用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭，其包括沿光線的入射方向依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡；該鏡頭的焦距為210mm，入瞳直徑為30mm，入射光波長為1064nm，指示光及視覺影像照明為紅光，紅光波長為630nm，視場角為ω，其中，2ω＝50°，加工面積為130mm*130mm，該鏡頭結構緊湊，加工聚焦光斑小，在滿足激光加工的技術要求的同時消除了紅光與加工激光波長的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，節省調試用料及調試時間，同時在加工面積內紅光成像清晰；而且能夠配合其它工業鏡頭在紅光照明時進行同軸影像定位、測量及監視。
【專利說明】用于激光光斑與指不光光斑重合的f-theta光學鏡頭
【技術領域】
[0001]本發明涉及帶機器視覺的激光加工領域，尤其涉及一種用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭。
【背景技術】
[0002]目前，激光加工的應用越來越廣泛，而帶機器視覺的激光加工也是行業發展的趨勢。
[0003]普通的f-theta光學鏡頭一般只針對激光波長進行相差的矯正，指示光與激光由于色差的影響不能重合，實際生產示較焊點時需要參考指示光斑進行多次調整才能精確定位；同時可見光經過鏡頭會產生較大的相差，特別是色差及場曲，所以無法直接配合CCD使用進行視覺定位及測量。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術激光光斑與指示光光斑無法重合的缺陷，提供一種用于激光光斑與指不光光斑重合的f-theta光學鏡頭,該技術方案節省了調試用料及調試時間，同時可以在紅光照明下配合其它工業鏡頭進行視覺影像定位、測量及監視。
[0005]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:提供一種用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭，其包括沿光線的入射方向依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡；所述第一透鏡的曲面、所述第二透鏡的曲面和所述第四透鏡的曲面均沿著光線的入射方向彎曲；所述f-theta光學鏡頭的焦距為210mm,入瞳直徑為30mm,入射光波長為1064nm，所述指示光及視覺影像照明為紅光，所述紅光波長為630nm，視場角為ω，其中，2ω =50° ,加工面積為 130mm*130mm。
[0006]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第一透鏡為彎月負透鏡，所述第二透鏡為彎月正透鏡，所述第三透鏡為雙凸正透鏡，所述第四透鏡為彎月負透鏡。
[0007]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述激光為視覺影像照明激光。
[0008]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第一透鏡包括曲率半徑為Rl的曲面SI和曲率半徑為R2的曲面S2，所述第一透鏡在光軸上的中心厚度為dl，所述第一透鏡的材料為Ndl:Vdl，其中，所述曲率半徑Rl為-46.612mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R2為-141.58mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度dl為3.49mm，所述第一透鏡的材料Ndl =Vdl為1.76/26.6，其修正范圍為±5% ；Ndl表示所述第一透鏡的折射率，Vdl表示所述第一透鏡的阿貝數。
[0009]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第二透鏡包括曲率半徑為R3的曲面S3和曲率半徑為R4的曲面S4，所述第二透鏡在光軸上的中心厚度為d3，所述第二透鏡的材料為Nd3:Vd3，其中，所述曲率半徑R3為-123.1mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R4為-64.7mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d3為16.73mm，所述第二透鏡的材料Nd2:Vd2為1.88/40.8，其修正范圍為±5% ；Nd2表示所述第二透鏡的折射率，Vd2表示所述第二透鏡的阿貝數。
[0010]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第三透鏡包括曲率半徑為R5的曲面S5和曲率半徑為R6的曲面S6，所述第三透鏡在光軸上的中心厚度為d5，所述第三透鏡的材料為Nd5:Vd5，其中，所述曲率半徑R5為2040mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R6為-105.343mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d5為19.93mm所述第三透鏡的材料Nd3:Vd3為1.80/46.8，其修正范圍為±5% ；Nd3表示所述第三透鏡的折射率，Vd3表示所述第三透鏡的阿貝數。
[0011]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第四透鏡包括曲率半徑為R7的曲面S7和曲率半徑為R8的曲面S8，所述第四透鏡在光軸上的中心厚度為d7，所述第四透鏡的材料為Nd7:Vd7，其中，所述曲率半徑R7為-97.98mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R8為-143.02mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d7為4.22mm，所述第四透鏡的材料Nd4:Vd4為1.946/17.9，其修正范圍為±5% ;Nd4表示所述第四透鏡的折射率，Vd4表示所述第四透鏡的阿貝數。
[0012]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第一透鏡與所述第二透鏡在光軸上的間距為d2，所述第二透鏡與所述第三透鏡在光軸上的間距為d4，所述第三透鏡與所述第四透鏡在光軸上的間距為d6，其中，d2為2.2mm，其修正范圍為±5% ;d4為0.22mm，其修正范圍為±5% ；d6為12.08mm，其修正范圍為±5%。
[0013]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述第四透鏡與其成像面之間還設有一保護平板玻璃，所述保護平板玻璃的厚度為5mm，所述保護平板玻璃的材質為Nd9:Vd9，其中，所述保護平板玻璃的材質Nd9:Vd9為1.52/64.2，其修正范圍為±5% ；Nd9表示所述保護平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保護平板玻璃的阿貝數。
[0014]在本發明所述的f-theta光學鏡頭中，所述保護平板玻璃在光軸上的間距為d9，其中，d9為2mm，其修正范圍為±5%。
[0015]實施本發明的技術方案，具體以下有益效果:本發明提供的f-theta光學鏡頭整體結構緊湊，加工聚焦光斑小，在滿足激光加工的技術要求的同時消除了紅光與加工激光波長的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，節省調試用料及調試時間，同時在加工面積內紅光成像清晰；而且能夠配合其它工業鏡頭在紅光照明時進行同軸影像定位、測量及監視。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
[0017]圖1是本發明用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭的結構示意圖；
[0018]圖2是本發明f-theta光學鏡頭的彌散圖；
[0019]圖3是本發明f-theta光學鏡頭的場曲和畸變圖；
[0020]圖4是本發明f-theta光學鏡頭的指示光與激光重合程度的曲線圖；
[0021]圖5是本發明f-theta光學鏡頭的MTF曲線圖。【具體實施方式】
[0022]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0023]請參閱圖1，圖1是本發明用于激光光斑與指示光光斑重合的f-theta光學鏡頭的結構示意圖；如圖1所示，該f-theta光學鏡頭包括沿光線的入射方向依次排列的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第三透鏡L3以及第四透鏡L4 ;所述第一透鏡LI的曲面、所述第二透鏡L2的曲面和所述第四透鏡L4的曲面均沿著光線的入射方向彎曲；所述f-theta光學鏡頭的焦距為210mm，入瞳直徑為30mm，入射光波長為1064nm，所述指示光及視覺影像照明為紅光，所述紅光波長為630nm，視場角為ω，其中，2ω =50°，加工面積為130mm*130mm。應當說明的是，該f-theta光學鏡頭的整體結構非常緊湊，加工聚焦光斑小，在滿足激光加工的技術要求的同時消除了紅光與加工激光波長的相差，使得指示光光斑跟加工激光光斑重合，示較焊點時可直接根據指示光斑位置打點確定坐標；同時可以在紅光照明下配合其它工業鏡頭進行視覺影像定位、測量及監視。由于指示光光斑與激光光斑重合，可根據指示光斑所示位置直接打點而不需要進行多次調整，節省調試用料及調試時間，同時在加工面積內紅光成像清晰。
[0024]如圖1所示，所述第一透鏡LI與所述第二透鏡L2在光軸上的間距為d2，所述第二透鏡L2與所述第三透鏡L3在光軸上的間距為d4，所述第三透鏡L3與所述第四透鏡L4在光軸上的間距為d6，其中，d2為2.2mm，其修正范圍為±5% ；d4為0.22mm，其修正范圍為±5% ；d6為12.08mm，其修正范圍為±5%。
[0025]如圖1所示，所述第一透鏡LI包括曲率半徑為Rl的曲面SI和曲率半徑為R2的曲面S2，所述第一透鏡LI在光軸上的中心厚度為dl，所述第一透鏡LI的材料為Ndl:Vdl,其中，所述曲率半徑Rl為-46.612mm，其修正范圍為±5%;所述曲率半徑R2為-141.58mm,其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度dl為3.49mm，所述第一透鏡LI的材料Ndl:Vdl為1.76/26.6，其修正范圍為±5% ；Ndl表示所述第一透鏡LI的折射率，Vdl表示所述第一透鏡LI的阿貝數。
[0026]如圖1所示，所述第二透鏡L2包括曲率半徑為R3的曲面S3和曲率半徑為R4的曲面S4，所述第二透鏡L2在光軸上的中心厚度為d3，所述第二透鏡L2的材料為Nd3:Vd3，其中，所述曲率半徑R3為-123.1mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R4為-64.7mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d3為16.73mm，所述第二透鏡L2的材料Nd2:Vd2為1.88/40.8，其修正范圍為±5%;Nd2表示所述第二透鏡L2的折射率，Vd2表示所述第二透鏡L2的阿貝數。
[0027]如圖1所示，所述第三透鏡L3包括曲率半徑為R5的曲面S5和曲率半徑為R6的曲面S6，所述第三透鏡L3在光軸上的中心厚度為d5，所述第三透鏡L3的材料為Nd5:Vd5,其中，所述曲率半徑R5為2040mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R6為-105.343mm,其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d5為19.93mm所述第三透鏡L3的材料Nd3:Vd3為1.80/46.8，其修正范圍為±5% ；Nd3表示所述第三透鏡L3的折射率，Vd3表示所述第三透鏡L3的阿貝數。
[0028]如圖1所示，所述第四透鏡L4包括曲率半徑為R7的曲面S7和曲率半徑為R8的曲面S8，所述第四透鏡L4在光軸上的中心厚度為d7，所述第四透鏡L4的材料為Nd7:Vd7,其中，所述曲率半徑R7為-97.98mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R8為-143.02mm,其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d7為4.22mm，所述第四透鏡L4的材料Nd4:Vd4為1.946/17.9，其修正范圍為±5% ；Nd4表示所述第四透鏡L4的折射率，Vd4表示所述第四透鏡L4的阿貝數。
[0029]在本實施例中，所述第四透鏡L4與其成像面之間還設有一保護平板玻璃L5，所述保護平板玻璃的厚度為5mm，所述保護平板玻璃的材質為Nd9:Vd9，其中，所述保護平板玻璃的材質Nd9:Vd9為1.52/64.2，其修正范圍為±5% ；Nd9表示所述保護平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保護平板玻璃的阿貝數。所述保護平板玻璃L5在光軸上的間距為d9，d9為2mm，其修正范圍為±5%。
[0030]在本實施例中，所述第一透鏡LI為彎月負透鏡，所述第二透鏡L2為彎月正透鏡，所述第三透鏡L3為雙凸正透鏡，所述第四透鏡L4為彎月負透鏡。所述激光為視覺影像照明激光。
[0031]請結合參閱圖2，圖2是本發明f-theta光學鏡頭的彌散圖，如圖2所示，激光彌散斑的形狀及尺寸反映了該f-theta光學鏡頭對應于激光的像差，從圖2中可看出激光彌散斑的均方根半徑為22.071um，表明用該f-theta光學鏡頭進行激光加工時，其能量集中程度較好，可滿足現有的焊接要求。
[0032]請結合參閱圖3，圖3是本發明f-theta光學鏡頭的場曲和畸變圖，如圖3所示，激光加工時配合掃描振鏡使用，其畸變對應為F-theta畸變，當畸變為零時，像高Y = f* Θ，其中，f為鏡頭焦距，Θ為激光入射角。在考慮到掃描電機重復定位精度時一般要求F-theta畸變小于0.5%。激光場曲為激光加工時，其焦面不同視場彎曲的的程度，如圖3所示，該鏡頭在0.8視場(± 17.5°入射角)時最大場曲小于0.3mm,而I視場(±25°入射角)對應的場曲為0.2mm。
[0033]請結合參閱圖4，圖4是本發明f-theta光學鏡頭的指示光與激光重合程度的曲線圖，如圖4所示，在指示光跟激光重合時，從圖4可以看出0.7視場指示光跟激光在靶面上的距離小于0.02mm，而I視場為0.036mm，重合程度高。在生產中可以直接根據指示光指示位置打點示較，無需重復調整。
[0034]請結合參閱圖5，圖5是本發明f-theta光學鏡頭的MTF曲線圖，如圖5所示，如圖5所示，在紅光照明下成像清晰，0.7視場(±17.5° )內MTF接近衍射極限。可在紅光照明下配合不同CCTV鏡頭或者其他工業鏡頭對焊接進行影像定位等視覺處理。
[0035]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。
【權利要求】
1.一種用于激光光斑與指不光光斑重合的f-theta光學鏡頭,其特征在于,其包括沿光線的入射方向依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡；所述第一透鏡的曲面、所述第二透鏡的曲面和所述第四透鏡的曲面均沿著光線的入射方向彎曲；所述f-theta光學鏡頭的焦距為210mm，入瞳直徑為30mm，入射光波長為1064nm，所述指示光及視覺影像照明為紅光，所述紅光波長為630nm，視場角為ω，其中，2ω =50°，加工面積為.130mm* 130mm ο
2.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡為彎月負透鏡，所述第二透鏡為彎月正透鏡，所述第三透鏡為雙凸正透鏡，所述第四透鏡為彎月負透鏡。
3.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述激光為視覺影像照明激光。
4.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡包括曲率半徑為Rl的曲面SI和曲率半徑為R2的曲面S2，所述第一透鏡在光軸上的中心厚度為dl，所述第一透鏡的材料為Ndl:Vdl，其中，所述曲率半徑Rl為-46.612mm，其修正范圍為±5%;所述曲率半徑R2為-141.58mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度dl為3.49mm,所述第一透鏡的材料Ndl =Vdl為1.76/26.6，其修正范圍為±5% ；Ndl表示所述第一透鏡的折射率，Vdl表示所述第一透鏡的阿貝數。
5.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第二透鏡包括曲率半徑為R3的曲面S3和曲率半徑為R4的曲面S4，所述第二透鏡在光軸上的中心厚度為d3，所述第二透鏡的材料為Nd3:Vd3 ，其中，所述曲率半徑R3為-123.1mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R4為-64.7mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d3為16.73mm，所述第二透鏡的材料Nd2:Vd2為1.88/40.8，其修正范圍為±5% ；Nd2表示所述第二透鏡的折射率，Vd2表示所述第二透鏡的阿貝數。
6.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第三透鏡包括曲率半徑為R5的曲面S5和曲率半徑為R6的曲面S6，所述第三透鏡在光軸上的中心厚度為d5，所述第三透鏡的材料為Nd5:Vd5，其中，所述曲率半徑R5為2040mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R6為-105.343mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d5為19.93mm所述第三透鏡的材料Nd3:Vd3為1.80/46.8，其修正范圍為±5% ；Nd3表示所述第三透鏡的折射率，Vd3表示所述第三透鏡的阿貝數。
7.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第四透鏡包括曲率半徑為R7的曲面S7和曲率半徑為R8的曲面S8，所述第四透鏡在光軸上的中心厚度為d7，所述第四透鏡的材料為Nd7:Vd7，其中，所述曲率半徑R7為-97.98mm，其修正范圍為±5% ;所述曲率半徑R8為-143.02mm，其修正范圍為±5% ;所述光軸上的中心厚度d7為4.22mm,所述第四透鏡的材料Nd4:Vd4為1.946/17.9，其修正范圍為±5% ;Nd4表示所述第四透鏡的折射率，Vd4表示所述第四透鏡的阿貝數。
8.根據權利要求1所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第一透鏡與所述第二透鏡在光軸上的間距為d2，所述第二透鏡與所述第三透鏡在光軸上的間距為d4，所述第三透鏡與所述第四透鏡在光軸上的間距為d6,其中，d2為2.2mm,其修正范圍為±5% ；d4為.0.22mm，其修正范圍為±5% ；d6為12.08mm，其修正范圍為±5%。
9.根據權利7所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述第四透鏡與其成像面之間還設有一保護平板玻璃，所述保護平板玻璃的厚度為5mm，所述保護平板玻璃的材質為Nd9:Vd9，其中，所述保護平板玻璃的材質Nd9:Vd9為1.52/64.2，其修正范圍為±5%;Nd9表示所述保護平板玻璃的折射率，Vd9表示所述保護平板玻璃的阿貝數。
10.根據權利要求9所述的f-theta光學鏡頭，其特征在于，所述保護平板玻璃在光軸上的間距為d9，其中，d9為2mm，其修正范圍為±5%。
【文檔編號】G02B13/14GK103984078SQ201410238948
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】謝澤楷, 王慶元, 梁云峰, 張坤, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司