CN105527706B - 紫外激光远心F‑theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及紫外激光远心F‑theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统。紫外激光远心F‑theta扫描场镜，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜。与现有技术相比，本发明扫描场镜排布成“‑+++”的光焦度分布，使扫描场镜的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线的远心<3°，扫描场镜的像散得到良好的校正，小于0.05mm，而且镜片加工容易，造价低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外激光扫描系统，尤其是涉及一种紫外激光远心F-theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统。
背景技术
随着激光加工的不断发展，对激光加工设备的要求越来越高，不仅体现在加工效率上，还要求加工出来的线条越来越精细。波长λ＝1064nm、532nm的激光已不能满足相关加工要求。为了达到更加精细、清晰的加工效果，使用短波紫外激光，可使其聚焦光斑极小，如下式所示：
艾里斑直径δ＝2.44×λ/F#
由上式可以看出，在使用相同的F#的扫描场镜时，使用激光波长λ＝355nm时，其艾里斑直径δ比使用1064nm、532nm波长的激光会更小。因此，使用配备355nm激光的激光加工设备，无论是打孔、划线、还是切割，都会比配备532nm或者1064nm激光效果更好，线条更精细。目前紫外加工主要是用于超精细打标、特殊材料打标和精确划线等。如在食品、医药包装材料上打标、打微孔，在柔性PCB板上打标、切割划片，对金属或非金属镀层进行去除，在硅晶圆片上进行微孔、盲孔加工等。
在使用非远心F-theta扫描场镜进行打孔时，其像方主光线与焦面之间有一定的倾角，因此加工出来的孔会有一定的斜度。另外，当被加工物件与扫描场镜有一定的离焦时，由于非远心原因，会造成额外的畸变，降低了加工位置精度。而远心F-theta场镜经过特殊设计，通过使镜头的出射光瞳在像空间无限远，实现了聚焦光束的主光线在任何视场角的情况下都垂直于焦平面。远心F-theta扫描场镜在减小聚焦光斑的畸变和钻孔角度都有特殊的优势，因而被广泛用于精密激光打标和钻孔中，其中一个典型的应用是电子线路板的钻孔。专利CN 104375261A中所述的F-theta扫描场镜，是一款355nm、非远心扫描场镜，该扫描场镜无法克服上述的非远心场镜的缺陷。专利CN 101846790A中所述的F-theta扫描场镜，是一款355nm、非远心的扫描场镜，该扫描场镜同样也无法克服上述的非远心场镜的缺陷。
随着激光加工技术的不断发展，对激光加工设备的要求越来越高，其中，对激光加工设备的加工区域也要求越来越大。激光加工区域要增大，增大扫描场镜的视场是一个最主要的方法。增大扫描场镜的视场，会导致扫描场镜所需的光学镜片直径增大，从而镜片的制造难度和镜头的组装难度都会增大，从而导致扫描场镜的开发成本急剧上升。由于在远心镜头中，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，所以远心扫描场镜的有效口径至少要与加工区域尺寸一致，导致组成扫描场镜的镜片尺寸增大。因此，在远心扫描场镜中，镜片加工成本、镜头组装难度的增加尤为明显。为了降低镜片加工成本和镜头组装难度，也为了保证激光加工设备的加工面积，在镜头设计中，需要选择合适的焦距；同时，还需要设计合理的镜片面型，以降低镜片的加工难度，从而使镜片的精度更容易保证。专利CN 104375261A中所述的F-theta扫描场镜，其镜片2和镜片4的两个面的曲率半径差异很小，加工难度很大，加工精度也难保证，从而导致镜片加工成本上升，造成场镜造价高昂。
激光加工设备在工作中，被加工物件不可避免会有一定的离焦和倾斜，如果场镜的像散过大，则加工物件的轻微离焦和倾斜就会导致加工线条精度不够。尤其是进行精细打孔的时候，由于场镜的像散过大，导致孔不是圆形，有可能是长条形，严重影响加工精度。因此，场镜需要有比较小的像散，保证加工物件在一定范围的离焦和倾斜，不会对加工精度有很大影响。专利CN 104375261A中所述的F-theta扫描场镜，其最大的像散达到0.5mm；专利CN 101846790A中所述的F-theta扫描场镜，其最大像散达到0.3mm。这种过大的像散都会严重降低设备加工精度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种紫外激光远心F-theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统，该场镜的工作波长为355nm，该场镜具有像散小的特点，能满足高精度的精细微加工；而且镜片加工容易，造价低廉。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案一：
一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜。
第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的焦距与扫描场镜的焦距满足：-0.6＜f1/f＜-0.4，0.9＜f2/f＜2.0，0.8＜f3/f＜1.2，2.0＜f4/f＜2.5，优选地，f1/f＝-0.52，f2/f＝1.59，f3/f＝1.08，f4/f＝2.16，其中，f1为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第三透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f为扫描场镜的焦距。
第一透镜的第一面曲率半径满足：-50mm＜R1＜-20mm，优选地，R1＝27.65mm，R1为第一透镜的第一面曲率半径。
第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96mm，S1距离振镜y方向反射镜的距离d0＝20-50mm，第一透镜的中心厚度为3mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-114.02mm和-48.81mm，第二透镜的中心厚度为18.28mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第三透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为478.12mm和-58.95mm，第三透镜的中心厚度为14.87mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第四透镜的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为250.55mm和-182.99mm，第四透镜的中心厚度为9.74mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68。
第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙为2.38mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第四透镜与像面在光轴上的空气间隙为146mm。
所述的扫描场镜的入射光束波长为355nm。
所述的扫描场镜的全视场内像面主光线与像面倾斜角<3°。
本发明的技术方案二：
一种基于上述扫描场镜的光学扫描系统，从激光入射端开始，该光学系统包括依次设置的扩束镜、振镜、远心F-theta扫描场镜及像面，振镜由彼此正交的x方向反射镜和y方向反射镜组成，光束依次经过扩束镜、振镜中的x方向反射镜和y方向反射镜，x方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的x方向上移动，y方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的y方向上移动，最后通过远心F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面上。
第一透镜距离振镜的距离为20mm-50mm，优选为35.5mm。
优选地，该光学系统进一步包括设置在第一透镜的入射光侧的光阑。
与现有技术相比，本发明扫描场镜排布成“-+++”的光焦度分布，使扫描场镜的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线的远心<3°，扫描场镜的像散得到良好的校正，小于0.05mm,而且镜片加工容易，造价低廉。
附图说明
图1为基于远心F-theta扫描场镜的光学系统结构示意图。
图2为本发明的远心F-theta扫描场镜结构示意图。
图3为本发明的远心F-theta扫描场镜一优选实施例的光线追迹图。
图4为本发明的远心F-theta扫描场镜一优选实施例的像散、场曲及畸变图。
图5为本发明的远心F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、0.5F、0.7F以及1.0F的光程差图。
图6为本发明的远心F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、0.5F、0.7F以及1.0F情况上的光学传递函数图。
图7为本发明的远心F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、0.5F、0.7F以及1.0F的衍射能量集中图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
图1是基于远心F-theta扫描场镜的光学系统结构示意图。如图1所示，该光学系统可广泛应用于激光打孔、激光打标及激光切割中。由激光光源(图中未画出)所发出的光束依次经过扩束镜、振镜中的两块反射镜，x方向反射镜和y方向反射镜，x方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的x方向上移动，y方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的y方向上移动，两反射镜彼此正交，最后通过远心F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面上。通过振镜中的x、y方向反射镜绕轴转动实现激光光束在成像面上的二维扫描。一方面，该远心扫描场镜要满足普通F-theta扫描场镜的视场角与像高的线性关系，另一方面，该远心F-theta扫描场镜各个视场方向上的主光线与像面垂直，从而避免打孔倾斜，也避免加工物件轻微离焦所造成的畸变，从而保证加工精度；还有一方面，该远心F-theta扫描场镜扫描视场范围内的像散非常小，仅为0.05mm。从而可以避免由于加工物件轻微离焦或倾斜所带来的加工形状的剧烈变化或精度的剧烈变化，比如将圆孔变成长条形等。
为实现上述要求，采用4片熔石英镜片，且镜片采用“-+++”的光焦度分布。如图2所示，本发明的远心F-theta扫描场镜沿入射光依次为：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3和第四透镜4，第一透镜1为双凹负透镜，焦距为f1，第二透镜2为凹面朝向入射端的弯月正透镜，焦距为f2，第三透镜3为双凸正透镜，焦距为f3，第四透镜4为双凸正透镜，焦距为f4，在优选实施例中，各镜片的焦距与扫描场镜的焦距f满足：
-0.6＜f1/f＜-0.4，0.9＜f2/f＜2.0，0.8＜f3/f＜1.2，2.0＜f4/f＜2.5。
第一透镜的第一面曲率半径满足：-50mm＜R1＜-20mm。
其中焦距、曲率半径为负数的情况表示其方向与焦距、曲率半径为正数的情况相反。
根据以上要求，进一步提供了一个设计实例，具体参数参考表1：
第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96mm，S1距离振镜y方向反射镜的距离d0＝20-50mm，第一透镜的中心厚度为3mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-114.02mm和-48.81mm，第二透镜的中心厚度为18.28mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；第三透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为478.12mm和-58.95mm，第三透镜的中心厚度为14.87mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；第四透镜的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为250.55mm和-182.99mm，第四透镜的中心厚度为9.74mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68。第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙为2.38mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第四透镜与像面在光轴上的空气间隙为146mm。
表1 扫描场镜的各种参数
与上述实施例设计对应的其他参数如下：
f＝103.2mm，EPD＝9mm，λ＝355nm，2ω＝40.2°
f1/f＝-0.52，f2/f＝1.59，f3/f＝1.08，f4/f＝2.16，R1＝27.65mm
其中f为远心F-theta扫描场镜的焦距，f1、f2、f3、f4分别为四个透镜的焦距，2ω为扫描场镜的视场角，EPD为扫描场镜入瞳直径，R1为扫描场镜第一透镜的第一面曲率半径。
根据上述实施例设计，得出图3～图7的扫描场镜性能仿真数据，其中，图3为远心F-theta扫描场镜的光路图，通过图3可以看出，各视场的像方主光线与像面几乎垂直，远心<3°。图4为远心F-theta扫描场镜的像散、场曲和畸变图，从图4中可以看出，该实施例的最大像散不超过0.05mm，场曲也得到了很好的校正，图5为远心扫描场镜在0视场、0.3视场、0.5视场0.7视场和1.0视场的光程差图，光程差不超过0.5λ，图6为远心扫描场镜在0视场、0.3视场、0.5视场0.7视场和1.0视场的光学传递函数图，各视场MTF基本上都达到衍射极限，图7为远心扫描场镜在0视场、0.3视场、0.5视场0.7视场和1.0视场的衍射能量集中图，从图上可以看出，各视场的86％的能量都集中在直径为8um的直径范围内。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，从激光入射方向开始，包括第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜；
第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96mm，第一透镜的中心厚度为3mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-114.02mm和-48.81mm，第二透镜的中心厚度为18.28mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第三透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为478.12mm和-58.95mm，第三透镜的中心厚度为14.87mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第四透镜的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为250.55mm和-182.99mm，第四透镜的中心厚度为9.74mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68；
第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙为2.38mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第四透镜与像面在光轴上的空气间隙为146mm。
2.根据权利要求1所述的一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫描场镜的入射光束波长为355nm。
3.根据权利要求1所述的一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫描场镜的全视场内像散<0.05mm。
4.一种基于权利要求1～3中任一项所述的扫描场镜的光学扫描系统，其特征在于，从激光入射端开始，该光学系统包括依次设置的扩束镜、振镜、远心F-theta扫描场镜及像面，振镜由彼此正交的x方向反射镜和y方向反射镜组成，光束依次经过扩束镜、振镜中的x方向反射镜和y方向反射镜，x方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的x方向上移动，y方向反射镜转动会使激光光斑在加工物件的y方向上移动，最后通过远心F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面上。
5.根据权利要求4所述的一种光学扫描系统，其特征在于，第一透镜距离振镜的距离为20mm-50mm。
6.根据权利要求5所述的一种光学扫描系统，其特征在于，第一透镜距离振镜的距离为35.5mm。
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