一种紫外激光远心F-theta扫描场镜的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种紫外激光远心F?theta扫描场镜。紫外激光远心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双凹负透镜，第二透镜为凹面朝向入射光侧的弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜。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，使扫描场镜的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线的远心<3°，扫描场镜的像散得到良好的校正，小于0.05mm，而且镜片加工容易，造价低廉。
【专利说明】
-种紫外激光远心F-theta扫描场镜
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种紫外激光扫描场镜，尤其是设及一种紫外激光远屯、F-theta 扫描场镜。
【背景技术】
[0002] 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A=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：
[0003] 艾里斑直径 δ = 2.44Χλ/Ρ#
[0004] 由上式可W看出，在使用相同的F#的扫描场镜时，使用激光波长λ = 355皿时，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53化m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，对金属或非金属锻层进行去除，在 娃晶圆片上进行微孔、盲孔加工等。
[0005] 在使用非远屯、F-theta扫描场镜进行打孔时，其像方主光线与焦面之间有一定的 倾角，因此加工出来的孔会有一定的斜度。另外，当被加工物件与扫描场镜有一定的离焦 时，由于非远屯、原因，会造成额外的崎变，降低了加工位置精度。而远屯、F-theta场镜经过特 殊设计，通过使镜头的出射光瞳在像空间无限远，实现了聚焦光束的主光线在任何视场角 的情况下都垂直于焦平面。远屯、F-theta扫描场镜在减小聚焦光斑的崎变和钻孔角度都有 特殊的优势，因而被广泛用于精密激光打标和钻孔中，其中一个典型的应用是电子线路板 的钻孔。专利CN 104375261A中所述的F-theta扫描场镜，是一款355皿、非远屯、扫描场镜，该 扫描场镜无法克服上述的非远屯、场镜的缺陷。专利CN 101846790A中所述的F-the化扫描场 镜，是一款355nm、非远屯、的扫描场镜，该扫描场镜同样也无法克服上述的非远屯、场镜的缺 陷。
[0006] 随着激光加工技术的不断发展，对激光加工设备的要求越来越高，其中，对激光加 工设备的加工区域也要求越来越大。激光加工区域要增大，增大扫描场镜的视场是一个最 主要的方法。增大扫描场镜的视场，会导致扫描场镜所需的光学镜片直径增大，从而镜片的 制造难度和镜头的组装难度都会增大，从而导致扫描场镜的开发成本急剧上升。由于在远 屯、镜头中，像方主光线相互平行，且像方主光线与像面在全视场上相互垂直，所W远屯、扫描 场镜的有效口径至少要与加工区域尺寸一致，导致组成扫描场镜的镜片尺寸增大。因此，在 远屯、扫描场镜中，镜片加工成本、镜头组装难度的增加尤为明显。为了降低镜片加工成本和 镜头组装难度，也为了保证激光加工设备的加工面积，在镜头设计中，需要选择合适的焦 距；同时，还需要设计合理的镜片面型，W降低镜片的加工难度，从而使镜片的精度更容易 保证。专利CN 104375261A中所述的F-theta扫描场镜，其镜片巧日镜片4的两个面的曲率半 径差异很小，加工难度很大，加工精度也难保证，从而导致镜片加工成本上升，造成场镜造 价局昂。
[0007] 激光加工设备在工作中，被加工物件不可避免会有一定的离焦和倾斜，如果场镜 的像散过大，贝阳日工物件的轻微离焦和倾斜就会导致加工线条精度不够。尤其是进行精细 打孔的时候，由于场镜的像散过大，导致孔不是圆形，有可能是长条形，严重影响加工精度。 因此，场镜需要有比较小的像散，保证加工物件在一定范围的离焦和倾斜，不会对加工精度 有很大影响。专利CN 104375261 A中所述的F-theta扫描场镜，其最大的像散达到0.5mm;专 利CN 101846790A中所述的F-theta扫描场镜，其最大像散达到0.3mm。运种过大的像散都会 严重降低设备加工精度。 【实用新型内容】
[0008] 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紫外激光 远屯、F-theta扫描场镜，该场镜的工作波长为355nm，该场镜具有像散小的特点，能满足高精 度的精细微加工;而且镜片加工容易，造价低廉。
[0009] 本实用新型的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0010] 一种紫外激光远屯、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Ξ透镜和第四透镜，其中所述的第一透镜为双凹负透镜，第二透镜为凹面朝向入射 光侧的弯月负透镜，第Ξ透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜。
[0011] 第一透镜、第二透镜、第Ξ透镜和第四透镜的焦距与扫描场镜的焦距满足:-〇.6< fVf <-0.4,0.9<f2^<2.0，0.8<f3^< 1.2,2.0<f4^<2.5,优选地，fVf = -0.52，f2^ =1.59，f3^ = l .08，f4^ = 2.16,其中，fi为第一透镜的焦距，f2为第二透镜的焦距，f3为第 Ξ透镜的焦距，f4为第四透镜的焦距，f为扫描场镜的焦距。
[001 ^ 第一透镜的第一面曲率半径满足：-50mm<Ri <-20mm，优选地瓜=27.65mm，扣为 第一透镜的第一面曲率半径。
[0013] 第一透镜的两个球面S1和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96mm，S1距离振 镜y方向反射镜的距离d〇 = 20-50mm，第一透镜的中屯、厚度为3mm，材料为烙石英玻璃，其折 射率为Nd = 1.46，阿贝数Vd为68;
[0014] 第二透镜的两个球面S3和S4，其曲率半径分别为-114.02mm和-48.81mm，第二透镜 的中屯、厚度为18.28mm，材料为烙石英玻璃，其折射率为Nd = 1.46，阿贝数Vd为68;
[001引第Ξ透镜的两个球面S5和S6,其曲率半径分别为478.12mm和-58.95mm，第Ξ透镜 的中屯、厚度为14.87mm，材料为烙石英玻璃，其折射率为Nd = 1.46，阿贝数Vd为68;
[0016] 第四透镜的两个球面S7和S8,其曲率半径分别为250.55mm和-182.99mm，第四透镜 的中屯、厚度为9.74mm，材料为烙石英玻璃，其折射率为Nd = 1.46，阿贝数Vd为68。
[0017] 第一透镜与第二透镜之间在光轴上的空气间隙为2.38mm，第二透镜与第Ξ透镜之 间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第Ξ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146mm。
[0018] 所述的扫描场镜的入射光束波长为355nm。
[0019] 所述的扫描场镜的全视场内像面主光线与像面倾斜角<3°。
[0020] 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，使扫描场镜 的出瞳位于无限远处，视场内的像方主光线的远屯、<3%扫描场镜的像散得到良好的校正， 小于0.05mm,而且镜片加工容易，造价低廉。
【附图说明】
[0021] 图1为基于远屯、F-the化扫描场镜的光学系统结构示意图。
[0022] 图2为本实用新型的远屯、F-the化扫描场镜结构示意图。
[0023] 图3为本实用新型的远屯、F-the化扫描场镜一优选实施例的光线追迹图。
[0024] 图4为本实用新型的远屯、F-the化扫描场镜一优选实施例的像散、场曲及崎变图。
[0025] 图5为本实用新型的远屯、F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、 0.5F、0.7FW及1. OF的光程差图。
[00%]图6为本实用新型的远屯、F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、 0.5。、0.7。^及1.(^情况上的光学传递函数图。
[0027] 图7为本实用新型的远屯、F-theta扫描场镜一优选实施例的视场分别为0、0.3F、 0.5F、0.7FW及1. OF的衍射能量集中图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
[0029] 实施例
[0030] 图1是基于远屯、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，最后通过远屯、F-theta扫描场镜将激光光束聚焦到像面上。 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上的二维扫描。一方面，该远 屯、扫描场镜要满足普通F-theta扫描场镜的视场角与像高的线性关系，另一方面，该远屯、F- the化扫描场镜各个视场方向上的主光线与像面垂直，从而避免打孔倾斜，也避免加工物件 轻微离焦所造成的崎变，从而保证加工精度;还有一方面，该远屯、F-theta扫描场镜扫描视 场范围内的像散非常小，仅为0.05mm。从而可W避免由于加工物件轻微离焦或倾斜所带来 的加工形状的剧烈变化或精度的剧烈变化，比如将圆孔变成长条形等。
[0031] 为实现上述要求，采用4片烙石英镜片，且镜片采用"-+++"的光焦度分布。如图2所 示，本实用新型的远屯、F-the化扫描场镜沿入射光依次为:第一透镜1、第二透镜2、第Ξ透镜 3和第四透镜4,第一透镜1为双凹负透镜，焦距为fi，第二透镜2为凹面朝向入射端的弯月正 透镜，焦距为f 2，第Ξ透镜3为双凸正透镜，焦距为f 3，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：
[0032] -0.6<fVf<-0.4,0.9<f2^<2.0,0.8<f3^<1.2,2.0<f4/f<2.5。
[0033] 第一透镜的第一面曲率半径满足:-50mm<^<-20mm。
[0034] 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。
[0035] 根据W上要求，进一步提供了一个设计实例，具体参数参考表1:
[0036] 第一透镜的两个球面SI和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96mm，SI距离振 镜y方向反射镜的距离d〇 = 20-50mm，第一透镜的中屯、厚度为3mm，材料为烙石英玻璃，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-114.02mm 和-48.81mm，第二透镜的中屯、厚度为18.28mm，材料为烙石英玻璃，其折射率为Nd= 1.46，阿 贝数Vd为68;第Ξ透镜的两个球面S5和S6，其曲率半径分别为478.12mm和-58.95mm，第Ξ透 镜的中屯、厚度为14.87mm，材料为烙石英玻璃，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250.55mm和-182.99mm，第四透镜的中屯、厚度为 9.74mm，材料为烙石英玻璃，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2.38mm，第二透镜与第Ξ透镜之间在光轴上的空气间隙为0.5mm，第 Ξ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146mm。
[0037] 表1扫描场镜的各种参数 [00；3 引
[0039] 与上述实施例设计对应的其他参数如下：
[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创其中f为远屯、F-the化扫描场镜的焦距，。心成^4分别为四个透镜的焦距，2?为 扫描场镜的视场角，EPD为扫描场镜入瞳直径，扣为扫描场镜第一透镜的第一面曲率半径。
[0043] 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为远屯、 F-theta扫描场镜的光路图，通过图3可W看出，各视场的像方主光线与像面几乎垂直，远屯、 <3°。图4为远屯、F-theta扫描场镜的像散、场曲和崎变图，从图4中可W看出，该实施例的最 大像散不超过0.05mm，场曲也得到了很好的校正，图5为远屯、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0.5λ，图6为远屯、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为远屯、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W看出，各视场的86%的能量都集中在直径为Sum的直径范围内。
[0044] 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w容易地对运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掲示，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。
【主权项】
1. 一种紫外激光远心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双凹负透镜，第二透镜为凹 面朝向入射光侧的弯月负透镜，第三透镜为双凸正透镜，第四片为双凸正透镜。2. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心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:-0.6<心/^<-0.4,0.9< 5/^<2.0,0.8<&/^<1.2,2.0<心/^<2.5，其中彳 1为第一透镜的焦距，5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2所述的一种紫外激光远心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:f i/f = -0.52，f 2/f = 1.59， f3/f = 1.08，f4/f = 2.16，其中，fi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。4. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心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为第一透镜的第一面曲率半径。5. 根据权利要求4所述的一种紫外激光远心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:1^ = 27.65_，办为第一透镜的第一面曲率半径。6. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，第一透镜 的两个球面Sl和S2，其曲率半径分别为-27.65mm和322.96_，第一透镜的中心厚度为3mm， 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-114.02mm和-48.81mm，第二透镜的中 心厚度为18.28mm，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478.12mm和-58.95mm，第三透镜的中 心厚度为14.87mm，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250.55mm和-182.99mm，第四透镜的中 心厚度为9.74mm，材料为熔石英玻璃，其折射率为Nd = 1.46，阿贝数Vd为68。7. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心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2.38mm，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146mm。8. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心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〇9. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫 描场镜的全视场内像面主光线与像面倾斜角〈3°。10. 根据权利要求1所述的一种紫外激光远心F-theta扫描场镜，其特征在于，所述的扫 描场镜的全视场内像散〈〇. 〇5mm。
【文档编号】G02B13/14GK205485046SQ201620112644
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月3日
【发明人】庄怀港, 谭羽, 白学坤
【申请人】上海仪万光电科技有限公司