CN111123480B - 一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学镜头技术领域，公开了一种紫外激光应用的远心F‑theta光学镜头，沿激光入射方向依次排列有第一、第二、第三、第四、第五、第六透镜，第一透镜和第四透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第二透镜和第三透镜为双凹型负透镜；第五透镜为平凸型正透镜；第六透镜为双凸型正透镜。该镜头的焦距为105mm，入瞳直径为9mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其为2ω＝41°，加工区域为53mm*53mm。本发明的F‑theta光学镜头整体结构紧凑，聚焦光斑小，像散<0.03mm，相对畸变<0.05％，远心度<0.1°，适用于某些要求超精细加工效果的切割或钻孔领域。

Description

一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，尤其涉及一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着激光加工技术的不断发展，对激光加工设备的要求也越来越高，要求加工出来的效果也越来越精细，以往常用的波长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、清晰的效果，改用波长更短的紫外激光进行加工，能使其聚焦光斑更小，因为达到衍射极限时，聚焦光斑的大小为：

艾里斑直径δ＝2.44λf/D。

由上式可以看出，对于相同f/D的光学镜头，使用波长λ＝355nm的激光时，其艾里斑直径比用1064nm、532nm波长的激光更小。因此，使用波长为355nm的激光加工设备在打孔、切割等方面效果会更精细。而且由于聚焦光斑更小，能量更加集中，加工中热影响区更小，因此紫外激光的应用越来越广泛。目前紫外加工主要用于各种玻璃、液晶屏、半导体硅片、食品、医药包装材料等材料的打标、切割划片、打微孔、微细加工、表面处理等。

对于光学镜头，场曲会导致最佳工作面弯曲，像散会造成X、Y两个方向线宽不一致，如果镜头的场曲、像散过大，则在激光加工中会导致加工线条精度不够。特别是进行精细加工、钻孔的时候，过大的像散会导致孔不是圆形，可能变成椭圆或长条形，严重影响加工精度。公开号为CN 104375261A的专利申请，其最大的像散达到0.5mm；公开号为CN101846790A的专利申请，其最大的像散达到0.3mm，有必要进一步降低镜头的残余像散。

F-theta镜头常被用于平像场和光束聚焦，要求在成像面上像高与扫描角成线性关系，畸变会破坏这种线性关系。如果畸变过大，则会导致加工边缘区域时的位置精度降低，专利CN 101846790A中所述的F-theta镜头，其最大畸变达到8％，严重影响加工精度。

在激光加工中，使用非远心F-theta镜头进行钻孔时，会由于镜头像方主光线与像面之间有一定的倾角，使得加工出来的孔有一定的斜度。另外，当被加工件与镜头有一些离焦时，由于非远心的原因，会造成附加的畸变，降低加工的位置精度。而远心F-theta镜头经过特殊设计，镜头的出瞳位于像空间无限远，使得聚焦光束的主光线与像平面垂直，在减小聚焦光斑钻孔角度有特殊优势，被广泛用于精密激光打标和钻孔中，一个典型的应用就是PCB板的钻孔。专利CN 101846790A中所述的F-theta镜头，是一款355nm、非远心扫描场镜，该镜头无法克服上述非远心镜头的缺陷。专利CN 105527706A是一款355nm的远心场镜，但其远心度只达到了3°，不是很小。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有F-theta光学镜头的场曲、像散较大，在激光加工中会导致加工线条精度不够。

(2)现有光学镜头的畸变过大，会导致加工边缘区域时的位置精度降低，严重影响加工精度。

解决上述技术问题的难度：普通光学玻璃在紫外波段吸收强烈，设计355nm镜头的材料通常选用熔融石英玻璃，材料单一，不能像其它透镜一样可以选用不同折射率的材料来配合设计，另外，熔融石英玻璃的折射率比较小，这些因素导致减小355nm远心F-theta镜头的场曲、像散和畸变的难度较大。

解决上述技术问题的意义：本发明通过特定结构光学系统的设置，以及透镜组光焦度的合理分配，使设计的F-theta光学镜头像散、场曲和畸变等显著降低，远心度数也很小，因此在用本发明进行激光精加工时，可以显著减小聚焦光斑钻孔的倾角，改善钻孔的形状误差，提升加工线条的精细度，提高工件的加工精度和质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头及其设计方法。

本发明是这样实现的，一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头设置有：

镜头本体；

所述镜头本体设置有沿激光入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第一透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；

所述第二透镜为双凹型负透镜；

所述第三透镜为双凹型负透镜；

所述第四透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；

第五透镜为平凸型正透镜；

第六透镜为双凸型正透镜。

进一步，所述镜头本体的焦距为105mm，入瞳直径为9mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其为2ω＝41°，加工区域为53mm*53mm。

进一步，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距与镜头本体的焦距分别满足：0.9<f₁/f<1.4，-0.7<f₂/f<-0.3，-1.6<f₃/f<-1.0，1.1<f₄/f<1.9，0.7<f₅/f<1.5，2.2<f₆/f<3.2，优选地，f₁/f＝1.15，f₂/f＝-0.5，f₃/f＝-1.28，f₄/f＝1.47，f₅/f＝1.09，f₆/f＝2.7，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，f₅为第五透镜的焦距，f₆为第六透镜的焦距，f为镜头本体的总焦距。

进一步，所述第一透镜的两个曲面S1、S2的曲率半径分别为R1＝-128±5mm，R2＝-40±5mm，第一透镜光轴上的中心厚度d1＝5.2±0.5mm，第一透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；

第二透镜的两个曲面S3、S4的曲率半径分别为R3＝-25±5mm，R4＝717±5mm，第二透镜光轴上的中心厚度d3＝2.1±0.5mm，第二透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；

第三透镜的两个曲面S5、S6的曲率半径分别为R5＝-75±5mm，R6＝433±5mm，第三透镜光轴上的中心厚度d5＝5.4±0.5mm，第三透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；

第四透镜的两个曲面S7、S8的曲率半径分别为R7＝-152±5mm，R8＝-50±5mm，第四透镜光轴上的中心厚度d7＝12.7±0.5mm，第四透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；

第五透镜的两个曲面S9、S10的曲率半径分别为R9＝∞，R10＝-54±5mm，第五透镜光轴上的中心厚度d9＝24.2±0.5mm，第五透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；

第六透镜的两个曲面S11、S12的曲率半径分别为R11＝290±5mm，R12＝-248±5mm，第六透镜光轴上的中心厚度d11＝10.5±0.5mm，第六透镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82。

进一步，所述第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙d2＝11.5±0.5mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙d4＝5.6±0.5mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙d6＝4.3±0.5mm，第四透镜与第五透镜之间在光轴上的空气间隙d8＝2.4±0.5mm，第五透镜与第六透镜之间在光轴上的空气间隙d10＝0.35±0.1mm。

进一步，所述第六透镜与像面之间设置有保护镜，保护镜为双平板透镜，包括平面S13、S14，保护镜在光轴上的中心厚度为d13＝3mm，保护镜材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82。

第六透镜与保护镜在光轴上的间距为d12＝4mm，所述保护镜与像面在光轴上的空气间隙为d14＝139±5mm。

进一步，所述镜头本体的光瞳与第一透镜之间的距离为d0＝25±5mm。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的F-theta光学镜头整体结构紧凑，聚焦光斑小，通过特定结构光学系统的设置，以及透镜组光焦度的合理分配，使像散、场曲等显著降低，像散<0.03mm，相对畸变<0.05％，远心度<0.1°，本发明适用于某些要求超精细加工效果的切割或钻孔领域。

附图说明

图1是本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的设计方法原理图。

图2是本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的光路图。

图4为本发明实施例提供的像散、场曲与畸变图。

图5为本发明实施例提供的光学传递函数MTF图。

图6为本发明实施例提供的光斑能量集中图。

图7为本发明实施例提供的离焦点列图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的设计方法原理图，激光顺次经过绕x轴和y轴转动的两块振镜1和2，然后通过F-theta镜头3聚焦在成像面4上，由振镜扫描形成二维图像。绕x轴转动的振镜使激光光斑在加工件的x方向上移动，绕y轴转动的振镜使激光光斑在加工件的y方向上移动。F-theta镜头3是一种平像场的镜头，在激光加工中，要求成像面上的像高y′与x轴的振镜1和y轴的振镜2的扫描角θ成线性关系，即y′＝fθ，其中f为F-theta镜头3的焦距，θ为振镜的扫描角度(单位为弧度)。同时，为了保证加工精度，避免打孔倾斜、加工件离焦造成的畸变和圆孔变形，要求F-theta镜头3各视场的主光线尽量与像面垂直，像散尽量小。

如图2所示，是本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的结构示意图，本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头沿激光入射方向依次排列有第一、第二、第三、第四、第五、第六透镜，其中，第一透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第二透镜为双凹型负透镜；第三透镜为双凹型负透镜；第四透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第五透镜为平凸型正透镜；第六透镜为双凸型正透镜。由以上透镜组构成实际系统时，为了保护裸露在外的透镜，本实施例中，在第六透镜和成像面之间增加了平板镜。在优选实施例中，各镜片的焦距与F-theta镜头的焦距f满足以下条件：

0.9<f₁/f<1.4，-0.7<f₂/f<-0.3，-1.6<f₃/f<-1.0，1.1<f₄/f<1.9，0.7<f₅/f<1.5，2.2<f₆/f<3.2，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，f₅为第五透镜的焦距，f₆为第六透镜的焦距。

本发明实施例提供的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头应用中，(1)激光顺次经过绕x轴和y轴转动的第一振镜和第二振镜，然后通过F-theta镜头聚焦在成像面上，由第一振镜和第二振镜扫描形成二维图像。

(2)绕x轴转动的第一振镜使激光光斑在加工件的x方向上移动，绕y轴转动的第二振镜使激光光斑在加工件的y方向上移动。

(3)在激光加工中，成像面上的像高y′与x轴的第一振镜和y轴的第二振镜的扫描角θ成线性关系，即y′＝fθ，其中f为F-theta镜头的焦距，θ为第一振镜和第二振镜的扫描角度。

下面结合具体实施例对本发明的方案进一步进行描述：

实施例

第一透镜的两个曲面S1、S2的曲率半径分别为R1＝-128.25mm，R2＝-40.26mm，其光轴上的中心厚度d1＝5.17mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82，S1距离光瞳的距离为d0＝24mm；第二透镜的两个曲面S3、S4的曲率半径分别为R3＝-25.91mm，R4＝717.28mm，其光轴上的中心厚度d3＝2.1mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；第三透镜的两个曲面S5、S6的曲率半径分别为R5＝-75.46mm，R6＝433.29mm，其光轴上的中心厚度d5＝5.39mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；第四透镜的两个曲面S7、S8的曲率半径分别为R7＝-152.02mm，R8＝-50.78mm，其光轴上的中心厚度d7＝12.66mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；第五透镜的两个曲面S9、S10的曲率半径分别为R9＝∞，R10＝-54.28mm，其光轴上的中心厚度d9＝24.23mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82；第六透镜的两个曲面S11、S12的曲率半径分别为R11＝290.29mm，R12＝-248.75mm，其光轴上的中心厚度d11＝10.46mm，其材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82。第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙d2＝11.47mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙d4＝5.57mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙d6＝4.28mm，第四透镜与第五透镜之间在光轴上的空气间隙d8＝2.39mm，第五透镜与第六透镜之间在光轴上的空气间隙d10＝0.32mm。第六透镜与成像面之间设置了保护镜，该保护镜为双平板透镜，其包括平面S13、S14，在光轴上的中心厚度为d13＝3mm，材料的折射率N_d＝1.46，阿贝数V_d＝67.82。第六透镜与保护镜在光轴上的间距为d12＝4mm，保护镜与像面在光轴上的空气间隙为d14＝139mm。

列表如下：

与上述实施例设计对应的其他参数如下：

f＝105mm，EPD＝9mm，λ＝355nm，2ω＝41°，A＝53mm*53mm。

其中f为本光学镜头的焦距，EPD为入瞳直径，λ为激光波长，2ω为视场角，A为加工面积。

上述实施例，整体结构很紧凑，满足平像场要求，像差得到了很好地校正。图3为本发明的光路图，数据表明各视场的像方主光线与像面几乎垂直，远心度<0.1°；图4为本发明的像散、场曲与畸变图，数据表明像散、场曲等得到了很好地校正，像散<0.03mm，场曲<0.02mm，相对畸变<0.05％；图5为本发明的光学传递函数MTF图，数据表明各视场的MTF基本上都达到了衍射极限，分辨率极高；图6为本发明的光斑能量集中图，从图中可以看出，各视场87％的能量都集中在半径为4.5μm的范围内，聚焦光斑小；图7为本发明的离焦点列图，从图7中可以看出，在一定离焦范围内，光斑尺寸变化不大。

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 (7)

1.一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，所述紫外激光应用的远心F-theta光学镜头设置有：

镜头本体；

所述镜头本体设置有沿激光入射方向依次排列的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；

所述第一透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；

所述第二透镜为双凹型负透镜；

所述第三透镜为双凹型负透镜；

所述第四透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；

第五透镜为平凸型正透镜；

第六透镜为双凸型正透镜；

所述第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜的焦距与镜头本体的焦距分别满足：f1/f＝1.15，f2/f＝-0.5，f3/f＝-1.28，f4/f＝1.47，f5/f＝1.09，f6/f＝2.7，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，f5为第五透镜的焦距，f6为第六透镜的焦距，f为镜头本体的总焦距；

所述镜头本体的焦距为105mm，入瞳直径为9mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其为2ω＝41°，加工区域为53mm*53mm；

所述第一透镜的两个曲面S1、S2的曲率半径分别为R1＝-128±5mm，R2＝-40±5mm，第一透镜光轴上的中心厚度d1＝5.2±0.5mm，第一透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

第二透镜的两个曲面S3、S4的曲率半径分别为R3＝-25±5mm，R4＝717±5mm，第二透镜光轴上的中心厚度d3＝2.1±0.5mm，第二透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

第三透镜的两个曲面S5、S6的曲率半径分别为R5＝-75±5mm，R6＝433±5mm，第三透镜光轴上的中心厚度d5＝5.4±0.5mm，第三透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

第四透镜的两个曲面S7、S8的曲率半径分别为R7＝-152±5mm，R8＝-50±5mm，第四透镜光轴上的中心厚度d7＝12.7±0.5mm，第四透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

2.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，第五透镜的两个曲面S9、S10的曲率半径分别为R9＝∞，R10＝-54±5mm，第五透镜光轴上的中心厚度d9＝24.2±0.5mm，第五透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

3.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，第六透镜的两个曲面S11、S12的曲率半径分别为R11＝290±5mm，R12＝-248±5mm，第六透镜光轴上的中心厚度d11＝10.5±0.5mm，第六透镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

4.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙d2＝11.5±0.5mm，第二透镜与第三透镜之间在光轴上的空气间隙d4＝5.6±0.5mm，第三透镜与第四透镜之间在光轴上的空气间隙d6＝4.3±0.5mm，第四透镜与第五透镜之间在光轴上的空气间隙d8＝2.4±0.5mm，第五透镜与第六透镜之间在光轴上的空气间隙d10＝0.35±0.1mm。

5.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，所述第六透镜与像面之间设置有保护镜，保护镜为双平板透镜，包括平面S13、S14，保护镜在光轴上的中心厚度为d13＝3mm，保护镜材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

6.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，第六透镜与保护镜在光轴上的间距为d12＝4mm，所述保护镜与像面在光轴上的空气间隙为d14＝139±5mm。

7.如权利要求1所述的紫外激光应用的远心F-theta光学镜头，其特征在于，所述镜头本体的光瞳与第一透镜之间的距离为d0＝25±5mm。