二维激光扫描系统中大工作面f-θ透镜设计

论文摘要

f-θ透镜是二维激光扫描系统中的一种关键的具有特殊要求的透镜，二维激光扫描系统包括激光打标机、激光打印机、激光打孔机等精密设备。本论文研究了超大视场大工作面f-θ透镜和大工作面变焦f-θ透镜的光学设计。采用望远镜结构，利用视角放大率增大扫描角，得到了超大视场900f-θ透镜。运用物像交换补偿变焦原理，结合f-θ镜设计了大工作面变焦f-θ透镜。将衍射光学应用到光学设计中，很好地校正了两f-θ透镜的轴外点像差。本论文从初级像差理论出发，分析了f-θ透镜中存在的主要像差。求解PW表示的初级像差方程组得到f-θ透镜的初始结构参数。利用ZEMAX光学设计软件，结合f-θ透镜的像差要求，建立合理的优化函数，优化后得到了超大视场大工作面f-θ透镜和大工作面变焦f-θ透镜。设计结果表明：所设计的两种大工作面f-θ透镜具有相对畸变小、能量集中度高和像面相对照度分布均匀等优点，聚焦性能能够达到衍射极限。本论文主要论述了：（1）阐述了f-θ透镜的特性，通过引入负畸变使得像高与扫描角成线性关系。介绍了f-θ透镜中存在的主要像差，要校正像差，透镜应采用分离镜片结构，且应使透镜中尽可能多的镜面弯向光阑。（2）利用望远镜的视角放大率这一特性增大扫描角，得到了超大视场900f-θ透镜。采用折/衍混杂设计，可以更好地校正像差。建立合理的优化函数对该透镜进行优化，得到了适合二维激光扫描系统的f-θ透镜。（3）将变焦原理应用到f-θ透镜的光学设计中，采用物像交换补偿系统，设计得到了像质优良、具有衍射受限的变焦f-θ透镜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 f-θ透镜应用背景
• 1.2 f-θ透镜的发展状况
• 1.3 本课题研究意义及主要研究内容
• 2 f-θ透镜的设计思想
• 2.1 f-θ透镜的工作原理
• 2.2 f-θ透镜的像差
• 2.3 设计思想
• 2.4 本章小结
• 3 光学系统初始结构设计及像质评价
• 3.1 固定焦距光学系统的初始结构设计
• 3.2 变焦透镜的初始结构设计
• 3.3 像质评价
• 3.4 本章小结
• 4 超大视场大工作面 f-θ透镜的光学设计
• 4.1 望远镜结构
• 4.2 超大视场 f-θ透镜结构
• 4.3 优化设计与像质评价
• 4.4 本章小结
• 5 大工作面变焦 f-θ透镜的光学设计
• 5.1 高斯解分析
• 5.2 变焦透镜初始结构
• 5.3 设计结果与像质评价
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 本论文的创新点
• 6.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录