TW201912284A - 一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭 - Google Patents

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Abstract

本發明提供了一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，所述F-theta鏡頭包括：具有正光焦度的第一透鏡、具有負光焦度的第二透鏡、具有正光焦度的第三透鏡、具有正光焦度的第四透鏡、以及具有正光焦度的第五透鏡；通過對所述透鏡的鏡面曲率進行優化，使所述F-theta鏡頭具有大視場、低遠心度和小畸變的特點，有效減小雷射加工時光點在水平向的測量誤差，以及較好地抑制了掃描視場範圍內雷射光點的變形。

Description

一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭
本發明是屬於光學技術領域並關於一種用於雷射加工的F-theta鏡頭。
F-theta物鏡（F-θ物鏡）常被用於平場和光束聚焦，將入射的雷射束聚焦到一個平面的像場中，該雷射束在一個相對於該F-theta物鏡的光軸夾角為±θ的掃描角度區域內掃描，在這個掃描角度區域裡，雷射束的掃描角度與雷射束入射點在該像場中的位置到光軸距離的比率遵循一個線性函數。
由於雷射束的、與波長相關的折射，當雷射束穿過F-theta物鏡時，為了在像場中獲得高的焦點質量，將這些F-theta物鏡校準至所述雷射束的波長，也就是說對這種物鏡進行計算使得：對於預先設定的雷射束波長和預先設定的雷射束直徑、在可允許的溫度容差範圍內且在一個預先設定尺寸的像場中，這種物鏡不具有或者僅具有輕微的光學偏差，此處，光學偏差是指會導致焦點尺寸明顯改變的偏差。
然而，在採用雷射束對材料進行加工的應用中，往往要求與雷射束配套使用的F-theta物鏡具有一個大的像場以及一個大的總焦距。
現有的F-theta物鏡在上述應用場景中容易出現雷射光點在水平方向的測量誤差，而且±θ角對應的掃描視場範圍內會產生雷射光點的變形，影響了雷射束加工工藝的質量，究其原因是現有技術中的F-theta鏡頭存在視場小、遠心度大和畸變大的問題。
本發明的目的在於提供一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，用於改善現有技術中存在的F-theta鏡頭視場小、遠心度大和畸變大的問題。
為了達到上述目的，本發明提供了一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，所述F-theta鏡頭從物方開始沿著光軸到像方依次包括：具有正光焦度的第一透鏡、具有負光焦度的第二透鏡、具有正光焦度的第三透鏡、具有正光焦度的第四透鏡、以及具有正光焦度的第五透鏡。
各透鏡的焦距滿足以下關係： 1.1＜f1 /f＜1.7； -0.6＜f2 /f＜-0.3； 2.1＜f3 /f＜3.5； 0.9＜f4 /f＜1.6； 1.6＜f5 /f＜2.2；
其中，f1 為所述第一透鏡的焦距；f2 為所述第二透鏡的焦距；f3 為所述第三透鏡的焦距；f4 所述為第四透鏡的焦距；f5 所述為第五透鏡的焦距；f為所述F-theta鏡頭的總焦距。
可選的，所述第一透鏡為凹凸型透鏡；所述第二透鏡為平凹型透鏡；所述第三透鏡為凹凸型透鏡；所述第四透鏡為凹凸型透鏡；所述第五透鏡為凹凸型透鏡。
可選的，所述第一透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r1 ，所述第一透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r2 ，r1 ＞r2 。
可選的，所述第三透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r5 ，所述第三透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r6 ，r5 ＞r6 。
可選的，所述第四透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r7 ，所述第四透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r8 ，r7 ＞r8 。
可選的，所述第五透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r9 ，所述第五透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r10 ，r9 ＞r10 。
可選的，所述F-theta鏡頭還包括保護窗片，所述保護窗片為平面透鏡並設置在所述第五透鏡與所述像方之間。
可選的，所述F-theta鏡頭的光瞳距離所述第一透鏡27mm~43mm。
可選的，所述第一透鏡、所述第二透鏡、所述第三透鏡、所述第四透鏡和所述第五透鏡的透鏡採用熔融石英和/或合成樹脂製成。
可選的，200mm≤f≤400mm，f為所述F-theta鏡頭的總焦距。
可選的，所述F-theta鏡頭適用於波長為1070±5nm的入射雷射束。
可選的，所述F-theta鏡頭適用於0~20度的雷射束入射角度。
與現有技術相比，本發明提供的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭具有以下有益效果：
1、大視場、低遠心度和小畸變；
2、有效減小雷射加工時光點在水平向的測量誤差；
3、在掃描視場範圍內的雷射光點變形得到較好的抑制；
4、應用在紅外的高能雷射的相關加工中，可滿足200mm直徑二維掃描視場的需求。
下面將結合示意圖對本發明的具體實施方式進行更詳細的描述。根據下列之描述和申請專利範圍，本發明的優點和特徵將更清楚。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式且均使用非精准的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
為了解決現有技術中存在的F-theta鏡頭出現的光點出現水平方向的偏移和在掃描視場範圍內的光點變形，本發明提供了一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭。
實施例一
請參閱圖1，圖1為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭的結構示意圖，所述F-theta鏡頭包括：第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5和保護窗片6；其中第一透鏡1具有正光焦度；第二透鏡2具有負光焦度；第三透鏡3具有正光焦度；第四透鏡4具有正光焦度；第五透鏡5具有正光焦度；保護窗片6用於避免所述透鏡組內部光學元件受到外界粉塵和雜質的影響，因此保護窗片6為平面透鏡，不具備正光焦度或者負光焦度。
優選地，各個所述鏡片的焦距與所述F-theta鏡頭的總焦距f滿足如下關係： f1 /f=1.55； f2 /f=-0.45； f3 /f=3.21； f4 /f=1.1446； f5 /f=1.86； f=300；
其中，f1 、f2 、f3 、f4 和f5 分別為第一透鏡1至第五透鏡5的焦距；所述F-theta鏡頭的光瞳在距第一透鏡27mm至43mm範圍內表現良好，優選的，本實施例光瞳設置在距離所述第一透鏡35.5mm處，所述F-theta鏡頭的入射光束的設計入射角度為0至20度。
請參閱表1，表1為本發明第一實施例提供的F-theta各個鏡片的參數，其中表中的“a”代表所述鏡片中靠近所述物方一側的鏡面，“b”代表所述鏡片中靠近所述像方一側的鏡面，1a鏡面代表第一透鏡1靠近物方一側的鏡面，1b鏡面代表第一透鏡1靠近像方一側的鏡面，依此類推。1a鏡面的曲率半徑為r1 ，1b鏡面的曲率半徑為r2 ，2a鏡面的曲率半徑為r3 ，2b鏡面的曲率半徑為r4 ，3a鏡面的曲率半徑為r5 ，3b鏡面的曲率半徑為r6 ，4a鏡面的曲率半徑為r7 ，4b鏡面的曲率半徑為r8 ，5a鏡面的曲率半徑為r9 ，5b鏡面的曲率半徑為r10 ，6a鏡面的曲率半徑為r11 ，6b鏡面的曲率半徑為r12 ，d1 、d3 、d5 、d7 、d9 和d11 分別表示各所述透鏡的厚度，即各所述透鏡的前、後表面之間在光軸上的間隔，d2 、d4 、d6 、d8 和d10 分別表示各透鏡之間的空氣間隔，表中曲率半徑和厚度的單位為mm。 表1為本發明第一實施例提供的F-theta各個鏡片的參數
由上表可知，在第一透鏡1中1a鏡面的曲率半徑大於1b鏡面的曲率半徑，第二透鏡2中2b鏡面為平面鏡，在第三透鏡3中3a鏡面的曲率半徑大於3b鏡面的曲率半徑，在第四透鏡4中的4a鏡面的曲率半徑大於4b鏡面的曲率半徑，在第五透鏡5中的5a鏡面的曲率半徑大於5b鏡面的曲率半徑。
優選地，所述鏡片採用熔融石英，熔融石英具有較好的折射率，十分適用於雷射加工領域的透鏡製作。
請參閱圖2，圖2為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭的場曲曲線和畸變曲線圖，由圖可以看出：入射光口徑在15mm時，子午面場曲曲線T和弧矢面場曲曲線S均小於110um，大約在100um左右，畸變小於0.1%。
請參閱圖3，圖3為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭視場繞射光點圖，其中圖中的圓環為繞射極限，由圖可知：離散相點未超出所述繞射極限，進而說明本實施例提供的F-theta鏡頭出現的光點出現水平方向的偏移較小，而且在掃描視場範圍內的光點變形較小。鏡頭邊緣視場出射光線與中心視場出射光線夾角小於4度。
實施例二
請參閱圖4，圖4為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭的結構示意圖，所述F-theta鏡頭包括：第一透鏡1、第二透鏡2、第三透鏡3、第四透鏡4、第五透鏡5和保護窗片6；其中第一透鏡1具有正光焦度；第二透鏡2具有負光焦度；第三透鏡3具有正光焦度；第四透鏡4具有正光焦度；第五透鏡5具有正光焦度；保護窗片6用於避免所述透鏡組內部光學元件受到外界粉塵和雜光的影響，因此保護窗片6為平面透鏡，不具備正光焦度或者負光焦度。
優選地，各個所述鏡片的焦距與所述F-theta鏡頭的總焦距f滿足如下關係： f1 /f=1.26； f2 /f=-0.435； f3 /f=2.25； f4 /f=1.41； f5 /f=2； f=300
其中，f1 、f2 、f3 、f4 和f5 分別為第一透鏡1至第五透鏡5的焦距。
請參閱表2，表2為本發明第二實施例提供的F-theta各個鏡片的參數，其中表中的“a”代表所述鏡片中靠近所述物方一側的鏡面，“b”代表所述鏡片中靠近所述像方一側的鏡面，1a鏡面的曲率半徑為r1 ，1b鏡面的曲率半徑為r2 ，2a鏡面的曲率半徑為r3 ，2b鏡面的曲率半徑為r4 ，3a鏡面的曲率半徑為r5 ，3b鏡面的曲率半徑為r6 ，4a鏡面的曲率半徑為r7 ，4b鏡面的曲率半徑為r8 ，5a鏡面的曲率半徑為r9 ，5b鏡面的曲率半徑為r10 ，6a鏡面的曲率半徑為r11 ，6b鏡面的曲率半徑為r12 ，d1 、d3 、d5 、d7 、d9 和d11 分別表示各所述透鏡的厚度，即各所述透鏡的前、後表面之間在光軸上的間隔，d2 、d4 、d6 、d8 和d10 分別表示各透鏡之間的空間間隔，表中曲率半徑和厚度的單位為mm。 表2為本發明第二實施例提供的F-theta各個鏡片的參數
由上表可知，在第一透鏡1中1a鏡面的曲率半徑大於1b鏡面的曲率半徑，第二透鏡2中2b鏡面為平面鏡，在第三透鏡3中3a鏡面的曲率半徑大於3b鏡面的曲率半徑，在第四透鏡4中的4a鏡面的曲率半徑大於4b鏡面的曲率半徑，在第五透鏡5中的5a鏡面的曲率半徑大於5b鏡面的曲率半徑。
優選地，所述鏡片採用熔融石英，熔融石英具有較好的折射率，十分適用於雷射加工領域的透鏡製作。
請參閱圖5，圖5為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭的場曲曲線和畸變曲線圖，由圖可以看出：入射光口徑在15mm時，子午面場曲曲線T和弧矢面場曲曲線S均小於110um，大約在100um左右，畸變小於0.5%。
請參閱圖6，圖6為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭視場繞射光點圖，其中圖中的圓環為繞射極限，由圖可知：離散相點未超出所述繞射極限，進而說明本實施例提供的F-theta鏡頭出現的光點出現水平方向的偏移較小，而且在掃描視場範圍內的光點變形較小。鏡頭邊緣視場出射光線與中心視場出射光線夾角小於2.6°。
綜上，在本發明提供的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭中，所述F-theta鏡頭包括：具有正光焦度的第一透鏡、具有負光焦度的第二透鏡、具有正光焦度的第三透鏡、具有正光焦度的第四透鏡、以及具有正光焦度的第五透鏡；通過對所述透鏡的鏡面曲率進行優化，使所述F-theta鏡頭具有大視場、低遠心度和小畸變的特點，有效減小雷射加工時光點在水平向的測量誤差，以及較好地抑制了掃描視場範圍內雷射光點的變形。
上述僅為本發明的優選實施例而已，並不對本發明起到任何限制作用。任何所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的技術方案的範圍內，對本發明揭露的技術方案和技術內容做任何形式的等同替換或修改等變動，均屬未脫離本發明的技術方案的內容，仍屬於本發明的保護範圍之內。
1‧‧‧第一透鏡
2‧‧‧第二透鏡
3‧‧‧第三透鏡
4‧‧‧第四透鏡
5‧‧‧第五透鏡
6‧‧‧保護窗片
圖1為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭的結構示意圖； 圖2為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭的場曲曲線和畸變曲線圖； 圖3為本發明第一實施例提供的F-theta鏡頭視場繞射光點圖； 圖4為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭的結構示意圖； 圖5為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭的場曲曲線和畸變曲線圖； 圖6為本發明第二實施例提供的F-theta鏡頭視場繞射光點圖。

Claims (12)

  1. 一種適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其特徵在於：所述F-theta鏡頭從物方開始沿著光軸到像方依次包括：具有正光焦度的第一透鏡、具有負光焦度的第二透鏡、具有正光焦度的第三透鏡、具有正光焦度的第四透鏡、以及具有正光焦度的第五透鏡； 各透鏡的焦距滿足以下關係： 1.1＜f1/f＜1.7； -0.6＜f2/f＜-0.3； 2.1＜f3/f＜3.5； 0.9＜f4/f＜1.6； 1.6＜f5/f＜2.2； 其中，f1 為所述第一透鏡的焦距；f2 為所述第二透鏡的焦距；f3 為所述第三透鏡的焦距；f4 為所述第四透鏡的焦距；f5 為所述第五透鏡的焦距；f為所述F-theta鏡頭的總焦距。
  2. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中所述第一透鏡為凹凸型透鏡；所述第二透鏡為平凹型透鏡；所述第三透鏡為凹凸型透鏡；所述第四透鏡為凹凸型透鏡；所述第五透鏡為凹凸型透鏡。
  3. 如請求項2所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中當所述第一透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r1 、所述第一透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r2 時，r1 ＞r2 。
  4. 如請求項2所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中當所述第三透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r5 、所述第三透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r6 時，r5 ＞r6 。
  5. 如請求項2所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中當所述第四透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r7 、所述第四透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r8 時，r7 ＞r8 。
  6. 如請求項2所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中當所述第五透鏡靠近所述物方一側鏡面的曲率半徑為r9 、所述第五透鏡靠近所述像方一側鏡面的曲率半徑為r10 時，r9 ＞r10 。
  7. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其係還包括保護窗片，所述保護窗片為平面透鏡並設置在所述第五透鏡與所述像方之間。
  8. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中所述F-theta鏡頭的光瞳距離所述第一透鏡27mm~43mm。
  9. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中所述第一透鏡、所述第二透鏡、所述第三透鏡、所述第四透鏡和所述第五透鏡的透鏡為採用熔融石英和/或合成樹脂製成。
  10. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中200mm≤f≤400mm，f為所述F-theta鏡頭的總焦距。
  11. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中所述F-theta鏡頭適用於波長為1070±5nm的入射雷射束。
  12. 如請求項1所述的適於在雷射加工工藝中使用的F-theta鏡頭，其中所述F-theta鏡頭適用於0~20度的雷射束入射角度。
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