CN2750926Y - 大工作面激光打标镜头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光打标镜头，特别涉及一种由光学透镜构成的f－θ激光聚焦镜头。它仅由四片透镜构成，打标工作面范围最大达到φ680mm。它的光阑位于系统前方，靠近光阑的第一透镜、第二透镜和第三透镜弯向光阑，距光阑最远的第四透镜背向光阑；其中第三透镜的光焦度为负值，其余透镜的光焦度为正值，透镜选择了折射率较高且折射率不同的光学玻璃。上述技术的采用，较好地解决了随着激光打标工作面尺寸的增大，而引起的光学镜头聚焦性能变差的问题。提供了一种结构简单紧凑、聚焦性能接近衍射极限、光能利用率高的f－θ镜头，适用于大面积的激光打标和标刻机。

Description

大工作面激光打标镜头

                             技术领域

本实用新型涉及一种激光打标镜头，特别涉及一种由光学透镜构成的f-θ激光聚焦镜头。

                             背景技术

激光打标是激光加工领域的一项重要应用，与传统的打标方法相比，具有无污染、分辨率高、非接触、标记永久保持等优点，广泛用于制作激光防伪标记、刻字和表面装饰等。参见附图1，该图为常用的激光标刻机打标原理简图，激光器2发出的高能量激光束，依次经过两块转动方向互相垂直的X扫描振镜1和Y扫描振镜3反射后，入射到f-θ镜头4来实现线性扫描，此镜头再将激光束聚焦到待标刻工件表面5，激光能量在工件表面转换为热能，使表面材料融熔，甚至汽化。根据高斯光学，光线经反射镜反射和透镜折射后会聚于透镜的像面上，理想像高y＝f tanθ，即像高与θ角不成线性关系。而在扫描系统中，希望通过控制扫描角的转动速度来实现线性匀速扫描。用f-θ镜头作为激光打标机的激光聚焦系统可以达到这个要求，它用两个或多于两个的透镜组代替单个透镜，产生一定的桶形畸变，使激光束的实际像高比高斯光学预期的理想像高小，并与扫描角θ成线性关系，与旋转多面镜扫描方式相比，具有不存在非线性误差和塔形误差的优点。但是，由于激光标刻机打标工作面积的大小主要受f-θ聚焦镜头性能的限制，随着工作面积的增大，聚焦光斑尺寸会受到很大的影响。目前，激光打标机的工作面积一般不超过300×300mm²。由华中科技大学出版社出版，陈海清编著的《现代实用光学系统》第二章中，介绍了多种f-θ镜头的结构实例，但工作面积小。随着激光打标应用范围的进一步扩展，用户对大工作面激光打标的需要越来越迫切，因此，提供一种能实现大工作面激光打标的f-θ激光聚焦镜头显得十分必要。

                             发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种结构简单紧凑、聚焦性能接近衍射极限、光能利用率高的f-θ镜头，适用于大面积的激光打标和标刻机。

实现本实用新型目的的技术方案是：一种适用于大工作面激光打标的镜头，它是一种f-θ镜头，由四片透镜构成，光阑位于系统前方，靠近光阑的第一透镜、第二透镜和第三透镜弯向光阑，距光阑最远的第四透镜背向光阑；第三透镜的光焦度为负值，其余透镜的光焦度为正值，四片透镜的光焦度分配是：第一透镜为1.8～1.9×10^-3，第二透镜为4.0～4.5，第三透镜为-6.0～-5.5，第四透镜为2.0～2.5。所述的f-θ镜头工作面范围最大达到φ680mm。

所述的一种适用于大工作面的激光打标镜头，第一透镜、第二透镜采用折射率为1.5～1.6的玻璃材料；第三透镜、第四透镜采用折射率为1.7～1.8的玻璃材料。

本实用新型由于采用光阑位于系统前方，靠近光阑的三片透镜弯向光阑，距光阑最远的那片透镜背向光阑，有利于较正畸变；距光阑最远的那片透镜背向光阑，这种结构可以用来较正像散。采用光焦度符号相反的透镜，可保证对球差和场曲的校正，并且能在一定程度上减小其它像差。在系统焦距一定的情况下，采用折射率较高的光学玻璃，有利于校正球差和减少透镜数量，有利于减少光学表面的反射损耗，提高光能利用率；而采用折射率不同的玻璃材料，有利于校正场曲，实现平场。因此，较好地解决了随着工作面积的增大，而引起的激光打标镜头聚焦性能变差的问题。

                             附图说明

图1是常用激光标刻机打标原理简图。

图2是本实用新型实施例f-θ激光聚焦镜头结构简图。

图3是光线通过本实用新型实施例所述的光学系统的光线追迹点列图。

图4是本实用新型实施例的畸变曲线图。

图5是本实用新型实施例在激光束聚焦面上的相对辐照度分布曲线图。

图6是本实用新型实施例的能量集中度曲线图。

                           具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，实施例：

本实用新型实施例采用YAG激光器，工作波长为1.064μm，光学系统工作于近红外单波长，透镜材料采用无色光学玻璃，不需要校正色差；孔径光栏位于光学系统外部，即图1所示的X扫描振镜处，为引入畸变提供了可能性；系统的焦距等于630mm。

参见附图2，本实施例的f-θ镜头的组成结构为：沿着光线的入射方向，四片球面透镜依次是2为第一透镜、3为第二透镜、4为第三透镜、5为第四透镜，1为光阑，6为工作面。镜头的归一化尺寸和所用玻璃材料的折射率由表1给出。

表1

透镜	曲率半径	厚度	折射率
				1	-0.2655	2.675×10-2	1.52
-0.2729	0.0233
		2	-0.3384		2.701×10-2	1.52
-0.0918	0.0331
			3	-0.0918	1.399×10-2		1.76
-0.3660	0.0018
		4		3.0192	3.100×10-2	1.76
-0.3772

光阑到第一透镜之间的距离L1为30mm，从光学系统第四透镜的最后一面到工件表面6的距离(即后工作距离)为600mm。

上述实施例工件表面的可打标范围达到φ680mm，适用于大工作面的激光打标机。

参见附图3，它是光线通过本实用新型实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即激光束在工件表面的聚焦情况，图中各视场处的圆表示Airy斑。可见像面上所有视场的点列图基本落在Airy斑以内，表明此光学系统具有接近于衍射理论极限的聚焦特性。

根据激光标刻机的工作原理，像面辐照度、能量集中度分布以及畸变是衡量其光学系统质量的重要指标。为保证在大范围内的打标质量，要求激光束在工件表面的辐照度分布均匀、能量集中。参见附图4，它是本实用新型实施例在激光标刻机工作面上的相对辐照度分布曲线图，图中，横坐标表示打标范围，纵坐标表示工作面上的相对照度。由图4可见，整个像面的辐照度分布很均匀，均匀性达到90％左右，边缘略有下降，但仍满足使用要求。

参见附图5，它是本实用新型实施例的能量集中度曲线，可见77％的能量集中在半径为75μm的圆斑内，表明此聚焦镜头能打出大小为0.15mm的点。

本实用新型实施例的畸变曲线如附图6所示，图中，横坐标为相对于f-θ关系的畸变值(单位％)，纵坐标表示归一化视场，可见此打标镜头的相对畸变很小，小于0.5％。这样不仅使像高与视场角满足了f-θ线性关系，而且不会影响所标刻字体或图案的质量和美观。

激光打标因其独特的优点得到了广泛的应用。经过严格的像差校正，本实用新型所提供的以f-θ镜头作为激光打标机的光学聚焦镜头，是一个大视场小相对孔径光学系统。它仅由四片透镜组成，镜筒长度约100毫米，工作面积达到φ680mm，聚焦性能接近于衍射极限，具有结构简单紧凑、光能利用率高、标刻效率高、质量好等优点，为进一步扩展激光打标的应用范围提供了可能。

Claims (2)

1.一种大工作面激光打标镜头，它是一种f-θ镜头，由透镜组和光阑构成，其特征在于：所述透镜组由四片球面透镜组成，所述光阑位于系统前方，靠近光阑的第一透镜、第二透镜和第三透镜弯向光阑，距光阑最远的第四透镜背向光阑；其中第三透镜的光焦度为负值，其余透镜的光焦度为正值；四片透镜的光焦度分配分别是：第一透镜为1.8～1.9×10^-3，第二透镜为4.0～4.5，第三透镜为-6.0～-5.5，第四透镜为2.0～2.5。

2.根据权利要求1所述的大工作面激光打标镜头，其特征在于：所述的第一透镜、第二透镜采用折射率为1.5～1.6的玻璃材料；第三透镜、第四透镜采用折射率为1.7～1.8的玻璃材料。

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