CN109507789B - 一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于激光加工技术领域，公开了一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法。远心镜头包括从物方到像方设置的第一透镜至第五透镜，第一透镜至第五透镜包括第一曲面至第十曲面，其中：第一曲面至第十曲面的曲率半径依次分别为‑57mm、131.75mm、‑18mm、‑22.5mm、‑187.5mm、‑49.5mm、133.5mm、‑181mm、101.5mm、∞，且第一曲面至第十曲面的曲率半径允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为‑5%。方法步骤包括：入射光线通过孔径光阑后一次经过第一透镜至第五透镜并到达像方，且并平行于光轴。本发明所提供的一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法，其确保加工出来的孔可垂直于平面，并且有效地校正了像散和畸变，提高了加工精度。

Description

一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法。

背景技术

在激光加工技术领域中，激光的波长越短、聚焦镜头的焦距越短，越能获得比较精细的聚焦光斑，而355nm波段的紫外激光器已经发展的相当成熟，功率也一直在提高，这使得很多超精细工业加工成为可能。

采用355nm波段的紫外激光器，并使用普通镜头进行打孔时，像方主光线与焦面之间有一定的倾角，导致加工出来的孔会有一定的斜度；此外，当被加工物体与普通镜头有一定的离焦时，会造成额外的畸变，导致加工精度降低。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供了一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法，其替代了普通镜头,避免了使用普通镜头进行打孔产生一定的倾角，确保加工出来的孔不会具有斜度;此外,还可避免被加工物体与普通镜头产生的离焦而造成额外的畸变,提升了加工精度。

本发明的技术方案是：一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月负透镜，所述第三透镜为弯月正透镜，所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为平凸正透镜；第一透镜包括第一曲面、第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面、第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面、第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面、第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面、第十曲面，其中：所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径依次分别为-57mm、131.75mm、-18mm、-22.5mm、-187.5mm、-49.5mm、133.5mm、-181mm、101.5mm、∞，且所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

可选地，所述第一曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第二曲面朝向像方且向物方凹陷；

所述第三曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第四曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第五曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第六曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第七曲面朝向物方且向物方凸起，所述第八曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第九曲面朝向物方且向物方凸起，所述第十曲面朝向像方且为平面。

可选地，所述第一透镜的中心厚度为3mm，

所述第二透镜的中心厚度为7.5mm，

所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的中心厚度均为10mm；

且所述第一透镜至所述第五透镜的中心厚度允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

可选地，所述第二曲面与所述第三曲面之间的间距为12.5mm，

所述第四曲面与所述第五曲面之间的间距、所述第六曲面与所述第七曲面之间的间距、所述第八曲面与所述第九曲面之间的间距均为0.4mm；

且上述中所述间距的允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

可选地，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的折射率与阿贝数比例均为1.4584/67.82；

且所述第一透镜至所述第五透镜的折射率与阿贝数比例允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

可选地，远心镜头的焦距为74mm，远心镜头的入瞳直径为10mm。

可选地，所述远心镜头的视场角为32°。

可选地，所述远心镜头的远心度小于1°。

可选地，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均采用熔融石英。

本发明还提供了一种激光加工装置，包括如上述中所述的一种用于激光加工的远心镜头。

本发明另外提供了一种激光加工方法，采用如上述中所述的一种用于激光加工的远心镜头，包括以下步骤：

S1、入射光线通过孔径光阑后先经过第一透镜，并经第一透镜扩束后传播至第二透镜；

S2、入射光线经第二透镜扩束后传播至第三透镜；

S3、入射光线经第三透镜汇聚后传播至第四透镜；

S4、入射光线经第四透镜汇聚后传播至第五透镜；

S5、入射光线经第五透镜汇聚后到达像方形成于出射光线并平行于光轴。

本发明所提供的一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法，其包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为弯月负透镜，第三透镜为弯月正透镜，第四透镜为双凸正透镜，第五透镜为平凸正透镜，入射光线沿第一透镜至第五透镜传播，可克服使用普通镜头时，主光线与焦面之间产生一定的倾角，确保加工出来的孔可垂直于平面；并且不会出现离焦现象，有效地校正了像散和畸变，提高了加工精度。

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一种用于激光加工的远心镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的像散曲线示意图；

图4是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的畸变曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的光学传递函数OFT曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的模量传递函数MFT曲线示意图；

图7是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的弥散光斑示意图；

图8是本发明实施例提供的一种用于激光加工的远心镜头的能量集中度示意图；

图9是本发明实施例提供的一种激光加工方法的流程图。

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。

需要说明的是，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接设置、安装、连接，也可以通过居中元部件、居中结构间接设置、连接。

另外，本发明实施例中若有“左”、“右”、“凹”、“凸”、“平行”、“垂直”、“大”、“小”、“正”、“负”、“扩束”、“汇聚”、“高”、“低”、“入”、“出”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系或常规放置状态或使用状态，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构、特征、装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在具体实施方式中所描述的各个具体技术特征和各实施例，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如通过不同的具体技术特征/实施例的组合可以形成不同的实施方式，为了避免不必要的重复，本发明中各个具体技术特征/实施例的各种可能的组合方式不再另行说明。

如图1至图8所示，本发明实施例提供的提供了一种用于激光加工的远心镜头，包括从物方到像方依次设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，入射光线可沿第一透镜1至第五透镜5传播。本实施例中，入射光线可从左往右传播，位于远心镜头左边的可为物体侧，即物方，位于远心镜头右边的可为图像侧，即像方。第一透镜1可以为双凹负透镜，第二透镜2可以为弯月负透镜，第三透镜3可以为弯月正透镜，第四透镜4可以为双凸正透镜，第五透镜5可以为平凸正透镜，可以理解地，第一透镜1与第二透镜2为负透镜，具有扩束作用，第三透镜3至第五透镜5为正透镜，具有汇聚的作用；入射光线先从第一透镜1、第二透镜2扩束，然后从第三透镜3至第五透镜5成像到加工平面上。第一曲面11至第十曲面51的曲率半径依次分别为-57mm、131.75mm、-18mm、-22.5mm、-187.5mm、-49.5mm、133.5mm、-181mm、101.5mm、∞，并且第一曲面11至第十曲面51的曲率半径允许公差可以为10%，其中上偏差可以为+5%，下偏差可以为-5%。入射光线从左往右传播，可依次穿透于第一透镜1至第五透镜5，通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5各自形状及位置的布设可获得孔径光阑，该孔径光阑可位于物方，出射光线最后由第五透镜5的平面折射出来后形成的像方主光线可垂直于焦面，出瞳可位于物方无限远，这样的光路为像方远心光路，该像方远心光路可确保加工出来的孔垂直于加工平面，有效地校正了像散和畸变，提高了加工精度。

本实施例中，入射光线从左向右传播，也是从物方至像方传播，以球面（即曲面）和主光轴的交点为准，球心在该交点以左，则曲率半径为负值；反之，球心在该交点以右，则曲率半径为正值。可以理解地，曲率半径数值的正负号仅表示曲面弯曲的方向，而数字大小则表示曲面的弯曲程度。

可选地，第一曲面11、第二曲面12可相对设置，第一曲面11为朝向物方的一面，并且该面可向像方凹陷，第二曲面12为朝向像方的一面，并且该面可向物方凹陷；

第三曲面21、第四曲面22可相对设置，第三曲面21为朝向物方的一面，并且该面可向像方凹陷，第四曲面22为朝向像方的一面，并且该面可向像方凸起；

第五曲面31、第六曲面32可相对设置，第五曲面31为朝向物方的一面，并且该面可向像方凹陷，第六曲面32为朝向像方的一面，并且该面可向像方凸起；

第七曲面41、第八曲面42可相对设置，第七曲面41为朝向物方的一面，并且该面可向物方凸起，第八曲面42为朝向像方的一面，并且该面可向像方凸起；

第九曲面51、第十曲面52可相对设置，第九曲面51为朝向物方的一面，并且该面可向物方凸起，第十曲面52为朝向像方的一面，并且该面可以为平面。

入射光线可依次从第一曲面11至第十曲面52传播，最后由第十曲面52折射出来形成的像方主光线可平行于光轴，可确保加工出来的孔垂直于加工平面。

可选地，第一透镜1至第五透镜5的中心厚度允许公差均可以为10%，并且上偏差可以为+5%，下偏差可以为-5%，其中：

第一透镜1的中心厚度13可以为3±5%mm，

第二透镜2的中心厚度23可以为7.5±5%mm，

第三透镜3的中心厚度33可以为10±5%mm，

第四透镜4的中心厚度43可以为10±5%mm，

第五透镜5的中心厚度53可以为10±5%mm；

可以理解地，第三透镜3至第五透镜5的中心厚度可以一致。

可选地，第二曲面12与第三曲面21之间、第四曲面22与第五曲面31之间、第六曲面32与第七曲面41之间、第八曲面42与第九曲面51之间的间距允许公差均可以为10%，并且上偏差可以为+5%，下偏差可以为-5%，其中：

第二曲面12与第三曲面21之间的间距6可以为12.5±5%mm，

第四曲面22与第五曲面31之间的间距7可以为0.4±5%mm，

第六曲面32与第七曲面41之间的间距8可以为0.4±5%mm，

第八曲面42与第九曲面51之间的间距9可以为0.4±5%mm；

可以理解地，第四曲面22与第五曲面31之间、第六曲面32与第七曲面41之间、第八曲面42与第九曲面51之间的间距可以一致。

可选地，第一透镜1至第五透镜5的折射率与阿贝数比例允许公差可以为10%，并且上偏差可以为+5%，下偏差可以为-5%，并且第一透镜1至第五透镜5均可采用同一材质，其中：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的折射率与阿贝数比例均可以为1.4584/67.82±5%。可以理解地，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5均采用同一材质，利用相同的材质得到相同的折射率及相同的色散***（阿贝数），进而得到相同的折射率与阿贝数比例。

进一步地，第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5均可以采用熔融石英材料制成。熔融石英具有防刮花、耐污染、经久耐用、耐高温和环保无辐射等的优点，由于熔融石英的上述特性，可使远心镜头适合高功率密度，可以应用于高功率的激光加工设备。

可选地，由于远心镜头是可用于远距离成像，所以其视场角需设置于40°以内，则本实施例远心镜头的全视场角可以为32°，可实现远心镜头的远距离成像。

可选地，当入射光线穿透远心镜头获得像方远心光路时，其远心镜头的远心度可以小于1°。可以理解地，由于本实施例提供的远心镜头为像方远心镜头，其像方主光线与光轴之间形成有一个夹角，当这个夹角为0的时候，就是严格远心，当这个夹角的值很小并且基本接近于0的，不是理想远心光路，而这个夹角的度数就是远心度。远心度的度数相对越小，表示远心度越好，即远心镜头也越精密。

可选地，远心镜头的焦距可以为74mm，远心镜头的入瞳直径可以为10mm；

根据激光聚焦后的弥散光斑理论计算公式：spotφ=1.83*λ*FL/beamφ，采用λ=355nm的入射光线；其中，spotφ为激光聚焦后的光斑直径，λ为入射光线的波长，FL为远心镜头的焦距，beamφ远心镜头的入瞳直径。

由此可知，用超短波长的激光束进行切割会得到更为精细的切缝。目前普遍使用的紫外激光器入射光线的波长为λ=355nm，从理论上波长为355nm的分辨率比波长为1064nm的激光器分辨率大三倍。由于本实施例的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5的材料均可以为熔融石英，则该远心镜头能够适用于波长为λ=355nm的紫外激光器，会得到非常高分辨的点距，也就是可以获得超精细的聚焦后的弥散光斑，由于熔融石英的特性使该远心镜头100适合高功率密度，可以应用到20w的紫外激光器上。进一步地，其入瞳直径设置为10mm，可确保单位时间内的通光量，同时又可使远心镜头获得比较小的体积。

如图3和图4所示，其中，图3为本实施例中远心镜头的像散曲线图，图4为本实施例中远心镜头的畸变曲线图。本实施例提供的且具有上述条件的远心镜头，其像散曲线和畸变曲线的弯曲程度都已经达到了理想的校正状态，像面明显地变平，也就是说整个切割范围内的像面都非常平，并且轴上与轴外无明显区别。像散小、畸变小，即可达到超精细、高精度的加工。

如图5和图6所示，其中，图5为本实施例中远心镜头的光学传递函数OTF(OpticalTransfer Function)曲线图，图6为本实施例中远心镜头的模量传递函数MTF(ModulationTransfer Function)曲线图。由此可知，入射光线作用于该远心镜头后的轴上点与轴外点均无明显区别，可达到像场趋平的目的，可实现超精细、高精度的加工。

如图7和图8所示，其中，图7为本实施例中远心镜头的弥散光斑示意图，图8为本实施例中远心镜头的能量集中度示意图。由此可知，在所有的视场中，弥散光斑的直径均在5μm左右，并且能量集中度极高，实现了高质量成像打标，提高了成像质量，进而可以实现超精细、高精度的加工，例如精确地打孔、切割等。

综上所述，为获取更为精细的加工区域，需要尽量减少远心镜头的扫描视场范围。远心镜头的焦距设置为74mm，视场角设置为32°，在不移动加工物体或者工作台的情况下，本发明实施例提供的远心镜头的扫描视场范围可以为28mm*28mm，即可获得超精细的加工精度。

本发明实施例还提供了一种激光加工装置，包括如上述中的一种用于激光加工的远心镜头。激光加工装置还可包括激光器、扩束镜、X振镜及Y振镜，激光器可以为入射光线波长为355nm的紫外激光器，并且该紫外激光器的功率可等于或大于20W。紫外激光器发出的入射光线依次经过扩束镜、X振镜及Y振镜，最后通过远心镜头传播至各视场方向上，并且其像方主光线与像面垂直，从而避免打孔倾斜，同时能避免被加工物体因轻微离焦造成的畸变，提升了加工精度。同时，由于远心镜头的像散已达到理想的校正状态，可避免被加工物体有轻微离焦或倾斜带来的加工形状的剧烈变化。

本发明实施例另外提供了一种激光加工方法，采用如上述中的一种用于激光加工的远心镜头，包括以下步骤：

如图9所示，

S1、入射光线通过孔径光阑后先经过第一透镜1，并且经第一透镜扩束后可向像方传播至第二透镜2。由于第一透镜1为双凹负透镜，所以第一透镜1可以扩束入射光线；

S2、入射光线经第二透镜2扩束后可向像方传播至第三透镜3。由于第二透镜2为弯月负透镜，所以第二透镜2可以扩束入射光线；

S3、入射光线经第三透镜3汇聚后可向像方传播至第四透镜4。由于第三透镜3为弯月正透镜，所以第三透镜3可以汇聚入射光线；

S4、入射光线经第四透镜4汇聚后可向像方传播至第五透镜5。由于第四透镜4为双凸正透镜，所以第四透镜4可以汇聚入射光线；

S5、入射光线经第五透镜5汇聚后可到达像方，此时入射光线形成于平行于光轴的出射光线。由于第五透镜5位平凸正透镜，所以第五透镜5可以汇聚入射光线。

由此可知，入射光线经第一透镜1至第五透镜5不同角度的折射后，最后由第五透镜5呈平面的一面射出形成出射光线，并且该出射光线可平行于光轴，确保出射光线可垂直于焦平面，即可避免像方主光线与焦面之间产生有一定的倾角，确保加工出来的孔可垂直于加工平面；此外，还能有效地校正了像散和畸变，提高了加工精度。

本发明实施例所提供的一种用于激光加工的远心镜头、激光加工装置及加工方法，其远心镜头包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5，第一透镜1为双凹负透镜，第二透镜2为弯月负透镜，第三透镜3为弯月正透镜，第四透镜4为双凸正透镜，第五透镜5为平凸正透镜，入射光线依次沿第一透镜1至第五透镜5传播并获得像方远心光路，即通过第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4和第五透镜5各形状及相对位置的设计，克服使用普通镜头时，主光线与焦面之间产生一定的倾角，确保加工出来的孔可垂直于焦平面；并且有效地校正了像散和畸变，能量集中度非常高，实现的像方远心光路提高了成像质量，该远心镜头结构简单，便于设计，有效地提高了加工精度，可广泛应用于各种精细的激光加工装置中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，包括从物方到像方依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月负透镜，所述第三透镜为弯月正透镜，所述第四透镜为双凸正透镜，所述第五透镜为平凸正透镜；第一透镜包括第一曲面、第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面、第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面、第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面、第八曲面，所述第五透镜包括第九曲面、第十曲面，其中：所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径依次分别为-57mm、131.75mm、-18mm、-22.5mm、-187.5mm、-49.5mm、133.5mm、-181mm、101.5mm、∞，且所述第一曲面至所述第十曲面的曲率半径允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

2.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述第一曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第二曲面朝向像方且向物方凹陷；

所述第三曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第四曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第五曲面朝向物方且向像方凹陷，所述第六曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第七曲面朝向物方且向物方凸起，所述第八曲面朝向像方且向像方凸起；

所述第九曲面朝向物方且向物方凸起，所述第十曲面朝向像方且为平面。

3.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度为3mm，

所述第二透镜的中心厚度为7.5mm，

所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的中心厚度均为10mm；

且所述第一透镜至所述第五透镜的中心厚度允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

4.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述第二曲面与所述第三曲面之间的间距为12.5mm，

所述第四曲面与所述第五曲面之间的间距、所述第六曲面与所述第七曲面之间的间距、所述第八曲面与所述第九曲面之间的间距均为0.4mm；

且上述中所述间距的允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

5.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜、所述第四透镜和所述第五透镜的折射率与阿贝数比例均为1.4584/67.82；

且所述第一透镜至所述第五透镜的折射率与阿贝数比例允许公差均为10%，上偏差为+5%，下偏差为-5%。

6.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，远心镜头的焦距为74mm，远心镜头的入瞳直径为10mm。

7.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述远心镜头的视场角为32°。

8.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述远心镜头的远心度小于1°。

9.如权利要求1所述的一种用于激光加工的远心镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜均采用熔融石英。

10.一种激光加工装置，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的一种用于激光加工的远心镜头。

11.一种激光加工方法，其特征在于，采用如权利要求10所述的一种激光加工装置，包括以下步骤：

S1、入射光线通过孔径光阑后先经过第一透镜，并经第一透镜扩束后传播至第二透镜；

S2、入射光线经第二透镜扩束后传播至第三透镜；

S3、入射光线经第三透镜汇聚后传播至第四透镜；

S4、入射光线经第四透镜汇聚后传播至第五透镜；

S5、入射光线经第五透镜汇聚后到达像方形成于出射光线并平行于光轴。

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