CN102313968B

CN102313968B - 一种紫外激光fθ镜头、激光打标机及激光刻划机

Info

Publication number: CN102313968B
Application number: CN 201010214093
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: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: CN102313968A

Abstract

本发明适用于光学镜头领域，提供了一种紫外激光fθ镜头、激光打标机及激光刻划机，所述紫外激光fθ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负透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜，所述第三透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述fθ镜头聚焦，其焦距f为580mm，入瞳直径D为12mm，视场角2ω为70°，工作面积A为500*500mm²。本紫外激光fθ镜头的视场角可达70°，工作面积亦大，可进行大范围的超精细加工。

Description

一种紫外激光fθ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fθ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。

图1所示为一种典型的激光应用fθ镜头光学系统。激光经第一振镜11和第二振镜12扫描，进入fθ镜头13，从fθ镜头13出射后聚焦于成像面14。

现有fθ镜头的视场角小，紫外激光经其聚焦后工作面积小，无法满足大加工范围的要求。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种紫外激光fθ镜头，旨在解决现有fθ镜

头视场角小，紫外激光经该镜头聚焦后工作面积亦小的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种紫外激光fθ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负透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜，所述第三透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述fθ镜头聚焦，其焦距f为580mm，入瞳直径D为12mm，视场角2ω为70°，工作面积A为500*500mm²；

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的值为-64mm，所述第二曲面S2的曲率半径R2的值为-190mm；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的值为-126mm，所述第四曲面S4的曲率半径R4的值为-74mm；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的值为-900mm，所述第六曲面S6的曲率半径R6的值为-180mm；各曲率半径的公差均不超过各自值的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fθ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fθ镜头。

本发明实施例的另一目的在于提供一种激光切割机，所述激光切割机具有上述紫外激光fθ镜头。

本发明实施例通过在沿光线的入射方向上依次设置弯月型正透镜、弯月型负透镜和弯月型负透镜构成视场角较大的紫外激光fθ镜头，其视场角可达70°，工作面积亦大，可进行大范围的超精细加工。

附图说明

图1是一种典型的激光应用fθ镜头光学系统图；

图2是本发明实施例提供的fθ镜头的结构图；

图3是本发明实施例提供的fθ镜头的弥散斑图；

图4是本发明实施例提供的fθ镜头的能量集中度图；

图5是本发明实施例提供的fθ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负透镜、弯月型正透镜和弯月型正透镜构成紫外激光fθ镜头，其视场角较大，工作面积亦大，可进行大范围超精细加工。

本发明实施例提供的紫外激光fθ镜头包括包括：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负透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜，所述第三透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述fθ镜头聚焦，其焦距f为580mm，入瞳直径D为12mm，视场角2ω为70°，工作面积A为500*500mm²。

本发明实施例提供的激光打标机具有上述紫外激光fθ镜头。

本发明实施例提供的激光刻划机具有上述紫外激光fθ镜头。

本发明实施例提供的激光切割机具有上述紫外激光fθ镜头。

如图2所示，本发明实施例提供的紫外激光fθ镜头具有第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23，第一透镜21为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型负透镜，第二透镜22为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜，第三透镜23为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜。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	-64	5	1.5/70
2	-190	3
				3	-126	8	1.6/41
4	-74	0.5
				5	-900	8	1.6/41
6	-180

请参见上表，上表为由上述第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23构成的紫外激光fθ镜头的光学参数。

具体的，第一透镜21为具有第一曲面S1和第二曲面S2的弯月型负透镜。第一曲面S1的曲率半径R1的值为-64mm，第二曲面S2的曲率半径R2的值为-190mm，第一曲面S1与第二曲面S2的面间隔d1即第一透镜21在光轴上的中心厚度的值为5mm。第一透镜21的材料Nd1∶Vd1的值为1.5/70(Nd1表示第一透镜21的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd1表示第一透镜21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值的5％。第一透镜21的材料Nd1∶Vd1折射率高，对紫外激光透射率亦高。

第二透镜22为具有第三曲面S3和第四曲面S4的弯月型正透镜，第三曲面S3的曲率半径R3的值为-126mm，第四曲面S4的曲率半径R4的值为-74mm，第三曲面S3与第四曲面S4的面间隔d3即第二透镜22在光轴上的中心厚度的值为8mm。第二透镜22的材料Nd2∶Vd2的值为1.6/41(Nd2表示第二透镜22的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd2表示第二透镜22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值的5％。第二透镜22的材料Nd2∶Vd2折射率高，对紫外激光透射率亦高。

第三透镜23为具有第五曲面S5和第六曲面S6的弯月型正透镜，第五曲面S5的曲率半径R5的值为-900mm，第六曲面S6的曲率半径R6的值为-180mm，第五曲面S5与第六曲面S6的面间隔d5即第三透镜23在光轴上的中心厚度的值为8mm。第三透镜23的材料Nd3∶Vd3的值为1.6/41(Nd3表示第三透镜23的材料在波长λ＝355nm的d线处的折射率，Vd3表示第三透镜23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值的5％。第三透镜23的材料Nd3∶Vd3折射率高，对紫外激光透射率亦高。

由上述透镜构成的紫外激光fθ镜头的光焦度分布为“负-正-正”，各正、负透镜不必有太大的分离即可满足平象场的要求，各透镜所负担的光焦度小，各透镜的曲面较平缓，轴外像差平衡较为理想，同时便于加工各曲面。

本发明实施例中，第二曲面S2与第三曲面S3的面间隔d2的值为3mm，第四曲面S4与第五曲面S5的面间隔d4的值为0.5mm，面间隔d2和d4的公差均不超过各自值的5％。由此可知，本fθ镜头整体结构非常紧凑，是一种超小型紫外激光fθ镜头，解决现有镜头占有空间过大的问题。

上述各参数均取值时，所制成镜头的焦距f为580mm，入瞳直径D为12mm，当入射激光的波长为355nm即为紫外激光时，视场角2ω为70°，工作面积A为500*500mm²。

应当理解，上述第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23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。

如图3、4所示，紫外激光经本镜头聚焦光斑极小，能量集中。无论轴上还是轴外像差都校正得非常理想，所有像差的校正达到了理想分辨率，很好地解决了平像面和畸变等问题。

图5为本镜头综合成像质量评价的MTF图，各视场的MTF值较一致，说明在全视场上成像均匀。

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fθ镜头将广泛应用于超精细打标、切割、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上依次设置弯月型正透镜、弯月型负透镜和弯月型负透镜构成视场角较大的紫外激光fθ镜头，其视场角可达70°，工作面积亦大，可进行大范围的超精细加工。同时，本fθ镜头的光焦度分布形式为“负-正-正”，各正、负透镜不必有太大的分离即可满足平象场的要求，各透镜所负担的光焦度小，其曲面较平缓，本镜头整体结构非常紧凑，是一款超小型紫外激光fθ镜头。此外，还便于加工各透镜的曲面。

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fθ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，所述第一透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型负透镜，所述第二透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜，所述第三透镜为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型正透镜；当波长为355nm的紫外激光经所述fθ镜头聚焦，其焦距f为580mm，入瞳直径D为12mm，视场角2ω为70°，工作面积A为500*500mm²；

2.如权利要求1所述的紫外激光fθ镜头，其特征在于，所述第一透镜在光轴上的中心厚度d1的值为5mm，所述第二透镜在光轴上的中心厚度d3的值为8mm，所述第三透镜在光轴上的中心厚度d5的值为8mm；各中心厚度的公差均不超过各自值的5％。

3.如权利要求2所述的紫外激光fθ镜头，其特征在于，所述第一透镜的材料Nd1∶Vd1的值为1.5/70，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的值为1.6/41，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值的5％。

4.如权利要求3所述的紫外激光fθ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的值为3mm，所述第四曲面S4与第五曲面S5的面间隔d4的值为0.5mm，各面间隔的公差均不超过各自值的5％。

5.一种激光打标机，其特征在于，所述激光打标机具有如权利要求1～4任一项所述的紫外激光fθ镜头。

6.一种激光刻划机，其特征在于，所述激光刻划机具有如权利要求1～4任一项所述的紫外激光fθ镜头。

7.一种激光切割机，其特征在于，所述激光切割机具有如权利要求1～4任一项所述的紫外激光fθ镜头。