CN104238071B - 一种F‑theta光学镜头及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光加工技术领域，提供了一种F‑theta光学镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜及第四透镜；第一透镜为凹凸负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四透镜为凹凸负透镜；第一透镜、第二透镜及第四透镜的光入射面和光出射面的中间部分均向着光线传输的方向弯曲。本发明能够同时对激光及照明光进行像差校正，整体结构紧凑，加工聚焦光斑小，加工面积大，适用于入射激光波长为1064nm，视觉影像照明光为红光630nm的加工系统，可以在满足激光加工的技术要求的同时消除红光与加工激光波长的像差，能够在红光照明下配合其它工业镜头进行同轴视觉影像定位、量测及监视。

Description

一种F-theta光学镜头及激光加工系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种F-theta光学镜头及激光加工系统。

背景技术

激光加工技术已广泛应用于各种精加工领域，而带机器视觉的激光加工也成为行业发展的趋势，传统的F-theta光学镜头只针对激光波长进行像差校正，而可见光经过该镜头后会产生较大的像差，特别是色差及场曲，这使得该镜头无法直接配合CCD等成像装置进行视觉定位及量测，尤其不适合用在激光加工和视觉成像同光路的系统中，进而严重限制了带机器视觉的激光加工系统的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种F-theta光学镜头，能够同时对激光及照明光进行像差校正，使之在满足激光加工技术要求的同时，能够配合其他工业镜头在可见光照明时进行同轴影像定位、测量及监视。

本发明是这样实现的，一种F-theta光学镜头，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜及第四透镜；所述第一透镜为凹凸负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，所述第四透镜为凹凸负透镜；所述第一透镜、第二透镜及第四透镜的光入射面和光出射面的中间部分均向着光线传输的方向弯曲。

本发明的另一目的在于提供一种激光加工系统，包括激光光源、振镜组、场镜、成像镜头及成像装置，所述激光光源位于所述振镜组的入光侧，所述场镜位于所述振镜组的出光侧，所述成像镜头与成像装置位于所述振镜组未设置场镜的一侧，且所述成像镜头、成像装置及场镜同轴设置；所述场镜采用上述的F-theta光学镜头。

本发明提供的F-theta光学镜头能够同时对激光及照明光进行像差校正，整体结构紧凑，加工聚焦光斑小，加工面积大，适用于入射激光波长为1064nm，视觉影像照明光为红光630nm的加工系统，可以在满足激光加工的技术要求的同时消除红光与加工激光波长的像差，能够在红光照明下配合其它工业镜头进行同轴视觉影像定位、量测及监视，从而促进了带机器视觉的激光加工系统的广泛应用。

附图说明

图1是本发明实施例F-theta光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例F-theta光学镜头的成像光路图；

图3是图2所示A区域的局部放大图；

图4是采用本发明实施例F-theta光学镜头的激光弥散斑；

图5是采用本发明实施例F-theta光学镜头的照明光弥散斑；

图6是采用本发明实施例F-theta光学镜头的激光场曲和畸变；

图7是采用本发明实施例F-theta光学镜头的照明光场曲和畸变；

图8是采用本发明实施例F-theta光学镜头的照明光光学传递函数曲线；

图9是采用本发明实施例F-theta光学镜头的激光加工系统的结构示意图。

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。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

图1示出了本发明实施例F-theta光学镜头的结构示意图，图2是本发明实施例F-theta光学镜头的成像光路图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。

该F-theta光学镜头包括沿入射光线传播方向依次设置的第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3及第四透镜L4。其中，第一透镜L1为凹凸负透镜，包括第一曲面S1（光入射面）和第二曲面S2（光出射面），第二透镜L2为弯月型正透镜，包括第三曲面S3（光入射面）和第四曲面S4（光出射面），第三透镜L3为双凸正透镜，包括第五曲面S5（光入射面）和第六曲面S6（光出射面），第四透镜L4为凹凸负透镜，包括第七曲面S7（光入射面）和第八曲面S8（光出射面）。其中，第一曲面S1、第二曲面S2、第三曲面S3、第四曲面S4、第七曲面S7和第八曲面S8的弯曲方向一致，其中间部分均向着光线传输的方向弯曲。

为了使光学镜头具有理想的像差校正效果，本实施例对各透镜的结构进行了进一步限定，第一曲面S1和第二曲面S2的曲率半径R1、R2分别为-50.22mm、-171.59mm，第一透镜L1的中心厚度d1（第一曲面S1和第二曲面S2在光轴上的间距）为6.81mm，第一透镜L1的材料为Nd1(折射率)：Vd1（阿贝数），Nd1：Vd1为1.85/23.8。以上曲率半径、透镜的中心厚度及Nd1：Vd1均不是唯一的选择，均存在±5%的修正范围。

进一步的，第三曲面S3和第四曲面S4的曲率半径R3、R4分别为-143.22mm、-66.372mm，第二透镜L2的中心厚度d3（第三曲面S3和第四曲面S4在光轴上的间距）为14.01mm，第二透镜L2的Nd2：Vd2为1.90/31.3。

进一步的，第五曲面S5和第六曲面S6的曲率半径R5、R6分别为2406.194mm、-101.38mm，第三透镜L3的中心厚度d5（第五曲面S5和第六曲面S6在光轴上的间距）为19.91mm，第三透镜L3的Nd3：Vd3为1.90/31.3。

进一步的，第七曲面S7和第八曲面S8的曲率半径R7、R8分别为-98.21mm、-181.4068mm，第四透镜L4的中心厚度d7（第五曲面S7和第六曲面S8在光轴上的间距）为7.67mm，第四透镜L4的Nd4：Vd4为1.85/23.8。

更进一步的，第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间距（第二曲面S2与第三曲面S3在光轴上的间距）d2为2.01mm，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距（第四曲面S4与第五曲面S5在光轴上的间距）d4为0.16mm，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的间距（第六曲面S6与第七曲面S7在光轴上的间距）d6为2.75mm。

以上各透镜的曲率半径、透镜的中心厚度、Nd1：Vd1及透镜间距并不是本发明的唯一选择，各参数均存在±5%的修正范围。

进一步参考图1，作为本实施例的进一步改进，第四透镜L4与成像面之间还设置了平板保护玻璃L5，包括入射面S9及出射面S10，该平板保护玻璃L5厚度d9为5mm，材质为Nd5（折射率）：Vd5（阿贝数），Nd5：Vd5为1.52/64.2。第四透镜L4与保护平板玻璃L5在光轴上的间距d8为2mm。该平板保护玻璃L5的厚度、与第四透镜L4在光轴上的间距及Nd5：Vd5仍存在±5%的修正范围。

采用上述F-theta光学镜头可进行较好的像差校正，根据图3可知，激光像面和照明光像面之间仅相距0.8mm，可见其可以同时对激光及照明光进行较好的像差校正。图4～8分别通过激光和照明光的弥散斑、场曲和畸变及光学传递函数表征像差校正效果。图4-激光弥散斑的形状及尺寸反映了该的F-theta光学镜头对应于激光的像差，从图上看其最大RMS（均方根）弥散斑半径为15.69μm，表明用该镜头进行激光加工时，其能量集中程度较好（基本达到衍射极限），可满足焊接要求。

图5-红光弥散斑的形状及尺寸反映了配合红光照明使用进行成像时由该F-theta镜头产生的像差，其RMS（均方根）半径大小与目前主流的sensor的像元尺寸相当，成像能达到百万级像素CCD的要求。

激光加工时配合扫描振镜使用，激光畸变对应为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下一般要求F-theta畸变小于0.5%，由图6中的畸变图可见本镜头产生的畸变符合要求。激光场曲为激光加工时，其焦面不同视场弯曲的的程度，从图6中的激光场曲图可看出，该镜头在0.7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0.09mm，校正效果较好。

图7-红光场曲及畸变图像反映了使用该镜头进行视觉成像时，该镜头造成的像面弯曲程度，最大场曲为0.3mm，最大程度畸变约为-6.7%，该部分可通过图像算法或者镜头互补矫正。

根据上述参数设计的F-theta光学镜头整体结构非常紧凑，加工聚焦光斑小，焦距为210mm，入瞳直径为30mm，像差校正效果好，适用入射激光波长为1064nm，视觉影像照明光为红光630nm的激光加工系统，其视场角为ω，其中2ω=50°，加工面积可达到130*130mm²，且在加工面积内红光成像清晰。该F-theta光学镜头可作为激光加工系统中的聚焦镜头使用，用于将经过振镜组扫描后的激光光束聚焦于加工物件上，对加工物件进行精加工，可以在满足激光加工的技术要求的同时消除红光与加工激光波长的像差，能够在红光照明下配合其它工业镜头进行同轴视觉影像定位、量测及监视。

如图9，本发明进一步提供一种激光加工系统，该系统包括激光光源01、振镜组02、场镜03、成像镜头04及成像装置05，振镜组02包括两个振镜，用于向两个相互垂直的方向扫描激光光束，其中，场镜03采用本发明提供的F-theta光学镜头。激光光源01位于振镜组02的入光侧，场镜03位于振镜组02的出光侧，加工物件06放置于场镜03的焦平面处，成像镜头04安装于成像装置05的入光侧，二者位于振镜组02未设置场镜03的一侧。并且，成像镜头04、成像装置05与场镜03共轴。激光光源01-振镜组02-场镜03-加工物件06构成激光加工光路，加工物件06-场镜03-振镜组02-成像镜头04-成像装置05构成视觉成像光路。该系统的激光加工与可见光成像在振镜组-场镜-加工物件之间同轴，并且，视觉成像光路可以仅经过振镜组02中的一片振镜，以避免振镜电机累积电气误差造成的精度累积，进一步提高加工精度。

当然，该系统可以包括一准直装置07，用于将激光光源01发出的激光进行准直后向振镜组02输出。

进一步的，该系统还可以包括一照明光源08，可以位于加工物件06的任意一侧的上方，用于为加工物件的成像提供照明。

上述系统的激光光源波长优选为1064nm，照明光波长优选为630nm。

该激光加工系统的工作原理为：激光光源01发出的激光光束射入振镜组02，经过振镜组02的二维扫描后进入场镜03，经过场镜03对激光进行像差校正后形成极小的光点打在加工物件06上进行精密加工。另外，照明光照射在加工物件06上，并自加工物件06表面射向场镜03，经过场镜03进行像差校正后进入振镜组02，并透过振镜组02，经过成像镜头04在成像装置05上形成加工物件的影像，从而对加工物件进行精确定位和位置校正。

由于场镜采用了本发明的F-theta光学镜头，可以同时对激光和照明光进行像差校正，使之可以在满足激光加工的技术要求的同时进行高精度成像，能够配合成像镜头在红光照明时进行同轴影像定位、测量及监视，从而促进了带机器视觉的激光加工系统的应用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种F-theta光学镜头，其特征在于，包括沿入射光线传输方向依次设置的第一透镜，第二透镜，第三透镜及第四透镜；所述第一透镜为凹凸负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为双凸正透镜，所述第四透镜为凹凸负透镜；所述第一透镜、第二透镜及第四透镜的光入射面和光出射面的中间部分均向着光线传输的方向弯曲；

所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面；

所述第一曲面和第二曲面的曲率半径分别为-50.22mm、-171.59mm；

所述第三曲面和第四曲面的曲率半径分别为-143.22mm、-66.372mm；

所述第五曲面和第六曲面的曲率半径分别为2406.194mm、-101.38mm；

所述第七曲面和第八曲面的曲率半径分别为-98.21mm、-181.4068mm；

各所述曲率半径的修正范围为±5％；

所述第一透镜的中心厚度为6.81mm；

所述第二透镜的中心厚度为14.01mm；

所述第三透镜的中心厚度为19.91mm；

所述第四透镜的中心厚度为7.67mm；

各所述中心厚度的修正范围为±5％；

所述第一透镜的折射率与阿贝数之比为1.85/23.8；

所述第二透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；

所述第三透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；

所述第四透镜的折射率与阿贝数之比为1.85/23.8；

各所述折射率与阿贝数之比的修正范围为±5％；

所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为2.01mm；

所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为0.16mm；

所述第三透镜与第四透镜在光轴上的间距为2.75mm；

各所述间距的修正范围为±5％。

2.如权利要求1所述的F-theta光学镜头，其特征在于，在所述第四透镜的出光侧还设有平板保护玻璃。

3.如权利要求2所述的F-theta光学镜头，其特征在于，所述平板保护玻璃的厚度为5mm，折射率与阿贝数之比为1.52/64.2，所述平板保护玻璃与所述第四透镜在光轴上的间距为2mm；

所述平板保护玻璃的厚度、折射率与阿贝数之比，以及与所述第四透镜在光轴上的间距的修正范围均为±5％。

4.一种激光加工系统，包括激光光源、振镜组、场镜、成像镜头及成像装置，所述激光光源位于所述振镜组的入光侧，所述场镜位于所述振镜组的出光侧，其特征在于，

所述成像镜头与成像装置位于所述振镜组未设置场镜的一侧，且所述成像镜头、成像装置及场镜同轴设置；

所述场镜采用权利要求1～3任一项所述的F-theta光学镜头。

5.如权利要求4所述的激光加工系统，其特征在于，所述振镜组包括两片振镜，用于向两个相互垂直的方向扫描激光光束；其中一片所述振镜位于所述成像镜头和所述场镜之间。

6.如权利要求4或5所述的激光加工系统，其特征在于，所述激光光源的波长为1064nm；所述激光加工系统还包括照明光源，所述照明光源的波长为630nm。