CN212905667U - 一种双波段激光消色差扫描光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双波段激光消色差扫描光学系统，从物方到像方包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；第一透镜为具有负光焦度的双凹透镜；第二透镜和第三透镜均为具有正光焦度的凹凸透镜；第四透镜为具有负光焦度的凹凸透镜；第五透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第六透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第七透镜为具有负光焦度的双凹透镜。上述扫描光学系统，通过正负透镜组合，满足聚焦光斑在同一工作平面的平场效果，聚光光斑在整个扫描范围内尺寸差异很小，均匀性高，消除了不同波长的色差影响，设计效果良好，可适用于波长1030nm和515nm的激光进行的材料加工。

Description

一种双波段激光消色差扫描光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种双波段激光消色差扫描光学系统，属于两种激光扫描的聚焦系统领域。

背景技术

近年来随着激光技术的发展，激光应用已经深入到现代生活的各个方面，比如，通过激光进行材料的切割、打标、钻孔、微加工等。

扫描镜头通常称作F-theta镜头，激光光束通过扫描阵镜，被扫描镜头聚焦在工作面上，实现激光对工件进行加工作业。

在激光加工材料中，通常因为材料不同，要选择不同波长的激光，为了消除不同激光加工效果差异，开发一款消色差扫描镜头是非常必要的。

实用新型内容

本实用新型提供一种双波段激光消色差扫描光学系统，在保证扫描镜头的平场性和均匀性的同时，实现两种波长的消色差处理，可让激光聚焦在相同的工作面上，进行材料的精密加工。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种双波段激光消色差扫描光学系统，从物方到像方包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；

第一透镜为具有负光焦度的双凹透镜；第二透镜和第三透镜均为具有正光焦度的凹凸透镜；第四透镜为具有负光焦度的凹凸透镜；第五透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第六透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第七透镜为具有负光焦度的双凹透镜。

上述描光学系统，通过正负透镜组合，光焦度采用“负-正-正-负-正-正-负”的分配方式，满足聚焦光斑在同一工作平面的平场效果，消除了不同波长的色差影响，设计效果良好，可适用于波长1030nm和515nm的激光进行的材料加工。

上述光学系统所含透镜表面均为球面，这使得单个光学零件的技工与制作成本大幅度降低。

上述光学系统在1030nm和515nm波段平场性优良，光斑比较均匀，聚光光斑在整个扫描范围内尺寸差异很小，均匀性高。

扫描镜头是在两种激光环境下使用的，所以需要对着两种激光波长的光谱进行消色差处理，本申请采用冕类和火石类玻璃，玻璃材料的稳定性好，为了实现更好的消色差效果，优选，第一透镜所用材质为轻冕玻璃，第二透镜所用材质为镧火石玻璃，第三透镜所用材质为镧冕玻璃，第四透镜所用材质为重火石玻璃，第五透镜所用材质为镧冕玻璃，第六透镜所用材质为镧冕玻璃，第七透镜所用材质为重火石玻璃。

上述方案采用多片透镜，多种材料进行像差校正。

为了进一步确保像质，第一透镜的中心厚度为4.5±0.1mm；第二透镜的中心厚度为8 ±0.2mm；第三透镜的中心厚度为11±0.2mm；第四透镜的中心厚度为5±0.1mm；第五透镜的中心厚度为12.5±0.2mm；第六透镜的中心厚度为12.4±0.2mm；第七透镜的中心厚度为5.8±0.1mm。

为了进一步提高扫描均匀性和消色差效果，第一透镜和第二透镜的中心间隔为5± 0.02mm，第二透镜和第三透镜的中心间隔为4.9±0.02mm，第三透镜和第四透镜的中心间隔为4.1±0.02mm，第四透镜和第五透镜的中心间隔为0.5±0.01mm，第五透镜和第六透镜的中心间隔为0.7±0.01mm，第六透镜和第七透镜的中心间隔为3.5±0.02mm。

为了提高系统的扫描均匀性，第一透镜的焦距为-64.637mm；第二透镜的焦距为131.248mm；第三透镜的焦距为91.689mm；第四透镜的焦距为-97.265mm；第五透镜的焦距为107.285mm；第六透镜的焦距为103.268mm；第七透镜的焦距为-110.447mm。

上述各透镜，从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第七透镜的两面依次为第七物侧面和第七像侧面。

为了更好地实现1030nm和515nm的扫描均匀性，提高像质，第一物侧面的曲率半径为36.14±0.2mm，第一像侧面的曲率半径为262.965±0.2mm；第二物侧面的曲率半径为165±0.2mm，第二像侧面的曲率半径为63.18±0.2mm；第三物侧面的曲率半径为238.1 ±0.2mm，第三像侧面的曲率半径为53.4±0.2mm；第四物侧面的曲率半径为51.24± 0.2mm，第四像侧面的曲率半径为159.66±0.2mm；第五物侧面的曲率半径为无穷大，第五像侧面的曲率半径为78.57±0.2mm；第六物侧面的曲率半径为112±0.2mm，第六像侧面的曲率半径为221.98±0.2mm；第七物侧面的曲率半径为223.475±0.2mm，第七像侧面的曲率半径为145.36±0.2mm。

上述的双波段激光消色差扫描光学系统，使用波长为1030nm和515nm，515nm的聚焦光斑为6.8-6.92um；1030nm的聚焦光斑为13.4-13.7um；焦距为100mm；扫描范围：35mm X35mm。

本实用新型未提及的技术均参照现有技术。

本实用新型波段激光消色差扫描光学系统，通过正负透镜组合，光焦度采用“负-正-正-负-正-正-负”的分配方式，满足聚焦光斑在同一工作平面的平场效果，聚光光斑在整个扫描范围内尺寸差异很小，均匀性高，消除了不同波长的色差影响，设计效果良好，可适用于波长1030nm和515nm的激光进行的材料加工；在保证扫描镜头的平场性和均匀性的同时，实现两种波长的消色差处理，可让激光聚焦在相同的工作面上，进行材料的精密加工；结构简单，所含透镜表面均为球面，成本低廉。

附图说明

图1为本实用新型波段激光消色差扫描光学系统结构示意图；

图2为双波段(1030nm和515nm)激光光束经过本实用新型波段激光消色差扫描光学系统在聚焦平面的9个采样点的光斑图；

图3为本实用新型波段激光消色差扫描光学系统使用1030nm激光光束时，在扫描范围35mm×35mm的光斑尺寸图；

图4为本实用新型波段激光消色差扫描光学系统使用515nm激光光束时，在扫描范围 35mm×35mm的光斑尺寸图；

图5为本实用新型波段激光消色差扫描光学系统的场曲和畸变分析图；

图6为本实用新型波段激光消色差扫描光学系统的光学传递函数MTF图。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合实施例进一步阐明本实用新型的内容，但本实用新型的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图1所示，一种双波段激光消色差扫描光学系统，从物方到像方包括依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6、第七透镜L7和保护窗口L8；第一透镜为具有负光焦度的双凹透镜；第二透镜和第三透镜均为具有正光焦度的凹凸透镜；第四透镜为具有负光焦度的凹凸透镜；第五透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第六透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第七透镜为具有负光焦度的双凹透镜。

第一透镜所用材质为轻冕玻璃H-QK3L，第二透镜所用材质为镧火石玻璃H-LAF4，第三透镜所用材质为镧冕玻璃H-LAK52，第四透镜所用材质为重火石玻璃H-ZF13，第五透镜所用材质为镧冕玻璃H-LAK52，第六透镜所用材质为镧冕玻璃H-LAK52，第七透镜所用材质为重火石玻璃H-ZF13。

表1双波段激光消色差扫描光学系统各透镜的设计参数

上表中，第一透镜的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，第五透镜的两面依次为第五物侧面S9和第五像侧面S10，第六透镜的两面依次为第六物侧面S11和第六像侧面S12，第七透镜的两面依次为第七物侧面S13和第七像侧面S14。S1对应的厚度为第一透镜的中心厚度，S2对应的厚度为第一像侧面中心到第二物侧面中心的间隔；S3对应的厚度为第二透镜的中心厚度，S4对应的厚度为第二像侧面中心到第三物侧面中心的间隔；S5对应的厚度为第三透镜的中心厚度，S6对应的厚度为第三像侧面中心到第四物侧面中心的间隔；S7对应的厚度为第四透镜的中心厚度，S8对应的厚度为第四像侧面中心到第五物侧面中心的间隔；S9对应的厚度为第五透镜的中心厚度，S10对应的厚度为第五像侧面中心到第六物侧面中心的间隔；S11对应的厚度为第六透镜的中心厚度，S12对应的厚度为第六像侧面中心到第七物侧面中心的间隔；S13对应的厚度为第七透镜的中心厚度，S14对应的厚度为第七像侧面中心到保护窗口中心的间隔。

上述描光学系统，波长：1030nm和515nm；入射光束直径：14mm；焦距：100mm；扫描范围：35mm X 35mm；远心角度：<2.5°；波长515nm的聚焦光斑为6.8-6.92um；波长1030nm的聚焦光斑为13.4-13.7um。

由图2可看出，上述描光学系统在扫描范围35mm x335mm的扫描范围内，9个采样点的光束聚焦效果和消色差效果两个，均在艾瑞班以内。

图3和图4分别表明在扫描范围35mmx35mm的范围内，波长1030nm和515nm的激光高斯光束聚焦光斑尺寸为13.4-13.7um和6.8-6.92um，可以得出聚光光斑在整个扫描范围内尺寸差异很小，均匀性高。

上述描光学系统为由7片透镜加1片保护窗口L8构成的消色差镜组，在1030nm和515nm波段平场性优良，从图5中可以看出场曲和畸变都较小。

上述描光学系统的像质极佳，图6光学传递函数MTF曲线接近衍射极限。

上述描光学系统消除了不同波长的色差影响，设计效果良好，可适用于波长1030nm 和515nm的激光进行的材料加工。

Claims (9)

1.一种双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：从物方到像方包括依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜；

第一透镜为具有负光焦度的双凹透镜；第二透镜和第三透镜均为具有正光焦度的凹凸透镜；第四透镜为具有负光焦度的凹凸透镜；第五透镜为具有正光焦度的平凸透镜；第六透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第七透镜为具有负光焦度的双凹透镜。

2.如权利要求1所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第一透镜所用材质为轻冕玻璃，第二透镜所用材质为镧火石玻璃，第三透镜所用材质为镧冕玻璃，第四透镜所用材质为重火石玻璃，第五透镜所用材质为镧冕玻璃，第六透镜所用材质为镧冕玻璃，第七透镜所用材质为重火石玻璃。

3.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第一透镜的中心厚度为4.5±0.1mm；第二透镜的中心厚度为8±0.2mm；第三透镜的中心厚度为11±0.2mm；第四透镜的中心厚度为5±0.1mm；第五透镜的中心厚度为12.5±0.2mm；第六透镜的中心厚度为12.4±0.2mm；第七透镜的中心厚度为5.8±0.1mm。

4.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第一透镜和第二透镜的中心间隔为5±0.02mm，第二透镜和第三透镜的中心间隔为4.9±0.02mm，第三透镜和第四透镜的中心间隔为4.1±0.02mm，第四透镜和第五透镜的中心间隔为0.5±0.01mm，第五透镜和第六透镜的中心间隔为0.7±0.01mm，第六透镜和第七透镜的中心间隔为3.5±0.02mm。

5.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第一透镜的焦距为-64.637mm；第二透镜的焦距为131.248mm。

6.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第三透镜的焦距为91.689mm；第四透镜的焦距为-97.265mm。

7.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：第五透镜的焦距为107.285mm；第六透镜的焦距为103.268mm；第七透镜的焦距为-110.447mm。

8.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：从物方到像方，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面，第六透镜的两面依次为第六物侧面和第六像侧面，第七透镜的两面依次为第七物侧面和第七像侧面；

第一物侧面的曲率半径为36.14±0.2mm，第一像侧面的曲率半径为262.965±0.2mm；第二物侧面的曲率半径为165±0.2mm，第二像侧面的曲率半径为63.18±0.2mm；第三物侧面的曲率半径为238.1±0.2mm，第三像侧面的曲率半径为53.4±0.2mm；第四物侧面的曲率半径为51.24±0.2mm，第四像侧面的曲率半径为159.66±0.2mm；第五物侧面的曲率半径为无穷大，第五像侧面的曲率半径为78.57±0.2mm；第六物侧面的曲率半径为112±0.2mm，第六像侧面的曲率半径为221.98±0.2mm；第七物侧面的曲率半径为223.475±0.2mm，第七像侧面的曲率半径为145.36±0.2mm。

9.如权利要求1或2所述的双波段激光消色差扫描光学系统，其特征在于：使用波长为1030nm和515nm，515nm的聚焦光斑为6.8-6.92um；1030nm的聚焦光斑为13.4-13.7um；焦距为100mm；扫描范围：35mm X 35mm。

Images