CN112578538B

CN112578538B - 一种蓝色激光加工远心F-Theta扫描透镜

Info

Publication number: CN112578538B
Application number: CN202011627630.3A
Authority: CN
Inventors: 朱国亮; 辜长明; 李圆; 张蒙蒙; 姜乃方
Original assignee: Qingdao Novelbeam Technology Co ltd
Current assignee: Qingdao Novelbeam Technology Co ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112578538A

Abstract

本发明公开一种蓝色激光加工用远心F‑Theta扫描透镜。从激光入射方向开始，包括具有焦距f1的第一透镜L1、具有焦距f2的第二透镜L2、具有焦距f3的第三透镜L3、具有焦距f4的第四透镜L4、具有焦距f5的第五透镜L5、具有焦距f6的第六透镜L6，物镜总焦距为f。本发明首次提供一种蓝色激光，特别是450nm激光加工远心扫描镜头，具有短波、短焦、大通光孔径特点，整个加工面光斑大小达到衍射极限。本发明使用6片镜片结构，在保证性能的情况下易于加工，且成本合理。本发明F‑Theta镜头可用于蓝色激光加工应用，包含且不限于铜材精密焊接、塑料焊接、增材制造等加工应用，可得到圆度高、大小均匀的聚焦光斑，并使得加工材料在精细的激光划线引导下形成受热均匀的焊接熔池。

Description

一种蓝色激光加工远心F-Theta扫描透镜

技术领域

本发明涉及一种激光加工扫描透镜，尤其是涉及一种蓝色激光加工远心F-Theta扫描透镜。

背景技术

平场扫描透镜(F-Theta lens)对于单色光成像，在激光扫描中，利用负畸变来改变成像，使得扫描速度与成像速度成线性关系，其像面为一平面，要求整个像面上像质一致，达到衍射极限。透镜可分为普通F-Theta透镜和远心扫描透镜，远心扫描透镜将入射光束的偏转位置置于物空间前面焦点处，像方主光线与光轴平行，可在很大程度上实现轴上、轴外像质一致，并提高照明均匀性，被大量应用在激光切割、激光钻孔、激光标记***中。

传统激光扫描透镜覆盖波长包括355nm,532nm,1064nm等光纤激光器或其倍频波长，尤其是1064nm激光大量应用于激光标记，激光切割，激光焊接等加工领域，随着激光器技术的发展，以1064nm为中心波长的光纤激光器在激光焊接领域应用取得了长足的进步，包括新能源汽车制造，光伏电池极耳焊接等。即便如此，在金、铜、铝及其他有色金属的激光加工处理中，红外激光波长并非最佳工作波长，由于铜在1064nm处的基础材料吸收小于10％，属于高反材料，较难用于激光加工，且效率低下。同时，由于材料对1064nm光吸收效率较低，在焊接应用时伴随不均匀的发热效应，容易产生焊接熔池起泡、飞溅、熔深不均匀等不良因素，不利于终端工艺应用。

因此，涉及到铜箔或铜材的加工应用，多数场合目前仍用传统机械加工方法代替，铜基板的加工成为激光加工的一个空白区域。解决此问题的根源在于从光源入手，解决材料吸收问题，将激光加工应用到更广泛的领域。材料学研究表名，金、铜等有色金属材料在450nm处的吸收系数约为65％，是1064nm处吸收效率的6倍以上，因此，大力发展以450nm为中心的蓝光激光器及激光元件具有重要意义。近年来，国内外许多激光光源厂商已经开展了450nm蓝光激光器的开发并加以商用，技术日渐成熟，未来以蓝光激光器为光源的激光加工应用展现了光明的前景，相关光学元器件的开发也尤为关键。

发明内容

本发明公开一种蓝色激光加工应用远心F-Theta扫描透镜，其优点在于，首次应用于蓝色激光波长，并适配工业级蓝光激光器，具有大通光孔径，短焦，远心的特点，成像达到衍射极限，提高了加工精度。

这个目的通过以下特征的F-Theta物镜而实现：该F-Theta物镜包括六个独立的透镜，具有焦距f1的第一透镜L1、具有焦距f2的第二透镜L2、具有焦距f3的第三透镜L3、具有焦距f4的第四透镜L4、具有焦距f5的第五透镜L5、具有焦距f6的第六透镜L6，物镜总焦距为f，物镜后截距为BFL，物镜入瞳距为EPD。其中所述的第一透镜为负透镜，第二透镜为弯曲方向朝向透镜入瞳的弯月正透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为弯曲面朝向像面的弯月负透镜，第五透镜为正透镜，第六透镜片为弯曲面朝向像面的弯月正透镜。本发明扫描透镜排布成“-++-++”的光焦度分布，其相对孔径F#＜3，镜头焦距f＜80，远心角度差＜2.5°。为达到此目标，要求其中焦距f1至f6、BFL、EPD与总焦距f之间的比率满足下列条件：

-1.2<f1/f<-0.7

+4.5<f2/f<+6.5

+1.5<f3/f<+3.5

-10.0<f4/f<-6.0

+1.5<f5/f<+3.5

+2.5<f6/f<+4.5

1.1＜BFL/f＜1.6

0.4＜EPD/f＜0.6。

优选地，f1/f＝-0.9，f2/f＝+5.4，f3/f＝+2.6，f4/f＝-8.3，f5/f＝+2.3，f6/f＝+3.5；BFL/f＝1.3，0.45＜EPD/f＜0.55，所述的扫描透镜，具有较大相对孔径，相对孔径F#＜3，远心度＜2.5°，适用于蓝色激光加工应用，特别是450nm激光应用。

附图说明

图1：本发明的扫描透镜的几何光学结构图。

图2：实施例场曲示意图。

图3：实施例F-Theta曲线示意图。

图4：实施例核心光学***成像调制传递函数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例以一款视场角11°，入瞳直径为30mm的F-Theta蓝光450nm远心扫描透镜的核心光学***说明本发明的技术方案和工作原理。实施例具有与发明内容完全相同的结构，为避免重复，仅罗列关键数据。

蓝光450nm远心F-Theta扫描透镜的光学***结构示意图如图1所示，为实现设计目标要求，采用6片光学玻璃镜片，且镜片采用“-++-++”的光焦度分布。从激光入射方向开始，包括具有焦距f1的第一透镜L1、具有焦距f2的第二透镜L2、具有焦距f3的第三透镜L3、具有焦距f4的第四透镜L4、具有焦距f5的第五透镜L5、具有焦距f6的第六透镜L6，物镜总焦距为f。其中所述的第一透镜为负透镜，第二透镜为弯曲方向朝向透镜入瞳的弯月正透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为弯曲面朝向像面的弯月负透镜，第五透镜为正透镜，第六透镜片为弯曲面朝向像面的弯月正透镜。在优选实施例中，各镜片的焦距与扫描透镜的焦距f满足：

f1/f＝-0.9，f2/f＝+5.4，f3/f＝+2.6，f4/f＝-8.3，f5/f＝+2.3，f6/f＝+3.5，f＝60mm。

根据以上要求，进一步提供了一个设计实例，具体参数参考表1：

这些镜片与光焦度序号都是根据它们在光束穿过方向上沿F-Theta扫描透镜的光轴Z的顺序依次进行编号，实施例场曲如图2所示；实施例F-Theta曲线示意图如图3所示；成像调制传递函数如图4所示。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种激光加工远心 F-Theta 扫描透镜，其特征在于，从激光入射方向开始，包括具有焦距f1 的第一透镜 L1、具有焦距 f2 的第二透镜 L2、具有焦距 f3 的第三透镜 L3、具有焦距 f4的第四透镜 L4、具有焦距 f5 的第五透镜 L5、具有焦距 f6 的第六透镜 L6，物镜总焦距为 f，其中所述的第一透镜为负透镜，第二透镜为弯曲方向朝向透镜入瞳的弯月正透镜，第三透镜为正透镜，第四透镜为弯曲面朝向像面的弯月负透镜，第五透镜为正透镜，第六透镜片为弯曲面朝向像面的弯月正透镜，扫描透镜整体使用“-++-++”的光焦度分布，定义入瞳面中心至第一透镜 L1 中心距离为扫描透镜镜入瞳距 EPD，扫描透镜最后一面，即第六透镜右侧表面至像面距离为后焦距 BFL；其中焦距 f1 至 f6 与总焦距 f 之间的比率满足下列条件：

-1.2<f1/f<-0.7

+4.5<f2/f<+6.5

+1.5<f3/f<+3.5

-10.0<f4/f<-6.0

+1.5<f5/f<+3.5

+2.5<f6/f<+4.5

1.1＜BFL/f＜1.6

0.4＜EPD/f＜0.6。

2.根据权利要求 1 所述的一种激光加工远心 F-Theta 扫描透镜，其特征在于，f1/f＝-0.9，f2/f＝+5.4，f3/f＝+2.6，f4/f＝-8.3，f5/f＝+2.3，f6/f＝+3.5； BFL/f=1.3，0.45＜EPD/f＜0.55。

3.根据权利要求 2 所述的一种激光加工远心 F-Theta 扫描透镜，其特征在于，具有较大相对孔径，相对孔径 F#＜3。

4.根据权利要求 2 所述的一种激光加工远心 F-Theta 扫描透镜，其特征还在于，适用于蓝色激光加工应用。

5.根据权利要求 2 所述的一种激光加工远心 F-Theta 扫描透镜，其特征还在于，所述的扫描透镜的远心度＜2.5°。