CN102262282B

CN102262282B - 紫外激光聚焦镜头、激光打标机及激光刻划机

Info

Publication number: CN102262282B
Application number: CN 201010190507
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: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: CN102262282A

Abstract

本发明适用于光学镜头领域，提供了一种紫外激光聚焦镜头、激光打标机及激光刻划机，所述紫外激光聚焦镜头包括：沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜位于同一光轴上；所述第一透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为30mm，入瞳直径D为15mm。本发明通过在沿光线的入射方向依次设置弯月型透镜、双凸型透镜和弯月型透镜构成紫外激光聚焦镜头，本聚焦镜头可将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束，能量分布均匀，可实现超精细加工，加工效果更加整齐、清晰。

Description

紫外激光聚焦镜头、激光打标机及激光刻划机

技术领域

本发明属于光学镜头领域，尤其涉及一种紫外激光聚焦镜头、激光打标机及激光刻划机。

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特殊的要求。波长为1064nm或532nm的激光已不适用于某些材料的加工；还有些材料即使能用波长为1064nm或532nm的激光进行加工，但加工效果不够精细、清晰。

目前正在兴起的一种波长为355nm的紫外激光，该紫外激光可适应某些特殊介质(材料)的放大吸收。跟波长为1064nm或532nm的激光相比，波长为355nm的紫外激光有更小的弥散圆和更高的分辨率，聚焦光斑极小。

由公式δ＝2.44λf/D(其中δ为瑞利斑直径，λ为波长，f为焦距，D为入瞳距离)，可知光学系统的参数(f/D)相同时，紫外激光的瑞利斑直径仅为红外激光(λ＝1064nm)的1/3或绿色激光(λ＝532nm)的激光1/1.5。这样，紫外激光可以做到精细加工，工件加工的效果更精细、清晰，效率更高。

而紫外激光经现有镜头聚焦后，能量呈高斯分布即光束中心的能量高、边缘的能量低，分布不均匀。刻划出的线条中心较亮、边缘逐渐暗淡，极大地影响了紫外激光的加工效果。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种紫外激光聚焦镜头，旨在解决紫外激光经现有镜头聚焦后，能量分布不均匀，极大影响紫外激光加工效果的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种紫外激光聚焦镜头，包括：沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜位于同一光轴上；所述第一透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为30mm，入瞳直径D为15mm；

其中，所述第一透镜具有第一曲面S1和第二曲面S2，所述第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为-16mm，所述第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为-25mm；所述第二透镜具有第三曲面S3和第四曲面S4，所述第三曲面S3的曲率半径R3的期望值为42mm，所述第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-46mm；所述第三透镜具有第五曲面S5和第六曲面S6，所述第五曲面S5的曲率半径R5的期望值为23mm，所述第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为140mm；各曲率半径的公差均不超过各自期望值的5％。

本发明实施例的另一目的在于提供一种激光打标机，所述激光打标机具有上述紫外激光聚焦镜头。

本发明实施例的另一目的在于提供一种激光刻划机，所述激光刻划机具有上述紫外激光聚焦镜头。

本发明实施例通过在沿光线的入射方向依次设置弯月型透镜、双凸型透镜和弯月型透镜构成紫外激光聚焦镜头，本聚焦镜头可将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束，能量分布均匀，可实现超精细加工，加工效果更加整齐、清晰。

附图说明

图1是本发明实施例提供的聚焦镜头的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的聚焦镜头的弥散斑图；

图3是本发明实施例提供的聚焦镜头的能量集中度图；

图4是“高斯”光束的能量分布图；

图5是“高帽型”光束的能量分布图；

图6是紫外激光经本聚焦镜头所刻划出线条的效果图；

图7是本发明实施例提供的聚焦镜头的光学传递函数MTF图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，沿光线的入射方向依次设置弯月型透镜、双凸型透镜和弯月型透镜构成紫外激光聚焦镜头，紫外激光经本镜头聚焦能量分布均匀，可进行超精细加工，加工效果更加整齐、清晰。

本发明实施例提供的紫外激光聚焦镜头包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜位于同一光轴上；所述第一透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为30mm，入瞳直径D为15mm。

本发明实施例提供的激光打标机具有上述紫外激光聚焦镜头。

本发明实施例提供的激光刻划机具有上述紫外激光聚焦镜头。

如图1所示，本发明实施例提供的紫外激光聚焦镜头具有曲面向着光线入射方向弯曲的第一透镜1、第二透镜2和曲面背着光线入射方向弯曲的第三透镜3，该三个透镜位于同一光轴上，沿光线的入射方向依次设置。

曲面S	曲率半径R(mm)	面间隔d(mm)	材料Nd/Vd
				1	-16	4	1.46/68
2	-25	0.2
				3	42	3	1.46/68
4	-46	0.2
				5	23	2.5	1.46/68
6	140	1
				7	0	1	1.46/68
8	0

请参见上表，上表为由上述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3构成的紫外激光聚焦镜头的光学参数。

具体的，第一透镜1为具有第一曲面S1和第二曲面S2的弯月型透镜。第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为-16mm，第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为-25mm，第一曲面S1与第二曲面S2的面间隔d1即第一透镜1在光轴上的中心厚度的期望值为4mm，其中曲率半径R1、曲率半径R2以及面间隔d1的公差均不超过各自期望值的5％。

第二透镜2为具有第三曲面S3和第四曲面S4的双凸型透镜，第三曲面S3的曲率半径R3的期望值为42mm，第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-46mm，第三曲面S3与第四曲面S4的面间隔d3即第二透镜2在光轴上的中心厚度的期望值为3mm，其中曲率半径R3、曲率半径R4以及面间隔d3的公差均不超过各自期望值的5％。

第三透镜3为具有第五曲面S5和第六曲面S6的弯月型透镜，第五曲面S5的曲率半径R5的期望值为23mm，第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为140mm，第五曲面S5与第六曲面S6的面间隔d5即第三透镜3在光轴上的中心厚度的期望值为2.5mm，其中曲率半径R5、曲率半径R6以及面间隔d5的公差均不超过各自期望值的5％。

在本发明实施例中，上述第一透镜1和第三透镜3均为弯月型厚透镜，增长了本聚焦镜头的工作距离，其后工作距离1h′≈0.96f，几乎与焦距f相同，比现有镜头的后工作距离增长了20％以上，大大减少了加工过程中产生的残余物飞溅至透镜的几率，起到了很好的防护作用。

应当理解，上述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3构成实际系统时，为了保护裸露在外的透镜或为了其它任何目的可在透镜组出光方向上任何位置增加由平板透镜构成的光学窗口。

本发明实施例中，为保护上述第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3，于第三透镜3与成像面之间设置第四透镜4。第四透镜4为具有第七曲面S7和第八曲面S8的平板透镜，第七曲面S7的曲率半径R7的期望值为0mm，第八曲面S8的曲率半径R8的期望值为0mm，第四透镜4的厚度d7的期望值为1mm。其中曲率半径R7、曲率半径R8以及厚度d7的公差均不超过各自期望值的5％。

上述四个透镜均由同一材料Nd1:Vd1制成，材料Nd1:Vd1的期望值为1.46/68(Nd1表示第一透镜1的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd1表示第一透镜1的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数)，公差不超过期望值的5％。该材料Nd1:Vd1的折射率高，对紫外激光透射率亦高，有利于提升激光利用率。

本发明实施例中，第二曲面S2与第三曲面S3的面间隔d2的期望值为0.2mm，第四曲面S4与第五曲面S5的面间隔d4的期望值为0.2mm，第六曲面S6与第七曲面S7的面间隔d6的期望值为1mm，面间隔d2、d4和d6的公差均不超过各自期望值的5％。由此可知，本聚焦镜头整体结构非常紧凑，解决现有镜头占有空间过大的问题。

上述各参数均取期望值时，所制成的镜头的焦距f为30mm，入瞳直径D为15mm，当入射激光的波长为355nm即为紫外激光时，由公式δ＝2.44λf/D可得紫外激光经本镜头形成的瑞利斑的直径δ为1732.4nm。

如图2所示，紫外激光经本镜头聚焦光斑极小，其具有平衡的像差，能量分布均匀。

图3示出了本镜头出瞳光束的能量分布正好是一个倒过来的高斯分布，与入瞳的正高斯分布正好互相补偿。本镜头将“高斯”分布的光束(图4)整形成“高帽型”分布的光束(图5)，该“高帽型”的光束能量分布均匀即光束中心的能量与边缘的相等，分辨率高，可实现超精细加工，加工效果更加整齐、清晰，如图6所示。

图7为本镜头综合成像质量评价的MTF图，当γ＝200时，还有大于0.7的结果，表示本镜头是一个非常理想的聚焦系统。

紫外激光经本镜头聚焦，无论切割还是划线，均可实现超精细加工。本聚焦镜头将广泛应用于超精细打标、特殊材料打标及刻划等。譬如，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；去除金属或非金属镀层；在硅晶圆片上进行微孔、盲孔加工等。

本发明实施例通过在沿光线的入射方向依次设置弯月型透镜、双凸型透镜和弯月型透镜构成紫外激光聚焦镜头，本聚焦镜头可将“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束，能量分布均匀，可实现超精细加工，加工效果更加整齐、清晰。同时，本聚焦镜头的后工作距离较长，可实现长距离工作，大大减少了加工过程中产生的残余物飞溅至透镜的几率，起到了很好的防护作用。此外，本聚焦镜头整体结构非常紧凑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种紫外激光聚焦镜头，包括：沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜位于同一光轴上；所述第一透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第二透镜为双凸型透镜，所述第三透镜为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为30mm，入瞳直径D为15mm；

2.如权利要求1所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述镜头的后工作距离为28.8mm。

3.如权利要求1或2所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述第一透镜在光轴上的中心厚度d1的期望值为4mm，所述第二透镜在光轴上的中心厚度d3的期望值为3mm，所述第三透镜在光轴上的中心厚度d5的期望值为2.5mm；各中心厚度的公差均不超过各自期望值的5％。

4.如权利要求3所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均由同一材料Nd1:Vd1制成，所述材料Nd1:Vd1的期望值为1.46/68，其公差不超过期望值的5％，其中Nd1表示各透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd1表示各透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数。

5.如权利要求4所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述第二曲面S2与第三曲面S3的面间隔d2的期望值为0.2mm，所述第四曲面S4与第五曲面S5的面间隔d4的期望值为0.2mm，各面间隔的公差均不超过各自期望值的5％。

6.如权利要求5所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述第三透镜与成像面之间设有第四透镜，所述第四透镜为具有第七曲面S7和第八曲面S8的平板透镜；所述第四透镜的材料Nd1:Vd1的期望值为1.46/68，其公差不超过期望值的5％；其中Nd1表示第四透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，

Vd1表示第四透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数。

7.如权利要求6所述的紫外激光聚焦镜头，其特征在于，所述第七曲面S7的曲率半径R7的期望值为0mm，所述第八曲面S8的曲率半径R8的期望值为0mm，所述第四透镜在光轴上的厚度d7的期望值为1mm，其中曲率半径R7、曲率半径R8以及厚度d7的公差均不超过各自期望值的5％。

8.一种激光打标机，其特征在于，所述激光打标机具有如权利要求1～7任一项所述的紫外激光聚焦镜头。

9.一种激光刻划机，其特征在于，所述激光刻划机具有如权利要求1～7任一项所述的紫外激光聚焦镜头。