CN101881889B

CN101881889B - 一种光学整形系统

Info

Publication number: CN101881889B
Application number: CN 201010202401
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: 2010-06-13
Filing date: 2010-06-13
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-06-13
Also published as: CN101881889A

Abstract

一种光学整形系统，包括：激光整形加工系统和激光成像监控系统，所述激光加工整形系统包括整形扩束镜和整形聚焦镜，所述整形扩束镜包括由光线的入射光线方向依次排列的第一、第二、第三透镜，所述整形扩束镜的扩束倍数为8X；所述整形聚焦镜包括由光线的入射光线方向依次排序的第四、第五、第六透镜，所述整形聚焦镜的焦距为25mm；所述激光成像监控系统包括CCD系统，其监控范围为0.8×0.8mm²。利用这种原理设计出来的光学系统加工出来的线条就会如图4所示，是一整齐的线条，而且线条的中心与边缘都有相同的能量。具有这种功能的光学系统——将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束称为光束整形系统。

Description

一种光学整形系统

【技术领域】

本发明涉及一种紫外激光应用的光学整形系统。

【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。所以应用UV紫外激光来进行激光加工就越来越广泛。由于其聚焦光斑极小，且加工热影响区微乎其微等，因此用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。

除了常用的激光波长λ＝1064nm，λ＝532nm外，目前正在兴起的一种新的紫外激光λ＝355nm，它除了可适应某些特殊介质的放大吸收外，还因这种短波的激光比起1064nm、532nm波长的有更小的弥散圆和更高的分辨率，如下式所示：

瑞利斑直径δ＝2.44λf/D

由上式可以看出，当光学系统的参数f/D相同时，用λ＝355nm波长的瑞利斑直径比用1064nm、532nm波长的激光更小至1/3-1/1.5。这样，工件加工的效果会更精细、清晰，效率更高。

【发明内容】

本发明目的在于提供一种紫外激光应用的光学整形系统，通过利用紫外激光进行加工时，将高斯分布的光场变换为均匀分布的“高帽型”光场，使得加工出来的线条中心和边缘的能量分布更均匀。

本发明实施例是这样实现的，一种光学整形系统，包括：激光整形加工系统和激光成像监控系统，所述激光加工整形系统包括整形扩束镜和整形聚焦镜，所述整形扩束镜包括由光线的入射光线方向依次排列的第一、第二、第三透镜，所述第一透镜为双凹型透镜，所述第二透镜为弯月型头奖，其曲面背向着光线入射方向弯曲，所述第三透镜为弯月型透镜，其曲面向着光线入射方向弯曲，所述整形扩束镜的扩束倍数为8X；所述整形聚焦镜包括由光线的入射光线方向依次排序的第四、第五、第六透镜，所述第四透镜为双凸型透镜，所述第五透镜为弯月型透镜，其曲面背向着光线入射方向弯曲，第六透镜为双凹型透镜，所述整形聚焦镜的焦距为25mm；所述激光成像监控系统包括CCD系统，其监控范围为0.8*0.8mm²。

其中，第一透镜分别由曲率半径为R1＝-26mm、R2＝6mm的两个曲面S1、S2构成；第二透镜分别由曲率半径为R3＝20mm、R4＝＝21mm的两个曲面S3、S4构成；第三透镜分别由曲率半径为R5＝-62mm、R6＝-17mm的两个曲面S5、S6构成，所述曲率半径的公差范围为5％。

其中，第一透镜在光轴上的中心厚度d1＝1mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第二透镜在光轴上的中心厚度d3＝1.5mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第三透镜在轴上的中心厚度d5＝2mm，材料为为Nd1∶Vd1＝1.46/68，所述中心厚度与材料Nd1∶Vd1的公差范围为5％。

其中，第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2＝21mm，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4＝0.8mm，所述间距的公差范围为5％。

其中，第四透镜分别由曲率半径为R7＝17mm、R8＝-27mm的两个曲面S7、S8构成；第五透镜分别由曲率半径为R9＝14mm、R10＝30mm的两个曲面S9、S10构成；第六透镜分别由曲率半径为R11＝-27mm、R12＝36mm的两个曲面S11、S12构成，所述曲率半径的公差范围为5％

其中，第四透镜在光轴上的中心厚度d7＝2.8mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第五透镜在光轴上的中心厚度d9＝2mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第六透镜在光轴上的中心厚度d11＝1mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68，所述中心厚度与材料Nd1∶Vd1的公差范围为5％。

其中，第四透镜与第五透镜在光轴上的间距为d8＝0.2mm，第五透镜L5与第六透镜L6在光轴上的间距为d10＝1.4mm，所述间距的公差范围为5％。

利用这种原理设计出来的光学系统加工出来的线条就会如图4所示，是一整齐的线条，而且线条的中心与边缘都有相同的能量。具有这种功能的光学系统---将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束称为光束整形系统。

【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为紫外激光的激光束的“高斯”规律分布图；

图2为紫外激光的光学系统的加工效果图；

图3为紫外激光的激光束的“高帽型”分布图；

图4为紫外激光的加工线条的加工效果图；

图5本发明整套光学系统的结构示意图；

图6整形扩束镜的结构示意图；

图7整形聚焦镜的结构示意图；

图8本发明其中的整形加工光学系统的结构示意图；

图9本发明其中的整形加工光学系统的弥散斑图；

图10发明其中的整形加工光学系统的光学传递函数MTF图；

图11发明其中的成像监控系统的结构示意图；

图12发明其中的成像监控系统的弥散斑图；

图13发明其中的成像监控系统的光学传递函数MTF图。

【具体实施方式】

本发明公开的是一种紫外激光光场分布整形光学系统，其主要作用在于“整形”，由于所有激光束其光能的分布均是按“高斯”规律来分布的，如图1所示。按照此原理设计出来的高分辨率的光学系统其加工效果都会如图2所示：可以看出，加工出来的线条的能量分布也如高斯分布一样：中心有最高的能量，而线条的边缘逐渐暗淡下去。对于像我们上述的超精细激光加工工艺来说，这样的能量分布和加工效果并不理想，最好能得到能量的分布是均匀的，加工出来的线条的中心与边缘都有相同的能量。为此我们考虑到通常所说的将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的形式，如图3所示。

另外，为了在工作过程中对被加工的工件进行精确定位和时时观察工作情况，我们还设计了激光成像监控系统，与激光加工系统配合使用。经过几年的使用考证，质量一直保持很好，可以保证各种精细打标的需要。

在本发明中，整形加工光学系统是本发明的核心所在，下面我们对整形光学系统中的整形扩束镜和整形聚焦镜头做具体介绍.

图5是发明整套光学系统的结构示意图，本整形光学系统主要包含两大部分：激光整形加工系统和激光成像监控系统，所述激光整形加工系统由焦距为25mm的整形聚焦镜A和扩束倍数为8X的整形扩束镜B组成；所述激光成像监控系统由整形聚焦镜A、CCD系统C及其连接系统、及光源D组成。

所述整形扩束镜A如图6所示，本发明中的整形扩束镜A共有三个透镜构成，所述三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，所述第一透镜L1为双凹型透镜；所述第二透镜L2为弯月型透镜，且曲面背向着光线入射方向弯曲；所述第三透镜L3为弯月型透镜，且曲面向着光线入射方向弯曲。

所述整形扩束镜A的具体结构及参数为：第一透镜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；第二透镜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，材料也为Nd1∶Vd1；第三透镜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，材料为也为Nd1∶Vd1；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。

结合以上的参数，我们设计了一个扩束镜，其具体数据分别如下所示：实例：

β＝8X λ＝355nm

其中β为扩束倍数，λ为波长。

曲面S	曲率R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				1	-26	1	1.46/68
2	6	21
				3	20	1.5	1.46/68
4	21	0.8
				5	-62	2	1.46/68
6	-17

本发明的扩束镜的参数范围如下：

1)R1-R6 ΔR1-6≤±5％(R1-R6)

2)d1-d5 Δd1-5≤±5％(d1-d5)

3)Nd1/Vd1 ΔNd1/ΔVd1≤±5％(Nd1/Vd1)

所述整形聚焦镜头B如图7所示，本发明中的整形聚焦镜主要有三个透镜构成，所述透镜根据光线的入射光线方向依次排序为第四透镜L4、第五透镜L5、第六透镜L6，所述第四透镜L4为双凸型透镜；所述第五透镜L5为弯月型透镜，且曲面背向着光线入射方向弯曲；所述第六透镜L6为双凹型透镜；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。本专利涵盖增加在以上参数条件下增加光学窗口。

所述整形聚焦镜的具体结构及参数为：第四透镜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Nd1∶Vd1；第五透镜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，材料也为Nd1∶Vd1；第六透镜L6分别由曲率半径为R11、R12的两个曲面S11、S12构成，其光轴上的中心厚度d11，材料为也为Nd1∶Vd1；第四透镜L4与第五透镜L5在光轴上的间距为d8，第五透镜L5与第六透镜L6在光轴上的间距为d10，透镜L6到成像面L7在光轴上的间距为d12。

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：

f＝25mm D＝10mm λ＝355nm

其中f为镜头的焦距，D为入瞳直径，λ为波长。

曲面S	曲率R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				7	17	2.8	1.46/68
8	-27	0.21
				9	14	2	1.46/68
10	30	1.4
				11	-27	1	1.46/68
12	36

所述整形聚焦镜的参数范围如下：

1)R7-R12 ΔR7-12≤±5％(R7-R12)

2)d7-d11 Δd7-11≤±5％(d7-d11)

3)Nd1/Vd1 ΔNd1/ΔVd1≤±5％(Nd1/Vd1)

图8为本发明的整形加工光学系统的结构示意图；图11发明其中的成像监控系统的结构示意图。

本发明整套光学系统最后的成像质量如附图所示：

图9是整形后的光束分布的弥散斑，可以看出其边沿是非常清晰的。由设计结果可知，其光束边沿的能量已经高于光束中心的能量，这完全达到了我们要整形的效果。当刻线只有4μm时，线条的边沿是清晰整齐的。另外，成像监控系统的效果也非常清晰，对比度很高，可以对要加工的工件位置进行精确定位，并可以时时观察工作情况

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。图10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。

图11发明其中的成像监控系统的结构示意图，图12发明其中的成像监控系统的弥散斑图，图13发明其中的成像监控系统的光学传递函数MTF图，所述激光成像监控系统包括CCD系统C，其监控范围为0.8*0.8mm²。

Claims

1.一种光学整形系统，其特征在于，包括：激光整形加工系统和激光成像监控系统，所述激光加工整形系统包括整形扩束镜和整形聚焦镜，所述整形扩束镜包括由光线的入射光线方向依次排列的第一、第二、第三透镜，所述第一透镜为双凹型透镜，所述第二透镜为弯月型透镜，其曲面背向着光线入射方向弯曲，所述第三透镜为弯月型透镜，其曲面向着光线入射方向弯曲，所述整形扩束镜的扩束倍数为8X；所述整形聚焦镜包括由光线的入射光线方向依次排序的第四、第五、第六透镜，所述第四透镜为双凸型透镜，所述第五透镜为弯月型透镜，其曲面背向着光线入射方向弯曲，第六透镜为双凹型透镜，所述整形聚焦镜的焦距为25mm；所述激光成像监控系统包括CCD系统，其监控范围为0.8*0.8mm2；第一透镜分别由曲率半径为R1＝-26mm、R2＝6mm的两个曲面S1、S2构成；第二透镜分别由曲率半径为R3＝20mm、R4＝21mm的两个曲面S3、S4构成；第三透镜分别由曲率半径为R5＝-62mm、R6＝-17mm的两个曲面S5、S6构成，所述曲率半径的公差范围为5％；第一透镜在光轴上的中心厚度d1＝1mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第二透镜在光轴上的中心厚度d3＝1.5mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第三透镜在轴上的中心厚度d5＝2mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68，所述中心厚度与材料Nd1∶Vd1的公差范围为5％；第一透镜与第二透镜在光轴上的间距为d2＝21mm，第二透镜与第三透镜在光轴上的间距为d4＝0.8mm，所述间距的公差范围为5％；第四透镜分别由曲率半径为R7＝17mm、R8＝-27mm的两个曲面S7、S8构成；第五透镜分别由曲率半径为R9＝14mm、R10＝30mm的两个曲面S9、S10构成；第六透镜分别由曲率半径为R11＝-27mm、R12＝36mm的两个曲面S11、S12构成，所述曲率半径的公差范围为5％；第四透镜在光轴上的中心厚度d7＝2.8mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第五透镜在光轴上的中心厚度d9＝2mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68；第六透镜在光轴上的中心厚度d11＝1mm，材料为Nd1∶Vd1＝1.46/68，所述中心厚度与材料Nd1∶Vd1的公差范围为5％；第四透镜与第五透镜在光轴上的间距为d8＝0.2mm，第五透镜L5与第六透镜L6在光轴上的间距为d10＝1.4mm，所述间距的公差范围为5％。