CN207067511U - 大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 - Google Patents
大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN207067511U CN207067511U CN201720383868.3U CN201720383868U CN207067511U CN 207067511 U CN207067511 U CN 207067511U CN 201720383868 U CN201720383868 U CN 201720383868U CN 207067511 U CN207067511 U CN 207067511U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lens
- field
- mirror
- theta
- visual field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本实用新型涉及大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统。该大视场紫外激光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凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第三透镜凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第四透镜为双凸正透镜。与现有技术相比，本实用新型扫描场镜排布成“‑+++”的光焦度分布，在大视场角度下，扫描场镜的像差依然得到良好的校正，各视场的波像差均小于λ/10。该扫描场镜具有大的视场，而且结构紧凑简单，镜片加工容易，造价低廉。
Description
技术领域
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种大视场紫外激光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F-theta扫描场镜进行工作时，如果扫描场镜的视场比较小，在不移动加工件或工作台情况下，一次性加工比较小的视场范围，如果要加工较大的零件，需要移动工件或工作台，严重降低了加工效率和加工精度。专利CN 101846790A 中所述的F-theta扫描场镜，是一款355nm的扫描场镜，但该扫描场镜的视场只有 50mm x 50mm，无法克服上述的加工范围比较小所带来的缺陷。
实用新型内容
本实用新型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大视场紫外激光F-theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种大视场紫外激光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凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第三透镜凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第四透镜为双凸正透镜。
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： -0.8＜f1/f＜-0.2，1＜f2/f＜2，0.5＜f3/f＜1.2，1＜f4/f＜2.5，优选，f1/f＝-0.45，f2/f＝1.475，f3/f＝0.83，f4/f＝1.64，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：-70mm＜R1＜-20mm，优选为R1＝-46.39mm， 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-46.39mm和-317.26mm，第一透镜的中心厚度为3.31mm，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-117.21mm和-74.7mm，第二透镜的中心厚度为19.79mm，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-441.84mm和-83.26mm，第三透镜的中心厚度为15.37mm，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397.02mm和-397.02mm，第四透镜的中心厚度为11.05mm，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2.5mm，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314.3mm。
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<12.9°。
所述的扫描场镜的全视场内波像差<λ/10。
所述的扫描场镜的大的工作视场φ>240mm。
一种基于所述的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、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37.63mm。
本实用新型扫描场镜排布成“-+++”的光焦度分布，本实用新型场镜的工作波长为355nm，在大视场角度下，扫描场镜的像差依然得到良好的校正，各视场的波像差均小于λ/10。
与现有技术相比，本实用新型场镜具有视场大、像差小的特点，能满足高精度的精细微加工，而且在加工稍大零件时，也能保证加工精度和加工效率。同时，本实用新型结构紧凑简单，镜片加工容易，造价低廉。
附图说明
图1为基于大视场紫外激光F-theta扫描场镜的光学系统结构示意图。
图2为本实用新型的大视场紫外激光F-theta扫描场镜结构示意图。
图3为本实用新型的大视场紫外激光F-theta扫描场镜一优选实施例的光线追迹图。
图4为本实用新型的大视场紫外激光F-theta扫描场镜一优选实施例的像散、场曲及畸变图。
图5为本实用新型的大视场紫外激光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为本实用新型的大视场紫外激光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为本实用新型的大视场紫外激光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实用新型进行详细说明。
图1是基于大视场紫外激光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F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面5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5上的二维扫描。
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，本实用新型的大视场紫外激光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为凹面朝向入射端的弯月负透镜，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为凹面朝向入射端的弯月正透镜，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：
f1/f＝-0.45，f2/f＝1.475，f3/f＝0.83，f4/f＝1.64。
第一透镜的第一面曲率半径满足：-70mm＜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：
如图2所示，第一透镜1的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-46.39mm和 -317.26mm，S1距离振镜y方向反射镜的距离d0＝20-50mm，第一透镜1的中心厚度d1为3.31mm，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2的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-117.21mm和-74.7mm，第二透镜 2的中心厚度d3为19.79mm，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3的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为-441.84mm和-83.26mm，第三透镜3的中心厚度d5为15.37mm，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4的两个球面S7和S8，其曲率半径分别为397.02mm和-397.02mm，第四透镜4的中心厚度d7为11.05mm，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1与第二透镜2之间在光轴上的空气间隙d2为2.5mm，第二透镜2 与第三透镜3之间在光轴上的空气间隙d4为0.5mm，第三透镜3与第四透镜4之间在光轴上的空气间隙d6为0.5mm，第四透镜4与像面5在光轴上的空气间隙d8为324.3mm。
表1扫描场镜的各种参数
| 球面 | 曲率半径R(mm) | 空气间隙d(mm) | 材料Nd:Vd |
| S1 | -46.39 | d1＝3.31 | 1.46:68 |
| S2 | -317.26 | d2＝2.5 | |
| S3 | -117.21 | d3＝19.79 | 1.46:68 |
| S4 | -74.7 | d4＝0.5 | |
| S5 | -441.84 | d5＝15.37 | 1.46:68 |
| S6 | -83.26 | d6＝0.5 | |
| S7 | 397.02 | d7＝11.05 | 1.46:68 |
| S8 | -397.02 | d8＝324.3 |
与上述实施例设计对应的其他参数如下：
f＝225mm，EPD＝10mm，λ＝355nm，2ω＝54.2°，
f1/f＝-0.67，f2/f＝4.65，f3/f＝2.29，f4/f＝1.67，f5/f＝2.77，
R1＝-46.39mm，
其中f为大视场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 为大视场F-theta扫描场镜的光路图。图4为大视场F-theta扫描场镜的像散、场曲和畸变图，，图5为大视场扫描场镜在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0.1λ，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为大视场扫描场镜在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9um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实用新型。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，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大视场紫外激光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凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第三透镜为凹面朝向入射光侧的弯月正透镜，第四透镜为双凸正透镜。
2.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，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：-0.8＜f1/f＜-0.2，1＜f2/f＜2，0.5＜f3/f＜1.2，1＜f4/f＜2.5，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。
3.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，第一透镜的第一面曲率半径满足：-70mm＜R1＜-20mm，R1为第一透镜的第一面曲率半径。
4.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-46.39mm和-317.26mm，第一透镜的中心厚度为3.31mm，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-117.21mm和-74.7mm，第二透镜的中心厚度为19.79mm，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-441.84mm和-83.26mm，第三透镜的中心厚度为15.37mm，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397.02mm和-397.02mm，第四透镜的中心厚度为11.05mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd＝1.46，阿贝数Vd为68。
5.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙为2.5mm，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314.3mm。
6.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光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。
7.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫描场镜的全视场内波像差<λ/10，λ为激光波长。
8.根据权利要求1所述的一种大视场紫外激光F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫描场镜的大的工作视场φ>240mm。
9.一种基于权利要求1～8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、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F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面上。
10.根据权利要求9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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720383868.3U CN207067511U (zh) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | 大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720383868.3U CN207067511U (zh) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | 大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN207067511U true CN207067511U (zh) | 2018-03-02 |
Family
ID=61501270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201720383868.3U Active CN207067511U (zh) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | 大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN207067511U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109822213A (zh) * | 2019-02-19 | 2019-05-31 | 武汉华工激光工程有限责任公司 | 一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法 |
| CN112415739A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-26 | 南京波长光电科技股份有限公司 | 一种工作距可变的激光扫描光学系统 |
| CN115144840A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-10-04 | 深圳阜时科技有限公司 | 一种扩束透镜、发射模组、光电检测装置及电子设备 |
-
2017
- 2017-04-13 CN CN201720383868.3U patent/CN207067511U/zh active Active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109822213A (zh) * | 2019-02-19 | 2019-05-31 | 武汉华工激光工程有限责任公司 | 一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法 |
| CN112415739A (zh) * | 2020-11-17 | 2021-02-26 | 南京波长光电科技股份有限公司 | 一种工作距可变的激光扫描光学系统 |
| CN115144840A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-10-04 | 深圳阜时科技有限公司 | 一种扩束透镜、发射模组、光电检测装置及电子设备 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105527706B (zh) | 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 | |
| CN207067511U (zh) | 大视场紫外激光F‑theta扫描场镜及光学扫描系统 | |
| CN206696536U (zh) | 一种紫外激光连续变倍扩束镜 | |
| CN203786376U (zh) | F-θ物镜 | |
| TWI664044B (zh) | 一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭 | |
| CN110146968A (zh) | 一种消场曲及消像散的355nm紫外远心f-theta镜头 | |
| CN206696510U (zh) | 一种紫外激光远心F‑theta扫描场镜 | |
| CN111123480A (zh) | 一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头 | |
| CN107797224A (zh) | 光学镜头及激光加工设备和激光加工方法 | |
| CN210038305U (zh) | 一种355nm紫外远心f-theta镜头 | |
| CN104769474B (zh) | 一种远红外激光加工用Fθ镜头及激光加工设备 | |
| CN109633865A (zh) | 一种高精度激光加工远心F-Theta扫描透镜 | |
| CN104297897B (zh) | 一种高功率紫外激光应用的光学镜头 | |
| CN101846790B (zh) | 一种紫外激光应用的光学镜头 | |
| CN205485046U (zh) | 一种紫外激光远心F-theta扫描场镜 | |
| CN206833057U (zh) | F‑θ物镜 | |
| CN114326055B (zh) | 一种大扫描角度的红外场镜 | |
| CN211438581U (zh) | 紫外光扫描场镜 | |
| CN101885113A (zh) | 紫外激光加工系统 | |
| CN210720852U (zh) | 一种紫外激光打标机远心f-θ扫描透镜 | |
| CN107797225B (zh) | 光学镜头及其激光加工设备 | |
| CN106537216B (zh) | 激光刻线用光学镜头 | |
| CN209542937U (zh) | F-θ物镜 | |
| CN209560184U (zh) | F-θ物镜 | |
| CN112292627B (zh) | 远心镜头和激光加工设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |