JP3221338U - F-theta lens - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ材料加工のための走査装置に使用可能な、高出力レーザを集束させるためのエフシータレンズを提供する。【解決手段】焦点距離f1を有する平面−凹形−レンズとしての第1単一レンズL1と、第1単一レンズL1の後方に配置されている焦点距離f2を有する凹形−凸形−レンズとしての第2単一レンズL2と、第2単一レンズL2の後方に配置されている焦点距離f3を有する二重凸形−レンズとしての第3単一レンズL3とを備え、かつエフシータレンズの全焦点距離fを有するエフシータレンズであって、全焦点距離fに対する焦点距離f1〜f3の比が、次の条件を満足する。−1.0<f1/f<−0.8、−2.2<f2/f<−1.9、+0.3<f3/f<+0.6。【選択図】図1The present invention provides an f-theta lens for focusing a high-power laser, which can be used in a scanning device for laser material processing. A first single lens L1 as a planar-concave lens having a focal length f1 and a concave-convex-lens having a focal length f2 disposed behind the first single lens L1. And a second single lens L2 as the second single lens L2 and a third single lens L3 as a double convex lens having a focal length f3 disposed behind the second single lens L2, and an f-theta lens The ratio of the focal lengths f1 to f3 to the total focal length f satisfies the following condition. -1.0 <f1 / f <-0.8, -2.2 <f2 / f <-1.9, +0.3 <f3 / f <+0.6. [Selected figure] Figure 1
Description
本考案は、レーザ材料加工のための走査装置において使用可能であるような、高出力レーザを集束させるためのエフシータ(fθ)レンズに関する。 The present invention relates to an f-theta (fθ) lens for focusing high power lasers, such as can be used in scanning devices for laser material processing.
エフシータレンズは、エフシータレンズの光軸に対して走査角度範囲+/−θだけ走査して当接するレーザビームを、平らな像フィールド面(像面BE)に集束させる。この走査角度範囲内では、走査角度と、像面内での光軸からのレーザビームの衝突点の間隔との比が線形関数に従う。すなわち、一定の角速度で走査されるレーザビームは、像面内で、一定速度で移動する焦点を発生する。その際、焦点の大きさは像面内のすべての場所で一定にすべきである。焦点の大きさはレーザ材料加工の目的、例えば文字書き入れ、被膜除去、切断に依存して決定される。 The f-theta lens focuses the laser beam, which is scanned and abuts against the optical axis of the f-theta lens by a scanning angle range of +/− θ, on a flat image field plane (image plane BE). Within this scanning angle range, the ratio of the scanning angle to the distance of the impingement point of the laser beam from the optical axis in the image plane follows a linear function. That is, a laser beam scanned at a constant angular velocity generates a focal point moving at a constant velocity in the image plane. At that time, the size of the focus should be constant at all places in the image plane. The size of the focus is determined depending on the purpose of laser material processing, such as writing, film removal, cutting.
エフシータレンズを通過する際のレーザビームの波長に依存する屈折に基づいて、エフシータレンズは、高い焦点性質を達成するために、使用される加工レーザビームの波長に合わせて補正される。すなわち、レンズは、設定された大きさの像面に関して、許容温度誤差の範囲内で、設定された波長および設定されたレーザビーム直径について、焦点の大きさの著しい変化をもたらす光学的な結像エラーを生じないようにあるいは非常に小さな結合エラーしか生じないように計算される。特にレーザ材料加工での使用のために、エフシータレンズは大きな像面と大きな全焦点距離を有する。 Based on the wavelength-dependent refraction of the laser beam as it passes through the f-theta lens, the f-theta lens is corrected to the wavelength of the working laser beam used to achieve high focus properties. That is, the lens provides an optical imaging that produces a significant change in the size of the focal spot for the set wavelength and the set laser beam diameter, within the tolerance temperature error, for the set size of the image plane. It is calculated so as not to generate errors or to generate very small coupling errors. Especially for use in laser material processing, f-theta lenses have a large image plane and a large total focal length.
本考案の課題は、レーザビームの戻し反射のない結像を可能にする、1064nmの波長と410〜430mmの全焦点距離を有する高出力レーザのためのエフシータレンズを提供することである。 The object of the present invention is to provide an f-theta lens for a high-power laser with a wavelength of 1064 nm and a total focal length of 410-430 mm, which enables imaging without back reflection of the laser beam.
この課題は、エフシータレンズに関しては請求項1の特徴によって解決される。有利な
実施形は従属請求項に記載してある。
This task is solved by the features of claim 1 with respect to the f-theta lens. Advantageous embodiments are set forth in the dependent claims.
次に、図に基づいて本考案を詳しく説明する。 Next, the present invention will be described in detail based on the drawings.
本考案に係るエフシータレンズは、エフシータレンズの前方に離隔配置された入射瞳EPを有する。この入射瞳は、1個の走査ミラーが設けられた平面内に配置可能であるかまたは2個の走査ミラーを使用する場合にはそのために計算された代用平面が設けられた平面内に配置可能である。エフシータレンズは共通の光軸A上に配置された3個の単一レンズL1〜L3を備えている。この3個の単一レンズL1〜L3は「負−負−正」レンズ列を形成するように形成されている。すなわち、第1の両単一レンズL1、L2は負の焦点距離を有し一方、第3のレンズL3は正の焦点距離を有する。 The f-theta lens according to the present invention has an entrance pupil EP spaced apart in front of the f-theta lens. This entrance pupil can be arranged in the plane provided with one scanning mirror or, in the case of using two scanning mirrors, arranged in the plane provided with the calculated substitute plane for it It is. F-theta lens has three single lens L 1 ~L 3 disposed on a common optical axis A. The three single lens L 1 ~L 3 is formed so as to form a "negative - - negative positive" lens column. That is, the first two single lenses L 1 , L 2 have a negative focal length, while the third lens L 3 has a positive focal length.
その際、第1レンズL1は平面−凹形−レンズであり、第2レンズL2は凹形−凸形−レンズであり、第3レンズL3は凸形−凸形−レンズ(二重凸形レンズ)である。 At that time, the first lens L 1 is a plan - a lens, a second lens L 2 is concave - - concave is a lens, the third lens L 3 is convex - - convex convex - lens (double Convex lens).
3個の単一レンズの焦点距離は次の要求を満足する。
全焦点距離fに対する第1レンズL1の焦点距離f1の焦点距離比は、−1.0<f1/f<−0.8である。
全焦点距離fに対する第2レンズL2の焦点距離f2の焦点距離比は、−2.2<f2/f<−1.9である。
全焦点距離fに対する第3レンズL3の焦点距離f3の焦点距離比は、+0.3<f3/f<+0.6である。
The focal lengths of the three single lenses satisfy the following requirements.
The focal length ratio of the focal length f 1 of the first lens L 1 to the total focal length f is -1.0 <f 1 /f<-0.8.
The focal length ratio of the focal length f 2 of the second lens L 2 to the total focal length f is -2.2 <f 2 /f<-1.9.
The focal length ratio of the focal length f 3 of the third lens L 3 to the total focal length f is + 0.3 <f 3 /f<+0.6.
3個の単一レンズL1〜L3の手前に、保護ガラスSGを配置することができる。 The protective glass SG can be disposed in front of the three single lenses L 1 to L 3 .
本考案に係るエフシータレンズによって達成される有益な効果は、石英ガラスからなる3個の単一レンズL1〜L3によって、高出力レーザに適していて1064nmの波長のために補正された、423mmの全焦点距離を有するエフシータレンズが生じることにある。エフシータレンズのパラメータは、レンズL1〜L3の光学的に有効な面と場合によっては保護ガラスSGで発生する戻し反射が、レンズL1〜L3の表面または入射瞳EP周りに配置されたミラーで集束されないように形成されている。レンズの材料内では戻し反射はない。光学的な表面で戻し反射は発生せず、推奨された走査位置の場所で戻し反射は発生しない。このようなエフシータレンズの実施の形態の特別な構造およびパラメータについて次に説明する。 The beneficial effects achieved by the f-theta lens according to the invention are suitable for high-power lasers and corrected for a wavelength of 1064 nm by means of three single lenses L 1 -L 3 consisting of quartz glass, The reason is that an f-theta lens having a total focal length of 423 mm is produced. The parameters of the f-theta lens are such that the optically effective surfaces of the lenses L 1 -L 3 and possibly the back reflection generated by the protective glass SG are arranged around the surface of the lenses L 1 -L 3 or around the entrance pupil EP It is formed not to be focused by the mirror. There is no back reflection in the lens material. There is no back reflection at the optical surface and no back reflection at the recommended scan position. The specific structure and parameters of such an embodiment of the f-theta lens will now be described.
エフシータレンズの入射瞳EPは、厚さd2の第1レンズL1、すなわち平面−凹形−レンズの前側の頂点の前方の距離d1にあり、この第1レンズの前側の表面は半径r1を有し、後側の表面は半径r2を有する。この第1レンズL1から空隙d3をおいて、厚さd4の第2レンズL2、すなわち凹形−凸形−レンズが設けられ、この第2レンズの前側の表面は半径r3を有し、後側の表面は半径r4を有する。空隙d5をおいて、厚さd6の第3レンズL3、すなわち凸形−凸形−レンズまたは二重凸形レンズが設けられている。この第3レンズの前側の表面は半径r5を有し、後側の表面は半径r6を有する。空隙d7をおいて、厚さd8の平行平面の保護ガラスSGが設けられている。像面BEは保護ガラスSGに対してd9の距離に生じる。すべての単一レンズL1〜L3と保護ガラスSGのための材料として、屈折率nを有する石英ガラスが選択される。 F-theta entrance pupil EP of data lens, the first lens L 1 having a thickness of d 2, i.e. the plane - concave - located in front of the distance d 1 of the front vertex of the lens, the front surface of the first lens radius having r 1, the surface of the rear has a radius r 2. At a gap d 3 from the first lens L 1, second lens L 2 of the thickness d 4, i.e. a concave - convex - lens is provided, the radius r 3 is the front surface of the second lens a surface of the rear has a radius r 4. At a gap d 5, the third lens L 3 of the thickness d 6, i.e. convex - convex - lens or a double convex lens is provided. Front surface of the third lens has a radius r 5, the surface of the rear has a radius r 6. At a gap d 7, protective glass SG parallel plane of thickness d 8 is provided. The image plane BE occurs at a distance d 9 to the protective glass SG. Quartz glass with a refractive index n is selected as the material for all single lenses L 1 -L 3 and the protective glass SG.
単一レンズL1〜L3の半径、厚さおよび間隔dは、次の表に記載されている。 The radii, thicknesses and distances d of the single lenses L 1 to L 3 are listed in the following table.
距離と厚さは同じようにdで表され、エフシータレンズの光軸Aに沿った順序でビーム通過方向に通し番号が付けられ、図1ではd1〜d9として記載されている。記載「前側の」および「後側の」表面はビーム通過方向に関連している。半径r1〜r6は当該のレンズL1〜L3と保護ガラスSGを参照することによって確実に割り当て可能であり、従って見やすくするために図1には記載されていない。 Distance and thickness is represented by d in the same way, serial numbers attached to the beam passing direction in the order along the optical axis A of the f-theta lens, is described as d 1 to d 9 in Figure 1. The "front" and "back" surfaces described relate to the beam passing direction. The radii r 1 to r 6 can be assigned reliably by reference to the corresponding lenses L 1 to L 3 and the protective glass SG and are therefore not described in FIG. 1 for the sake of clarity.
材料に左右される単一レンズL1〜L3の屈折率に依存して、かつ単一レンズの曲率半径r1〜r6に関連して、単一レンズL1〜L3の厚さd2、d4、d6はそれぞれ、単一レンズL1〜L3の焦点距離f1〜f3を決定する。それぞれ単一レンズL1〜L3の主平面からの焦点の距離を示すこの焦点距離f1〜f3は、図1には記載されていない。なぜなら、見やすくするために、単一レンズL1〜L3の主平面が記入されていないからである。同様に、エフシータレンズの代用主平面からの像面BEの距離を表す全焦点距離fも記載されていない。 Depending on the refractive index of the single lens L 1 to L 3 depending on the material, and in relation to the radius of curvature r 1 to r 6 of the single lens, the thickness d of the single lens L 1 to L 3 2 , d 4 and d 6 respectively determine focal lengths f 1 to f 3 of the single lenses L 1 to L 3 . The focal distances f 1 to f 3 , which indicate the distance of the focal point from the principal plane of the single lenses L 1 to L 3 respectively, are not described in FIG. The reason is that the main planes of the single lenses L 1 to L 3 are not drawn in order to make them easy to see. Likewise, the total focal length f representing the distance of the image plane BE from the substitute principal plane of the f-theta lens is also not described.
ここに記載したパラメータを有するエフシータレンズの場合、全焦点距離fに対して−0.9の比を有する第1レンズL1の焦点距離f1が生じ、全焦点距離に対して−2.07の比を有する第2レンズL2の焦点距離f2が生じ、全焦点距離fに対して−0.48の比を有する第3レンズL3の焦点距離f3が生じる。 For f-theta lens with the parameters described herein, the focal length f 1 of the first lens L 1 having a ratio of -0.9 for all the focal length f occurs, -2 relative to the total focal length. the focal length f 2 of the second lens L 2 is generated with a 07 ratio of the focal length f 3 of the third lens L 3 having a ratio of -0.48 for all the focal length f occurs.
空隙d3、d5に関連するレンズL1〜L3の前後配置から、423mmの全焦点距離fが生じる。エフシータレンズは1064nmの波長に補正される。 From the arrangement before and after the lens L 1 ~L 3 associated with the gap d 3, d 5, occurs all the focal length f of 423Mm. The f-theta lens is corrected to a wavelength of 1064 nm.
d1 EPとL1の間隔
d2 L1の厚さ
d3 L1とL2の間隔
d4 L2の厚さ
d5 L2とL3の間隔
d6 L3の厚さ
d7 L3と保護ガラス(SG)の間隔
d8 保護ガラスの厚さ
d9 保護ガラスと像面(BE)の間隔
d1 EP and L1 distance d2 L1 thickness d3 L1 and L2 distance d4 L2 thickness d5 L2 and L3 distance d6 L3 thickness d7 L3 and protective glass (SG) spacing d8 protective glass thickness d9 Distance between protective glass and image plane (BE)
Claims (3)
−1.0/f1/f<−0.8
−2.2<f2/f<−1.9
+0.3<f3/f<+0.6
を満足する、
上記エフシータレンズ。 Plane has a focal length f 1 - concave - the first single lens L 1 as a lens, a concave having a focal length f 2 - convex - a second single lens L 2 as a lens, the focal length f double convex having 3 - and a third single lens L 3 as a lens L 3, and there at f-theta lens with three single lenses having a total focal length f of the f-theta lens The ratio of the focal lengths f 1 to f 3 to the total focal length f is the following condition −1.0 / f 1 /f<−0.8
−2.2 <f 2 /f<−1.9
+0.3 <f 3 /f<+0.6
To satisfy
The above F theta lens.
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