一种可变间距式多光束曝光加工系统及方法与流程

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种可变间距式多光束曝光加工系统，同时还涉及一种可变间距式多光束曝光加工方法。

背景技术：

1、多光束曝光技术是一种通过同时使用多个光束进行曝光的方法。使用特殊的光学器件生成多达数百个分束光束，然后通过并行处理来显著提高生产力和生产效率，在以往的单光束加工操作中，其输出只能在有限的范围内增加，部分原因是工件上的热负荷太高，因此，多束激光束的并行操作允许每个单独的分束激光束以最大效率运行，从而以几乎没有热应力的高效方式加工工件。

2、目前，多光束激光曝系统包括：用作光源的半导体激光器件；将此激光器件出射的激光束的直径缩小到预定大小的第一透镜组；将由第一透镜组缩小了的激光束连续地反射到与记录媒质输送方向相正交的方向的光偏转器；以及使光偏转器偏转的激光束在记录媒质预定位置上成像的第二透镜组。然而，该多光束激光曝系统，由于加工间距单一，面对不同间距加工需要开发多套与之对应的加工系统，结构复杂，体积大，而且更无法满足多间距加工的应用需求，同时所形成的激光加工效率低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的可变间距式多光束曝光加工系统。

2、同时本发明还涉及一种可变间距式多光束曝光加工方法。

3、为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可变间距式多光束曝光加工系统，其包括延光线入射方向依次设置的微透镜阵列和激光缩束单元，微透镜阵列用于实现光斑聚焦，激光缩束单元包括外径逐级变小且中心对齐的第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜，其中微透镜阵列和第一光学柱面镜之间为固定光学间距；第一光学柱面镜与第二光学柱面镜之间、第二光学柱面镜与第三光学柱面镜之间为可变间距，且在所述激光缩束单元的处理下，光束缩小倍率为4x-6x，同时在成像面上产生聚焦的多光束之间间距为3.9-6.1mm。

4、优选地，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜延光线入射方向依次分布，且三者的入射面均为凸面、出射面均为平面。

5、根据本发明的一个具体实施和优选方面，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的入射面曲率半径依次为r1、r2、r3，其中r1＞r3＞r2，r1＞r2+r3，同时，第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的中心厚度为依次为h1、h2、h3，其中h1＜h3＜h2。在一些具体实施方式中，第一光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为849.36mm，中心厚度为7.87mm。第二光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面，入射面曲率半径为482.91mm。中心厚度为10.13mm。第三光学柱面镜入射面为凸面，出射面为平面。入射面曲率半径为585.33mm，中心厚度为7.98mm。

6、优选地，第一光学柱面镜和第二光学柱面镜之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调；和/或，第二光学柱面镜和第三光学柱面镜光学间距在10.00～228.69mm之间可调。简言之，可以调节第二光学柱面镜和/或第三光学柱面镜的位置以改变光学间距，以达束缩小倍率为4x-6x，同时产生聚焦的多光束之间间距在3.9-6.1mm之需求。

7、在一些具体实施方式中，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜中，每相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm；和/或，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。

8、优选地，微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜均由熔融石英制成。

9、进一步的，微透镜阵列光学焦距为400±5mm；和/或，固定光学间距为5～10mm；和/或，入射光束为等间距光束且平行入射经过微透镜阵列。

10、本发明的另一技术方案是：一种可变间距式多光束曝光加工方法，该方法采用多光束曝光加工系统，且包括如下步骤：

11、1)光路设定

12、将微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜延光线入射方向依次分布，且微透镜阵列和第一光学柱面镜之间所形成的固定光学间距为5～10mm，

13、2)光束聚焦调节

14、在设定的固定光学间距中，平行入射光束经过微透镜阵列后产生聚焦光束，并依次通过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的变倍缩束后，由所述第一光学柱面镜和所述第二光学柱面镜之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调或者所述第二光学柱面镜和所述第三光学柱面镜光学间距在10.00～228.69mm之间可调，以改变光学间距，实现光束缩小倍率为4x-6x，且在成像面上产生聚焦的多光束之间间距为3.9-6.1mm。

15、由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

16、采用现有的多光束曝光加工系统，由于加工间距单一，面对不同间距加工需要开发多套与之对应的加工系统，结构复杂，体积大，而且更无法满足多间距加工的应用需求，同时所形成的激光加工效率低等不足，而本发明通过多光束曝光加工系统进行整体设计巧妙地解决了现有的各种不足。采用该多光束曝光加工系统后，平行入射光束经过微透镜阵列后产生聚焦光束，并依次通过第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的变倍缩束，并结合光学间距之间的调整以形成光束缩小倍率为4x-6x，同时多光束之间间距在3.9-6.1mm产生聚焦，因此，与现有技术相比，本发明一方面在某一个固定光学间距设定下，通过同样参数柱面镜所形成的变倍缩束和各光学间距调节，使光束缩小倍率为4x-6x、多光束之间间距在3.9-6.1mm的激光加工之需；另一方面在中心对齐、外径逐级变小的光学元件布局下，不仅实现等光斑间距的线型光斑输出，而且能够改善激光加工效率，同时操作方便，结构简单，体积小。

技术特征：

1.一种可变间距式多光束曝光加工系统，其包括延光线入射方向依次设置的微透镜阵列和激光缩束单元，微透镜阵列用于实现光斑聚焦，其特征在于：所述激光缩束单元包括外径逐级变小且中心对齐的第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜，其中微透镜阵列和第一光学柱面镜之间为固定光学间距；第一光学柱面镜与第二光学柱面镜之间、第二光学柱面镜与第三光学柱面镜之间为可变间距，且光束在所述激光缩束单元的处理下，光束缩小倍率为4x-6x，同时在成像面上产生聚焦的多光束之间间距为3.9-6.1mm。

2.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：所述第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜延光线入射方向依次分布，且三者的入射面均为凸面、出射面均为平面。

3.根据权利要求2所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的入射面曲率半径依次为r1、r2、r3，其中r1＞r3＞r2。

4.根据权利要求3所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：r1＞r2+r3。

5.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：所述第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的中心厚度为依次为h1、h2、h3，其中h1＜h3＜h2。

6.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：所述第一光学柱面镜和所述第二光学柱面镜之间光学间距在9.99～229.60mm之间可调；和/或，所述第二光学柱面镜和所述第三光学柱面镜光学间距在10.00～228.69mm之间可调。

7.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜中，每相邻两个光学元件之间的光学间距误差小于0.05mm；和/或，所述微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜的轴偏移均小于0.02mm，角度偏移小于0.5′。

8.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：所述微透镜阵列、第一光学柱面镜、第二光学柱面镜和第三光学柱面镜均由熔融石英制成。

9.根据权利要求1所述的可变间距式多光束曝光加工系统，其特征在于：所述微透镜阵列光学焦距为400±5mm；和/或，所述固定光学间距为5～10mm；和/或，入射光束为等间距光束且平行入射经过微透镜阵列。

10.一种可变间距式多光束曝光加工方法，其特征在于：该方法采用多光束曝光加工系统，且包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及可变间距式多光束曝光加工系统及方法，其系统包括微透镜阵列和激光缩束单元，激光缩束单元包括第一、二、三光学柱面镜，其中微透镜阵列和第一光学柱面镜之间为固定光学间距；第一光学柱面镜与第二光学柱面镜之间、第二光学柱面镜与第三光学柱面镜之间为可变间距。本发明一方面在某一个固定光学间距设定下，通过同样参数柱面镜所形成的变倍缩束和各光学间距调节，使光束缩小倍率为4x‑6x、多光束之间间距在3.9‑6.1mm的激光加工之需；另一方面在中心对齐、外径逐级变小的光学元件布局下，不仅实现等光斑间距的线型光斑输出，而且能够改善激光加工效率，同时操作方便，结构简单，体积小。

技术研发人员：颜永振,杨子星,刘备
受保护的技术使用者：苏州中辉激光科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25