CN101881875B - f-theta光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种f-theta光学镜头，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜为双凹型透镜，第二透镜为弯月型透镜，且曲面均向着光线入射方向弯曲，第三透镜为双凸型透镜，该镜头的焦距为160mm，入瞳直径为12mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其中2ω＝50°，加工面积为100*100mm2。本发明的f-theta光学镜头整体结构非常紧凑，加工聚焦光斑小、能量更加集中，可在某些要求加工出来的效果超精细的特殊材料上进行打标或刻划，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，特别是关于一种应用于紫外激光的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，一种传统的激光应用f-theta光学镜头系统的结构如图1所示。有一些材料用以往常用的激光波长λ＝1064nm或者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或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(瑞利斑)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的光学镜头耐，使用激光波长λ＝355nm时，其瑞利斑直径比用1064nm或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，而且由于短波加工能量更加集中，对加上区热影响微乎其微等，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。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种整体结构紧凑的f-theta光学镜头。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种f-theta光学镜头，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜为双凹型透镜，第二透镜为弯月型透镜，且曲面均向着光线入射方向弯曲，第三透镜为双凸型透镜，该镜头的焦距为160mm，入瞳直径为12mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其中2ω＝50°，加工面积为100*100mm2。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料的折射率为Nd1，阿贝数为Vd1，所述的R1为-35mm，R2为340mm，Nd1:Vd1为1.5/70，d1为3mm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料为Nd3(折射率):Vd3(阿贝数)，所述的R3为-120mm，R4为-55mm，Nd3:Vd3为1.6/41，d3为6mm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，其材料为Nd5(折射率):Vd5(阿贝数)，所述的R5为350mm，R6为-60mm，Nd5:Vd5为1.6/41，d5为12mm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，所述的d2为4mm，d4为0.1mm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第三透镜与成像面之间进一步设置保护镜，该保护镜为双平板透镜，其包括平面S7，S8，该保护镜光轴上的中心厚度为3mm，所述的平面S7的材料为Nd7(折射率):Vd7(阿贝数)，Nd7:Vd7为1.5/70。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的第三透镜与保护镜在光轴上的间距为2mm。
本发明解决进一步技术问题的方案是：所述的曲面曲率半径，曲面间隔以及材料参数的修正范围为±5％。
本发明的f-theta光学镜头整体结构非常紧凑，加工聚焦光斑小、能量更加集中，可在某些要求加工出来的效果超精细的特殊材料上进行打标或刻划，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f-theta光学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。
附图说明
图1是一种现有技术中的f-theta光学镜头的结构示意图。
图2是本发明的f-theta光学镜头的光学系统结构示意图。
图3为本发明的f-theta光学镜头一较佳实施例中的弥散斑图。
图4为本发明的f-theta光学镜头一较佳实施例中的像散、场曲、畸变图。
图5为本发明的f-theta光学镜头一较佳实施例中的光学传递函数MTF图。
具体实施方式
以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
鉴于能有高透过率的紫外光学材料，只有熔石英和少数几种轻火石玻璃材料，而且它们的折射率都很低，势必造成所有透镜半径变小，从而造成了像差不易校正，特别是高级像差难以控制，虽然可以通过增加透镜数量来减轻这种困难，然而这样又会增加光学镜头的体积，而减小光束的透过率，为此，我们在像差校正中采用了高级像差相互补偿的概念，从而得到了较好的效果。
请参照图2，本发明提供一种f-theta光学镜头，其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜L1，第二透镜L2，以及第三透镜L3。其中所述的第一透镜L1为双凹型透镜，第二透镜L2为弯月型透镜，且曲面均向着光线入射方向弯曲，第三透镜L3为双凸型透镜。
所述的第一透镜L1包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料的折射率为Nd1，阿贝数为Vd1；第二透镜L2包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，材料为Nd3:Vd3；第三透镜L3包括曲率半径分别为R5，R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，材料为Nd5:Vd5。
所述的第三透镜L3与成像面L4之间进一步设置保护镜L5，该保护镜L5为双平板透镜，其包括平面S7，S8，该保护镜L5光轴上的中心厚度为d8，所述的平面S7的材料为Nd7:Vd7。
第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间距为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间距为d4，第三透镜L3与成像面L4在光轴上的间距为d6，所述的第三透镜L3与保护镜L5在光轴上的间距为d7。
本发明的f-theta光学镜头的具体数据参数分别如下所示，其中：
f＝160mm D＝12mm 2ω＝50°
A＝100*100mm2 2λ＝355nm
其中f为镜头的焦距，D为入瞳直径，λ为波长，2ω为视场角，A为加工面积。
| 曲面 | 曲率半径R(mm) | 曲面间隔d(mm) | 材料Nd/Vd |
| S1 | -35 | d1＝3 | 1.5/70 |
| S2 | 340 | d2＝4 | |
| S3 | -120 | d3＝6 | 1.6/41 |
| S4 | -55 | d4＝0.1 | |
| S5 | 350 | d5＝12 | 1.6/41 |
| S6 | -60 | ||
| S7 | 0 | d7＝2 | 1.5/70 |
| S8 | 0 | d8＝3 |
上表中，本发明的f-theta光学镜头的曲面曲率半径，曲面间隔以及材料参数在±5％内均可以解决上述实施例要解决的技术问题，达到同样的技术效果，其具体描述如下：
1)曲面曲率半径R1-R6 ΔR1-6≤±5％(R1-R6)
2)d1-d5 Δd1-5≤±5％(d1-d5)
3)Nd1/Vd1-Nd5/Vd5 ΔNd1-5/ΔVd1-5≤±5％(Nd1-5/Vd1-5)
本发明的f-theta光学镜头的弥散斑图如图3所示，像散、场曲以及畸变图如图4所示，光学传递函数MTF图如图5所示。
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。
本发明的f-theta光学镜头整体结构非常紧凑，加工聚焦光斑小、能量更加集中，可在某些要求加工出来的效果超精细的特殊材料上进行打标或刻划，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f-theta光学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。
Claims (4)
1.一种f-theta光学镜头，其特征在于：其包括沿入射光线传输方向设置的第一透镜，第二透镜，以及第三透镜，其中所述的第一透镜为双凹型透镜，第二透镜为弯月型透镜，且曲面均向着光线入射方向弯曲，第三透镜为双凸型透镜，该镜头的焦距为160mm，入瞳直径为12mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其中2ω＝50°，加工面积为100*100mm2；
所述的第一透镜包括曲率半径分别为R1、R2的两个曲面S1、S2，其光轴上的中心厚度d1，其材料的折射率为Nd1，阿贝数为Vd1，所述的R1为-35mm，R2为340mm，Nd1:Vd1为1.5/70，d1为3mm；
所述的第二透镜包括曲率半径分别为R3、R4的两个曲面S3、S4，其光轴上的中心厚度d3，其材料的折射率为Nd3，阿贝数为Vd3，所述的R3为-120mm，R4为-55mm，Nd3:Vd3为1.6/41，d3为6mm；
所述的第三透镜包括曲率半径分别为R5、R6的两个曲面S5、S6，其光轴上的中心厚度d5，其材料的折射率为Nd5，阿贝数为Vd5，所述的R5为350mm，R6为-60mm，Nd5:Vd5为1.6/41，d5为12mm；
第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4，所述的d2为4mm，d4为0.1mm。
2.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于：所述的第三透镜与成像面之间进一步设置保护镜，该保护镜为双平板透镜，其包括平面S7，S8，该保护镜光轴上的中心厚度为3mm，所述的平面S7的材料的折射率为Nd7，阿贝数为Vd7，Nd7:Vd7为1.5/70。
3.根据权利要求2所述的f-theta光学镜头，其特征在于：所述的第三透镜与保护镜在光轴上的间距为2mm。
4.根据权利要求1所述的f-theta光学镜头，其特征在于：所述的曲面曲率半径，曲面间隔以及材料参数的修正范围为±5％。
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