CN104714297B - 自由曲面反射式扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自由曲面反射式扫描系统，包括：一光源；一光阑；一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，用于将所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射镜设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；所述第一自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面。

Description

自由曲面反射式扫描系统

技术领域

本发明涉及一种扫描系统，尤其涉及一种自由曲面反射式扫描系统。

背景技术

扫描成像系统是指利用光束的扫描运动来计量物体的几何尺寸或者实现对物体进行特定扫描的光学系统。对于现代扫描成像系统，光学系统视场与孔径更大，对像质、体积、重量提出了更高的要求。自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，通常是非回转对称的。自由曲面的结构灵活，为光学设计提供了更多的自由度，可以大大降低光学系统的像差，减小系统体积与重量。

现有的扫描系统较少采用自由曲面来设计，原因是自由曲面的变量较多，自由度太大，系统的体积、重量与镜片数量等考虑因素很多，很难设计出结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的自由曲面扫描系统。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的自由曲面反射式扫描系统。

一种自由曲面反射式扫描系统，其包括：一光源，用于输出一激光；一光阑，设置在所述激光的出射光路上；一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，该第一自由曲面反射镜用于将所述激光反射，形成一第一反射光；以及一第二自由曲面反射镜设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；该第一自由曲面反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z），所述光阑中心设置在Z轴所在的直线上；该第二自由曲面反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’），所述第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）在YZ平面内沿逆时针方向旋转90度得到，且该第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）的坐标原点设置在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的Y轴所在的直线上，所述第一自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的x’y’多项式曲面。

与现有技术比较，本发明提供的自由曲面反射式扫描系统中，采用两个全反射的自由曲面反射镜，使该自由曲面反射式扫描系统无色差，成像品质高；该自由曲面反射式扫描系统中仅采用两个自由曲面反射镜，自由曲面反射镜数量较少，该自由曲面反射式扫描系统具有结构简单且成本低廉等特点；该自由曲面反射镜使用的xy多项式曲面次数较低，比较容易加工，易于批量生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的结构以及光路示意图。

图2为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的扫描范围示意图。

图3为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的效果图。

图4为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的扫描误差示意图。

图5为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统部分视场角的调制传递函数MTF曲线。

图6为本发明实施例提供的自由曲面反射式扫描系统的部分视场点列图。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。

请参阅图1，本发明实施例提供一种自由曲面反射式扫描系统100，包括：一光源（图未示）、一光阑12、一第一自由曲面反射镜14以及一第二自由曲面反射镜16。

为了描述方便将所述第一自由曲面反射镜14所处的空间定义一第一三维直角坐标系（X，Y，Z），所述光阑12中心设置在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的Z轴所在的直线上；将所述第二自由曲面反射镜16所处的空间定义一第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’），该第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）为所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）在YZ平面内沿逆时针方向旋转90度得到，且该第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）的坐标原点O’设置在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）Y轴所在的直线上。

所述光源用于输出一激光L，所述激光L与所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的Z轴所在直线形成一夹角，即视场角θ，其中，0°≤θ≤8°。所述激光L的波长不限。优选的，所述激光L的波长范围为486nm到656nm。

所述光阑12设置在所述激光L的出射光路上，用于控制输出激光L的直径。本发明实施例中，所述光阑12的通光孔为圆形，所述光阑12的通光孔的直径约为6mm，从而形成一光束直径约为6mm的激光L。所述光阑12中心到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的原点O的距离不限，本实施例中，所述光阑12中心到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的原点O的距离为113.328mm。

所述第一自由曲面反射镜14设置在所述光阑12远离光源的一侧，该第一自由曲面反射镜14用于将所述激光L以一定角度在YZ平面内反射，从而形成一第一反射光R₁。在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）中，所述第一自由曲面反射镜14的自由曲面为4次的xy多项式曲面，优选的，所述第一自由曲面反射镜14的自由曲面为不使用x的奇次项的4次的xy多项式曲面，其解析形式为：

，其中，c为曲率、κ为二次曲面系数以及A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄为系数。本实施例中，所述曲率c、二次曲面系数κ以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄如表1中表述。可以理解，上述曲率c、二次曲面系数κ以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄也不限于表1中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表1

曲率c	-0.0001639089267924
		二次曲面系数Conic Constant (κ)	-89680.0153613324000000
A2	-4.3347368672E-01
		A3	-1.5456768240E-03
A5	-1.4800190401E-03
		A7	-7.7232059803E-07
A9	-3.1338086744E-06
		A10	-4.9598680747E-08
A12	-9.0454185516E-08
		A14	1.1558130145E-08

所述第二自由曲面反射镜16设置在所述第一反射光R₁的光路上，用于将所述第一反射光R₁二次反射，形成一第二反射光R₂。所述第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）的原点O’到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的原点O的距离不限，本实施例中所述第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）的原点O’到所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的原点O的距离为336.649mm。在所述第一三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）中，所述第二自由曲面反射镜16的自由曲面为4次的x’y’多项式曲面，优选的，所述第二自由曲面反射镜16的自由曲面为不使用X的奇次项的4次的x’y’多项式曲面，其解析形式为：

，其中，c’为曲率、κ’为二次曲面系数以及A₂’、A₃’、A₅’、A₇’、A₉’、A₁₀’、A₁₂’以及A₁₄’为系数。本实施例中，所述曲率c’、二次曲面系数κ’以及系数A₂’、A₃’、A₅’、A₇’、A₉’、A₁₀’、A₁₂’以及A₁₄’如表2中表述。可以理解，上述曲率c’、二次曲面系数κ’以及系数A₂’、A₃’、A₅’、A₇’、A₉’、A₁₀’、A₁₂’以及A₁₄’也不限于表2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。

表2

曲率c’	-0.0008571713
		二次曲面系数Conic Constant (κ’)	172.6455709912
A2’	4.7263558821E+00
		A3’	-3.0701897133E-04
A5’	5.8773994610E-03
		A7’	-7.7993642472E-05
A9’	-4.3316165003E-04
		A10’	-3.8626929695E-07
A12’	5.9894280608E-07
		A14’	2.4394567833E-06

所述自由曲面反射式扫描系统100在所述第二反射光R₂的光路上形成一像面18。所述像面18平行于所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）的Y轴，且该像面18到光阑12中心点沿所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）Z轴方向的距离为180mm。

在所述第一三维直角坐标系（X，Y，Z）中，所述第一自由曲面反射镜14实际使用到的范围为-3mm ≤x ≤3mm，-3mm ≤y ≤17.77337mm；在所述第二三维直角坐标系（X’，Y’，Z’）中，所述第二自由曲面反射镜16实际使用到的范围为-1.35205mm ≤x’ ≤1.35205mm，67.95944mm ≤y’ ≤78.21945mm。

以光阑12中心为原点O’’建立一第三三维直角坐标系(X’’，Y’’，Z’’)。在所述第三三维直角坐标系(X’’，Y’’，Z’’)中，上述像面18在Y’’轴的坐标即为扫描像高h，扫描像高h与视场角θ的关系式为h(mm)=-80+5θ，其中视场角θ的单位为度。请参见图2和3，本实施例中，视场角的扫描范围为0°到8°，所述视场角θ从0°到8°分别对应所述像面18中-80mm到-40mm的线性扫描，即本实例的有效扫描范围为40mm。

请参阅图4，经计算，在像面18上各视场扫描误差不超过±1μm，说明所述自由曲面反射式扫描系统100实现了各视场光线走向的控制，具有良好的扫描线性。请参照图5，所述自由曲面反射式扫描系统100部分视场角的调制传递函数MTF，从图中可以看出，各视场MTF曲线都达到了衍射极限。请参阅图6，从图中可以看出，各视场的弥散斑181均在爱里斑Airy（Airy斑）182之内，说明所述自由曲面反射式扫描系统100的成像品质较高。该自由曲面反射式扫描系统100可用于激光打印机、扫描仪等仪器设备中。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种自由曲面反射式扫描系统，包括：

一光源，用于输出一激光；

一光阑，设置在所述激光的出射光路上；

一第一自由曲面反射镜设置在所述光阑远离光源的一侧，该第一自由曲面反射镜用于将所述激光反射，形成一第一反射光；

以及一第二自由曲面反射镜设置在所述第一反射光的光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光；

该第一自由曲面反射镜所处的空间定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)，所述光阑中心设置在Z轴所在的直线上；该第二自由曲面反射镜所处的空间定义一第二三维直角坐标系(X’，Y’，Z’)，所述第二三维直角坐标系(X’，Y’，Z’)为所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)在YZ平面内沿逆时针方向旋转90度得到，且该第二三维直角坐标系(X’，Y’，Z’)的坐标原点设置在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的Y轴所在的直线上，所述第一自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的xy多项式曲面，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为一4次的x’y’多项式曲面。

2.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述激光与所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的Z轴形成一夹角θ，其中，0°≤θ≤8°。

3.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第一自由曲面反射镜的自由曲面为一不使用x的奇次项的4次的xy多项式曲面，其解析形式为：

$z(x,y)=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+\mathrm{\κ})c^2(x^2+y^2)}}+A_{2}y+A_3{x}^2+A_5{y}^2+A_7{x}^{2}y+A_9{y}^3+A_{10}{x}^4+A_{12}{x}^2{y}^2+A_{14}{y}^4$ ，

其中，曲率c、二次曲面系数κ以及系数A₂、A₃、A₅、A₇、A₉、A₁₀、A₁₂以及A₁₄分别为：

4.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第二自由曲面反射镜的自由曲面为不使用x的奇次项的4次的x’y’多项式曲面，其解析形式为：

$z(x^{\′},y^{\′})=\frac{c^{\′}({x^{\′}}^2+{y^{\′}}^2)}{1+\sqrt{1-(1+{\mathrm{\κ}}^{\′}){c^{\′}}^2({x^{\′}}^2+{y^{\′}}^2)}}+{A_2}^{\′}{y}^{\′}+{A_3}^{\′}{x}^{\′2}+{A_5}^{\′}{y}^{\′2}+{A_7}^{\′}{x}^{\′2}{y}^{\′}+{A_9}^{\′}{y}^{\′3}+{A_{10}}^{\′}{x}^{\′4}+{A_{12}}^{\′}{x}^{\′2}{y}^{\′2}+{A_{14}}^{\′}{y}^{\′4}$ ，

其中，曲率c’、二次曲面系数κ’以及系数A₂’、A₃’、A₅’、A₇’、A₉’、A₁₀’、A₁₂’以及A₁₄’分别为：

5.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述光阑中心到所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)原点的距离为113.328mm。

6.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(X’，Y’，Z’)原点到所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)原点的距离为336.649mm。

7.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，进一步包括一像面，该像面到所述光阑中心沿所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)Z轴方向的距离为180mm。

8.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述第一自由曲面反射镜实际使用到的范围为-3mm≤x≤3mm，-3mm≤y≤17.77337mm。

9.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，在所述第二三维直角坐标系(X’，Y’，Z’)中，所述第二自由曲面反射镜实际使用到的范围为-1.35205mm≤x’≤1.35205mm，67.95944mm≤y’≤78.21945mm。

10.如权利要求1所述的扫描系统，其特征在于，以所述光阑中心为原点建立一第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，在该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，扫描像高h与视场角θ的关系式为h＝-80+5θ，其中，扫描像高h的单位为毫米，视场角θ的单位为度。