一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種紫外激光遠心F?theta掃描場鏡。紫外激光遠心F?theta掃描場鏡從激光入射方向開始，包括第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，其中所述的第一透鏡為雙凹負透鏡，第二透鏡為凹面朝向入射光側的彎月負透鏡，第三透鏡為雙凸正透鏡，第四片為雙凸正透鏡。與現有技術相比，本實用新型掃描場鏡排布成“?+++”的光焦度分布，使掃描場鏡的出瞳位于無限遠處，視場內的像方主光線的遠心<3°，掃描場鏡的像散得到良好的校正，小于0.05mm，而且鏡片加工容易，造價低廉。
【專利說明】
-種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種紫外激光掃描場鏡，尤其是設及一種紫外激光遠屯、F-theta 掃描場鏡。
【背景技術】
[0002] 隨著激光加工的不斷發展，對激光加工設備的要求越來越高，不僅體現在加工效 率上，還要求加工出來的線條越來越精細。波長A=1064nm、532nm的激光已不能滿足相關加 工要求。為了達到更加精細、清晰的加工效果，使用短波紫外激光，可使其聚焦光斑極小，如 下式所示：
[0003] 艾里斑直徑 δ = 2.44Χλ/Ρ#
[0004] 由上式可W看出，在使用相同的F#的掃描場鏡時，使用激光波長λ = 355皿時，其艾 里斑直徑δ比使用1064nm、532nm波長的激光會更小。因此，使用配備355nm激光的激光加工 設備，無論是打孔、劃線、還是切割，都會比配備53化m或者1064nm激光效果更好，線條更精 細。目前紫外加工主要是用于超精細打標、特殊材料打標和精確劃線等。如在食品、醫藥包 裝材料上打標、打微孔，在柔性PCB板上打標、切割劃片，對金屬或非金屬鍛層進行去除，在 娃晶圓片上進行微孔、盲孔加工等。
[0005] 在使用非遠屯、F-theta掃描場鏡進行打孔時，其像方主光線與焦面之間有一定的 傾角，因此加工出來的孔會有一定的斜度。另外，當被加工物件與掃描場鏡有一定的離焦 時，由于非遠屯、原因，會造成額外的崎變，降低了加工位置精度。而遠屯、F-theta場鏡經過特 殊設計，通過使鏡頭的出射光瞳在像空間無限遠，實現了聚焦光束的主光線在任何視場角 的情況下都垂直于焦平面。遠屯、F-theta掃描場鏡在減小聚焦光斑的崎變和鉆孔角度都有 特殊的優勢，因而被廣泛用于精密激光打標和鉆孔中，其中一個典型的應用是電子線路板 的鉆孔。專利CN 104375261A中所述的F-theta掃描場鏡，是一款355皿、非遠屯、掃描場鏡，該 掃描場鏡無法克服上述的非遠屯、場鏡的缺陷。專利CN 101846790A中所述的F-the化掃描場 鏡，是一款355nm、非遠屯、的掃描場鏡，該掃描場鏡同樣也無法克服上述的非遠屯、場鏡的缺 陷。
[0006] 隨著激光加工技術的不斷發展，對激光加工設備的要求越來越高，其中，對激光加 工設備的加工區域也要求越來越大。激光加工區域要增大，增大掃描場鏡的視場是一個最 主要的方法。增大掃描場鏡的視場，會導致掃描場鏡所需的光學鏡片直徑增大，從而鏡片的 制造難度和鏡頭的組裝難度都會增大，從而導致掃描場鏡的開發成本急劇上升。由于在遠 屯、鏡頭中，像方主光線相互平行，且像方主光線與像面在全視場上相互垂直，所W遠屯、掃描 場鏡的有效口徑至少要與加工區域尺寸一致，導致組成掃描場鏡的鏡片尺寸增大。因此，在 遠屯、掃描場鏡中，鏡片加工成本、鏡頭組裝難度的增加尤為明顯。為了降低鏡片加工成本和 鏡頭組裝難度，也為了保證激光加工設備的加工面積，在鏡頭設計中，需要選擇合適的焦 距；同時，還需要設計合理的鏡片面型，W降低鏡片的加工難度，從而使鏡片的精度更容易 保證。專利CN 104375261A中所述的F-theta掃描場鏡，其鏡片巧日鏡片4的兩個面的曲率半 徑差異很小，加工難度很大，加工精度也難保證，從而導致鏡片加工成本上升，造成場鏡造 價局昂。
[0007] 激光加工設備在工作中，被加工物件不可避免會有一定的離焦和傾斜，如果場鏡 的像散過大，貝陽日工物件的輕微離焦和傾斜就會導致加工線條精度不夠。尤其是進行精細 打孔的時候，由于場鏡的像散過大，導致孔不是圓形，有可能是長條形，嚴重影響加工精度。 因此，場鏡需要有比較小的像散，保證加工物件在一定范圍的離焦和傾斜，不會對加工精度 有很大影響。專利CN 104375261 A中所述的F-theta掃描場鏡，其最大的像散達到0.5mm;專 利CN 101846790A中所述的F-theta掃描場鏡，其最大像散達到0.3mm。運種過大的像散都會 嚴重降低設備加工精度。 【實用新型內容】
[0008] 本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種紫外激光 遠屯、F-theta掃描場鏡，該場鏡的工作波長為355nm，該場鏡具有像散小的特點，能滿足高精 度的精細微加工;而且鏡片加工容易，造價低廉。
[0009] 本實用新型的目的可W通過W下技術方案來實現：
[0010] 一種紫外激光遠屯、F-theta掃描場鏡，從激光入射方向開始，包括第一透鏡、第二 透鏡、第Ξ透鏡和第四透鏡，其中所述的第一透鏡為雙凹負透鏡，第二透鏡為凹面朝向入射 光側的彎月負透鏡，第Ξ透鏡為雙凸正透鏡，第四片為雙凸正透鏡。
[0011] 第一透鏡、第二透鏡、第Ξ透鏡和第四透鏡的焦距與掃描場鏡的焦距滿足:-〇.6< fVf <-0.4,0.9<f2^<2.0，0.8<f3^< 1.2,2.0<f4^<2.5,優選地，fVf = -0.52，f2^ =1.59，f3^ = l .08，f4^ = 2.16,其中，fi為第一透鏡的焦距，f2為第二透鏡的焦距，f3為第 Ξ透鏡的焦距，f4為第四透鏡的焦距，f為掃描場鏡的焦距。
[001 ^ 第一透鏡的第一面曲率半徑滿足：-50mm<Ri <-20mm，優選地瓜=27.65mm，扣為 第一透鏡的第一面曲率半徑。
[0013] 第一透鏡的兩個球面S1和S2，其曲率半徑分別為-27.65mm和322.96mm，S1距離振 鏡y方向反射鏡的距離d〇 = 20-50mm，第一透鏡的中屯、厚度為3mm，材料為烙石英玻璃，其折 射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68;
[0014] 第二透鏡的兩個球面S3和S4，其曲率半徑分別為-114.02mm和-48.81mm，第二透鏡 的中屯、厚度為18.28mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68;
[001引第Ξ透鏡的兩個球面S5和S6,其曲率半徑分別為478.12mm和-58.95mm，第Ξ透鏡 的中屯、厚度為14.87mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68;
[0016] 第四透鏡的兩個球面S7和S8,其曲率半徑分別為250.55mm和-182.99mm，第四透鏡 的中屯、厚度為9.74mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68。
[0017] 第一透鏡與第二透鏡之間在光軸上的空氣間隙為2.38mm，第二透鏡與第Ξ透鏡之 間在光軸上的空氣間隙為0.5mm，第Ξ透鏡與第四透鏡之間在光軸上的空氣間隙為0.5mm， 第四透鏡與像面在光軸上的空氣間隙為146mm。
[0018] 所述的掃描場鏡的入射光束波長為355nm。
[0019] 所述的掃描場鏡的全視場內像面主光線與像面傾斜角<3°。
[0020] 與現有技術相比，本實用新型掃描場鏡排布成"-+++"的光焦度分布，使掃描場鏡 的出瞳位于無限遠處，視場內的像方主光線的遠屯、<3%掃描場鏡的像散得到良好的校正， 小于0.05mm,而且鏡片加工容易，造價低廉。
【附圖說明】
[0021] 圖1為基于遠屯、F-the化掃描場鏡的光學系統結構示意圖。
[0022] 圖2為本實用新型的遠屯、F-the化掃描場鏡結構示意圖。
[0023] 圖3為本實用新型的遠屯、F-the化掃描場鏡一優選實施例的光線追跡圖。
[0024] 圖4為本實用新型的遠屯、F-the化掃描場鏡一優選實施例的像散、場曲及崎變圖。
[0025] 圖5為本實用新型的遠屯、F-theta掃描場鏡一優選實施例的視場分別為0、0.3F、 0.5F、0.7FW及1. OF的光程差圖。
[00%]圖6為本實用新型的遠屯、F-theta掃描場鏡一優選實施例的視場分別為0、0.3F、 0.5。、0.7。^及1.(^情況上的光學傳遞函數圖。
[0027] 圖7為本實用新型的遠屯、F-theta掃描場鏡一優選實施例的視場分別為0、0.3F、 0.5F、0.7FW及1. OF的衍射能量集中圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。
[0029] 實施例
[0030] 圖1是基于遠屯、F-theta掃描場鏡的光學系統結構示意圖。如圖1所示，該光學系統 可廣泛應用于激光打孔、激光打標及激光切割中。由激光光源（圖中未畫出）所發出的光束 依次經過擴束鏡、振鏡中的兩塊反射鏡，X方向反射鏡和y方向反射鏡，X方向反射鏡轉動會 使激光光斑在加工物件的X方向上移動，y方向反射鏡轉動會使激光光斑在加工物件的y方 向上移動，兩反射鏡彼此正交，最后通過遠屯、F-theta掃描場鏡將激光光束聚焦到像面上。 通過振鏡中的x、y方向反射鏡繞軸轉動實現激光光束在成像面上的二維掃描。一方面，該遠 屯、掃描場鏡要滿足普通F-theta掃描場鏡的視場角與像高的線性關系，另一方面，該遠屯、F- the化掃描場鏡各個視場方向上的主光線與像面垂直，從而避免打孔傾斜，也避免加工物件 輕微離焦所造成的崎變，從而保證加工精度;還有一方面，該遠屯、F-theta掃描場鏡掃描視 場范圍內的像散非常小，僅為0.05mm。從而可W避免由于加工物件輕微離焦或傾斜所帶來 的加工形狀的劇烈變化或精度的劇烈變化，比如將圓孔變成長條形等。
[0031] 為實現上述要求，采用4片烙石英鏡片，且鏡片采用"-+++"的光焦度分布。如圖2所 示，本實用新型的遠屯、F-the化掃描場鏡沿入射光依次為:第一透鏡1、第二透鏡2、第Ξ透鏡 3和第四透鏡4,第一透鏡1為雙凹負透鏡，焦距為fi，第二透鏡2為凹面朝向入射端的彎月正 透鏡，焦距為f 2，第Ξ透鏡3為雙凸正透鏡，焦距為f 3，第四透鏡4為雙凸正透鏡，焦距為f4，在 優選實施例中，各鏡片的焦距與掃描場鏡的焦距f滿足：
[0032] -0.6<fVf<-0.4,0.9<f2^<2.0,0.8<f3^<1.2,2.0<f4/f<2.5。
[0033] 第一透鏡的第一面曲率半徑滿足:-50mm<^<-20mm。
[0034] 其中焦距、曲率半徑為負數的情況表示其方向與焦距、曲率半徑為正數的情況相 反。
[0035] 根據W上要求，進一步提供了一個設計實例，具體參數參考表1:
[0036] 第一透鏡的兩個球面SI和S2，其曲率半徑分別為-27.65mm和322.96mm，SI距離振 鏡y方向反射鏡的距離d〇 = 20-50mm，第一透鏡的中屯、厚度為3mm，材料為烙石英玻璃，其折 射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68;第二透鏡的兩個球面S3和S4，其曲率半徑分別為-114.02mm 和-48.81mm，第二透鏡的中屯、厚度為18.28mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd= 1.46，阿 貝數Vd為68;第Ξ透鏡的兩個球面S5和S6，其曲率半徑分別為478.12mm和-58.95mm，第Ξ透 鏡的中屯、厚度為14.87mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68;第四透 鏡的兩個球面S7和S8,其曲率半徑分別為250.55mm和-182.99mm，第四透鏡的中屯、厚度為 9.74mm，材料為烙石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68。第一透鏡與第二透鏡之間 在光軸上的空氣間隙為2.38mm，第二透鏡與第Ξ透鏡之間在光軸上的空氣間隙為0.5mm，第 Ξ透鏡與第四透鏡之間在光軸上的空氣間隙為0.5mm，第四透鏡與像面在光軸上的空氣間 隙為146mm。
[0037] 表1掃描場鏡的各種參數 [00；3 引
[0039] 與上述實施例設計對應的其他參數如下：
[0040] f = 103.2mm，EPD = 9mm，A = 355nm，2w =40.2。
[0041 ] fVf = -0.52，f2^=1.59，f3^ = 1.08，fVf = 2.16，I?i = 27.65mm
[00創其中f為遠屯、F-the化掃描場鏡的焦距，。心成^4分別為四個透鏡的焦距，2?為 掃描場鏡的視場角，EPD為掃描場鏡入瞳直徑，扣為掃描場鏡第一透鏡的第一面曲率半徑。
[0043] 根據上述實施例設計，得出圖3~圖7的掃描場鏡性能仿真數據，其中，圖3為遠屯、 F-theta掃描場鏡的光路圖，通過圖3可W看出，各視場的像方主光線與像面幾乎垂直，遠屯、 <3°。圖4為遠屯、F-theta掃描場鏡的像散、場曲和崎變圖，從圖4中可W看出，該實施例的最 大像散不超過0.05mm，場曲也得到了很好的校正，圖5為遠屯、掃描場鏡在0視場、0.3視場、 0.5視場0.7視場和1.0視場的光程差圖，光程差不超過0.5λ，圖6為遠屯、掃描場鏡在0視場、 0.3視場、0.5視場0.7視場和1.0視場的光學傳遞函數圖，各視場MTF基本上都達到衍射極 限，圖7為遠屯、掃描場鏡在0視場、0.3視場、0.5視場0.7視場和1.0視場的衍射能量集中圖， 從圖上可W看出，各視場的86%的能量都集中在直徑為Sum的直徑范圍內。
[0044] 上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和使用實用 新型。熟悉本領域技術的人員顯然可w容易地對運些實施例做出各種修改，并把在此說明 的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本實用新型不限于上述 實施例，本領域技術人員根據本實用新型的掲示，不脫離本實用新型范疇所做出的改進和 修改都應該在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，從激光入射方向開始，包括第一 透鏡、第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡，其中所述的第一透鏡為雙凹負透鏡，第二透鏡為凹 面朝向入射光側的彎月負透鏡，第三透鏡為雙凸正透鏡，第四片為雙凸正透鏡。2. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡、 第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的焦距與掃描場鏡的焦距滿足:-0.6<心/^<-0.4,0.9< 5/^<2.0,0.8<&/^<1.2,2.0<心/^<2.5，其中彳 1為第一透鏡的焦距，5為第二透鏡的 焦距，f3為第三透鏡的焦距，f4為第四透鏡的焦距，f為掃描場鏡的焦距。3. 根據權利要求2所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡、 第二透鏡、第三透鏡和第四透鏡的焦距與掃描場鏡的焦距滿足:f i/f = -0.52，f 2/f = 1.59， f3/f = 1.08，f4/f = 2.16，其中，fi為第一透鏡的焦距，f2為第二透鏡的焦距，f3為第三透鏡的 焦距，f4為第四透鏡的焦距，f為掃描場鏡的焦距。4. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡 的第一面曲率半徑滿足為第一透鏡的第一面曲率半徑。5. 根據權利要求4所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡 的第一面曲率半徑滿足:1^ = 27.65_，辦為第一透鏡的第一面曲率半徑。6. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡 的兩個球面Sl和S2，其曲率半徑分別為-27.65mm和322.96_，第一透鏡的中心厚度為3mm， 材料為熔石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68; 第二透鏡的兩個球面S3和S4，其曲率半徑分別為-114.02mm和-48.81mm，第二透鏡的中 心厚度為18.28mm，材料為熔石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68; 第三透鏡的兩個球面S5和S6，其曲率半徑分別為478.12mm和-58.95mm，第三透鏡的中 心厚度為14.87mm，材料為熔石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68; 第四透鏡的兩個球面S7和S8,其曲率半徑分別為250.55mm和-182.99mm，第四透鏡的中 心厚度為9.74mm，材料為熔石英玻璃，其折射率為Nd = 1.46，阿貝數Vd為68。7. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，第一透鏡 與第二透鏡之間在光軸上的空氣間隙為2.38mm，第二透鏡與第三透鏡之間在光軸上的空氣 間隙為0.5mm，第三透鏡與第四透鏡之間在光軸上的空氣間隙為0.5mm，第四透鏡與像面在 光軸上的空氣間隙為146mm。8. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，所述的掃 描場鏡的入射光束波長為355nm〇9. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，所述的掃 描場鏡的全視場內像面主光線與像面傾斜角〈3°。10. 根據權利要求1所述的一種紫外激光遠心F-theta掃描場鏡，其特征在于，所述的掃 描場鏡的全視場內像散〈〇. 〇5mm。
【文檔編號】G02B13/14GK205485046SQ201620112644
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月3日
【發明人】莊懷港, 譚羽, 白學坤
【申請人】上海儀萬光電科技有限公司