CN106415352A - 远心光学镜头 - Google Patents

Abstract

一种远心光学镜头(100)，包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜(L1)至第五透镜(L5)，该第一透镜(L1)为平凹型负透镜，该第二透镜(L2)为弯月型负透镜，该第三透镜(L3)为弯月型负透镜，该第四透镜(L4)为双凸型正透镜，该第五透镜(L5)为平凹型负透镜。通过该远心光学镜头(100)的第一透镜(L1)至第五透镜(L5)的排布及参数设计，可以使该远心光学镜头(100)实现远心的效果，同时满足消色差以及相对大孔径的要求。

Description

远心光学镜头

【技术领域】

本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种远心光学镜头。

【背景技术】

随着激光加工技术的发展，特别是光学系统的发展，一般的f-θ(扫描物镜)光学镜头通过多个光学透镜的组合设计以实现远心的效果，即远心光学镜头。但是，由于远心光学镜头的各个光学透镜的光学参数的设置以及各个透镜之间的间距设计，使得远心光学镜头难以同时满足消色差以及相对大孔径的要求。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种可同时满足消色差以及相对大孔径的要求的远心光学镜头。

一种远心光学镜头，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，该第一透镜为平凹型负透镜，该第二透镜为弯月型负透镜，该第三透镜为弯月型负透镜，该第四透镜为双凸型正透镜，该第五透镜为平凹型负透镜，该第一透镜包括第一曲面和第二曲面、该第二透镜包括第三曲面和第四曲面、该第三透镜包括第五曲面和第六曲面、该第四透镜包括第七曲面和第八曲面、该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，该第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布，该第一曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面及第九曲面均向入射光传输的方向凸出，该第七曲面迎着入射光凸出，该第二曲面及第十曲面为平面，该第一曲面的曲率半径为-50±5%毫米，该第三曲面至第九曲面的曲率半径依次为-121±5%、-80.1±5%、-606±5%、-100±5%、250±5%、-200±5%、-150±5%，单位为毫米。

在其中一个实施例中，该第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为5±5%、10±5%、26±5%、28±5%、4±5%，单位为毫米。

在其中一个实施例中，该第二曲面和第三曲面之间、该第四曲面和第五曲面之间、该第六曲面和第七曲面之间、以及该第八曲面和第九曲面之间在光轴上的间距分别为7±5%、0.5±5%、0.5±5%、12±5%、单位为毫米。

在其中一个实施例中，该第一透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.8/26）±5%、该第二透镜至第四透镜的折射率与阿贝数的比例均为（1.7/50）±5%，，该第五透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.6/35）±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94±5%、100±5%、120±5%、140±5%、140±5%，单位为毫米。

在其中一个实施例中，该远心光学镜头还包括第六透镜，该第六透镜包括作为光入射面的第十一曲面和作为光出射面的第十二曲面，该第十曲面与该第十一曲面在光轴上的间距为2±5%毫米，该第六透镜为平面透镜。

在其中一个实施例中，该第六透镜为保护玻璃，其中心厚度为4±5%毫米，该第六透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.5/64）±5%，该第六透镜的外径为140±5%毫米。

在其中一个实施例中，该远心光学镜头的焦距为170毫米，入瞳直径为30毫米，工作波长为1064~630纳米，最大工作面积为104*104平方毫米。

通过该远心光学镜头的第一至第五透镜的排布及参数设计，可以使该远心光学镜头同时满足消色差以及相对大孔径的要求。

【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、特征和优势将会变得更加清晰。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为一实施例中的远心光学镜头的结构示意图。

图2为图1所示实施例的远心光学镜头的弥散斑图。

图3为图1所示实施例的远心光学镜头的调制传递函数M.T.F图。

图4是图1所示实施例的远心光学镜头的像散图。

图5是图1所示实施例的远心光学镜头的畸变图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

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所示为一实施例中的远心光学镜头100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。远心光学镜头100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、第五透镜L5及第六透镜L6。其中，第一透镜L1为平凹型负透镜，第二透镜L2为弯月型负透镜，第三透镜L3为弯月型负透镜，第四透镜L4为双凸型正透镜，第五透镜L5为平凹型负透镜，第六透镜L6为平面透镜。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，第六透镜L6包括第十一曲面S11和第十二曲面S12，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至第十二曲面S12沿入射光传输的方向依次排布。第一曲面S1、第二曲面S2、第三曲面S3、第四曲面S4、第五曲面S5、第六曲面S6、第九曲面S9、弯曲方向相同，为向入射光传输的方向（即物方）凸出，而第七曲面S7迎着入射光方向(即像方)凸出。第十曲面S10、第十一曲面S11，以及第十二曲面S12均为平面。在本实施方式中，第六透镜L6为保护玻璃。可以理解，第六透镜L6可以省略。

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的折射率与阿贝数的比例为（1.8/26）±5%。第一透镜L1的第一曲面S1向像方凸出，曲率半径为-50mm。第二曲面S2为平面，曲率半径为∞，第一透镜L1的中心厚度d1（即透镜在光轴上的厚度）为5mm，第一透镜L1的外径D1为94mm。第一透镜L1的上述各参数均存在5%的公差范围，即允许各参数在±5%范围内变化。

第二透镜L2的折射率与阿贝数的比例为（1.7/50）±5%。第二透镜L2的第三曲面S3向像方凸出，曲率半径为-121mm，第四曲面S4向像方凸出，曲率半径为-80.1mm。第二透镜L2的中心厚度d3为10mm，第二透镜的外径为100mm，第二透镜L2的上述各参数均存在5%的公差范围。

第三透镜L3的折射率与阿贝数的比例为（1.7/50）±5%。第三透镜L3的第五曲面S5向像方凸出，曲率半径为-606mm，第六曲面S6向像方凸出，曲率半径为-100mm。第三透镜L3的中心厚度d5为26mm，第三透镜的外径为120mm，第三透镜L3的上述各参数均存在5%的公差范围。

第四透镜L4的折射率与阿贝数的比例为（1.7/50）±5%。第四透镜L4的第七曲面S7向物方凸出，曲率半径为250mm。第八曲面S8向像方凸出，曲率半径为-200mm。第四透镜L4的中心厚度d7为28mm，第四透镜的外径为140mm，第四透镜L4的上述各参数均存在5%的公差范围。

第五透镜L5的折射率与阿贝数的比例为（1.6/35）±5%。第五透镜L5的第九曲面S9向像方凸出，曲率半径为-150mm。第十曲面S10为平面，曲率半径为∞。第五透镜L5的中心厚度d9为4mm，其外径为140mm。第五透镜L5的各参数均存在5%的公差范围。

第六透镜L6的折射率与阿贝数的比例为（1.5/64）±5%。第六透镜L6的第十一曲面S11与第十二曲面S12均为平面，曲率半径均为∞。第六透镜L6的中心厚度d11为4mm，其外径为140mm，第六透镜L6的各参数均存在5%的公差范围。

另外，发明人对各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7mm，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0.5mm，公差为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0.5mm，公差为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12mm，公差为5%。第五透镜L5的出射面（第十曲面S10）与第六透镜L6的入射面（第十一曲面S11）在光轴上的间距d10为2mm，公差为5%。

通过上述设计后，远心光学镜头100的光学参数为：焦距为170mm，入瞳直径为30mm，工作波长为1064nm~630nm，工作面积最大可达到104*104mm。上述远心光学镜头100的实验测试效果如图2~5所示。

图2为图1所示远心光学镜头100的几何像差图，其中DBJ表示视角，单位为度；IMA表示像面的成像直径，单位为毫米。图2中示出了100毫米的标尺长度。根据图2所示的弥散斑可以看出远心光学镜头100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。全部视场的几何弥散圆都在0.01mm左右，也达到了理想程度。

图3为图1所示实施例的远心光学镜头100的调制传递函数(modulation transfer function，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。当分辨率达到20线对时，M.T.F还有0.5左右，已完全能满足激光加工的要求。

图4为图1所示实施例中的远心光学镜头100的像散图。图4中的纵坐标+Y表示视场的大小，横坐标单位为毫米。图5为图1所示实施例中的远心光学镜头100的畸变图。图5中的纵坐标+Y表示视场的大小，横坐标单位为百分比。从图4~5中可看出，远心光学镜头100的轴向色差ΔCI≈0.15，放大倍率色差ΔCII≈0，已达到理想程度。

综上所述，通过远心光学镜头100的第一至第五透镜的排布及参数设计，可以使远心光学镜头100实现远心的效果，同时满足消色差以及相对大孔径的要求。

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. 一种远心光学镜头，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，该第一透镜为平凹型负透镜，该第二透镜为弯月型负透镜，该第三透镜为弯月型负透镜，该第四透镜为双凸型正透镜，该第五透镜为平凹型负透镜，该第一透镜包括第一曲面和第二曲面、该第二透镜包括第三曲面和第四曲面、该第三透镜包括第五曲面和第六曲面、该第四透镜包括第七曲面和第八曲面、该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，该第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布，该第一曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面及第九曲面均向入射光传输的方向凸出，该第七曲面迎着入射光凸出，该第二曲面及第十曲面为平面，该第一曲面的曲率半径为-50±5%毫米，该第三曲面至第九曲面的曲率半径依次为-121±5%、-80.1±5%、-606±5%、-100±5%、250±5%、-200±5%、-150±5%，单位为毫米。
2. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，该第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为5±5%、10±5%、26±5%、28±5%、4±5%，单位为毫米。
3. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，该第二曲面和第三曲面之间、该第四曲面和第五曲面之间、该第六曲面和第七曲面之间、以及该第八曲面和第九曲面之间在光轴上的间距分别为7±5%、0.5±5%、0.5±5%、12±5%、单位为毫米。
4. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，该第一透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.8/26）±5%、该第二透镜至第四透镜的折射率与阿贝数的比例均为（1.7/50）±5%，，该第五透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.6/35）±5%。
5. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，所述第一透镜至第五透镜的外径依次为94±5%、100±5%、120±5%、140±5%、140±5%，单位为毫米。
6. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，该远心光学镜头还包括第六透镜，该第六透镜包括作为光入射面的第十一曲面和作为光出射面的第十二曲面，该第十曲面与该第十一曲面在光轴上的间距为2±5%毫米，该第六透镜为平面透镜。
7. 根据权利要求6所述的远心光学镜头，其特征在于，该第六透镜为保护玻璃，其中心厚度为4±5%毫米，该第六透镜的折射率与阿贝数的比例为（1.5/64）±5%，该第六透镜的外径为140±5%毫米。
8. 根据权利要求1所述的远心光学镜头，其特征在于，该远心光学镜头的焦距为170毫米，入瞳直径为30毫米，工作波长为1064~630纳米，最大工作面积为104*104平方毫米。