长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
为保证半导体激光打标机F-θ镜头的扫描质量，实现系统像高与扫描角的线性变化，需对F-θ镜头给予一定的畸变量，并使其满足等晕条件。分析F-θ镜头工作原理及像差要求，根据1 064 nm半导体激光打标机的光源成像要求选择合适的玻璃材料，合理分配每片透镜的光焦度，以保证等晕成像；根据F-θ镜头线性成像要求，计算系统总畸变量为1.6%，系统总畸变量为系统的实际桶形畸变与相对畸变量之和；在光学系统优化设计时，引入这两项优化参数，优化过程中观察系统成像变化情况。设计结果表明：系统MTF曲线接近衍射极限，F-θ镜头相对畸变小于0.36%，各视场均方根半径均小于艾里斑直径，并且整个系统70%的能量集中在直径为16 μm的圆内，系统总畸变量为1.58%，满足设计指标要求。
F-θ镜头 畸变 等晕成像 半导体激光打标机 F-θlens distortion isoplanatic imaging semiconductor laser marking machine
1 长春理工大学 光电信息学院光电工程分院, 长春 130012
2 中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
[f-θ]透镜是激光标刻系统中最为重要的组成部分, 它的性能将直接影响标刻机的标刻精度。设计的[f-θ]透镜波长为[0.65]μm的单色光, 设计时引入负的桶形畸变, 校正系统的场曲, 使匹兹伐尔场曲为零, 轴外和轴上像质一致, 整个像面成平面, 且系统波像差小于[λ4]。把入瞳放置在物方焦点处, 形成像方远心光路, 主光线通过[f-θ]透镜后平行于光轴射出, 主光线在像面上的交点高度不变, 描过程实现线性扫描, 从而保障扫描精度。通过初级像差分析和已有的光学镜头库, 确定[f-θ]透镜的初始结构参量, 然后利用ZEMAX软件进行优化设计, 得到由四片普通球面透镜构成的系统, 该系统结构紧凑、焦距小, 聚焦性能接近衍射极限, 并且像面照度分布均匀、能量集中且相对畸变小, 满足标刻要求。
[f-θ]透镜 光学设计 激光标刻 f-θ lens optical design ZEMAX ZEMAX laser marking
激光扫描系统中f-θ透镜是必不可少的部件,针对目前国内激光扫描系统工作面小、测量速度慢、测量精度低等缺点,设计出一种大视场大相对孔径f-θ透镜以改善以往系统的不足,提高工作效率.设计中透镜是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,预期参数为2ω=60°,D=120 mm,f=500 mm.经过计算后,利用Zemax软件对f-θ透镜模型进行了优化设计,得到艾里斑直径3.514 μm,扫描范围为500 mm×500 mm,相对孔径为6/25的大工作面大相对孔径的f-θ透镜,成像清晰,优化结果达到了预期的设计指标.
光学设计 大相对孔径 大视场 激光扫描 f-θ透镜 optical design large relative aperture large FOV laser scanning f-θ lens
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息工程系, 天津 300072
为了满足扫描系统高分辨率、大工作面、小型化的需要, 设计了一款具有衍射受限聚焦能力的超广角f-θ物镜。在此基础上, 针对五面转镜引起f-θ物镜入瞳偏移从而导致系统分辨率降低、线性畸变增大的问题进行了分析, 计算得到光瞳偏移量与扫描转角存在非对称分布的非线性关系。采用在系统中引入含有奇次高阶项自由曲面校正光瞳漂移的方法, 在ZEMAX软件中利用多重结构对f-θ转镜扫描系统建模优化设计, 并给出了设计实例。该物镜采用远摄型结构, 有效减小了扫描系统总体长度及透镜尺寸。结果表明, 经优化校正后, f-θ物镜性能得到显著改善, 在其扫描角度115°范围内, 线性畸变小于0.5%, 60%以上能量集中在半径30μm圆内。该f-θ扫描系统具有结构紧凑、分辨率高、线性畸变小等优点, 有良好的适用性。
光学设计 f-θ物镜 自由曲面 光瞳漂移 激光扫描 畸变 optical design f-θ lens free-from surface pupil deviation laser scanning distortion
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了满足地平仪系统轻小、廉价、性能可靠的要求，设计了折/衍混合无热化凝视型红外地平仪系统。利用衍射元件特殊的像差特性和热差特性，采用折/衍混合广角f-θ镜头结构对地平仪系统进行大视场像差、色差和热差校正，采用反远距结构，保证系统具有足够的后工作距。设计结果表明，在温度为20 ℃时，140°广角f-θ镜头的线性特性小于0.5%；在-20 ℃~40 ℃温度变化范围内，空间频率20 lp/mm处光学系统的调制传递函数均大于0.52，光学系统的波像差均小于λ/4，系统设计接近衍射极限满足成像要求，优化设计后光学系统的后工作距离为15 mm，满足红外光学系统的装配需求。
衍射 广角 f-θ镜头 无热化设计 红外 地平仪
长春理工大学 光电工程学院,吉林 长春130022
在激光扫描系统中f-θ透镜是重要的必不可少的部件,它在激光打标机、传真机、印刷机和用于制作半导体集成电路的激光图形发生器以及激光扫描精密计量设备等等光电系统中得到广泛的应用。文中设计了用于非接触在线检测工件尺寸的f-θ透镜。这种透镜的特点是一种负畸变透镜,属于像方远心光路,工作波长为单色光,像质要求波像差要小于λ/4,而且要求整个像面成平面且像质一致,无渐晕存在。所设计的f-θ透镜结构简单紧凑、焦距小、扫描精度高、加工成本较低,性能达到衍射极限,并具有像面上照度分布均匀,能量集中度高和相对畸变小等优点。
激光扫描系统 f-θ透镜 光学设计 laser scanning system f-θ lens optical design
1 哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150001
2 天津津航技术物理研究所天津市薄膜光学重点实验室， 天津 300192
透射式激光外差干涉系统能精确测量待测物的内部折射率分布和厚度信息。设计了应用于干涉系统中的混合光学扫描结构，它由微机电系统(MEMS)振镜和f-θ透镜系统组成。f-θ透镜组由3片不同材料的透镜构成，透镜系统对2 μm激光波长有约40%的透射率，可扫描300 mm2的范围。 利用Zemax软件从衍射光斑、畸变系数、光束发散角3个方面对f-θ透镜模型进行了优化设计。优化结果表明，f-θ透镜出射扫描光束垂直于待测物体表面，系统焦距为434 mm，畸变像差小于0.5%。最后给出了f-θ透镜的设计实物图，并通过He-Ne激光给出了扫描结果示意图，达到了预期的设计指标。
光学设计 外差干涉仪 f-θ透镜 扫描系统 畸变系数 中国激光
2011, 38(12): 1216002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室,吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院，北京 100049
3 第二炮兵工程设计研究院，北京 100011
为了满足航天器对轻小、价廉，性能可靠的自主导航系统的要求，设计了广角静态红外地平仪系统。该系统选择辐射稳定的14~16.25 μm作为工作波段，并设定全视场角为136°，F数为0.61；采用反远距结构，使系统后工作距达到15 mm;利用f-θ镜头设计原理，并合理地选用非球面对广角系统进行优化设计,使系统的线性特性的相对误差<0.5%；在空间频率为15 lp/mm处，系统的调制传递函数＞0.6，接近衍射极限；在半径为20 μm的圆内，系统径向能量>85%。另外，采用了像方远心光路，提高了像面的照度均匀性，实现了整个像面照度均匀性>99%。设计结果表明，该镜头结构简单、体积小、后工作距大，很好地解决了广角镜头轴外像差平衡问题，实现了地平仪系统的高精度设计。
红外地平仪 反远距结构 广角f-θ镜头 光学设计 infrared earth sensor retrofocus structure wide-angle f-θ lens optical design
南开大学现代光学研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300071
设计了一个折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统.该系统由一片折射/衍射透镜和三片折射透镜组成.入瞳位于系统前焦面,整个系统满足像方远心.与美国专利(专利号:4,925,279)相比较,垂轴色差由2.40 mm降到0.23 mm,降低了一个数量级;对于0°、14°和20°视场,最大垂轴像差分别由 260 μm、1350 μm、2090 μm降低到 5 μm、250 μm、318 μm,最大场曲分别由 8 mm、10 mm、13 mm降低到0.5 mm、1 mm、6 mm.该物镜不仅可用于彩色激光打印机、激光数码彩扩等多波长的扫描系统,也可用于能量要求较高的扫描系统.在高能量扫描系统中,通过引用折/衍混合远心消色差f-θ物镜,可用小体积工作于多纵模状态的激光器代替大体积单波长的激光器,使整个扫描系统小型化,并且提高了扫描准确度.
f-θ物镜 远心 折/衍混合系统 光学设计 F-θ lens Telecentricity Hybrid diffractive/refractive system Optical
