CN104570285A - 一种F-theta光学镜头及激光加工*** - Google Patents

Abstract

本发明适用于光学领域，提供了一种F-theta光学镜头，以及一种激光加工***，所述的光学镜头包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为凹凸型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为弯月型正透镜。通过对光学结构的设计，在对加工激光相差矫正的同时对照明光进行了相差矫正，消除了绝大部分成像像差，照明光配合不同焦距的工业镜头可在加工范围内进行视觉影像定位测量以及监控，所述的F-theta光学镜头整体结构十分紧凑，加工聚焦光斑小、能量集中。

Description

一种F-theta光学镜头及激光加工***

技术领域

本发明属于光学设计领域，尤其涉及一种F-theta光学镜头及激光加工***。

背景技术

激光加工技术已广泛应用于各种精加工领域，而带机器视觉的激光加工也成为行业发展的趋势，在机器视觉加工需要用到F-theta光学镜头，其是一种大视场、中小孔径、中长焦距的照相物镜，传统的F-theta光学镜头一般只针对激光波长进行相差的矫正，在CCD视觉拍照时，照明光(或可见光)经过该光学镜头后会产生较大的像差，特别是色差及场曲，这使得该镜头无法直接配合CCD等成像装置进行视觉定位及量测，尤其不适合用在激光加工和视觉成像同光路的***中，进而严重限制了带机器视觉的激光加工***的应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种F-theta光学镜头，以解决现有光学镜头无法在对加工激光相差矫正的同时对照明光进行相差矫正的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种F-theta光学镜头，包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为凹凸型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为弯月型正透镜；

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，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一曲面至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；所述第一曲面至第六曲面的中间部分均向光线传输方向凸出；

所述第一曲面至第十四曲面的曲率半径依次为-44.592，-194.09，-146.9，-61.76，-4000，-131.49；各所述曲率半径的公差范围均为±5％。

进一步地，所述第一透镜的中心厚度为3.93mm；所述第二透镜的中心厚度为14.7mm；所述第三透镜的中心厚度为14.55mm；各所述中心厚度的公差范围均为±5％。

进一步地，所述第一透镜的折射率与阿贝数之比为1.78/25.7；所述第二透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；所述第三透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；各所述折射率与阿贝数之比的公差范围均为5％。

进一步地，所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为1.59mm；所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为0.2mm；各所述间距的公差范围均为±5％。

进一步地，还包括位于所述第三透镜的出光侧的第四透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面和第八曲面的曲率半径均为∞。

进一步地，所述第四透镜的折射率与阿贝数之比为1.52/64.2，所述折射率与阿贝数之比的公差范围为5％。

进一步地，所述第四透镜的中心厚底为4mm，所述中心厚度的公差范围为±5％。

进一步地，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的间距为2mm，所述间距的公差范围为±5％。

本发明实施例还提供一种激光加工***，包括激光器和使用激光进行加工的光学镜头，所述光学镜头采用上述实施例中任意一项所述的F-theta光学镜头。

进一步地，还包括进行视觉定位装置，所述视觉定位装置的影像定位波长为630nm，所述激光加工波长为1064nm。

本发明提供了用一种F-theta光学镜头和激光加工***，通过对光学结构的设计，在对加工激光相差矫正的同时对照明光进行了相差矫正，消除了绝大部分成像像差，照明光配合不同焦距的工业镜头可在加工范围内进行视觉影像定位测量以及监控。本发明的F-theta光学镜头整体结构十分紧凑，加工聚焦光斑小、能量集中、指示光与激光完全重合并且可以配合其他工业镜头进行同轴视觉定位、测量及监视。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光弥散图；

图3是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光场曲和畸变图；

图4是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的光学传递函数曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供一种F-theta光学镜头，包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3；所述第一透镜L1为凹凸型负透镜，所述第二透镜L2为弯月型正透镜，所述第三透镜L3为弯月型正透镜；所述第一透镜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，所述第一曲面至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，如第一曲面S1为光入射面、第二曲面S2为光出射面；所述第一曲面至第六曲面的中间部分均向光线传输方向凸出。

本实施例对各透镜表面的曲率半径及透镜的中心厚度等参数进行了优化设计。具体的，所述第一透镜L1的第一曲面S1的曲率半径R1为-44.592mm，第二曲面S2的曲率半径R2为-194.09mm，其中，负号表示曲面的球心位于曲面的物方空间，正号(本实施例中不带有负号标记的即为正)表示曲面的球心位于曲面的像方空间，以下同理。另外，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3.93mm，第一透镜L1的折射率Nd1与阿贝数Vd1之比为1.78/25.7。上述各参数并非唯一选择，均存在±5％的公差范围，即允许各参数在±5％范围内变化。

所述第二透镜L2的第三曲面S3的曲率半径R3为-146.9mm，第四曲面S4的曲率半径R4为-61.76mm，第二透镜L2的中心厚度d3为14.7mm，第二透镜L2的折射率Nd2与阿贝数Vd2之比为1.90/31.3，第二透镜L2的各参数的公差范围仍为±5％。

所述第三透镜L3的第五曲面S5的曲率半径R5为-4000mm，第六曲面S6的曲率半径R6为-131.49mm，第三透镜L3的中心厚度d5为14.55mm，第三透镜L3的折射率Nd3与阿贝数Vd3之比为1.90/31.3，第三透镜L3的各参数的公差范围仍为±5％。

并且，本发明实施例对第一透镜L1和第二透镜L2之间的距离，以及第二透镜L2与第三透镜L3之间的距离进行了限定，具体的，上述第一透镜L1的第二曲面S2(光出射面)与第二透镜L2的第三曲面S3(光入射面)在光轴上的间距d2为1.59mm，公差范围为±5％，第二透镜L2的第四曲面S4(光出射面)与第三透镜L3的第五曲面S5(光入射面)在光轴上的间距d4为0.2mm，公差范围为±5％。

在其他实施例中，所述F-theta光学镜头还包括位于所述第三透镜L3的出光侧的第四透镜L4，所述第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，所述第七曲面S7和第八曲面S8的曲率半径R7、R8均为∞。

所述第四透镜L4的折射率Nd4与阿贝数Vd4之比为1.52/64.2，所述折射率Nd4与阿贝数Vd4之比的公差范围为±5％。

所述第四透镜L4的中心厚度d7为4mm，所述中心厚度的公差范围为±5％。

所述第三透镜L3与所述第四透镜L4在光轴上的间距d6为2mm，所述间距d6的公差范围为±5％。

以下通过表1对上述方案进行更加清晰的说明：

表1 F-theta光学镜头结构参数

采用上述的光学设计后，所示F-theta光学镜头可进行较好的像差校正，除了正常焊接功能以外，较好的校正了630nm波段的各种像差，同时可配合不同CCTV镜头或者其他工业镜头对焊接进行影像定位等视觉处理。其中焊接激光主波长为1064nm，影像定位主波长为630nm。

图2为本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光弥散图，激光弥散斑的形状及尺寸反映了该镜头对应于激光的像差，从图上看其最大RMSRADIUS(均方根)弥散斑半径为26.843um，表明用该F-theta光学镜头进行激光加工时，其能量集中程度较好，可满足现有的焊接或其他加工要求。

图3是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的激光场曲和畸变图，激光加工时配合扫描振镜使用，其畸变对应为F-theta畸变(当畸变为零时像高Y＝f*θ，其中f为镜头焦距，θ为激光入射角)。在考虑到扫描电机重复定位精度下一般要求F-theta畸变小于0.5％。激光场曲为激光加工时，其焦面不同视场弯曲的的程度，从图3的激光场曲图可看出，1视场(±25°入射角)对应的最大场曲为0.3mm。

图4是本发明实施例提供的F-theta光学镜头的光学传递函数曲线图，从上面MTF曲线可以看出，在红光照明下全视场成像清晰，可在红光照明下配合不同CCTV镜头或者其他工业镜头对焊接进行影像定位等视觉处理。

通过对各透镜进行上述设计后，所述F-theta光学镜头镜头的焦距为170mm，入射激光波长为1064nm，指示光主波长及视觉影像照明为红光630nm，视场角为ω，其中2ω＝50°，加工面积为110*110mm²。由于设计在630nm波段消除了绝大部分成像像差，其在红光照明下配合不同焦距的工业镜头可在加工范围内进行视觉影像定位测量以及监控。本发明的F-theta光学镜头整体结构十分紧凑，加工聚焦光斑小、能量集中、指示光与激光完全重合并且可以配合其他工业镜头进行同轴视觉定位、测量及监视。

本发明实施例还提供一种激光加工***，包括激光器和使用激光进行加工的光学镜头，所述光学镜头采用上述实施例中任意一项所述的F-theta光学镜头。

进一步地，所述激光加工***还包括进行视觉定位装置，所述视觉定位装置的影像定位波长为630nm，所述激光加工波长为1064nm。

由于在视觉加工中采用了本发明实施例所述的F-theta光学镜头，可以同时对激光和照明光进行像差校正，使之可以在满足激光加工的技术要求的同时进行高精度成像，能够配合成像镜头在红光照明时进行同轴影像定位、测量及监视，从而促进了带机器视觉的激光加工***的应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。7 -->

Claims (10)

1.一种F-theta光学镜头，其特征在于，包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；所述第一透镜为凹凸型负透镜，所述第二透镜为弯月型正透镜，所述第三透镜为弯月型正透镜；

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，每个透镜的两个曲面分别是透镜的光入射面和光出射面，第一曲面至第六曲面沿入射光线的传输方向依次排布；所述第一曲面至第六曲面的中间部分均向光线传输方向凸出；

所述第一曲面至第十四曲面的曲率半径依次为-44.592，-194.09，-146.9，-61.76，-4000，-131.49；各所述曲率半径的公差范围均为±5％。

2.如权利要求1所述的F-theta光学镜头，其特征在于，

所述第一透镜的中心厚度为3.93mm；

所述第二透镜的中心厚度为14.7mm；

所述第三透镜的中心厚度为14.55mm；

各所述中心厚度的公差范围均为±5％。

3.如权利要求1所述的F-theta光学镜头，其特征在于，

所述第一透镜的折射率与阿贝数之比为1.78/25.7；

所述第二透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；

所述第三透镜的折射率与阿贝数之比为1.90/31.3；

各所述折射率与阿贝数之比的公差范围均为5％。

4.如权利要求1所述的F-theta光学镜头，其特征在于，

所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为1.59mm；

所述第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为0.2mm；

各所述间距的公差范围均为±5％。

5.如权利要求1-4任意一项所述的F-theta光学镜头，其特征在于，还包括位于所述第三透镜的出光侧的第四透镜，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面和第八曲面的曲率半径均为∞。

6.如权利要求5所述的F-theta光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的折射率与阿贝数之比为1.52/64.2，所述折射率与阿贝数之比的公差范围为5％。

7.如权利要求6所述的F-theta光学镜头，其特征在于，所述第四透镜的中心厚底为4mm，所述中心厚度的公差范围为±5％。

8.如权利要求7所述的F-theta光学镜头，其特征在于，所述第三透镜与所述第四透镜在光轴上的间距为2mm，所述间距的公差范围为±5％。

9.一种激光加工***，包括激光器和使用激光进行加工的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头采用权利要求1-8任意一项所述的F-theta光学镜头。

10.如权利要求9所述的激光加工***，其特征在于，还包括进行视觉定位装置，所述视觉定位装置的影像定位波长为630nm，所述激光加工波长为1064nm。