[实用新型]一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头

说明书

本实用新型公开了一种基于自由曲面的CO2远心f‑theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸正透镜，第四透镜为双平面保护窗口片；沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为自由曲面。本实用新型基于自由曲面的消场曲及消像散的CO₂远心f‑theta镜头，通过自由曲面的设计，使得场曲和像散均至少降低了一个数量级，散和场曲均小于0.02mm。

技术领域

本实用新型涉及一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，属于CO₂远心f-theta镜头领域。

背景技术

振镜式激光扫描技术以其高速、精确扫描的优点，广泛应用于激光打标、激光钻孔、激光扫描显示等技术中,激光器发出的高能量激光束依次经过振动方向互相垂直的X和Y振镜片，入射到f-theta扫描镜，由f-theta扫描镜聚焦后到达工件表面；通过转动X和Y扫描振镜，可以控制激光束在工件表面的X和Y向以及任意方向上移动，实现矢量打标或打孔。

f-theta扫描镜设计要求整场平整，场曲会导致最佳工作面弯曲，像散会造成X、Y两个方向线宽不一致或者钻孔变成椭圆，在激光微精细加工、激光钻孔加工等对平场要求更苛刻的应用中，要求所使用的远心F-theta镜头尽量消除场曲、像散的不利影响。

然而，现有的远心F-theta镜头仍然存在场曲和像散较大的缺陷，进而影响工作精度。例如公开号CN 101236291A的专利申请，从其图4中可看出像散约为0.3mm；公开号CN101846791A的专利申请，从其图4中可看出像散约为0.3mm；公开号CN 101881875A的专利申请，从其图4中可看出散约为0.5mm；公开号CN 108415147A的专利申请的场曲约为0.2mm。因此，残余的场曲及像散非常有进一步降低的必要。

实用新型内容

为了进一步降低CO₂远心f-theta镜头的场曲和像散，本实用新型提供一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，使得场曲和像散降低了一个数量级。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于自由曲面的CO2远心f-theta镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为平凸正透镜，第四透镜为双平面保护窗口片；沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为自由曲面。

在传统光学系统应用中，通常采用的是由球面透镜或者非球面透镜等旋转对称面组成的光学系统，进一步减小场曲及像散的难度较大，进入到瓶颈期，每0.01mm的降低，都非常困难，尤其是场曲的降低难上加难，而申请人经研究发现，通过将第一像侧面设计为自由曲面，使得场曲和像散均至少降低了一个数量级，由于自由曲面相对传统球面透镜或者非球面透镜具有较高的设计自由度和灵活的空间布局。

为了进一步降低场曲及像散，沿入射光线传输方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第一像侧面为使用扩展多项式表征的自由曲面，所使用的扩展多项式公式为：

其中，j＝[(m+n)²+m+3n]/2+1，z为自由曲面矢高，x和y为各面局部坐标，c为顶点曲率，k为圆锥系数，Cj为x^myⁿ多项式系数，r为距离光轴镜面口径，m取值范围0～10，n取值范围0～10，归一化系数为1。

合理分配第一透镜、第二透镜、第三透镜的光焦度，可以进一步减小场曲及像散，优选，-2.5＜f1/f0＜-1.90；1.80＜f2/f0＜2.5；1.0＜f3/f0＜2.0，其中，f1为第一透镜焦距，f2为第二透镜焦距，f3为第三透镜焦距，f0为系统总焦距。