CN2893727Y - 激光内雕镜头 - Google Patents

Abstract

一种激光内雕镜头，入射光束孔径为20mm，光学系统的焦距为80mm，孔径角NA＝0.25，视场角为2ω＝45°，采用反远距光学系统结构，其中第一枚镜片为凹透镜，该凹透镜采用倒弯月型，后三枚为凸透镜，该凸透镜面型主要考虑轴外视场的光路走向。该激光内雕镜头解决了光学系统中大孔径、大视场，短焦距、大振镜距之间的矛盾，设计出的镜头经在玻璃中实际雕刻效果显示，该激光内雕镜头所打出的质点达到内雕效果的要求，从侧面所观察到的熔痕与从正面观察到的熔痕大小基本一致。并且在此激光内雕镜头的聚焦点尺寸更小，激光能量更集中，更容易在玻璃里面刻出质点，从而可以提高雕刻速度。

Description

激光内雕镜头

所属技术领域

本实用新型是涉及一种F-θ光学镜头。

背景技术

如图1所示，F-θ光学镜头是经严格的光学设计，使像高y与扫描角θ满足关系式y＝f*θ的镜头。其主要特点是：a)像面为一平面，且在整个像面上像质要求一致，像差小；2)对一定入射光束的偏转速度对应着一定的的扫描速度，可实现等角速度的入射光的线性扫描。

F-θ光学镜头主要应用于激光扫描系统中，如激光雕刻机、激光打印机、激光印刷机、激光图形发生器及其他激光扫描设备中。目前市场上用于激光加工的F-θ光学镜头的最大光束入射直径为12cm，焦距大于100cm，其景深较长，可达2-3mm。

激光内雕机是一定大小的激光光束通过聚焦镜头后，在水晶或玻璃等透明材质内部聚焦，有焦点上形成高密度激光从而使透明材质在焦点处熔化而产生质点。一般F-θ光学镜头由于其景深长，能量集中度不够，在水晶内部无法产生质点，或激光在玻璃内部产生线状熔痕，从正面看为一小质点，但从侧面看则是一条细线状熔痕。提高激光在焦点处的能量集中度，才易于在各种透明材质中形成质点，并且只有在景深尽量短，使其从侧面所观察到的熔痕与从正面观察到的熔痕大小一致时，才能保证内雕时体现的是真正的三维雕刻。

因此，该光学系统要求：

1.大孔径、短焦距以减小焦深与提高光能；

2.大视场以提高工作范围；

3.为了满足大孔径的要求，需要增加入射光束直径，这样，就要同时增大镜头与振镜之间、以及振镜与振镜之间的距离，造成光学孔径与镜头之间的距离增大；

4.光能损失要控制在一定的范围内，限制了系统的复杂程度；

5.出射光要与成像面垂直，以保证在不同深度的水晶中雕刻时形成成像面相互平行，要求系统为远心光学系统；

6.同时，由于用振镜扫描形成入射视场，所以该光学系统为非对称的光学系统。

在以上这些条件下，要达到好的成像质量具有很大的技术困难。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种提高雕刻速度快，并且雕刻质量好的激光内雕镜头。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：该激光内雕镜头，入射光束孔径为20mm，光学系统的焦距为80mm，孔径角NA＝0.25，视场角为2ω＝45°，

各镜片的参数范围如下：

激光内雕镜头参数表(单位：mm)
									曲率半径R	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8
36±2	162±8	0	90±4	660±15	110±5	345±20	330±15
								距离d		d1	d2	d3	d4	d5	d6	d7	l
7±1.0	12±1.0	15±2.0	1±0.5	12±1.0	1±0.5	10±2.0	120±20
									折射率nd	1.5±0.1	1	1.72±0.1	1	1.72±0.1	1	1.72±0.1	1
色散系数Vd	80±4	0	28±5	0	28±5	0	28±5	0

其中，上表中的凹透镜：曲率半径R为R1＝36±2mm，R2＝162±8mm，凹透镜中心之间的距离为d1＝7±1.0mm，折射率nd1＝1.5±0.1mm，折射率nd2＝1mm，色散系数Vd1＝80±4mm，Vd2＝0mm；

第一个凸透镜：曲率半径R为R3＝0mm，R4＝90±4mm，凸透镜中心之间的距离d3＝15±2.0mm，折射率nd3＝1.72±0.1mm，折射率nd4＝1mm，色散系数Vd3＝28±5mm，色散系数Vd4＝0mm；

第二个凸透镜：曲率半径R为R5＝660±15mm，R6＝110±5mm，凸透镜中心之间的距离d5＝12±1.0mm，折射率nd5＝1.72±0.1mm，折射率nd6＝1mm，色散系数Vd5＝28±5mm，色散系数Vd6＝0mm；

第三个凸透镜：曲率半径R为R7＝345±20mm，R8＝330±15mm，凸透镜中心之间的距离d7＝10±2.0mm，折射率nd7＝1.72±0.1mm，折射率nd8＝1mm，色散系数Vd7＝28±5mm，色散系数Vd8＝0mm；

其中，凹透镜与第一个凸透镜之间的距离d2＝12±1.0mm，第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离d4＝1±0.5mm，第二凸透镜与第三凸透镜之间的距离d6＝1±0.5mm，第三凸透镜与成像面之间的距离l＝120±20mm。

采用反远距光学系统结构，其中第一枚镜片为凹透镜，该凹透镜采用倒弯月型，后三枚为凸透镜，该凸透镜面型主要考虑轴外视场的光路走向。

本实用新型所具有的优点是：

1.由于增大了孔径角，使得镜成像时景深很小，约为0.1mm左右；

2.大孔径NA＝0.25使得光能量得到提高，在各种透明材质中焦点处都能产生很好的质点；

3.由于非对称光学系统无法消除彗差，在本光学系统的设计中，有效地分配了在有彗差的情况下，结合考虑光能量在焦点处的分布情况，使得在大视场时仍能达到较好的能量集中的焦点，从而在大视场时也能在水晶中形成较好的质点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为F-θ光学镜头的原理示意图。

图2为本实用新型激光内雕镜头的原理示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型激光内雕镜头采用大的入射光束孔径并减速小光学系统的焦距以增大成像孔径角来解决此问题。即入射光束孔径为20mm，光学系统的焦距为80mm，孔径角NA＝0.25，视场角为2ω＝45°。

为解决大视场大孔径的矛盾，本镜头采用反远距光学系统结构，其中第一枚镜片为凹透镜，由于入瞳在镜头之前，该透镜采用倒弯月型；为了负担负透镜所产生的负光焦度，以及光学系统孔径较大的问题，后三枚为凸透镜，其面型主要考虑轴外视场的光路走向。

各镜片的参数范围如下：

激光内雕镜头参数表(单位：mm)
									曲率半径R	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8
36±2	162±8	0	90±4	660±15	110±5	345±20	330±15
								距离d		d1	d2	d3	d4	d5	d6	d7	l
7±1.0	12±1.0	15±2.0	1±0.5	12±1.0	1±0.5	10±2.0	120±20
									折射率nd	1.5±0.1	1	1.72±0.1	1	1.72±0.1	1	1.72±0.1	1
色散系数Vd	80±4	0	28±5	0	28±5	0	28±5	0

上述表格中各参数的含义如下所示：

凹透镜：曲率半径R为R1＝36±2mm，R2＝162±8mm，凹透镜中心之间的距离为d1＝7±1.0mm，折射率nd1＝1.5±0.1mm，折射率nd2＝1mm，色散系数Vd1＝80±4mm，Vd2＝0mm；

第一个凸透镜：曲率半径R为R3＝0mm，R4＝90±4mm，凸透镜中心之间的距离d3＝15±2.0mm，折射率nd3＝1.72±0.1mm，折射率nd4＝1mm，色散系数Vd3＝28±5mm，色散系数Vd4＝0mm；

第二个凸透镜：曲率半径R为R5＝660±15mm，R6＝110±5mm，凸透镜中心之间的距离d5＝12±1.0mm，折射率nd5＝1.72±0.1mm，折射率nd6＝1mm，色散系数Vd5＝28±5mm，色散系数Vd6＝0mm；

第三个凸透镜：曲率半径R为R7＝345±20mm，R8＝330±15mm，凸透镜中心之间的距离d7＝10±2.0mm，折射率nd7＝1.72±0.1mm，折射率nd8＝1mm，色散系数Vd7＝28±5mm，色散系数Vd8＝0mm；

其中，凹透镜与第一个凸透镜之间的距离d2＝12±1.0mm，第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离d4＝1±0.5mm，第二凸透镜与第三凸透镜之间的距离d6＝1±0.5mm，第三凸透镜与成像面之间的距离l＝120±20mm。

本实用新型激光内雕镜头所具有的有益效果是：

1.由于增大了孔径角，使得成像时景深很小，约为0.1mm左右；

2.大孔径NA＝0.25使得光能量非常集中，在透明材质中形成的质点为0.05～0.08mm，在焦点处能很好的熔点；

3.由于非对称光学系统无法消除彗差，在本光学系统的设计中，有效地分配了在有彗差的情况下，结合考虑光能量在焦点处的分布情况，使得在大视场时仍能达到较好的能量集中的焦点，从而在大视场时也能在水晶中形成较好的焦点。

综上所述，本实用新型激光内雕镜头解决了光学系统中大孔径、大视场，短焦距、大振镜距之间的矛盾，设计出的镜头经在玻璃中实际雕刻效果显示，该激光内雕镜头所打出的质点达到内雕效果的要求，从侧面所观察到的熔痕与从正面观察到的熔痕大小基本一致。并且在此激光内雕镜头的聚焦点尺寸更小，激光能量更集中，更容易在玻璃里面刻出质点，从而可以提高雕刻速度。试验表明，该激光内雕镜头完全满足了激光内雕机的使用要求。

Claims (1)

1.一种激光内雕镜头，其特征在于：入射光束孔径为20mm，光学系统的焦距为80mm，孔径角NA＝0.25，视场角为2ω＝45°，系统按照凹透镜，第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜依次排列，其中，所述凹透镜采用倒弯月型，所述各透镜的镜片参数和距离依次如下：

凹透镜：曲率半径R为R1＝36±2mm，R2＝162±8mm，凹透镜中心之间的距离为d1＝7±1.0mm，折射率nd1＝1.5±0.1mm，折射率nd2＝1mm，色散系数Vd1＝80±4mm，Vd2＝0mm；

第一个凸透镜：曲率半径R为R3＝0mm，R4＝90±4mm，凸透镜中心之间的距离d3＝15±2.0mm，折射率nd3＝1.72±0.1mm，  折射率nd4＝1mm，色散系数Vd3＝28±5mm，色散系数Vd4＝0mm；

第二个凸透镜：曲率半径R为R5＝660±15mm，R6＝110±5mm，凸透镜中心之间的距离d5＝12±1.0mm，折射率nd5＝1.72±0.1mm，  折射率nd6＝1mm，色散系数Vd5＝28±5mm，色散系数Vd6＝0mm；

第三个凸透镜：曲率半径R为R7＝345±20mm，R8＝330±15mm，凸透镜中心之间的距离d7＝10±2.0mm，折射率nd7＝1.72±0.1mm，折射率nd8＝1mm，色散系数Vd7＝28±5mm，色散系数Vd8＝0mm；

其中，凹透镜与第一个凸透镜之间的距离d2＝12±1.0mm，第一凸透镜与第二凸透镜之间的距离d4＝1±0.5mm，第二凸透镜与第三凸透镜之间的距离d6＝1±0.5mm，第三凸透镜与成像面之间的距离l＝120±20mm。

Images