激光内雕聚焦光学镜头及其使用方法

摘要

本发明公开了一种激光内雕聚焦光学镜头及其使用方法，激光内雕聚焦光学镜头包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其中，所述第一透镜是凸面朝向被雕物件的厚弯月型透镜，第二透镜是双凸型透镜，第三透镜是凹面朝向被雕物件的弯月型透镜，且所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜布局为远心光学系统。上述激光内雕聚焦光学镜头的透镜布局为远心光学系统，该激光内雕聚焦光学镜头的所有聚焦点均为相似的圆点，理论上能够不受被雕物件的幅面大小的限制。

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种激光内雕聚焦光学镜头及其使用方法。

【背景技术】

激光要能雕刻玻璃，它的能量密度必须大于使玻璃破坏的某一临界值，也称为破坏阈值，而激光在某处的能量密度与它在该点光斑的大小有关，同一束激光，光斑越小的地方产生的能量密度越大。聚焦光学镜头通过适当聚焦，可以使激光的能量密度在进入玻璃及到达加工区之前低于玻璃的破坏阈值，在希望加工的区域则超过这一临界值，在极短的时间内其能量能够在瞬间使水晶受热破裂，从而产生极小的白点，在玻璃内部雕出预定的形状，而玻璃或水晶的其余部分则保持原样完好无损。

目前使用的最广泛的激光内雕光学镜头是f-θ光学镜头，f-θ光学镜头的作用是将平行入射成像在成像面上，随着内雕技术的推广应用，不但要求能内雕各种介质材料越来越精细、强烈的立体感，且还要画幅越来越大。一般情况下，立体画幅超过100×100×100mm³再使用f-θ光学镜头已不可能达到理想水平，这是因为一般内雕所用的f-θ光学镜头的像方主光线与成像面之间有一定的倾角，如果要雕刻的范围较大，则镜头的焦距较长，造成能量分布不均匀，成像范围内中心和边缘的成像质量不一致等，严重影响成像质量。

【发明内容】

基于此，有必要针对目前技术中能量分布不均匀、不能对大幅面进行内雕的缺陷，提供一种能够对大幅面进行内雕的激光内雕聚焦光学镜头及其使用方法。

激光内雕聚焦光学镜头，包括依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，其特征在于，所述第一透镜是凸面朝向被雕物件的厚弯月型透镜，所述第二透镜是双凸型透镜，所述第三透镜是凹面朝向被雕物件的弯月型透镜，且所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜布局为远心光学系统。

在优选的实施方式中，所述激光内雕聚焦光学镜头的焦距是60mm，相对孔径是1∶2。

在优选的实施方式中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜的参数是：

在优选的实施方式中，每个曲率的误差在±5％之间。

在优选的实施方式中，每个曲面与后一个面的间隔的误差在±5％之间。

在优选的实施方式中，每个折射率/色散系数的误差在±5％之间。

还提供一种上述激光内雕聚焦光学镜头的使用方法，包括使入射光依次穿过第一透镜、第二透镜、第三透镜而到达被雕物件，其中，所述被雕物件的厚度是85-5mm，所述被雕物件在光轴上与所述第三透镜的间距是8-62mm。

在优选的实施方式中，所述入射光的波长为532nm。

上述激光内雕聚焦光学镜头通过将三个依次为厚弯月型透镜、双凸型透镜，弯月型透镜的透镜布局为远心光学系统，该激光内雕聚焦光学镜头的所有聚焦点均为相似的圆点，理论上能够不受被雕物件的幅面大小的限制。

【附图说明】

图1是本发明最佳实施方式的镜头光线追迹图；

图2是本发明最佳实施方式的镜头结构图；

图3为本发明最佳实施方式的镜头的成像点的弥散斑图像；

图4为本发明最佳实施方式的镜头的能量集中度图像；

图5为本发明最佳实施方式的镜头综合成像评价的MTF图像。

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

本实施方式中的激光内雕聚焦光学镜头，如图1所示，包括沿入射光方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3，第一透镜L1是凸面朝向被雕物件的厚弯月型透镜，第二透镜L2是双凸型透镜，第三透镜L3是凹面朝向被雕物件的弯月型透镜。“厚”透镜可按照以下的定义，厚透镜看成两个折射面之间包含有一定厚度的光学透明体，厚透镜的总焦度应等于两折射面镜度加上这一定厚度的光学透明体的镜度。厚透镜有一对主点(物方主点与像方主点)，一对节点(物方节点和像方节点)，一对焦点(前焦点及后焦点)。参见图1，本实施方式通过将三个依次为厚弯月型透镜、双凸型透镜，弯月型透镜的透镜布局为一个出射瞳孔位于无限远处的系统，也就是一个远心光学系统，该激光内雕聚焦光学镜头的所有聚焦点均为相似的圆点，理论上能够不受被雕物件的幅面大小的限制。

作为较佳实施方式，激光内雕聚焦光学镜头的焦距(f)是60mm，相对孔径(D/f)是1∶2，入射光波长(λ)为532nm，被雕物件M的厚度介于85-5mm之间，被雕物件在光轴上与镜头的间距介于8-62mm。可以看出本实施方式的激光内雕聚焦光学镜头是一种相对孔径大、工作距离长的聚焦光学镜头。

对每个透镜参数进行了如下选择，作为最优实施方式：

以下，是对每个透镜参数的误差做的规定：每个曲率的误差在±5％之间；每个与后一个面的间隔的误差在±5％之间；每个折射率/色散系数的误差在±5％之间。

用R_i表示透镜上的曲面，沿入射光线方向依次R₁至R₆，所述曲率误差则可以表示为ΔR_1-6≤±5％(R₁-R₆)；用d_i表示曲面间的距离，沿入射光线方向依次d₁至d₅，如图2所示，所述与后一个面的间隔的误差则可以表示为Δd_1-5≤±5％(d₁-d₅)；用Nd_i表示透镜的折射率、Vd_i表示透镜的色散系数，所述透镜材料误差则可以表示为ΔNd_1-3/ΔVd_1-3≤±5％(Nd₁/Vd₁-Nd₅/Vd₅)。

本实施方式的激光内雕聚焦光学镜头，平衡了光在雕体内的光程的像差、以及会影响聚焦点形状的聚焦镜的焦深、内雕深度等因素上述各因素之间的关系，不仅能保证高质量的成像质量，而且自然的就是远心光学系统(如附图1所示)，所有的聚焦点均为相似的圆点，理论上不受幅面大小的限制。图3为该镜头的成像点的弥散斑，可以看出完全是一个理想的瑞利斑；图4为该镜头的能量集中度，其最大的圆点也只有3μ；图5为该镜头综合成像评价的MTF(Modulation Transfer Function，调制传递函数)，也完全达到了理想分辨率。可以得出这是一种相对孔径大、工作距离长的聚焦光学镜头。

还提供一种上述激光内雕聚焦光学镜头的使用方法，包括使入射光依次穿过第一透镜、第二透镜、第三透镜而到达被雕物件，所述被雕物件的厚度是85-5mm，所述被雕物件在光轴上与所述第三透镜的间距是8-62mm。。在优选的实施方式中，所述入射光的波长为532nm。在所述范围内使用上述激光内雕聚焦光学镜头，将达到最佳的使用效果。

以上仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。