CN110328445B - 一种近红外单色物镜 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种近红外单色物镜，其损耗低，且可有效解决现有物镜系统数值孔径小和工作距离短而导致聚焦效果不好的问题，保证正常使用；其包括从物方至像方方向依次共轴分离设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；第一透镜、第二透镜均为双凹透镜，且第一透镜、第二透镜均具有负光焦度；第三透镜的物面侧为凹面、像面侧为凸面；第四透镜的物面侧为平面、像面侧为凸面；第五透镜的物面侧为凸面、像面侧为平面；第六透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；第七透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；第八透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；第三透镜至第八透镜均具有正光焦度。

Description

一种近红外单色物镜
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种近红外单色物镜。
背景技术
在现代工业生产中，运用激光作为加工手段进行各种材料的切割、焊接、标记等已经广泛应用，且随着各行业精密器件应用及普及，市场对于微米级精度的光刻设备需求逐渐攀升；为获得微米乃至亚微米级的高精度刻蚀精度，根据衍射极限公式推算，需增大集光系统的数值孔径，且实际装调完成的光学系统，其成像质量亦应尽量接近衍射极限。
在传统的物镜系统中，一方面，由于重点关注宽光谱范围的成像质量，导致整体光谱范围内的透过率较低，功率损耗也比较高，而在高功率激光加工系统中，过高的功率损耗会导致镜头升温发热，甚至影响镜头的性能；另一方面，虽然成像系统中对镜头的数值孔径和工作距离要求较低，但在激光加工系统中，较小的数值孔径和较短的工作距离会导致聚焦效果不好，那么往往就需要较大的数值孔径和较长的工作距离，用以来获得较小的聚焦光斑并防止镜头污染，从而提高聚焦效果；除此以外，在传统物镜系统中，由于使用了大量的胶合镜片，而这类镜片的损伤阈值较低，无法承受高功率激光的照射，就会直接导致无法使用。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种近红外单色物镜，其损耗低，且可有效解决现有物镜系统数值孔径小和工作距离短而导致聚焦效果不好的问题，保证正常使用。
其技术方案是这样的：一种近红外单色物镜，其特征在于：其包括从物方至像方方向依次共轴分离设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜均为双凹透镜，且所述第一透镜、第二透镜均具有负光焦度；
所述第三透镜的物面侧为凹面、像面侧为凸面；
所述第四透镜的物面侧为平面、像面侧为凸面；
所述第五透镜的物面侧为凸面、像面侧为平面；
所述第六透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第七透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第八透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第三透镜、第四透镜、所述第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜均具有正光焦度。
其进一步特征在于：
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的中心厚度分别是2mm、3mm、5.956mm、7.008mm、7.008mm、5.956mm、5.06mm、4.986mm；
所述第一透镜与物方入射光束之间的间隔是2mm，所述第一透镜、第二透镜之间的间隔是2.978mm，所述第二透镜、第三透镜之间的间隔是36.377mm，所述第三透镜、第四透镜之间的间隔是0.5mm，所述第四透镜、第五透镜之间的间隔是0.5mm，所述第五透镜、第六透镜之间的间隔是0.5mm，所述第六透镜、第七透镜之间的间隔是0.5mm，所述第七透镜、第八透镜之间的间隔是0.5mm，所述第八透镜靠近像方的边缘定位面与像方之间的距离是13mm；
所述第一透镜两侧面的曲率半径分别为-16.634mm、16.634mm；所述第二透镜两侧面的曲率半径分别为-60mm、60mm；所述第三透镜两侧面的曲率半径分别为-52mm、-35.7mm；所述第四透镜两侧面的曲率半径分别为∞、-73mm；所述第五透镜两侧面的曲率半径分别为73mm、∞；所述第六透镜两侧面的曲率半径分别为35.7mm、52mm；所述第七透镜两侧面的曲率半径分别为25.5mm、30mm；所述第八透镜两侧面的曲率半径分别为17.206mm、16.903mm；
所述第一透镜两侧面的半口径均为5mm；所述第二透镜两侧面的半口径均为6mm；所述第三透镜两侧面的半口径分别为21mm、22mm；所述第四透镜两侧面的半口径均为24mm；所述第五透镜两侧面的半口径均为24mm；所述第六透镜两侧面的半口径分别为22mm、21mm；所述第七透镜两侧面的半口径分别为18mm、16mm；所述第八透镜两侧面的半口径分别为14mm、11mm；
所述物镜形成的聚焦光斑均方根直径为0.028um；所述物镜的工作距为10mm，所述工作距为所述物镜镜筒物面到像面的距离；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜采用的光学材料均相同，所述光学材料的折射率Nd为1.72～1.82,波长处透过率>98％。
本发明的有益效果是，采用多个透镜从物方至像方方向依次共轴分离设置，且采用正负光焦组合的方式，在物方光束初始入射处放置具有负光焦度的透镜，可有效缩短总长，并实现物镜像方焦面与物方无限远共轭，具有大数值孔径和长工作距，提高聚焦效果，且可保证正常使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例中物镜于像面汇聚的聚焦光斑示意图；
图3为本发明实施例中物镜的光学调制传递函数图。
具体实施方式
下面结合图1至图3对本发明的一种近红外单色物镜的实施例作详细的说明。
一种近红外单色物镜，其包括从物方至像方方向依次共轴分离设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8；第一透镜1、第二透镜2两侧面的曲率半径均相等，第三透镜3、第六透镜6采用的透镜规格相同，第四透镜4、第五透镜5采用的透镜规格相同，第三透镜3、第四透镜4均向物方方向弯曲，第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8均向像方方向弯曲，物镜像方数值孔径NA为0.68，物镜齐焦距为95mm；物镜的有效焦距为4mm，其与200mm焦距的管镜配合后，可达到物像间50倍放缩；
具体地，第一透镜1、第二透镜2均为双凹透镜，且第一透镜1、第二透镜2均具有负光焦度，以缩短总长；
第三透镜3的物面侧为凹面、像面侧为凸面；
第四透镜4的物面侧为平面、像面侧为凸面；
第五透镜5的物面侧为凸面、像面侧为平面；
第六透镜6的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
第七透镜7的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
第八透镜8的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8均具有正光焦度，用以分担总光焦度，避免整体像差太大。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8的中心厚度分别是2mm、3mm、5.956mm、7.008mm、7.008mm、5.956mm、5.06mm、4.986mm。
第一透镜1与物方之间的间隔是2mm，第一透镜1、第二透镜2之间的间隔是2.978mm，第二透镜2、第三透镜3之间的间隔是36.377mm，第三透镜3、第四透镜4之间的间隔是0.5mm，第四透镜4、第五透镜5之间的间隔是0.5mm，第五透镜5、第六透镜6之间的间隔是0.5mm，第六透镜6、第七透镜7之间的间隔是0.5mm，第七透镜7、第八透镜8之间的间隔是0.5mm，所述第八透镜靠近像方的边缘定位面与像方之间的距离是13mm，因此物镜实际最大工作距离可达13mm。
第一透镜1两侧面的曲率半径分别为-16.634mm、16.634mm；第二透镜2两侧面的曲率半径分别为-60mm、60mm；第三透镜3两侧面的曲率半径分别为-52mm、-35.7mm；第四透镜4两侧面的曲率半径分别为∞、-73mm；第五透镜5两侧面的曲率半径分别为73mm、∞；第六透镜6两侧面的曲率半径分别为35.7mm、52mm；第七透镜7两侧面的曲率半径分别为25.5mm、30mm；第八透镜8两侧面的曲率半径分别为17.206mm、16.903mm。
第一透镜1两侧面的半口径均为5mm；第二透镜2两侧面的半口径均为6mm；第三透镜3两侧面的半口径分别为21mm、22mm；第四透镜4两侧面的半口径均为24mm；第五透镜5两侧面的半口径均为24mm；第六透镜6两侧面的半口径分别为22mm、21mm；第七透镜7两侧面的半口径分别为18mm、16mm；第八透镜8两侧面的半口径分别为14mm、11mm。
第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第六透镜6、第七透镜7、第八透镜8均采用同种光学材料，具体为N-SF11，该种光学材料的折射率Nd为1.72～1.82,波长处透过率>98％；物镜形成的聚焦光斑均方根直径为0.028um，如图2所示，图中的中心黑色圆点就是几何光线汇聚点标记，也就是物镜形成的聚焦光斑，其远小于艾里斑直径1.89um，黑色外圈为艾斑轮廓；物镜的工作距为10mm，工作距为物镜镜筒物面到像面的距离，可保证实际应用中具有足够的放样空间。
本发明中，物镜适用于1064nm波长近红外激光，物镜系统像方焦面与物方无限远共轭，物镜的物方光线以无限远平行入射，经各个透镜折射后聚焦于像面一点；其采用正负光焦组合的方式，于物方光束初始入射处放置负焦镜，令主面向像面移动，缩短了总长，增大了像方光束工作NA，从而减小聚焦光斑尺寸，综上，物镜具有聚焦光斑小、数值孔径大、工作距离长、分辨率高和能量更集中的优点，可在激光加工应用中提供更强的切割能力和更高的加工精度，以及本发明采用多个透镜组合形成物镜，可保证正常使用。
一般物镜镜头的实际拟合曲线与理论的衍射极限的曲线越重合，说明镜头的性能越好，从图3中可看出，物镜的传递函数曲线与理论的衍射极限曲线很接近，基本重合，则说明本发明的物镜镜头性能比较好。
以上的仅是本发明的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；且对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (6)

1.一种近红外单色物镜，其特征在于：其包括从物方至像方方向依次共轴分离设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜；
所述第一透镜、第二透镜均为双凹透镜，且所述第一透镜、第二透镜均具有负光焦度；
所述第三透镜的物面侧为凹面、像面侧为凸面；
所述第四透镜的物面侧为平面、像面侧为凸面；
所述第五透镜的物面侧为凸面、像面侧为平面；
所述第六透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第七透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第八透镜的物面侧为凸面、像面侧为凹面；
所述第三透镜、第四透镜、所述第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜均具有正光焦度；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜的中心厚度分别是2mm、3mm、5.956mm、7.008mm、7.008mm、5.956mm、5.06mm、4.986mm。
2.根据权利要求1所述的一种近红外单色物镜，其特征在于：所述第一透镜与物方入射光束之间的间隔是2mm，所述第一透镜、第二透镜之间的间隔是2.978mm，所述第二透镜、第三透镜之间的间隔是36.377mm，所述第三透镜、第四透镜之间的间隔是0.5mm，所述第四透镜、第五透镜之间的间隔是0.5mm，所述第五透镜、第六透镜之间的间隔是0.5mm，所述第六透镜、第七透镜之间的间隔是0.5mm，所述第七透镜、第八透镜之间的间隔是0.5mm，所述第八透镜靠近像方的边缘定位面与像方之间的距离是13mm。
3.根据权利要求1所述的一种近红外单色物镜，其特征在于：所述第一透镜两侧面的曲率半径分别为-16.634mm、16.634mm；所述第二透镜两侧面的曲率半径分别为-60mm、60mm；所述第三透镜两侧面的曲率半径分别为-52mm、-35.7mm；所述第四透镜两侧面的曲率半径分别为∞、-73mm；所述第五透镜两侧面的曲率半径分别为73mm、∞；所述第六透镜两侧面的曲率半径分别为35.7mm、52mm；所述第七透镜两侧面的曲率半径分别为25.5mm、30mm；所述第八透镜两侧面的曲率半径分别为17.206mm、16.903mm。
4.根据权利要求1所述的一种近红外单色物镜，其特征在于：所述第一透镜两侧面的半口径均为5mm；所述第二透镜两侧面的半口径均为6mm；所述第三透镜两侧面的半口径分别为21mm、22mm；所述第四透镜两侧面的半口径均为24mm；所述第五透镜两侧面的半口径均为24mm；所述第六透镜两侧面的半口径分别为22mm、21mm；所述第七透镜两侧面的半口径分别为18mm、16mm；所述第八透镜两侧面的半口径分别为14mm、11mm。
5.根据权利要求1所述的一种近红外单色物镜，其特征在于：所述物镜形成的聚焦光斑均方根直径为0.028um；所述物镜的工作距为10mm，所述工作距为所述物镜镜筒物面到像面的距离。
6.根据权利要求1所述的一种近红外单色物镜，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜采用的光学材料均相同，所述光学材料的折射率Nd为1.72～1.82,波长处透过率>98％。
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