(57)【要約】      （修正有）【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１
0003221338.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
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、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、焦点距離ｆ３を有する二重凸形−レンズＬ３としての第３単一レンズＬ３とを有し、かつエフシータレンズの全焦点距離ｆを有する３個の単一レンズを備えた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
−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。
【請求項２】
ｆ１／ｆ＝−０．９、ｆ２／ｆ＝−２．０７、ｆ３／ｆ＝＋０．４８であることを特徴とする請求項１に記載のエフシータレンズ。
【請求項３】
前記第１単一レンズＬ１の前方に、３０ｍｍの間隔ｄ１をおいて、前記エフシータレンズの入射瞳ＥＰが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のエフシータレンズ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【０００６】
次に、図に基づいて本考案を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】光軸Ａに沿ったビーム経路を示す、最大走査角度の場合の本考案に係るレンズの幾何光学図である。
【考案を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
【表１】
0003221338.tif 000003
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【符号の説明】
【００２０】
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
【図１】
0003221338.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月15日(2019.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
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、前記第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、前記第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Ｌ３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
−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。
【請求項２】
ｆ１／ｆ＝−０．９、ｆ２／ｆ＝−２．０７、ｆ３／ｆ＝＋０．４８であることを特徴とする請求項１に記載のエフシータレンズ。
【請求項３】
前記第１単一レンズＬ１の前方に、３０ｍｍの間隔ｄ１をおいて、前記エフシータレンズの入射瞳ＥＰが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のエフシータレンズ。