KR20180003463A - 적어도 제1 및 제2 광학 조립체를 갖는 대물렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하기의 특징을 갖는 대물렌즈(1)에 관한 것이다: 제1 대물렌즈 하우징(2) 내에 장착되고 적어도 하나의 제1 렌즈(4)를 포함하는 제1 광학 조립체로서, 제1 렌즈(4)는 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 적어도 제1 표면(4A) 및 제2 표면(4B)을 구비하는, 제1 광학 조립체; 및 제2 대물렌즈 하우징(3) 내에 장착되고 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역(V)에서 서로 연결되고, 연결 영역에 바로 인접한 제1 대물렌즈 하우징 내의 그러한 렌즈가 제1 렌즈(4)인, 제2 광학 조립체.

Description

적어도 제1 및 제2 광학 조립체를 갖는 대물렌즈{OBJECTIVE HAVING AT LEAST A FIRST AND A SECOND OPTICAL ASSEMBLY}

본 발명은 적어도 제1 및 제2 광학 조립체를 갖는 대물렌즈에 관한 것이다. 이러한 유형의 대물렌즈는, 예를 들어 레이저 재료 가공을 위한 스캐닝 장치에 사용될 수 있는 고출력 레이저를 집속시키기 위해 제공되는 특히, 소위 F-세타 대물렌즈를 또한 포함한다.

레이저 및 재료 가공 응용은 사용되는 광학 시스템의 훨씬 더 높은 광학 품질 및, 고도의 생산 안정성, 즉 서로에 대하여 생산되는 시스템의 광학 성능의 낮은 편차를 요구하고 있다.

구성요소의 제조 허용차는 일반적으로 수차(aberration) 및 광학 품질의 감소를 초래한다. 주로 UV 및 고체 수정 광학 시스템에서, 이것은 현저하게 불량한 품질 및 가공후의 증가된 비용을 초래한다. 장착 기술은 특히 F-세타 대물렌즈의 경우에 중심 인자이다. 품질에 관한 현재 요구조건은 종래 기술로부터의 표준 기술로는 더 이상 보장될 수 없다.

표준 F-세타 장착 기술은 소위 충전 장착(filling mounting)에 의해 구별된다. 충전 장착의 원리는 렌즈 및 스페이서 링(spacer ring)의 자체-센터링(self-centring)에 기초한다. 예를 들어, 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 제1 표면 및 적어도 하나의 제2 표면을 구비하는 메니스커스 렌즈(meniscus lens)(도 1에서 "M"으로 식별됨)를 사용하는 경우, 이것은 문제를 초래할 수 있는데, 이는 이러한 메니스커스 렌즈가 센터링 작용을 가지지 않고 각자의 지지체로 인해 굴러다니기 때문이다. 이것은 최대 크기로 디센터링(decentring)되는 조립 상태를 야기할 수 있다. 평면볼록(planoconvex) 또는 평면오목(planoconcave) 렌즈(도 1에서 "P"로 식별됨)가 사용되는 경우에, 유사한 문제가 생길 수 있다. 이들 렌즈의 평면 측면은 설명된 충전 장착 기술에 의해 센터링될 수 없다. 양 측면의 적절한 곡률을 갖는 렌즈(도 1에서 "G"로 식별됨)만이 충분히 높은 자체-센터링 작용을 갖는다.

슬라이딩 렌즈(고정밀 특수 대물렌즈)를 갖는 조정 회전 마운트(mount)의 기술은 고가이고 복잡하며 많은 공간을 차지한다. 결과적으로, 상기 기술은 대중 시장(mass market)에 적합하지 않다. F-세타 대물렌즈를 끼워맞출 때, 렌즈는 소위 튜브 마운트(튜브) 내로 삽입되고, 원하는 렌즈 유닛 및 파라미터에 따라 스페이서(링 또는 스페이서)에 의해 성형된다. 실질적으로 원통형인 튜브 및 스페이서는 마운트 하우징(하우징) 내로 삽입되고, 차례로 끼워맞춰진다. 부적절한 조립 또는 스페이서 등의 불균일성으로 인한 결함이 프로세스에서 생길 수 있으며, 이것은 궁극적으로 조정 결함을 초래하고 그에 따라 다른 결과로서 이미지 결함 등을 초래한다. 이러한 결함은 대물렌즈의 전체 렌즈 유닛을 통해 렌즈간에 옮겨진다.

본 발명의 목적은, 조립 결함이 최소화되거나 아마도 보상될 수도 있도록, 낮은 정도의 자체-센터링을 갖는 렌즈, 즉 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 제1 표면 및 적어도 하나의 제2 표면을 갖는 렌즈를 구비하는 대물렌즈를 구성하고 끼워맞추기 위한 해결책을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 이러한 종류의 대물렌즈에 대해 달성된다. 유리한 실시형태는 하기의 설명 및 도면과 조합하여 종속 청구항으로부터 추정된다.

본 발명은 대물렌즈를 제공하고, 상기 대물렌즈는 하기의 특징을 갖는다:

제1 대물렌즈 하우징 내에 장착되고 적어도 하나의 제1 렌즈를 포함하는 제1 광학 조립체로서, 제1 렌즈는 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 적어도 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는, 제1 광학 조립체; 및

제2 대물렌즈 하우징 내에 장착되고 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역에서 서로 연결되고, 연결 영역에 바로 인접한 제1 대물렌즈 하우징 내의 그러한 렌즈가 제1 렌즈인, 제2 광학 조립체.

본 명세서에 설명된 접근법은 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 제1 표면 및 제2 표면을 구비하는 렌즈의 경우에 자체-센터링이 존재하지 않거나 적어도 매우 열악한 정도의 자체-센터링이 존재한다는 지식에 기초하고 있다. 이러한 해결책은, 대물렌즈 하우징의 2-부품 설계로 인해, 결과로서 생성되는 연결 영역이 기존의 제조 결함을 동등하게 하거나 보상하는데 사용될 수 있다는 점에서 구별된다.

본 발명에 따르면, 기술적인 특징 "대략 동일한 곡률 반경"은 곡률 반경이 최대 10%만큼, 바람직하게는 5% 미만만큼, 특히 바람직하게는 1% 미만만큼 상이하다는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

다른 실시형태에 있어서, 제1 렌즈는 제1 표면으로서 오목 표면 및 제2 표면으로서 볼록 표면을 갖는 메니스커스 렌즈의 형태이거나, 평면볼록 또는 평면오목 렌즈의 형태이다. 이러한 종류의 렌즈는 특히 레이저 재료 가공에의 사용에 매우 적합하다.

다른 실시형태에 있어서, 제1 대물렌즈 하우징은 제2 대물렌즈 하우징에 탈착가능하게 연결되고, 특히 나사결합된다. 제1 대물렌즈 하우징은, 탈착가능한 연결에 의해서, 특히 나사 연결에 의해서, 제2 대물렌즈 하우징으로부터 특히 신속하게 분리될 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이의 거리를 변경하기 위한 수단이 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이에 설치될 수 있다. 이러한 수단은 바람직하게는 스페이서 요소의 형태일 수 있다. 제1 및 제2 대물렌즈 하우징 사이의 거리는 이러한 종류의 실시형태에 의해 제어될 수 있다. 그러므로, 어떠한 이미징 결함도 수정될 수 있다.

다른 실시형태에 있어서, 제1 위치, 및 상기 제1 위치와 방위각이 상이한 적어도 하나의 제2 위치에서 제1 대물렌즈 하우징을 제2 대물렌즈 하우징에 연결하기 위한 수단이 존재한다. 특히, 최초의 위치에 대해 2개의 하우징 부분을 회전시킴으로써, 비대칭 수차가 보상될 수 있다.

본 명세서에 제시된 접근법은 레이저 재료 가공용 장치를 추가적으로 제공하며, 상기 장치는 하기의 특징을 갖는다:

광 번들(light bundle)을 방출하기 위한 레이저 빔 소스; 및

광 번들을 가공 표면 상에 집속시키기 위한, 본 발명에 따른 대물렌즈.

본 발명은 예시로서 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 다양한 유형의 렌즈에 대한 자체-센터링 프로세스의 개략도를 도시하고;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 개략도를 도시하고;
도 3은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 개략도를 도시한다.

본 발명의 바람직한 예시적인 실시형태의 하기의 설명에서, 동일하거나 유사한 참조 부호가 다양한 도면에 도시되고 유사한 방식으로 작용하는 요소에 사용되며, 이들 요소는 반복적으로 설명되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 대물렌즈(1)의 가능한 구현예의 개략도를 도시하고 있다. 대물렌즈(1)는 광 번들(light bundle)(L), 예를 들어 레이저 빔 소스(상세하게 도시되지 않음)로부터 가공 평면(BE) 상으로의 레이저 번들을 형성한다.

이 도면은 연결 영역(V)에서 연결되는 대물렌즈 하우징 부분(2 및 3)을 도시하고 있다. 예시적인 실시형태에 따르면, 2개의 하우징 부분은 스크루(8)에 의해 함께 나사결합되고, 하나의 스크루만이 단면도에서 보여질 수 있다. 제1 대물렌즈 하우징(2)은 메니스커스 렌즈(4) 및 추가 렌즈(5)의 형태인 제1 렌즈를 포함한다. 이러한 2개의 렌즈는 제1 광학 조립체를 형성한다. 제2 대물렌즈 하우징(3)은 렌즈(6) 및 추가 렌즈(7)를 포함하고, 이들 2개의 렌즈의 정확한 기능에 대해서는 보다 상세하게 논의하지 않고자 한다. 이러한 2개의 렌즈는 제2 광학 조립체를 형성한다.

도 2로부터 명확한 바와 같이, 메니스커스 렌즈(4)는 오목 표면(4A) 및 볼록 표면(4B)을 포함하고, 이들 2개의 표면의 곡률 반경은 대략 동일하다. 메니스커스 렌즈(4)는 연결 영역(V)에 바로 인접하는 제1 광학 조립체로부터의 그러한 렌즈이다. 그러므로, 예를 들어 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이에 스페이서 요소를 삽입함으로써 렌즈들(4 및 7) 사이의 공기 공간을 단순하고 신속한 방식으로 설정하는 것이 가능하다. 이러한 종류의 조치로 인해, 충전 장착 기술에서와 같은 추가적인 디센터링 상태가 발생할 수 없다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태를 도시하고 있다. 도 3은, 우측 영역에, 본 실시형태에서 8개의 나사형 보어(80)를 갖는 제2 대물렌즈 하우징(3)을 도시하고 있다.

(예를 들면, 심지어 90°보다 작은 스텝으로) 서로에 대한 2개의 대물렌즈 하우징의 방위각 배향은 제2 하우징 부분(3)에 있어서의 복수의 나사형 보어의 제공으로 인해 변경될 수 있다. 보어의 개수, 및 그에 따른 서로에 대한 대물렌즈 하우징의 변경 가능성이 기법적 및 기술적 편의의 면에서 한정되지 않는다.

2개의 대물렌즈 하우징, 즉 제1 대물렌즈 하우징(2) 및 제2 대물렌즈 하우징(3)을 갖는 조립된 대물렌즈(1)의 외부도가 연결 스크루(8)가 보여진 상태로 도 3(좌측 영역)에 도시되어 있다.

이러한 종류의 대물렌즈, 특히 F-세타 대물렌즈는 매체에 대한 마이크로재료 가공에의 이용 및 킬로와트 범위의 고출력에 적합하다. F-세타 대물렌즈는 특히 긴 사용 수명을 갖고 고정밀 레이저 재료 가공을 가능하게 한다는 점에서 구별된다. 예를 들면, 이들은 상이한 재료를 미세구조화(microstructuring)하고 마킹하며 새기는데 사용될 수 있다.

F-세타 대물렌즈는 고출력 레이저 및 단 펄스(short pulse)를 갖는 응용에 특수하게 개발 및 사용된다. 특히, 상기 대물렌즈는 특히 높은 레이저 출력을 위한 최소 흡수성의 고체 수정 대물렌즈(solid quartz objective)이다. 이러한 대물렌즈는 회절-제한형(diffraction-limited)이고, 높은 이미징 품질에 의해 구별된다. 또한, 이들은 상당히 높은 손상 문턱값 및 전체 스캐닝 범위에 걸친 높은 스폿 일관성을 제공한다. 이들은 고출력 레이저에서 최소 초점 시프트(focus shift)를 보장한다.

긴 사용 수명을 갖는 고정밀 대물렌즈는 특수한 저오염 장착 기술, 접착제 및 윤활유의 회피, 및 보증된 클린룸(cleanroom)에서의 조립으로 인해 제조될 수 있다.

2개의 대물렌즈 하우징은 알루미늄, 황동 및/또는 스테인리스강으로 적어도 부분적으로 구성되고, 양호한 가공성이 유리하다. 기계적 및/또는 열적 부하에 대한 2개의 대물렌즈 하우징의 강인성뿐만 아니라, 중량은 마찬가지로 재료의 선택에 중요하다. 그러므로, 특히, 아마도 상이한 재료 유닛을 갖는 복수의 구성요소 하우징은 또한 서로 연결되고, 특히 함께 나사결합될 수 있다.

예시적인 실시형태가 제1 특징부와 제2 특징부 사이에 "및/또는" 접속사를 포함하는 경우, 이것은 예시적인 실시형태가 하나의 실시형태에 따라서는 제1 특징부 및 제2 특징부 모두를 갖고, 다른 실시형태에 따라서는 제1 특징부만 또는 제2 특징부만을 갖는 것을 의미하는 것으로 해석되도록 의도된다.

Claims (7)

1. 대물렌즈(1)에 있어서,
   제1 대물렌즈 하우징(2) 내에 장착되고 적어도 하나의 제1 렌즈(4)를 포함하는 제1 광학 조립체로서, 상기 제1 렌즈(4)는 대략 동일한 곡률 반경을 갖는 적어도 제1 표면(4A) 및 제2 표면(4B)을 구비하는, 제1 광학 조립체; 및
   제2 대물렌즈 하우징(3) 내에 장착되고 적어도 하나의 렌즈(6, 7)를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 상기 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역(V)에서 서로 연결되고, 상기 연결 영역에 바로 인접한 제1 대물렌즈 하우징 내의 렌즈가 그러한 상기 제1 렌즈(4)인, 제2 광학 조립체를 구비하는, 대물렌즈(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈(4)는 상기 제1 표면(4A)으로서 오목 표면 및 상기 제2 표면(4B)으로서 볼록 표면을 갖는 메니스커스 렌즈의 형태인 것을 특징으로 하는, 대물렌즈(1).
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈(4)는 평면볼록 또는 평면오목 렌즈의 형태인 것을 특징으로 하는, 대물렌즈(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 탈착가능하게 서로 연결되고, 특히 함께 나사결합되는 것을 특징으로 하는, 대물렌즈(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 대물렌즈 하우징(2)과 제2 대물렌즈 하우징(3) 사이의 축방향 거리를 변경하기 위한 수단이 상기 제1 대물렌즈 하우징(2)과 제2 대물렌즈 하우징(3) 사이에 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는, 대물렌즈(1).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 위치, 및 상기 제1 위치와 방위각이 상이한 적어도 하나의 제2 위치에서 상기 제1 대물렌즈 하우징(2)을 상기 제2 대물렌즈 하우징(3)에 연결하기 위한 수단(80)이 존재하는 것을 특징으로 하는, 대물렌즈(1).
7. 레이저 재료 가공용 장치에 있어서,
   광 번들(L)을 방출하기 위한 레이저 빔 소스; 및
   상기 광 번들(L)을 가공 표면(BE) 상에 집속시키기 위한, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 대물렌즈를 구비하는, 레이저 재료 가공용 장치.

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