CN106471414B - 光学镜头 - Google Patents

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Abstract

一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜(L1)、第二透镜(L2)和第三透镜(L3)，第一透镜和第二透镜均为平凸型正透镜，第三透镜为弯月型负透镜；第一透镜包括第一曲面(S1)和第二曲面(S2)、第二透镜包括第三曲面(S3)和第四曲面(S4)、第三透镜包括第五曲面(S5)和第六曲面(S6)，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；第一曲面和第三曲面迎着入射光线的传输方向凸出，第五曲面和第六曲面朝向入射光线的传输方向凸出；第三曲面由多个焦点不同的圆弧面(Φ1，Φ2，Φ3，Φ4，Φ5)依次直接连接构成，且这些圆弧面的焦点(fl，f2，f3，f4，f5)均在光轴上。光学镜头可用于加工出深而细的孔，或是刻画深而细的线。

Description

光学镜头
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及一种应用于激光加工的光学镜头。
背景技术
在现代激光加工中，特殊的情况下要求激光加工能够切割出深宽比很大的细线，或者深度相对很大、孔径很小的圆柱形孔。例如，有的场合需要加工出深为0.5mm而宽度仅允许0.05mm的刻线，还有的场合需要加工出深度为0.5mm，而孔径只有0.05mm的圆柱孔。由于受到光学系统的孔径限制，若孔径太小，加工时将出现锐利的弥散斑，而且激光能量也不够。若将孔径增大，则加工出来的细线或深孔达不到既定的尺寸需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种光学镜头可用于加工精细刻线或打孔。
一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和第二透镜均为平凸型正透镜，所述第三透镜为弯月型负透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；第一曲面和第三曲面迎着入射光线的传输方向凸出，第五曲面和第六曲面朝向入射光线的传输方向凸出；所述第三曲面由多个焦点不同的圆弧面依次直接连接构成，且这些圆弧面的焦点均在光轴上。
在其中一个实施例中，所述第三曲面包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一圆弧面、第二圆弧面、第三圆弧面、第四圆弧面和第五圆弧面，第一圆弧面、第二圆弧面、第三圆弧面、第四圆弧面和第五圆弧面的焦点沿入射光线的传输方向依次排布在光轴上。
在其中一个实施例中，所述第一曲面的曲率半径为21mm±5％，所述第一透镜的中心厚度为3mm±5％。
在其中一个实施例中，所述第三曲面与光轴相交的圆弧面的曲率半径为68mm±5％，所述第二透镜的中心厚度为2mm±5％。
在其中一个实施例中，所述第三曲面在光轴上的厚度为0.45mm±5％。
在其中一个实施例中，所述第五曲面的曲率半径为-10mm±5％，所述第六曲面的曲率半径为-30mm±5％，所述第三透镜的中心厚度为1mm±5％。
在其中一个实施例中，所述第一透镜的第二曲面与第二透镜的第三曲面在光轴上的间距为0.2mm±5％，所述第二透镜的第四曲面与第三透镜的第五曲面在光轴上的间距为18mm±5％。
在其中一个实施例中，该光学镜头还包括第四透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜沿入射光线的传输方向依次共光轴排列，所述第四透镜为平面透镜。
在其中一个实施例中，所述第四透镜的中心厚度为1mm±5％。
在其中一个实施例中，所述第四透镜包括作为光入射面的第七曲面和作为光出射面的第八曲面，所述第四透镜的第七曲面与第三透镜的第六曲面在光轴上的间距为1mm±5％。
上述光学镜头应用至光学系统中可加工出深而细的孔，或是刻画深而细的线，例如该光学镜头可用于加工深为0.5mm而宽度为0.05mm的刻线，或者加工出深度为0.5mm，孔径为0.05mm的圆孔。
附图说明
图1是本发明一实施例的光学镜头的结构示意图。
图2是图1所示实施例的光学镜头的第二透镜的结构示意图。
图3是图1所示实施例的光学镜头的弥散斑图。
图4是图1所示实施例的光学镜头的调制传递函数M.T.F图。
图5是图1所示实施例的光学镜头的能量集中度曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
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与主光轴的交点以及曲面的球心之间的相对位置关系为准，曲面的球心在该交点以左，则曲率半径为负；反之，曲面的球心在该交点以右，则曲率半径为正。另外，位于光学镜头左边的为物方，位于光学镜头右边的为像方。正透镜是指透镜的中心厚度大于边缘厚度的透镜，负透镜是指透镜的中心厚度小于边缘厚度的透镜。
图1为本发明一实施例提供的光学镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。该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L1、第二透镜L2及第三透镜L3。
其中，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。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至第六曲面S6沿入射光传输的方向依次排布。
第一透镜L1为平凸型正透镜。第一透镜L1的第一曲面S1向物方凸出。第一曲面S1的曲率半径为21mm，第二曲面S2为平面，曲率半径为无穷大。第一透镜L1的中心厚度d1(即透镜在光轴上的厚度)为3mm。上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5％，即允许各参数在期望值±5％的范围内变化。
第二透镜L2为平凸型正透镜。第二透镜L2的第三曲面S3向物方凸出。第三曲面S3与光轴相交的圆弧面的曲率半径为68mm，第四曲面S4为平面，曲率半径为无穷大。第二透镜L2的中心厚度d3为2mm。类似的，第二透镜L2的上述各参数均为期望值，允许存在一定公差，上述各参数的公差范围仍为5％，即允许各参数在期望值±5％的范围内变化。
请同时参考图2，第二透镜L2的第三曲面S3由多个焦点不同的圆弧面依次直接连接构成，且这些圆弧面的焦点均在光轴上。该第三曲面S3包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一圆弧Φ1、第二圆弧Φ2、第三圆弧Φ3、第四圆弧Φ4和第五圆弧Φ5。第一圆弧Φ1、第二圆弧Φ2、第三圆弧Φ3、第四圆弧Φ4和第五圆弧Φ5的焦点分别为f1，f2，f3，f4，f5，这些焦点沿入射光线的传输方向依次排布在光轴上。该第三曲面S3的中心厚度d8(即第三曲面S3在光轴上的厚度)的期望值为0.45mm，同样地该参数公差范围仍为5％，即允许该参数在期望值±5％的范围内变化。
第三透镜L3为弯月型负透镜。第三透镜L3的第五曲面S5向像方凸出。第五曲面S5的曲率半径为-10mm。第六曲面S6向像方凸出。第六曲面S6的曲率半径为-30mm。第三透镜L3的中心厚度d5为1mm。类似的，第三透镜L3的上述各参数均为期望值，允许存在一定公差，上述各参数的公差范围同样为5％，即允许各参数在期望值±5％的范围内变化。
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的期望值为0.2mm，公差为5％，即允许该间距d2在期望值±5％的范围内变化。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的期望值为18mm，公差为5％，即允许该间距d4在期望值±5％的范围内变化。
在一实施例中，该光学透镜还包括第四透镜L4，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4沿入射光线的传输方向依次共轴排列。
第四透镜L4包括作为光入射面的第七曲面S7和作为光出射面的第八曲面S8。第四透镜L4作为一保护器件，为平面透镜，因此第七曲面S7和第八曲面S8的曲率半径均是无穷大。第四透镜L4的中心厚度d7为1mm。另外，第四透镜L4的第七曲面S7(光入射面)与第三透镜L3的第六曲面S6(光出射面)在光轴上的间距d6为1mm。同样的，上述各参数均为期望值，允许存在一定公差，上述各参数的公差范围同样为5％，即允许各参数在期望值±5％的范围内变化。
上述透镜材料可为一般的光学玻璃。在一些实施例中，为了可以扩展应用到紫外激光的范围，可以采用熔石英。
通过以下简列方式对上述实施例的方案进行更清晰的说明：
第一透镜L1
第一曲面S1曲率半径：21mm
第二曲面S2曲率半径：∞
中心厚度：3
材料：SILICA
第二透镜L2
第三曲面S3曲率半径：68mm
第四曲面S4曲率半径：∞
中心厚度：2mm
材料：SILICA
与第一透镜L1曲面间隔：0.2mm
第三透镜L3
第五曲面S5曲率半径：-10mm
第六曲面S6曲率半径：-30mm
中心厚度：1mm
材料：SILICA
与第二透镜L2曲面间隔：18mm
第四透镜L4
第七曲面S7曲率半径：∞
第八曲面S8曲率半径：∞
中心厚度：1mm
材料：SILICA
与第三透镜L3曲面间隔：1mm
配备上述光学镜头的光学系统可以采用红外光到紫外光的工作波段的激光。
下面针对波长为550nm的激光，结合图3至图5说明应用该光学镜头的加工质量。该光学系统的具体参数有：f(焦距)＝60mm；D/f(相对孔径)＝1/3.5。
如图3所示，是该光学镜头的几何像差图，弥散斑ΔΦ≈2μm，说明弥散圆很细，聚焦点能量集中。
如图4所示，是该光学镜头的传递函数M.T.F图，当分辨率达到200线对时，M.T.F还有0.4。
如图5所示，是该光学镜头的能量集中度曲线图，这是为该系统特别校正的结果，由于打孔和刻线的要求，所有能量都集中孔径ΔΦ或是线宽约为2μm之内，都达到了理想状态。
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 (9)

1.一种光学镜头，其特征在于，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜和第二透镜均为平凸型正透镜，所述第三透镜为弯月型负透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；第一曲面和第三曲面迎着入射光线的传输方向凸出，第五曲面和第六曲面朝向入射光线的传输方向凸出；所述第三曲面由多个焦点不同的圆弧面依次直接连接构成，且这些圆弧面的焦点均在光轴上，所述第一曲面的曲率半径为21mm±5％，所述第一透镜的中心厚度为3mm±5％。
2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三曲面包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一圆弧面、第二圆弧面、第三圆弧面、第四圆弧面和第五圆弧面，第一圆弧面、第二圆弧面、第三圆弧面、第四圆弧面和第五圆弧面的焦点沿入射光线的传输方向依次排布在光轴上。
3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三曲面与光轴相交的圆弧面的曲率半径为68mm±5％，所述第二透镜的中心厚度为2mm±5％。
4.根据权利要求3所述的光学镜头，其特征在于，所述第三曲面在光轴上的厚度为0.45mm±5％。
5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五曲面的曲率半径为-10mm±5％，所述第六曲面的曲率半径为-30mm±5％，所述第三透镜的中心厚度为1mm±5％。
6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的第二曲面与第二透镜的第三曲面在光轴上的间距为0.2mm±5％，所述第二透镜的第四曲面与第三透镜的第五曲面在光轴上的间距为18mm±5％。
7.根据权利要求1-6项中任意一项所述的光学镜头，其特征在于，还包括第四透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜沿入射光线的传输方向依次共光轴排列，所述第四透镜为平面透镜。
8.根据权利要求7所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的中心厚度为1mm±5％。
9.根据权利要求7所述的光学镜头，其特征在于，所述第四透镜包括作为光入射面的第七曲面和作为光出射面的第八曲面，所述第四透镜的第七曲面与第三透镜的第六曲面在光轴上的间距为1mm±5％。
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