CN104781716B - 一种超紫外激光打标Fθ镜头及激光加工设备 - Google Patents

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Abstract

一种超紫外激光打标Fθ镜头及镜头加工设备。该镜头包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)；第一透镜(L1)为双凹负透镜，第二透镜(L2)为弯月形负透镜，第三透镜(L3)为弯月形正透镜，第四透镜(L4)为双凸正透镜，第二透镜(L2)和第三透镜(L3)的中间部分均向激光的传输方向凸出；第一、第二、第三及第四透镜的折射率与阿贝数的比例为1.476/68，公差为5％。通过四个透镜的形状及相对位置的设计，有效矫正了像散和畸变，且能量集中度高，实现了高质量成像打标，提高了成像质量，且镜头结构简单，便于涉及，适合用于各种激光加工设备中。

Description

一种超紫外激光打标Fθ镜头及激光加工设备
技术领域
本发明属于光学技术领域，特别涉及一种超紫外激光打标Fθ镜头。
背景技术
在激光打标技术中，不同材料、不同介质会吸收不同波长的激光与之相互作用，也就是说，对于不同的待加工介质，只能采用不同波长的激光器进行加工。另外，根据“瑞利”判据可知，激光打标的理论分辨距离为：
d＝2.44λf/D，其中：
d为两点最小分辨距离；
λ为加工光束的波长；
f为光学镜头的焦距；
D为光学镜头的入瞳直径。
由此可知，用超短波长的激光束进行打标会得到高分辨的点距。目前商用激光器的最短波长λ＝266nm，在理论上，它的分辨率比采用1064nm波长的激光器的分辨率大四倍，这是非常有吸引力的选择。但是实际上能透过这种超短波激光的材料并不多，目前较为理想的材料只有融石英(silica)一种，而融石英的折射率非常低，其折射率与阿贝数之比为1.476/68，融石英作为镜头材料，一方面会增加透镜的厚度，另一方面，由于透镜的半径r通常与折射率n成正比，采用融石英制作镜头时半径r较小，这会加大高级像差，因此使得高质量Fθ镜头的设计更加困难。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超紫外激光打标Fθ镜头，旨在解决传统超紫外激光打标镜头成像质量差、设计困难的问题。
本发明是这样实现的，一种超紫外激光打标Fθ镜头，包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜；
所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月形负透镜，所述第三透镜为弯月形正透镜，所述第四透镜为双凸正透镜；
所述第二透镜和第三透镜的中间部分均向所述激光的传输方向凸出；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的折射率与阿贝数的比例为1.476/68，公差为5％。
本发明的另一目的在于提供一种激光加工设备，包括超紫外激光器及用于聚焦超紫外激光以进行打标的光学镜头，所述光学镜头采用所述的超紫外激光打标Fθ镜头。
本发明通过对第一至第四透镜进行上述结构设计后，有效校正了像散和畸变，且具有较高的能量集中度，实现了高质量成像及高精度打标，解决了传统超紫外镜头难以克服的像差问题，有效提高了成像质量；并且，该镜头结构简单，便于设计，适合广泛用于各种激光加工设备中。进而，采用该镜头的激光打标设备也可以进行高质量、高精度打标。
附图说明
图1是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的结构示意图；
图2是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的几何像差曲线图；
图3是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的畸变曲线图；
图4是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的光学传递函数O.T.F曲线图；
图5是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的传递函数M.T.F曲线图；
图6是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的弥散斑示意图；
图7是本发明实施例超紫外激光打标Fθ镜头的能量集中度示意图。
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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行更加详细的描述：
图1示出了本发明实施例提供的超紫外激光打标Fθ镜头的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。
该超紫外激光打标Fθ镜头主要包括第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4，这四枚透镜沿入射激光的传输方向依次共轴设置，其中，第一透镜L1为双凹负透镜，第二透镜L2为弯月形负透镜，第三透镜L3为弯月形正透镜，第四透镜L4为双凸正透镜。并且，第二透镜L2的曲率半径小于出射面的曲率半径，第三透镜L3的入射面的曲率半径大于出射面的曲率半径，第二透镜L2和第三透镜L3的中间部分均向着激光的传输方向凸出，即向像方突出。第一透镜L1的两面均向内凹陷，第四透镜L4的两面均向外凸出。另外，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3及第四透镜L4采用相同材料制作，这种材料的折射率与阿贝数的比例Nd/Vd为1.476/68，公差为5％，该材料具体可采用融石英。
进一步的，本实施例对各透镜的表面曲率及透镜厚度等参数进行了优化设计。具体的，第一透镜L1包括第一曲面S1和第二曲面S2，曲率半径分别为-50mm，300mm；第二透镜L2包括第三曲面S3和第四曲面S4，曲率半径分别为-28mm，-32mm；第三透镜L3包括第五曲面S5和第六曲面S6，曲率半径分别为-250mm，-50mm；第四透镜L4包括第七曲面S7和第八曲面S8，曲率半径分别为250mm，-100mm。上述参数中的负号代表曲面的球心位于物方空间，未带有正、负号的视为正号，代表曲面的球心位于像方空间。上述第一至第八曲面沿激光传输方向依次排布，且上述各曲面的曲率半径并不是唯一的选择，均存在5％的公差范围。
进一步的，本实施例还对第一至第四透镜的中心厚度D及曲面间距d进行了特殊设计，具体的，第一至第四透镜的中心厚度D1、D2、D3、D4分别为2mm、5mm、8mm、8mm，亦存在5％的公差范围。并且，第一透镜L1的第二曲面S2与第二透镜L2的第三曲面S3在光轴上的间距d1为9mm；第二透镜L2的第四曲面S4与第三透镜L3的第五曲面S5在光轴上的间距d2为0.5mm；第三透镜L3的第六曲面S6与第四透镜L4的第七曲面S7在光轴上的间距d3为0.5mm；上述各曲面间距的公差均为5％。
通过对第一至第四透镜的曲面曲率R、透镜的中心厚度D及曲面间隔d进行上述设计后，可以得到较佳的成像质量和打标精度。另外，本实施例还可以进一步在第四透镜L4的出光侧增设第五透镜L5，该第五透镜L5优选为平面透镜，其包括第九曲面S9和第十曲面S10，当然，第九曲面S9和第十曲面S10的曲率半径均为∞。该第五透镜L5主要用于保护镜头内其他成像透镜，避免其他透镜受到灰尘、湿气、高温或低温等影响。
具体的，第五透镜L5可与其他透镜选择相同材料，其中心厚度D5为2mm，公差为5％；并且，第五透镜L5的第九曲面S9与第四透镜L4的第八曲面S8在光轴上的间距d4可设置为5mm，公差仍为5％。
根据上述内容，以下提供一种具体结构的超紫外激光打标Fθ镜头，参考表1:
表1.超紫外激光打标Fθ镜头的结构参数
该超紫外激光打标Fθ镜头仍然采用融石英材料制造，并具有下述光学特性：
通光波长λ＝266nm；
焦距f＝100mm；
入瞳直径D入＝10mm；
打标范围A＝50*50mm2；
视场角2ω＝50°。
本发明通过对上述各透镜的形状、相对位置及结构参数进行上述设计后，可以有效校正镜头的象散和畸变，减小高级像差的影响，并且提高激光聚焦点的能量集中度，进而提高打标精度。该镜头的最大通光口径只有62mm，是一种小型化的镜头，可供常用的打标机使用，其成像质量达到了理想状态。
图2-7分别从不同角度表征了该超紫外激光打标Fθ镜头的成像质量。
其中，图2和图3分别表示该超紫外激光打标Fθ镜头的几何像差和畸变，图2中出现七级像差正好与五级像差相抵，从而校正了像差而使整个像面变平，进而使得整个打标范围内的像面都变平。由图3可知镜头畸变得到良好校正，轴上与轴外成像点无明显差别。因此该镜头的象散和畸变都已达到了理想的校正状态。
图4和图5分别表示该镜头的光学传递函数O.T.F和传递函数M.T.F。光学传递函数O.T.F表示固定分辨率的传递函数，纵轴代表百分比，横轴代表视场，曲线从上到下分别代表分辨率为10lp/mm(10个线对)、20lp/mm(20个线对)、30lp/mm(30个线对)及40lp/mm(40个线对)的光学传递函数曲线。图5所示M.T.F曲线中，纵轴代表百分比，横轴代表线对数量。O.T.F和M.T.F都用于评价镜头的成像质量。由图4、5可以看出，该镜头的轴上点和轴外点均无明显差别，成像效果稳定，达到了平像场的目的。
图6和图7分别表示该镜头的弥散斑和能量集中度，图6中示出了6个视场中弥散斑的大小，图中可见所有视场内的弥散斑大小均控制在10μm内，且80％能量集中在5μm左右，能量集中度极高，可实现高精度打标。
本发明提供的超紫外激光打标Fθ镜头在不改变镜头材料的基础上有效校正了像散和畸变，且具有较高的能量集中度，实现了高质量成像及高精度打标，解决了传统超紫外镜头难以克服的像差问题，有效提高了成像质量；并且，该镜头结构简单，便于设计，适合广泛用于各种激光加工设备中。
本发明还进一步提供一种激光加工设备，其包括超紫外激光器及用于聚焦超紫外激光以进行打标的光学镜头，其中，光学镜头即可采用本发明提供的超紫外激光打标Fθ镜头，以实现高质量及高精度打标。该镜头特别适用于超紫外激光打标，尤其适用于波长为266nm的激光，因此该超紫外激光器的发光波长优选为266nm。
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 (9)

1.一种超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，包括沿入射激光的传输方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜；
所述第一透镜为双凹负透镜，所述第二透镜为弯月形负透镜，所述第三透镜为弯月形正透镜，所述第四透镜为双凸正透镜；
所述第二透镜和第三透镜的中间部分均向所述激光的传输方向凸出；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的折射率与阿贝数的比例为1.476/68，公差为5％；
所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第一至第八曲面沿激光传输方向依次排布；
所述第一至第八曲面的曲率半径依次为：-50mm，300mm，-28mm，-32mm，-250mm，-50mm，250mm，-100mm，公差均为5％。
2.如权利要求1所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜的材料均为融石英。
3.如权利要求1所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，所述第一至第四透镜的中心厚度依次为：2mm，5mm，8mm，8mm；
所述第二曲面与第三曲面在光轴上的间距为9mm；
所述第四曲面与第五曲面在光轴上的间距为0.5mm；
所述第六曲面与第七曲面在光轴上的间距为0.5mm；
各所述中心厚度及各所述间距的公差均为5％。
4.如权利要求1至3任一项所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，还包括第五透镜，位于所述第四透镜的出光侧，所述第五透镜包括第九曲面和第十曲面，所述第九曲面和第十曲面的曲率半径均为∞。
5.如权利要求4所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，所述第五透镜的折射率与阿贝数之比为1.476/68，公差为5％。
6.如权利要求5所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，所述第五透镜的材料为融石英。
7.如权利要求5或6所述的超紫外激光打标Fθ镜头，其特征在于，所述第五透镜的中心厚度为2mm，公差为5％；
所述第九曲面与所述第八曲面在光轴上的间距为5mm，公差为5％。
8.一种激光加工设备，包括超紫外激光器及用于聚焦超紫外激光以进行打标的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头采用权利要求1～7任一项所述的超紫外激光打标Fθ镜头。
9.如权利要求8所述的激光加工设备，其特征在于，所述超紫外激光器的发光波长为266nm。
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