（光学工程专业论文）变焦ftheta镜与后扫描聚焦系统设计.pdf

ab s t r a c t ab s t r a c t t h e z o o m l e n s s y s t e m i s o f g r e a t p o t e n t i a l f o r i m a g i n g s y s t e m s d u e t o i t s s p e c i a l i t y . f - t h e t a l e n s i s o n e o f t h e m o s t i m p o r ta n t e l e m e n t s i n t h e l a s e r s c a n n i n g s y s t e m , w h i c h i s u s e d i n t h e m a r k i n g m a c h in e , t h e e n g r a v i n g m a c h i n e , t h e l a s e r p r i n t e r a n d t h e f a c s i m i l e m a c h i n e s . wi t h t h e s w i ft d e v e l o p m e n t o f t h e l a s e r m a r k i n g i n d u s t ry , f - t h e t a l e n s i s e x p e c t e d m o r e . w h i l e c o m b in e d w i t h t h e z o o m l e n s p r i n c i p l e , t h e z o o m f - t h e t a l e n s c o m e s i n t o b e i n g a n d it a d d s t o f - t h e t a l e n s f u n c t i o n s a s w e l l a s d e c re a s e s t h e d e s i g n c o s t . s i n c e m o s t o f t h e f - t h e t a z o o m l e n s e s d e s i g n e d k e e p s t h e i m a g e s u r f a c e s t a b i l i ty , t h e s c a n n i n g a r e a c a n t r a n g e l a r g e l y . b u t h e re a n i m a g e s u r f a c e - u n f i x e d a n d a b a c k - s c a n n i n g s y s t e m a r e d e s i g n e d , p r o v i d i n g w i t h l a r g e - r a n g e d s c a n n i n g a r e a a n d c o n v e n i e n c e s f o r m a c h i n i n g . i t i n c l u d e s : 1 . a n im a g e s u r f a c e - f i x e d f - t h e t a z o o m l e n s w o r k i n g a t 3 5 5 n m h a s b e e n d e s i g n e d . t h e s y s t e m c o n s i s t s o f f o u r e l e m e n t s , re s p e c t i v e l y m a d e o f g l a s s b k 7 , s f 1 8 , s f i i a n d s f 1 1 , w it h t h e t o t a l l e n g t h o f 1 5 0 m m . a l l o f t h e s c a n n i n g a n g l e s a r e t 2 2 * a n d t h e t w o e ff e c t i v e f o c a l l e n g t h s o f t h e s y s t e m a r e 3 6 0 m m a n d 4 2 0 m m , s o t h a t t h e re l a t i v e s c a n n i n g a r e a s a r e 2 2 0 * 2 2 0 m m 2 , 2 5 0 * 2 5 0 m m 2 . f o r t h e s e tw o e ff e c t iv e f o c a l l e n g th s , t h e m a x i m u m f i e l d c u r v a t u re a r e 0 .o o 1 1 d , 0 .0 0 1 6 d田 s t a n d s f o r d i o p t e r ) , a n d t h e m a x i m u m f - t h e t a d i s t o r t i o n i s 0 .0 0 4 2 %, 0 .0 0 6 9 % re s p e c t i v e l y . t h e s p o t s o n t h e i m a g e s u r f a c e a t z e r o v i e w f i e l 氏0 .7 - v i e w f i e l d a n d f u l l v i e w f i e l d a r e a l l i n s i d e t h e a i ry d i s c . t h e mt f p l o t s o f e a c h e ff e c t i v e f o c a l l e n g t h o n t h e t h r e e - v i e w fi e l d s a re a c c o r d a n c e w i t h t h e c o r r e s p o n d i n g p l o t s o f t h e d i ff r a c t i o n l i m i t s . 2 . a n f - t h e t a z o o m l e n s w o r k i n g a t 1 0 .6 u m h a s b e e n d e s i g n e d , c o n s i s t i n g o f t h r e e e l e m e n t s m a d e o f g a a s . t h e t o t a l l e n g t h o f t h e s y s t e m i s 5 9 .4 6 m m . wi t h u n fi x e d i m a g e s u r f a c e i t s s c a n n i n g a r e a r a n g e s m u c h , t h e t h re e e ff e c t i v e f o c a l l e n g t h s o f t h e s y s t e m a r e 1 4 3 n u n , 3 5 8 m m a n d 5 7 3 m m , m e a n w h i l e t h e s c a n n i n g a r e a i s 1 0 0 . 1 0 0 m rn 2 ,2 5 0 * 2 5 0 m m 2 ,4 0 0 * 4 0 0 m m 2 re s p e c ti v e l y a t t h e s c a n n in g f ie ld o f t 2 0 * . f o r t h e t h r e e e ff e c t i v e f o c a l l e n g t h s , t h e s p o t s o n t h e i m a g e s u r f a c e a t z e r o v i e w f i e l d , 0 . 7 - v i e w fi e l d a n d f u l l v i e w fi e l d a r e i n s i d e t h e a i ry d i s c a n d t h e mt f p l o t s m e e t w e l l w i t h t h e d i ff r a c t i o n l i m i t s . t h e m a x i m u m fi e l d c u r v a t u r e i s 0 .2 9 5 d ,0 .4 6 4 d , 0 . 1 6 6 d w h i l e t h e m a x i m u m f - t h e t a d i s t o rt i o n o f t h e s y s t e m a r e a l l s m a l l e r t h a n 0 . 5 %. i t s a t i s f i e s t h e c r i t e r i a o f t h e m a r k i n g m a c h i n e . 3 . a b a c k - s c a n n in g f o c u s e d s y s t e m c o m p o s e d o f t w o l e n s h a s b e e n p u t f o r w a r d , w h i c h a l s o w o r k s a t 1 0 .6 i + m . b y a d j u s t i n g t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o l e n s , t h e e ff e c t i v e f o c a l l e n s v a r i e s c o n t i n u o u s l y . wi t h t h e re fl e c t o r s s y n c h r o n i z e d e fl e c t i n g , i t c a n p r o v i d e a p l a n e w o r k i n g s u r f a c e , a s w e l l a s s m a l l e r a n d m o r e h o m o g e n e o u s s p o t s . k e y w o r d s : f - t h e t a ; z o o m ; d i s t o r ti o n i i i 南 于 卜 大 学 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已 通过论文答辩。 系本人在 本人系本作品的 唯一作者 ( 第一作者)，即著作权人. 现本人同 意将本作品收 录于 “ 南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺:己 提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由 本人自 负。 本人完全了 解 南开大学图 书 馆关干保 存、 使用学位论文的 管理办 法。同 意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版: 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目 录检索、文摘浏览以 及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。 公开级学位论文全文电子版于提交1 年后， 在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注:本协议书对于 “ 非公开学位论文” 在保密期限过后同样适用。 院系所名称: 作者签名: 学号: 日期:年月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了 解南开大学关于收集、 保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、 数字化或其它手段保存论文; 学校有权提供目 录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务; 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版; 在不以 赢利为目 的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学 位 论 文 作 者 签 名 :聋t k 2 问 年夕月iq 日 经指导教师同意， 本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名:学位论文作者签名: 解密时间:年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下: 内 部 5 年 ( 最长5 年， 可少于5 年) 秘密*1 0 年 ( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 机密2 0 年 ( 最长2 0 年，可少于2 0 年) 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 进行 研究工作所取得的成果。 除文中己 经注明引用的内 容外， 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、 已 公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体， 均己在文中以明确方式标明。 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名: 年月日 第一章 绪论 第一章 绪论 第一节 引言 激光 技术和激光产业是2 0 世纪 科学技术发展的主要标志，它的 发展受到世 界先进国 家的高度重视。 激光具有极好的 单色性、 相干性和方向 准直性三 大特 点， 使其在制造业中得到越来越广泛的 应用， 逐步形成现代 光学制造产业。 激 光的 空间控制性和时间 控制性很好， 对加工对象的材质、形 状、尺寸和加 工环 境的自由 度都很大，特别适用于自 动化加工。 激光加工系统与计算机数控 技术 相结合可构成高效自 动化加工设备，已 成为企业实行适时生产的关键技术，为 优质、高效和低成本的 加工生产开辟了 广阔的 前景。 作为激光技术的一门 新型 应用，激光打标技术实现了 光、 机、电 技术相结合， 是在激光焊接、激光 热处 理、激光切割、激光打孔等应用技术以 后发展起来的 一门新型加工技术， 是一 种非接触、无污染、无磨损的 新型标记工艺。目 前广泛应用于微电子工业、 汽 车、 航空航天、 纺织、 艺 术品 制作、 日 常生活用品和 工业用品制造 等众多 领域1 刃 。 伴随着 激光打标技术的发展， 对激 光打标机中 的 f - t h e t a镜提出 越来越高的要 求。 在本文中我们将光学系统的变焦原理应用于 f - t h e t a镜设计， 形成变焦 f - t h e t a 镜， 对 提高光 学系统的 集成化、 功能、 便利性、 降 低成本 等均具有重要 意义。 第二节 激光打标及 f - t h e t a系统 1 . 2 . 1激光打标的发展历程 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密 度的 激光束 对工件进行局部照 射， 使表层材料汽 化或发 生颜色变化的 化学反 应， 从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图 案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。全固 体紫外波段激光打标是近年来发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标， 第一章 绪论 由 上式可知，只要改 变d 的 大小， 就能使价 相应 变化。 图 1 . 6组合透镜的焦距 现在再举一 个简单的 例子，若一个凸 透镜( f , = + 1 ) 与一 个凹 透镜( f z = _ 1 ) 形成 组合透镜， 则按上面的公 式可知， 该组合透 镜的焦 距 f = 1 / d ， 焦距直接与d 成反 比，故只要改变两透镜的相对位置，就能很容易地改变焦距。这就是变焦距镜 头的最基本的原理(5 7 在变焦组份运动中有以下几个重要规律: ( 1 ) 系统焦距的改 变是依靠组份之间间隔的改 变来实现的 ( 2 ) 系统各 个运动组份共k 距改变量的总和为 零时，系统像面 保持稳定 中，中， a 冬泛 、 、 、 共一a j -1 :，仁1 ql 土可 图1 . 7 共扼关 系图 图 1 . 7是由巾 ， 和 4b : 两个组份组成的系统.物点为 a ，像点为a e o 对 于负 组 补 偿( 万 。 ). 起 算位 置几= 一 v n ( m l ， 且为 正数) ， 变倍 组几变 化的 段 落为几= - 1/ n到 几= - m ( 1 n c m , 且 为 正 数) 。 也 就 是 说 正 组 补 偿 取 非 物 像 交 换 位 置的 上半 段， 负组补偿取物像交换位置的 下半段，尤其短焦 距的 变焦距光 学系统，可以 更偏 向下半段。 头 部 正 组 焦 距f , 及 后固 定 组 焦 距 与 组 与 组 之 间 最 小 间 隔 有 关。 如 正 组 补 偿 的变焦距: f , = 12 . + d.i. a = 13 i. - d sr . i. f = h 4 / u k 前固定组和后组之焦距不能影响总倍率的变化，但可影响总焦距在特定范 围内的变化。前固定组要使被拍摄的物体落在变倍组的物点上，而在变倍时两 组 不 能 相 碰来 考 虑d 12 .量 . 后固 定 组 要 使 从 补 偿 组出 来的 像 ， 按 特 定 的 焦 距 变 化范 围 落 在 胶片 上， 且 在 变 倍 时 不 能 与 补 偿 组 相 碰 来 选 择d s4 m in . 但 组 与 组 之 间 最小距离的选择是否恰当， 要根据透镜组前主 面和其第一面， 或后主面和其最 后 一 面 之 距离 量 来决 定。 所以 ， 从 薄 透 镜 变 为 实 际 透 镜组 时 ， 往 往 有 时 主面 距d m ;, 小 了 ， 镜 面 相 碰 ; 有 时 主 面 距 d . . 大了 ， 空 隙 多了 ， 需 要 重 新 给定 ， 再 调 整 一 下 d m , ， 再调整一下高斯光学计 算。 若变倍组焦距取一样，且变倍补偿曲线按上述选段时，则正组补偿与负组 补偿相比较，正组补偿细而长， 负组补偿短 而粗。 负组补偿二级光谱和光阑球 差均正比正组补偿大，负组补偿法变焦镜头之补偿结构简单。一般情况下对于 小视场和只要 求在可见范围 ( c , d , f 线) 消色差， 即对 光阑 球差和二级光谱降低 要求的情况下，可选负组补偿法。 对于 大视场的 光学系统， 或焦距较长的大倍 率光学系统 ( 如 2 0倍物镜 或者更 大倍率的 光学系 统) ， 考虑需要的镜头通光口 径小和二级光谱小，采用正组补偿法较好. 从设计结果来看， 正组补偿的像质 量 比 负 组 补 偿 好. 因 此目 前 设 计 的l 6 m m 电 影 镜 头 ( j = 8 x 1 2 . 5 , 1/ 2 .2 , 2 m = 5 4 . - 7 ) ， 3 5 m m ( ./ f = 1 0 x 2 5 , 1 / 3 .5 ，2 m = 2 w = 5 7 0 - 6 0 ) 电 影 镜 头 和3 5 m 电 影 镜 头 ( f = 2 0 x 2 5 , 1/ 4 , 2 m = 2 w = 5 7 0 - 3 0 ) 均 采 用 了 正 组 补 偿 法 变 焦 镜头。 ( 3 ) 从变倍组焦距大小的影响 考虑外形尺寸 在像质允许的情况下，应尽量缩小变倍组的焦距。例如，正组补偿变焦 第二章 变焦方程及变焦镜头结构 形式的 最佳选择 物镜，轴上光线从第四组 ( 即后固定组为的一组)出来为平行光，即前四组为 无光焦度系统， 也就是望远系统。当望远系统各 焦距缩小时，望远系统的倍率 不 变 ， 则 h 4 不 变 。 最 后 一 组 焦 距 r , 不 变 ， 则 河 不 变 ， 整 个 系 统 焦 距 不 变 而 这 时头部的 通光口 径与 变倍组的 焦距成正比 例缩小。比 如， 当变倍 组焦距取 4 0 m m 时 ， 头 部 通 光口 径为1 2 0 .， 若 变 倍 组 焦 距 缩 小0 . 8 倍， 即 万= - 3 2 二时 ， 则 需 要 头部口 径为 9 6 m m ， 这是很可观的。 因为体积与口 径成平方关系， 若长度缩短不 计，则体积为原 来的0 . 6 4 倍。 变倍组焦距的 选择主要由 长焦距的 轴外宽 光束像 差 允 许 量 决 定 因 为 主光 线 的 高 度h , 随 其 焦 距 缩 小 而 缩 小 ， 故 当 r 2 缩 短 时 ， 细 光 束 的 像 差 减 少， 而 轴 上 光 线 在 各 组 上高 度h , 不 变， 则 各 组 所 负 担 的 相 对口 径 增 大 . 孔 径 光 束 的 像 差 ， 主 要 是 由 长 焦 距 轴 外 孔 径 光 束 的 像 差 ( h - t g u ) 弥 散 加大决定的. 在结构形式 选定 之后， 考虑变倍组焦距该 如何取值， 需要考 虑像差的校正， 了解长焦距像质的大致情况，决定放大或缩小某一比例。根据过去的一些设计 经验，一般情况下， 变倍组 焦距取值范围 在: f . ; 人 “ 2 蠕 蠕为 变 焦 距 系 统 最 短 的 焦 距 。 在 大 倍 率 的 情 况 下 ， 囚取 大 些 。 如2 0 倍 变 焦 距 ， r z 卜 4 5 二 为 . 8 f j . 如 0 倍 变 焦 距 ( f = 1 0 x 2 5 , 1/ 3 .5 , 2 m = 2 w = 5 7 - 6 - )，取 = 3 5 。 为 1 . 4 瑞。 在 大 相 对 孔 径 下 ， 区 取 大 些 。 如 1 6 m m ” 倍 变 焦 距 f = 8 x 1 2 . 5 , 1/ 2 .2 , 2 。 一 5 4 , r 7 a m, 1 0 .6 u m 的激光波长。激光打 标机的工作面 ( 即f - t h e t a 镜的像面) 通常为 平面。 f - t h e t a 镜的等效光栏位于 激光束首先到达的扫描 振镜上， 光栏口 径等于入射 激光束直径。从f - t h e t a 聚焦 物镜与扫描振镜的相 对位置来看，它属于物镜前扫描，此时的聚焦物镜是 大视 场、 小相对孔径的光学系 统。因 此，这类镜头主要需 校正与视场 有关的 像差: ( 1 ) f - t h e t a 线性关系 f - t h e t a 镜的 像高 与视场角满 足线性关 系h = f. b ， 因而可通 过控制f - t h e t a 镜表面的入射角而实现对打标速度的线性控制。只要扫描振镜匀速偏转，激光 束在工件表面 上的聚 焦光斑 就将相 应地作匀速运动，实 现匀速扫描。若用0 表 示视场角，理想光学系统的像高与视场角的正 切值t a n 0 成正比 ，而f - t h e t a 镜 的像高 正比于 视场角0 ，由 图2 . 3的曲 线可以 看出，当 视场角0 很小时， r a n 0 与0 的 值相接近， 实际 象高f . 0 与理想象高f t a n o 也 较接近， 随 着 0 角的 增大， 曲 线y = f . b 偏离y = f - t a n g 越明 显。 在理想高 斯像面上 量度的， 实际 像高 与理 想高斯像高的差别 称之为畸 变，当实际像高小于理想像高时， 称为桶形畸变; 反之，当实际 像高 大于理想像高时 称为枕形畸变。 这里， 实际 像高 满足f - 夕 关 系，小于理想象高f t a n o 。 所以f - t h e t a 镜设计的本质 是要引 入桶形畸变，使 实际像高y 尽可能 接近f - b ，以实 现像高与 视场角的线 性关系。 时叫时 i 0 i s 2 0 2 s 3 0 函 数厂。 和y = t g 0 的曲 线 由于光学系统不可能完全校正所有的像差， f - t h e t a 镜也不能完全满足线性 关系。 将实际 像高y与 f - 0 线 性关系的偏离程度定义为 与f - 0 线性关系的 相对畸 变 ， 用9 r e 表示 ， 只 要当 9 f e 不 超 过 0 .5 % ， 即 满 足 下 面 的 ( 2 . 2 4 ) 式 所 示 关 系 时 ， 第二章 变焦 方程及变焦镜头结构形 式的 最佳选择 即可认为镜头满足 f - e 线性关系， 能够用于激光 打标以 实现对打标速 度的 线性控 制。 9 f e= 全二旦 0 . 5 %( 2 . 2 4 ) f- e ( 2 ) 平场条件 f - t h e t a 镜属于大视场小相对孔径的光学系 统， 对于大视场光学系统，除 对轴上点 校正 像差外，还必须校正 轴外点象差。而 妨碍 视场扩大的主要像差之 一是场曲 ，所以对f - t h e t a 镜而言，场曲的校正 十分重要。 激光打标 机一般用于 在平面上刻蚀字符或图案， f - t h e t a 镜用于激光打 标机时，必须使其 聚焦像面为 平面。因此，f - t h e t a 镜的设计必须满足平像场条件，即满足如 ( 2 . 2 5 )式所示 的关系: 二 y k 。 l -二v 盔 n t ( 2 . 2 5 ) 其中(d n 分别是f - t h e t a 镜中 第k块透镜的光焦 度和折射率。表明要 满足平场 条件， 光学系 统中必须正负光焦度相分离，且正、负透镜分别采用折射率不同 的玻璃材料。 ( 3 ) 其他像差分析 f - t h e t a 镜相对孔径小，球差和彗差不严重。而且，当f - t h e t a 镜用于激光 打标机时，一 般工作于单波长，不需要校正色差。因此，在引入了 桶形畸变、 校正了场曲之后，还应考虑的单色像差只有像散。 像散的产生是由于波面经光学系统各面折射后