JP2015536479A - 極紫外レーザマーキングＦθレンズ及びレーザ加工デバイス - Google Patents

Abstract

極紫外レーザマーキングアセンブリのためのＦθレンズ及びレーザ加工デバイスを提供する。レンズアセンブリは、入射レーザの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第１のレンズ（Ｌ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、及び第４のレンズ（Ｌ４）を含む。第１のレンズ（Ｌ１）は、負の両凹レンズであり、第２のレンズ（Ｌ２）は、負の三日月形レンズであり、第３のレンズ（Ｌ３）は、正の三日月形レンズであり、第４のレンズ（Ｌ４）は、正の両凸レンズであり、第２のレンズ（Ｌ２）の中間部分と第３のレンズ（Ｌ３）の中間部分とは、両方共にレーザの伝達方向に向けて凸である。アッベ数に対する第１、第２、第３、及び第４のレンズの屈折率の比率は、５％の公差を伴って１．４７６／６８である。４つのレンズの設計及びこれらの間の相対位置を使用すると、非点収差及び歪曲が効果的に補正され、エネルギのフォーカス度は高い。高品質の結像及びマーキングが達成され、結像品質が改善され、レンズアセンブリの構造は単純であり、これは、設計するのに便利であり、かつ様々なレーザ加工デバイスに対して適切である。【選択図】図１

Description

本発明は、光学技術の分野に関し、より具体的には、極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリに関する。

レーザマーキング技術では、異なる材料及び媒質が、異なる波長のレーザを吸収してそれと相互作用し、言い換えれば、異なる媒質を加工するためには、異なる波長を有するレーザデバイスを用いなければならない。これに加えて、「レイリー」則により、レーザマーキングの理論的解像距離は次式の通りである。

ｄ＝２．４４λｆ／Ｄ

ここで、ｄは、２つの点の間の最小解像距離を表している。

λは、加工光ビームの波長を表している。

ｆは、光学レンズアセンブリの焦点距離を表している。

Ｄは、光学レンズアセンブリの入射瞳直径を表している。

すなわち、超短波長を有するレーザビームを使用することにより、高解像点ピッチを得ることができる。現在、市販のレーザデバイスの最短波長は、λ＝２６６ｎｍである。理論的には、このレーザデバイスの解像度は、１０６４ｎｍの波長を使用するレーザデバイスのものよりも５倍高く、これは非常に魅力的な選択肢である。それにも関わらず、超短レーザが通ることができる実用的な材料は希少であり、溶融シリカが唯一の理想的な材料であるが、溶融シリカの屈折率は非常に低い。溶融シリカのアッベ数に対する屈折率の比は、１．４７６／６８である。溶融シリカが、レンズアセンブリの材料として使用される場合に、一方で、レンズの厚みが増大することになり、他方で、レンズの半径ｒは屈折率に正比例するので、レンズアセンブリを製造するのに溶融シリカが使用される場合は半径ｒが比較的小さくなり、それによって高次の収差が増大し、従って、高品質Ｆθレンズの設計がより困難になる。

技術的問題

本発明の目的は、極紫外レーザマーキングのための従来のレンズアセンブリの貧弱な結像品質及び設計の難しさという欠点を解消することを目的とする極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリを提供することである。

問題に対するソリューション

技術的ソリューション

本発明の開示の技術的ソリューションは以下の通りである。入射レーザの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ、及び第４のレンズを含む極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリを提供する。

第１のレンズは、負の両凹レンズであり、第２のレンズは、負のメニスカスレンズであり、第３のレンズは、正のメニスカスレンズであり、第４のレンズは、正の両凸レンズである。

第２のレンズ及び第３のレンズの中間部分は、レーザの伝達方向に向けて突出する。

第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ、及び第４のレンズのアッベ数に対する屈折率の比率は、５％の公差を伴って１．４７６／６８である。

本発明の別の目的は、極紫外レーザデバイスと、マーキングのため極紫外レーザをフォーカスさせるように構成された光学レンズアセンブリとを含むレーザ加工デバイスを提供することであり、光学レンズアセンブリは、極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリを使用する。

利点

上述の構造を有する第１から第４のレンズを設計することにより、非点収差及び歪曲が効果的に較正され、レンズアセンブリは、高いエネルギ密度を有し、高品質結像及び高精度マーキングが達成され、従って、従来の極紫外レンズアセンブリでは解消することが困難である収差問題が解決され、結像品質が効果的に改善される。これに加えて、レンズアセンブリは、単純な構造を有し、設計することが容易であり、様々なレーザ加工デバイスに幅広く適用することができる。従って、レンズアセンブリを使用するレーザマーキングデバイスも、高品質かつ高精度マーキングを実施することができる。

本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの概略図である。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの幾何学的収差を示すグラフである。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの歪曲を示すグラフである。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの光学伝達関数Ｏ．Ｔ．Ｆのグラフである。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの変調伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆを示すグラフである。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリのデフォーカススポットの図である。 本発明の開示の実施形態による極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリのエネルギ密度の図である。

本発明の上記及び他の特徴は、以下に続く明細書及び図面の詳しい精査によって直ちに明らかになるであろう。しかし、本発明の様々な実施形態を多くの異なる形態に具現化することができ、これらの実施形態は、本明細書に示す実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。

本発明の特定の実施を以下に続く特定の実施形態に関連付けてより詳細に説明する。

図１は、本発明の開示の実施形態によって提供される極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの概略図である。明瞭化のために、この実施形態に関する部分のみを示している。

極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリは、入射レーザの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、第３のレンズＬ３、及び第４のレンズＬ４を含む。第１のレンズＬ１は、負の両凹レンズであり、第２のレンズＬ２は、負のメニスカスレンズであり、第３のレンズＬ３は、正のメニスカスレンズであり、第４のレンズＬ４は、正の両凸レンズである。第２のレンズＬ２の曲率半径は、射出面のものよりも小さく、第３のレンズＬ３の入射面の曲率半径は、射出面のものよりも大きい。第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３の中間部分は、レーザの伝達方向に向けて突出し、すなわち、像空間に向けて凸である。第１のレンズＬ１の両面は、内向きに凹であり、第４のレンズＬ４の両面は、外向きに凸である。これに加えて、第１のレンズＬ１と、第２のレンズＬ２と、第３のレンズＬ３と、第４のレンズＬ４とは、５％の公差を伴って１．４７６／６８というアッベ数に対する屈折率の比Ｎｄ／Ｖｄを有する同じ材料で製造される。具体的には、材料は溶融シリカである。

更に、この実施形態において、各レンズの面曲率、厚み、及び他のパラメータは最適に設計される。具体的には、第１のレンズＬ１は、第１の面Ｓ１と第２の面Ｓ２を含み、これらの面の曲率半径は、それぞれ、−５０ｍｍ、３００ｍｍであり、第２のレンズＬ２は、第３の面Ｓ３と第４の面Ｓ４を含み、これらの面の曲率半径は、それぞれ、−２８ｍｍ、−３２ｍｍであり、第３のレンズＬ３は、第５の面Ｓ５と第６の面Ｓ６を含み、これらの面の曲率半径は、それぞれ、−２５０ｍｍ及び−５０ｍｍであり、第４のレンズＬ４は、第７の面Ｓ７と第８の面Ｓ８を含み、これらの面の曲率半径は、それぞれ、２５０ｍｍ及び−１００ｍｍである。マイナスは、曲面の球中心が曲面の物体側に位置することを示し、プラス又はマイナスのない数値はプラスを表し、プラスは、曲面の球中心が曲面の像側に位置することを示している。第１から第８の面は、レーザの伝達方向に沿って連続的に配置され、各面の曲率半径は、唯一のものではなく、５％の公差を伴う。

更に、この実施形態において、第１から第４のレンズの厚みＤと面の間の距離ｄとは特別に設計される。具体的には、第１から第４のレンズの中心厚Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４は、５％の公差を伴って２ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍ、及び８ｍｍである。第１のレンズＬ１の第２の面Ｓ２と第２のレンズＬ２の第３の面Ｓ３との間の距離ｄ１は、９ｍｍであり、第２のレンズＬ２の第４の面Ｓ４と第３のレンズＬ３の第５の面Ｓ５との間の距離ｄ２は、０．５ｍｍであり、第３のレンズＬ３の第６の面Ｓ６と第４のレンズＬ４の第７の面Ｓ７との間の距離ｄ３は、０．５ｍｍである。上述の各面の間の距離は、それぞれ５％の公差を有する。

上述の面曲率Ｒ、レンズの中心厚Ｄ、及び面間距離ｄを用いてレンズを設計することにより、良好な結像品質及び優れたマーキング精度を得ることができる。これに加えて、この実施形態は、第４のレンズＬ４の光射出側に位置する第５のレンズＬ５を更に提供する。第５のレンズは、好ましくは、第９の面Ｓ９と第１０の面Ｓ１０とを含む平坦なレンズであり、当然ながらその曲率半径は両方共に∞である。第５のレンズＬ５は、主として、レンズアセンブリ内の他の結像レンズを粉塵、湿気、高温、又は低温などの影響から保護するために、これらのレンズを保護するように構成される。

具体的には、第５のレンズＬ５は、５％の公差を伴って２ｍｍの中心厚を有し、他のレンズと同じ材料で製造することができ、第５のレンズＬ５の第９の面Ｓ９と第４のレンズＬ４の第８の面Ｓ８との間の光軸に沿った距離は、５％の公差を伴って５ｍｍとすることができる。

上述の内容に則して、極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの以下の特定の構造が、表１に示すように与えられる。

表１．極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの構造パラメータ

極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリも溶融シリカで製造され、以下の光学特性を示している。

クリア波長λ＝２６６ｎｍ

焦点距離ｆ＝１００ｍｍ

入射瞳直径Ｄ_ent＝１０ｍｍ

マーキング範囲Ａ＝５０＊５０ｍｍ²

視野角２ω＝５０°

形状、相対的な場所、及び構造等の上述のパラメータに基づいてレンズを設計することにより、非点収差及び歪曲が効果的に較正され、それによって高次の収差が減少し、焦点のエネルギ密度が改善され、それによってマーキング精度が改善される。レンズアセンブリの最も大きいクリア開口は、僅かに６２ｍｍであり、このレンズアセンブリは、小型のレンズアセンブリであり、従来のマーキング機械に適用可能であり、その結像品質は、理想的な状態に達することができる。

図２から図７は、それぞれ、異なる見地からの極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの結像品質を示している。

図２及び図３は、それぞれ、極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリの幾何学的収差及び歪曲を示している。図２では、７次の収差は、５次の収差によって補償され、それによって像平面を平坦にすることを可能にするように収差が較正され、像平面をマーキング範囲にわたって平坦にする。図３に示すように、レンズアセンブリの歪曲は効果的に較正され、軸上結像点と軸外結像点の間に明確な差は存在しない。従って、レンズアセンブリの非点収差及び歪曲は、理想的な較正状態を達成した。

図４及び図５は、それぞれ、レンズアセンブリの光学伝達関数Ｏ．Ｔ．Ｆ及び変調伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆを示している。光学伝達関数Ｏ．Ｔ．Ｆは、固定解像度の伝達関数を表し、縦軸は百分率を表し、横軸は視野を表している。曲線は、解像度が、それぞれ、１０ｌｐ／ｍｍ（１０線対）、２０ｌｐ／ｍｍ（２０線対）、３０ｌｐ／ｍｍ（３０線対）、及び４０ｌｐ／ｍｍ（４０線対）に等しい光学伝達関数を表している。図５のＭ．Ｔ．Ｆ曲線では、縦軸は百分率を表し、横軸は線対の個数を表している。Ｏ．Ｔ．ＦとＭ．Ｔ．Ｆの両方は、レンズアセンブリの結像品質を評価するように構成される。図４及び図５に示すように、レンズアセンブリの軸上点と軸外点の間に明確な差は存在せず、結像結果は安定しており、それによって平坦視野が得られる。

図６及び図７は、それぞれ、レンズアセンブリのデフォーカススポット及びエネルギ密度を表している。図６は、６つの視野内のデフォーカススポットのサイズを示している。この図に示すように、全ての視野内のデフォーカススポットのサイズは、１０μｍよりも小さく保たれており、エネルギの８０％は、１０μｍの範囲に集中している。エネルギ密度は極めて高く、それによって高精度マーキングが可能になる。

本発明の開示によって提供される極紫外レーザマーキングアセンブリのためのＦθレンズは、レンズアセンブリの材料を変更することなく非点収差及び歪曲を効果的に較正して高いエネルギ密度を得ることができ、高品質の結像及び高精度のマーキングを達成し、従来の極紫外レンズアセンブリでは解消することが困難である収差問題を解決し、結像品質を効果的に改善し、更に、このレンズは、構造が単純で設計することが容易であり、様々なレーザ加工デバイスに幅広く適用可能である。

本発明の開示は、更に、極紫外レーザデバイスと、マーキングのため極紫外レーザをフォーカスさせるように構成された光学レンズアセンブリとを含むレーザ加工デバイスを提供し、光学レンズアセンブリは、高品質で高精度のマーキングを提供するために本発明の開示によって提供される極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリとすることができる。レンズアセンブリは、特に極紫外レーザマーキングに適し、より具体的には、２６６ｎｍの波長を有するレーザに適し、すなわち、好ましくは、極紫外レーザデバイスは、２６６ｎｍの放出波長を有する。

以上の説明では好ましい実施形態のみを開示したが、これらの実施形態は、本発明を限定するように意図したものではない。むしろ、本発明の保護範囲から逸脱することなく、本発明の目的及び原理の範囲内で様々な修正、置換、改良を行うことができる。

Ｌ レンズ
Ｓ レンズの面
ｄ レンズの面間距離
Ｄ レンズの中心厚

Claims (10)

1. 極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリであって、
   入射レーザの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第１のレンズ、第２のレンズ、第３のレンズ、及び第４のレンズ、
   を含み、
   前記第１のレンズは、負の両凹レンズであり、前記第２のレンズは、負のメニスカスレンズであり、前記第３のレンズは、正のメニスカスレンズであり、前記第４のレンズは、正の両凸レンズであり、
   前記第２のレンズ及び前記第３のレンズの中間部分が、前記レーザの前記伝達方向に向けて突出し、
   前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、前記第３のレンズ、及び前記第４のレンズのアッベ数に対する屈折率の比が、５％の公差を伴って１．４７６／６８である、
   ことを特徴とするＦθレンズアセンブリ。
2. 前記第１のレンズ、前記第２のレンズ、前記第３のレンズ、及び前記第４のレンズは、溶融シリカで製造されることを特徴とする請求項１に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
3. 前記第１のレンズは、第１の面と第２の面を含み、前記第２のレンズは、第３の面と第４の面を含み、前記第３のレンズは、第５の面と第６の面を含み、前記第４のレンズは、第７の面と第８の面を含み、
   前記第１から第８の面は、前記レーザの前記伝達方向に沿って連続的に配置され、
   前記第１から第８の面の曲率半径が、それぞれ、５％の公差を伴って−５０ｍｍ、３００ｍｍ、−２８ｍｍ、−３２ｍｍ、−２５０ｍｍ、−５０ｍｍ、２５０ｍｍ、−１００ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
4. 前記第１から第４のレンズの中心厚が、それぞれ、２ｍｍ、５ｍｍ、８ｍｍ、及び８ｍｍであり、
   前記第２の面と前記第３の面の間の光軸に沿った距離が、９ｍｍであり、
   前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸に沿った距離が、０．５ｍｍであり、
   前記第６の面と前記第７の面の間の前記光軸に沿った距離が、０．５ｍｍであり、
   前記中心厚の各々及び前記距離の各々が、５％の公差を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
5. 前記第４のレンズの光射出側に位置する第５のレンズを更に含み、
   前記第５のレンズは、第９の面と第１０の面を含み、
   前記第９の面と前記第１０の面の曲率半径が、両方共に∞である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
6. 前記第５のレンズのアッベ数に対する屈折率の比が、５％の公差を伴って１．４７６／６８であることを特徴とする請求項５に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
7. 前記第５のレンズは、溶融シリカで製造されることを特徴とする請求項６に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
8. 前記第５のレンズの中心厚が、５％の公差を伴って２ｍｍであり、
   前記第９の面と前記第８の面の間の前記光軸に沿った距離が、５％の公差を伴って５ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリ。
9. レーザ加工デバイスであって、
   極紫外レーザデバイスと、
   マーキングのため極紫外レーザをフォーカスさせるように構成された光学レンズアセンブリと、
   を含み、
   前記光学レンズアセンブリは、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の極紫外レーザマーキングのためのＦθレンズアセンブリである、
   ことを特徴とするレーザ加工デバイス。
10. 前記極紫外レーザは、２６６ｎｍの放出波長を有することを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工デバイス。