折／衍混合远心消色差f-θ物镜系统设计

折／衍混合远心消色差f-θ物镜系统 折,衍混合远心消色差f-θ物镜系统设计 第34卷第12期 2005年12月 光子 ACTAPHOTONICASINICA Vo1.34No.12 December2005 折/衍混合远心消色差物镜系统设计* 吴环宝王肇圻傅汝廉 (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) 摘要设计了一个折/衍混合远心消色差产物镜系统.该系统由一片折射/衍射透镜和三片折 射透镜组成.入瞳位于系统前焦面,整个系统满足像方远心.与美国专利(专利号:4,925,279)相 比较,垂轴色差由2.40mm降到0.23mm,降低了一个数量级;对于0.,14.和20.视场,最大垂轴像 差分别由260m,1350m,2090m降低到5m,250m,318m,最大场曲分别由8mm,10mm, 13mm降低到0.5mm,1mm,6mm.该物镜不仅可用于彩色激光打印机,激光数码彩扩等多波长 的扫描系统,也可用于能量要求较高的扫描系统.在高能量扫描系统中,通过引用折/衍混合远心 消色差f_e物镜,可用小体积工作于多纵模状态的激光器代替大体积单波长的激光器,使整个扫描 系统小型化,并且提高了扫描准确度. 关键词产物镜;远心;折/衍混合系统;光学设计 中图分类号TH74文献标识码A 0引言 自从1988年Swanson和Veldkamp等人_1利 用衍射光学元件的色散特性校正单透镜的轴上色差 研制了多阶相位透镜以来,便开始了衍射光学在光 学成像领域的应用研究[2].随着激光技术的成 熟,激光在工业领域的应用越来越多,如激光打印 机,条形码扫描,图形传真,报警扫描,激光雕刻等等. 在这些应用中用到了工作于单波长的物镜... 而对于现在的新兴产业如彩色激光打印机,激光数 码彩扩等系统中要用到消色差的.产物镜[?].在另 外一方面,一个激光器工作于多波长时的输出能量 要比单波长时高得多,所以对于能量要求较高的扫 描系统中,可以用小体积的多波长激光器代替大体 积的单波长激光器[ilo3,这对于整个系统的小型化是 非常重要的. 用于多波长的. 产物镜需要校正的像差主要有 色差,场曲,相对畸变,垂轴像差.美国1990年 专利(专利号4,925,279)设计了一个用于激光扫描 的远心消色差物镜,其像差满足一般的激光扫 描系统的要求口. 本文基于此专利,引入折/衍混合透镜,获得了 更好的消色差效果,并且减少了组成.产物镜的单 透镜片数,使整个激光扫描系统具有优良的光学扫 描特性. 国家自然科学基金(编号60277021)资助项目 Tel:022—23508332Email:abao@mail.nankai.edu.cn 收稿日期:2004—10一一11 1折/衍混合远心消色差.厂-物镜设 计 在普通光学系统中,如果畸变和场曲得到了校 正,则像平面上的理想像高—ftan.系统要求 消场曲,像面为平面,同时光学系统产生一个负畸 变,使在扫描平面上的像高与入射扫描角成正比,即 Y:f?.从而当扫描角保持一定的转速时,像点在 平面上保持线性的扫描.产生负畸变的大小应为 (?tan一?)/.厂?×100,在软件ZEMAX 中,评价线性度用相对.产畸变,定义如前文所述. 在激光扫描系统中,被扫描平面应置于f-O物 镜的理想像面处,因此扫描平面与物镜之间的 距离应保持不变,其扫描准确度在很大程度上取决 于理想像面与扫描平面的重合程度.由于在扫描过 程中,被扫描平面不可能与理想像面完全重合,此时 除了中心视场外,其他视场的像高都会产生误差,对 于像高与扫描角度成正比的.产物镜来说,这种线 性误差是不允许存在的.像方远心光路的光阑(即 入瞳)位于系统的前焦面,出射主光线都平行于光 轴,垂直于理想像面,此条件保证当扫描平面沿光轴 方向有偏移时,像高并不会产生误差,因此扫描时不 会产生线性误差. 由于所有光学材料的阿贝数均为正值,消色差 必须采用正负透镜组合,这使得每块透镜的光焦度 都较大,而且要选用阿贝数相差较大的材料组成,这 不仅使光学系统的体积和重量增加,材料选择有限 制,还给单色像差的校正带来困难. 衍射元件不同于传统的折射元件,其等效阿贝 数a与所用基底材料无关,而只与使用波段有关 12期吴环宝等.折/衍混合远心消色差物镜系统设计 一d/(F--2c)(1) 式中,a,,分别是d,F,C光的波长.在可见光 波段衍射元件的阿贝数很小,且为负值,一--3.452. 所以折/衍混合元件能够替代正负透镜组合取得很 好的消色差效果,同时二元光学元件除了可校正色 差,还可以校正透镜的单色像差. 美国专利库中的远心消色差物镜由5片单 透镜组成,该系统的像差比较大.在本文的设计中 引入折/衍混合透镜,保证系统有效焦距不变,很好 的校正了色差和各种单色象差,并且减少了透镜片 数.系统由三片单透镜和一片折/衍混合透镜组成. 折/衍混合单透镜的衍射面基底面形为平面.具体 设计和优化步骤为: 1)去掉原系统中的第三片透镜,改变原第二片 透镜向出瞳方向的面型为平面,在优化函数中加入 有效焦距,远心参数和.产参数,进行一级特征优 化,即保证有效焦距不变,优化时考虑场曲等单色像 差的变化,达到一个暂时最佳的效果. 2)将平凸透镜的平面设定为二元衍射面,进行 消色差优化.ZEMAX中,衍射面的相位分布函数 为 dif(r)=A1,上+A2r4+A3r+…(2) 式中,r为归一化半径坐标,A为二次相位系数,决 定衍射面的傍轴光焦度,实现光学系统的消色差; A.,A.等为非球面相位系数,用于校正系统的单色 像差.根据需要选取前三项.删除优化函数中有效 焦距等参数,以衍射面系数的第一项作为变量,对系 统的色差进行校正. 3)在优化函数中加入有效焦距,远心参数, 参数等,让衍射面系数的第二,三项为变量,调整系 统的各个结构参数,对系统进行整体优化,实现系统 场曲,垂轴像差,相对.产畸变,色差的最佳校正. 进行优化时考虑像差之间的平衡以及衍射面的加工 条件来设定优化函数的加权. 2折/衍混合远心消色差f-o物镜设 计结果 图1(a)给出了美国专利库中的远心消色差 物镜系统结构.它由5片单透镜组成,焦距为100mm, 扫描角为?2O.,入瞳直径为5mm,扫描范围为 70mm×7Omm,图1(b),(d)给出了其像差特性曲 线. Fieldofview:20.O0DEG TSSTST Fieldofview:20.00DEG r/ -2nO02n0o-1.0001.00—5.0005.00 Fieldc~ature/mmdisto~ionP/oLa~ralcolor/ram (a)Thesystemlayout(b)Fieldcurvaturecurvesanddistortioncurves(e)Late~colorCUrveS 013,I:0.O0DEG0B~-14.00DEGOBJ:-20.O0DEG Transverseaberration(maximumscale:+__5000m, (d)TransverseaberrationcurveS 图1远心消色差f-0物镜 Fig.1Achromatizedtelecentricf-0lens 图2(a)给出了折/衍混合远心消色差f-e物镜在整个视场内有很大的改善,如O.视场为0.5mm, 系统结构图.它由三片单透镜和一片折/衍混合透14.视场为1mm,20.视场为6mm,而专利所给物镜 镜组成,第二片为折/衍混合透镜,衍射面向出瞳方的最大场曲在相应的3个视场内 分别为8mm,10mm, 向,基底为平面.图2(b),(d)给出了其像差特性13mm;垂轴像差也得到了很好的校正,0.,14.,20. 曲线.两组透镜系统具有相同的焦距,扫描角,入瞳视场的最大垂轴像差分别由260,1350,2090 直径和扫描范围.由像差曲线可以看出,本文所设降低为5m,250m,318m;同时色差也得到了 计物镜与专利所给的物镜的相对畸变(%)相很好的校正,其最大垂轴色差为0.23mm,较专利 近,都满足激光扫描系统f?0的要求;但最大场曲的2.4mm降低了一个数量级. 十 1820光子34卷 3结论 Fieldofview:20.00DEG TSSsTT . 1O.00OlO.00.1.0001.00 Fieldcurvature/nunf_edistortion/% (a)Thesystemlayout(b)FieldcurvaturecurvesanddistortionCUrVes 0酎n00DEGOBJ:l400DEG Fiddofview20.00EG OO5o Lateralcolor/mm (e)Lateralcolorcurves 0丑J=2O00DBG Transverseaberration(maximumscale:+500Pm) (d)TransverseaberrationCUrVes 图2折/衍混合远心消色差f-0物镜 Fig.2Hybriddiffractive/refractiveachromatizedtelecentricf-0lens 5孙强,刘宏波,王肇圻,等.红外折射/衍射超常温光学 系统.光子,2003,32(4):466,469 本文设计了一个折/衍混合远心消色差f-o物 镜,满足现代彩色激光打印,激光数码彩扩等多波长 的扫描系统的要求,也可用于能量要求较高的扫描 系统.在能量要求较高的扫描系统中,通过引用折/ 衍混合远心消色差f-o物镜,可用小体积工作于多 纵模状态的激光器代替大体积的单波长激光器,使7 整个系统变得简单和小型化.和美国专利相比较, 物镜的色差和单色像差得到了显着改善,提高了扫 描准确度.并且比原来系统的结构简单,满足了现8 代化激光扫描系统的要求. 参考文献 1SwansonGI,VeldkampWB.Infraredapplicati0nsof9 diffractiveopticalelements.ProcSPIE,1988,883:155 , 158 2StoneT,GeorgeN.Hybriddiffractive-refractive1enses10 andachromats.ApplOpt,1988,27(14):2960~2971 3BuralliDA,MorrisGM.Designofawidefield diffractivelandscapelens.ApplOpt,1989,28(18). 3950~395911 4ZhaoQL,WangZQ,eta1.Hybridrefractive/ diffractiveeyepiecedesignforhead-mounteddisplay." ActaPhotonicaSinica,2003.32(12)11495,1498 SunQ,LiuHB,WangZQ,eta1.ActaPhotonicaSinica, 2003,32(4):466,469 杨新军,王肇圻,孙强,等.基于二元光学的红外成像光 谱仪离轴系统设计.光子,2005,34(4):573~576 YangXJ,WangZQ,SunQ,eta1.ActaPhotonica Sinica2005,34(4):573,576 TakesukeM,TakanoriH,YoshioA.Alaserscanning opticalsystemforhigh-resolutionlaserprinter. ProceedingofSPIE,1990,1254:54,65 KazuoM,YoshinobuS,KaZUOI,eta1.Laserrecording andimage-qualityevalution.ProceedingofSPIE,1990, 1254:24,32 FaklisD,PengS,MorrisG,eta1.Applicationof diffractiveopticstolaserscanlenses.Proceedingsof SPjE,1995,2383:340,344 FuseK,OkadaT,EbataK.Diffractive/refractive hybridF-thetalensforlaserdrillingofmultilayer printedcircuitboards.ProceedingofSPIE,2002, 4830:95,100 MeyersMM.DiffractiveopticsateastmankodakCo. ProceedingsofSPjE,1996,2689:228,254 HiroyukiS,Kyoto.Telecentricf-0lenssystem.US Patent4,1990,925,279 12期吴环宝等.折/衍混合远心消色差f-o物镜系统设计18 21 DesignofAHybridDiffractive/RefractiveAchromatizedTeIecentric F.LensSystem WuHuanbao,WangZhaoqi,FuRulian NankaiUniversitythkeyLaborat.ry.fOpto-elec,rDicIn/_0,口ti.Scf口^口 , MinistryofEducation,Tianjin300071 Receiveddate:2004—10—11 AbstractAhybriddiffractive~refractiveachromatizedtelecentricf-0lenssystemhadbeend esignedwith a hybriddiffractive/refractivelensandthreerefractivelenses.Theentrancepupilwasplacedatthefocal Planesothattwasatelecentricsystem.ContrasttotheUSpatent4 ,925,279,thelateralcolorreducedbv one— odinmagnitude(from2?40mmto0.23ram),andthemaximaltransverseaberrationreducedfrom260um , 1350m,2090gmto5ttm,250ttm,318mfor0.,14.and20.fieldofviews,andthemaximalfield curVaturereducedfrom8mm,10mm,13mmto0. 5mm,1mm,6mmfortheaforementionedfieldof Vews?Thedesignedf-0lenssystemcouldbeappliedincolorscanningsystems,suchascolorlaser Pmt.anacolordigitalphotoprinters.Itcouldalsobeappliedinhighenergyscanningsystems .When applyingthedesignedhybriddiffractive/refractiveaehromatizedtelecentricf-0lenssystemtothehigh energyscannngsystem'ablglasermachineoperatinginonelongitudinalmodecouldbereplacedbva smallmulti-modeoperatinglasermachine'andthesystemcouldbesimplifiedgreatlyandtheaccuracy couldbeproved. KeywordsF-0lens;Telecentricity;Hybriddiffractive/refractivesvstem;Optical wasbornin1979,andreceivedherB. currentlypursuingherPh.D.inthe erresearchinterestsarebinaryoptics, S.degreefromNankaiUniversityin InstituteofModernOptics,Nankai opticalscanningandopticaldesigns.