一种实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统的制作方法

本发明涉及一种实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统，属于激光扫描领域。

背景技术：

f-theta镜头是激光扫描系统中必不可少的重要组成部分，已广泛应用于打标机、导弹跟踪瞄准、激光打印机、传真机集成电路激光图形发生器和生物芯片检测仪等精密设备中，本质上f-theta镜头通过引入桶形畸变，使得像高线性正比于扫描角。与成像物镜不同，f-theta镜头的像高与视场角成正比。如图1所示f-theta镜头的视场角、焦距和像高满足(1-1)式所示的关系，式中，y为像高，f’为焦距，θ为视场角：

y＝f’×θ(1-1)

由于f-theta扫描系统需要借助振镜系统或六角转镜实现二维或一维扫描，振镜片或转镜反光面是系统实际的孔径光阑，光路设计上要求将孔径光阑放置在光学系统最前端，即光阑前置，如专利us6,324,015b1，专利us005087987a等所述。

在激光微精加工领域，借助振镜扫描系统实现激光在工件表面二维扫描，同时对加工表面的标记或打孔实时监控，当标记或打孔达到微米级别时，须借助高倍率显微物镜实现放大；常规显微物镜在设计时为校正多种像差，通常将孔径光阑放置在靠近光路系统中间的位置，不能满足激光扫描系统要求的将孔径光阑前置的要求，如将孔径光阑设在前端，导致显微物镜系统前后不对称，像差校准困难。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的缺陷，本发明提供一种实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统，利用大角度望远系统将激光扫描光路的孔径光阑与显微物镜孔径光阑匹配，解决了激光扫描光路要求孔径光阑前置与高倍显微物镜光路要求将孔径光阑中置的矛盾。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统，包括依次相接的总孔径光阑、大角度望远光路、分光镜和高倍率显微物镜光路；其中，总孔径光阑的光路轴线和大视场角望远光路的光路轴线重合；大角度望远光路的光路轴线与高倍率显微物镜光路的光路轴线相互垂直；大角度望远光路包括顺序相接的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜与总孔径光阑相邻；第一透镜和第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第三透镜为具有正光焦度的弯月形透镜，第三透镜的凹面朝向总孔径光阑；第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜；分光镜为分光棱镜或分光分束镜。

分光镜优选为分光棱镜。

本申请将大角度望远光路视为第一透镜组g1；将高倍率显微物镜光路视为第二透镜组g2。本申请光路系统总孔径光阑o1，高倍率显微物镜光路视为第二透镜组g2的孔径光阑o2。

本申请所描述的总孔径光阑o1与第二透镜组g2的孔径光阑o2匹配意指：总孔径光阑o1经过第一透镜组g1、分光棱镜以及第二透镜组g2的前组(含第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜)成像与第二透镜组g2的孔径光阑位置重合。

本申请区别于激光共聚焦显微系统，激光共聚焦显微系统光路中，孔径光阑孔径较小可以看作点光源，经过准直得到平行光，再通过显微物镜聚焦，通过移动平台实现点扫描扩展到面扫描，本质上是准直镜加聚焦镜；本发明的光路系统本质上是一种激光平场扫描系统，属于f-theta镜头范畴。

本申请光路系统适用于激光微精细加工领域，可对加工质量实时监控，同时可提供高倍率放大。

本申请光路系统，满足激光扫描系统将孔径光阑前置的要求，同时可实现对激光标记或打孔的高倍率监控，亦即是一种扫描系统与高倍显微物镜的结合体。

上述大角度望远光路能实现激光打标系统(包括大角度望远光路、分光棱镜和高倍率显微物镜光路)的孔径光阑与高倍率显微物镜光路的孔径光阑匹配。

高倍率显微物镜光路作为高倍率显微物镜，实现对微精细图案的高倍率放大。

为了更好实现激光平场扫描系统的孔径光阑与显微物镜监控光路的孔径光阑匹配，高倍率显微物镜光路包括顺序相接的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、显微物镜孔径光阑、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和工作面；其中，第六透镜和分光棱镜相邻；第六透镜、第九透镜和第十一透镜均为负光焦度的透镜；第七透镜、第八透镜、第十透镜、第十二透镜和第十三透镜均为正光焦度的透镜。

工作面为激光的工作面，也是显微物镜的观察面。

为更好消除色差影响，第八透镜和第九透镜组成双胶合透镜；第十透镜和第十一透镜组成双胶合透镜；第十三透镜为双面非球面透镜。

第十三透镜为双面非球面透镜，能实现激光聚焦光斑缩小到微米级别，同时提高显微镜头的分辨率。

为了更好地实现对激光标记或打孔的高倍率监控，分光棱镜为边长不小于30mm的立方体，分光棱镜的分光面保证入射激光沿45度角全反射，同时白光完全透过。

为了更好的实现孔径光阑前置，总孔径光阑和第一透镜之间的间隔为30±0.05mm，第一透镜和第二透镜之间的间隔为16.55±0.05mm，第二透镜和第三透镜之间的间隔为33.25±0.05mm，第三透镜和第四透镜之间的间隔为1.57±0.05mm，第四透镜和分光棱镜之间的间隔为35±0.05mm；分光棱镜和第六透镜之间的间隔为35±0.05mm，第六透镜和第七透镜之间的间隔为1.6±0.05mm，第七透镜和第八透镜之间的间隔为2.53±0.05mm，第八透镜和第九透镜之间的间隔为0mm，第九透镜和显微物镜孔径光阑之间的间隔为2.5mm±0.05mm，显微物镜孔径光阑与第十透镜之间的间隔为0.3±0.05mm，第十透镜和第十一透镜之间的间隔为0mm，第十二透镜和第十三透镜之间的间隔为0.31±0.05mm，第十三透镜和工作面之间的间隔为3.14±0.05mm。

本申请两透镜之间的间隔指相邻两透镜相向两面中心之间的距离。

进一步的所述光学系统采用不同玻璃材料配合，实现激光与可见光波段消除色差，激光的工作面与可见光的观察面重合，优选，第一透镜的折射率为1.5167±0.0005，色散系数为64.2123±0.0005；第二透镜的折射率为1.5167±0.0005，色散系数为64.2123±0.0005；第三透镜的折射率为1.7552±0.0005，色散系数为27.5474±0.0005；第四透镜的折射率为1.801±0.0005，色散系数为34.9721±0.0005；分光棱镜的折射率为1.5168±0.0005，色散系数为64.2123±0.0005；第六透镜的折射率为1.7552±0.0005，色散系数为27.5474±0.0005；第七透镜的折射率为1.883±0.0005，色散系数为40.8068±0.0005；第八透镜的折射率为1.8466±0.0005，色散系数为23.7912±0.0005；第九透镜的折射率为1.6228±0.0005，色散系数为56.9518±0.0005；第十透镜的折射率为1.4334±0.0005，色散系数为94.9958±0.0005；第十一透镜的折射率为1.8466±0.0005，色散系数为23.7912±0.0005；第十二透镜的折射率为1.7169±0.0005，色散系数为47.9202±0.0005；第十三透镜的折射率为1.5891±0.0005，色散系数为61.1629±0.0005。

为了更好的实现孔径光阑前置，第一透镜双面的曲率半径分别为26.069±0.005mm和-66.504±0.005mm，第一透镜中心厚度为2.66±0.05mm；第二透镜双面的曲率半径分别为-26.863±0.005mm和14.573±0.005mm，第二透镜中心厚度为7.74±0.05mm；第三透镜双面的曲率半径分别为-64.122±0.005mm和-31.687±0.005mm，第三透镜中心厚度为5.76±0.05mm；第四透镜双面的曲率半径分别为191.778±0.005mm和-81.603±0.005mm，第四透镜中心厚度为5.48±0.05mm。

为了更好的实现孔径光阑前置，同时更好实现对激光标记或打孔的高倍率监控，第六透镜双面的曲率半径分别为-72.711±0.005mm和33.062±0.005mm，第六透镜中心厚度为2.07±0.05mm；第七透镜双面的曲率半径分别为-749.254±0.005mm和-10.7949±0.005mm，第七透镜中心厚度为3.66±0.05mm；第八透镜双面的曲率半径分别为-6.16759±0.005mm和-7.48±0.005mm，第八透镜中心厚度为3±0.05mm；第九透镜双面的曲率半径分别为-7.48±0.005mm和-67.537±0.005mm，第九透镜中心厚度为3.9±0.05mm；第十透镜双面的曲率半径分别为6.651±0.005mm和-6.8781±0.005mm，第十透镜中心厚度为8.51±0.05mm；第十一透镜双面的曲率半径分别为-6.8781±0.005mm和16.43±0.005mm，第十一透镜中心厚度为2.2±0.05mm；第十二透镜双面的曲率半径分别为6.331±0.005mm和62.929±0.005mm，第十二透镜中心厚度为2.81±0.05mm；第十三透镜双面的曲率半径分别为4.686±0.005mm和31.611±0.005mm，第十三透镜中心厚度为2.9±0.05mm。

为了更好的实现孔径光阑的前置，实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统的焦距为f1’，高倍率显微物镜光路的焦距为f2’，-1.5<f1’/f2’<1.5。

为了很好的实现远心扫描，实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统的远心度小于0.5°。这样配合振镜系统可实现远心扫描。

本发明未提及的技术均参照现有技术。

本发明实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统，满足激光平场扫描系统要求将孔径光阑o1前置，同时对激光标记或打孔的高倍率监控；第一透镜组g1做为大角度望远系统，实现激光平场扫描系统的孔径光阑o1与显微物镜监控光路的孔径光阑o2匹配；整个光路系统作为激光扫描系统满足远心扫描条件；第二透镜组g2作为高倍显微物镜满足像方远心，可配合通用的管镜使用；在激光波段整个光路系统(g1+g2)的焦距f1’，可见光波段第2透镜组g2亦即显微物镜组的焦距f2’,满足-1.5<f1’/f2’<1.5；通过一个分光棱镜可以实现激光与可见光波段分光。

附图说明

图1f-theta激光扫描系统示意图；

图2本发明实施例1带光线追迹的激光扫描光路系统图；

图3本发明实施例1带光线追迹的白光显微物镜光路系统图；

图4本发明实施例1光路展开系统图；

图5本发明实施例1激光扫描光路传递函数图；

图6本发明实施例1白光显微物镜传递函数图；

图7本发明实施例1激光扫描光路f-theta畸变图；

图8本发明实施例1白光显微物镜畸变图。

图9本发明实施例2带光线追迹的激光扫描光路系统图；

图中，o1为总孔径光阑(整个系统孔径光阑)，o2为显微物镜孔径光阑，1为第一透镜，2为第二透镜，3为第三透镜，4为第四透镜，5为分光棱镜，52为分光分束镜，6为第六透镜，7为第七透镜，8为第八透镜，9为第九透镜，10为第十透镜，11为第十一透镜，12为第十二透镜，13为第十三透镜，14为工作面，15为振镜片间距，16位x振镜片，17为y振镜片，18为端面距离，19为后工作距离，20为扫描镜(焦距f’)，21为工作面，22为像高y。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

如图2-4所示，实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统，包括依次相接的总孔径光阑o1、大角度望远光路(第一透镜组g1)、分光棱镜和高倍率显微物镜光路(第二透镜组g2)；其中，总孔径光阑的光路轴线和大角度望远光路的光路轴线重合；大角度望远光路的光路轴线与高倍率显微物镜光路的光路轴线相互垂直；大角度望远光路包括顺序相接的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；其中，第一透镜与总孔径光阑相邻；第一透镜和第四透镜为具有正光焦度的双凸透镜；第三透镜为具有正光焦度的弯月形透镜，第三透镜的凹面朝向总孔径光阑；第二透镜为具有负光焦度的双凹透镜；总孔径光阑o1为入光孔径光阑，o2为第二透镜组g2的孔径光阑。

本实施例光路系统总孔径光阑o1，高倍率显微物镜光路视为第二透镜组g2的孔径光阑o2。本申请所描述的总孔径光阑o1与第二透镜组g2的孔径光阑o2匹配意指：总孔径光阑o1经过第一透镜组g1、分光棱镜以及第二透镜组g2的前组(含第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜)成像与第二透镜组g2的孔径光阑位置重合。

高倍率显微物镜光路包括顺序相接的第六透镜、第七透镜、第八透镜、第九透镜、显微物镜孔径光阑、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和工作面；其中，第六透镜和分光棱镜相邻；第六透镜、第九透镜和第十一透镜均为负光焦度的透镜；第七透镜、第八透镜、第十透镜、第十二透镜和第十三透镜均为正光焦度的透镜；工作面为激光的工作面，也是显微物镜的观察面。八透镜和第九透镜组成双胶合透镜；第十透镜和第十一透镜组成双胶合透镜；第十三透镜为双面非球面透镜。

分光棱镜为边长不小于30mm的立方体，分光棱镜的分光面保证入射激光沿45度角全反射，同时白光完全透过。

总孔径光阑o1和第一透镜之间的间隔为30mm，第一透镜和第二透镜之间的间隔为16.55mm，第二透镜和第三透镜之间的间隔为33.25mm，第三透镜和第四透镜之间的间隔为1.57mm，第四透镜和分光棱镜之间的间隔为35mm；分光棱镜和第六透镜之间的间隔为35mm，第六透镜和第七透镜之间的间隔为1.6mm，第七透镜和第八透镜之间的间隔为2.53mm，第八透镜和第九透镜之间的间隔为0mm，第九透镜和显微物镜孔径光阑之间的间隔为2.5mm，显微物镜孔径光阑与第十透镜之间的间隔为0.3mm，第十透镜和第十一透镜之间的间隔为0mm，第十二透镜和第十三透镜之间的间隔为0.31mm，第十三透镜和工作面之间的间隔为3.14mm。

第一透镜的折射率为1.5167，色散系数为64.2123；第二透镜的折射率为1.5167，色散系数为64.2123；第三透镜的折射率为1.7552，色散系数为27.5474；第四透镜的折射率为1.801，色散系数为34.9721；分光棱镜的折射率为1.5168，色散系数为64.2123；第六透镜的折射率为1.7552，色散系数为27.5474；第七透镜的折射率为1.883，色散系数为40.8068；第八透镜的折射率为1.8466，色散系数为23.7912；第九透镜的折射率为1.6228，色散系数为56.9518；第十透镜的折射率为1.4334，色散系数为94.9958；第十一透镜的折射率为1.8466，色散系数为23.7912；第十二透镜的折射率为1.7169，色散系数为47.9202；第十三透镜的折射率为1.5891，色散系数为61.1629。

第一透镜双面的曲率半径分别为26.069mm和-66.504mm，第一透镜中心厚度为2.66mm；第二透镜双面的曲率半径分别为-26.863mm和14.573mm，第二透镜中心厚度为7.74mm；第三透镜双面的曲率半径分别为-64.122mm和-31.687mm，第三透镜中心厚度为5.76mm；第四透镜双面的曲率半径分别为191.778mm和-81.603mm，第四透镜中心厚度为5.48mm。第六透镜双面的曲率半径分别为-72.711mm和33.062mm，第六透镜中心厚度为2.07mm；第七透镜双面的曲率半径分别为-749.254mm和-10.7949mm，第七透镜中心厚度为3.66mm；第八透镜双面的曲率半径分别为-6.16759mm和-7.48mm，第八透镜中心厚度为3mm；第九透镜双面的曲率半径分别为-7.48mm和-67.537mm，第九透镜中心厚度为3.9mm；第十透镜双面的曲率半径分别为6.651mm和-6.8781mm，第十透镜中心厚度为8.51mm；第十一透镜双面的曲率半径分别为-6.8781mm和16.43mm，第十一透镜中心厚度为2.2mm；第十二透镜双面的曲率半径分别为6.331mm和62.929mm，第十二透镜中心厚度为2.81mm；第十三透镜双面的曲率半径分别为4.686mm和31.611mm，第十三透镜中心厚度为2.9mm。

第一透镜组g1作为大视场角望远系统，合理布局，实现激光打标系统的总孔径光阑o1与显微物镜监控光路的显微物镜孔径光阑o2匹配；

如图3第二透镜组g2作为高倍率显微物镜，实现对微精细图案的高倍率放大；分光棱镜5用来实现激光与可将光波段分光；

在激光波段整个光路系统(g1+g2)的焦距f1’，在可见光波段第二透镜组g2的焦距f2’,满足-1.5<f1’/f2’<1.5；

从左至右光路系统(g1+g2+分光棱镜5)共同组成一个远心激光扫描系统，远心度小于0.5°，配合振镜系统可实现远心扫描；

表1为实现激光扫描与同轴监控一体的高倍显微物镜光路系统的技术参数

表2为高倍率显微物镜光路的技术参数

表3为实施例中各透镜的技术参数

表3对应图2，序号1-28依次对应图2中的顺序为从左到右从上到下，间隔一栏依次为各透镜的厚度及相邻两透镜之间的间隔，比如，序号为1的间隔为总孔径光阑与第一透镜相向两面中心之间的间距，序号为2的间隔为第一透镜的厚度，序号为2的间隔为第一透镜和第二透镜相向两面中心之间的间距，依次类推；曲率半径一栏，依次是各透镜每个面的曲率半径，对应图2顺序为从左到右从上到下。

为使光学系统获得比较好的成像质量，光路系统中第十三透镜使用非球面，用以减小像差。

表4是第十三透镜非球面系数

表4中各表面所采用的非球面方程为：

其中各量的含义如下：

za：非球面沿光轴方向的透镜矢高；

r：表面与光轴oo’交点处的曲率半径；

y：透镜垂直于光轴方向的半口径；

k：圆锥系数；

a、b、c、d非球面系数；

图5为本实施例激光扫描光路传递函数曲线图，图6为本实施例白光下显微物镜光学传递函数曲线图，从图中可以看到传递函数在60线对/毫米大于0.6，说明系统像质较好。

图7为本实施例的场曲及f-theta线性畸变图，线性畸变(f-θ)小于1％，满足激光平场扫描镜的要求；

图8为本实施例在白光下的场曲及畸变图，畸变值约为0.65％

采用本发明技术方案，满足激光扫描系统要求将孔径光阑前置，同时可实现对激光标记或打孔的高倍率监控。

实施例2

如图2所示与实施例基本相同，所不同的是分光棱镜更换为比较薄的分光分束镜。

以上实施方式仅为本发明的优选实施例，但是本发明也可采用其他的变形实施例，而获得与本发明实施例基本相同的技术效果，例如比较合理的优化玻璃组合可以取消非球面的使用。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。