F-Theta场镜的光学系统

f-theta场镜的光学系统
技术领域
1.本发明涉及激光成像技术领域，尤其涉及一种f-theta场镜的光学系统。


背景技术：

2.在将激光应用于激光焊接、激光打标及激光刻蚀等微加工领域时，需要将激光束通过聚焦镜聚焦在工作平面上，而现有的聚焦镜得到的聚焦光斑较大，且均匀性较差，难以满足精密加工的加工需求。


技术实现要素：

3.本发明提供一种f-theta场镜的光学系统，用以解决或改善现有的由聚焦镜得到的聚焦光斑存在光斑尺寸较大导致加工质量较差的问题。
4.本发明提供一种f-theta场镜的光学系统，包括：透镜组件；所述透镜组件包括：第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜沿激光束的传播方向依次排布；所述第一透镜的中心、所述第二透镜的中心、所述第三透镜的中心及所述第四透镜的中心共线；所述透镜组件的焦距范围为249.0mm至251.0mm；所述透镜组件的半视场角为20度，所述透镜组件用于聚焦波长为1064nm的激光。
5.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第一透镜为双凹透镜；所述第一透镜背离所述第二透镜的一侧的曲率半径范围为-52.1mm至-51.9mm；所述第一透镜朝向所述第二透镜的一侧的曲率半径范围为232.9mm至234.9mm；所述第一透镜的中心厚度范围为2.9mm至3.1mm。
6.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第二透镜为弯月透镜；所述第二透镜朝向所述第一透镜的一侧的曲率半径范围为-126.5mm至-126.3mm；所述第二透镜朝向所述第三透镜的一侧的曲率半径范围为-85.0mm至-84.8mm；所述第二透镜的中心厚度范围为12.8mm至13.0mm。
7.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第三透镜为弯月透镜；所述第三透镜朝向所述第二透镜的一侧的曲率半径范围为-1246.8mm至-1226.8mm；所述第三透镜朝向所述第四透镜的一侧的曲率半径范围为-124.2mm至-124.0mm；所述第三透镜的中心厚度范围为8.9mm至9.1mm。
8.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第四透镜为双凸透镜；所述第四透镜朝向所述第三透镜的一侧的曲率半径范围为488.7mm至490.7mm；所述第四透镜背离所述第三透镜的一侧的曲率半径范围为-87.7mm至-87.5mm；所述第四透镜的中心厚度范围为16.5mm至18.5mm。
9.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第一透镜与所述第二透镜之间的距离范围为5.8mm至6.0mm。
10.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第二透镜与所述第三透镜之间的距离范围为0.9mm至1.1mm。
11.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第三透镜与所述第四透镜之间的距离范围为0.9mm至1.1mm。
12.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜的材质为熔石英，所述熔石英的折射率为1.46，所述熔石英的阿贝尔系数为67.8。
13.根据本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统，所述f-theta场镜的光学系统还包括：镜筒；所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜及所述第四透镜设于所述镜筒内。
14.本发明提供的f-theta场镜的光学系统通过设置透镜组件，在对波长为1064nm的激光进行聚焦时，激光束依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜后照射至工作面上，在工作面上形成聚焦光斑，该聚焦光斑的直径小于40μm，聚焦光斑的直径较小，能量分布较为集中，能够满足精密加工的加工需求，使得激光加工的加工精度较高。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明提供的f-theta场镜的光学系统的结构示意图；
17.图2是本发明提供的f-theta场镜的光学系统的整体结构示意图；
18.图3是本发明提供的由入射角为0度的激光束形成的聚焦光斑的轮廓示意图；
19.图4是本发明提供的由入射角为14度的激光束形成的聚焦光斑的轮廓示意图；
20.图5是本发明提供的由入射角为20度的激光束形成的聚焦光斑的轮廓示意图；
21.图6是本发明提供的激光束在通过f-theta场镜的光学系统时的能量曲线图；
22.图7是本发明提供的激光束在通过f-theta场镜的光学系统时的传递函数曲线图；
23.图8是本发明提供的f-theta场镜的光学系统的场曲示意图；
24.图9是本发明提供的f-theta场镜的光学系统的畸变示意图；
25.附图标记：
26.1：第一透镜；2：第二透镜；3：第三透镜；4：第四透镜；5：像面；6：镜筒。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而
不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
30.下面结合图1至图9描述本发明提供的一种f-theta场镜的光学系统。
31.如图1所示，本实施例所示的f-theta场镜的光学系统包括：透镜组件。
32.透镜组件包括：第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4沿激光束的传播方向依次排布；第一透镜1的中心、第二透镜2的中心、第三透镜3的中心及第四透镜4的中心共线；透镜组件的焦距范围为249.0mm至251.0mm；透镜组件的半视场角为20度，透镜组件用于聚焦波长为1064nm的激光。
33.具体地，本实施例所示的f-theta场镜的光学系统通过设置透镜组件，在对波长为1064nm的激光进行聚焦时，激光束依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜及第四透镜后照射至工作面上，在工作面上形成聚焦光斑，该聚焦光斑的直径小于40μm，聚焦光斑的直径较小，能量分布较为集中，能够满足精密加工的加工需求，使得激光加工的加工精度较高。
34.其中，波长为1064nm的激光的入瞳直径为15mm，透镜组件的焦距范围为249.0mm至251.0mm，具体可以为249.0mm、249.5mm、250.0mm、250.5mm或251.0mm，优选250.0mm；透镜组件的焦距可以理解为将第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4等效为一个等效透镜，该等效透镜的焦距即为透镜组件的焦距。
35.需要说明的是，本实施例所示的半视场角是指出射激光与透镜组件的中心线之间夹角的极大值，其中半视场角为20度，即出射激光与透镜组件的中心线之间夹角的极大值为20度，相应地，全视场角为40度，而出射激光与透镜组件的中心线之间的夹角取决于激光的入射角，在此规定激光的入射角是指激光的入射方向与透镜组件的中心线之间的夹角，激光的入射角在由极小值调节至极大值的过程中，聚焦光斑扫略的区域大致呈圆形，理论上在该区域范围内聚焦光斑可用于激光加工，但是为了提升加工质量，在该区域的中心选取一块边长为100mm的正方形区域作为有效加工区域。
36.发明人在研发过程中发现，利用本发明提供的f-theta场镜的光学系统在对激光进行聚焦，激光的入射角在由0度调节至20度的过程中，如图1所示，激光束a的入射角为0度，激光束b的入射角为14度，激光束c的入射角为20度，由三个不同入射角的激光束分别形成的聚焦光斑所在的像面5大致为一个平面，从而在实际的激光加工中，能够有效补偿系统扫描带来的离焦误差。
37.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的第一透镜1为双凹透镜；第一透镜1背离第二透镜2的一侧的曲率半径范围为-52.1mm至-51.9mm；第一透镜1朝向第二透镜2的一侧的曲率半径范围为232.9mm至234.9mm；第一透镜1的中心厚度范围为2.9mm至3.1mm。
38.具体地，激光束由左向右传播，第一透镜1左侧的曲率半径具体可以为-52.1mm、-52.0mm或-51.9mm，优选-52.0mm；第一透镜1右侧的曲率半径具体可以为232.9mm、233.9mm或234.9mm，优选233.9mm；第一透镜1的中心厚度具体可以为2.9mm、3.0mm或3.1mm，优选3.0mm。
39.需要说明的是，曲率半径正负号的判定规则如下，以第一透镜为例进行说明，以第一透镜1左侧曲面的中心为起点，以第一透镜1左侧曲面的圆心为终点，形成一个方向向左的向量，该向量的方向与激光束的传播方向相反，则规定第一透镜1左侧的曲率半径为负；以第一透镜1右侧曲面的中心为起点，以第一透镜1右侧曲面的圆心为终点，形成一个方向向右的向量，该向量的方向与激光束的传播方向相同，则规定第一透镜1右侧的曲率半径为正；同理，第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4中曲率半径的正负号的也是通过上述规则进行判定，下文不再赘述。
40.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的第二透镜2为弯月透镜；第二透镜2朝向第一透镜1的一侧的曲率半径范围为-126.5mm至-126.3mm；第二透镜2朝向第三透镜3的一侧的曲率半径范围为-85.0mm至-84.8mm；第二透镜2的中心厚度范围为12.8mm至13.0mm。
41.具体地，激光束由左向右传播，第二透镜2左侧的曲率半径具体可以为-126.5mm、-126.4mm或-126.3mm，优选-126.4mm；第二透镜2右侧的曲率半径具体可以为-85.0mm、-84.9mm或-84.8mm，优选-84.9mm；第二透镜2的中心厚度具体可以为12.8mm、12.9mm或13.0mm，优选12.9mm。
42.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的第三透镜3为弯月透镜；第三透镜3朝向第二透镜2的一侧的曲率半径范围为-1246.8mm至-1226.8mm；第三透镜3朝向第四透镜4的一侧的曲率半径范围为-124.2mm至-124.0mm；第三透镜3的中心厚度范围为8.9mm至9.1mm。
43.具体地，激光束由左向右传播，第三透镜3左侧的曲率半径具体可以为-1246.8mm、-1236.8mm或-1226.8mm，优选-1236.8mm；第三透镜3右侧的曲率半径具体可以为-124.2mm、-124.1mm或-124.0mm，优选-124.1mm；第三透镜3的中心厚度范围为8.9mm、9.0mm或9.1mm，优选9.0mm。
44.在一些实施例中，如图1和图2所示，本实施例所示的第四透镜4为双凸透镜；第四透镜4朝向第三透镜3的一侧的曲率半径范围为488.7mm至490.7mm；第四透镜4背离第三透镜3的一侧的曲率半径范围为-87.7mm至-87.5mm；第四透镜4的中心厚度范围为16.5mm至18.5mm。
45.具体地，激光束由左向右传播，第四透镜4左侧的曲率半径具体可以为488.7mm、489.7mm或490.7mm，优选489.7mm；第四透镜4右侧的曲率半径具体可以为-87.7mm、-87.6mm或-87.5mm，优选-87.6mm；第四透镜4的中心厚度具体可以为16.5mm、17.5mm或18.5mm，优选17.5mm。
46.在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的第一透镜1与第二透镜2之间的距离l1范围为5.8mm至6.0mm。
47.具体地，第一透镜1与第二透镜2之间的距离l1具体可以为5.8mm、5.9mm或6.0mm，优选5.9mm。
48.需要说明的是，第一透镜1与第二透镜2之间的距离是指，两个相对弧面的中心之间的距离，同理，第二透镜2与第三透镜3之间的距离，第三透镜3与第四透镜4之间的距离均为两个相对弧面的中心之间的距离。
49.在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的第二透镜2与第三透镜3之间的距离
l2范围为0.9mm至1.1mm。
50.具体地，第二透镜2与第三透镜3之间的距离l2具体可以为0.9mm、1.0mm或1.1mm，优选1.0mm。
51.在一些实施例中，如图2所示，本实施例所示的第三透镜3与第四透镜1之间的距离l3范围为0.9mm至1.1mm。
52.具体地，第三透镜3与第四透镜4之间的距离l3具体可以为0.9mm、1.0mm或1.1mm，优选1.0mm。
53.在一些实施例中，本实施例所示的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4的材质为熔石英，熔石英的折射率为1.46，熔石英的阿贝尔系数为67.8。
54.在一些实施例中，如图1所示，本实施例所示的f-theta场镜的光学系统还包括：镜筒6；第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4设于镜筒6内。
55.具体地，通过设置镜筒6将第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3及第四透镜4固定，从而保证了各个透镜之间的相对位置，保证了激光束传播以及聚焦光斑的稳定性。
56.发明人对本实施例所示的f-theta场镜的光学系统的成像质量进行了试验验证，验证结果如图3至图9所示。
57.入射角为0度的激光束a所形成的聚焦光斑如图3所示，入射角为14度的激光束b所形成的聚焦光斑如图4所示，入射角为20度的激光束c所形成的聚焦光斑如图5所示，其中，图3至图5中外圈示意出了艾里斑半径，ima表示像高；对三个聚焦光斑的直径进行测量与统计，统计结果如表1所示；由统计结果可知，聚焦光斑的均方根半径在5μm以下，成像的稳定性与均匀性较好；需要说明的是，由激光束b产生的聚焦光斑的均方根半径为5.020μm，5.020μm与5μm较为接近，可认为该均方根半径不超过5μm。
58.表1：聚焦光斑统计表
[0059][0060]
如图6所示，发明人对不同入射角的激光束形成的聚焦光斑的能量进行了统计，并绘制了曲线图，该曲线图的横坐标的含义为“以质心为中心包围圆的半径”，该曲线图的纵坐标的含义为“包含的归一化能量”，由曲线图可以看出，激光束90％以上的能量聚焦于半径为18μm的圆内，因此，实际能够较为有效的利用的聚焦光斑的直径小于40μm。
[0061]
需要说明的是，该曲线图最上方的曲线为理想能量曲线，激光束a、激光束b及激光束c形成的聚焦光斑的能量曲线均位于理想能量曲线以下，可以看出，各个聚焦光斑的能量曲线均已经接近理想能量曲线，因此可在较小的聚焦范围内集中较多的激光能量，激光的能量较为集中且较为均匀。
[0062]
如图7所示，发明人对不同入射角的激光束的传递函数曲线进行了绘制，该曲线图
的横坐标的含义为“空间分辨率”，该曲线图的纵坐标的含义为“光学传递函数值”，其中，该曲线图最上方的曲线为衍射极限曲线图，可以看出，各个不同入射角的激光束的传递函数曲线均已经接近衍射极限曲线图，因此，本实施例所示的f-theta场镜的光学系统的成像质量较好。
[0063]
图8示意了f-theta场镜的光学系统的场曲示意图，该场曲示意图的横坐标的含义为“实际像面与近轴焦平面的距离”，该场曲示意图的纵坐标的含义为“归一化视场”，可以看出，f-theta场镜的光学系统的场曲小于0.5mm，像散小于0.25mm；其中，t表示子午方向，s表示弧矢方向。
[0064]
图9示意了f-theta场镜的光学系统的畸变示意图，该畸变示意图的横坐标的含义为“相对畸变百分比”，该畸变示意图的纵坐标的含义为“归一化视场”，可以看出，f-theta场镜的光学系统的畸变小于1％。
[0065]
综上，本实施例所示的f-theta场镜的光学系统，在对波长为1064nm的激光进行聚焦时，可以得到直径小、能量分布较集中、能量分布较均匀的聚焦光斑，从而提升了激光加工的精度，能够满足激光精密加工的加工需求。
[0066]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。