F-θ扫描物镜的设计与研究毕业论文.doc

目目 录录 摘 要 II ABSTRACT III 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 国内外研究现状与发展趋势 2 1 3 研究内容 4 1 4 研究的目的与意义 4 2 F 透镜的工作原理 5 2 1 F 透镜与普通透镜的区别 5 2 2 F 透镜的特点及成像特点 6 3 F 镜头的设计思想 8 3 1 F 镜头基本原理 8 3 2 F 透镜的参数要求 9 3 2 结构及象质要求 10 3 3 F 透镜设计实例 14 4 系统扫描线性改善方法 23 5 结 论 20 致 谢 27 参考文献 28 F 扫描物镜的设计与研究 摘摘 要要 随着激光应用技术的发展 出现了形形色色的以激光为光源的光学系统 F 扫描 物镜是广泛用于激光打印系统 激光测径系统中的一种特殊光学系统 激光扫描监测 系统是一个动态光学系统 想要获得微米级的测量的精度 就必须采用具有良好动态 特性光学系统 一般采用F 透镜作为扫描发射光学系统 能够很好得解决这一问题 F 透镜被广泛地应用于红外 激光等扫描系统中 同时对F 透镜在整个视场内改善是 扫描性提出越来越高的要求 区别于普通透镜 F 扫描物镜的像高 tanYf Yf 这样在像面上形成线性的扫描速率 为此 需要设计一个负畸变 桶形畸变 的光学 系统 本设计基于F 透镜的原理和特性 根据其特性决定其结构参数 使用ZEMAX软 件 设计一个F 透镜实例 对其结果进行分析优化 总结校正F 透镜线性失真的办法 关键字关键字 F 透镜 线性 负畸变 Research and Design for F Scan lens Abstract F scan lens is widely used in laser printing systems laser diameter measurement system a special optical system With the application of laser technology there all kinds of laser light source of optical systems It used to observe or record the image itself in different forms of traditional optical system the emergence of laser can be transformed into practice the image sequence signal and the spatial spectrum to handle or record so laser optical system with traditional optical systems differ the types of range Laser scanning monitoring system is a dynamic optical system want to get micron measurement accuracy it must have good dynamic characteristics using optical system generally use the F lens as a scanning optical system launch may solve this problem are well F lens is widely used in infrared and laser scanning system while F lens improvements in scanning the entire field of view of increasing demands put forward Different from the normal lens F scan lens of as high as the plane in the formation of such a linear scan rate Therefore we need to design a negative distortion barrel distortion of the optical system The design is based on F lens of the principles and characteristics according to their characteristics to determine their structural parameters ZEMAX software used to design an instance of an F lens Optimize their results were analyzed Summary F lens correction of linear distortion approach Keywords F Scan lens linear negative distortion 1 绪 论 1 1 引言 激光扫描是激光技术在诸多应用中很活跃的一个领域 激光扫描技术在输入输出 方面已经得到很广泛的应用 如激光照排机 医用激光相机 激光打印机 计算机X射 线影像系统 激光数字化仪等仪器都采用了激光扫描技术 激光扫描基本上由激光器 调制器 偏转器 调节反馈装置及探测器和把它们连 接在一起的光学系统组成 如图1 1 根据偏转器的不同 有光学透镜扫描系统 棱镜 扫描系统 和全息扫描系统等多种扫描形式 激光扫描方式可以分为物镜前扫描和物 镜后扫描 6 如图1 2 图1 3 扫描结果可以是激光光束的直接可视信号输出 也可 以转换成电信号输出 还可以用计算机把扫描信号存储起来 然后在输出 激光扫描 系统是一种将时间信息转变为可记录空间信息的系统 它使某种信息通过光调制器对 激光束调制后 经光束扫描器和f 扭激光聚焦镜头在接收器上 形成一维或二维扫描 图像 它己被广泛用于标刻机 导弹跟踪瞄准 激光打印机 传真机 集成电路激光 图形发生器等激光扫描精密设备中 2 3 国外己有报导 将其用于生物芯片的检测中 其中 f 镜头是激光扫描系统中必不可少的重要部件 激光扫描检测系统是一个动态光学系统 想要获得微米级的测量的 就必须采用具 有良好动态特性光学系统 一般采用f 透镜作为扫描发射光学系统 能够很好的解决 这一问题 图1 1激光扫描光学系统 图1 2 物镜前扫描 图1 3 物镜后扫描 f 透镜与普通选镜的区别见图1 4所示 图中比较f 透镜与普通透镜的H与 之间 的关系 随着 的增大 两者之间的差别越来越明显 在线性地保持扫描角度和扫描位 置关系方面 f 透镜起到了重要的作用 图1 4 f 透镜与普通透镜的区别 1 2 国内外研究现状与发展趋势 随着激光应用技术的发展 出现了形形色色的以激光为光源的光学系统 它与用 于观察或记录图像本身形态的传统光学系统不同 激光的出现 可将图像变换为实践 序列信号和空间频谱来处理或记录 因此激光光学系统与传统光学系统有所区别 其 种类繁多 激光打标是激光技术的一个重要的应用领域 如图 1 5 它与传统的刻蚀 机刻等 打标方式相比 有许多优点 如无污染 分辨率高 非接触及标记永久保持等 随着 激光打标应用范围的扩大 对大工作面的要求越来越迫切 而工作面积的增大 会使 f 镜头的设计和加工难度增加 目前国内激光标刻机的工作面积一般不超过 300X300mm 4 5 的激光打标镜头 但价格昂贵且未见其详细报导 12 因此 研制工 作面积大 聚焦性能高 制造成本低的 f 镜头是非常迫切和十分必要的 图 1 5 激光打标机工作原理图 激光扫描监测系统是一个动态光学系统 想要获得微米级的测量的精度 就必须 采用具有良好动态特性光学系统 一般采用 f 透镜作为扫描发射光学系统 能够很好 得解决这一问题 f 透镜被广泛地应用于红外 激光等扫描系统中 同时对 f 透镜在整个视场内 改善是扫描性提出越来越高的要求 生物芯片 1 技术是近年来生命科学 微电子学 微机械 计算机 物理以及化学 等多领域 多学科交叉的一门技术 是一种高效 大规模获取生物信息的重要手段 它包括生物芯片的制作和杂交信号的检测 分析等相关技术 杂交信号的检侧和分析工 作由生物芯片扫描仪来完成 生物芯片扫描仪按类型主要分为两种 激光共聚焦生物芯 片扫描仪和 CCD 生物芯片扫描仪 前者的扫描分辨率较高 扫描速度较慢 后者扫描分 辨率较低扫描速度较快 目前国内外市场上的激光共聚焦生物芯片扫描仪的扫描机理 多是二维机械扫描 这种扫描方式具有扫描惯性大 扫描频率低 生物芯片扫描时间 长等缺点 为了弥补这些缺点 在激光共聚焦生物芯片扫描仪的研究工作中 采用了光机二 维扫描技术 即一维的扫描成像由线性扫描 f 物镜和振镜 扫描器 构成的光学线性扫描 机构来完成 由于 f 物镜的设计要求较高 受设计和加工等因素的影响 在光学扫描 时 扫描运动存在一定的非线性误差 因此 要进一步提高扫描图像质就必须对扫描 的非线性进行检测和校正 f 物镜镜头是激光扫描系统中必不可少的重要组成部分 己 广泛应用于打标机 导弹跟踪瞄准 13 激光打印机 传真机集成电路激光图形发生器 和生物芯片检测仪等精密设备中 本质上 f 镜头通过引入桶形畸变 11 使得像高线性正比于扫描角 随着工作面积 的增大 设计 f 镜头的关键是要在大的像平面内获得高质量的平场像点 随着机械 电子 光学产业的迅速发展 对工件参数的精度要求也越来越高 传 统的测量方法不能够实现各个方面的需要激光扫描测径仪采用激光扫描方式 对生产 线上回转体被测对象实现高速度 高精度 非接触测量 由于非接触的特点 对被测 对象无任何干扰 因此非常适合热的 软的和运动的被测对象 激光扫描测径仪系统 是一种基于光学技术 现代激光 电子学 计算机 精密机械等多学科技术于一体在 线检测系统 它是用可见激光作为光源 把被测对象的几何尺寸经过扫描光学系统和 光电变换系统转变成电信号 再由计算机进行实时数据处理 给出测量结果 并数字 显示 1 3 研究内容 本文所作的研究工作 1 针对f 透镜原理与特性 查阅大量的资料和文献 了解f 物镜的原理等 2 研究f 扫描物镜的原理 对理想光学系统 f 物镜扫描光学系统进行了分析 3 使用ZEMAX软件 设计一个F 透镜实例 对其结果进行分析优化 4 总结校正f 透镜线性失真的办法 1 4 研究的目的与意义 f 扫描物镜是广泛用于激光打印系统 激光测径系统中的一种特殊光学系统 区 别于普通透镜 f 扫描物镜的像高 这样在像面上形成线性的扫描tanYf Yf 速率 为此 我们需要设计一个负畸变 桶形畸变 的光学系统 本设计要求作者理解f 透镜的原理和特性 根据其特性决定其结构参数 使用 ZEMAX软件 设计一个f 透镜实例 对其结果进行分析优化 总结校正f 透镜线性 失真的办法 f 透镜是扫描系统中的一个重要部件 它应具有较小的F值 大的视场角和紧凑的 结构 随着光学系统应用范围的扩大 对大工作面的要求越来越迫切 而工作面积的 增大 会使f 镜头的设计和加工难度增加 因此 研制工作面积大 聚焦性能高 制 造成本低的f 镜头是非常迫切和十分必要的 2 f 透镜的工作原理 激光扫描系统一般分为物镜前扫描和物镜后扫描两种 通常是用物镜前扫描方式 物镜前扫描是把扫描元件置于物镜前 光束先经扩束准之后被扫描器扫描 然后由物 镜聚焦在工作面上 该聚焦物镜成为f 透镜 它具有特殊的像差要求 2 1 f 透镜与普通透镜的区别 1 普通透镜 如图 2 1 所示 设透镜的焦距为 f 扫描角度为 普通透镜如图校正了畸变 图 2 1 普通透镜成像 其像高为 2 1 Hf tg 将此式两边对时间 t 求导 那么有 2 2 2 sec dHd f dtdt 由此可见 对以等角速度偏转的入射光束在焦平面上的扫描速度不是线性的 2 f 透镜 对 f 透镜而言 为得到一定的扫描速度 其像高必须为 2 3 Hf 这样 对时间 t 微分的结果为 2 4 2 dHf d f dtdt 其中是扫描元件恒定的角速度 这样要求 f 透镜要故意产生正畸变 当扫描角 度 增大时 实际像高比几何光学确定的理想像高要小 是它的倍 其线性畸 tan 变 2 5 tan tan Hfff 其相对畸变量为 2 6 tan 100 tan Dr 具有式 2 6 所给出的畸变像差量的透镜 当入射光以等角速度偏转入射时 在 焦面上的扫描速度就是等速的 由于此透镜的像高等于 故常简称为 f 透镜 f f 透镜和普通透镜的区别见图 1 2 所示 图 1 2 中比较 f 透镜和普通透镜的 H 与 之间的关系 随着 的增大 两者之间的差别越来越明显 在线性地保持扫描角 度和扫描位置关系方面 f 透镜起到了重要要作用 2 2 f 透镜的特点及成像特点 根据f 透镜的基本性能 它有以下特点 1 从结构看f 透镜 光束偏转点的位置 相当于普通透镜系统的孔径光阑中心 因此f 透镜系统是孔径光阑位于透镜前方的非对称型系统 2 从扫描过程中看 将准直激光光束以不同的视场角进入入瞳 通过f 透镜在象 平面上的不同位置得到光点 这里反射镜的有效转角2 相当于普通系统的视场角 2 因此f 透镜是一个相对口径小而视场较大的光学系统 3 f 透镜常常要求光板尺寸从边缘到中心是一致的 由于口径小 球差很容易较 正 视场角大 对象散和场曲有较高的相差校正要求 4 一般情况下 作为单一激光光源的扫描系统 只有单色象差 而无色差 这对 光学材料的选择带来方便 要求同时适应多种激光光源系统 必须校正色差 5 为满足线性扫描的要求 14 必须使系统产生一定的畸变 使变为 ktgy 相对畸变量为 ky 0 0 y yy n ktg kktg 2 tg 1 7 6 用于激光光束传播的激光光束 与一般光束的传播规律不相同 必须考虑 高斯光束在光学系统中传播的特性 7 般光学系统中 像高与视场角成非线性的正切关系 即 y 2 8 tgfy 两边微分可得 2 9 2 cos fy 两边分别除以 t 则有 2 10 t f t y 2 cos 从式 2 10 易见 像点间隔除与有关外 还与角余弦值有关 因此相等时 y 间间隔和相同的角度间隔 将产生不同的空间间隔 这样就会使记录信息产生t y 失真 为保证f 透镜的像高与扫描视场角之间成线性关系 就必须使镜头本身 y 产生一定的桶形畸变 2 11 tgfy 相对畸变量为 2 12 tgtgf tgf y y 1 0 若把对应的实际像点高度记为H 则有 2 13 f fH q 称为f特性误差 其大小应限制在设计允许的误差范围之内 3 f 镜头的设计实例 3 1 f 镜头的设计原理 如图 3 1 所示为理想光学系统示意图 和为理想光学系统的第一面和最后一 1 O k O 面 是光轴 物方空间中平行于光轴 入射高度为h的光线出射后与光轴交于 1 FOFO K 象方焦点F处 若以与光轴平行的光线从像方入射 则出射时必与光轴交于物方焦点处 入射高度h 光轴与出射光线的夹角u及光学系统的焦距f满足3 1式所示的关系 3 1 tgufh 这一关系反应了理想光学系统主点和焦点的性质 根据这一特性 若已知u和f 便可求得理想光学系统像高 图3 1 理想光学系统示意图 理想光学系统的物象位置关系如图3 2所示 它也反应了望远物镜的成像规律 对 于理想光学系统 系统的物高y与入射角 视场角 的正切值成正比 图3 2 理想光学系统物象位置关系 即 3 2 tgfy 与望远物镜不同 f 镜头的像高与视场角成正比 如图3 3所示f 镜头的视场角 焦 距和像高满足 3 3 式所示的关系 3 3 fy 式中 f y分别表示f 镜头的视场角 焦距和像高 表示当f 镜头的 焦距f一定时 像高y与视场角成正比 满足线性关系 图3 3 f 镜头原理图 3 2 f 透镜的参数要求 1 F数 由于使用高亮度激光光源 所以不必象普通透镜那样根据光源亮度决定F数 只是 根据所必需的光点尺寸决定F数 即使由于透镜F数弱也可以用 因为这有利于像差校 正 2 和f 在 f 数一定的情况下 尽可能用大的 角 小的f这种选择能使透镜的尺寸和反射 器的尺寸减小 从而使由于棱镜表面角度不均匀和扫描器轴承不稳造成的不利影响较 小 由于入射光瞳即位于扫描器上 又处于透镜前焦面上 所以选取较小的焦距可以 使扫描器与物镜之间的距离减小 但是大的 角也会给物镜设计带来困难 在F数较小 时 和f都不可能大 特别是为了获得均匀大小的光点尺寸 常常考虑远心光学系统 若此时扫描角与焦距都较大 则透镜也大 制造也有困难 透镜的通光口径要根据测 量范围 被测件的振动幅度以及中心位置的可能移动范围选取定 同时为了形成较好 的平行光扫描 希望光学系统的相对孔径D f 尽可能小 但是焦距太大会使测头的体 积增大 所以一般相对孔径D f 取1 4 1 6 3 光焦度的分配 根据平场条件 f 镜头中必须正 负光焦度分离 本文选择系统有负 正两个薄 透镜构成 整个系统有四个曲率半径 一个间隔和两个透镜玻璃折射率等七个一阶光 学参数 对于色差问题 由于光学系统工作在单色光下 不需要校正色差 为满足平 场条件式 考虑选用两种不同的光学玻璃K9和ZF6 10 为满足结构紧凑性要0 k k k n 求 两透镜的间隔初步定为100mm 考虑到总光焦度和平场要求 15 可用于校正像差 的自由参数仅剩两个 难以同时校正所有像差 在优化设计过程中可通过复杂化初始 结构 引入更多的优化参数 由前面假设光学系统初始结构仅有两片球面透镜构成 可以根据平场条件和归一化 的总光焦度要求首先分配光焦度 3 4 1 0 2121 2 2 1 1 d nn 3 2 结构及象质要求 1 像方远心光路 像方远心光路 9 是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上 而像方的主光线平 行于光轴 如图 3 1 所示 如果物体 B1B2的像 B 1B 2不与接收面 M 重合 则在 M 面 上得到的是 B 1B 2的投影像 其弥散斑心距离 M1M2 B 1B 2 因此 不管 M 面是否 和 B 1B 2相重合 它和标尺所对应的长度总是 B1B2 所以没有测量误差 由于光电传感器的光敏面不易精确地调整在像平面上 借用这种像方远心光路原 理设计的 f 透镜就可以很好地解决因接收装置位置不准而带来的测量误差问题 图 3 4 像方远心光路 2 桶形畸变 若用表示视场角 理想光学系统的像高与视场角的正切值成正比 而f 镜头 tg 的象高正比于视场角 从图3 5中的曲线可以看出 当视场角时很小时 与的 tg 值相接近 实际象高与理想象高也较接近 随着角的增大 曲线 f tgf 偏离越明显 在理想高斯像面上量度的 实际像高与理想高斯像高 fy tgfy 的差别称之为畸变 当实际像高低于理想像高时 称为桶形畸变 反之 当实际像高高 于理想像高时称为枕形畸变 这里 实际像高满足关系 小于理想象高 f tgf 所以 f 镜头设计的本质是要引入桶形畸变 使实际像高Y尽可能接近y 即关系 f 以实现像高与视场角的线性关系 图 3 5 函数和的曲线 y tgy 由于光学系统不可能完全校正所有的像差 f 镜头也不能完全满足线性关系 将 实际像高Y与f 线性关系的偏离程度定义为与f 线性关系的相对畸变 用表示 只 f q 要当不超过0 5 即满足下面的 3 5 式所示关系时 即可 f q 3 5 5 0 f fY qf 式中 Y 表示实际像高 f 分别为 f 镜头的焦距和视场角 3 平场条件 f 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 13 所以对f 镜头而言 场曲的校正十分重要 f 镜头的设计必须满足平象场条件 即满足如 3 6 式所示的关系 3 6 0 k k k n 式中 分别是f 镜头中第k块透镜的光焦度和折射率 表明要满足平象场条 k k n 件 光学系统中必须正负光焦度相分离 且正 负透镜分别采用折射率不同的玻璃材 料 3 分辨率 f 物镜的分辨率如式 3 7 由该式可看出 分辨率与成反比 即扫描系 Df 统的相对孔径越大 其物镜分辨率越高 但扫描系统的分辨率也并非越高越好 因为 分辨率越高 物镜的设计复杂而麻烦 且制造成本增大 所以扫描物镜一般应根据实 际使用要求来选取分辨率 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 7 1 22 fD fa Df 4 其他象差分析 f 镜头相对孔径小 球差和彗差不严重 在引入了桶形畸变 校正了场曲之后 还应考虑的单色像差只有像散 像散的产生是由于波面经光学系统各面折射后 子午 和弧矢两个主截面内的曲率发生变化而不再相等 两主截面的曲率中心即像散光束的 焦点不重合 光束失去对称性 不再是球面波 分别汇聚于两条互相垂直的短线上 这两条线分别经过子午和弧矢焦点 称为弧矢和子午焦线 8 两条焦线间的距离称为像 散差 这种垂直于波元面 彼此不相平行又不相交于一点的非对称性光束称为像散光 束 要校正光学系统的像散 对光学系统的结构有特殊要求 当系统中存在如图3 6所 示的相邻透镜的两个邻近的面背向而置的结构时 有利于像散的校正 图3 6中 表 1 H 示关系系统中相邻两个透镜的前一元件的像方主点 是其后表面与光轴的交点 12 O 表示后一元件的物方主点 是其前表面与光轴的交点 2 H 12 O 图3 6 f 镜头中校像散结构 为获得良好的标刻效果 一般要求镜头具有衍射受限的聚焦性能 即要求当光学 镜头无渐晕且相对照度分布均匀时 所有光线经过光学系统后都被很好地聚焦在爱里 斑以内的性能 f 镜头属于大视场小相对孔径光学系统 由于其相对孔径小 球差 位置色差容 易校正 同时因为其视场大 轴外像差 特别是像散和场曲应校正好 f 物镜入射光 束为细光束 彗差的影响较小 可通过改变透镜的形状因子来校正 再根据3 2节可知 f 镜头设计的本质是要引入桶形畸变 所以畸变 场曲和象散 7 是设计f 镜头时需严 格校正的3种 5 像质评价 大多数 f 物镜属于大视场小相对孔径的像方远心光学系统 其轴上点光线在透镜 上的入射高度较低 轴外点光线在透镜的入射高度较高 因此校正轴外点像差是 f 物 镜的主要着眼点 一般光源为单色光 光学系统不用消色差 轴上轴外均达到或接近 衍射极限的像质要求 f 物镜要求衍射极限的成像质量 因此 像差目标值应在初级像差内平衡 各种 像差量的总和 S S S S 均近似为零 畸变 S 应满足下列推导公式 实际畸变量与初级畸变量有下列关系H S 3 8 2 S H u 又 3 9 Hftgf 代入 3 3 得 3 10 2 S ftgf u 于是 3 11 2 Suftg 3 12 35 2 315 tg 取前两项得 3 13 3 3 tg 3 14 33 2 33 b SufD 式中为入瞳直径 b D 6 中心点亮度 中心点亮度是依据光学系统存在像差时 其成像衍射斑的中心亮度和不存在像差 时衍射斑的中心亮度之比 S D 来表示光学系统的成像质量的 当 S D 0 8 时 认为光 学系统的成像质量是完善的 这就是有名的斯托列尔准则 在 ZEMAX 软件中 我们可以通过像点能量分布图来观察它的中心点亮度 以此 来判断成像质量 像点能量分布图的横坐标为以高斯像点为中心的包容圆 纵坐标为 该包容圆所包容的能量 已归一化 设像点总能量为 1 这样可以很直观地得到任一 像点的整体能量分布情况 能获取比单一中心亮度指标更多的信息 7 点列图 在几何光学的成像过程中 由一点发出的许多条光线经光学系统成像后 由于像 差的存在 使其与像面的交点不再集中于一点 而是形成一个分布在一定范围内的弥 散图形 称之为点列图 在点列图中利用这些点的密集程度来衡量光学系统的成像质 量的方法称之为点列图法 利用点列图法来评价成像质量时 通常是利用集中 30 以 上的点或光线所构成的图形区域作为其实际有效弥散斑 弥散斑直径的倒数为系统的 分辨率 8 MTF 曲线 所谓 MTF 是表示各种不同频率的正弦强度分布函数经光学系统成像后 其对比度 即振幅 的衰减程度 当某一频率的对比度下降到零时 说明该频率的光强分布已 无亮度变化 即该频率被截止 这是利用光学传递函数来评价光学系统成像质量的主 要方法 同时 我们还可以根据 MTF 曲线所围的面积来判定成像质量的好坏 MTF 曲线所围面积越大 表明光学系统所传递的信息越多 光学系统成像质量越好 图像 越清晰 3 3 f 透镜设计实例 3 3 1 设计指标 根据使用要求 本设计的指标如下 1 三片式负 负 正结构 2 mmf100 3 15o 4 um6238 0 5 2 52ymm 6 相对畸变小于 0 5 f 像面 相对畸变 00 0 tan1515 100 0 5 tan15 r D 7 分辨率 um f D 2 5410106422 1 22 1 9 3 3 2 设计步骤 1 f 物镜外形尺寸及初始结构参数 根据需求 本文作者查阅了美国国家专利资料库 http patft uspto gov 中关于 f 透镜的记录 选取专利 6388817 号为本设计的初始结构参数来源 专利摘要如图 3 7 所示 其基本结构形式如图 3 8 所示 图 3 7 f 透镜专利摘要 图 3 8 f 透镜专利基本结构形式 2 光学设计软件 ZEMAX 使用简介 ZEMAX 能够在光学系统设计中实现建模 分析和其他的辅助功能 有很多功能 能够通过选择对话框和下拉菜单来实现 首先安装 ZEMAX 之前 要确定是否满足有关硬件要求 系统有 200 兆硬盘空间 一个 CD ROM 驱动器 显示器分辨率至少要达到 1024 768 然后安装加密狗进行加 密保护 解压安装 ZEMAX2005 将 LICENSE COD 和 ZEMAX CN 两个文件复制到安 装目录 运行 ZEMAX CN 1 基本设定 运行 ZEMAX ZEMAX 主屏幕会显示镜片数据编辑 LDE LDE 是要工作场所 譬如决定要用何种镜片 几个镜片 镜片的 radius thickness 大小 位置 等 在 LDE 中显示的有三个面 物平面 在左边以 OBJ 表示 光阑面 以 STO 表示 还有 像平面 以 IMA 表示 图 3 9 LDE 窗口 从 system menu 上选 general data 在 aper value 上键入 25 注意孔径类型缺省时为 入 瞳直径 Entrance Pupil Diameter 图 3 10 入瞳直径设定 进行视场角设定 点击 system 菜单下的 Fields 图 3 11 视场角设定 为系统输入波长 在主屏幕单条上 选择 system 系统 菜单下的 wavelengths 波长 屏幕中间会弹出一个 Wavelength Data 对话框 图 3 12 工作波长设定 2 镜头数据输入 编辑 界面 在图 3 9 界面下 移动光标到向平面的 无穷 infinity 之上 按 INSERT 键 将 会在哪一行插入一个新的面 并将像平面往下移 新的面被标为第 2 面 依次增加 注意物平面为第 0 面 移动光标到第 2 面的 Glass 列 输入 F2 并敲回车键 在第四 面输入 K9 并敲回车键 第 5 面输入 ZF1 并敲回车键 根据资料所提供的结构参数在 Radius thickness 列输入相应的数据 图 3 13 镜头数据输入 编辑 界面 3 像质评价函数及优化函数输入界面 Merit function就是把你理想的光学要求规格定为一个标准 然后ZEMAX会连续调 整你输入solves中的各种variable 把计算得的值与订的标准相减就是Merit function值 所 以Merit function值愈小愈好 挑出最小值时即完成variable设定 理想的Merit function 值为0 在editors中选Merit function进行设定 图 3 14 评价函数及优化函数输入 编辑 界面 4 像质评价 选择 Analysis 菜单下的 fans 然后选择 ray aberration 如图 3 15 选择 optical path 如 图 3 16 图 3 15 光线像差 图 3 16 光程差 选择 Analysis 菜单下的 spot diagrams 然后选择 standard 如图 3 17 选择 MTF 下的 FFT MTF 如图 3 18 图 3 17 点列图 图 3 18 MTF 曲线 3 设计优化结果及像质评价 1 f 透镜设计结果 图 3 19 f 透镜设计结果 已优化 系统数据报告 System Prescription Data Title Date MON MAY 31 2010 GENERAL LENS DATA Surfaces 7 Stop 1 系统光圈 入瞳直径 5 Glass Catalogs SCHOTT INFRARED CHINA Ray Aiming Off 变迹 均衡 统一的 因子 0 00000E 000 有效的焦点长度 100 0002 系统温度和压力在空气中 有效的焦点长度 100 0002 在像空间 Back Focal Length 117 0766 统计轨迹 153 1299 图像空间 F 20 00004 离轴工作面 F 20 00004 工作面 F 19 95905 Image Space NA 0 02499214 物空间 NA 2 5e 010 光阑半径 2 5 离轴像高 26 79497 近轴放大率 0 入瞳直径 5 入瞳区域 0 入瞳直径 8 332117 入瞳直径区域 166 6427 Field Type Angle in degrees 最大视场 15 主光波长 0 6328 镜头单位 毫米 角度放大率 0 6000876 Fields 9 Field Type Angle in degrees X Value Y Value Weight 1 0 000000 0 000000 1 000000 2 0 000000 1 000000 1 000000 3 0 000000 3 000000 1 000000 4 0 000000 5 000000 1 000000 5 0 000000 7 000000 1 000000 6 0 000000 9 000000 1 000000 7 0 000000 11 000000 1 000000 8 0 000000 13 000000 1 000000 9 0 000000 15 000000 1 000000 Vignetting Factors VDX VDY VCX VCY VAN 1 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 2 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 3 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 4 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 5 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 6 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 7 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 8 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 9 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 0 000000 Wavelengths 1 Units 祄 Value Weight 1 0 632800 1 000000 由数据报告可见 所设计的 f 透镜满足焦距 视场角 像面大小 工作波长等要求 图 3 20 所设计系统的二维结构图 2 像质评价 图 3 21 系统的场曲和畸变 图 3 22 场曲和畸变设置 注意 由于设计的是 f 系统 所以评判的基准为 F Theta 像面 而不是普通成像 系统的高斯像面 由图 3 20 可知 所设计的 f 透镜相对畸变在 0 5 以内 最大约 0 2 左右 满足 设计要求 图 3 23 点列图 图 3 24 全视场矩阵点列图 从点列图来看 光斑已经优化至艾利斑范围内 接近衍射极限 从全视场矩阵点 列图来看 均匀分布的不同视场 0 1 3 5 15 度视场 其光斑中心从上至下 大致均匀分布 说明了 f 透镜的扫描特性 图 3 25 网格失真 图 3 26 几何像分析 网格 从以上网格失真图和网格几何成像图可知 本文所设计的 f 透镜最后所成像确实 具备桶形畸变 负畸变 符合 f 透镜的特性要求 4 系统扫描线性改善方法 F 透镜被广泛的应用于红外 激光等扫描系统中 同时对F 透镜在整个市场内改 善扫描线性提出越来越高的要求 物镜前扫描系统中 F 透镜的成象半高 因此由高速转镜或类似机构转 fH 动所形成的平行光束的扫描速度与象点的运动速度成正比 显然F 透镜除要满足球差 象面弯曲 象散 慧差以及综合弥散斑的要求之外 扫描线性也必须严格地控制 由 于F 透镜需要校正的是负畸变 从设计的最基本的光学结构模型考虑 应是一负一正 的两片式透镜组合的 凸凹 型系统 由本设计过程中整理的参考资料可知 凸凹 型二 片式透镜部分技术参数如图4 1 图4 1 透镜部分技术参数 两片式型式简单 加工成本低廉 是一种满足中等技术要求和扫描性性能的可行 结构 对于高精度技术要求的扫描系统 改善整个视场的扫描线性性 是设计F 透镜 的关键问题 凹凸 型二片式的F 透镜 由于正透镜在后面 主光线在正透镜上的投射位置较 高 可获得一定负畸变 只要设计适当 实现的中等精度是不困难的 倘若 fy 要使线性性很好 并且在整个扫描视场中均匀 高级畸变必须要平衡到一个适当 f 的值 为了达到上述目的 同时获得好的象质 就必须在 凹凸 型二片式的基本结构 的基础上复杂化 复杂化方法包括分裂透镜和加过滤透镜 1 分裂透镜 使前后两片透镜分别分裂成两片或三片 原先每片负 正透镜所承担的光焦度则 有两片或三片透镜分担 此时 凹凸 两部分的总光焦度分配没有变化 但每一片透镜 的光焦度减少了 图 4 2 所示为 凹凸 型两片式负 正透镜分别分裂成两片与三片的组 合情况 图 4 2 分裂透镜 2 加过渡透镜 过渡透镜一般为一片或两片 形式为等曲率半径或接近的曲率半径的弯月形正透 镜 若其折射面全部弯向光栏 对于已平衡好的负畸变影响不大 但却平衡了系统校 正过头的匹兹伐场曲 若其折射面背向光栏时 则对校正系统的高级畸变提供了可能 性 在图 4 2 分裂透镜的基础上 在负组与正组之间加入两片过渡透镜 1 和 2 两透镜 的形式皆为弯月形透镜 两面曲率半径几乎相等 仅具有很小的折射能力 放入时 过渡透镜 1 背向光栏 过渡透镜 2 弯向光栏 如图 4 3 所示 图4 3 加过渡透镜 由平行平板的性质的性质可知 当主光线以入射角 入射到平行平板上时 象散和 场曲是的函数 畸变是的函数 按此性质 过滤透镜1与反向的过滤透镜2则有可 2 3 能校正高级畸变 此外 要获得一个接近于衍射极限的光斑直径 必须要很好地校正 轴上点和轴外点的象差 孔径光栏位于激光束首先到达的扫描振镜处 口径等于入射激光束直径 约为 10mm 对于波长为1 046umAYG激光束 Airy斑的半宽度a为 D a 22 1 计算得a约为75um 为获得尽可能高的标刻分辨率 光学系统应具有达到或接近理 论极限的聚焦特性 透镜使匀速扫描系统中的一个重要部件 它应具有较小的 F 值 大的视场角 f 和紧凑的结构 因此在设计一个理想的高质量的透镜时 应统筹考虑扫描线性性 f 综合象差以及上述几方面的要求 一般透镜设计成球面型的 显然 旋转多面体反射表面的端面的不垂直性产 f 生光束偏折后的位置误差 或称为倾斜误差 倾斜误差使扫描点偏离正常的扫描直线 因而使扫描直线性和扫描点节距均匀性发生畸变 因此 要获得一个均匀光点扫描速 度而又同时修正倾斜误差 必须采用柱面透镜才能实现 图 4 5 所示为修正倾斜误差 的原理 为倾斜误差 为扫描直线偏离量 第一个柱面透镜系统 1 仅在多面体 H 的偏折面内具有光焦度 实现光点均匀扫描 第二个柱面透镜 2 仅在垂直于偏折面内 具有光焦度 修正倾斜误差 所以两个光学系统是互为独立的 即倾斜误差的修正和 光点均匀扫描的获得分别在两个互为正交的平面上完成 图 4 5 修正倾斜误差原理 结 论 本文所研究基于 F 透镜特点 线性地保持扫描角度和扫描位置关系 设计 F 扫 描物镜 研究改善扫描线性性的方法 介绍了 F 镜头的光学设计方法 以初级像差 理论为基础 借助 ZEMAX 光学设计软件 通过建立合理的品质函数 优化设计得到 了符合实际使用要求 工作面积大小不同的 F 聚焦物镜 F 透镜是匀速扫描系统中 的一个重要部件 它应具有较小的 F 值 大的视场角和紧凑的结构 因此在设计一个 理想的高质的 F 透镜时 应统筹考虑扫描线性性 综合像差及上述几方面的要求 对于 F 透镜系统在 F 数 25 的情况下 按一般光学系统设计 只要控制畸变及平衡轴 上点与轴外点弥散 就可得到较适合的激光线性扫描系统 关于球差 慧差 象散和场曲的平衡问题 由于 D F 比较小 球差比较容易校正 慧差与口径平方成正比列并与视场的一次方成正比 对小口径大视场的 F 系统 也 是比较容易控制 主要象差是象散与场曲 在选择较小场曲的结构形式的基础上 那 个象散来平衡场曲 为了达到视场中心至边缘整个视场弥散的一致 可采取两种方案 一是离焦 二是增加中心视场球差 以校正边缘视场的象散及场曲 F 透镜系统在 F 25 的情况下 按一般光学系统设计 只要控制畸变及平衡轴上点与轴外点弥散 就 可得到较合适的激光线性扫描系统 F 透镜的设计必须满足平场条件 需要引入负畸变 桶形畸变 光学系统中必须正 负光焦度相分离 场曲的校正在可以根据平常条件来校正 评价F 镜头成像质量好坏 的重要指标还必须看它的能量集中度和像面辐照度分布 要求激光束在工件表面的辐 照度分布均匀 能量集中 相对照度分布应好于90 设计过程中对激光扫描系统 激光打标机 ZEMAX软件有了进一步了解 致 谢 本文是在导师包佳祺老师的精心指导和悉心关怀下顺利完成的 导师严谨的治学 态度 渊博的学识和开阔的思维均是作者今后学习和工作中的楷模 从包老师那里作 者不仅学到了丰富的理论知识 而且学到了先进的科学思维方法和创新精神 这段时 间的学习经历必将对我今后的学习工作和生活产生深远的影响 在此谨向我尊敬的导 师致以崇高的敬意和衷心的感谢 在论文的写作过程中 还得到了同学多方面的指导和帮助 在此表示感谢 在多年的求学生涯中 作者的家人始终如一地给予理解 鼓励和支持 在此向他 们表示深深的谢意 参考文献 1 C M Wen K W Yuan andP T Chou C K Lee A design F lens for bio 一m edi cal sy stem IEEE 2004 p52一54 2 朱林泉等 激光扫描系统的设计特点 新技术新工艺 1998年 第6期 P6 8 3 光电论坛http www OECR com F Lens 平场透镜 photoelectricforum in Chinese 2004年5月 4 雷璧华 LMS一60激光打标机及标记刻划 工具技术 1996年第29卷 第4期 P29 5 姜晶 张国雄 吴学芹等 具有倾斜校正作用的激光扫描光学系统设计 应用光 学 1995年 第16卷 第4期 P4 9 6 陈海清 现代实用光学系统 武汉 华中科技大学出版社2003年5月 第 一 版 7 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 激光 杂志 2004年 第25卷 第1期 P65 66 8 M E Harrigan D KesslerRIC TELECENTRIC F LENS FOR LASER MICROFILM PRINTER US Patent No 6 515782 B1 Feb 4 2003 9 刘本喜 裴先登 卢祖弼等 振镜扫描系统的特性研究 电子计算机外部设备 1994年 第18卷 第6期 P27一28 10 赵曰峰 陈兴海 孙元峰等 振镜式在线激光打标扫描方案的设计 应用激光 2004年2月 第24卷 第1期 P41 43 11 张以漠 应用光学 北京 机械工业出版社 1982年 12 J R Weisz Software Calibration of scan system distortions Proc SPIE Vol 1454 265 271 1991 13 Mee Suk Jung Won Don Joo S A Rodionov Specific problems of optical scanning system optimization Proc SPIE Vol 3573 pp 421 424 1998 14 沈为民 大相对口径大视场红外光学系统 中国科学院研究生院博士学位论文 2004年 P20 24 15 李晓彤 几何光学和光学设计 M 杭州 浙江大学出版社 1997 225 227 附录 1 设计的 f 镜头零件图 附图 1 1 第一镜片零件图 附图 1 2 第二镜片零件图 附图 1 3 第三镜片零件图 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁