CN101438195A - F/θ镜头和带有该镜头的扫描装置 - Google Patents

F/θ镜头和带有该镜头的扫描装置 Download PDF

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Abstract

一种F/θ镜头(1)，用于在平面的像场中聚焦大功率激光射线，具有至少两个、最好正好两个在光路中前后布置的透镜(2，3)，这些透镜在1kW以上的激光射线功率时是稳定的，其中，至少一个透镜(3)具有一个或两个非球面的透镜面(8)。

Description

F/θ镜头和带有该镜头的扫描装置
技术领域
本发明涉及一种用于形成平面像场的F/θ镜头以及一种具有这种镜头的扫描装置。
背景技术
在通过大功率激光加工材料中越来越多地使用扫描装置，用于快速定位激光射线。一旦在(近似)准直的射线中通过扫描镜实现射线偏转，为了聚焦使用所谓的F/θ镜头，它的特点尤其在于大的平面像场。
在最大约1kW平均激光功率的范围中，这种F/θ镜头一般由约6个由不同的高折射玻璃制成的球面透光具成。这些镜头典型地对于刻写应用是最佳的，即它们具有非常高的(接近衍射极限的)图像质量，但只具有平常的功率相容性。在100—200W以上平均功率的范围内典型地出现明显的焦点偏移以及由热引起的图像质量变差。在约1kW平均功率以上，常见的F/θ镜头或者只能非常有限地或者根本不能用于材料加工，因为在射线可聚焦性方面产生强烈损失并且由于透镜过热产生损伤。也可以选择在扫描装置中在聚焦射线中使用具有射线偏转的射线导向系统，在这些系统中对镜头的要求较低。但此时可利用的工作距离由于扫描镜而明显减小。在这种情况下，像场强烈地球形弯曲，这一般通过镜头的z调整来补偿。对于大的工作距离，与聚焦射线的数值孔径相关，所需的扫描镜非常大，由此限制了其动态性。
由US 6,396,616B1已知一种激光成像系统，它具有一个扫描镜和一个F/θ镜头，F/θ镜头具有球面的、非球面的和环面的透镜，它起到缩小透镜的作用以提高光学射线功率。
发明内容
因此，本发明的任务是，提供一种F/θ镜头，它与传统的F/θ镜头相比在重量和尺寸上减小并且它尤其也可以在高功率密度下运行。
按照本发明，该任务的解决方案是，该镜头具有至少两个、最好正好两个在光路中前后设置的透镜，它们在1kW以上的激光射线功率下是稳定的，其中，至少一个透镜具有一个或两个非球面透镜面。按照本发明，由此实现一种特别适合于大功率应用的F/θ镜头：所使用的透镜数量减少到对于该应用所需的最小程度(最好正好两个)。为了在所需的成像质量下能够使透镜数量最小化，使用至少一个非球面透镜面。非球面透镜面与球面透镜面相比具有附加的自由度，借助于它们尤其可以补偿高阶成像误差，这些高阶成像误差尤其在大扫描角度时起重要作用。在此省去了像场的完全平坦化；取而代之进行所谓的在中间平坦化，即，在聚焦射线中保留与偏转角相关的像散。
在一个特别优选的实施方式中，至少一个、最好所有的透镜由合成的石英玻璃制成。用于透镜的光学材料尤其从低吸收、低热光效应和高负荷能力的角度来选择。用于UV/VIS/NIR范围(约170nm—3μm)的优选材料是合成石英玻璃。石英玻璃的低折射率(n～1.45)是不利的，与在通常的F/θ镜头中所使用的高折射的光学玻璃(n～1.65-1.85)相比，低折射率导致表面过强弯曲并因此一般导致较大的成像误差以及导致防反射覆层上的损失增大。此外在仅使用一种玻璃(石英玻璃)的情况下不能实现消色差的镜头。但石英玻璃在VIS范围和NIR范围中的色散足够小，以致例如在同轴考察时穿过镜头产生的色差误差保持在可接受的范围内。当然也可以使用具有低吸收、低热光效应和高热负荷能力的其它光学材料(例如YAG或蓝宝石)作为透镜材料。
在一个优选实施方式中，光路中的第一透镜是一个最好球面的弯月透镜。该弯月透镜最好在物镜侧尽可能强地、即近似半球形地凹形弯曲，以便能够在透镜厚度尽可能小的情况下通过射线扩展实现像场(在中间)平坦化。弯月透镜的第二面最好近似与第一面同轴，由此总体上产生小的(负)折光力。
在另一有利实施方式中，光路中的第二透镜是一个具有非球面透镜面的聚焦透镜。非球面的聚焦透镜可以实施为平凸透镜、弯月透镜或实施为双凸透镜，并且起到使射线聚焦以及使球面像差、像散和高阶误差最小的作用。通过聚焦透镜的折光力还确定镜头的焦距。
按照本发明的用于通过激光射线加工材料的扫描装置包括至少一个平面的用于使激光射线偏转的扫描镜和一个在光路中随后布置的如上所述的F/θ镜头，该扫描装置尤其可以在激光射线功率高于1kW时运行。
在一个特别有利的实施方式中，在光路中在F/θ镜头前面设置一波前修正光具。由此可以在扫描镜前面就已进行要聚焦的射线的波前的第一修正，该修正有助于使F/θ镜头中所需的透镜数量最小化。
在该实施方式的一个优选改进方案中，波前修正光具具有一个准直透镜，该准直透镜具有一个或两个非球面透镜面。通常在扫描装置中设置球面准直透镜，用于从光导纤维射出的发散的射线的准直。非球面准直透镜代替该传统的准直透镜，该准直透镜仅要产生尽可能最好的平行射线。除了准直外，该透镜还承担波前的精细修正，它与F/θ镜头的两个透镜共同作用使得在扫描范围上在中间能够实现比用传统准直透镜所能实现的更好的成像质量。非球面准直透镜还承担一部分球面像差修正。
在另一优选的改进方案中，波前修正光具具有一个相位修正板，它用于波前修正。该相位修正板例如可以与传统的球面准直透镜组合。
附图说明
从说明书、附图和权利要求中可得知本发明主题的其它优点和有利改进方案。上述的和还要描述的特征可以单独地或者多个任意组合地使用。所示的和所述的实施方式不应被理解为穷举，而是对于描述本发明具有示例性特征。
附图中示出：
图1本发明F/θ镜头的一个实施方式的纵剖面，
图2具有图1中的F/θ镜头的本发明扫描装置的一个实施方式的纵剖面。
具体实施方式
图1中所示的F/θ镜头1包括一个弯月透镜2和一个聚焦透镜3，它们安置在一个透镜座4中，该透镜座安置在镜头壳体5中。
弯月透镜2在物镜侧具有一个近似半球形的凹形弯曲的第一透镜面6，以便能够在透镜厚度尽可能小的情况下通过射线扩展使像场(平均)平坦化。弯月透镜2的图形侧的第二透镜面7近似与第一透镜面6同轴心，由此总体上产生一个小的(负)折光力。
聚焦透镜3是一个双凸透镜，它具有一个球面的透镜面8和一个非球面的透镜面9。该聚焦透镜3通过利用附加自由度使得在图1中未用图形示出的激光射线在非球面像差、像散和高阶误差最小化的情况下聚焦，这些附加自由度由非球面的透镜面8引起。通过聚焦透镜3的折光力确定F/θ镜头1的焦距。
该F/θ镜头1还包括一个安置在图形侧的、供保护玻璃11用的保持架10，它可以夹紧在镜头1的壳体5上，如在申请人的已登记的实用新型DE20 2004 019 487.2中所详细描述的那样。
弯月透镜2和聚焦透镜3由无水的、合成的石英玻璃制成，由此达到很少的激光射线吸收和小的透镜系统热膨胀，同时镜头1的功率相容性提高到至少4—6kW。此外通过所示的结构形式，与传统的典型地具有较大数量透镜的F/θ镜头相比，达到大的重量减轻和尺寸减小。由于最小的部件数量，尽管使用与球面透镜相比在成本上不有利的非球面，但该光学系统可以总体上成本有利地制造。
图2示出F/θ镜头1处于装入用于材料加工的扫描装置12中的安装状态。该扫描装置具有光导纤维13，由光导纤维射出具有高射线功率(>1kW)的发散的激光射线14a，它在垂直方向穿过扫描装置12并且借助准直透镜15转变成继续垂直延伸的、准直的激光射线14b。
传统的准直透镜仅要产生一个尽可能最好的平行射线，与传统的准直透镜不同，该准直透镜15具有一个特殊优化的非球面的透镜面。因此，除了射线准直以外，该准直透镜15还用作波前修正光具并且承担波前的精修正，尤其是球面像差修正的一部分，由此，与F/θ镜头的弯月透镜2和聚焦透镜3共同作用，使得在扫描范围上平均可实现比通过传统准直透镜可实现的成像质量更好的成像质量。替换地，也可以通过一个(未示出的)球面准直透镜和一个相位修正板的组合来取代该非球面的准直透镜15。
准直的激光射线14b在偏转镜16上从垂直方向偏转90°达到水平方向并且经过一进入孔径进入扫描头17中。在扫描头17中，准直的激光射线14b首先碰到平面的X扫描镜18，它使射线在X方向偏转到平面的Y扫描镜19上，该Y扫描镜使射线继续向Y方向偏转。X扫描镜18和Y扫描镜19固定在灵敏电流计上并且可以旋转。灵敏电流计旋转轴线的位置确定各扫描镜18，19的偏转角并由此确定激光射线在(未示出的)像场中的位置。
准直的激光射线14b通过出口离开扫描头17，该出口设置有图1的F/θ镜头1。该镜头借助弯月透镜2使得激光射线14b扩展以产生尽可能大的像场，以及借助接下来的聚焦透镜3使得扩展后的激光射线转换成收敛的激光射线14c，它聚焦在一个焦点上，围绕该焦点通过透镜装置在F/θ镜头1中产生在中间平坦的像场。
由于在扫描装置12中存在的光学系统未被完全修正(“衍射受限制”)，因此目的是，使成像误差在扫描镜18，19的所有偏转时保持在允许的极限内。在此容忍：在扫描镜小偏转情况下与由球面透光具成的系统相比出现图像变差。准直的激光射线14b通过准直透镜15或者也通过单独的修正板有目的地波前失真在扫描镜18，19偏转的临界大时产生图像的决定性改善，而它在偏转小的情况下引起微小的因而可接受的变差。在按照本发明的F/θ镜头1中，由于使用合成石英玻璃作为功率特别适合的光学材料，有意识地省去了色像差的修正。此外保留一定的残余像散，因为只在中间进行像场平坦化。因此，通过在F/θ镜头1中使用较少数量的光学部件明显降低了成本和重量，激光稳定性即使在1kW以上至约10kW的激光功率下也明显提高，由此才能够在大功率应用场合中使用F/θ镜头，在这些应用场合中在准直的射线中进行射线偏转。

Claims (8)

1.F/θ镜头(1)，用于在平面的像场中聚焦大功率激光射线，其特征在于，该镜头(1)具有至少两个、最好正好两个在光路中前后布置的透镜(2，3)，这些透镜在1kW以上的激光射线功率时是稳定的，其中，至少一个透镜(3)具有一个或两个非球面的透镜面(8)。
2.如权利要求1所述的F/θ镜头，其特征在于，至少一个、最好所有的透镜(2，3)由合成的石英玻璃制成。
3.如权利要求1或2所述的F/θ镜头，其特征在于，该光路中的第一透镜是一个最好球面的弯月透镜(2)。
4.如上述权利要求之一所述的F/θ镜头，其特征在于，该光路中的第二透镜是一个具有非球面的透镜面(8)的聚焦透镜(3)。
5.扫描装置(12)，用于大功率激光射线，具有至少一个平面的扫描镜用于使激光射线偏转并具有一个在光路中跟随在该扫描镜后面的如上述权利要求之一所述的F/θ镜头(1)。
6.如权利要求5所述的扫描装置，其特征在于一个在光路中设置在F/θ镜头(1)前面的波前修正光具。
7.如权利要求6所述的扫描装置，其特征在于，所述波前修正光具具有一个准直透镜(15)，该准直透镜具有一个或两个非球面的透镜面。
8.如权利要求6或7所述的扫描装置，其特征在于，所述波前修正光具具有一个相位修正板。
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