(57)【要約】レンズグループと絞り（１）とを有する光学レンズにおいて、絞りはレンズグループの前方に位置し、レンズグループは、第一レンズ（Ｌ１）、第二レンズ（Ｌ２）、第三レンズ（Ｌ３）を順次に含み、第一レンズは平凹型負レンズであり、第二レンズはメニスカス型正レンズで、第三レンズは両凸型正レンズであり、第二レンズの全ての曲面はみな絞り方向に向かって湾曲し、その中で、全体光学システムの焦点距離はｆで、第一、第二、第三レンズの焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２、ｆ３であり、各レンズの焦点距離と全体光学システムの焦点距離ｆとの比率は以下の条件：−０．６＜ｆ１／ｆ＜−０．４、１．０＜ｆ２／ｆ＜１．２、０．６＜ｆ３／ｆ＜０．８を満足する。該光学レンズはレーザー加工のＦ−ｔｈｅｔａレンズとして用いる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズグループと絞りとを有する光学レンズにおいて、前記絞りは前記レンズグループの前方に位置し、前記レンズグループは３つのレンズを含み、それぞれ第一、第二、第三レンズであり、順次に「負−正−正」の分離の光パワーシステムに配列され、前記第一レンズは平凹型負レンズであり、前記第二レンズはメニスカス型正レンズであり、前記第三レンズは両凸型正レンズであり、前記第二レンズの全ての曲面はみな前記絞り方向に向かって湾曲し、その中で、全体光学システムの焦点距離はｆで、第一、第二、第三レンズの焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２、ｆ３であり、各レンズの焦点距離と全体光学システムの焦点距離ｆとの比率は以下の条件：
−０．６＜ｆ１／ｆ＜−０．４
１．０＜ｆ２／ｆ＜１．２
０．６＜ｆ３／ｆ＜０．８
を満足することを特徴とする光学レンズ。
【請求項２】
ｆ１／ｆ＝−０．５、ｆ２／ｆ＝１．１４、ｆ３／ｆ＝０．６２であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
【請求項３】
ｆ１／ｆ＝−０．４７、ｆ２／ｆ＝１．１２、ｆ３／ｆ＝０．５６であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
【請求項４】
前記第一レンズと前記絞りとの間の距離は３５−８０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工技術分野に関し、具体的には、光学レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、レーザ応用は我々の現代生活の各方面に深く入り込み、レーザ応用には各工程の要求に合致する各応用光学システムが離れない。現在、レーザマーカはその速度が速く、適応性が強く、消耗品がなく、マークが永久である等の特徴があるので、既に各インクライター、スクリーン印刷機などを徐々に代わって行く。
【０００３】
Ｆ−ｔｈｅｔａ（ｆθ）レンズは広視野、中小口径、中長焦点距離の写真用対物レンズであり、そのパラメータから言えば、「スリーピース」型の写真用対物レンズを選択するのが、比較的に適切である。レーザ走査のフラットフィールド光学レンズをｆθレンズと呼び、該レンズはレーザビームが均一な速度で走査するとき、該レンズを通じる光ビームの像平面上に向かう焦点も等速で移動することを実現し、これは光ビーム走査角度と像平面上に向かう焦点の像の高さが線形関係になるべきことを決定し、レーザー振動鏡マーカはｆθレンズを有してから実現できる。
【０００４】
図１は従来の典型的なｆθレンズ光学システムであり、光ビームは均一な回転の角速度で走査する反射鏡によって反射した後、ｆθレンズを通じて像平面にピントを合わせ、即ち光ビームは２つのｘ軸とｙ軸を周りに回転する振動鏡１，２を順次に経って、最後にｆθレンズ３を通じて像面４にピントを合わせ、振動鏡が走査して画像を形成する。ｆθレンズ３はフラットイメージフィールドのフォーカスミラーであり、マーキングするときに、像面において像の高さηとＸ振動鏡１及びＹ振動鏡２の走査角度θは線形関係になすことを要求し、即ちη＝ｆ＊θ（Ｓｒ）である。つまり、ある時刻に光がｆθレンズに対する入射角はθであり、像が中心点の像に対する高さをηであるとしたら、それらの間は線形関係になすべきで、即ちη＝ｋ＊ｆ＊θである。その中で、ｋは常数であり、ｆはｆθレンズの焦点距離で、特定のレンズに対しては一定値であり、θは振動鏡の走査角度（単位は弧度）である。
【０００５】
ガウス光学イメージング理論から分かるように、像の高さηとレンズの焦点距離ｆ及び光ビームの曲がり角θとの関係はη＝ｆ＊ｔｇθである。しかし、一般なイメージングシステムは一定な歪みが存在し、光学設計における収差補正において、歪みΔηを有意に取り入れて、η＝ｆ＊ｔｇθ−Δη＝ｋ＊ｆ＊θの関係を満足するようにすると、ｆθレンズの物像関係が線形関係の要求を実現することができる。これで分かるように、Δη＝ｆ＊ｔｇθ−ｋ＊ｆ＊θ＝ｆ（ｔｇθ−ｋ＊θ）で、Δηは正値であり、Ｆ−ｔｈｅｔａレンズは負歪みの光学システムである。従って、角度が大きいと、システムが比較的に大きな負歪みを有することを要求する。
【０００６】
同時に、ｆθレンズの絞りはレンズの外に位置し、典型的な非対称の光学システムである。現有製品において、設計するときに垂直収差の平行問題を検討して、一般的にはＰｉｔｚｖａｌの対称構造を採用して設計を行って、垂直収差の補正を実現する。しかし、これらの非対称のシステムにおいて、Ｐｉｔｚｖａｌの対称構造を採用して設計を行うとき、垂直収差をよく補正し難い。
【０００７】
なお、ｆθレンズの他の一の特徴は全てのイメージング範囲内のフォーカス点は、似ているフォーカス品質を有すべきで、且つケラレの産生を許さなくて、全ての像点の一致を保証する。レーザ応用光路に使用される場合、レーザーエネルギ密度が大きくなる可能性があり、レーザの使用寿命を高めるため、接着レンズを採用しないことを要求する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来技術の上記欠陥を鑑みて、アパーチャが大きな非対称光学システムで、且つ球面収差とフィールド収差を比較的によいバランスが達成でき、像面がケラレのない場合に均一にイメージングする光学レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は光学レンズを提供し、該光学レンズはレンズグループと絞りとを有し、前記絞りは前記レンズグループの前方に位置し、前記レンズグループは３つのレンズを含み、それぞれ第一、第二、第三レンズであり、順次に「負−正−正」の分離の光パワーシステムに配列され、その中で、前記第一レンズは平凹型負レンズであり、前記第二レンズはメニスカス型正レンズで、前記第三レンズは両凸型正レンズであり、前記第二レンズの全ての曲面はみな絞り方向に向かって湾曲し、且つ全体光学システムの焦点距離はｆで、第一、第二、第三レンズの焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２、ｆ３であり、各レンズの光パワーとシステムの光パワー１／ｆとの比率は以下の条件：
−０．６＜ｆ１／ｆ＜−０．４
１．０＜ｆ２／ｆ＜１．２
０．６＜ｆ３／ｆ＜０．８
を満足する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光学レンズは順次に配列した平凹型負レンズで、メニスカス型正レンズ、両凸型正レンズを組み合わせたレンズグループを採用して、システムの球面収差、収差及びフィールド湾曲を比較的に良い平衡に達させ、イメージング効果がよく且つ全ての像面で均一にイメージングし、且つ該構造が大径に入射するｆθレンズの小型化に応用してよい効果を取得し、且つハイパワーのレーザシステムにおいて、デュアルインジェクションのレンズを採用して相関な収差の補正を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術の典型的なｆθレンズ光学システムの模式図である。
【図２】本発明の実施例が提供した光学レンズの構造模式図である。
【図３】本発明の第一実施例が提供した光学レンズの光線追跡図である。
【図４】本発明の第一実施例が提供した光学レンズの乱視、像面湾曲及び歪みの分布図である。
【図５】本発明の第一実施例が提供した光学レンズの線形偏差曲線分布図である。
【図６】本発明の第一実施例が提供した光学レンズの視野がそれぞれ０、０．３、０．５、０．７、０．８５及び１．０である時の光路差の曲線分布図である。
【図７】本発明の第一実施例が提供した光学レンズの光学伝達関数ＭＴＦの分布図である。
【図８】本発明の第二実施例が提供した光学レンズの光線追跡図である。
【図９】本発明の第二実施例が提供した光学レンズの乱視、像面湾曲及び歪みの分布図である。
【図１０】本発明の第二実施例が提供した光学レンズの線形偏差曲線分布図である。
【図１１】本発明の第二実施例が提供した光学レンズの視野がそれぞれ０、０．３、０．５、０．７、０．８５及び１．０である時の光路差の曲線分布図である。
【図１２】本発明の第二実施例が提供した光学レンズの光学伝達関数ＭＴＦの分布図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面と具体的な実施例を結合して、本発明に対して更に詳しく説明する。
【００１３】
ｆθレンズは広視野、中小口径、中長焦点距離の写真用対物レンズであり、そのパラメータから言えば、「スリーピース」型の写真用対物レンズを選択するのが、比較的に適切である。本発明は「負−正−正」の光パワー分布型式を採用した。その入射瞳がレンズ外で産生した歪みも、ちょうどｆθレンズが必要なもので、この歪みはｆθレンズの要求に容易に達し、一つの「変形無し」のマーキングである。同時に、これは一つの大視野の写真用対物レンズであり、写真用対物レンズと同じに、一つの「フラットイメージフィールド」の対物レンズである。
【００１４】
図２に示すように、本発明が採用した技術内容は、レーザ加工に使用する光学ｆθレンズを提供し、該光学ｆθレンズは、レンズグループと絞り（振動鏡）１を含み、絞りはレンズグループの前方に位置し、レンズグループは３つのレンズを含み、それぞれ第一、第二、第三レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３であり、スリーピース式「負−正−正」の光パワー分布型式を採用して設計し、スリーピースレンズの材質はみなコロイドであり、ハイパワーのレーザシステムにおいて、デュアルインジェクションのレンズを採用して相関な収差の補正を行う。
【００１５】
その中で、第一レンズの光パワー１／ｆ１は負であり、第二レンズの光パワー１／ｆ２と第三レンズの光パワー１／ｆ３はみな正であり、各レンズの光パワーとシステムの光パワー１／ｆとの比率は以下のような関係を満足する。
【００１６】
−０．６＜ｆ１／ｆ＜−０．４
１．０＜ｆ２／ｆ＜１．２
０．６＜ｆ３／ｆ＜０．８
【００１７】
その中で、全体光学システムの焦点距離はｆで、第一、第二、第三レンズの焦点距離はそれぞれｆ１、ｆ２、ｆ３である。
【００１８】
その中で、第一レンズＬ１と絞り（振動鏡）１の距離ｄ０は３５−８０ｍｍで、第一レンズＬ１は平凹型負厚いレンズであり、第二レンズＬ２はメニスカス型正レンズであり、第二レンズＬ２の全ての曲面はみな絞り（振動鏡）１の方向に向かって湾曲し、第三レンズＬ３は両凸型正レンズであり、第三レンズＬ３と焦点面４の距離はｄ６である。
【００１９】
以上なレンズグループが実際なシステムを構成するとき、外に露出したレンズを保護するため或いはその他のいかなる目的で、レンズグループの出光方向の任意な位置で、平行フラットからなる光学ウィンドウを追加する。本出願は、以上のパラメータ条件で光学ウィンドウを追加する内容をカバーする。
【００２０】
以上の設計を採用する効果は以下の通りだ。即ち、スリーピース分離レンズを採用して、大きな入射光ビームサイズの要求を満足し、入射光ビーム直径は３５ｍｍ左右に達し、且つ各イメージングの品質を影響する収差をよりよく補正して、レンズのコストを下げた。且つ、非対称の構造を利用して大きな歪みを実現して、対称構造における歪みが小さい制約を克服して、設計が容易に物像関係が線形の要求を満足するようにする。分離したレンズシステムを使用し、接着面を採用せず、強いレーザ応用光路において使用するとき、接着剤の老化或いはレーザによって破壊されるときの影響を避け、レンズの安定性と使用寿命を高める。
【００２１】
それらの具体的構造及びパラメータは下記の通りである。即ち、システムはＬ１，Ｌ２，Ｌ３３つのレンズから構成され、Ｌ１はそれぞれ曲率半径がＲ１，Ｒ２である２つの曲面Ｓ１，Ｓ２から構成され、その中心厚さはｄ１で、材料光学パラメータはＮｄ１：Ｖｄ１であり、Ｌ２はそれぞれ曲率半径がＲ３，Ｒ４である２つの曲面Ｓ３，Ｓ４から構成され、その中心厚さはｄ３で、材料光学パラメータはＮｄ３：Ｖｄ３であり、Ｌ３はそれぞれ曲率半径がＲ５，Ｒ６である２つの曲面Ｓ５，Ｓ６から構成され、その中心厚さはｄ５で、材料光学パラメータはＮｄ５：Ｖｄ５であり、第一レンズＬ１と第二レンズＬ２との間隔はｄ２で、第二レンズＬ２と第三レンズＬ３との間隔はｄ４である。
【００２２】
以上のパラメータを結合して、本発明は一つのグループのレンズを設計し、その具体パラメータはそれぞれ下記の通りである。
【００２３】
＜実施例１＞
第一レンズＬ１はそれぞれ曲率半径がＲ１＝−６７．０７４ｍｍ、Ｒ２＝∞である２つの曲面Ｓ１，Ｓ２から構成され、その光軸における中心厚さはｄ１＝１２ｍｍで、材料はＮｄ１：Ｖｄ１が約１．５２／６４であり、第二レンズＬ２はそれぞれ曲率半径がＲ３＝−２０１．８９９ｍｍ、Ｒ４＝−１１０．０７ｍｍである２つの曲面Ｓ３，Ｓ４から構成され、その光軸における中心厚さはｄ３＝９ｍｍで、材料はＮｄ３：Ｖｄ３が約１．８／２５．４であり、第三レンズＬ３はそれぞれ曲率半径がＲ５＝１８ｍｍ、Ｒ６＝−３１６．２ｍｍである２つの曲面Ｓ５，Ｓ６から構成され、その光軸における中心厚さはｄ５＝１８ｍｍで、材料はＮｄ５：Ｖｄ５が約１．８／２５．４であり、第一レンズＬ１と第二レンズＬ２が光軸における間隔はｄ２＝７ｍｍで、第二レンズＬ２と第三レンズＬ３が光軸における間隔はｄ４＝０．１ｍｍで、第三レンズＬ３と像面が光軸における距離はｄ６＝３１６．２ｍｍである。且つ、一覧表は下記の通りである。
【００２４】
【表１】
2011519070.tif 000003
【００２５】
上記の表に従って、以下のデータが得られる。
ｆ＝１６４．３ｍｍ      Ｄ／ｆ＝１：８
λ＝１０６４ｎｍ      ２ω＝５０゜
ｆ１／ｆ＝−０．６２  ｆ２／ｆ＝１．１１    ｆ３／ｆ＝０．９２
【００２６】
ｆ１／ｆ＝−０．６２であるため、−０．６＜ｆ１／ｆ＜−０．４を満足し、ｆ２／ｆ＝１．１４であるため、１．０＜ｆ２／ｆ＜１．２を満足し、ｆ３／ｆ＝０．９２であるため、０．６＜ｆ３／ｆ＜０．８を満足する。
【００２７】
図３は実施例一の光線追跡図で、該実施例の製品のレンズ配置を説明し、図４は乱視、像面湾曲及び歪みの分布図（Ａは乱視と像面湾曲の分布図で、Ｂは歪みの分布図）で、図面から分かるように、該実施例のシステムの乱視と像面湾曲はよく補正され、図５は線形偏差曲線分布図で、システムの線形誤差は最大に±０．５％以内で、比較的にＦ−ｔｈｅｔａレンズの物像関係式を実現し、図６は視野がそれぞれ０、０．３、０．５、０．７、０．８５及び１．０である時の光路差の分布図で、光路差も最大に±０．５λを超えなく、該実施例のシステムの収差がよく補正されたことを説明し、図７は光学伝達関数ＭＴＦ図で、これから分かるように、各視野のＭＴＦ値はみな比較的に一致し、全視野において均一にイメージングしたことを説明する。
【００２８】
以上の各図から分かるように、システムの乱視と像面湾曲がよく補正され、光路差も最大に０．５λを越えなく、且つ光学伝達関数ＭＴＦ図からみると、各視野のＭＴＦ値はみな比較的に一致し、全視野においてイメージングが均一なことを説明し、ケラレがなく、且つシステムの入射光ビーム径が大きく、一般的なｆθ光学システムと異なる構造形式を採用して、該システムの製品が一般的な小さい入射光ビーム径の製品と互いに交換することができるようにし、小型化の設計に達し、且つハイパワーのレーザシステムにおいて、デュアルインジェクションのレンズを採用することによって相関な収差の補正を行う。
【００２９】
＜実施例２＞
第一レンズＬ１はそれぞれ曲率半径がＲ１＝−６９．０５２ｍｍ、Ｒ２＝−６０６．０９４である２つの曲面Ｓ１，Ｓ２から構成され、その光軸における中心厚さはｄ１＝９．９ｍｍで、材料はＮｄ１：Ｖｄ１が約１．５２／６４であり、第二レンズＬ２はそれぞれ曲率半径がＲ３＝−１６８．７８４ｍｍ、Ｒ４＝−１０８．２６５ｍｍである２つの曲面Ｓ３，Ｓ４から構成され、その光軸における中心厚さはｄ３＝８ｍｍで、材料はＮｄ３：Ｖｄ３が約１．８／２５．４であり、第三レンズＬ３はそれぞれ曲率半径がＲ５＝１８ｍｍ、Ｒ６＝−３１６．２ｍｍである２つの曲面Ｓ５，Ｓ６から構成され、その光軸における中心厚さはｄ５＝３．４ｍｍで、材料はＮｄ５：Ｖｄ５が約１．８／２５．４であり、第一レンズＬ１と第二レンズＬ２が光軸における間隔はｄ２＝６ｍｍで、第二レンズＬ２と第三レンズＬ３が光軸における間隔はｄ４＝０．２  ｍｍで、第三レンズＬ３と像面が光軸における距離はｄ６＝３８５．６ｍｍである。且つ、一覧表は下記の通りである。
【００３０】
【表２】
2011519070.tif 000004
【００３１】
上記の表に従って、以下のデータが得られる。
ｆ＝３３０．１ｍｍ      Ｄ／ｆ＝１：１０
λ＝１０６４ｎｍ      ２ω＝５０゜
ｆ１／ｆ＝−０．４７  ｆ２／ｆ＝１．１２    ｆ３／ｆ＝０．５６
【００３２】
図８は実施例二の光線追跡図で、該実施例の製品のレンズ配置を説明し、図９は乱視、像面湾曲及び歪みの分布図（Ａは乱視と像面湾曲の分布図で、Ｂは歪みの分布図）で、図面から分かるように、該実施例のシステムの乱視と像面湾曲はよく補正され、図１０は線形偏差曲線分布図で、システムの線形誤差は最大に±０．５％以内で、比較的にＦ−ｔｈｅｔａレンズの物像関係式を実現し、図１１は視野がそれぞれ０、０．３、０．５、０．７、０．８５及び１．０である時の光路差の分布図で、光路差も最大に±０．２λを超えなく、該実施例のシステムの収差がよく補正されたことを説明し、図１２は光学伝達関数ＭＴＦの分布図で、これから分かるように、各視野のＭＴＦ値はみな比較的に一致し、全視野において均一にイメージングしたことを説明する。
【図１】
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【図２】
2011519070.tif 000006
【図３】
2011519070.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2011519070.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2011519070.tif 000017
2011519070.tif 000018
2011519070.tif 000019
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