CN109445062B - 三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法 - Google Patents

三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于光学技术领域，公开了三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法。三维动态调焦透镜组，包括动态透镜组和固定透镜组，动态透镜组包括第一透镜和相对于第一透镜位置运动的第二透镜，第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为平凸正透镜，固定透镜组包括第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，第三透镜为双凹负透镜，第四透镜和第五透镜为月弯正透镜，第六透镜为双凸正透镜，第一透镜至第六透镜沿物方至像方的方向依次排列，第一透镜至第六透镜的中心轴线位于光轴，第一透镜和第二透镜在光轴上的相对位置变化为29.3mm‑40.75mm，依次经过动态透镜组和固定透镜组的光线的焦点在272.5mm‑332.5mm内变化。本发明可实现三维立体高质量的成像打标，提高了成像质量。

Description

三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法。
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、复杂的环境中，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。与传统的二维激光标识机相比较，三维动态调焦立体激光标识系统的优势十分明显。它不仅能实现大幅面的激光打标加工，更能在曲面上、多台阶工件等复杂零件进行多维度的立体标识或者雕刻，但目前激光打标容易像散和畸变，影响打标精度。在申请号为201810757556.3申请文件中，透镜组由五个透镜组成，并通过对第一透镜、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。其中，第二曲面与第三曲面在光轴上的间距范围为60mm-70mm，比较大，占用较大的安装空间，使得透镜组的结构不紧凑，且F-Theta镜头的工作距离在245mm-270mm范围内变化，相对较短，用于对较大的工作距离大工件加工时，需重复进行多次操作，工作效率低。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法，其实现了三维立体高质量的成像打标，提高了成像质量。
本发明的技术方案是：三维动态调焦透镜组，包括动态透镜组和固定透镜组，所述动态透镜组包括第一透镜和相对于所述第一透镜位置运动的第二透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为平凸正透镜，所述固定透镜组包括第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第三透镜为双凹负透镜，所述第四透镜为月弯正透镜，所述第五透镜为月弯正透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜沿物方至像方的方向依次排列，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的中心轴线位于光轴上，且所述第一透镜和所述第二透镜在所述光轴上的相对位置变化为29.3mm-40.75mm，依次经过所述动态透镜组和所述固定透镜组的光线的焦点在272.5mm-332.5mm范围内变化。
可选地，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面朝向物方，且第一曲面凹向于像方，所述第二曲面凹向于物方；
所述第二透镜包括第三平面和第四曲面，所述第三平面朝向所述第一透镜，所述第四曲面凸向于像方；
所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面朝向所述第二透镜且所述第五曲面凹向于像方，所述第六曲面凹向于物方；
所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面朝向所述第三透镜，且所述第七曲面凹向于像方，所述第八曲面凸向于像方；
所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面朝向所述第四透镜，且所述第九曲面凹向于像方，所述第十曲面凸向于像方；
所述第六透镜包括第十一曲面和第十二曲面，所述第十一曲面朝向所述第五透镜，且所述第十一曲面凸向于物方，所述第十二曲面凸向于像方。
可选地，所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径依次为-88mm、55mm、∞、-47.5mm、-46.2mm、989.5mm、-46.5mm、-46.2mm、-540.85mm、-72.5mm、695mm、-92.5mm，且所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径允许的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
可选地，所述第一透镜至所述第六透镜在光轴上的中心厚度依次为2mm、3mm、3mm、6mm、9mm、11mm，且所述第一透镜至所述第六透镜在光轴上的中心厚度允许的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
可选地，所述第六曲面和所述第七曲面在所述光轴上的间距为4mm，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，所述第十曲面和所述第十一曲面在所述光轴上的间距为0.5mm，且所述第六曲面和所述第七曲面、所述第八曲面和所述第九曲面、所述第十曲面和所述第十一曲面在光轴上的间距的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
可选地，所述第一透镜到所述第六透镜的折射率与阿贝数的比例均为1.46/67.82，且所述第一透镜到所述第六透镜的折射率与阿贝数的比例的公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
可选地，所述三维动态调焦透镜组的最大入瞳直径为10mm。
本发明还提供了光学镜头，具有上述的三维动态调焦透镜组和振镜系统，所述振镜系统位于动态透镜组和固定透镜组之间。
本发明还提供了激光加工设备，包括紫外激光器和上述的光学镜头。
可选地，所述紫外激光器的发光波长为355nm，且所述紫外激光器的功率等于或大于20W。
本发明还提供了激光加工方法，用于上述的激光加工设备，包括以下步骤：控制激光器发射激光束，激光束由第一透镜射入，依次经过第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后射出成像于待加工产品上。其中，通过控制第一透镜和第二透镜在光轴上相对运动，使第二曲面和第三曲面的间距在设定的范围内变化，从而改变固定透镜组的工作距离。
本发明所提供的三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法，通过对六个透镜的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，使激光能量集中度高，同时通过控制第一透镜和第二透镜在光轴上运动，使第二曲面和第三曲面在29.3mm-40.75mm范围内进行动态无极调节，来改变激光束的发散角度，使依次经过所述动态透镜组和所述固定透镜组的光线的焦点在272.5mm-332.5mm范围内变化，形成一个160*160*±30mm立体的激光加工范围，达到改变F-Theta镜头工作距离变化的目的，实现了三维立体高质量成像打标，提高了成像质量，且镜头结构简单，便于设计，适合广泛应用于各种激光加工设备中。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的三维动态调焦透镜组的结构示意图；
图2是图1中所示三维动态调焦透镜组的传递函数的M.T.F曲线图；
图3是图1中所示三维动态调焦透镜组的弥散斑示意图；
图4是图1中所示三维动态调焦透镜组的能量集中度示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。
另外，本发明实施例中若有“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系的用语，其为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位或位置关系、也不是必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。
如图1所示，本发明实施例提供的三维动态调焦透镜组，包括动态透镜组和固定透镜组，固定透镜组可作为F-Theta镜头,动态透镜组包括第一透镜L1和沿光轴相对于第一透镜L1位置运动的第二透镜L2，第一透镜L1为双凹负透镜，第二透镜L2为平凸正透镜，固定透镜组包括第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6，第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6的相对位置固定不动，第三透镜L3为双凹负透镜，第四透镜L4为月弯正透镜，第五透镜L5为月弯正透镜，第六透镜L6为双凸正透镜，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和第六透镜L6沿物方(光线入射的一侧)至像方(光线出射的一侧)的方向依次排列，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和第六透镜L6的中心轴线位于光轴上，且第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上的相对位置变化为29.3mm-40.75mm(即第二曲面S2和第三曲面S3在光轴上的间距d2在29.3mm-40.75mm范围内)，依次经过动态透镜组和固定透镜组的光线的焦点在272.5mm-332.5mm范围内变化(即F-Theta镜头的工作距离为272.5mm-332.5mm),优化第二曲面S2和第三曲面S3在光轴上动态无极调节的范围，可对F-Theta镜头工作距离进行调整，精确地调整三维动态调焦透镜组扫描范围。通过六个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，实现了三维立体的高质量激光成像应用，提高了成像质量。该镜头结构简单，便于设计，适合广泛应用于各种激光加工设备中。
可选地，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第一曲面S1朝向物方，且第一曲面S1凹向于像方，第一曲面S1凹的曲率半径为-88mm，第二曲面S2凹向于物方，第一曲面S1和第二曲面S2的弯曲方向相反，第二曲面S2凹的曲率半径为55mm，第一透镜L1中心厚度d1为2mm,上述的参数均存在±5％的公差；
第二透镜L2包括第三平面和第四曲面S4，第三平面朝向第一透镜L1，第三平面的曲率半径无穷大，第四曲面S4凸向于像方，第四曲面S4的曲率半径为-47.5mm，第二透镜L2中心厚度d3为3mm,上述的参数均存在±5％的公差；
第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，第五曲面S5朝向第二透镜L2且第五曲面S5凹向于像方，第五曲面S5的曲率半径为-46.2mm，第六曲面S6凹向于物方，第六曲面S6曲率半径为989.5mm，第三透镜L3中心厚度d5为3mm，上述的参数均存在±5％的公差；
第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，第七曲面S7朝向第三透镜L3，且第七曲面S7凹向于像方，第七曲面S7的曲率半径为-46.5mm，第八曲面S8凸向于像方，第八曲面S8曲率半径为-46.2mm，第四透镜L4中心厚度d7为6mm，上述的参数均存在±5％的公差；
第五透镜L5包括第九曲面S9和第十曲面S10，第九曲面S9朝向第四透镜L4，且第九曲面S9凹向于像方，第九曲面S9的曲率半径为-540.85mm，第十曲面S10凸向于像方，第十曲面S10的曲率半径为-72.5mm，第五透镜L5中心厚度d9为9mm，上述的参数均存在±5％的公差；
第六透镜L6包括第十一曲面S11和第十二曲面S12，第十一曲面S11朝向第五透镜L5，且第十一曲面S11凸向于物方，第十一曲面S11的曲率半径为695mm，第十二曲面S12凸向于像方，第十二曲面S12的曲率半径-92.5mm，第五透镜L5中心厚度d11为11mm，上述的参数均存在±5％的公差。定义：当光从左向右传播，以透镜球面(即曲面)和光轴的交点为准，球面的球心在该点以左，则曲率半径为负，反之，球心在在该点以右，则曲率半径为正。
可选地，第一透镜L1至第六透镜L6的折射率与阿贝数的比例均为1.46/67.82,存在±5％的公差，为使得第一透镜L1至第六透镜L6的折射率与阿贝数的比例相同，第一透镜L1到第六透镜L6采用材料均为同一材质，通过优化折射率与阿贝数的比例，控制第一透镜L1至第六透镜L6的光线色散程度，从而决定成像效果。
本发明实施例中，第一透镜L1至第六透镜L6均由熔融石英材料制成。
实际应用中，可利用音圈电机带动第一透镜L1和第二透镜L2做直线相对运动，调节两个透镜的相对距离，控制第二曲面S2和第三曲面S3在29.3mm-40.75mm范围内变化，从而改变F-Theta镜头的工作距离。
可选地，第四曲面S4和第五曲面S5在光轴上的间距d4为安装振镜系统的距离，对距离没有作限制，只需满足振镜系统的安装即可，第六曲面S6和第七曲面S7在光轴上的间距d6为4mm，第八曲面S8和第九曲面S9在光轴上的间距d8为0.5mm，第十曲面S10和第十一曲面S11在光轴上的间距d10为0.5mm，且第六曲面S6和第七曲面S7、第八曲面S8和第九曲面S9、第十曲面S10和第十一曲面S11在光轴上的间距的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
关于第一透镜L1至第六透镜L6的参数如下表所示：
Figure BDA0001929745400000071
Figure BDA0001929745400000081
可选地，三维动态调焦透镜组的最大入瞳直径为10mm，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。
具体地，第二曲面S2和第三曲面S3在光轴上做相对距离与F-Theta镜头工作距离变化的具体数值如下表：
Figure BDA0001929745400000082
图2表示图1所示三维动态调焦透镜组的光学调制传递函数M.T.F曲线图。其中横坐标表示空间频率，纵坐标表示MTF值，由此也可以看出，该三维动态调焦透镜组的轴上点和轴外点均无明显差别，达到了平像场的目的。
图3和图4表示三维动态调焦透镜组的弥散斑和能量集中度。由图3可以看出，在所有视场中弥散斑的大小均控制15μm左右，成像质量达到理想状态；由图4可以看出，所有能量均集中在15μm左右，能量集中度极高，可实现超精确的激光打标或切割。
本发明还提供了光学镜头，具有上述的三维动态调焦透镜组，动态调焦透镜组和固定透镜组之间设置有振镜系统。
本发明还提供了激光加工设备，包括紫外激光器和上述的光学镜头。
可选地，紫外激光器的发光波长为355nm，且紫外激光器的功率等于或大于20W。
本发明还提供了激光加工方法，用于上述的激光加工设备，包括以下步骤：控制激光器发射激光束，激光束由第一透镜L1射入，依次经过第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6后射出成像于待加工产品上。其中，通过控制第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上相对运动，使第二曲面S2和第三曲面S3的间距在设定范围内变化，从而改变固定透镜组(F-Theta镜头)的工作距离，精确实现对加工范围的立体调节。
在一实施例中，激光器功率为20W，射入透镜组的激光束的波长为355mm，F-Theta镜焦距f＝254mm，F-Theta镜头全视场角(2ω)＝50°，入瞳直径D＝10mm。激光束由第一透镜L1射入，依次经过第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5和第六透镜L6后射出成像于待加工产品上，通过控制第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上相对运动，使第二曲面S2和第三曲面S3的间距在29.3mm-40.75mm范围内无极变化，配合振镜系统，254mm F-Theta镜头工作距离的变化范围为272.5mm-332.5mm，从而得到一个160*160*±30mm的立体加工范围。
本发明实施例所提供的三维动态调焦透镜组、光学镜头、激光加工设备及方法，通过对六个透镜的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，使激光能量集中度高，同时通过控制第一透镜L1和第二透镜L2在光轴上运动，使第二曲面S2和第三曲面S3在29.3mm-40.75mm范围内进行动态无极调节，来改变激光束的发散角度，使依次经过所述动态透镜组和所述固定透镜组的光线的焦点在272.5mm-332.5mm范围内变化，形成一个160*160*±30mm立体的激光加工范围，达到改变F-Theta镜头工作距离变化的目的，实现了三维立体高质量成像打标，提高了成像质量，且镜头结构简单，便于设计，适合广泛应用于各种激光加工设备中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.三维动态调焦透镜组，其特征在于，包括动态透镜组和固定透镜组，所述动态透镜组包括第一透镜和相对于所述第一透镜位置运动的第二透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为平凸正透镜，所述固定透镜组包括第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述第三透镜为双凹负透镜，所述第四透镜为月弯正透镜，所述第五透镜为月弯正透镜，所述第六透镜为双凸正透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜沿物方至像方的方向依次排列，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的中心轴线位于光轴上，且所述第一透镜和所述第二透镜在所述光轴上的相对位置变化为29.3mm-40.75mm，依次经过所述动态透镜组和所述固定透镜组的光线的焦点在272.5mm-332.5mm范围内变化。
2.如权利要求1所述的三维动态调焦透镜组，其特征在于，所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面朝向物方，且第一曲面凹向于像方，所述第二曲面凹向于物方；
所述第二透镜包括第三平面和第四曲面，所述第三平面朝向所述第一透镜，所述第四曲面凸向于像方；
所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面朝向所述第二透镜且所述第五曲面凹向于像方，所述第六曲面凹向于物方；
所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面朝向所述第三透镜，且所述第七曲面凹向于像方，所述第八曲面凸向于像方；
所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面朝向所述第四透镜，且所述第九曲面凹向于像方，所述第十曲面凸向于像方；
所述第六透镜包括第十一曲面和第十二曲面，所述第十一曲面朝向所述第五透镜，且所述第十一曲面凸向于物方，所述第十二曲面凸向于像方。
3.如权利要求2所述的三维动态调焦透镜组，其特征在于，所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径依次为-88mm、55mm、∞、-47.5mm、-46.2mm、989.5mm、-46.5mm、-46.2mm、-540.85mm、-72.5mm、695mm、-92.5mm，且所述第一曲面至所述第十二曲面的曲率半径允许的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
4.如权利要求3所述的三维动态调焦透镜组，其特征在于，所述第一透镜至所述第六透镜在光轴上的中心厚度依次为2mm、3mm、3mm、6mm、9mm、11mm，且所述第一透镜至所述第六透镜在光轴上的中心厚度允许的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
5.如权利要求2所述的三维动态调焦透镜组，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4mm，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，所述第十曲面和所述第十一曲面在所述光轴上的间距为0.5mm，且所述第六曲面和所述第七曲面、所述第八曲面和所述第九曲面、所述第十曲面和所述第十一曲面在光轴上的间距的公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
6.如权利要求1所述的三维动态调焦透镜组，其特征在于，所述第一透镜到所述第六透镜的折射率与阿贝数的比例均为1.46/67.82，且所述第一透镜到所述第六透镜的折射率与阿贝数的比例的公差为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。
7.如权利要求1-6中任一项所述的三维动态调焦透镜组，其特征在于，所述三维动态调焦透镜组的最大入瞳直径为10mm。
8.光学镜头，其特征在于，具有如权利要求1-7中任一项所述的三维动态调焦透镜组和振镜系统，所述振镜系统位于动态透镜组和固定透镜组之间。
9.激光加工设备，其特征在于，包括紫外激光器和如权利要求8所述的光学镜头。
10.如权利要求9所述的激光加工设备，其特征在于，所述紫外激光器的发光波长为355nm，且所述紫外激光器的功率等于或大于20W。
11.激光加工方法，其特征在于，用于如权利要求9或10中的任一项所述的激光加工设备，包括以下步骤：控制激光器发射激光束，激光束由第一透镜射入，依次经过第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后射出成像于待加工产品上，其中，通过控制第一透镜和第二透镜在光轴上相对运动，使第二曲面和第三曲面的间距在设定的范围内变化，从而改变固定透镜组的工作距离。
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