JP2011519067A - 光学レンズ - Google Patents

Abstract

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、前記絞りは前記レンズグループの前方に位置する。前記レンズグループは３つのレンズを含み、それぞれ順次に「負−正−正」になる第一レンズ（L１）、第二レンズ（L２）、第三レンズ（L３）である。第一レンズはメニスカス型負レンズであり、第二レンズはメニスカス型正レンズであり、第三レンズは平凸型或いはメニスカス型正レンズであり、前記第一レンズ、前記第二レンズ及び前記第三レンズの全ての曲面はみな前記絞り方向に向かっている。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である場合、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、0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8、0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2を満足する。

Description

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。

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。

レーザ走査のフラットフィールド光学レンズをF-theta（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する。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。レーザー振動鏡マーカはfθレンズを有してから実現できる。

図1は典型的な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る。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。

光ビームは二つの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。その中で、ｆはfθレンズ3の焦点距離で、θは振動鏡の走査角度（単位は弧度）である。

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、fθ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。

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。

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。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。

本発明は、従来技術の上記欠陥を鑑みて、全視野でイメージングが均一で、ケラレの産生がないレーザ応用光学レンズを提供することを目的とする。

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、前記第一レンズはメニスカス型負レンズであり、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或いはメニスカス型正レンズであり、前記第一レンズと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、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
0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8
0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2
を満足する。

本発明に関する光学レンズは順次に配列したメニスカス型負レンズで、メニスカス型正レンズ、両凸型或いはメニスカス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、且つシステムの入射光ビーム径が比較的に大きいで、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入射光ビーム径の製品と互いに交換することができ、小型化設計ができる。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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」分離の光パワー分布型式を採用して設計し、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、１つの「変形無し」のマーキングである。同時に、これは１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、１つの「フラットイメージフィールド」の対物レンズである。

図2に示すように、本発明の光学レンズはスリーピース式「負−正−正」の光パワー分布型式を採用して設計し、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、その中で、第一レンズL1の光パワー1/f1は負で、第二レンズL2の光パワー1/f2と第三レンズL3の光パワー1/f3はみな正であり、各レンズの焦点距離と全体光学システムの焦点距離ｆとの比率は以下のような要求を満足する。

ｆ1＜0、-0.6＜ｆ1/ｆ＜-0.4、ｒ1＜0、｜ｒ1｜＜｜ｒ2｜
ｆ2＞0、0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8、ｒ3?0、ｒ4＜0、｜ｒ3｜＞｜ｒ4｜
ｆ3＞0、0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2、ｒ6＜0、｜ｒ5｜＞｜ｒ6｜
ｎ1＜ｎ2、ｎ1＜ｎ3

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L1,L2,L3の焦点距離はそれぞれf1、f2、f3である。

その中で、第一レンズL1と絞り（振動鏡）1の距離d0は25-60mmで、レンズL1は負レンズで、焦点距離はｆ1であり、前後二つの光学面の半径はそれぞれｒ11,ｒ12であり、レンズが使用する光学材料の屈折率はｎ1で、分散指数はν1で、第一レンズL1の形状は絞り（振動鏡）1の方向に向かって湾曲し、且つメニスカス型の負レンズであり、即ちレンズの形状は入射光方向に向かって湾曲するメニスカス型負レンズである。レンズL2は正レンズで、焦点距離はｆ2であり、前後二つの光学面の半径はそれぞれｒ21,ｒ22であり、レンズが使用する光学材料の屈折率はｎ2で、分散指数はν2で、レンズの形状は絞り（振動鏡）1の方向に向かって湾曲したメニスカス型正レンズであり、即ちレンズの形状は入射光方向に向かって湾曲するメニスカス型正レンズである。レンズL3は正レンズで、焦点距離はｆ3であり、前後二つの光学面の半径はそれぞれｒ31,ｒ32であり、レンズが使用する光学材料の屈折率はｎ3で、分散指数はν3で、レンズの形状は平凸或いは絞り（振動鏡）1の方向に向かって湾曲したメニスカス型正レンズであり、即ちレンズの形状は平凸或いは入射光方向に向かって湾曲するメニスカス型正レンズであり、第三レンズL3と焦点面4の距離はd6である。

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。

以上の設計を採用する効果は以下の通りである。即ち、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させ、非対称の収差もよい補正を得られようにする。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。同時に、スリーピース分離レンズを採用して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る。

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である二つの曲面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である二つの曲面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である二つの曲面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。

以上のパラメータを結合して、本発明は１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。

＜実施例１＞

第一レンズL1はそれぞれ曲率半径がR1=-38.973mm、R2=-85.54である二つの曲面S1,S2から構成され、その光軸における中心厚さはd1＝4.4mm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=-85.54mm、R4=-50.275mmである二つの曲面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=∞、R6=-162.62mmである二つの曲面S5,S6から構成され、その光軸における中心厚さはd5＝6mm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＝2.5mm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＝0.5mmで、第三レンズL3と像面が光軸における距離はd6＝235mmである。且つ、一覧表は下記の通りである。

上記の表に従って、以下のデータが得られる。
ｆ＝203.6mm D/ｆ＝1:10
λ＝1064nm 2ω＝50゜
ｆ1/ｆ＝-0.49 ｆ2/ｆ＝0.69 ｆ3/ｆ＝1.03

ｆ1/ｆ＝-0.49であるため、-0.6＜ｆ1/ｆ＜-0.4を満足し、ｆ2/ｆ＝0.69であるため、0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8を満足し、ｆ3/ｆ＝1.03であるため、0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2を満足する。

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である時の光路差図で、光路差も最大に±0.15λ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。

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0.15λ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。

＜実施例２＞
第一レンズL1はそれぞれ曲率半径がR1=-63.66mm、R2=-156.46である二つの曲面S1,S2から構成され、その光軸における中心厚さはd1＝5.9mm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=-122.14mm、R4=-78.585mmである二つの曲面S3,S4から構成され、その光軸における中心厚さはd3＝11mm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=-744.74mm、R6=-232.62mmである二つの曲面S5,S6から構成され、その光軸における中心厚さはd5＝8mm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＝3.2mm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＝0.3 mmで、第三レンズL3と像面が光軸における距離はd6＝485mmである。且つ、一覧表は下記の通りである。

上記の表に従って、以下のデータが得られる。
ｆ＝433.3mm D/ｆ＝1:14
λ＝1064nm 2ω＝50゜
ｆ1/ｆ＝-0.49 ｆ2/ｆ＝0.58 ｆ3/ｆ＝1.01

ｆ1/ｆ＝-0.49であるため、-0.6＜ｆ1/ｆ＜-0.4を満足し、ｆ2/ｆ＝0.58であるため、0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8を満足し、ｆ3/ｆ＝1.01であるため、0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2を満足する。

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図で、以上の各図面から分かるように、システムの乱視とフィールド湾曲がよく補正され、光路差も最大に0.2λ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、小型化設計ができる。

Claims (4)

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、その中で、前記第一レンズはメニスカス型負レンズであり、前記第二レンズはメニスカス型正レンズであり、前記第三レンズは平凸型或いはメニスカス型正レンズであり、前記第一レンズ、前記第二レンズ及び前記第三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、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
   0.5＜ｆ2/ｆ＜0.8
   0.9＜ｆ3/ｆ＜1.2
   を満足することを特徴とする光学レンズ。
2. ｆ1/ｆ＝-0.49、ｆ2/ｆ＝0.69、ｆ3/ｆ＝1.03であることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズ。
3. ｆ1/ｆ＝-0.49、ｆ2/ｆ＝0.58、ｆ3/ｆ＝1.01であることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズ。
4. 前記第一レンズと前記絞りとの間の距離は25-60mmであることを特徴とする請求項1に記載の光学レンズ。