能调节光斑直径的光学装置、方法及激光成像设备与流程

1.本发明属于光学设备领域，尤其是涉及到能调节光斑直径的光学装置、方法及激光成像装置。


背景技术：

2.参考图1，发光光源10发出的光经过准直镜20准直后，平行射出至聚焦透镜30，经聚焦透镜30聚焦后，汇聚在成像面40上，形成直径为h的光斑。为了减小光斑直径h，现有技术的通常做法是在准直镜20和聚焦透镜30之间的光路上插入内直径d大小可调的环形光阑片50。通过调节环形光阑片50的内直径d的大小，来改变光斑直径h的大小。然而事实上，无论怎么调节环形光阑片50的内直径d的大小，光斑直径h只能调大，不能调小。由于光斑直径不能调小，这极大的制约了诸如pcb(printedcircuitboard，印刷电板)行业、光刻机行业的发展。例如：对于pcb板而言，光斑直径越小，在pcb板上所占面积越小，在pcb板上的利用激光印制的东西越多越精细；对光刻机而言，光斑越小，光刻精度越高。


技术实现要素：

3.本发明公开了一种能调节光斑直径的光学装置，其目的在于解决光斑直径不能调小以至于不能提高图像分辨率的问题。
4.本发明的方案如下：能调节光斑直径的光学装置，包括：在光路上依次设置的发光光源、准直镜、成像透镜、圆形挡光片以及聚焦平面；发光光源发出的光经准直镜准直后平行入射至成像透镜，经成像透镜透射后，中间部分的光束被遮挡于圆形挡光片，不能聚焦到聚焦平面上，外围部分的环形光在聚焦平面形成衍射图案；其中，发光光源的波长为，成像透镜的焦距为f,成像透镜的外直径为,因圆形挡光片遮挡导致发光光源不能聚焦到聚焦平面上的那部分光束在成像透镜上形成的圆形区域直径为b,b=k
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a，k∈(0,1)，b值大小可调，k为随b增大而增大的第一变量值，位于衍射图案的圆心的圆形亮斑的半径,n为随k增大而减小的第二变量值；在成像透镜上的直径为b以内的部分为球面透镜区域，成像透镜上在直径b和直径a之间的部分为非球面透镜区域。
5.进一步地：b值增加，则k增加，n值减小，r减小。
6.进一步地：增加b值的方法为：减小圆形挡光片到成像透镜的距离l和/或增大圆形挡光片的直径c。
7.进一步地：k=0.25，n=0.58。
8.进一步地：k=0.5，n=0.51。
9.进一步地：k=0.75，n=0.42。
10.本发明还公开了一种利用上述光学装置调节光斑直径的方法，包括如下步骤：步骤1：在光路上依次设置发光光源、准直镜、成像透镜、圆形挡光片以及聚焦平面；步骤2：打开发光光源，使发光光源发出的光经准直镜准直后平行入射至成像透镜，经成像透镜透射后，中间部分的光束被遮挡于圆形挡光片，不能聚焦到聚焦平面上，外围部分的环形光在聚焦平面上形成衍射图案；步骤3： 根据公式，调节位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r。
11.进一步地：通过增加b以增加的值减小。
12.进一步地：增大b的方法为减小圆形挡光片到成像透镜的距离l和/或增大圆形挡光片的直径c。
13.本发明还公开了一种激光成像设备，激光成像设备包括前述的能调节光斑直径光学装置。
14.本光学装置的有益技术效果：1、通过在成像透镜和聚焦平面的光路上设置圆形挡光片，使经成像透镜透射的出射光形成中空的环形光，环形光汇聚在聚焦平面上；通过增大b, b为因圆形挡光片遮挡导致发光光源不能聚焦到聚焦平面上的那部分光束在成像透镜上形成的圆形区域直径,进而增大k值，由于n值随k的增大而减小，根据公式，又由于成像透镜的外直径a不能无限制的变大，所以在中空环形光波长及成像透镜的焦距f为定值的情况下，通过减小n值，可减小位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r，以实现调小光斑直径，提高图像分辨率的目的。
15.2、本技术方案由于能减小光斑的半径，将该技术运用在激光制版领域，将大大提高激光制版的图像印制精度；运用在pcb板行业，也能提高pcb板的电路印制精度，使得在同样的pcb板上能够印制更多更细小的线路，提高pcb板的利用率。对于其他行业，例如激光手术，随着光斑变小，则可以用于要求更高的微创手术。还比如说激光焊接和切割行业，由于光斑变小，则焊缝变得更细，适合精密仪器的焊接。当然，这些应用仅仅是示例性的，在此不做限制。
16.3、在制作成像透镜时，只需要将成像透镜用于供发光光源透射但并未经圆形挡光片遮挡的外侧的环形部分设计成非球面透镜，而内侧圆周因圆形挡光片遮挡的那部分光束不被利用，不需要设计成高精度的非球面透镜，所以设计成精度要求不如非球面透镜高的球面透镜，大大降低了成像透镜的工艺制造难度，降低了成本，减少了整个光路的光程差。
17.本方法的有益效果:根据公式，增大b值，就能增大k值，n随着减小，于是便能将位于衍射图案圆心的圆形亮斑半径r调小，从而提高提高激光成像的分辨率。增大b的方法有：减小圆形挡光片到成像透镜的距离l和/或增大圆形挡光片的直径c。
18.本发明公开的激光成像设备，由于里面包含了能调节光斑直径的光学系统，因此该激光成像设备能够减小聚焦光斑直径，提高激光成像的分辨率。
附图说明
19.图1为发光光源在光路中成像的光路结构示意图；图2为现有技术中在光路中插入了环形光阑片50以期减小光斑的直径h的光路图；图3为本发明的光路结构示意图；图4为图3中成像透镜60的直径a和直径b之间的区域示意图；图5为图3中的发光光源10在聚焦平面40上形成的光的衍射图案的示意图；图6为通过调节本装置得到的位于衍射图案圆心的圆形亮斑的实物照片；图中各部件对应的名称及序号分别为：发光光源10、准直镜20、聚焦透镜30、聚焦平面40、环形光阑片50、成像透镜60、圆形挡光片70、位于衍射图案圆心的圆形亮斑80。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.参考图1，发光光源10发出的光经过准直镜20准直后平行射出，经过聚焦透镜30聚焦在聚焦平面40上形成直径为h的光斑。对于许多行业，例如激光印刷制版行业、医学设备、pcb板行业以及光刻机领域，都希望光斑直径能做到越小越好，光斑直径h越小，则成像分辨率越高，成像精度越高。参考图2，为了调小光斑直径h，目前，人们采取的措施是在准直镜20和聚焦透镜30之间插入内直径d大小可调的环形光阑片50。希望通过调节环形光阑片50的内直径d的大小，来减小光斑直径h。然而事实上，无论怎么调节环形光阑片50的内直径d的大小，光斑直径h只能调大，不能调小，无法实现人们的预期目的。
22.参考图3，本发明公开了一种能调节光斑直径的光学装置，包括:在光路上依次设置的发光光源10、准直镜20、成像透镜30、圆形挡光片70以及聚焦平面40；发光光源10发出的光经准直镜20准直后，平行入射至成像透镜30，经成像透镜30透射后，未被圆形挡光片70遮挡的外围部分环形光在聚焦平面40上形成衍射图案，中间部分的光束被圆形挡光片70遮挡，不能聚焦到聚焦平面40上；定义发光光源10的波长为 ，成像透镜30的焦距为f,成像透镜30的外直径为a,因圆形挡光片70遮挡导致发光光源10不能聚焦到聚焦平面40上的那部分光束在成像透镜30上形成的圆形区域的直径为b, b=k
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a ，k∈(0,1)，k为随b增大而增大的第一变量值，发光光源10在聚焦平面40上得到的位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r的值为：，n为随k增大而减小的第二变量值；在成像透镜30上的直径b以内的部分为球面透镜区域，成像透镜30的直径b和直径a之间的部分为非球面透镜区域。需要说明的是，本技术中所指的光斑直径，是指如图5所示的最内侧的位于衍射图案圆心的圆形亮斑80的内直径，因为位于衍射图案圆心的圆形亮斑80上分布着发光光源10的大约86%的能量，这正是曝光所需要的能量。
23.参考图3，发光光源10发出的光经准直镜20准直后，平行入射至成像透镜60，经成像透镜60透射后，外围部分的光束由于未经圆形挡光片70遮挡，形成环形光在聚焦平面40
上聚焦成像，形成衍射图案。经成像透镜60透射聚焦后出射的中间部分光束，由于被圆形挡光片70遮挡，故无法聚焦在聚焦平面40上。因此，发光光源10发出的光经圆形挡光片遮挡后在聚焦平面40上形成如图5所示的光的衍射图案。图5只是光的衍射图案的示意图，衍射图案圆心的圆形亮斑的实物图见图6所示的白色圆斑。从图6中可以得知，利用本装置，得到的圆形亮斑的直径已经缩小到0.48微米。图5中，发光光源10在聚焦平面40上形成的衍射图案的能量分布中，位于衍射图案圆心的圆形亮斑80上分布的能量最大，约占发光光源10总能量的86%，剩余能量分布逐次向外递减。
24.本发明所说的减小光斑的直径，实质上是指减小如图5所示的位于衍射图案圆心的圆形亮斑80的内直径2r。
25.对于激光制版行业、医学设备、pcb板行业以及光刻机领域，都希望越小越好，即希望能量最大的光斑的半径越小越好，这样可以提高图像的分辨率，减小光斑聚焦直径，实现高精度激光成像。
26.下面介绍r如何计算。
[0027] 参考图3和图5，前面说过，发光光源10的波长为，成像透镜60的焦距为f,成像透镜的外直径为a,因圆形挡光片70遮挡导致发光光源10不能入射到成像透镜60的中间部分的圆形区域直径为b,可以理解的是，b的值不会超过a。定义b=k
×
a,k∈(0,1)，则求得r的值为：。需要说明的是：k为b与a的比值，k为随b增大而增大的第一变量值,n为随k增大而减小的第二变量值。、f在发光光源10及成像透镜60确定的情况下也为定值。
[0028]
公式的具体推导过程如下：圆环衍射满足等式：;令，其中t为常数，;求得。
[0029]
表1示例性的列举了k取不同的值，对应n的取值。
[0030]
表1：n与k的对应关系
从上表可以看出，n的值随k的增大而变小。为了减小r，根据公式，可以通过以下途径来实现：当a为定值时，减小n值，由于n为随k增大而变小的第二变量值，因此，要减小n值，就需要增大k值，即需要增大b与a的比值，又由于a为定值，则需要增加b的值即可。参考图4， b为成像透镜60的中间部分的不透光的圆形区域的直径。因此，假如a值不变，则减小n值，即增大k，也就是增加b值，就能实现减小光斑直径2r的目的。
[0031]
综上所述，减小光斑半径r可以通过增加b值来实现。
[0032]
参考图3，由于圆形挡光片70的遮挡作用，只有入射到成像透镜60的直径b到直径a之间的那部分发光光源才被有效利用。因此，在制作成像透镜60时，只需要将直径b到外直径a之间的环形部分设计成非球面透镜，将直径为b以内的那部分设计成球面透镜，由于非球面透镜制作工艺较球面透镜制作工艺复杂，所以成像透镜60的工艺制造难度大大降低，而且整个光路的光程差也变小了。
[0033]
置的有益技术效果： 1、本发明通过在成像透镜和聚焦平面的光路上设置圆形挡光片，使经成像透镜60透射的出射光形成圆环衍射光，圆环衍射光汇聚在聚焦平面上，得到的图像的分辨率有很大的提升； 2、本技术方案由于能减小光斑的第一级亮环半径，将该技术运用在激光制版领域，将大大提高激光制版的图像印制精度；运用在pcb板行业，也能提高pcb板的电路印制精度，使得在同样的pcb板上能够印制更多更细小的线路，提高pcb板的利用率。对于其他行业，例如激光手术，随着光斑变小，则可以用于要求更高的微创手术。还比如说激光焊接和切割行业，由于光斑变小，则焊缝变得更细，适合精密仪器的焊接。当然，这些应用仅仅是示例性的，在此不做限制。
[0034]
3、在制作成像透镜时，只需要将成像透镜用于供发光光源透射但并未经圆形挡光片遮挡的外侧的环形部分设计成非球面透镜，而内侧圆周因圆形挡光片遮挡的那部分光束不被利用，没有设计成高精度的非球面透镜，所以设计成球面透镜，大大降低了成像透镜的工艺制造难度，降低了成本，减少了整个光路的光程差。
[0035]
本发明还公开了一种利用前述的光学装置调节光斑直径的方法，包括如下步骤：步骤1：在光路上依次设置发光光源、准直镜、成像透镜、圆形挡光片以及聚焦平面；步骤2：打开发光光源，使发光光源发出的光经准直镜准直后平行入射至成像透
镜，经成像透镜透射后，中间部分的光束被遮挡于圆形挡光片，不能聚焦到聚焦平面上，外围部分的环形光在聚焦平面上汇聚成衍射图案；步骤3：根据公式，调节位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r。
[0036]
步骤1中，各光学元件的放置顺序见图3。当放置好各光学元件后，依照步骤2所示的方法在聚焦平面上得到衍射图案。然后根据步骤3所示的公式，通过增加直径b的方法，来实现减小位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r的目的。具体地，参考图3，增加直径b的方法为：减小圆形挡光片70到成像透镜60的距离l和/或增大圆形挡光片70的直径c。
[0037]
本发明还公开了一种激光成像设备（未图示），该激光成像设备包含了前面所说的能减小光斑直径的光学装置。由于该激光成像设备包含了该前面的光学装置，因此该激光成像设备能够提高激光成像的分辨率。
[0038]
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。