CN101846790B

CN101846790B - 一种紫外激光应用的光学镜头

Info

Publication number: CN101846790B
Application number: CN2010101986838A
Authority: CN
Inventors: 李家英; 周朝明; 高云峰
Original assignee: Shenzhen Hans Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: CN101846790A

Abstract

一种紫外激光应用的f-theta光学镜头，包括：位于光束的入射方向依序排列的第一、第二、第三、第四透镜，其中，第一透镜为双凹型透镜；第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第三透镜为平凸型透镜；第四透镜为双凸型透镜；其中，本光学镜头用于镜头的视场角为50°、焦距为100mm、波长为355nm的紫外激光、加工范围为50mm*50mm加工区域。本发明本紫外激光经该镜头聚焦光斑小、能量集中，可在某些加工出来的效果超精细的特殊材料上进行打标或刻划。

Description

一种紫外激光应用的光学镜头

【技术领域】

本发明涉及一种紫外激光应用的f-theta光学镜头。

【背景技术】

随着激光加工的不断发展，需要加工的介质品种日益增加，要求加工出来的效果也越来越精细，尤其是一些特殊材料，它们对激光的波长都有不同的要求。有一些材料用以往常用的激光波长λ＝1064nm、532nm已不能满足这些介质的加工要求；还有一些材料是即使能用波长为1064nm、532nm的激光来加工，但为了达到更加精细、清晰的效果，还是改用短波紫外激光加工，这是因为其聚焦光斑极小，如下式所示：

瑞利斑直径δ＝2.44λf/D

由上式可以看出，在使用相同的f/D的光学镜头时，使用激光波长λ＝355nm时，其瑞利斑直径比用1064nm、532nm波长的激光更小至1/3-1/1.5。。所以无论是切割、划线，效果会更精细。而且还由于短波加工能量更加集中，加工热影响区微乎其微等，因此用紫外激光加工会有更高的工作效率，应用也越来越广泛。目前紫外激光加工主要是用于超精细打标、特殊材料打标及刻划等。如在食品、医药包装材料上打标、打微孔(孔径d≤10μm)；在柔性PCB板上打标，划片；对金属或非金属镀层去除；在硅晶圆片上进行微孔、盲孔加工等。

图1是一种典型的fθ(即：f-theta)镜光学系统，光束顺次经两块绕x轴和y轴转动的振镜1、2，最后通过fθ镜3聚焦在成像面4上，由振镜扫描形成图像。fθ镜头3是一种平像场的镜头，在打标时，要求在成像面上像高η与X振镜1和Y振镜2的扫描角度θ成线性关系，即：η＝f·θ(Sr)。其中，f为fθ镜头3的焦距，θ为振镜的扫描角度(单位为弧度)。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种紫外激光应用的f-theta光学镜头，旨在解决现有镜头影响紫外激光聚焦，加工而成的产品不够精细、清晰的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种紫外激光应用的f-theta光学镜头，包括：位于光束的入射方向依序排列的第一、第二、第三、第四透镜，其中，第一透镜为双凹型透镜；第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第三透镜为平凸型透镜；第四透镜为凸平型透镜；其中，本光学镜头用于镜头的视场角为50°、焦距为80mm、波长为355nm的紫外激光、加工范围为50mm²*50mm²加工区域。

其中，所述镜头的入瞳直径为12mm。

其中，所述第一透镜的两个曲面S1、S2曲率半径分别为R1＝-27mm、R2＝430mm，其光轴上的中心厚度d1＝2mm；第二透镜的两个曲面S3、S4曲率半径分别为R3＝-63mm、R4＝-43mm，其光轴上的中心厚度d3＝6mm；第三透镜两个曲面S5、S6曲率半径分别为R5＝0mm、R6＝-50mm，其光轴上的中心厚度d5＝15mm，第四透镜两个曲面S7、S8曲率半径分别为R7＝110mm、R8＝0mm，其光轴上的中心厚度d7＝9mm，其中，所有透镜曲率半径的公差范围为5％。

其中，所述第一透镜的材料为Nd1∶Vd1为1.5/70，所述第二透镜的材料为Nd3∶Vd3为1.6/41，所述第三透镜的材料为Nd5∶Vd5为1.6/41，所述第四透镜的材料为Nd7∶Vd7为1.6/41，其公差范围为5％。

其中，所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔为5mm，其公差范围为5％。

其中，第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔为d4＝0.5mm，其公差范围为5％。

其中，第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔为d6＝0.5mm，其公差范围为5％。

本紫外激光经该镜头聚焦光斑小、能量集中，可在某些加工出来的效果超精细的特殊材料上进行打标或刻划，且由于用紫外激光加工聚焦光斑小、能量更加集中，加工热影响区微乎其微等，因此用紫外激光加工会有更高的工作效率，使得加工效果更精细、清晰，应用也越来越广泛。

【附图说明】

下面参照附图结合实例对本发明作进一步的描述：

图1是一种典型的激光应用fθ镜头光学系统；

图2是本发明光学镜头的结构示意图；

图3为本发明镜头较佳实施例中的弥散斑图；

图4为本发明镜头较佳实施例中的像散、场曲、畸变图；

图5为本发明镜头较佳实施例中的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

如图2所示为本发明光学镜头的结构示意图，本发明主要有四个透镜构成，所述四个透镜根据光线的入射光线方向依次排序为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4，所述第一透镜L1为双凹型透镜；第二透镜L2为弯月型透镜，且曲面向着光线入射方向弯曲；第三透镜L3为平凸型透镜，第四透镜L4为双凸型透镜。以上透镜组构成实际系统时，有时为了保护裸露在外的透镜或为了其它任何目的而在透镜组出光方向上任何位置增加平行平板构成的光学窗，本是实施中，在第四透镜L4的前方增加平板镜L5。

它们的具体结构及参数为：透镜L1分别由曲率半径为R1、R2的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1，材料为Nd1∶Vd1；透镜L2分别由曲率半径为R3、R4的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3∶Vd3；透镜L3分别由曲率半径为R5，R6的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5∶Vd5；透镜L4分别由曲率半径为R7、R8的两个曲面S7、S8构成，其光轴上的中心厚度d7，材料为Nd7∶Vd7；平板镜L5分别由曲率半径为R9、R10的两个曲面S9、S10构成，其光轴上的中心厚度d9，材料为Nd9∶Vd9；透镜L1与透镜L2在光轴上的间距为d2，透镜L2与透镜L3在光轴上的间距为d4，透镜L3与透镜L4在光轴上的间距为d6，透镜L4与平板镜L5在光轴上的间距为d8，平板镜L5与成像面L6在光轴上的间距为d10。

结合以上的参数，我们设计了一个镜头，其具体数据分别如下所示：

实例：

第一透镜L1分别由曲率半径为R1＝-27mm、R2＝430mm的两个曲面S1、S2构成，其光轴上的中心厚度d1＝2mm，材料为Nd1∶Vd1约为1.5/70；第二透镜L2分别由曲率半径为R3＝-63mm、R4＝-43mm的两个曲面S3、S4构成，其光轴上的中心厚度d3＝6mm，材料为Nd3∶Vd3约为1.6/41；第三透镜L3分别由曲率半径为R5＝0mm、R6＝-50mm的两个曲面S5、S6构成，其光轴上的中心厚度d5＝15mm，材料为Nd5∶Vd5约为1.6/41；第四透镜L4分别由曲率半径为R7＝110mm、R8＝0mm的两个曲面S7、S8构成，其光轴上的中心厚度d7＝9mm，材料为Nd5∶Vd5约为1.6/41；平板镜L5分别由曲率半径为R9＝0mm、R10＝0mm的两个曲面S9、S10构成，其光轴上的中心厚度d9＝3mm，材料为Nd5∶Vd5约为1.5/70；第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔为d2＝5mm，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔为d4＝0.5mm，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的距离为d6＝0.5mm；第四透镜L4与平板镜L5在光轴上的间距为d8＝5mm；平板镜L5与成像面L6在光轴上的间距为d10，d10根据实际镜头的大小而改变。

列表如下：

曲面S	曲率R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				1	-27	2	1.5/70
2	430	5
				3	-63	6	1.6/41
4	-43	0.5
				5	0	15	1.6/41
6	-50	0.5
				7	110	9	1.6/41
8	0	5
				9	0	3	1.5/70
10	0

根据上表，可得出数据如下：

f＝80mm D＝12mm A＝50*50mm²

2ω＝50° λ＝355nm

其中f为本光学镜头的焦距，D为入瞳直径，λ为波长，

2ω为视场角，A为加工面积。

本实施例的参数范围如下：

1)R1-R10 ΔR1-10≤±5％(R1-R10)

2)d1-d10 Δd1-10≤±5％(d1-d10)

3)Nd1/Vd1-Nd10/Vd10

ΔNd_1-10/ΔVd_1-10≤±5％(Nd_1-10/Vd_1-10)

该镜头整体结构非常紧凑，使平象场要求得到满足，所有像差的校正都几乎达到了理想分辨率。而且当光学参数与λ＝532nm相同的情况下，该UV镜头的结构和大小基本与之一致，且最后成像结果也基本相同，均能达到理想的使用效果。更重要的是，它还是一个近远心系统，这样可以保证所有工作面上的加工点均是主光线与加工面基本垂直的图点。图3为本发明扩束系统较佳实施例中的弥散斑图，表明成像质量很高；图4为本发明扩束系统较佳实施例中的球差图，已经校正到最佳状态；图5为本发明扩束系统较佳实施例中的光学传递函数MTF图，表明该扩束系统的分辨率极高，已经达到理想状态。

Claims

1.一种紫外激光应用的光学镜头，包括：位于光束的入射方向依序排列的第一、第二、第三、第四透镜，其中，第一透镜为双凹型透镜；第二透镜为弯月型透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第三透镜为平凸型透镜；第四透镜为凸平型透镜；其特征在于：所述第一透镜的两个曲面S1、S2曲率半径分别为R1＝-27mm、R2＝430mm，其光轴上的中心厚度d1＝2mm；第二透镜的两个曲面S3、S4曲率半径分别为R3＝-63mm、R4＝-43mm，其光轴上的中心厚度d3＝6mm；第三透镜两个曲面S5、S6曲率半径分别为R5＝0mm、R6＝-50mm，其光轴上的中心厚度d5＝15mm，第四透镜两个曲面S7、S8曲率半径分别为R7＝110mm、R8＝0mm，其光轴上的中心厚度d7＝9mm，其中，所有透镜曲率半径的公差范围为5％；所述的光学镜头用于镜头的视场角为50°、焦距为80mm、波长为355nm的紫外激光、加工范围为50mm*50mm加工区域。

2.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：在第四透镜的前方还设有一平板镜。

3.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：所述镜头的入瞳直径为12mm。

4.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：所述第一透镜的材料为Nd1∶Vd1为1.5/70，所述第二透镜的材料为Nd3∶Vd3为1.6/41，所述第三透镜的材料为Nd5∶Vd5为1.6/41，所述第四透镜的材料为Nd7∶Vd7为1.6/41，其公差范围为5％。

5.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：所述第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔为5mm，其公差范围为5％。

6.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔为d4＝0.5mm，其公差范围为5％。

7.如权利要求1所述的光学镜头，其特征在于：第三透镜与第四透镜在光轴上的间隔为d6＝0.5mm，其公差范围为5％。