镜头效果的好坏，f蛳θ误差定义为：

    一般情况下 f蛳θ 误差越小，则镜头的线性效果越好。

    2 f–θ 镜头初始结构设计

    扫描大面积的 (如 450 mm×150 mm 计算机标准键盘)工件时，用 f蛳θ 镜头配合高精度的平移平台，经多次平移才能完成整个工件的扫描。 为了消除平台平移引起的误差，设计了工作面为 450 mm×450 mm 的f蛳θ 镜头 ，取扫描角为 30°，由像高公式 h=f×θ 计算得到f蛳θ 镜头的焦距约为 610 mm。

    f蛳θ 镜头系统属于小孔径大视场且具有远心光路的光学系统， 设计工作于 808~1064 nm 波段的 f蛳θ 镜头，首先要设计一个工作于 940 nm 的单色系统，由于系统的工作面比较大，所以采用了四片式光学系统。 先设计一个两片式结构，然后对两片透镜分别复杂化(即一片变两片)，从而得到四片式。 对于两片式结构的设计，从降低高级像差考虑，正透镜应采用高折射率低色散的玻璃，负透镜应采用低折射率高色散的玻璃。 本设计中正透镜采用 ZF6 玻璃，负透镜采用 K9 玻璃。