一种基于4f系统的远心扫描装置

1.本发明属于光学扫描技术领域，更具体地，涉及一种二维光学扫描装置。


背景技术：

2.远心光束扫描在激光精密加工、高精度光学成像及光学测量领域具有广泛的应用价值。目前广泛采用振镜与远心f-theta场镜结合的方式实现光束的二维扫描。光束经由一对旋转轴正交的反射镜，再配合场镜聚焦到扫描平面，两个反射镜遵循一定的规律旋转，从而实现扫描过程。
3.参照图1所示，理想的远心f-theta场镜，可以将经由物方焦点f入射的任意角度的平行光束折射为像方远心出射，出射光束垂直且聚焦于像方焦面。在场镜物方焦面处设置一个可旋转的反射镜，旋转轴平行于x轴并与物方焦点f重合，即实现理想的一维远心光束扫描，经由场镜出射的扫描光束均垂直于像方焦面。
4.但是，当反射镜位置与物方焦面存在一定距离时，参照图2所示，光束以一定的角度θ入射到场镜中，出射光线到像方焦面上的位置不变，但不再满足远心出射，即出射光束与像方焦面不再垂直，偏移距离a1、a2越大，远心偏移角度α1、α2也相应地越大。并且，光束扫描角度θ越大，即出射光束越靠近扫描场边缘，远心偏移角度也就越大。
5.在传统振镜实现光束二维扫描的过程中，需要将振镜的两个反射镜依次放置在场镜之前的光路中，分别在两个维度上对光束进行扫描。因此不可能将两个反射镜同时放置于场镜的物方焦面处，如果将一个反射镜设置于场镜的物方焦面处，另一个反射镜与场镜的物方焦面必然会产生一定的距离，经由该反射镜实现的光束扫描必然无法实现像方远心出射。
6.为了尽可能地使光束在两个维度上的扫描接近像方远心出射，传统扫描装置中，一般将场镜的物方焦面设置于两个反射镜之间的某个位置，如图3和图4所示，使得两个反射镜与场镜物方焦面之间的偏移距离尽可能小，相应地，在两个维度上扫描光束远心出射的偏移角度才能尽可能小。设置理想远心场镜焦距70mm，振镜两个反射镜距离14mm，场镜物方焦面放置于两反射镜中间，在30
×
30mm2的扫描范围内，使用zemax软件计算远心偏移角度α
x
和αy的值，α
x
和αy最大时均大于2
°
，具有明显偏移。
7.因此，在激光精密加工、高精度光学成像及光学测量领域，传统扫描装置中的远心角偏移存在无法忽视的影响。例如，德国linos公司生产的编号为4401-509-000-21的远心f-theta场镜，在其扫场范围内，其远心角偏移最大为0.5
°
，是一款远心性能极为优异的场镜，但是，在配合scanlab生产的二维扫描振镜工作的情况下，远心角的最大偏移角度增大了100％以上，使得该场镜的应用范围受到了明显的限制。例如，在激光扫描刻蚀的过程中，远心角的变化会使得扫场边缘和扫场中心的光斑能量、光斑形貌、焦深等参数出现差异，进而影响到激光刻蚀的效率和均一性。又例如，在激光离焦加工时，非远心出射的激光在材料上的加工位置会发生变化；在基于动态聚焦的激光三维加工中，非远心出射的激光焦点会在一定范围内沿光束出射的方向往复移动，激光在材料上的加工位置也会随焦点移动发生
变化，这会给激光的精密选择性加工带来一定的误差。
8.目前各个公司生产的二维扫描振镜，其内部两个反射镜的距离以及旋转轴位置各有差异，在同一场镜配合不同振镜使用时，扫描过程中的远心偏移角度均不一致，这使得光束扫描和激光加工的重复性变差，场镜与振镜之间配合的通用性大大降低。
9.并且，在目前市售的各种振镜中，入射光束在第一反射镜上的反射点恒定不变，但是，当第一个反射镜进行转动扫描时，光束在第二个反射镜上的反射点在一定范围内变化。因此，为了保证第二个反射镜的通光孔径，第二个反射镜的镜片尺寸需要足够大，从而增加了第二个反射镜的质量和转动惯量，降低了第二个反射镜的扫描速度和稳定性，进而影响了光束扫描的效率。


技术实现要素：

10.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于4f系统的远心扫描装置，旨在解决现有技术中两个反射镜不可能同时放置于场镜的物方焦面处而造成的远心光束角度偏移，以及两个反射镜大小规格不统一的问题。
11.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于4f系统的扫描装置，包括依次沿光路设置的第一反射镜、第一透镜、第二透镜、第二反射镜和场镜；
12.所述第一反射镜、第二反射镜为具有固定偏转轴的转镜，且两个反射镜的偏转轴相互正交，用于实现扫描光束在两个维度上的反射扫描；
13.所述第一透镜和第二透镜的焦距分别为f1和f2，用于构成一个4f系统，将经由第一反射镜的反射光束投影到第二反射镜上；
14.所述第一反射镜、第一透镜、第二透镜、第二反射镜在一条光轴上依次放置，间距依次为f1、f1 f2和f2；
15.所述场镜的物方焦点位于第二反射镜上，用于实现光束的聚焦和扫描。
16.优选的，第一透镜和第二透镜之间光轴上的焦点处包裹有真空腔，用于防止4f系统内部的激光聚焦在空气中产生等离子体激发。
17.优选的，真空腔中充入有惰性气体。
18.优选的，真空腔的形状为圆柱形，其两端为圆形透光玻璃。
19.优选的，真空腔为透镜真空腔，透镜真空腔的形状为圆柱形，其两端为第一透镜和第二透镜，侧壁与第一透镜和第二透镜密封连接。
20.优选的，第一透镜和第二透镜为凸透镜或凸透镜组，所述凸透镜的透镜面型为球面或非球面。
21.优选的，第一透镜和第二透镜为两个柱透镜或柱透镜组。
22.优选的，第一反射镜和第二反射镜的旋转驱动方式为电流式、压电陶瓷式和电机式。
23.优选的，第一反射镜和第二反射镜的偏转轴相互正交，且第一反射镜和第二反射镜为大小规格一致的反射镜，有效反射直径均为0.5mm到50mm，最大偏摆角度均为
±
0.001
°
到
±
25
°
。
24.优选的，场镜为球面透镜或非球面透镜或由多个球面透镜和非球面透镜组成的透镜组。
25.优选的，场镜的焦距为0.01mm到500mm之间，有效通光孔径为0.5mm到50mm之间。
26.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
27.(1)本发明通过结合4f系统的设计，消除了传统二维扫描装置中两个反射镜无法重合导致的远心光束角度偏移，增强了远心扫描性能，提高了光束扫描和激光加工的精度；
28.(2)本发明能够通过4f系统对扫描装置中第一反射镜的扫描角度进行放大，再传递到后续的光路中，提升了第一反射镜的扫描速度，进而提高了装置的光束扫描效率；
29.(3)本发明通过结合4f系统的设计，保证了经由第一反射镜反射的光束在第二反射镜上的反射点恒定不变，降低了对第二反射镜通光孔径的要求，有利于减小第二反射镜的转动惯量，提高了第二反射镜的扫描速度和稳定性；
30.(4)本发明能够将第一反射镜和第二反射镜的尺寸规格、扫描驱动参数设置为完全一致，进而降低了二维扫描的控制要求；
31.(5)本发明在提高扫描装置精度的同时，具有的简单巧妙的结构，有效控制了生产成本。
附图说明
32.图1为远心f-theta场镜的像方远心扫描示意图；
33.图2为远心f-theta场镜的非像方远心扫描示意图；
34.图3为传统扫描装置的三维示意图；
35.图4为传统扫描装置的二维示意图；
36.图5为本发明实施例一和实施例二提供的一种基于4f系统的扫描装置三维示意图；
37.图6为本发明实施例一和实施例二提供的一种基于4f系统的扫描装置二维示意图；
38.图7为本发明实施例三提供的一种基于4f系统的扫描装置三维示意图；
39.图8为本发明实施例四提供的一种基于4f系统的扫描装置三维示意图；
40.图中各附图标记的含义如下：第一物方焦面1，第一远心f-theta场镜2，第一像方焦面3，位于物方焦点处的反射镜4，位于物方焦点前的反射镜5，位于物方焦点后的反射镜6，第三反射镜7，第四反射镜8，第二远心f-theta场镜9，第二像方焦面10，第二物方焦面11，第一反射镜12，第一透镜13，第二透镜14，第二反射镜15，场镜16，工件17，第一光束18，第二光束19，第三光束20，第四光束21，真空腔22，透镜真空腔23。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
42.实施例一：
43.本发明公开的一种基于4f系统的远心扫描装置三维示意图如图5所示，包括沿着光路设置的第一反射镜12、第一透镜13、第二透镜14、第二反射镜15和场镜16，以及位于场
镜16像方焦面的工件17。
44.所述第一反射镜12和第二反射镜15用于构成扫描装置的两个转镜；所述第一透镜13和第二透镜14为两个非球面双凸透镜，焦距分别为f1＝60mm，f2＝30mm，用于构成一个4f系统；所述场镜16为远心f-theta场镜，用于实现光束的像方远心扫描。
45.上述扫描装置的二维示意图如图6所示，当第一反射镜12和第二反射镜15在零点时，光束入射到第一反射镜12上后的光路如虚线所示，4f系统对光束方向不构成任何影响，光束沿光轴入射到第二反射镜15后，垂直入射到场镜16中，对应图5中的第一光束18。
46.将第一反射镜12旋转(旋转轴平行于z轴)，使得光束与光轴的夹角为θ1，经由4f系统的变换，入射到第二反射镜的光束也相应旋转了角度θ2，且有f
1 tanθ1＝f
2 tanθ2，傍轴条件下，有f1θ1＝f2θ2，即有θ2/θ1＝f1/f2＝2，第一反射镜12对光束的折转角度经过4f系统后放大为原来的两倍，入射到第二反射镜15上。再经由第二反射镜反射后，入射到场镜16中，对应图5中的第二光束19，扫描角度为θ
x
＝θ2＝2θ1。
47.由几何分析可见，当第一反射镜12的扫描角度任意变化时，经过4f系统的传递，入射到第二反射镜15的光束的反射角度随之变化，但反射点恒为第二反射镜15的中心，将第二反射镜15设置于场镜16的物方焦点处，即能够实现扫描光束的像方远心出射。
48.此时，当第一反射镜12在零点时，将第二反射镜15旋转(旋转轴平行于x轴)，可将光束在另一个正交维度上进行扫描，即为图5中的第三光束20，扫描角度θy任意变化，也能够实现扫描光束的像方远心出射。
49.综上，基于4f系统的传递，当第一反射镜12和第二反射镜15同时对光束进行任意角度的扫描时，例如图5中的第四光束21，入射到场镜16的光束均能够经过该场镜的物方焦点，从而实现扫描光束的像方远心出射，振镜对扫描光束的像方远心出射过程不构成任何影响。
50.在上述设置条件下，第一反射镜12的扫描角度经过4f系统的传递增加为原来的两倍，即第一反射镜12的扫描速度增加为原来的两倍，该扫描装置在沿x轴方向的扫描速度增加为原来的两倍。并且，经由第一反射镜12和4f系统入射到第二反射镜15上的光束反射点恒定不变，降低了传统扫描装置中对第二反射镜15的通光孔径要求，有利于进一步提高第二反射镜15的扫描速度。
51.实施例二：
52.本发明公开的一种基于4f系统的远心扫描装置三维示意图如图5所示，包括第一反射镜12，第一透镜13，第二透镜14，第二反射镜15，场镜16，工件17。所述第一透镜13和第二透镜14为两个柱面双凸透镜，焦距分别为f1＝60mm，f2＝30mm，用于构成一个4f系统。
53.其余部分与实例一一致，仍然能够实现与实施例一一致的扫描过程。
54.实施例三：
55.在实施例一的基础上，第一透镜13和第二透镜14之间光轴上的焦点处包裹有真空腔22，用于防止4f系统内部高功率激光在空气中聚焦导致的电离、等离子体击穿等物理过程，避免各种物理过程对光束传输、光束质量和光束功率的影响，也避免潜在的安全隐患。
56.所述真空腔22为圆柱形，其底面与顶面为能够透光的圆形玻璃，侧壁也为透光玻璃，真空腔22内部抽真空后，在外压不大于一个大气压的情况下，具有良好的耐压性能，能够隔绝外部空气进入，经由第一透镜13的光束入射到真空腔22中，在真空腔22中聚焦后再
发散出射，入射到第二透镜14中。
57.其余部分其余部分与实例一一致，仍然能够实现与实施例一一致的扫描过程。
58.实施例四：
59.在实施例一的基础上，所述透镜真空腔23由第一透镜13、第二透镜14和侧壁密封组成，光束在第一透镜13和第二透镜14之间的传播、聚焦等过程均处于透镜真空腔23内部，透镜真空腔23内部抽真空，其用途与真空腔22一致。在透镜真空腔23内部也可以充入一定气压的惰性气体，用于减小内外压强差值，降低对透镜真空腔23耐压性能的要求。
60.其余部分其余部分与实例一一致，仍然能够实现与实施例一一致的扫描过程。
61.上述实施例中，第一反射镜12和第二反射镜15的转轴位置仅为一种可行的示例，实施过程中，可以根据实际情况灵活改变，两个反射镜的转轴可以是正交的或者非正交的，只要能够实现二维扫描即为可行的实施方式。
62.本发明装置所采用的各个组件均可由市售购得。用于转动扫描的第一反射镜12和第二反射镜15，既可采用常用的电流方式驱动，还可以由电机、压电陶瓷及其他机械或非机械方式驱动实现。本发明装置所采用的第一透镜13和第二透镜14包括但不限于各种球面镜、非球面镜、柱透镜，以及由上述各种透镜组成的透镜组。
63.本发明装置所采用的场镜16，实施过程中，也可以采用一般f-theta场镜或非f-theta场镜。
64.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改：等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。