能调节光斑直径的光学系统、方法及激光成像装置与流程

1.本发明属于光学领域，尤其是涉及到一种能调节光斑直径的光学系统、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，经过聚焦透镜30聚焦后，汇聚在成像面40，形成一个直径为h的光斑。为了减小光斑直径的值，即为了使光斑直径h的值变小，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。这极大的制约了诸如pcb(printed circuit board，印刷电板)行业、激光制版行业、光刻机行业的发展。对于pcb板领域而言，光斑直径越小，则在pcb上的聚焦面积越小，在pcb板上可利用激光印制的东西越多，印制精度越高；对光刻机而言，光斑越小，光刻精度越高。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种能调节光斑直径的光学系统，其目的在于解决光斑直径不能调小以至于不能提高图像的分辨率的问题。
4.本发明的方案如下：一种能调节光斑直径的光学系统，包括：在光轴上依次设置的环形光生成模块，成像透镜以及聚焦平面；环形光生成模块发出中空环形光束，在成像透镜上形成环形光，环形光经成像透镜透射后，在聚焦平面上形成衍射图案；其中，中空环形光束的波长为 ,成像透镜的焦距为f，成像透镜的外直径为a，环形光的内直径为b, b=k
×
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，同心圆光亮带最内侧的亮环的内半径，n为随k增大而减小的第二变量值；在成像透镜上的直径b以内的部分为球面透镜区域，成像透镜的直径b和直径a之间的部分为非球面透镜区域。
5.进一步地，环形光生成模块为环形出光模块，环形出光模块发出中空环形光束；其中，环形出光模块的环形出光区域大小可以调整，以使得b值大小可调。
6.进一步地，环形光生成模块由点光源和设置在点光源和成像透镜之间的圆形挡光片组成，点光源发出的圆锥形光束经过圆形挡光片遮挡后，在成像透镜上形成环形光；其中，圆形挡光片可在光轴上来回移动和/或者圆形挡光片的外直径大小可调节，以使得b值大小可调节。
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系统调节光斑直径的方法，包括如下步骤：步骤1：在光轴上依次设置环形光生成模块，成像透镜以及聚焦平面；步骤2：环形光生成模块发出的中空环形光束，经成像透镜透射后，在聚焦平面上形成衍射图案；步骤3：根据公式， 调小n，以减小位于所述衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r。
11.进一步地，当环形光生成模块为环形出光模块时，环形出光模块发出中空环形光束，通过调大环形出光模块的环形出光区域，以增大b值，使k变大，n变小，以调小r。
12.进一步地，当环形光生成模块为点光源以及设置在点光源和成像透镜之间的光路上的圆形挡光片时，通过朝成像透镜移动圆形挡光片和/或增大圆形挡光片的外径，以增大b值，使k变大，n变小，以调小r。
13.本发明还公开了一种激光成像装置，该激光成像装置包括前述的能减小光斑直径光学系统。
14.本发明所公布的能减小光斑直径的光学系统，具有如下有益技术效果：1、通过在光轴上依次设置环形光生成模块、成像透镜以及聚焦平面，使得环形光生成模块发出中空环形光束，中空环形光束在成像透镜上形成环形光，环形光经成像透镜透射后，在聚焦平面上形成衍射图案。通过增大环形光的内直径b,进而增大k，由于n随k的增大而减小，根据公式，由于成像透镜的外直径a不能无限制的调大，所以在中空环形光束波长λ及成像透镜的焦距为定值的情况下，通过减小n值，可以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，提高成像分辨率的目的。也就是说，通过增大环形光的内直径b，就实现了调小光斑直径，提高成像分辨率的目的。要增大环形光的内直径b,可采用的技术手段有：（1）、当环形光生成模块为环形出光模块时，增大中空环形光束的内直径，则中空环形光束入射到成像透镜上形成的环形光的内直径b就增大；（2）、当环形光生成模块为点光源和设置在点光源和成像透镜之间的光路上的圆形挡光片时，可以通过增大圆形挡光片的直径c,或/和增大圆形挡光片到成像透镜的距离l，也能实现增大b的目的。
15.2、本技术方案由于能减小位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径，进而提高图像的分辨率，减小成像光斑的直径，提高聚焦精度。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精密的线路，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；3、在制作成像透镜时，只需要将成像透镜的直径b和直径a之间的部分设计成非球面透镜，而成像透镜的直径b的内侧不被光束穿过，没有必要设计成非球面透镜，只需要设计成球面透镜，大大降低了成像透镜的工艺制造难度，降低了成本，减少了光路的光程差。
16.本发明公开的利用光学系统调节光斑直径的方法，具有如下有益效果：根据公式，当成像透镜的外直径a不变时，调大b值，使k值变大，由于n值随k的增大而减小，根据公式，能将位于衍射图案圆心的圆形亮斑半径r调小，从而提高提高圆形光斑的图像分辨率。
17.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调小光斑直径，提高图像的分辨率。
附图说明
18.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为本发明的光路结构示意图的一个实施例图；图5为本发明的光路结构示意图的又一个实施例图；图6为图3中成像透镜60的直径b和直径a区间示意图；图7为图3中的环形光生成模块11在聚焦平面40上形成的光的衍射图案的示意图；图8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9为中空环形光束的示意图；图10为由若干发光单元80组成的环形出光光源的示意图。
19.图中各部件对应的名称及序号分别为：发光光源10、环形光生成模块11、环形出光模块12、点光源13、圆形挡光片14、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、位于衍射图案圆心的圆形亮斑70、发光单元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，图1为发光光源在光路中成像的光路结构示意图，包括：在光路上依次设置的发光光源10、准直镜20、聚焦透镜30和聚焦平面40。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，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系统，包括，在光路上依次设
置的环形光生成模块11、成像透镜60以及聚焦平面40。环形光生成模块11发出的若干光线50形成中空环形光束。中空环形光束在成像透镜60上形成环形光，环形光经成像透镜60透射后，在聚焦平面40上形成衍射图案，衍射图案的示意图见图7。定义中空环形光束的波长为 ，,成像透镜60的焦距为f，成像透镜60的外直径为a，环形光的内直径为b, b=k
×ꢀ
a，b∈(0,1)， k为随b增大而增大的第一变量值。位于衍射图案圆心的圆形亮斑70的半径，n为随k增大而减小的第二变量值。参考图6，在成像透镜60上的直径b以内的部分为球面透镜区域，在成像透镜60的直径b和直径a之间的部分为非球面透镜区域。根据公式可以知道，为减小r，在λ、a、f为定值时，可以通过减小n来减小内半径r。由于k增大时，n减小，且k为b与a的比值。因此，当增加b时，r减小。即通过增加b，就能实现减小半径r的目的，也就能减小成像光斑直径。成像光斑的直径通常是指图7所示的衍射图案圆心的圆形亮斑70的直径2r。由于成像光斑直径可以调小，因此图像分辨率得到大大提高。
23.本技术所说的中空环形光束，见图9，图9为中空环形光束的示意图，其中，在直径a和直径b之间的圆锥体范围内，布满了若干发光光束，而在直径b以内的黑色区域，则没有任何发光光束。
24.实施例1参考图4 ,图4为本发明的光路结构示意图的一个实施例图，即环形光生成模块为环形出光模块12，环形出光模块12发出中空环形光束。作为其中的一个实施例，环形出光模块12可以是如图10所示的由若干发光单元80组成的环形出光光源，环形出光光源发出中空的环形光束。中空的环形光束入射到成像透镜60上形成环形光。可以理解的是，本实施例中，环形出光模块的环形出光区域大小可以调整，使得b值大小可调，以实现r可以调小的目的。
25.实施例2本实施例中，环形光生成模块由图5中的点光源13以及设置在点光源13和成像透镜60之间的圆形挡光片14组成，可以理解的是，点光源13发出的圆锥形光束经过圆形挡光片14遮挡后，在成像透镜60上形成环形光。由于圆形挡光片14的存在，使得点光源13发出的圆锥形光束的外围部分能够入射至成像透镜60，经成像透镜60透射聚焦后，在聚焦平面40上聚焦成像。点光源13发出的圆锥形光束的中间部分，由于被圆形挡光片14遮挡，无法穿过成像透镜60并聚焦在聚焦平面40上。经过圆形挡光片14遮挡后，点光源13发出的圆锥形光束在聚焦平面40上形成如图7所示的光的衍射图案。图7只是光的衍射图案的示意图，图7中位于衍射图案圆心的圆形亮斑70的实物图见图8所示的圆形亮斑，从图8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。即利用本装置，可以将圆形聚焦光斑调小到0.48微米。在出光能量分布上，圆形亮斑70上分布的能量最大，约占点光源13发出能量的86%，随着同心圆外径不断扩大，能量逐次向外递减。对于激光直接成像领域，利用的正是圆形亮斑70上的能量，因此，圆形亮斑70的半径r越小，则成像精度越高。
26.本实施例中，圆形挡光片14可以在光轴上来回移动，同时，圆形挡光片14的外直径c大小可以调节。通过在光轴上前后移动圆形挡光片14和/或调节圆形挡光片14的外直径c大小，则能实现调节b的目的。具体而言，参考图5,根据前面的描述，为实现减小r的目的，需
要增加b值，可以理解的是，通过增加圆形挡光片14到成像透镜60之间的距离l，即将圆形挡光片14朝向发光光源10方向移动，和/或增加圆形挡光片14的直径，均能实现增加b值的目的。
27.本发明所说的调节光斑的直径，主要是指减小如图7所示的位于衍射图案圆心的圆形亮斑70的半径r。
28.对于激光制版行业、医学设备领域、pcb板行业以及光刻机领域，都希望r做到越小越好，这样成像精度越高。
29.下面介绍r的值如何计算。
30.参考图3和图7，定义中空环形光束的波长为 ，成像透镜60的焦距为f,成像透镜的外直径为a,中空环形光束在成像透镜60上形成环形光的内直径为b, 可以理解的是，b的值不会超过a。定义b=k
×ꢀ
a ，a∈(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得圆形亮斑的半径的值为：。n为随k增大而减小的第二变量值。
31.的推导过程如下：圆环衍射满足等式： ;令，其中t为常数，； 求得。表1示例性的列举了k取不同的值，对应的n的取值。
32.表1：n与k的对应关系表从上表可以看出，n随k变大而减小。因此，为了减小r，根据公式，可以通过以下途径来实现：减小n值，由于n为随k变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。因此，假如a值不变，通过增加b值，也能实现减小圆形亮斑直径2r的目的。
33.参考图3及图7，由于成像透镜60上的只有直径b到直径a之间的环形部分才被有效
利用，即只有直径b到直径a之间的环形部分才用于中空环形光束透射穿过使用。因此，在制作成像透镜60时，只需要将直径b到直径a之间的环形部分设计成非球面透镜，将直径b以内的那部分设计成球面透镜，由于制造球面透镜的工艺难度小于制造非球面透镜工艺的难度，成像透镜60只需要将直径b到直径a之间的环形部分设计成非球面透镜，大大降低了成像透镜60的制作难度，并减少了成像透镜60的光程差。
34.本发明还公开了一种利用上述光学系统调节光斑直径的方法，包括如下步骤：步骤1：在光轴上依次设置环形光生成模块，成像透镜以及聚焦平面；步骤2：环形光生成模块发出的中空环形光束，经成像透镜透射后，在聚焦平面上形成衍射图案；步骤3：根据公式， 调小n，以减小位于所述衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r。
35.进一步地，当环形光生成模块为环形出光模块时，环形出光模块发出所述中空环形光束，通过调大环形出光模块的环形出光区域，以增大b值，使k变大，n变小，以调小位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r。
36.进一步地，当环形光生成模块由点光源以及设置在所述点光源和所述成像透镜之间的光路上的圆形挡光片组成时，通过朝成像透镜移动圆形挡光片和/或增大圆形挡光片的外径，以增大b值，使k变大，n变小，以调小r。
37.在步骤1
‑
步骤3中，各光学元件的放置顺序见图3。当放置好各光学元件后，使各光学元件处于依照步骤2所示的方法在聚焦平面上得到明暗相间的同心圆光亮带。然后根据步骤3提供的公式，通过增加b值的方法，来实现减小r的目的。
38.本方法的有益效果为：根据公式，在不考虑增加成像透镜的外直径a时，调大b值，最终使n减小，能将位于衍射图案圆心的圆形亮斑的半径r调小，从而提高提高激光成像的分辨率。
39.本技术中，虽然根据公式可以通过增大a来实现减小r的目的，但由于成像透镜的外直径a不能无限制变大，所以这种方法一般不采用它。因此本技术主要通过减小n，即通过增加b值来减小r，以实现提高提高图像的分辨率的目的。
40.本发明还公开了一种激光成像装置（未图示），该激光成像装置包含了前面所说的能减小光斑直径的光学系统。由于该激光成像装置包含了该光学系统，因此该激光成像装置能够提高激光成像装置的成像精度，即提高图像分辨率。
41.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所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。