[发明专利]紫外激光远心F‑theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种紫外激光扫描系统，尤其是涉及一种紫外激光远心F-theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统。

背景技术

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λ＝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：

艾里斑直径δ＝2.44×λ/F^#

由上式可以看出，在使用相同的F^#的扫描场镜时，使用激光波长λ＝355nm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532nm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，对金属或非金属镀层进行去除，在硅晶圆片上进行微孔、盲孔加工等。

在使用非远心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，由于非远心原因，会造成额外的畸变，降低了加工位置精度。而远心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。远心F-theta扫描场镜在减小聚焦光斑的畸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355nm、非远心扫描场镜，该扫描场镜无法克服上述的非远心场镜的缺陷。专利CN 101846790A中所述的F-theta扫描场镜，是一款355nm、非远心的扫描场镜，该扫描场镜同样也无法克服上述的非远心场镜的缺陷。

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。由于在远心镜头中，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，所以远心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，在远心扫描场镜中，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，以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2和镜片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，造成场镜造价高昂。

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，则加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 104375261A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。这种过大的像散都会严重降低设备加工精度。

发明内容

本发明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心F-theta扫描场镜及基于该场镜的光学扫描系统，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。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案一：

一种紫外激光远心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。