專利名稱：一種光學整形系統的制作方法
一種光學整形系統
技術領域：
本發明涉及一種紫外激光應用的光學整形系統。背景技術：
隨著激光加工的不斷發展，需要加工的介質品種日益增加，要求加工出來的效果 也越來越精細，尤其是一些特殊材料。所以應用UV紫外激光來進行激光加工就越來越廣 泛。由于其聚焦光斑極小，且加工熱影響區微乎其微等，因此用紫外激光加工主要是用 于超精細打標、特殊材料打標及刻劃等。如在食品、醫藥包裝材料上打標、打微孔(孔徑 d^ IOym)；在柔性PCB板上打標，劃片；對金屬或非金屬鍍層去除；在硅晶圓片上進行微 孔、盲孔加工等。除了常用的激光波長λ = 1064nm, λ = 532nm外，目前正在興起的一種新的紫 外激光λ = 355nm，它除了可適應某些特殊介質的放大吸收外，還因這種短波的激光比起 1064nm、532nm波長的有更小的彌散圓和更高的分辨率，如下式所示瑞利斑直徑δ = 2. 44 λ f/D由上式可以看出，當光學系統的參數f/D相同時，用λ = 355nm波長的瑞利斑直 徑比用1064nm、532nm波長的激光更小至1/3-1/1.5。這樣，工件加工的效果會更精細、清 晰，效率更高。

發明內容本發明目的在于提供一種紫外激光應用的光學整形系統，通過利用紫外激光進行 加工時，將高斯分布的光場變換為均勻分布的“高帽型”光場，使得加工出來的線條中心和 邊緣的能量分布更均勻。本發明實施例是這樣實現的，一種光學整形系統，包括激光整形加工系統和激 光成像監控系統，所述激光加工整形系統包括整形擴束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴束鏡 包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型透 鏡，所述第二透鏡為彎月型頭獎，其曲面背向著光線入射方向彎曲，所述第三透鏡為彎月型 透鏡，其曲面向著光線入射方向彎曲，所述整形擴束鏡的擴束倍數為8X ；所述整形聚焦鏡 包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述第四透鏡為雙凸型透 鏡，所述第五透鏡為彎月型透鏡，其曲面背向著光線入射方向彎曲，第六透鏡為雙凹型透 鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm;所述激光成像監控系統包括CCD系統，其監控范圍為 0. 8*0. 8mm2 ο其中，第一透鏡分別由曲率半徑為Rl = -26mm,R2 = 6mm的兩個曲面S1、S2構成； 第二透鏡分別由曲率半徑為R3 = 20mm、R4 == 21mm的兩個曲面S3、S4構成；第三透鏡分 別由曲率半徑為R5 = -62mm、R6 = -17mm的兩個曲面S5、S6構成，所述曲率半徑的公差范 圍為5%。其中，第一透鏡在光軸上的中心厚度dl = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第二透鏡在光軸上的中心厚度d3 = 1. 5mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第三透鏡在軸上的 中心厚度d5 = 2mm，材料為為Ndl Vdl = 1. 46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公
差范圍為5%。其中，第一透鏡與第二透鏡在光軸上的間距為d2 = 21mm，第二透鏡與第三透鏡在 光軸上的間距為d4 = 0. 8mm，所述間距的公差范圍為5%。其中，第四透鏡分別由曲率半徑為R7 = 17mm、R8 = -27mm的兩個曲面S7、S8構 成；第五透鏡分別由曲率半徑為R9 = 14mm、RlO = 30mm的兩個曲面S9、SlO構成；第六透 鏡分別由曲率半徑為Rll = -27mm、Rl2 = 36mm的兩個曲面Sll、S12構成，所述曲率半徑的 公差范圍為5%其中，第四透鏡在光軸上的中心厚度d7 = 2. 8_，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ； 第五透鏡在光軸上的中心厚度d9 = 2mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第六透鏡在光軸上 的中心厚度dll = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的 公差范圍為5%。其中，第四透鏡與第五透鏡在光軸上的間距為d8 = 0. 2mm，第五透鏡L5與第六透 鏡L6在光軸上的間距為dlO = 1.4mm，所述間距的公差范圍為5%。利用這種原理設計出來的光學系統加工出來的線條就會如圖4所示，是一整齊的 線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學系統一將“高斯”分 布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統。


下面參照附圖結合實例對本發明作進一步的描述
圖1為紫外激光的激光束的“高斯”規律分布圖2為紫外激光的光學系統的加工效果圖3為紫外激光的激光束的“高帽型”分布圖4為紫外激光的加工線條的加工效果圖5本發明整套光學系統的結構示意圖6整形擴束鏡的結構示意圖7整形聚焦鏡的結構示意圖8本發明其中的整形加工光學系統的結構示意圖9本發明其中的整形加工光學系統的彌散斑圖10發明其中的整形加工光學系統的光學傳遞函數MTF圖
圖11發明其中的成像監控系統的結構示意圖12發明其中的成像監控系統的彌散斑圖13發明其中的成像監控系統的光學傳遞函數MTF圖。
具體實施方式

本發明公開的是一種紫外激光光場分布整形光學系統，其主要作用在于“整形”， 由于所有激光束其光能的分布均是按“高斯”規律來分布的，如圖1所示。按照此原理設計 出來的高分辨率的光學系統其加工效果都會如圖2所示可以看出，加工出來的線條的能量分布也如高斯分布一樣中心有最高的能量，而線條的邊緣逐漸暗淡下去。對于像我們上 述的超精細激光加工工藝來說，這樣的能量分布和加工效果并不理想，最好能得到能量的 分布是均勻的，加工出來的線條的中心與邊緣都有相同的能量。為此我們考慮到通常所說 的將“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的形式，如圖3所示。另外，為了在工作過程中對被加工的工件進行精確定位和時時觀察工作情況，我 們還設計了激光成像監控系統，與激光加工系統配合使用。經過幾年的使用考證，質量一直 保持很好，可以保證各種精細打標的需要。在本發明中，整形加工光學系統是本發明的核心所在，下面我們對整形光學系統 中的整形擴束鏡和整形聚焦鏡頭做具體介紹.圖5是發明整套光學系統的結構示意圖，本整形光學系統主要包含兩大部分激 光整形加工系統和激光成像監控系統，所述激光整形加工系統由焦距為25mm的整形聚焦 鏡A和擴束倍數為8X的整形擴束鏡B組成；所述激光成像監控系統由整形聚焦鏡A、(XD系 統C及其連接系統、及光源D組成。所述整形擴束鏡A如圖6所示，本發明中的整形擴束鏡A共有三個透鏡構成，所述 三個透鏡根據光線的入射光線方向依次排序為第一透鏡Li、第二透鏡L2、第三透鏡L3，所 述第一透鏡Ll為雙凹型透鏡；所述第二透鏡L2為彎月型透鏡，且曲面背向著光線入射方向 彎曲；所述第三透鏡L3為彎月型透鏡，且曲面向著光線入射方向彎曲。所述整形擴束鏡A的具體結構及參數為第一透鏡Ll分別由曲率半徑為R1、R2的 兩個曲面S1、S2構成，其光軸上的中心厚度dl，材料為Ndl Vdl ；第二透鏡L2分別由曲率 半徑為R3、R4的兩個曲面S3、S4構成，其光軸上的中心厚度d3，材料也為Ndl Vdl ；第三 透鏡L3分別由曲率半徑為R5、R6的兩個曲面S5、S6構成，其光軸上的中心厚度d5，材料為 也為Ndl Vdl ；第一透鏡Ll與第二透鏡L2在光軸上的間距為d2，第二透鏡L2與第三透 鏡L3在光軸上的間距為d4。結合以上的參數，我們設計了一個擴束鏡，其具體數據分別如下所示實例β = 8Xλ = 355nm其中β為擴束倍數，λ為波長。 本發明的擴束鏡的參數范圍如下1)R1-R6AR1-6 彡士5% (R1-R6)2)dl-d5Δ dl_5 彡士5% (dl_d5)3)Ndl/Vdl ANdl/AVdl ^ ±5% (Ndl/Vdl)所述整形聚焦鏡頭B如圖7所示，本發明中的整形聚焦鏡主要有三個透鏡構成，所 述透鏡根據光線的入射光線方向依次排序為第四透鏡L4、第五透鏡L5、第六透鏡L6，所述 第四透鏡L4為雙凸型透鏡；所述第五透鏡L5為彎月型透鏡，且曲面背向著光線入射方向彎 曲；所述第六透鏡L6為雙凹型透鏡；以上透鏡組構成實際系統時，有時為了保護裸露在外 的透鏡或為了其它任何目的而在透鏡組出光方向上任何位置增加平行平板構成的光學窗。 本專利涵蓋增加在以上參數條件下增加光學窗口。所述整形聚焦鏡的具體結構及參數為第四透鏡L4分別由曲率半徑為R7、R8的兩 個曲面S7、S8構成，其光軸上的中心厚度d7，材料為Ndl Vdl ；第五透鏡L5分別由曲率半 徑為R9、R10的兩個曲面S9、S10構成，其光軸上的中心厚度d9，材料也為Ndl Vdl ；第六 透鏡L6分別由曲率半徑為Rll、R12的兩個曲面Sll、S12構成，其光軸上的中心厚度dll， 材料為也為Ndl Vdl;第四透鏡L4與第五透鏡L5在光軸上的間距為d8，第五透鏡L5與 第六透鏡L6在光軸上的間距為dlO，透鏡L6到成像面L7在光軸上的間距為dl2。結合以上的參數，我們設計了一個鏡頭，其具體數據分別如下所示實例f = 25mm D = IOmm λ = 355nm其中f為鏡頭的焦距，D為入瞳直徑，λ為波長。 所述整形聚焦鏡的參數范圍如下1)R7-R12 Δ R7-12 彡士5% (R7-R12)2)d7-dll Δ d7_ll 彡士5% (d7_dll)3)Ndl/Vdl ANdl/AVdl ^ ±5% (Ndl/Vdl)圖8為本發明的整形加工光學系統的結構示意圖；圖11發明其中的成像監控系統 的結構示意圖。本發明整套光學系統最后的成像質量如附圖所示
6
圖9是整形后的光束分布的彌散斑，可以看出其邊沿是非常清晰的。由設計結果 可知，其光束邊沿的能量已經高于光束中心的能量，這完全達到了我們要整形的效果。當刻 線只有4μπι時，線條的邊沿是清晰整齊的。另外，成像監控系統的效果也非常清晰，對比度 很高，可以對要加工的工件位置進行精確定位，并可以時時觀察工作情況該鏡頭整體結構非常緊湊，使平象場要求得到滿足，所有像差的校正都幾乎達到 了理想分辨率。而且當光學參數與λ = 532nm相同的情況下，該UV鏡頭的結構和大小基 本與之一致，且最后成像結果也基本相同，均能達到理想的使用效果。圖10為本發明擴束 系統較佳實施例中的光學傳遞函數MTF圖，表明該擴束系統的分辨率極高，已經達到理想 狀態。圖11發明其中的成像監控系統的結構示意圖，圖12發明其中的成像監控系統的 彌散斑圖，圖13發明其中的成像監控系統的光學傳遞函數MTF圖，所述激光成像監控系統 包括CXD系統C，其監控范圍為0. 8*0. 8mm2。利用這種原理設計出來的光學系統加工出來的線條就會如圖4所示，是一整齊的 線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學系統一將“高斯”分 布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統。
權利要求
一種光學整形系統，其特征在于，包括激光整形加工系統和激光成像監控系統，所述激光加工整形系統包括整形擴束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴束鏡包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述第一透鏡為雙凹型透鏡，所述第二透鏡為彎月型頭獎，其曲面背向著光線入射方向彎曲，所述第三透鏡為彎月型透鏡，其曲面向著光線入射方向彎曲，所述整形擴束鏡的擴束倍數為8X；所述整形聚焦鏡包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述第四透鏡為雙凸型透鏡，所述第五透鏡為彎月型透鏡，其曲面背向著光線入射方向彎曲，第六透鏡為雙凹型透鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm；所述激光成像監控系統包括CCD系統，其監控范圍為0.8*0.8mm2。
2.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第一透鏡分別由曲率半徑為Rl =-26mm、R2 = 6mm的兩個曲面S1、S2構成；第二透鏡分別由曲率半徑為R3 = 20mm、R4 = =21mm的兩個曲面S3、S4構成；第三透鏡分別由曲率半徑為R5 = -62mm、R6 = -17mm的 兩個曲面S5、S6構成，所述曲率半徑的公差范圍為5%。
3.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第一透鏡在光軸上的中心厚度 dl = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第二透鏡在光軸上的中心厚度d3 = 1. 5mm，材料 為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第三透鏡在軸上的中心厚度d5 = 2mm，材料為為Ndl Vdl = 1.46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公差范圍為5%。
4.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第一透鏡與第二透鏡在光軸上的 間距為d2 = 21mm，第二透鏡與第三透鏡在光軸上的間距為d4 = 0. 8mm，所述間距的公差范 圍為5%。
5.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第四透鏡分別由曲率半徑為R7= 17mm、R8 = -27mm的兩個曲面S7、S8構成；第五透鏡分別由曲率半徑為R9 = 14mm、RlO = 30mm的兩個曲面S9、S10構成；第六透鏡分別由曲率半徑為Rll = -27mm、R12 = 36mm的兩 個曲面S11、S12構成，所述曲率半徑的公差范圍為5%。
6.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第四透鏡在光軸上的中心厚度 d7 = 2. 8mm，材料為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第五透鏡在光軸上的中心厚度d9 = 2mm，材料 為Ndl Vdl = 1. 46/68 ；第六透鏡在光軸上的中心厚度dll = 1mm，材料為Ndl Vdl = 1.46/68，所述中心厚度與材料Ndl Vdl的公差范圍為5%。
7.如權利要求1所述的光學整形系統，其特征在于第四透鏡與第五透鏡在光軸上的 間距為d8 = 0. 2mm，第五透鏡L5與第六透鏡L6在光軸上的間距為dlO = 1. 4mm，所述間距 的公差范圍為5%。
全文摘要
一種光學整形系統，包括激光整形加工系統和激光成像監控系統，所述激光加工整形系統包括整形擴束鏡和整形聚焦鏡，所述整形擴束鏡包括由光線的入射光線方向依次排列的第一、第二、第三透鏡，所述整形擴束鏡的擴束倍數為8X；所述整形聚焦鏡包括由光線的入射光線方向依次排序的第四、第五、第六透鏡，所述整形聚焦鏡的焦距為25mm；所述激光成像監控系統包括CCD系統，其監控范圍為0.8*0.8mm2。利用這種原理設計出來的光學系統加工出來的線條就會如圖4所示，是一整齊的線條，而且線條的中心與邊緣都有相同的能量。具有這種功能的光學系統—將“高斯”分布的光束整形成“高帽型”分布的光束稱為光束整形系統。
文檔編號G02B27/09GK101881889SQ20101020240
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者周朝明, 李家英, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司