一种大幅面复消色差F‑theta镜头系统的制作方法

本实用新型涉及一种光学镜头，尤其涉及一种F-theta光学镜头，主要用于大幅面RGB三色光打印系统。

背景技术：

随着科技的不断发展，激光应用技术已经深入到目前的现代生活中。例如，激光打标机以其速度快等优势在不断扩大其应用范围。目前，激光正在扩展其在各行各业的应用。

在印刷行业中，经常会遇到大幅面打印需求，其工作幅面通常能达到830mm(A0,A1图纸)以上。为了达到大幅面打印的目的，目前业界的做法是：选择一个消色差的聚焦镜头，将该镜头固定在一个具有高速且精确定位的一维运动部件上，在镜头运动时，滚筒带着纸做转动，这样就构成一个二维运动平台，可以对图纸做二维扫描运动。其中，镜头运动范围最少等于图纸最窄部分的长度。该方法中，需要用不同的反射镜和合束镜，将所需要的RGB(三色)光合并，汇入到聚焦镜头上，由聚焦镜头将RGB三色光聚焦在工作面上。聚焦镜在高速运动时由于惯性而导致聚焦镜部件振动，这种振动会使打印在图纸上的图像变得模糊，因此这种一维运动方式打印大幅面的效率与打印质量都不够高。

F-Theta镜头也叫扫描聚焦镜，主要用来实现扫描打印功能，多用于激光打标机、舞台灯光中，也可用于科学试验和激光测量仪器中。光学系统中，F-theta镜带有特殊分布的畸变，而正是这种畸变使得扫描算法变成线性算法，使得扫描更加易于控制。其具体算法为：

Y＝f×theta

其中Y为工作距离，f为镜头焦距，theta为入射角度无疑，控制旋转角度比在一个长导轨上控制一个点的精确位置来的容易得多。所以，为了实现高效打印功能，只需要找到一个具有消色差功能的大幅面F-theta镜头，用它来实现多色光扫描打印。然而该系统的设计加工十分困难，如何实现低成本高效率的F-theta镜头是业界急需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种大幅面复消色差F-theta镜头系统，在保持F-theta透镜畸变性能的同时，实现RGB三色光的消色差处理，以满足三色光扫描打印的使用要求。

为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是：一种大幅面复消色差F-theta镜头系统，由RGB光源、入射光方向依次排列的用于控制入射光角度的扫描振镜、镜筒、设置于镜筒内部的第一、第二、第三、第四和第五透镜组成，各透镜在光轴上同轴设置，其中，所述第一透镜为凹面朝向入射光的具有负焦距的弯月透镜，所述第二透镜为正透镜，所述第三透镜为凹面朝向入射光的具有负焦距的弯月透镜，所述第四透镜为正透镜，所述第五透镜为凹面朝向入射光的具有正焦距的弯月透镜。

上述技术方案中，所述第一、第二、第三透镜构成负透镜组，具有负焦度，起到扩束作用；所述第四、第五透镜构成正透镜组，起到压缩张角的作用。

上述技术方案中，所述所述的RGB光源由红色光源R、绿色光源G、蓝色光源B与合束器组成。

上述技术方案中，沿光轴方向第一，第二第三透镜组成的负透镜组位于第四第五透镜组成的正透镜组前端，入射光先经负透镜组的扩散然后经正透镜组成像到图纸上。

上述技术方案中，为了消除一种大幅面复消色差F-theta镜头系统色差，就需要采用折射率和阿贝数交错开的玻璃来达到消色差的目的。系统中，第一和第三透镜采用同种材料折射率为n1，阿贝数为V1；第二、第四和第五透镜使用同种材料，折射率为n2，阿贝数为V2；其中折射率n1>n2且阿贝数V1<V2。本方案中，第一种材料折射率大于第二种材料的折射率很多，且第一种材料的阿贝数小于第二种材料的阿贝数。一般而言，光学车间使用最多的且性能比较稳定，加工工艺性比较稳定的有ZF类、SF类、K类材料。通过比对，本技术方案中选择使用SF类材料和k类材料。明显SF材料折射率比较高而阿贝数很低，k类材料折射率较SF类材料低多了而阿贝数则高很多。

优选技术方案：所述第二透镜可采用平凸型正透镜或弯月正透镜或者双凸正透镜；第一、第二、第三透镜构成的透镜组具有负焦度，具有扩束作用；所述第四透镜的焦距和方向不限，只要使第四、第五透镜构成的透镜组为正透镜组，具有压缩张角的作用。

上述技术方案中，为了降低加工与制造难度，所有的面均为球面，这使得单个零件的加工与制作成本大幅度降低。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

1.本实用新型提出了一种使用多种材料结合起来消色差的扫描镜组，5片透镜构成了f-theta镜组，在RGB三色光之间进行消色差处理，成像质量高，畸变小。

2.本实用新型的透镜只使用了两种材料，并且选用比较适合光学加工的普通SF与K类材料，价格便宜，加工性能好，适于工业化应用。

附图说明

图1是一种采用F-theta镜头的光学系统结构示意图；

图2是本实用新型实施例一中负透镜组结构示意图；

图3是本实用新型实施例一中正透镜组结构示意图；

图4是本实用新型实施例一中F-theta镜头的光线追迹图；

图5是本实用新型实施例一中畸变示意图；

图6是本实用新型实施例一中能量汇集度示意图；

图7是本实用新型实施例一中点列图；

图8是三色光源由合束器合束示意图。

其中：

1为第一透镜；2为第二透镜；3为第三透镜；4为第四透镜；5为第五透镜；6为镜筒；7为RGB光源；8为扫描振镜；9为合束器；R为红色光；G为绿色光；B为蓝色光。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：一种大幅面复消色差F-theta镜头系统，要求：使用光波长为RGB三色光(0.486μm/0.587μm/0.656μm)要求扫描直径达830mm(配A0，A1号图纸使用)，相对畸变控制在0.3％内，光斑尺寸在100um以内。

F-theta镜头需要在大视场时矫正象散，系统选用如图1所示的形式，正负透镜组分离，为了平象场，所以正透镜组在后，负透镜组在前。如图2、图3以及图8所示，F-theta镜头，包括由RGB三色光通过合束器9合束而成的光源7、扫描描振镜8、镜筒6、设置于镜筒内部沿入射光方向依次排列的第一、第二、第三、第四和第五透镜，其中，所述第一透镜1为凹面朝向入射光的具有负焦距的弯月透镜，所述第二透镜2为正透镜，所述第三透镜3为凹面朝向入射光的具有负焦距的弯月透镜，所述第四透镜4为弯月透镜，所述第五透镜5为凹面朝向入射光的具有正焦距的弯月透镜；所述第一、第二、第三透镜构成负透镜组；所述第四、第五透镜构成正透镜组。

镜头是使用在多色光环境下的，所以需要对这三种色光进行消色差设计，于是就需要选用不同材料，工业化生产的镜头中，稳定性比较好的为BK类材料(国内叫做K类材料)、SF类、ZK类材料。本实施例选择最常用的材料BK7与SF6。BK7材料折射率为1.517，阿贝系数为64.167，SF6材料折射率为1.805，阿贝系数为25.432。

结合以上设计，本实用新型提供两个优选的设计实例，其具体数据分别如下所示：

实施例一：

第一透镜1分别由曲率半径为-62.32mm和-68.78mm的两个曲面S1、S2构成，其中心厚度为13.2mm，材料为SF6，焦距为-9398mm；

第二透镜2分别由曲率半径为-716.91mm和-229.26mm的两个曲面S3、S4构成，其中心厚度为20mm，材料为BK7，焦距为643.2mm；

第三透镜3分别由曲率半径为-152.69mm和-249.13的两个曲面S5、S6构成，其中心厚度为14.74mm，材料为SF6，焦距为-525.75mm；

第四透镜4分别由曲率半径为-2456.1mm和-555.56mm的两个曲面S7、S8构成，其中心厚度为9.13mm，材料为BK7，焦距为1387mm；

第五透镜5分别由曲率半径为-604.07mm和-336.65mm的两个曲面S9、S10构成，其中心厚度为19.9mm，材料为BK7，焦距为1435.1mm；

列表如下：

根据上述设计方案，通过计算机模拟可以得到图4至图7的模拟结果。其中，图4是上述实施例的光路布局示意图；图5是畸变分布图；图6是能量集中度示意图；图7是点列图。从上述各图中可以看出：系统的畸变小于0.25％，在100um的像元尺寸内，能量集中度大于80％，该系统满足大幅面打印需求。

实施例二：

第一透镜分别由曲率半径为-72.7mm和-80.24mm的两个曲面S1、S2构成，其中心厚度为15.4mm，材料为SF6，焦距为-10964mm；

第二透镜分别由曲率半径为-836.39mm和-267.46mm的两个曲面S3、S4构成，其中心厚度为23.3mm，材料为BK7，焦距为750.4mm；

第三透镜分别由曲率半径为-178.14mm和-290.66的两个曲面S5、S6构成，其中心厚度为17.2mm，材料为SF6，焦距为-613.4mm；

第四透镜分别由曲率半径为-2865.5mm和-648.16mm的两个曲面S7、S8构成，其中心厚度为10.7mm，材料为BK7，焦距为1618mm；

第五透镜分别由曲率半径为-704.74mm和-392.76mm的两个曲面S9、S10构成，其中心厚度为23.2mm，材料为BK7，焦距为1674.3mm；

列表如下：

本实用新型提出了的5片透镜构成的f-theta镜组，在RGB三色光之间进行消色差处理，透镜畸变小，成像质量高；透镜可以只使用两种材料，并且选用比较适合光学加工的普通SF与K类材料，价格便宜，加工性能好，适于工业化应用。如果不考虑成本因素，在本实用新型技术方案的基础上适当增加透镜的个数或者在5片透镜的前后面上使用非球面可以优化获得更好的成像效果。