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量精度高，速度快，對樣品沒有損害，靈敏度高等優(yōu) 點，在半導體硅片檢測，光學玻璃生產(chǎn)監(jiān)測，超光滑表面檢測中越來越受到廣泛的應(yīng) 用。然而，傳統(tǒng)的激光外差干涉儀中對待測樣品的掃描測量是通過樣品的運動來達到掃 描的目的，這種掃描方式雖然簡單易行，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)勢明顯。光掃描技術(shù)是上世紀70年代中期以后出現(xiàn)的一種動態(tài)測試技術(shù)，它主要利用白 光或激光形成對被測對象的掃描運動，配合光電器件，電子技術(shù)與計算機，構(gòu)成各種精 密測試方法，這種技術(shù)適合于做精密的測量。目前，從高精度的自動定位、面型檢測、 三維尺寸計量、表面瑕疵檢查一直到超級市場的自動收貨都已經(jīng)應(yīng)用了光掃描技術(shù)。目前在國內(nèi)外市場上，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，刻印，光學精細加工，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，光束只是以一個方向從F-Theta掃描透鏡6出射，在空間達到一定掃描區(qū)域。 另外，目前F-Theta掃描透鏡6所采用的光源都是針對于可見光波段來實現(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的聚焦成像質(zhì)量，對 于光束的方向性問題并沒有在研究范圍之內(nèi)。而最新公告的專利申請并被授于的專利發(fā) 明號位200510122760.0的專利就是研制了用于激光打標機中的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題，對于出射的掃描光束并沒有在考慮之內(nèi)。總之，現(xiàn)有的F-Theta掃描透鏡具有以下3個方面的不足。一，使用波長單一， 停留在可見光波段。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 三點給應(yīng)用在近紅外外差干涉儀中的光學掃描帶來很大的困難，因此，設(shè)計一種更合理 的光學掃描技術(shù)相當緊迫。
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。
圖1是F-Theta掃描透鏡在光學系統(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是具體實施方式
三中所述組成F-Theta掃描透鏡的三個透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖， 其中圖3是第一個透鏡示意圖，
圖4是第二個透鏡示意圖； 圖5是第三個透鏡示意圖； 圖6是F-Theta掃描透鏡的3維實物結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是F-Theta掃描透鏡的像平面上的點陣圖。 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。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖2說明本實施方式，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)為相對孔徑的倒數(shù)，決定了像 面照度，決定了設(shè)計的難度。
具體實施方式
二、本實施方式是對具體實施方式
一的進一步說明，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)簡單，加工成本低；適用波長為人眼 安全的2 μ m波段；在空間掃描的工作面積可以達到0300mmX300mm，從F-Theta掃描 透鏡掃描出的光束跟像平面是完全垂直的，同時保證了激光束在像平面上的聚焦性能達 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)的快速高精度的測量提供了可能。
具體實施方式
三、結(jié)合圖3、圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式是對具體 實施方式二的進一步說明，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。
具體實施方式
四、結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式
二 或三的進一步說明，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內(nèi)，各個掃描點在像面上的光線追 跡點列圖。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 整個視場內(nèi)，各個視場內(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，橫坐標代表的是 場曲像散值，縱坐標代表的是歸一化視場，所包含的兩條曲線T和S分別代表的是子午場 曲和弧矢場曲，這兩個場曲的差就等于系統(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。橫坐標代表的是F-Theta的畸變百分比，縱坐標代表的是歸一化 視場。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。
具體實施方式
五、本實施方式是利用本發(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透鏡。所述光學系統(tǒng)如圖1說所示，包括2μιη 激光器1，偏振分束棱鏡2，1/4波片4，待測樣品7，反射鏡8，反射振鏡5，F(xiàn)-Theta掃 描透鏡6，光電探測器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。激光束依次透過偏振分束棱鏡2，1/4波片4，反射振鏡5在工 作時，在空間掃描出角度為40度的空間范圍，掃描出的光束經(jīng)過三片式的F-Theta掃描 透鏡6后，以完全平行光穿過待測樣品7，最后在反射鏡8上反射，并且沿原光路返回， 依次經(jīng)過待測樣品7、F-Theta掃描透鏡6，反射振鏡5，1/4波片4，這時，光束的振動 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，最后被光電探測器3探測接 收。在用ZEMAX軟件設(shè)計F-Theta掃描透鏡6的過程中，涉及到最終的優(yōu)化問題。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)最終實現(xiàn)的目的是要對待測樣品進行掃描測量，因此，盡量保證在 振鏡的振動過程中，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 上的運動速度是勻速的。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。對于上述5點基本要求，在設(shè)計的過程當中，分別通過添加不同的優(yōu) 化函數(shù)來一一解決。是通過添加RAIN操作數(shù)來保證從F-Theta掃描透鏡6出射的掃描 光束和像平面盡量垂直。RAIN指的是實際光線和指定表面的法線的夾角，因此在優(yōu)化時 保證此操作數(shù)的目標值為0。第二建立F-Theta掃描透鏡6發(fā)光源的視場角度函數(shù)，這里 的視場角度函數(shù)對應(yīng)于MEMS振鏡的空間掃描角度隨掃描時間的函數(shù)關(guān)系，所選擇的操 作數(shù)是RAIN和SINE，SINE的含義是對所應(yīng)用的操作數(shù)取正弦。目的是在歸一化視場 里建立振鏡的掃描角度函數(shù)，然后再針對于像平面添加操作數(shù)REAZ，該操作數(shù)代表的是 實際光線在指定面上的像高，保證這個操作數(shù)和上述建立振鏡掃描角度函數(shù)的操作數(shù)是 一一對應(yīng)的。最后要添加的操作數(shù)是DISC，這個操作數(shù)表示的是歸一化畸變參數(shù)，它是 對整個可見視場計算標準化畸變，得到對于F-Theta條件下的最大非線性度值的絕對值， 該操作數(shù)對于F-Theta鏡頭的設(shè)計十分有用。DISC也是對歸一化視場里面的每一個值的目標值都是以0為目標值優(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，默認的優(yōu)化函數(shù)里還有關(guān)于像平面上的點陣光斑大小 做了優(yōu)化，由圖7可以看出，在視場內(nèi)所成的點陣光斑都在艾利斑以內(nèi)。
激光外差干涉儀系統(tǒng)以其測量精度高，測量時間短而在半導體硅片檢測，紅外 玻璃面型檢測，薄膜厚度和折射率測量等方面發(fā)揮著重要角色。尤其是這種工作波長在 近紅外的外差干涉儀系統(tǒng)，更是以人眼安全的工作波長以及在光纖空間傳播的特點，越 來越受到科研工作著們的青睞。本發(fā)明就是針對于這種近紅外外差干涉儀系統(tǒng)設(shè)計了一 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 對樣品進行勻速的掃描。
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。本發(fā)明應(yīng)用于近紅外外差干涉儀系統(tǒng)的快速高精度的測量領(lǐng)域。
文檔編號G02B1/00GK102012554SQ201010520250
公開日2011年4月13日 申請日期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 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所, 哈爾濱工業(yè)大學