CN101762869B - 光学镜头 - Google Patents

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Abstract

一种光学镜头，包括根据光线的入射方向依次排列的第一至第四透镜，其特征在于，该第一透镜为凹平型透镜；该第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第三透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第四透镜为凸平型透镜；该光学镜头的焦距为120mm、相对孔径为1∶2.7；入射激光经过该光学镜头后可在待加工材质内最大为60*60*100mm3的空间范围实现精细内雕。实现了大相对孔径聚焦，并且像点更细、清晰并且不会变形。

Description

光学镜头
技术领域
本发明涉及光学镜头，尤其涉及进行激光内雕工艺处理的F-theta光学镜头。
背景技术
目前，F-theta光学镜头已经广泛应用于激光内雕工艺中，在中国专利200520061518.2所公开的一种水晶激光内雕机中，起聚焦作用的F-theta光学镜头是设置在扫描Y轴振镜与待加工物体之间，以将波长为532nm的激光的能量聚焦到水晶或玻璃等材质为高熔点的SiO2材质的待加工物体内部，通过激光在极短时间内产生的巨脉冲，起能量能够在瞬间使材质受热破裂，从而产生极小的白点，而在待加工物体内部雕出设定的图案，而待加工物体的表面却能够完好无损地保持原样。
现有的F-theta光学镜头，如中国专利200520062061.7所公开的一种激光内雕镜头，焦距为80mm，采用四个透镜构成，其中面向入射光的第一面透镜为凹透镜，其它三面透镜均为凸透镜。
然而，随着时间的推移，内雕技术越来越细微，要求达到“照相”的效果，这就对F-theta光学镜头有了更高的要求：不仅要具有更大的相对孔径，还要达到比照相物镜更高的成像质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，而提出一种能够具有更大的相对孔径，并且能够达到比照相物镜更高的成像质量的F-theta光学镜头。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，设计制造一种光学镜头，包括根据光线的入射方向依次排列的第一至第四透镜，该第一透镜为凹平型透镜；该第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第三透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第四透镜为凸平型透镜；该光学镜头的焦距为120mm、相对孔径为1∶2.7；入射激光经过该光学镜头后可在 待加工材质内最大为60*60*100mm3的空间范围实现精细内雕。
该光学镜头的视场角为46°，当入射激光到达该第一透镜的行程为20-60mm，出射激光到达待加工材质表面的行程为53-121mm距离，并且待加工材质的厚度为150-50mm时，入射激光经过该光学镜头后，在待加工材质内的内雕空间的成像斑点的大小在10μm以内，能量完全集中在10μm以内。
同现有技术相比，本发明的光学镜头，相对孔径可增大1.5倍，实现了较大的相对孔径聚焦，并且像点更细、清晰并且不会变形。
附图说明
图1为本发明的光学镜头实施例的光学系统示意图。
图2为本发明的光学镜头实施例的光线追迹示意图。
图3为本发明的光学镜头实施例的成像点的弥散斑示意图。
图4为本发明的光学镜头实施例的能量集中度示意图。
图5为本发明的光学镜头实施例的MTF(光学传递函数)示意图。
具体实施方式
以下结合各附图所示之最佳实施例作进一步详述。
本发明实施例的光学镜头，如图1所示，由四个透镜L1、L2、L3和L4构成，波长为532nm的激光是通过X轴振镜1和Y轴振镜2而入射透镜L1。其中，第一透镜L1距Y振镜2距离d0为20-60mm，第一透镜L1为凹平型透镜；第二透镜L2为弯月型透镜，曲面向着Y轴振镜2的方向弯曲；第三透镜L3为弯月型透镜，曲面向着Y轴振镜2的方向弯曲；第四透镜L4为凸平型透镜。
四个透镜的具体结构及参数为：
第一透镜L1分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1，材料为Nd1∶Vd1；
第二透镜L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3∶Vd3；
第三透镜L3分别由曲率半径为R5，R6的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5∶Vd5；
第四透镜L4分别由曲率半径为R7、R8的两个曲面S7、S8构成，其光轴上的中心厚度d7，材料为Nd7∶Vd7；
并且，第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的间距为d6，第四透镜L4与被雕刻材质的第一面在光轴上的间距为d8，被雕刻材质的厚度为d9。
结合以上的参数，本发明给出了一个F-theta光学镜头的具体设计，针对波长为532nm的激光，其具体数据有：f(焦距)＝120mm；D/f(相对孔径)＝1∶2.7；2ω(视场角)＝46°；d9＝150-50mm；内雕范围为60*60*100mm3。
本发明的光学镜头实施例的具体设计参数的典型值，如下表：
  序号   曲率R(mm)   面间隔d(mm)   材料Nd/Vd
  1   -48   3.5   1.5/64
  2   平面   11.9     ---
  3   -84   7   1.8/25
  4   -75   0.5   ---
  5   -75   12   1.8/25
  6   -770   0.5     ---
  7   185   8   1.8/25
  8   平面   53-119mm     ---
其中，各结构参数的动态设计范围有：
ΔR1-8≤±5％*(R1-R8)；
Δd1-7≤±5％*(d1-d7)；
ΔNd1-7/ΔVd1-7≤±5％*(Nd1/Vd1-Nd7/Vd7)。
本发明的F-theta光学镜头实施例的具体成像质量如下：
参见图2所示的光线追迹，本发明的光学镜头实施例是一个没有渐晕的远心系统。
参见图3所示的几何弥散斑，只有10μ，表明具有很高的成像质量。
参见图4所示的能量集中度，表明能量也是集中在Δδ＝10μ左右。
参见图5所示的MTF，本发明的光学镜头实施例的镜头综合成像评价，也接近理想。
与现有技术相比，本发明实施例的光学镜头，增大了相对孔径达1.5倍，实现了大相对孔径聚焦，像差校正后的聚焦点更小，当焦距f＝120mm时，可在SiO2材质内最深达50-100mm、最大达60*60*100mm3的空间范围内实现内雕，而像点更细、清晰并且不会变形。
以上，仅为本发明之较佳实施例，意在进一步说明本发明，而非对其进行限定。凡根据上述之文字和附图所公开的内容进行的简单的替换，都在本专利的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学镜头，包括根据光线的入射方向依次排列的第一至第四透镜，其特征在于，该第一透镜为凹平型透镜；该第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第三透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；该第四透镜为凸平型透镜；该光学镜头的焦距为120mm、相对孔径为1∶2.7；入射激光经过该光学镜头后可在待加工材质内最大为60*60*100mm3的空间范围实现精细内雕。
2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，该光学镜头的视场角为46°，当入射激光到达该第一透镜的行程为20-60mm，出射激光到达待加工材质表面的行程为53-121mm距离，并且待加工材质的厚度为150-50mm时，入射激光经过该光学镜头后，在待加工材质内的内雕空间的成像斑点的大小在10μm以内，能量完全集中在10μm以内。
3.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成，R1的值为-48mm±5％，该第一透镜的光轴上的中心厚度为3.5mm±5％。
4.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第二透镜由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成，R3的值为-84mm±5％，R4的值为-75mm±5％，该第二透镜的光轴上的中心厚度为7mm±5％。
5.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第三透镜由曲率半径为R5、R6的两个曲面S5、S6构成，R5的值为-75mm±5％，R6的值为-770mm±5％，该第三透镜的光轴上的中心厚度为12mm±5％。
6.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第四透镜由曲率半径为R7、R8的两个曲面S7、S8构成，R7的值为185mm±5％，该第四透镜的光轴上的中心厚度为8mm±5％。
7.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第二透镜与第一透镜之间的光轴上的间距为11.9mm±5％。
8.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第三透镜与第二透镜之间的光轴上的间距为0.5mm±5％。
9.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第四透镜与第三透镜之间的光轴上的间距为0.5mm±5％。
10.如权利要求1或2所述的光学镜头，其特征在于，该第一透镜的材质为Nd∶Vd＝1.5∶64，±5％的误差范围；该第二、三以及第四透镜的材质均为Nd∶Vd＝1.8∶25，±5％的误差范围。
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