CN103984078B

CN103984078B - 用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头

Info

Publication number: CN103984078B
Application number: CN201410238948.0A
Authority: CN
Inventors: 谢泽楷; 王庆元; 梁云峰; 张坤; 高云峰
Original assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2014-05-30
Filing date: 2014-05-30
Publication date: 2016-07-27
Anticipated expiration: 2034-05-30
Also published as: CN103984078A

Abstract

本发明公开一种用于激光光斑与指示光光斑重合的f‑theta光学镜头，其包括沿光线的入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；该镜头的焦距为210mm，入瞳直径为30mm，入射光波长为1064nm，指示光及视觉影像照明为红光，红光波长为630nm，视场角为ω，其中，2ω＝50°，加工面积为130mm*130mm，该镜头结构紧凑，加工聚焦光斑小，在满足激光加工的技术要求的同时消除了红光与加工激光波长的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，节省调试用料及调试时间，同时在加工面积内红光成像清晰；而且能够配合其它工业镜头在红光照明时进行同轴影像定位、测量及监视。

Description

用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头

技术领域

本发明涉及带机器视觉的激光加工领域，尤其涉及一种用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头。

背景技术

目前，激光加工的应用越来越广泛，而带机器视觉的激光加工也是行业发展的趋势。

普通的f-theta光学镜头一般只针对激光波长进行相差的矫正，指示光与激光由于色差的影响不能重合，实际生产示较焊点时需要参考指示光斑进行多次调整才能精确定位；同时可见光经过镜头会产生较大的相差，特别是色差及场曲，所以无法直接配合CCD使用进行视觉定位及测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术激光光斑与指示光光斑无法重合的缺陷，提供一种用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头，该技术方案节省了调试用料及调试时间，同时可以在红光照明下配合其它工业镜头进行视觉影像定位、测量及监视。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头，其包括沿光线的入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜的曲面、所述第二透镜的曲面和所述第四透镜的曲面均沿着光线的入射方向弯曲；所述f-theta光学镜头的焦距为210mm，入瞳直径为30mm，入射光波长为1064nm，所述指示光及视觉影像照明为红光，所述红光波长为630nm，视场角为ω，其中，2ω＝50°，加工面积为130mm*130mm。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第二透镜为弯月正透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，所述第四透镜为弯月负透镜。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述激光为视觉影像照明激光。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第一透镜包括曲率半径为R1的曲面S1和曲率半径为R2的曲面S2，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为d1，所述第一透镜的材料为Nd1：Vd1，其中，所述曲率半径R1为-46.612mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R2为-141.58mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d1为3.49mm，所述第一透镜的材料Nd1：Vd1为1.76/26.6，其修正范围为±5％；Nd1表示所述第一透镜的折射率，Vd1表示所述第一透镜的阿贝数。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第二透镜包括曲率半径为R3的曲面S3和曲率半径为R4的曲面S4，所述第二透镜在光轴上的中心厚度为d3，所述第二透镜的材料为Nd3：Vd3，其中，所述曲率半径R3为-123.1mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R4为-64.7mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d3为16.73mm，所述第二透镜的材料Nd2：Vd2为1.88/40.8，其修正范围为±5％；Nd2表示所述第二透镜的折射率，Vd2表示所述第二透镜的阿贝数。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第三透镜包括曲率半径为R5的曲面S5和曲率半径为R6的曲面S6，所述第三透镜在光轴上的中心厚度为d5，所述第三透镜的材料为Nd5：Vd5，其中，所述曲率半径R5为2040mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R6为-105.343mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d5为19.93mm所述第三透镜的材料Nd3：Vd3为1.80/46.8，其修正范围为±5％；Nd3表示所述第三透镜的折射率，Vd3表示所述第三透镜的阿贝数。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第四透镜包括曲率半径为R7的曲面S7和曲率半径为R8的曲面S8，所述第四透镜在光轴上的中心厚度为d7，所述第四透镜的材料为Nd7：Vd7，其中，所述曲率半径R7为-97.98mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R8为-143.02mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d7为4.22mm，所述第四透镜的材料Nd4：Vd4为1.946/17.9，其修正范围为±5％；Nd4表示所述第四透镜的折射率，Vd4表示所述第四透镜的阿贝数。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的间距为d2，所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的间距为d4，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的间距为d6,其中，d2为2.2mm，其修正范围为±5％；d4为0.22mm，其修正范围为±5％；d6为12.08mm，其修正范围为±5％。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述第四透镜与其成像面之间还设有一保护平板玻璃，所述保护平板玻璃的厚度为5mm，所述保护平板玻璃的材质为Nd9：Vd9，其中，所述保护平板玻璃的材质Nd9：Vd9为1.52/64.2，其修正范围为±5％；Nd9表示所述保护平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保护平板玻璃的阿贝数。

在本发明所述的f-theta光学镜头中，所述保护平板玻璃在光轴上的间距为d9，其中，d9为2mm，其修正范围为±5％。

实施本发明的技术方案，具体以下有益效果：本发明提供的f-theta光学镜头整体结构紧凑，加工聚焦光斑小，在满足激光加工的技术要求的同时消除了红光与加工激光波长的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，节省调试用料及调试时间，同时在加工面积内红光成像清晰；而且能够配合其它工业镜头在红光照明时进行同轴影像定位、测量及监视。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头的结构示意图；

图2是本发明f-theta光学镜头的弥散图；

图3是本发明f-theta光学镜头的场曲和畸变图；

图4是本发明f-theta光学镜头的指示光与激光重合程度的曲线图；

图5是本发明f-theta光学镜头的MTF曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1是本发明用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头的结构示意图；如图1所示，该f-theta光学镜头包括沿光线的入射方向依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4；所述第一透镜L1的曲面、所述第二透镜L2的曲面和所述第四透镜L4的曲面均沿着光线的入射方向弯曲；所述f-theta光学镜头的焦距为210mm，入瞳直径为30mm，入射光波长为1064nm，所述指示光及视觉影像照明为红光，所述红光波长为630nm，视场角为ω，其中，2ω＝50°，加工面积为130mm*130mm。应当说明的是，该f-theta光学镜头的整体结构非常紧凑，加工聚焦光斑小，在满足激光加工的技术要求的同时消除了红光与加工激光波长的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，示较焊点时可直接根据指示光斑位置打点确定坐标；同时可以在红光照明下配合其它工业镜头进行视觉影像定位、测量及监视。由于指示光光斑与激光光斑重合，可根据指示光斑所示位置直接打点而不需要进行多次调整，节省调试用料及调试时间，同时在加工面积内红光成像清晰。

如图1所示，所述第一透镜L1与所述第二透镜L2在光轴上的间距为d2，所述第二透镜L2与所述第三透镜L3在光轴上的间距为d4，所述第三透镜L3与所述第四透镜L4在光轴上的间距为d6,其中，d2为2.2mm，其修正范围为±5％；d4为0.22mm，其修正范围为±5％；d6为12.08mm，其修正范围为±5％。

如图1所示，所述第一透镜L1包括曲率半径为R1的曲面S1和曲率半径为R2的曲面S2，所述第一透镜L1在光轴上的中心厚度为d1，所述第一透镜L1的材料为Nd1：Vd1，其中，所述曲率半径R1为-46.612mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R2为-141.58mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d1为3.49mm，所述第一透镜L1的材料Nd1：Vd1为1.76/26.6，其修正范围为±5％；Nd1表示所述第一透镜L1的折射率，Vd1表示所述第一透镜L1的阿贝数。

如图1所示，所述第二透镜L2包括曲率半径为R3的曲面S3和曲率半径为R4的曲面S4，所述第二透镜L2在光轴上的中心厚度为d3，所述第二透镜L2的材料为Nd3：Vd3，其中，所述曲率半径R3为-123.1mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R4为-64.7mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d3为16.73mm，所述第二透镜L2的材料Nd2：Vd2为1.88/40.8，其修正范围为±5％；Nd2表示所述第二透镜L2的折射率，Vd2表示所述第二透镜L2的阿贝数。

如图1所示，所述第三透镜L3包括曲率半径为R5的曲面S5和曲率半径为R6的曲面S6，所述第三透镜L3在光轴上的中心厚度为d5，所述第三透镜L3的材料为Nd5：Vd5，其中，所述曲率半径R5为2040mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R6为-105.343mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d5为19.93mm所述第三透镜L3的材料Nd3：Vd3为1.80/46.8，其修正范围为±5％；Nd3表示所述第三透镜L3的折射率，Vd3表示所述第三透镜L3的阿贝数。

如图1所示，所述第四透镜L4包括曲率半径为R7的曲面S7和曲率半径为R8的曲面S8，所述第四透镜L4在光轴上的中心厚度为d7，所述第四透镜L4的材料为Nd7：Vd7，其中，所述曲率半径R7为-97.98mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R8为-143.02mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d7为4.22mm，所述第四透镜L4的材料Nd4：Vd4为1.946/17.9，其修正范围为±5％；Nd4表示所述第四透镜L4的折射率，Vd4表示所述第四透镜L4的阿贝数。

在本实施例中，所述第四透镜L4与其成像面之间还设有一保护平板玻璃L5，所述保护平板玻璃的厚度为5mm，所述保护平板玻璃的材质为Nd9：Vd9，其中，所述保护平板玻璃的材质Nd9：Vd9为1.52/64.2，其修正范围为±5％；Nd9表示所述保护平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保护平板玻璃的阿贝数。所述保护平板玻璃L5在光轴上的间距为d9，d9为2mm，其修正范围为±5％。

在本实施例中，所述第一透镜L1为弯月负透镜，所述第二透镜L2为弯月正透镜，所述第三透镜L3为双凸正透镜，所述第四透镜L4为弯月负透镜。所述激光为视觉影像照明激光。

请结合参阅图2，图2是本发明f-theta光学镜头的弥散图，如图2所示，激光弥散斑的形状及尺寸反映了该f-theta光学镜头对应于激光的像差，从图2中可看出激光弥散斑的均方根半径为22.071um，表明用该f-theta光学镜头进行激光加工时，其能量集中程度较好，可满足现有的焊接要求。

请结合参阅图3，图3是本发明f-theta光学镜头的场曲和畸变图，如图3所示，激光加工时配合扫描振镜使用，其畸变对应为F-theta畸变，当畸变为零时，像高Y＝f*θ，其中，f为镜头焦距，θ为激光入射角。在考虑到扫描电机重复定位精度时一般要求F-theta畸变小于0.5％。激光场曲为激光加工时，其焦面不同视场弯曲的的程度，如图3所示，该镜头在0.8视场(±17.5°入射角)时最大场曲小于0.3mm，而1视场(±25°入射角)对应的场曲为0.2mm。

请结合参阅图4，图4是本发明f-theta光学镜头的指示光与激光重合程度的曲线图，如图4所示，在指示光跟激光重合时，从图4可以看出0.7视场指示光跟激光在靶面上的距离小于0.02mm，而1视场为0.036mm,重合程度高。在生产中可以直接根据指示光指示位置打点示较，无需重复调整。

请结合参阅图5，图5是本发明f-theta光学镜头的MTF曲线图，如图5所示，如图5所示，在红光照明下成像清晰，0.7视场(±17.5°)内MTF接近衍射极限。可在红光照明下配合不同CCTV镜头或者其他工业镜头对焊接进行影像定位等视觉处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种用于激光光斑与指示光光斑重合的f-theta光学镜头，其特征在于，其包括沿光线的入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜、所述第二透镜和所述第四透镜的物侧面均为凹面，像侧面均为凸面；所述f-theta光学镜头的焦距为210mm，入瞳直径为30mm，入射光波长为1064nm；所述激光为视觉影像照明激光，所述指示光及视觉影像照明为红光，所述红光波长为630nm，视场角为ω，其中，2ω＝50°，加工面积为130mm*130mm。

2.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第二透镜为弯月正透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，所述第四透镜为弯月负透镜。

3.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜包括曲率半径为R1的曲面S1和曲率半径为R2的曲面S2，所述第一透镜在光轴上的中心厚度为d1，所述第一透镜的材料为Nd1：Vd1，其中，所述曲率半径R1为-46.612mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R2为-141.58mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d1为3.49mm，所述第一透镜的材料Nd1：Vd1为1.76±5％：26.6±5％；Nd1表示所述第一透镜的折射率，Vd1表示所述第一透镜的阿贝数。

4.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第二透镜包括曲率半径为R3的曲面S3和曲率半径为R4的曲面S4，所述第二透镜在光轴上的中心厚度为d3，所述第二透镜的材料为Nd3：Vd3，其中，所述曲率半径R3为-123.1mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R4为-64.7mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d3为16.73mm，所述第二透镜的材料Nd2：Vd2为1.88±5％：40.8±5％；Nd2表示所述第二透镜的折射率，Vd2表示所述第二透镜的阿贝数。

5.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第三透镜包括曲率半径为R5的曲面S5和曲率半径为R6的曲面S6，所述第三透镜在光轴上的中心厚度为d5，所述第三透镜的材料为Nd5：Vd5，其中，所述曲率半径R5为2040mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R6为-105.343mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d5为19.93mm所述第三透镜的材料Nd3：Vd3为1.80±5％：46.8±5％；Nd3表示所述第三透镜的折射率，Vd3表示所述第三透镜的阿贝数。

6.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第四透镜包括曲率半径为R7的曲面S7和曲率半径为R8的曲面S8，所述第四透镜在光轴上的中心厚度为d7，所述第四透镜的材料为Nd7：Vd7，其中，所述曲率半径R7为-97.98mm，其修正范围为±5％；所述曲率半径R8为-143.02mm，其修正范围为±5％；所述光轴上的中心厚度d7为4.22mm，所述第四透镜的材料Nd4：Vd4为1.946±5％：17.9±5％；Nd4表示所述第四透镜的折射率，Vd4表示所述第四透镜的阿贝数。

7.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜在光轴上的间距为d2，所述第二透镜与所述第三透镜在光轴上的间距为d4，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的间距为d6,其中，d2为2.2mm，其修正范围为±5％；d4为0.22mm，其修正范围为±5％；d6为12.08mm，其修正范围为±5％。

8.根据权利要求6所述的f-theta光学镜头，其特征在于，所述第四透镜与其成像面之间还设有一保护平板玻璃，所述保护平板玻璃的厚度为5mm，所述保护平板玻璃的材质为Nd9：Vd9，其中，所述保护平板玻璃的材质Nd9：Vd9为1.52±5％：64.2±5％；Nd9表示所述保护平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保护平板玻璃的阿贝数。