用于半导体激光打标机的谐衍射_折射f-theta镜

第36卷第8期 2007年8月 光 子 学 报 ACTAPH()T()N1CASINICA V01．36No．8 August2007 用于半导体激光打标机的谐衍射／折射户theta镜* 吴环宝1，王肇圻1，傅汝廉1，孙强2 (1南开大学现代光学研究所光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300071) (2长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验寰，长春130033) 摘要：根据半导体激光器发射波长的范围和谐衍射透镜的特点，讨论了含有谐衍射光学元件的混 合，二theta镜的．将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd：YAG激光器打标镜的设计中，使 用普通的光学材料，使系统在o．8一1．5扯m波段内很好地校正了各种单色像差和色差，在各个分立 波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射极限．系统结构紧凑、片数少、兼容性好、具有良好的像 差特性，适用于半导体激光器及Nd：YAG激光器打标系统． 关键词：产theta镜；谐衍射；双波段；光学设计 中图分类号：TH74 文献标识码：A 文章编号：1004—4213(2007)08一1435—4 0 引言 近年来，随着激光技术的迅速发展，激光打标技 术也有了长足的进步，并以其标记速度快、字迹清 晰、防伪功能强、成本低、污染小等优点，成为激光加 工中最大应用领域之一．，乙theta透镜¨副是激光打 标机中的重要部件．当前国内用于打标的激光器主 要有C()。激光器、Nd：YAG激光器和半导体激光 器，其中半导体激光器以其易于使用和维修、运行费 用低等优点受到人们关注．目前国内外有多家公司 从事厂-theta透镜系统的研究开发，并且形成了自 己的产品系列，但是这些产品都只适用于某一波长． 当更换工作物质时，由于其吸收系数的改变，需要更 换对该物质吸收系数较大波长的激光器，同时也需 要更换厂-theta镜头．为了减小生产成本，增加系统 的稳定性，设计可以应用于多波长的／二theta镜系 统具有现实意义⋯．这就需要对系统进行消色差以 及像差校正以获得良好的光学性能．但是传统的折 射系统必须依靠负透镜来消除色差，或使用稀有特 殊色散的材料来设计系统．这样的系统往往体积大、 成本高、像差校正也不理想口。7J． 1995年Sweeney，SOmmargren，Faklis和Morr∥】 等分别提出了谐衍射透镜(HarHlOnic胁ffractive EleHlent，HI)E)的概念，它可以在一系列分离波长处获 得相同的光焦度，利用了光在传播中的折射和谐衍射 两种特性，增加了光学设计过程中的自由度，能够突破 传统光学系统的许多局限．同时由于谐衍射光学元件 具有负色散和正光焦度的特点，在改善成像质量、减小 +国家自然科学基金(60577015、60507003)资助 Tel：022—23508332Email：abao@mail．nankai．edu．cn 收稿日期：2006一02—28 系统的体积和质量以及降低成本等诸多方面现出传 统光学系统不可比拟的优势．本文取半导体激光器波 长范围o．80～1．50“m和谐衍射透镜色散大小可以控 制的特点，讨论了含有谐衍射光学元件的双波段∽12I混 合户theta透镜的设计，给出了工作于0．80一1．15”m波 段和1．15～1．5“m波段，成像质量接近衍射极限，适 用于半导体激光及Nd：YAG激光打标机的折射／谐 衍射／二theta镜系统，系统具有体积小、准确度和分辨 率高的优点． 1谐衍射／折射产theta镜设计理论 1．1谐衍射成像理论 衍射透镜焦平面上的能量分布可看作光线通过 各闪耀环带后在焦平面干涉的结果．若使用波长为 A，则其焦距为 ／j一竿，’。 (1) ^ 式中A。为设计波长，／’。为设计波长的焦距． 与普通的衍射透镜相比较，HDE环带间光程差 为纵。，不是Ao，相当于设计波长为埘。，焦距为^ 的特殊透镜．若对使用波长为A的m级次成像，则 其焦距为 f，一似o，o⋯3一丽Jo (2) 有效焦距与结构参量声、衍射级次Ⅲ有关．如果要 求^m与设计焦距厂。，重合，即应满足 A懈一砧o (3) 这说明对于HDE，凡波长满足式(3)的整数所对应 的谐振光波均汇聚到共同的焦点^处，p是设计时 确定的元件厚度参量．HDE与普通衍射透镜的区别 如图1． 万方数据 光 子学报 A。l 型胛一1胛一1l ●-------——----w 型 ——■■■■■■■‘． E |￡ 芒 ●■—- ▲ I ， —_7 匡 ■—_r皇三 (a)urdlnaryDoE (b)HDE 图1 普通衍射透镜与谐衍射透镜比较 Fig．1ComparisonoftwokindsofDOE 1．2产theta透镜的工作原理 对于理想的透镜，入射光束经透镜折射后在像 平面上成像，设其理想像高为^，矗可以表示为 ^一，×tg口 (4) 即像高与入射角臼的正切成正比．这种透镜用于激 光打标系统时由于理想像高与扫描角之问不成线性 关系，因此以等角速度偏转的入射光束在像面上的 像点扫描速度并不是常数．为了实现等速扫描，必须 使透镜产生一定的负畸变，使像高与入射角臼成线 性关系．此时可以用透镜组来代替透镜，即为户 theta透镜．设扫描角为臼，像点高度^与扫描角满足 ^一厂×口，就可以通过改变扫描角来控制像点在像 平面上的位置．此时产生的负畸变△^，表示为 △矗一，×毋一厂×tan口一厂X(口一tan护)(5) 用来表征系统满足线性关系的特征量是L产臼畸变， 定义为 E一生≥罢×100％ (6) j八b 1．3双波段，一theta透镜设计 作为双波段的系统应该满足不同波段的光线的 像面在一个像平面上，系统的F数保持不变，成像 质量合乎要求．对于本文设计的带有谐衍射面的四 片镜的光学系统在0．80～1．15肚m波段(设定为1) 和1．15～1．5“m波段(设定为2)应满足式(7)～ (9)．总的光焦度应满足 西i+磷+萌+科+西．。一西， 耐+《+酬+截+晚。一① (7) 波段1的轴向色差应等于零 掣+譬+掣+鳟+亟一o (8)口 v 、u， u； ui ui ui uld 波段2的轴向色差应等于零 掣+孽+嬖+孽+尘望一o (9) 铆i 可i 可i uj 口zd 其中耐，鳢，科，科分别是波段1的四片折射透镜 的光焦度，而西。。是在波段1的谐衍射面的光焦度． ui，u}，口{，训{分别是在波段1的四片折射透镜的色 散因子，而垂。。是波段l的谐衍射面的色散因子． 烈，截，斌，剑分别是波段2的四片折射透镜的光焦 度，而西。。是在波段2的谐衍射面的光焦度．u；，u；， ui，训!分别是在波段2的四片折射透镜的色散因 子，而口。。是波段2的谐衍射面的色散因子． 对于谐衍射透镜而言，若对使用波长为A的柳 级成像，则其焦距为舰。．厂0／巩l，如果要求此谐振级 次的焦距与设计焦距厂0重合，即应满足Am一烈。． 则谐衍射面在波段1和波段2的光焦度分别为 是舰，／m，和忌纵。／优：，其中足是和谐衍射面的半径、 环带数、周期数有关的常数，优。、矾。是衍射级次．谐 衍射面在波段1和波段2的色散因子分别为A。．。，／ (A栅。1一札。。。)和hd2／(砜。九2一A‰。2)．根据上述理 论，就能确定系统的初始结构，并能在Zemax软件 优化完成后，确定谐衍射面的光焦度、厚度、半径、环 带数、周期数等有关的面型结构． 2设计与结果 根据设计要求和式(3)，取p—lo，A。一1．30弘m 为中心波长，则谐振波长分别为1．3，弘m，1．o弘m， 对应于衍射级次m一10，13，正好在所需要的波段范 围内．根据广东粤铭公司的要求，设计指标为：在两 个波段范围内具有相同的参量，人瞳直径为12mm， 有效焦距为160mm，扫描范围为110×110mm2， 扫描角为±20。． 首先根据上述理论计算出1．15～1．5“m波段 系统的光焦度，一般情况下，衍射面的光焦度很小， 所以先假定衍射面的光焦度为零，大致计算出光学 系统的初始结构．因为系统在两个波段内的光焦度、 面型结构、厚度等尺寸相同，要想同时在两个波段内 具有优良的成像质量，在选择材料时，应选择在两个 波段内折射率随波长的变化值尽可能相近的两种材 料，这样才能在两个波段内很好的协调消像差．选定 材料以后，在zemax软件下进行优化，使系统在 1．15～1．5“m波段具有较好的成像质量．然后在系 统中引入谐衍射面，以谐衍射面的球面系数、折射透 镜的曲率半径和厚度等为变量，在优化函数中加入 有效焦距、／二口畸变函数，消除系统在两个波段内的 色差和单色像差．在优化过程中要注意各种像差之 间的平衡，以及衍射面球面系数的取值．合适的取值 可获得较大的衍射面特征尺寸，有利于加工．最后确 定整个系统的结构． 系统结构如图2．图中第四片透镜为折射／谐衍 射混合透镜，前表面为谐衍射面，基底为平面．图3 为系统在波段1和波段2的垂轴色差曲线，可以看 出系统在两个波段内垂轴色差均落在爱里斑之内， 很好的消除了色差．图4分别为系统在两个波段内 的场曲和／二口畸变曲线．从图可以看 万方数据 8期 吴环宝，等：用于半导体激光打标机的谐衍射／折射-厂_theta镜 1437 最大场曲为o．008屈光度，最大．产口畸变为o．17％． 在两个波段内都具有良好的扫描特性，满足广东粤 铭激光有限公司提出的指标要求．图5给出了系统 在常用波长o．808扯m、o．940弘m、1．064mm和波 长1．15肚m、1．30肚m和1．50肛m上的光学传递函 数(MTF)曲线．从图可以看出，所设计的系统在各 个分立波长上很好的消除了像差，成像质量接近衍 射极限，并且在整个波段o．80～1．50”m上每个分 立波长上成像质量都接近衍射极限，适用于此波段 内任何波长上的使用． 图2广theta镜结构 Fig．2The2一Dlayoutofthe广thetalens MrximumfielD：20．0000DEG AIRY AIRY Mrximum“eld：20．OOOODEG AIRY AlRY ⋯彰．． 一50．00 O．OO 50．00—50．00000 50．oo 山l 一 2o l 专o ∞ {o o 墨o Microns (a)Bandl 】Ⅵicrons (b)Band2 图3 波段1和波段2上的垂轴色差曲线 Fig．3Thelateralcolorcurveofbandl&band2 Sprtialfrequencyincyclesperm川imeter ． (a)0．808¨m 山1 卜 20 上 毛o ∽ 暑o o 墨o SSTSTT I ≯ 一50．00 O．00 O50 M川imeters SS TT ／ (a1Band1 爹 一20．00 0．OO O．20 Millimeters Percent ／ Percent fblBand2 图4 波段1和波段2上的场曲和户theta畸变曲线 Fig．4Thefieldcurvaturecurvesandfthetadistortion curveofbandl＆band2 3 结论 本文将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd： YAG激光器打标镜的设计中，使用最普通的光学材 料，使系统在o．80～1．15pm和1．15～1．50pm两 个波段内很好的校正了各种单色像差和色差，在各 个分立波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射 SprlialfrequencyincycIespermillimeter (b)O．940“m 山l 卜 2o ‘ 专o ∞ {o o 差o Sprtialfrequencyincyclespermillimeter (c)l064“m SprtialfrequencyincyclespermillimeterSprtialfrequencyincyclesperm川imeterSprtialfrequencyincyclesperm川imeter (d)1．15pm (e)1．30儿m (D1．50“m 图5 系统不同波长的MTF曲线 Fig．5Themodulationtransferfunctionondifferentwavelengths 1 O 0 O O ‰卜o o暑铀o∞11一1100至 ● O 0 O O 山一o oII_-o呻11一joo_乏 万方数据 万方数据 用于半导体激光打标机的谐衍射/折射f-theta镜 作者： 吴环宝， 王肇圻， 傅汝廉， 孙强， WU Huan-bao， WANG Zhao-qi， FU Ru-lian， SUN Qiang 作者单位： 吴环宝,王肇圻,傅汝廉,WU Huan-bao,WANG Zhao-qi,FU Ru-lian(南开大学,现代光学研究所 ,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300071)， 孙强,SUN Qiang(长春光学精密机械 与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春,130033) 刊名： 光子学报 英文刊名： ACTA PHOTONICA SINICA 年，卷(期)： 2007,36(8) 被引用次数： 1次 参考文献(12条) 1.秦水介 两片型f·θ透镜设计[期刊]-应用光学 1994(02) 2.EHRMANN J S Optics for vector scanning 1991 3.WHITMAN T L;MEHDI N A Electronic f-theta correction for hologon deflector systems 1991 4.吴环宝;王肇圻;傅汝廉 折/衍混合远心消色差f-θ物镜系统设计[期刊论文]-光子学报 2005(1 2) 5.任德清;RAUSCHERB J 红外双视场透镜系统的光学设计[期刊论文]-红外技术 1998(03) 6.金国藩;严瑛白;邬敏贤 二元光学 1998 7.杨新军;王肇圻;孙强 基于二元光学的红外成像光谱仪离轴系统设计[期刊论文]-光子学报 2005(04) 8.SWEENEY D W;SOMMARGREN G E Harmonic 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