WO2016029414A1

WO2016029414A1 - 光学镜头

Info

Publication number: WO2016029414A1
Application number: PCT/CN2014/085465
Authority: WO
Inventors: 李家英; 周朝明; 孙博; 陈玉庆; 高云峰
Original assignee: 深圳市大族激光科技股份有限公司
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Also published as: JP2017518536A; JP6333417B2; DE112014006667B4; US20170205608A1; CN106461917A; DE112014006667T5; CN106461917B; US10197777B2

Abstract

一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜（L1）、第二透镜（L2）、第三透镜（L3）、第四透镜（L4）和第五透镜（L5），第一透镜（L1）和第五透镜（L5）均为弯月型负透镜，第二透镜（L2）和第三透镜（L3）均为弯月型正透镜，第四透镜（L4）为双凸型透镜。上述光学镜头应用至激光加工设备的光学系统中，当采用的加工波长与监控波长不同时，可消除在监控系统中的成像色差，特别是对于采用远红外区的波长作为激光加工的波长，而采用红光波长作为监控波长时，在监控系统中具有更好的成像效果，可保证激光加工质量。

Description

光学镜头

【技术领域】

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种应用于激光加工的光学镜头。

【背景技术】

随着激光加工领域技术的日益发展，无论是激光打标还是激光切割等，都希望在激光加工过程实行全程监控，以保证加工质量。目前常用的监控方法是采用CCD监控系统全程监控加工过程，相较于传统的加工系统仅在加工之初以目视对焦即行加工，该CCD监控系统能监控加工的全过程。通过全程监控，在遇有质量问题时即可立刻进行调整，以保证加工质量。

由于目前CCD监控系统对于远红外区的波长“视”觉较差，灵敏度较高的波段多在红光区域，一般采用红光进行监控。而当系统采用远红外区的波长激光进行加工时，就会导致CCD监控系统中的成像存在色差，不能如实地反映加工实况。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种光学镜头，其可适用于远红外区的工作波长，同时对于采用红光区域的监控波长时，可消除在监控系统中的成像色差。

一种光学镜头，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜和第五透镜均为弯月型负透镜，第二透镜和第三透镜均为弯月型正透镜，第四透镜为双凸型透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面、第四透镜包括第七曲面和第八曲面、第五透镜包括第九曲面和第十曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第八曲面和第九曲面均向入射光线的传输方向凸出，第七曲面迎着入射光线的传输方向凸出。

在其中一个实施例中，所述第一曲面的曲率半径为-56mm±5%，所述第二曲面的曲率半径为-300mm±5%，所述第一透镜的中心厚度为6mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第三曲面的曲率半径为-110mm±5%，所述第四曲面的曲率半径为-80mm±5%，所述第二透镜的中心厚度为12mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第五曲面的曲率半径为-4000mm±5%，所述第六曲面的曲率半径为-90mm±5%，所述第三透镜的中心厚度为22mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第七曲面的曲率半径为300mm±5%，所述第八曲面的曲率半径为-200mm±5%，所述第四透镜的中心厚度为22mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第九曲面的曲率半径为-150mm±5%，所述第十曲面的曲率半径为∞，所述第五透镜的中心厚度为4mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的第二曲面与第二透镜的第三曲面在光轴上的间距为4mm±5%，所述第二透镜的第四曲面与第三透镜的第五曲面在光轴上的间距为0.5mm±5%，所述第三透镜的第六曲面与第四透镜的第七曲面在光轴上的间距为0.5mm±5%，所述第四透镜的第八曲面与第五透镜的第九曲面在光轴上的间距为10mm±5%。

在其中一个实施例中，该光学镜头还包括第六透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜沿入射光线的传输方向依次共光轴排列，所述第六透镜为平面透镜。

在其中一个实施例中，所述第六透镜的中心厚度为4mm±5%。

在其中一个实施例中，所述第六透镜包括作为光入射面的第十一曲面和作为光出射面的第十二曲面，所述第五透镜的第十曲面与第六透镜的第十一曲面在光轴上的间距为2mm±5%。

上述光学镜头应用至激光加工设备的光学系统中，对于采用远红外区的波长作为激光加工的波长，而采用红光波长作为监控波长时，在监控系统中具有更好的成像效果，可保证激光加工质量。

【附图说明】

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1是本发明一实施例的光学镜头的结构示意图。

图2是图1所示实施例的光学镜头的细光束像差图。

图3是图1所示实施例的光学镜头的弥散斑图。

图4是图1所示实施例的光学镜头的调制传递函数M.T.F图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

需要说明的是，本说明书中光的传播方向是从附图的左边向右边传播。透镜的曲率半径的正负以其曲面与主光轴的交点以及该曲面的球心之间的相对位置关系为准，曲面的球心在该交点以左，则曲率半径为负；反之，曲面的球心在该交点以右，则曲率半径为正。另外，位于光学镜头左边的为物方，位于光学镜头右边的为像方。正透镜是指透镜的中心厚度大于边缘厚度的透镜，负透镜是指透镜的中心厚度小于边缘厚度的透镜。

图1为本发明一实施例提供的光学镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。该光学镜头包括沿入射光线的传输方向依次共轴排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4及第五镜头L5。

其中，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，第五镜头L5包括第九曲面S9和第十曲面S10。每个透镜的两个曲面分别作为光入射面和光出射面，第一曲面S1至第十曲面S10沿入射光线传输的方向依次排布。

第一透镜L1为弯月型负透镜。第一透镜L1的第一曲面S1向像方凸出，曲率半径为-56mm。第二曲面S2向像方凸出，曲率半径为-300mm。第一透镜L1的中心厚度d1（即第一透镜L1在光轴上的厚度）为6mm。上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第一透镜L1的材料为Nd1.76：Vd27(折射率：色散系数)。

第二透镜L2为弯月型正透镜。第二透镜L2的第三曲面S3向像方凸出，曲率半径为-110mm。第四曲面S4向像方凸出，曲率半径为-80mm。第二透镜L2的中心厚度d3为12mm。第二透镜L2的上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第二透镜L2的材料为Nd1.69：Vd56。

第三透镜L3为弯月型正透镜。第三透镜L3的第五曲面S5向像方凸出，曲率半径为-400mm，第六曲面S6向像方凸出，曲率半径为-90mm。第三透镜L3的中心厚度d5为22mm。第三透镜L3的上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第三透镜L3的材料为Nd1.69：Vd56。

第四透镜L4为双凸型透镜。第四透镜L4的第七曲面S7向物方凸出，曲率半径为300mm。第八曲面S8向像方凸出，曲率半径为-200mm。第四透镜L4的中心厚度d7为22mm。第四透镜L4的上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第四透镜L4的材料为Nd1.69：Vd56。

第五透镜L5为弯月型负透镜。第五透镜L5的第九曲面S9向像方凸出，曲率半径为-150mm。第十曲面S10为平面，曲率半径为无穷大（∞）。第五透镜L5的中心厚度d9为4mm。第五透镜L5的上述各参数均为期望值，可以理解允许存在一定公差，上述各参数的公差范围为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第五透镜L5的材料为Nd1.6：Vd36。

另外，发明人对各相邻透镜之间的距离进行了如下设计。具体地，第一透镜L1的出射面（第二曲面S2）与第二透镜L2的入射面（第三曲面S3）在光轴上的间距d2的期望值为4mm，公差为5%，即允许该间距d2在期望值±5%的范围内变化。

第二透镜L2的出射面（第四曲面S4）与第三透镜L3的入射面（第五曲面S5）在光轴上的间距d4的期望值为0.5mm，公差为5%，即允许该间距d4在期望值±5%的范围内变化。

第三透镜L3的出射面（第六曲面S6）与第四透镜L4的入射面（第七曲面S7）在光轴上的间距d6为0.5mm，公差为5%，即允许该间距d6在期望值±5%的范围内变化。

第四透镜L4的出射面（第八曲面S8）与第五透镜L5的入射面（第九曲面S9）在光轴上的间距d8为10mm，公差为5%，即允许该间距d8在期望值±5%的范围内变化。

在一实施例中，该光学透镜还包括第六透镜L6，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及第六透镜L6沿入射光线的传输方向依次共光轴排列。

第六透镜L6包括作为光入射面的第十一曲面S11和作为光出射面的第十二曲面S12。第六透镜L6作为一保护器件，为平面透镜，因此第十一曲面S11和第十二曲面S12的曲率半径均是无穷大。第六透镜L6的中心厚度d11为4mm。另外，第五透镜L5的出射面（第十曲面S10）与第六透镜L6的入射面（第十一曲面S11）在光轴上的间距d10为2mm。同样的，上述各参数均为期望值，允许存在一定公差，上述各参数的公差范围同样为5%，即允许各参数在期望值±5%的范围内变化。在一实施例中，第六透镜L6的材料为Nd1.5：Vd64。

通过以下简列方式对上述实施例的方案进行更清晰的说明：

第一透镜L1

第一曲面S1曲率半径：-56mm

第二曲面S2曲率半径：-300mm

中心厚度：6mm

材料：1.76/27

第二透镜L2

第三曲面S3曲率半径：-110mm

第四曲面S4曲率半径：-80mm

中心厚度：12mm

材料：1.69/56

与第一透镜L1曲面间隔：4mm

第三透镜L3

第五曲面S5曲率半径：-400mm

第六曲面S6曲率半径：-90mm

中心厚度：22mm

材料：1.69/56

与第二透镜L2曲面间隔：0.5mm

第四透镜L4

第七曲面S7曲率半径：300mm

第八曲面S8曲率半径：-200mm

中心厚度：22mm

材料：1.69/56

与第三透镜L3曲面间隔：0.5mm

第五透镜L5

第九曲面S9曲率半径：-150mm

第十曲面S10曲率半径：∞

中心厚度：4mm

材料：1.6/36

与第四透镜L4曲面间隔：10mm

第六透镜L6

第十一曲面S11曲率半径：∞

第十二曲面S12曲率半径：∞

中心厚度：4mm

材料：1.5/64

与第五透镜L5曲面间隔：2mm

配备上述光学镜头的光学系统可以采用波长范围1064～630nm的红光或红外光作为光源进行激光加工，且配备了采用红光作为监控光源的CCD监控系统的激光加工设备由于具备该光学镜头，可使CCD成像避免色差，具有较佳的成像效果，从而更好地起到实时监控加工过程的作用。

下面，选用λ＝1064nm的远红外激光和λ＝632nm的可见照明光，并结合图2-图4对具有该光学镜头的激光加工设备的光学效果进行阐述。

该光学镜头的具体参数如下：f=210mm；Φ=30mm；打标范围：A=130*130mm²，其中f为该光学镜头的焦距，Φ为入瞳直径。

如图2所示，是该光学镜头的细光束像差。由图2可看出，轴向色差约为ΔCI=0.15-0.2，放大倍率色差ΔCII≈0，已达到理想程度。

如图3所示，是该镜头的几何像差图，其全部视场的几何弥散圆都在0.01mm左右，也达到了理想程度。

如图4所示，是该镜头的传递函数M.T.F图，当分辨率达到20线对时，M.T.F还有0.6，已完全能满足激光加工的要求。

采用上述实施例中的光学镜头，可使工作波段如λ=1064nm与CCD可见波段λ=632nm同在一个象面上，这样在整个激光加工过程中，就能如实地反映在CCD的耙面上，从而可监控整个打标的过程，以确保整个打标过程准确无误。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

一种光学镜头，其特征在于，包括沿入射光线的传输方向依次共光轴排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜和第五透镜均为弯月型负透镜，第二透镜和第三透镜均为弯月型正透镜，第四透镜为双凸型透镜；所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面、第二透镜包括第三曲面和第四曲面、第三透镜包括第五曲面和第六曲面、第四透镜包括第七曲面和第八曲面、第五透镜包括第九曲面和第十曲面，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一至第十曲面沿入射光线的传输方向依次排布；第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面、第六曲面、第八曲面和第九曲面均向入射光线的传输方向凸出，第七曲面迎着入射光线的传输方向凸出。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一曲面的曲率半径为-56mm±5%，所述第二曲面的曲率半径为-300mm±5%，所述第一透镜的中心厚度为6mm±5%。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第三曲面的曲率半径为-110mm±5%，所述第四曲面的曲率半径为-80mm±5%，所述第二透镜的中心厚度为12mm±5%。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第五曲面的曲率半径为-4000mm±5%，所述第六曲面的曲率半径为-90mm±5%，所述第三透镜的中心厚度为22mm±5%。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第七曲面的曲率半径为300mm±5%，所述第八曲面的曲率半径为-200mm±5%，所述第四透镜的中心厚度为22mm±5%。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第九曲面的曲率半径为-150mm±5%，所述第十曲面的曲率半径为∞，所述第五透镜的中心厚度为4mm±5%。
根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的第二曲面与第二透镜的第三曲面在光轴上的间距为4mm±5%，所述第二透镜的第四曲面与第三透镜的第五曲面在光轴上的间距为0.5mm±5%，所述第三透镜的第六曲面与第四透镜的第七曲面在光轴上的间距为0.5mm±5%，所述第四透镜的第八曲面与第五透镜的第九曲面在光轴上的间距为10mm±5%。
根据权利要求1-7项中任意一项所述的光学镜头，其特征在于，还包括第六透镜，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜及第六透镜沿入射光线的传输方向依次共光轴排列，所述第六透镜为平面透镜。
根据权利要求8所述的光学镜头，其特征在于，所述第六透镜的中心厚度为4mm±5%。
根据权利要求8所述的光学镜头，其特征在于，所述第六透镜包括作为光入射面的第十一曲面和作为光出射面的第十二曲面，所述第五透镜的第十曲面与第六透镜的第十一曲面在光轴上的间距为2mm±5%。