DE112013003095B4

DE112013003095B4 - Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem und Laserbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE112013003095B4
Application number: DE112013003095.0T
Authority: DE
Inventors: Jiaying LI; Chaoming Zhou; Bo Sun; Yuqing Chen; Yunfeng Gao
Original assignee: Hans Cnc Science And Tech Co Ltd; HAN'S CNC SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd; Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Current assignee: Han s Laser Technology Industry Group Co Ltd
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103576316A; CN103576316B; DE112013003095T5; US9366873B2; JP2015523607A; JP5965068B2; WO2014012416A1; US20150185485A1

Abstract

Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem, umfassend: eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse, die koaxial entlang einer Übertragungsrichtung eines einfallenden Lichtes sequentiell angeordnet sind, wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen sind und die zweite Linse eine negative Meniskuslinse ist;wobei die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche umfasst, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche umfasst, und die erste bis sechste Fläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts sequentiell angeordnet sind;Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen jeweils ∞, -27 mm, 10 mm, 1,7 mm, ∞ bzw. -103 mm betragen;Mittendicken der ersten bis dritten Linse jeweils 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen;Außendurchmesser der ersten bis dritten Linse jeweils 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen;Verhältnisse von Brechungsindex zu Abbe-Zahl der ersten bis dritten Linse jeweils 1,8:25, 1,48:68 bzw. 1,8:25 betragen;ein Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche in einem Bereich von 10 bis 27 mm liegt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche in einem Bereich von 119 bis 125 mm liegt;Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses von dem Brechungsindex zu der Abbe-Zahl und des Abstandes 5% betragen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gebiet der Laserbearbeitungstechnologie, und betrifft insbesondere ein Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem und eine Laserbearbeitungsanlage. Verwandte Technologien sind aus CN 101 414 052 A KR 10 2010 0 048 092 A , CN 101 211 001 A , DE 10 2009 025 182 A1 , und US 4 353 617 A bekannt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Auf dem Laserbearbeitungsgebiet ist der austretende Lichtdurchmesser Φ eines Laserstrahls relativ klein (etwa 1 mm). Wenn ein solcher schmaler Lichtstrahl direkt fokussiert wird, wird eine größere Rayleigh-Scheibe erhalten. Gemäß der Rayleigh-Scheibenformel: δ = 2,44Af/D, wobei δ einen Durchmesser der Rayleigh-Scheibe darstellt, D einen Eintrittspupillendurchmesser darstellt, feine Brennweite darstellt, kann gefolgert werden, dass, je kleiner D ist, desto größer δ ist und die Leistung auf den Fokuspunkt schwächer ist, wodurch eine Bearbeitungsgenauigkeit des Systems stark verringert ist. Daher wird immer ein Strahlaufweiter in einem optischen System angewandt, das für eine Laserbearbeitung verwendet wird, um den von einem Laser ausgesendeten schmalen Lichtstrahl, der durch eine Laserbearbeitung-Fokuslinse fokussiert wird, aufzuweiten.
Gemäß dem Lagrange-Invarianten-Theorem: J = nDθ = n'D'B', wobei n und n' jeweils Brechungsindizes von Medien im Objektfeld und Bildfeld des optischen Systems darstellen, wenn Medien in der Objektseite und der Bildseite beide Luft sind, n = n' = 1. D und D' stellen jeweils einen Eintrittspupillendurchmesser bzw. einen Austrittspupillendurchmesser des optischen Systems dar. θ und θ' stellen jeweils Feldwinkel eines einfallenden Lichts und eines austretenden Lichts dar, die im Bogenmaß dargestellt sein können, wenn sie zu klein sind. Es kann gefolgert werden, dass, wenn θ relativ groß ist, der Lichtstrahl über den Strahlaufweiter um das β = D/D'-Fache für die nachfolgende Laserbearbeitung aufgeweitet werden kann.
Während der Bearbeitung sind Laserwellenlängen λ, die für eine Vielzahl von Bearbeitungsobjekten angepasst sind, unterschiedlich, wie etwa λ = 1064 nm, λ = 532 nm, λ = 266 nm usw. Somit gibt es eine Vielfalt optischer Strahlaufweiter, die für Laser mit verschiedenen Wellenlängen geeignet sind. Gleichzeitig besteht ein Bedarf, dass der optische Strahlaufweiter einen größeren Anwendungsbereich aufweist, d.h. ein Strahlaufweiter kann verschiedene Anwendungsumgebungen, wie zum Beispiel unterschiedliche Austrittspupillendurchmesser und Divergenzwinkel eines Lasers, ermöglichen. Darüber hinaus ist der optische Strahlaufweiter erforderlich, um sich an verschiedene Laserbearbeitungs-Fokuslinsen anzupassen, um eine ideale Kopplung zu erreichen. Daher wird ein Zoomstrahlaufweiter ein Forschungsschwerpunkt auf dem Gebiet der Laserbearbeitung. Derzeit liegt die übliche Vergrößerung des Zoomstrahlaufweiters zwischen 2^X und 8^X, die zu klein ist, um einen Bedarf der Laserbearbeitung zu befriedigen. In dem Fall, wenn ein größerer Zoomwert erforderlich ist, muss ein Strahlaufweiter mit fester Vergrößerung verwendet werden, so dass eine Anforderung von mehreren Zoomwerten nicht lediglich durch einen einzigen Strahlaufweiter erreicht werden kann, was für die Laserbearbeitung unzweckmäßig ist und die Effizienz der Laserbearbeitung beeinträchtigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zu lösendes technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem bereitzustellen, um das Problem der begrenzten Aufweitungskapazität und engen Anpassung des herkömmlichen Zoomstrahlaufweiters zu lösen.
Technische Lösung
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgende Lösung erreicht.
Ein Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem umfasst: eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse, die koaxial entlang einer Übertragungsrichtung eines einfallenden Lichtes sequentiell angeordnet sind; wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen sind und die zweite Linse eine negative Meniskuslinse ist;
die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche umfasst, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche umfasst, und die erste bis sechste Fläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts sequentiell angeordnet sind;
Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen jeweils ∞, -27 mm, 10 mm, 1,7 mm, ∞ bzw. -103 mm betragen;
Mittendicken der ersten bis dritten Linse jeweils 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen;
Außendurchmesser der ersten bis dritten Linse jeweils 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen;
Verhältnisse von Brechungsindex zu Abbe-Zahl der ersten bis dritten Linse jeweils 1,8:25, 1,48:68 bzw. 1,8:25 betragen;
ein Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche in einem Bereich von 10 bis 27 mm liegt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche in einem Bereich von 119 bis 125 mm liegt.
Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses von dem Brechungsindex zu der Abbe-Zahl und des Abstandes betragen 5%.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserbearbeitungsanlage bereitzustellen, die einen Laser, ein Aufweitungssystem, das ausgestaltet ist, um einen Laserstrahl, der von einem Laser emittiert wird, aufzuweiten, und eine Fokussierlinse, die ausgestaltet ist, um den aufgeweiteten Lichtstrahl zu fokussieren, umfasst, und das Aufweitungssystem ist das oben beschriebene Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem.
Vorteilhafte Wirkungen
Bei der vorliegenden Erfindung kann durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Linsen des Aufweitungssystems der Infrarot-Laserstrahl um das 2- bis 16-Fache des ursprünglichen vergrößert werden, was weit über den Vergrößerungsbereich des herkömmlichen Strahlaufweiters hinausgeht, so dass das Aufweitungssystem an mehr Laser mit unterschiedlichen Durchmessern und Divergenzwinkeln angepasst werden kann, wodurch der Verwendungsbereich des Aufweitungssystems erweitert und die Effizienz der Laserbearbeitung verbessert sind. Da außerdem die maximale Vergrößerung des Systems größer als die des herkömmlichen Strahlaufweiters ist, ist die Formgebungswirkung auf den Strahl besser und die Fokussierleistung des Strahls sowie die Genauigkeit der Laserbearbeitung sind effektiv verbessert.
Da das Aufweitungssystem einen größeren Vergrößerungsbereich aufweist und sehr anpassungsfähig ist, hat die Laserbearbeitungsanlage, die das Aufweitungssystem einsetzt, eine verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit und eine höhere Bearbeitungseffizienz.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht eines Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufwietungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Punktdiagramm des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Graph, der eine MTF-Charakteristik des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist ein Graph, der eine Energiekonzentration des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei weiterer Durchsicht der folgenden Beschreibung und Zeichnungen leicht ersichtlich werden. Die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollten nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt aufgefasst werden.
Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, die zur Erläuterung spezifische Details und Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktisch ausgeführt werden kann, zeigen.
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zur Erleichterung der Darstellung zeigt 1 nur einen Teil des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems, der mit der Ausführungsform in Beziehung steht.
Das Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem wird hauptsächlich auf Infrarotlicht, insbesondere Infrarotlicht mit der Wellenlänge von 1064 nm, angewandt. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das System eine erste Linse L1, eine zweite Linse L2 und eine dritte Linse L3, die koaxial entlang einer Übertragungsrichtung eines einfallenden Lichts sequenziell angeordnet sind. Die erste Linse L1 ist eine plankonvexe Sammellinse, die zweite Linse L2 ist eine negative Meniskuslinse und die dritte Linse L3 ist eine plankonvexe Sammellinse. Die erste Linse L1 umfasst eine erste Fläche S1 und eine zweite Fläche S2, die koaxial entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts sequentiell angeordnet sind, d.h. die erste Fläche S1 und die zweite Fläche S2 dienen als eine Lichteinfallsfläche bzw. eine Lichtaustrittsfläche. Ähnlich umfasst die zweite Linse L2 eine dritte Fläche S3 und eine vierte Fläche S4, und die dritte Linse L3 umfasst eine fünfte Fläche S5 und eine sechste Fläche S6. Das einfallende Licht wird entlang einer Richtung von der ersten Fläche S1 zu der sechsten Fläche S6 übertragen und ist nach dem Durchgang durch das gesamte Zoomstrahlaufweitungssystem aufgeweitet.
In dem System ist die erste Fläche S1 der ersten Linse L1 eine Ebene, ein Krümmungsradius der ersten Fläche S1 beträgt ∞, die zweite Fläche S2 der ersten Linse L1 ragt nach außen relativ zu der ersten Fläche S1 vor, und ein Krümmungsradius der zweiten Fläche S2 beträgt -27 mm. Das Minus gibt an, dass ein Kugelmittelpunkt der gekrümmten Fläche auf der Objektseite der gekrümmten Fläche angeordnet ist, und das Plus (in der Ausführungsform stellt ein Zahlenwert ohne Minus einen positiven Wert dar) gibt an, dass ein Kugelmittelpunkt der gekrümmten Fläche auf der Bildseite der gekrümmten Fläche angeordnet ist. In der folgenden Beschreibung wird obige Definition durchgehend auf Zahlenwerte angewandt. Außerdem beträgt eine Mittendicke d1 der ersten Linse L1 (d.h. die Dicke der ersten Linse L1 auf der optischen Achse) 2 mm und ein Außendurchmesser D1 der ersten Linse L1 beträgt 10 mm. Ein Verhältnis von einem Brechungsindex Nd1 zu einer Abbe-Zahl Vd1 der ersten Linse L1 beträgt 1,8:25. Jeder oben beschriebene Parameter ist nicht die einzige Option und hat einen Toleranzbereich von 5%, d.h. jeder Parameter der zweiten Linse L2 kann innerhalb von ± 5% variieren.
Die dritte Fläche S3 der zweiten Linse L2 ragt in Richtung der Objektseite vor, ein Krümmungsradius der dritten Fläche S3 beträgt 10 mm, die vierte Fläche S4 ragt auch in Richtung der Objektseite vor, ist aber relativ zu der dritten Fläche S3 konkav, und ein Krümmungsradius der vierten Fläche S4 beträgt 1.7 mm. Ein Verhältnis von einem Brechungsindex Nd3 zu einer Abbe-Zahl Vd3 der zweiten Linse L2 beträgt 1,48:68, eine Mittendicke d3 der zweiten Linse L2 beträgt 1 mm, und ein Außendurchmesser D2 der zweiten Linse L2 beträgt 3 mm. Ein Toleranzbereich jedes Parameters der zweiten Linse L2 beträgt immer noch 5%.
Die fünfte Fläche S5 der dritten Linse L3 ist eine Ebene, ein Krümmungsradius der fünften Fläche S5 ist ∞, die sechste Fläche S6 ragt nach außen relativ zu der fünften Fläche S5 vor, ein Krümmungsradius der sechsten Fläche S6 beträgt -103 mm. Ein Verhältnis von einem Brechungsindex Nd5 zu einer Abbe-Zahl Vd5 der dritten Linse L3 beträgt 1,8:25, eine Mittendicke d5 der dritten Linse L3 beträgt 4 mm, und ein Außendurchmesser D3 der dritten Linse L3 beträgt 34 mm. Ein Toleranzbereich jedes Parameters der zweiten Linse L2 beträgt ebenfalls 5%. Weiterhin sind dadurch der Abstand zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 und der Abstand zwischen der zweiten Linse L2 und der dritten Linse L3 begrenzt. Genauer beträgt der Abstand d2 auf der optischen Achse zwischen der Lichtaustrittsfläche (der zweiten Fläche S2) der ersten Linse L1 und der Lichteinfallsfläche (der dritten Fläche S3) der zweiten Linse L2 10 bis 27 mm, eine Toleranz des Abstandes d2 beträgt 5%, ein Abstand d4 auf der optischen Achse zwischen der Lichtaustrittsfläche (der vierten Fläche S4) der zweiten Linse L2 und der Lichteinfallsfläche (der fünften Fläche S5) der dritten Linse L3 beträgt 119 bis 125 mm, und und eine Toleranz des Abstandes d4 beträgt 5%.

Obige Lösung wird mit der folgenden Tabelle deutlicher veranschaulicht werden: Tabelle 1, Ausgestaltungsparameter des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems

L (Linse)	S (Fläche)	R (Krümmungsradius)	d (Abstand zwischen Flächen)	d (Mittendicke)	Material (Nd/Vd)	D (Außendurchmesser)
1	1	∞		2	1,8/25	10
1	2	-27	d2	2	1,8/25	10
2	3	10	d2	1	1,48/68	3
2	4	1,7	d4	1	1,48/68	3
3	5	∞	d4	4	1,8/25	34
3	6	-103		4	1,8/25	34

Nachdem jede Linse nach obigen Konstruktionsparametern ausgestaltet ist, kann der einfallende Infrarot-Laserstrahl durch das Strahlaufweitungssystems um das 2-bis 16-Fache vergrößert werden, und sein Aufweitungsbereich liegt weit jenseits des Vergrößerungsbereiches des herkömmlichen Strahlaufweiters, so dass das Aufweitungssystem an mehr Laser mit verschiedenen Durchmessern und Divergenzwinkeln angepasst werden kann, wodurch der Verwendungsbereich des Aufweitungssystems ausgedehnt und die Effizienz der Laserbearbeitung verbessert sind. Gemäß dem Lagrange-Invarianten-Theorem ist außerdem, wenn der Strahl aufgeweitet wird, der Divergenzwinkel desselben verringert und die maximale Vergrößerung des Systems ist größer als die des herkömmlichen Strahlaufweiters, was auch die Kontraktionswirkung des Lichtstrahl-Divergenzwinkels überlegen gegenüber der des Lichtstrahls macht, der durch die herkömmliche Strahlaufweitungslinse aufgeweitet wird, so dass ermöglicht wird, dass das austretende Licht einen höheren Grad an Parallelität und eine bessere Fokussierwirkung erhält und damit besser zu einem nachfolgendes Formen und Fokussieren im Verlauf der Laserbearbeitung führt, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert ist.
Das System kann an einen Laser mit einem Divergenzwinkel von ± 2 bis 4 Milliradian angepasst sein, d.h. der Winkelwert des Divergenzwinkels beträgt 2 bis 4 Milliradian). Ein Eintrittspupillen-Durchmesserbereich des Lasers beträgt 2 bis 8 mm, und ein Austrittspupillen-Durchmesserbereich davon beträgt bis zu 4 bis 32 mm, und eine optische Länge kann auf innerhalb von 150 mm gesteuert werden. Für den Infrarot-Laserstrahl mit einem größten Austrittsdurchmesser von 2 mm kann das Strahlaufweitungssystem den Infrarot-Laserstrahl um das 2- bis 16-Fache aufweiten, und für den Infrarot-Laserstrahl mit einem größten Austrittsdurchmesser von 8 mm kann das Strahlaufweitungssystem den Infrarot-Laserstrahl um das 2- bis 4-Fache aufweiten.
2, 3 und 4 zeigen eine Punktdarstellung, eine MTF-Charakteristik und eine Energiekonzentration des Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystems. Es kann aus den obigen beigefügten Zeichnungen geschlossen werden, dass das austretende Licht, das von dem Zoomstrahlaufweitungssystem aufgeweitet wird, eine bessere Fokussierbarkeit aufweist (dessen Konfusionsscheibe ist regelmäßig und dessen Konfusionsbereich klein, und die Energiekonzentration ist relativ hoch, wodurch eine hohe Effizienz und Präzision der Laserbearbeitung sichergestellt ist.
Vorzugsweise können die Krümmungsradien, die Verhältnisse von dem Brechungsindex zu der Abbe-Zahl, die Mittendicke und die Außendurchmesser der ersten, der zweiten und der dritten Linse aus den oben vorgesehenen spezifischen Parametern gewählt sein, d.h. der Krümmungsradius der ersten gekrümmten Fläche S1 beträgt ∞, der Krümmungsradius des zweiten gekrümmten Fläche S2 beträgt -27 mm, die Mittendicke d1 beträgt 2 mm, der Außendurchmesser D1 beträgt 10 mm und das Verhältnis von dem Brechungsindex Nd1 zu der Abbe-Zahl Vd1 der ersten Linse L1 beträgt 1,8:25. Die zweite Linse L2 und die dritte Linse L3 sind in ähnlicher Weise ausgestaltet. Die bevorzugte Lösung kann einen besseren Vergrößerungseffekt besitzen und ist speziell an Infrarot-Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm angepasst.
Ferner können auf der Grundlage der Schlüssellösung oder der bevorzugten Lösung der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 und der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 unterschiedlich aufgebaut sein, um unterschiedliche Strahlvergrößerungen β zu erhalten. Es sind mehrere spezifische bevorzugte Lösungen vorgesehen, wie folgt.
Als eine erste bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 26.6 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 119 mm festgelegt, sicherlich sind solche Parameter bevorzugte Parameter, und ähnlich betragen die Toleranzen der Abstände 5%. Gleichzeitig beträgt die Strahlvergrößerung β des Systems 2.
Als eine zweite bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 24.8 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 122,1 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 4.
Als eine dritte bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 22,4 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 123,3 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 6.
Als eine vierte bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 20 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 123,9 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 8.
Als eine fünfte bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 17,6 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 124,2 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 10.
Als eine sechste bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 15,2 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 124,4 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 12.
Als eine siebte bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 12,8 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 124,6 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 14.
Als eine achte bevorzugte Lösung ist der Abstand d2 auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche S2 und der dritten Fläche S3 als 10.4 mm festgelegt, der Abstand d4 auf einer optischen Achse zwischen der vierten Fläche S4 und der fünften Fläche S5 ist als 124,7 mm festgelegt, Toleranzen der Abstände betragen 5%, und die Strahlvergrößerung β des Systems beträgt 16.
Obige Lösung wird mit der folgenden Tabelle deutlicher veranschaulicht werden: Tabelle 2, Vergleichstabelle von Abstand zwischen gekrümmten Flächen der Linse, und Strahlvergrößerung.

d2 (mm) d4 (mm) β

26,6 119 2

24,8 122,1 4

22,4 123,3 6

20 123,9 8

17,6 124,2 10

15,2 124,4 12

12,8 124,6 14

10,4 124,7 16
Gemäß den oben beschriebenen bevorzugten Lösungen kann eine Vergrößerungswirkung um das 2- bis 16-Fache erhalten werden. In einem Lasermarkierungsverfahren können Abstände zwischen den drei Linsen gemäß einem Durchmesser der Austrittspupille und einem Divergenzwinkel von dem tatsächlichen Laser und spezifischen Bedingungen der Fokuslinse eingestellt werden, d.h. die Abstände zwischen den gekrümmten Flächen d2 und d4 sind derart eingestellt, dass eine geeignete Strahlaufweitungsprozedur für den Laserstrahl durchgeführt wird, wodurch ermöglicht wird, dass der aufgeweitete Laserstrahl ein Bearbeitungsgenauigkeitserfordernis einer Laserbearbeitung erfüllt und zu unterschiedlichen Laserbearbeitungs-Fokuslinsen passt, um eine ideale Kopplung zu erreichen, und so dass eine Laserbearbeitungsgenauigkeit und Berarbeitungsqualität verbessert sind.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem, das eine Strahlvergrößerung um das 2- bis 16-Fache erreichen kann, wobei dessen Vergrößerungsbereich weit über demjenigen eines herkömmlichen Strahlaufweiters liegt. Das Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem kann eine Laserbearbeitungsgenauigkeit und eine Bearbeitungsqualität signifikant verbessern und hat einen breiteren Anwendungsbereich und ist geeignet, um von einer Vielzahl von Infrarot-Laserbearbeitungsvorrichtungen eingesetzt zu werden, wobei es als ein Aufweitungssystem der Vorrichtung wirkt, um den von dem Laser emittierten Lichtstrahl aufzuweiten und dann den aufgeweiteten Lichtstrahl durch eine Fokuslinse auf ein zu bearbeitendes Werkstück zu fokussieren.
Da das Aufweitungssystem einen größeren Vergrößerungsbereich aufweist und sehr anpassungsfähig ist, wird bewirkt, dass eine Laserbearbeitungsanlage, die das Aufweitungssystem einsetzt, eine verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit und eine höhere Bearbeitungseffizienz aufweist.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen und die besten Arten zum Ausführen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist Fachleuten ersichtlich, dass eine Vielzahl von Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, der allein durch die beigefügten Ansprüche definiert sein soll.

Claims

Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem, umfassend: eine erste Linse, eine zweite Linse und eine dritte Linse, die koaxial entlang einer Übertragungsrichtung eines einfallenden Lichtes sequentiell angeordnet sind, wobei die erste Linse und die dritte Linse plankonvexe Sammellinsen sind und die zweite Linse eine negative Meniskuslinse ist; wobei die erste Linse eine erste Fläche und eine zweite Fläche umfasst, die zweite Linse eine dritte Fläche und eine vierte Fläche umfasst, die dritte Linse eine fünfte Fläche und eine sechste Fläche umfasst, und die erste bis sechste Fläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts sequentiell angeordnet sind; Krümmungsradien der ersten bis sechsten Flächen jeweils ∞, -27 mm, 10 mm, 1,7 mm, ∞ bzw. -103 mm betragen; Mittendicken der ersten bis dritten Linse jeweils 2 mm, 1 mm bzw. 4 mm betragen; Außendurchmesser der ersten bis dritten Linse jeweils 10 mm, 3 mm bzw. 34 mm betragen; Verhältnisse von Brechungsindex zu Abbe-Zahl der ersten bis dritten Linse jeweils 1,8:25, 1,48:68 bzw. 1,8:25 betragen; ein Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche in einem Bereich von 10 bis 27 mm liegt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche in einem Bereich von 119 bis 125 mm liegt; Toleranzen des Krümmungsradius, der Mittendicke, des Außendurchmessers, des Verhältnisses von dem Brechungsindex zu der Abbe-Zahl und des Abstandes 5% betragen.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 26,6 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 119 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 24,8 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 122,1 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 22,4 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 123,3 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 20 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 123,9 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 17,6 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 124,2 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 15,2 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 124,4 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 12,8 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 124,6 mm beträgt.
Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Abstand auf einer optischen Achse zwischen der zweiten Fläche und der dritten Fläche 10,4 mm beträgt, und ein Abstand auf der optischen Achse zwischen der vierten Fläche und der fünften Fläche 124,7 mm beträgt.
Laserbearbeitungsanlage, die einen Infrarot-Laser, ein Aufweitungssystem, das ausgestaltet ist, um einen Laserstrahl, der durch den Infrarot-Laser emittiert wird, aufzuweiten, und eine Fokussierlinse umfasst, die ausgestaltet ist, um den aufgeweiteten Strahl zu fokussieren, wobei das Aufweitungssystem das Infrarot-Laser-Zoomstrahlaufweitungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.