JPS6145804B2 - - Google Patents
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- JPS6145804B2 JPS6145804B2 JP5754378A JP5754378A JPS6145804B2 JP S6145804 B2 JPS6145804 B2 JP S6145804B2 JP 5754378 A JP5754378 A JP 5754378A JP 5754378 A JP5754378 A JP 5754378A JP S6145804 B2 JPS6145804 B2 JP S6145804B2
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Landscapes
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Lenses (AREA)
Description
本発明は、光学的レーザースキヤンに用いる光
学系の改良に関するものである。
周知の如さく、最近レーザービームを使用した
スキヤナーはメモリー、プリンター等におけるコ
ンピユーター関係は勿論のこと、レーザー加工機
等の分野にまでも及ぶなど、その応用分野は拡張
され、目覚しい進展を繰り広げている。
ところで、通常使用されるレーザースキヤナー
にとつて最も重要なことは、物体側でレーザービ
ームの走査速度が一定であるとき、これと対応し
て像面走査速度も一定でなければならない。今、
この光学系へのレーザービームの入射角をθ、光
学系の合成焦点距離をf、像面上でのスポツト位
置を光軸から計つてyとしたとき、
y=f・F〔θ〕
なる関係がある。そして、像面走査速度をvとす
ると、
v=dy/dt
より
v=f・dF/dθ・dθ/dt
となる。
入射レーザービームの走査速度が一定であるこ
とにより、
dθ/dt=const.
となるので、
v=A・f・dF/dθ
となる。但し、Aは定数である。
これよりvを一定にするためには、
dF/dθ=const.
でなければならない。
これを成立達成せしめる手段として、従来より
採られてたきた手段に二つの手段があつた。その
一つは電気的補正手段であり、他の一つは光学的
手段である。
ところで、上記前者の電気的補正手段なる方式
においては、レンズ系は通常の
y=f・tanθ
なる写像光学系を用いているので、
v=A・f・sec2θ
となり、像面走査速度vは一定にならない。
したがつて、入射光束角に電気的非線型効果を
もたせてsec2θの効果を打消し、像面走査速度v
を一定にしている。
このような電気的補正手段なる方式によるとき
は、当然のことながら装置自体の構成の複雑化は
避けられず、高価なものとなる。
一方、上記後者の光学的補正手段なる方式は、
レンズ系に特殊な写像関係、すなわち
y=f・θ
なる写像関係をもたせる。
こうすると、
v=A・f(但し、Aは常数)
となり、像面走査速度vは一定となるので、上記
前者における如さき複雑な電気系は不要で、単に
レンズ系だけで解決できることとなる。
したがつて、この後者の光学的補正手段は、上
記前者の電気的補正手段に比べて装置自体の構成
は簡易化され、安価な提供が可能となるという大
きな利点をもつている。
しかし、この後者の光学的補正手段における問
題点として、このf・θレンズには、その使用
上、次の三つの性能が要求される。この三つの性
能とは、
a 大画面の走査が可能であり、かつレンズ系が
コンパクトであること、すなわち可能な限り広
角であること。
b エネルギー集速度を向上させるために、像面
上でのレーザービームのスポツト径が回折限界
に近い値であること。
c 理想的なf―θ写像点と実際の写像点からの
ずれ(歪曲収差)が小さいこと。
である。
というのは、もし今使用画角が狭い場合には、
小画面走査に用途が限定され、汎用性に欠け、ま
たビームのスポツト径が大きくなると、微細レー
ザー加工の例ではエネルギー集速度が悪くなるた
め、加工効率等が著しく悪化するし、歪曲収差が
大きくなると、f・θ写像点のいずれが大きくな
り、高精度走査が不可能になる。
そして、この種f・θレンズについて先行技術
としては、米国特許文献に記載された技術や商品
化された実物を通して察知し得る技術等がある。
その一例である米国特許第3773404号の特許明細
書所載のf・θレンズの使用画角は±6°程度で
あり、この程度の画角では
y=f・tanθ≒f・θ
が成立し、f・θ写像である必要はない。
また、商品化されたもののなかには、画角が±
28.7゜と広画角仕様となつているものもあるが、
歪曲収差が大きく、像面上のスポツト径も大きい
し、その他高密度情報用スキヤナーとしてのf・
θ写像レンズを備えたものにおいては、その構成
枚数が多い上、比較的低画角である。
本発明は、上述の如き現状に鑑み、y=f・θ
と見做し得る写像系において、構成用レンズの枚
数をできるだけ減らしてコンパク化と広角化を計
り、かつ歪曲収差を充分小さく補正可能な上、像
面上でのビームのスポツトが回折限界に近い光学
系の提供を可能ならしめたもので、以下本発明に
係る光学的レーザースキヤニング用光学系の構成
を第1図と第2図に示した実施例によつて詳細に
説明することとする。
図において、物体側より順にみて、第1群L1
には負の焦点距離を持たせるための一枚または二
枚の凹レンズl1またはl1′とl1″を配置し、全体をレ
トロタイプにすることによつて広角化を計り、こ
れに続く第2群L2には正の焦点距離を持たせる
ための二枚の凸レンズl2とl3を配置し、全体とし
て諸収差を良好に補正するために、この光学系の
全長をl、全系の合成焦点距離をf、第1群の焦
点距離をf1、第2群の焦点距離をf2、同じく第2
群の二枚の凸レンズl2とl3の屈折率をnaとnbとし
たとき、
0.105f≦l≦0.1544f ……(1)
0.9≦|f1|/f2≦1.3 ……(2)
na≧1.7,nb≧1.7 ……(3)
なる条件を満足させ得たところに特徴のある光学
系である。
以下、本発明に係る光学的レーザースキヤニン
グ用光学系が上記の諸条件を必要とする理由を述
べる。
すなわち、本発明に係る光学系のレンズ構成は
凹凸タイプの光学系にして、第1群の凹群によつ
て生じた諸収差、特に非点収差、歪曲収差を第2
群の凸群によつて打消すことにより全体として良
好な性能を持つが、この光学系の全長lが条件(1)
の下限よりも小さくなつた場合には、歪曲収差の
補正が極度に不足となり、またコマフレアが発生
してスポツト径が大きくなる。逆に上限を超えた
場合には、この光学系の全長が大きくなり、歪曲
収差の補正が過剰となるのみならず、非点収差が
大きくなる。
また、条件(2)は条件(1)のもので良好な性能を得
るために必要な条件にして、第1群の焦点距離の
絶対値|f1|と第2群の焦点距離f2の比が条件2
の下限よりも小さくなつた場合には、球欠的像
面、子午的像面が極度に補正過剰となり、逆にこ
の条件(2)の上限を超えた場合には、上記各像面が
極度に補正不足となる。
さらに、条件(3)を満たさないときに、スポツト
径を回折限界内に抑えようとすると、ペツツバー
ル和が大きくなり、その結果として像面彎曲が大
きくなる。そして、この像面彎曲を一定に保つた
めに、ペツツバール和が大きくならないようにす
るためには、各曲率半径を強くしていかなければ
ならない。こうすると、コマフレアーが発生し
て、像面上でのスポツト径が回折限界よりも拡が
つてしまう。
なお、第2図に図示した第2の実施例は、第1
図に図示した第1実施例の光学系で生じた歪曲収
差の補正不足の部分を修正するために、第1群の
凹レンズを一枚増したものであり、この両実施例
共、解像力は回折限内である。
次に、本発明に係る光学系の具体的実施例を示
す。
The present invention relates to improvements in optical systems used in optical laser scanning. As is well known, scanners that use laser beams have recently expanded their application fields and are making remarkable progress, not only in computer-related applications such as memory and printers, but also in areas such as laser processing machines. . By the way, the most important thing for commonly used laser scanners is that when the scanning speed of the laser beam on the object side is constant, the image plane scanning speed must also be correspondingly constant. now,
When the incident angle of the laser beam to this optical system is θ, the combined focal length of the optical system is f, and the spot position on the image plane is y, measured from the optical axis, the following relationship is established: y=f・F[θ] There is. If the image plane scanning speed is v, then from v=dy/dt, v=f·dF/dθ·dθ/dt. Since the scanning speed of the incident laser beam is constant, dθ/dt=const. Therefore, v=A·f·dF/dθ. However, A is a constant. From this, in order to keep v constant, dF/dθ=const. There are two methods that have traditionally been used to achieve this goal. One of them is electrical correction means and the other is optical means. By the way, in the above-mentioned former method of electric correction means, the lens system uses a normal mapping optical system with y=f・tanθ, so v=A・f・sec 2 θ, and the image plane scanning speed v is not constant. Therefore, the effect of sec 2 θ is canceled by giving an electrical nonlinear effect to the incident beam angle, and the image plane scanning speed v
is kept constant. When such an electric correction means system is used, the structure of the apparatus itself inevitably becomes complicated and expensive. On the other hand, the latter method of optical correction means is as follows:
The lens system is given a special mapping relationship, that is, y=f·θ. In this way, v=A・f (where A is a constant), and the image plane scanning speed v becomes constant, so there is no need for a complicated electrical system like in the former case, and the problem can be solved simply with a lens system. . Therefore, the latter optical correction means has a great advantage over the former electrical correction means in that the device itself has a simpler configuration and can be provided at a lower cost. However, as a problem with this latter optical correction means, the following three performances are required of this f/θ lens in its use. These three performances are: a) It must be possible to scan a large screen, and the lens system must be compact, that is, it must have as wide an angle as possible. b. The spot diameter of the laser beam on the image plane should be close to the diffraction limit in order to improve the energy collection rate. c. The deviation (distortion aberration) between the ideal f-θ mapping point and the actual mapping point is small. It is. This is because if the angle of view you are currently using is narrow,
The application is limited to small screen scanning and lacks versatility, and when the beam spot diameter becomes large, the energy collection speed becomes poor in the case of fine laser processing, resulting in a significant deterioration in processing efficiency, etc., and large distortion aberrations. In this case, either the f or θ mapping point becomes large, and high-precision scanning becomes impossible. Prior art regarding this type of f/theta lens includes techniques described in US patent documents and techniques that can be detected through actual products that have been commercialized.
As an example, the angle of view of the f/θ lens described in the patent specification of U.S. Patent No. 3,773,404 is about ±6°, and at this angle of view, y=f・tanθ≒f・θ holds true. , does not need to be an f·θ mapping. Also, some commercialized products have angles of view of ±
Some have a wide angle of view of 28.7°,
The distortion aberration is large, the spot diameter on the image plane is large, and other factors such as f.
Those equipped with a θ mapping lens have a large number of lenses and have a relatively low angle of view. In view of the above-mentioned current situation, the present invention provides y=f・θ
In an imaging system that can be considered as such, it is possible to reduce the number of constituent lenses as much as possible to make it compact and widen the angle of view, and it is possible to correct distortion to a sufficiently small value, and the beam spot on the image plane is close to the diffraction limit. The configuration of the optical system for optical laser scanning according to the present invention will be explained in detail below with reference to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. . In the figure, viewed from the object side, the first group L 1
In order to have a negative focal length, one or two concave lenses l 1 or l 1 ′ and l 1 ″ were arranged, and by making the whole retro type, a wide angle was achieved. Two convex lenses L2 and L3 are arranged in the second group L2 to have a positive focal length, and in order to properly correct various aberrations as a whole, the total length of this optical system is The combined focal length of the system is f, the focal length of the first group is f 1 , the focal length of the second group is f 2 , and the focal length of the second group is f 2 .
When the refractive indices of the two convex lenses l 2 and l 3 in the group are na and nb, 0.105f≦l≦0.1544f …(1) 0.9≦|f 1 |/f 2 ≦1.3 …(2) This optical system is unique in that it satisfies the following conditions: na≧1.7, nb≧1.7 (3). The reason why the optical system for optical laser scanning according to the present invention requires the above conditions will be described below. That is, the lens configuration of the optical system according to the present invention is a concave-convex type optical system, and various aberrations, especially astigmatism and distortion caused by the concave group of the first group, are eliminated from the second lens group.
The overall performance is good due to cancellation by the convex group of the group, but the total length l of this optical system is the condition (1)
If it becomes smaller than the lower limit, correction of distortion becomes extremely insufficient, coma flare occurs, and the spot diameter increases. On the other hand, if the upper limit is exceeded, the total length of this optical system becomes large, and not only distortion aberration becomes excessively corrected, but also astigmatism becomes large. Also, condition (2) is the same as condition (1) and is necessary to obtain good performance, and the absolute value of the focal length of the first group |f 1 | and the focal length of the second group f 2 Ratio is condition 2
If it becomes smaller than the lower limit, the spherical image plane and meridional image plane will be extremely overcorrected, and conversely, if the upper limit of this condition (2) is exceeded, each of the above image planes will become extremely overcorrected. There will be insufficient correction. Furthermore, when condition (3) is not satisfied, if an attempt is made to suppress the spot diameter within the diffraction limit, the Petzval sum increases, and as a result, the field curvature increases. In order to keep this field curvature constant and to prevent the Petzval sum from increasing, each radius of curvature must be made stronger. If this happens, coma flare will occur, and the spot diameter on the image plane will expand beyond the diffraction limit. Note that the second embodiment illustrated in FIG.
In order to correct the insufficient correction of distortion aberration that occurred in the optical system of the first embodiment shown in the figure, one concave lens was added to the first group. It is within the limit. Next, specific examples of the optical system according to the present invention will be shown.
【表】【table】
【表】
用レンズのアツベ数
[Table] Atsube number of lenses for
【表】
ν4 用レンズのアツベ数
[Table] Atsube numbers of lenses for ν4
第1図と第2図は本発明に係る光学的レーザー
スキヤニング用光学系の第1実施例と第2実施例
の構成レンズの配置図、第3図と第4図は第1実
施例と第2実施例の各収差曲線図である。
第1図において、L1;第1群、L2;第2群、
l;レンズ全系の全長、l1;第1群構成用レン
ズ、l2とl3;第2群構成用のレンズ、r1,r2,…,
r6;物体側より順次数えた構成用レンズの曲率半
径、d1,d3,d5;物体側より順次数えた構成用レ
ンズの軸上厚み、d2,d4;物体側より順次数えた
構成用レンズの軸上空気間隔。
第2図において、L1;第1群、L2;第2群、
l;レンズ全系の全長、l1′+l1″;第1群構成用
のレンズ、l2+l3;第2群構成用のレンズ、r1,
r2,…r8;物体側より順次数えた構成用レンズの
曲率半径、d1,d3,d5,d7;物体側より順次数え
た構成用レンズの軸上厚み、d2,d4,d6;物体側
より順次数えた構成用レンズの軸上空気間隔。
1 and 2 are arrangement diagrams of lenses constituting a first embodiment and a second embodiment of an optical system for optical laser scanning according to the present invention, and FIGS. It is each aberration curve diagram of 2nd Example. In FIG. 1, L 1 ; first group, L 2 ; second group,
l: Total length of the entire lens system, l 1 : Lenses for forming the first group, l 2 and l 3 ; Lenses forming the second group, r 1 , r 2 ,...,
r 6 ; radius of curvature of the constituent lens counted sequentially from the object side; d 1 , d 3 , d 5 ; axial thickness of the constituent lens counted sequentially from the object side; d 2 , d 4 ; counted sequentially from the object side. On-axis air spacing of the lens for construction. In FIG. 2, L 1 ; first group, L 2 ; second group,
l: Total length of the entire lens system, l 1 ′+l 1 ″; Lens for 1st group configuration, l 2 +l 3 ; Lens for 2nd group configuration, r 1 ,
r 2 ,...r 8 ; Radius of curvature of the constituent lens counted sequentially from the object side, d 1 , d 3 , d 5 , d 7 ; Axial thickness of the constituent lens counted sequentially from the object side, d 2 , d 4 , d 6 ; Axial air spacing of the constituent lenses counted sequentially from the object side.
Claims (1)
ンズよりなる負の焦点距離を持つ第1群と、二枚
の凸レンズよりなる正の焦点距離を持つ第2群と
で構成された光学系で、この光学系の全長をl、
全系の合成焦点距離をf、第1群の光学系をf1、
第2群の焦点距離をf2、二枚の凸レンズの屈折率
をna,nbとしたとき、 0.105f≦l≦0.1544f ……(1) 0.9≦|f1|/f2≦1.3 ……(2) na≧1.7,nb≧1.7 ……(3) なる条件を満足する光学的レーザースキヤニング
用光学系。[Claims] 1. When viewed from the object plane, the first group has a negative focal length and is made up of one or two concave lenses, and the second group has a positive focal length and is made up of two convex lenses. In the constructed optical system, the total length of this optical system is l,
The combined focal length of the entire system is f, the optical system of the first group is f 1 ,
When the focal length of the second group is f 2 and the refractive index of the two convex lenses are na and nb, 0.105f≦l≦0.1544f ...(1) 0.9≦|f 1 |/f 2 ≦1.3 ... (2) na≧1.7, nb≧1.7 ...(3) An optical system for optical laser scanning that satisfies the following conditions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5754378A JPS54150144A (en) | 1978-05-17 | 1978-05-17 | Optical system for optical laser scanning |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5754378A JPS54150144A (en) | 1978-05-17 | 1978-05-17 | Optical system for optical laser scanning |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS54150144A JPS54150144A (en) | 1979-11-26 |
| JPS6145804B2 true JPS6145804B2 (en) | 1986-10-09 |
Family
ID=13058671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5754378A Granted JPS54150144A (en) | 1978-05-17 | 1978-05-17 | Optical system for optical laser scanning |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS54150144A (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPS59195211A (en) * | 1983-04-19 | 1984-11-06 | Asahi Optical Co Ltd | Telecentric ftheta lens system of four-element constitution |
| KR900007133B1 (en) * | 1988-06-10 | 1990-09-29 | 한국과학기술원 | Laser scanner |
| CN104880807B (en) * | 2015-06-19 | 2017-05-31 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | A kind of F θ optical lens for dual-wavelength laser processing |
-
1978
- 1978-05-17 JP JP5754378A patent/JPS54150144A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS54150144A (en) | 1979-11-26 |
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