專利名稱：激光掃描折射/衍射混合f－theta鏡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描鏡系統(tǒng)，特別是應(yīng)用于可調(diào)諧二氧化碳激光器波長范圍的掃描用f-theta鏡，屬于激光光學(xué)掃描鏡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
調(diào)諧CO2激光器的主要發(fā)射波長范圍在9.00～11.00μm波段。但現(xiàn)在用于CO2激光器掃描用的f-theta鏡絕大多數(shù)設(shè)計(jì)其工作在主波長10.6μm上。單波長的f-theta鏡技術(shù)已經(jīng)非常完善，有很多公司已經(jīng)設(shè)計(jì)并且生產(chǎn)了許多不同型號的用于CO2激光器掃描的f-theta鏡，用戶可根據(jù)自己的要求選擇不同的f-theta鏡，如Umicore Laser Optics Ltd。但是CO2激光器在激光雕刻應(yīng)用中，由于不同的基底對于不同波長靈敏度不同，通常要選擇靈敏度最高的波長來進(jìn)行雕刻，可用調(diào)諧CO2激光器工作于不同的波長上，但是需要更換f-theta鏡，因?yàn)榻^大多數(shù)f-theta鏡都是設(shè)計(jì)在其中某個波長上。因此設(shè)計(jì)波長范圍在9.00～11.00μm都可用的f-theta鏡具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。
如果要使f-theta鏡在9.00～11.00μm波段范圍內(nèi)都能工作，則應(yīng)該在此波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消色差，對于傳統(tǒng)的兩片折射透鏡系統(tǒng)再進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足要求，只能增加折射透鏡片數(shù)。但是增加折射透鏡片數(shù)有兩個缺點(diǎn)。一，使f-theta鏡系統(tǒng)變得復(fù)雜笨重；二，增加成本，眾所周知紅外材料非常昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在不增加f-theta鏡系統(tǒng)折射透鏡片數(shù)的條件下引入衍射浮雕面型，實(shí)現(xiàn)消色差和消除各種單色像差，使f-theta鏡能用在9.00～11.00μm波段范圍內(nèi)的任一波長。
本發(fā)明先設(shè)計(jì)了一個工作于CO2激光器主波長10.6μm的f-theta鏡，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是入瞳直徑14mm、掃描角+20°、有效焦距250mm、掃描范圍175mm×175mm，該系統(tǒng)為一個折射系統(tǒng)，如圖1所示結(jié)構(gòu)，包括光欄1-1、折射面1-2...。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入衍射浮雕面型達(dá)到消色差的目的，使f-theta鏡能工作在調(diào)諧CO2激光器的可調(diào)諧波段范圍中的任一波長，折射/衍射混合f-theta鏡如圖5所示結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具體的技術(shù)方案這種激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，包括光欄、折射透鏡、掃描平面，其特點(diǎn)是在折射透鏡5-7的后面放置折射/衍射混合透鏡5-8，同光軸上依次安置有光欄5-1、折射透鏡5-7、折射/衍射混合透鏡5-8、掃描平面5-6，折射/衍射混合透鏡的前表面制備衍射浮雕面型5-4，放在靠近折射透鏡的一側(cè)，其反面是折射面5-5。
本發(fā)明的有益效果在光路中采用折射/衍射混合透鏡，利用了光在傳播中的折射和衍射兩種特性，增加了光學(xué)設(shè)計(jì)過程中的自由度，能夠突破傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的許多局限。同時由于衍射光學(xué)元件具有負(fù)色散和正光焦度的特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)折射光學(xué)系統(tǒng)中普通折射透鏡光焦度過大，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大、笨重問題；解決了折射系統(tǒng)中消色差所帶來的折射表面彎曲嚴(yán)重，單色像差大的問題。本發(fā)明表現(xiàn)出與傳統(tǒng)折射光學(xué)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢。本發(fā)明的特征在于利用折射/衍射混合透鏡的特點(diǎn)，在可調(diào)諧CO2激光器發(fā)射波段范圍內(nèi)校正了色差。本發(fā)明為與激光掃描相配套的f-theta鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)提供了一種全新的思想和概念。


圖1是工作于CO2激光器主波長的f-theta鏡的結(jié)構(gòu)示意2是工作于CO2激光器主波長f-theta鏡系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖3是工作于CO2激光器主波長f-theta鏡系統(tǒng)掃描平面的光斑點(diǎn)4工作于CO2激光器主波長f-theta鏡系統(tǒng)的場曲和f-theta畸變圖5是本發(fā)明f-theta鏡的結(jié)構(gòu)示意6是本發(fā)明在9.0～11.0μm波段系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖7是本發(fā)明在9.0～11.0μm波段系統(tǒng)的垂軸色差曲線圖8是本發(fā)明在9.0～11.0μm波段系統(tǒng)的掃描平面的光斑點(diǎn)9是本發(fā)明在波長9.0μm系統(tǒng)掃描平面的光斑點(diǎn)10是本發(fā)明在波長10.0μm系統(tǒng)掃描平面的光斑點(diǎn)11是本發(fā)明在波長11.0μm系統(tǒng)掃描平面的光斑點(diǎn)12是本發(fā)明在波長10.6μm系統(tǒng)掃描平面的光斑點(diǎn)13是利用本發(fā)明在9.0～11.0μm波段系統(tǒng)的場曲和f-theta畸變其中1-1、光欄 1-2、折射面 1-3、折射面 1-4、折射面 1-5、折射面 1-6、掃描平面 1-7、折射透鏡 1-8、折射透鏡 5-1、光欄 5-2、折射面 5-3、折射面 5-4、衍射浮雕面型 5-5、折射面 5-6、掃描平面 5-7、折射透鏡 5-8、折射/衍射混合透鏡具體實(shí)施方式
這種激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，包括光欄、折射透鏡、掃描平面，其特征是在折射透鏡5-7的后面放置折射/衍射混合透鏡5-8，同光軸上依次安置有光欄5-1、折射透鏡5-7、折射/衍射混合透鏡5-8、掃描平面5-6，折射/衍射混合透鏡的前表面制備衍射浮雕面型5-4，放在靠近折射透鏡的一側(cè)，其反面是折射面5-5。
折射透鏡5-7是凹透鏡。
折射/衍射混合透鏡的前表面5-4為衍射浮雕面型，后表面5-5為球面；衍射浮雕面型5-4的基底可以為平面、球面或非球面。
折射透鏡、折射/衍射混合透鏡材料可以選擇透紅外的ZnSe和GaAs的其中一種或兩種的組合。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明如圖1所示，工作于CO2激光器主波長的f-theta鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，工作時，CO2激光器發(fā)射的主波長通過光焦度為正的折射透鏡1-8時，光線產(chǎn)生球差、慧差、場曲等一系列像差，通過光焦度為負(fù)的折射透鏡1-7時，可以校正球差、慧差、場曲等像差，并且產(chǎn)生必要的畸變量，完成光焦度的分配。所以從圖1所示的f-theta鏡出來會聚在掃描平面的光線已經(jīng)很好的消除了各種單色像差并且滿足f-θ的關(guān)系。但是，由于其只是設(shè)計(jì)在CO2激光器的主波長上，然而不同的雕刻介質(zhì)對不同的波長反映靈敏度不同，通常選擇靈敏度最高的波長來進(jìn)行雕刻，這就需要制作不同的f-theta鏡，而且時常更換，這樣又浪費(fèi)時間又增加了成本。
圖5是本發(fā)明f-theta鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明工作時，當(dāng)紅外波段9-11μm的光線通過光焦度為正的折射/衍射混合透鏡5-8，光線產(chǎn)生球差、慧差、場曲和色差等一系列像差，通過具有負(fù)光焦度的折射透鏡5-7，可以校正球差、慧差、場曲等像差，并且產(chǎn)生必要的畸變量，完成光焦度的分配，衍射面5-4校正色差。所以從圖5所示的f-theta鏡出來會聚在掃描平面的光線已經(jīng)很好的消除了各種單色像差和色差并且滿足f-θ的關(guān)系。
衍射浮雕面型5-4的基底可以為平面或球面或非球面，在圖5所示結(jié)構(gòu)中基底選擇為平面。在折射/衍射混合透鏡5-8的兩個表面分別制備衍射浮雕面型5-4和折射面5-5。
折射透鏡1-7、1-8、5-7、折射/衍射混合透鏡5-8的材料可以選擇ZnSe和GaAs中的任何一種或兩種的組合。
權(quán)利要求
1.一種激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，包括光欄、折射透鏡、掃描平面，其特征是在折射透鏡(5-7)的后面放置折射/衍射混合透鏡(5-8)，同光軸上依次安置有光欄(5-1)、折射透鏡(5-7)、折射/衍射混合透鏡(5-8)、掃描平面(5-6)，折射/衍射混合透鏡的前表面制備衍射浮雕面型(5-4)，放在靠近折射透鏡的一側(cè)，其反面是折射面(5-5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，其特征是折射透鏡(5-7)是凹透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，其特征是折射/衍射混合透鏡的前表面(5-4)為衍射面，后表面(5-5)為球面；衍射浮雕面型(5-4)的基底可以為平面、球面或非球面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光掃描折射/衍射混合f-theta鏡系統(tǒng)，其特征還在于折射透鏡、折射/衍射混合透鏡材料可以選擇透紅外的ZnSe、GaAs其中一種或兩種的組合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)掃描鏡系統(tǒng)，特別是應(yīng)用于可調(diào)諧二氧化碳激光器發(fā)射波長范圍掃描用的f－theta鏡，屬于激光光學(xué)掃描鏡系統(tǒng)。本發(fā)明包括光欄、折射透鏡、折射/衍射混合透鏡等，其特點(diǎn)是根據(jù)紅外輻射的窗口特性，以及衍射浮雕面型的特點(diǎn)，在同光軸系統(tǒng)中折射透鏡的后面設(shè)置一折射/衍射混合透鏡。將衍射浮雕面型成功地引入到二氧化碳激光器掃描鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，使用最普通的紅外材料GaAs或ZnSe，使系統(tǒng)在9.0－11.0μm波段內(nèi)很好的校正了各種單色像差和色差，波前差小于1/4波長，光學(xué)傳遞函數(shù)接近或達(dá)到衍射極限。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，片數(shù)少，兼容性好，具有良好的像差特性。適用于可調(diào)諧二氧化碳激光器掃描系統(tǒng)中，為f－theta鏡的設(shè)計(jì)提供了一種全新的器件。
文檔編號H01S3/00GK1635397SQ20041009393
公開日2005年7月6日 申請日期2004年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月14日
發(fā)明者王肇圻, 吳環(huán)寶 申請人:南開大學(xué)