CN210720852U - 一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外激光打标机远心f‑θ扫描透镜，包括有孔径光阑、五片透镜和像面镜，所述的孔径光阑位于物方焦平面上，入射光依次经过孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，出射光线垂直于焦平面，所述的像面镜位于第五透镜的后方，其中所述的第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第四透镜为弯月型正透镜，第五透镜为双凸型正透镜。将孔径光阑置于物方焦点处，使出瞳位于无穷远，像方远心度小于0.05°。本实用新型的f‑θ透镜的五片镜片厚度适中，结构简单紧凑，易于加工组装，聚焦效果好，满足精细标刻要求。

Description

一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜

技术领域

本实用新型涉及光学镜头技术领域，尤其涉及一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜。

背景技术

随着激光加工业的不断发展，对激光加工技术要求越来越高。在激光打标工作中，需要加工的介质种类不断增加，对加工表面精细度要求也越来越高，目前配备1064nm和532nm的f-θ透镜打标机已不能满足相关要求，正在兴起的波长为355nm的紫外打标机不仅能够适应某些特殊材料的吸收，光斑半径也非常小能够实现超精细打标。根据激光直径公式

(其中f’为焦距，λ为波长，D为入瞳直径)可知，当f’/D相同时，紫外激光的艾里斑直径仅为红外激光λ＝1064nm的1/3或绿色激光λ＝532nm的1/1.5，所以跟1064nm和355nm相比，355nm具有更小的光斑。

目前激光打标机中常用的非远心f-θ透镜，在打标时，因为其像方主光线与焦平面之间有一定的倾角，所以物质表面刻画的线条存在一定的倾斜，使线条看起来不精细，粗糙，无法满足高精度高标准的严要求，非远心镜头会存在许多缺陷。

因为远心镜头的出射光线垂直于焦平面，所以打标的范围与f-θ透镜的尺寸相当。大的打标范围意味着镜片尺寸会很大，不利于加工和组装，成本也昂贵，为保证大的打标范围和适中的成本需要选择合适的焦距。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，包括有孔径光阑、五片透镜和像面镜，所述的孔径光阑位于物方焦平面上，入射光依次经过孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，出射光线垂直于焦平面，所述的像面镜位于第五透镜的后方，其中所述的第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第四透镜为弯月型正透镜，第五透镜为双凸型正透镜。

所述的孔径光阑与第一透镜的距离d1＝69.48mm，第一透镜的两个面S1和S2球面曲率半径分别为42.25mm和64.49mm，中心厚度d2＝4.64mm，折射率Nd＝1.72，色散系数Vd＝50.4；所述的第一透镜与第二透镜的距离d3＝7.41mm，第二透镜的两个面S3和S4球面曲率半径分别为89.05mm和240.74mm，中心厚度d4＝4.92mm，折射率Nd＝1.72，色散系数Vd＝50.4；所述的第二透镜与第三透镜距离d5＝15.46mm，第三透镜的两个面S5和S6球面曲率半径分别为150.74mm和86.22mm，中心厚度d6＝10.95mm，折射率Nd＝1.62，色散系数Vd＝53.9；所述的第三透镜与第四透镜距离d7＝1.00mm，第四透镜的两个面S7和S8球面曲率半径分别为280.13mm和-100.03mm，中心厚度d8＝15.11mm，折射率Nd＝1.76，色散系数Vd＝52.3；所述的第四透镜与第五透镜距离d9＝0.92mm，第五透镜的两个面S9和S10球面曲率半径分别为416.66mm和-778.02mm，中心厚度d10＝9.69mm，折射率Nd＝1.76，色散系数Vd＝47.8，第五透镜与像面镜距离d11＝233.93mm。

所述的出射光线与像面的倾斜角即远心度<0.5°。

在全视场范围内，像散为零，场曲为均小于0.04mm。

在全视场范围内，波像差小于1/4λ,达到衍射极限。

使用紫外波长作为主波长，孔径光阑位于物方焦平面，出射光线垂直于焦平面，可实现超精细打标。此外，为确保拥有足够的打标范围与降低成本，需要拥有较大的视场角，设计出的f-θ透镜结构需要紧凑，聚焦性能要好，成像质量要优良。

由孔径光阑、五片镜片和像面组成。该系统具有大视场、长焦距、小孔径的特点，其焦距f＝160mm，F数为16，通光孔径为10mm，扫描视场角可达±20°、出射光线远心度小于0.05°，像散场曲为零，畸变小于0.02％，打标范围直径φ>110mm²。所述的光学系统的孔径光阑位于物方焦平面，经过四片弯月型和一片双凸透镜后，出射光线垂直于焦平面。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型第一面透镜采用弯月型镜片引入了负的桶形畸变，畸变小于0.02％，保证了f-θ透镜的特殊性即像高满足H’＝f’.θ(其中f’为焦距，θ为视场角)；

(2)本实用新型的场曲像散得到了良好的校正，场曲为0.04mm在焦深＝4λ(f/D)2＝0.35mm范围内，此时的场曲基本为零，使聚焦面在打标平面上；

(3)本实用新型采用355nm的波长，从像质评价图中可以看出该光学系统的轴上和轴外像质一致，且光斑都在艾里斑内，直径特别小，能量也很集中，整个像面成平面，系统的光程差小于1/4λ，达到了衍射极限；

(4)本实用新型采用远心镜头，使像面的主光线平行于主光轴而垂直焦面，避免非远心镜头外视场光线的倾斜使刻画的线条不精细，打圆孔时出现椭圆形孔的情形。

(5)为保证得到最优的效果，采用的是五片式镜片，最终优化得到的f-θ透镜筒长70mm，且每片镜片的厚度均匀，这使得加工、组装变得非常容易。

(6)本实用新型的镜头，扫描角度为±20°，打标范围φ>110mm2，相对传统的镜头，该镜头具有较大的打标范围。

(7)本实用新型的镜头有较大的工作距离，可实现长距离的工作，很大程度上避免了打标过程中产生的残余物飞溅至透镜，污染镜片，长的工作距离可以起到良好的防护作用。

(8)本实用新型具有结构简单紧凑、聚焦性能好、像质优良等特点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型f-θ透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的弥散斑图。

图3为本实用新型透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的光程差图。

图4为本实用新型透镜的像散、场曲、f-θ畸变图。

图5为本实用新型透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的光学传递MTF图。

图6为本实用新型透镜的衍射圈入能量图。

具体实施方式

如图1所示，一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，包括有孔径光阑1、五片透镜和像面镜2，所述的孔径光阑1位于物方焦平面上，入射光依次经过孔径光阑1、第一透镜3、第二透镜4、第三透镜5、第四透镜6和第五透镜7，出射光线垂直于焦平面，所述的像面镜2位于第五透镜7的后方，其中所述的第一透镜3为弯月型负透镜，第二透镜4为弯月型负透镜，第三透镜5为弯月型正透镜，第四透镜6为弯月型正透镜，第五透镜7为双凸型正透镜。

所述的孔径光阑1与第一透镜3的距离d1＝69.48mm，第一透镜3的两个面S1和S2球面曲率半径分别为42.25mm和64.49mm，中心厚度d2＝4.64mm，折射率Nd＝1.72，色散系数Vd＝50.4；所述的第一透镜3与第二透镜4的距离d3＝7.41mm，第二透镜4的两个面S3和S4球面曲率半径分别为89.05mm和240.74mm，中心厚度d4＝4.92mm，折射率Nd＝1.72，色散系数Vd＝50.4；所述的第二透镜4与第三透镜5距离d5＝15.46mm，第三透镜的两个面S5和S6球面曲率半径分别为150.74mm和86.22mm，中心厚度d6＝10.95mm，折射率Nd＝1.62，色散系数Vd＝53.9；所述的第三透镜5与第四透镜6距离d7＝1.00mm，第四透镜6的两个面S7和S8球面曲率半径分别为280.13mm和-100.03mm，中心厚度d8＝15.11mm，折射率Nd＝1.76，色散系数Vd＝52.3；所述的第四透镜6与第五透镜7距离d9＝0.92mm，第五透镜7的两个面S9和S10球面曲率半径分别为416.66mm和-778.02mm，中心厚度d10＝9.69mm，折射率Nd＝1.76，色散系数Vd＝47.8，第五透镜7与像面镜2距离d11＝233.93mm。

所述的出射光线与像面的倾斜角即远心度<0.5°。

在全视场范围内，像散为零，场曲为均小于0.04mm。

在全视场范围内，波像差小于1/4λ,达到衍射极限。

当波长为355nm的紫外光入射到所述的扫描透镜时，焦距为160mm，入瞳直径为10mm，扫描视场角为±20°。

光阑距第一透镜的距离为69.48mm，所述的f-θ扫描透镜的后工作距离为233.93mm。

第一透镜和第二透镜在轴上的空气间隙为7.41mm，第二透镜和第三透镜在轴上的空气间隙为15.46mm，第三透镜和第四透镜在轴上的空气间隙为1.00mm，第四透镜和第五透镜在轴上的空气间隙为0.92mm。

所述的f-θ透镜在全视场范围内，出射光线与像面的倾斜角即远心度均<0.5°。

所述的f-θ透镜在全视场范围内，像散为零，场曲为均小于0.04mm。

所述的f-θ透镜在全视场范围内，波像差小于1/4λ,达到衍射极限。

实施例中的f-θ透镜的具体参数下所示

表1 f-θ透镜的结构参数

球面	曲率半径(mm)	厚度(mm)	材料N<sub>d</sub>/V<sub>d</sub>
						d1＝69.48
S1	-42.25	d2＝4.64	1.65/33.8
				S2	-64.49	d3＝7.41
S3	-89.05	d4＝4.92	1.72/50.4
				S4	-240.74	d5＝15.46
S5	-150.74	d6＝10.94	1.62/53.9
				S6	-86.22	d7＝1.00
S7	-280.13	d8＝15.11	1.76/52.3
				S8	-100.03	d9＝0.92
S9	416.66	d10＝9.69	1.76/47.8
				S10	-778.02	d11＝233.93

上述实施例设计的f-θ透镜扫描范围φ>110mm²,在全视场范围内远心度<0.5°。

根据上述实施例中，得出图2-图5的像质分析图。图2为本实用新型f-θ透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的弥散斑图，从图2可以看出光斑均在艾里斑内，光斑半径非常小，且轴上和轴外的像质基本一致，球差、彗差和像散都非常小，配合合适的扫描振镜，可以刻画精密线条和打微孔。

图3为本设计f-θ透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的光程差图，从图3可以看出最大波像差小于0.05λ，根据瑞利判据认为，当光学系统的最大波像差小于1/4λ波长时，光学系统是完善的。

图4为本设计f-θ透镜的像散、场曲、f-θ畸变图，由图4的左边曲线可以看出子午和弧矢像面重合，说明像散为零，此时的匹兹伐尔场曲不超过0.04mm，此设计中f-θ透镜的焦深＝4λ(f/D)2＝0.35mm,场曲远小于焦深，像散、场曲都得到了良好的校正，由图4右边曲线可知f-θ相对畸变最大值不超过0.02％，说明像高与视场角线性关系更加准确，能够很好地实现线性扫描。

图5为本设计f-θ透镜视场为0F、0.3F、0.5F、0.7F、1.0F的光学传递MTF图，由图5可知各视场的MTF基本都达到了衍射极限，说明像质优良。

图6为本设计f-θ透镜的衍射圈入能量图，从图6可以看出，各视场84％的能量都能集中在艾里斑直径为2.44λf’/D＝6.9μm的范围内，对打标来说是比较集中地能量，有利于降低成本、快速打标。

Claims (5)

1.一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，其特征在于：包括有孔径光阑、五片透镜和像面镜，所述的孔径光阑位于物方焦平面上，入射光依次经过孔径光阑、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，出射光线垂直于焦平面，所述的像面镜位于第五透镜的后方，其中所述的第一透镜为弯月型负透镜，第二透镜为弯月型负透镜，第三透镜为弯月型正透镜，第四透镜为弯月型正透镜，第五透镜为双凸型正透镜。

2.根据权利要求1所述的一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，其特征在于：所述的孔径光阑与第一透镜的距离d1=69.48mm，第一透镜的两个面S1和S2球面曲率半径分别为42.25mm和64.49mm，中心厚度d2=4.64mm，折射率Nd=1.72，色散系数Vd=50.4；所述的第一透镜与第二透镜的距离d3=7.41mm，第二透镜的两个面S3和S4球面曲率半径分别为89.05mm和240.74mm，中心厚度d4=4.92mm，折射率Nd=1.72，色散系数Vd=50.4；所述的第二透镜与第三透镜距离d5=15.46mm，第三透镜的两个面S5和S6球面曲率半径分别为150.74mm和86.22mm，中心厚度d6=10.95mm，折射率Nd=1.62，色散系数Vd=53.9；所述的第三透镜与第四透镜距离d7=1.00mm，第四透镜的两个面S7和S8球面曲率半径分别为280.13mm和-100.03mm，中心厚度d8=15.11mm，折射率Nd=1.76，色散系数Vd=52.3；所述的第四透镜与第五透镜距离d9=0.92mm，第五透镜的两个面S9和S10球面曲率半径分别为416.66mm和-778.02mm，中心厚度d10=9.69mm，折射率Nd=1.76，色散系数Vd=47.8，第五透镜与像面镜距离d11=233.93mm。

3.根据权利要求1所述的一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，其特征在于：所述的出射光线与像面的倾斜角即远心度<0.5°。

4.根据权利要求1所述的一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，其特征在于：在全视场范围内，像散为零，场曲为均小于0.04mm。

5.根据权利要求1所述的一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜，其特征在于：在全视场范围内，波像差小于1/4λ,达到衍射极限。

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