JP2017529564A

JP2017529564A - 光学レンズ

Info

Publication number: JP2017529564A
Application number: JP2017510859A
Authority: JP
Inventors: 家英李; 朝明周; 博孫; 海黄; 云峰高
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: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2034-09-02
Also published as: WO2016033730A1; US9910252B2; JP6383863B2; CN106461915B; CN106461915A; DE112014006776T5; US20170219805A1; DE112014006776B4

Abstract

本発明の光学レンズは入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズおよび第四レンズを含み、前記第一レンズと第四レンズはいずれもメニスカス状の負レンズであり、第二レンズはメニスカス状の正レンズであり、第三レンズは平凸状の正レンズである。上記光学レンズをレーザー加工装置の光学システムに用いることにより、加工用光線の波長と監視用光線の波長が異なる場合の、監視システムの撮像中の収差を除去することができる。特に、遠赤外線領域の波長をレーザー加工用光線の波長とし、赤色光の波長を監視用光線の波長とするとき、監視システムの画像の品質を向上させ、レーザー加工の品質を確保することができる。

Description

本発明は、光学技術に関し、特にレーザー加工に用いられる光学レンズに関するものである。

レーザー加工技術の発展に伴い、レーザー印刷またはレーザー切断などをするとき、レーザー加工工程を随時監視することにより、加工工程の品質を確保することが望まれている。一般的な監視方法として、ＣＣＤ監視システムを採用することにより、加工工程を随時監視している。従来の技術と比較してみると、従来の加工システムは、加工初期に肉眼によって焦点合わせだけを行った後、直接加工を開始するのに対して、当該ＣＣＤ監視システムは、加工の全過程を監視している。加工の全過程を監視することにより、品質の問題が発生すると、即時に改善することができるので、加工品質を確保することができる。

従来のＣＣＤ監視システムは、遠赤外線領域の波長に対する応答性が良くないが、赤色光領域の波長に対する感受性が良いので、通常赤色光を利用して監視する。しかし、当該ＣＣＤ監視システムは、遠赤外線領域の波長を利用して加工するとき、ＣＣＤ監視システムの画像に色収差が発生するおそれがあるので、加工の状況を正確に反映することができない。

本発明の目的は、遠赤外線領域の作業波長に対応できるとともに、赤色光領域の波長を監視用光線の波長とするときに、監視システムの画像の色収差を解消することができる光学レンズを提供することにある。

光学レンズであって、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズおよび第四レンズを含み、前記第一レンズと第四レンズは共にメニスカス状の負レンズであり、第二レンズはメニスカス状の正レンズであり、第三レンズは平凸状の正レンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、第四レンズは第七曲面と第八曲面を含み、各レンズにおける２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面ないし第八曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第六曲面、第七曲面および第八曲面はいずれも、入射光の伝播方向へ突出している。

本発明の一実施例において、前記第一曲面の曲率半径は−２７ｍｍ±５％であり、前記第二曲面の曲率半径は−１１０ｍｍ±５％であり、前記第一レンズの中心の厚さは３ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第三曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第四曲面の曲率半径は−３０ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの中心の厚さは１０ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第五曲面の曲率半径は∞であり、前記第六曲面の曲率半径は−６３ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの中心の厚さは１４ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第七曲面の曲率半径は−５５ｍｍ±５％であり、前記第八曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの中心の厚さは５ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第一レンズの第二曲面と第二レンズの第三曲面とは、光軸上における距離は２ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの第四曲面と第三レンズの第五曲面とは、光軸上における距離は０．５ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの第六曲面と第四レンズ第七曲面とは、光軸上における距離は２０ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記光学レンズは第五レンズを更に含み、前記第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズは入射光の伝播方向に沿って同軸に配列され、前記第五レンズは平面レンズである。

本発明の一実施例において、前記第五レンズの中心の厚さは３ｍｍ±５％である。

本発明の一実施例において、前記第五レンズは光入射面としての第九曲面と光出射面としての第十曲面を含み、前記第五レンズの第九曲面と第四レンズの第八曲面とは光軸上における距離は２ｍｍ±５％である。

前記光学レンズをレーザー加工装置の光学システムに用いる場合、遠赤外線領域の波長をレーザー加工用光線の波長とし、赤色光の波長を監視用光線の波長とすることにより、監視システムの撮像の品質を向上させ、レーザー加工の品質を確保することができる。

図面に示された本発明の好適な実施例の技術的事項により、本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解することができる。各図面において、同様の符号は同様の部分を示す。下記図面は、実際の製品のサイズの比例によって描いたものではなく、本発明の趣旨をよく表すことができるように描かれている。

本発明の一実施例の光学レンズの構造を示す図である。図１に示される実施例の光学レンズの細い光束の収差を示す図である。図１に示される実施例の光学レンズのスポットプログラムを示す図である。図１に示される実施例の光学レンズの変調伝達関数を示すＭ.Ｔ.Ｆ図である。

本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解してもらうため、以下、図面により本発明の具体的な実施例を詳細に説明する。

注意されたいのは、本明細書中の光の伝播方向は図面の左側から右側に向かうということである。レンズの曲率半径の正負は曲面と主光軸の交差点と、該曲面の球心との間の位置関係によって定義し、曲線の球心が当該交差点の左側に位置するとき、曲率半径を負数とし、逆に、曲線の球心が当該交差点の右側に位置するとき、曲率半径を正数とする。光学レンズの左側は物体側であり、光学レンズの右側は画像側である。正レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより厚いレンズのことを示し、負レンズはレンズの中心の厚さが辺縁の厚さより薄いレンズのことを示す。

図１は本発明の一実施例の光学レンズの構造を示す図である。説明を簡単にするため、該図面においては本発明に係る部分のみを示している。当該光学レンズは、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３および第四レンズＬ４を含む。

第一レンズＬ１は第一曲面Ｓ１と第二曲面Ｓ２を含み、第二レンズＬ２は第三曲面Ｓ３と第四曲面Ｓ４を含み、第三レンズＬ３は第五曲面Ｓ５と第六曲面Ｓ６を含み、第四レンズＬ４は第七曲面Ｓ７と第八曲面Ｓ８を含む。各レンズにおける２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面Ｓ１ないし第八曲面Ｓ８は入射光の伝播方向に沿って順に配列される。

第一レンズＬ１はメニスカス状の負レンズである。第一レンズＬ１の第一曲面Ｓ１は画像側へ突出しており、この曲率半径は−２７ｍｍである。第二曲面Ｓ２は画像側へ突出しており、この曲率半径は−１１０ｍｍである。第一レンズＬ１の中心の厚さｄ１（すなわち第一レンズＬ１の光軸上における厚さ）は３ｍｍである。上述した各パラメーターはいずれも希望値であり、一定の公差を有することが許されるべきであり、上述した各パラメーターの公差の範囲は５％である。すなわち、上述した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。本実施例において、第一レンズＬ１の材料はＮｄ１．６２：Ｖｄ３４（屈折率：分散係数）のものである。

第二レンズＬ２はメニスカス状の正レンズである。第二レンズＬ２の第三曲面Ｓ３は画像側へ突出しており、この曲率半径は−９０ｍｍである。第四曲面Ｓ４は画像側へ突出しており、この曲率半径は−３０ｍｍである。第二レンズＬ２の中心の厚さｄ３は１０ｍｍである。第二レンズＬ２の上述した各パラメーターはいずれも希望値であり、一定の公差を有することが許されるべきであり、上述した各パラメーターの公差の範囲は５％である。すなわち、上述した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。本実施例において、第二レンズＬ２の材料はＮｄ１．６２：Ｖｄ６０のものである。

第三レンズＬ３は平凸状の正レンズである。第三レンズＬ３の第五曲面Ｓ５は平面であり、この曲率半径は無限大（∞）である。第六曲面Ｓ６は画像側へ突出しており、この曲率半径は−６３ｍｍである。第三レンズＬ３の中心の厚さｄ５は１４ｍｍである。第三レンズＬ３の上述した各パラメーターはいずれも希望値であり、一定の公差を有することが許されるべきであり、上述した各パラメーターの公差の範囲は５％である。すなわち、上述した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。本実施例において、第三レンズＬ３の材料はＮｄ１．６２：Ｖｄ６０のものである。

第四レンズＬ４はメニスカス状の負レンズである。第四レンズＬ４の第七曲面Ｓ７は画像側へ突出しており、この曲率半径は−５５ｍｍである。第八曲面Ｓ８は画像側へ突出しており、この曲率半径は−９０ｍｍである。第四レンズＬ４の中心の厚さｄ７は５ｍｍである。第四レンズＬ４の上述した各パラメーターはいずれも希望値であり、一定の公差を有することが許されるべきであり、上述した各パラメーターの公差の範囲は５％である。すなわち、上述した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。本実施例において、第四レンズＬ４の材料はＮｄ１．５：Ｖｄ６２のものである。

発明者は各隣接するレンズの間の距離を次のように設けた。具体的には、第一レンズＬ１の出射面（第二曲面Ｓ２）と第二レンズＬ２の入射面（第三曲面Ｓ３）とは光軸上における距離ｄ２の希望値は２ｍｍであり、公差は５％である。すなわち、当該距離ｄ２は希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第二レンズＬ２の出射面（第四曲面Ｓ４）と第三レンズＬ３の入射面（第五曲面Ｓ５）とは光軸上における距離ｄ４の希望値は０．５ｍｍであり、公差は５％である。すなわち、当該距離ｄ４は希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第三レンズＬ３の出射面（第六曲面Ｓ６）と第四レンズＬ４の入射面（第七曲面Ｓ７）とは光軸上における距離ｄ６の希望値は２０ｍｍであり、公差は５％である。すなわち、当該距離ｄ６は希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

本実施例において、当該光学レンズは第五レンズＬ５を更に含み、第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４および第五レンズＬ５は、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される。

第五レンズＬ５は光入射面としての第九曲面Ｓ９と光出射面としての第十曲面Ｓ１０を含む。第五レンズＬ５は保護部品としての平面レンズであるので、第九曲面Ｓ９と第十曲面Ｓ１０の曲率半径はいずれも無限大である。第五レンズＬ５の中心の厚さｄ９は３ｍｍである。第四レンズＬ４の第八曲面Ｓ８（光出射面）と第五レンズＬ５の第九曲面Ｓ９（光入射面）とは光軸上における距離ｄ８は２ｍｍである。同様に、上述した各パラメーターはいずれも希望値であり、一定の公差を有することが許されるべきであり、上述した各パラメーターの公差の範囲は５％である。すなわち、上述した各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。本実施例において、第五レンズＬ５の材料はＮｄ１．５：Ｖｄ６４のものである。

下記内容により上述した実施例の技術的事項をより詳細に説明する。
第一レンズＬ１において、
第一曲面Ｓ１の曲率半径は−２７ｍｍであり、
第二曲面Ｓ２の曲率半径は−１１０ｍｍであり、
中心の厚さは３ｍｍであり、
材料は１．６２／３４のものである。
第二レンズＬ２において、
第三曲面Ｓ３の曲率半径は−９０ｍｍであり、
第四曲面Ｓ４の曲率半径は−３０ｍｍであり、
中心の厚さは１０ｍｍであり、
材料は１．６２／６０のものであり、
第一レンズＬ１の曲面との距離は２ｍｍである。
第三レンズＬ３において、
第五曲面Ｓ５の曲率半径は無限大（∞）であり、
第六曲面Ｓ６の曲率半径は−６３ｍｍであり、
中心の厚さは１４ｍｍであり、
材料は１．６２／６０のものであり、
第二レンズＬ２の曲面との距離は０．５ｍｍである。
第四レンズＬ４において、
第七曲面Ｓ７の曲率半径は−５５ｍｍであり、
第八曲面Ｓ８の曲率半径は−９０ｍｍであり、
中心の厚さは５ｍｍであり、
材料は１．５／６２のものであり、
第三レンズＬ３の曲面との距離は２０ｍｍである。
第五レンズＬ５において、
第九曲面Ｓ９の曲率半径は無限大（∞）であり、
第十曲面Ｓ１０の曲率半径は無限大（∞）であり、
中心の厚さは３ｍｍであり、
材料は１．５／６４のものであり、
第四レンズＬ４の曲面との距離は２ｍｍである。

上述した光学レンズを備える光学システムは、波長の範囲が１０６４〜６６０ｎｍである赤色光または赤外線を光源としてレーザー加工をすることができる。赤色光が監視光源として採用されたＣＣＤ監視システムを備えるレーザー加工装置は、当該光学レンズを備えることにより、ＣＣＤ画像の色収差を防止し、より良い画像を獲得することができる。これにより、より確実に加工過程を随時監視することができる。

以下、λ＝１０６４ｎｍである遠赤外線レーザーとλ＝６６０ｎｍである可視光を用いる場合を例に、当該光学レンズを備えるレーザー加工装置の光学効果について、図２〜図４を参照しながら説明する。

当該光学レンズの具体的なパラメーターは次の通りである。ｆ＝１６０ｍｍ、Φ＝１２ｍｍ、マーキングの範囲はＡ＝１００＊１００ｍｍ^２である。ｆは当該光学レンズの焦点距離であり、Φは入射瞳の直径である。

図２は当該光学レンズの細い光束の収差を示す図である。図２に示される通り、当該レンズの補正後の色収差は、従来の光学対物レンズの理想的な状態に達し、収差はΔＣ≒０．０１であり焦点深度の範囲内に入っている。
図３は当該光学レンズの幾何収差を示す図である。補正は理想的な状態になっている。
図４は当該光学レンズの伝達関数を示すＭ.Ｔ.Ｆ図である。本発明は一般的な光学フォーカシングレンズの水準を超えている。

本発明は、上述した実施例の光学レンズを採用することにより、作業用光線の波長λ＝１０６４ｎｍとＣＣＤの可視光の波長λ＝６６０ｎｍを同一の像面上に位置させることができる。これにより、レーザー加工をする全過程において、作業用光線の波長がλ＝１０６４ｎｍであるレーザーによってマーキングをすることにより、ＣＣＤターゲットに良好に反映させることができる。すなわち、マーキングの全過程を監視し、マーキングが正確にされるように確保することができる。

以上、上述した複数の実施例により本発明の好適な実施例を詳述してきたが、本発明の構成は上記実施例にのみ限定されるものではない。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設計の変更等を行うことができ、このような設計の変更等があっても本発明に含まれることは勿論である。本発明の保護範囲は後述する特許請求の範囲が定めたものを基準にする。

Claims

光学レンズであって、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズおよび第四レンズを含み、前記第一レンズと第四レンズは共にメニスカス状の負レンズであり、第二レンズはメニスカス状の正レンズであり、第三レンズは平凸状の正レンズであり、前記第一レンズは第一曲面と第二曲面を含み、第二レンズは第三曲面と第四曲面を含み、第三レンズは第五曲面と第六曲面を含み、第四レンズは第七曲面と第八曲面を含み、各レンズにおける２つの曲面はそれぞれレンズの光入射面と光出射面になり、第一曲面ないし第八曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列され、第一曲面、第二曲面、第三曲面、第四曲面、第六曲面、第七曲面および第八曲面はいずれも、入射光の伝播方向へ突出していることを特徴とする光学レンズ。
前記第一曲面の曲率半径は−２７ｍｍ±５％であり、前記第二曲面の曲率半径は−１１０ｍｍ±５％であり、前記第一レンズの中心の厚さは３ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記第三曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第四曲面の曲率半径は−３０ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの中心の厚さは１０ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記第五曲面の曲率半径は∞であり、前記第六曲面の曲率半径は−６３ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの中心の厚さは１４ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記第七曲面の曲率半径は−５５ｍｍ±５％であり、前記第八曲面の曲率半径は−９０ｍｍ±５％であり、前記第四レンズの中心の厚さは５ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記第一レンズの第二曲面と第二レンズの第三曲面とは光軸上における距離は２ｍｍ±５％であり、前記第二レンズの第四曲面と第三レンズの第五曲面とは光軸上における距離は０．５ｍｍ±５％であり、前記第三レンズの第六曲面と第四レンズ第七曲面とは光軸上における距離は２０ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
前記光学レンズは第五レンズを更に含み、前記第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズは入射光の伝播方向に沿って同軸に配列され、前記第五レンズは平面レンズであることを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか一項に記載の光学レンズ。
前記第五レンズの中心の厚さは３ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項７に記載の光学レンズ。
前記第五レンズは光入射面としての第九曲面と光出射面としての第十曲面を含み、前記第五レンズの第九曲面と第四レンズの第八曲面とは光軸上における距離は２ｍｍ±５％であることを特徴とする請求項７に記載の光学レンズ。