CN211375164U

CN211375164U - 一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头

Info

Publication number: CN211375164U
Application number: CN202020111250.3U
Authority: CN
Inventors: 曾维友; 王晴岚; 徐利
Original assignee: Hubei University of Automotive Technology
Current assignee: Hubei University of Automotive Technology
Priority date: 2020-01-19
Filing date: 2020-01-19
Publication date: 2020-08-28
Anticipated expiration: 2030-01-19

Abstract

本实用新型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第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜；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。该紫外激光应用的远心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°。

Description

一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头

技术领域

本实用新型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，业内常用的现有技术是这样的：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。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)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，影响加工精度

(2)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。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头。

本实用新型是这样实现的，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第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜；

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。

进一步，该紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的焦距为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。

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的焦距为：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＝-128.25mm，R2＝-40.26mm，其光轴上的中心厚度d1＝5.17mm，其材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

所述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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

所述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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

所述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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

所述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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

所述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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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＝11.47mm，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。

进一步，所述第六透镜与成像面之间设置有保护镜，所述保护镜包括平面S13、S14，在光轴上的中心厚度为d13＝3mm，材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

进一步，所述第六透镜与保护镜在光轴上的间距为d12＝4mm，所述的保护镜与像面在光轴上的空气间隙为d14＝139mm。

进一步，所述F-theta光学镜头的光瞳距离所述第一透镜的距离为15mm-40mm。

进一步，所述F-theta光学镜头的光瞳距离所述第一透镜的距离为d0＝24mm。

进一步，所述F-theta光学镜头在全视场内的像散<0.03mm，相对畸变<0.05％，远心度<0.1°。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：该紫外激光应用的远心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°，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是本实用新型实施例提供的远心F-theta镜头的光学系统结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的远心F-theta光学镜头的结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的光路图。

图4是本实用新型实施例提供的像散、场曲与畸变图；

a、像散、场曲图；b、畸变图。

图5是本实用新型实施例提供的光学传递函数MTF图。

图6是本实用新型实施例提供的光斑能量集中图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

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，下面结合附图1至附图6对本实用新型作详细的描述。

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。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。

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的焦距满足：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为镜头的总焦距。

第一透镜的第一面曲率半径满足：-180mm<R1<-80mm，优选地，R1＝-128.25mm。

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＝-25.91mm，R4＝717.28mm，其光轴上的中心厚度d3＝2.1mm，其材料的折射率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＝-75.46mm，R6＝433.29mm，其光轴上的中心厚度d5＝5.39mm，其材料的折射率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＝-152.02mm，R8＝-50.78mm，其光轴上的中心厚度d7＝12.66mm，其材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

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

所述的F-theta光学镜头的光瞳距离所述第一透镜的距离为d0＝24mm。

图1为应用远心F-theta镜头的光学系统结构示意图，该光学系统可广泛应用于激光打标、激光打孔、激光切割等方面。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。

为了实现上述要求，本发明采用了结构如图2所示的光学镜头，沿激光入射方向依次排列第一、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。

第一透镜的第一面曲率半径满足：-180mm<R1<-80mm。

结合以上要求，我们进一步提供了一个设计实例，其具体数据如下所示：

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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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＝-75.46mm，R6＝433.29mm，其光轴上的中心厚度d5＝5.39mm，其材料的折射率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＝-152.02mm，R8＝-50.78mm，其光轴上的中心厚度d7＝12.66mm，其材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝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。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims

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光学镜头沿激光入射方向依次排列第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜；

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。

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，该紫外激光应用的远心F-theta光学镜头的焦距为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。

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，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的焦距为：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；

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Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82；

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。

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，所述第六透镜与成像面之间设置有保护镜，所述保护镜包括平面S13、S14，在光轴上的中心厚度为d13＝3mm，材料的折射率Nd＝1.46，阿贝数Vd＝67.82。

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

8.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F-theta光学镜头的光瞳距离所述第一透镜的距离为15mm-40mm。

9.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F-theta光学镜头的光瞳距离所述第一透镜的距离为d0＝24mm。

10.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F-theta光学镜头在全视场内的像散<0.03mm，相对畸变<0.05％，远心度<0.1°。