超广角大工作面f-theta镜头的光学设计

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Φ285mm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。    引言

f-theta透镜是信息处理、激光刻字、激光照排和激光打印机等激光扫描记录装置中广泛采用的一种具有特殊要求的光学镜头，其理想像高与扫描角成线性关系，即以等角速度偏转的人射光束在焦平面上的扫描速度是常数。具有无污染、分辨率高、非接触、标记永久保持、无非线性误差和塔形误差等优点。

随着激光打标应用范围的进--步伸展，对f-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：一种是通过提高镜头焦距f'；另一种是增加视场角2θ。为了使系统的尺寸尽量减小，焦距f不能取得太大，因而只有增加视场角2θ。国内外专利、期刊报导的f-theta镜头的视场角一般均在30°~60°之间。扫描角度在50°~60°的f-theta 镜头可认为是广角f-theta镜头，超过60°的为超广角f-theta镜头。    

       本文利用望远镜结构，设计了超广角f-theta镜头，使视场角2θ为90°。从初级像差理论出发，应用f-theta镜头的设计原理并合理使用非球面，使用超广角f-theta镜头线性特性的相对误差值不超过1%，在半径698μm的圆内，能晋中度为80%，系统像质优良，能达到衍射极限。1 设计思想用于激光标刻系统中的f-theta镜头是一种常用的具有特殊要求的透镜系统，它具有以下几个特性：

图1.激光标刻机打标原理

图2.望远镜结构

图5.优化后的镜头系统

......5 结论

       应用望远镜结构结合f-theta设计原理设计了超广角大工作面f-theta镜头，给出了谁家思想、设计结果和像质评价。镜头的聚焦性能接近衍射极限，具有畸变小、光能利用率高、像面照度分布均匀、结构紧凑、像质优良等优点，适合大工作面的激光打标机要求。  

审核编辑 ：李倩