专利名称：用于激光二维线性扫描的光学镜头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于实现激光二维线性扫描的光学镜头，具体是指一种将激光束聚焦在工作平面上、适用于激光打标和标刻的f-θ镜头。
背景技术：
激光打标是激光扫描中的一种形式，它是激光在加工领域的一项重要应用，与传统的冲刻、蚀刻、机刻等打标方法相比，具有无污染、分辨率高、非接触、标记永久保持等优点，广泛用于制作激光防伪标记、刻字和表面装饰等。
激光扫描技术包括高惯性扫描和低惯性扫描两大类。其中，高惯性扫描是一种机械型扫描，通过转动棱镜、平面镜或旋转多面体来偏转激光束，但它实现的是逐行扫描，扫描具有单向性，因此，高惯性扫描方式的扫描速度、精度等都要受到限制。低惯性扫描是一种非机械型扫描，包括声光扫描和振镜扫描，振镜扫描过程是激光束依次经过两块转动方向互相垂直的扫描振镜X和扫描振镜Y的反射面后，由f-θ镜头聚焦到工作面，它可以实现像素寻址扫描。
图1是低惯性振镜式激光打标机的工作原理示意图，参见附图1，激光器[1]发出的激光束[2]经扩束器[3]扩束，依次经X扫描振镜[4]和Y扫描振镜[5]反射后，入射到f-θ镜头[6]，将激光束聚焦在工作面[7]上。绕X扫描振镜转动轴[8]和Y扫描振镜转动轴[9]摆动X扫描振镜和Y扫描振镜，激光聚焦光斑在工件表面作二维线性扫描，标刻出所需的图形、文字、符号等。
无论对于哪种激光扫描系统，f-θ镜头是系统的核心部件，打标质量的好坏取决于f-θ镜头的聚焦性能。随着工作面尺寸的增大，聚焦光斑尺寸会受到很大的影响。目前，激光打标机的工作面积一般不超过300×300mm2，所使用的f-θ镜头由不同材料的玻璃制成，且结构复杂，镜头的成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种工作面积大、聚焦性能好、结构简单、成本低的用于低惯性扫描的f-θ光学聚焦镜头。
本发明所采用的技术方案是提供一种用于激光二维线性扫描的光学镜头，它是一种f-θ激光聚焦光学镜头，其特征在于所述的f-θ激光聚焦光学镜头由三片折射透镜[61]、[62]、[63]构成，按光线入射方向，三片透镜的光焦度依次为61、62、63，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为-3.5≤61≤-3.0、1.50≤62≤2.0和1.50≤63≤2.0；前两块透镜弯向光线入射方向，第三块透镜前表面[631]背向光线入射方向。
所述的三块折射透镜均由同种玻璃材料制成，其折射率n的取值范围为1.50≤n≤1.80。
与现有技术相比，本发明的特点在于f-θ激光聚焦光学镜头仅由三片折射透镜构成，三透镜由同种普通玻璃材料制成，镜头结构简单、加工成本低；由于这种结构，使得工作面积可以达到φ710mm，且激光束在工作面上的聚焦性能达到衍射极限，打标质量好，为进一步扩展激光打标的应用范围提供了可能。
图1是低惯性振镜式激光打标机的工作原理示意图；图2是本发明一个实施例所述的光学镜头的结构示意图；图3是本发明一个实施例所述的光学镜头的光线追迹点列图；图4是本发明一个实施例所述的光学镜头的畸变曲线图；图5是本发明一个实施例所述的光学镜头的场曲、像散曲线图；图6是本发明一个实施例所述的光学镜头在激光束聚焦面上的相对辐照度分布曲线图；图7是本发明一个实施例所述的光学镜头的能量集中度曲线图。
图1中[1]、激光器；[2]、激光束；[3]、扩束器；[4]、X扫描振镜；[5]、Y扫描振镜；[6]、f-θ镜头；[7]、激光束聚焦工作面；[8]、X扫描振镜的转轴；[9]、Y扫描振镜的转轴；图2中[61]、按光线入射方向的第一块透镜；[62]、按光线入射方向的第二块透镜；[63]、按光线入射方向的第三块透镜；[631]、第三块透镜的前表面。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案作进一步的阐述。
实施例一本实施例的技术方案是提供一种用于低惯性振镜式激光打标机的f-θ光学镜头。激光打标机采用YAG激光器，工作波长为1.064μm，光学系统工作于此近红外单色光，孔径光栏位于光学系统外部，即图1所示的X扫描振镜[4]处。
参见附图2，它是本实施例所述的光学镜头的结构示意图，f-θ镜头焦距f＝680mm，F数F/NO＝54，扫描角θ＝±30°，X扫描振镜到Y扫描振镜的距离dX，Y＝16mm，Y扫描振镜至按光线入射方向的第一块透镜[61]前表面的距离dY，L1＝22mm，[62]为第二块透镜，[63]为第三块透镜，[631]为第三块透镜的前表面。该镜头其余的数据如下
三块透镜材料采用同种无色光学玻璃，因此，不需要校正色差。
实施例二在本实施例中，f-θ镜头焦距f＝680mm，F数F/NO＝54.5，扫描角θ＝±30°，X扫描振镜到Y扫描振镜的距离dX，Y＝16mm，Y扫描振镜至第一块透镜前表面的距离dY，L1＝16mm，三块透镜材料采用同种无色光学玻璃，其余数据如下
参见附图3，图3是光线通过本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即激光束在工件表面的聚焦情况，图3中各视场处的圆表示Airy斑，由此可见，像面上各视场的点列图都落在Airy斑以内，表明该光学系统具有衍射理论极限的聚焦特性。
本实施例所述的光学镜头畸变曲线图如图4所示，图中，横坐标为相对于f-θ关系的畸变值(单位％)，纵坐标表示归一化视场，由图4可见，相对畸变小于0.5％，不仅使像高与视场角满足了f-θ线性关系，而且不会影响打标质量，满足打标要求。附图5是镜头的场曲像散曲线，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线S和T分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。
根据激光标刻机的工作原理，为保证在大范围内的打标质量，要求激光束在工件表面的辐照度分布均匀、能量集中。参见附图6，它是本实施例所述的光学镜头在激光标刻机工作面上的相对辐照度分布曲线图，图6中，横坐标是打标范围，纵坐标为工作面上的相对照度。由图6可见，整个像面的辐照度分布相当均匀，边缘虽有所下降，但仍满足使用要求。
参见附图7，它是本实施例所述的光学镜头的能量集中度曲线，由图7可见，80％以上的能量集中在Airy斑范围内点。
激光打标因其独特的优点得到了广泛的应用。经过严格的像差校正，本发明所提供的以f-θ镜头作为激光打标机的光学聚焦镜头，仅由三片透镜组成，镜筒长度约60毫米，工作面积达到φ710mm，聚焦性能达到衍射极限，具有工作面积大、加工成本低、打标质量好、聚焦性能好、结构简单紧凑等优点，为进一步扩展激光打标的应用范围提供了可能。
权利要求
1.一种用于激光二维线性扫描的光学镜头，它是一种f-θ激光聚焦光学镜头，其特征在于所述的f-θ激光聚焦光学镜头由三片折射透镜[61]、[62]、[63]构成，按光线入射方向，三片透镜的光焦度依次为61、62、63，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为-3.5≤61≤-3.0、1.50≤62≤2.0和1.50≤63≤2.0；前两块透镜弯向光线入射方向，第三块透镜前表面[631]背向光线入射方向。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光二维线性扫描的光学镜头，其特征在于所述的三块折射透镜均由同种玻璃材料制成，其折射率n的取值范围为1.50≤n≤1.80。
全文摘要
本发明涉及一种用于实现激光二维线性扫描的光学镜头，具体是指一种将激光束聚焦在工作平面上、适用于激光打标和标刻的f＝θ镜头。该f＝θ激光聚焦光学镜头由三片折射透镜构成，按光线入射方向，透镜的光焦度依次为负、正、正；前两块透镜弯向光线入射方向，第三块透镜前表面背向线入射方向；三块透镜的玻璃材料相同，其折射率n的取值范围为1.50≤n≤1.80。它的工作面积可达到φ710mm，聚焦性能达到衍射极限，具有工作面积大、加工成本低、打标质量好、聚焦性能好、结构简单紧凑等优点，为进一步扩展激光打标的应用范围提供了可能。
文档编号G02B1/00GK1776462SQ200510122760
公开日2006年5月24日 申请日期2005年12月1日 优先权日2005年12月1日
发明者沈为民, 季轶群, 余建军 申请人:苏州大学