CN116449536B - 一种F-theta光学镜头及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种F‑theta光学镜头及激光加工系统，适用于激光加工技术领域，光学镜头包括：沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为包括第一曲面和第二曲面的双凹型透镜，所述第二透镜为包括第三曲面和第四曲面的弯月型透镜，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面的双凸透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面的双凸透镜；本发明通过对光学结构的设计，在对加工激光像差矫正的同时对可见光进行了像差矫正，可以配合机器视觉进行影像定位以及简单的检测，同时整体结构紧凑，聚焦激光光斑小，有效焦距短，能量集中，特别适合精密加工，配合激光振镜同轴视觉可以实现精密微加工。

Description

一种F-theta光学镜头及激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种F-theta光学镜头及激光加工系统。

背景技术

随着激光加工技术的发展，激光加工已经广泛应用于各种精密加工领域，355nm紫外激光作为优秀的冷光源，在金属非金属脆性材料等等的激光标记、切割、表面改性有着独特的优势。随着行业的成熟以及光源价格的下降，紫外激光广泛替代一些传统的激光加工工艺。

目前，355nm短波长激光因光学衍射极限小，光斑细，加工热影像区小，在精密、微加工的优势非常明显。随着机器视觉的高速发展，激光振镜扫描加工占比越来越高，但目前现有的光学结构，并不能对加工激光和可见光同时进行像差校正，导致无法配合机器视觉进行影像定位，同时在激光振镜扫描的视觉应用中，激光振镜还存在有精密微加工的精度不高的问题。

因此，目前亟需一种能够在对加工激光像差矫正的同时对可见光进行了像差矫正、可以配合机器视觉进行影像定位以及提高系统的加工精度的光学镜头。

发明内容

本发明提供了一种F-theta光学镜头及激光加工系统，以解决现有技术中无法对加工激光和可见光同时进行像差校正，导致与振镜同轴视觉定位时的激光加工及影像定位配合度不高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种F-theta光学镜头，包括：沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；

所述第一透镜为包括第一曲面和第二曲面的双凹型透镜，所述第二透镜为包括第三曲面和第四曲面的弯月型透镜，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面的双凸透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面的双凸透镜；

所述第一曲面、所述第三曲面、所述第五曲面和所述第七曲面为激光入射面，所述第二曲面、所述第四曲面、所述第六曲面和所述第八曲面为激光出射面；

所述第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面和第八曲面的曲率半径依次为-25.6mm、164.9mm、-105.7mm、-41.5mm、396.9mm、-47.1mm、105mm和-613mm；其中，各所述曲率半径的公差范围为±5%。

可以理解的是，本发明通过对光学结构的设计，在对加工激光像差矫正的同时对可见光进行了像差矫正，可以配合机器视觉进行影像定位以及简单的检测，同时整体结构紧凑，聚焦激光光斑小，有效焦距短，能量集中，特别适合精密加工，配合激光振镜同轴视觉可以实现精密微加工。

作为优选方案，所述第一透镜的中心厚度为1.44mm;

所述第二透镜的中心厚度为13.44mm；

所述第三透镜的中心厚度为14.47mm；

所述第四透镜的中心厚度为9mm；

其中，各所述中心厚度的公差范围为±5%。

作为优选方案，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的折射率与阿贝系数之比均为1.458/67.8；其中，所述折射率与阿贝系数之比的公差范围为±5%。

作为优选方案，所述第一透镜与所述第二透镜在中心光轴上的间距为3.6mm；所述第二透镜与所述第三透镜在中心光轴上的间距为0.34mm；所述第三透镜与所述第四透镜在中心光轴上的间距为 0.8mm；其中，各透镜的间距的公差范围均为±5%。

作为优选方案，本发明还包括：共轴设置于所述第四透镜的出光侧的第五透镜；

所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面和第十曲面的曲率半径均为∞。

作为优选方案，所述第五透镜的折射率与阿贝系数之比为1.52/64.2；所述第五透镜的折射率与阿贝系数之比的公差范围为±5%。

作为优选方案，所述第五透镜的中心厚度为5mm；其中，所述第五透镜的中心厚度的公差范围为±5%。

作为优选方案，所述第四透镜与所述第五透镜在中心光轴上的间距为5mm；其中，所述第四透镜与所述第五透镜的间距的公差范围为±20%。

相应地，本发明还提供一种激光加工系统，包括：激光器、扫面振镜和用于激光加工的光学镜头，所述光学镜头为如上任意一项所述的F-theta光学镜头。

作为优选方案，本发明还包括：视觉定位装置；

所述视觉定位装置的影像定位波长为450nm，用于激光加工的激光波长为355nm。

实施本发明实施例，具有如下效果：

本发明相比于现有技术，通过对F-theta光学镜头的光学结构进行设计，采用由入射激光的传输方向依次共轴设置的双凹型透镜、弯月型透镜和两个双凸透镜，在提供优秀的激光加工性能以外兼顾了视觉定位需求。可以配合不同焦距的工业镜头进行振镜同轴视觉激光加工，为系统提供更高的加工精度。

进一步地，本发明所提供的F-theta光学镜头整体结构紧凑，加工聚焦光斑小 、场曲及扫描畸变优秀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例货现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显然，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F-theta光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光弥散斑图；

图3是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光场曲及扫描畸变图；

图4是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的MTF光学传递函数曲线图。

具体实施方式

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

F-theta光学镜头：可以将一束以不同角度入射的准直激光光束聚焦到一个平场像面上，而且在整个平场像面上得到大小一致的聚焦光斑，而聚焦光斑的位置与入射光的角度成正比。F-theta镜头通常与振镜系统搭配使用，通过振镜系统可以改变准直光束的入射角度。

实施例一

请参照图1，为本发明实施例提供的一种F-theta光学镜头，包括：沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜为包括第一曲面和第二曲面的双凹型透镜，所述第二透镜为包括第三曲面和第四曲面的弯月型透镜，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面的双凸透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面的双凸透镜；所述第一曲面、所述第三曲面、所述第五曲面和所述第七曲面为激光入射面，所述第二曲面、所述第四曲面、所述第六曲面和所述第八曲面为激光出射面；所述第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面和第八曲面的曲率半径依次为-25.6mm、164.9mm、-105.7mm、-41.5mm、396.9mm、-47.1mm、105mm和-613mm；其中，各所述曲率半径的公差范围为±5%。

需要说明的是，本实施例对各透镜表面曲率半径及透镜的中心厚度等参数进行了优化设计。具体地，所述第一透镜L1的第一曲面S1的曲率半径R1为-25.58mm，第二曲面S2的曲率半径R2为164.9mm，其中，负号表示曲面的球心位于曲面的物方空间，正号（本实施例中省略）表示曲面的球心位于曲面的像方空间，以下同理。另外，第一透镜L1的中心厚度d1为1.44mm，第一透镜L1的折射率Nd与阿贝系数Vd的比值为1.458/67.8。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。

进一步地，所述第二透镜L2的第三曲面S3的曲率半径R3为-105.7mm，第四曲面S4的曲率半径R4为-41.55mm，第二透镜L2的中心厚度d3为13.44mm，第二透镜L2的折射率Nd与阿贝系数Vd的比值为1.458/67.8，第二透镜L2的各参数的公差范围仍为±5%。

进一步地，所述第三透镜L3的第五曲面S5的曲率半径R5为396.9mm，第六曲面S6的曲率半径R6为-47.13mm，第三透镜L3的中心厚度d5为14.47mm，第三透镜L3的折射率Nd与阿贝系数Vd的比值为1.458/67.8，第三透镜L3的各参数的公差范围仍为±5%。

进一步地，所述第四透镜L4的第七曲面S7的曲率半径R7为105 mm，第八曲面S8的曲率半径R8为-613mm，第四透镜L4的中心厚度d7为9mm，第四透镜L3的折射率Nd与阿贝系数Vd的比值为1.458/67.8，第四透镜L4的各参数的公差范围仍为±5%。

在本实施例中，本发明实施例对第一透镜L1和第二透镜L2之间的距离d2，以及第二透镜L2和第三透镜L3之间的距离d4，第三透镜L3和第四透镜L4之间的距离d6进行了限定，具体的d2为3.59mm，d4为0.34mm，d6为0.8mm，公差范围仍为±5%。

在该实施例中，所述F-theta光学镜头还包括位于第四镜片L4出光侧的第五透镜L5，第五透镜L5为平面镜，L5折射率Nd与Vd的比值为1.52/64.2,，所述折射率Nd与阿贝系数Vd之比的公差范围为±5%。

进一步地，所述第五透镜L5的中心厚度d9为3mm，所述中心厚度的公差范围为±5%。

进一步地，所述第四透镜L4与第五透镜L5在光轴上的间距d8为5mm，公差范围为±20%。

可以理解的是，通过该透镜及其曲率半径的参数进行的本优选实施例，在满足振镜激光加工的同时，兼顾优化了视觉影像定位成像的其他像差，如球差、彗差、像散及畸变，可以提供更优的视觉影像呈现。而现有355nm振镜加工配合的视觉引导，都是通过非同轴的方式实现，视觉成像不经过F-theta镜头，因为传统的355nm加工的F-theta镜头对视觉各像差没有做额外的优化。

为了对本实施例的F-theta光学镜头进行更加清晰的说明，请参阅表1，其为F-theta光学镜头结构及其参数：

表1F-theta光学镜头结构及其参数

在本实施例中，采用上述的光学设计后，所示F-theta光学镜头可进行较好的激光加工，此外对同轴视觉进行的450nm波段的像差优化。其中激光加工主波长为355nm，影像定位主波长为450nm。

请参阅图2，其为本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光弥散班，激光弥散斑的形状及尺寸放映了该镜头对应于激光的像差，从图2上看，整体的弥散斑比较均匀，在衍射极限附近。

请参阅图3，其为本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光场曲和扫描畸变图，从图3上看，在可控的畸变范围内，整体镜头加工的焦面场曲小，全幅面均匀。

请参阅图4，其为本发明实施例提供的F-theta光学镜头的MTF光学传递函数图，其中，MTF是光学传递函数OTF模值，用来描述成像系统在空间频率范围上的响应和分辨率。从图4上看该镜头具有优秀的MTF，具体地，F-theta光学镜头在0视场、0.3视场、0.7视场的MTF，在120lp/mm的MTF值达到了0.4附近，具有优秀的解像力可以配合振镜同轴视觉应用全视场范围可以清晰成像，配合振镜同轴视觉应用全视场范围可以清晰成像；其中，0视场为正方形采样点曲线（包括正方形采样点曲线中的实线与虚线，实现与虚线几乎重合），0.3视场为圆形采样点曲线（包括圆形采样点曲线中的实线与虚线），0.7视场为三角形采样点曲线（包括三角形采样点曲线中的实线与虚线），另外的无采样点曲线（包括无采样点曲线中的实现与虚线）为1视场。

通过对各透镜进行上述设计后，所述F-theta光学镜头的有效焦距为80mm，入射激光波长为355nm，指示光主波长为630nm，视觉影像照明为蓝光450nm，视场角为ω，其中2ω＝50°，加工幅面为47.6mm*47.6mm。

实施以上实施例，具有如下效果：

本发明相比于现有技术，通过对F-theta光学镜头的光学结构进行设计，采用由入射激光的传输方向依次共轴设置的双凹型透镜、弯月型透镜和两个双凸透镜，在提供优秀的激光加工性能以外兼顾了视觉定位需求。可以配合不同焦距的工业镜头进行振镜同轴视觉激光加工，为系统提供更高的加工精度。

进一步地，本发明所提供的F-theta光学镜头整体结构紧凑，加工聚焦光斑小、场曲及扫描畸变优秀。

实施例二

相应地，本发明还提供一种激光加工系统，包括：激光器、扫面振镜和用于激光加工的光学镜头，其中，所述光学镜头为如实施例一所述的F-theta光学镜头。

作为本实施例的优选方案，本发明还包括：视觉定位装置；所述视觉定位装置的影像定位波长为450nm，用于激光加工的激光波长为355nm。

可以理解的是，由于在视觉定位及激光加工中采用了本发明实施例所述的F-theta光学镜头，在获得优秀激光微加工工艺特性的同时可以提供高精度的视觉引导，使得整体设备的加工精度得到提升。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种F-theta光学镜头，其特征在于，包括：沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述光学镜头中具有光焦度的透镜只包括所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜；

所述第一透镜为包括第一曲面和第二曲面的双凹型透镜，所述第二透镜为包括第三曲面和第四曲面的弯月型透镜，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面的双凸透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面的双凸透镜；

所述第一曲面、所述第三曲面、所述第五曲面和所述第七曲面为激光入射面，所述第二曲面、所述第四曲面、所述第六曲面和所述第八曲面为激光出射面；

所述第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第七曲面和第八曲面的曲率半径依次为-25.6mm、164.9mm、-105.7mm、-41.5mm、396.9mm、-47.1mm、105mm和-613mm；其中，各所述曲率半径的公差范围为±5%。

2.如权利要求1所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为1.44mm;

所述第二透镜的中心厚度为13.44mm；

所述第三透镜的中心厚度为14.47mm；

所述第四透镜的中心厚度为9mm；

其中，各所述中心厚度的公差范围为±5%。

3.如权利要求1所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的折射率与阿贝系数之比均为1.458/67.8；其中，所述折射率与阿贝系数之比的公差范围为±5%。

4.如权利要求1所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与所述第二透镜在中心光轴上的间距为3.6mm；所述第二透镜与所述第三透镜在中心光轴上的间距为0.34mm；所述第三透镜与所述第四透镜在中心光轴上的间距为 0.8mm；其中，各透镜的间距的公差范围均为±5%。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，还包括共轴设置于所述第四透镜的出光侧的第五透镜；

所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面和第十曲面的曲率半径均为∞。

6.如权利要求5所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第五透镜的折射率与阿贝系数之比为1.52/64.2；所述第五透镜的折射率与阿贝系数之比的公差范围为±5%。

7.如权利要求5所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第五透镜的中心厚度为5mm；其中，所述第五透镜的中心厚度的公差范围为±5%。

8.如权利要求5所述的一种F-theta光学镜头，其特征在于，所述第四透镜与所述第五透镜在中心光轴上的间距为5mm；其中，所述第四透镜与所述第五透镜的间距的公差范围为±20%。

9.一种激光加工系统，包括：激光器、扫面振镜和用于激光加工的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头为权利要求1-8任意一项所述的F-theta光学镜头。

10.如权利要求9所述的一种激光加工系统，其特征在于，还包括：视觉定位装置；

所述视觉定位装置的影像定位波长为450nm，用于激光加工的激光波长为355nm。