CN106353879A - 光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备。上述的光学镜头，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型正透镜，第三透镜为双凸型正透镜，第四透镜为弯月型负透镜。上述的光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备，入射光束经过负‑正‑正‑负的透镜的校正后，慧差和畸变均得到较好的校正，使光学镜头可以同时对入射的激光光束及照明光光束进行像差校正，可以满足激光加工技术要求，同时可以配合其他工业镜头在可见光照明时进行视觉捕捉定位、测量及监视；此外，上述的光学镜头的结构紧凑、成本较低且聚焦后的光斑较小。

Description

光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备

技术领域

本发明涉及激光加工的技术领域，特别是涉及一种光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备。

背景技术

随着激光加工和机器视觉技术的不断发展，带机器视觉成像的激光加工系统逐渐出现于激光加工行业中。

一般的激光加工的光学镜头仅针对特定波长的激光进行像差校正，而照明光经过该光学镜头后会产生较大的像差，使光学镜头无法应用于CCD等成像装置中进行视觉定位及量测，更不能应用于激光加工和视觉成像的同光路系统中，从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

基于此，有必要针对激光加工的光学镜头仅针对特定波长的激光进行像差校正，而照明光经过该光学镜头后会产生较大的像差的问题，提供一种光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备。

一种光学镜头，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为弯月型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为双凸型正透镜，所述第四透镜为弯月型负透镜。

在其中一个实施例中，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面远离所述第二透镜，所述第二曲面邻近所述第二透镜，所述第一曲面的曲率半径为-35mm±1.75mm，所述第二曲面的曲率半径为-310mm±15.5mm；

所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面邻近所述第二曲面，所述第三曲面邻近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径为-170mm±8.5mm，所述第四曲面的曲率半径为-50mm±2.5mm；

所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面邻近所述第四曲面，所述第六曲面邻近所述第四透镜，所述第五曲面的曲率半径为360mm±18mm，所述第六曲面的曲率半径为-55mm±2.75mm；

所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面邻近所述第六曲面，所述第八曲面远离所述第六曲面，所述第七曲面的曲率半径为-50mm±2.5mm，所述第八曲面的曲率半径为-100mm±5mm，使光学镜头对入射光束均进行较好地校正。

在其中一个实施例中，所述第二曲面与所述第三曲面之间在光轴上的距离为4mm±0.2mm，所述第四曲面与所述第五曲面之间在光轴上的距离为0.5mm±0.025mm，所述第六曲面与所述第七曲面之间在光轴上的距离为6mm±0.3mm，使光学镜头对入射光束均进行较好地校正。

在其中一个实施例中，所述第一透镜在光轴上的厚度为4mm±0.2mm，所述第二透镜在光轴上的厚度为18mm±0.9mm，所述第三透镜在光轴上的厚度为14mm±0.7mm，所述第四透镜在光轴上的厚度为4mm±0.2mm，使光学镜头对入射光束均进行较好地校正。

在其中一个实施例中，光学镜头还包括保护片，所述保护片包括第一平面和第二平面，所述第一平面邻近所述第八曲面，所述第二平面远离所述第八曲面，所述第一平面的曲率半径和第二平面的曲率半径均为∞，保护片起到保护各个透镜的作用，可以提高光学镜头的使用寿命。

在其中一个实施例中，所述第一平面与所述第八曲面之间在光轴上的距离为5mm±0.25mm。

在其中一个实施例中，所述保护片在光轴上的厚度为4mm±0.2mm。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.7/27±0.085/27，所述第二透镜和所述第三透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.7/55±0.085/55，所述第四透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.6/35±0.08/35，所述保护片的材料的折射率与阿贝数的比值为1.5/65±0.075/65，使光学镜头较好地对入射的激光光束或照明光光束进行像差校正。

在其中一个实施例中，所述入射光束包括激光光束和照明光光束，所述激光光束的波长为1064nm，所述照明光光束的波长为630nm。

在其中一个实施例中，所述光学镜头的焦距为160mm，入瞳直径为16mm。

在其中一个实施例中，视场角为2ω＝50°，加工面积为100mm*100mm。

一种激光加工设备，包括上述的光学镜头。

上述的光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备，入射光束从第一透镜的第一侧面射入，入射光束中的大部分光线被第一透镜折射，入射光束的极少部分光线被第一透镜反射，通过第一透镜的第一侧面的光线在第一透镜内发生多次反射，或从第一透镜的第二侧面折射出去；以此类推，通过第一透镜的第二侧面的光线大部分透过第二透镜、第三透镜和第四透镜；由于第一透镜为弯月型负透镜、第二透镜为弯月型正透镜和第四透镜为弯月型负透镜，第一透镜、第二透镜和第三透镜均能用于去除入射光束中的色差；由于第一透镜和第四透镜均能够使整个光学镜头的合成主点位置更靠近物体侧，且可以在第一透镜和第四透镜靠近像侧的侧面均设为较强的发散面，容易校正慧差和畸变相差；由于第二透镜能够使整个光学镜头的合成主点位置更靠近像侧，可以在第二透镜靠近物侧的侧面设为较强的发散面，容易校正慧差和畸变相差；第三透镜为双凸型正透镜，用于将通过第三透镜的入射光束中的光线进一步汇聚成平行光，从而使聚焦后的出射光束的光线的平行性较好；入射光束经过负-正-正-负的透镜的校正后，慧差和畸变均得到较好的校正，使光学镜头可以同时对入射的激光光束及照明光光束进行像差校正，可以满足激光加工技术要求，同时可以配合其他工业镜头在可见光照明时进行视觉捕捉定位、测量及监视；此外，上述的光学镜头的结构紧凑、成本较低且聚焦后的光斑较小。

附图说明

图1为一实施例的光学镜头的结构示意图；

图2为图1所示的光学镜头的激光光束的弥散斑图；

图3为图1所示的光学镜头的照明光光束的弥散斑图；

图4为图1所示的光学镜头的激光光束的场曲图；

图5为图1所示的光学镜头的激光光束的畸变图；

图6为图1所示的光学镜头的照明光光束的场曲图；

图7为图1所示的光学镜头的照明光光束的畸变图；

图8为图1所示光学镜头的激光光束的光学传递函数曲线图；及

图9为图1所示光学镜头的照明光光束的光学传递函数曲线图。

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光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备进行更全面的描述。附图中给出了光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备的首选实施例。但是，光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备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光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备的公开内容更加透彻全面。

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。本文中在光学镜头及具有该光学镜头的激光加工设备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图1的左边向右边。曲率半径的正负以曲面的球心位置与光轴20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。位于镜头左边的为物方，位于镜头右边的为像方。另外，本文中的各个参数对应的数值均表达为“基本尺寸±偏差”，其中，“基本尺寸+偏差”为该参数对应的最大极限数值，“基本尺寸-偏差”为该参数对应的最小极限数值，故该参数的数值在最小极限数值与最大极限数值之间。例如，d1的数值表示为“3mm±0.15mm”，即2.85mm≤d1≤3.15mm。

如图1所示，一实施例的激光加工设备(图中未示出)包括光学镜头10。光学镜头10包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300以及第四透镜400。第一透镜100为弯月型负透镜，第二透镜200为弯月型正透镜，第三透镜300为双凸型正透镜，第四透镜400为弯月型负透镜。

如图1所示，在其中一个实施例中，第一透镜100包括第一曲面110和第二曲面120，第一曲面110远离第二透镜200，所述第二曲面邻近第二透镜200。第一曲面110的曲率半径R1为-35mm±1.75mm，第二曲面120的曲率半径R2为-310mm±15.5mm。第二透镜200包括第三曲面210和第四曲面220，第三曲面210邻近第二曲面120，第三曲面210邻近第三透镜300。第三曲面210的曲率半径R3为-170mm±8.5mm，第四曲面220的曲率半径R4为-50mm±2.5mm。第三透镜300包括第五曲面310和第六曲面320，第五曲面310邻近第四曲面220，第六曲面320邻近第四透镜400。第五曲面310的曲率半径R5为360mm±18mm，第六曲面320的曲率半径R6为-55mm±2.75mm。第四透镜400包括第七曲面410和第八曲面420，第七曲面410邻近第六曲面320，第八曲面420远离第六曲面320。第七曲面410的曲率半径R7为-50mm±2.5mm，第八曲面420的曲率半径R8为-100mm±5mm，使光学镜头10对入射光束均进行较好地校正。具体在本实施例中，第一曲面110的曲率半径R1为-35mm，第二曲面120的曲率半径R2为-310mm。第三曲面210的曲率半径R3为-170mm，第四曲面220的曲率半径R4为-50mm。第五曲面310的曲率半径R5为360mm，第六曲面320的曲率半径R6为-55mm。第七曲面410的曲率半径R7为-50mm，第八曲面420的曲率半径R8为-100mm。

如图1所示，在其中一个实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D23为4mm±0.2mm。第四曲面220与第五曲面310之间在光轴20上的距离D45为0.5mm±0.025mm。第六曲面320与第七曲面410之间在光轴20上的距离D67为6mm±0.3mm，使光学镜头10对入射光束均进行较好地校正。具体在本实施例中，第二曲面120与第三曲面210之间在光轴20上的距离D23为4mm。第四曲面220与第五曲面310之间在光轴20上的距离D45为0.5mm。第六曲面320与第七曲面410之间在光轴20上的距离D67为6mm。

如图1所示，在其中一个实施例中，第一透镜100在光轴20上的厚度d1为4mm±0.2mm，第二透镜200在光轴20上的厚度d2为18mm±0.9mm，第三透镜300在光轴20上的厚度d3为14mm±0.7mm，第四透镜400在光轴20上的厚度d4为4mm±0.2mm，使光学镜头10对入射光束均进行较好地校正。具体在本实施例中，第一透镜100在光轴20上的厚度d1为4mm，第二透镜200在光轴20上的厚度d2为18mm，第三透镜300在光轴20上的厚度d3为14mm，第四透镜400在光轴20上的厚度d4为4mm。

如图1所示，在其中一个实施例中，光学镜头10还包括保护片500，保护片500包括第一平面510和第二平面520，第一平面510邻近第八曲面420，第二平面520远离第八曲面420。第一平面510的曲率半径R9和第二平面520的曲率半径R10均为∞，保护片500起到保护各个透镜的作用，可以提高光学镜头10的使用寿命。在本实施例中，保护片500为玻璃片。第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300、第四透镜400和保护片500沿入射光束的传输方向依次设置。在其中一个实施例中，第一平面510与第八曲面420之间在光轴20上的距离D89为5mm±0.25mm。具体在本实施例中，第一平面510与第八曲面420之间在光轴20上的距离D89为5mm。在其中一个实施例中，保护片500在光轴20上的厚度d5为4mm±0.2mm。具体在本实施例中，保护片500在光轴20上的厚度d5为4mm。

在其中一个实施例中，第一透镜100的材料的折射率Nd与阿贝数(阿贝数为德国物理学家恩斯特.阿贝发明的物理学数，也称“V-数”。阿贝数用来衡量介质的光线的色散程度)Vd的比值为1.7/27±0.085/27，第二透镜200和第三透镜300的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.7/55±0.085/55，第四透镜400的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.6/35±0.08/35，保护片500的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.5/65±0.075/65，使光学镜头10较好地对入射的激光光束或照明光光束进行像差校正。在本实施例中，第一透镜100的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.7/27，第二透镜200和第三透镜300的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.7/55，第四透镜400的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.6/35，保护片500的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.5/65。

下表为光学镜头10的较佳实施例的具体设计参数值。

通过上述设计后，光学镜头10可以直接配合CCD使用并进行机器视觉捕捉定位及测量。图2为光学镜头10的较佳实施例的激光光束的弥散斑图，从图2可以看到，激光光束的三个不同视场角(0°、35°和50°)方向的光斑点的分布状态，每个视场角对应的多个实际光斑点大部分位于理想光斑圆圈内，表明激光光束经过光学镜头10进行像差校正后的效果较好。

图3为光学镜头10的较佳实施例的照明光光束的弥散斑图，从图3可以看到，照明光光束的三个不同视场角(0°、35°和50°)方向的光斑点的分布状态，每个视场角对应的多个实际光斑点大部分位于理想光斑圆圈内，表明照明光光束经过光学镜头10进行像差校正后的效果较好。

图4为光学镜头10的较佳实施例的激光光束的场曲图，图5为光学镜头10的较佳实施例的激光光束的畸变图，其中场曲图中的两个曲线分别表示弧矢方向与子午方向的情形，其中S为弧矢方向的情形，T为子午方向的情形。场曲图和畸变图均在标准范围内，表明激光光束经过光学镜头10进行像差校正后的效果较好。

图6为光学镜头10的较佳实施例的照明光光束的场曲图，图7为光学镜头10的较佳实施例的照明光光束的畸变图。场曲图和畸变图均在标准范围内，表明照明光光束经过光学镜头10进行像差校正后的效果较好。

图8为光学镜头10的较佳实施例的激光光束的光学传递函数MTF(ModulationTransfer Function，调制传递函数)图，从图可知，曲线的平直性较好，即光学镜头10边缘和中心的成像的均匀性较好，光学镜头10的分辨率较高。图9为光学镜头10的较佳实施例的照明光光束的光学传递函数MTF图，从图可知，曲线的平直性较好，即光学镜头10边缘和中心的成像的均匀性较好，光学镜头10的分辨率较高。

在其中一个实施例中，入射光束包括激光光束和照明光光束，激光光束的波长为1064nm，照明光光束的波长为630nm。在其中一个实施例中，光学镜头10的焦距为160mm，入瞳直径为16mm。在其中一个实施例中，视场角为2ω＝50°，加工面积为100mm*100mm。

上述的光学镜头10及具有该光学镜头10的激光加工设备，入射光束从第一透镜100的第一侧面射入，入射光束中的大部分光线被第一透镜100折射，入射光束的极少部分光线被第一透镜100反射，通过第一透镜100的第一侧面的光线在第一透镜100内发生多次反射，或从第一透镜100的第二侧面折射出去。以此类推，通过第一透镜100的第二侧面的光线大部分透过第二透镜200、第三透镜300和第四透镜400。由于第一透镜100为弯月型负透镜、第二透镜200为弯月型正透镜和第四透镜400为弯月型负透镜，第一透镜100、第二透镜200和第三透镜300均能用于去除入射光束中的色差。由于第一透镜100和第四透镜400均能够使整个光学镜头10的合成主点位置更靠近物体侧，且可以在第一透镜100和第四透镜400靠近像侧的侧面均设为较强的发散面，容易校正慧差和畸变相差。

由于第二透镜200能够使整个光学镜头10的合成主点位置更靠近像侧，可以在第二透镜200靠近物侧的侧面设为较强的发散面，容易校正慧差和畸变相差。第三透镜300为双凸型正透镜，用于将通过第三透镜300的入射光束中的光线进一步汇聚成平行光，从而使聚焦后的出射光束的光线的平行性较好。入射光束经过负-正-正-负的透镜的校正后，慧差和畸变均得到较好的校正，使光学镜头10可以同时对入射的激光光束及照明光光束进行像差校正，可以满足激光加工技术要求，同时可以配合其他工业镜头在可见光照明时进行视觉捕捉定位、测量及监视。此外，上述的光学镜头10的结构紧凑、成本较低且聚焦后的光斑较小。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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 (10)

1.一种光学镜头，其特征在于，包括沿入射光束的传输方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜；所述第一透镜为弯月型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为双凸型正透镜，所述第四透镜为弯月型负透镜。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面远离所述第二透镜，所述第二曲面邻近所述第二透镜，所述第一曲面的曲率半径为-35mm±1.75mm，所述第二曲面的曲率半径为-310mm±15.5mm；

所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面邻近所述第二曲面，所述第三曲面邻近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径为-170mm±8.5mm，所述第四曲面的曲率半径为-50mm±2.5mm；

所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面邻近所述第四曲面，所述第六曲面邻近所述第四透镜，所述第五曲面的曲率半径为360mm±18mm，所述第六曲面的曲率半径为-55mm±2.75mm；

所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面邻近所述第六曲面，所述第八曲面远离所述第六曲面，所述第七曲面的曲率半径为-50mm±2.5mm，所述第八曲面的曲率半径为-100mm±5mm。

3.根据权利要求2所述的光学镜头，其特征在于，所述第二曲面与所述第三曲面之间在光轴上的距离为4mm±0.2mm，所述第四曲面与所述第五曲面之间在光轴上的距离为0.5mm±0.025mm，所述第六曲面与所述第七曲面之间在光轴上的距离为6mm±0.3mm。

4.根据权利要求2所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜在光轴上的厚度为4mm±0.2mm，所述第二透镜在光轴上的厚度为18mm±0.9mm，所述第三透镜在光轴上的厚度为14mm±0.7mm，所述第四透镜在光轴上的厚度为4mm±0.2mm。

5.根据权利要求2至4任一项所述的光学镜头，其特征在于，还包括保护片，所述保护片包括第一平面和第二平面，所述第一平面邻近所述第八曲面，所述第二平面远离所述第八曲面，所述第一平面的曲率半径和第二平面的曲率半径均为∞。

6.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征在于，所述第一平面与所述第八曲面之间在光轴上的距离为5mm±0.25mm。

7.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征在于，所述保护片在光轴上的厚度为4mm±0.2mm。

8.根据权利要求5所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.7/27±0.085/27，所述第二透镜和所述第三透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.7/55±0.085/55，所述第四透镜的材料的折射率与阿贝数的比值为1.6/35±0.08/35，所述保护片的材料的折射率与阿贝数的比值为1.5/65±0.075/65。

9.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述入射光束包括激光光束和照明光光束，所述激光光束的波长为1064nm，所述照明光光束的波长为630nm。

10.一种激光加工设备，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的光学镜头。