JP2017520023A

JP2017520023A - テレセントリックレンズ

Info

Publication number: JP2017520023A
Application number: JP2016571297A
Authority: JP
Inventors: 家英李; 朝明周; 博孫; 玉慶陳; 雲峰高
Original assignee: ハンズレーザーテクノロジーインダストリーグループカンパニーリミテッド
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2034-09-17
Also published as: US20170248776A1; DE112014006698B4; JP6301506B2; CN106415352A; DE112014006698T5; WO2016041161A1; CN106415352B; US9897787B2

Abstract

テレセントリックレンズ１００は、入射光ビームの伝達方向に沿って順次に同軸に配置された第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４および第五レンズＬ５を含み、第一レンズＬ１は負の平凹レンズであり、第二レンズＬ２は負のメニスカスレンズであり、第三レンズＬ３は負のメニスカスレンズであり、第四レンズＬ４は正の両凸レンズであり、第五レンズＬ５は負の平凹レンズであり、テレセントリックレンズ１００における第一レンズＬ１から第五レンズＬ５に対する配置およびパラメータ設計により、該テレセントリックレンズ１００はテレセントリックの効果を実現できるとともに、色収差を抑えることと比較的に大きな口径に対する要求を同時に満たすことができる。【選択図】図１

Description

本発明は光学レンズに関し、特にテレセントリックレンズに関する。

レーザー加工技術の発展、特に光学システムの発展に伴い、通常のｆ−θ（走査型対物レンズ）光学レンズは、複数の光学レンズを組み合わせて設計することによりテレセントリックの効果、すなわち、テレセントリックレンズを実現している。しかしながら、テレセントリックレンズにおける各光学レンズの光学パラメータの配置および各レンズ間の距離の設計との関係により、テレセントリックレンズは色収差を抑えることと相対的に大きな口径に対する要求を同時に満たすことが難しい。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、色収差を抑えることと相対的に大きな口径に対する要求を同時に満たすことができるテレセントリックレンズを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明に係るテレセントリックレンズは、入射光ビームの伝達方向に沿って順次に同軸に配置された第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズを含み、前記第一レンズは負の平凹レンズであり、前記第二レンズは負のメニスカスレンズであり、前記第三レンズは負のメニスカスレンズであり、前記第四レンズは正の両凸レンズであり、前記第五レンズは負の平凹レンズであり、前記第一レンズは第一の面および第二の面を有し、前記第二レンズは第三の面および第四の面を有し、前記第三レンズは第五の面および第六の面を有し、前記第四レンズは第七の面および第八の面を有し、前記第五レンズは第九の面および第十の面を有し、各レンズの両面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面であり、前記第一の面から第十の面は入射光ビームの伝達方向に沿って順次に分布され、前記第一の面、第三の面、第四の面、第五の面、第六の面および第九の面はいずれも入射光の伝達方向に凸出し、前記第七の面は入射光に向かって凸出し、前記第二の面および第十の面は平面であり、前記第一の面の曲率半径は−５０±５％ｍｍであり、前記第三の面から第九の面の曲率半径は順次に−１２１±５％ｍｍ、−８０．１±５％ｍｍ、−６０６±５％ｍｍ、−１００±５％ｍｍ、２５０±５％ｍｍ、−２００±５％ｍｍ、−１５０±５％ｍｍである。

一つの実施例において、前記第一レンズから第五レンズの中心厚は順次に５±５％ｍｍ、１０±５％ｍｍ、２６±５％ｍｍ、２８±５％ｍｍ、４±５％ｍｍである。

一つの実施例において、前記第二の面と第三の面との間、前記第四の面と第五の面との間、前記第六の面と第七の面との間および前記第八の面と第九の面との間の光軸上の距離はそれぞれ７±５％ｍｍ、０．５±５％ｍｍ、０．５±５％ｍｍ、１２±５％ｍｍである。

一つの実施例において、前記第一レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．８／２６）±５％であり、前記第二レンズから第四レンズの屈折率とアッベ数との比率はいずれも（１．７／５０）±５％であり、前記第五レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．６／３５）±５％である。

一つの実施例において、前記第一レンズから第五レンズの外径は順次に９４±５％ｍｍ、１００±５％ｍｍ、１２０±５％ｍｍ、１４０±５％ｍｍ、１４０±５％ｍｍである。

一つの実施例において、前記テレセントリックレンズは第六レンズをさらに含み、前記第六レンズは光入射面としての第十一の面および光出射面としての第十二の面を有し、前記第十の面と前記第十一の面との光軸上の距離は２±５％ｍｍであり、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、前記第六レンズは保護ガラスであり、その中心厚は４±５％ｍｍであり、前記第六レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．５／６４）±５％であり、前記第六レンズの外径は１４０±５％ｍｍである。

一つの実施例において、前記テレセントリックレンズの焦点距離は１７０ｍｍであり、入射瞳直径は３０ｍｍであり、動作波長は１０６４〜６３０ｎｍであり、最大動作面積は１０４＊１０４ｍｍ^２である。

本発明はテレセントリックレンズにおける第一レンズから第五レンズに対する配置およびパラメータ設計により、該テレセントリックレンズが色収差を抑えることと相対的に大きな口径に対する要求を同時に満たすことができる。

図面に示すような本発明の好ましい実施例に対する更なる具体的な説明により、本発明の上記およびその他の目的、特徴並びに有利な効果がさらに明らかになる。すべての図面において、同一の部材には同一の符号を付し、また、実際の寸法比率などにしたがって縮小または拡張していない場合があり、主には本発明の技術的思想を示すようにしている。

一つの実施例に係るテレセントリックレンズの構造を示す図である。図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズのスポットダイアグラムを示す図である。図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズの変調伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆを示す図である。図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズの非点収差を示す図である。図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズの歪曲収差を示す図である。

本発明の上記目的、特徴および利点をさらにわかりやすくするため、以下では図面を参照しながら本発明の具体的な実施形態について詳細に説明する。以下の説明では本発明を十分に理解させるため、多くの具体的な細部について説明しているが、これらは本発明の実施形態を制限するものではなく、本発明はその他の形態によっても実施できる。いわゆる当業者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、近似改善することができ、本発明は以下に示す具体的な実施形態に制限されない。

本明細書において、光の伝達方向は図面の左側から右側である。曲率半径の正負は曲面の球心位置と主光軸の交差点を基準にし、曲面の球心が当該点の左側にあれば、曲率半径はマイナスであり、一方、曲面の球心が当該点の右側にあれば、曲率半径はプラスである。また、レンズの左側は物体側であり、レンズの右側は像側である。正のレンズとは、レンズの中心厚がコバ厚よりも大きいレンズであり、負のレンズとは、レンズの中心厚がコバ厚よりも小さいレンズである。

図１は、一つの実施例に係るテレセントリックレンズ１００の構造を示す図であり、説明の便宜上、本発明と関連する部分のみが示されている。テレセントリックレンズ１００は、入射光ビームの伝達方向に沿って順次に同軸に配置された第一レンズ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および第六レンズＬ６を含む。ここで、第一レンズＬ１は負の平凹レンズであり、第二レンズＬ２は負のメニスカスレンズであり、第三レンズＬ３は負のメニスカスレンズであり、第四レンズＬ４は正の両凸レンズであり、第五レンズは負の平凹レンズであり、第六レンズは平面レンズ（平行平面板）である。第一レンズＬ１は第一の面Ｓ１および第二の面Ｓ２を有し、第二レンズＬ２は第三の面Ｓ３および第四の面Ｓ４を有し、第三レンズＬ３は第五の面Ｓ５および第六の面Ｓ６を有し、第四レンズＬ４は第七の面Ｓ７および第八の面Ｓ８を有し、第五レンズＬ５は第九の面Ｓ９および第十の面Ｓ１０を有し、第六レンズＬ６は第十一の面Ｓ１１および第十二の面Ｓ１２を有する。各レンズの両面はそれぞれレンズの光入射面および光出射面である。第一の面Ｓ１から第十二の面Ｓ１２は入射光の伝達方向に沿って順次に分布されている。第一の面Ｓ１、第二の面Ｓ２、第三の面Ｓ３、第四の面Ｓ４、第五の面Ｓ５、第六の面Ｓ６および第九の面Ｓ９は、湾曲方向が同じであり、いずれも入射光の伝達方向（すなわち、物体側）に凸出している。一方、第七の面Ｓ７は入射光に向かう方向（すなわち、像側）に凸出している。第十の面Ｓ１０、第十一の面Ｓ１１および第十二の面Ｓ１２は、いずれも平面である。本実施形態において、第六レンズＬ６は保護ガラスである。なお、第六レンズＬ６はなくてもよいことは理解できる。

また、上記五つのレンズに対応する構造のパラメータを以下のように設計する。具体的には、第一レンズＬ１の屈折率とアッベ数との比率は（１．８／２６）±５％である。第一レンズＬ１の第一の面Ｓ１は像側に向けて凸出し、曲率半径は−５０ｍｍである。第二の面Ｓ２は平面であり、曲率半径は∞（無限大）であり、第一レンズＬ１の中心厚ｄ１（すなわち、光軸上のレンズの厚み）は５ｍｍであり、第一レンズＬ１の外径Ｄ１は９４ｍｍである。第一レンズＬ１の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有し、すなわち、各パラメータが±５％の範囲内において変化することを許容する。

第二レンズＬ２の屈折率とアッベ数との比率は（１．７／５０）±５％である。第二レンズＬ２の第三の面Ｓ３は像側に向けて凸出し、曲率半径は−１２１ｍｍであり、第四の面Ｓ４は像側に向けて凸出し、曲率半径は−８０．１ｍｍである。第二レンズＬ２の中心厚ｄ３は１０ｍｍであり、第二レンズの外径は１００ｍｍである。第二レンズＬ２の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有している。

第三レンズＬ３の屈折率とアッベ数との比率は（１．７／５０）±５％である。第三レンズＬ３の第五の面Ｓ５は像側に向けて凸出し、曲率半径は−６０６ｍｍであり、第六の面Ｓ６は像側に向けて凸出し、曲率半径は−１００ｍｍである。第三レンズＬ３の中心厚ｄ５は２６ｍｍであり、第三レンズの外径は１２０ｍｍである。第三レンズＬ３の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有している。

第四レンズＬ４の屈折率とアッベ数との比率は（１．７／５０）±５％である。第四レンズＬ４の第七の面Ｓ７は物体側に向けて凸出し、曲率半径は２５０ｍｍであり、第八の面Ｓ８は像側に向けて凸出し、曲率半径は−２００ｍｍである。第四レンズＬ４の中心厚ｄ７は２８ｍｍであり、第四レンズの外径は１４０ｍｍである。第四レンズＬ４の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有している。

第五レンズＬ５の屈折率とアッベ数との比率は（１．６／３５）±５％である。第五レンズＬ５の第九の面Ｓ９は像側に向けて凸出し、曲率半径は−１５０ｍｍであり、第十の面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ｄ９は４ｍｍであり、その外径は１４０ｍｍである。第五レンズＬ５の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有している。

第六レンズＬ６の屈折率とアッベ数との比率は（１．５／６４）±５％である。第六レンズＬ６の第十一の面Ｓ１１および第十二の面Ｓ１２はいずれも平面であり、曲率半径は∞（無限大）である。第六レンズＬ６の中心厚ｄ１１は４ｍｍであり、その外径は１４０ｍｍである。第六レンズＬ６の上記各パラメータはともに５％の公差の範囲を有している。

さらに、各隣り合うレンズ間の距離について以下のように設計する。具体的には、第一レンズＬ１の出射面（第二の面Ｓ２）と第二レンズＬ２の入射面（第三の面Ｓ３）との光軸上の距離ｄ２は７ｍｍであり、公差は５％である。第二レンズＬ２の出射面（第四の面Ｓ４）と第三レンズＬ３の入射面（第五の面Ｓ５）との光軸上の距離ｄ４は０．５ｍｍであり、公差は５％である。第三レンズＬ３の出射面（第六の面Ｓ６）と第四レンズＬ４の入射面（第七の面Ｓ７）との光軸上の距離ｄ６は０．５ｍｍであり、公差は５％である。第四レンズＬ４の出射面（第八の面Ｓ８）と第五レンズＬ５の入射面（第九の面Ｓ９）との光軸上の距離ｄ８は１２ｍｍであり、公差は５％である。第五レンズＬ５の出射面（第十の面Ｓ１０）と第六レンズＬ６の入射面（第十一の面Ｓ１１）との光軸上の距離ｄ１０は２ｍｍであり、公差は５％である。

以上のように設計すると、テレセントリックレンズ１００の光学パラメータは、焦点距離が１７０ｍｍであり、入射瞳直径は３０ｍｍであり、動作波長は１０６４ｎｍ〜６３０ｎｍであり、最大動作面積は１０４＊１０４ｍｍ^２に達する。上記テレセントリックレンズ１００のテスト測定の効果は図２〜５に示すとおりである。

図２は、図１に示すテレセントリックレンズ１００の収差を示す図である。図において、ＤＢＪは視野を表し、単位は度であり、ＩＭＡは像面における結像直径を表し、単位はｍｍである。図２では１００ｍｍの目盛りの長さを示している。図２に示すスポットダイアグラムから、テレセントリックレンズ１００の焦点スポットの分散範囲は比較的に小さく、焦点にエネルギが集中し、かつ軸上および軸外の収差がともによく校正され、理想的な解像度に達していることがわかる。全視野における分散はいずれも０．０１ｍｍ程度であり、理想的である。

図３は、図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズ１００の変調伝達関数（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ、Ｍ．Ｔ．Ｆ）を示す図である。横座標は解像度を表し、単位はラインペア／ｍｍである。ＴＳは視野を表し、単位は度である。解像度が２０ラインペアに達する場合、Ｍ．Ｔ．Ｆはまだ０．５程度あるため、レーザー加工の要求に完全に満たせる。

図４は、図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズ１００の非点収差を示す図である。図４において、縦座標＋Ｙは視野の大きさを表し、横座標の単位はｍｍである。図５は、図１に示す実施例におけるテレセントリックレンズ１００の歪曲収差を示す図である。図５において、縦座標＋Ｙは視野の大きさを表し、横座標の単位はパーセンテージである。図４、５に示すように、テレセントリックレンズ１００の軸方向の色収差はΔＣＩ≒０．１５であり、倍率色収差はΔＣＩＩ≒０であり、既に理想的な程度に達している。

以上のように、テレセントリックレンズ１００における第一レンズから第五レンズに対する配置およびパラメータ設計により、テレセントリックレンズ１００は、テレセントリックの効果を実現できるとともに、色収差を抑えることと相対的に大きな口径に対する要求を同時に満たすことができる。

上述の実施例は本発明のいくつかの実施形態を示しただけで、比較的に具体的かつ詳細に説明されているが、本発明の保護範囲を制限するものではないことを理解されたい。いわゆる当業者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、いくつかの変形および改善をすることができ、これらも本発明の保護範囲に属することはいうまでもない。本発明の保護範囲は、特許請求の範囲により定められる。

Claims

入射光ビームの伝達方向に沿って順次に同軸に配置された第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズを含み、前記第一レンズは負の平凹レンズであり、前記第二レンズは負のメニスカスレンズであり、前記第三レンズは負のメニスカスレンズであり、前記第四レンズは正の両凸レンズであり、前記第五レンズは負の平凹レンズであり、前記第一レンズは第一の面および第二の面を有し、前記第二レンズは第三の面および第四の面を有し、前記第三レンズは第五の面および第六の面を有し、前記第四レンズは第七の面および第八の面を有し、前記第五レンズは第九の面および第十の面を有し、各レンズの両面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面であり、前記第一の面から第十の面は入射光ビームの伝達方向に沿って順次に分布され、前記第一の面、第三の面、第四の面、第五の面、第六の面および第九の面はいずれも入射光の伝達方向に凸出し、前記第七の面は入射光に向かって凸出し、前記第二の面および第十の面は平面であり、前記第一の面の曲率半径は−５０±５％ｍｍ、前記第三の面から第九の面の曲率半径は順次に−１２１±５％ｍｍ、−８０．１±５％ｍｍ、−６０６±５％ｍｍ、−１００±５％ｍｍ、２５０±５％ｍｍ、−２００±５％ｍｍ、−１５０±５％ｍｍであるテレセントリックレンズ。
前記第一レンズから第五レンズの中心厚は順次に５±５％ｍｍ、１０±５％ｍｍ、２６±５％ｍｍ、２８±５％ｍｍ、４±５％ｍｍである請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
前記第二の面と第三の面との間、前記第四の面と第五の面との間、前記第六の面と第七の面との間および前記第八の面と第九の面との間の光軸上の距離はそれぞれ７±５％ｍｍ、０．５±５％ｍｍ、０．５±５％ｍｍ、１２±５％ｍｍである請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
前記第一レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．８／２６）±５％であり、前記第二レンズから第四レンズの屈折率とアッベ数との比率はいずれも（１．７／５０）±５％であり、前記第五レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．６／３５）±５％である請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
前記第一レンズから第五レンズの外径は順次に９４±５％ｍｍ、１００±５％ｍｍ、１２０±５％ｍｍ、１４０±５％ｍｍ、１４０±５％ｍｍである請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
前記テレセントリックレンズは第六レンズをさらに含み、前記第六レンズは光入射面としての第十一の面および光出射面としての第十二の面を有し、前記第十の面と前記第十一の面との光軸上の距離は２±５％ｍｍであり、前記第六レンズは平面レンズである請求項１に記載のテレセントリックレンズ。
前記第六レンズは保護ガラスであり、その中心厚は４±５％ｍｍであり、前記第六レンズの屈折率とアッベ数との比率は（１．５／６４）±５％であり、前記第六レンズの外径は１４０±５％ｍｍである請求項６に記載のテレセントリックレンズ。
前記テレセントリックレンズの焦点距離は１７０ｍｍであり、入射瞳直径は３０ｍｍであり、動作波長は１０６４〜６３０ｎｍであり、最大動作面積は１０４＊１０４ｍｍ^２である請求項１に記載のテレセントリックレンズ。