JP2009510535A - Ｆシータ対物レンズおよびｆシータ対物レンズを備えたスキャナ装置 - Google Patents

Abstract

高出力のレーザー光を平坦な画像野にフォーカシングするためのＦシータ対物レンズ（１）において、光路に前後して少なくとも２つ、有利にはちょうど２つのレンズ（２，３）が配置されており、該レンズは１ｋＷより大きいレーザー光の出力に対して耐性を有し、少なくとも１つのレンズ（３）は１つまたは２つの非球面状のレンズ面（８）を有する。

Description

本発明は、平坦な画像野ないしは結像野を形成するためのＦシータ対物レンズ、ならびに、こうしたＦシータ対物レンズを備えたスキャナ装置に関する。

高出力のレーザーによる材料加工の分野では、レーザー光の迅速な位置決めのためにスキャナ装置がますます頻繁に利用されるようになっている。スキャナ鏡による光の偏向が行われる場合、フォーカシングのために、特に大きく平坦な画像野を特徴とするいわゆるＦシータ対物レンズが用いられる。

約１ｋＷまでの中程度のレーザー出力の領域では、こうしたＦシータ対物レンズは、通常、高屈折率の種々のガラスから成る約６個の球面レンズから形成されている。こうした対物レンズは典型的にはレーベル貼付にとって最適である。これはきわめて高い（屈折率限界に近い）結像品質を有しており、しかも適度な出力調和性（Leistungsvertraeglichkeit）が得られるからである。ただし、出力１００Ｗ〜２００Ｗを上回る領域では、典型的には、著しい焦点ずれおよび熱に起因する結像品質の劣化が生じる。また、出力１ｋＷを上回る領域では、現在利用されているＦシータ対物レンズは材料加工に対して大幅に制限を受けるかそもそも利用不能となってしまう。なぜなら、レンズの過熱により光のフォーカシング能が阻害され、損傷が生じるからである。これに代えて、スキャナ装置ではフォーカシングされた光を偏向させる光ガイド装置が用いられており、対物レンズへの要求は幾分小さくなっている。とはいえ、この場合、スキャナ鏡によって利用可能な動作距離は著しく低減される。こうしたケースでは画像野は球面状に強く湾曲し、この湾曲はふつう対物レンズをＺ方向にずらすことによって補償される。大きな動作距離ではフォーカシングされる光の開口数に基づいて必要なスキャナ鏡もきわめて大きくなり、そのダイナミクスが制限されてしまう。

米国特許第６３９６６１６号明細書から、スキャナ鏡およびＦシータ対物レンズを備えたレーザー結像装置が公知である。ここでのＦシータ対物レンズは球面レンズ、非球面レンズおよび円環レンズを有し、光出力を高めるために小さいレンズとして機能する。

こうした従来技術から出発して、本発明の課題は、従来のものに比べて重量および寸法が低減され、特に出力密度が高いときにも良好に駆動できるＦシータ対物レンズを提供することである。

この課題は、高出力のレーザー光を平坦な画像野へフォーカシングするためのＦシータ対物レンズにおいて、光路に前後して配置された少なくとも２つ、有利にはちょうど２つのレンズが設けられており、該レンズは１ｋＷより大きいレーザー光の出力に対して耐性を有し、少なくとも１つのレンズは１つまたは２つの非球面状のレンズ面を有することを特徴とするＦシータ対物レンズを構成することにより解決される。本発明によれば、使用されるレンズの数を適用分野にとって必要な最小限まで（有利には２つまで）低減でき、高出力の分野に適するＦシータ対物レンズが得られる。要求される結像品質を達成してレンズの数を最小にするためには、少なくとも１つの非球面状のレンズ面が用いられる。非球面状のレンズ面は球面状のレンズ面に比べて付加的な自由度を有する。これにより特に大きなスキャン角度のもとで重要となる高次の結像誤差の補償を行うことができる。この場合、画像野の完全な平坦化は断念され、これに代えていわゆる平均化が行われる。つまり、フォーカシングされた光には偏光角度に基づく非点収差が残留する。

本発明の有利な実施形態によれば、レンズのうち少なくとも１つ、有利には全てのものが合成石英ガラスから成る。レンズ光学系の材料としては、特に、吸収率および熱光学効果が小さく、高い耐性を有するものが選択される。ＵＶ／ＶＩＳ／ＮＩＲ領域（約１７０ｎｍ〜３μｍ）の光に対する有利な材料は合成石英ガラスである。ここでの欠点は、石英ガラスの屈折率がｎ〜１．４５と低く、通常Ｆシータ対物レンズにおいて使用される光学ガラスの屈折率ｎ〜１．６５−１．８５に比べて強く湾曲した表面が生じ、結像誤差が大きくなり、また、アンチ反射コーティングでの高い損失がもたらされることである。さらに、唯一の種類のガラス、例えば石英ガラスを排他的に用いると、色消し対物レンズを実現することができなくなる。ただし、ＶＩＳ領域およびＮＩＲ領域における石英ガラスの分散は充分に小さく、同軸方向で観察した場合に、対物レンズを通って生じる色収差が許容可能な範囲にとどまる。もちろん、小さな吸収率、小さな熱光学効果、高い耐性を有する他の光学系の材料、例えばＹＡＧまたはサファイアなどをレンズ材料として使用することもできる。

有利な別の実施形態によれば、光路に配置された第１のレンズは有利には球面状のメニスカスレンズである。メニスカスレンズは有利にはその対物側ができるだけ大きく凹状に湾曲し、つまり半球形状に近似している。これにより、レンズ厚さを最小限としても、画像野が光の拡大により平坦化（平均化）される。メニスカスレンズの第２の面は有利には第１の面に対して近似に共心であり、全体として小さな負の屈折度を生じる。

有利な別の実施形態によれば、光路に配置された第２のレンズは非球面状のフォーカシングレンズである。非球面状のフォーカシングレンズは平凸レンズ、メニスカスレンズまたは両凸レンズとして構成されており、光のフォーカシングおよび球面収差、非点収差および高次の誤差は最小化される。フォーカシングレンズの屈折度により、さらに、対物レンズの焦点距離が定められる。

また、本発明は高出力のレーザー光のためのスキャナ装置に関しており、本発明によれば、レーザー光を偏向するための少なくとも１つの平坦なスキャナ鏡が設けられており、スキャナ鏡の後方の光路に１ｋＷを上回る出力で駆動されるＦシータ対物レンズが配置されている。

本発明の有利な実施形態によれば、Ｆシータ対物レンズよりも前方の光路に波面補正光学系が配置されている。これによりＦシータ対物レンズに必要なレンズの数が最小化される。フォーカシングすべき光の波面の最初の補正はスキャナ鏡の前方で行われる。

本発明の有利な実施形態によれば、波面補正光学系は１つまたは２つの非球面状のレンズ面を備えたコリメーションレンズを有する。通常、スキャナ装置の球面状のコリメーションレンズは光導波ファイバから出る発散光のコリメーションのために設けられている。この実施形態では、唯一かつ最良のパラレル光を形成するこうした従来のコリメーションレンズを非球面状のコリメーションレンズによって置換する。コリメーションのほか、当該のレンズは波面の微修正も担当する。すなわち、Ｆシータ対物レンズの２つのレンズと協働して、スキャン領域の全体にわたる平均により従来のコリメーションレンズよりも良好な結像品質を形成する。非球面状のコリメーションレンズは特に球面収差の補正を担当する。

本発明の有利な実施形態によれば、波面補正光学系は波面補正に用いられる位相補正プレートを有する。この位相補正プレートは例えば従来の球面状のコリメーションレンズと組み合わせることができる。

本発明の対象となるさらなる特徴、実施形態および利点は明細書、図面および特許請求の範囲から得られる。上述した特徴および後述する特徴を単独であるいは任意に組み合わせて適用することも可能である。以下に説明する図示された実施例は網羅的に記されたものではなく、むしろ本発明を説明するための例示に過ぎないことに注意されたい。

図１には本発明のＦシータ対物レンズの実施例の縦断面図が示されている。図２には図１のＦシータ対物レンズを備えた本発明のスキャナ装置の実施例の縦断面図が示されている。

図１にはメニスカスレンズ２およびフォーカシングレンズ３を含むＦシータ対物レンズ１が示されている。これらのレンズは対物レンズケーシング５内に配置されたレンズ把持部４に被着されている。

メニスカスレンズ２は有利にはその対物側が近似に半球状に湾曲した凹状の第１のレンズ面６を有している。これにより、レンズ厚さを最小限としても、画像野が光の拡大により平坦化（平均化）される。メニスカスレンズの結像側の第２の表面７は有利には第１の表面に対して近似に共心であり、全体として小さな負の屈折度を生じる。

フォーカシングレンズ３は球面状のレンズ面８および非球面状のレンズ面９を備えた両凸レンズである。フォーカシングレンズ３は、非球面状のレンズ面８によって得られる付加的な自由度を利用して、図１には示されていないレーザー光を最小の球面収差、非点収差および高次誤差でフォーカシングする。フォーカシングレンズ３の屈折度により、さらに、Ｆシータ対物レンズ１の焦点距離が定められる。

Ｆシータ対物レンズ１は結像側で保護ガラス１１に被着された支承部材１０を含み、この支承部材は対物レンズ１のケーシング５を把持している。こうした部材は本出願人による実用新案出願第２０２００４０１９４８７．２号に詳細に説明されている。

メニスカスレンズ２およびフォーカシングレンズ３は水フリーの合成石英ガラスから成っている。これによりレーザー光の吸収はきわめて小さくなり、レンズ系の熱膨張も小さくなる。また同時に、対物レンズ１の出力調和性は少なくとも４ｋＷ〜６ｋＷへ増大される。さらに、典型的には多数のレンズを有する従来のＦシータ対物レンズに比べて、図示の構造の本発明のＦシータ対物レンズによれば重量および嵩の節約が達成される。部品数が最小であるため、光学系において球面レンズに比べてコスト上不利な非球面レンズが使用されているにもかかわらず、全体として低コストでの製造が可能である。

図２にはＦシータ対物レンズ１は材料加工のためのスキャナ装置１２に組み込まれた状態で示されている。当該のスキャナ装置は発散するレーザー光１４ａを１ｋＷより高い高出力で出射する光導波ファイバ１３を有している。レーザー光はスキャナ装置１２を垂直方向に通り、コリメーションレンズ１５を介して垂直方向に延在するコリメートされたレーザー光１４ｂへ変換される。

唯一かつ最良のパラレル光を形成する従来のコリメーションレンズとは異なり、本発明のコリメーションレンズ１５は専用の最適な非球面状のレンズ面を有する。レーザー光のコリメーションのほか、当該のレンズは波面補正光学系として、波面の微修正、特に、球面収差の補正を担当する。すなわち、Ｆシータ対物レンズ１のメニスカスレンズ２およびフォーカシングレンズ３と協働して、スキャン領域全体にわたって平均化により従来のコリメーションレンズよりも良好な結像品質を形成する。これに代えて、非球面状のコリメーションレンズ１５は球面状のコリメーションレンズと位相補正プレートとを組み合わせた図示されていない装置によって置換することもできる。

コリメートされたレーザー光１４ｂは偏向鏡１６で垂直方向から水平方向へ９０゜偏向され、入射アパーチャを介してスキャンヘッド１７へ入射する。スキャンヘッド１７ではコリメートされたレーザー光１４ｂはまず平坦なＸ方向スキャナ鏡１８へ入射し、このＸ方向のレーザー光は平坦なＹ方向スキャナ鏡１９でさらにＹ方向へ偏向される。Ｘ方向スキャナ鏡１８およびＹ方向スキャナ鏡１９はガルバノメータに回転可能に固定される。ガルバノメータの回転軸線の位置によりスキャナ鏡１８，１９の偏向角、ひいては、図示されていない画像野におけるレーザー光の位置が求められる。

コリメートされたレーザー光１４ｂは図１のＦシータ対物レンズ１の設けられた出射アパーチャを介してスキャンヘッド１７から出射される。メニスカスレンズ２によりレーザー光１４ｂができるだけ大きい画像野を形成するために拡大され、また、後続のフォーカシングレンズ３により拡大されたレーザー光が収束するレーザー光１４ｃへ変換され、焦点へフォーカシングされる。焦点の周囲にはＦシータ対物レンズ１の各レンズによって平均的かつ平坦な画像野が形成される。

スキャナ装置１２に設けられている光学系には"屈折率限界"によって完全な補正を行うことはできないので、スキャナ鏡１８，１９での偏向に際しての結像誤差を許容可能範囲に保持することが目的とされる。ここで、偏向が小さい場合、球面レンズから成る光学系に比べて、結像度の劣化が発生することを甘受しなければならない。コリメーションレンズ１５または個別の補正プレートを介してコリメートされたレーザー光１４ｂの図示されている波面の歪みにより、スキャナ鏡１８，１９の偏向が大きく臨界的である場合、結像度が著しく改善される。これに対して、偏向が小さいと、許容可能な小さい劣化が生じる。本発明のＦシータ対物レンズ１においては合成石英レンズを出力に適した光学材料として用いることにより色収差の補正を意図的に省略することができる。さらに、画像野の平坦化が平均により１回行われるだけなので、所定の残留収差が残る。これに対して、Ｆシータ対物レンズ１に少数の光学部品しか使用されず、コストおよび重量の大幅な低減が達成され、また、１ｋＷ〜約１０ｋＷを上回るレーザー出力に対しても高い耐性が得られる。これにより、コリメートされた光の偏向を行う高出力の適用分野において、Ｆシータ対物レンズを用いることができるようになる。

本発明のＦシータ対物レンズの実施例の縦断面図である。 Ｆシータ対物レンズを備えた本発明のスキャナ装置の実施例の縦断面図である。

Claims (8)

1. 高出力のレーザー光を平坦な画像野にフォーカシングするためのＦシータ対物レンズ（１）において、
   光路に前後して配置された少なくとも２つ、有利にはちょうど２つのレンズ（２，３）が設けられており、該レンズは１ｋＷより大きいレーザー光の出力に対して耐性を有し、少なくとも１つのレンズ（３）は１つまたは２つの非球面状のレンズ面（８）を有する
   ことを特徴とするＦシータ対物レンズ。
2. 前記レンズ（２，３）のうち少なくとも１つ、有利には全てのものが合成石英ガラスから成る、請求項１記載のＦシータ対物レンズ。
3. 前記光路に配置された第１のレンズは有利には球面状のメニスカスレンズ（２）である、請求項１または２記載のＦシータ対物レンズ。
4. 前記光路に配置された第２のレンズは有利には非球面状のレンズ面（８）を有するフォーカシングレンズ（３）である、請求項１から３までのいずれか１項記載のＦシータ対物レンズ。
5. 高出力のレーザー光のためのスキャナ装置（１２）において、レーザー光を偏向するための少なくとも１つの平坦なスキャナ鏡が設けられており、該スキャナ鏡の後方の光路に請求項１から４までのいずれか１項記載のＦシータ対物レンズが配置されている
   ことを特徴とするスキャナ装置。
6. Ｆシータ対物レンズ（１）よりも前方の光路に波面補正光学系が配置されている、請求項５記載のスキャナ装置。
7. 前記波面補正光学系は１つまたは２つの非球面状のレンズ面を備えたコリメーションレンズ（１５）を有する、請求項６記載のスキャナ装置。
8. 前記波面補正光学系は位相補正プレートを有する、請求項６または７記載のスキャナ装置。

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