CN104769474B - 一种远红外激光加工用Fθ镜头及激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

一种远红外激光加工用Fθ镜头及激光加工设备，该镜头包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一透镜(L1)、第二透镜(L2)及第三透镜(L3)；第一透镜为弯月形负透镜，第二透镜和第三透镜为弯月形正透镜；第一、第二、第三透镜的中间部分均向入射光束的传输方向凸出。该Fθ镜头，可以提高成像质量和分辨距离，有效校正镜头的象散和畸变，减小高级像差的影响，并且激光聚焦点的能量集中度较高，加工精度高，可很好的满足切割或打孔的要求。该Fθ镜头小型化，有效控制了镜头体积，降低了成本。

Description

一种远红外激光加工用Fθ镜头及激光加工设备
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种远红外激光加工用Fθ镜头及激光加工设备。
背景技术
随着激光加工技术的日益发展，用于大功率切割的激光机已广泛应用于重工业领域，为了切割厚度很大(如50mm左右)的钢板，必须使用大功率的激光器。目前较为成熟且性价比最高的大功率激光器就是CO2激光器，这种激光器的功率可以达到5000～10000瓦，甚至可做到更大。但是这种CO2激光器所发出的工作波长过长，如波长λ＝10640nm(10.64μm)。根据瑞利判据可知：
激光切割的理论分辨距离d＝2.44λf/D，
其中：d为两点最小分辨距离；
λ为加工光束的波长；
f为光学镜头的焦距；
D为光学镜头的入瞳直径。
该波长为常用波长1064nm的10倍，其分辨率恰好为波长1064nm的十分之一，这样会降低切割精度。如上式所示，若要提高分辨率，只能缩小焦距f或增加入瞳直径D，而增加入瞳直径会迅速增加镜头体积，但对分辨率的提高效果却不明显，因此，要在控制体积的前提下满足高分辨率的要求仍是远红外激光切割用Fθ镜头的设计难题。
对发明的公开
技术问题
本发明的目的在于提供一种远红外激光加工用Fθ镜头，使之满足精细切割及打孔等要求，同时保证镜头的小型化。
问题的解决方案
技术解决方案
本发明是这样实现的，一种远红外激光加工用Fθ镜头，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；
所述第一透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜和第三透镜为弯月形正透镜；
所述第一、第二、第三透镜的中间部分均向所述入射光束的传输方向凸出。
本发明的另一目的在于提供一种激光加工设备，包括远红外激光器及用于聚焦远红外激光以进行激光加工的光学镜头，所述光学镜头采用所述的远红外激光加工用Fθ镜头。
发明的有益效果
有益效果
本发明通过对各透镜进行上述的结构设计，一方面可以使成像质量和分辨距离达到理想程度，有效校正镜头的象散和畸变，减小高级像差的影响，并且激光聚焦点的能量集中度较高，加工精度高，可很好的满足切割或打孔等要求；另一方面可以有效控制镜头体积，是一种小型化的远红外Fθ镜头，对于成本控制具有重要意义。
对附图的简要说明
附图说明
图1是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的结构示意图；
图2是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的象散示意图；
图3是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的畸变示意图；
图4是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的光学传递函数M.T.F曲线图；
图5是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的弥散斑示意图；
图6是本发明实施例远红外激光加工用Fθ镜头的能量集中度示意图。
发明实施例
本发明的实施方式
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更加详细的描述：
图1示出了本发明实施例提供的远红外激光加工用Fθ镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
该远红外激光加工用Fθ镜头主要包括第一透镜L1、第二透镜L2及第三透镜L3，这三枚透镜沿入射激光的传输方向依次共轴设置，其中，第一透镜L1为弯月形负透镜，第二透镜L2和第三透镜L3均为弯月形正透镜。并且，第一透镜L1的入射面的曲率半径小于出射面的曲率半径。第二、第三透镜的入射面的曲率半径大于出射面的曲率半径，第一、第二、第三透镜的中间部分均朝向入射光束的传输方向凸出，即向像方突出。
另外，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3的材料可选择折射率与阿贝数的比例Nd/Vd为1.74/0.026的玻璃材质，Nd/Vd的公差为5％。
进一步的，本实施例对各透镜的表面曲率及透镜厚度等参数进行了优化设计。具体的，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，曲率半径分别为-50mm，-60mm；第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，曲率半径分别为-68mm，-50mm；第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，曲率半径分别为-500mm，-180mm。上述参数中的负号代表曲面的球心位于物方空间，未带有正、负号的视为正号，代表曲面的球心位于像方空间。上述第一至第六曲面沿激光传输方向依次排布，且上述各曲面的曲率半径并不是唯一的选择，均存在5％的公差范围。
进一步的，本实施例还对第一至第三透镜的中心厚度D及曲面间距d进行了特殊设计，具体的，第一至第三透镜的中心厚度D1、D2、D3分别为5mm、8mm、8mm，亦存在5％的公差范围。并且，第一透镜L1的第二曲面S2与第二透镜L2的第三曲面S3在光轴上的间距d1为5mm；第二透镜L2的第四曲面S4与第三透镜L3的第五曲面S5在光轴上的间距d2为0.5mm。上述各曲面间距的公差均为5％。
通过对第一至第三透镜的曲面曲率R、透镜的中心厚度D及曲面间隔d进行上述设计后，可以得到较佳的成像质量和打标精度。另外，本实施例还可以进一步在第三透镜L3的出光侧增设第四透镜L4，该第四透镜L4优选为平面透镜，其包括第七曲面S7和第八曲面S8，当然，第七曲面S7和第八曲面S8的曲率半径均为∞。该第四透镜L4主要用于保护镜头内其他成像透镜，避免其他透镜受到灰尘、湿气、高温或低温等影响。
具体的，第四透镜L4可与其他透镜选择相同材料，其中心厚度D4可以为3mm，公差为5％；并且，第四透镜L4的第七曲面S7和第三透镜L3的第六曲面S6在光轴上的间距d3可为4mm，公差仍为5％。
以下提供一种具体结构的远红外激光加工用Fθ镜头，具体参考表1。
表1.远红外激光加工用Fθ镜头的结构参数
该远红外激光加工用Fθ镜头具有下述光学特性：
通光波长λ＝10640nm；
焦距f＝160mm；
入瞳直径D入＝30mm；
加工范围A＝100*100mm2；
视场角2ω＝50°。
光学材料最大外径Dmax＝100mm；
镜头总长度L总＝100mm。
该Fθ镜头一方面可以使成像质量和分辨距离达到理想程度，有效校正镜头的象散和畸变，减小高级像差的影响，并且激光聚焦点的能量集中度较高，加工精度高，可很好的满足切割或打孔的要求；另一方面可以有效控制镜头体积，该镜头的光学总长可以减小到100mm，最大外径也只有100mm，是一种小型化的远红外Fθ镜头，这对于远红外透镜的制作有着重要意义，由于能够透过超长波长(如10640nm)的光学材料很少，可用于制作透镜的仅有3～4种，其价格十分昂贵，因此透镜体积的减小对于成本控制具有很大意义。
以下结合图2～6从不同的角度对该远红外激光加工用Fθ镜头的成像质量进行分析。
图2和图3分别表示该远红外激光加工用Fθ镜头的象散和畸变，横轴单位为μm，纵轴代表子午方向镜头中心到边缘的距离，它们都达到或小于理论值，理论值为13.5μm。
图4表示该镜头的光学传递函数M.T.F。纵轴代表百分比，横轴代表视场，当分辨率达到10lp/mm(10线对)时，M.T.F还有30％。该镜头的轴上点和轴外点均无明显差别，成像效果稳定，达到了平像场的目的。
图5和图6分别表示该镜头的弥散斑和能量集中度，图6中横轴单位为μm，纵轴为百分比。该能量集中度图也表现出与理论值13.5μm相符，由此可以证明该Fθ镜头在超小型化的基础上，成像质量达到了理想水平，且能量集中度极高，可实现高精度加工。
本发明提供的远红外激光加工用Fθ镜头在保证较佳的成像质量和加工精度的同时有效控制了镜头的体积，保证了镜头的小型化，解决了传统远红外外镜头难以实现高分辨率和小体积的问题，并且有效控制了成本，适合广泛用于各种激光加工切割、打孔等设备中。
本发明还进一步提供一种激光加工设备，其包括远红外激光器及用于聚焦远红外激光以进行激光加工的光学镜头，其中，光学镜头即可采用本发明提供的远红外激光加工用Fθ镜头。该镜头特别适用于波长为10640nm的激光，因此该远红外激光器的发光波长优选为10640nm。
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 (9)

1.一种远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜及第三透镜；
所述第一透镜为弯月形负透镜，所述第二透镜和第三透镜为弯月形正透镜；
所述第一、第二、第三透镜的中间部分均向所述入射光束的传输方向凸出，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，所述第一至第六曲面沿所述入射光束的传输方向依次排布；
所述第一至第六曲面的曲率半径依次为：-50mm，-60mm，-68mm，-50mm，-500mm，-180mm，公差均为5％。
2.如权利要求1所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，所述第一至第三透镜的中心厚度依次为：5mm，8mm，8mm，公差均为5％。
3.如权利要求2所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，
所述第二曲面与第三曲面在光轴上的间距为5mm；
所述第四曲面与第五曲面在光轴上的间距为0.5mm；
各所述间距的公差均为5％。
4.如权利要求1所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，所述第一、第二、第三透镜的折射率与阿贝数之比为1.74/0.026，公差为5％。
5.如权利要求1至4任一项所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，还包括第四透镜，位于所述第三透镜的出光侧，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面和第八曲面的曲率半径均为∞。
6.如权利要求5所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，所述第四透镜的折射率与阿贝数之比为1.74/0.026，公差为5％。
7.如权利要求5所述的远红外激光加工用Fθ镜头，其特征在于，所述第四透镜的中心厚度为3mm，公差为5％；
所述第六曲面与所述第七曲面在光轴上的间距为4mm，公差为5％。
8.一种激光加工设备，包括远红外激光器及用于聚焦远红外激光以进行激光加工的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头采用权利要求1～7任一项所述的远红外激光加工用Fθ镜头。
9.如权利要求8所述的激光加工设备，其特征在于，所述远红外激光器的发光波长为10640nm。
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