原标题：高精度半导体激光打标机F-θ镜头设计

摘要：为保证半导体激光打标机F-θ镜头的扫描质量，实现系统像高与扫描角的线性变化，需对F-θ镜头给予一定的畸变量，并使其满足等晕条件。分析F-θ镜头工作原理及像差要求，根据1064nm半导体激光打标机的光源成像要求选择合适的玻璃材料，合理分配每片透镜的光焦度，以保证等晕成像；根据F-θ镜头线性成像要求，计算系统总畸变量为1.6%，系统总畸变量为系统的实际桶形畸变与相对畸变量之和；在光学系统优化设计时，引入这两项优化参数，优化过程中观察系统成像变化情况。设计结果表明：系统MTF曲线接近衍射极限，F-θ镜头相对畸变小于0.36%，各视场均方根半径均小于艾里斑直径，并且整个系统70%的能量集中在直径为16μm的圆内，系统总畸变量为1.58%，满足设计指标要求。

关键词：F-θ镜头；畸变；等晕成像；半导体激光打标机

引言

激光打标系统主要由光束扫描器、电路系统、光调制器、聚焦系统等组成，其中聚焦系统的作用是将经光束扫描器反射后的激光束聚焦于接收屏上，形成所需要的一维或二维图像，该聚焦系统主要采用 F-θ镜头。

激光打标机主要分为：YAG激光打标机、CO2激光打标机、光纤激光打标机等。其中YAG激光打标机系列中性价比最高的产品是半导体激光打标机，它是目前打标质量精度高、操作简单方便、价格适中的一款激光打标机，能够标记金属以及非金属材料，基于其许多优点被人们广泛关注。其中F-θ镜头是激光打标机的重要组成部分，设计F-θ镜头的关键是在大的成像面内获得高质量的清晰像点。随着半导体激光打标应用需求的不断扩大，研制相对畸变小、工作面积大、聚焦性能高的F-θ镜头显得非常必要。本文设计的 F-θ镜头是应用在半导体激光打标系统中，工作波长为1064nm，焦距为 250mm，全视场角为25°，系统相对畸变量优于 0.5%，且系统波像差 PV 值小于λ/4。本系统采用2片弯月透镜作为初始结构，根据1064nm 半导体激光打标机的光源成像要求，选择合适的玻璃材料，使用ZEMAX 软件优化，最终设计出满足技术指标的镜头。

1 设计思想

1.1 F-θ 镜头的特征

激光打标系统原理如图 1 所示。入射激光束首先经过光调制器解调，然后经由匀速转动电机带动的光束扫描器反射后，由 F-θ 镜头聚焦在接收屏上，从而实现激光打标。本文重点研究激光打标系统中 F-θ 镜头的设计。

图1.激光打标原理图

由于F-θ镜头要求像高与扫描角呈线性关系，所以它又称为线性成像镜头。大多数光学系统中，理想像高由下式给出：

y'=-f'·tanθ （1）

由（ 1）式可知，镜头所成的理想像与扫描角θ 之间不是线性关系。

但是在激光打标系统中，激光束经恒定转速的光束扫描器反射后，通过F-θ 镜头在像面上会聚成相对应的像点，所以要求理想像高与扫描角θ应保持线性关系，即

y'= −f' ·θ （2）

当很小时，tanθ≈θ，这样才符合理想像高与扫描角的线性变化。在几何光学中，实际像高与理想像高的差别称之为畸变，当实际像高低于理想像高时，称为桶形畸变。图2为利用MATLAB仿真出来的y- tanθ和y- θ函数曲线对比图。

图2. y- tanθ和 y-θ函数曲线

图4. 系统初始像质图

图5. 初步优化像质图

图6.优化后镜头结构以及像质图

......

3 结论

本文介绍了F-θ镜头的原理以及设计思想，给 出了用于半导体激光打标机的F-θ镜头设计结果， 系统结构简单，打标范围为110 mm×110 mm。通 过像质评价分析，整个系统相对畸变为0.35%，各 视场波像差的PV值远小于λ/4，各视场均方根半 径均小于艾里斑尺寸，满足等晕条件，且像面照度 分布均匀，聚焦性能达到衍射极限，满足半导体激 光打标机对F-θ镜头的要求。

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