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CN109425962A - 一种用于激光加工的F-theta镜头 - Google Patents

一种用于激光加工的F-theta镜头 Download PDF

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CN109425962A
CN109425962A CN201710763481.5A CN201710763481A CN109425962A CN 109425962 A CN109425962 A CN 109425962A CN 201710763481 A CN201710763481 A CN 201710763481A CN 109425962 A CN109425962 A CN 109425962A
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theta
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radius
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孙建超
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种用于激光加工的F‑theta镜头，所述F‑theta镜头包括具有正光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，以及具有正光焦度的第五透镜；通过对所述透镜的镜面曲率进行优化，使所述F‑theta镜头具有大视场、低远心度和小畸变的特点，有效减小激光加工时光斑在水平向的测量误差，以及较好地抑制了扫描视场范围内激光光斑的变形。

Description

一种用于激光加工的F-theta镜头
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种用于激光加工的F-theta镜头。
背景技术
F-theta镜常被用于平场和光束聚焦，将入射的激光束聚焦到一个平面的像场中，该激光束在一个相对于该F-theta物镜的光轴夹角为+/-θ的扫描角度区域扫描，在这个扫描角度区域里，扫描角度与在该像场中激光束入射点到光轴距离的比率遵循一个线性函数。
由于激光束的、与波长相关的折射，当激光束穿过F-theta物镜时，为了获得高的焦点质量，将这些F-theta物镜校准至所用加工激光束的波长，也就是说对这种物镜进行计算使得：对于在预先设定的波长和预先设定的激光束直径、在可允许的温度容差范围内的一个预先设定尺寸的像场来说，这种物镜不具有或者仅具有轻微的光学偏差，这种光学偏差会导致焦点尺寸明显的改变。特别是在激光材料加工的应用中，F-theta物镜具有一个大的像场以及一个大的总焦距。
现有的F-theta物镜存在激光加工时光斑在水平方向的测量误差，而且扫描视场范围内会产生激光光斑的变形，进一步影响了光刻、曝光等工艺的质量，究其原因是现有技术中的F-theta存在镜头视场小、远心度大和畸变大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光加工的F-theta镜头，用于改善现有技术中存在的F-theta镜头视场小、远心度大和畸变大的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于激光加工的F-theta镜头，用于将物方投影到像方上，所述F-theta镜头从所述物方开始沿着光轴到所述像方依次包括：具有正光焦度的第一透镜组，具有负光焦度的第二透镜组，具有正光焦度的第三透镜组，具有正光焦度的第四透镜组，以及具有正光焦度的第五透镜组；
各透镜组的焦距足以下关系：
1.1<f1/f<1.7；
-0.6<f2/f<-0.3；
2.1<f3/f<3.5；
0.9<f4/f<1.6；
1.6<f5/f<2.2；
其中，f1为所述第一透镜组的焦距；f2为所述第二透镜组的焦距；f3为所述第三透镜组的焦距；f4所述为第四透镜组的焦距；f5所述为第五透镜组的焦距；f为所述F-theta镜头的总焦距。
可选的，所述第一透镜组包括具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹凸型透镜；所述第二透镜组包括具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为平凹型透镜；所述第三透镜组包括具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为凹凸型透镜；所述第四透镜组包括具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为凹凸型透镜；所述第五透镜组包括具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凹凸型透镜。
可选的，所述第一透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r1，所述第一透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r2，r1＞r2。
可选的，所述第三透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r5，所述第三透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r6，r5＞r6。
可选的，所述第四透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r7，所述第四透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r8，r7＞r8。
可选的，所述第五透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r9，所述第五透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r10，r9＞r10。
可选的，所述F-theta镜头还包括保护窗片组，所述保护窗片组为平面透镜并设置在所述第五透镜与所述像方之间。
可选的，所述F-theta镜头的光瞳距离所述第一透镜组27mm～43mm。
可选的，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组和所述第五透镜组的透镜采用熔融石英和/或合成树脂制成。
可选的，200mm≤f≤400，f为所述F-theta镜头的总焦距。
可选的，所述F-theta镜头的入射光波长为1070±5nm。
可选的，所述F-theta镜头的入射光角度0～20度。
与现有技术相比，本发明提供的一种用于激光加工的F-theta镜头具有以下有益效果：
1、大视场、低远心度和小畸变；
2、有效减小激光加工时光斑在水平向的测量误差；
3、在扫描视场范围内的激光光斑变形得到较好的抑制；
4、应用在红外的高能激光的相关加工中，可满足200mm直径二维扫描视场的需求。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的F-theta镜头的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的F-theta镜头的场曲曲线和畸变曲线图；
图3为本发明第一实施例提供的F-theta镜头视场衍射光斑图；
图4为本发明第二实施例提供的F-theta镜头的结构示意图；
图5为本发明第二实施例提供的F-theta镜头的场曲曲线和畸变曲线图；
图6为本发明第二实施例提供的F-theta镜头视场衍射光斑图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
为了解决现有技术中存在的F-theta镜头出现的光斑出现水平方向的偏移和在扫描视场范围内的光斑变形，本发明提供了一种用于激光加工的F-theta镜头。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的F-theta镜头的结构示意图，所述F-theta镜头包括：第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和保护窗片6；其中第一透镜1具有正光焦度；第二透镜2具有负光焦度；第三透镜3具有正光焦度；第四透镜4具有正光焦度；第五透镜5具有正光焦度；保护窗片6用于避免所述透镜组内部光学元件受到外界粉尘和杂质的影响，因此保护窗片6为平面透镜，不具备正光焦度或者负光焦度。
优选地，各个所述镜片的焦距与所述F-theta镜头的总焦距满足如下关系：
f1/f＝1.55；
f2/f＝-0.45；
f3/f＝3.21；
f4/f＝1.1446；
f5/f＝1.86；
f＝300；
其中，f1、f2、f3、f4和f5分别为第一透镜1至第五透镜5的焦距；所述F-theta镜头的光瞳在距第一透镜27mm至43mm范围内表现良好，优选的，本实施光瞳设置距离所述第一透镜35.5mm处，所述F-theta镜头的入射光束的设计入射角度为0至20度。
请参阅表1，表1为本发明第一实施例提供的F-theta各个镜片的参数，其中表中的“a”代表所述镜片中靠近所述物方一侧的镜面，“b”代表所述镜片中靠近所述像方一侧的镜面，1a镜面代表第一透镜1靠近物方一侧的镜面，1b镜面代表第一透镜1靠近像方一侧的镜面，依此类推。1a镜面的曲率半径为r1，1b镜面的曲率半径为r2，2a镜面的曲率半径为r3，2b镜面的曲率半径为r4，3a镜面的曲率半径为r5，3b镜面的曲率半径为r6，4a镜面的曲率半径为r7，4b镜面的曲率半径为r8，5a镜面的曲率半径为r9，5b镜面的曲率半径为r10，6a镜面的曲率半径为r11，6b镜面的曲率半径为r12，d1、d3、d7、d9和d11分别表示所述透镜之间的间隔，d2、d4、d6、d8和d10分别表示各透镜之间的空气间隔，表中曲率半径和厚度的单位为mm。
表1为本发明第一实施例提供的F-theta各个镜片的参数
由上表可知，在第一镜片1中1a镜面的曲率半径大于1b镜面的曲率半径，第二镜片2b镜面为平面镜，在第三镜面中3a镜面的曲率半径大于3b镜面的曲率半径，在第四镜面中的4a镜面的曲率半径大于4b镜面的曲率半径，在第五镜面中的5a镜面的半径大于5b镜面的曲率半径。
优选地，所述镜片采用熔融石英，熔融石英具有较好的折射率，十分适用于激光加工领域的透镜制作。
请参阅图2，图2为本发明第一实施例提供的F-theta镜头的场曲曲线和畸变曲线图，由图可以看出：入射光口径在15mm时，子午面场曲曲线T和弧矢面场曲曲线S均小于110um，大约在100um左右，畸变小于0.1％。
请参阅图3，图3为本发明第一实施例提供的F-theta镜头视场衍射光斑图，其中图中的圆环为衍射极限，由图可知：离散相点未超出所述衍射极限，进而说明本实施例提供的F-theta镜头出现的光斑出现水平方向的偏移较小，而且在扫描视场范围内的光斑变形较小。镜头边缘视场出射光线与中心视场出射光线夹角小于4度。
实施例二
请参阅图4，图4为本发明第二实施例提供的F-theta镜头的结构示意图，所述F-theta镜头包括：第一透镜1，第二透镜2，第三透镜3，第四透镜4，第五透镜5和保护窗片6；其中第一透镜1具有正光焦度；第二透镜2具有负光焦度；第三透镜3具有正光焦度；第四透镜4具有正光焦度；第五透镜5具有正光焦度；保护窗片6用于避免所述透镜组内部光学元件受到外界粉尘和杂光的影响，因此保护窗片6为平面透镜，不具备正光焦度或者负光焦度。
优选地，各个所述镜片的焦距与所述F-theta镜头的总焦距满足如下关系：
f1/f＝1.26
f2/f＝-0.435
f3/f＝2.25
f4/f＝1.41
f5/f＝2
f＝300
其中，f1、f2、f3、f4和f5分别为第一透镜1至第五透镜5的焦距；
请参阅表2，表2为本发明第二实施例提供的F-theta各个镜片的参数，其中表中的“a”代表所述镜片中靠近所述物方一侧的镜面，“b”代表所述镜片中靠近所述像方一侧的镜面，1a镜面的曲率半径为r1，1b镜面的曲率半径为r2，2a镜面的曲率半径为r3，2b镜面的曲率半径为r4，3a镜面的曲率半径为r5，3b镜面的曲率半径为r6，4a镜面的曲率半径为r7，4b镜面的曲率半径为r8，5a镜面的曲率半径为r9，5b镜面的曲率半径为r10，6a镜面的曲率半径为r11，6b镜面的曲率半径为r12，d1、d3、d7、d9和d11分别表示所述透镜之间的间隔，d2、d4、d6、d8和d10分别表示各透镜之间的空间间隔，表中曲率半径和厚度的单位为mm。
表2为本发明第二实施例提供的F-theta各个镜片的参数
由上表可知，在第一镜片1中1a镜面的曲率半径大于1b镜面的曲率半径，第二镜片2b镜面为平面镜，在第三镜面中3a镜面的曲率半径大于3b镜面的曲率半径，在第四镜面中的4a镜面的曲率半径大于4b镜面的曲率半径，在第五镜面中的5a镜面的半径大于5b镜面的曲率半径。
优选地，所述镜片采用熔融石英，熔融石英具有较好的折射率，十分适用于激光加工领域的透镜制作。
请参阅图5，图5为本发明第二实施例提供的F-theta镜头的场曲曲线和畸变曲线图，由图可以看出：入射光口径在15mm时，子午面场曲曲线T和弧矢面场曲曲线S均小于110um，大约在100um左右，畸变小于0.5％。
请参阅图6，图6为本发明第二实施例提供的F-theta镜头视场衍射光斑图，其中图中的圆环为衍射极限，由图可知：离散相点未超出所述衍射极限，进而说明本实施例提供的F-theta镜头出现的光斑出现水平方向的偏移较小，而且在扫描视场范围内的光斑变形较小。镜头边缘视场出射光线与中心视场出射光线夹角小于2.6°。
综上，在本发明实施例提供的一种用于激光加工的F-theta镜头中，所述F-theta镜头包括具有正光焦度的第一透镜，具有负光焦度的第二透镜，具有正光焦度的第三透镜，具有正光焦度的第四透镜，以及具有正光焦度的第五透镜；通过对所述透镜的镜面曲率进行优化，使所述F-theta镜头具有大视场、低远心度和小畸变的特点，有效减小激光加工时光斑在水平向的测量误差，以及较好地抑制了扫描视场范围内激光光斑的变形。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种用于激光加工的F-theta镜头，用于将物方投影到像方上，其特征在于，所述F-theta镜头从所述物方开始沿着光轴到所述像方依次包括：具有正光焦度的第一透镜组，具有负光焦度的第二透镜组，具有正光焦度的第三透镜组，具有正光焦度的第四透镜组，以及具有正光焦度的第五透镜组；
各透镜组的焦距满足以下关系：
1.1<f1/f<1.7；
-0.6<f2/f<-0.3；
2.1<f3/f<3.5；
0.9<f4/f<1.6；
1.6<f5/f<2.2；
其中，f1为所述第一透镜组的焦距；f2为所述第二透镜组的焦距；f3为所述第三透镜组的焦距；f4为所述第四透镜组的焦距；f5为所述第五透镜组的焦距；f为所述F-theta镜头的总焦距。
2.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第一透镜组包括具有正光焦度的第一透镜，所述第一透镜为凹凸型透镜；所述第二透镜组包括具有负光焦度的第二透镜，所述第二透镜为平凹型透镜；所述第三透镜组包括具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜为凹凸型透镜；所述第四透镜组包括具有正光焦度的第四透镜，所述第四透镜为凹凸型透镜；所述第五透镜组包括具有正光焦度的第五透镜，所述第五透镜为凹凸型透镜。
3.如权利要求2所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第一透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r1，所述第一透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r2，r1＞r2。
4.如权利要求2所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第三透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r5，所述第三透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r6，r5＞r6。
5.如权利要求2所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第四透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r7，所述第四透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r8，r7＞r8。
6.如权利要求2所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第五透镜靠近所述物方一侧镜面的曲率半径为r9，所述第五透镜靠近所述像方一侧镜面的曲率半径为r10，r9＞r10。
7.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述F-theta镜头还包括保护窗片组，所述保护窗片组为平面透镜并设置在所述第五透镜组与所述像方之间。
8.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述F-theta镜头的光瞳距离所述第一透镜组27mm～43mm。
9.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述第一透镜组、所述第二透镜组、所述第三透镜组、所述第四透镜组和所述第五透镜组的透镜采用熔融石英和/或合成树脂制成。
10.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，200mm≤f≤400，f为所述F-theta镜头的总焦距。
11.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述F-theta镜头的入射光波长为1070±5nm。
12.如权利要求1所述的一种用于激光加工的F-theta镜头，其特征在于，所述F-theta镜头的入射光角度0～20度。
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