一种超广角大工作面F-theta镜头及其设计方法与流程

本发明涉及光学系统，特别涉及一种超广角大工作面f-theta镜头及其设计方法。

背景技术：

1、f-theta镜头，也称为f-theta扫描镜或f-theta场镜，是一种用于激光扫描系统的特殊光学镜头。它被广泛应用于激光切割、激光打标、激光雕刻和其他精密激光加工应用中。f-theta场镜可以确保激光束在扫描区域内保持恒定的焦距，这对于在平面或三维表面上进行高精度激光加工非常重要。传统的f-theta镜头在视场角度上可能存在限制，无法满足某些需要广角视场的应用，设计超广角f-theta镜头可以扩展视场角度，使光束在更大范围内进行扫描或成像，另外，传统的f-theta镜头可能无法覆盖整个大工作面，而设计超广角大工作面f-theta镜头可以满足在较大的工作面上进行激光加工、扫描成像或测量的应用需要。

2、申请号为：cn201110144662.2的发明专利提供了一种f-theta镜头及其光学系统，其中，该f-theta镜头包括：沿光传播方向依次排列的第一透镜和第二透镜，所述的第一透镜为弯月型负透镜，所述的第二透镜为弯月型正透镜，曲面均向着光线入射方向弯曲；该镜头的入射光波长为10.6um，视场角2ω＝70°，入光孔径30mm，其扫描范围为608mm×608mm。上述发明是采用双片式“负-正”的光焦度分布进行设计的一种大范围平场镜头，其在保证激光的能量集中、聚焦光斑小的前提下，进一步提高可扫描范围，有利于扩大激光加工工业的应用范围。

3、但是，上述现有技术只应用于当前设计需求，当需要在其他场景下使用到该f-theta镜头时，还需要人工重新进行镜头设计，较为繁琐，同时，人工进行镜头设计的设计效果受到设计人员的经验影响，存在镜头设计不适宜的情形。

4、有鉴于此，亟需一种超广角大工作面f-theta镜头及其设计方法，以至少解决上述不足。

技术实现思路

1、本发明目的之一在于提供了一种超广角大工作面f-theta镜头及其设计方法，引入f-theta镜头的设计需求和光学系统布局模型，并初步构建预验证光学系统，镜头设计更便捷，获取预验证光学系统中验证通过的目标光学系统，根据目标光学系统对应的目标设计方案进行相应的镜头设计，镜头设计更适宜。

2、本发明实施例提供的一种超广角大工作面f-theta镜头的设计方法，包括：

3、步骤1：获取超广角大工作面f-theta镜头的设计需求；

4、步骤2：获取光学系统布局模型；

5、步骤3：基于光学系统布局模型，根据设计需求，构建预验证光学系统；

6、步骤4：对预验证光学系统进行验证，获取验证通过的目标光学系统；

7、步骤5：确定目标光学系统的目标设计方案，并根据目标设计方案进行相应镜头设计。

8、优选的，步骤1：获取超广角大工作面f-theta镜头的设计需求，包括：

9、获取超广角大工作面f-theta镜头的需求方的需求场景；

10、根据需求场景，确定加工区域面积；

11、根据加工区域面积，确定工作面范围；

12、获取需求场景的光源特性，光源特性包括：光源发散角度和光源波长；

13、根据工作面范围和光源特性，确定视场角度范围；

14、将视场角度范围和工作面范围共同作为设计需求。

15、优选的，获取超广角大工作面f-theta镜头的需求方的需求场景，包括：

16、根据获取的需求方的加工过程视频流确定第一需求子场景，或，创建虚拟现实模拟环境，指示需求方在虚拟现实模拟环境中操作并获取模拟数据，根据模拟数据，确定第一需求子场景；

17、获取需求方的未来拓展业务，根据未来拓展业务，确定第二需求子场景；

18、将第一需求子场和第二需求子场景共同作为需求场景。

19、优选的，创建虚拟现实模拟环境，包括：

20、获取需求方的需求对话；

21、根据需求对话，提取业务语义项序列；

22、确定业务语义项序列中每一业务语义项对应的构建数据；

23、根据业务语义项在业务语义项序列中的序列位置逐层渲染业务语义项对应的构建数据，获得虚拟现实模拟环境；

24、其中，根据需求对话，提取业务语义项序列，包括：

25、获取渲染逻辑；

26、根据渲染逻辑，搭建渲染触发框架，渲染触发框架包括：渲染触发语义和目标序列号；

27、解析需求对话，确定多个业务语义项；

28、将多个业务语义项输入渲染触发框架，获得业务语义项序列。

29、优选的，步骤2：获取光学系统布局模型，包括：

30、获取第一光学系统布局记录；

31、确定第一光学系统布局记录中的目标光学系统布局记录；

32、基于预设的深度学习模型，根据目标光学系统布局记录，确定光学系统布局模型。

33、优选的，确定第一光学系统布局记录中的目标光学系统布局记录，包括：

34、解析第一光学系统布局记录，获取布局结果，并判断布局结果是否符合布局预期；

35、若布局结果符合布局预期，将对应第一光学系统布局记录作为第二光学系统布局记录；

36、确定第二光学系统布局记录中记录元件的安装方式和连接方式；

37、根据安装方式和连接方式，确定符合可调整性规则的目标光学系统布局记录。

38、优选的，步骤3：基于光学系统布局模型，根据设计需求，构建预验证光学系统，包括：

39、获取光学元件挑选策略；

40、基于光学元件挑选策略，根据设计需求，从预设的光学元件库中选择目标光学元件；

41、基于光学系统布局模型，根据设计需求，布局目标光学元件；

42、当目标光学元件布局完成后，完成预验证光学系统的构建。

43、优选的，步骤4：对预验证光学系统进行验证，获取验证通过的目标光学系统，包括：

44、基于预设的光学仿真系统和热传导仿真系统，对预验证光学系统进行仿真，获得仿真结果；

45、获取验证指标集，验证指标集中的验证指标包括：成像质量、分辨率、视场范围、光斑尺寸和畸变；

46、根据仿真结果，判断验证指标是否均通过验证；

47、若验证指标均通过验证，则将对应预验证光学系统作为目标光学系统；

48、若存在验证指标未通过验证，则将对应未通过验证的验证指标作为待调整指标；

49、根据待调整指标，确定优化措施；

50、根据优化措施进行优化，获得目标光学系统。

51、优选的，根据待调整指标，确定优化措施，包括：

52、依次确定每一待调整指标的优化子措施；

53、分析优化子措施是否影响独立；

54、若影响独立，将影响独立的优化子措施作为独立优化子措施；

55、若影响不独立，将影响不独立的优化子措施作为关联优化子措施；

56、获取关联优化子措施的相互干扰项；

57、根据相互干扰项对关联优化子措施进行协同优化，获得协同优化子措施；

58、将独立优化子措施和协同优化子措施共同作为优化措施。

59、优选的，依次确定每一待调整指标的优化子措施，包括：

60、当待调整指标为畸变时，进行畸变归因，获取归因结果；

61、若归因结果为热透镜效应，则获取热透镜效应的解决措施库；

62、获取预验证光学系统的仿真元件特征集；

63、根据仿真元件特征集和解决措施库，确定归因结果为热透镜效应时的优化子措施。

64、优选的，当待调整指标为畸变时，进行畸变归因，获取归因结果，包括：

65、当待调整指标为畸变时，在相应预验证光学系统进行仿真时引入温度变化，获取第一畸变变化；

66、基于热透镜效应原理，根据温度变化，预测第二畸变变化；

67、计算第一畸变变化和第二畸变变化的第一变化相似性；

68、若第一变化相似性大于等于预设的第一变化相似性阈值，则获取仿真元件的温度敏感性信息；

69、基于热透镜效应原理，根据温度敏感性信息，预测第三畸变变化；

70、计算第一畸变变化和第三畸变变化的第二变化相似性；

71、若第二变化相似性大于等于预设的第二变化相似性阈值，则畸变归因的归因结果为热透镜效应。

72、优选的，根据仿真元件特征集和解决措施库，确定归因结果为热透镜效应时的优化子措施，包括：

73、根据仿真元件特征集，构建仿真元件特征向量；

74、匹配仿真元件特征向量和解决措施库中的标准向量，若匹配符合，将匹配符合的标准向量对应的解决措施作为归因结果为热透镜效应时的优化子措施。

75、本发明实施例提供一种超广角大工作面f-theta镜头，运用到任意一项上述的方法进行设计并制作得到。

76、本发明的有益效果为：

77、本发明引入f-theta镜头的设计需求和光学系统布局模型，并初步构建预验证光学系统，镜头设计更便捷，获取预验证光学系统中验证通过的目标光学系统，根据目标光学系统对应的目标设计方案进行相应的镜头设计，镜头设计更适宜。

78、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过本技术文件中所特别指出的结构来实现和获得。

79、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。