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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Optik, und sie betrifft insbesondere eine optische Linse, die bei einer Laserverarbeitung angewendet wird. Verwandte Technologie ist aus
CN 103 988 108 A bekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei der modernen Laserverarbeitung ist es bei einigen speziellen Umständen notwendig, dass durch die Laserverarbeitung dünne Linien mit einem großen Verhältnis von Länge zu Breite oder zylindrische Löcher mit einer relativ großen Tiefe und einer kleinen Öffnung geschnitten werden. Beispielsweise ist es in einigen Fällen notwendig, eine Linie mit einer Tiefe von 0,5 mm und mit einer Breite von nur 0,05 mm zu erzeugen. Es gibt einige andere Gelegenheiten, bei der es erforderlich ist, ein zylindrisches Loch mit einer Tiefe von 0,5 mm und einer Öffnung von nur 0,05 mm zu erzeugen. Wenn die Öffnung zu klein ist, werden aufgrund der Blendengrößenbegrenzung des optischen Systems beim Verarbeiten scharfkantige diffuse Punkte erscheinen und die Laserenergie wird nicht ausreichen. Wenn die Öffnung vergrößert wird, dann kann es sein, dass die erzeugten dünnen Linien oder tiefen Löcher die Anforderungen an die Größe nicht erfüllen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Folglich ist es notwendig, eine optische Linse bereitzustellen, die zum Erzeugen von dünnen Linien oder kleinen Löchern verwendet werden kann.
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Eine optische Linse umfasst entlang einer Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet: eine erste Linse, die eine positive planar-konvexe Linse ist und eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist; eine zweite Linse, die eine positive planar-konvexe Linse ist und eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche aufweist; und eine dritte Linse, die eine negative Meniskuslinse ist und eine fünfte Oberfläche und eine sechste Oberfläche aufweist; wobei zwei Oberflächen jeder Linse jeweils eine Lichteinfallsoberfläche und eine Lichtausgangsoberfläche der Linse sind; die erste Oberfläche bis zur sechsten Oberfläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind; die erste Oberfläche und die dritte Oberfläche gegen die Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts konvexe Oberflächen sind; die fünfte Oberfläche und die sechste Oberfläche zu der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts hin konvexe Oberflächen sind; wobei die dritte Oberfläche gebildet wird, indem sukzessiv und direkt mehrere bogenförmige Oberflächen mit unterschiedlichen Brennpunkten verbunden werden und die Brennpunkte der mehreren bogenförmigen Oberflächen auf einer optischen Achse liegen.
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In einer Ausführungsform umfasst die dritte Oberfläche nacheinander koaxial entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts: eine erste bogenförmige Oberfläche, eine zweite bogenförmige Oberfläche, eine dritte bogenförmige Oberfläche, eine vierte bogenförmige Oberfläche und eine fünfte bogenförmige Oberfläche, wobei die Brennpunkte der ersten bogenförmigen Oberfläche, der zweiten bogenförmigen Oberfläche, der dritten bogenförmigen Oberfläche, der vierten bogenförmigen Oberfläche und der fünften bogenförmigen Oberfläche entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander auf der optischen Achse angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform weist die erste Oberfläche einen Krümmungsradius von 21 mm ± 5 % auf; die erste Linse weist eine Dicke in der Mitte von 3 mm ± 5 % auf.
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In einer Ausführungsform weist die dritte Oberfläche einen Krümmungsradius von 68 mm ± 5 % auf; die zweite Linse weist eine Dicke in der Mitte von 2 mm ± 5 % auf.
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In einer Ausführungsform weist die dritte Oberfläche eine Dicke in der Mitte von 0,45 mm ± 5 % auf.
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In einer Ausführungsform weist die fünfte Oberfläche einen Krümmungsradius von -10 mm ± 5 % auf; die sechste Oberfläche weist einen Krümmungsradius von -30 mm ± 5 % auf; die dritte Linse weist eine Dicke in der Mitte von 1 mm ± 5 % auf.
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In einer Ausführungsform beträgt ein Intervall an der optischen Achse zwischen der zweiten Oberfläche der ersten Linse und der dritten Oberfläche der zweiten Linse 0,2 mm ± 5 %; ein Intervall an der optischen Achse zwischen der vierten Oberfläche der zweiten Linse und der fünften Oberfläche der dritten Linse beträgt 18 mm ± 5 %.
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In einer Ausführungsform umfasst die optische Linse ferner eine vierte Linse, die eine planare Linse ist; wobei die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse und die vierte Linse entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform weist die vierte Linse eine Dicke in der Mitte von 1 mm ± 5 % auf.
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In einer Ausführungsform weist die vierte Linse eine siebte Oberfläche als Lichteinfallsoberfläche und eine achte Oberfläche als Lichtausgangsoberfläche auf, wobei ein Intervall an der optischen Achse zwischen der siebten Oberfläche der vierten Linse und der sechsten Oberfläche der dritten Linse 1 mm ± 5 % beträgt. Die vorstehend erwähnte optische Linse kann in einem optischen System angewendet werden, um ein tiefes und dünnes Loch oder eine tiefe und dünne Linie zu erzeugen. Beispielsweise kann die optische Linse verwendet werden, um eine Linie mit einer Tiefe von 0,5 mm und einer Breite von 0,05 mm oder ein zylindrisches Loch mit einer Tiefe von 0,5 mm und einer Öffnung von nur 0,05 mm zu erzeugen.
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Figurenliste
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Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, da der Fokus stattdessen auf einer klaren Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung liegt. Darüber hinaus bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen 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 schematische Darstellung einer zweiten Linse der optischen Linse von 1;
- 3 ist eine Darstellung der geometrischen Aberration der optischen Linse von 1;
- 4 ist eine graphische Darstellung, die eine Modulationstransferfunktion (M.T.F) der optischen Linse von 1 zeigt; und
- 5 ist eine graphische Darstellung, welche eine Kurve der Energiekonzentration der optischen Linse von 1 zeigt.
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GENAUE DR 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 sei angemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung die Ausbreitungsrichtung von Licht 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 von dem Schnittpunkt liegt, weist der Krümmungsradius einen negativen Wert auf und wenn der Mittelpunkt der sphärischen Oberfläche hingegen rechts vom 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 welcher 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 Zeichnung einer optischen Linse in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zu Darstellungszwecken sind nur Abschnitte gezeigt, die in Bezug zu einer Implementierung der Offenbarung stehen. Die optische Linse enthält eine erste Linse L1, eine zweite Linse L2 und eine dritte Linse L3, die nacheinander und koaxial entlang einer Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts 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, und die dritte Linse L3 weist eine fünfte Oberfläche S5 und eine sechste Oberfläche S6 auf. Zwei Oberflächen jeder Linse dienen jeweils als Lichteinfallsoberfläche und als Lichtausgangsoberfläche. Die erste Oberfläche S1 bis zur sechsten Oberfläche S6 sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet.
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Die erste Linse L1 ist eine positive planar-konvexe Linse. Die erste Oberfläche S1 der ersten Linse L1 ist eine zu dem Objekt hin konvexe Oberfläche, und die erste Oberfläche S1 weist einen Krümmungsradius von 21 mm auf. Die zweite Oberfläche S2 ist eine Ebene mit einem unendlichen Krümmungsradius. Die erste Linse L1 weist eine Dicke d1 in der Mitte (d.h. eine Dicke der ersten Linse L1 entlang der optischen Hauptachse) von 3 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind, und dass die Existenz bestimmter Toleranzen zulässig sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5 %, d.h. diese Parameter können innerhalb von ± 5 % um die erwarteten Werte variieren.
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Die zweite Linse L2 ist eine positiv planar-konvexe Linse. Die dritte Oberfläche S3 der zweiten Linse L2 ist eine zu dem Objekt hin konvexe Oberfläche, und die dritte Oberfläche S3 weist einen Krümmungsradius von 68 mm auf. Die vierte Oberfläche S4 ist eine Ebene mit einem unendlichen Krümmungsradius. Die zweite Linse L2 weist eine Dicke d3 in der Mitte von 3 mm auf. Die vorstehenden Parameter sind analog erwartete Werte und die Existenz bestimmter Toleranzen kann zulässig sein. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5 %, d.h. diese Parameter können innerhalb von ± 5 % um die erwarteten Werte variieren.
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Mit Bezug auch auf 2 besteht die dritte Oberfläche S3 der zweiten Linse L2 aus mehreren bogenförmigen Oberflächen mit unterschiedlichen Brennpunkten, die nacheinander und direkt miteinander verbunden sind. Die Brennpunkte der mehreren bogenförmigen Oberflächen liegen auf einer optischen Achse. Die dritte Oberfläche S3 enthält nacheinander koaxial entlang der Übertragungsrichtung der einfallenden Lichts: eine erste bogenförmige Oberfläche Φ1, eine zweite bogenförmige Oberfläche Φ2, eine dritte bogenförmige Oberfläche Φ3, eine vierte bogenförmige Oberfläche Φ4 und eine fünfte bogenförmige Oberfläche Φ5. Die Brennpunkte der ersten bogenförmige Oberfläche Φ1, der zweiten bogenförmigen Oberfläche Φ2, der dritten bogenförmigen Oberfläche Φ3, der vierten bogenförmigen Oberfläche Φ4 und der fünften bogenförmigen Oberfläche Φ5 sind f1, f2, f3, f4 bzw. f5, welche auf der optischen Achse entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet sind. Die dritte Oberfläche S3 weist eine Dicke d8 in der Mitte (d.h. eine Dicke der dritten Oberfläche S3 entlang der optischen Hauptachse) von 0,45 mm auf. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt analog 5 %, d.h. diese Parameter können innerhalb von ± 5 % um die erwarteten Werte variieren.
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Die dritte Linse L3 ist eine negative 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 -10 mm auf. Die sechste Oberfläche S6 der dritten Linse L3 ist eine zu dem Bild hin konvexe Oberfläche und die sechste Oberfläche S6 weist einen Krümmungsradius von -30 mm auf. Die dritte Linse L3 weist eine Dicke d5 in der Mitte von 1 mm auf. Die vorstehenden Parameter sind analog erwartete Werte, und die Existenz bestimmter Toleranzen kann zulässig sein. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5 %, d.h. diese Parameter können innerhalb von ± 5 % um die erwarteten Werte variieren.
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Ferner sind Intervalle zwischen jeder Linse wie folgt konfiguriert. Speziell 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 0,2 mm mit einer Toleranz von 5 %, d.h. das Intervall d2 kann innerhalb von ± 5 % um den erwarteten Wert variieren. 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 18 mm mit einer Toleranz von 5 %, d.h. das Intervall d4 kann innerhalb von ± 5 % um den erwarteten Wert variieren.
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In einer Ausführungsform enthält die optische Linse ferner eine vierte Linse L4. Die erste Linse L1, die zweite Linse L2, die dritte Linse L3 und die vierte Linse L4 sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet.
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Die vierte Linse L4 enthält eine siebte Oberfläche S7, die als Lichteinfallsoberfläche dient, und eine achte Oberfläche S8, die als Lichtausgangsoberfläche dient. Als Schutzkomponente ist die vierte Linse L4 eine planare Linse, so dass die Krümmungsradien der siebten Oberfläche S7 und der achten Oberfläche S8 unendlich sind. Die vierte Linse L4 weist eine Dicke d7 in der Mitte von 1 mm auf. Zudem beträgt ein Intervall d6 an der optischen Achse zwischen der siebten Oberfläche S7 (der Lichteinfallsoberfläche) der vierten Linse L4 und der sechsten Oberfläche S6 (der Lichtausgangsoberfläche) der dritten Linse L3 1 mm. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind, und dass die Existenz bestimmter Toleranzen zulässig sein kann. Die Toleranz für die vorstehenden Parameter beträgt 5 %, d.h. diese Parameter können innerhalb von ± 5 % um die erwarteten Werte variieren.
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Die vorstehende Linse kann aus einem allgemeinen optischen Glas bestehen. In einigen Ausführungsformen kann Quarzglas verwendet werden, um den Anwendungsbereich auf den Ultraviolettlaser auszudehnen.
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Die Lösung der vorstehenden Ausführungsform wird in den folgenden Kurzbeschreibungen deutlicher beschrieben:
- Die erste Linse L1:
- Die erste Oberfläche S1, Krümmungsradius 21 mm;
- Die zweite Oberfläche S2, Krümmungsradius ∞;
- Die Dicke in der Mitte, 3 mm;
- Das Material: SILICA bzw. Siliziumdioxid;
- Die zweite Linse L2:
- Die dritte Oberfläche S3, Krümmungsradius 68 mm;
- Die vierte Oberfläche S4, Krümmungsradius ∞;
- Die Dicke in der Mitte, 2 mm;
- Das Material: SILICA bzw. Siliziumdioxid;
- Die Distanz zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 0,2 mm.
- Die dritte Linse L3:
- Die fünfte Oberfläche S5, Krümmungsradius -10 mm;
- Die sechste Oberfläche S6, Krümmungsradius -30 mm;
- Die Dicke in der Mitte, 1 mm;
- Das Material: SILICA bzw. Siliziumdioxid;
- Die Distanz zwischen der zweiten Linse L2 und der dritten Linse L3 18 mm.
- Die vierte Linse L4:
- Die siebte Oberfläche S7, Krümmungsradius ∞;
- Die achte Oberfläche S8, Krümmungsradius ∞;
- Die Dicke in der Mitte, 1 mm;
- Das Material: SILICA bzw. Siliziumdioxid;
- Die Distanz zwischen der dritten Linse L3 und der vierten Linse L4 1 mm.
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Ein optisches System, das die vorstehende optische Linse verwendet, kann eine Laserverarbeitung unter Verwendung eines Lasers ausführen, der einen Arbeitswellenlängenbereich von infrarotem Licht bis zu ultraviolettem Licht aufweist.
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Die optischen Effekte der optischen Linse werden mit Bezug auf 3 bis 5 bei Betrachtung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 550 nm erläutert. Die speziellen Parameter der optischen Linse sind wie folgt: f (Brennweite) = 60 mm; D/f (relative Blendenöffnung) = 1/3,5.
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3 ist eine Darstellung der geometrischen Aberration der optischen Linse. Aus 3 ist ersichtlich, dass die unscharfen Punkte ΔΦ ≈ 2 µm sind, was anzeigt, dass der Streukreis [engl.: dispersion circle] sehr klein ist, so dass die Energie auf den Brennpunkt fokussiert 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 die M.T.F. 0,4 ist, wenn die Auflösung 200 Linienpaare erreicht.
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5 ist eine graphische Darstellung, welche die Energiekonzentrationskurve der optischen Linse zeigt, die ein Resultat einer speziellen Korrektur für das System ist. Um die Anforderung des Bohrens und Beschriftens zu erfüllen, wird die gesamte Energie innerhalb des Blendendurchmessers ΔΦ oder innerhalb einer Linienbreite von etwa 2 µm konzentriert, was ideal ist.
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Obwohl die Beschreibung hier mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, soll die Beschreibung nicht auf die gezeigten Details beschränkt sein. Innerhalb des Umfangs und der Bereichsäquivalente der Ansprüche können Modifikationen an den Details vorgenommen werden.
