CN108873257B - 透镜组及激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透镜组及激光加工设备，该透镜组包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为平凸正透镜，第三透镜为弯月负透镜，第四透镜为弯月正透镜，第五透镜为双凸正透镜；第一透镜与第二透镜能够沿光轴相对运动，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，当第一透镜与第二透镜沿光轴相对运动时，第二曲面与第三曲面在光轴上的间距范围为60mm‑70mm。本发明的透镜组及激光加工设备，该透镜组通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，且激光能量集中度高，以提高成像质量。

Description

透镜组及激光加工设备

技术领域

本发明属于光学组件及激光加工技术领域，尤其涉及透镜组及激光加工设备。

背景技术

随着工业激光的发展，人们对工业激光应用的技术需求也越来越高。尤其在复杂的零件，普通的雕刻、标识已经不能满足需求。三维动态激光应用系统也应运而生，它的出现是激光应用领域的一次新突破。然而，目前的三维动态激光打标，容易出现像散和畸变，进而影响成像质量及打标精度。

发明内容

基于此，有必要提供一种成像质量较佳的透镜组及激光加工设备。

一种透镜组，所述透镜组包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为平凸正透镜，所述第三透镜为弯月负透镜，所述第四透镜为弯月正透镜，所述第五透镜为双凸正透镜；所述第一透镜与所述第二透镜能够沿光轴相对运动，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，当所述第一透镜与所述第二透镜沿所述光轴相对运动时，所述第二曲面与所述第三曲面在所述光轴上的间距范围为60mm-70mm。

在其中一个实施方式中，所述第一透镜和所述第二透镜的材料均为熔融石英，所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的材料均为光学玻璃。

在其中一个实施方式中，所述透镜组的最大入瞳直径为7.5m。

在其中一个实施方式中，所述第一透镜、所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.46/67.82)±5％，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.52/64.12)±5％，所述第四透镜和所述第五透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.81/25.37)±5％。

在其中一个实施方式中，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，第一曲面至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；

所述第一曲面至第十曲面的曲率半径依次为-104.5mm±5％、44.75mm±5％、无穷大、-62.5mm±5％、-53mm±5％、-261.5mm±5％、-146.5mm±5％、-73.5mm±5％、600mm±5％、-252.5mm±5％，所述第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为3mm±5％、5mm±5％、7mm±5％、15mm±5％、13mm±5％。

在其中一个实施方式中，所述第六曲面和所述第七曲面在所述光轴上的间距为6mm±5％；所述第八曲面和所述第九曲面在所述光轴上的间距为0.5mm±5％。

相应的，本发明还提供一种激光加工设备，所述激光加工设备包括红外激光器及上述的透镜组，所述红外激光器用于出射激光束，所述激光束沿所述光轴从所述第一透镜的第一曲面入射所述透镜组。

在其中一个实施方式中，所述激光加工设备还包括振镜系统，所述振镜系统设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

在其中一个实施方式中，所述红外激光器所出射的激光波长为1064nm。

在其中一个实施方式中，所述红外激光器的功率等于或大于200W。

本发明提供的一种透镜组及激光加工设备，该透镜组通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，且激光能量集中度高，以提高成像质量。

附图说明

图1为一实施例中透镜组的结构示意图；

图2是图1所示透镜组传递函数的M.T.F曲线图；

图3是图1所示透镜组的弥散斑示意图；

图4是图1所示透镜组的能量集中度示意图。

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进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。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方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

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。

如图1所示，一实施方式的一种透镜组，能够用于红外激光标识系统。该透镜组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和第五透镜L5，第一透镜L1为双凹负透镜，第二透镜L2为平凸正透镜，第三透镜L3为弯月负透镜，第四透镜L4为弯月正透镜，第五透镜L5为双凸正透镜；第一透镜L1与第二透镜L2能够沿光轴相对运动，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，当第一透镜L1与第二透镜L2沿光轴相对运动时，第二曲面S2与第三曲面S3在光轴上的间距d2范围为60mm-70mm。

上述实施方式中，通过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，且激光能量集中度高，以提高成像质量。此外，该实施方式中，第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5组成焦距f为210mm的F-Theta镜头，F-Theta镜头全视场角2ω＝50°。通过调节第一透镜L1、第二透镜L2的相对位置，使得F-Theta镜头的工作距离随之变化，从而获得较大的扫描范围。

具体的，在第一透镜L1和第二透镜L2的相对运动过程中，第二曲面S2与第三曲面S3在光轴上的间距d2和F-Theta镜头工作距离相对位置变化数值表如下：

由上表可知，在第一透镜L1与第二透镜L2沿光轴相对运动时，第二曲面S2与第三曲面S3在光轴上的间距在60mm-70mm范围内变化，相应的，第三透镜L3、第四透镜L4及第五透镜L5组成的F-Theta镜头的工作距在245mm-270mm范围内变化，以获得较大的扫描范围，提高加工效率。

需要说明的是，第一透镜L1和第二透镜L2之间的相对运动可以通过多种结构形成实现。例如，在第一透镜L1和第二透镜L2之间设置音圈电机，通过控制音圈电机的正反旋转运动，实现第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的距离调节，使得第一透镜L1的第二曲面S2与第二透镜L2的第三曲面S3在光轴上的间距d2控制在60mm-70mm。

在其中一个实施方式中，第一透镜L1和第二透镜L2的材料均为熔融石英，第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5的材料均为光学玻璃。

根据“Airy Disk”判断可知(艾里斑判断)，激光聚焦后的弥散光斑的理论分辨距离为：

d＝2.44λf/D

其中：d艾里斑直径(也就是聚焦后的弥散光斑)；

λ为加工光束的激光波长；

f为F-Theta镜头的焦距；

D为F-Theta镜头的入瞳直径。

由上可知，用超短波长的激光束进行切割会得到更为精细的切缝。由于上述透镜组中，第一透镜L1和第二透镜L2的材料均为熔融石英，从而在聚光至第三透镜L3时，不容易出现像散。第三透镜L3、第四透镜L4和第五透镜L5的材料均为光学玻璃，使得形成的F-Theta镜头能够适用于波长λ＝1064nm的红外激光器，以获得超精细的聚焦后的弥散光斑，并适合高功率密度，可以应用到功率等于或大于200W的紫外激光器上。

透镜组的最大入瞳直径为7.5m，以保障单位时间内的通光量，使得透镜组具有大光圈优势，从而能够在减小边缘视场的像差的同时增强暗环境下的成像效果。

上述实施方式中，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，第一曲面S1至第十曲面S10沿入射光线的传输方向依次排布；需要说明的是，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面。

在其中一个实施例中，第一透镜L1的第一曲面S1向像方凸出，曲率半径为-104.5mm，第二曲面S2与第一曲面S1的弯曲方向相反，曲率半径为44.75mm。第一透镜L1的中心厚度d1(即第一透镜L1在光轴上的厚度)为3mm。第一透镜L1的折射率Nd1与阿贝数Vd1的比例为1.46/67.82。上述各参数并非唯一选择，均存在5％的公差范围，即允许各参数在±5％范围内变化。

第一透镜L2的第三曲面S3为平面，即曲率半径R3为无穷大，第四曲面S4向像方凸出，曲率半径R4为-62.5mm。第二透镜L2的中心厚度d3为5mm。第二透镜L2的折射率Nd2与阿贝数Vd2的比例为1.46/67.82。第二透镜L2的各参数的公差范围仍为5％。

第三透镜L3的第五曲面S5向像方凸出，曲率半径为-53mm，第六曲面S6的弯曲方向与第五曲面S5相同，曲率半径为-261.5mm，第三透镜L3的中心厚度d5为7mm。第三透镜L3的折射率Nd3与阿贝数Vd3的比例为1.52/64.12。第三透镜L3的各参数的公差范围仍为5％。

第四透镜L4的第七曲面S7向像方凸出，曲率半径为-146.5mm，第八曲面S8的弯曲方向与第七曲面相同，曲率半径-73.5mm。第四透镜L4的中心厚度d7为15mm。第四透镜L4的折射率Nd4与阿贝数Vd4的比例为1.81/25.37。第四透镜L4的各参数的公差范围同为5％。

第五透镜L5的第九曲面S9相对于第十曲面S10向外凸出，曲率半径为600mm，第十曲面S10向像方凸出，曲率半径为-252.5。第五透镜L5的中心厚度d9为13mm。第五透镜L5的折射率Nd5与阿贝数Vd5的比例为1.81/25.37。第五透镜L5的各参数的公差范围同为5％。

在其中一个实施方式中，第六曲面S6和第七曲面S7在光轴上的间距d6为6mm，可以有5％的公差范围。第八曲面S8和第九曲面S9在光轴上的间距d8为0.5mm，可以有5％的公差范围。

在其中一个实施方式中，在第二透镜L2和第三透镜L3之间设有振镜系统，即振镜系统位于第二透镜L2的第四曲面S4与第三透镜L3的第五曲面S5之间，以对从第二透镜L2出射的光束进行调整，并将调整后的光束经第五曲面S5入射第三透镜L3。需要说明的是，第四曲面S4和第五曲面S5之间设置振镜系统，从而对第四曲面S4和第五曲面S5在光轴上的间距d4没有限制，只要能够满足振镜系统的安装即可。

通过以下表格对上述实施例的方案进行更清晰的说明：

图2是图1所示透镜组传递函数的M.T.F曲线图，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。该图显示当分辨率达到20线对/毫米时，M.T.F仍然有0.6以上，达到了非常理想的状态。图3是图1所示透镜组的像差弥散斑图，示出了透镜组的宽光束像差。每幅图都标出了视角(单位为度)和像面高度，即“像高”(单位为毫米)，其中第一个图中标出了40微米的标尺长度，即艾里斑直径，可以看到透镜组的几何弥散尺寸最大也只有十微米左右。由此可见在整个的像面内，像质都达到了理想的水平。

图4是图1所示透镜组的能量集中度示意图。其中，横坐标为弥散斑半径(单位为微米)，纵坐标为能量集中度，由图中可见，所有能量基本集中在10μm左右。能量集中度极高，从而可实现精确的打标或切割。

相应的，本发明还提供一种激光加工设备，激光加工设备包括红外激光器及上述的透镜组，红外激光器用于出射激光束，激光束沿光轴从第一透镜L1的第一曲面S1入射透镜组。

激光加工设备还包括振镜系统，振镜系统设置在第二透镜L2和第三透镜L3之间，可以用来对从第二透镜L2出射的光束进行调整，并将调整后的光束经第五曲面S5入射第三透镜L3。

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)

1.一种透镜组，其特征在于，所述透镜组包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为平凸正透镜，所述第三透镜为弯月负透镜，所述第四透镜为弯月正透镜，所述第五透镜为双凸正透镜；所述第一透镜与所述第二透镜能够沿光轴相对运动，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，当所述第一透镜与所述第二透镜沿所述光轴相对运动时，所述第二曲面与所述第三曲面在所述光轴上的间距范围为60mm-70mm，所述第三透镜、所述第四透镜及所述第五透镜组成的F-Theta镜头的工作距离相应的变化为245mm-270mm。

2.根据权利要求1所述的透镜组，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜的材料均为熔融石英，所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的材料均为光学玻璃。

3.根据权利要求1所述的透镜组，其特征在于，所述透镜组的最大入瞳直径为7.5mm。

4.根据权利要求1所述的透镜组，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.46/67.82)±5％，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为(1.52/64.12)±5％，所述第四透镜和所述第五透镜的折射率与阿贝数的比例均为(1.81/25.37)±5％。

5.根据权利要求1所述的透镜组，其特征在于，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，第一曲面至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；

所述第一曲面至第十曲面的曲率半径依次为-104.5mm±5％、44.75mm±5％、无穷大、-62.5mm±5％、-53mm±5％、-261.5mm±5％、-146.5mm±5％、-73.5mm±5％、600mm±5％、-252.5mm±5％，所述第一透镜至第五透镜的中心厚度依次为3mm±5％、5mm±5％、7mm±5％、15mm±5％、13mm±5％。

6.根据权利要求5所述的透镜组，其特征在于，所述第六曲面和所述第七曲面在所述光轴上的间距为6mm±5％；所述第八曲面和所述第九曲面在所述光轴上的间距为0.5mm±5％。

7.一种激光加工设备，其特征在于，所述激光加工设备包括红外激光器及如权利要求1-6任一项所述的透镜组，所述红外激光器用于出射激光束，所述激光束沿所述光轴从所述第一透镜的第一曲面入射所述透镜组。

8.根据权利要求7所述的激光加工设备，其特征在于，所述激光加工设备还包括振镜系统，所述振镜系统设于所述第二透镜和所述第三透镜之间。

9.根据权利要求7所述的激光加工设备，其特征在于，所述红外激光器所出射的激光波长为1064nm。

10.根据权利要求7所述的激光加工设备，其特征在于，所述红外激光器的功率等于或大于200W。

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