CN108415147A - 一种F-Theta镜头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种F‑Theta镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和窗口片，第一透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜。本发明F‑Theta镜头可用于钻孔加工，能满足钻孔各项要求，尤其适于小孔径孔的制作，可得到圆度高、大小均匀的孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种F-Theta镜头(也称为扫描镜头或者场镜，以下简称场镜)，主要应用于PCB的钻孔加工，属于光学领域。
背景技术
场镜是一种与振镜配套使用的光学扫描聚焦镜头，将入射到振镜的大直径光束经振镜的反射镜调整入射角度后，聚焦到工件表面,实现在特定的范围内对工件进行钻孔、焊接、切割、标记、内雕等等加工作业。
场镜的主要技术参数有：激光波长、焦距(FFL)、扫描范围、法兰距(BFL)、工作距(WD)和入射光斑直径等；与振镜关联的参数有：XY二个反光镜的中心距、Y反光镜的靠边距和后返点。主要性能指标有：聚焦面的平场性、聚焦光斑的大小、圆度、均匀性和焦深等；与激光能量关联的性能指标有：抗激光损伤阈值、激光能量透过率、透过率均匀性和焦点温度飘移特性。
不同的应用场合对F-Theta的性能指标有不同的侧重点，无需对所有指标面面俱到，否则成本将大幅提高。在钻孔领域，要求每一个孔必须是圆柱孔而不是圆锥孔，同时在作业范围内中心位置孔和边缘位置孔要保持大小一致，并且孔的圆度要求很高。普通F-Theta不能满足钻孔要求。
发明内容
为了解决现有技术中F-Theta不能满足钻孔要求等缺陷，本发明提供一种F-Theta镜头。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种F-Theta镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和窗口片，第一透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜。
上述F-Theta镜头能满足钻孔作业的特定要求。
为了进一步提高F-Theta镜头的精准性，第一透镜、第二透镜和第三透镜为锗透镜或硒化锌透镜。
为了进一步提高高光束焦点定位的均匀性和集中性，沿光线入射方向，第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第一曲面的曲率半径为680mm，第二曲面的曲率半径为680mm，第一透镜的中心厚度为7mm；沿光线入射方向，第二透镜包括相对的第三曲面和第四曲面，第三曲面的曲率半径为-282mm，第二曲面的曲率半径为-282mm，第二透镜的中心厚度为7mm；沿光线入射方向，第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第五曲面的曲率半径为无限大，第六曲面的曲率半径为406mm，第三透镜的中心厚度为11mm。
为了进一步提高光束焦点定位的准确性，第一透镜和第二透镜之间的中心间距为4.6mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间距为70.94mm，第三透镜和窗口片之间的中心间距为3.27mm。
本申请可利用现有的方法进行装配，镜座可以用现有的镜座，作为优选方案，镜座可以为一端大口一端小口的喇叭口状，第一透镜和第二透镜装设在镜座内的小口端，第三透镜和窗口片装设在镜座内的大口端。
为了进一步提高装配的稳定性，确保装配前后的透镜面形精度，镜座的小口端内的端部设有挡圈，挡圈的内径小于第一透镜的外径，第一透镜紧贴挡圈设置，第一透镜和第二透镜通过第一隔圈间隔，第二透镜通过第一压圈固定在镜座内；窗口片通过窗口片座固定在大口端内的端部，第三透镜和窗口片通过第二过渡圈和第二压圈间隔固定，沿光线入射方向，依次为第三透镜、第二过渡圈、第二压圈和窗口片。
本申请隔圈是为了将两部件间隔开来，挡圈、隔圈、压圈、窗口片座、过渡圈和弹性垫圈均为现有市售的零部件。
为了进一步提高装配的稳定性，同时防止镜片损伤，第一压圈和第二透镜之间设有第一过渡圏和弹性垫圈，沿光线入射方向，依次为第二透镜、第一过渡圏、弹性垫圈和第一压圈。
本申请F-Theta镜头，焦距为150mm，波长为9.4μm，远心度≤2.23°，光学扫描角度为22.6°，聚焦光斑大小为126-128μm，入射光束直径为20mm。
随着近代工业和科学技术的迅速发展，使用硬度大、熔点高的材料越来越多，而传统的加工方法已不能满足某些工艺要求，与常规打孔手段相比，本申请具有以下显著的优点：打孔速度快，效率高，经济效益好；可获得大的深径比；可在硬、脆、软等各类材料上进行；无工具损耗；适合于数量多、高密度的群孔加工；可在难加工材料倾斜面上加工小孔。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明F-Theta镜头可用于钻孔加工，能满足钻孔各项要求，得到各种大小孔的制作，尤其是小孔径孔的制作(直径小于0.25mm的孔)，且所得孔的圆度高、大小均匀；适于各种材质的钻孔，尤其是坚硬并易碎的材料，如陶瓷和宝石等。
附图说明
图1为本发明F-Theta镜头的光路图；
图2为本发明F-Theta镜头的点列图；
图3为本发明F-Theta镜头的+-0.4mm离焦点列图；
图4为本发明F-Theta镜头的光扇图；
图5为本发明F-Theta镜头的波前图；
图6为本发明F-Theta镜头的场曲畸变图；
图7为本发明F-Theta镜头的扫描光斑图；
图8为本发明F-Theta镜头的结构示意图；
图9为图8的左视图；
图10为本发明F-Theta镜头的实际作业边缘视场点集的影像图；
图中，1.镜座，2.第一隔圈，3.第一过渡圈，4.弹性垫圈，5.第一压圈，6.第二隔圈，7.第二过渡圈，8.锁紧螺钉，9.提手，10.弹性垫圈，11.窗口片座，12.第二压圈，13.定位环，14.O型圈，15.第三压圈，16.窗口片，17.第三透镜，18.第二透镜，19.第一透镜。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图8所示：一种F-Theta镜头，包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和窗口片，第一透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜；图8中，与第一透镜、第二透镜、第三透镜和窗口片平行的实现部分除了各种压圈、垫圈、过渡圈外，其余为镜座内表面的阶梯轮廓线；
第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第一曲面的曲率半径为680mm，第二曲面的曲率半径为680mm，第一透镜的中心厚度为7mm；第二透镜包括相对的第三曲面和第四曲面，第三曲面的曲率半径为-282mm，第二曲面的曲率半径为-282mm，第二透镜的中心厚度为7mm；第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第五曲面的曲率半径为无限大，第六曲面的曲率半径为406mm，第三透镜的中心厚度为11mm；沿光线入射方向，曲面的排列次序依次是：第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第五曲面和第六曲面；
第一透镜和第二透镜之间的中心间距为4.6mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间距为70.94mm，第三透镜和窗口片之间的中心间距为3.27mm；
第一透镜为锗透镜，第二透镜和第三透镜为硒化锌透镜；
上述F-Theta镜头的装配要以减少透镜的压力变形和温差变形为主要目的，采用球面定位、过渡圈、弹性垫圈、压圈等方式，所用配件可以是航空铝材、黄铜、优力胶等材料，窗口片采用分离式结构，便于更换，具体的装配方式可以使用现有常规方式。
如图所示，F-Theta镜头的镜座可以是如下结构：镜座为一端大口一端小口的喇叭口状，第一透镜和第二透镜装设在镜座内的小口端，第三透镜和窗口片装设在镜座内的大口端；镜座的小口端内的端部设有挡圈，挡圈的内径小于第一透镜的外径，第一透镜紧贴挡圈设置，第一透镜和第二透镜通过第一隔圈间隔，第二透镜通过第一压圈固定在镜座内；窗口片通过窗口片座固定在大口端内的端部，第三透镜和窗口片通过第二过渡圈和第二压圈间隔固定，沿光线入射方向，依次为第三透镜、第二过渡圈、第二压圈和窗口片；
第一压圈和第二透镜之间设有第一过渡圏和弹性垫圈，沿光线入射方向，依次为第二透镜、第一过渡圏、弹性垫圈和第一压圈，这样可起到进一步的固定和保护的作用；
采用干涉仪检测透镜的装配前后的面形变化；透镜的同轴度采用反射式中心检测监控每片镜片的中心偏，逐片安装；螺纹定位面和光学中心轴的垂直度的检测同时进行。
场镜检测方法：测试材料为亚克力透明板，测试范围82x82，包含33X33个点集，每个点集11点，焦点一个，离焦±200u，±400u，±600u，±800u，±1mm各二个，如图10所示，测试结果：无论中心点集还是边缘点集中，焦点位置、离焦后光斑圆度都符合使用要求，整体光斑均匀性好。
上述F-Theta镜头的技术参数如下：
焦距：150mm；波长：9.4μm；远心度：≤2.23°；范围：82×82mm2(平方毫米)；光学扫描角度：22.6°；聚焦光斑大小：126-128μm；入射光束直径：20mm；
振镜：M1-M2＝26.4mm，M2-Surface(表面)＝40.7mm；M1为X方向振镜反光镜，M2为Y方向振镜反光镜，Surface为场镜后端面。
从图2可看出，焦平面位置，中心和边缘点的聚焦光斑都很小，在艾里斑以内，而且光斑圆度比较好；从图3可看出，离焦后的光斑还在艾里斑之内；从图4可看出，所有视场像散、慧差校正比较好，有微量球差。从图5可看出，所有视场波前差不大于1/10λ；从图6可看出，场曲在0.2以内，并且子午和弧矢场曲基本一致，充分保证了光斑的圆度；从图7可看出，最大最小光斑直径相差只有1.4um，均匀性得到了保证；图10是实际作业边缘视场点集的影像图，有标记点为焦面上点，其余分别为离焦±200um、±400um、±600um、±800um、±1000um后的效果，圆度、焦深性能好。
Claims (10)
1.一种F-Theta镜头，其特征在于：包括沿光线入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和窗口片，第一透镜为正透镜，第二透镜为负透镜，第三透镜为正透镜。
2.如权利要求1所述的F-Theta镜头，其特征在于：第一透镜、第二透镜和第三透镜为锗透镜或硒化锌透镜。
3.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：沿光线入射方向，第一透镜包括相对的第一曲面和第二曲面，第一曲面的曲率半径为680mm，第二曲面的曲率半径为680mm，第一透镜的中心厚度为7mm。
4.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：沿光线入射方向，第二透镜包括相对的第三曲面和第四曲面，第三曲面的曲率半径为-282mm，第二曲面的曲率半径为-282mm，第二透镜的中心厚度为7mm。
5.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：沿光线入射方向，第三透镜包括相对的第五曲面和第六曲面，第五曲面的曲率半径为无限大，第六曲面的曲率半径为406mm，第三透镜的中心厚度为11mm。
6.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：第一透镜和第二透镜之间的中心间距为4.6mm，第二透镜和第三透镜之间的中心间距为70.94mm，第三透镜和窗口片之间的中心间距为3.27mm。
7.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：还包括镜座，镜座为一端大口一端小口的喇叭口状，第一透镜和第二透镜装设在镜座内的小口端，第三透镜和窗口片装设在镜座内的大口端。
8.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：镜座的小口端内的端部设有挡圈，挡圈的内径小于第一透镜的外径，第一透镜紧贴挡圈设置，第一透镜和第二透镜通过第一隔圈间隔，第二透镜通过第一压圈固定在镜座内；窗口片通过窗口片座固定在大口端内的端部，第三透镜和窗口片通过第二过渡圈和第二压圈间隔固定，沿光线入射方向，依次为第三透镜、第二过渡圈、第二压圈和窗口片。
9.如权利要求8所述的F-Theta镜头，其特征在于：第一压圈和第二透镜之间设有第一过渡圏和弹性垫圈，沿光线入射方向，依次为第二透镜、第一过渡圏、弹性垫圈和第一压圈。
10.如权利要求1或2所述的F-Theta镜头，其特征在于：焦距为150mm，波长为9.4μm，远心度≤2.23°，光学扫描角度为22.6°，聚焦光斑大小为126-128μm，入射光束直径为20mm。
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