CO_2激光打标机变焦f-theta透镜的设计

为CO2激光打标机设计了变焦距f-theta扫描聚焦系统,以使它适用于不同打标面积而不必更换镜头,该系统由三片透镜组成,材料为GaAs,工作波长为10.6μm,系统总长度为41.45mm。利用f-theta镜的负畸变效应和机械变焦原理,将三片透镜设计组合为具有三个可变档系统,该系统有效焦距分别为f-theta镜的三个常用焦距:305mm、360mm和410mm,相应扫描范围分别为:210×210mm2、250×250mm2和280×280mm2,扫描角均为±20°。像面上系统在零视场、0.7视场和全视场的光斑都落在相应的爱里斑以内,三种情况下,系统的MTF曲线分别接近相应的衍射极限曲线,系统的最大场曲和最大f-theta相对畸变都能满足国内激光打标机的精度要求。

YAG激光打标机变焦f-theta镜扫描系统

为Nd∶YAG激光打标机设计了变焦距f-theta镜扫描系统,以使它适用于不同的打标面积而不必更换镜头,系统由四片透镜组成,材料分别为BK7、SF18和SF11,系统总长度为122.96mm,工作波长1064nm。利用f-theta镜的负畸变效应和机械变焦原理,将四片镜设计组合成两个可变档系统,系统的有效焦距分别为f-theta镜的两个常用焦距:350mm和400mm,相应的扫描范围分别为220mm×220mm,250mm×250mm,扫描角都为±18°。系统像面在0视场、0.7视场和全视场的光斑都落在相应的爱里斑以内,系统的MTF曲线接近相应的衍射极限曲线,最大波像差小于四分之一波长,系统的最大场曲和最大f-theta相对畸变都很好地满足了国内激光打标机的精度要求。

超广角大工作面f-theta镜头的光学设计

目前国内用于激光标刻机的f-theta镜头的视场角一般小于60°。采用望远镜结构,利用视觉放大率增大视场角,得到了超广角90°镜头。该方法具有简洁、可靠、易实现等特点。通过初级像差分析,确定系统的初级结构参数,利用ZEMAX软件优化得到了大工作面为285mm的f-theta镜头,镜头线性畸变误差值不超过1%,在半径为698μm的圆内,能量集中度为80%,聚焦性能接近衍射极限。

F-Theta自由曲面透镜的精密与镜面磨削

针对光学玻璃的F-Theta自由曲面透镜加工困难等问题,提出将金刚石砂轮的椭圆环面代替圆环面,进行F-Theta自由曲面磨削加工,研究形状误差的补偿磨削方法和光学玻璃的镜面磨削工艺。根据F-Theta透镜的自由曲面建立砂轮与工件相切的刀具轨迹法向算法。采用#46粗金刚石砂轮修整成椭圆环面,提出自由曲面磨削的法向误差补偿加工模式。最后,采用#3000超细金刚石砂轮的椭圆环面进行轴向磨削试验。试验结果表明:传统的垂直误差补偿磨削可减小面形误差45.9%及其PV值11.6%;而新提出的法向误差补偿磨削可减小面形误差47.9%及其PV值41.5%。此外,超细砂轮磨削可使得自由曲面的粗糙度达到28 nm,其镜面磨削工艺有别于较粗砂轮磨削工艺。因此,椭圆环面砂轮的法向补偿磨削是提高自由曲面加工精度的有效方法,而且,无需研磨抛光就可以实现光学玻璃的自由曲面镜面磨削。

用于半导体激光打标机的谐衍射/折射f-theta镜

根据半导体激光器发射波长的范围和谐衍射透镜的特点,讨论了含有谐衍射光学元件的混合f-theta镜的设计.将谐衍射面型引入到半导体激光器及Nd:YAG激光器打标镜的设计中,使用普通的光学材料,使系统在0.8-1.5μm波段内很好地校正了各种单色像差和色差,在各个分立波长上系统的光学传递函数接近或达到衍射极限.系统结构紧凑、片数少、兼容性好、具有良好的像差特性,适用于半导体激光器及Nd:YAG激光器打标系统.

红外折/衍混杂f-theta镜研究

根据现代红外激光扫描系统的需求,分别设计了工作于808nm～1064nm波段和1064nm～1500nm波段的折/衍混杂f-theta系统。系统分别由三片镜和四片镜组成,激光扫描范围分别为100mm×100mm和60mm×60mm。此二系统相配合,可以完成在808nm～1500nm波长范围的激光扫描工作。点列图分析表明,输出光斑质量优良均匀,在0视场、0.7视场、和全视场光斑均接近衍射极限。像差分析表明,系统最大色差为26μm,最大场曲小于0.3mm,最大f-theta误差小于0.03%。满足现代多工作波长、高精度激光打标机的实际需求。

YAG激光打标机f-theta透镜的光学设计

随着激光应用技术的发展,F-θ透镜被广泛地应用于红外、激光等扫描系统中。文章基于F-θ透镜的原理和特性,根据使用要求,利用ZEMAX软件,设计一个F-θ镜头。该镜头焦距160mm,视场角false。优化设计后,像散值在像差容限范围内,满足平场要求;F-θ镜头相对畸变小于false;光能利用率好,聚焦性能接近衍射极限。该镜头结构简单,符合使用要求。

多波长广角f-theta透镜光学设计

f-theta透镜作为激光扫描系统中必不可少的部件,对系统工作面尺寸、测量速度、测量精度等起着决定性的作用。为改变以往f-theta透镜扫描范围小、工作波长单一等不足,设计出了一种工作于486nm^656nm波段的广角f-theta透镜。通过初级像差分析,确定系统的初级结构参数,利用光学材料的不同色散性能分配合理的光焦度来进行色差校正。设计结果表明:f-theta镜头像散值在像差容限范围内满足平像场要求,f-theta镜头系统最大色差为3μm,线性畸变误差值不超过0.015%,光能利用率接近90%,聚焦性能接近衍射极限,满足多工作波长、高精度激光打标机的实际需求。

双波长选区激光熔化成形中F-theta镜头光学设计

在选区激光熔化成形设备中,F-theta镜头是其重要的组成单元,一般采用单一波长作为光源。为了改善选区激光熔化成形性能,首次设计了由三片球面透镜组成的用于共轴双波长选区激光熔化成形的f-theta镜头。通过引入负畸变实现线性扫描,并选择合适玻璃材料、结构设计来消除色差。在扫描面积为120mm×120mm范围内,适用激光波长为532nm和1080nm,对这两波长激光的聚焦光斑分别小于30μm和60μm,横向色差分离小于1μm,满足高精度双波长激光同时共轴选区熔化成形的应用需求。

基于激光选区熔化的低畸变F-theta场镜设计

设计了一款适用于激光选区熔化的F-theta镜头,该系统由三片透镜组成,且透镜选用红外波段常用的ZnSe材料,镜头总长约89 mm,成型面积为260 mm×260 mm,结构紧凑,制作简单,成本低。聚焦性能好,所有视场下像面的光斑大小均达到衍射极限25μm以下、90%能量集中于50μm的光斑内、相对线性畸变小于0.05%,满足本设计中用于激光选区熔化零件成型的高精度要求。

F-Theta光学镜头的畸变标定及测角精度分析

对于精密测角定位系统来说,畸变的存在会直接影响测量的几何精度,因此需要对光学系统进行畸变标定以便于后期的畸变校正。为了解决F-Theta光学镜头的畸变标定问题,建立了一种基于精密测角法的标定系统,并详细论述了畸变标定过程。通过实验测得了视场与绝对畸变量之间的关系。利用基于曲线拟合的最小二乘逼近方法求解出了F-Theta光学镜头的焦距。最后对F-Theta光学镜头的测角精度进行了分析。结果表明,该镜头满足秒级测角精度的要求。

基于普通F-Theta透镜与远心F-Theta透镜的晶圆标识工艺的研究

为研究聚焦系统对晶圆标识工艺的影响,搭建以1 066 nm的声光调Q脉冲光纤激光器为光源,分别使用普通F-Theta透镜和远心F-Theta透镜的晶圆激光打标系统,使用相同的工艺参数分别在晶圆表面进行点阵标识,研究两种聚焦系统下晶圆的烧蚀阈值、离焦效果和点的形貌。采用白光干涉仪对晶圆标识区域的三维形貌进行评估,研究发现普通F-Theta透镜与远心F-Theta透镜对晶圆的烧蚀阈值的影响区别不大。在离焦效果方面,普通F-Theta透镜随着离焦量增加,标识点直径逐渐变小;而远心F-Theta透镜随着离焦量增加,标识点直径先增大后减小。在打标范围内的标识质量方面,两者在打标范围中心的标识质量基本相当,离中心越远,远心透镜也未能表现出更好的标识形貌。

大工作面F-Theta镜头的光学设计

目前国内用于激光标刻机的F-Theta镜头的工作面积一般不超过420 mm。国外虽有面积较大的F-Theta镜头,但结构复杂。通过初级像差分析,确定了镜头的初始结构参量,利用光学设计软件优化得到了工作面积为680 mm的F-Theta镜头,它由四片两种普通玻璃球面透镜构成,光学筒长不到100 mm,具有结构简单紧凑,聚焦性能接近衍射极限、线性畸变小的优点,满足大工作面打标的使用要求。

基于二极管泵浦Nd：YAG激光器的紫外微加工系统研制

自行研制紫外微加工系统,系统有效工作范围120 mm×120 mm,最小加工线宽80μm,系统操作简单、运行稳定高效。实验中完成对Nd:YAG紫外激光器、XY扫描振镜以及F-Theta平场透镜设计。实现波长355 nm紫外激光最高平均功率2.13W稳定输出,1h内输出功率波动小于7%;XY振镜最大扫描角度±28°,线性响应速度0.35～0.5 ms;F-Theta视场角为±25°,有效焦距为250 mm。最后对系统存在的问题进行了分析。

双激光生物芯片分析仪扫描物镜设计

描述了一种用于生物芯片分析仪的像方远心f-theta扫描物镜.通过对物镜像差参数要求的分析,选择初始结构,利用ZEMAX进行了光学系统的优化,给出了数值孔径0.17,焦距40mm,总长140mm的f-theta物镜设计结果的光路图和芯片荧光测试实验结果.f-theta物镜用于生物芯片分析的扫描系统在100lp/mm的调制传递函数(MTF)在0.35以上,f-theta畸变量控制在0.13%以内,在整个视场内具有高荧光激发和收集效率,分辨率可以达到10μm,一块芯片的测试时间可以在200s以下.

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望远式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8mm,工作长度为250.3mm,可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像;其次,采用3mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描,摆动频率为100Hz,实现快速共焦扫描;最后,激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接,减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证,本系统的成像视场为φ600μm,光学分辨率为2.2μm,可采用手持式或者其他方式工作,进行体内组织的共焦扫描成像,实现微创、在体的荧光显微内窥术.