一种短焦距大工作范围场镜的光学系统
技术领域
本发明涉及一种短焦距大工作范围场镜的光学系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
随着激光加工技术在工业生产加工中发挥越来越重要的作用，普通的F-θ场镜因焦距和光学角度的限制，只能实现与焦距和角度正相关的扫描区域。如果需要大的扫描范围，势必要通过增大焦距来实现，增大焦距带来的后果就是聚焦光斑大小直线增大，达不到需要加工的性能。光学角度也因为其他机械部件的影响，无法自由的增大，这也制约着加工的效率。因此需要一款短焦距大工作范围的F-θ场镜来突破此限制。
发明内容
本发明提供一种短焦距大工作范围场镜的光学系统，利用光学放大原理，在焦距一定且满足机械角度的情况下，直接对光学角度进行放大，实现了短焦大工作范围，且光斑大小不会增大，满足对光斑有要求、且希望能大幅面工作的激光加工。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种短焦距大工作范围场镜的光学系统，包含沿光线入射方向依次设置的第一光组、第二光组和第三光组；沿光线入射方向，第一光组包括第一透镜和第二透镜，第二光组包括第三透镜，第三光组包括第四透镜和第五透镜；第一透镜、第二透镜、第三透镜和第五透镜均为正透镜，第四透镜为负透镜。
为了实现光学角度的放大，需要对第一光组和第二光组的焦距进行固定设计，使其比值约等于f1/f2＝θ2/θ1,实现光学角度的放大，其中，f1为第一光组的焦距，f2为第二光组的焦距，θ1为第一光组前光线入射角，θ2为第二光组后光线入射角。优选，θ1为28°，θ2为56°。
为了满足短焦距大工作范围，同时提高聚焦效果，第一光组的焦距f1＝220mm，第二光组的焦距f2＝110mm，第三光组的焦距f3＝150mm。
本发明的所选用的镜片材质均为国产普通光学玻璃，可根据不同的激光器和使用场景来搭选不同的材料。优选，本申请采用冕类和火石类玻璃，玻璃材料的稳定性好，为了实现更好的消色差效果，优选，第一透镜所用材质为冕玻璃，第二透镜、第三透镜和第五透镜所用材质均为重火石玻璃，第四透镜所用材质为轻冕玻璃。
为了提高系统的稳定性，同时进一步确保聚焦效果，第一透镜的中心厚度为4±0.05mm，第二透镜的中心厚度为4.6±0.05mm，第三透镜的中心厚度为6.2±0.05mm，第四透镜的中心厚度为3.1±0.05mm，第五透镜的中心厚度为4.8±0.05mm。
为了提高切割效率，第一光组和第二光组之间的中心间隔为236±0.03mm，第二光组和第三光组之间的中心间隔为94±0.03mm；第一透镜和第二透镜之间的中心间隔为3.1±0.01mm，第四透镜和第五透镜之间的中心间隔为1.3±0.01mm。
沿光线入射方向，第一透镜的两面依次为第一物侧面和第一像侧面，第二透镜的两面依次为第二物侧面和第二像侧面，第三透镜的两面依次为第三物侧面和第三像侧面，第四透镜的两面依次为第四物侧面和第四像侧面，第五透镜的两面依次为第五物侧面和第五像侧面；为了进一步提高聚焦效果，第一物侧面的曲率半径为90.6±0.03mm，第一像侧面的曲率半径为-106.3±0.03mm；第二物侧面的曲率半径为-123.3±0.03mm，第二像侧面的曲率半径为-86.3±0.03mm；第三物侧面的曲率半径为63.2±0.03mm，第三像侧面的曲率半径为-60.8±0.03mm；第四物侧面的曲率半径为-73.6±0.03mm，第四像侧面的曲率半径为-130±0.03mm；第五物侧面的曲率半径为-630mm，第五像侧面的曲率半径为-210±0.03mm。
上述短焦距大工作范围场镜的光学系统可应用于不同的激光器上，如CO2激光器、YAG激光器和紫外355nm激光器。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明短焦距大工作范围场镜的光学系统，利用光学角放大原理，实现短焦距大工作范围，适用于大范围切割及打标等激光加工，具有更高的加工效率，可实现对金属、PCB板、布料等材料的加工。
附图说明
图1为本发明短焦距大工作范围场镜光学系统的光路图；
图2为本发明短焦距大工作范围场镜光学系统在150mm焦距下实现y＝70mm的点列图，几何光斑全小于艾利斑；
图3为本发明短焦距大工作范围场镜光学系统的场曲和畸变图；
图4为本发明短焦距大工作范围场镜光学系统的聚焦光斑图；
图5为本发明短焦距大工作范围场镜光学系统的列特斯尔比图；
图中，L1为第一透镜，L2为第二透镜，L3为第三透镜，L4为第四透镜，L5为第五透镜。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示，一种短焦距大工作范围场镜，包含沿光线入射方向依次设置的第一光组、第二光组和第三光组，第一光组的焦距f1＝220mm，第二光组的焦距f2＝110mm，第三光组的焦距f3＝150mm，第一光组前光线入射角θ1为28°，第二光组后光线入射角θ2为56°；沿光线入射方向，第一光组包括第一透镜L1和第二透镜L2，第二光组包括第三透镜L3，第三光组包括第四透镜L4和第五透镜L5；第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第五透镜L5均为正透镜，第四透镜L4为负透镜，第一透镜L1和第二透镜L2之间的中心间隔为3.1mm，第二透镜L2和第三透镜L3之间的中心间隔为236mm，第三透镜L3和第四透镜L4之间的中心间隔为94mm，第四透镜L4和第五透镜L5之间的中心间隔为1.3mm，各镜片的参数如表1所示。
表1各镜片的参数表
上表中，第一透镜的两面依次为第一物侧面S1和第一像侧面S2，第二透镜的两面依次为第二物侧面S3和第二像侧面S4，第三透镜的两面依次为第三物侧面S5和第三像侧面S6，第四透镜的两面依次为第四物侧面S7和第四像侧面S8，第五透镜的两面依次为第五物侧面S9和第五像侧面S10。
激光器采用波长为1064nm的光纤激光器，激光器的入射光斑直径为10mm。由图2可知，在不同扫描幅面下各点处的聚焦光斑都小于衍射极限，扫描效果很好，聚焦效果很好；由图3可看出，光学系统的场曲小于0.4mm，畸变小于0.3％，像质量好，图像清晰，精度高；由图4可看出，光学系统的全幅面内聚焦光斑大小为29um-31.4um，且均匀性好；由图5可看出，在离焦±0.1mm内，光斑第一衍射环内能量均达到90％以上。
