專利名稱：一種光學(xué)整形系統(tǒng)的制作方法
一種光學(xué)整形系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紫外激光應(yīng)用的光學(xué)整形系統(tǒng)。背景技術(shù)：
隨著激光加工的不斷發(fā)展，需要加工的介質(zhì)品種日益增加，要求加工出來(lái)的效果 也越來(lái)越精細(xì)，尤其是一些特殊材料。所以應(yīng)用UV紫外激光來(lái)進(jìn)行激光加工就越來(lái)越廣 泛。由于其聚焦光斑極小，且加工熱影響區(qū)微乎其微等，因此用紫外激光加工主要是用 于超精細(xì)打標(biāo)、特殊材料打標(biāo)及刻劃等。如在食品、醫(yī)藥包裝材料上打標(biāo)、打微孔(孔徑 d^ IOym)；在柔性PCB板上打標(biāo)，劃片；對(duì)金屬或非金屬鍍層去除；在硅晶圓片上進(jìn)行微 孔、盲孔加工等。除了常用的激光波長(zhǎng)λ = 1064nm, λ = 532nm外，目前正在興起的一種新的紫 外激光λ = 355nm，它除了可適應(yīng)某些特殊介質(zhì)的放大吸收外，還因這種短波的激光比起 1064nm、532nm波長(zhǎng)的有更小的彌散圓和更高的分辨率，如下式所示瑞利斑直徑δ = 2. 44 λ f/D由上式可以看出，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)f/D相同時(shí)，用λ = 355nm波長(zhǎng)的瑞利斑直 徑比用1064nm、532nm波長(zhǎng)的激光更小至1/3-1/1.5。這樣，工件加工的效果會(huì)更精細(xì)、清 晰，效率更高。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種紫外激光應(yīng)用的光學(xué)整形系統(tǒng)，通過(guò)利用紫外激光進(jìn)行 加工時(shí)，將高斯分布的光場(chǎng)變換為均勻分布的“高帽型”光場(chǎng)，使得加工出來(lái)的線條中心和 邊緣的能量分布更均勻。本發(fā)明實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光學(xué)整形系統(tǒng)，包括激光整形加工系統(tǒng)和激 光成像監(jiān)控系統(tǒng)，所述激光加工整形系統(tǒng)包括整形擴(kuò)束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴(kuò)束鏡 包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型透 鏡，所述第二透鏡為彎月型頭獎(jiǎng)，其曲面背向著光線入射方向彎曲，所述第三透鏡為彎月型 透鏡，其曲面向著光線入射方向彎曲，所述整形擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為8X ；所述整形聚焦鏡 包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述第四透鏡為雙凸型透 鏡，所述第五透鏡為彎月型透鏡，其曲面背向著光線入射方向彎曲，第六透鏡為雙凹型透 鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm;所述激光成像監(jiān)控系統(tǒng)包括CCD系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍為 0. 8*0. 8mm2 ο其中，第一透鏡分別由曲率半徑為Rl = -26mm,R2 = 6mm的兩個(gè)曲面S1、S2構(gòu)成； 第二透鏡分別由曲率半徑為R3 = 20mm、R4 == 21mm的兩個(gè)曲面S3、S4構(gòu)成；第三透鏡分 別由曲率半徑為R5 = -62mm、R6 = -17mm的兩個(gè)曲面S5、S6構(gòu)成，所述曲率半徑的公差范 圍為5%。其中，第一透鏡在光軸上的中心厚度dl = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第二透鏡在光軸上的中心厚度d3 = 1. 5mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第三透鏡在軸上的 中心厚度d5 = 2mm，材料為為Ndl Vdl = 1. 46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公
差范圍為5%。其中，第一透鏡與第二透鏡在光軸上的間距為d2 = 21mm，第二透鏡與第三透鏡在 光軸上的間距為d4 = 0. 8mm，所述間距的公差范圍為5%。其中，第四透鏡分別由曲率半徑為R7 = 17mm、R8 = -27mm的兩個(gè)曲面S7、S8構(gòu) 成；第五透鏡分別由曲率半徑為R9 = 14mm、RlO = 30mm的兩個(gè)曲面S9、SlO構(gòu)成；第六透 鏡分別由曲率半徑為Rll = -27mm、Rl2 = 36mm的兩個(gè)曲面Sll、S12構(gòu)成，所述曲率半徑的 公差范圍為5%其中，第四透鏡在光軸上的中心厚度d7 = 2. 8_，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ； 第五透鏡在光軸上的中心厚度d9 = 2mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第六透鏡在光軸上 的中心厚度dll = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的 公差范圍為5%。其中，第四透鏡與第五透鏡在光軸上的間距為d8 = 0. 2mm，第五透鏡L5與第六透 鏡L6在光軸上的間距為dlO = 1.4mm，所述間距的公差范圍為5%。利用這種原理設(shè)計(jì)出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)加工出來(lái)的線條就會(huì)如圖4所示，是一整齊的 線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學(xué)系統(tǒng)一將“高斯”分 布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統(tǒng)。


下面參照附圖結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述
圖1為紫外激光的激光束的“高斯”規(guī)律分布圖2為紫外激光的光學(xué)系統(tǒng)的加工效果圖3為紫外激光的激光束的“高帽型”分布圖4為紫外激光的加工線條的加工效果圖5本發(fā)明整套光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖6整形擴(kuò)束鏡的結(jié)構(gòu)示意圖7整形聚焦鏡的結(jié)構(gòu)示意圖8本發(fā)明其中的整形加工光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖9本發(fā)明其中的整形加工光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑圖10發(fā)明其中的整形加工光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖
圖11發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖12發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的彌散斑圖13發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖。
具體實(shí)施方式

本發(fā)明公開的是一種紫外激光光場(chǎng)分布整形光學(xué)系統(tǒng)，其主要作用在于“整形”， 由于所有激光束其光能的分布均是按“高斯”規(guī)律來(lái)分布的，如圖1所示。按照此原理設(shè)計(jì) 出來(lái)的高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)其加工效果都會(huì)如圖2所示可以看出，加工出來(lái)的線條的能量分布也如高斯分布一樣中心有最高的能量，而線條的邊緣逐漸暗淡下去。對(duì)于像我們上 述的超精細(xì)激光加工工藝來(lái)說(shuō)，這樣的能量分布和加工效果并不理想，最好能得到能量的 分布是均勻的，加工出來(lái)的線條的中心與邊緣都有相同的能量。為此我們考慮到通常所說(shuō) 的將“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的形式，如圖3所示。另外，為了在工作過(guò)程中對(duì)被加工的工件進(jìn)行精確定位和時(shí)時(shí)觀察工作情況，我 們還設(shè)計(jì)了激光成像監(jiān)控系統(tǒng)，與激光加工系統(tǒng)配合使用。經(jīng)過(guò)幾年的使用考證，質(zhì)量一直 保持很好，可以保證各種精細(xì)打標(biāo)的需要。在本發(fā)明中，整形加工光學(xué)系統(tǒng)是本發(fā)明的核心所在，下面我們對(duì)整形光學(xué)系統(tǒng) 中的整形擴(kuò)束鏡和整形聚焦鏡頭做具體介紹.圖5是發(fā)明整套光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，本整形光學(xué)系統(tǒng)主要包含兩大部分激 光整形加工系統(tǒng)和激光成像監(jiān)控系統(tǒng)，所述激光整形加工系統(tǒng)由焦距為25mm的整形聚焦 鏡A和擴(kuò)束倍數(shù)為8X的整形擴(kuò)束鏡B組成；所述激光成像監(jiān)控系統(tǒng)由整形聚焦鏡A、(XD系 統(tǒng)C及其連接系統(tǒng)、及光源D組成。所述整形擴(kuò)束鏡A如圖6所示，本發(fā)明中的整形擴(kuò)束鏡A共有三個(gè)透鏡構(gòu)成，所述 三個(gè)透鏡根據(jù)光線的入射光線方向依次排序?yàn)榈谝煌哥RLi、第二透鏡L2、第三透鏡L3，所 述第一透鏡Ll為雙凹型透鏡；所述第二透鏡L2為彎月型透鏡，且曲面背向著光線入射方向 彎曲；所述第三透鏡L3為彎月型透鏡，且曲面向著光線入射方向彎曲。所述整形擴(kuò)束鏡A的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)為第一透鏡Ll分別由曲率半徑為R1、R2的 兩個(gè)曲面S1、S2構(gòu)成，其光軸上的中心厚度dl，材料為Ndl Vdl ；第二透鏡L2分別由曲率 半徑為R3、R4的兩個(gè)曲面S3、S4構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d3，材料也為Ndl Vdl ；第三 透鏡L3分別由曲率半徑為R5、R6的兩個(gè)曲面S5、S6構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d5，材料為 也為Ndl Vdl ；第一透鏡Ll與第二透鏡L2在光軸上的間距為d2，第二透鏡L2與第三透 鏡L3在光軸上的間距為d4。結(jié)合以上的參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)擴(kuò)束鏡，其具體數(shù)據(jù)分別如下所示實(shí)例β = 8Xλ = 355nm其中β為擴(kuò)束倍數(shù)，λ為波長(zhǎng)。 本發(fā)明的擴(kuò)束鏡的參數(shù)范圍如下1)R1-R6AR1-6 彡士5% (R1-R6)2)dl-d5Δ dl_5 彡士5% (dl_d5)3)Ndl/Vdl ANdl/AVdl ^ ±5% (Ndl/Vdl)所述整形聚焦鏡頭B如圖7所示，本發(fā)明中的整形聚焦鏡主要有三個(gè)透鏡構(gòu)成，所 述透鏡根據(jù)光線的入射光線方向依次排序?yàn)榈谒耐哥RL4、第五透鏡L5、第六透鏡L6，所述 第四透鏡L4為雙凸型透鏡；所述第五透鏡L5為彎月型透鏡，且曲面背向著光線入射方向彎 曲；所述第六透鏡L6為雙凹型透鏡；以上透鏡組構(gòu)成實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，有時(shí)為了保護(hù)裸露在外 的透鏡或?yàn)榱似渌魏文康亩谕哥R組出光方向上任何位置增加平行平板構(gòu)成的光學(xué)窗。 本專利涵蓋增加在以上參數(shù)條件下增加光學(xué)窗口。所述整形聚焦鏡的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)為第四透鏡L4分別由曲率半徑為R7、R8的兩 個(gè)曲面S7、S8構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d7，材料為Ndl Vdl ；第五透鏡L5分別由曲率半 徑為R9、R10的兩個(gè)曲面S9、S10構(gòu)成，其光軸上的中心厚度d9，材料也為Ndl Vdl ；第六 透鏡L6分別由曲率半徑為Rll、R12的兩個(gè)曲面Sll、S12構(gòu)成，其光軸上的中心厚度dll， 材料為也為Ndl Vdl;第四透鏡L4與第五透鏡L5在光軸上的間距為d8，第五透鏡L5與 第六透鏡L6在光軸上的間距為dlO，透鏡L6到成像面L7在光軸上的間距為dl2。結(jié)合以上的參數(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)鏡頭，其具體數(shù)據(jù)分別如下所示實(shí)例f = 25mm D = IOmm λ = 355nm其中f為鏡頭的焦距，D為入瞳直徑，λ為波長(zhǎng)。 所述整形聚焦鏡的參數(shù)范圍如下1)R7-R12 Δ R7-12 彡士5% (R7-R12)2)d7-dll Δ d7_ll 彡士5% (d7_dll)3)Ndl/Vdl ANdl/AVdl ^ ±5% (Ndl/Vdl)圖8為本發(fā)明的整形加工光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明整套光學(xué)系統(tǒng)最后的成像質(zhì)量如附圖所示
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圖9是整形后的光束分布的彌散斑，可以看出其邊沿是非常清晰的。由設(shè)計(jì)結(jié)果 可知，其光束邊沿的能量已經(jīng)高于光束中心的能量，這完全達(dá)到了我們要整形的效果。當(dāng)刻 線只有4μπι時(shí)，線條的邊沿是清晰整齊的。另外，成像監(jiān)控系統(tǒng)的效果也非常清晰，對(duì)比度 很高，可以對(duì)要加工的工件位置進(jìn)行精確定位，并可以時(shí)時(shí)觀察工作情況該鏡頭整體結(jié)構(gòu)非常緊湊，使平象場(chǎng)要求得到滿足，所有像差的校正都幾乎達(dá)到 了理想分辨率。而且當(dāng)光學(xué)參數(shù)與λ = 532nm相同的情況下，該UV鏡頭的結(jié)構(gòu)和大小基 本與之一致，且最后成像結(jié)果也基本相同，均能達(dá)到理想的使用效果。圖10為本發(fā)明擴(kuò)束 系統(tǒng)較佳實(shí)施例中的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖，表明該擴(kuò)束系統(tǒng)的分辨率極高，已經(jīng)達(dá)到理想 狀態(tài)。圖11發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖12發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的 彌散斑圖，圖13發(fā)明其中的成像監(jiān)控系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF圖，所述激光成像監(jiān)控系統(tǒng) 包括CXD系統(tǒng)C，其監(jiān)控范圍為0. 8*0. 8mm2。利用這種原理設(shè)計(jì)出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)加工出來(lái)的線條就會(huì)如圖4所示，是一整齊的 線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學(xué)系統(tǒng)一將“高斯”分 布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于，包括激光整形加工系統(tǒng)和激光成像監(jiān)控系統(tǒng)，所述激光加工整形系統(tǒng)包括整形擴(kuò)束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴(kuò)束鏡包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型透鏡，所述第二透鏡為彎月型頭獎(jiǎng)，其曲面背向著光線入射方向彎曲，所述第三透鏡為彎月型透鏡，其曲面向著光線入射方向彎曲，所述整形擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為8X；所述整形聚焦鏡包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述第四透鏡為雙凸型透鏡，所述第五透鏡為彎月型透鏡，其曲面背向著光線入射方向彎曲，第六透鏡為雙凹型透鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm；所述激光成像監(jiān)控系統(tǒng)包括CCD系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍為0.8*0.8mm2。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡分別由曲率半徑為Rl =-26mm、R2 = 6mm的兩個(gè)曲面S1、S2構(gòu)成；第二透鏡分別由曲率半徑為R3 = 20mm、R4 = =21mm的兩個(gè)曲面S3、S4構(gòu)成；第三透鏡分別由曲率半徑為R5 = -62mm、R6 = -17mm的 兩個(gè)曲面S5、S6構(gòu)成，所述曲率半徑的公差范圍為5%。
3.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡在光軸上的中心厚度 dl = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第二透鏡在光軸上的中心厚度d3 = 1. 5mm，材料 為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第三透鏡在軸上的中心厚度d5 = 2mm，材料為為Ndl Vdl = 1.46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公差范圍為5%。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第一透鏡與第二透鏡在光軸上的 間距為d2 = 21mm，第二透鏡與第三透鏡在光軸上的間距為d4 = 0. 8mm，所述間距的公差范 圍為5%。
5.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第四透鏡分別由曲率半徑為R7= 17mm、R8 = -27mm的兩個(gè)曲面S7、S8構(gòu)成；第五透鏡分別由曲率半徑為R9 = 14mm、RlO = 30mm的兩個(gè)曲面S9、S10構(gòu)成；第六透鏡分別由曲率半徑為Rll = -27mm、R12 = 36mm的兩 個(gè)曲面S11、S12構(gòu)成，所述曲率半徑的公差范圍為5%。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第四透鏡在光軸上的中心厚度 d7 = 2. 8mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第五透鏡在光軸上的中心厚度d9 = 2mm，材料 為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第六透鏡在光軸上的中心厚度dll = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1.46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公差范圍為5%。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)整形系統(tǒng)，其特征在于第四透鏡與第五透鏡在光軸上的 間距為d8 = 0. 2mm，第五透鏡L5與第六透鏡L6在光軸上的間距為dlO = 1. 4mm，所述間距 的公差范圍為5%。
全文摘要
一種光學(xué)整形系統(tǒng)，包括激光整形加工系統(tǒng)和激光成像監(jiān)控系統(tǒng)，所述激光加工整形系統(tǒng)包括整形擴(kuò)束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴(kuò)束鏡包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述整形擴(kuò)束鏡的擴(kuò)束倍數(shù)為8X；所述整形聚焦鏡包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm；所述激光成像監(jiān)控系統(tǒng)包括CCD系統(tǒng)，其監(jiān)控范圍為0.8*0.8mm2。利用這種原理設(shè)計(jì)出來(lái)的光學(xué)系統(tǒng)加工出來(lái)的線條就會(huì)如圖4所示，是一整齊的線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學(xué)系統(tǒng)—將“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK101881889SQ20101020240
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者周朝明, 李家英, 高云峰 申請(qǐng)人:深圳市大族激光科技股份有限公司