一种短焦距二片式自由曲面f-theta物镜制造技术

本发明专利技术涉及一种短焦距二片式自由曲面f

【技术实现步骤摘要】
一种短焦距二片式自由曲面f-theta物镜


[0001]本专利技术属于激光扫描装置
，具体涉及一种短焦距二片式自由曲面f-theta物镜。

技术介绍

[0002]激光技术出现于60年代，在70年代初期投入到实际应用中。在70年代末，随着半导体技术的日趋成熟，诞生了半导体激光器。同时，自由曲面的加工技术的成熟和量产化，使得激光打印技术进入到实际应用领域。
[0003]本专利技术是针对激光打印机的整体光学部分的设计。F-theta镜头是激光打印系统中核心组成部分，本质上F-theta镜头通过引入桶形畸变，使得像高线性正比于扫描角。随着工作面积的增大，设计F-theta镜头的关键是要在大的像平面内获得高质量的平场像点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种能满足扫描系统高分辨率、大工作面、小型化需要的短焦距二片式自由曲面f-theta物镜，用于旋转多面镜的激光扫描装置。
[0005]本专利技术的上述目的通过如下技术方案来实现：
[0006]一种短焦距二片式自由曲面f-theta物镜，其特征在于：包括第一镜片和第二镜片，第一镜片具有第一光学面和第二光学面，第二镜片具有第三光学面和第四光学面；所述第一光学面和第三光学面为入射光面，该两光学面的面型为非球面；所述第二光学面和第四光学面为出射光面，该两光学面的面型整体为自由曲面，且在副扫描方向为对称非球面，在主扫描方向为非对称自由曲面；激光通过第一镜片会聚，再经过第二镜片进一步会聚。
[0007]进一步的：所述的第一镜片和第二镜片的非对称的自由曲面设计需满足以下公式要求：
[0008]在副扫描方向方程表达式为：
[0009][0010]式中，z为z轴方向的矢量高，k为二次项系数，c为表面曲率，r为距光轴z的径向距离，r2＝x2+y2，α
i
为高次项非球面变形系数；
[0011]在主扫描方向方程表达式为：
[0012][0013]式中，k
x
，k
y
分别为x方向和y方向的二次项系数，c
x
，c
y
为表面x，y方向曲率，α1，α2，α3……
，为x方向的非球面系数，β1，β2，β3……
，为y方向的非球面系数。
[0014]进一步的：两镜片的综合焦距为104.88mm，全扫描角120
°
。
[0015]进一步的：第一光学面到第四光学面间的定位距离为29.36mm，第二光学面到第三光学面间的定位距离为19.83mm。
[0016]本专利技术具有的优点和积极效果：
[0017]1、本专利技术在设计物镜时采用了自由曲面设计，自由曲面的特点是，对与轴外像差矫正具有明显的效果，f-theta镜本身要有一个桶形畸变来使得视场角度与扫描距离成线性关系，所以使用自由曲面更加合适。
[0018]2、本专利技术可以将高斯光束经过五面镜反射的扫描光线进行畸变校正，即将时间-角速度的关系转换成时间-距离的关系，扫描光线在X方向与Y方向的光束半径经过f-theta镜片后的各角度后在成像面上产生均匀的光点，以提供符合需求的分辨率；并可以缩短聚光距离，以减少整体装置的体积，满足了高分辨率、大工作面、小型化的要求。
[0019]3、本专利技术的二片f-theta镜片可以将0
°
扫描光线至120
°
扫描光线的出射角进行修正，使相同时间间隔的两扫描光在成像面的两光斑距离相等，光点大小均匀，从而可获得高质量的平场像点。
附图说明
[0020]图1为本专利技术短焦距二片式f-theta物镜光路图；
[0021]图2为本专利技术短焦距激光扫描系统图；
[0022]图3为本专利技术短焦距二片式f-theta物镜位置标识图；
[0023]图4为本专利技术短焦距二片式f-theta物镜弥散斑分布图；
[0024]图5为本专利技术短焦距二片式f-theta物镜边缘(扫描最大角位置)和中心位置弥散斑大小示意图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图并通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。
[0026]为了便于理解本专利技术设计，首先对本专利技术的设计原理及设计过程进行描述：本专利技术的目的是设计一款短焦距二片式f-theta物镜，达到高分辨率、大工作面、小型化的需求。
[0027]1、高分辨率
[0028]为了提高系统分辨率，物镜需要具有衍射受限的聚焦性能，根据瑞利判断理论，圆形口径扫描系统的衍射极限爱里斑半径δ为：
[0029]δ＝1.22λ
×
F<50μm
ꢀꢀ
(1)
[0030]F＝f
′
/D
ꢀꢀ
(2)
[0031]其中，δ为扫描光线在硒鼓上的最小光斑半径，λ为系统的工作波长，F为系统的光圈，f'为物镜焦距，D为物镜入瞳直径。从公式(1)可以看出为了得到高分辨率的扫描物镜，在工作波长一定的情况下要尽量减小F的值。根据公式(2)要减小f-theta物镜焦距或者增大入瞳直径可实现高分辨率。
[0032]2、大工作面，小型化
[0033]本专利技术的工作面为216mm，为了满足小型化的要求，在设计过程中尽量增大扫描角度，本设计的扫描半角为60
°
，属于超广角的f-theta物镜。广角的f-theta物镜的设计难点
在于，线性畸变很难矫正。本设计利用第二光学面和第四光学面的自由曲面引入桶形畸变来矫正线性畸变，最终实现了超广角的f-theta物镜的设计。
[0034]3、为了满足高分辨率、大工作面、小型化的需求，研究如下：
[0035]本专利技术要求视场角度为120
°
，打印范围为216mm，根据F-theta公式计算焦距为104.88mm，不同视场角对应的打印宽度值可由公式计算
[0036]H＝Fθ
ꢀꢀ
(3)
[0037]H为半宽度，F为焦距，theta为半视场角度(弧度)，根据计算把像面等分60个视场进行控制优化。最终的弥散斑如图1，为了矫正大视场带来的轴外像差，在设计物镜时采用了自由曲面设计，自由曲面的特点是，对与轴外像差矫正具有明显的效果，f-theta镜本身要有一个桶形畸变来使得视场角度与扫描距离成线性关系，所以使用自由曲面更加合适。
[0038]系统的工作面为一个平面，根据平场条件和光焦度分配公式，二片式f-theta物镜的透镜1和透镜2的光焦度折射率n1，n2，以及透镜间隔d应满足下式所示关系：
[0039]φ1n1+φ2n2＝0
ꢀꢀ
(1)
[0040]φ1+φ
2-dφ1φ2＝0
ꢀꢀ
(2)
[0041]这就要光学系统正负光焦度分离。本专利技术设计的透本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种短焦距二片式自由曲面f-theta物镜，其特征在于：包括第一镜片和第二镜片，第一镜片具有第一光学面和第二光学面，第二镜片具有第三光学面和第四光学面；所述第一光学面和第三光学面为入射光面，该两光学面的面型为非球面；所述第二光学面和第四光学面为出射光面，该两光学面的面型整体为自由曲面，且在副扫描方向为对称非球面，在主扫描方向为非对称自由曲面；激光通过第一镜片会聚，再经过第二镜片进一步会聚。2.根据权利要求1所述的短焦距二片式自由曲面f-theta物镜，其特征在于：所述的第一镜片和第二镜片的非对称的自由曲面设计需满足以下公式要求：在副扫描方向方程表达式为：式中，z为z轴方向的矢量高，k为二次项系数，c为表面曲率，r为距光轴z的径向距离，r2＝x2+y2，α
i
为高次项...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，刁彦飞，李楠，魏江峰，徐航宇，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：