KR200496448Y1 - F-theta objective - Google Patents
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Abstract
초점거리(f1)를 갖는 오목-오목 렌즈로서 제 1 개별 렌즈(L1), 초점거리(f2)를 갖는 오목-볼록 렌즈로서 제 2 개별 렌즈(L2), 초점거리(f3)를 갖는 볼록-볼록 렌즈인 제 3 개별 렌즈(L3) 및 초점거리(f4)를 갖는 볼록-볼록 렌즈로서 제 4 개별 렌즈(L4)를 갖는 개별 렌즈들을 포함하는 에프 세타 렌즈가 설명된다. 에프 세타 렌즈는, 에프 세타 렌즈의 전체 초점거리(f)를 가지며, 전체 초점거리(f)와 초점거리들(f1-f4) 사이의 비는 하기 조건들을 충족한다:
-8.0 < f1/f < -0.50
+2.10 < f2/f < +2.70
+1.20 < f3/f < +1.60
+2.00 < f4/f < +2.40A first individual lens (L 1 ) as a concave-concave lens having a focal length (f 1 ), a second individual lens (L 2 ) as a concave-convex lens having a focal length (f 2 ), and a focal length (f 3 ) An f theta lens including individual lenses having a third individual lens (L 3 ) as a convex-convex lens having a focal length (f 4 ) and a fourth individual lens (L 4 ) as a convex-convex lens having a focal length (f 4 ) is described. . The f theta lens has the total focal length f of the f theta lens, and the ratio between the total focal length f and the focal lengths f 1 -f 4 satisfies the following conditions:
-8.0 < f 1 /f < -0.50
+2.10 < f 2 /f < +2.70
+1.20 < f 3 /f < +1.60
+2.00 < f 4 /f < +2.40
Description
본 발명은 레이저 재료 가공을 위한 스캐닝 장치에서 사용될 수 있는 것과 같은 고출력 레이저를 포커싱하기 위한 에프 세타 렌즈(F-theta objective)에 관한 것이다.The present invention relates to an F-theta objective for focusing a high power laser such as may be used in a scanning device for laser material processing.
에프 세타 렌즈는, 에프 세타 렌즈의 광학 축에 대해 +/-θ의 스캐닝 각도 범위를 스캐닝하면서 입사하는 레이저 빔을 평평한 이미지 필드 내로 포커싱하고, 이 경우 이러한 스캐닝 각도 범위 내에서 이미지 필드 내 광학 축과 레이저 빔의 입사점 사이의 간격과 스캐닝 각도의 비는 일차함수를 따른다. 즉 일정한 각속도로 스캐닝 되는 레이저 빔은 이미지 필드 내에 초점을 형성하고, 상기 초점은 일정한 속도로 이동한다. 이 경우 이미지 필드 내의 각각의 위치에서 초점의 크기는 일정할 수 있다. 초점의 크기는 레이저 재료 가공, 예를 들어 레이블링(labeling), 디코팅(decoating) 또는 커팅에 따라서 결정된다. The f theta lens focuses an incident laser beam into a flat image field while scanning a scanning angular range of +/-θ with respect to the optical axis of the f theta lens, in this case within this scanning angular range the optical axis and the optical axis within the image field The ratio of the distance between the incident points of the laser beam and the scanning angle follows a linear function. That is, a laser beam scanned at a constant angular velocity forms a focal point within an image field, and the focal point moves at a constant velocity. In this case, the size of the focal point at each position within the image field may be constant. The size of the focus is determined by laser material processing, eg labeling, decoating or cutting.
에프 세타 렌즈의 투과 시 레이저 빔의 파장 의존적인 굴절로 인해 에프 세타 렌즈는 높은 초점 품질을 달성하기 위해, 사용된 가공 레이저 빔의 파장으로 보정되고, 즉 렌즈는, 미리 정해진 파장 및 미리 정해진 레이저 빔 직경에 대해 허용된 온도 저항성(temperature tolerance) 내에서 미리 정해진 크기의 이미지 필드에 광학 촬상 오류(optical imaging error)를 갖지 않거나 매우 작은 광학 촬상 오류만을 갖도록 계산되며, 이러한 오류는 초점의 눈에 띄는 크기 변동을 야기한다. 특히 레이저 재료 가공 시 사용을 위해 에프 세타 렌즈는 큰 이미지 필드와 큰 전체 초점거리를 갖는다. Due to the wavelength-dependent refraction of the laser beam upon transmission of the f-theta lens, the f-theta lens is calibrated to the wavelength of the processing laser beam used in order to achieve a high focus quality, i.e., the lens has a predetermined wavelength and a predetermined laser beam Calculated to have no or only very small optical imaging errors for an image field of a predetermined size within the temperature tolerance allowed for the diameter, such that the error is less than the appreciable size of the focal point. cause change Especially for use in laser material processing, F-theta lenses have a large image field and a large overall focal length.
본 발명의 과제는 레이저 방사의 무 배면 반사(back reflex free) 촬상을 가능하게 하는, 355 nm의 파장과 50 내지 60 mm 의 전체 초점거리를 갖는 고출력 레이저를 위한 에프 세타 렌즈를 제공하는 것이다. 상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 포함하는 에프 세타 렌즈에 의해 해결된다 An object of the present invention is to provide an F-theta lens for a high-power laser with a wavelength of 355 nm and a total focal length of 50 to 60 mm, enabling back reflex free imaging of laser radiation. This problem is solved by an F theta lens comprising the features of claim 1
바람직한 실시예들은 종속 청구항에 기술된다. Preferred embodiments are described in the dependent claims.
본 발명은 계속해서 도면을 참고로 설명된다. The invention continues to be described with reference to the drawings.
도 1은 최대 스캐닝 각도에서 광학 축(A)을 따른 빔 경로의 표시와 함께 본 발명에 따른 렌즈의 기하학적 광학 다이어그램을 도시한 도면이다. 1 shows a geometrical optical diagram of a lens according to the invention with an indication of the beam path along the optical axis A at maximum scanning angle.
본 발명에 따른 에프 세타 렌즈는 에프 세타 렌즈 전방에 이격 배치된 입사동(entrance pupil;EP)을 포함하고, 상기 입사동은 하나의 스캐너 거울이 놓인 또는 2개의 스캐너 거울의 사용 시 이를 위해 계산된 대체 평면이 놓인 평면에 배치될 수 있고, 에프 세타 렌즈는 공통의 광학 축(A)에 배치된 4개의 개별 렌즈(L1-L4)를 포함한다. 4개의 개별 렌즈(L1-L4)는, “네가티브-포지티브-포지티브-포지티브”렌즈 시퀀스를 형성하도록 구성된다. 즉 단일의 제 1 렌즈(L1)는 네가티브 초점거리를 갖는 한편, 다른 3개의 렌즈(L2-L4)는 포지티브 초점거리를 갖는다. The f theta lens according to the present invention includes an entrance pupil (EP) spaced apart in front of the f theta lens, the entrance pupil calculated for this when one scanner mirror is placed or when two scanner mirrors are used. It can be arranged in the plane in which the alternate plane lies, and the f theta lens comprises four individual lenses (L 1 -L 4 ) arranged on a common optical axis (A). The four individual lenses (L 1 -L 4 ) are configured to form a “negative-positive-positive-positive” lens sequence. That is, the single first lens (L 1 ) has a negative focal length, while the other three lenses (L 2 -L 4 ) have a positive focal length.
제 1 렌즈(L1)는 이 경우 오목-오목-렌즈(양면오목렌즈)이고, 제 2 렌즈(L2)는 오목-볼록-렌즈이고, 제 3 렌즈(L3)는 볼록-볼록-렌즈(양면볼록렌즈)이고, 제 4 렌즈(L4)는 또한 볼록-볼록-렌즈(양면볼록렌즈)이다. The first lens L 1 is in this case a concave-concave-lens (biconcave lens), the second lens L 2 is a concave-convex-lens and the third lens L 3 is a convex-convex-lens. (biconvex lens), and the fourth lens (L 4 ) is also a convex-convex-lens (biconvex lens).
4개의 개별 렌즈들의 초점거리는 하기 요구를 충족한다:The focal lengths of the four individual lenses meet the following requirements:
전체 초점거리(f) 대 제 1 렌즈(L1)의 초점거리(f1)의 초점거리 비는 -8.0 < f1/f < -0.50이다.The focal length ratio of the total focal length f to the focal length f 1 of the first lens L 1 is -8.0 < f 1 /f < -0.50.
전체 초점거리(f) 대 제 2 렌즈(L2)의 초점거리(f2)의 초점거리 비는 2.10 < f2/f < 2.70이다.The ratio of the total focal length (f) to the focal length (f 2 ) of the second lens (L 2 ) is 2.10 < f 2 /f < 2.70.
전체 초점거리(f) 대 제 3 렌즈(L3)의 초점거리(f3)의 초점거리 비는 1.20 < f3/f < 1.60이다.The ratio of the total focal length (f) to the focal length (f 3 ) of the third lens (L 3 ) is 1.20 < f 3 /f < 1.60.
전체 초점거리(f) 대 제 4 렌즈(L4)의 초점거리(f4)의 초점거리 비는 2.00 < f4/f < 2.40이다.The ratio of the total focal length (f) to the focal length (f 4 ) of the fourth lens (L 4 ) is 2.00 < f 4 /f < 2.40.
4개의 개별 렌즈(L1-L4) 후방에 보호 유리(SG)가 배치될 수 있다. A protective glass (SG) may be disposed behind the four individual lenses (L 1 -L 4 ).
본 발명에 따른 에프 세타 렌즈에 의해 달성되는 바람직한 효과는, 석영 유리로 이루어진 4개의 개별 렌즈(L1-L4)에 의해 고출력 레이저에 적합하고 355 nm의 파장에 대해 보정되며 56 mm의 전체 초점거리를 갖는 에프 세타 렌즈가 형성되는 것이다. 에프 세타 렌즈는 그 파라미터들에 의해, 렌즈(L1-L4)의 광학 작용면에 그리고 경우에 따라서 보호 유리(SG)에 발생하는 배면 반사가 렌즈(L1-L4)의 표면에 또는 입사동(EP) 주변에 배치된 거울에 포커싱되지 않도록 구성된다. 렌즈의 재료에서 배면 반사는 이루어지지 않는다. 광학 표면에서 배면 반사 및 추천된 스캐너 위치의 지점에서 배면 반사가 나타나지 않는다. 이러한 에프 세타 렌즈를 위한 실시예의 특수한 구조와 파라미터는 후속해서 설명된다.A preferred effect achieved by the f theta lens according to the present invention is suitable for high-power lasers by means of four individual lenses (L 1 -L 4 ) made of quartz glass, corrected for a wavelength of 355 nm and having a total focus of 56 mm An F theta lens with a distance is formed. According to the parameters of the f-theta lens, the rear reflection generated on the optical working surfaces of the lenses (L 1 -L 4 ) and in some cases on the protective glass (SG) is reflected on the surface of the lenses (L 1 -L 4 ) or It is configured not to focus on mirrors disposed around the entrance pupil EP. There is no back reflection in the material of the lens. No dorsal reflections at optical surfaces and no dorsal reflections at the points of the recommended scanner position. The specific structure and parameters of an embodiment for this F theta lens are described subsequently.
에프 세타 렌즈의 입사동(EP)은 제 1 렌즈(L1), 즉 두께(d2)를 갖는 오목-오목 렌즈의 전방 정점 앞에 d1의 간격을 두고 위치하고, 상기 렌즈의 전면은 반경(r1)을 갖고, 상기 렌즈의 후면은 반경(r2)을 갖는다. 상기 제 1 렌즈(L1)에 이어 에어 갭(d3)을 두고 제 2 렌즈(L2), 즉 두께(d4)를 갖는 오목-볼록-렌즈가 연속하고, 상기 렌즈의 전면은 반경(r3)을 갖고, 상기 렌즈의 후면은 반경(r4)을 갖는다. 에어 갭(d5)을 두고 제 3 렌즈(L3), 즉 두께(d6)를 갖는 볼록-볼록-렌즈 또는 양면볼록렌즈가 연속하고, 상기 렌즈의 전면은 반경(r5)을 갖고, 상기 렌즈의 후면은 반경(r6)을 갖는다. 에어 갭(d7)을 두고 제 4 렌즈(L4), 즉 두께(d8)를 갖는 볼록-볼록-렌즈, 또는 양면볼록 렌즈가 연속하고, 상기 렌즈의 전면은 반경(r7)을 갖고, 상기 렌즈의 후면은 반경(r8)을 갖는다. 에어 갭(d7)을 두고 두께(d10)를 갖는 평면 평행한 보호 유리(SG)가 연속한다. 이미지 필드(BE)는 보호 유리(SG)로부터 d11의 간격을 두고 형성된다. 모든 개별 렌즈(L1-L4) 및 보호 유리(SG)를 위해 굴절률(n)을 갖는 석영 유리가 재료로서 선택된다. The entrance pupil (EP) of the f-theta lens is located in front of the front apex of the first lens (L 1 ), that is, the concave-concave lens having the thickness (d 2 ) at a distance of d 1 , and the front surface of the lens has a radius (r). 1 ), and the rear surface of the lens has a radius r 2 . Following the first lens (L 1 ), a second lens (L 2 ), that is, a concave-convex-lens having a thickness (d 4 ) continues with an air gap (d 3 ), and the front surface of the lens has a radius ( r 3 ), and the rear surface of the lens has a radius r 4 . A third lens (L 3 ), that is, a convex-convex-lens or a biconvex lens having a thickness (d 6 ) is continuous with an air gap (d 5 ), and the front surface of the lens has a radius (r 5 ), The rear surface of the lens has a radius r 6 . A fourth lens (L 4 ), that is, a convex-convex-lens or a biconvex lens having a thickness (d 8 ) is continuous with an air gap (d 7 ), and the front surface of the lens has a radius (r 7 ) , the rear surface of the lens has a radius r 8 . A plane-parallel protective glass (SG) having a thickness (d 10 ) is continuous with an air gap (d 7 ) therebetween. The image field BE is formed at a distance of d 11 from the protective glass SG. Quartz glass with a refractive index n is selected as the material for all the individual lenses L 1 -L 4 and the protective glass SG.
개별 렌즈들(L1-L4)의 반경, 상기 렌즈의 두께 및 간격(d)은 하기 표에 제시된다. The radii of the individual lenses L 1 -L 4 , their thickness and spacing d are given in the table below.
[mm]radius
[mm]
[mm]thickness
[mm]
SG
에어SG
SG
air
r10
r 9
r 10
∞
∞
∞
d9 d 8
d 9
633
63
1.460081
간격과 두께들은 동일하게 d로 표시되고, 그 순서는 에프 세타 렌즈의 광학 축(A)을 따라 빔 투과 방향으로 넘버링되고, 도 1에 d1 내지 d11로 명시된다. 표현“전” 및 “후”면은 빔 투과 방향과 관련된다. 반경(r1-r10)은 해당 렌즈(L1-L4) 및 보호 유리(SG)와 관련해서 명확하게 할당될 수 있고, 따라서 명료함을 위해 도 1에는 명시되지 않는다. 개별 렌즈(L1-L4)의 재료 의존적인 굴절률(n)에 따라서 개별 렌즈(L1-L4)의 두께(d2, d4, d6, d8)는 개별 렌즈의 곡률 반경(r1-r8)과 관련해서 개별 렌즈(L1-L4)의 각각의 초점거리(f1-f4)를 결정한다. 명료함을 위해 개별 렌즈(L1-L4)의 메인 평면이 표시되지 않았기 때문에, 도1에는 개별 렌즈(L1-L4)의 메인 평면과 초점 사이의 각각의 간격을 나타내는 초점거리(f1-f4)는 명시되지 않는다. 또한 에프 세타 렌즈를 위한 대체 메인 평면과 이미지 필드(BE) 사이의 간격을 나타내는 전체 초점거리(f)는 명시되지 않는다. The spacings and thicknesses are identically denoted by d, the order of which is numbered in the beam transmission direction along the optical axis A of the f theta lens, designated d 1 to d 11 in FIG. 1 . The expressions “front” and “back” planes relate to the beam transmission direction. The radii r 1 -r 10 can be clearly assigned in relation to the corresponding lenses L 1 -L 4 and the protective glass SG, and are therefore not specified in FIG. 1 for clarity. Depending on the material-dependent refractive index (n) of the individual lenses (L 1 -L 4 ), the thickness (d 2 , d 4 , d 6 , d 8 ) of the individual lenses (L 1 -L 4 ) is the radius of curvature ( Determine the respective focal lengths (f 1 -f 4 ) of the individual lenses (L 1 -L 4 ) in terms of r 1 -r 8 . Since the main planes of the individual lenses (L 1 -L 4 ) are not shown for clarity, in FIG. 1 the focal lengths (f 1 -f 4 ) is not specified. Also, the total focal length f representing the distance between the image field BE and the alternate main plane for the f theta lens is not specified.
여기에 명시된 파라미터들을 갖는 에프 세타 렌즈의 경우에 제 1 렌즈(L1)에 대해 -0.66의 전체 초점거리(f) 대 초점거리(f1)의 비, 제 2 렌즈(L2)에 대해 2.47의 전체 초점거리(f) 대 초점거리(f2)의 비, 제 3 렌즈(L3)에 대해 1.44의 전체 초점거리(f) 대 초점거리(f3)의 비 및, 제 4 렌즈(L4)에 대해 2.12의 전체 초점거리(f) 대 초점거리(f4)의 비가 주어진다. For an f theta lens with the parameters specified herein, the ratio of total focal length (f) to focal length (f 1 ) of -0.66 for the first lens (L 1 ) and 2.47 for the second lens (L 2 ) The ratio of the total focal length (f) to the focal length (f 2 ) of, the ratio of the total focal length (f) to the focal length (f 3 ) of 1.44 for the third lens (L 3 ), and the fourth lens (L 4 ) gives a ratio of total focal length (f) to focal length (f 4 ) of 2.12.
에어 갭(d3, d5, d7)과 관련해서 렌즈(L1-L4)의 연속 배치에 따라 56 mm의 전체 초점거리(f)가 주어진다. 에프 세타 렌즈는 355 nm의 파장에 대해 보정된다. The successive arrangement of the lenses L 1 -L 4 with respect to the air gaps d 3 , d 5 , d 7 gives a total focal length f of 56 mm. The f theta lens is calibrated for a wavelength of 355 nm.
d1 간격 EP-L1
d2 두께 L1
d3 간격 L1-L2
d4 두께 L2
d5 간격 L2-L3
d6 두께 L3
d7 간격 L4-L4
d8 두께 L4
d9 간격 L4-보호 유리
d10 두께 보호 유리
d11 간격 보호 유리-이미지 평면d1 spacing EP-L1
d2 thickness L1
d3 spacing L1-L2
d4 thickness L2
d5 interval L2-L3
d6 thickness L3
d7 spacing L4-L4
d8 thickness L4
d9 spacing L4 - protective glass
d10 thick protective glass
d11 spacing protective glass - image plane
Claims (3)
-8.0 < f1/f < -0.50
+2.10 < f2/f < +2.70
+1.20 < f3/f < +1.60
+2.00 < f4/f < +2.40A first individual lens (L 1 ) as a concave-concave lens having a focal length (f 1 ), a second individual lens (L 2 ) as a concave-convex lens having a focal length (f 2 ), and a focal length (f 3 ) An f theta lens including individual lenses having a third individual lens (L 3 ) as a convex-convex lens having and a fourth individual lens (L 4 ) as a convex-convex lens having a focal length (f 4 ), An f theta lens that has the total focal length f of the theta lens, and the ratio between the total focal length f and the focal lengths f 1 -f 4 satisfies the following conditions:
-8.0 < f 1 /f < -0.50
+2.10 < f 2 /f < +2.70
+1.20 < f 3 /f < +1.60
+2.00 < f 4 /f < +2.40
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A201 | Request for examination | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
REGI | Registration of establishment |