CN107505687B - 透镜组、光学镜头组件及激光标识设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及透镜组、光学镜头组件以及激光标识设备，其中，所述透镜组包括第一透镜、第二透镜及第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的中心轴线位于同一直线上，所述第一透镜是双凹负透镜，所述第二透镜是弯月正透镜，所述第三透镜是双凸正透镜，其中所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间。该透镜组由负‑正‑正的三块透镜组成，激光经透镜组聚焦后，形成高能量密度激光，其中所使用的透镜数目减少，即上述镜头在保证光质的前提下，使其重量得到减轻。

Description

透镜组、光学镜头组件及激光标识设备

技术领域

本发明涉及光学设备领域，特别是涉及透镜组、光学镜头组件及激光标识设备。

背景技术

随着现代工业激光应用的普及，激光标识技术以其非接触、无污染、无损耗、无耗材的优势受到瞩目。激光标识技术是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种技术。

激光标识设备由镜头和机身组成，其中镜头的选择显得尤为重要。激光标识设备的镜头选择即为焦距的选择，一般地，焦距跟工作距离有一定关系，但不等于工作距离。当物件的体积比较大时，打标范围大，所需的镜头相对较大，但扫描面积达到一定程度后，光斑变大，失真加大，光束质量下降，激光的功率密度下降非常快，导致激光能源损耗加强，不利于精密加工。特别是在带状物料生产标识的领域(如：电线、电缆、热缩管等)中，打标范围不需要很大，从而所需的镜头也相对较小。

发明内容

基于此，有必要针对如何使激光标识设备的结构简单化的问题，提供透镜组、光学镜头组件及激光标识设备。

一种透镜组，包括第一透镜、第二透镜及第三透镜；所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的中心轴线位于同一直线上，所述第一透镜是双凹负透镜，所述第二透镜是弯月正透镜，所述第三透镜是双凸正透镜，其中所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间，以致当光线从所述第一透镜射入并穿过所述透镜组而从所述第三透镜射出时，出射光线会聚在预定区域内。

上述透镜组采用双凹负透镜、弯月正透镜以及双凸正透镜三块透镜，所使用的透镜数目较少，使用该透镜组的光学镜头可以在保证光质的前提下，重量得到减轻，从而使得激光标识设备的结构简单化。

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在-29.92mm～-27.08mm的范围内，所述第二曲面的曲率半径在108.06mm～119.44mm的范围内；

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，所述第四曲面邻近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径在-80.33mm～-72.67mm的范围内，所述第四曲面的曲率半径在-44.63mm～-40.37mm的范围内；

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，所述第六曲面远离所示第四曲面，所述第五曲面的曲率半径在109.04mm～122.96mm的范围内，所述第六曲面的曲率半径在-56.18mm～-50.82mm的范围内。

在其中一个实施例中，所述第一透镜在其中心轴线上的厚度在1.9mm～2.1mm的范围内、所述第二透镜在其中心轴线上的厚度在4.75mm～5.25mm的范围内、所述第三透镜在其中心轴线上的厚度在7.6mm～8.4mm的范围内。

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例在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内、所述第二透镜的材料的折射率与阿贝数的比例在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内、所述第三透镜的材料的折射率与阿贝数的比例在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内。

在其中一个实施例中，所述第一透镜与所述第二透镜之间在所述中心轴线上的空气层厚度在3.32mm～3.68mm的范围内、所述第二透镜与所述第三透镜之间在所述中心轴线上的空气层厚度在0.475mm～0.525mm的范围内。

在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜的直径在38mm～42mm的范围内。

在其中一个实施例中，还包括平面保护镜，所述平面保护镜的中心轴线与所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的中心轴线相同，其中所述第一透镜、所述第二透镜及所述第三透镜均在所述平面保护镜的同一侧，且所述平面保护镜邻近所述第三透镜。

在其中一个实施例中，所述平面保护镜在其中心轴线上的厚度在1.9mm～2.1mm的范围内，所述平面保护镜的材料的折射率与阿贝数的比例在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内所述第三透镜和所述平面保护镜之间在所述第三透镜的中心轴线上的空气层厚度在2.85mm～3.15mm的范围内。

一种光学镜头组件，该光学镜头组件包括以上所述的透镜组。

一种激光标识设备，包括上述的光学镜头组件。

上述光学镜头组件以及激光标识设备，由于采用由三块透镜组成的透镜组，故使得结构简单，生产成本降低，并且提高了使用便捷性。

附图说明

图1为一实施例的透镜组的结构示意图；

图2为图1所示的透镜组的激光光束的场曲图；

图3为图1所示的透镜组的激光光束的畸变图；

图4为图1所示的透镜组的激光光束的光学传递函数；

图5为图1所示的透镜组的激光光束的调制传递函数；

图6为图1所示的透镜组的激光光束的点列图；

图7为图1所示的透镜组的激光光束的能量集中度图。

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透镜组、具有该透镜组的光学镜头组件及具有该光学镜头组件的激光标识设备进行更全面的描述。附图中给出了透镜组的首选实施例。但是，该透镜组、具有该透镜组的光学镜头组件及具有该光学镜头组件的的激光标识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透镜组、具有该透镜组的光学镜头组件及具有该光学镜头组件的激光标识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。本文中在透镜组、具有该透镜组的光学镜头组件及具有该光学镜头组件的激光标识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，本说明书的光的传播方向是从图1的左边向右边。以透镜曲面和光轴20的交点为准，曲面的球心在该点的左方，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。此外，光轴20与第一透镜、第二透镜及第三透镜的中心轴线重合。

如图1所示，透镜组10包括第一透镜100、第二透镜200以及第三透镜300，第一透镜100、第二透镜200以及第三透镜300的中心轴线位于同一直线上，第一透镜100为双凹负透镜，第二透镜200为弯月正透镜，第三透镜300为双凸正透镜，其中第二透镜200位于第一透镜100和第三透镜300之间，以致当光线从第一透镜100射入并穿过透镜组10而从第三透镜300射出时，出射光线会聚在预定的区域内。

由激光发生器生成高能量的连续激光光束，经该透镜组10聚焦后，激光直接作用于承印材料，如料带等。激光使承印材料的表面材料瞬间熔融，甚至气化，通过控制激光在材料表面的路径，从而形成需要的图文标记。其中，所采用的激光的波长可以为1064nm的红外光或355nm的紫外光。根据所需要的波长，确定合适的激光发生器。具体地，在本实施例中，采用的激光为1064nm红外光，这是由于相比于紫外光，红外光所使用的激光发生器较便宜，可以降低整个标识设备的价格，更能满足需求。

其中，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，第二曲面120邻近第二透镜200。第一透镜100的第一曲面110的曲率半径R1在-29.92mm～-27.08mm的范围内，第二曲面120的曲率半径R2在108.06mm～119.44mm的范围内。第二透镜200包括第三曲面210及第四曲面220，第三曲面210邻近第二曲面120，第四曲面220邻近第三透镜300。第三曲面210的曲率半径R3在-80.33mm～-72.67mm的范围内，第四曲面220的曲率半径R4在-44.63mm～-40.37mm的范围内。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远离第四曲面220，第五曲面310的曲率半径R5在109.04mm～122.96mm的范围内，第六曲面320的曲率半径R6在-56.18mm～-50.82mm的范围内。具体地，本实施例中，第一曲面110的曲率半径R1为-28.5mm，第二曲面120的曲率半径R2为113.75mm，第三曲面210的曲率半径R3为-76.5mm，第四曲面220的曲率半径R4为-42.5mm，第五曲面310的曲率半径R5为116mm，第六曲面320的曲率半径R6为-53.5mm。其中，在一个实施例中，第一透镜100在其中心轴线上的厚度d1在1.9mm～2.1mm的范围内，即第一透镜100在光轴20上的厚度d1在1.9mm～2.1mm的范围内、第二透镜200在其中心轴线20上的厚度d2在4.75mm～5.25mm的范围内，即第二透镜200在光轴20上的厚度d2在4.75mm～5.25mm的范围内、第三透镜300在其中心轴线上的厚度d3在7.6mm～8.4mm的范围内，即第三透镜300在光轴20上的厚度d3在7.6mm～8.4mm的范围内。具体地，第一透镜100在光轴20上的厚度为2mm、第二透镜200在光轴20上的厚度为5mm、第三透镜300在光轴20上的厚度为8mm。

此外，阿贝数Vd是德国物理学家恩斯特·阿贝发明的物理学数，也称"V-数"，用以表示透明物质色散能力的反比例指数，在其中一个实施例中，第一透镜100的材料的折射率Nd1与阿贝数Vd1的比值在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内，第二透镜200的材料的折射率Nd2与阿贝数Vd2的比值在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内，第三透镜300的材料的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比值在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内。具体地，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1.516/64.12，第二透镜200的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.74/28.16，第三透镜300的材料的折射率Nd与阿贝数Vd的比值为1.74/28.16。

其中，在一个实施例中，第一透镜100与第二透镜200之间在光轴上的空气层厚度D1在3.32mm～3.68mm的范围内，也就是说，第二曲面120和第三曲面210之间在光轴20上的距离在3.32mm～3.68mm的范围内。第二透镜200与第三透镜300之间在光轴20上的空气层厚度D2在0.475mm～0.525mm的范围内，也就是说，第四曲面220和第五曲面310之间在光轴20上的距离在0.475mm～0.525mm的范围内。具体地，在本实施例中，第一透镜100与第二透镜200之间在光轴20上的空气层厚度为3.5mm，第二透镜200与第三透镜300之间在光轴20上的空气层厚度为0.5mm。

在另一个实施例中，该透镜组10还可以包括平面保护镜400。平面保护镜400与第一透镜100、第二透镜200、第三透镜300的中心轴线位于一条直线上，第一透镜100、第二透镜200及第三透镜300均在平面保护镜400的同一侧，且平面保护镜400邻近第三透镜300，即平面保护镜400邻近第六曲面320，远离第五曲面310，该平面保护镜400用于保护各个透镜，延长透镜组10的使用寿命。需要说明的是，该平面保护镜400的数目并不限定，可以选用一个来降低透镜组10的整体重量。

其中，平面保护镜400包括第七曲面410和第八曲面420，第七曲面410邻近第三透镜300，第八曲面420远离第三透镜300。第七曲面410的曲率半径为∞，第八曲面420的曲率半径为∞。在其中一个实施例中，平面保护镜400的中心厚度d4在1.9mm～2.1mm的范围内，平面保护镜的材料的折射率Nd4与阿贝数Vd4的比例在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内，第三透镜300和平面保护镜400之间在光轴20上的空气层厚度D3在2.85mm～3.15mm的范围内。

具体地，在本实施例中，平面保护镜400为玻璃片，第七曲面410的曲率半径为∞，第八曲面420的曲率半径为∞。在本实施例中，平面保护镜400的中心厚度为2mm，平面保护镜400的材料的折射率与阿贝数的比例为1.516/64.12，第三透镜300和平面保护镜400之间在光轴20上的空气层厚度为3mm。

通过对曲率半径、透镜间空气层厚度、透镜在光轴上的厚度以及材料的选择，使得激光聚焦在规定的标识范围内，且在保证激光光束的质量的同时使透镜组的结构简单化，透镜组的大小降低，进而使得成本降低，使用更方便。

下表为较优实施例的透镜组10的具体参数值。

在料带标识技术领域中，一般不需要很大的标识范围，小的视场角即可使成像质量达到理想状态，而且，扫描范围过大，会使光斑变大，失真加大、光束质量下降，激光的功率密度下降非常快，导致激光能源损耗加强，不利于精密加工，在一实施例中，第一透镜100、第二透镜200及第三透镜300的直径在38mm～42mm的范围内，在另一实施例中，镜头的最大处通光口径(透镜大小)为40mm，视场角为10°。

此外，在一实施例中，激光标识设备中的振镜系统的反射中心到被标识的料带之间的距离在230.5mm～226.5mm的范围内，即固定物像共轭距离在230.5mm～226.5mm的范围内，这样将物象共轭距离固定可以更方便地将镜头直接安装于料带生产设备中，利用料带的传输实现长距离的标识。

另外，料带的宽度无特别限定，只有在标识范围内即可。在一实施例中，标识范围为10mm*10mm，料带宽度在10mm以下。

图2为较佳实施例的透镜组的激光光束的场曲图，图3为较佳实施例的透镜组的激光光束的畸变图。从图2和图3中可以看出，该透镜组像散和弯曲都已达到了理想的校正状态，像面明显地变平，最终使得它在整个标识范围内的像面都非常平，且轴上与轴外无明显差别。

图4是为较佳实施例的透镜组的激光光束的光学传递函数(Optical TransferFunction，OTF)，图5为较佳实施例的透镜组的激光光束的调制传递函数(ModulationTransfer Function，MTF)。从图4和图5中可以看出，该镜头的轴上点和轴外点均无明显差别，达到了平像场的目的。

图6为较佳实施例的透镜组的激光光束的点列图。从图6中可以看出，每个视场的光线与像面相交，形成一个弥散斑，这个弥散斑的质心在像面的位置就是点列图的质心坐标，在各视场内，弥散斑大小较均匀，所有视场均控制5μm内。

图7为较佳实施例的透镜组的激光光束的能量集中度图。图7中的横坐标表示离点列图质心的距离，单位为μm；纵坐标表示横坐标数值确定半径内所占能量比例。从图7中可以看出，可见能量分布接近高斯正态分布，标识所有能量均集中在5μm以内。

在其中一个实施例中，激光光束的波长λ为1064nm，透镜组的焦距为90mm，使用该透镜组的光学镜头的入瞳直径为10mm、视场角(2ω)为10°。

本发明也公开了一种光学镜头组件，其包括上面结合附图1-7所描述的透镜组。

本发明也公开了一种激光标识设备，其包括上面所描述的光学镜头组件。

一实施例的激光标识设备包括上述光学镜头组件和振镜。振镜位于第一透镜的远离第二透镜的一侧，入射光通过振镜后射入透镜组10中。

上述激光标识设备及其光学镜头采用双凹负透镜、弯月正透镜以及双凸正透镜三块透镜组成透镜组10，该透镜组10的视场角较小，从而使得透镜的大小相对于通常所使用的透镜可以有较大幅度的降低，且所使用的透镜数目较少。因此，使用该透镜组的光学镜头可以在保证光质的前提下，使其结构简便化。

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 (8)

1.一种激光标识设备，其特征在于，包括激光发生器和光学镜头组件，所述光学镜头组件设置于所述激光发生器的光路上，所述光学镜头组件包括透镜组，所述透镜组由第一透镜、第二透镜及第三透镜组成；所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的中心轴线位于同一直线上，所述第一透镜是双凹负透镜，所述第二透镜是弯月正透镜，所述第三透镜是双凸正透镜，其中所述第二透镜位于所述第一透镜和所述第三透镜之间，以致当所述激光发生器所发出的光线从所述第一透镜射入并穿过所述透镜组而从所述第三透镜射出时，出射光线会聚在预定的区域内，所述光学镜头组件的视场角为10°。

2.根据权利要求1所述的激光标识设备，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在-29.92mm～-27.08mm的范围内，所述第二曲面的曲率半径在108.06mm～119.44mm的范围内；

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，所述第四曲面邻近所述第三透镜，所述第三曲面的曲率半径在-80.33mm～-72.67mm的范围内，所述第四曲面的曲率半径在-44.63mm～-40.37mm的范围内；

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，所述第六曲面远离所述第四曲面，所述第五曲面的曲率半径在109.04mm～122.96mm的范围内，所述第六曲面的曲率半径在-56.18mm～-50.82mm的范围内；

所述激光标识设备的物象共轭距离在230.5mm～226.5mm的范围内。

3.根据权利要求1所述的激光标识设备，其特征在于，所述第一透镜在其中心轴线上的厚度在1.9mm～2.1mm的范围内、所述第二透镜在其中心轴线上的厚度在4.75mm～5.25mm的范围内、所述第三透镜在其中心轴线上的厚度在7.6mm～8.4mm的范围内。

4.根据权利要求1所述的激光标识设备，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在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内、所述第二透镜的材料的折射率与阿贝数的比值在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内、所述第三透镜的材料的折射率与阿贝数的比值在1.653/28.16～1.827/28.16的范围内。

5.根据权利要求1所述的激光标识设备，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜之间在所述中心轴线上的空气层厚度在3.32mm～3.68mm的范围内、所述第二透镜与所述第三透镜之间在所述中心轴线上的空气层厚度在0.475mm～0.525mm的范围内。

6.根据权利要求1所述的激光标识设备，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的通光口径在38mm～42mm的范围内。

7.根据权利要求1所述的激光标识设备，其特征在于，还包括平面保护镜，所述平面保护镜的中心轴线与所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的中心轴线相同，其中所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜均在所述平面保护镜的同一侧，且所述平面保护镜邻近所述第三透镜。

8.根据权利要求7所述的激光标识设备，其特征在于，所述平面保护镜在其中心轴线上的厚度在1.9mm～2.1mm的范围内，并且所述平面保护镜的材料的折射率与阿贝数的比值在1.44/64.12～1.592/64.12的范围内，所述第三透镜和所述平面保护镜之间在所述中心轴线上的空气层厚度在2.85mm～3.15mm的范围内。

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