激光应用大孔径的光学镜头制造技术

一种激光应用大孔径的光学镜头，包括透镜组和位于透镜组前方的光阑，该透镜组包括三个透镜，分别为第一、第二、第三、第四透镜，该四个透镜依次布局成“负－正－正－正”分离的光焦度系统，所述各透镜的光焦度与系统的光焦度比率符合以下要求：－１．０＜ｆ１／ｆｗ＜－０．６，２．９＜ｆ２／ｆｗ＜３．４，１．１＜ｆ３／ｆｗ＜１．４，２．１＜ｆ４／ｆｗ＜２．５，本镜头的主要优点在于：与一般的同焦距的激光应用ｆθ镜头相比，该镜头的相对孔径和通光直径都比普通的激光应用ｆθ镜头要大２－３倍，该镜头的通光直径最大可达到３０ｍｍ；而且可以保证系统的像散和场曲都得到很好的校正，在全视场上成像均匀，没有渐晕存在。

【技术实现步骤摘要】
激光应用大孔径的光学镜头
本专利技术涉及一种激光应用大孔径的F-theta光学镜头。
技术介绍
目前,激光焊接应用已深入到我们现代生活的各个方面。如电子 元件、五金制品、精密机械、汽车配件、工艺礼品等行业。在配有振 镜工作台的激光焊接机中更是离不开为了符合各种工艺要求的各种 应用光学系统。此种类型的激光焊接具有焊接速度快，焊点小，变形 小，焊缝平孳美观，可实现某些异种材料间的焊接等优点。theta)镜头是一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物 镜，从它要负担的参数来说，选用"三片"型的照相物镜，应该是较 为合适的。激光振镜打标机是因为有了"(F-theta)镜头才得以实 现。带有振镜工作台的激光焊接机就是因为有了/P镜头才得以实现 的。但现有/^镜头要可以接受直径是20-30mm左右的入射光斑，比 激光打标所用的W镜头入光直径大2-3倍；而且要求焊接光斑精细， 能量集中度高，这在光学设计中又增加了很大的难度。为了解决了这 一难题，我们把这种/0镜头设计成大孔径的镜头。目前我们研发出 的此种大孔径的光学镜头还是国内独创，国外此种镜头尽管有，但只是个别镜头，不成系列；而且体积大，价格也很昂贵。我们的同类镜头与其相比，体积小，使用起来灵活方便；成本低，使用国产环保材 料，完全是自己设计，研发，已成系列，有独立的知识产权，而且目 前已经批量生产。图1是一种典型的/9镜光学系统，光束顺次经两块绕x轴和y 轴转动的振镜l、 2,最后通过/0镜3聚焦在像面4上，由振镜扫描 形成图像。^镜头3是一种平像场的聚焦镜，在打标时，要求在成 像面上像高n与X振镜1和Y振镜2的扫描角度0成线性关系，艮P: 7 = /.^Sr)。其中，/为/9镜头3的焦距，^为振镜的扫描角度(单 位为弧度)。由高斯光学成像理论知，像高7与镜头焦距/和振镜转角^为下 列关系/7 = /.《^。它不满足7 = /"(&)关系式。因此，激光加工用 常规的镜头是不可行的，这是因为像高/7与振镜的转角^不是呈线性 关系变化，所刻出来的图形与实物不相似，反而是一个变形的图像。为了解决这个问题，要求在光学设计时的象差校正中，有意引入 畸变A;;，使得满足下式所示关系7 = ^7) = W。这个结论是非常重要的，虽然A/7是有意引入的，但决不意味着畸变就可以不考虑， 随意大小都可以，A;;应满足下式A;; = /.e = /(,g")上式表明畸变应为振镜转角的正切和弧度之差与镜头焦距/的 乘积时才能满足要求。能满足这个条件的才能称作/-^镜头。光学设计的另一个特点，就是要求所有在成像范围内的聚焦点， 应有相似的聚焦质量，且不允许有渐晕，以保证所有像点都相一致和清晰。由于^光学镜头，从它要负担的参数来说，选用"三片"型的 照相物镜，应该是较为合适的。 一种是采用典型的"C00K"三片照相 物镜一样，以"正一负一正"形式分配光焦度。从象差理论分析中说 明，"三片"型的擅长是容易校正光栏在镜头内对称结构的象差，而 现在的入瞳是在镜头之外，而且离镜头相当远，这对于用对称的结构 要校正不对称光束的象差是困难的。
技术实现思路
本专利技术所要解决技术问题在于提供一种相对孔径和通光直径都比普通的激光应用^镜头要大2-3倍，通光直径最大可达到30mm， 可以保证系统的像散和场曲都得到很好的校正，在全视场上成像均 匀，没有渐晕存在的激光应用大孔径的^光学镜头。本专利技术所采用的技术方案是提供一种激光应用大孔径的光学镜 头，包括透镜组和位于透镜组前方的光阑，该透镜组可通过最大直径 为30mm的入射光束，该透镜组包括四个透镜，分别为第一、第二、 第三、第四透镜，该四个透镜依次布局成"负一正一正一正"分离的 光焦度系统，其中其中第一透镜为双凹型负透镜；第二透镜为弯月型 正透镜，曲面向着光阑方向弯曲；第三透镜为平凸型正透镜；第四透 镜为弯月型正透镜，曲面背向光阑方向弯曲，所述各透镜的光焦度与 系统的光焦度比率符合以下要求-I. 0<fl/fw〈-0. 6， 2. 9〈f2/fw〈3. 4， 1. I〈f3/fw<1.4， 2. Kf4/fw<2. 5，其中fl为第一透镜的光焦度，f2 为第二透镜的光焦度，f3为第三透镜的光焦度，f4为第四透镜的光焦度，fw为整个系统的光焦度。其中，fl/fw=—0. 82， f2/fw二3. 0， f3/fw=1.23， f4/fw=2. 4。 其中，所述第一透镜与光阑的距离为20 — 60mm。 本专利技术所达到的技术效果是本专利技术光学镜头采用四个透镜布局 成"负一正一正一正"分离的光焦度系统，使得通过该镜头的最大光 束直径可达到30mm，而且在全视场上成像均匀，没有渐晕存在。附图说明图1是一种典型的激光应用^镜头光学系统。 图2是本专利技术镜头的光学系统结构示意图。 图3为本专利技术镜头较佳实施例中的光线追迹图。 图4为本专利技术镜头较佳实施例中的像散、场曲及畸变图。 图5为本专利技术镜头较佳实施例中的视场分别为0、 0. 3、 0. 5、 0. 7 以及0. 85各视场上的光程差图。图6为本专利技术镜头较佳实施例中的光学传递函数MTF图。具体实施方式下面参照附图结合实施例对本专利技术作进一步的描述。 本专利技术一种激光应用大孔径^光学镜头，该镜头的主要优点在 于与一般的同焦距的激光应用^镜头相比，该镜头的相对孔径和 通光直径都比普通的激光应用^镜头要大2-3倍，通光直径最大可 达到30mm，可以保证系统的像散和场曲都得到很好的校正，在全视 场上成像均匀，没有渐晕存在的激光应用大孔径的^光学镜头，这就给设计增加了很大的难度。本专利技术就是要解决这一难题。为了解决以上的问题我们想到采用"负一正一正"的光焦度分 布型式，但是，由于该镜头要求孔径比较大，光焦度负担又比较重， 所以我们把其中的一个正光焦度分解到由两个透镜来负担，这样我们 镜头的结构就是"负一正一正一正"的结构。这种结构它的畸变很容 易达到^镜要求，是一种"无变形"的焊接，其余的象差也比用对 称结构分布光焦度的W镜好一些,而且结构更加紧凑。如图2所示，本专利技术激光应用大孔径^光学镜头采用四片式 "负_正一正一正"的光焦度分布进行设计，包括透镜组和光阑(振镜)1、 2， S卩X轴振镜1和Y轴振镜2，所述光阑(振镜)1、 2位于透镜组的前方，透镜组包括四个透镜，分别为第一、第二、第三、第四透镜L1、 L2、 L3、 L4，共有四个透镜L1、 L2、 L3、 L3构成，其 中第一透镜Ll的光焦度fl为负，第二、第三、第四透镜L2、 L3、 L4的光焦度f2、 f3、 f4均为正，其中各透镜的光焦度与系统的光焦 度fw比率按以下要求-1. 0<f l/fw〈-0. 62. 9<f2/fw〈3. 41. I<f3/fw〈l. 42. Kf4/fw〈2. 5其中，通过该镜头的入射光束直径为30mm; fw为整个透镜系统 的光焦度，fl、 f2、 f3、 f4分别为四个透镜的光焦度，2"为视场 角，D/fw为数值孔径。透镜Ll距Y振镜2距离d0为20-60mm，透镜Ll为双凹型负透镜；透镜L2为弯月型正透镜，曲面向着Y轴振镜2 (即光阑)方向 弯曲；透镜L3为平凸型正透镜；透镜L4为弯月型正透镜，曲面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光应用大孔径的光学镜头，包括透镜组和位于透镜组前方的光阑，其特征在于：该透镜组可通过最大直径为３０ｍｍ的入射光束，该透镜组包括四个透镜，分别为第一、第二、第三、第四透镜，该四个透镜依次布局成“负－正－正－正”分离的光焦度系统，其中，第一透镜为双凹型负透镜；第二透镜为弯月型正透镜，曲面向着光阑方向弯曲；第三透镜为平凸型正透镜；第四透镜为弯月型正透镜，曲面背向光阑方向弯曲，所述各透镜的光焦度与系统的光焦度比率符合以下要求：　－１．０＜ｆ１／ｆｗ＜－０．６，　２．９＜ｆ２ ／ｆｗ＜３．４，　１．１＜ｆ３／ｆｗ＜１．４，　２．１＜ｆ４／ｆｗ＜２．５，　其中，ｆ１为第一透镜的光焦度，ｆ２为第二透镜的光焦度，ｆ３为第三透镜的光焦度，ｆ４为第四透镜的光焦度，ｆｗ为整个系统的光焦度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高云峰，周朝明，李家英，李红梅，孙博，张维臣，
申请(专利权)人：深圳市大族激光科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]