JPS607413A - ビ−ム集光用レンズ - Google Patents
ビ−ム集光用レンズInfo
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- JPS607413A JPS607413A JP58117600A JP11760083A JPS607413A JP S607413 A JPS607413 A JP S607413A JP 58117600 A JP58117600 A JP 58117600A JP 11760083 A JP11760083 A JP 11760083A JP S607413 A JPS607413 A JP S607413A
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- JP
- Japan
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- lens
- positive meniscus
- aberration
- curvature
- spot
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0033—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use
- G02B19/0047—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the use for use with a light source
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B19/00—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics
- G02B19/0004—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed
- G02B19/0009—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only
- G02B19/0014—Condensers, e.g. light collectors or similar non-imaging optics characterised by the optical means employed having refractive surfaces only at least one surface having optical power
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、レーザビーム等を微細スポットに集光させる
だめのビーム集光用レンズに関するものである。
だめのビーム集光用レンズに関するものである。
従来例の構成とその問題点
レーザ発振器からのレーザビームを集光用レンズで微細
スポットに集束させ、金属やセラミック等の非金属利料
の高速、１１＃密切断が行われている。
スポットに集束させ、金属やセラミック等の非金属利料
の高速、１１＃密切断が行われている。
この場合、パワーが強く、レーザビームをレーザ発振器
外に設置した外部光学系で集束することによりパワー密
度が１Ｃ３〜１ｏ７Ｗ／ｃ４と非常に高くなり、波長が
約１Ｏ，６μｍで発振する炭酸ガスレーザがよく使用さ
れている７、 第１図に外部光学系を使用した、従来の典型的なレーザ
加工装置の概観図を示す。
外に設置した外部光学系で集束することによりパワー密
度が１Ｃ３〜１ｏ７Ｗ／ｃ４と非常に高くなり、波長が
約１Ｏ，６μｍで発振する炭酸ガスレーザがよく使用さ
れている７、 第１図に外部光学系を使用した、従来の典型的なレーザ
加工装置の概観図を示す。
図において、１は炭酸ガスレーザ発振器、２はレーザ発
振器から発進したレーザビーム、３は直進して来たレー
ザビームを切断加工位置まで導くだめの反射鏡で、反射
方向を固定するだめに、この反射鏡３はホルダー４内に
堅固に固定されである。反射されたレーザビームを通常
集光レンズらで被加工物６」二の加工位置７に微細スポ
ットに集束させ、精密切断を行う。集光レンズ５のＡＡ
質は炭酸ガスレーザの発振波長である１ｏ・６μｍの九
を吸収しないようなＧｅ、 ＧａＡｓ、 ＣｄＴｅ、
Ｚｎ５ｅＱ１７が用いられるが、通常熱膨張による衝撃
に強く、レーザビームの吸収率が低く、可視光に対する
用祝性が良いＺｎ５ｅが用いられることが多い。しかし
ながらＺｎ５ｅは高価な材質であるので従来は１枚の単
レンズから成る集光レンズを用いていた。
振器から発進したレーザビーム、３は直進して来たレー
ザビームを切断加工位置まで導くだめの反射鏡で、反射
方向を固定するだめに、この反射鏡３はホルダー４内に
堅固に固定されである。反射されたレーザビームを通常
集光レンズらで被加工物６」二の加工位置７に微細スポ
ットに集束させ、精密切断を行う。集光レンズ５のＡＡ
質は炭酸ガスレーザの発振波長である１ｏ・６μｍの九
を吸収しないようなＧｅ、 ＧａＡｓ、 ＣｄＴｅ、
Ｚｎ５ｅＱ１７が用いられるが、通常熱膨張による衝撃
に強く、レーザビームの吸収率が低く、可視光に対する
用祝性が良いＺｎ５ｅが用いられることが多い。しかし
ながらＺｎ５ｅは高価な材質であるので従来は１枚の単
レンズから成る集光レンズを用いていた。
第２図は従来用いられている代表的なＺｎ５ｅ製の単レ
ンズで、第２図（ａ）は製作が容易なプラノ・コンベッ
クスレンズ１５で、レンスノ焦点距離ｆ朋とし、１０．
６μｌの波長に対して屈折率２．４０であるからレンズ
表面曲率はおのおのγ、、、＝１．Ｊ１嫌、γ、５２−
００ で与えらＪｚる。このプラノ・コンベックスレン
ズ１６は片側の曲面が平面であるので製作が容易で、保
持の仕方が容易であるが、収差は多い。第２図（ｂ）の
単レンズ２６は収差を少くした集束メニスカス形状で：
レンズの焦点距離ｆ１鴎とすると、レンズ表面曲率をγ
２５１ ’ＭＯ−９ｆ ｍｒａ、γ２，２Ｔ；Ａ２．４
ｆｍｍ にすることに□より単レンズとしては収差が少
いものである。しかしながら第２図（ｂ）の単レンズ２
５でも集束スポットを十分小さく出来ない。たとえば直
径１６φあガウス分布の歳−ザビームをｆ＝１’、ｔｓ
“のメニスカス単レンズで集束した場合には横方向の球
面収差は約Δ７．＝５Ｑμｍ残る。
ンズで、第２図（ａ）は製作が容易なプラノ・コンベッ
クスレンズ１５で、レンスノ焦点距離ｆ朋とし、１０．
６μｌの波長に対して屈折率２．４０であるからレンズ
表面曲率はおのおのγ、、、＝１．Ｊ１嫌、γ、５２−
００ で与えらＪｚる。このプラノ・コンベックスレン
ズ１６は片側の曲面が平面であるので製作が容易で、保
持の仕方が容易であるが、収差は多い。第２図（ｂ）の
単レンズ２６は収差を少くした集束メニスカス形状で：
レンズの焦点距離ｆ１鴎とすると、レンズ表面曲率をγ
２５１ ’ＭＯ−９ｆ ｍｒａ、γ２，２Ｔ；Ａ２．４
ｆｍｍ にすることに□より単レンズとしては収差が少
いものである。しかしながら第２図（ｂ）の単レンズ２
５でも集束スポットを十分小さく出来ない。たとえば直
径１６φあガウス分布の歳−ザビームをｆ＝１’、ｔｓ
“のメニスカス単レンズで集束した場合には横方向の球
面収差は約Δ７．＝５Ｑμｍ残る。
発明の目的
本発明は上記欠点を解消するもので、収差が少なく、レ
ーザ加工時のパワーの増大、加工精度の向上をはかるこ
とを目的とするものである。
ーザ加工時のパワーの増大、加工精度の向上をはかるこ
とを目的とするものである。
発明の構成
本発明は上記目的を達成するもので、セレン化 ・亜鉛
よりなる第１及び第２の正メニスカスレンズを、ビーム
入射光向に対してそれぞれ凸面を向けるように設置し、
全系の焦点距離をＦとしたとき、前記第２の正メニスカ
スレンズを形成する曲率半径の一方を１．５Ｆと０．５
Ｆの間に、他方を２．ＯＦとＱ、６Ｆの間に設定したこ
とを特徴とするビーム集光用レンズを提供するものであ
る。
よりなる第１及び第２の正メニスカスレンズを、ビーム
入射光向に対してそれぞれ凸面を向けるように設置し、
全系の焦点距離をＦとしたとき、前記第２の正メニスカ
スレンズを形成する曲率半径の一方を１．５Ｆと０．５
Ｆの間に、他方を２．ＯＦとＱ、６Ｆの間に設定したこ
とを特徴とするビーム集光用レンズを提供するものであ
る。
実施例の説明
第３図に本発明の一実施例であるビーム集光用レンズと
その光路図を示す。
その光路図を示す。
本実施例は３１１ ３２で示す２枚の止メニスノノスレ
ンズの組み合わせより構成されている。これう正メニス
カスレンズ３１及び３２の素利トシては、Ｚｎ５ｅを使
用した。これは分光透過率が、反射防止膜を施すことに
より、０．４８μ〜１８μの広範囲に亘り、およそ９０
％以上のフラットな傾向を示すだめ、常光時でのレンズ
組込、調整、測定が容易であること、破壊閾値が高く、
耐熱性が良いこと、更に屈折率が２．４’０２８（λ＝
１０．６μ）と高く、炭酸ガスレーザービーム集光用レ
ンズ素材としては、がなり有用であることに基づいてい
る。
ンズの組み合わせより構成されている。これう正メニス
カスレンズ３１及び３２の素利トシては、Ｚｎ５ｅを使
用した。これは分光透過率が、反射防止膜を施すことに
より、０．４８μ〜１８μの広範囲に亘り、およそ９０
％以上のフラットな傾向を示すだめ、常光時でのレンズ
組込、調整、測定が容易であること、破壊閾値が高く、
耐熱性が良いこと、更に屈折率が２．４’０２８（λ＝
１０．６μ）と高く、炭酸ガスレーザービーム集光用レ
ンズ素材としては、がなり有用であることに基づいてい
る。
第１の正メニスカスレンズ３１は曲率半径Ｒ，ＩＲ２，
レンズ厚はｄ２．第２の正メニスカスレンズ３２は曲率
半径Ｒ３，Ｒ，、レンズ厚ｄ３であり、二つのレンズ間
は間隔ｄ２だけ隔てて構成されている。
レンズ厚はｄ２．第２の正メニスカスレンズ３２は曲率
半径Ｒ３，Ｒ，、レンズ厚ｄ３であり、二つのレンズ間
は間隔ｄ２だけ隔てて構成されている。
そこでレンズ設計を行うに当っては、Ｆナンバーを上げ
、回折収差を減らし、光線追跡収差量とのバランスを保
ち、しかも構成枚数を少くシ、微細スポットを作ること
が必須条件となる。そこで先づ球面収差、レーザービ］
ム発散角に於ける横収差、Ｆナンバーに対応した回折収
差、それに焦点深度、ワーキングディスタンス等を考慮
してスポット径を決めなければならない。レンズ構成に
ついては、屈折率ｎ＝２−４０２８ に対応し、三次収
差係数をめ、最少構成枚数二枚レンズの間隔を小さくシ
、夫々の収差分担量を均等化し、しかも凹レンズを含ま
ないレンズ系を作ることになる。
、回折収差を減らし、光線追跡収差量とのバランスを保
ち、しかも構成枚数を少くシ、微細スポットを作ること
が必須条件となる。そこで先づ球面収差、レーザービ］
ム発散角に於ける横収差、Ｆナンバーに対応した回折収
差、それに焦点深度、ワーキングディスタンス等を考慮
してスポット径を決めなければならない。レンズ構成に
ついては、屈折率ｎ＝２−４０２８ に対応し、三次収
差係数をめ、最少構成枚数二枚レンズの間隔を小さくシ
、夫々の収差分担量を均等化し、しかも凹レンズを含ま
ないレンズ系を作ることになる。
更に第一レンズ３１は、凸メニスカスとして、入射ビー
ム側に凸面を向け、第二レンズ３２には、前者の収斂光
束に対して請求心的、アブラナティック面を設置し、出
射光束が、出射面の球心附近に集光する様にする。この
時第２のメニスカスレンズ３２の曲率半径Ｒ３は１．５
Ｆと０．５Ｆの間に選ばねばならない。ここでＦは全系
の焦点距離である。すなわち曲率半径Ｒ３が上限１．６
Ｆを越える１１！ｉは、球面収差曲線が負側に倒れ、逆
に正弦条件曲線が正の方向へ移動し、発散角収差が非対
称となり、コマフレアーが増大し、スポット径が不鮮明
になる。又下限値ｏ、ｓＦ以下になる時には、両曲線共
に負側に倒れ、同様にスポット径が増大するので、Ｒ３
はこの範囲内におくのが望ましい。
ム側に凸面を向け、第二レンズ３２には、前者の収斂光
束に対して請求心的、アブラナティック面を設置し、出
射光束が、出射面の球心附近に集光する様にする。この
時第２のメニスカスレンズ３２の曲率半径Ｒ３は１．５
Ｆと０．５Ｆの間に選ばねばならない。ここでＦは全系
の焦点距離である。すなわち曲率半径Ｒ３が上限１．６
Ｆを越える１１！ｉは、球面収差曲線が負側に倒れ、逆
に正弦条件曲線が正の方向へ移動し、発散角収差が非対
称となり、コマフレアーが増大し、スポット径が不鮮明
になる。又下限値ｏ、ｓＦ以下になる時には、両曲線共
に負側に倒れ、同様にスポット径が増大するので、Ｒ３
はこの範囲内におくのが望ましい。
一方第２０メニスカスレンズ３２の曲率半径Ｒ４は２−
ＯＦと○、ｓＦとの間に選ばねばならない。すなわち曲
率半径Ｒ２がその上限値２・ＯＦを越えろＩＩＩＪには
、球面収差曲線が負側に倒れ、逆に正弦条件曲線が歪方
向へ移動し、又、下限値Ｑ。５Ｆ以下にある時には、両
曲線共に負側へ倒れる。倒れの場合に於いても、発散角
収差用が非対称となり、フレアー叶が増大し、スポット
形状がクリアーにならず、従ってレーザービームの高密
度なスポットが得られないことになる。
ＯＦと○、ｓＦとの間に選ばねばならない。すなわち曲
率半径Ｒ２がその上限値２・ＯＦを越えろＩＩＩＪには
、球面収差曲線が負側に倒れ、逆に正弦条件曲線が歪方
向へ移動し、又、下限値Ｑ。５Ｆ以下にある時には、両
曲線共に負側へ倒れる。倒れの場合に於いても、発散角
収差用が非対称となり、フレアー叶が増大し、スポット
形状がクリアーにならず、従ってレーザービームの高密
度なスポットが得られないことになる。
次に具体例として、
全系の焦点距離Ｆ ： １．０
第１の正メニスカスレンズ３１の曲率半径Ｒ１二１．５
５５２４ Ｒ２−３，３３６７２ レンズ厚 ｄ、 ＝０．１１１３１ λ−１０６μに於ける屈折率 ｎ ＝２・４０２８ レンズ間の間隔 ｄ２−ｏ・０ｏ２３３６空気の屈折率
Ｒ２−１・Ｏｏ 第２の正メニスカスレンズ３２０曲率半径Ｒ３＝０．６
８９８４ Ｒ４＝０．８３９４２ レンズ厚 ｄ３ ＝Ｏ＝１１１３１ λ＝１０．６μに於ける屈折率 Ｒ３−２，４０２８ のビーム集光用レンズについて、三次収差係数をめると
下表のようになる。
５５２４ Ｒ２−３，３３６７２ レンズ厚 ｄ、 ＝０．１１１３１ λ−１０６μに於ける屈折率 ｎ ＝２・４０２８ レンズ間の間隔 ｄ２−ｏ・０ｏ２３３６空気の屈折率
Ｒ２−１・Ｏｏ 第２の正メニスカスレンズ３２０曲率半径Ｒ３＝０．６
８９８４ Ｒ４＝０．８３９４２ レンズ厚 ｄ３ ＝Ｏ＝１１１３１ λ＝１０．６μに於ける屈折率 Ｒ３−２，４０２８ のビーム集光用レンズについて、三次収差係数をめると
下表のようになる。
以下余白
本実施例について、球面収差曲線（Ｓ Ａ）及び正弦条
件曲線（Ｓ Ｃ）の実測値を第４図（ａ）に、発散角４
に於ける横収差曲線の実測値を第４図（ｂ）に示す。
件曲線（Ｓ Ｃ）の実測値を第４図（ａ）に、発散角４
に於ける横収差曲線の実測値を第４図（ｂ）に示す。
図かられかるように、球面収差、正弦条件ともに小さな
値を示し、寸だ横収差曲線は良い対称１’１を示しだ。
値を示し、寸だ横収差曲線は良い対称１’１を示しだ。
寸だ本実施例のビーム集光用レンズをレーザ加工に応用
した場合、ガウム分布のレーザビーノ・を焦点距離伺近
で集束させると、総合スポットは直径で約９０μｍφ
の微細スポットとなり、第２図（ｂ）で示しだ従来のメ
ニスカス単レンズを使用した場合に比べてパワー密度で
１３０’ ／ｇ□” −２−１イ１゛１となり、切断加
工、穿孔加工の精度が約２・１倍良くなった。
した場合、ガウム分布のレーザビーノ・を焦点距離伺近
で集束させると、総合スポットは直径で約９０μｍφ
の微細スポットとなり、第２図（ｂ）で示しだ従来のメ
ニスカス単レンズを使用した場合に比べてパワー密度で
１３０’ ／ｇ□” −２−１イ１゛１となり、切断加
工、穿孔加工の精度が約２・１倍良くなった。
発明の効果
以上のように本発明は、セレン化亜鉛よりなる第１及び
第２の正メニスカスレンズを、ヒーノ、入射光向に対し
てそれぞれ凸面を向けるように設置し、全系の焦点距離
をＦとしだとき、前記第２の正メニスカスレンズを形成
する曲率半径の一方を１．５Ｆと０．５Ｆ（７）間に、
他方を２．ＯＦと０．５．Ｆの間に設定したことを特徴
とするビーム集光用レンズを提供するもので、収差が小
さく微細スポットをイ４！ることができ、レーザ加工時
のパワー密度の増大、加工精度の向上を図ることができ
る。
第２の正メニスカスレンズを、ヒーノ、入射光向に対し
てそれぞれ凸面を向けるように設置し、全系の焦点距離
をＦとしだとき、前記第２の正メニスカスレンズを形成
する曲率半径の一方を１．５Ｆと０．５Ｆ（７）間に、
他方を２．ＯＦと０．５．Ｆの間に設定したことを特徴
とするビーム集光用レンズを提供するもので、収差が小
さく微細スポットをイ４！ることができ、レーザ加工時
のパワー密度の増大、加工精度の向上を図ることができ
る。
第１図は従来の典型的なレーザ加工装置の概観図、第２
図（ａ）、 （ｂ）は従来のビーム集光用レンズの概観
図、第３図は本発明の一実施例であるビーム集光用レン
ズとその光路図、第４図は本実施例の収差曲線を示す図
で、（ａ）は球面収差曲線と正弦条件曲線、（ｂ）は横
収差曲線である。 ３１・・・・−・第１の正メニスカスレンズ、３２・・
・・・・第２の正メニスカスレンズ。
図（ａ）、 （ｂ）は従来のビーム集光用レンズの概観
図、第３図は本発明の一実施例であるビーム集光用レン
ズとその光路図、第４図は本実施例の収差曲線を示す図
で、（ａ）は球面収差曲線と正弦条件曲線、（ｂ）は横
収差曲線である。 ３１・・・・−・第１の正メニスカスレンズ、３２・・
・・・・第２の正メニスカスレンズ。
Claims (1)
- セレン化亜鉛よりなる第１及び第２の正メニスカスレン
ズを、ビーム入射光向に対してそれぞれ凸面を向けるよ
うに設置し、全系の焦点距離をＦとしだとき、前記第２
の正メニスカスレンズを形成する曲率半径の一方を１．
５Ｆと０．ｃｓＦの間に、他方を２．ＯＦと０６Ｆの間
に設定したことを特徴とするビーム集光用レンズ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58117600A JPS607413A (ja) | 1983-06-28 | 1983-06-28 | ビ−ム集光用レンズ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58117600A JPS607413A (ja) | 1983-06-28 | 1983-06-28 | ビ−ム集光用レンズ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS607413A true JPS607413A (ja) | 1985-01-16 |
Family
ID=14715808
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58117600A Pending JPS607413A (ja) | 1983-06-28 | 1983-06-28 | ビ−ム集光用レンズ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS607413A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0864897A3 (en) * | 1997-02-27 | 1998-10-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Light source device, illuminating system and image projecting apparatus |
| DE102018213929A1 (de) * | 2018-08-17 | 2020-02-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum Zuschneiden einer Verbundglastafel und einer Halbzeug-Kunststofffolie |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5726815A (en) * | 1980-07-25 | 1982-02-13 | Tomioka Kogaku Kk | Objective lens for video disk |
| JPS57135723A (en) * | 1980-12-29 | 1982-08-21 | Raytheon Co | Polycrystal zinc sulfide and zinc selenide products with improved optical properties |
-
1983
- 1983-06-28 JP JP58117600A patent/JPS607413A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5726815A (en) * | 1980-07-25 | 1982-02-13 | Tomioka Kogaku Kk | Objective lens for video disk |
| JPS57135723A (en) * | 1980-12-29 | 1982-08-21 | Raytheon Co | Polycrystal zinc sulfide and zinc selenide products with improved optical properties |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0864897A3 (en) * | 1997-02-27 | 1998-10-28 | Canon Kabushiki Kaisha | Light source device, illuminating system and image projecting apparatus |
| US6231193B1 (en) | 1997-02-27 | 2001-05-15 | Canon Kabushiki Kaisha | Light source device, illuminating system and image projecting apparatus |
| DE102018213929A1 (de) * | 2018-08-17 | 2020-02-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum Zuschneiden einer Verbundglastafel und einer Halbzeug-Kunststofffolie |
| DE102018213929B4 (de) * | 2018-08-17 | 2021-05-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zum Zuschneiden einer Verbundglastafel und einer Halbzeug-Kunststofffolie |
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