专利名称：紫外激光加工系统的制作方法
紫外激光加工系统
技术领域：
本发明涉及激光加工领域，特别是涉及一种紫外激光加工系统。背景技术：
在蓝宝石上划片是紫外激光加工的重要应用之一。传统的用于蓝宝石划片的紫 外激光加工光学系统都是以尽量精细的聚焦点为设计目标。然而随着蓝宝石划片工艺的 完善，希望能有一种光学系统，既能刻划出足够精细的线，而且刻划的线宽在一定范围内可调。
发明内容基于此，有必要提供一种刻划的线宽可调，且能保证划出的线条的精细度的紫外 激光加工系统。一种激光加工光学系统，包括沿激光出射光路上依次设置的扩束镜、第一滤光反 光镜以及焦距为15mm的聚焦镜头；所述扩束镜可在垂直于激光光轴的平面绕光轴旋转，扩 束倍数为1-10倍，加工划线宽度为0. 004mm-0. 04mm，波长为355nm。优选的，所述扩束镜包括沿激光出射光路上依次设置的第一透镜、第二透镜和第 三透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜均为柱面镜；所述第一透镜和第二透镜为平 凹型透镜，且凹面分别为激光出射的第二曲面和第四曲面；所述第三透镜为平凸型透镜，且 凸面为激光出射的第六曲面。优选的，所述第一透镜激光入射的第一曲面曲率半径为无穷大，凹面的曲率半径 为3mm士5%，所述第一透镜的中心厚度为Imm士5%，折射率/阿贝数为(1.46/68) 士5% ； 所述第二透镜激光入射的第三曲面曲率半径为无穷大，凹面的曲率半径为IOOmm士5%，所 述第二透镜的中心厚度为2mm士5%，折射率/阿贝数为(1. 6/41) 士5% ；所述第三透镜激光 入射的第五曲面曲率半径为无穷大，凸面的曲率半径为-28mm士5%，所述第三透镜的中心 厚度为3mm士5%，折射率/阿贝数为(1. 6/41) 士5%;所述第二曲面和第三曲面的中心间隔 为50mm士5%，所述第四曲面和第五曲面的中心间隔为Imm士5%。优选的，所述聚焦镜头包括沿激光出射光路上依次设置的第四透镜、第五透镜、第 六透镜以及第七透镜；所述第四透镜为弯月型透镜，且曲面向着光线出射方向弯曲；所述 第五透镜为双凸型透镜；所述第六透镜和第七透镜为弯月型透镜，且曲面均背向光线出射 方向弯曲。优选的，所述第四透镜激光入射的第七曲面曲率半径为-14mm士5%，激光出射的 第八曲面曲率半径为-22mm士 5 %，所述第四透镜的中心厚度为3mm士 5 %，折射率/阿贝数 为(1.48/68) 士5% ；所述第五透镜激光入射的第九曲面曲率半径为44mm士5%，激光出射 的第十曲面曲率半径为-36mm士5%，所述第五透镜的中心厚度为2. 2mm士5%，折射率/阿 贝数为(1.6/41) 士5% ；所述第六透镜激光入射的第十一曲面曲率半径为20mm士5%，激光 出射的第十二曲面曲率半径为56mm士5%，所述第五透镜的中心厚度为2mm士5%，折射率/阿贝数为(1.6/41) 士5% ；所述第七透镜激光入射的第十三曲面曲率半径为11. 5mm士5%， 激光出射的第十四曲面曲率半径为17mm士 5 %，所述第五透镜的中心厚度为2mm士 5 %，折 射率/阿贝数为(1.6/41) 士5% ；所述八曲面和第九曲面的中心间隔为0. Imm士5%，所述 十曲面和第十一曲面的中心间隔为0. Imm士5%，所述十二曲面和第十三曲面的中心间隔为 0. Imm士5%。优选的，所述聚焦镜头的入瞳直径为10mm，适用波长为355mm。优选的，所述聚焦镜头还包括设置在第七透镜出光方向上的由平行平板构成的光学窗。优选的，还包括成像监控装置，所述成像监控装置包括照明光源，CXD组件和设于 照明光源和CCD组件之间的滤光反射镜组。上述紫外激光加工系统通过旋转扩束镜来调整扩束倍数，从而实现对刻划的线宽 进行调整，且刻划出的线条均勻、清晰。
图1是一个实施例中紫外激光加工系统的示意图；图2是一个实施例中扩束镜的示意图；图3是一个实施例中聚焦镜头的示意图；图4是当扩束镜的母线与纸面垂直时，紫外激光加工系统的弥散斑图；图5是当扩束镜的母线与纸面垂直时，紫外激光加工系统的能量集中度图；图6是当扩束镜的母线与纸面垂直时，紫外激光加工系统的光学传递函数MTF 图；图7是当扩束镜的母线与纸面平行时，紫外激光加工系统的弥散斑图；图8是当扩束镜的母线与纸面平行时，紫外激光加工系统的能量集中度图；图9是当扩束镜的母线与纸面平行时，紫外激光加工系统的光学传递函数MTF图。
具体实施方式
本发明的紫外激光加工系统包括沿激光出射光路上依次设置的扩束镜、第一滤光 反光镜以及聚焦镜头；扩束镜可在垂直于激光光轴的平面绕光轴旋转，扩束倍数随旋转而 改变。在优选的实施例中，扩束镜的扩束倍数为1-10倍，适用的激光波长为355nm。图1是一个实施例中紫外激光加工系统的示意图，包括沿激光出射光路上依次设 置的扩束镜100、第一滤光反光镜200以及聚焦镜头300 ；还包括成像监控装置，成像监控装 置包括照明光源400，CXD组件600和设于照明光源400和CXD组件600之间的滤光反射镜 组 500。成像监控装置将紫外激光加工系统加工的工件700的工作情况成像于CXD组件 600中，可以对要加工的工件位置进行精确定位，并实时观察工作情况。在优选的实施例中，照明光源400发出的光波长为532nm，CXD组件600的CXD尺 寸为1/3英寸。本发明紫外激光加工系统的划线宽度之所以能在一定范围内变化，主要是柱面扩 束镜100起到了重要的作用。扩束镜100是一个UV(Ultraviolet)柱面扩束镜，可在垂直于激光光轴的平面自由绕光轴旋转180度。我们定义激光在被第一滤光反光镜200反射前后的两条光轴所在的平面为纸面。 当柱面扩束镜100的母线与纸面垂直时，它的扩束倍率为10倍，这时紫外激光加工系统可 将激光束缩小10倍，线宽d = ClmiJi划出的线宽为0. 004mm。当它的母线与纸面平行时，此 时扩束镜的扩束倍率为1倍，d = dmax，这时整个划线系统划出的线宽为0. 04mm。当母线与 其在纸面上的投影夹角为α时，紫外激光加工系统划出的线宽为d = C0Sa*dmax与dmin中 较大的一个值。通过调整柱面扩束镜100的扩束倍率，实现了可变线宽的划线。图2是一个实施例中扩束镜100的示意图。包括沿激光出射光路上依次设置的第 一透镜110、第二透镜120和第三透镜130，三透镜均为柱面镜。其中第一透镜110和第二 透镜120为平凹型透镜，且凹面分别为激光出射的第二曲面114和第四曲面124。第三透 镜为130平凸型透镜，且凸面为激光出射的第六曲面134。下表为优选的实施例中，扩束镜 100的三个透镜的参数，包括曲率半径、面间隔、折射率/阿贝数(Nd/Vd)。如下表所示，第 一透镜Iio的中心厚度dl为1mm，第二透镜120的中心厚度d3为2mm，第三透镜的中心厚 度d5为3mm;第二曲面和第三曲面的中心间隔d2为50mm，第四曲面和第五曲面的中心间隔 d4为1mm。在其他实施例中，上述各参数可以与该优选的实施例有士5%的误差。
透镜曲面曲率半径(mm)面间隔d(mm)Nd/Vd备注第一透镜1OO11.46/68柱面2350凹面第二透镜3OO21.6/41柱面41001凹面第三透镜5OO31.6/41柱面6-28凸面图3是一个实施例中聚焦镜头300的示意图。包括沿激光出射光路上依次设置的 第四透镜340、第五透镜350、第六透镜360以及第七透镜370。第四透镜340为弯月型透 镜，且透镜的第七曲面342和第八曲面344向着光线出射方向弯曲。第五透镜350为双凸 型透镜，透镜的两个凸面分别为第九曲面352和第十曲面354。第六透镜360和第七透镜 370为弯月型透镜，且第六透镜360的第十一曲面362、第十二曲面364，第七透镜370的第 十三曲面372、第十四曲面374均背向光线出射方向弯曲。下表为优选的实施例中，聚焦镜 头300的四个透镜的参数，包括曲率半径、面间隔、折射率/阿贝数(Nd/Vd)。如下表所示， 第四透镜340的中心厚度d7为3mm，第五透镜350的中心厚度d9为2. 2mm，第六透镜的中 心厚度dll为2mm ；第七透镜的中心厚度dl3为2mm。第八曲面和第九曲面的中心间隔d8 为0. 1mm，第十曲面和第i^一曲面的中心间隔dlO为0. 1mm，第十二曲面和第十三曲面的中 心间隔dl2为0. Imm0在其他实施例中，上述各参数可以与该优选的实施例有士5%的误差。 在优选的实施例中，聚焦镜头300的焦距f = 15mm，入瞳直径D = 10mm，适用波长 λ = 355nm。在优选的实施例中，聚焦镜头300还包括设置在第七透镜370出光方向上的由平 行平板构成的光学窗，起到保护透镜的作用。图4、图5、图6分别是扩束镜的母线与纸面垂直时，紫外激光加工系统的弥散斑 图、能量集中度图、光学传递函数MTF图，此时刻划的线宽为0. 004mm。图7、图8、图9分别 是扩束镜的母线与纸面平行时，紫外激光加工系统的弥散斑图、能量集中度图、光学传递函 数MTF图，此时刻划的线宽为0. 04mm。以线宽为0. 04mm时为例，由图7可以看出，激光的圆形光斑集中度较高，因此能量 的集中度亦较高。图8、图9的纵坐标表示能量的百分数(1. 0表示100%，依此类推)，图8 的横坐标表示光斑半径(单位nm)，从图8可以看出能量的集中度很高，在半径为2. 5nm内 就已经有高于90%的激光能量集中于光斑内；从图9可以看出曲线很平滑。图8、图9还标 示出了图7中OBJ为不同的六个值时在图中的情况。线宽为0.004mm时同理。由图4-图9可以看出，本发明紫外激光加工系统的成像质量理想，刻划出的线条 均勻、清晰。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
一种激光加工光学系统，其特征在于，包括沿激光出射光路上依次设置的扩束镜、第一滤光反光镜以及焦距为15mm的聚焦镜头；所述扩束镜可在垂直于激光光轴的平面绕光轴旋转，扩束倍数为1-10倍，加工划线宽度为0.004mm-0.04mm，波长为355nm。
2.根据权利要求1所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述扩束镜包括沿激光出 射光路上依次设置的第一透镜、第二透镜和第三透镜；所述第一透镜、第二透镜和第三透镜 均为柱面镜；所述第一透镜和第二透镜为平凹型透镜，且凹面分别为激光出射的第二曲面 和第四曲面；所述第三透镜为平凸型透镜，且凸面为激光出射的第六曲面。
3.根据权利要求2所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述第一透镜激光入射 的第一曲面曲率半径为无穷大，凹面的曲率半径为3mm士5%，所述第一透镜的中心厚度为 Imm士5%，折射率/阿贝数为(1.46/68) 士5% ；所述第二透镜激光入射的第三曲面曲率半径为无穷大，凹面的曲率半径为 IOOmm士5%，所述第二透镜的中心厚度为2mm士5%，折射率/阿贝数为(1.6/41) 士 5% ；所述第三透镜激光入射的第五曲面曲率半径为无穷大，凸面的曲率半径 为-28mm士5%，所述第三透镜的中心厚度为3mm士5%，折射率/阿贝数为(1.6/41) 士5% ；所述第二曲面和第三曲面的中心间隔为50mm士5%，所述第四曲面和第五曲面的中心 间隔为Imm士5%。
4.根据权利要求1所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述聚焦镜头包括沿激光 出射光路上依次设置的第四透镜、第五透镜、第六透镜以及第七透镜；所述第四透镜为弯月 型透镜，且曲面向着光线出射方向弯曲；所述第五透镜为双凸型透镜；所述第六透镜和第 七透镜为弯月型透镜，且曲面均背向光线出射方向弯曲。
5.根据权利要求4所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述第四透镜激光入射的 第七曲面曲率半径为-14mm士5%，激光出射的第八曲面曲率半径为-22mm士5%，所述第四 透镜的中心厚度为3mm士5%，折射率/阿贝数为(1.48/68) 士5% ；所述第五透镜激光入射的第九曲面曲率半径为44mm士5 %，激光出射的第十曲面 曲率半径为-36mm 士5%，所述第五透镜的中心厚度为2.2mm 士5%，折射率/阿贝数为 (1. 6/41) 士5% ；所述第六透镜激光入射的第十一曲面曲率半径为20mm士5 %，激光出射的第十二 曲面曲率半径为56mm 士 5%，所述第五透镜的中心厚度为2mm士5 %，折射率/阿贝数为 (1. 6/41) 士5% ；所述第七透镜激光入射的第十三曲面曲率半径为11. 5mm士5%，激光出射的第十四 曲面曲率半径为17mm士5 %，所述第五透镜的中心厚度为2mm士5 %，折射率/阿贝数为 (1. 6/41) 士5% ；所述八曲面和第九曲面的中心间隔为0. Imm士5%，所述十曲面和第十一曲面的中心间 隔为0. Imm士5%，所述十二曲面和第十三曲面的中心间隔为0. Imm士5%。
6.根据权利要求1所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述聚焦镜头的入瞳直径 为10mm，适用波长为355mm。
7.根据权利要求4所述的激光加工光学系统，其特征在于，所述聚焦镜头还包括设置 在第七透镜出光方向上的由平行平板构成的光学窗。
8.根据权利要求1所述的激光加工光学系统，其特征在于，还包括成像监控装置，所述成像监控装置包括照明光源，CXD组件和设于照明光源和CXD组件之间的滤光反射镜组。
全文摘要
本发明涉及一种激光加工光学系统，包括沿激光出射光路上依次设置的扩束镜、第一滤光反光镜以及聚焦镜头；所述扩束镜可在垂直于激光光轴的平面绕光轴旋转，扩束倍数随旋转而改变。上述紫外激光加工系统通过旋转扩束镜来调整扩束倍数，从而实现对刻划的线宽进行调整，且刻划出的线条均匀、清晰。
文档编号B23K26/06GK101885113SQ201010208960
公开日2010年11月17日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者周朝明, 李家英, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司