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JP2512251B2 - Telecentric scanning optical system - Google Patents

Telecentric scanning optical system

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Publication number
JP2512251B2
JP2512251B2 JP23707491A JP23707491A JP2512251B2 JP 2512251 B2 JP2512251 B2 JP 2512251B2 JP 23707491 A JP23707491 A JP 23707491A JP 23707491 A JP23707491 A JP 23707491A JP 2512251 B2 JP2512251 B2 JP 2512251B2
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JP
Japan
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lens
group
scanning
optical system
mirror
Prior art date
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JP23707491A
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Japanese (ja)
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JPH0553051A (en
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勝義 有澤
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Mitutoyo Corp
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Mitutoyo Corp
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Publication date
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  • Lenses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明はテレセントリック走査
光学系、特に、正弦振動ミラーによって反射された光ビ
ームを平行走査するテレセントリック走査光学系に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a telecentric scanning optical system, and more particularly to a telecentric scanning optical system for parallel scanning a light beam reflected by a sinusoidal vibrating mirror.

【0002】[0002]

【従来の技術】多面鏡を回転し、光を走査・結像する場
合に用いるテレセントリック走査光学系において、等速
度高速回転される多面鏡で反射した光は走査レンズに入
射するが、この入射角度は時間に比例して変化する。
2. Description of the Related Art In a telecentric scanning optical system used when a polygon mirror is rotated to scan / image light, the light reflected by the polygon mirror rotated at a constant speed and high speed enters a scanning lens. Changes in proportion to time.

【0003】即ち、入射角度θは時間に対して一定変化
をするので、結像面の中央部は走査速度が遅く、周辺で
速くなることになり、これに対しては、f ・θレンズが
用いられていた。
That is, since the incident angle θ changes constantly with time, the central portion of the image plane has a slow scanning speed and the peripheral portion has a high scanning speed. Was used.

【0004】又、回転多面鏡を用いない場合として、超
音波により光を偏光するAODを使用して、走査ビーム
を得ていたが、いずれの場合も装置が大型且つ高価にな
るという問題点があった。
Further, in the case where the rotary polygon mirror is not used, a scanning beam is obtained by using an AOD which polarizes light by ultrasonic waves, but in any case, there is a problem that the apparatus becomes large and expensive. there were.

【0005】更に、回転多面鏡の代りにガルバノメータ
を用い、且つこのガルバノメータとアークサインθレン
ズを組合せたものがあるが、あまり一般的ではなかっ
た。
Further, there is a method in which a galvanometer is used instead of the rotary polygon mirror, and this galvanometer is combined with an arc sine θ lens, but it is not so general.

【0006】今、一定振幅φ0 で振動する偏向ミラーの
回転角φは、角周波数をω、時間をt とすると次の式で
表される。
Now, the rotation angle φ of the deflecting mirror vibrating with a constant amplitude φ 0 is expressed by the following equation, where ω is the angular frequency and t is the time.

【0007】φ≦φ0 ・sin ωt この時の、ビームの偏向角θは次の式で与えられ、 θ=2φ=2φ0 ・sin ωt 走査レンズの結像面上でビームを等速度で走査するに
は、その像高y ′が次の式で表されるような走査レンズ
を用いることが必要となる。
Φ ≦ φ 0 · sin ωt At this time, the deflection angle θ of the beam is given by the following equation: θ = 2φ = 2φ 0 · sin ωt A beam is scanned at a constant speed on the image plane of the scanning lens. , It is necessary to use a scanning lens whose image height y ′ is represented by the following equation.

【0008】y ′=2φ0 ・sin -1(θ/2φ0 ) 上式の関係を満すレンズを、アークサインθレンズと称
する。
Y ′ = 2φ 0 · sin −1 (θ / 2φ 0) A lens satisfying the above relation is called an arcsine θ lens.

【0009】高速ガルバノメータは、高速振動させると
き、鋸刃状の高周波電流を用いればよいが、鋸刃状の高
周波電流を得るのが困難であるため、正弦波電流を使用
し、これと前述のアークサインθレンズを組合せること
によって、小型且つ安価で、高精度で結像面上を等速で
走査する光学系が得られる。
The high-speed galvanometer may use a saw-tooth-shaped high-frequency current when vibrating at high speed, but since it is difficult to obtain a saw-tooth-shaped high-frequency current, a sine-wave current is used. By combining the arc sine θ lens, it is possible to obtain a small and inexpensive optical system that scans the image plane at a constant speed with high accuracy.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】上記のようなアークサ
インθレンズは、その歪曲特性が、ミラー触れ幅φ0
(ミラーの中心に向かった光線がミラーによって反射さ
れ、その反射光が結像レンズの光軸に一致するときを中
心とするミラーの振れ角度)で変化し、φ0 =∞でf θ
レンズになる。アークサインθレンズは、一般的にミラ
ー振幅φ0 が20°以下の場合に使用するものであり、
この場合は、f tan θ表示での歪曲収差は正になる。
DISCLOSURE OF THE INVENTION In the arcsine θ lens as described above, the distortion characteristics are such that the mirror contact width φ0
It changes with (the deflection angle of the mirror centered around the time when the light beam heading to the center of the mirror is reflected by the mirror and the reflected light coincides with the optical axis of the imaging lens), and f θ = ∞ and f θ
Become a lens. The arc sine θ lens is generally used when the mirror amplitude φ 0 is 20 ° or less,
In this case, the distortion aberration in f tan θ display is positive.

【0011】歪曲収差を正に補正すると、特に全体が一
群構成でテレセントリック系のような前置絞りレンズ
は、像面湾曲も大きく正に増えがちである。
When the distortion aberration is corrected to a positive value, particularly in a pre-aperture lens such as a telecentric system having a one-group structure as a whole, the curvature of field tends to increase greatly in the positive direction.

【0012】図5に示されるように、ミラー振幅を20
°以上より順次大きくとっていけば、補正するf tan θ
表示での歪曲収差は0〜負になり、収差補正が非常に楽
になる。
As shown in FIG. 5, the mirror amplitude is set to 20.
F tan θ
The distortion on the display becomes 0 to negative, and the aberration correction becomes very easy.

【0013】図5では、y ′= f tanθを理想像高とし
た時、像高y ′=2φ0 f sin -1(θ/2φ0 )を f t
anθに対する歪曲収差で表示されている({2φ0 f si
n -1(θ/2φ0 )− f tanθ}/ f tanθ×100
(%))。
In FIG. 5, when y ′ = f tan θ is the ideal image height, the image height y ′ = 2φ 0 f sin −1 (θ / 2φ 0) is ft.
It is displayed as distortion aberration with respect to anθ ({2φ 0 f si
n −1 (θ / 2φ 0) − f tan θ} / f tan θ × 100
(%)).

【0014】しかしながら、この場合、ミラーを必要な
偏光角以上に振らなければならなくなったり、又、耐久
性の問題が生じてしまう。
In this case, however, the mirror has to be swung beyond the required polarization angle, and the durability problem arises.

【0015】一方、使用角度を小さくとると、同じ像高
だけ走査するには焦点距離の長いレンズを使用しなけれ
ばならず、光学系が大きくなってしまうという問題点が
ある。
On the other hand, if the use angle is made small, there is a problem that a lens having a long focal length must be used to scan the same image height, and the optical system becomes large.

【0016】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、歪曲収差を正に補正して、且つ、
像面湾曲が補正されているアークサインθレンズを用
い、装置を安価で、小型高精度にした、テレセントリッ
ク系走査光学系を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and corrects the distortion aberration positively, and
It is an object of the present invention to provide a telecentric scanning optical system that uses an arc sine θ lens whose field curvature is corrected and that is inexpensive, compact and highly accurate.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】この発明は、正弦波駆動
走査ミラーに光ビームを向け、該走査ミラーで反射され
た光ビームを結像レンズにより走査面上に結像するテレ
セントリック走査光学系において、前記結像レンズを、
全体として第1群及び第2群で構成し、第1群は凸レン
ズとし、第2群は、凹レンズと凸レンズからなり全体と
して正の屈折力を持ち、Fを全体焦点距離、e1を第1群
と第2群の主点間隔、f1、f2を第1群と第2群の焦点距
離としたとき、 0.3F<e1<0.95F 1.1F<f1 1.1F<f2 の関係を充足し、且つ、前記走査ミラーを前記第1群の
前側焦点に配置して、上記目的を達成するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a telecentric scanning optical system in which a light beam is directed to a sine wave drive scanning mirror and the light beam reflected by the scanning mirror is imaged on a scanning surface by an imaging lens. , The imaging lens,
It is composed of a first lens group and a second lens group as a whole, the first lens group is a convex lens, the second lens group is composed of a concave lens and a convex lens and has a positive refracting power as a whole, F is a total focal length, and e1 is a first lens group. And the principal point distance between the second lens group and f1 and f2 are the focal lengths of the first lens group and the second lens group, the relationship of 0.3F <e1 <0.95F 1.1F <f1 1.1F <f2 is satisfied. In addition, the scanning mirror is arranged at the front focal point of the first group to achieve the above object.

【0018】[0018]

【作用及び効果】この発明によれば、Fを全体の焦点距
離、e1を第1群と第2群の主点間隔、f1、f2を第1群、
第2群の焦点距離としたとき、0.3F<e1<0.95
Fとしているので、歪曲収差と像面湾曲をバランス良く
補正することができる。上限の0.95Fを超えてe1を
大きくすると、歪曲収差、像面湾曲の補正には良いが、
前側焦点位置、像点位置がレンズに近くなり、走査ミラ
ーが置けなくなったり、レンズと結像位置が近すぎて作
業性、走査性に困難が生じる。
According to the present invention, F is the entire focal length, e1 is the principal point distance between the first and second lens groups, f1 and f2 are the first lens group,
Assuming that the focal length of the second lens unit is 0.3F <e1 <0.95
Since it is set to F, the distortion and the field curvature can be corrected in a well-balanced manner. Increasing e1 beyond the upper limit of 0.95F is good for correcting distortion and field curvature,
The front focus position and the image point position are close to the lens, and the scanning mirror cannot be placed, or the lens and the image forming position are too close to each other, which causes difficulty in workability and scannability.

【0019】又、下限の0.3Fを超えてe1を小さくす
ると、歪曲収差を正に補正したとき、像面湾曲も正方向
に補正過剰になったままで、広い走査範囲が得られな
い。
If e1 is made smaller than the lower limit of 0.3F, when the distortion is corrected positively, the curvature of field is also overcorrected in the positive direction, and a wide scanning range cannot be obtained.

【0020】更に、1.1F<f1、1.1F<f2とし
て、前側焦点位置、結像位置を規定する。f1が1.1F
より小さくなると、像点が第2群の近傍にできることに
なり、作業性、走査性等が低下する。
Further, the front focus position and the image forming position are defined as 1.1F <f1 and 1.1F <f2. f1 is 1.1F
If it becomes smaller, the image point can be formed in the vicinity of the second group, and the workability, the scannability, etc. are deteriorated.

【0021】又、f2が1.1Fより小さくなると、第1
群の前側焦点位置が第1群の近傍にできることになり、
走査ミラーの配置が不可能となる。
When f2 is smaller than 1.1F, the first
The front focus position of the group can be near the first group,
It becomes impossible to arrange the scanning mirror.

【0022】[0022]

【実施例】以下本発明のテレセントリック走査光学系の
実施例について説明する。
EXAMPLES Examples of the telecentric scanning optical system of the present invention will be described below.

【0023】図1に示される第1実施例の結像レンズ1
0は、全体として第1群12及び第2群14で構成され
ている。
Imaging lens 1 of the first embodiment shown in FIG.
0 is composed of the first group 12 and the second group 14 as a whole.

【0024】第1群12は、1個の凸レンズL1 からな
り、第2群14は凹レンズL2 と凸レンズL3 を接合し
て構成され、全体として正の屈折力を持つようにされて
いる。
The first group 12 is composed of one convex lens L1, and the second group 14 is constructed by cementing a concave lens L2 and a convex lens L3, and has a positive refracting power as a whole.

【0025】図1の符号16は高速ガルバノミラー等か
らなる正弦波駆動走査ミラー、18は光源19からの光
ビームを平行光線にして、前記正弦波駆動走査ミラー1
6に入射させるためのコリメータレンズをそれぞれ示
す。
Reference numeral 16 in FIG. 1 designates a sine wave driving scanning mirror composed of a high-speed galvanometer mirror or the like, and 18 designates a light beam from a light source 19 to make it a parallel light beam, and said sine wave driving scanning mirror 1
6A and 6B respectively show collimator lenses for making the light incident on the lens 6.

【0026】レンズ諸元は以下の第1表の如くである。The lens specifications are as shown in Table 1 below.

【0027】なお、r は曲率半径(mm)、d はレンズ厚
み又は間隔(mm)、n670は波長λ=670nm光での屈折
率であり、ミラー振幅φ0 =±12°、使用偏光角θ=
±6.089°である。
Here, r is the radius of curvature (mm), d is the lens thickness or interval (mm), n670 is the refractive index for light of wavelength λ = 670 nm, mirror amplitude φ 0 = ± 12 °, polarization angle θ used =
It is ± 6.089 °.

【0028】 <第1表> r d n670 1 56.875 2.5 1.70465 L1 2 -117.07 22 1. 3 20.08 1.2 1.83488 L2 4 9.387 4 1.5139 L3 5 -28.26 <Table 1> r d n670 1 56.875 2.5 1.70465 L1 2 -117.07 22 1. 3 20.08 1.2 1.83488 L2 4 9.387 4 1.5139 L3 5 -28.26

【0029】ここで、全体の焦点距離F=30.01mm
となり、第1群12と第2群14の主点間隔e1=24.
45mm=0.81F、f1=48.48mm=1.62F、
f2=39.06mm=1.3Fとなり、前述の3つの条件
式を全て満足している。
Here, the total focal length F = 30.01 mm
Thus, the principal point spacing e1 = 24. Between the first group 12 and the second group 14.
45mm = 0.81F, f1 = 48.48mm = 1.62F,
f2 = 39.06 mm = 1.3 F, which satisfies all the above three conditional expressions.

【0030】又、3次ザイデル係数は、I …0.94
6、II…0.009、III …−0.498、P…1.0
18、V…−0.995であり、図2の収差図に示され
るように、全ての収差が使用状態においてよく補正され
ていることが判る。
The cubic Seidel coefficient is I ... 0.94
6, II ... 0.009, III ... -0.498, P ... 1.0
18, V ... -0.995, and as shown in the aberration diagram of FIG. 2, it can be seen that all the aberrations are well corrected in the use state.

【0031】次に、図3に示される第2実施例の結像レ
ンズについて説明する。
Next, the image forming lens of the second embodiment shown in FIG. 3 will be described.

【0032】この第2実施例の結像レンズ20は、第1
群22と第2群24からなり、第1群は1個の凸レンズ
L1 で構成され、第2群は、凸レンズL2 と凹レンズL
3 を接合して構成され、全体として正の屈折力を持つよ
うにされている。
The image forming lens 20 of the second embodiment has a first
It is composed of a group 22 and a second group 24, the first group is composed of one convex lens L1, and the second group is composed of a convex lens L2 and a concave lens L1.
It is constructed by joining 3 and has a positive refracting power as a whole.

【0033】レンズ諸元は、次の第2表の如くである。The specifications of the lens are as shown in Table 2 below.

【0034】 [0034]

【0035】この第2実施例においても、全体の焦点距
離F=30.0mmに対して、e1=26.31mm=0.8
8F、f1=38.72mm=1.29F、f2=42.73
mm=1.42Fで、前述の3つの条件を全て満足してい
る。
Also in this second embodiment, e1 = 26.31 mm = 0.8 for the entire focal length F = 30.0 mm.
8F, f1 = 38.72mm = 1.29F, f2 = 42.73
mm = 1.42F, which satisfies all the above three conditions.

【0036】3次ザイデル係数は、I …0.845、II
…−0.315、III …−0.630、P…1.05
3、V…−0.999であり、図4の収差図に示される
ように、全ての収差が使用状態においてよく補正されて
いるのが判る。
The third-order Seidel coefficient is I ... 0.845, II
...- 0.315, III ...- 0.630, P ... 1.05
3, V ... -0.999, and as shown in the aberration diagram of FIG. 4, it can be seen that all the aberrations are well corrected in use.

【0037】なお、上記実施例において、第2群14及
び24は、いずれも凹レンズと凸レンズを接合したもの
であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、凹レ
ンズと凸レンズを分離したものであっても所定の収差補
正が得られることはいうまでもない。
In the above embodiment, the second groups 14 and 24 are both cemented with a concave lens and a convex lens, but the present invention is not limited to this, and the concave lens and the convex lens are separated. Even in this case, it goes without saying that a predetermined aberration correction can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】図1は、本発明に係るテレセントリック走査光
学系の実施例を示す光学配置図である。
FIG. 1 is an optical layout diagram showing an embodiment of a telecentric scanning optical system according to the present invention.

【図2】図2は、同実施例のレンズの収差を示す線図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing aberrations of the lens of the same example.

【図3】図3は、本発明の第2実施例に係る結像レンズ
を示す光学配置図である。
FIG. 3 is an optical layout diagram showing an imaging lens according to Example 2 of the present invention.

【図4】図4は、同実施例レンズの収差を示す線図であ
る。
FIG. 4 is a diagram showing aberrations of the lens of the example.

【図5】図5は、アークサインθレンズにおけるミラー
振幅φ0 と ftanθ表示での歪曲収差との関係を示す線
図である。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a mirror amplitude φ0 in an arcsine θ lens and a distortion aberration in ftan θ display.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10、20…結像レンズ、 12、22…第1群、 14、24…第2群、 16…正弦波駆動走査ミラー、 18…コリメータレンズ、 19…光源。 10, 20 ... Imaging lens, 12, 22 ... First group, 14, 24 ... Second group, 16 ... Sine wave drive scanning mirror, 18 ... Collimator lens, 19 ... Light source.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】正弦波駆動走査ミラーに光ビームを向け、
該走査ミラーで反射された光ビームを結像レンズにより
走査面上に結像するテレセントリック走査光学系におい
て、前記結像レンズを、全体として第1群及び第2群で
構成し、第1群は凸レンズとし、第2群は、凹レンズと
凸レンズからなり全体として正の屈折力を持ち、Fを全
体焦点距離、e1を第1群と第2群の主点間隔、f1、f2を
第1群と第2群の焦点距離としたとき、 0.3F<e1<0.95F 1.1F<f1 1.1F<f2 の関係を充足し、且つ、前記走査ミラーを前記第1群の
前側焦点に配置したことを特徴とするテレセントリック
走査光学系。
1. A light beam is directed to a sinusoidal drive scanning mirror,
In a telecentric scanning optical system in which a light beam reflected by the scanning mirror is imaged on a scanning surface by an imaging lens, the imaging lens is composed of a first group and a second group as a whole, and the first group is The second lens group is composed of a concave lens and a convex lens and has a positive refracting power as a whole. F is the overall focal length, e1 is the principal point distance between the first and second lens groups, and f1 and f2 are the first lens group. When the focal length of the second lens unit is set, the relationship of 0.3F <e1 <0.95F 1.1F <f1 1.1F <f2 is satisfied, and the scanning mirror is arranged at the front focal point of the first lens unit. A telecentric scanning optical system characterized by the above.
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NL1003530C2 (en) * 1996-07-06 1998-01-12 Philips Electronics Nv Wide-angle scanning objective system and scanning apparatus with such an objective system.
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