CN116381915A - 一种远心平场镜头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远心平场镜头。远心平场镜头包括沿光轴从物面到像面依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜的物侧面的曲率半径为R11，第一透镜的像侧面的曲率半径为R12；第二透镜的物侧面的曲率半径为R21，第二透镜的像侧面的曲率半径为R22；第三透镜的物侧面的曲率半径为R31，第三透镜的像侧面的曲率半径为R32；其中：‑48mm≤R11≤‑35mm，105mm≤R12≤120mm；‑695mm≤R21≤‑675mm，‑65mm≤R22≤‑55mm；175≤R31≤185mm，‑85≤R32≤‑68mm。使其能够与现有的振镜头搭配使用，进而获得良好的切割效果，满足使用需求。

Description

一种远心平场镜头

技术领域

本发明涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种远心平场镜头。

背景技术

随着激光器功率越来越大，振镜头不再只应用于打标和焊接，越来越多的企业开始使用振镜头+平场镜头的方式进行薄板的切割。传统场镜远心度较差，在切割后板材边角会产生一定的坡度，需要后续加工才能满足应用，因此为解决上述问题继续开发一种远心镜头。

发明内容

本发明提供了一种远心平场镜头，以保证其在激光加工过程中，获得良好的切割效果，满足加工需求。

第一方面，本发明实施例提供了一种远心平场镜头，包括沿光轴从物面到像面依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述第一透镜的物侧面的曲率半径为R11，所述第一透镜的像侧面的曲率半径为R12；所述第二透镜的物侧面的曲率半径为R21，所述第二透镜的像侧面的曲率半径为R22；所述第三透镜的物侧面的曲率半径为R31，所述第三透镜的像侧面的曲率半径为R32；

其中：-48mm≤R11≤-35mm，105mm≤R12≤120mm；-695mm≤R21≤-675mm，-65mm≤R22≤-55mm；175≤R31≤185mm，-85≤R32≤-68mm。

可选的，所述第一透镜的像侧面至所述第二透镜的物侧面于光轴上的距离为L1，所述第二透镜的像侧面至所述第三透镜的物侧面于光轴上的间距为L2，所述第三透镜的像侧面至所述像面于光轴上的间距为L3，其中，L1＝11.58±5％mm，L2＝1.749±5％mm，L3＝219±5％mm。

可选的，所述第一透镜于光轴上的中心厚度为d1，所述第二透镜于光轴上的中心厚度为d2，所述第三透镜于光轴上的中心厚度为d3，其中：

3.5≤d1≤6.5mm；10.5≤d2≤15.5mm；12≤d3≤18mm。

可选的，所述光阑的光阑孔径为S1，所述光阑至所述第一透镜的物侧面于光轴上的间距为L4，其中，S1＝10mm；L4＝35mm。

可选的，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的材料均为熔融石英玻璃。

可选的，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的折射率和阿贝数均相同。

可选的，透镜的折射率为Nd，透镜的阿贝数为Vd；其中，Nd＝1.4585±5％，Vd＝67.821±5％。

可选的，所述远心平场镜头的焦距为f，所述远心平场镜头的入瞳直径为EPD，其中，156mm＜f＜166mm，9mm＜EPD＜11mm。

可选的，所述远心平场镜头的入射光束波长为1064nm。

第二方面，本发明实施例提供了一种激光加工设备，包括第一方面中任一项所述的远心平场镜头。

本发明实施例的技术方案，通过提供一种远心平场镜头包括沿光轴从物面到像面依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；第一透镜的物侧面的曲率半径为R11，第一透镜的像侧面的曲率半径为R12；第二透镜的物侧面的曲率半径为R21，第二透镜的像侧面的曲率半径为R22；第三透镜的物侧面的曲率半径为R31，第三透镜的像侧面的曲率半径为R32；其中：-48mm≤R11≤-35mm，105mm≤R12≤120mm；-695mm≤R21≤-675mm，

-65mm≤R22≤-55mm；175≤R31≤185mm，-85≤R32≤-68mm。使其能够与现有的振镜头搭配使用，进而获得良好的切割效果，满足使用需求。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种远心平场镜头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的点列图；

图4为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的场曲畸变图；

图5为本发明实施例提供的一种激光加工设备。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的结构示意图，图2为本发明实施例提供的另一种远心平场镜头的结构示意图，如图1和图2所示，远心平场镜头100包括沿光轴从物面10到像面20依次排列的光阑S、第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103；第一透镜101的物侧面的曲率半径为R11，第一透镜101的像侧面的曲率半径为R12；第二透镜102的物侧面的曲率半径为R21，第二透镜102的像侧面的曲率半径为R22；第三透镜103的物侧面的曲率半径为R31，第三透镜103的像侧面的曲率半径为R32；其中：-48mm≤R11≤-35mm，105mm≤R12≤120mm；-695mm≤R21≤-675mm，-65mm≤R22≤-55mm；175≤R31≤185mm，-85≤R32≤-68mm。

其中，远心平场镜头100包括沿光轴从物面10到像面20依次排列的光阑S、第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103，入射光线经光阑S后，可沿第一透镜101至第三透镜103传播。光阑S可以调节光束的传播方向，调整光线入射角，有利于提高成像质量。其中透镜邻近物面10一侧的表面为物侧面，透镜邻近像面20一侧的表面为像侧面；第一透镜101为双凹透镜，第一透镜101的物侧面朝向像面20凸起，第一透镜101的像侧面朝向物面10凸起；第二透镜102为弯月透镜，且弯月方向与光线传播方向相反，第二透镜102的物侧面朝向像面20凸起，第二透镜102的像侧面朝向像面20凸起；第三透镜103为双凸透镜，第三透镜103的物侧面朝向物面10凸起，第三透镜103的像侧面朝向像面20凸起。第一透镜101和第二透镜102为负光焦度透镜，具有扩束作用。第三透镜103为正光焦度透镜，具有汇聚作用。同时控制第一透镜101至第三透镜103的各个曲面的曲率半径，进而实现依次经第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103成像至成像面，进行加工，同时经第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103后，能够有效校正像散和畸变，提高加工精度。具体的各个曲面的曲率半径的数值可以根据实际设计需求进行选择咋，本发明不做具体限定。沿物面10至像面20还设置有滤光片，滤光片位于第三透镜的像侧面一侧。通过在第三透镜103的像面20一侧设置滤光片，能够滤除不需要的杂散光，从而提高远心平场镜头100的像质。

本发明实施例通过沿光轴从物面到像面依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜，并合理设置第一透镜、第二透镜和第三透镜中各个曲面的曲率半径，保证入射光线依次经过第一透镜至第三透镜，能够具备较好的成像效果，进而保证远心平场镜头在搭配振镜头使用时，满足使用需求，提高加工精度。

可选的，第一透镜101的像侧面至第二透镜102的物侧面于光轴上的距离为L1，第二透镜102的像侧面至第三透镜103的物侧面于光轴上的间距为L2，第三透镜103的像侧面至像面20于光轴上的间距为L3，其中，L1＝11.58±5％mm，L2＝1.749±5％mm，L3＝219±5％mm。通过合理设置相邻透镜之间的间距，图中示例性的以L1＝11.51mm，L2＝1.749mm，L3＝219mm形成的远心平场镜头100进行展示，可以使远心平场镜头100中前面透镜产生的场曲和后面透镜产生的场曲进行平衡，使得远心平场镜头100具有合理的场曲。

可选的，第一透镜101于光轴上的中心厚度为d1，第二透镜102于光轴上的中心厚度为d2，第三透镜103于光轴上的中心厚度为d3，其中：3.5≤d1≤6.5mm；10.5≤d2≤15.5mm；12≤d3≤18mm。合理设置第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103的中心厚度，有助于镜片尺寸分布均匀，保证组装的稳定性，减小整个远心平场镜头100的像差，缩短远心平场镜头100的总长。

可选的，光阑S的光阑孔径为S1，光阑S至第一透镜101的物侧面于光轴上的间距为L4，其中，S1＝10mm；L4＝35mm。根据像方远心光路的特点，将光阑S设置在第一透镜101远离像面20一侧，设置光阑S的光阑孔径S1为10mm，使得该具有较高的通光量。设置光阑S至第一透镜101的物侧面于光轴上的间距L4为35mm，可以调节远心平场镜头100的尺寸，实现镜头的小型化，提高镜头的解像力，进而保证后续远心平场镜头100搭配振镜头的加工使用效果。

可选的，第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103的材料均为熔融石英玻璃。使得各个透镜具备较好的热稳定性，进而使得远心平场镜头100能够具备较好的耐高温性能，实现在高低温环境下均能正常使用。同时由于远心平场镜头100的入射光束波长为1064nm，使得远心平场镜头100能够应用于红外波段的激光器，进而得到较为精细的聚焦后的弥散光斑。

可选的，第一透镜101、第二透镜102和第三透镜103的折射率和阿贝数均相同。透镜的折射率为Nd，透镜的阿贝数为Vd；其中，Nd＝1.4585±5％，Vd＝67.821±5％。

其中，折射率是光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比，主要用来描述材料对光的折射能力，不同的材料的折射率不同。阿贝数是用以表示透明介质色散能力的指数，介质色散越严重，阿贝数越小；反之，介质的色散越轻微，阿贝数越大。第一透镜101的折射率Nd1＝1.4585±5％、阿贝数Vd1＝67.821±5％；第二透镜102的折射率Nd2＝1.4585±5％、阿贝数Vd2＝67.821±5％；第三透镜103的折射率Nd3＝1.4585±5％、阿贝数Vd3＝67.821±5％。如此，通过合理设置远心平场镜头100中各透镜的折射率和阿贝数，有利于实现远心平场镜头100较高的像素分辨率。各透镜的折射率和阿贝数的具体数值可以根据实际设计需求进行选择，本发明实施例不做具体限定。

可选的，远心平场镜头100的焦距为f，远心平场镜头100的入瞳直径为EPD，其中，156mm＜f＜166mm，9mm＜EPD＜11mm。

其中，示例性的远心平场镜头100的焦距f为161mm，通过合理设置远心平场镜头100的焦距，可以有效控制远心平场镜头100的光学总长度，同时可以保证远心平场镜头100的视场角控制在25°以内，进而使得该镜头的光线远心度小于5°，以保证该镜头在使用过程中具备良好的加工精度，同时可以保证该远心平场镜头100搭配振镜头使用时可对薄板进行切割，达到直径51mm*51mm切割范围。远心平场镜头100的入瞳直径EPD为10mm，合理设置远心平场镜头100的入瞳直径可以保证单位时间内的该镜头的通光量，保证该镜头的成像质量，进而在使用过程中具备良好的加工精度。进一步的，合理焦距f和入瞳直径EPD的尺寸，可在成像面有效地提高像面能量密度，从而有利于提高切割精度，保证使用效果。

图3为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的点列图，如图3所示，其中，点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一。点列图是指由一点光源发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面20的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。如图3所示，本发明实施例提供的远心平场镜头100，波长1.064μm的激光在各个视场下的弥散图形比较集中，分布也比较均匀，没有出现某个视场下的弥散图形随波长而上下分离得很开的现象。同时，波长1.064μm在该远心平场镜头100的各视场位置处的均方根半径值(RMS radius)分别为1.615mm、3.619mm、5.736mm、5.794mm和6.721mm，表明各视场的RMS半径均小于6μm，也即说明了该远心平场镜头100在全视场下具有较低的色差和像差，同时激光在聚焦后光束质量影响较小，可以适用于各种激光加工场合。

图4为本发明实施例提供的一种远心平场镜头的场曲畸变图，如图4所示，左侧坐标系中，水平坐标表示场曲的大小，单位为mm；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；其中T表示子午，S表示弧失；由图4可以看出，本实施例提供的远心平场镜头100从波长1.064μm的光，场曲反映激光加工聚焦面在不同视场下弯曲的程度，从图4中可以看出，该镜头在1.0视场时最大场曲小于0.2729mm。在场曲上被有效地控制，即在成像时，中心的像质和周边的像质差距较小；右侧坐标系中，水平坐标表示畸变的大小，单位为％；垂直坐标表示归一化像高，没有单位；远心平场镜头100如要达到良好的加工效果，需控制F-Theta畸变，从图4中可以看出，最大F-Theta畸变＜1％，本实施例提供的远心平场镜头100的畸变得到了较好地矫正，成像畸变较小，满足低畸变的要求。

图5为本发明实施例提供的一种激光加工设备，如图5所示，激光加工设备200包括上述实施例中任一项所述的远心平场镜头100。激光加工设备200可以为激光打孔机、激光打标机或者激光切割机。

需要说明的是，由于本实施例提供的激光加工设备200包括如本发明实施例提供的任意所述的远心平场镜头100，其具有远心平场镜头100相同或相应的有益效果，此处不做赘述。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种远心平场镜头，其特征在于，包括沿光轴从物面到像面依次排列的光阑、第一透镜、第二透镜和第三透镜；

所述第一透镜的物侧面的曲率半径为R11，所述第一透镜的像侧面的曲率半径为R12；所述第二透镜的物侧面的曲率半径为R21，所述第二透镜的像侧面的曲率半径为R22；所述第三透镜的物侧面的曲率半径为R31，所述第三透镜的像侧面的曲率半径为R32；

其中：-48mm≤R11≤-35mm，105mm≤R12≤120mm；-695mm≤R21≤-675mm，-65mm≤R22≤-55mm；175≤R31≤185mm，-85≤R32≤-68mm。

2.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述第一透镜的像侧面至所述第二透镜的物侧面于光轴上的距离为L1，所述第二透镜的像侧面至所述第三透镜的物侧面于光轴上的间距为L2，所述第三透镜的像侧面至所述像面于光轴上的间距为L3，其中，L1＝11.58±5％mm，L2＝1.749±5％mm，L3＝219±5％mm。

3.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述第一透镜于光轴上的中心厚度为d1，所述第二透镜于光轴上的中心厚度为d2，所述第三透镜于光轴上的中心厚度为d3，其中：3.5≤d1≤6.5mm；10.5≤d2≤15.5mm；12≤d3≤18mm。

4.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述光阑的光阑孔径为S1，所述光阑至所述第一透镜的物侧面于光轴上的间距为L4，其中，S1＝10mm；L4＝35mm。

5.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的材料均为熔融石英玻璃。

6.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的折射率和阿贝数均相同。

7.根据权利要求6所述的远心平场镜头，其特征在于，透镜的折射率为Nd，透镜的阿贝数为Vd；其中，Nd＝1.4585±5％，Vd＝67.821±5％。

8.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，所述远心平场镜头的焦距为f，所述远心平场镜头的入瞳直径为EPD，其中，156mm＜f＜166mm，9mm＜EPD＜11mm。

9.根据权利要求1所述的远心平场镜头，其特征在于，其中，所述远心平场镜头的入射光束波长为1064nm。

10.一种激光加工设备，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的远心平场镜头。

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