CN104122647A - 光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜至第五透镜，第一透镜为平凹型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为弯月型负透镜，第四透镜为弯月型正透镜，第五透镜为双凸型正透镜；每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；所述第一曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面及第十曲面均向入射光传输的方向凸出，所述第九曲面迎着入射光凸出。本发明提供的光学镜头具有较传统激光加工聚焦镜更大的入瞳直径及焦距，有利于提高加工精度和加工速度，增大加工范围，便于大幅面工件的激光加工，有效提高了加工效率。

Description

光学镜头

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种光学镜头。

背景技术

随着激光加工技术的不断发展，其应用的范围也日益增多。传统的激光加工技术由于光学系统设计的限制，其激光打标的范围受到了较大限制，当要求大幅面打标时，只好分开打标，然后再进行拼合，有时甚至只能放弃激光打标方法而采用其它更耗时耗力的方法。因此，打标范围是影响打标效率的重要因素。

打标范围A＝(f·tgω)²，打标范围与光学系统的焦距f和视场角ω有关。当f相同时，A与(tgω)²成正比，因此本领域通常采用增大视场角的方式来扩大工作面积，即打标范围。但视场角增大通常会带来像差及系统体积的增大等缺陷。

另一方面，激光打标的质量受到通光口径(入瞳)的影响，通光口径愈大，打标的精细度越高。根据瑞利判据可以确定，打标点的最小弥散斑的直径Φ＝2.44λ/D，其中：λ为打标激光的波长，D为光学镜头的入瞳直径。入瞳越大，则进入光学镜头的光能量也愈大，聚焦点的能量越高，打标质量越好，也可以加快打标速度，提高打标效率。打标镜头的通光口径也是激光加工领域的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学镜头，在控制镜头整体长度的情况下解决现有镜头通光口径小、打标面积小，进而影响激光加工的精度和效率的问题。

一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜至第五透镜，所述第一透镜为平凹型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为弯月型负透镜，所述第四透镜为弯月型正透镜，所述第五透镜为双凸型正透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面、第四透镜包括第七曲面和第八曲面、第五透镜包括第九曲面和第十曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；所述第一曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面及第十曲面均向入射光传输的方向凸出，所述第九曲面迎着入射光凸出。

在其中一个实施例中，所述第一曲面的曲率半径为-1250毫米±5％，所述第三曲面至第十曲面的曲率半径依次为-333±5％、-338±5％、-160±5％、-205±5％、-325±5％、-245±5％、1706±5％、-1875±5％，单位为毫米，所述第二曲面为平面。

在其中一个实施例中，所述第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为30±5％、30±5％、29±5％、30±5％、29±5％，单位为毫米。

在其中一个实施例中，所述第二曲面和第三曲面之间、所述第四曲面和第五曲面之间、所述第六曲面和第七曲面之间、所述第八曲面和第九曲面之间在光轴上的间距均为15毫米±5％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.5/64)±5％、所述第二透镜至第五透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.8/25)±5％。

在其中一个实施例中，所述第一透镜至第五透镜的外径依次为116±5％、125±5％、150±5％、175±5％、200±5％，单位为毫米。

在其中一个实施例中，所述光学镜头适用于绿激光的激光打标。

在其中一个实施例中，所述绿激光的波长为532纳米。

发明提供的光学镜头具有较传统激光加工聚焦镜更大的入瞳直径及焦距，入瞳的增大使进入镜头的光能增加，进而增加了聚焦点的能量，有利于提高加工精度和加工速度；焦距的增大使得激光聚焦后的工作面积增大，进而增大加工范围，便于大幅面工件的激光加工，有效提高了加工效率。与此同时，镜头采用负—正—负—正—正的镜头配置，可以在不影响成像的前提下，尽量缩小镜头长度。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为一实施例中的光学镜头的结构示意图；

图2a-2d为图1所示实施例的光学镜头的弥散斑图；

图3为图1所示实施例的光学镜头的调制传递函数M.T.F图；

图4是图1所示实施例的光学镜头的能量集中度曲线图；

图5为图1所示实施例中的光学镜头的像散图；

图6为图1所示实施例中的光学镜头的畸变图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，本说明书中光的传播方向是从附图的左边向右边传播。曲率半径的正负以曲面的球心位置与主光轴的交点为准，曲面的球心在该点以左，则曲率半径为负；反之，曲面的球心在该点以右，则曲率半径为正。另外，位于镜头左边的为物方，位于镜头右边的为像方。正透镜是指透镜的中心厚度大于比边缘厚度的透镜，负透镜是指透镜的中心厚度小于边缘厚的透镜。

图1为一实施例中的光学镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5。其中，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，第五透镜L5包括第九曲面S9和第十曲面S10，每个透镜的两个曲面分别作为光入射面和光出射面，第一曲面S1至第十曲面S10沿入射光传输的方向依次排布。第一透镜L1为平凹型负透镜，第二透镜L2为弯月型正透镜，第三透镜L3为弯月型负透镜，第四透镜L4为弯月型正透镜，第五透镜L5为双凸型正透镜。由于第一透镜L1是平凹型透镜，因此第二曲面S2的曲率为0，即第二曲面S2实际上为平面。第一曲面S1、第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5、第六曲面S6、第七曲面S7、第八曲面S8及第十曲面S10的弯曲方向相同，为向入射光传输的方向(即物方)凸出，而第九曲面迎着入射光凸出，即向像方凸出。

另外，发明人对上述五个透镜的相应结构参数进行了如下设计。具体地：

第一透镜L1的第一曲面S1的曲率半径R1为-1250mm，第二曲面S2的曲率半径为无穷大。第一透镜L1的中心厚度d1(即透镜在光轴上的厚度)为30mm，外径D1为116mm。第一透镜L1的折射率Nd1与阿贝数Vd1的比例为1.5：64。上述各参数均存在5％的公差范围，即允许各参数在±5％范围内变化。

第二透镜L2的第三曲面S3的曲率半径R3为-333mm，第四曲面S4的曲率半径R4为-338mm，第二透镜L2的中心厚度d3为30mm，外径D2为125mm。第二透镜L2的折射率Nd2与阿贝数Vd2的比例为1.8：25。第二透镜L2的各参数同样存在5％的公差范围。

第三透镜L3的第五曲面S5的曲率半径R5为-160mm，第六曲面S6的曲率半径R6为-205mm，第三透镜L3的中心厚度d5为29mm，外径D3为150mm。第三透镜L3的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比例为1.8：25。第三透镜L3的各参数同样存在5％的公差范围。

第四透镜L4的第七曲面S7的曲率半径R7为-325mm，第八曲面S8的曲率半径R8为-245mm，第四透镜L4的中心厚度d7为30mm，外径D4为175mm。第四透镜L4的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比例为1.8：25。第四透镜L4的各参数同样存在5％的公差范围。

第五透镜L5的第九曲面S9的曲率半径R9为1706mm，第十曲面S10的曲率半径R10为-1875mm，第五透镜L5的中心厚度d9为29mm，外径D5为200mm。第五透镜L5的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比例为1.8：25。第五透镜L5的各参数同样存在5％的公差范围。

另外，发明人对个相邻透镜之间的距离进行了如下设计。具体地，第一透镜L1的出射面(第二曲面S2)与第二透镜L2的入射面(第三曲面S3)在光轴上的间距d2为15mm，公差为5％；第二透镜L2的出射面(第四曲面S4)与第三透镜L3的入射面(第五曲面S5)在光轴上的间距d4为15mm，公差同样为5％；第三透镜L3的出射面(第六曲面S6)与第四透镜L4的入射面(第七曲面S7)在光轴上的间距d6为15mm，公差同样为5％；第四透镜L4的出射面(第八曲面S8)与第五透镜L5的入射面(第九曲面S9)在光轴上的间距d8为15mm，公差同样为5％。通过以下表格对上述实施例的方案进行更清晰的说明：

通过上述设计后，该光学镜头具有较传统激光加工聚焦镜更大的入瞳直径及焦距。经实测，将上述光学镜头用于激光加工时，其加工面积最大可达到340*340mm2，入瞳直径可达到72mm，焦距可达860mm，视场角2ω＝32°。入瞳的增大使进入镜头的光能增加，进而增加了聚焦点的能量，有利于提高加工精度和打标速度；焦距的增大使得激光聚焦后的工作面积增大，进而增大加工范围，便于大幅面工件的激光加工，有效提高了加工效率。

并且，上述光学镜头采用负—正—负—正—正的镜头配置，在满足成像场需求的同时还有利于平衡像差。因为通光口径与视场角的平方成正比，因此需要尽量压缩镜头长度(即减小透镜间的距离)以增大通光口径，而要满足成像条件，透镜间又需要保持一定的距离，将五个透镜按照负—正—负—正—正光焦度配置，可以在不影响成像的前提下，尽量缩小镜头长度，并且使通光口径不至于增加得过大，使透镜所负担的光焦度不会过大，以便于像差的平衡。

上述光学镜头主要作为激光加工设备中的平场聚焦镜将激光聚焦到待加工工件上，主要适用于绿激光，特别适用于波长为532nm的绿激光。

上述光学镜头的实验测试效果如图2a-2d、图3、图4、图5、图6所示。图2a-2d中DBJ表示视角，单位为度；IMA表示像面的成像直径，单位为毫米。其中图2a中示出了100毫米的标尺长度。根据图2a-2d所示的弥散斑可以看出该光学镜头的聚焦光斑的弥散范围较小，聚焦点能量集中，并且，轴上和轴外像差都校正得很好，均达到了理想的分辨率。图3为图1所示实施例的光学镜头的调制传递函数M.T.F图，其中横坐标表示分辨率，单位为线对/毫米；TS表示视场，单位为度。图4是图1所示实施例的光学镜头的能量集中度曲线图，示出了与图3相同的几个视场下的能量集中度曲线，其中横坐标表示离光轴的半径，单位为微米。根据图3、4可以看出，各视场的光学传递函数和能量集中度较接近，说明该镜头在全视场内聚焦均匀，加工效果一致性好。图5为图1所示实施例中的光学镜头的像散图，图6为图1所示实施例中的光学镜头的畸变图。图5和图6中的纵坐标+Y表示视场的大小，图5中横坐标单位为毫米，图6中横坐标单位为百分比。从图5、6中可看出，光学镜头的畸变已经接近于零，说明像面已近乎平面，而且色散也校正的相当好。

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 (8)

1.一种光学镜头，其特征在于，包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜至第五透镜，所述第一透镜为平凹型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为弯月型负透镜，所述第四透镜为弯月型正透镜，所述第五透镜为双凸型正透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面、第四透镜包括第七曲面和第八曲面、第五透镜包括第九曲面和第十曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；所述第一曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面、第八曲面及第十曲面均向入射光传输的方向凸出，所述第九曲面迎着入射光凸出。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一曲面的曲率半径为-1250毫米±5％，所述第三曲面至第十曲面的曲率半径依次为-333±5％、-338±5％、-160±5％、-205±5％、-325±5％、-245±5％、1706±5％、-1875±5％，单位为毫米，所述第二曲面为平面。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为30±5％、30±5％、29±5％、30±5％、29±5％，单位为毫米。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第二曲面和第三曲面之间、所述第四曲面和第五曲面之间、所述第六曲面和第七曲面之间、所述第八曲面和第九曲面之间在光轴上的间距均为15毫米±5％。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.5/64)±5％、所述第二透镜至第五透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.8/25)±5％。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜至第五透镜的外径依次为116±5％、125±5％、150±5％、175±5％、200±5％，单位为毫米。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头适用于绿激光的激光打标。

8.根据权利要求7所述的光学镜头，其特征在于，所述绿激光的波长为532纳米。