JP2017518536A - 光学レンズ - Google Patents

Abstract

光学レンズは、入射光線の伝達方向に沿って、順に同軸に配置される第一レンズ（Ｌ１）、第二レンズ（Ｌ２）、第三レンズ（Ｌ３）、第四レンズ（Ｌ４）及び第五レンズ（Ｌ５）を含む。第一レンズ（Ｌ１）と第五レンズ（Ｌ５）はメニスカス型正レンズであり、第二レンズ（Ｌ２）と第三レンズ（Ｌ３）はメニスカス型負レンズであり、第四レンズ（Ｌ４）は双凸型レンズである。上述した光学レンズは、レーザー加工設備を有する光学システムに応用した場合、用いられる加工波長と監視波長が異なるとき、監視システムにおけるイメージング色収差を解消できる。特に、遠赤外領域の波長をレーザー加工波長として使用し、赤色光波長を監視波長として使用する場合、監視システムにおいてより良好なイメージング効果が達成でき、レーザー加工の品質が保証できる。

Description

本発明は、光学技術に関し、特にレーザー加工に用いる光学レンズに関する。

レーザー加工技術がますます発展するにつれて、加工品質を保証するために、レーザーマーキングまたはレーザー切断のようなレーザー加工プロセスにおいて、プロセス全体の監視が望まれる。現在、一般的な監視方法は、ＣＣＤ監視システムを使用して、プロセス全体を監視する方法である。従来の加工システムが加工開始時に肉眼で焦点を合わせて加工を行うことに比べて、ＣＣＤ監視システムはプロセス全体を監視することができる。プロセス全体を監視することで、品質問題が発生した場合、即時に調整を行えて、加工品質を保証する。

現在のＣＣＤ監視システムは、遠赤外領域の波長について感度が低く、赤色光領域における周波数帯の感度はより高いため、一般的に、赤色光を使用して監視を行う。しかし、遠赤外領域の波長を使用してレーザー加工を行う場合、ＣＣＤ監視システムは、イメージングに色収差が生じるため、加工の状況を忠実に反映することができない。

上記の問題点を解決するために、本発明は、遠赤外領域の加工波長に対応可能であると共に、赤色光領域の監視波長が使用される場合、監視システムにおけるイメージング色収差をなくすことができる光学レンズを提供する。

光学レンズであって、
入射光線の伝達方向に沿って、順に同軸に配置される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズ及び第五レンズを含み、前記第一レンズ及び前記第五レンズは共にメニスカス型負レンズであり、前記第二レンズ及び前記第三レンズは共にメニスカス型正レンズであり、第四レンズは双凸型レンズであること、
前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を有し、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を有し、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を有し、前記第四レンズは第七曲面と第八曲面を有し、前記第五レンズは第九曲面と第十曲面を有し、各レンズの両曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面であり、前記第一曲面乃至前記第十曲面は、入射光線の伝達方向に沿って順に配列されること、
前記第一曲面、前記第二曲面、前記第三曲面、前記第四曲面、前記第五曲面、前記第六曲面、前記第八曲面及び前記第九曲面は、すべて入射光線の伝達方向に向かって突出し、前記第七曲面は入射光線の伝達方向に対して突出する。

一つの実施例において、前記第一曲面の曲率半径は−５６ｍｍ±５％であり、前記第二曲面の曲率半径は−３００ｍｍ±５％であり、前記第一レンズの中心厚さは６ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第三曲面の曲率半径は−１１０ｍｍ±５％であり、前記第四曲面の曲率半径は−８０ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの中心厚さは１２ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第五曲面の曲率半径は−４０００ｍｍ±５％であり、前記第六曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの中心厚さは２２ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第七曲面の曲率半径は３００ｍｍ±５％であり、前記第八曲面の曲率半径は−２００ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの中心厚さは２２ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第九曲面の曲率半径は−１５０ｍｍ±５％であり、前記第十曲面の曲率半径は∞であり、前記第五レンズの中心厚さは４ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第一レンズの第二曲面と前記第二レンズの第三曲面の光軸における間隔が４ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの第四曲面と前記第三レンズの第五曲面の光軸における間隔が０．５ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの第六曲面と前記第四レンズの第七曲面の光軸における間隔が０．５ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの第八曲面と前記第五レンズの第九曲面の光軸における間隔が１０ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記光学レンズは第六レンズを含み、前記第一レンズ、前記第二レンズ、前記第三レンズ、前記第四レンズ、前記第五レンズ及び前記第六レンズは、入射光軸の伝達方向に沿って順に同軸に配置され、前記第六レンズは平面レンズである。

一つの実施例において、前記第六レンズの中心厚さは４ｍｍ±５％である。

一つの実施例において、前記第六レンズは、光入射面である第十一曲面と光出射面である第十二曲面を有し、前記第五レンズの第十曲面と前記第六レンズの第十一曲面の光軸における間隔は２ｍｍ±５％である。

上述した光学レンズをレーザー加工装置の光学システムに応用して、遠赤外領域の波長をレーザー加工波長として使用し、赤色光波長を監視波長として使用する場合、監視システムはより良好なイメージング効果が達成でき、レーザー加工の品質が保証できる。

図における本発明の好適な実施例について、更に詳しく説明することにより、本発明が上述した、またはその他の目的、特徴及び利点がより明瞭になる。すべての図面において、同様の参照符号は同様の対応部分を示して、図面の構成要素は必ずしも原寸に比例して描かれていないが、主に本発明の趣旨を説明するためのものである。

本発明の実施例における光学レンズの構造図である。 図１に示す実施例における光学レンズの像面湾曲及び歪み図である。 図１に示す実施例における光学レンズの拡散スポット図である。 図１に示す光学レンズの変調伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆ曲線図である。

本発明の目的、特徴及び利点を、より明白に理解させるために、以下、図を参照しながら本発明の具体的な実施形態について詳しく説明する。

ここにおいて説明すべきなのは、本明細書中において、光の伝達方向は、図の左から右へ伝達することである。曲率半径の正負は、曲面と主光軸との交差点、及び曲面の球心の相対位置関係を基準として、曲面の球心がこの交差点の左側にある場合、曲率半径はマイナスである。逆に、曲面の球心がこの交差点の右側にある場合、曲率半径はプラスである。また、光学レンズの左側にあるのは物体側であり、光学レンズの右側にあるのは画像側である。正レンズはレンズの中心厚さが周縁厚さより大きいレンズであり、負レンズはレンズの中心厚さが周縁厚さより小さいレンズである。

図１は本発明の一つの実施例に提供する光学レンズの構造図を示している。説明を容易にするために、本発明と関係する部分のみを示している。当該光学レンズは、入射光線の伝達方向に沿って順に同軸に配置される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４及び第五レンズＬ５を含む。

そのうち、第一レンズＬ１は第一曲面Ｓ１と第二曲面Ｓ２を有し、第二レンズＬ２は第三曲面Ｓ３と第四曲面Ｓ４を有し、第三レンズＬ３は第五曲面Ｓ５と第六曲面Ｓ６を有し、第四レンズＬ４は第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８を有し、第五レンズＬ５は第九曲面Ｓ９と第十曲面Ｓ１０を有する。各レンズの両曲面はそれぞれ光入射面と光出射面であり、第一曲面Ｓ１乃至第十曲面Ｓ１０は入射光線の伝達方向に沿って順に配列される。

第一レンズＬ１はメニスカス型負レンズであり、第一レンズの第一曲面Ｓ１は画像側に向かって突出し、曲率半径は−５６ｍｍであり、第二曲面Ｓ２は画像側に向かって突出し、曲率半径は−３００ｍｍである。第一レンズＬ１の中心厚さｄ１（すなわち、第一レンズＬ１の光軸における厚さ）は６ｍｍである。上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容することが理解できる。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内に変化することを許容する。この実施例において、第一レンズＬ１の材料はＮｄ１．７６：Ｖｄ２７（屈折率：色分散係数）である。

第二レンズＬ２はメニスカス型正レンズであり、第二レンズの第三曲面Ｓ３は画像側に向かって突出し、曲率半径は−１１０ｍｍであり、第四曲面Ｓ４は画像側に向かって突出し、曲率半径は−８０ｍｍである。第二レンズＬ２の中心厚さｄ３は１２ｍｍである。第二レンズＬ２の上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容することが理解できる。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内で変化することを許容する。この実施例において、第二レンズＬ２の材料はＮｄ１．６９：Ｖｄ５６である。

第三レンズＬ３はメニスカス型正レンズであり、第三レンズの第五曲面Ｓ５は画像側に向かって突出し、曲率半径は−４００ｍｍであり、第六曲面Ｓ６は画像側に向かって突出し、曲率半径は−９０ｍｍである。第三レンズＬ３の中心厚さｄ５は２２ｍｍである。第三レンズＬ３の上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容することが理解できる。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内で変化することを許容する。この実施例において、第三レンズＬ３の材料はＮｄ１．６９：Ｖｄ５６である。

第四レンズＬ４は双凸型レンズであり、第四レンズの第七曲面Ｓ７は物体側に向かって突出し、曲率半径は３００ｍｍであり、第八曲面Ｓ８は画像側に向かって突出し、曲率半径は−２００ｍｍである。第四レンズＬ４の中心厚さｄ７は２２ｍｍである。第四レンズＬ４の上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容する。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内で変化することを許容する。この実施例において、第四レンズＬ４の材料はＮｄ１．６９：Ｖｄ５６である。

第五レンズＬ５はメニスカス型負レンズであり、第五レンズの第九曲面Ｓ９は画像側に向かって突出し、曲率半径は−１５０ｍｍであり、第十曲面Ｓ１０は平面であり、曲率半径は無限大（∞）である。第五レンズＬ５の中心厚さｄ９は４ｍｍである。第五レンズＬ５の上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容する。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内で変化することを許容する。この実施例において、第五レンズＬ５の材料はＮｄ１．６：Ｖｄ３６である。

また、発明者は、各隣接するレンズの間の間隔を、以下のように設けている。具体的に、第一レンズＬ１の出射面（第二曲面Ｓ２）と第二レンズの入射面（第三曲面Ｓ３）の光軸における間隔ｄ２の期待値が４ｍｍであり、公差は５％であり、すなわち、間隔ｄ２はその期待値±５％の範囲内で変化することを許容する。

第二レンズＬ２の出射面（第四曲面Ｓ４）と第三レンズの入射面（第五曲面Ｓ５）の光軸における間隔ｄ４の期待値が０．５ｍｍであり、公差は５％であり、すなわち、間隔ｄ４はその期待値±５％の範囲内で変化することを許容する。

第三レンズＬ３の出射面（第六曲面Ｓ６）と第四レンズの入射面（第七曲面Ｓ７）の光軸における間隔ｄ６の期待値が０．５ｍｍであり、公差は５％であり、すなわち、間隔ｄ４はその期待値±５％の範囲内で変化することを許容する。

第四レンズＬ４の出射面（第八曲面Ｓ８）と第五レンズの入射面（第九曲面Ｓ９）の光軸における間隔ｄ８の期待値が１０ｍｍであり、公差は５％であり、すなわち、間隔ｄ８はその期待値±５％の範囲内で変化することを許容する。

一つの実施例において、該光学レンズは、第六レンズＬ６を含み、第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４、第五レンズＬ５及び第六レンズＬ６は、入射光線の伝達方法に沿って同軸に配置される。

第六レンズＬ６は、光入射面である第十一曲面Ｓ１１と光出射面である第十二曲面Ｓ１２を含む。第六レンズＬ６は、保護機器としての平面レンズであるため、第十一曲面Ｓ１１と第十二曲面Ｓ１２の曲率半径は共に無限大である。第六レンズＬ６の中心厚さｄ１１は４ｍｍである。また、第五レンズＬ５の出射面（第十曲面Ｓ１０）と第六レンズＬ６の入射面（第十一曲面Ｓ１１）の光軸における間隔ｄ１０は２ｍｍである。同様に、上述した各パラメータはすべて期待値であり、一定の公差を許容する。上述した各パラメータの公差範囲は５％であり、すなわち、各パラメータの期待値は±５％の範囲内で変化することを許容する。一つの実施例において、第六レンズＬ６の材料はＮｄ１．５：Ｖｄ６４である。

以下、簡単な方式を用いて上述実施例案をより明白に説明する。

第一レンズＬ１
第一曲面Ｓ１曲率半径：−５６ｍｍ
第二曲面Ｓ２曲率半径：−３００ｍｍ
中心厚さ：６ｍｍ
材料：１．７６／２７

第二レンズＬ２
第三曲面Ｓ３曲率半径：−１１０ｍｍ
第四曲面Ｓ４曲率半径：−８０ｍｍ
中心厚さ：１２ｍｍ
材料：１．６９／５６
第一レンズＬ１との曲面間隔：４ｍｍ

第三レンズＬ３
第五曲面Ｓ５曲率半径：−４００ｍｍ
第六曲面Ｓ６曲率半径：−９０ｍｍ
中心厚さ：２２ｍｍ
材料：１．６９／５６
第二レンズＬ２との曲面間隔：０．５ｍｍ

第四レンズＬ４
第七曲面Ｓ７曲率半径：３００ｍｍ
第八曲面Ｓ８曲率半径：−２００ｍｍ
中心厚さ：２２ｍｍ
材料：１．６９／５６
第三レンズＬ３との曲面間隔：０．５ｍｍ

第五レンズＬ５
第九曲面Ｓ９曲率半径：−１５０ｍｍ
第十曲面Ｓ１０曲率半径：∞
中心厚さ：４ｍｍ
材料：１．６／３６
第四レンズＬ４との曲面間隔：１０ｍｍ

第六レンズＬ６
第十一曲面Ｓ１１曲率半径：∞
第十二曲面Ｓ１２曲率半径：∞
中心厚さ：４ｍｍ
材料：１．５／６４
第五レンズＬ５との曲面間隔：２ｍｍ

上述した光学レンズを備える光学システムは、波長範囲が１０６４〜６３０ｎｍである赤光または赤外光を光源としてレーザー加工を行う。また、赤光を監視光源として使用するＣＣＤ監視システムを備えるレーザー加工設備は、該光学レンズを備えるため、ＣＣＤイメージング色収差をなくすことができ、よりよいイメージング効果を有することができる。これにより、即時に加工過程を監視する効果がより良く達成できる。

以下、λ＝１０６４ｎｍである遠赤外レーザーとλ＝６３２ｎｍである可視照明光を選択して、図２〜図４と合わせて該光学レンズのレーザー加工設備の光学効果について説明する。

該光学レンズの具体的なパラメータは、以下、ｆ＝２１０ｍｍ、Φ＝３０ｍｍ、マーキング範囲：Ａ＝１３０＊１３０ｍｍ^２である。そのうち、ｆは該光学レンズの焦点距離であり、Φは入射瞳径である。

図２は、該光学レンズの像面湾曲及び歪み図を示す。図２から、軸方向色収差は約ΔＣＩ＝０．１５−０．２であり、拡大倍率色収差はΔＣＩＩ＝０であるため、理想的な程度に達している。

図３は、該光学レンズの収差図を示す。全視野における幾何的拡散スポットは０．０１ｍｍぐらいであるため、理想的な程度に達している。

図４は、光学レンズの伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆ曲線図を示す。解像度が２０ｌｐ／ｍｍに達した時、Ｍ．Ｔ．Ｆはまだ０．６であるため、レーザー加工の要求を完全に満たせる。

上述した実施例における光学レンズを用いると、加工する周波数帯λ＝１０６４ｎｍとＣＣＤ可視周波数帯であるλ＝６３２ｎｍは同じ画面にあり、これにより、全レーザー加工過程において、ＣＣＤ画面に忠実に反映することができるため、マーキングの全過程を監視することができ、マーキングの全過程は正確に行うことを確保する。

上述した実施例は、本発明の幾つかの実施形態を具体的で詳細に説明してきたが、本発明の技術的範囲を限定するものではない。ここにおいて、説明すべきなのは、本技術分野の当業者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で若干の変更や改善等を行うことができ、これらも本発明の技術的範囲に属する。このため、本発明の保護範囲は特許請求の範囲が定めたことを基準にする。

Claims (10)

1. 光学レンズであって、
   入射光線の伝達方向に沿って、順に同軸に配置される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズ及び第五レンズを含み、前記第一レンズと前記第五レンズは共にメニスカス型負レンズであり、前記第二レンズと前記第三レンズは共にメニスカス型正レンズであり、前記第四レンズは平凸型正レンズであること、
   前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を有し、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面を有し、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面を有し、前記第四レンズは第七曲面と第八曲面を有し、前記第五レンズは第九曲面と第十曲面を有し、各レンズの両曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面であり、前記第一曲面乃至前記第十曲面は、入射光線の伝達方向に沿って順に配列されること、
   前記第一曲面、前記第二曲面、前記第三曲面、前記第四曲面、前記第五曲面、前記第六曲面、前記第八曲面及び前記第九曲面は入射光線の伝達方向に向かって突出し、前記第七曲面は入射光線の伝達方向に対して突出すること、
   を特徴とする光学レンズ。
2. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第一曲面の曲率半径は−５６ｍｍ±５％であり、前記第二曲面の曲率半径は−３００ｍｍ±５％であり、前記第一レンズの中心厚さは６ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
3. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第三曲面の曲率半径は−１１０ｍｍ±５％であり、前記第四曲面の曲率半径は−８０ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの中心厚さは１２ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
4. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第五曲面の曲率半径は−４０００ｍｍ±５％であり、前記第六曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの中心厚さは２２ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
5. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第七曲面の曲率半径は３００ｍｍ±５％であり、前記第八曲面の曲率半径は−２００ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの中心厚さは２２ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
6. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第九曲面の曲率半径は−１５０ｍｍ±５％であり、前記第十曲面の曲率半径は∞であり、前記第五レンズの中心厚さは４ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
7. 請求項１に記載している光学レンズにおいて、
   前記第一レンズの前記第二曲面と前記第二レンズの前記第三曲面の光軸における間隔が４ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの前記第四曲面と前記第三レンズの前記第五曲面の光軸における間隔が０．５ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの前記第六曲面と前記第四レンズの前記第七曲面の光軸における間隔が０．５ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの前記第八曲面と前記第五レンズの前記第九曲面の光軸における間隔が１０ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載している光学レンズにおいて、
   前記光学レンズは第六レンズを含み、前記第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、前記第四レンズ、前記第五レンズ及び前記第六レンズは、入射光軸の伝達方向に沿って順に同軸に配置され、前記第六レンズは平面レンズであることを特徴とする光学レンズ。
9. 請求項８に記載している光学レンズにおいて、
   前記第六レンズの中心厚さは４ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。
10. 請求項８に記載している光学レンズにおいて、
    前記第六レンズは、光入射面である第十一曲面と光出射面である第十二曲面を有し、前記第五レンズの第十曲面と前記第六レンズの第十一曲面の光軸における間隔が２ｍｍ±５％であることを特徴とする光学レンズ。