CO2激光雕刻机的折／衍混杂f-theta镜设计

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第3 5卷第 3期V0 .5No 3 1 3 .

红外与激光工程I fa e n a e n i e r g n r r da dL s rE gn e i n

20 0 6年 6月Jn 2 O u.O6

C 2光雕刻机的折/混杂 .日设计 O激衍厂镜一吴环宝，肇圻，汝廉，娟，丹王傅刘乐(. 1南开大学现代光学研究所光电信息技术科学教育部重点实验室，津 3 0 7;天 00 1

2粤铭激光技术有限公司，东东莞 5 34 ) .广 2 0 8摘要：以工作于 C 2光主波长的传统两片球面透镜型，镜为基础，}衍射面实现消色差， o激 .弓入

设计了工作于可调谐 C 2光的波段范围 90 1 . m的，镜。结果表明， o激 .￣ 10 .所设计的折，衍混杂， .镜不仅很好地工作在所要求的波段范围内，而且单色像差比原单波长，日镜有所提高，面上的光斑 -像在各个波长和视场上大小均匀。系统像差在各个波长上都接近或达到衍射极限，有精确的光学扫描具特性。

关键词：学设计； f o;折，混杂；消色差光 -镜 衍中图分类号： H 4 T 7 文献标识码： A文章编号：0 7 2 7 (06 0— 3 1 0 10— 2 62 0 )3 0 5— 3

D s no y r erc v -i rc v - n okn ei f b i rfat edf a t e 0l sw r ig g h d i i f eo n CO2ls r d i i gs se a e rl n y tm lWU a b o,W ANG a q Hu n- a Zh o- i,FU Ru- a l n,LI J a i U u n,LE n Da 2

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n te p m r vl g fC 2 s c: ae n a cn et nl e m n f 0 l sw rig o r ay wae n t o O r i l e h i e h l e,a crma cf 0 l s w rig o u al C 2l e .￣ 10 m a eind b d ig a a r n aho t 一 e okn n tnbe O a r90 1 . s i n s w sds e y ad g ndf at esr c oo eo et olne. t sso nta t ei e yr erc v - f at e . i rc v uf et n f w ss I wa h w lt eds d hb d r at ed f c v, i a h t e l h n g i f i ir i0 ln o l wo k e e ty o te e ie v ln t r g .Th n c r e s c ud r p r c n h rqur d wa e e gh a e f l n e mo o h omai a e r t n i r s t c b rai s ncea e o d

a o ae ilt o v n o M f 0l s a dteso i o ahw vl gh adec e fve scmprdw t ecn e t n - n . p t z frec a e n t ahf l o i lh i e n h se e n id wo t e ma e u f c wa u io m .T e be rto s f t e y tm o e c wa ee t we e e,o n h i g s ra e s nf r h a ra n o s se i h n ah v lngh r n a r r

e ce edf at nl t n f 0l sc u oki asann ytⅣ le f t cuay rahd t i rc o mi ad te - n o l w r cn igss m、 t pr c acrc . h f i i。 h e d n e il e Ke o d: p clds; f0ln; H b drf c v - f at e A ho t yw r s O t a ei - s i g n e y r r t ed f c v; i e ai ir i crma c i

O引言C O激光在激光加工领域应用广泛。对具有振镜

扫描系统的激光雕刻机 .用于特定激光波长的平面适场聚焦系统 fO -镜。其核心部件。目前用于 C 1是 O激

光雕刻

机的 f O一般工作在其主波长 1 . m。 -镜 06

收稿日期：0 5 0— 7修订日期：0 5 0 - 1 20— 5 1; 2 0 - 8 1

}基金项目：国家自然科学基金资助项目( 0 7 0 1 6272 )作者简介：环宝 (99,,北京山人，士生，要研究方向为二元光学、学设计和光学扫描等。吴 1 7一)女湖博主光

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红外与激光工程

第3 5卷

单波长的f0技术趋于完善，用户可根据自己的要 .镜求进行选择。由于被加工材料对不同波长的吸收系数不同，常选择吸收系数高的波长进行雕刻，通以提高加工精度。调谐 C 2光器可工作在 90 1 . m波 o激 .— 10段。但是工作于不同波长的激光扫描系统需要更换相应波长的fo,这给扫描系统的装配和调试带来了 -镜 困难，同时也增加了成本。红外材料昂贵，制作 fo镜 -的成本较高，因此，计工作波长在 90 1 .岬范设 .— 1 0围的f o -镜具有现实意义。

限，为一个衍射受限系统，像平面上的光斑即是爱里斑。,0误差定义为 _】

10 0%。

传统的单波长的. e由一个凹透镜和一个凸透厂镜 _镜构成。凸透镜承担光焦度，凹透镜校正场曲并且和凸透镜一起产生必要的畸变量。图 l a给出了设计 ()

的工作于 C )激光主波长 1 .的 f 0镜的系统 ( 2 06mm -结构，扫描角为+ 0,效焦距为 2 0 m,描范其 2。有 5 c扫围为 15 c 1 5c材料为 G A。图 1 b与图 l 7 m￣ 7 m, as () ( )分别给出了系统的场曲 j-误差、 F曲线。可 C o MT

要使 f 0镜在 90 1 . m波段范围内都能工 . .— 10 作，则应该在此波段范围内实现消色差。对于传统的两片球面折射透镜系统再进行优化设计已经不能满足要求，只能增加折射透镜片数。由于所有光学材料

以看出该 fo镜像差特性良好， - 0视场、 .场、视 07视全场场曲都是 12mm,. . f 0误差最大为 09%,系统的 .9 MT F曲线在三个视场都接近甚至达到了衍射极限，

的阿贝数均为正值，消色差必须采用正负透镜组合，

每块透镜的光焦度都较大，不仅使光学系统的体积这和质量增加，还给单色像差的校正带来困难。将衍射

为衍射受限系统。扫描光斑在每个视场下都很均匀且大小如爱里斑，它很好地应用于粤铭激光技术有限公司的 C 2光雕刻机中。 0激

面引入光学系统[7衍射元件与折射元件组成的折， 5l -, 衍混杂光学系统，能够突破传统光学系统的局限，并且给光学设计提供更多的自由度。 e i ue等人【 K i s jF 8]设计了一个用于多层印刷电路版雕刻的f 0,系统中 .镜

含有一个非球面基底上的衍射面，具有优良的温度稳定性，且可以克服实际激光器波长漂移所引起的雕并刻不准确性。Fe e/ il o v w ( d f i。)T S- _

U

在不增加传统单波长 fo镜透镜片数的条件下引 -入衍射面，设计的折，混杂 f 0镜可很好地工作于衍 . 90 1 . .- 10岬波段范围，在 90 1 .、06 1 . m且 .、00 1 .、 10 的各个视场下都接近或达到衍射极限 .有理想的光具学扫描特性。

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1设计方法在普通光学系统中，如果畸变和场曲得到了校

00 |0 2.0 0‘。。 -2 0 .0 F dc r au er m il u v t r/ e a, . ( O)

伪

J。 c u,口Ⅱ I%,

正，像平面上的理想像高 y ftO其中 Y为像高，则=, g,为系统的焦距，为视场角即扫描角。fo要求校正 0 -镜

场曲，面为平面，像同时光学系统产生一个负畸变，在扫描平面上的像高与入射扫描角成正比， y f。当即：O扫描角保持一定的转速时，际像点在像平面上保持实线性扫描。

单波长扫描的 fo镜需要校正的像差有场曲、误 -差等单色像差，整个系统的像差接近或达到衍射极使图 1 02光扫描 f o镜 C激 -

Fg 1 02ae cn igf oln i. C srsa nn - s l e

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第 3期

吴环宝等： o激光雕刻机的折/混杂 f 0镜设计 C 2衍 -

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工作于多波长的. 0除了要校正上述

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