CN105474065A

CN105474065A - 大视场消色差镜头

Info

Publication number: CN105474065A
Application number: CN201380078972.6A
Authority: CN
Inventors: 李家英; 周朝明; 孙博; 高云峰
Original assignee: Hans Cnc Science &amp; Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: JP6224246B2; DE112013007349B4; CN105474065B; DE112013007349T5; US20160195692A1; WO2015024231A1; US9791664B2; JP2016528560A

Abstract

一种大视场消色差镜头，包括沿入射光线的传输方向依次排列的第一透镜(110)、第二透镜(120)、第三透镜(130)、第四透镜(140)、第五透镜(150)和第六透镜(160)。第一透镜为弯月透镜，包括第一曲面(111)和第二曲面(112)；第二透镜为弯月透镜，包括第三曲面(121)和第四曲面(122)；第三透镜为双凸透镜，包括第五曲面(131)和第六曲面(132)；第四透镜为双凸透镜，包括第七曲面(141)和第八曲面(142)；第五透镜为双凹透镜，包括第九曲面(151)和第十曲面(152)；第六透镜为平面透镜，起保护其他透镜的作用。第一透镜至第五透镜沿入射光线的传输方向同轴设置。第一曲面至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布。该大视场消色差镜头可作为精细光刻镜头用于激光打标等各种精细加工镜头。

Description

大视场消色差镜头

【技术领域】

本发明涉及光学镜头领域，特别是涉及一种大视场消色差镜头。

【背景技术】

激光加工是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工技术。

随着激光加工应用领域的日益扩展，对激光加工设备的需求日益增多，对刻线质量的要求也在不断提高。原来一般要求刻线宽度大约为丝宽级(约0.01 mm），现在甚至要求为微米级。这不仅需要高精度的激光加工设备，更需要成像质量高的光学系统。

聚焦镜头作为激光加工设备的光学系统，对激光加工质量起到至关重要的作用。然而，传统的聚焦镜头视场小，成像质量不高，难以满足激光加工高精细刻线宽度的要求。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种视场较大、成像质量较高的大视场消色差镜头。

一种大视场消色差镜头，包括沿入射光线的传输方向依次同轴排列的：

第一透镜，所述第一透镜为弯月透镜，包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面均朝图像侧凸出;

第二透镜，所述第二透镜为弯月透镜，包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面和所述第四曲面均朝图像侧凸出;

第三透镜，所述第三透镜为双凸透镜，包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面朝物体侧凸出，所述第六曲面朝图像侧凸出;

第四透镜，所述第四透镜为双凸透镜，包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面朝物体侧凸出，所述第八曲面朝图像侧凸出;

第五透镜，所述第五透镜为双凹透镜，包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面朝图像侧凸出，所述第十曲面朝物体侧凸出;

其中，所述第一曲面至所述第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；

所述第一透镜至所述第五透镜的中心厚度依次为3 mm、3 mm、3 mm、3 mm、2 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%；

所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径依次为-8 mm、-15 mm、-29 mm、-10 mm、19 mm、-32 mm、13 mm、-70 mm、-31 mm、15 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

在其中一个实施例中，所述第二曲面与所述第三曲面之间、所述第四曲面与所述第五曲面之间、所述第六曲面与所述第七曲面之间、所述第八曲面与所述第九曲面之间的中心间距依次为0.1 mm、0.1 mm、0.1 mm、1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

在其中一个实施例中，所述第一透镜至所述第五透镜绕入射光轴旋转对称。

在其中一个实施例中，所述第一曲面至所述第十曲面均为球面。

在其中一个实施例中，所述大视场消色差镜头还包括第六透镜，所述第六透镜为设于所述第五透镜靠近图像的一侧的平面透镜，包括第十一曲面和第十二曲面，所述第十一曲面和第十二曲面均为平面。

在其中一个实施例中，所述第六透镜的厚度为1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

在其中一个实施例中，所述第十一曲面与所述第十曲面相邻，所述第十一曲面与所述第十曲面之间的中心间距为1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

在其中一个实施例中，所述大视场消色差镜头满足如下条件：ƒ=20 mm， D/ƒ=0.5，2H=0.8 mm，L_K=15.7 mm，λ=355 nm~532 nm，其中，ƒ表示镜头的焦距，D表示入射光孔的直径，D/ƒ表示相对孔径，2H表示线视场宽，L_K表示工作距离，λ表示工作波长。

上述的大视场消色差镜头，可作为精细光刻镜头用于激光打标等各种精细加工镜头的用途。由于采用同轴设置的不同类型的透镜组合结合光学设计，不仅具有较大的视场范围，而且当用可见监控光束(波长约为532 nm)对加工工件表面进行预览和对焦时，保证工作的激光(波长约为355 nm)也聚焦在同一个平面上，同时具有较高的消色差功能和较高的分辨力，可曝光微细线条，大大提高成像质量，从而实现了激光加工光斑在加工工件表面的快速对准和定位，大大提高加工效率和加工质量。

【附图说明】

图1为一实施例的大视场消色差镜头的结构示意图；

图2A为图1所示的大视场消色差镜头的球差曲线图；

图2B为图1所示的大视场消色差镜头的轴上与轴外几何象差曲线图；

图2C为图1所示的大视场消色差镜头的弥散图；

图3为图1所示的大视场消色差镜头的调制传递函数M.T.F曲线图。

【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的大视场消色差镜头进行更全面的描述。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。

需要说明的是，本文中负号表示光从左向右传播，以球面和主光轴的交点为准，球面的球心在该点以左，则曲率半径为负，反之，球心在该点以右，则曲率半径为正。另外，本文中以入射光从左向右传播，位于镜头左边的为物体侧，位于镜头右边的为图像侧。

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。

如图1所示，一实施例的大视场消色差镜头100包括沿入射光线170的传输方向依次排列的六块透镜，其分别为第一透镜110、第二透镜120、第三透镜130、第四透镜140、第五透镜150和第六透镜160。其中，第一透镜110至第六透镜160沿入射光线170的传输方向同轴设置。

第一透镜110为弯月透镜，包括第一曲面111和第二曲面112。第一曲面111和第二曲面112均为球面，且均朝图像一侧凸出。第一曲面111的曲率半径为-8±5% mm。第二曲面112的曲率半径为-15±5%mm。第一透镜110沿着光轴上的厚度为3±5% mm。

第二透镜120为弯月透镜，包括第三曲面121和第四曲面122。第三曲面121和第四曲面122均为球面，且均朝图像一侧凸出。第三曲面121的曲率半径为-29±5% mm。第四曲面的曲率半径为-10±5%mm。第二透镜120沿着光轴上的厚度为3±5% mm。第二透镜120与第一透镜110之间的距离，即第三曲面121与第二曲面112在光轴上的间距优选为0.1±5% mm。

第三透镜130为双凸透镜，包括第五曲面131和第六曲面132。第五曲面131为球面，朝物体一侧凸出。第六曲面132为球面，朝图像一侧凸出。第五曲面131的曲率半径为19±5% mm。第六曲面132的曲率半径为-32±5% mm。第三透镜130沿着光轴上的厚度为3±5% mm。第三透镜130与第二透镜120之间的距离，即第五曲面131与第四曲面122在光轴上的间距优选为0.1±5% mm。

第四透镜140为双凸透镜，包括第七曲面141和第八曲面142。第七曲面141为球面，朝物体一侧凸出。第八曲面142为球面，朝图像一侧凸出。第七曲面141的曲率半径为13±5% mm。第八曲面142的曲率半径为-70±5% mm。第四透镜140沿着光轴上的厚度为3±5% mm。第四透镜140与第三透镜130之间的距离，即第七曲面141与第六曲面132在光轴上的间距优选为0.1±5% mm。

第五透镜150为双凹透镜，包括第九曲面151和第十曲面152。第九曲面151为球面，朝图像一侧凸出。第十曲面152为球面，朝物体一侧凸出。第九曲面151的曲率半径为-31±5% mm。第十曲面152的曲率半径为15±5% mm。第五透镜150沿着光轴上的厚度为2±5% mm。第五透镜150与第四透镜140之间的距离，即第九曲面151与第八曲面142在光轴上的间距优选为1±5% mm。

上述的第一曲面111至第十曲面152沿入射光线170的传输方向依次排布。

第六透镜160为平面透镜，包括第十一曲面161和第十二曲面162。第十一曲面161和第十二曲面162均为平面。第六透镜160设置于第五透镜150靠近图像的一侧，起保护其他透镜的作用。在其他实施例中，第六透镜160也可设置在第一透镜110靠近物体的一侧，或设置在相邻两个透镜之间。第六透镜160的厚度为1±5% mm。第六透镜160与第五透镜150之间的距离，即第十一曲面161与相邻的第十曲面152之间的中心间距，优选为1±5% mm。可以理解，第六透镜160也可省略。

在本实施例中，第一透镜110至第五透镜150绕入射光轴旋转对称，即第一透镜110至第五透镜150在垂直于入射光线170的平面内的投影为圆形。在其他实施例中，第一透镜110至第五透镜150也可为非旋转对称体，即第一透镜110至第五透镜150在垂直于入射光线170的平面内的投影还可以为椭圆形、方形或其他形状。

本实施例的大视场消色差镜头满足如下条件：ƒ=20 mm，D/ƒ=0.5，2H=0.8 mm，L_K=15.7 mm，λ=355 nm~532 nm，其中，ƒ表示镜头的焦距，D表示入射光孔的直径，D/ƒ表示相对孔径，2H表示线视场宽，L_K表示工作距离，λ表示工作波长。

如图2A所示，上述的大视场消色差镜头的球差曲线表明其消色差程度已达到理想程度。如图2B所示，上述的大视场消色差镜头的轴上和轴外几何象差非常小，都在±1 μm之内。如图2C所示，上述的大视场消色差镜头的轴上与轴外的弥散圆大小都较均匀。图2A、图2B与图2C所示的结果表明本实施例的大视场消色差镜头具有较高的消色差程度。

调制传递函数是较客观和全面评价光学系统成像质量的一种方法，将输出图像的对比度与输入图像的对比度之比称为调制度M.F.T，调制传递函数可用M.T.F曲线来表示，横坐标为分辨率，纵坐标为对比度。M.T.F值介于0~1之间，M.T.F值越大，表示系统的成像质量越好，系统成的像越清晰。请参阅图3，上述的大视场消色差镜头的调制传递函数M.T.F曲线显示，当分辨率达到300线对/mm时，M.T.F仍为0.6，这表明本实施例的大视场消色差镜头具有较高的光学成像质量，可曝光微细线条。

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

一种大视场消色差镜头，其特征在于，包括沿入射光线的传输方向依次同轴排列的：

第一透镜，所述第一透镜为弯月透镜，包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面和所述第二曲面均朝图像侧凸出;

第二透镜，所述第二透镜为弯月透镜，包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面和所述第四曲面均朝图像侧凸出;

第三透镜，所述第三透镜为双凸透镜，包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面朝物体侧凸出，所述第六曲面朝图像侧凸出;

第四透镜，所述第四透镜为双凸透镜，包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面朝物体侧凸出，所述第八曲面朝图像侧凸出;

第五透镜，所述第五透镜为双凹透镜，包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面朝图像侧凸出，所述第十曲面朝物体侧凸出;

其中，所述第一曲面至所述第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；

所述第一透镜至所述第五透镜的中心厚度依次为 3 mm、 3 mm、 3 mm、 3 mm、 2 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%；

所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径依次为-8 mm、-15 mm、-29 mm、-10 mm、19 mm、-32 mm、13 mm、-70 mm、-31 mm、15 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。
根据权利要求1所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述第二曲面与所述第三曲面之间、所述第四曲面与所述第五曲面之间、所述第六曲面与所述第七曲面之间、所述第八曲面与所述第九曲面之间的中心间距依次为0.1 mm、0.1 mm、0.1 mm、1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。
根据权利要求1所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述第一透镜至所述第五透镜绕入射光轴旋转对称。
根据权利要求1所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述第一曲面至所述第十曲面均为球面。
根据权利要求1所述的大视场消色差镜头，其特征在于，还包括第六透镜，所述第六透镜为设于所述第五透镜靠近图像的一侧的平面透镜，包括第十一曲面和第十二曲面，所述第十一曲面和所述第十二曲面均为平面。
根据权利要求5所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述第六透镜的厚度为 1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。
根据权利要求5所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述第十一曲面与所述第十曲面相邻，所述第十一曲面与所述第十曲面之间的中心间距为1 mm，允许公差为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。
根据权利要求1所述的大视场消色差镜头，其特征在于，所述大视场消色差镜头满足如下条件：

ƒ=20 mm，

D/ƒ=0.5，

2H=0.8 mm，

L_K=15.7 mm，

λ=355 nm~532 nm，

其中，ƒ表示镜头的焦距，D表示入射光孔的直径，D/ƒ表示相对孔径， 2H表示线视场宽，L_K表示工作距离，λ表示工作波长。