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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 einer Laserverarbeitung verwendet wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mit der zunehmenden Entwicklung der Laserverarbeitungstechnologie wird eine vollständige Überwachung eines Laserverarbeitungsprozesses (Laserbeschriftung oder Laserschneiden) gewünscht, um die Verarbeitungsqualität sicherzustellen. Das aktuell übliche Überwachungsverfahren besteht darin, ein CCD-Überwachungssystem zu verwenden, um den gesamten Verarbeitungsprozess zu überwachen. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Verarbeitungssystem, bei dem zu Beginn des Prozesses eine Fokussierung mit dem bloßen Auge durchgeführt wird, kann das CCD-Überwachungssystem den gesamten Verarbeitungsprozess überwachen. Durch Überwachen des gesamten Prozesses können die Parameter im Fall von Qualitätsproblemen unmittelbar verstellt werden, wodurch die Verarbeitungsqualität sichergestellt wird.
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Das aktuelle CCD-Überwachungssystem weist bei einer Wellenlänge im langwelligen Infrarotlicht eine schlechte "Sicht" auf und es weist eine höhere Empfindlichkeit des Bereichs in der Region mit Rotlicht auf, und folglich verwendet das CCD-Überwachungssystem für gewöhnlich Rotlicht im Betrieb. Wenn das System jedoch die Wellenlänge eines langwelligen Infrarotlasers zur Verarbeitung einsetzt, gibt es eine chromatische Aberration bzw. Farbabweichung bei der Bilderfassung des CCD-Überwachungssystems, welches die Verarbeitung nicht in Echtzeit wirklichkeitsgetreu wiedergeben kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es ist daher notwendig, eine optische Linse bereitzustellen, welche an die Arbeitswellenlänge der Region mit langwelligem Infrarot angepasst werden kann und mit der bei einer Verwendung einer Überwachungswellenlänge im Infrarotbereich die chromatische Aberration bei der Bilderfassung in einem Überwachungssystem beseitigt werden kann.
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Eine optische Linse umfasst eine erste Linse, eine zweite Linse, eine dritte Linse und eine vierte Linse, die entlang einer Übertragungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind, wobei die erste Linse und die vierte Linse negative Meniskuslinsen sind, die zweite Linse eine positive Meniskuslinse ist und die dritte Linse eine positive plan-konvexe Linse ist; die erste Linse weist eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, die zweite Linse weist eine dritte Oberfläche und eine vierte Oberfläche auf, die dritte Linse weist eine fünfte Oberfläche und eine sechste Oberfläche auf, und die vierte Linse weist eine siebte Oberfläche und eine achte Oberfläche auf, zwei Oberflächen jeder Linse sind jeweils eine Lichteinfallsoberfläche und eine Lichtaustrittsoberfläche der Linse, die erste bis zur achten Oberfläche sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander angeordnet; die erste Oberfläche, die zweite Oberfläche, die dritte Oberfläche, die vierte Oberfläche, die sechste Oberfläche, die siebte Oberfläche und die achte Oberfläche sind zu der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts hin konvex.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform beträgt ein Krümmungsradius der ersten Oberfläche –27 mm ± 5 %, ein Krümmungsradius der zweiten Oberfläche beträgt –110 mm ± 5 % und eine Dicke in der Mitte der ersten Linse beträgt 3 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform beträgt ein Krümmungsradius der dritten Oberfläche –90 mm ± 5 %, ein Krümmungsradius der vierten Oberfläche beträgt –30 mm ± 5 % und eine Dicke in der Mitte der zweiten Linse beträgt 10 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform ist ein Krümmungsradius der fünften Oberfläche∞, ein Krümmungsradius der sechsten Oberfläche beträgt –63 mm ± 5 % und eine Dicke in der Mitte der dritten Linse beträgt 14 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform beträgt ein Krümmungsradius der siebten Oberfläche –55 mm ± 5 %, ein Krümmungsradius der achten Oberfläche beträgt –90 mm ± 5 % und eine Dicke in der Mitte der vierten Linse beträgt 5 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform beträgt ein Abstand zwischen der zweiten Oberfläche der ersten Linse und der dritten Oberfläche der zweiten Linse entlang einer optischen Achse 2 mm ± 5 %, ein Abstand zwischen der vierten Oberfläche der zweiten Linse und der fünften Oberfläche der dritten Linse entlang der optischen Achse beträgt 0,5 mm ± 5 %, und ein Abstand zwischen der sechsten Oberfläche der dritten Linse und der siebten Oberfläche der vierten Linse entlang der optischen Achse beträgt 20 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform enthält die optische Linse ferner eine fünfte Linse, wobei die erste Linse, die zweite Linse, die dritte Linse, die vierte Linse und die fünfte Linse entlang der Übertragungsrichtung von einfallendem Licht nacheinander koaxial angeordnet sind und die fünfte Linse eine planare Linse ist.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform beträgt eine Dicke in der Mitte der fünften Linse 3 mm ± 5 %.
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In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform weist die fünfte Linse eine neunte Oberfläche als Lichteinfallsoberfläche und eine zehnte Oberfläche als Lichtaustrittsoberfläche auf, und ein Abstand zwischen der neunten Oberfläche der fünften Linse und der achten Oberfläche der vierten Linse entlang der optischen Achse beträgt 2 mm ± 5%.
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Die vorstehende optische Linse kann in einem optischen System einer Laserverarbeitungsvorrichtung angewendet werden, wenn eine Wellenlänge der Region mit langwelligem Infrarot als Wellenlänge zur Laserverarbeitung benutzt wird. Wenn die Rotlichtwellenlänge als Überwachungswellenlänge benutzt wird, kann das Überwachungssystem einen besseren Bilderfassungseffekt erreichen, wodurch die Qualität der Laserverarbeitung sichergestellt wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser offensichtlich werden, indem Ausführungsformen derselben mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben werden. Die Komponenten in den Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, da der Schwerpunkt stattdessen auf einer klaren Darstellung der Prinzipien der vorliegenden Offenbarung liegt. Darüber hinaus bezeichnen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen einander entsprechende Teile in allen Ansichten.
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1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Linse in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine Darstellung, die eine Feinstrahlabweichung [engl.: fine beam aberration] der optischen Linse von 1 zeigt;
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3 ist eine Darstellung, die diffuse Punkte der optischen Linse von 1 zeigt; und
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4 ist eine 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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Um zu erreichen, dass die vorstehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung klarer werden, werden die speziellen Ausführungsformen in Kombination mit den beiliegenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
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Es sei erwähnt, dass die Ausbreitungsrichtung des Lichts in der Beschreibung von der linken Seite zu der rechten Seite der Zeichnung verläuft. Der positive oder negative Krümmungsradius der Linse wird durch eine relative Positionsbeziehung zwischen einem Schnittpunkt der gekrümmten Oberfläche mit der optischen Hauptachse und dem sphärischen Mittelpunkt der gekrümmten Oberfläche bestimmt. Wenn der sphärische Mittelpunkt der gekrümmten Oberfläche links vom Schnittpunkt liegt, weist der Krümmungsradius einen negativen Wert auf; wenn der sphärische Mittelpunkt der gekrümmten Oberfläche jedoch rechts vom Schnittpunkt liegt, weist der Krümmungsradius einen positiven Wert auf. Zudem wird die Seite links von der optischen Linse als Objektseite bezeichnet und die andere Seite rechts von der optischen Linse wird als Bildseite bezeichnet. Eine positive Linse bedeutet eine Linse, bei der eine Dicke in der Mitte der Linse größer als eine Dicke am Rand ist, und eine negative Linse bedeutet eine Linse, bei der die Dicke in der Mitte der Linse geringer 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 und eine vierte Linse L4, die entlang einer Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet sind.
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Die erste Linse L1 weist eine erste Oberfläche S1 und eine zweite Oberfläche S2 auf, die zweite Linse L2 weist eine dritte Oberfläche S3 und eine vierte Oberfläche S4 auf, die dritte Linse L3 weist eine fünfte Oberfläche S5 und eine sechste Oberfläche S6 auf und die vierte Linse L4 weist eine siebte Oberfläche S7 und eine achte Oberfläche S8 auf. Zwei Oberflächen jeder Linse sind eine Lichteinfallsoberfläche bzw. eine Lichtaustrittsoberfläche. Die erste Oberfläche S1 bis zur achten Oberfläche S8 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 zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –27 mm. Die zweite Oberfläche S2 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –110 mm. Die erste Linse L1 weist eine Dicke d1 in der Mitte (d.h. einer Dicke der ersten Linse L1 entlang einer optischen Achse) von 3 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter erwartete Werte sind und dass es eine bestimmte Toleranz gibt. Die vorstehenden Parameter weisen einen Toleranzbereich von 5 % auf, d.h. diese Parameter können in einem Bereich von ±5 % schwanken. In einer Ausführungsform ist das Material der ersten Linse L1 Nd 1,62:Vd 34 (Brechungsindex: chromatischer Dispersionskoeffizient).
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Die zweite Linse L2 ist eine positive Meniskuslinse. Die dritte Oberfläche S3 der zweiten Linse L2 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –90 mm. Die vierte Oberfläche S4 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –30 mm. Die zweite Linse L2 weist eine Dicke d3 in der Mitte von 10 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter der zweiten Linse L2 erwartete Werte sind und dass es eine bestimmte Toleranz gibt. Die vorstehenden Parameter weisen einen Toleranzbereich von 5 % auf, d.h. diese Parameter können in einem Bereich von ±5 % schwanken. In einer Ausführungsform ist das Material der zweiten Linse L2 Nd 1,62:Vd 60.
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Die dritte Linse L3 ist eine positive plan-konvexe Linse. Die fünfte Oberfläche S5 der dritten Linse L3 ist eine flache Ebene, die einen Krümmungsradius von unendlich (∞) aufweist. Die sechste Oberfläche S6 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –63 mm. Die dritte Linse L3 weist eine Dicke d5 in der Mitte von 14 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter der dritten Linse L3 erwartete Werte sind und dass es eine bestimmte Toleranz gibt. Die vorstehenden Parameter weisen einen Toleranzbereich von 5 % auf, d.h. diese Parameter können in einem Bereich von ±5 % schwanken. In einer Ausführungsform ist das Material der dritten Linse L3 Nd 1,62:Vd 60.
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Die vierte Linse L4 ist eine negative Meniskuslinse. Die siebte Oberfläche S7 der vierten Linse L4 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –55 mm. Die achte Oberfläche S8 ist zu der Bildseite hin konvex und ein Krümmungsradius derselben beträgt –90 mm. Die vierte Linse L4 weist eine Dicke d7 in der Mitte von 5 mm auf. Es versteht sich, dass die vorstehenden Parameter der vierten Linse L4 erwartete Werte sind und dass es eine bestimmte Toleranz gibt. Die vorstehenden Parameter weisen einen Toleranzbereich von 5 % auf, d.h. diese Parameter können in einem Bereich von ±5 % schwanken. In einer Ausführungsform ist das Material der vierten Linse L4 Nd 1,5:Vd 62.
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Zudem sind Abstände zwischen jeder Linse wie folgt ausgestaltet. Insbesondere beträgt ein erwarteter Wert eines Abstands d2 zwischen der Austrittsoberfläche (der zweiten Oberfläche S2) der ersten Linse L1 und der Einfallsoberfläche (der dritten Oberfläche S3) der zweiten Linse L2 entlang der optischen Achse 2 mm mit einer Toleranz von 5 %, d.h. der Abstand d2 kann in einem Bereich von ±5 % schwanken.
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Ein erwarteter Wert eines Abstands d4 zwischen der Austrittsoberfläche (der vierten Oberfläche S4) der zweiten Linse L2 und der Einfallsoberfläche (der fünften Oberfläche S5) der dritten Linse L3 entlang der optischen Achse beträgt 0,5 mm mit einer Toleranz von 5 %, d.h. der Abstand d4 kann in einem Bereich von ±5 % schwanken.
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Ein erwarteter Wert eines Abstands d6 zwischen der Austrittsoberfläche (der sechsten Oberfläche S6) der dritten Linse L3 und der Einfallsoberfläche (der siebten Oberfläche S7) der vierten Linse L4 entlang der optischen Achse beträgt 20 mm mit einer Toleranz von 5 %, d.h. der Abstand d6 kann in einem Bereich von ±5 % schwanken.
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In einer Ausführungsform umfasst die optische Linse ferner eine fünfte Linse L5. Die erste Linse L1, die zweite Linse L2, die dritte Linse L3, die vierte Linse L4 und die fünfte Linse L5 sind entlang der Übertragungsrichtung des einfallenden Lichts nacheinander koaxial angeordnet.
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Die fünfte Linse L5 weist eine neunte Oberfläche S9 als Lichteinfallsoberfläche und eine zehnte Oberfläche S10 als Lichtaustrittsoberfläche auf. Die fünfte Linse L5 ist eine planare Linse, die als Schutzvorrichtung dient, so dass Krümmungsradien der neunten Oberfläche S9 und der zehnten Oberfläche S10 unendlich sind. Die fünfte Linse L5 weist eine Dicke d9 in der Mitte von 3 mm auf. Zudem beträgt ein Abstand d8 zwischen der achten Oberfläche S8 (der Austrittsoberfläche) der vierten Linse L4 und der neunten Oberfläche S9 (der Einfallsoberfläche) der fünften Linse L5 entlang der optischen Achse 2 mm. Die vorstehenden Parameter sind analog erwartete Werte und es gibt eine bestimmte Toleranz. Die vorstehenden Parameter weisen einen Toleranzbereich von 5 % auf, d.h. diese Parameter können in einem Bereich von ±5 % schwanken. In einer Ausführungsform ist das Material der fünften Linse L5 Nd 1,5:Vd 64.
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Die Lösung der vorstehenden Ausführungsformen wird in der folgenden Kurzbeschreibung klarer beschrieben:
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Die erste Linse L1
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Der Krümmungsradius der ersten Oberfläche S1 beträgt –27 mm.
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Der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche S2 beträgt –110 mm.
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Die Dicke in der Mitte beträgt 3 mm.
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Material: 1,62/34
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Die zweite Linse L2
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Der Krümmungsradius der dritten Oberfläche S3 beträgt –90 mm.
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Der Krümmungsradius der vierten Oberfläche S4 beträgt –30 mm.
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Die Dicke in der Mitte beträgt 10 mm.
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Material: 1,62/60
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Der Abstand zur Oberfläche der ersten Linse L1 beträgt 2 mm.
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Die dritte Linse L3
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Der Krümmungsradius der fünften Oberfläche S5 ist ∞.
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Der Krümmungsradius der sechsten Oberfläche S6 beträgt –63 mm.
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Die Dicke in der Mitte beträgt 14 mm.
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Material: 1,62/60
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Der Abstand zur Oberfläche der zweiten Linse L2 beträgt 0,5 mm.
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Die vierte Linse L4
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Der Krümmungsradius der siebten Oberfläche S7 beträgt –55 mm.
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Der Krümmungsradius der achten Oberfläche S8 beträgt –90 mm.
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Die Dicke in der Mitte beträgt 5 mm.
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Material: 1,5/62
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Der Abstand zur Oberfläche der dritten Linse L3 beträgt 20 mm.
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Die fünfte Linse L5
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Der Krümmungsradius der neunten Oberfläche S9 ist ∞.
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Der Krümmungsradius der zehnten Oberfläche S10 ist ∞.
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Die Dicke in der Mitte beträgt 3 mm.
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Material: 1,5/64
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Der Abstand zur Oberfläche der vierten Linse L4 beträgt 2 mm.
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Ein optisches System, das mit der vorstehenden optischen Linse ausgestattet ist, kann zur Laserverarbeitung Rotlicht oder Infrarotlicht mit einem Wellenlängenbereich von 1064 bis 660 nm als Lichtquelle verwenden. In einer Laserverarbeitungsvorrichtung, die mit einem CCD-Überwachungssystem ausgestattet ist, welches Rotlicht als Überwachungslichtquelle verwendet, kann die chromatische Aberration bei der CCD-Bilderfassung aufgrund dieser optischen Linse vermieden werden, wodurch ein besserer Bilderfassungseffekt und eine bessere Überwachung in Echtzeit der Verarbeitung erreicht wird.
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Als Nächstes wird durch Wählen des langwelligen Infrarotlasers mit λ = 1064 nm und des sichtbaren Beleuchtungslichts von λ = 660 nm der optische Effekt der Laserverarbeitungsvorrichtung, welche die optische Linse aufweist, mit Bezug auf 2 bis 4 erläutert.
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Die spezifischen Parameter der optischen Linse sind wie folgt: f = 160 mm, Φ = 12 mm; Markierungsbereich: A = 100·100 mm2, wobei f die Brennweite der optischen Linse ist, und Φ der Eintrittspupillendurchmesser ist.
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2 ist eine Feinstrahlabweichung der optischen Linse. Wie aus 2 ersichtlich ist, hat eine korrigierte chromatische Aberration der Linse eine Idealkorrektur einer herkömmlichen optischen Linse erreicht und eine Bildaberration ΔC ≈ 0,01 liegt innerhalb einer Fokustiefe.
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3 ist eine geometrische Bildaberration der Linse. Die Korrektur erreicht ein ideales Niveau.
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4 ist eine Darstellung, die eine Transferfunktion M.T.F der Linse zeigt, welche das Niveau einer allgemeinen optischen Fokussierungslinse erreicht oder sogar überschritten hat.
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Durch Verwendung der optischen Linse in Übereinstimmung mit den vorstehenden Ausführungsformen liegen das Arbeitswellenlängenband, etwa λ = 1064 nm und das sichtbare CCD-Band von λ = 660 nm auf der gleichen Bildoberfläche, so dass dann, wenn ein Laser mit einem Arbeitswellenlängenband von λ = 1064 nm während des gesamten Laserverarbeitungsprozesses zur Markierung verwendet wird, dieses wirklichkeitsgetreu in der CCD-Neigungswinkeloberfläche reflektiert werden kann, welche den gesamten Markierungsprozess überwachen kann, um sicherzustellen, dass der gesamte Markierungsprozess genau ist.
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Die vorstehenden Ausführungsformen sind nur spezielle Implementierungen der vorliegenden Erfindung, aber sie sind nicht dazu gedacht, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Es wird angemerkt, dass jede Variation oder Ersetzung, die dem Fachmann auf dem Gebiet innerhalb des technischen Umfangs, der in der vorliegenden Erfindung offenbart ist, leicht einfallen kann, in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen soll. Daher soll der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung dem Schutzumfang der Ansprüche unterworfen sein.
