CN104375261A - 一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其包括沿光传播方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜;第一透镜为双凹型透镜;第二透镜为弯月型透镜,其曲面向着入射光方向弯曲;第三个透镜为双凸型透镜;第四个透镜为弯月型透镜,其曲面为背向入射光方向弯曲;在F-theta光学镜头中加入接近同心球的广角弯月型第二透镜实现对镜头加工范围的扩大;在系统焦距受到控制的条件下,加入另一块弯月型第四透镜将镜头光学系统主面沿着入射光方向外移以加长镜头后工作距离,减少打标产物污染镜头表面之几率;同时整个镜头中采用近远心结构以控制大视场像方主光线与像面之间的倾角,使加工微孔时倾斜问题得到改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头。
背景技术
随着激光加工的不断发展,需要加工的介质种类层出不穷,对激光加工的需求效果也趋于精细。激光打标是激光加工的重要方式之一,其利用能量高度集中的光束在各种不同的物质表面留下永久的标记,具有效率高、灵活性强、耗材少、标记永久等优点,广泛应用于电子元件、精密机械、高分子材料加工等领域。
目前市面上常见的激光打标机主要以CO2激光打标机以及YAG激光打标机为主,其工作波长分别为10.6μm、1.064μm,而为了达到更加精细、清晰的效果,应改用短波段的紫外激光进行加工,其聚焦光斑极小,如下式所示:
激光焦斑直径δ= ,式中是激光光束质量因子,λ为激光波长,f为光学系统焦距,D为入射光束直径;
由上式可知,在使用具有相同F/#的镜头前提下,采用波长λ=355nm的激光工作时,相比采用波长λ=10.6μm、1.064μm的激光得到的激光焦斑直径小,因而加工效果更精细。
典型的F-theta镜光学系统要求像面上的像高η与扫描角θ成线性关系,即:η=f×θ(Sr),其中,f为镜头的焦距,θ振镜的扫描角,(单位为弧度)。光学系统设计应引入适当的桶形畸变以满足该项要求。
典型的F-theta镜光学系统的另一要求是在全视场上成像均匀,没有渐晕存在,光学设计应适当校正像差以满足该项要求。
激光打标通过聚焦高能量光束在物体表面,令表层物质蒸发,或引发化学物理变化,或烧掉部分物质而刻出图案或微孔,由此,镜头距离打标表面距离过近会被打标产生的污物而污染,表层物质蒸发甚至会在镜头表面镀上无用的薄膜,需经常清洁或更换保护玻璃,影响使用效果、寿命及降低工作效率,故在光学系统设计中应适当优化镜头的后工作距离不能过小。
普通的F-theta光学镜头在打标时,由于其像方主光线与像面之间存在一定倾角,尤其在视场较大的区域,该倾角可达到15-20°,用普通的F-theta光学镜头打的微孔将倾斜,而专利CN200710073161提出采用具有远心结构的光学系统解决该问题,使像方主光线相互平行且像方主光线与像面在全视场上相互垂直,但远心镜头有效口径至少要与加工区域口径一致,而镜头有效口径因加工能力要求及成本较高等因素受到限制,导致远心镜头的可加工范围较小。并且,专利CN200710073161所述镜头只适用于波长为266nm的紫外激光工作,不适用于更为普遍的紫外激光打标机,其工作波长为355nm。
根据专利CN201010198683所述紫外激光应用的光学镜头存在系统焦距小、加工范围小、后工作距离短的缺点,其系统焦距为80mm、加工范围为50mm×50mm、后工作距离小于100mm,无法满足在要求大加工范围、长工作距离的紫外激光打标中使用,由此对紫外激光打标的应用领域有一定限制。
发明内容
本发明针对现有技术的不足,提供一种光学系统焦距大、加工范围大、后工作距离长、具有近远心结构的应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,解决现有紫外激光打标镜头焦距小、加工范围小、后工作距离短的问题,并改善激光打标时打标产物易污染镜头表面的问题、改善因镜头像方主光线与像面之间存在一定倾角导致的加工微孔倾斜问题。
为了达到上述目的,本发明一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其包括沿光传播方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜;所述第一透镜为双凹型透镜;所述第二透镜为弯月型透镜,其曲面向着入射光方向弯曲;所述第三个透镜为双凸型透镜;所述第四个透镜为弯月型透镜,其曲面为背向入射光方向弯曲;并且,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距分别与所述F-theta光学镜头的系统焦距的比率满足以下要求:
-0.95<f1/fw<-1.05,
-0.35<f2/fw<-0.5,
1<f3/fw<2.5,
0.2<f4/fw<0.4,
其中f1、f2、f3、f4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距,fw为所述F-theta光学镜头的系统焦距。
优选地,所述F-theta光学镜头的入射光波长为355nm。
优选地,所述F-theta光学镜头的扫描范围为126mm×126mm。
优选地,所述F-theta光学镜头的焦距为214mm,后工作距离为250mm。
优选地,所述F-theta光学镜头采用“负-负-正-正”分离的光焦度系统对高阶像差进行相互补偿,使所述镜头的高阶像差得到校正。所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距分别与所述F-theta光学镜头的系统焦距的比率满足以下要求:f1/fw=-1.01,f2/fw=-0.39,f3/fw=1.57,f4/fw=0.30;其中f1、f2、f3、f4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距,fw为所述F-theta光学镜头的系统焦距。
优选地,所述F-theta光学镜头的入瞳直径为13mm。
优选地,所述第一透镜由曲率半径分别为R1=-326.97mm、R2=145.69mm的表面S1和S2构成,其中心厚度d1=3mm;第一透镜与第二透镜在光轴上空气间隔厚度d2=12.5 mm;第二透镜由曲率半径分别为R3=-23.79mm、R4=-28.61的表面S3和S4构成,其中心厚度d3=6.9mm;第二透镜与第三透镜在光轴上空气间隔厚度d4=0.1mm;第三透镜由曲率半径分别为R5=-790.09mm、R6=-60.42mm的表面S5和S6构成,其中心厚度d5=14.20mm;第三透镜与第四透镜在光轴上空气间隔厚度d6=0.1mm;第四透镜由曲率半径分别为R7=116.98mm、R8=173.75mm的表面S7和S8构成,其中心厚度d7=10mm;其中,所有第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的曲率半径公差范围为5%,中心厚度公差范围为5%,所有空气间隔厚度公差范围为5%。
优选地,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的材料满足:折射率/色散系数= Nd/Vd=1.46/68,其公差范围为5%。
所述F-theta光学镜头焦距大、加工范围大、后工作距离长、具有近远心结构,其通过将所述F-theta光学镜头的焦距及入射光瞳直径控制在一定范围内使激光焦斑小于0.01mm以实现超精细打标。在所述F-theta光学镜头中加入接近同心球的广角弯月型第二透镜实现对镜头加工范围的扩大;在镜头光学系统焦距受到控制的条件下,在镜头光学系统加入另一块弯月型第四透镜将镜头光学系统主面沿着入射光方向外移以加长镜头后工作距离,减少打标产物污染镜头表面之几率;同时整个镜头系统中采用近远心结构以控制大视场像方主光线与像面之间的倾角,使加工微孔时倾斜问题得到改善。
此外,上述F-theta光学镜头采用“负-负-正-正”分离互补的光焦度系统,对系统的像散及场曲有很好的校正,在全视场上成像均匀,没有渐晕,分辨率达到理想分辨率,并且满足具备光学系统焦距大、加工范围大、后工作距离长、具有近远心结构的、紫外激光打标用的要求。
附图说明
图1是本发明采用的长工作距离的具有近远心结构F-theta光学镜头结构示意图;
图2是本发明采用的F-theta光学镜头结构示意图;
图3是本发明的F-theta光学镜头一优选实例的光线追迹图;
图4是本发明的场曲图,表明球差已校正到最佳状态;
图5是本发明的F-Theta畸变图,表明系统的F-Theta光学镜头具有优良的线性关系;
图6是本发明的F-theta光学镜头一优选实例的弥散斑图;
图7是本发明的F-theta光学镜头一优选实例的光学传递函数MTF曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述,但不作为对本发明的限定。
如图1所示,图1是本发明采用的长工作距离的具有近远心结构F-theta光学镜头结构示意图。该光学系统描述激光打标机中光路经过扫描振镜之后部分,光阑1是根据激光打标机结构、振镜位置设置的,距离第一透镜L1的距离为20-40mm,θ为入射光线与光学系统光轴的角度,大小等于振镜扫描角。
再参照图2,如图2所示,图2是本发明采用的F-theta光学镜头结构示意图, 其包括沿光传播方向依次排列的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4;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,其曲面向着入射光方向弯曲;所述第三个透镜L3为双凸型透镜;所述第四个透镜L4为弯月型透镜,其曲面为背向入射光方向弯曲;并且,所述第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4的焦距分别与所述F-theta光学镜头的系统焦距的比率满足以下要求:
-0.95<f1/fw<-1.05,
-0.35<f2/fw<-0.5,
1<f3/fw<2.5,
0.2<f4/fw<0.4,
其中f1、f2、f3、f4分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3以及第四透镜L4的焦距,fw为所述F-theta光学镜头的系统焦距。激光经过光阑1进入F-theta光学镜头系统2,分别经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4以及平板玻璃L5,最后聚焦于像面L6;像方主光线与像面相交,像高为η,像方主光线与像面的倾角为α。该光学系统满足普通的F-theta光学镜头像高η与扫描角度θ成线性关系的要求,而相比普通F-theta光学镜头的优势在于像方主光线与像面的倾角α小于12°,普通F-theta光学镜头在大视场上像方主光线与像面的倾角α为15-20°;另外,对比远心镜头(专利CN200710073161),本发明有更大的加工范围,加工范围达到126mm×126mm;此外,对比短焦距的的F-theta光学镜头(专利CN201010198692)有更长的后工作距离,减小打标产物污染镜头表面的几率。
为实现上述要求,本发明本光学镜头一优选实例的具体结构及参数为:第一透镜L1由曲率半径分别为R1、R2的表面S1、S2构成,其中心厚度为d1,材料的折射率/色散系数为Nd1/Vd1;第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上空气间隔厚度为d2;第二透镜L2由曲率半径分别为R3、R4的表面S3、S4构成,其中心厚度为d3,材料的折射率/色散系数为Nd2/Vd2;第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上空气间隔厚度为d4;第三透镜L3由曲率半径分别为R5、R6的表面S5、S6构成,其中心厚度为d5,材料的折射率/色散系数为Nd3/Vd3;第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上空气间隔厚度为d6;第四透镜L4由曲率半径分别为R7、R8的表面S7、S8构成,其中心厚度为d7,材料的折射率/色散系数为Nd4/Vd4;第四透镜L4与平板玻璃L5在光轴上空气间隔厚度为d8;平板玻璃L5两表面S9、S10的曲率半径R9、R10均为0,厚度为d9;平板玻璃L5表面S10与像面L6的距离为d10。
具体参数列于下表:
表面S | 曲率R(mm) | 面间隔d(mm) | 材料Nd/Vd |
1 | -326.97 | 3 | 1.46/68 |
2 | 145.69 | 12.5 | |
3 | -23.79 | 6.9 | 1.46/68 |
4 | -28.61 | 0.1 | |
5 | -790.09 | 14.2 | 1.46/68 |
6 | -60.42 | 0.1 | |
7 | 116.98 | 10 | 1.46/68 |
8 | 173.75 | 4.3 | |
9 | 0 | 3 | 1.46/68 |
10 | 0 | 250 |
根据上表可得光学系统其他数据或其他参数如下:
f=214mm,D=13mm,A=126mm×126mm,2ω=48°;
f1/fw=-1.01,f2/fw=-0.39, f3/fw=1.57,f4/fw=0.30;
其中f为光学系统焦距,D为入射光瞳,A为扫描面积,2ω为视场角,fw为系统光焦度,f1、f2、f3、f4、分别为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4的光焦度;
本实施实例的参数范围如下:
(1)R1-R10 ,ΔR1-R10≤5%;
(2)d1-d10 ,Δd1-d10≤5%;
(3)Nd1/Vd1-Nd10Vd10 ,ΔNd1-10/Vd1-10≤5%;
根据上述设计方案,该F-theta光学镜头结构紧凑,在满足普通F-theta光学镜头要求的基础上,聚焦光斑直径小于0.01mm,且后工作距离达到250mm。图3-图7是本发明本F-theta光学镜头在计算机上的模拟结果,图3-图6显示该F-theta光学镜头的慧差、像散等像差及畸变和场曲均得到很好矫正达到理想状态,成像质量优良;图7光学传递函数(MTF)图显示该F-theta光学镜头在全视场上几乎达到理想分辨率,能达到很好的使用效果。此外,本发明F-theta光学镜头后工作距离达到250mm,减少打标产物污染镜头表面之几率;另一个重要特征是本发明本F-theta光学镜头为近远心结构,在全视场上像方主光线与像面几乎垂直,有利于保证激光打标图案、微坑、微孔垂直刻于加工表面。
上述F-theta光学镜头采用“负-负-正-正”分离互补的光焦度系统,对系统的像散及场曲有很好的校正,在全视场上成像均匀,没有渐晕,分辨率达到理想分辨率,并且满足具备光学系统焦距大、加工范围大、后工作距离长、具有近远心结构的、紫外激光打标用的要求。
以上已将本发明做一详细说明,但显而易见,本领域的技术人员可以进行各种改变和改进,而不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围。
Claims (8)
1.一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,其包括沿光传播方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜;所述第一透镜为双凹型透镜;所述第二透镜为弯月型透镜,其曲面向着入射光方向弯曲;所述第三个透镜为双凸型透镜;所述第四个透镜为弯月型透镜,其曲面为背向入射光方向弯曲;并且,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距分别与所述F-theta光学镜头的系统焦距的比率满足以下要求:
-0.95<f1/fw<-1.05,
-0.35<f2/fw<-0.5,
1<f3/fw<2.5,
0.2<f4/fw<0.4,
其中f1、f2、f3、f4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距,fw为所述F-theta光学镜头的系统焦距。
2.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述F-theta光学镜头的入射光波长为355nm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述F-theta光学镜头的扫描范围为126mm×126mm。
4.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述F-theta光学镜头的焦距为214mm,后工作距离为250mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距分别与所述F-theta光学镜头的系统焦距的比率满足以下要求:f1/fw=-1.01,f2/fw=-0.39,f3/fw=1.57,f4/fw=0.30;其中f1、f2、f3、f4分别为第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的焦距,fw为所述F-theta光学镜头的系统焦距。
6.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述F-theta光学镜头的入瞳直径为13mm。
7.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述第一透镜由曲率半径分别为R1=-326.97mm、R2=145.69mm的表面S1和S2构成,其中心厚度d1=3mm;第一透镜与第二透镜在光轴上空气间隔厚度d2=12.5 mm;第二透镜由曲率半径分别为R3=-23.79mm、R4=-28.61的表面S3和S4构成,其中心厚度d3=6.9mm;第二透镜与第三透镜在光轴上空气间隔厚度d4=0.1mm;第三透镜由曲率半径分别为R5=-790.09mm、R6=-60.42mm的表面S5和S6构成,其中心厚度d5=14.20mm;第三透镜与第四透镜在光轴上空气间隔厚度d6=0.1mm;第四透镜由曲率半径分别为R7=116.98mm、R8=173.75mm的表面S7和S8构成,其中心厚度d7=10mm;其中,所有第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的曲率半径公差范围为5%,中心厚度公差范围为5%,所有空气间隔厚度公差范围为5%。
8.根据权利要求1所述的一种应用于紫外激光打标的F-theta光学镜头,其特征在于,所述第一透镜、第二透镜、第三透镜以及第四透镜的材料满足:折射率/色散系数= Nd/Vd=1.46/68,其公差范围为5%。
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