CN115502550A - 大相对孔径远心扫描场镜系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大相对孔径远心扫描场镜系统，包括：从入瞳位置起，沿光轴方向依次设置的负透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、正透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜和负弯月透镜。本申请可以避免现有二维扫描振镜系统由于两个反射镜安装位置差异造成的远心度不足问题，能够实现大扫描角度大聚焦角度的远心聚焦及远心扫描加工。本申请应用较广，包括但不限于激光贝塞尔光束对硬质透明材料的切割和加工，以及光镊的移动操作。

Description

大相对孔径远心扫描场镜系统

技术领域

本申请涉及一种激光扫描场镜，属于光学领域，尤其涉及一种大相对孔径远心扫描场镜系统。

背景技术

激光扫描场镜是激光加工系统的核心光学部件，用于将激光聚焦。激光通过前端的振镜或者光楔，可以控制改变方向，通过场镜聚焦可实现聚焦点位置的移动，这一特性被用于激光扫描加工。在一些对加工切口质量要求高的应用场合，需要激光束沿垂直方向入射于加工表面。现有场镜光学系统边缘扫描光线具有较大主光角，在加工中会产生斜率效应，比如光斑变大，导致能量密度降低，影响加工质量；在一些应用场景中，比如激光钻孔，大角度的聚焦光束也容易被工件表面结构遮挡，影响钻孔深度和孔径比，因此需要设计专门的远心扫描系统解决上述问题。

发明内容

本申请提供了一种大相对孔径远心扫描场镜系统，针对激光加工需求，通过场镜聚焦实现聚焦点位置的宽范围移动，且聚焦光束主光线(中心光线)能够垂直于加工面。

本申请所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，包括：从入瞳位置起，沿光轴方向依次设置的负透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、正透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜和负弯月透镜；其中，所述负透镜的凹面、所述第三正弯月透镜的凸面、所述第四正弯月透镜的凸面为靠近所述入瞳位置的一侧，所述第一正弯月透镜的凸面、所述第二正弯月透镜的凸面、所述负弯月透镜的凹面为远离所述入瞳位置的一侧；当光束穿过所述大相对孔径远心扫描场镜系统后，主光线垂直于加工面。

优选地，所述负透镜为平凹透镜。

优选地，所述负透镜和所述负弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

优选地，所述第一正弯月透镜和所述第四正弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

优选地，所述第二正弯月透镜和所述第三正弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

进一步地，所述大相对孔径远心扫描场镜系统的工作波长范围为1.06～1.1微米，可扩展至0.4～0.7微米。

进一步地，所述大相对孔径远心扫描场镜系统的扫描角度为-20°～20°。

进一步地，所述大相对孔径远心扫描场镜系统的相对孔径F值(系统的焦距/入射光束直径)为1.8～3.2。

优选地，所述相对孔径F值为2.6。

进一步地，所述大相对孔径远心扫描场镜系统在所述入瞳位置附近(-0.5f，0.5f)范围内进行改变光束角度的扫描，f为场镜焦距，能够在后端获得接近垂直入射的扫描聚焦光斑。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请避免了现有技术远心度不足问题，可实现远心扫描加工；

2)本申请提供的扫描场镜系统适用于大扫描角度、大聚焦角度的远心聚焦；

3)本申请可用于以下应用场景，包括但不限于：激光钻孔、激光切割、激光雕刻、激光金属3D打印、激光贝塞尔光束对硬质透明材料的切割和加工，以及光镊的移动操作。

附图说明

图1为本申请所述大相对孔径远心扫描场镜系统的结构示意图；

图2为本申请一种实施方式中大相对孔径远心扫描系统结构示意图；

图3是本申请一种实施方式的光线追迹不同视场点列分布图；

图4是本申请一种实施方式的场曲和畸变曲线图。

部件和附图标记列表：

M1-入瞳位置，L1-负透镜，L2-第一正弯月透镜，L3-第二正弯月透镜，L4-正透镜，L5-第三正弯月透镜，L6-第四正弯月透镜，L7-负弯月透镜。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

本申请的大相对孔径远心扫描场镜系统，包括扫描场镜，所述扫描场镜包括：负透镜L1，第一正弯月透镜L2，第二正弯月透镜L3，正透镜L4，第三正弯月透镜L5，第四正弯月透镜L6，负弯月透镜L7，如图1所示，入瞳位置M1、所述扫描场镜组沿光轴方向从左到右依次设置，其中，所述入瞳位置一般也是振镜位置。

负透镜L1和负弯月透镜L7接近对称性关系，其焦距比值f1/f7在0.5～1.5之间。第一正弯月透镜L2和第四正弯月透镜L6接近对称性关系，其焦距比值f2/f6在0.5～1.5之间。第二正弯月透镜L3和第三正弯月透镜L5接近对称性关系，其焦距比值f3/f5在0.5～1.5之间。

根据本申请的一种实施方式，典型入射激光波长为1.06～1.1微米，也可扩展到0.4～0.7微米。

根据本申请的一种实施方式，所述扫描场镜系统满足扫描角度-20°～20°。相对孔径F值(焦距/入射光束直径)的取值范围为1.8～3.2，本实施例中约为2.6。

根据本申请的一种实施方式，所述扫描场镜系统，如满足在入瞳位置附近(-0.5f，0.5f)范围内进行改变光束角度的扫描，即可在后端获得接近垂直入射的扫描聚焦光斑。

根据本申请的一种实施方式，如图2所示的远心扫描场镜系统，从入瞳M1位置起，沿光轴方向依次设置的负透镜L1、第一正弯月透镜L2、第二正弯月透镜L3、正透镜L4、第三正弯月透镜L5、第四正弯月透镜L6和负弯月透镜L7。本实施例中光学系统具体参数如下表1所示。

表1

上表中的表面2为L2第二面；焦平面即为加工面，加工表面的外径表示最大的加工尺寸(半径)，该参数跟入射光束角度相关。

图3是本实施例的光线追迹不同视场点列分布图，显示所有视场聚焦光斑均方根分布半径小于8.7微米。

图4是本实施例的场曲和畸变曲线，本系统最大f-θ畸变为0.57％。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，该系统包括：从入瞳位置起，沿光轴方向依次设置的负透镜、第一正弯月透镜、第二正弯月透镜、正透镜、第三正弯月透镜、第四正弯月透镜和负弯月透镜；

其中，所述负透镜的凹面、所述第三正弯月透镜的凸面、所述第四正弯月透镜的凸面为靠近所述入瞳位置的一侧，所述第一正弯月透镜的凸面、所述第二正弯月透镜的凸面、所述负弯月透镜的凹面为远离所述入瞳位置的一侧；当光束穿过所述大相对孔径远心扫描场镜系统后，主光线垂直于加工面。

2.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，所述负透镜为平凹透镜。

3.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，所述负透镜和所述负弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

4.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，所述第一正弯月透镜和所述第四正弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

5.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，所述第二正弯月透镜和所述第三正弯月透镜接近对称性关系，两者焦距比值在0.5～1.5之间。

6.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，该系统的工作波长范围为1.06～1.1微米或0.4～0.7微米。

7.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，该系统的扫描角度为-20°～20°。

8.根据权利要求7所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，该系统的相对孔径F值为1.8～3.2。

9.根据权利要求8所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，所述相对孔径F值为2.6。

10.根据权利要求1所述的大相对孔径远心扫描场镜系统，其特征在于，该系统在所述入瞳位置附近(-0.5f，0.5f)范围内进行改变光束角度的扫描，f为场镜焦距。

Images