[发明专利]一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头

说明书

本发明属于光学镜头技术领域，公开了一种紫外激光应用的远心F‑theta光学镜头，沿激光入射方向依次排列有第一、第二、第三、第四、第五、第六透镜，第一透镜和第四透镜为弯月型正透镜，曲面向着光线的入射方向弯曲；第二透镜和第三透镜为双凹型负透镜；第五透镜为平凸型正透镜；第六透镜为双凸型正透镜。该镜头的焦距为105mm，入瞳直径为9mm，入射光波长为355nm，视场角为ω，其为2ω＝41°，加工区域为53mm*53mm。本发明的F‑theta光学镜头整体结构紧凑，聚焦光斑小，像散0.03mm，相对畸变0.05％，远心度0.1°，适用于某些要求超精细加工效果的切割或钻孔领域。

技术领域

本发明属于光学镜头技术领域，尤其涉及一种紫外激光应用的远心F-theta光学镜头。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着激光加工技术的不断发展，对激光加工设备的要求也越来越高，要求加工出来的效果也越来越精细，以往常用的波长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、清晰的效果，改用波长更短的紫外激光进行加工，能使其聚焦光斑更小，因为达到衍射极限时，聚焦光斑的大小为：

艾里斑直径δ＝2.44λf/D。

由上式可以看出，对于相同f/D的光学镜头，使用波长λ＝355nm的激光时，其艾里斑直径比用1064nm、532nm波长的激光更小。因此，使用波长为355nm的激光加工设备在打孔、切割等方面效果会更精细。而且由于聚焦光斑更小，能量更加集中，加工中热影响区更小，因此紫外激光的应用越来越广泛。目前紫外加工主要用于各种玻璃、液晶屏、半导体硅片、食品、医药包装材料等材料的打标、切割划片、打微孔、微细加工、表面处理等。

对于光学镜头，场曲会导致最佳工作面弯曲，像散会造成X、Y两个方向线宽不一致，如果镜头的场曲、像散过大，则在激光加工中会导致加工线条精度不够。特别是进行精细加工、钻孔的时候，过大的像散会导致孔不是圆形，可能变成椭圆或长条形，严重影响加工精度。公开号为CN 104375261A的专利申请，其最大的像散达到0.5mm；公开号为CN101846790A的专利申请，其最大的像散达到0.3mm，有必要进一步降低镜头的残余像散。

F-theta镜头常被用于平像场和光束聚焦，要求在成像面上像高与扫描角成线性关系，畸变会破坏这种线性关系。如果畸变过大，则会导致加工边缘区域时的位置精度降低，专利CN 101846790A中所述的F-theta镜头，其最大畸变达到8％，严重影响加工精度。

在激光加工中，使用非远心F-theta镜头进行钻孔时，会由于镜头像方主光线与像面之间有一定的倾角，使得加工出来的孔有一定的斜度。另外，当被加工件与镜头有一些离焦时，由于非远心的原因，会造成附加的畸变，降低加工的位置精度。而远心F-theta镜头经过特殊设计，镜头的出瞳位于像空间无限远，使得聚焦光束的主光线与像平面垂直，在减小聚焦光斑钻孔角度有特殊优势，被广泛用于精密激光打标和钻孔中，一个典型的应用就是PCB板的钻孔。专利CN 101846790A中所述的F-theta镜头，是一款355nm、非远心扫描场镜，该镜头无法克服上述非远心镜头的缺陷。专利CN 105527706A是一款355nm的远心场镜，但其远心度只达到了3°，不是很小。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有F-theta光学镜头的场曲、像散较大，在激光加工中会导致加工线条精度不够。

(2)现有光学镜头的畸变过大，会导致加工边缘区域时的位置精度降低，严重影响加工精度。

解决上述技术问题的难度：普通光学玻璃在紫外波段吸收强烈，设计355nm镜头的材料通常选用熔融石英玻璃，材料单一，不能像其它透镜一样可以选用不同折射率的材料来配合设计，另外，熔融石英玻璃的折射率比较小，这些因素导致减小355nm远心F-theta镜头的场曲、像散和畸变的难度较大。