CN213888711U - 一种用于激光切割加工的远心透镜 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于激光切割加工的远心透镜，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月负透镜，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜均为平凸正透镜，其中第一透镜包括第一入射端面和第一出射端面，第二透镜包括第二入射端面和第二出射端面，第三透镜包括第三入射端面和第三出射端面，第四透镜包括第四入射端面和第四出射端面，第五透镜包括第五入射端面和第五出射端面。本实用新型提供的远心透镜的像方主光线与焦面之前无倾角，不会导致加工的孔斜度，加工物体与透心远镜之前无离焦，不会形成导致加工精度降低的畸变。

Description

一种用于激光切割加工的远心透镜

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，尤其涉及一种用于激光切割加工的远心透镜。

背景技术

对于激光加工领域而言，聚焦光斑的精细程度与激光的波长和聚焦镜头的焦距有很大关系，当激光的波长越短、聚焦镜头的焦距越短，聚焦光斑的精细程度越高。当前紫外激光器的主要波段为355nm，该技术已经较为成熟，且功率一直提升，使得超精细加工成为可能。

但对于当前技术方案，主要使用普通的镜头进行打孔，这样会导致像方主光线与焦面之前存在一定的倾角，该倾角的存在会使得加工的孔存在一定的斜度，并且加工物体与普通镜头之前存在的离焦会造成额外的畸变，降低加工精度。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种用于激光切割加工的远心透镜，通过布置多个透镜形成远心透镜，与普通镜头相比，该远心透镜的像方主光线与焦面之前无倾角，不会导致加工的孔存在斜度，同时加工物体与透心远镜之前无离焦，不会形成导致加工精度降低的畸变。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种用于激光切割加工的远心透镜，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月负透镜，所述第三透镜为平凸正透镜，所述第四透镜为平凸正透镜，所述第五透镜为平凸正透镜，其中所述第一透镜包括第一入射端面和第一出射端面，所述第二透镜包括第二入射端面和第二出射端面，所述第三透镜包括第三入射端面和第三出射端面，所述第四透镜包括第四入射端面和第四出射端面，所述第五透镜包括第五入射端面和第五出射端面，其中所述第一入射端面为曲率半径-40.000mm的凹面，所述第一出射端面为曲率半径187.444mm的凹面，所述第二入射端面为曲率半径 -87.177mm的凹面，所述第二出射端面为曲率半径-74.485mm的凸面，所述第三入射端面为平面，曲率半径为无穷大，所述第三出射端面为曲率半径-86.797mm 的凸面，所述第四入射端面为平面，曲率半径为无穷大，所述第四出射端面为曲率半径-86.797mm的凸面，所述第五入射端面为曲率半径141.399mm的凸面，所述第五出射端面为平面，曲率半径为无穷大。

进一步地，所述第一透镜的中心厚度为4.000mm，所述第二透镜的中心厚度15.939mm，所述第三透镜的中心厚度为15.982mm，所述第四透镜的中心厚度为15.982mm，所述第五透镜的中心厚度为11.000mm。

进一步地，所述第一出射端面和第二入射端面之间的间距大于第二出射端面和第三入射端面之间的间距，所述第二出射端面和第三入射端面之间的间距与第三出射端面和第四入射端面之间的间距相同，所述第三出射端面和第四入射端面之间的间距与第四出射端面和第五入射端面之间的间距相同。

进一步地，远心透镜的焦距为100mm，入瞳直径为10mm。

进一步地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均由熔融石英制成。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：通过布置多个透镜形成远心透镜用于取代普通镜头，该远心透镜的像方主光线与焦面之前无倾角，不会导致加工的孔存在斜度，同时加工物体与透心远镜之前无离焦现象，不会形成导致加工精度降低的畸变和像散。

附图说明

图1为本实用新型一种用于激光切割加工的远心透镜的结构示意图。

图2为本实用新型一种用于激光切割加工的远心透镜的像散曲线示意图。

图3为本实用新型一种用于激光切割加工的远心透镜的畸变曲线示意图。

图4为本实用新型一种用于激光切割加工的远心透镜的模量传递函数MFT 曲线示意图。

图5为本实用新型一种用于激光切割加工的远心透镜的弥散光斑示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了一种用于激光切割加工的远心透镜，包括从物方到像方依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，第一透镜1为双凹负透镜，第二透镜2为弯月负透镜，第三透镜3为平凸正透镜，第四透镜4为平凸正透镜，第五透镜5为平凸正透镜；其中第一透镜1包括第一入射端面11和第一出射端面12，第二透镜2包括第二入射端面21和第二出射端面22，第三透镜3包括第三入射端面31和第三出射端面32，第四透镜4包括第四入射端面41和第四出射端面42，第五透镜5包括第五入射端面51和第五出射端面52。

本实施例中，入射光线自左向右传播，以各个曲面和主光轴的交点为准，当曲面的圆心位于主光轴与曲面的交点左侧时，则曲率半径为负值，当曲面的圆心位于主光轴与曲面的交点右侧时，则曲率半径为正值。即曲率半径的正负表示曲面的弯曲方向，而曲率半径的大小则标识曲面的弯曲程度。第一入射端面11为曲率半径-40.000mm的凹面，第一出射端面12为曲率半径187.444mm的凹面，第二入射端面21为曲率半径-87.177mm的凹面，第二出射端面22为曲率半径-74.485mm的凸面，第三入射端面31为平面，第三出射端面32为曲率半径-86.797mm的凸面，第四入射端面41为平面，第四出射端面42为曲率半径 -86.797mm的凸面，第五入射端面51为曲率半径141.399mm的凸面，第五出射端面52为平面，且第一入射端面11至第五入射端面51和第一出射端面12至第五出射端面52的曲率半径允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏差为-5％。

第一透镜1的中心厚度为4.000mm，第二透镜2的中心厚度15.939mm，第三透镜3的中心厚度为15.982mm，第四透镜4的中心厚度为15.982mm，第五透镜5的中心厚度为11.000mm；且第一透镜1至第五透镜5的中心厚度允许公差均为10％，上偏差为+5％，下偏-5％。

第一出射端面12和第二入射端面21之间的间距大于第二出射端面22和第三入射端面31之间的间距，第二出射端面22和第三入射端面31之间的间距与第三出射端面32和第四入射端面41之间的间距相同，第三出射端面32和第四入射端面41之间的间距与第四出射端面42和第五入射端面51之间的间距相同。

本实施例中，第一透镜1至第五透镜5的折射率与阿贝数比例允许公差可以为10％，并且上偏差可以为+5％，下偏差可以为-5％，并且第一透镜1至第五透镜5均可采用同一材质，其中第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的折射率与阿贝数比例均可以为1.46/67.82±5％。可以理解地，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5均采用同一材质，利用相同的材质得到相同的折射率及相同的色散系统(阿贝数)，进而得到相同的折射率与阿贝数比例。

由于熔融石英具有经久耐用，耐高温，防辐射等优点，可以理解的，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5均采用熔融石英制成。

本实施例中，远心透镜的焦距F为100mm，入瞳直径为10mm。

目前普遍使用的紫外激光器入射光线的波长为λ＝355nm，从理论上波长为 355nm的分辨率比波长为1064nm的激光器分辨率大三倍。由于本实施例的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的材料均可以为熔融石英，则该远心透镜能够适用于波长为λ＝355nm的紫外激光器，会得到非常高分辨的点距，也就是可以获得超精细的聚焦后的弥散光斑，由于熔融石英的特性使该远心透镜适合高功率密度，可以应用到20w的紫外激光器上。进一步地，其入瞳直径设置为10mm，可确保单位时间内的通光量，同时又可使远心透镜获得比较小的体积。

如图2所示，本实施例的远心透镜光路原理为：波长355nm的入射光线从第一透镜1的第一入射端面11入射，到达第一入射端面11的入射光线在第一透镜1中扩束后从第一出射端面12出射至第二入射端面21，到达第二入射端面 21的光线在第二透镜2中汇聚后从第二出射端面22出射，第二透镜2汇聚后的光线从第三透镜3的第三入射端面31入射，在第三透镜3中扩束后从第三出射端面32出射，第三透镜3扩束后的光线从第四透镜4的第四入射端面41入射，在第四透镜4中汇聚后从第四出射端面42出射，第四透镜4汇聚后的光线从第五透镜5的第五入射端面51入射，在第五透镜5中汇聚后从第五出射端面52 出射，出射光线最后经第五透镜5的第五出射端面52折射出来后形成的像方主光线可垂直于焦面，出瞳可位于物方无限远，这样的光路为像方远心光路，该像方远心光路可确保加工出来的孔垂直于加工平面，有效地矫正了像散和畸变，提高了加工精度。

参考图2和图3，其中，图2为本实施例中远心透镜的像散曲线图，图3为本实施例中远心透镜的畸变曲线图。本实施例提供的具有上述条件的远心透镜，其像散曲线和畸变曲线的弯曲程度都已经达到了理想的校正状态，像面明显地变平，也就是说整个切割范围内的像面都非常平，并且轴上与轴外无明显区别。像散小、畸变小，即可达到超精细、高精度的加工。

参考图4，图4为本实施例中远心透镜的模量传递函数MTF曲线图。由图4 可知，入射光线作用于该远心透镜后的轴上点与轴外点均无明显区别，可达到像场趋平的目的，可实现超精细、高精度的加工。

参考图5，图5为本实施例中远心透镜的弥散光斑示意图。由图5可知，在所有的视场中，弥散光斑的直径均在5μm左右，并且能量集中度极高，实现了高质量成像打标，提高了成像质量，进而可以实现超精细、高精度的加工，例如精确地打孔、切割等。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月负透镜，所述第三透镜、第四透镜和第五透镜均为平凸正透镜，其中所述第一透镜包括第一入射端面和第一出射端面，所述第二透镜包括第二入射端面和第二出射端面，所述第三透镜包括第三入射端面和第三出射端面，所述第四透镜包括第四入射端面和第四出射端面，所述第五透镜包括第五入射端面和第五出射端面，所述第一入射端面至第五入射端面的曲率半径依次为-40.000mm、-87.177mm、无穷大、无穷大、141.399mm，所述第一出射端面至第五出射端面的曲率半径依次为187.444mm、-74.485mm、-86.797mm、-86.797mm、无穷大。

2.根据权利要求1所述的用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于：所述第一透镜的中心厚度为4.000mm，所述第二透镜的中心厚度15.939mm，所述第三透镜的中心厚度为15.982mm，所述第四透镜的中心厚度为15.982mm，所述第五透镜的中心厚度为11.000mm。

3.根据权利要求1所述的用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于：所述第一出射端面和第二入射端面之间的间距大于第二出射端面和第三入射端面之间的间距。

4.根据权利要求1所述的用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于：所述第二出射端面和第三入射端面之间的间距与第三出射端面和第四入射端面之间的间距相同。

5.根据权利要求1所述的用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于：所述第三出射端面和第四入射端面之间的间距与第四出射端面和第五入射端面之间的间距相同。

6.根据权利要求1所述的用于激光切割加工的远心透镜，其特征在于：所述远心透镜的焦距为100mm，入瞳直径为10mm。

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