F-θ扫描镜头光学设计

赵鑫（武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北武汉　430205）



F-θ扫描镜头光学设计

赵鑫
（武汉软件工程职业学院电子工程学院，湖北武汉430205）

摘要：F-θ透镜是激光扫描系统中一种常用的具有特殊要求的光学系统。文章利用ZEMAX软件，设计一个焦距500mm，视场角的镜头。该镜头接近衍射极限，并且具有较小的畸变，满足了使用要求。

关键词：F-θ镜头；光学系统；视场角；畸变

1　概述

F-θ镜头是一种特殊的光学镜头，在激光扫描装置中被广泛应用。通过扫描器的转动，将光束改变方向，通过聚焦镜头的聚焦，变成焦面上焦点的运动，如图1所示。激光扫描方式可以分为物镜前扫描和物镜后扫描，通常要求高的扫描装置都是透镜前扫描如图2所示。

图1　激光扫描光学系统

图2　镜前扫描

2　F-θ镜头的参数要求

为了不使信息失真，对F-θ有特殊要求。要求像面是平面即y'=f'·θ。将实际像高与理想像高的偏离程度用相对畸变qfθ表示，只要当qfθ不超过0.5%，即满足下面的（1）式所示关系时，即可

式中Y表示实际像高，f、θ分别为f-θ镜头的焦距和视场角。f-θ镜头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-θ镜头而言，场曲的校正十分重要。f-θ镜头的设计必须满足平像场条件，即满足（2）式所示的关系：

式中φk、nk分别是第k块透镜的光焦度和折射率。当光学系统由正透镜和负光透镜相分离组合时，像面符合平场条件f-θ物镜的分辨率如式（3），由该式可看出，分辨率σ与D/f'成反比，即扫描系统的相对孔径越大，其物镜分辨率越高。相对孔径大，物镜的设计就困难。在激光扫描系统中，由于激光束为高亮度光源，只要分辨率满足扫描成像光点的大小即可。

3　f-θ镜头优化设计

图3　点列图

图4　镜头能量集中度曲线

根据使用要求，本设计了焦距值500mm，光束孔径10mm，视场角θ=±15°，λ=0.6238μm的f-θ镜头。利用ZEMAX软件进行优化得到了工作面大小为130mm×130mm的三组三片f-θ镜头。每片透镜均为球面镜，降低了成本。通过ZEMAX软件的优化函数，优化得到f-θ镜头。镜头的场曲和畸变曲线，最大场曲1.13mm，最大像散0.98mm，小于焦深，在像差容限范围内满足平场条件。相对畸变最大值0.01%，满足设计要求。图3为系统的点列图。各视场光斑直径为2～7μm，都在艾里斑内。艾里斑直径为77.2μm。镜头的能量集中度曲线如图4所示。通过图形分析可以看出各视场艾里斑内集中了90%以上的能量。

4　结语

文章利用ZEMAX软件，基于F-θ透镜特点，设计F-θ扫描镜头。根据像差理论，建立合理的评价函数，优化设计得到了扫描范围130mm×130mm，焦距500mm符合实际使用要求的F-θ镜头。该镜头成像质量良好，结构简单紧凑，成本低，加工可行性强。

参考文献

［1］陈海清.现代实用光学系统［M］，武汉：华中科技大学出版社，2003.

［2］赵曰峰，陈兴海，孙元峰，等，振镜式在线激光打标机精确定位方案的实现［J］，激光杂志，2004，25（1）：65-66.

［3］沈为民.大相对口径大视场红外光学系统［D］.北京：中国科学院研究生院博士学位论文，2004.

Optical Design of F-θ Scanning Lens

ZHAO Xin
（Institute of Electrical Engineering，Wuhan Vocational College of Software and Engineering，Wuhan，Hubei 430205，China）

Abstract:F-θ lens is a kind of commonly used optical system with special requirements in laser scanning systems.In this paper，by using ZEMAX software，a lenth of 500 mm focal length and 30 degreesview angle is designed.The lens is close to the diffraction limit，and has less distortion，which can satisfy the use requirement.

Key words:F-θ lens；Optical system；View angle；Distortion

中图分类号：O436

文献标识码：A

文章编号：2095-980X（2016）05-0081-01

收稿日期：2016-04-06

作者简介：赵鑫，主要研究方向：电子工程。