CN102310264B - 紫外激光应用光学*** - Google Patents
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Abstract
本发明适用于激光加工领域,提供了一种紫外激光应用光学***,所述紫外激光应用光学***由激光加工子***和与所述激光加工子***同轴的监控子***构成,所述激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的双凹型透镜和弯月型透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的弯月型透镜、双凸型透镜、弯月型透镜和弯月型透镜构成的聚焦镜,所述扩束镜与聚焦镜之间设有第一双色镜,波长为355nm的紫外激光先后经所述扩束镜和聚焦镜聚焦于工件时,所述扩束镜的扩束倍数为六倍,所述聚焦镜的焦距为20mm。本发明通过监控子***对工件的加工情况进行实时监控,以提高加工精度,实现超精细加工,尤可应用于LCD修复。
Description
技术领域
本发明属于激光加工领域,尤其涉及一种紫外激光应用光学***。
背景技术
随着激光加工的不断发展,需要加工的介质品种日益增加,要求加工出来的效果也越来越精细。尤其是一些特殊材料,它们对激光的波长都有特殊的要求。波长为1064nm或532nm的激光已不适用于某些材料的加工;还有些材料即使能用波长为1064nm或532nm的激光进行加工,但加工效果不够精细、清晰。
目前正在兴起的一种波长为355nm的紫外激光,该紫外激光可适应某些特殊介质(材料)的放大吸收。跟波长为1064nm或532nm的激光相比,波长为355nm的紫外激光有更小的弥散圆和更高的分辨率,聚焦光斑极小,加工热影响区微乎其微。因此,紫外激光可以做到精细加工,工件加工的效果更精细、清晰,效率更高。然而,现有紫外激光应用光学***加工精度低。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种紫外激光应用光学***,旨在解决现有紫外激光应用光学***加工精度低的问题。
本发明实施例是这样实现的,一种紫外激光应用光学***,包括:激光加工子***和与所述激光加工子***同轴的监控子***;
所述激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜构成的聚焦镜,所述扩束镜与聚焦镜之间设有第一双色镜;
所述第一透镜为双凹型透镜,所述第二透镜和第三透镜均为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,所述第四透镜为双凸型透镜,所述第五透镜和第六透镜均为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜;
波长为355nm的紫外激光先后经所述扩束镜和聚焦镜聚焦于工件时,所述扩束镜的扩束倍数为六倍,所述聚焦镜的焦距为20mm。
本发明实施例提供的紫外激光应用光学***由激光加工子***和与激光加工子***同轴的监控子***构成,其中激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的双凹型透镜和弯月型透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的弯月型透镜、双凸型透镜、弯月型透镜和弯月型透镜构成的聚焦镜,监控子***对工件的加工情况进行实时监控,以提高加工精度,实现超精细加工,尤可应用于LCD修复。
附图说明
图1是本发明实施例提供的紫外激光应用光学***的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的激光加工子***的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的激光加工子***的弥散斑图;
图4是本发明实施例提供的激光加工子***的能量集中度图;
图5是本发明实施例提供的激光加工子***的光学传递函数MTF图;
图6是本发明实施例提供的监控子***的结构示意图;
图7是本发明实施例提供的监控子***的弥散斑图;
图8是本发明实施例提供的监控子***的能量集中度图;
图9是本发明实施例提供的监控子***的光学传递函数MTF图。
具体实施方式
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仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的紫外激光应用光学***由激光加工子***和与激光加工子***同轴的监控子***构成,其中激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的双凹型透镜和弯月型透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的弯月型透镜、双凸型透镜、弯月型透镜和弯月型透镜构成的聚焦镜,监控子***对工件的加工情况进行实时监控,以提高加工精度。
本发明实施例提供的紫外激光应用光学***包括激光加工子***和与所述激光加工子***同轴的监控子***;所述激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜构成的聚焦镜,所述扩束镜与聚焦镜之间设有第一双色镜;所述第一透镜为双凹型透镜,所述第二透镜和第三透镜均为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,所述第四透镜为双凸型透镜,所述第五透镜和第六透镜均为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜;波长为355nm的紫外激光先后经所述扩束镜和聚焦镜聚焦于工件时,所述扩束镜的扩束倍数为六倍,所述聚焦镜的焦距为20mm。
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。
图1示出了本实施例提供的紫外激光应用光学***的结构,为了便于说明,仅示出了与本实施例相关的部分。
如图1所示,本发明实施例提供的紫外激光应用光学***包括激光加工子***和监控子***,监控子***与激光加工子***同轴。激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的第一透镜11和第二透镜12构成的扩束镜1以及一由沿光线入射方向依次设置的第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25和第六透镜26构成的聚焦镜2,扩束镜1与聚焦镜2之间设有第一双色镜3。
请参见下表,下表为激光加工子***中各透镜的光学参数,其中所有参数值的公差均不超过各自期望值的5%。
曲面S | 曲率半径R(mm) | 面间隔d(mm) | 材料Nd/Vd |
1 | -19 | 1 | 1.46/68 |
2 | 4.2 | 11 | |
3 | -60 | 1.6 | 1.46/68 |
4 | -9.6 | ||
5 | -16 | 1.5 | 1.46/68 |
6 | -22 | 0.1 | |
7 | 56.5 | 1.5 | 1.46/68 |
8 | -48 | 0.1 | |
9 | 22 | 1.5 | 1.46/68 |
10 | 205 | 0.1 | |
11 | 14 | 1.5 | 1.46/68 |
12 | 30 |
以下对由第一透镜和第二透镜构成的扩束镜进行详细描述。
如图2所示,第一透镜11为具有第一曲面S1和第二曲面S2的双凹型透镜,第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为-19mm,第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为4.2mm,第一曲面S1与第二曲面S2的面间隔即第一透镜11在光轴上的中心厚度d1的期望值为1mm。第一透镜11的材料Nd1:Vd1的期望值为1.46/68(Nd1表示第一透镜11的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd1表示第一透镜11的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R1、曲率半径R2、中心厚度d1以及材料Nd1:Vd1的公差均不超过各自期望值的5%。第一透镜11的材料Nd1:Vd1折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第二透镜12为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,其具有第三曲面S3和第四曲面S4。第三曲面S3的曲率半径R3的期望值为-60mm,第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-9.6mm,第三曲面S3与第四曲面S4的面间隔即第二透镜12在光轴上的中心厚度d3的期望值为1.6mm。第二透镜12的材料Nd2:Vd2的期望值为1.46/68(Nd2表示第二透镜12的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd2表示第二透镜12的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R3、曲率半径R4、中心厚度d3以及材料Nd2:Vd2的公差均不超过各自期望值的5%。第二透镜12的材料Nd2:Vd2折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第二曲面S2与第三曲面S3的面间隔d2的期望值为11mm,面间隔d2的公差不超过其期望值的5%。
本发明实施例中,入射激光的波长为355nm即为紫外激光时,上述各参数均取期望值所制成扩束镜1的扩束倍数为六倍,其允许的最大入射光直径为1.5mm。
应当理解,上述第一透镜11和第二透镜12构成扩束镜1时,为了保护裸露在外的透镜或为了其它任何目的可在透镜组出光方向上任何位置增加由平板透镜构成的光学窗口。
以下对由第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜构成的聚焦镜进行详细描述。
第三透镜23为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,其具有第五曲面S5和第六曲面S6。第五曲面S5的曲率半径R5的期望值为-16mm,第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为-22mm,第五曲面S5与第六曲面S6的面间隔即第三透镜23在光轴上的中心厚度d5的期望值为1.5mm。第三透镜23的材料Nd3:Vd3的期望值为1.46/68(Nd3表示第三透镜23的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd3表示第三透镜23的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R5、曲率半径R6、中心厚度d5以及材料Nd3:Vd3的公差均不超过各自期望值的5%。第三透镜23的材料Nd3:Vd3折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第四透镜24为具有第七曲面S7和第八曲面S8的双凸型透镜,第七曲面S7的曲率半径R7的期望值为56.5mm,第八曲面S8的曲率半径R8的期望值为-48mm,第七曲面S7与第八曲面S8的面间隔即第四透镜24在光轴上的中心厚度d7的期望值为1.5mm。第四透镜24的材料Nd4:Vd4的期望值为1.46/68(Nd4表示第四透镜24的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd4表示第四透镜24的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R7、曲率半径R8、中心厚度d7以及材料Nd4:Vd4的公差均不超过各自期望值的5%。第四透镜24的材料Nd4:Vd4折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第五透镜25为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,其具有第九曲面S9和第十曲面S10。第九曲面S9的曲率半径R9的期望值为22mm,第十曲面S10的曲率半径R10的期望值为205mm,第九曲面S9与第十曲面S10的面间隔即第五透镜25在光轴上的中心厚度d9的期望值为1.5mm。第五透镜25的材料Nd5:Vd5的期望值为1.46/68(Nd5表示第五透镜25的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd5表示第五透镜25的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R9、曲率半径R10、中心厚度d9以及材料Nd5:Vd5的公差均不超过各自期望值的5%。第五透镜25的材料Nd5:Vd5折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第六透镜26为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,其具有第十一曲面S11和第十二曲面S12。第十一曲面S11的曲率半径R11的期望值为14mm,第十二曲面S12的曲率半径R12的期望值为30mm,第十一曲面S11与第十二曲面S12的面间隔即第六透镜26在光轴上的中心厚度d11的期望值为1.5mm。第六透镜26的材料Nd6:Vd6的期望值为1.46/68(Nd6表示第六透镜26的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd6表示第六透镜26的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数),其中曲率半径R11、曲率半径R12、中心厚度d11以及材料Nd6:Vd6的公差均不超过各自期望值的5%。第六透镜26的材料Nd6:Vd6折射率高,对紫外激光透射率亦高。
第六曲面S6与第七曲面S7的面间隔d6的期望值为0.1mm,第八曲面S8与第九曲面S9的面间隔d8的期望值为0.1mm,第十曲面S10与第十一曲面S11的面间隔d10的期望值为0.1mm,面间隔d6、d8、d10的公差均不超过各自期望值的5%。由此可知,本聚焦镜整体结构非常紧凑,是一种超小型聚焦镜头,解决现有镜头占有空间过大的问题。
本发明实施例中,入射激光的波长为355nm即为紫外激光时,上述各参数均取期望值所制成聚焦镜2的焦距f为20mm,入瞳直径D为10mm。
应当理解,上述第三透镜23、第四透镜24、第五透镜25和第六透镜26构成聚焦镜2时,为了保护裸露在外的透镜或为了其它任何目的可在透镜组出光方向上任何位置增加由平板透镜构成的光学窗口。
上述聚焦镜2为激光加工子***和监控子***所共用并由此形成同轴***。
作为本发明的一个实施例,监控子***包括监控光源4、用于将监控光源4发出的监控光反射至第一双色镜3并使该监控光与紫外激光同轴的第二双色镜5以及用于接收返回的监控光且与紫外激光同轴的成像监控装置6,如图1和图6所示。
上述监控光源4为绿光LED,其可发出532nm的绿光。第二双色镜5为对532nm的绿光半反半透的双色镜。成像监控装置6由CCD及与CCD电连接的监控屏构成。其中第一双色镜3对532nm的绿光高透,对355nm的紫外激光高反。本发明实施例采用绿光LED作为监控光源,其发出的监控光与紫外激光同轴,可进一步提高紫外激光对工件的加工精度。
在本发明实施例中,监控光源4与第二双色镜5之间设有第一滤光片7,以便将LED发出的非532nm的绿光滤除,不影响监控光聚焦于工件。第二双色镜5与成像监控装置6之间设有第二滤光片8,第二滤光片8将返回的杂散光(如紫外激光、自然光等)滤除,消除杂散光对CCD成像的影响。
如图3、4所示,紫外激光先后经上述扩束镜1扩束和聚焦镜2聚焦光斑极小,能量集中,由该扩束镜1和聚焦镜2构成的激光加工子***刻划出的线宽可达4μm,所刻划出的图案清晰、准确。无论轴上还是轴外像差都校正得非常理想,所有像差的校正达到了理想分辨率,很好地解决了平像面和畸变等问题。
图5为本激光加工子***综合成像质量评价的MTF图,各视场的MTF值较一致,说明在全视场上成像均匀。
如图7、8所示,监控光源发出的光经上述聚焦镜2聚焦光斑亦小,于监控屏上成像清晰。当采用1/3″CCD时,可监控的工作范围是0.5*0.5mm2。本监控子***对准精度非常之高,精度在μm级之内,分辨率已超过了CCD所要求。从而实时监控激光加工子***对工件的加工情况,极大地提升了紫外激光加工的精度。
图9为本监控子***综合成像质量评价的MTF图,各视场的MTF值较一致,说明在全视场上成像均匀。
紫外激光经本应用光学***对工件进行加工,无论切割还是划线,均可实现超精细加工。本紫外激光应用光学***将广泛应用于超精细打标、切割、特殊材料打标及刻划等。譬如,在食品、医药包装材料上打标、打微孔(孔径d≤10μm);在柔性PCB板上打标,划片;去除金属或非金属镀层;在硅晶圆片上进行微孔、盲孔加工等;尤其可应用于LCD修复。
本发明实施例提供的紫外激光应用光学***由激光加工子***和与激光加工子***同轴的监控子***构成,其中激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的双凹型透镜和弯月型透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的弯月型透镜、双凸型透镜、弯月型透镜和弯月型透镜构成的聚焦镜,监控子***对工件的加工情况进行实时监控,以提高加工精度,实现超精细加工,尤可应用于LCD修复。同时,采用绿光LED作为监控光源,其发出的监控光与紫外激光同轴,可进一步提高加工精度。此外,聚焦镜中各透镜的面间隔小,整体结构非常紧凑,解决现有镜头占有空间过大的问题。
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。
Claims (6)
1.一种紫外激光应用光学***,包括:激光加工子***和与所述激光加工子***同轴的监控子***,其特征在于,
所述激光加工子***具有一由沿光线入射方向依次设置的第一透镜和第二透镜构成的扩束镜以及一由沿光线入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜构成的聚焦镜,所述扩束镜与聚焦镜之间设有第一双色镜;
所述第一透镜为双凹型透镜,所述第二透镜和第三透镜均为曲面向着光线入射方向弯曲的弯月型透镜,所述第四透镜为双凸型透镜,所述第五透镜和第六透镜均为曲面背着光线入射方向弯曲的弯月型透镜;
波长为355nm的紫外激光先后经所述扩束镜和聚焦镜聚焦于工件时,所述扩束镜的扩束倍数为六倍,所述聚焦镜的焦距为20mm;
所述第一透镜具有第一曲面S1和第二曲面S2,所述第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为-19mm,所述第二曲面S2的曲率半径R2的期望值为4.2mm;
所述第二透镜具有第三曲面S3和第四曲面S4,所述第三曲面S3的曲率半径R3的期望值为-60mm,所述第四曲面S4的曲率半径R4的期望值为-9.6mm;
所述第三透镜具有第五曲面S5和第六曲面S6,所述第五曲面S5的曲率半径R5的期望值为-16mm,所述第六曲面S6的曲率半径R6的期望值为-22mm;
所述第四透镜具有第七曲面S7和第八曲面S8,所述第七曲面S7的曲率半径R7的期望值为56.5mm,所述第八曲面S8的曲率半径R8的期望值为-48mm;
所述第五透镜具有第九曲面S9和第十曲面S10,所述第九曲面S9的曲率半径R9的期望值为22mm,所述第十曲面S10的曲率半径R10的期望值为205mm;
所述第六透镜具有第十一曲面S11和第十二曲面S12,所述第十一曲面S11的曲率半径R11的期望值为14mm,所述第十二曲面S12的曲率半径R12的期望值为30mm;
各曲率半径的公差均不超过各自期望值的5%;
所述第一透镜在光轴上的中心厚度d1的期望值为1mm,所述第二透镜在光轴上的中心厚度d3的期望值为1.6mm,所述第三透镜在光轴上的中心厚度d5的期望值为1.5mm,所述第四透镜在光轴上的中心厚度d7的期望值为1.5mm,所述第五透镜在光轴上的中心厚度d9的期望值为1.5mm,所述第六透镜在光轴上的中心厚度d11的期望值为1.5mm,各中心厚度的公差均不超过各自期望值的5%;
所述第二曲面S2与第三曲面S3的面间隔d2的期望值为11mm,所述第六曲面S6与第七曲面S7的面间隔d6的期望值为0.1mm,所述第八曲面S8与第九曲面S9的面间隔d8的期望值为0.1mm,所述第十曲面S10与第十一曲面S11的面间隔d10的期望值为0.1mm,各面间隔的公差均不超过各自期望值的5%。
2.如权利要求1所述的紫外激光应用光学***,其特征在于,所述监控子***包括:
监控光源;
用于将所述监控光源发出的监控光反射至所述第一双色镜并使所述监控光与紫外激光同轴的第二双色镜;以及
用于接收返回的监控光的成像监控装置;
所述第二双色镜对所述监控光半反半透,所述第一双色镜对所述监控光高透,对所述紫外激光高反。
3.如权利要求2所述的紫外激光应用光学***,其特征在于,所述监控光源为绿光LED,所述成像监控装置由CCD及与所述CCD电连接的监控屏构成。
4.如权利要求3所述的紫外激光应用光学***,其特征在于,所述监控光源与第二双色镜之间设有第一滤光片,所述第二双色镜与成像监控装置之间设有第二滤光片。
5.如权利要求1所述的紫外激光应用光学***,其特征在于,各透镜的材料Nd:Vd的期望值均为1.46/68,其中Nd表示所述透镜的材料在波长λ=355nm的d线处的折射率,Vd表示所述透镜的材料在波长λ=355nm的d线处的阿贝数;各透镜的材料的公差均不超过各自期望值的5%。
6.如权利要求1所述的紫外激光应用光学***,其特征在于,所述扩束镜允许的最大入射光直径为1.5mm,所述聚焦镜的入瞳直径D为10mm。
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