包括具有衍射光学元件的F-θ透镜的光学系统的制作方法

本公开的实施例涉及一种f-θ(或称为f-theta)透镜和一种包括该f-θ透镜的光学系统，更具体地，涉及一种包括衍射光学元件的f-θ透镜以及一种包括该f-θ透镜的光学系统。
背景技术：
：目前，使用激光束的处理方法广泛用于处理在诸如显示面板的各种电子设备中使用的基板。当由具有超短脉冲持续时间的超短脉冲激光束(例如飞秒激光束)处理基板时，可以在激光束的能量转换成热量之前处理基板。因此，能够防止基板被热量损坏。技术实现要素：在使用具有超短脉冲持续时间的超短脉冲激光束的处理中，随着激光束的脉冲持续时间变得更短，光谱带宽增加使得激光束会无法有效地聚焦在将要被处理的对象的焦平面上的精确目标点处。另外，可以将多个光学元件布置或组合在一起以使激光束精确地聚焦在目标点处，使得光学系统的结构会变得复杂。本公开的实施例涉及一种f-θ透镜和包括f-θ透镜的光学系统，f-θ透镜使飞秒激光束以高精度聚焦到衍射极限点中，同时具有相对简单的结构。f-θ透镜的实施例包括衍射光学元件和多个球面透镜。在这样的实施例中，衍射光学元件包括具有三级或更多级并且被限定在所述衍射光学元件的表面上的多级衍射结构，衍射光学元件在激光束的路径上布置在球面透镜之前。根据实施例，所述多个球面透镜和衍射光学元件中的每个可以包括熔融石英。根据实施例，衍射光学元件可以包括前表面和后表面，前表面和后表面中的每个是平面表面，并且衍射结构可以被限定在后表面上。根据实施例，衍射结构可以具有包括多个环的轴对称结构。根据实施例，衍射结构可以是8级衍射结构。根据实施例，衍射光学元件的焦距与f-θ透镜的焦距的比可以为1.5或更大。根据实施例，所述多个球面透镜可以包括：第一透镜，第一透镜是平凹透镜；第二透镜，第二透镜是弯月形透镜；第三透镜，第三透镜是凹凸透镜；以及第四透镜，第四透镜是凸凸透镜，并且，第一透镜至第四透镜可以在激光束的路径上顺序地布置在衍射光学元件之后。根据实施例，衍射光学元件和第一透镜至第四透镜的相应的焦距相对于f-θ透镜的焦距的相应的比可以在具有5％的公差的情况下满足下面的条件：fdoe/ff-θ＝2.1；f1/ff-θ＝-1.76；f2/ff-θ＝-3.44；f3/ff-θ＝1.46；以及f4/ff-θ＝2.09；其中，fdoe表示衍射光学元件的焦距，ff-θ表示f-θ透镜的焦距，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。光学系统的实施例包括：激光发生器，激光发生器发射激光束；扫描器，扫描器调节激光束被定向的方向；以及f-θ透镜，包括在激光束的路径上顺序地布置在扫描器之后的衍射光学元件和多个球面透镜。在这样的实施例中，衍射光学元件包括具有三级或更多级并且被限定在衍射光学元件的表面上的多级衍射结构。根据实施例，所述多个球面透镜和衍射光学元件中的每个可以包括熔融石英。根据实施例，衍射光学元件可以包括前表面和后表面，前表面和后表面中的每个是平面表面，并且衍射结构可以被限定在后表面上。根据实施例，衍射结构可以具有包括多个环的轴对称结构。根据实施例，衍射结构可以是8级衍射结构。根据实施例，衍射光学元件的焦距与f-θ透镜的焦距的比可以为1.5或更大。根据实施例，所述多个球面透镜可以包括：第一透镜，第一透镜是平凹透镜；第二透镜，第二透镜是弯月形透镜；第三透镜，第三透镜是凹凸透镜；以及第四透镜，第四透镜是凸凸透镜，第一透镜至第四透镜可以在激光束的路径上顺序地布置在衍射光学元件之后。根据实施例，衍射光学元件和第一透镜至第四透镜的相应的焦距相对于f-θ透镜的焦距的相应的比可以在具有5％的公差的情况下满足下面的条件：fdoe/ff-θ＝2.1；f1/ff-θ＝-1.76；f2/ff-θ＝-3.44；f3/ff-θ＝1.46；以及f4/ff-θ＝2.09；其中，fdoe表示衍射光学元件的焦距，ff-θ表示f-θ透镜的焦距，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距，f4表示第四透镜的焦距。附图说明通过参照附图进一步详细地描述本发明的示例性实施例，本发明的上述特征和其它特征将变得更加清楚，在附图中：图1示出根据本公开的实施例的f-θ透镜和包括f-θ透镜的光学系统；图2示出皮秒激光和飞秒激光的光谱带宽；图3示出根据本公开的可选的实施例的f-θ透镜和包括f-θ透镜的光学系统；图4是示出图3中所示的f-θ透镜的一个区域的放大的视图；图5a示出在利用图1的f-θ透镜时关于飞秒激光的在基板的焦平面上的强度分布；图5b示出在利用图3的f-θ透镜时关于飞秒激光的在基板的焦平面上的强度分布；图6a和图6b分别是图3和图4中所示的衍射光学元件的区域的放大的平面图和放大的剖视图；图7示出根据本公开的实施例的在衍射光学元件各处的相位变化；图8a示出在利用2级衍射光学元件时在图7的区域ar1各处的相位变化；图8b示出对于穿过图8a的2级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上的强度分布；图8c示出对于穿过图8a的2级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上根据在具体的x坐标上的y坐标的强度分布；图9a示出在利用根据实施例的8级衍射光学元件时在图7的区域ar1各处的相位变化；图9b示出对于穿过图9a的8级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上的强度分布；图9c示出对于穿过图9a的8级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上根据在具体的x坐标上的y坐标的强度分布；以及图10示出图3和图4中所示的f-θ透镜的实施例的机械设计结构的剖视图。具体实施方式现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了各种实施例。然而，该发明可以以许多不同的形式实施，且不应被解释为局限于这里阐述的实施例。确切地说，提供这些实施例，使得本公开将是彻底的和完整的，并将向本领域技术人员充分地传达发明的范围。同样的附图标记始终表示同样的元件。将理解的是，当元件被称作“在”另一元件“上”时，该元件可以直接在所述另一元件上，或者在该元件和所述另一元件之间可以存在中间元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。将理解的是，尽管在这里可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应被这些术语所限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离这里的教导的情况下，下面讨论的“第一元件”、“第一组件”、“第一区域”、“第一层”或“第一部分”可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。在这里使用的术语仅用于描述具体实施例的目的，而不是意图进行限制。如在这里使用的，除非上下文另有清楚的指示，否则单数形式“一个(者/种)”和“所述”意图包括复数形式，复数形式包括“至少一个(者/种)”。“或”意味着“和/或”。如这里使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任何组合和所有组合。还将理解的是，当术语“包括”和/或“包含”及其变型用在本说明书中时，说明存在所陈述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或更多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。考虑到测量问题以及与具体量的测量有关的误差(即，测量系统的局限性)，如这里使用的“大约”或“近似”包括陈述的值，并意味着在如本领域的普通技术人员确定的具体值的可接受的偏差范围之内。除非另有定义，否则这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属的领域的普通技术人员所通常理解的意思相同的意思。还将理解的是，除非这里明确这样定义，否则术语(例如，在通用的字典中定义的术语)应该被解释为具有与相关领域的环境中它们的意思一致的意思，而将不以理想的或过于形式化的含义来解释。这里参照作为理想实施例的示意图的剖面图来描述示例性实施例。这样，将可以预期例如由制造技术和/或公差引起的图示的形状的变化。因此，这里描述的实施例不应该被理解为受限于区域的如这里所示的具体形状，而将包括例如由于制造导致的形状上的偏差。例如，示出或描述为平坦的区域通常具有粗糙的或非线性的特征。此外，所示的尖角可以是倒圆的。因此，在附图中所示的区域实际上是示意性的，它们的形状并不意图示出区域的精确的形状并且不意图限制所给出的权利要求的范围。在下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施例。图1示出根据本公开的实施例的f-θ透镜和包括f-θ透镜的光学系统。根据实施例，f-θ透镜可以是远心f-θ透镜(特别是，紫外(“uv”)f-θ透镜)。远心f-θ透镜可以用于激光切割或激光钻孔。通常，光学系统(或光学扫描系统)包括激光源、光束扩展器和检流计。参照图1，光学系统的实施例可以包括激光发生器10、扫描器(或检流计)20和f-θ透镜30。将要处理的物体(诸如基板40)可以设置在激光发生器10中产生并且已经穿过扫描器20和f-θ透镜30的激光束可以到达的位置处。激光发生器10使激光振荡以发射激光束。根据实施例，激光发生器10可以通过使超短脉冲激光(例如，飞秒激光)振荡来发射激光束。扫描器20可以包括至少一个镜子(例如，两个镜子)。扫描器20可以调节镜子的角度，以调节从激光发生器10入射到扫描器20上的激光束被定向的方向。在实施例中，f-θ透镜30包括从扫描器20顺序地布置的多个球面透镜。在这样的实施例中，球面透镜可以设置在扫描器20之后。在这样的实施例中，f-θ透镜30还可以包括布置在球面透镜的后面(或者，之后)的保护窗35。这里，可以基于来自激光发生器10的激光束的在光学系统中的通路来确定表示光学系统中的元件的次序或顺序的相对术语(例如，在……后面或之后)。这里，例如，当第一元件布置在第二元件后面或之后时，激光束在穿过第二元件之后穿过第一元件。球面透镜的至少一个表面可以是具有预定曲率的凹形或凸形的球形表面。根据实施例，球面透镜可包括顺序地设置在扫描器20后面(或之后)的第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33和第四透镜34。根据实施例，第一透镜31可以是平凹透镜，第二透镜32可以是弯月形透镜。第三透镜33可以是凹凸透镜，第四透镜34可以是凸凸透镜(或双凸透镜)。在这样的实施例中，f-θ透镜30和包括f-θ透镜30的光学系统对皮秒激光进行适当地操作，以将皮秒激光束扫描或聚焦到基板40的一个表面(例如，焦平面)上。然而，对于诸如飞秒激光的超短脉冲激光，f-θ透镜30和包括f-θ透镜30的光学系统可能引起或产生色差，并且表现出相对低的聚焦效率。具体地，参照示出了皮秒激光和飞秒激光的光谱带宽的图2，与皮秒激光相比，飞秒激光具有扩展的光谱带宽。当利用f-θ透镜30和包括f-θ透镜30的光学系统通过飞秒激光扫描激光束时，会发生色差，聚焦效率会降低。因此，会难以获得期望的处理效果。当前，广泛地用来有效地制造用于强uv激光(例如，大约30瓦(w)的uv激光)的透镜的材料某种程度上受到限制。例如，可用来制造用于这样的uv激光的透镜的材料会受限于熔融石英和氟化钙。因此，会难以利用使用不同材料的生产方法来补偿横向色移。具体地，氟化钙难以处理并且不适合用于透镜的大量生产。因此，大部分的传统透镜可以包括熔融石英或者由熔融石英制成，以用于大量生产。因此，在本发明的实施例中，f-θ透镜30中的所有的透镜(例如，第一透镜31至第四透镜34)可以包括熔融石英或者由熔融石英制成。在这样的实施例中，保护窗35也可以包括熔融石英或者由熔融石英制成。然而，在f-θ透镜30的这样的实施例中，会期望补偿针对飞秒激光的横向色移。图3示出根据本公开的可选的实施例的f-θ透镜30’和包括f-θ透镜30’的光学系统。图4示出图3中所示的f-θ透镜30’的一个区域的放大的视图。在图3和图4中，通过相同的附图标记或同样的附图标记来指示与上面参照图1描述的实施例中的元件相似或相同的元件，将省略对其任何重复的详细描述。参照图3和图4，f-θ透镜30’的实施例还包括在激光束的路径上设置在球面透镜的前面(或之前)的衍射光学元件(也被称作doe)36。在这样的实施例中，f-θ透镜30’可以包括顺序地布置在扫描器20后面(或之后)的衍射光学元件36和多个球面透镜(例如，顺序地布置在衍射光学元件36后面(或之后)的第一透镜31至第四透镜34)。根据实施例，衍射光学元件36可以具有负的阿贝数并且可以包括与f-θ透镜30’中的其它光学元件的材料相同的材料，或者由与f-θ透镜30’中的其它光学元件的材料相同的材料制成。在一个实施例中，例如，衍射光学元件36可以包括熔融石英或者由熔融石英制成。在这样的实施例中，衍射光学元件36可以是菲涅尔透镜。衍射光学元件36可以布置为f-θ透镜30’的光学元件之中的第一元件。在这样的实施例中，衍射光学元件36可以在激光束的路径上设置在球面透镜前面(或之前)。衍射光学元件36可以用于色差校正。根据实施例，如上所述，f-θ透镜30’的所有光学元件(即，衍射光学元件36、第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33、第四透镜34和保护窗35)可以包括熔融石英或者由熔融石英制成。因此，f-θ透镜30’和光学系统的这样的实施例可以广泛地用于各种处理步骤(包括利用强uv激光束的激光处理)。在这样的实施例中，通过利用衍射光学元件36校正色差，可以校正针对具有宽光谱带宽的飞秒激光束的色差，并且飞秒激光束可以高效地聚焦到衍射极限点中。在这样的实施例中，可以减小f-θ透镜30’的尺寸，并且可以通过将f-θ透镜30’的光学元件之中的衍射光学元件36布置为前端处的第一元件来简化f-θ透镜30’的结构。在f-θ透镜30’和包括f-θ透镜30’的光学系统的这样的实施例中，可以利用相对简单的结构来有效地校正色差。图5a示出在利用图1的f-θ透镜时关于飞秒激光的在基板的焦平面上的强度分布。图5b示出在利用图3的f-θ透镜时关于飞秒激光的在基板的焦平面上的强度分布。如图5a中所示，当利用图1的f-θ透镜30的实施例使飞秒激光束扫描或聚焦在焦平面上时，在焦平面上出现色差并且激光束的强度分布呈现椭圆。如图5b中所示，当利用如图3中所示的包括衍射光学元件36的f-θ透镜30’的实施例使飞秒激光束扫描或聚焦在焦平面上时，由于色差在焦平面上的扫描区域的角处产生的激光束的椭圆率被校正。在这样的实施例中，可以有效地校正在利用诸如飞秒激光的超短脉冲激光时会出现的色差，激光束可以以高效率和/或高精度聚焦在期望的目标点处。图6a和图6b是图3和图4中所示的衍射光学元件的一个区域的放大的平面图和放大的剖视图。图7示出根据本公开的实施例的在衍射光学元件各处的相位变化，并且具体地示出分布在衍射光学元件中的环的分布形式。在图7中，区域ar1可以是衍射光学元件的具有最大环密度的一个区域。参照图6a至图7，f-θ透镜30’的实施例具有轴对称结构，因此，衍射光学元件36也可以制造(或加工)为具有轴对称结构。衍射光学元件36可以包括设置和/或形成在平板36a的一个表面上的衍射结构36b。在一个实施例中，例如，衍射光学元件36的平板36a包括前表面surf1和后表面surf2，前表面surf1和后表面surf2中的每个表面是平面表面或平坦的表面，衍射光学元件36可以包括设置或形成在前表面surf1和后表面surf2中的至少一个上的衍射结构36b。在一个实施例中，例如，衍射光学元件36可以包括具有前表面surf1和后表面surf2的平板36a以及形成在平板36a的前表面surf1和后表面surf2中的一个表面上的衍射结构36b。在衍射图案(诸如衍射结构36b)形成在平板36a的任何一个表面上的这样的实施例中，可以通过光学处理等容易地形成衍射图案，并且可以精确地形成衍射图案。根据实施例，衍射结构36b可以具有由多个环限定的轴对称结构。在这样的实施例中，可以以环的形式制造衍射结构36b的轴对称结构。在实施例中，每个环可以可以将波前相位改变2pi(π)。在这样的实施例中，衍射结构36b可以被限定在衍射光学元件36的前侧或后侧处。在一个实施例中，例如，衍射结构36b可以被限定在面对球面透镜的一个表面(即，后表面surf2)上。在衍射结构36b被限定在与外部屏蔽的后表面surf2上的这样的实施例中，可以保护衍射光学元件36(具体地，衍射结构36b)免于诸如灰尘的污染物，并且可以有效地防止衍射光学元件36的机械损坏。会难以获得衍射光学元件36的连续相位轮廓。在实施例中，可以以阶梯结构制造衍射光学元件36。在一个实施例中，例如，可以以二元结构(即，2级)制造衍射光学元件36。在下文中，二元结构的衍射光学元件将被称作2级衍射光学元件。2级衍射光学元件的效率(主级中的能量的量)(在下文中，由η1表示)可以满足以下等式1。【等式1】在等式1中，n表示层数。因此，在2级的二元结构中，n是2。2级衍射光学元件的效率η1仅为大约40％。因此，在本公开的实施例中，衍射结构36b可以形成为三级或更多级。在这样的实施例中，衍射光学元件36可以是多级衍射光学元件，多级衍射光学元件包括设置在任何一个表面(例如，后表面surf2)上的三级或更多级的多级衍射结构36b。在一个实施例中，例如，衍射光学元件36可以是包括八级的衍射结构36b的8级衍射光学元件。在衍射光学元件36实现为三级或更多级的多级衍射光学元件的这样的实施例中，效率(η1)可以是大约60％或更大。在设计方面，由于难以制造大量的环，所以可以期望减少构成衍射图案(即，衍射光学元件36的衍射结构36b)的环的数量。对此，在图7的实施例中，形成在衍射光学元件36中的环的数量可以是大约3000。为了优化根据实施例的f-θ透镜30’和包括f-θ透镜30’的光学系统的设计，期望使衍射光学元件36的焦距保持在f-θ透镜30’的有效焦距efl或更大。因此，在实施例中，衍射光学元件36的焦距fdoe与f-θ透镜30’的焦距ff-θ的比可以设定为或设计为大约1.5或更大(即，fdoe/ff-θ≥1.5)。图8a示出在利用2级衍射光学元件时在图7的区域ar1各处的相位变化。图8b示出对于穿过图8a的2级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上的强度分布。图8c示出对于穿过图8a的2级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上根据在具体的x坐标上的y坐标的强度分布。更具体地，图8c示出在焦平面上根据在x坐标为0的位置处的y坐标的强度分布。图9a示出在利用根据实施例的8级衍射光学元件时在图7的区域ar1各处的相位变化。图9b示出对于穿过图9a的8级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上的强度分布。图9c示出对于穿过图9a的8级衍射光学元件的激光束的在基板的焦平面上根据在具体的x坐标上的y坐标的强度分布。更具体地，图9c示出在焦平面上根据在x坐标为0的位置处的y坐标的强度分布。参照图8a至图8c和图9a至图9c，与利用2级衍射光学元件的情况相比，当利用8级衍射光学元件使激光束(例如，飞秒激光束)照射到焦平面上时，激光束可以以较高的准确度和较高的效率聚焦到目标点上。在衍射光学元件36实现为8级衍射光学元件的实施例中，主级强度与寄生级强度的比可以是大约10000或更大。图10示出图3和图4中所示的f-θ透镜的实施例的机械设计结构的剖视图。图10中所示的相同元件或同样元件已经利用与上面用来描述上述f-θ透镜的实施例的附图标记相同的附图标记来标示，将省略对其任何重复的详细描述。参照图10，f-θ透镜30’的实施例可以包括壳体37和设置或安装在壳体37中的光学元件。光学元件可以包括沿激光束通过的方向顺序地布置的衍射光学元件36、第一透镜31至第四透镜34和保护窗35。在这样的实施例中，衍射光学元件36可以是具有三级或更多级的衍射光学元件，例如，8级衍射光学元件。在这样的实施例中，衍射光学元件36的焦距fdoe与f-θ透镜30’的焦距ff-θ的比可以被设定或设计为1.5或更大。在一个实施例中，例如，衍射光学元件36以及第一透镜31至第四透镜34的相应的焦距fdoe、f1、f2、f3和f4相对于f-θ透镜30’的焦距ff-θ的相应的比可以在具有5％的公差的情况下满足下面的等式(1)至等式(5)：fdoe/ff-θ＝2.1(1)，f1/ff-θ＝-1.76(2)，f2/ff-θ＝-3.44(3)，f3/ff-θ＝1.46(4)，以及f4/ff-θ＝2.09(5)。在上述等式中，fdoe表示衍射光学元件36的焦距，ff-θ表示f-θ透镜30’的焦距，f1表示第一透镜31的焦距，f2表示第二透镜32的焦距，f3表示第三透镜33的焦距，f4表示第四透镜34的焦距。根据实施例，可以如下面的表1中所示的设定或设计f-θ透镜30’的光学元件(例如，衍射光学元件36、第一透镜31至第四透镜34和/或保护窗35)中的每个以及基板40的曲率半径、厚度、相邻元件之间的距离、构成材料和半径。然而，表1仅示出了根据实施例的设计值，所述设计值可以被改变或修改。【表1】在表1中，doe表示衍射光学元件36，lens1、lens2、lens3和lens4分别表示第一透镜31、第二透镜32、第三透镜33和第四透镜34，window表示保护窗35，substrate表示将要进行处理的基板40(具体地，基板40的焦平面)，f_silica表示熔融石英。根据实施例，相对于2级衍射光学元件，可以如下面的表2中所示的设定或设计2级衍射光学元件的规格。表2示出基于zemax的规格，zemax是一种光学设备模拟器，数值单位是毫米(mm)。【表2】类型binary_2曲率半径无穷大厚度1.5材料f_silica通光孔径58.8904575圆锥曲线0最大项#6归一化半径20p^2的系数-8069.74517p^4的系数2.665977176p^6的系数30.94859108p^8的系数-27.45945803p^10的系数8.693360854p^12的系数-0.919737163表2中的系数表示如下面的等式2中的多项式相位轮廓。【等式2】在等式2中，n表示多项式系数的数量，ai表示ρ的第2i次幂的系数，该系数为归一化径向孔径坐标，m表示衍射级。表2仅示出衍射光学元件36的一个示例性实施例的设计值等，本发明不限于此。在本发明的实施例中，可以各种改变或修改衍射光学元件36的设计数值。根据本发明的实施例，f-θ透镜和包括f-θ透镜的光学系统包括作为第一元件设置在球面透镜的前面的衍射光学元件，使得由飞秒激光束引起的色差被校正并且飞秒激光束以高精度聚焦在衍射极限点处，同时构造具有相对简单结构的f-θ透镜。在这样的实施例中，通过将衍射光学元件构造为具有三个或更多个级的多级衍射光学元件来改善衍射光学元件的效率。本发明不应该被理解为受限于这里所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并将向本领域的技术人员充分地传达本发明的构思。虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离本发明的如权利要求所限定的精神或范围的情况下，这里可以作出形式和细节上的各种改变。当前第1页12