[发明专利]一种基于4f系统的远心扫描装置

说明书

本发明涉及光学扫描领域，特别是涉及一种基于4f系统的远心扫描装置，包括光路设置的第一反射镜、第二反射镜和场镜，其特征在于，还包括依次沿光路设置在第一反射镜和第二反射镜之间的第一透镜和第二透镜；所述第一反射镜和第二反射镜为具有不共线固定旋转轴的偏转镜；所述第一透镜和第二透镜的焦距分别为f₁和f₂；所述第一反射镜、第一透镜、第二透镜、第二反射镜在一条光轴上依次放置，间距依次为f₁、f₁+f₂和f₂；所述场镜的物方焦点位于第二反射镜上。本发明通过结合4f系统的设计，消除了二维激光扫描装置中两个反射镜无法重合导致的远心光束角度偏移，提高了光束扫描的精度，本发明具有的简单巧妙的结构，有效控制了生产成本。

技术领域

本发明属于光学扫描技术领域，更具体地，涉及一种二维光学扫描装置。

背景技术

远心光束扫描在激光精密加工、高精度光学成像及光学测量领域具有广泛的应用价值。目前广泛采用振镜与远心f-theta场镜结合的方式实现光束的二维扫描。光束经由一对旋转轴正交的反射镜，再配合场镜聚焦到扫描平面，两个反射镜遵循一定的规律旋转，从而实现扫描过程。

参照图1所示，理想的远心f-theta场镜，可以将经由物方焦点F入射的任意角度的平行光束折射为像方远心出射，出射光束垂直且聚焦于像方焦面。在场镜物方焦面处设置一个可旋转的反射镜，旋转轴平行于x轴并与物方焦点F重合，即实现理想的一维远心光束扫描，经由场镜出射的扫描光束均垂直于像方焦面。

但是，当反射镜位置与物方焦面存在一定距离时，参照图2所示，光束以一定的角度θ入射到场镜中，出射光线到像方焦面上的位置不变，但不再满足远心出射，即出射光束与像方焦面不再垂直，偏移距离a₁、a₂越大，远心偏移角度α₁、α₂也相应地越大。并且，光束扫描角度θ越大，即出射光束越靠近扫描场边缘，远心偏移角度也就越大。

在传统振镜实现光束二维扫描的过程中，需要将振镜的两个反射镜依次放置在场镜之前的光路中，分别在两个维度上对光束进行扫描。因此不可能将两个反射镜同时放置于场镜的物方焦面处，如果将一个反射镜设置于场镜的物方焦面处，另一个反射镜与场镜的物方焦面必然会产生一定的距离，经由该反射镜实现的光束扫描必然无法实现像方远心出射。

为了尽可能地使光束在两个维度上的扫描接近像方远心出射，传统扫描装置中，一般将场镜的物方焦面设置于两个反射镜之间的某个位置，如图3和图4所示，使得两个反射镜与场镜物方焦面之间的偏移距离尽可能小，相应地，在两个维度上扫描光束远心出射的偏移角度才能尽可能小。设置理想远心场镜焦距70mm，振镜两个反射镜距离14mm，场镜物方焦面放置于两反射镜中间，在30×30mm²的扫描范围内，使用Zemax软件计算远心偏移角度α_x和α_y的值，α_x和α_y最大时均大于2°，具有明显偏移。

因此，在激光精密加工、高精度光学成像及光学测量领域，传统扫描装置中的远心角偏移存在无法忽视的影响。例如，德国Linos公司生产的编号为4401-509-000-21的远心f-theta场镜，在其扫场范围内，其远心角偏移最大为0.5°，是一款远心性能极为优异的场镜，但是，在配合Scanlab生产的二维扫描振镜工作的情况下，远心角的最大偏移角度增大了100％以上，使得该场镜的应用范围受到了明显的限制。例如，在激光扫描刻蚀的过程中，远心角的变化会使得扫场边缘和扫场中心的光斑能量、光斑形貌、焦深等参数出现差异，进而影响到激光刻蚀的效率和均一性。又例如，在激光离焦加工时，非远心出射的激光在材料上的加工位置会发生变化；在基于动态聚焦的激光三维加工中，非远心出射的激光焦点会在一定范围内沿光束出射的方向往复移动，激光在材料上的加工位置也会随焦点移动发生变化，这会给激光的精密选择性加工带来一定的误差。