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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Optik und insbesondere betrifft sie eine optische Linse, die bei der Laserverarbeitung angewendet wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mit zunehmendem Wachstum der Laserverarbeitungstechnologie wird eine vollständige Überwachung eines Laserverarbeitungsprozesses (Laserbeschriftung oder Laserschneiden) gewünscht, um die Verarbeitungsqualität sicherzustellen. Gegenwärtig besteht das übliche Überwachungsverfahren darin, ein CCD-Überwachungssystem zum Überwachen des Gesamtprozesses zu verwenden. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Verarbeitungssystem, bei dem das Fokussieren zu Beginn der Verarbeitung mit dem bloßen Auge durchgeführt wird, kann das CCD-Überwachungssystem den gesamten Prozess überwachen. Durch Überwachen des gesamten Prozesses können die Parameter im Fall von Qualitätsproblemen unmittelbar verstellt werden, wodurch die Qualität der Verarbeitung sichergestellt wird.
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Das aktuelle CCD-Überwachungssystem weist bei den Wellenlängen des langwelligen Infrarotlichts eine „dürftige“ Sicht auf, und es weist eine höhere Empfindlichkeit bei dem Frequenzbereich in der Region mit Rotlicht auf, weshalb das CCD-Überwachungssystem für gewöhnlich Rotlicht im Betrieb verwendet. Wenn das System bei der Verarbeitung jedoch einen Laser mit einer langwelligen Infrarotwellenlänge verwendet, gibt es eine chromatische Aberration bei der Bilderfassung des CCD-Überwachungssystems, sodass es die Verarbeitung in Echtzeit nicht wirklichkeitsgetreu wiedergeben kann.
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Die Druckschrift
DE 10 2012 006 244 A1 offenbart ein farbkorrigiertes F-Theta-Objektiv für die Lasermaterialbearbeitung mit sechs Einzellinsen, wobei die erste Linse eine bikonkave Linse ist, die zweite Linse eine Meniskuslinse ist, die dritte Linse eine bikonvexe Linse ist, die vierte Linse eine Plankonvexlinse ist, die fünfte Linse eine bikonvexe Linse ist und die sechste Linse eine bikonkave Linse ist.
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In der Druckschrift
US 5 111 325 A ist eine F-Theta-Linse mit sechs Einzellinsen offenbart, wobei die erste Linse eine negative Meniskuslinse ist, die zweite Linse eine positive Meniskuslinse ist, die dritte Linse eine positive Meniskuslinse ist, die vierte Linse eine bikonvexe Linse ist, die fünfte Linse eine bikonvexe Linse ist und die sechste Linse eine bikonkave Linse ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Folglich ist es notwendig, eine optische Linse bereitzustellen, die an die Arbeitswellenlänge in der Region mit langwelligem Infrarot angepasst werden kann und die chromatische Aberration in dem Überwachungssystem bei der Bilderfassung beseitigen kann, wenn eine Überwachungswellenlänge in der Region mit Rotlicht verwendet wird.
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Eine optische Linse umfasst in einer sukzessiven koaxialen Anordnung entlang einer Übertragungsrichtung von einfallendem Licht: eine erste Linse, die eine negative Meniskuslinse ist und eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist; eine zweite Linse, die eine positive Meniskuslinse ist und eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche aufweist; eine dritte Linse, die eine positive Meniskuslinse ist und eine fünfte Oberfläche und eine sechste Oberfläche aufweist; eine vierte Linse, die eine bikonvexe Linse ist und eine siebte Oberfläche und eine achte Oberfläche aufweist; und eine fünfte Linse, die eine negative Meniskuslinse ist und eine neunte Oberfläche und eine zehnte Oberfläche aufweist; wobei die zwei Oberflächen jeder Linse eine Lichteinfalloberfläche bzw. eine Lichtausgangsoberfläche der Linse sind; die erste Oberfläche bis zur zehnten Oberfläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind; die erste Oberfläche, die zweite Oberfläche, die dritte Oberfläche, die vierte Oberfläche, die fünfte Oberfläche, die sechste Oberfläche, die achte Oberfläche und die neunte Oberfläche zu der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts hin konvexe Oberflächen sind und die siebte Oberfläche eine konvexe Oberfläche gegen die Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts ist.
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In einer Ausführungsform weist die erste Oberfläche einen Krümmungsradius von -56 mm ±5% auf; die zweite Oberfläche weist einen Krümmungsradius von -300 mm ±5% auf; die erste Linse weist eine Dicke in der Mitte von 6 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform weist die dritte Oberfläche einen Krümmungsradius von -110 mm ±5% auf; die vierte Oberfläche weist einen Krümmungsradius von -80 mm ±5% auf; die zweite Linse weist eine Dicke in der Mitte von 12 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform weist die fünfte Oberfläche einen Krümmungsradius von -4000 mm ±5% auf; die sechste Oberfläche weist einen Krümmungsradius von -90 mm ±5% auf; die dritte Linse weist eine Dicke in der Mitte von 22 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform weist die siebte Oberfläche einen Krümmungsradius von 300 mm ±5% auf; die achte Oberfläche weist einen Krümmungsradius von -200 mm ±5% auf; die vierte Linse weist eine Dicke in der Mitte von 22 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform weist die neunte Oberfläche einen Krümmungsradius von -150 mm ±5% auf; die zehnte Oberfläche weist einen Krümmungsradius von ∞ auf; die fünfte Linse weist eine Dicke in der Mitte von 4 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform beträgt ein Intervall an einer optischen Achse zwischen der zweiten Oberfläche der ersten Linse und der dritten Oberfläche der zweiten Linse 4 mm ±5%; ein Intervall an der optischen Achse zwischen der vierten Oberfläche der zweiten Linse und der fünften Oberfläche der dritten Linse beträgt 1,5 mm ±5%; ein Intervall an der optischen Achse zwischen der sechsten Oberfläche der dritten Linse und der siebten Oberfläche der vierten Linse beträgt 0,5 mm ±5%; ein Intervall an der optischen Achse zwischen der achten Oberfläche der vierten Linse und der neunten Oberfläche der fünften Linse beträgt 10 mm ±5%.
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In einer Ausführungsform enthält die optische Linse ferner eine sechste Linse, die eine planare Linse ist; wobei die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse, die vierte Linse, die fünfte Linse und die sechste Linse nacheinander koaxial entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform weist die sechste Linse eine Dicke in der Mitte von 4 mm ±5% auf.
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In einer Ausführungsform weist die sechste Linse eine elfte Oberfläche als Lichteinfallsoberfläche und eine zwölfte Oberfläche als Lichtausgangsoberfläche auf, und ein Intervall an einer optischen Achse zwischen der zehnten Oberfläche der fünften Linse und der elften Oberfläche der sechsten Linse beträgt 2 mm ±5%.
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Die vorstehend erwähnte optische Linse kann bei einem optischen System einer Laserverarbeitungsvorrichtung angewendet werden, welche eine Wellenlänge in der langwelligen Infrarotregion als Wellenlänge für die Laserverarbeitung verwendet. Wenn eine Wellenlänge mit Rotlicht als Überwachungswellenlänge verwendet wird, kann das Überwachungssystem einen besseren Bilderfassungseffekt erreichen, wodurch die Qualität der Laserverarbeitung sichergestellt wird.
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Figurenliste
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Diese und andere Gegenstände, Vorteile, Zwecke und Merkmale werden bei einer Durchsicht der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen offenbar werden. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, stattdessen liegt der Schwerpunkt auf einer klaren Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Darüber hinaus bezeichnen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
- 1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Linse in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ist eine graphische Darstellung, die eine Feldkrümmung und Verzerrung der optischen Linse von 1 zeigt;
- 3 ist eine graphische Darstellung, die ein Dispersionsmuster der optischen Linse von 1 zeigt; und
- 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Modulationstransferfunktion (M.T.F) der optischen Linse von 1 zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, um Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail zu beschreiben.
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Es wird angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung die Ausbreitungsrichtung des Lichts von der linken Seite der Zeichnung zu der rechten Seite verläuft. Der positive oder negative Krümmungsradius der Linse wird ermittelt, indem eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Schnittpunkt der gekrümmten Oberfläche mit der optischen Hauptachse und einem Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche der gekrümmten Oberfläche verwendet wird. Wenn der Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche links vom Schnittpunkt liegt, weist der Krümmungsradius einen negativen Wert auf; wenn der Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche hingegen rechts von Schnittpunkt liegt, weist der Krümmungsradius einen positiven Wert auf. Zudem wird die Seite links von der Linse als Objektseite bezeichnet und die andere Seite rechts von der Linse wird als Bildseite bezeichnet. Eine positive Linse ist eine Linse, bei der die Dicke in der Mitte größer als die Dicke am Rand ist, und eine negative Linse ist eine Linse, bei der die Dicke in der Mitte kleiner als die Dicke am Rand ist.
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1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Linse in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zu Darstellungszwecken sind nur Abschnitte gezeigt, die mit einer Implementierung der Offenbarung in Beziehung stehen. Die optische Linse umfasst eine erste Linse L1, eine zweite Linse L2, eine dritte Linse L3, eine vierte Linse L4 und eine fünfte Linse L5, die entlang einer Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet sind.
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Die erste Linse L1 enthält eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2, die zweite Linse L2 enthält eine dritte Oberfläche S3 und eine vierte Oberfläche S4, die dritte Linse L3 weist eine fünfte Oberfläche S5 und eine sechste Oberfläche S6 auf; die vierte Linse L4 weist eine siebte Oberfläche S7 und eine achte Oberfläche S8 auf; und die fünfte Linse L5 weist eine neunte Oberfläche S9 und eine zehnte Oberfläche S10 auf. Zwei Oberflächen jeder Linse dienen als Lichteinfallsoberfläche bzw. Lichtausgangsoberfläche. Die erste Oberfläche S1 bis zur zehnten Oberfläche S10 sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet.
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Die erste Linse L1 ist eine negative Meniskuslinse. Die erste Oberfläche S1 der ersten Linse L1 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die erste Oberfläche S1 weist einen Krümmungsradius von -56 mm auf. Die zweite Oberfläche S2 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die zweite Oberfläche S2 weist einen Krümmungsradius von -300 mm auf. Die erste Linse L1 weist eine Dicke d1 in der Mitte (d.h. eine Dicke der ersten Linse L1 entlang der optischen Hauptachse) von 6 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die erste Linse L1 aus Nd 1,76: Vd27 (Brechungsindex: Streufaktor).
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Die zweite Linse L2 ist eine positive Meniskuslinse. Die dritte Oberfläche S3 der zweiten Linse L2 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die dritte Oberfläche S3 weist einen Krümmungsradius von -110 mm auf. Die vierte Oberfläche S4 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die vierte Oberfläche S4 weist einen Krümmungsradius von -80 mm auf. Die zweite Linse L2 weist eine Dicke d3 in der Mitte von 12 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die zweite Linse L2 aus Nd 1,69: Vd56.
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Die dritte Linse L3 ist eine positive Meniskuslinse. Die fünfte Oberfläche S5 der dritten Linse L3 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche, und die fünfte Oberfläche S5 weist einen Krümmungsradius von -400 mm auf. Die sechste Oberfläche S6 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die sechste Oberfläche S6 weist einen Krümmungsradius von -90 mm auf. Die dritte Linse L3 weist eine Dicke d5 in der Mitte von 22 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die dritte Linse L3 aus Nd 1,69: Vd56.
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Die vierte Linse L4 ist eine bikonvexe Linse. Die siebte Oberfläche S7 der vierten Linse L4 ist eine zu dem Objekt hin konvexe Oberfläche und die siebte Oberfläche S7 weist einen Krümmungsradius von 300 mm auf. Die achte Oberfläche S8 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die achte Oberfläche S8 weist einen Krümmungsradius von -200 mm auf. Die vierte Linse L4 weist eine Dicke d7 in der Mitte von 22 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die vierte Linse L4 aus Nd 1,69: Vd56.
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Die fünfte Linse L5 ist eine negative Meniskuslinse. Die neunte Oberfläche S9 der fünften Linse L5 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die neunte Oberfläche S9 weist einen Krümmungsradius von -150 mm auf. Die zehnte Oberfläche S10 ist eine Ebene mit einem Krümmungsradius von Unendlich (∞). Die fünfte Linse L5 weist eine Dicke d9 in der Mitte von 4 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die fünfte Linse L5 aus Nd 1,6: Vd36.
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Ferner sind Intervalle zwischen jeder Linse wie folgt ausgestaltet. Insbesondere beträgt ein Intervall d2 an einer optischen Achse zwischen der Lichtausgangsoberfläche (der zweiten Oberfläche S2) der ersten Linse L1 und der Lichteinfallsoberfläche (der dritten Oberfläche S3) der zweiten Linse L2 4 mm mit einer Toleranz von 5%, d.h. das Intervall d2 kann innerhalb von ±5% um den erwarteten Wert variieren.
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Ein Intervall d4 an der optischen Achse zwischen der Lichtausgangsoberfläche (der vierten Oberfläche S4) der zweiten Linse L2 und der Lichteinfallsoberfläche (der fünften Oberfläche S5) der dritten Linse L3 beträgt 0,5 mm mit einer Toleranz von 5%, d.h. das Intervall d4 kann innerhalb von ±5% um den erwarteten Wert variieren.
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Ein Intervall d6 an der optischen Achse zwischen der Lichtausgangsoberfläche (der sechsten Oberfläche S6) der dritten Linse L3 und der Lichteinfallsoberfläche (der siebten Oberfläche S7) der vierten Linse L4 beträgt 0,5 mm mit einer Toleranz von 5%, d.h. das Intervall d6 kann innerhalb von ±5% um den erwarteten Wert variieren.
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Ein Intervall d8 an der optischen Achse zwischen der Lichtausgangsoberfläche (der achten Oberfläche S8) der vierten Linse L4 und der Lichteinfallsoberfläche (der neunten Oberfläche S9) der fünften Linse L5 beträgt 10 mm mit einer Toleranz von 5%, d.h. das Intervall d8 kann innerhalb von ±5% um den erwarteten Wert variieren.
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In einer Ausführungsform enthält die optische Linse ferner eine sechste Linse L6. Die erste Linse L1, die zweite Linse L2, die dritte Linse L3, die vierte Linse L4, die fünfte Linse L5 und die sechste Linse L6 sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet.
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Die sechste Linse L6 enthält eine elfte Oberfläche S11, die als Lichteinfallsoberfläche dient, und eine zwölfte Oberfläche S12, die als Lichtausgangsoberfläche dient. Als Schutzkomponente ist die sechste Linse L6 eine planare Linse, so dass die Krümmungsradien der elften Oberfläche S11 und der zwölften Oberfläche S12 unendlich sind. Die sechste Linse L6 weist eine Dicke d11 in der Mitte von 4 mm auf. Zudem beträgt ein Intervall d10 an der optischen Achse zwischen der Lichtausgangsoberfläche (der zehnten Oberfläche S10) der fünften Linse L5 und der Lichteinfallsoberfläche (der elften Oberfläche S11) der sechsten Linse L6 2 mm. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass die Existenz bestimmter Toleranzen erlaubt sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5%, d.h. diese Parameter können innerhalb von ±5% um die erwarteten Werte variieren. In einer Ausführungsform besteht die sechste Linse L6 aus Nd 1,5: Vd64.
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Die Lösung der vorstehenden Ausführungsform wird in den folgenden Kurzbeschreibungen deutlicher beschrieben:
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Die erste Linse L1:
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Die erste Oberfläche S1, Krümmungsradius von -56 mm;
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Die zweite Oberfläche S2, Krümmungsradius von -300 mm;
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Die Dicke der Mitte beträgt 6 mm;
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Das Material: 1,76/27;
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Die zweite Linse L2:
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Die dritte Oberfläche S3, Krümmungsradius von -110 mm;
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Die vierte Oberfläche S4, Krümmungsradius von -80 mm;
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Die Dicke der Mitte beträgt 12 mm;
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Das Material 1,69/56;
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Die Distanz zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 beträgt 4 mm.
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Die dritte Linse L3:
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Die fünfte Oberfläche S5, Krümmungsradius von -400 mm;
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Die sechste Oberfläche S6, Krümmungsradius von -90 mm;
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Die Dicke der Mitte beträgt 22 mm;
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Das Material: 1,69/56;
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Die Distanz zwischen der zweiten Linse L2 und der dritten Linse L3 beträgt 0,5 mm.
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Die vierte Linse L4:
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Die siebte Oberfläche S7, Krümmungsradius von 300 mm;
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Die achte Oberfläche S8, Krümmungsradius von -200 mm;
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Die Dicke der Mitte beträgt 22 mm;
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Das Material: 1,69/56;
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Die Distanz zwischen der dritten Linse L3 und der vierten Linse L4 beträgt 0,5 mm.
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Die fünfte Linse L5:
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Die neunte Oberfläche S9, Krümmungsradius von -150 mm;
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Die zehnte Oberfläche S10, Krümmungsradius von ∞;
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Die Dicke der Mitte beträgt 4 mm;
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Das Material: 1,6/36;
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Die Distanz zwischen der vierten Linse L4 und der fünften Linse L5 beträgt 10 mm.
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Die sechste Linse L6:
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Die elfte Oberfläche S11, Krümmungsradius von ∞;
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Die zwölfte Oberfläche S12, Krümmungsradius von ∞;
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Die Dicke der Mitte beträgt 4 mm;
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Das Material: 1,5/64;
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Die Distanz zwischen der fünften Linse L5 und der sechsten Linse L6 beträgt 2 mm.
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Ein optisches System, das die vorstehende optische Linse verwendet, kann eine Laserverarbeitung unter Verwendung von rotem oder infrarotem Licht mit einer Wellenlänge in einem Bereich von 1064 bis 630 nm als Lichtquelle ausführen. In einer Laserverarbeitungsvorrichtung, die mit einem CCD-Überwachungssystem ausgestattet ist, welches Rotlicht als Überwachungslichtquelle verwendet, kann die Farbaberration in dem CCD-Bild aufgrund dieser optischen Linse vermieden werden, wodurch ein besserer Bilderfassungseffekt und eine bessere Echtzeitüberwachung der Verarbeitung erhalten wird.
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Als Nächstes werden die optischen Effekte der Laserverarbeitungsvorrichtung, welche die optische Linse aufweist, mit Bezug auf 2 bis 4 erläutert, indem der Laser mit langwelligem Infrarot (λ = 1064 nm) und das sichtbare Beleuchtungslicht (λ = 632 nm) gewählt werden.
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Die speziellen Parameter der optischen Linse sind wie folgt: f = 210 mm; Φ = 30 mm; Markierungsbereich: A = 130*130 mm2, wobei f die Brennweite der optischen Linse ist und Φ der Eintrittspupillendurchmesser ist.
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2 ist eine graphische Darstellung, die eine Feldkrümmung und Verzerrung der optischen Linse zeigt. Wie aus 2 ersichtlich ist, beträgt die axiale chromatische Aberration ΔCI = 0,15 - 0,2, die Vergrößerung der chromatischen Aberration ACII ≈ 0, welche ideal sind.
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3 ist eine Darstellung der geometrischen Aberration der Linse. Wie aus 3 ersichtlich ist, beträgt der geometrische Dispersionskreis [engl.: geometric dispersion circle] in allen Sichtfeldern etwa 0,01 mm, was ideal ist.
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4 ist eine graphische Darstellung, die eine Modulationstransferfunktion (M.T.F) der optischen Linse zeigt. Aus 4 ist ersichtlich, dass M.T.F 0,6 ist, wenn die Auflösung 20 Linienpaare erreicht, was vollständig ausreicht, um die Anforderungen der Laserverarbeitung zu erfüllen.
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Durch Verwendung der optischen Linse in Übereinstimmung mit der Ausführungsform kann Licht mit einer Arbeitswellenlänge wie etwa λ = 1064 nm und mit einer Wellenlänge von sichtbarem Licht von λ = 632 nm für CCD auf die gleiche Bildebene fokussiert werden, so dass die gesamte Laserverarbeitungsprozedur wirklichkeitsgetreu in die CCD-Zielebene reflektiert werden kann, wodurch der gesamte Beschriftungsprozess überwacht werden kann, um sicherzustellen, dass der gesamte Beschriftungsprozess genau verläuft.
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Obwohl die Beschreibung hier mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, dass die Beschreibung auf die gezeigten Details beschränkt wird. In den Details können Modifikationen innerhalb des Umfangs und der Bereichsäquivalente der Ansprüche durchgeführt werden.
