激光扫描折射/衍射混合f-theta镜系统 【技术领域】
本发明涉及一种光学扫描镜系统，特别是应用于可调谐二氧化碳激光器波长范围的扫描用f-theta镜，属于激光光学扫描镜系统。
背景技术
调谐CO2激光器的主要发射波长范围在9.00～11.00μm波段。但现在用于CO2激光器扫描用的f-theta镜绝大多数设计其工作在主波长10.6μm上。单波长的f-theta镜技术已经非常完善，有很多公司已经设计并且生产了许多不同型号的用于CO2激光器扫描的f-theta镜，用户可根据自己的要求选择不同的f-theta镜，如Umicore Laser Optics Ltd。但是CO2激光器在激光雕刻应用中，由于不同的基底对于不同波长灵敏度不同，通常要选择灵敏度最高的波长来进行雕刻，可用调谐CO2激光器工作于不同的波长上，但是需要更换f-theta镜，因为绝大多数f-theta镜都是设计在其中某个波长上。因此设计波长范围在9.00～11.00μm都可用的f-theta镜具有非常现实的意义。
如果要使f-theta镜在9.00～11.00μm波段范围内都能工作，则应该在此波段范围内实现消色差，对于传统的两片折射透镜系统再进行优化设计已经不能满足要求，只能增加折射透镜片数。但是增加折射透镜片数有两个缺点。一，使f-theta镜系统变得复杂笨重；二，增加成本，众所周知红外材料非常昂贵。
【发明内容】
本发明的目的是在不增加f-theta镜系统折射透镜片数的条件下引入衍射浮雕面型，实现消色差和消除各种单色像差，使f-theta镜能用在9.00～11.00μm波段范围内的任一波长。
本发明先设计了一个工作于CO2激光器主波长10.6μm的f-theta镜，其设计目标是：入瞳直径14mm、扫描角+20°、有效焦距250mm、扫描范围175mm×175mm，该系统为一个折射系统，如图1所示结构，包括光栏1-1、折射面1-2...。在此系统基础上引入衍射浮雕面型达到消色差的目的，使f-theta镜能工作在调谐CO2激光器的可调谐波段范围中地任一波长，折射/衍射混合f-theta镜如图5所示结构。
本发明具体的技术方案：
这种激光扫描折射/衍射混合f-theta镜系统，包括光栏、折射透镜、扫描平面，其特点是：在折射透镜5-7的后面放置折射/衍射混合透镜5-8，同光轴上依次安置有光栏5-1、折射透镜5-7、折射/衍射混合透镜5-8、扫描平面5-6，折射/衍射混合透镜的前表面制备衍射浮雕面型5-4，放在靠近折射透镜的一侧，其反面是折射面5-5。
本发明的有益效果：在光路中采用折射/衍射混合透镜，利用了光在传播中的折射和衍射两种特性，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。同时由于衍射光学元件具有负色散和正光焦度的特点，解决了传统折射光学系统中普通折射透镜光焦度过大，整个系统结构复杂、庞大、笨重问题；解决了折射系统中消色差所带来的折射表面弯曲严重，单色像差大的问题。本发明表现出与传统折射光学系统不可比拟的优势。本发明的特征在于利用折射/衍射混合透镜的特点，在可调谐CO2激光器发射波段范围内校正了色差。本发明为与激光扫描相配套的f-theta镜的光学设计提供了一种全新的思想和概念。
【附图说明】
图1是工作于CO2激光器主波长的f-theta镜的结构示意图
图2是工作于CO2激光器主波长f-theta镜系统的光学传递函数
图3是工作于CO2激光器主波长f-theta镜系统扫描平面的光斑点图
图4工作于CO2激光器主波长f-theta镜系统的场曲和f-theta畸变
图5是本发明f-theta镜的结构示意图
图6是本发明在9.0～11.0μm波段系统的光学传递函数
图7是本发明在9.0～11.0μm波段系统的垂轴色差曲线
图8是本发明在9.0～11.0μm波段系统的扫描平面的光斑点图
图9是本发明在波长9.0μm系统扫描平面的光斑点图
图10是本发明在波长10.0μm系统扫描平面的光斑点图
图11是本发明在波长11.0μm系统扫描平面的光斑点图
图12是本发明在波长10.6μm系统扫描平面的光斑点图
图13是利用本发明在9.0～11.0μm波段系统的场曲和f-theta畸变
其中：1-1、光栏 1-2、折射面 1-3、折射面 1-4、折射面 1-5、折射面 1-6、扫描平面 1-7、折射透镜 1-8、折射透镜 5-1、光栏 5-2、折射面 5-3、折射面 5-4、衍射浮雕面型 5-5、折射面 5-6、扫描平面 5-7、折射透镜 5-8、折射/衍射混合透镜
【具体实施方式】
这种激光扫描折射/衍射混合f-theta镜系统，包括光栏、折射透镜、扫描平面，其特征是：在折射透镜5-7的后面放置折射/衍射混合透镜5-8，同光轴上依次安置有光栏5-1、折射透镜5-7、折射/衍射混合透镜5-8、扫描平面5-6，折射/衍射混合透镜的前表面制备衍射浮雕面型5-4，放在靠近折射透镜的一侧，其反面是折射面5-5。
折射透镜5-7是凹透镜。
折射/衍射混合透镜的前表面5-4为衍射浮雕面型，后表面5-5为球面；衍射浮雕面型5-4的基底可以为平面、球面或非球面。
折射透镜、折射/衍射混合透镜材料可以选择透红外的ZnSe和GaAs的其中一种或两种的组合。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，工作于CO2激光器主波长的f-theta镜的结构示意图，工作时，CO2激光器发射的主波长通过光焦度为正的折射透镜1-8时，光线产生球差、慧差、场曲等一系列像差，通过光焦度为负的折射透镜1-7时，可以校正球差、慧差、场曲等像差，并且产生必要的畸变量，完成光焦度的分配。所以从图1所示的f-theta镜出来会聚在扫描平面的光线已经很好的消除了各种单色像差并且满足f-θ的关系。但是，由于其只是设计在CO2激光器的主波长上，然而不同的雕刻介质对不同的波长反映灵敏度不同，通常选择灵敏度最高的波长来进行雕刻，这就需要制作不同的f-theta镜，而且时常更换，这样又浪费时间又增加了成本。
图5是本发明f-theta镜的结构示意图。
本发明工作时，当红外波段9-11μm的光线通过光焦度为正的折射/衍射混合透镜5-8，光线产生球差、慧差、场曲和色差等一系列像差，通过具有负光焦度的折射透镜5-7，可以校正球差、慧差、场曲等像差，并且产生必要的畸变量，完成光焦度的分配，衍射面5-4校正色差。所以从图5所示的f-theta镜出来会聚在扫描平面的光线已经很好的消除了各种单色像差和色差并且满足f-θ的关系。
衍射浮雕面型5-4的基底可以为平面或球面或非球面，在图5所示结构中基底选择为平面。在折射/衍射混合透镜5-8的两个表面分别制备衍射浮雕面型5-4和折射面5-5。
折射透镜1-7、1-8、5-7、折射/衍射混合透镜5-8的材料可以选择ZnSe和GaAs中的任何一种或两种的组合。