CN102262283A

CN102262283A - 一种紫外激光聚焦镜头、激光打标机及激光刻划机

Info

Publication number: CN102262283A
Application number: CN 201010190509
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: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2030-05-31
Also published as: CN102262283B

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，所述第一透镜为双凸型透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第三透镜为凸平型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为60mm，入瞳直径D为30mm。本发明通过在沿光线的入射方向依次设置双凸型透镜、弯月型透镜和凸平型透镜构成紫外激光聚焦镜头，紫外激光经该镜头聚焦光斑小、能量集中，可进行超精细加工，加工而成的产品更加精细、清晰。

Description

一种紫外激光聚焦镜头、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，光斑较大，能量不够集中，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，所述第一透镜为双凸型透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第三透镜为凸平型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为60mm，入瞳直径D为30mm。

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双凸型透镜、弯月型透镜和凸平型透镜构成紫外激光聚焦镜头，紫外激光经该镜头聚焦光斑小、能量集中，可进行超精细加工，加工而成的产品更加精细、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球差校正图；

图4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双凸型透镜、弯月型透镜和凸平型透镜构成紫外激光聚焦镜头，紫外激光经本镜头聚焦光斑小、能量集中，可进行超精细加工。

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；所述第一透镜为双凸型透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第三透镜为凸平型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为60mm，入瞳直径D为30mm。

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第一透镜1、第二透镜2和第三透镜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)	中心厚度或间距d(mm)	材料Nd/Vd
				1	123	4	1.6/41
2	-175	2
				3	-57	2	1.5/70
4	-150	0.5
				5	44	4	1.6/41
6	0	2
				7	0	2	1.5/70
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的双凸型透镜，第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为123mm，第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为-175mm，第一透镜1在光轴上的中心厚度d1的期望值为4mm，第一透镜1的材料Nd1∶Vd1的期望值为1.6/41(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)，其中曲率半径R1、曲率半径R2、中心厚度d1以及材料Nd1∶Vd1的公差均不超过各自期望值的5％。第一透镜1的材料Nd1∶Vd1折射率高，对紫外激光透射率亦高。

第二透镜2为具有第三曲面S3和第四曲面S4的弯月型透镜，第三曲面S3的曲率半径R3的期望值为-175mm，第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-57mm，第二透镜2在光轴上的中心厚度d3的期望值为2mm，第二透镜2的材料Nd2∶Vd2的期望值为1.5/70(Nd2表示第二透镜2的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd2表示第二透镜2的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数)，其中曲率半径R3、曲率半径R4、中心厚度d3以及材料Nd2∶Vd2的公差均不超过各自期望值的5％。第二透镜2的材料Nd2∶Vd2折射率高，对紫外激光透射率亦高。

第三透镜3为具有第五曲面S5和第六曲面S6的凸平型透镜，第五曲面S5的曲率半径R5的期望值为44mm，第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为0mm，第三透镜3在光轴上的中心厚度d5的期望值为4mm，第三透镜3的材料Nd3∶Vd3的期望值为1.6/41(Nd3表示第三透镜3的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd3表示第三透镜3的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数)，其中曲率半径R5、曲率半径R6、中心厚度d5以及材料Nd3∶Vd3的公差均不超过各自期望值的5％。第三透镜3的材料Nd3∶Vd3折射率高，对紫外激光透射率亦高。

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行平板构成的光学窗口。

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在光轴上的中心厚度d7的期望值为2mm，第四透镜4的材料Nd4∶Vd4的期望值为1.5/70(Nd4表示第四透镜4的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd4表示第四透镜4的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数)，其中曲率半径R7、曲率半径R8、中心厚度d7以及材料Nd4∶Vd4的公差均不超过各自期望值的5％。第四透镜4的材料Nd4∶Vd4折射率高，对紫外激光透射率亦高。

第二曲面S2与第三曲面S3的间距d2的期望值为2mm，第四曲面S4与第五曲面S5的间距d4的期望值为0.5mm，第六曲面S6与第七曲面S7的间距d6的期望值为2mm，间距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60mm，入瞳直径D为30mm，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小、能量更加集中，可在某些特殊材料上进行打标、刻划等，做到超精细加工，加工出来的产品更加精细、清晰。从本镜头的球差校正图(图3)可看出球差已出现了5级与7级互相平衡的情况，属高级象差的平衡。由上述透镜构成的聚焦镜头具有较大的相对孔径，并能对象差进行最佳校正。图4为该镜头综合成像质量评价的MTF图，当γ＝200时，还有大于0.8的结果，表示这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，效果都会更加精细。目前紫外激光加工主要用于超精细打标、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。由于短波加工能量更加集中，加工热影响区微乎其微，用紫外激光加工工作效率更高，应用将越来越广泛。

本发明实施例通过在沿光线的入射方向依次设置双凸型透镜、弯月型透镜和凸平型透镜构成紫外激光聚焦镜头，紫外激光经该镜头聚焦光斑小、能量集中，可进行超精细加工，加工而成的产品更加精细、清晰。同时，各透镜的折射率高，对紫外激光透射率亦高。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，其特征在于，所述第一透镜为双凸型透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜，所述第三透镜为凸平型透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述镜头聚焦，其焦距f为60mm，入瞳直径D为30mm。

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123mm，所述第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为-175mm；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-175mm，所述第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-57mm；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44mm，所述第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为0mm；各曲率半径的公差均不超过各自期望值的5％。

3.如权利要求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2mm，所述第三透镜在光轴上的中心厚度d5的期望值为4mm；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，所述第一透镜的材料Nd1:Vd1的期望值为1.6/41，其中Nd1表示第一透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd1表示第一透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数；所述第二透镜的材料Nd2:Vd2的期望值为1.5/70，其中Nd2表示第二透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd2表示第二透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数；所述第三透镜的材料Nd3:Vd3的期望值为1.6/41，其中Nd3表示第三透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd3表示第三透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的阿贝数；各透镜的材料的公差均不超过各自期望值的5％。

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的间距d2的期望值为2mm，第四曲面S4与第五曲面S5的间距d4的期望值为0.5mm，各间距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Nd4:Vd4的期望值为1.5/70，其公差不超过期望值的5％；其中Nd4表示第四透镜的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd4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中心厚度d7的期望值为2mm，其中曲率半径R7、曲率半径R8以及中心厚度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1～8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1～8任一项所述的紫外激光聚焦镜头。