[0001] 本申请涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种激光聚焦系统及激光加工装置。

[0002] 激光聚焦系统通常包括聚焦镜组、振镜以及场镜，光线经过聚焦镜组、振镜以及场镜后投射到被加工工件上。其中，聚焦镜组能够沿光轴移动而改变激光聚焦系统的焦距，从
而调节激光在被加工工件上的聚焦深度，而振镜能够偏振光路以调节激光在被加工工件上
的聚焦位置，从而实现对被加工工件的三维加工。场镜用于将激光会聚到被加工工件上，提
升光斑质量。激光聚焦系统广泛应用于激光微纳制造领域，特别是应用在需要对三维曲面
或者复杂形状的物体表面进行精准刻蚀的场景中。然而，传统的激光聚焦系统的校准难度
大，过程繁杂，且光斑质量难以保障。

[0044] 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申
请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

[0045] 在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示
或暗示所指的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
为对本申请的限制。

[0046] 此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、
“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术
语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0047] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一
体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可
以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域
的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0048] 在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间
媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特
征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之
下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水
平高度小于第二特征。

[0049] 需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂
直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

[0050] 请参见图1，图1示出了一些实施例中激光加工装置10的结构示意图。本申请提供的激光加工装置10包括但不限于用在激光微纳制造领域，例如用在需要对三维曲面或复杂
形状的物体表面进行精准刻蚀的场景。在一些实施例中，激光加工装置10包括激光器11以
及激光聚焦系统20，激光器11用于发射激光，激光器11的类型以及激光器11发射的激光波
段不限，具体可根据对应场景的需求进行设计。激光聚焦系统20沿激光传播方向依次包括
扩束镜21、聚焦镜组22、振镜23以及场镜24，激光加工装置10还可包括用于放置被加工工件
的放置平台，激光器11发射的激光能够依次经过扩束镜21、聚焦镜组22、振镜23以及场镜24
后投射到放置平台上的被加工工件上，对被加工工件进行扫描加工。

[0051] 其中，扩束镜21可包括一片或多片具有光焦度的透镜，能够对激光进行准直和/或扩束作用，调整激光的均匀性和口径。聚焦镜组22的至少部分能够沿光轴移动，以实现光学
调焦功能，即改变激光聚焦系统20的焦距和工作距离，从而改变激光在场镜24的轴线方向
(以下称Z轴方向)上的聚焦位置，以适应被加工工件表面在Z轴方向上的不同加工位置。振
镜23能够通过转动调整激光经振镜23反射后的出射角度，从而调整激光在垂直于场镜24的
轴线的平面上两个相互垂直的方向(以下称X轴方向和Y轴方向)上的聚焦位置。场镜24能够
将激光调节并会聚到被加工工件的表面，提升光斑质量，从而提升加工质量。可以理解的
是，聚焦镜组22对激光在Z轴方向上的聚焦位置的调节，以及振镜23对激光在X轴方向和Y轴
方向上的聚焦位置的调节相配合，能够实现对被加工工件的三维扫描效果。

[0052] 进一步地，结合图2和图3所示，在一些实施例中，聚焦镜组22沿激光传播方向依次包括具有负光焦度的第一透镜L1、具有正光焦度的第二透镜L2以及具有正光焦度的第三透
镜L3，第一透镜L1的物侧面和像侧面均为凹面，第二透镜L2的像侧面为凸面，第三透镜L3的
物侧面为凸面。场镜24沿激光传播方向依次包括具有负光焦度的第四透镜L4、具有负光焦
度的第五透镜L5、具有正光焦度的第六透镜L6、具有正光焦度的第七透镜L7以及具有正光
焦度的第八透镜L8，第四透镜L4的物侧面为凹面，像侧面为凸面，第五透镜L5的物侧面为凹
面，第六透镜L6的物侧面为凹面，像侧面为凸面，第七透镜L7的像侧面为凸面。

[0053] 上述激光聚焦系统20，各透镜的光焦度和面型设计能够形成良好的配合，有效减小激光聚焦系统20的远心角，提升工作面各个位置的光斑圆度一致性，从而有利于提升激
光聚焦系统20的光斑质量，提升采用激光聚焦系统20进行扫描加工的加工质量。具体而言，
第一透镜L1的负光焦度以及双凹面型相配合，能够发散激光，调整激光束的传播角度，使得
激光束进入后续透镜前有更合适的发散状态，有利于后续透镜的精确聚焦。第二透镜L2的
光焦度和面型设计，能够对光线进行初步聚焦，配合第三透镜L3的光焦度和面型设计，能够
实现高精度的聚焦效果，提升激光加工的精度和效率。第四透镜L4的负光焦度和凹凸面型
设计，配合第五透镜L5的负光焦度和面型设计，能够对激光束进行发散，提升激光束的覆盖
范围，满足不同加工区域大小的需求。第六透镜L6、第七透镜L7以及第八透镜L8的光焦度和
面型设计相配合，有利于对激光束进行汇聚，以将激光束投射到被加工工件上形成光斑，同
时有利于对光斑进行优化，提升光板质量，使得光斑形状、能量密度和均匀性等参数能够满
足激光加工要求。

[0054] 同时，各透镜的良好配合还有利于降低同等工作距离变化时聚焦镜组22移动对焦部分的移动行程，从而提升激光聚焦系统20的光学杠杆，有利于降低激光聚焦系统20的对
焦设置的占用空间和成本，例如降低第一透镜L1的对焦移动行程的占用空间，以及用于驱
动第一透镜L1移动的驱动元件的重量和体积。

[0055] 另外，在上述的激光聚焦系统20中，将聚焦镜组22和场镜24作为一个光学系统进行设计和仿真，使得聚焦镜组22和场镜24之间能够形成良好的配合，共同实现调焦功能以
及提升光斑质量的效果。由此，相对于传统的将聚焦镜组和场镜分别设计，聚焦镜组的调焦
功能与场镜对光斑的调节功能相对独立的激光聚焦系统而言，当将聚焦镜组22和场镜24装
配到激光加工装置10上时，聚焦镜组22和场镜24之间的配合更加紧密协调，有利于降低校
准的复杂度和难度，简化激光聚焦系统20的调试过程。

[0056] 在一些实施例中，第一透镜L1能够相对第二透镜L2沿光轴移动以实现激光聚焦系统20的调焦功能，第一透镜L1的移动对焦可通过音圈马达等任意适用的驱动机构实现。通
过驱使位于聚焦镜组22的最前端且具有负光焦度的第一透镜L1移动实现激光聚焦系统20
的调焦功能，配合激光聚焦系统20各透镜的光焦度和面型设计对激光束的调节作用，能够
激光聚焦系统20在不同的工作距离状态下均能够具有良好的光斑之类，有利于提升激光加
工质量，同时也有利于增大激光聚焦系统20的光学杠杆，有利于降低激光聚焦系统20的设
置的占用空间和成本，并提升激光束的扫描范围，满足不同尺寸被加工工件的扫描需求。

[0057] 例如，在一些实施例中，第一透镜L1沿光轴的最大移动行程为4mm，激光聚焦系统20的工作距离为206.07mm‑246.07mm，则激光聚焦系统20的光学杠杆为1：10，在同等工作距
离的变化下能够有效压缩第一透镜L1的移动行程。在图3中，从上到下分别示出了聚焦镜组
22三种不同的焦距状态的光路示意图，其中，第二种状态相对于第一种状态而言，第一透镜
L1沿光轴朝远离第二透镜L2的方向移动了2mm，工作距离减小了20mm，第三种状态相对于第
一种状态而言，第一透镜L1沿光轴朝靠近第二透镜L2的方向移动了2mm，工作距离增大了
20mm。可见，在第一透镜L1相对第二透镜L2的移动行程为±2mm时，能够实现工作距离±
20mm的变化范围，有效提升激光聚焦系统20的光学杠杆。

[0058] 在一些实施例中，第二透镜L2的物侧面为凸面，第五透镜L5的像侧面为凸面，第七透镜L7的物侧面为凹面，第八透镜L8的物侧面和像侧面均为凸面。配合各透镜的其他光焦
度和面型设计，有利于提升光斑的质量，使得激光聚焦系统20在不同的工作距离状态下均
具有良好的加工质量。

[0059] 在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：0.25≤|R11/R12|≤0.37；其中，R11为第一透镜L1的物侧面的曲率半径，R12为第一透镜L1的像侧面的曲率半径。例如，|
R11/R12|可以为0.25、0.27、0.29、0.33、0.35及0.37。满足上述条件式时，能够合理配置第
一透镜L1的物侧面和像侧面的曲率半径之比，从而合理控制光线经过第一透镜L1的发散程
度，有利于平衡各项像差，提升聚焦光斑的质量。

[0060] 在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：1.4≤|R31/R22|≤1.9；其中，R22为第二透镜L2的像侧面的曲率半径，R31为第三透镜L3的物侧面的曲率半径。例如，|R31/
R22|可以为：1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。满足上述条件式时，能够合理配置第三透镜L3的
物侧面与第二透镜L2的像侧面的曲率半径之比，从而合理控制光线在第二透镜L2和第三透
镜L3之间的过渡，有利于提升光斑质量和聚焦的准确性。

[0061] 在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：0.45≤|R41/R42|≤0.6；其中，R41为第四透镜L4的物侧面的曲率半径，R42为第四透镜L4的像侧面的曲率半径。例如，|R41/
R42|可以为：0.45、0.5、0.54、0.59或0.6。满足上述条件式时，能够合理配置第四透镜L4的
物侧面和像侧面的曲率半径的比值，有利于合理控制光线在第四透镜L4的发散程度，有利
于平衡场曲、像散的像差，从而提升有利于提升光斑的均匀性，提升激光加工的一致性和可
靠性。

[0062] 在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：1.2≤D45/CT4≤1.9；其中，D45为第四透镜L4的像侧面至第五透镜L5的物侧面在光轴上的距离，CT4为第四透镜L4在光轴上
的厚度。例如，D45/CT4可以为：1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8或1.9。满足上述条件式时，
能够合理配置激光束在第四透镜L4的发散角度以及在第四透镜L4和第五透镜L5之间发散
的空间距离，有利于合理控制光线的发散程度，并校正场曲等像差，提升光斑的均匀度，从
而有利于提升激光加工质量。

[0063] 在一些实施例中，激光聚焦系统20还包括光阑，光阑设于第一透镜L1的入光侧，设置光阑有利于限制进入激光聚焦系统20的激光束横截面大小，控制光束的能量和功率密
度，以适应不同的加工需求。在一些实施例中，激光聚焦系统20还包括设于第八透镜L8的出
光侧的透光保护元件25，透光保护元件25包括但不限于为玻璃平板等，设置透光保护元件
25能够对场镜24提供保护作用，使得场镜24免受灰尘、划伤和其他环境因素的影响。

[0064] 在一些实施例中，各透镜的物侧面和像侧面均为球面，即各透镜的物侧面和像侧面各处的曲率半径相等，当然，在另一些实施例中，各透镜的物侧面和像侧面也可均为非球
面，或者为球面和非球面的组合。各透镜的材质包括但不限于为玻璃或塑料等任意适用材
料。

[0065] 在一些实施例中，激光聚焦系统20的各项参数由以下表1给出，其中，各透镜的第一行对应透镜的入光面，第二行对应透镜的出光面。

[0066] 表1

[0067]

[0068] 根据表1所示，在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：‑20mm≤R11≤‑15mm；54mm≤R12≤58mm；202mm≤R21≤205mm；‑58mm≤R22≤‑50mm；85mm≤R31≤95mm；45mm
≤R41≤52mm；‑100mm≤R42≤‑88mm；‑158mm≤R51≤‑151mm；‑490mm≤R52≤‑475mm；‑172mm
≤R61≤‑165mm；‑124mm≤R62≤‑108mm；‑418mm≤R71≤‑403mm；‑127mm≤R72≤‑118mm；
890mm≤R81≤895mm；‑527mm≤R82≤‑518mm；其中，R21为第二透镜L2的物侧面的曲率半径，
R51为第五透镜L5的物侧面的曲率半径，R52为第五透镜L5的像侧面的曲率半径，R61为第六
透镜L6的物侧面的曲率半径，R62为第六透镜L6的像侧面的曲率半径，R71为第七透镜L7的
物侧面的曲率半径，R72为第七透镜L7的像侧面的曲率半径，R81为第八透镜L8的物侧面的
曲率半径，R82为第八透镜L8的像侧面的曲率半径。满足上述条件式时，能够合理设计各透
镜的物侧面和像侧面的曲率半径，使得各透镜良好的配合，能够有效提升光斑质量，从而提
升激光加工质量。

[0069] 根据表1所示，在一些实施例中，激光聚焦系统20满足条件式：1.3≤Nd1≤1.7；1.1≤Nd2≤1.5；1.5≤Nd3≤1.9；1.4≤Nd4≤1.8；1.3≤Nd5≤1.7；1.5≤Nd6≤1.9；1.8≤Nd7≤
2.2；1.5≤Nd8≤1.9；77≤Vd1≤83；66≤Vd2≤72；54≤Vd3≤60；69≤Vd4≤74；28≤Vd5≤
34；24≤Vd6≤30；13≤Vd7≤19；29≤Vd8≤35；其中，Nd1为第一透镜L1的折射率，Nd2为第二
透镜L2的折射率，Nd3为第三透镜L3的折射率，Nd4为第四透镜L4的折射率，Nd5为第五透镜
L5的折射率，Nd6为第六透镜L6的折射率，Nd7为第七透镜L7的折射率，Nd8为第八透镜L8的
折射率，Vd1为第一透镜L1的阿贝数，Vd2为第二透镜L2的阿贝数，Vd3为第三透镜L3的阿贝
数，Vd4为第四透镜L4的阿贝数，Vd5为第五透镜L5的阿贝数，Vd6为第六透镜L6的阿贝数，
Vd7为第七透镜L7的阿贝数，Vd8为第八透镜L8的阿贝数。满足上述条件式时，各透镜的折射
率和阿贝数能够得到合理配置，有利于校正色差、球差、慧差等各项像差，提升光斑质量，同
时也有利于适应对应的激光波长，例如，当激光加工装置10采用近红外波段进行激光加工
时，通过对各透镜的合理配置，使得激光聚焦系统20能够对近红外波段提供良好的光斑质
量，例如对波长为1064nm的近红外光提供良好的光斑质量，从而提升激光加工的质量。

[0070] 在一些实施例中，场镜24的焦距为167mm，能够有效将来自聚焦镜组22和振镜23的激光会聚到被加工工件上，满足扫描需求。在一些实施例中，激光聚焦系统20的入瞳直径为
5mm，最大工作范围为80mm(X轴方向)*80mm(Y轴方向)*40mm(Z轴方向)，第一透镜L1沿光轴
的最大调焦行程为4mm，通过有效增大激光聚焦系统20的光学杠杆，能够通过第一透镜L1较
小的调焦行程实现较大范围得工作距离，满足不同深度的扫描需求，提升激光聚焦系统20
的变焦能力和灵活性。激光聚焦系统20的聚焦光斑直径小于35um，能够满足激光扫描所需
的直径和能量。

[0071] 结合图4、图5和图6所示，图4从左到右分别示出了激光聚焦系统20在工作距离为226.07mm、206.07mm以及246.07mm时的远心角图，由图4可以看出，在整个扫描场范围内远
心角最大为1°，能够提升边缘和中间的加工效果的一致性，从而有利于提升激光加工精度
和加工质量。图5从左到右分别示出了激光聚焦系统20在工作距离为226.07mm、206.07mm以
及246.07mm时的圆度图，由图5可以看出，当工作距离为226.07mm时，聚焦光斑圆度介于
0.985至1.015；工作距离为206.07mm和246.07mm时，聚焦光斑圆度介于0.95至1.05，三维扫
描场内聚焦光斑圆度变化量在5％以内，具有良好的光斑质量。图6从左至右分别为激光聚
焦系统20在工作距离为226.07mm、206.07mm以及246.07mm时的光斑直径图，由图6可以看
出，聚焦光斑直径满足以下表2的数据，聚焦光斑直径变化量小于1.4um，加工一致性良好。

[0072] 表2

[0073]工作距离/mm 226.07 206.07 246.07
扫描场内切圆最小光斑直径/μm 32.38 33.36 32.31
扫描场内切圆最大光斑直径/μm 33.08 34.68 33.56
光斑直径最大变化量/μm 0.70 1.32 1.25

[0074] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0075] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护
范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。