【正文】 要求。圖 320 所設(shè)計系統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖（2）像質(zhì)評價圖 321 系統(tǒng)的場曲和畸變圖 322 場曲和畸變設(shè)置注意：由于設(shè)計的是 fθ 系統(tǒng)，所以評判的基準為 FTheta 像面，而不是普通成像系統(tǒng)的高斯像面。由圖 320 可知，所設(shè)計的 fθ 透鏡相對畸變在 %以內(nèi)，最大約 %左右，滿足設(shè)計要求。圖 323 點列圖 圖 324 全視場矩陣點列圖 從點列圖來看，光斑已經(jīng)優(yōu)化至艾利斑范圍內(nèi)，接近衍射極限。從全視場矩陣點列圖來看，均勻分布的不同視場（0，1，3，5，...，15 度視場） ，其光斑中心從上至下大致均勻分布，說明了 fθ 透鏡的掃描特性。圖 325 網(wǎng)格失真 圖 326 幾何像分析（網(wǎng)格）從以上網(wǎng)格失真圖和網(wǎng)格幾何成像圖可知，本文所設(shè)計的 fθ 透鏡最后所成像確實具備桶形畸變（負畸變） ，符合 fθ 透鏡的特性要求。4 系統(tǒng)掃描線性改善方法Fθ透鏡被廣泛的應(yīng)用于紅外、激光等掃描系統(tǒng)中，同時對Fθ透鏡在整個市場內(nèi)改善掃描線性提出越來越高的要求。物鏡前掃描系統(tǒng)中，F(xiàn)θ透鏡的成象半高 ，因此由高速轉(zhuǎn)鏡或類似機構(gòu)轉(zhuǎn)???fH動所形成的平行光束的掃描速度與象點的運動速度成正比。顯然Fθ透鏡除要滿足球差、象面彎曲、象散、慧差以及綜合彌散斑的要求之外，掃描線性也必須嚴格地控制。由于Fθ透鏡需要校正的是負畸變，從設(shè)計的最基本的光學結(jié)構(gòu)模型考慮，應(yīng)是一負一正的兩片式透鏡組合的“ 凸凹 ”型系統(tǒng)。由本設(shè)計過程中整理的參考資料可知， “凸凹”型二片式透鏡部分技術(shù)參數(shù)如圖41圖41 透鏡部分技術(shù)參數(shù)兩片式型式簡單，加工成本低廉，是一種滿足中等技術(shù)要求和掃描性性能的可行結(jié)構(gòu)。對于高精度技術(shù)要求的掃描系統(tǒng)，改善整個視場的掃描線性性，是設(shè)計Fθ透鏡的關(guān)鍵問題?！鞍纪埂毙投降腇θ透鏡，由于正透鏡在后面，主光線在正透鏡上的投射位置較高，可獲得一定負畸變，只要設(shè)計適當，實現(xiàn) 的中等精度是不困難的。倘若，???fy要使 線性性很好，并且在整個掃描視場中均勻，高級畸變必須要平衡到一個適當??f的值。為了達到上述目的，同時獲得好的象質(zhì)，就必須在“凹凸” 型二片式的基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上復雜化。復雜化方法包括分裂透鏡和加過濾透鏡。分裂透鏡使前后兩片透鏡分別分裂成兩片或三片，原先每片負、正透鏡所承擔的光焦度則有兩片或三片透鏡分擔，此時“凹凸” 兩部分的總光焦度分配沒有變化，但每一片透鏡的光焦度減少了。圖 42 所示為“凹凸” 型兩片式負、正透鏡分別分裂成兩片與三片的組合情況。圖 42 分裂透鏡加過渡透鏡過渡透鏡一般為一片或兩片，形式為等曲率半徑或接近的曲率半徑的彎月形正透鏡。若其折射面全部彎向光欄，對于已平衡好的負畸變影響不大，但卻平衡了系統(tǒng)校正過頭的匹茲伐場曲；若其折射面背向光欄時，則對校正系統(tǒng)的高級畸變提供了可能性。在圖 42 分裂透鏡的基礎(chǔ)上，在負組與正組之間加入兩片過渡透鏡 1 和 的形式皆為彎月形透鏡，兩面曲率半徑幾乎相等，僅具有很小的折射能力。放入時，過渡透鏡 1 背向光欄，過渡透鏡 2 彎向光欄，如圖 43 所示。圖43 加過渡透鏡由平行平板的性質(zhì)的性質(zhì)可知，當主光線以入射角θ入射到平行平板上時，象散和場曲是 的函數(shù)，畸變是 的函數(shù)。按此性質(zhì)，過濾透鏡1與反向的過濾透鏡2則有可2?3?能校正高級畸變。此外，要獲得一個接近于衍射極限的光斑直徑，必須要很好地校正軸上點和軸外點的象差。孔徑光欄位于激光束首先到達的掃描振鏡處，口徑等于入射激光束直徑，約為，Airy斑的半寬度a為 。Da??計算得a約為 75um。為獲得盡可能高的標刻分辨率，光學系統(tǒng)應(yīng)具有達到或接近理論極限的聚焦特性。透鏡使勻速掃描系統(tǒng)中的一個重要部件，它應(yīng)具有較小的 F 值、大的視場角??f和緊湊的結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計一個理想的高質(zhì)量的 透鏡時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮掃描線性性、??f綜合象差以及上述幾方面的要求。一般 透鏡設(shè)計成球面型的。顯然，旋轉(zhuǎn)多面體反射表面的端面的不垂直性產(chǎn)f生光束偏折后的位置誤差，或稱為傾斜誤差。傾斜誤差使掃描點偏離正常的掃描直線，因而使掃描直線性和掃描點節(jié)距均勻性發(fā)生畸變。因此，要獲得一個均勻光點掃描速度而又同時修正傾斜誤差，必須采用柱面透鏡才能實現(xiàn)。圖 45 所示為修正傾斜誤差的原理， 為傾斜誤差， 為掃描直線偏離量。第一個柱面透鏡系統(tǒng) 1 僅在多面體??H?的偏折面內(nèi)具有光焦度，實現(xiàn)光點均勻掃描；第二個柱面透鏡 2 僅在垂直于偏折面內(nèi)具有光焦度，修正傾斜誤差，所以兩個光學系統(tǒng)是互為獨立的。即傾斜誤差的修正和光點均勻掃描的獲得分別在兩個互為正交的平面上完成。圖 45 修正傾斜誤差原理結(jié) 論本文所研究基于 Fθ 透鏡特點，線性地保持掃描角度和掃描位置關(guān)系，設(shè)計 Fθ 掃描物鏡，研究改善掃描線性性的方法。介紹了 Fθ 鏡頭的光學設(shè)計方法。以初級像差理論為基礎(chǔ)，借助 ZEMAX 光學設(shè)計軟件，通過建立合理的品質(zhì)函數(shù)，優(yōu)化設(shè)計得到了符合實際使用要求、工作面積大小不同的 Fθ 聚焦物鏡。Fθ 透鏡是勻速掃描系統(tǒng)中的一個重要部件，它應(yīng)具有較小的 F 值、大的視場角和緊湊的結(jié)構(gòu)。因此在設(shè)計一個理想的高質(zhì)的 Fθ 透鏡時，應(yīng)統(tǒng)籌考慮掃描線性性。綜合像差及上述幾方面的要求。對于 Fθ 透鏡系統(tǒng)在 F 數(shù) ≤25 的情況下，按一般光學系統(tǒng)設(shè)計，只要控制畸變及平衡軸上點與軸外點彌散，就可得到較適合的激光線性掃描系統(tǒng)。關(guān)于球差、慧差、象散和場曲的平衡問題，由于 D/F’比較小，球差比較容易校正，慧差與口徑平方成正比列并與視場的一次方成正比。對小口徑大視場的 Fθ 系統(tǒng)，也是比較容易控制、主要象差是象散與場曲，在選擇較小場曲的結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，那個象散來平衡場曲。為了達到視場中心至邊緣整個視場彌散的一致，可采取兩種方案：一是離焦，二是增加中心視場球差，以校正邊緣視場的象散及場曲。Fθ 透鏡系統(tǒng)在 F25 的情況下，按一般光學系統(tǒng)設(shè)計，只要控制畸變及平衡軸上點與軸外點彌散，就?可得到較合適的激光線性掃描系統(tǒng)。Fθ透鏡的設(shè)計必須滿足平場條件，需要引入負畸變（桶形畸變） ，光學系統(tǒng)中必須正負光焦度相分離，場曲的校正在可以根據(jù)平常條件來校正，評價Fθ鏡頭成像質(zhì)量好壞的重要指標還必須看它的能量集中度和像面輻照度分布。要求激光束在工件表面的輻照度分布均勻、能量集中，相對照度分布應(yīng)好于90%。設(shè)計過程中對激光掃描系統(tǒng)、激光打標機、ZEMAX軟件有了進一步了解。致 謝本文是在導師包佳祺老師的精心指導和悉心關(guān)懷下順利完成的，導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學識和開闊的思維均是作者今后學習和工作中的楷模，從包老師那里作者不僅學到了豐富的理論知識，而且學到了先進的科學思維方法和創(chuàng)新精神。這段時間的學習經(jīng)歷必將對我今后的學習工作和生活產(chǎn)生深遠的影響，在此謹向我尊敬的導師致以崇高的敬意和衷心的感謝！在論文的寫作過程中，還得到了同學多方面的指導和幫助，在此表示感謝！在多年的求學生涯中，作者的家人始終如一地給予理解、鼓勵和支持，在此向他們表示深深的謝意！參考文獻[1]，， “A design Fθ lens for bio 一m edi cal sy stem”IEEE，2022，p52一54[2] 朱林泉等， “激光掃描系統(tǒng)的設(shè)計特點”，新技術(shù)新工藝， 1998年，第6期，P6~8[3] 光電論壇 “Fθ Lens(平場透鏡) ”，photoelectricforum(in Chinese),2022年5月[4] 雷璧華， “LMS一60激光打標機及標記刻劃”, 工具技術(shù)，1996年第29卷，第4期 ， P29[5] 姜晶、張國雄、吳學芹等，“ 具有傾斜校正作用的激光掃描光學系統(tǒng)設(shè)計” ，應(yīng)用光學,1995年，第16卷，第4期，P49[6] 陳海清， 《現(xiàn)代實用光學系統(tǒng)》，武漢，華中科技大學出版社2022年5月,第 一 版[7] 趙曰峰，陳興海，孫元峰等，“ 振鏡式在線激光打標機精確定位方案的實現(xiàn)” ，激光雜志,2022年,第25卷，第1期，P6566[8] , , “TELECENTRIC Fθ LENS FOR LASER MICROFILM PRINTER”,US Patent,515782 B1,2022[9] 劉本喜，裴先登，盧祖弼等，“ 振鏡掃描系統(tǒng)的特性研究” ，電子計算機外部設(shè)備,1994年,第18卷，第6期，P27一28[10] 趙曰峰，陳興海，孫元峰等，“ 振鏡式在線激光打標掃描方案的設(shè)計” ，應(yīng)用激光2022年2月，第24卷，第1期，P4143[11]張以漠， 《應(yīng)用光學》，北京，機械工業(yè)出版社，1982年[12], Software Calibration of scan system distortions,”Proc, SPIE ,265271(1991).[13]Mee Suk Jung,Won Don Joo, Specific problems of optical scanning system optimization,” (1998).[14]沈為民， “大相對口徑大視場紅外光學系統(tǒng)”，中國科學院研究生院博士學位論文，2022年，P2024[15]〔M].杭州。浙江大學出版社，附錄 1：設(shè)計的 fθ 鏡頭零件圖附圖 11 第一鏡片零件圖附圖 12 第二鏡片零件圖附圖 13