KR20200002328U - 제1 및 적어도 하나의 제2 광학 조립체를 갖는 f-세타 대물렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대물렌즈(1), 특히 특징부를 갖는 f-세타 대물렌즈에 관한 것으로서,
특징부는, 제1 대물렌즈 하우징(2)에 장착된 제1 렌즈 요소(4)로서, 제1 대물렌즈 하우징은 조정을 위해 회전되는 대물렌즈 하우징인, 제1 렌즈 요소(4); 및 제2 대물렌즈 하우징(3)에 장착되고 적어도 하나의 렌즈(5, 6, 7)를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 중첩 장착 기술에 의해 제조됨으로써 중첩된 셀에 장착된 대물렌즈 하우징 부분을 구성하는 제2 광학 조립체이고,
제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역(V)에서 서로 연결된다.

Description

제1 및 적어도 하나의 제2 광학 조립체를 갖는 F-세타 대물렌즈{F-THETA OBJECTIVE HAVING A FIRST AND AT LEAST ONE SECOND OPTICAL ASSEMBLY}

본 발명은 제1 및 적어도 하나의 제2 광학 조립체를 갖는 레이저 재료 처리를 위한 f-세타(theta) 대물렌즈(objective)에 관한 것이다. 이러한 유형의 대물렌즈는 예를 들어, 레이저 재료 처리를 위한 스캔 장치에 사용될 수 있는 고출력 레이저를 집속하기 위해 사용된다.

레이저 및 재료 처리 응용 분야는 사용되는 광학 시스템의 항상 더 높은 광학 품질 및 고도의 제조 안정성을 요구하며, 즉 제조되는 시스템들이 서로 간에 작은 광학 성능 편차만을 가질 것을 요구한다.

사용되는 구성 요소의 제조 공차는 일반적으로, 수차 및 광학 품질의 감소를 초래한다. 특히, UV 및 고체 석영 광학 시스템의 분야에서, 이는 현저하게 더 열악한 품질 및 후처리에 대한 비용 증대를 초래한다. 장착 기술은 특히 f-세타 대물렌즈의 경우, 가장 중요한 요소이다. 종래기술에 의한 표준 기술로는 현재의 품질 요건이 더 이상 보장될 수 없다. 특히, 제1 렌즈 요소 또는 복수의 결합된 렌즈 요소의 표면 기울기(tilting)로 인해 파열이 초래된다. 또한, 이러한 결합된 렌즈 요소는 예를 들어, 렌즈 1 및 적어도 하나의 렌즈 2일 수 있다.

표준 f-세타 장착 기술은 소위, 중첩 장착(nesting mounting)에 의해 구별된다. 중첩 장착의 원리는 스페이서 링 및 렌즈의 자체-센터링(self-centring)의 개념을 기반으로 한다.

종래기술로부터 알려진 바와 같이, f-세타 대물렌즈를 조립할 때, 렌즈는 소위 튜브 마운트(tube mount)(튜브) 내에 삽입되고, 원하는 렌즈 장치 및 파라미터에 따라 스페이서 요소(링 또는 스페이서)에 의해 구성된다. 실질적으로 원통형 튜브 및 스페이서는 교대로, 마운트 하우징 내에 삽입되어 조립된다. 부적절한 조립으로 인한 또는 스페이서의 불규칙성 등으로 인한 수차가 공정 중에 발생할 수 있으며, 이는 궁극적으로 조정 수차를 초래하므로, 추가적인 결과로서 이미지 수차 등을 초래한다. 이러한 수차는 대물렌즈의 전체 렌즈 장치를 통하여 렌즈 간에 전달된다.

예를 들어, DE 102017209325 A1에 기술된 바와 같이, 메니스커스(meniscus) 렌즈, 또는 평면 볼록 또는 평면 오목 렌즈를 사용하는 경우, 2-부분 대물렌즈를 갖는 솔루션이 사용되며, 이러한 제1 렌즈는 적어도 하나의 제1 표면, 및 대략적으로 동일한 곡률 반경을 갖는 제2 표면을 갖고, 제1 대물렌즈 하우징 내의 이러한 제1 렌즈는 연결 영역에서 제2 대물렌즈 하우징과 직접 인접한다.

슬라이딩 렌즈(고정밀 특수 대물렌즈)를 통한 조정을 위해 회전되는 마운트의 기술도 알려져 있지만, 이는 고비용이며, 다루기가 복잡하고, 일반적으로 매우 큰 공간을 차지한다.

그러나, 전술한 표면 기울기의 파열 영향은 DE 102017209325 A1의 솔루션에 의해서도 제거될 수 없다.

렌즈 요소의 개별 표면의 상대적 표면 기울기는, 렌즈 기울기와 렌즈의 웨지(wedge) 오차의 조합으로 인해 비롯된다. 제1 렌즈 요소에서의 큰 입사각으로 인해, 이것은 일반적으로 센터링에 가장 민감하고, 성능에 대한 부정적인 영향이 가장 크다.

본 발명에 의해 해결되는 문제는, f-세타 대물렌즈, 또는 f-세타 대물렌즈와 구조 및 효과가 유사한 대물렌즈를 위한 제1 렌즈 요소 또는 제1 렌즈 그룹의 상대적 표면 기울기를 감소시키기 위한 솔루션을 제공하는 것이다. 본 발명의 의도 내에서, 제1 렌즈 그룹은 서로 간의 거리가 매우 작은 상태로 각각 배치되는 적어도 2개의 결합된 렌즈 요소인 것으로 이해된다. 매우 작은 거리는, 렌즈 요소들 사이에 간격 요소가 삽입될 수 없고, 렌즈가 실제로 서로 유리-대-유리 접촉으로 위치되거나, 거리가 최소 공극 < 1 mm, 바람직하게는 0.5 mm 미만인 최소 공극만을 포함한다는 것을 의미한다. 추가적으로, 이러한 대물렌즈는 생산하기에 저렴하고, 경량이거나, 중량이 약간만 증가하는 방식이어야 한다. 또한, 크기는 알려진 대물렌즈와 큰 편차가 없어야 하며(10% 미만의 최대 직경 증가), 대물렌즈는 조립공에 의해 간단하게 그리고 재현 가능하게 조정될 수 있어야 한다.

이러한 문제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 그러한 대물렌즈로 해결된다. 유리한 실시형태는 종속 청구항을 이하의 설명 및 도면과 조합하여 보면 명백하다.

레이저 재료 처리를 위한 대물렌즈, 특히 f-세타 대물렌즈가 제공되며, 이러한 대물렌즈는 특징부를 갖고, 특징부는,

제1 대물렌즈 하우징에 장착된 제1 렌즈 요소(또는 제1 결합된 렌즈 요소)로서, 제1 대물렌즈 하우징은 조정을 위해 회전되는 대물렌즈 하우징인, 제1 렌즈 요소(또는 제1 결합된 렌즈 요소); 및

제2 대물렌즈 하우징에 장착되고, 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 중첩 장착 기술에 의해 제조됨으로써 중첩된 셀에 장착된 대물렌즈 하우징 부분을 구성하는 제2 광학 조립체이고, 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역에서 서로 연결된다.

2개의 대물렌즈 부분 사이의 계면 또는 연결 지점(V)은 추가적으로,

1) 2개의 대물렌즈 부분 사이의 거리를 설정하기 위해 사용되며(예를 들어, 적합한 스페이서 요소를 주문 제작함으로써),

2) 서로에 대한 대물렌즈 부분의 배향을 변경하기 위해(즉, 서로에 대해 비틀린 대물렌즈 하우징 부분들을 다시 함께 나사 결합하기 위해) 사용된다.

일 실시형태에서, 제1 대물렌즈 하우징은 제2 대물렌즈 하우징에 착탈식으로 연결되며, 특히 이들을 함께 나사 결합함으로써 착탈식으로 연결된다. 착탈식 연결에 의해, 특히 나사 결합된 연결에 의해, 제1 대물렌즈 하우징은 특히 신속하게 제2 대물렌즈 하우징과 분리될 수 있다.

추가적인 실시형태에서, 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이의 거리를 변경하기 위한 수단을 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이에 설치 가능하다. 수단은 바람직하게는 간격 요소로서 형성될 수 있다. 이러한 실시형태에 의해, 제1 대물렌즈 하우징과 제2 대물렌즈 하우징 사이의 거리가 제어될 수 있다. 따라서, 가능한 이미징 수차가 교정될 수 있다. 이하에서, 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 대물렌즈 하우징 부분으로 표기된다. 바람직하게는, 설치된 수단은 조정을 위해 회전되는 요소일 수도 있다.

대물렌즈 하우징 부분들 사이에 스페이서 링(도시되지 않음)을 삽입함으로써, (도 1에서) 렌즈(4 및 5) 사이의 공간(air space)이 설정될 수 있다. 또한, 바람직하게는 고급 강재의 필름이 대물렌즈 하우징 부분들 사이의 스페이서 링으로 사용될 수 있다.

또한, 본원에 제시된 접근 방식은 레이저 재료 처리를 위한 장치를 제공하며, 장치는 특징부를 갖고, 특징부는,

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

광 다발을 처리 평면 상에 집속하기 위한 본 발명에 따른 대물렌즈이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예로서 더 상세하게 설명될 것이다. 도면으로서:
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 개략도를 도시한다;
도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 조립된 대물렌즈의 외관을 도시한다;
도 3은 도 2에 따라, 본 발명에 따른 대물렌즈 하우징 부분(2)의 개략도를 도시한다;
도 4는 본 발명의 추가적인 예시적인 실시형태에 따른 조립된 대물렌즈의 외관을 도시한다; 그리고
도 5는 도 4에 따라, 본 발명에 따른 대물렌즈 하우징 부분(2)의 개략도를 도시한다.

본 발명의 바람직한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명에서, 다양한 도면에 도시된 유사하게 기능을 하는 요소에 대해 동일하거나 유사한 참조 부호가 사용되며, 이들 요소에 대한 반복적인 설명은 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 대물렌즈(1)의 가능한 구현예의 개략도를 도시한다. 대물렌즈(1)는 광 다발(L), 예를 들어 더 상세히 도시되지 않은 레이저 빔 소스로부터의 레이저 다발을 처리 평면(BE) 상에 이미징한다.

도면은 연결 영역(V)에서 연결되는 대물렌즈 하우징 부분(2 및 3)을 도시한다. 예시적인 실시형태에 따라, 2개의 하우징 부분은 나사(8)와 함께 나사 결합되며, 하나의 나사만을 단면도에서 볼 수 있다. 나사의 수는 적용예에 따라 다를 수 있다.

제1 대물렌즈 하우징(2)은 제1 렌즈(4)를 포함한다. 이러한 렌즈(4)는 또한 여기에 도시되지 않은 결합된 렌즈 요소로서, 제1 광학 조립체를 형성할 수 있다. 제1 대물렌즈 하우징(2)은 조정을 위한 회전에 의해 생성된다. 조정을 위한 회전 동안, 렌즈 또는 렌즈 그룹은 마운트(대물렌즈 하우징 부분(2))에 이미 고정되어 있다.

조정을 위한 회전 동안, 장착된 광학 렌즈(optic)가 조정 척에 체결된 다음, 렌즈의 광축의 위치가 스핀들 축과 정렬된다. 마운트의 실린더는, 그것이 광축에 동심이고 마운트의 단부면이 광축에 수직이도록 처리된다.

제2 대물렌즈 하우징(3)은 예시적인 실시형태에서, 렌즈(5) 및 2개의 추가적인 렌즈로서, 렌즈(6 및 7)를 포함하며, 이러한 3개의 렌즈의 정확한 기능은 더 상세히 설명되지 않을 것이다. 이러한 3개의 렌즈는 제2 광학 조립체를 형성한다. 도 1의 예시적인 실시형태와 같이, 간격 요소(9, 10)가 렌즈(5, 6, 7) 사이에 삽입될 수 있다.

도 2 및 도 4에서, 본 발명에 따른 대물렌즈(1)의 두 가지 실시형태가 도시된다. 도 2 및 도 4는 3개의 사시도를 각각 포함한다. 2개의 대물렌즈 하우징 부분(2 및 3)은 6개의 나사(8)(도 2의 실시형태), 및 3개의 나사(8)(도 4의 실시형태)에 의해 함께 나사 결합된다. 명확성을 위해, 명칭은 모든 3개의 사시도에 포함되지 않는다. 나사의 수는 달라질 수 있으며, 장비 및 파라미터에 따라 선택된다.

도 3은 도 2에 따른 2개의 사시도에서 조정을 위해 회전되는 대물렌즈 하우징 부분(2)의 일 실시형태를 도시한다.

도 5는 도 4에 따른 2개의 사시도에서 조정을 위해 회전되는 대물렌즈 하우징 부분(2)의 일 실시형태를 도시한다.

나사형 구멍(80)의 수, 및 이에 따라 대물렌즈 하우징 부분들을 서로에 대해 변경할 가능성은 기술 및 기술적 편의의 범위 내에서 비제한적이다. 대물렌즈 하우징 부분(3)에 대한 연결 표면(VF)은 우측 도면에서 각각 식별된다.

이러한 대물렌즈, 특히 f-세타 대물렌즈는, 킬로와트 범위의 중출력 및 고출력을 위한 미세 재료 처리에 사용하기에 적합하다. F-세타 대물렌즈는 특히 오래 지속되고, 고정밀 레이저 재료 처리를 가능하게 한다는 점을 특징으로 한다. 이들은 예를 들어, 다양한 재료를 미세 구조화, 마킹 및 새김(inscribing)하기 위해 사용될 수 있다.

F-세타 대물렌즈는 특히, 고출력 레이저 및 단기 펄스를 사용하는 적용예를 위해 개발되어 사용된다. 특히, 상기 대물렌즈는 특히 높은 레이저 출력을 위한 최소 흡수 고체 석영 대물렌즈이다. 후방 대물렌즈 하우징 부분(3)이 고유하게 조립됨에 따라, 새로운 조립 절차가 필요하게 되는 경우에 상태가 변하지 않는다. 수차의 간단한 보정이 가능하다.

본 발명에 따른 새로운 대물렌즈의 특히 본 발명에 필수적인 조립은 알려진 기술을 조합함으로써 예상외로 간단히 수행될 수 있었다.

2개의 대물렌즈 하우징은 알루미늄, 황동, 및/또는 고급 강재로 적어도 부분적으로 구성되며, 우수한 가공성이 유리하다. 기계적 및/또는 열적 부하뿐만 아니라 중량에 대한 2개의 대물렌즈 하우징의 견고성은 재료의 선택을 위해 마찬가지로 중요하다. 따라서, 특히, 아마도 상이한 재료 유닛을 갖는 복수의 부분적인 하우징이 서로 연결될 수도 있고, 특히 함께 나사 결합될 수 있다.

Claims (6)

1. 특징부를 갖는 F-세타 대물렌즈(1)로서,
   상기 특징부는,
   제1 대물렌즈 하우징(2)에 장착된 제1 렌즈 요소(4)로서, 상기 제1 대물렌즈 하우징(2)은 조정을 위해 회전되는 대물렌즈 하우징인, 제1 렌즈 요소(4); 및
   제2 대물렌즈 하우징(3)에 장착되고 적어도 하나의 렌즈(5, 6, 7)를 포함하는 제2 광학 조립체로서, 중첩된 셀에 장착된 대물렌즈 부분인, 제2 광학 조립체이고,
   상기 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 연결 영역에서 서로 연결되는,
   F-세타 대물렌즈(1).
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 렌즈 요소(4)는, 서로 간의 거리가 매우 작은 상태로 또는 서로 유리-대-유리 접촉인 상태로 각각 배치되는 적어도 2개의 결합된 렌즈 요소로 이루어진 렌즈 그룹 또는 개별 렌즈인 것을 특징으로 하는, F-세타 대물렌즈(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 대물렌즈 하우징은 서로 착탈식으로 연결되며, 특히 함께 나사 결합되는 것을 특징으로 하는, F-세타 대물렌즈(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 대물렌즈 하우징(2)과 상기 제2 대물렌즈 하우징(3) 사이의 축방향 거리를 변경하기 위한 수단을 상기 제1 대물렌즈 하우징(2)과 상기 제2 대물렌즈 하우징(3) 사이에 설치 가능한 것을 특징으로 하는, F-세타 대물렌즈(1).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 위치, 및 이와 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, F-세타 대물렌즈(1).
6. 레이저 재료 처리를 위한 장치로서,
   상기 장치는 특징부를 가지며,
   상기 특징부는,
   광 다발(L)을 방출하기 위한 레이저 빔 소스; 및
   상기 광 다발(L)을 처리 평면(BE) 상에 집속하기 위한 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 대물렌즈인,
   레이저 재료 처리를 위한 장치.

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