一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其包括沿光傳播方向依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡、第四透鏡；第一透鏡為雙凹型透鏡；第二透鏡為彎月型透鏡，其曲面向著入射光方向彎曲；第三個(gè)透鏡為雙凸型透鏡；第四個(gè)透鏡為彎月型透鏡，其曲面為背向入射光方向彎曲；在F-theta光學(xué)鏡頭中加入接近同心球的廣角彎月型第二透鏡實(shí)現(xiàn)對鏡頭加工范圍的擴(kuò)大；在系統(tǒng)焦距受到控制的條件下，加入另一塊彎月型第四透鏡將鏡頭光學(xué)系統(tǒng)主面沿著入射光方向外移以加長鏡頭后工作距離，減少打標(biāo)產(chǎn)物污染鏡頭表面之幾率；同時(shí)整個(gè)鏡頭中采用近遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)以控制大視場像方主光線與像面之間的傾角，使加工微孔時(shí)傾斜問題得到改善。
【專利說明】-種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭。

【背景技術(shù)】
[0003] 隨著激光加工的不斷發(fā)展，需要加工的介質(zhì)種類層出不窮，對激光加工的需求效 果也趨于精細(xì)。激光打標(biāo)是激光加工的重要方式之一，其利用能量高度集中的光束在各種 不同的物質(zhì)表面留下永久的標(biāo)記，具有效率高、靈活性強(qiáng)、耗材少、標(biāo)記永久等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng) 用于電子元件、精密機(jī)械、高分子材料加工等領(lǐng)域。
[0004]目前市面上常見的激光打標(biāo)機(jī)主要WC02激光打標(biāo)機(jī)W及YAG激光打標(biāo)機(jī)為主， 其工作波長分別為10.6ym、1. 064ym，而為了達(dá)到更加精細(xì)、清晰的效果，應(yīng)改用短波段的 紫外激光進(jìn)行加工，其聚焦光斑極小，如下式所示： 激光焦斑直徑5 =^^^^，式中。是激光光束質(zhì)量因子，A為激光波長^為光學(xué)系統(tǒng) 血 焦距，D為入射光束直徑； 由上式可知，在使用具有相同F(xiàn)/#的鏡頭前提下，采用波長入=355nm的激光工作時(shí)，相 比采用波長A=10.6ym、1. 064ym的激光得到的激光焦斑直徑小，因而加工效果更精細(xì)。
[0005] 典型的F-theta鏡光學(xué)系統(tǒng)要求像面上的像高n與掃描角0成線性關(guān)系，即； n=fX0 (Sr),其中，f為鏡頭的焦距，0振鏡的掃描角，（單位為弧度)。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng) 引入適當(dāng)?shù)耐靶纹樽僕滿足該項(xiàng)要求。
[0006] 典型的F-theta鏡光學(xué)系統(tǒng)的另一要求是在全視場上成像均勻，沒有漸暈存在， 光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)校正像差W滿足該項(xiàng)要求。
[0007] 激光打標(biāo)通過聚焦高能量光束在物體表面，令表層物質(zhì)蒸發(fā)，或引發(fā)化學(xué)物理變 化，或燒掉部分物質(zhì)而刻出圖案或微孔，由此，鏡頭距離打標(biāo)表面距離過近會(huì)被打標(biāo)產(chǎn)生的 污物而污染，表層物質(zhì)蒸發(fā)甚至?xí)阽R頭表面鍛上無用的薄膜，需經(jīng)常清潔或更換保護(hù)玻 璃，影響使用效果、壽命及降低工作效率，故在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)適當(dāng)優(yōu)化鏡頭的后工作距 離不能過小。
[0008] 普通的F-theta光學(xué)鏡頭在打標(biāo)時(shí)，由于其像方主光線與像面之間存在一定傾 角，尤其在視場較大的區(qū)域，該傾角可達(dá)到15-20°，用普通的F-theta光學(xué)鏡頭打的微孔 將傾斜，而專利CN200710073161提出采用具有遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)解決該問題，使像方主 光線相互平行且像方主光線與像面在全視場上相互垂直，但遠(yuǎn)也鏡頭有效口徑至少要與加 工區(qū)域口徑一致，而鏡頭有效口徑因加工能力要求及成本較高等因素受到限制，導(dǎo)致遠(yuǎn)也 鏡頭的可加工范圍較小。并且，專利CN200710073161所述鏡頭只適用于波長為266皿的紫 外激光工作，不適用于更為普遍的紫外激光打標(biāo)機(jī)，其工作波長為355nm。
[0009] 根據(jù)專利CN201010198683所述紫外激光應(yīng)用的光學(xué)鏡頭存在系統(tǒng)焦距小、加工 范圍小、后工作距離短的缺點(diǎn)，其系統(tǒng)焦距為80mm、加工范圍為50mmX50mm、后工作距離小 于100mm，無法滿足在要求大加工范圍、長工作距離的紫外激光打標(biāo)中使用，由此對紫外激 光打標(biāo)的應(yīng)用領(lǐng)域有一定限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光學(xué)系統(tǒng)焦距大、加工范圍大、后工作距離 長、具有近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)的應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，解決現(xiàn)有紫外激光打標(biāo) 鏡頭焦距小、加工范圍小、后工作距離短的問題，并改善激光打標(biāo)時(shí)打標(biāo)產(chǎn)物易污染鏡頭表 面的問題、改善因鏡頭像方主光線與像面之間存在一定傾角導(dǎo)致的加工微孔傾斜問題。
[0011] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其包 括沿光傳播方向依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第H透鏡W及第四透鏡；所述第一透鏡為 雙凹型透鏡；所述第二透鏡為彎月型透鏡，其曲面向著入射光方向彎曲；所述第H個(gè)透鏡 為雙凸型透鏡；所述第四個(gè)透鏡為彎月型透鏡，其曲面為背向入射光方向彎曲；并且，所述 第一透鏡、第二透鏡、第H透鏡W及第四透鏡的焦距分別與所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng) 焦距的比率滿足W下要求： -0. 95<fi/f/-l. 05, -0. 35<f2/f/-0. 5, Kf3/f/2. 5, 0. 2<f4/f/0. 4, 其中fl、f2、f3、f4分別為第一透鏡、第二透鏡、第H透鏡W及第四透鏡的焦距，f；為所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距。
[0012] 優(yōu)選地，所述F-theta光學(xué)鏡頭的入射光波長為355皿。
[0013] 優(yōu)選地，所述F-theta光學(xué)鏡頭的掃描范圍為126mmX126mm。
[0014] 優(yōu)選地，所述F-theta光學(xué)鏡頭的焦距為214mm，后工作距離為250mm。
[0015] 優(yōu)選地，所述F-theta光學(xué)鏡頭采用"負(fù)-負(fù)-正-正"分離的光焦度系統(tǒng)對高階 像差進(jìn)行相互補(bǔ)償，使所述鏡頭的高階像差得到校正。所述第一透鏡、第二透鏡、第H透鏡 W及第四透鏡的焦距分別與所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距的比率滿足W下要求；fi/ 01，f2/f；=-〇. 39,f3/fw=l. 57,f4/fw=〇. 30 ;其中fi、f2、fs、f4 分別為第一透鏡、第二透 鏡、第H透鏡W及第四透鏡的焦距，f；為所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距。
[0016] 優(yōu)選地，所述F-theta光學(xué)鏡頭的入瞳直徑為13mm。
[0017] 優(yōu)選地，所述第一透鏡由曲率半徑分別為Rl=-326. 97mm、R2=145. 69mm的表面S1 和S2構(gòu)成，其中也厚度dl=3mm;第一透鏡與第二透鏡在光軸上空氣間隔厚度d2=12. 5mm; 第二透鏡由曲率半徑分別為R3=-23. 79mm、R4=-28. 61的表面S3和S4構(gòu)成，其中也厚度 d3=6. 9mm;第二透鏡與第H透鏡在光軸上空氣間隔厚度d4=0. 1mm;第H透鏡由曲率半徑分 別為貼=-790. 09mm、R6=-60. 42mm的表面S5和S6構(gòu)成，其中也厚度d5=14. 20mm;第H透鏡 與第四透鏡在光軸上空氣間隔厚度d6=0. 1mm;第四透鏡由曲率半徑分別為R7=l16. 98mm、 R8=173. 75mm的表面S7和S8構(gòu)成，其中也厚度d7=10mm;其中，所有第一透鏡、第二透鏡、第 H透鏡W及第四透鏡的曲率半徑公差范圍為5%，中也厚度公差范圍為5%，所有空氣間隔厚 度公差范圍為5%。
[0018] 優(yōu)選地，所述第一透鏡、第二透鏡、第H透鏡w及第四透鏡的材料滿足；折射率/ 色散系數(shù)=Nd/Vd=l. 46/68,其公差范圍為5%。
[0019] 所述F-theta光學(xué)鏡頭焦距大、加工范圍大、后工作距離長、具有近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)，其 通過將所述F-theta光學(xué)鏡頭的焦距及入射光瞳直徑控制在一定范圍內(nèi)使激光焦斑小于 0.01mmW實(shí)現(xiàn)超精細(xì)打標(biāo)。在所述F-theta光學(xué)鏡頭中加入接近同也球的廣角彎月型第二 透鏡實(shí)現(xiàn)對鏡頭加工范圍的擴(kuò)大；在鏡頭光學(xué)系統(tǒng)焦距受到控制的條件下，在鏡頭光學(xué)系 統(tǒng)加入另一塊彎月型第四透鏡將鏡頭光學(xué)系統(tǒng)主面沿著入射光方向外移W加長鏡頭后工 作距離，減少打標(biāo)產(chǎn)物污染鏡頭表面之幾率；同時(shí)整個(gè)鏡頭系統(tǒng)中采用近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)W控制 大視場像方主光線與像面之間的傾角，使加工微孔時(shí)傾斜問題得到改善。
[0020] 此外，上述F-theta光學(xué)鏡頭采用"負(fù)-負(fù)-正-正"分離互補(bǔ)的光焦度系統(tǒng)，對系 統(tǒng)的像散及場曲有很好的校正，在全視場上成像均勻，沒有漸暈，分辨率達(dá)到理想分辨率， 并且滿足具備光學(xué)系統(tǒng)焦距大、加工范圍大、后工作距離長、具有近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)的、紫外激光 打標(biāo)用的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明采用的長工作距離的具有近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)F-theta光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)示意 圖； 圖2是本發(fā)明采用的F-theta光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的F-theta光學(xué)鏡頭一優(yōu)選實(shí)例的光線追跡圖； 圖4是本發(fā)明的場曲圖，表明球差已校正到最佳狀態(tài)； 圖5是本發(fā)明的F-化eta崎變圖，表明系統(tǒng)的F-化eta光學(xué)鏡頭具有優(yōu)良的線性關(guān)系； 圖6是本發(fā)明的F-theta光學(xué)鏡頭一優(yōu)選實(shí)例的彌散斑圖； 圖7是本發(fā)明的F-theta光學(xué)鏡頭一優(yōu)選實(shí)例的光學(xué)傳遞函數(shù)MTF曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] W下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0023] 如圖1所示，圖1是本發(fā)明采用的長工作距離的具有近遠(yuǎn)也結(jié)構(gòu)F-theta光學(xué)鏡 頭結(jié)構(gòu)示意圖。該光學(xué)系統(tǒng)描述激光打標(biāo)機(jī)中光路經(jīng)過掃描振鏡之后部分，光闊1是根據(jù) 激光打標(biāo)機(jī)結(jié)構(gòu)、振鏡位置設(shè)置的，距離第一透鏡L1的距離為20-40mm，0為入射光線與光 學(xué)系統(tǒng)光軸的角度，大小等于振鏡掃描角。
[0024] 再參照圖2,如圖2所示，圖2是本發(fā)明采用的F-theta光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖，其 包括沿光傳播方向依次排列的第一透鏡L1、第二透鏡L2、第H透鏡L3W及第四透鏡L4 ;所 述第一透鏡L1為雙凹型透鏡；所述第二透鏡L2為彎月型透鏡，其曲面向著入射光方向彎 曲；所述第H個(gè)透鏡L3為雙凸型透鏡；所述第四個(gè)透鏡L4為彎月型透鏡，其曲面為背向入 射光方向彎曲；并且，所述第一透鏡L1、第二透鏡L2、第H透鏡L3W及第四透鏡L4的焦距 分別與所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距的比率滿足W下要求： -0. 95<fi/f/-l. 05, -0. 35<f2/f/-0. 5, Kf3/f/2. 5, 0. 2<f4/f/0. 4, 其中fi、f2、fg、f4分別為第一透鏡11、第二透鏡L2、第H透鏡L3w及第四透鏡L4的 焦距，f，為所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距。激光經(jīng)過光闊1進(jìn)入F-theta光學(xué)鏡頭系 統(tǒng)2,分別經(jīng)過第一透鏡11、第二透鏡L2、第H透鏡L3、第四透鏡L4W及平板玻璃L5,最 后聚焦于像面L6;像方主光線與像面相交，像高為n，像方主光線與像面的傾角為a。該 光學(xué)系統(tǒng)滿足普通的F-theta光學(xué)鏡頭像高n與掃描角度0成線性關(guān)系的要求，而相比 普通F-theta光學(xué)鏡頭的優(yōu)勢在于像方主光線與像面的傾角a小于12。，普通F-theta 光學(xué)鏡頭在大視場上像方主光線與像面的傾角a為15-20° ;另外，對比遠(yuǎn)也鏡頭(專利 CN200710073161)，本發(fā)明有更大的加工范圍，加工范圍達(dá)到126mmX126mm;此外，對比短 焦距的的F-theta光學(xué)鏡頭(專利CN201010198692)有更長的后工作距離，減小打標(biāo)產(chǎn)物污 染鏡頭表面的幾率。
[0025] 為實(shí)現(xiàn)上述要求，本發(fā)明本光學(xué)鏡頭一優(yōu)選實(shí)例的具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)為；第一透鏡 L1由曲率半徑分別為R1、R2的表面S1、S2構(gòu)成，其中也厚度為dl，材料的折射率/色散系數(shù) 為Ndl/Vdl;第一透鏡L1與第二透鏡L2在光軸上空氣間隔厚度為d2;第二透鏡L2由曲率 半徑分別為R3、R4的表面S3、S4構(gòu)成，其中也厚度為d3,材料的折射率/色散系數(shù)為Nd2/ Vd2 ;第二透鏡L2與第H透鏡L3在光軸上空氣間隔厚度為d4 ;第H透鏡L3由曲率半徑分 別為貼、R6的表面S5、S6構(gòu)成，其中也厚度為d5,材料的折射率/色散系數(shù)為Nd3/Vd3 ;第 H透鏡L3與第四透鏡L4在光軸上空氣間隔厚度為d6;第四透鏡L4由曲率半徑分別為R7、 R8的表面S7、S8構(gòu)成，其中也厚度為d7,材料的折射率/色散系數(shù)為Nd4/Vd4 ;第四透鏡L4 與平板玻璃L5在光軸上空氣間隔厚度為d8;平板玻璃L5兩表面S9、S10的曲率半徑R9、 R10均為0,厚度為d9 ;平板玻璃L5表面S10與像面L6的距離為dlO。
[0026] 具體參數(shù)列于下表：

【權(quán)利要求】
1. 一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于，其包括沿光傳播方向 依次排列的第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡；所述第一透鏡為雙凹型透鏡；所 述第二透鏡為彎月型透鏡，其曲面向著入射光方向彎曲；所述第三個(gè)透鏡為雙凸型透鏡； 所述第四個(gè)透鏡為彎月型透鏡，其曲面為背向入射光方向彎曲；并且，所述第一透鏡、第二 透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的焦距分別與所述F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距的比率滿足 以下要求： -0. 95<^/^<-1, 05, -0. 35<f2/fw<-0. 5, l<f3/fw<2. 5, 0. 2<f4/fw<0. 4, 其中4、4、心、&分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的焦距，匕為所述 F-theta光學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述F-theta光學(xué)鏡頭的入射光波長為355nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述F-theta光學(xué)鏡頭的掃描范圍為126mmX 126mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述F-theta光學(xué)鏡頭的焦距為214mm，后工作距離為250mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的焦距分別與所述F-theta光學(xué)鏡頭的 系統(tǒng)焦距的比率滿足以下要求 01，f2/fw=_〇. 39, f3/fw=l. 57, f4/fw=0. 30 ;其中 f\、 f2、f3、f4分別為第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的焦距，f w為所述F-theta光 學(xué)鏡頭的系統(tǒng)焦距。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述F-theta光學(xué)鏡頭的入瞳直徑為13mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在于， 所述第一透鏡由曲率半徑分別為Rl=_326. 97mm、R2=145. 69mm的表面S1和S2構(gòu)成，其中心 厚度dl=3mm ;第一透鏡與第二透鏡在光軸上空氣間隔厚度d2=12. 5 mm ;第二透鏡由曲率半 徑分別為R3=_23. 79mm、R4=-28. 61的表面S3和S4構(gòu)成，其中心厚度d3=6. 9mm ;第二透鏡 與第三透鏡在光軸上空氣間隔厚度d4=0. 1mm ;第三透鏡由曲率半徑分別為R5=-790. 09mm、 R6=-60. 42mm的表面S5和S6構(gòu)成，其中心厚度d5=14. 20mm ;第三透鏡與第四透鏡在光軸上 空氣間隔厚度d6=0. 1mm ;第四透鏡由曲率半徑分別為R7=116.98mm、R8=173. 75mm的表面S7 和S8構(gòu)成，其中心厚度d7=10mm;其中，所有第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的 曲率半徑公差范圍為5%，中心厚度公差范圍為5%，所有空氣間隔厚度公差范圍為5%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于紫外激光打標(biāo)的F-theta光學(xué)鏡頭，其特征在 于，所述第一透鏡、第二透鏡、第三透鏡以及第四透鏡的材料滿足：折射率/色散系數(shù)=Nd/ Vd=l. 46/68,其公差范圍為5%。
【文檔編號(hào)】G02B13/00GK104375261SQ201410760977
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月12日
【發(fā)明者】毛衛(wèi)平 申請人:東莞市蘭光光學(xué)科技有限公司