專利名稱：輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大口徑掃描透鏡。
背景技術(shù)：
激光外差干涉儀以其測(cè)量精度高，速度快，對(duì)樣品沒(méi)有損害，靈敏度高等優(yōu) 點(diǎn)，在半導(dǎo)體硅片檢測(cè)，光學(xué)玻璃生產(chǎn)監(jiān)測(cè)，超光滑表面檢測(cè)中越來(lái)越受到廣泛的應(yīng) 用。然而，傳統(tǒng)的激光外差干涉儀中對(duì)待測(cè)樣品的掃描測(cè)量是通過(guò)樣品的運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到掃 描的目的，這種掃描方式雖然簡(jiǎn)單易行，但是在精度上已不能滿足要求。相比之下，光 掃描技術(shù)就顯得優(yōu)勢(shì)明顯。光掃描技術(shù)是上世紀(jì)70年代中期以后出現(xiàn)的一種動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)，它主要利用白 光或激光形成對(duì)被測(cè)對(duì)象的掃描運(yùn)動(dòng)，配合光電器件，電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)，構(gòu)成各種精 密測(cè)試方法，這種技術(shù)適合于做精密的測(cè)量。目前，從高精度的自動(dòng)定位、面型檢測(cè)、 三維尺寸計(jì)量、表面瑕疵檢查一直到超級(jí)市場(chǎng)的自動(dòng)收貨都已經(jīng)應(yīng)用了光掃描技術(shù)。目前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上，F(xiàn)-Theta掃描透鏡6已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，如激光掃 描系統(tǒng)，激光打標(biāo)，刻印，光學(xué)精細(xì)加工，激光防偽和生物掃描儀等精密設(shè)備中常采用 F-Theta掃描透鏡6實(shí)現(xiàn)其功能。然而，以上這些應(yīng)用緊緊停留在光束的單方向傳播上。 換句話說(shuō)，光束只是以一個(gè)方向從F-Theta掃描透鏡6出射，在空間達(dá)到一定掃描區(qū)域。 另外，目前F-Theta掃描透鏡6所采用的光源都是針對(duì)于可見(jiàn)光波段來(lái)實(shí)現(xiàn)研究和生產(chǎn) 的。第三，目前的F-Theta掃描透鏡緊緊考慮光束在空間的掃描點(diǎn)的聚焦成像質(zhì)量，對(duì) 于光束的方向性問(wèn)題并沒(méi)有在研究范圍之內(nèi)。而最新公告的專利申請(qǐng)并被授于的專利發(fā) 明號(hào)位200510122760.0的專利就是研制了用于激光打標(biāo)機(jī)中的F-Theta掃描透鏡6掃描鏡 頭，該專利僅僅考慮的激光光束的聚焦問(wèn)題，對(duì)于出射的掃描光束并沒(méi)有在考慮之內(nèi)?？傊?，現(xiàn)有的F-Theta掃描透鏡具有以下3個(gè)方面的不足。一，使用波長(zhǎng)單一， 停留在可見(jiàn)光波段。二，掃描光束單方向傳播掃描。三，掃描光束和成像面不垂直。這 三點(diǎn)給應(yīng)用在近紅外外差干涉儀中的光學(xué)掃描帶來(lái)很大的困難，因此，設(shè)計(jì)一種更合理 的光學(xué)掃描技術(shù)相當(dāng)緊迫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的F-Theta掃描透鏡掃面光束與成像面不垂直的問(wèn)題，提出 一種輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡。輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，它的系統(tǒng)焦距f= 430_，F(xiàn)數(shù) 為430，前工作距離hi為242.24mm，后工作距離h2為328.50mm。本發(fā)明為近紅外激光外差干涉儀系統(tǒng)提供一種勻速、均勻、平行掃描的F-Theta 掃描透鏡，并且具有大口徑，均勻勻速掃描的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是F-Theta掃描透鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的位置示意圖； 圖2是F-Theta掃描透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖3-5是具體實(shí)施方式
三中所述組成F-Theta掃描透鏡的三個(gè)透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖， 其中圖3是第一個(gè)透鏡示意圖，
圖4是第二個(gè)透鏡示意圖； 圖5是第三個(gè)透鏡示意圖； 圖6是F-Theta掃描透鏡的3維實(shí)物結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是F-Theta掃描透鏡的像平面上的點(diǎn)陣圖。 圖8和圖9是F-Theta掃描透鏡的系統(tǒng)畸變參數(shù)圖， 其中圖8是F-Theta掃描透鏡的曲場(chǎng)畸變參數(shù)圖，圖9是F-Theta掃描透鏡的畸變百 分比參數(shù)圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，輸出光垂直于像面的大口徑 F-Theta掃描透鏡，它的系統(tǒng)焦距f= 430mm，F(xiàn)數(shù)為430，前工作距離hi為242.24mm， 后工作距離h2為328.50mm。F數(shù)就是f/d，f為焦距，d為入射光瞳直徑，F(xiàn)數(shù)為相對(duì)孔徑的倒數(shù)，決定了像 面照度，決定了設(shè)計(jì)的難度。
具體實(shí)施方式
二、本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一的進(jìn)一步說(shuō)明，輸出光垂直 于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，它由第一透鏡6-1、第二透鏡6-2和第三透鏡6-3組 成，所述第一透鏡6-1和第二透鏡6-2的材料均是SF11，第三透鏡6-3的材料是BK7。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)在于F-Theta掃描透鏡6僅由三片式透鏡組 成，透鏡組由SFll和BK7兩種材料組成，鏡頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工成本低；適用波長(zhǎng)為人眼 安全的2 μ m波段；在空間掃描的工作面積可以達(dá)到0300mmX300mm，從F-Theta掃描 透鏡掃描出的光束跟像平面是完全垂直的，同時(shí)保證了激光束在像平面上的聚焦性能達(dá) 到了衍射極限。這跟普通F-Theta掃描透鏡是完全不同的。本發(fā)明為近紅外外差干涉儀 系統(tǒng)的快速高精度的測(cè)量提供了可能。
具體實(shí)施方式
三、結(jié)合圖3、圖4和圖5說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體 實(shí)施方式二的進(jìn)一步說(shuō)明，第一透鏡6-1的第一表面的曲率半徑rll為-241mm，第二表 面的曲率半徑rl2為-197.70mm，中心厚度dlo為31.15mm，邊沿厚度dls為25.72mm， 第二透鏡6-2的第一表面的曲率半徑r21為-1472.30mm，第二表面的曲率半徑r22 為-510.50mm，中心厚度為d2o為19.87mm，邊沿厚度d2s為5.00mm，第三透鏡6-3的 第一表面的曲率半徑r31為1432.20mm，第二表面的曲率半徑r32為-1260.83mm，中心厚 度d3o為24.16mm，邊沿厚度d3s為5.00mm。第一透鏡6-1的外徑分別Wl為200.00mm，第二透鏡6_2的外徑分別W2為 300.00mm,第三透鏡6_3的外徑分別W3為320.00mm。
具體實(shí)施方式
四、結(jié)合圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
二 或三的進(jìn)一步說(shuō)明，第一透鏡6-1和第二透鏡6-2之間的距離dl2為188.54mm，第二透鏡6-2和第三透鏡6-3之間的距離d23為16.28mm。如圖7所示，為三片式透鏡在空間掃描市場(chǎng)內(nèi)，各個(gè)掃描點(diǎn)在像面上的光線追 跡點(diǎn)列圖。根據(jù)公式，艾利斑的直徑為d = 2.44 λ F/d = 2151 μ m。由圖7可以看出在 整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)，各個(gè)視場(chǎng)內(nèi)的光束分布圖都在艾里斑之內(nèi)，符合衍射極限理論。如圖8所示，分別是像散分布圖和畸變分布圖。在像散圖里，橫坐標(biāo)代表的是 場(chǎng)曲像散值，縱坐標(biāo)代表的是歸一化視場(chǎng)，所包含的兩條曲線T和S分別代表的是子午場(chǎng) 曲和弧矢場(chǎng)曲，這兩個(gè)場(chǎng)曲的差就等于系統(tǒng)的像散值。如圖8所示，代表的是F-Theta掃 描透鏡的畸變分布圖。橫坐標(biāo)代表的是F-Theta的畸變百分比，縱坐標(biāo)代表的是歸一化 視場(chǎng)。由圖8可以看出，最大畸變值小于0.5%，滿足了像高和掃描角度的線性要求。
具體實(shí)施方式
五、本實(shí)施方式是利用本發(fā)明的F-Theta掃描透鏡為近紅外外差干 涉儀系統(tǒng)提供一套平行光束的掃描光學(xué)透鏡。所述光學(xué)系統(tǒng)如圖1說(shuō)所示，包括2μιη 激光器1，偏振分束棱鏡2，1/4波片4，待測(cè)樣品7，反射鏡8，反射振鏡5，F(xiàn)-Theta掃 描透鏡6，光電探測(cè)器3。圖2為三片式F-Theta掃描透鏡6。所述透鏡組系統(tǒng)焦距等 于430mm，入射在第一透鏡6_1的光束直徑為1mm，系統(tǒng)的F數(shù)等于430，反射振鏡5 的空間掃描角度是40度。該F-Theta掃描透鏡6前工作距離hi和后工作距離h2分別是 242.24mm和328.50mm。激光束依次透過(guò)偏振分束棱鏡2，1/4波片4，反射振鏡5在工 作時(shí)，在空間掃描出角度為40度的空間范圍，掃描出的光束經(jīng)過(guò)三片式的F-Theta掃描 透鏡6后，以完全平行光穿過(guò)待測(cè)樣品7，最后在反射鏡8上反射，并且沿原光路返回， 依次經(jīng)過(guò)待測(cè)樣品7、F-Theta掃描透鏡6，反射振鏡5，1/4波片4，這時(shí)，光束的振動(dòng) 方向已經(jīng)被改變了 90度，因此從偏振分束棱鏡2反射出去，最后被光電探測(cè)器3探測(cè)接 收。在用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)F-Theta掃描透鏡6的過(guò)程中，涉及到最終的優(yōu)化問(wèn)題。由于 本掃描系統(tǒng)是應(yīng)用在近紅外外差干涉儀系統(tǒng)中，因此，要滿足以下5個(gè)方面的要求。第 一，從F-Theta掃描透鏡6中的第三透鏡6-3出射的光束要盡可能和像平面垂直，這樣才 能保證掃描出的光束在透射過(guò)玻璃樣品和高反射鏡之后，依然沿原光路返回。第二，由 于該外差干涉儀系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的目的是要對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行掃描測(cè)量，因此，盡量保證在 振鏡的振動(dòng)過(guò)程中，掃描光束在成像面上的光束之間分布是均勻的。第三，光束在像面 上的運(yùn)動(dòng)速度是勻速的。第四，掃描光束在成像面上的光斑要在艾里斑衍射極限以內(nèi)。 第五，由于該光學(xué)掃描系統(tǒng)是F-Theta掃描透鏡6中的一種，因此它必須滿足畸變像差和 像散像差的要求。對(duì)于上述5點(diǎn)基本要求，在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，分別通過(guò)添加不同的優(yōu) 化函數(shù)來(lái)一一解決。是通過(guò)添加RAIN操作數(shù)來(lái)保證從F-Theta掃描透鏡6出射的掃描 光束和像平面盡量垂直。RAIN指的是實(shí)際光線和指定表面的法線的夾角，因此在優(yōu)化時(shí) 保證此操作數(shù)的目標(biāo)值為0。第二建立F-Theta掃描透鏡6發(fā)光源的視場(chǎng)角度函數(shù)，這里 的視場(chǎng)角度函數(shù)對(duì)應(yīng)于MEMS振鏡的空間掃描角度隨掃描時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，所選擇的操 作數(shù)是RAIN和SINE，SINE的含義是對(duì)所應(yīng)用的操作數(shù)取正弦。目的是在歸一化視場(chǎng) 里建立振鏡的掃描角度函數(shù)，然后再針對(duì)于像平面添加操作數(shù)REAZ，該操作數(shù)代表的是 實(shí)際光線在指定面上的像高，保證這個(gè)操作數(shù)和上述建立振鏡掃描角度函數(shù)的操作數(shù)是 一一對(duì)應(yīng)的。最后要添加的操作數(shù)是DISC，這個(gè)操作數(shù)表示的是歸一化畸變參數(shù)，它是 對(duì)整個(gè)可見(jiàn)視場(chǎng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化畸變，得到對(duì)于F-Theta條件下的最大非線性度值的絕對(duì)值， 該操作數(shù)對(duì)于F-Theta鏡頭的設(shè)計(jì)十分有用。DISC也是對(duì)歸一化視場(chǎng)里面的每一個(gè)值的目標(biāo)值都是以0為目標(biāo)值優(yōu)化的，如圖8和圖9所示為系統(tǒng)得到畸變像差曲線分布圖。由 圖8和圖9可以看出，系統(tǒng)的最大畸變像差小于0.5%，這符合對(duì)于F-Theta掃描透鏡的 要求。為了使優(yōu)化結(jié)果更加合理，默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)里還有關(guān)于像平面上的點(diǎn)陣光斑大小 做了優(yōu)化，由圖7可以看出，在視場(chǎng)內(nèi)所成的點(diǎn)陣光斑都在艾利斑以內(nèi)。
激光外差干涉儀系統(tǒng)以其測(cè)量精度高，測(cè)量時(shí)間短而在半導(dǎo)體硅片檢測(cè)，紅外 玻璃面型檢測(cè)，薄膜厚度和折射率測(cè)量等方面發(fā)揮著重要角色。尤其是這種工作波長(zhǎng)在 近紅外的外差干涉儀系統(tǒng)，更是以人眼安全的工作波長(zhǎng)以及在光纖空間傳播的特點(diǎn)，越 來(lái)越受到科研工作著們的青睞。本發(fā)明就是針對(duì)于這種近紅外外差干涉儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一 種F-Theta掃描透鏡，該掃描系統(tǒng)可以以均勻平行的光束出射，并和MEMS振鏡相結(jié)合 對(duì)樣品進(jìn)行勻速的掃描。
權(quán)利要求
1.輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，其特征在于它的系統(tǒng)焦距f= 430mm, F數(shù)為430，前工作距離hi為242.24mm，后工作距離h2為328.50mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，其特征在于 它由第一透鏡(6-1)、第二透鏡(6-2)和第三透鏡(6-3)組成，所述第一透鏡(6-1)和第 二透鏡(6-2)的材料均是SF11，第三透鏡(6-3)的材料是BK7。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，其特征 在于第一透鏡(6-1)的第一表面的曲率半徑rll為-241mm，第二表面的曲率半徑rl2 為-197.70mm，中心厚度dlo為31.15mm，邊沿厚度dls為25.72mm，第二透鏡(6_2)的 第一表面的曲率半徑r21為-1472.30mm，第二表面的曲率半徑r22為-510.50mm，中心厚 度為d2o為19.87mm，邊沿厚度d2s為5.00mm，第三透鏡(6_3)的第一表面的曲率半徑 r31為1432.20mm，第二表面的曲率半徑r32為-1260.83mm，中心厚度d3o為24.16mm， 邊沿厚度d3s為5.00mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，其特征 在于第一透鏡(6-1)和第二透鏡(6-2)之間的距離dl2為188.54mm，第二透鏡(6_2)和 第三透鏡6-3之間的距離d23為16.28mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，其特 征在于第一透鏡(6-1)的外徑分別Wl為200.00mm，第二透鏡(6_2)的外徑分別W2為 300.00mm,第三透鏡(6-3)的外徑分別W3為320.00mm。
全文摘要
輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，涉及一種大口徑掃描透鏡。解決了現(xiàn)有的F-Theta掃描透鏡6掃面光束與成像面不垂直的問(wèn)題，提出一種輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡。輸出光垂直于像面的大口徑F-Theta掃描透鏡，它的系統(tǒng)焦距f＝430mm，F(xiàn)數(shù)為430，前工作距離h1為242.24mm，后工作距離h2為328.50mm。本發(fā)明為近紅外激光外差干涉儀系統(tǒng)提供一種勻速、均勻、平行掃描的F-Theta掃描透鏡掃描系統(tǒng)，并且具有大口徑，均勻勻速掃描的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)用于近紅外外差干涉儀系統(tǒng)的快速高精度的測(cè)量領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B1/00GK102012554SQ201010520250
公開(kāi)日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月26日
發(fā)明者季一勤, 李彥超, 王春輝, 高龍 申請(qǐng)人:中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五八研究所, 哈爾濱工業(yè)大學(xué)