CN112305726A

CN112305726A - 校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜

Info

Publication number: CN112305726A
Application number: CN202011601359.6A
Authority: CN
Inventors: 王雪辉; 温彬; 李曾卓; 王建刚
Original assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Current assignee: Wuhan Huagong Laser Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: WO2022142250A1; CN112305726B

Abstract

本发明公开一种校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，包括沿入射光束方向依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；所述第一镜片采用双凹透镜，所述第二镜片采用平凸透镜，所述第三镜片采用双凸透镜，所述第四镜片采用凸平透镜，所述第五镜片和第六镜片均采用弯月透镜，所述第七镜片采用平平透镜。本发明经过设计后的物镜，能够校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态，使不同位置的聚焦光斑的光斑能量以及能量集中度一致，保证加工精度。

Description

校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜

技术领域

本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其涉及一种校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜。

背景技术

玻璃切割、晶圆隐切等在工业领域属于热点技术，这些切割技术要求切割后的断面必须干净，不需要后续的处理；且切割材料一般都比较脆弱，加工过程中也会产生材料的局部变弱，要求激光裂缝必须沿着玻璃片的整个深度产生。因此,在考虑时效性等因素下，希望形成的光束能够分布在整个切割方向，例如细长的贝塞尔光束，激光丝状光束，或者基于衍射理论的多焦点的分布等。而为了最大限度地加工，需要对整个玻璃厚度进行加工的时候使光束的能量密度、光斑的分布是一致的，但是由于要求的光束的光斑直径非常小，根据公式聚焦光斑直径d=2*M²*λ/（π*NA），其中，M²为光束质量因子，λ为激光波长，那么要求使用的聚焦镜的数值孔径NA则非常大，因此，分布在聚焦镜折射焦点位置外的焦点会由于像差的影响而导致光斑分布以及能量密度分布恶化，如图1所示。

从图1中可以看到，多焦点整形镜片经过聚焦镜后在沿着光束的传播方向形成了不同的焦点的个数，如果将镜头的折射焦点位置设为多个焦点的中间点的位置，那么由于聚焦点的聚焦时候的角度不同，聚焦点的分布以及能量集中度均会变差，由于折射焦点放在了中心位置所以光斑的分布基本成对称的趋势恶化，如图1中虚线框中光斑的分布；如果将折射的焦点放在多个焦点的最上方，那么最后一个焦点将会恶化的最严重，如图1中虚线框外的光斑的分布。同理，对于在沿着Z方向分布的其他方式均会出现这个现象，而且会严重影响到加工的精度，甚至导致最后的装置不可用。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，能够使不同位置的聚焦光斑的光斑分布及能量集中度一致。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，包括沿入射光束方向依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；所述第一镜片采用双凹透镜，所述第二镜片采用平凸透镜，所述第三镜片采用双凸透镜，所述第四镜片采用凸平透镜，所述第五镜片和第六镜片均采用弯月透镜，所述第七镜片采用平平透镜。

上述技术方案中，将不同像方焦点的物方焦点放置在不同物距的位置，无限远物距位置可以位于多个焦点的整个分布的中心焦点的物方，也可以放置于第一个焦点的位置或者最后一个焦点的位置；然后设置不同的像距，匹配不同的物距，每个焦点位置对应一个光束的角度即数值孔径值；基于前述原理进行七组镜片的设计，经过设计后的物镜，能够校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态，使不同位置的聚焦光斑的光斑能量以及能量集中度一致，保证加工精度。

进一步地，所述的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片沿激光光束传播方向并沿水平方向依次同轴设置。

进一步地，所述第一镜片包括两个曲面S1、S2，所述曲面S1的曲率半径R1=-29.6±10%mm，所述曲面S2的曲率半径R2=18.3±10%mm；所述第一镜片的中心厚度为2±10%mm。

进一步地，所述第二镜片包括平面S3和曲面S4，所述曲面S4的曲率半径R4=-29.0±10%mm；所述第二镜片的中心厚度为5±10%mm。

进一步地，所述第三镜片包括两个曲面S5、S6，所述曲面S5的曲率半径R5=59.0±10%mm，所述曲面S6的曲率半径R6=-197.8±10%mm；所述第三镜片的中心厚度为5±10%mm。

进一步地，所述第四镜片包括曲面S7和平面S8，所述曲面S7的曲率半径R7=33.2±10%mm；所述第四镜片的中心厚度为5±10%mm。

进一步地，所述第五镜片包括两个曲面S9、S10，所述曲面S9的曲率半径R9=21±10%mm，所述曲面S10的曲率半径R10=33±10%mm；所述第五镜片的中心厚度为4.33±10%mm。

进一步地，所述第六镜片包括两个曲面S11、S12，所述曲面S11的曲率半径R11=13±10%mm，所述曲面S12的曲率半径R12=14±10%mm；所述第六镜片的中心厚度为4.4±10%mm。

进一步地，所述第七镜片包括两个平面S13、S14，所述第七镜片的中心厚度为2±10%mm。

进一步地，所述第一镜片与第二镜片的间距是24.92mm，所述第二镜片与第三镜片的间距是10mm，所述第三镜片与第四镜片的间距是1.56mm，所述第四镜片与第五镜片的间距是0.2mm，所述第五镜片与第六镜片的间距是0.2mm，所述第六镜片与第七镜片的间距是2.657mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明将不同像方焦点的物方焦点放置在不同物距的位置，无限远物距位置可以位于多个焦点的整个分布的中心焦点的物方，也可以放置于第一个焦点的位置或者最后一个焦点的位置；然后设置不同的像距，匹配不同的物距，每个焦点位置对应一个光束的角度即数值孔径值；基于前述原理进行七组镜片的设计，经过设计后的物镜，能够校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态，使不同位置的聚焦光斑的光斑能量以及能量集中度一致，保证加工精度。

附图说明

图1为现有技术中的光斑分布效果图。

图2为根据本发明实施例的物距与像距关系图。

图3为根据本发明实施例的物镜原理图。

图4为根据本发明实施例的沿着Z方向的光斑分布效果图。

图中：1、第一镜片；2、第二镜片；3、第三镜片；4、第四镜片；5、第五镜片；6、第六镜片；7、第七镜片。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的的专用物镜，将不同像方焦点的物方焦点放置在不同物距的位置，无限远物距位置可以位于多个焦点的整个分布的中心焦点的物方，也可以放置于第一个焦点的位置或者最后一个焦点的位置，再设置不同的像距，匹配不同的物距，每个焦点位置对应一个光束的角度即数值孔径值，每个焦点的数值孔径角度值不能高于镜头本身的数值孔径角度的极限值。该物镜适用于不同的激光波长。

不同的像距距离设置对应不同的物距距离，对应关系为：x*x’=-f²，如图2，x为折射透镜物方焦点位置到物方点的距离，x’为距离折射透镜焦点位置的像距值，f为聚焦物镜的物方焦距。

如图3，本发明的物镜包括沿入射光束方向依次设置的第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5、第六镜片6和第七镜片7；所述第一镜片1采用双凹透镜，所述第二镜片2采用平凸透镜，所述第三镜片3采用双凸透镜，所述第四镜片4采用凸平透镜，所述第五镜片5和第六镜片6均采用弯月透镜，所述第七镜片7采用平平透镜。所述的第一镜片1、第二镜片2、第三镜片3、第四镜片4、第五镜片5、第六镜片6和第七镜片7沿激光光束传播方向并沿水平方向依次同轴设置。入射光束经本发明物镜整形后，能够校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态，使不同位置的聚焦光斑的光斑能量以及能量集中度一致，保证加工精度。

所述第一镜片1与第二镜片2的间距d₁₂是24.92mm，所述第二镜片2与第三镜片3的间距d₂₃是10mm，所述第三镜片3与第四镜片4的间距d₃₄是1.56mm，所述第四镜片4与第五镜片5的间距d₄₅是0.2mm，所述第五镜片5与第六镜片6的间距d₅₆是0.2mm，所述第六镜片6与第七镜片7的间距d₆₇是2.657mm。

所述第一镜片1包括两个曲面S1、S2，所述曲面S1的曲率半径R1=-29.6±10%mm，所述曲面S2的曲率半径R2=18.3±10%mm；所述第一镜片1的中心厚度d₁为2±10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）= 64.1160。

所述第二镜片2包括平面S3和曲面S4，所述曲面S4的曲率半径R4=-29.0±10%mm；所述第二镜片2的中心厚度d₂为5+10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）=64.1160。

所述第三镜片3包括两个曲面S5、S6，所述曲面S5的曲率半径R5=59.0±10%mm，所述曲面S6的曲率半径R6=-197.8±10%mm；所述第三镜片3的中心厚度d₃为5+10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）= 64.1160。

所述第四镜片4包括曲面S7和平面S8，所述曲面S7的曲率半径R7=33.2±10%mm；所述第四镜片4的中心厚度d₄为5±10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）=64.1160。

所述第五镜片5包括两个曲面S9、S10，所述曲面S9的曲率半径R9=21±10%mm，所述曲面S10的曲率半径R10=33±10%mm；所述第五镜片5的中心厚度d₅为4.33+10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）= 64.1160。

所述第六镜片6包括两个曲面S11、S12，所述曲面S11的曲率半径R11=13±10%mm，所述曲面S12的曲率半径R12=14±10%mm；所述第六镜片6的中心厚度d₆为4.4+10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）= 64.1160。

所述第七镜片7包括两个平面S13、S14，所述第七镜片7的中心厚度d₇为2+10%mm；材料Nd（折射率）= 1.51637，Vd（阿贝数）= 64.1160。

本实施例中，校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，包括沿入射光束方向并沿水平方向依次设置的双凹透镜、平凸透镜、双凸透镜、凸平透镜、弯月透镜、弯月透镜和平平透镜，入射光经本实施例物镜整形后，得到不同位置的聚焦光斑的光斑分布以及能量集中度一致，其沿着Z方向的光斑分布效果图如图4所示，从图中可见，不同位置聚焦光斑的光斑大小一致，光斑能量集中度一致，光斑分布状态一致。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims

1.校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，包括沿入射光束方向依次设置的第一镜片、第二镜片、第三镜片、第四镜片、第五镜片、第六镜片和第七镜片；所述第一镜片采用双凹透镜，所述第二镜片采用平凸透镜，所述第三镜片采用双凸透镜，所述第四镜片采用凸平透镜，所述第五镜片和第六镜片均采用弯月透镜，所述第七镜片采用平平透镜。

2.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第一镜片包括两个曲面S1、S2，所述曲面S1的曲率半径R1=-29.6±10%mm，所述曲面S2的曲率半径R2=18.3±10%mm；所述第一镜片的中心厚度为2±10%mm。

3.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第二镜片包括平面S3和曲面S4，所述曲面S4的曲率半径R4=-29.0±10%mm；所述第二镜片的中心厚度为5±10%mm。

4.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第三镜片包括两个曲面S5、S6，所述曲面S5的曲率半径R5=59.0±10%mm，所述曲面S6的曲率半径R6=-197.8±10%mm；所述第三镜片的中心厚度为5±10%mm。

5.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第四镜片包括曲面S7和平面S8，所述曲面S7的曲率半径R7=33.2±10%mm；所述第四镜片的中心厚度为5±10%mm。

6.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第五镜片包括两个曲面S9、S10，所述曲面S9的曲率半径R9=21±10%mm，所述曲面S10的曲率半径R10=33±10%mm；所述第五镜片的中心厚度为4.33±10%mm。

7.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第六镜片包括两个曲面S11、S12，所述曲面S11的曲率半径R11=13±10%mm，所述曲面S12的曲率半径R12=14±10%mm；所述第六镜片的中心厚度为4.4±10%mm。

8.根据权利要求1所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第七镜片包括两个平面S13、S14，所述第七镜片的中心厚度为2±10%mm。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的校正沿着光束传播方向的光学聚焦点分布状态的物镜，其特征在于，所述第一镜片与第二镜片的间距是24.92mm，所述第二镜片与第三镜片的间距是10mm，所述第三镜片与第四镜片的间距是1.56mm，所述第四镜片与第五镜片的间距是0.2mm，所述第五镜片与第六镜片的间距是0.2mm，所述第六镜片与第七镜片的间距是2.657mm。