CN117452655B - 一种高倍率消球差紫外扩束镜 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高倍率消球差紫外扩束镜，涉及激光技术领域，包括第一扩束透镜组和第二扩束透镜组，其中，第一扩束透镜组包括具有负屈折力的第一透镜；第二扩束透镜组包括具有负屈折力的第二透镜和具有正屈折力的第三透镜，第二透镜和第三透镜位于同一光轴；第一扩束透镜组和第二扩束透镜组的主光轴共轴；第一扩束透镜组的焦距F1满足：‑5.5＜F1＜‑4.5；第二扩束透镜组的焦距F2满足：68.5＜F2＜71.5；第二扩束透镜组与第一扩束透镜组的焦距之比满足：‑15.89＜F2/F1＜‑12.45。本发明有助于实现扩束镜小体量的同时提升扩束镜的球差校正效果。

Description

一种高倍率消球差紫外扩束镜

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种高倍率消球差紫外扩束镜。

背景技术

激光具有极好的单色性、相干性以及方向性，并且具有极高的亮度。因此，激光已经广泛地应用于切割、焊接等多个领域。大多数的激光加工设备通常都配备了扩束镜，以在聚焦镜头前获得较大直径的激光光束。

公开号为CN110568588A的中国专利公开了本发明公开了一种扩束镜头，包括：第一扩束透镜组以及第二扩束透镜组，其中，所述第一扩束透镜组包括第一预设数量片球面透镜，所述第一预设数量片球面透镜沿第一扩束透镜组中的一个球面透镜的主光轴的延伸方向依次排列设置；所述第二扩束透镜组包括第二预设数量片球面透镜，所述第二预设数量片球面透镜沿第二扩束透镜组中的一个球面透镜的主光轴的延伸方向依次排列设置；所述第一扩束透镜组的入光面为用于接收入射光束的面，所述第二扩束透镜组位于所述第一扩束透镜组的出光侧。但是上述扩束镜头的光学结构较为复杂并且对扩束镜的球差校正效果较差，因此，提供一种高倍率消球差紫外扩束镜，能够在实现扩束镜小体量的同时提升扩束镜的球差校正效果，是非常有必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种高倍率消球差紫外扩束镜，能够在实现扩束镜小体量的同时，提升扩束镜的球差校正效果。

本发明提供了一种高倍率消球差紫外扩束镜，包括第一扩束透镜组和第二扩束透镜组，其中，

所述第一扩束透镜组包括具有负屈折力的第一透镜；

所述第二扩束透镜组包括具有负屈折力的第二透镜和具有正屈折力的第三透镜，所述第二透镜和所述第三透镜分别沿第二扩束透镜组中任一透镜的主光轴的延伸方向依次排列设置；

所述第一扩束透镜组和所述第二扩束透镜组的主光轴共轴；

所述第一扩束透镜组的焦距F1满足：-5.5＜F1＜-4.5；

所述第二扩束透镜组的焦距F2满足：68.5＜F2＜71.5；

所述第二扩束透镜组与所述第一扩束透镜组的焦距之比满足：-15.89＜F2/F1＜-12.45。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一透镜的物侧面近光轴处为凸面，所述第一透镜的像侧面近光轴处为凸面，所述第一透镜中物侧面的曲率半径等于所述第一透镜中像侧面的曲率半径。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述第二透镜为弯月透镜，所述第二透镜的物侧面近光轴处为凸面，所述第二透镜的像侧面近光轴处为凹面。

更进一步优选的，所述第三透镜的物侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜的像侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜中物侧面的曲率半径大于所述第三透镜中像侧面的曲率半径。

更进一步优选的，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

-5≤f2/f3≤-4；

其中，f2为所述第二透镜的焦距，f3为所述第三透镜的焦距。

更进一步优选的，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

3.2≤(R21+R22)/(R21-R22)≤3.8；

其中，R21为所述第二透镜中物侧面的曲率半径，R22为所述第二透镜中像侧面的曲率半径。

更进一步优选的，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

2.1≤(R31+R32)/(R31-R32)≤2.4；

其中，R31为所述第三透镜中物侧面的曲率半径，R32为所述第三透镜中像侧面的曲率半径。

更进一步优选的，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的材质均为熔石英玻璃。

更进一步优选的，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜的折射率均为1.406~1.574。

更进一步优选的，所述第二扩束透镜组的整体长度为10mm~15mm，整个所述高倍率消球差紫外扩束镜的整体长度为50mm~80mm。

本发明提供的一种高倍率消球差紫外扩束镜相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）通过对高倍率消球差紫外扩束镜中三片透镜的屈折力进行合理的配置使得扩束镜具有优良的放大倍数和球差校正效果，即将第一透镜设置为具有负屈折力，有利于使大角度的入射光线进入到扩束镜中，具有负屈折力的第二透镜能够使得经由第一透镜的入射光线更加平缓地进入扩束镜中，当光线进入具有正屈折力的第三透镜时，使得入射光线平缓过渡，使得中心和边缘视场光线均得到有效会聚，从而校正边缘像差，同时具有负屈折力的第二透镜能够与具有正屈折力的第三透镜的相配合，有利于平衡第二透镜产生的球差，并且第一扩束透镜组与第二扩束透镜组满足-5.5＜F1＜-4.5，68.5＜F2＜71.5，-15.89＜F2/F1＜-12.45等条件，有利于缩短扩束镜的总长实现小型化设计；

（2）当扩束镜满足关系式：3.2≤(R21+R22)/(R21-R22)≤3.8以及2.1≤(R31+R32)/(R31-R32)≤2.4时，有助于扩大扩束镜的放大倍数与其球差的修正效果，当扩束镜满足-5≤f2/f3≤-4时，可避免第二透镜负屈折力太弱而丧失与第三透镜正屈折力配合的功能，提升扩束镜中各透镜的匹配能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为本发明提供的高倍率消球差紫外扩束镜的结构示意图；

图2为本发明提供的高倍率消球差紫外扩束镜的波像差图。

附图标记说明：1、第一扩束透镜组；11、第一透镜；2、第二扩束透镜组；21、第二透镜；22、第三透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本发明中使用的技术用语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

请参阅图1，本申请实施例公开一种高倍率消球差紫外扩束镜，包括第一扩束透镜组1和第二扩束透镜组2，其中，

第一扩束透镜组1包括具有负屈折力的第一透镜11，第一透镜11的物侧面近光轴处为凸面，第一透镜11的像侧面近光轴处为凸面，第一透镜11中物侧面的曲率半径等于第一透镜11中像侧面的曲率半径。

第二扩束透镜组2包括具有负屈折力的第二透镜21和具有正屈折力的第三透镜22，第二透镜21和第三透镜22位于同一光轴；第二透镜21为弯月透镜，第二透镜21的物侧面近光轴处为凸面，第二透镜21的像侧面近光轴处为凹面；第三透镜22的物侧面近光轴处为凸面，第三透镜22的像侧面近光轴处为凸面，第三透镜22中物侧面的曲率半径大于第三透镜22中像侧面的曲率半径。

第一扩束透镜组1和第二扩束透镜组2的主光轴共轴。

在本实施例中，高倍率消球差紫外扩束镜中共有三片具有屈折力的透镜，高倍率消球差紫外扩束镜沿光轴由物侧至像侧依次为第一透镜11、第二透镜21、第三透镜22以及成像面，成像时，光线由第一透镜11的物侧依次进入第一透镜11、第二透镜21以及第三透镜22，并最终成像于高倍率消球差紫外扩束镜的成像面上。在本实施例中，入射光斑的直径尺寸为0.5～1mm，入射激光的波长为355nm。

通过对高倍率消球差紫外扩束镜中三片透镜的屈折力进行合理的配置使得扩束镜具有优良的放大倍数和球差校正效果，即将第一透镜11设置为具有负屈折力，并使得第一透镜11的物侧面、像侧面于近光轴处均为凹面，有利于使大角度的入射光线进入到扩束镜中，第二透镜21具有正屈折力，配合其物侧面于近光轴处为凸面、像侧面于近光轴处为凹面的设计，有利于校正高倍率消球差紫外扩束镜的边缘光线产生的高阶像差，并使得经由第一透镜11的入射光线更加平缓地进入扩束镜中，第三透镜22具有正屈折力，从而能够为高倍率消球差紫外扩束镜提供正屈折力，缩短高倍率消球差紫外扩束镜的总长，配合第三透镜22的物侧面、像侧面于近光轴处均为凸面的设计，能够有利于抑制高倍率消球差紫外扩束镜的像差，当光线进入具有正屈折力的第三透镜22时，入射光线能够平缓过渡，同时中心和边缘视场光线均得到有效会聚，从而校正边缘像差，并且具有负屈折力的第二透镜21能够与具有正屈折力的第三透镜22的相配合，有利于平衡第二透镜21产生的球差。

在本实施例中，第一透镜11、第二透镜21以及第三透镜22均为球面透镜。由于球面透镜是旋转对称的光学元件，其曲率半径与几何中心的距离不变，透镜参数在整个表面上是恒定的，球面透镜在加工制造方面具有较为经济的成本优势，故而降低了高倍率消球差紫外扩束镜的成本，同时由于球面透镜参数较为统一，也降低了高倍率消球差紫外扩束镜的组装难度。

在本实施例中，第一透镜11、第二透镜21以及第三透镜22的材质均为熔石英玻璃，并且第一透镜11、第二透镜21以及第三透镜22的折射率均为1.406~1.574。

在本实施例中，第一透镜11在光轴上的中心厚度为d1，d1=2mm，且公差范围为±2％；第二透镜21在光轴上的中心厚度为d3，d3=4.5mm，且公差范围为±2％；第三透镜22在光轴上的中心厚度为d5，中心厚度d5=6mm，且公差范围为±2％。

在一个示例中，第一透镜11与第二透镜21在光轴上的距离为d2，56mm≤d2≤60mm；由于第二透镜21与第三透镜22直接边缘接触组合，故第二透镜21与第三透镜22在光轴上的距离为d4，0.5mm≤d4≤2mm。第二扩束透镜组2的整体长度为10mm~15mm，整个高倍率消球差紫外扩束镜的整体长度为50mm~80mm。

需要说明的是，第一透镜11与第二透镜21在光轴上的距离d2也就是第一透镜11的像侧面至第二透镜21的物侧面的轴上距离，d4、d6同理。±2％代表的是曲率半径、中心厚度、轴上距离等参数的变化量，例如，d1＝2mm，且公差范围为±2％，也可以表示为1.96mm≤d1≤2.04mm。

在本发明实施例中，高倍率消球差紫外扩束镜满足以下关系等式：

-5.5＜F1＜-4.5；

68.5＜F2＜71.5；

-15.89＜F2/F1＜-12.45；

-5≤f2/f3≤-4；

其中，F1为第一扩束透镜组1的焦距，F2为第二扩束透镜组2的焦距，f2为第二透镜21的焦距，f3为第三透镜22的焦距。当第一扩束透镜组1的焦距与第二扩束透镜组2的焦距之比满-15.89＜F2/F1＜-12.45时，有利于缩短扩束镜的总长实现小型化设计，当扩束镜满足-5≤f2/f3≤-4时，可避免第二透镜21负屈折力太弱而丧失与第三透镜22正屈折力配合的功能，提升扩束镜中各透镜的匹配能力。

对于高倍率消球差紫外扩束镜中各透镜的曲率半径，高倍率消球差紫外扩束镜满足以下关系等式：

3.2≤(R21+R22)/(R21-R22)≤3.8；

2.1≤(R31+R32)/(R31-R32)≤2.4；

其中，R21为第二透镜21中物侧面的曲率半径，R22为第二透镜21中像侧面的曲率半径，R31为第三透镜22中物侧面的曲率半径，R32为第三透镜22中像侧面的曲率半径。满足上述关系等式时，能够合理配置第二透镜21和第三透镜22的物侧面与像侧面于光轴处的曲率半径之间的关系，有利于合理配置第二透镜21和第三透镜22的形状，从而合理分配第二透镜21和第三透镜22在高倍率消球差紫外扩束镜中承担的光学偏折角，使得光线能够在第二透镜21和第三透镜22平缓过渡，降低高倍率消球差紫外扩束镜的像差敏感度，同时也有利于第二透镜21和第三透镜22有效改善像散和像差，进而有利于提升高倍率消球差紫外扩束镜的成像质量。

表1示出了高倍率消球差紫外扩束镜的各透镜的曲率半径、厚度、折射率、阿贝数以及焦距，其中，曲率半径、厚度以及焦距的单位均为毫米(mm)。

其中，面号1对应的透镜面和面号2对应的透镜面分别为第一透镜11的物侧面和像侧面，面号3对应的透镜面和面号4对应的透镜面分别为第二透镜21的物侧面和像侧面，面号5对应的透镜面和面号6对应的透镜面为第三透镜22的物侧面和像侧面。

与表1匹配的高倍率消球差紫外扩束镜总体参数如下：

第一透镜11的焦距f1=-5.124；

第二透镜21的焦距f2=-233.373；

第三透镜22的焦距f3=54.308；

第二扩束透镜组2的焦距F2=70.779；

第二扩束透镜组2的焦距与第一扩束透镜组1的焦距之比F2/F1=13.813；

(R21+R22)/(R21-R22)=2.231；

(R31+R32)/(R31-R32)=3.571。

图2为高倍率消球差紫外扩束镜的波差图像，该高倍率消球差紫外扩束镜的中心视场波像差为0.0069个波长，并且峰谷比为0.34个波长，λ为0.355μm，波像差均小于0.1，因此该高倍率消球差紫外扩束镜有着良好的成像质量和扩束效果。

通过实例可以看出高倍率消球差紫外扩束镜与扩束镜相比，采用三片式透镜结构，可以减小系统的波像差从而提高系统分辨率。同时该高倍率消球差紫外扩束镜结构紧凑，满足小型化、轻量化需求，具有重要意义和应用前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，包括第一扩束透镜组(1)和第二扩束透镜组(2)，其中，

所述第一扩束透镜组(1)包括具有负屈折力的第一透镜(11)；

所述第二扩束透镜组(2)包括具有负屈折力的第二透镜(21)和具有正屈折力的第三透镜(22)，所述第二透镜(21)和所述第三透镜(22)位于同一光轴；

所述第一扩束透镜组(1)和所述第二扩束透镜组(2)的主光轴共轴；

所述第一扩束透镜组(1)的焦距F1满足：-5.5＜F1＜-4.5；

所述第二扩束透镜组(2)的焦距F2满足：68.5＜F2＜71.5；

所述第二扩束透镜组(2)与所述第一扩束透镜组(1)的焦距之比满足：-15.89＜F2/F1＜-12.45。

2.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第一透镜(11)的物侧面近光轴处为凹面，所述第一透镜(11)的像侧面近光轴处为凹面，所述第一透镜(11)中物侧面的曲率半径等于所述第一透镜(11)中像侧面的曲率半径。

3.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第二透镜(21)为弯月透镜，所述第二透镜(21)的物侧面近光轴处为凸面，所述第二透镜(21)的像侧面近光轴处为凹面。

4.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第三透镜(22)的物侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜(22)的像侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜(22)中物侧面的曲率半径大于所述第三透镜(22)中像侧面的曲率半径。

5.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

-5≤f2/f3≤-4；

其中，f2为所述第二透镜(21)的焦距，f3为所述第三透镜(22)的焦距。

6.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

3.2≤(R21+R22)/(R21-R22)≤3.8；

其中，R21为所述第二透镜(21)中物侧面的曲率半径，R22为所述第二透镜(21)中像侧面的曲率半径。

7.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述高倍率消球差紫外扩束镜满足以下条件：

2.1≤(R31+R32)/(R31-R32)≤2.4；

其中，R31为所述第三透镜(22)中物侧面的曲率半径，R32为所述第三透镜(22)中像侧面的曲率半径。

8.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第一透镜(11)、所述第二透镜(21)以及所述第三透镜(22)的材质均为熔石英玻璃。

9.如权利要求1~8任一项所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第一透镜(11)、所述第二透镜(21)以及所述第三透镜(22)的折射率均为1.406~1.574。

10.如权利要求1所述的高倍率消球差紫外扩束镜，其特征在于，所述第二扩束透镜组(2)的整体长度为10mm~15mm，整个所述高倍率消球差紫外扩束镜的整体长度为50mm~80mm。