CN101776789A

CN101776789A - 激光光学镜头

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Publication number: CN101776789A
Application number: CN200910188811A
Authority: CN
Inventors: 高云峰; 李家英; 周朝明
Original assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: CN101776789B

Abstract

一种激光光学镜头，包括：依次设置的第一、二、三、四透镜，所述第一透镜为凹平型透镜，所述第二、三透镜为弯月型透镜且朝着激光发射方向弯曲，所述第四透镜为双凸型透镜；上述的激光光学镜头采用依次设置的第一、二、三、四透镜，第一透镜采用凹平型透镜，第二、三透镜采用弯月型透镜且朝着激光发射方向弯曲，第四透镜为双凸型透镜形成大相对孔径，大视场，无畸变的激光光学镜头，激光经上述的光学镜头聚焦后形成适合内雕的细圆点，雕刻出的图像细腻且层次分明；且本实施例的激光光学镜头，可批量生产，而且生产出来的镜头质量稳定。

Description

激光光学镜头

【技术领域】

本发明涉及一种光学镜头，特别是涉及一种用于激光内雕的激光光学镜头。

【背景技术】

目前，利用F-θ光学镜头在介质表面上打标、焊接、切割等应用上取得了各项成果，技术也相对成熟。而近年来发展起来的一种新技术----内雕，要求能在介质中进行平面或立体打标或雕刻，进行内雕的F-θ光学镜头因内雕技术本身要求与一般的F-θ镜头完全不同，它除了要满足一般F-θ镜头的要求外，还要考虑到雕刻的图像在待雕刻介质的内部打标或雕刻的效果，而且还要满足透明的内雕介质的四面观察的效果，内雕F-θ光学镜头对立体成像的像质有更高的要求。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能满足内雕要求的激光光学镜头。

一种激光光学镜头，包括：依次并同光轴设置的第一、二、三、四透镜，所述第一透镜为凹平型透镜，所述第二、三透镜为弯月型透镜且朝着激光发射方向弯曲，所述第四透镜为双凸型透镜，所述镜头的焦距为160mm，所述镜头的相对孔径为1∶8。

优选的，所述镜头的视场角为50°，所述镜头的内雕范围为100×100×100mm³。

优选的，所述第一透镜的材料的折射率/色散系数为1.5/64，所述第二、三、四透镜的材料的折射率/色散系数为1.8/25，所述第一透镜包括曲率半径为-55mm的第一曲面及曲率半径为0的第二曲面，所述第二透镜包括曲率半径为-80mm的第三曲面及曲率半径为-77mm的第四曲面，所述第三透镜包括曲率半径为-630mm的第五曲面及曲率半径为-100mm的第六曲面，所述第四透镜包括曲率半径为630mm的第七曲面及曲率半径为-220mm的第八曲面，所述第一曲面与第二曲面间隔3mm，所述第二曲面与第三曲面间距10mm，所述第三曲面与第四曲面间隔5mm，所述第四曲面与第五曲面间隔0.5mm，所述第五曲面与第六曲面间隔12mm，所述第六曲面与第七曲面间隔0.5mm，所述第七曲面与第八曲面间隔10mm。

优选的，所述第一、二、三、四透镜所包含的曲面的曲率半径误差控制在各自曲面的曲率半径的±5％的范围内。

优选的，所述第一、二、三、四透镜所包含的曲面中相邻的两曲面的面间隔的间距误差控制在各自面间隔间距的±5％范围内。

优选的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜各自的材料的折射率/色散系数的误差控制在各自的材料的折射率/色散系数的±5％的范围内。

优选的，所述第一透镜与Y轴振镜的距离为20-60mm。

优选的，所述第四透镜与离第四透镜最近的待雕刻介质的表面的距离为62-128mm。

优选的，所述激光的波长为532nm，所述待雕刻介质的厚度为105-205mm，激光内雕深度为100-200mm。

上述的激光光学镜头采用依次设置的第一、二、三、四透镜，第一透镜采用凹平型透镜，第二、三透镜采用弯月型透镜且朝着激光发射方向弯曲，第四透镜为双凸型透镜形成大相对孔径，大视场，无畸变的激光光学镜头，激光经上述的激光光学镜头聚焦后形成适合内雕的细圆点，雕刻出的图像细腻且层次分明；且本实施例的激光光学镜头，可批量生产，而且生产出来的镜头质量稳定。

【附图说明】

图1是本发明一实施例的激光光学镜头的光学系统结构示意图；

图2为激光经本发明一较佳实施例的激光光学镜头聚焦后的光线追迹图；

图3为本发明一较佳实施例的激光光学镜头的弥散斑图；

图4为本发明一较佳实施例的激光光学镜头的像散、场曲及畸变图；

图5为本发明一较佳实施例的激光光学镜头的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的一实施例进行具体说明。

如图1所示，本发明一实施例的激光光学镜头100，包括依次设置的第一透镜20、第二透镜40、第三透镜60、第四透镜80。第一透镜20为凹平型透镜，其包括曲率半径设置不同的第一曲面S1及第二曲面S2。本实施例中第一曲面S1为凹曲面，第二曲面S2为曲率半径为0的平型面。

第二透镜40及第三透镜60为弯月型透镜，且第二透镜40及第三透镜60均朝着激光发射方向弯曲。第二透镜40包括曲率半径设置不同的第三曲面S3及第四曲面S4。第三透镜60包括曲率半径设置不同的第五曲面S5及第六曲面S6。第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5及第六曲面S6均为中间向内凹陷形成凹曲面。

第四透镜80为双凸型透镜，包括曲率半径设置不同的第七曲面S7及第八曲面S8。

本实施例的激光光学镜头100主要用于激光内雕中，由激光源所发出的光束依次经两绕彼此正交并分别绕X轴、Y轴转动的X轴振镜10、Y轴振镜30，再通过F-θ光学镜头100聚焦在待雕刻介质50中。本实施例中的第二透镜40、第三透镜60的曲面均朝着Y轴振镜30方向弯曲。

本实施例的激光光学镜头100为F-θ光学镜头。本实施例的激光光学镜头100，应用在内雕中，除了要满足一般F-θ光学镜头的要求外，还要增加考虑在待雕刻介质50的内部雕刻的效果，而且还要满足待雕刻介质50在雕刻后的雕刻图像的四面观察的效果，对立体成像的像质相对一般雕刻来说有更高的要求。且由于激光内雕是要聚焦在透明的待雕刻介质50内，而光在待雕刻介质50中的光程是有象差的，像差的大小与待雕刻介质50的深度有关，所以激光内雕对于激光光学镜头100的要求极高，且待雕刻介质50的选用及位置设置也相当重要；另外为了使雕刻出的图像细腻且层次分明，要求经过激光光学镜头100聚焦后的所有聚焦点是一个细圆点，同时聚焦点还需满足聚焦点在待雕刻介质中的立体深度要求。

本实施例中，第一透镜20与Y轴振镜30的距离d0＝20-60mm。本实施例中，为了方便、及时观察到待雕刻介质的内雕效果，采用了λ＝532nm的绿激光进行说明。

在本实施例中，第一透镜20、第二透镜40、第三透镜60、第四透镜80所包含的曲面的曲率半径的误差ΔR1-8(即第一曲面S1的曲率半径R1的误差ΔR1、第二曲面S2的曲率半径R2的误差ΔR2、第三曲面S3的曲率半径R3的误差ΔR3、第四曲面S4的曲率半径R4的误差ΔR4、第五曲面S5的曲率半径R5的误差ΔR5及第六曲面S6的曲率半径R6的误差ΔR6、第七曲面S7的曲率半径R6的误差ΔR7及第八曲面S8的曲率半径R8的误差ΔR8)都控制在各自曲面的曲率半径R的±5％以内，即ΔR1≤±5％R1；ΔR2≤±5％R2；ΔR3≤±5％R3；......ΔR8≤±5％R8。

第一透镜20、第二透镜40、第三透镜60、第四透镜80在光轴上的中心厚度d1、d3、d5、d7的误差及后一个透镜与前一个透镜之间在光轴上的间距的误差(即第一透镜20与第二透镜40在光轴上的间距d2、第二透镜40与第三透镜60在光轴上的间距d4、第三透镜60与第四透镜80在光轴上的间距d6的误差Δd1-7)控制在各自间距的±5％的范围内，即Δd1≤±5％d1；Δd2≤±5％d2；Δd3≤±5％d3；Δd4≤±5％d4；Δd5≤±5％d5；......Δd7≤±5％d7。

第一透镜20、第二透镜40、第三透镜60、第四透镜80的材料的折射率/色散系数即Nd1/Vd1、Nd2/Vd2、Nd3/Vd3、Nd4/Vd4的误差ΔNd1-7/Vd1-7控制各自透镜的材料的折射率/色散系数的的±5％的范围内，即ΔNd1/Vd1≤±5％(Nd1/Vd1)；ΔNd2/Vd2≤±5％(Nd2/Vd2)；ΔNd3/Vd3≤±5％(Nd3/Vd3)......ΔNd7/Vd7≤±5％(Nd7/Vd7)。

在一优选的实施例中，激光光学镜头100的焦距f＝160mm，相对孔径D/f＝1∶8，视场角2ω＝50°，待雕刻介质50离F-θ光学镜头100最近的表面(即待雕刻介质50的第一表面500与第四透镜80)的距离d8＝62-128mm。待雕刻介质的厚度d9＝105-205mm，内雕深度为100-200mm，待雕刻介质50的内雕图像的体积大小范围在100×100×100mm³内。

第一透镜20的材料为Nd1/Vd1(折射率/色散系数)＝1.5/64，第一曲面S1的曲率半径R1＝-55mm，第二曲面S2的曲率半径R2＝0，第一曲面与第二曲面的面间隔即第一透镜20的中心厚度d1＝3mm。

第二透镜40的材料为Nd2/Vd2＝1.8/25。第三曲面S3的曲率半径R3＝-80mm，第四曲面S4的曲率半径R4＝-77mm。第三曲面S3与第二曲面S2的面间隔(即第一透镜20与第二透镜40在光轴上的间距)d2＝10mm。第三曲面S3与第四曲面S4的面间隔(即第二透镜40的中心厚度)d3＝5。

第三透镜60的材料为Nd3/Vd3＝1.8/25。第五曲面S5的曲率半径R5＝-630mm。第六曲面S6的曲率半径R6＝-100mm。第五曲面S5与第四曲面S4的面间隔(即第三透镜60与第二透镜40在光轴上的间距)d4＝0.5mm。第五曲面S5与第六曲面S6的面间隔(即第三透镜60的中心厚度)d5＝12mm。

第四透镜80的材料为Nd4/Vd4＝1.8/25。第七曲面S7的曲率半径R7＝630mm。第八曲面S8的曲率半径R8＝-220mm。第七曲面S7与第六曲面S6的面间隔的间距(即第四透镜80与第三透镜60在光轴上的间距)d6＝0.5mm。第七曲面S7与第八曲面S8的面间隔(即第四透镜80的中心厚度)d7＝10mm。并列表如下：

根据上述方案，通过计算机模拟可以得到如图2至图5的模拟结果。图2为激光经上述实施例的激光光学镜头100聚焦后的光线追迹图，表明在没有渐晕时接近远心。

图3为激光经上述实施例的激光光学镜头100聚焦后的弥散斑图，表明当雕刻或打标范围扩展为100mm×100mm时还能保证高质量成像。

图4为激光经上述实施例的激光光学镜头100聚焦后的场曲、畸变图，表明当雕刻或打标范围扩展为100mm×100mm时，激光经上述实施例的激光内雕用F-θ光学镜头100聚焦后的依然可以保持平场成像的要求，而且畸变极小。

图5为激光经上述实施例的激光光学镜头100聚焦后的成像的综合像质评价的MTF(光传递函数)图。各视场的MTF值较一致，接近达到理想状态。

本实施例的激光光学镜头，保证内雕的F-θ光学镜头大相对孔径，大视场，无畸变等技术要求，同时使用了高透过率的玻璃材料。并增加考虑在介质内深度打标的特殊要求而做的特殊设计。

本实施例的激光光学镜头，可批量生产，而且生产出来的镜头质量稳定。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种激光光学镜头，其特征在于，包括：依次并同光轴设置的第一、二、三、四透镜，所述第一透镜为凹平型透镜，所述第二、三透镜为弯月型透镜且朝着激光发射方向弯曲，所述第四透镜为双凸型透镜，所述镜头的焦距为160mm，所述镜头的相对孔径为1∶8。

2.根据权利要求1中所述的激光光学镜头，其特征在于，所述镜头的视场角为50°，所述镜头的内雕范围为100×100×100mm³。

3.根据权利要求1或2所述的激光内雕F-θ光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料的折射率/色散系数为1.5/64，所述第二、三、四透镜的材料的折射率/色散系数为1.8/25，所述第一透镜包括曲率半径为-55mm的第一曲面及曲率半径为0的第二曲面，所述第二透镜包括曲率半径为-80mm的第三曲面及曲率半径为-77mm的第四曲面，所述第三透镜包括曲率半径为-630mm的第五曲面及曲率半径为-100mm的第六曲面，所述第四透镜包括曲率半径为630mm的第七曲面及曲率半径为-220mm的第八曲面，所述第一曲面与第二曲面间隔3mm，所述第二曲面与第三曲面间距10mm，所述第三曲面与第四曲面间隔5mm，所述第四曲面与第五曲面间隔0.5mm，所述第五曲面与第六曲面间隔12mm，所述第六曲面与第七曲面间隔0.5mm，所述第七曲面与第八曲面间隔10mm。

4.根据权利要求1或2所述的激光光学镜头，其特征在于，所述第一、二、三、四透镜所包含的曲面的曲率半径误差控制在各自曲面的曲率半径的±5％的范围内。

5.根据权利要求1或2中所述的激光光学镜头，其特征在于：所述第一、二、三、四透镜所包含的曲面中相邻的两曲面的面间隔的间距误差控制在各自面间隔间距的±5％范围内。

6.根据权利要求1或2中所述的激光光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜各自的材料的折射率/色散系数的误差控制在各自的材料的折射率/色散系数的±5％的范围内。

7.根据权利要求1或2中所述的激光光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与Y轴振镜的距离为20-60mm。

8.根据权利要求1或2中所述的激光光学镜头，其特征在于，所述第四透镜与离第四透镜最近的待雕刻介质的表面的距离为62-128mm。

9.根据权利要求1或2中所述的激光光学镜头，其特征在于，所述激光的波长为532nm，所述待雕刻介质的厚度为105-205mm，激光的内雕深度为100-200mm。