CN115176187B - 具有F-Theta镜头的光学布置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于激光束(5)的光学布置，尤其是扫描仪设备(1)，包括：F‑Theta镜头(3)。该F‑Theta镜头(3)布置在光学布置(1)的发散的射束路径(4)中，用于将激光束(5)聚焦到聚焦面(FE)中，该聚焦面位于距该F‑Theta镜头(3)的焦平面(FB)一定间距处。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于激光束的光学布置，尤其是扫描仪设备，其包括：F-Theta镜头。
背景技术
众所周知，F-Theta镜头经常用于呈扫描仪设备形式的光学布置中。F-Theta镜头将入射激光束聚焦到焦平面中。在指定的扫描角度区域内，扫描角度(通常用希腊字母theta(θ)表示)与激光束到光轴的间距的比值是线性函数。因此，以恒定角速度扫描的激光束在焦平面中产生以恒定速度移动的焦点，这有利于材料加工。用于材料加工的激光束典型地是具有在数kW范围内的射束功率输出的高功率激光束。
目前已知的用于高功率(焊接应用)的F-Theta镜头是为衍射指数(Beugungsmaβzahl)M2>20的多模激光源而设计的。这样的激光源不需要具有在整个扫描场范围内衍射极限(beugungsbegrenzt)的成像质量的F-Theta镜头，使得尤其在扫描场的边缘区域中的像差是可接受的。然而，在用于电动车辆的现代(焊接)应用中，例如在发夹结构焊接(Hair-Pin-Schweiβen)中，使用具有衍射极限或几乎衍射极限的射束品质(M2<10)的激光源，因此必须满足关于成像质量和位置准确度的更高要求。因此，传统的F-Theta镜头只能在有限的程度上用于这样的应用。
从DE 202012003084 U1和DE 202018100368 U1已知了具有四个透镜或具有三个透镜的F-Theta镜头。本申请中的透镜被理解为是指单个透镜，即单片透镜。
US 8,331,043 B2描述了一种镜头，该镜头具有透镜组和被布置在透镜组前方的光阑。透镜组具有三个透镜。第一透镜为具有负屈光力的双凹透镜，第二透镜为具有正屈光力的弯月透镜，并且第三透镜为具有正屈光力的双凸透镜。
DE 112013007354 B4披露了一种用于大幅面红外激光打标的远心F-Theta镜头，该F-Theta镜头具有三个透镜元件，其中第一透镜元件为负的双凹透镜元件，其中第二透镜元件为正的弯月透镜元件，并且其中第三透镜元件为正的弯月透镜元件。
EP 1934644 B1描述了一种具有F-Theta镜头的扫描仪设备，该F-Theta镜头具有在射束路径中彼此相继的恰好两个透镜，其中至少一个透镜具有一个或两个非球状的透镜面。这两个透镜由合成石英玻璃组成。该至少一个非球状的透镜面应用于最小化具有所需成像质量的透镜的数量。
DE 102016211811 A1描述了一种F-Theta镜头，该F-Theta镜头具有在射束路径中相继布置(hintereinander angeordnet)的恰好四个透镜。第三透镜构造为双凸透镜并且具有至少一个非球状的透镜面。这种类型的F-Theta镜头可以实现小焦距。
发明内容
发明目的
本发明基于的目的是提供一种具有F-Theta镜头的光学布置、尤其是扫描仪设备，该F-Theta镜头具有高成像质量和最大可能的扫描场。
发明主题
此目的通过介绍部分中提到的类型的光学布置、尤其是扫描仪设备来实现，其中该F-Theta镜头被布置在该光学布置的发散的射束路径中，用于将激光束聚焦到一聚焦面(Fokusebene)中，该聚焦面与F-Theta镜头的焦平面(Brennebene)间隔开。
传统的F-Theta镜头针对平面波前或准直射束路径进行优化，并且因此被布置在准直射束路径中。然而，将F-Theta镜头布置在准直射束路径中使得同时优化成像质量和焦平面中扫描场的大小变得更加困难。然而，对于给定的出射光瞳，除了成像质量之外，扫描场的大小尤其是借助于该光学布置执行材料加工的重要指标。
因此，根据本发明提出将F-Theta镜头布置在激光束的发散的射束路径中。在这种情况下，该F-Theta镜头针对在发散的射束路径中的运行进行优化(有限校正)。由于布置在发散的射束路径中，该F-Theta镜头的聚焦面或像平面相对于(标称)焦平面发生移位，或者更具体地说，聚焦面在射束路径中位于该F-Theta镜头的(图像侧)焦平面后方。该F-Theta镜头的焦平面以总焦距与F-Theta镜头间隔开。
在一有利的实施方式中，该聚焦面被布置在距焦平面为间距Δf处，其中：0.00018/mm<Δf/f2<0.0003/mm，其中f表示F-Theta镜头的总焦距。发明人已经认识到，如果(相对)间距Δf与总焦距f之间的比值(即，Δf/f)与总焦距f具有在上述数值范围内的大致恒定值，则可以实现最佳成像质量和较大的扫描场。这适用于大范围的总焦距，从大约160mm至大约600mm，甚至更高。在上述相对较窄的Δf/f2取值范围内，可以获得最佳成像质量，这能够实现基模激光应用的衍射极限成像，例如能够实现多模激光应用的二次(2-Mal)衍射极限成像。这种F-Theta镜头的最大入射孔径(或激光束的直径)通常不大于大约33mm。
在另一实施方式中，该光学布置包括用于产生发散的射束路径的光学装布置，优选地包括用于激光束的发散的出射的射束出射面、和准直装置，其中该射束出射面特别地被布置在距该准直装置以下间距处，该间距小于该准直装置的焦距。有很多可能性来产生F-Theta镜头布置在其中的发散的射束路径：例如，该光学布置可以具有射束出射面，激光束从该射束出射面发散地出射。这样的射束出射面例如可以形成在光纤等的正面(Stirnseite)。在传统的扫描仪装置中，射束出射面被布置在距准直装置为焦距的间距处，以准直发散的激光束。在本实施方式中，射束出射面被布置在距准直装置、例如准直透镜以下间距处，该间距小于准直装置的焦距。这样，从射束出射面出射的激光束未被准直装置完全准直，而是在穿过准直装置之后保持(略微)发散，从而尽管存在准直装置，仍将F-Theta镜头布置在激光束的发散的射束路径中。
在另一实施方式中，该光学布置包括用于使激光束偏转的至少一个扫描仪镜，该扫描仪镜通常为发散的射束路径中布置在F-Theta镜头前方。该一个或多个扫描仪镜典型地被布置在F-Theta镜头的入射光瞳平面内或附近。这种情况下该光学布置是扫描仪设备。该扫描仪设备可以特别地构造为，允许被该(多个)扫描仪镜偏转的激光束在整个扫描区域上基本上远心地入射到聚焦面上，该聚焦面在材料加工的情况下典型地对应于加工平面，工件被布置在该加工平面处。通常，在F-Theta镜头的透镜与该聚焦面或工件之间布置(平面平行的)保护玻璃。
该光学布置的F-Theta镜头具有至少两个透镜，该F-Theta镜头特别地可以具有三个、四个或更多透镜。由于使用了例如高于1kW的高激光功率，所使用的透镜的材料典型地是石英玻璃，例如合成石英玻璃，其通常在这种情况下使用的激光波长下具有折射率n＝1.46。
在一实施方式中，该F-Theta镜头具有在射束路径中相继布置的恰好三个透镜，具体为：第一透镜，具有负屈光力和第一焦距f1，优选构造为双凹透镜；第二透镜，具有正屈光力和第二焦距f2，优选地构造为平凸透镜或凹凸透镜；以及第三透镜，具有正屈光力和第三焦距f3，优选为构造平凸透镜或双凸透镜。这种具有三个透镜的F-Theta镜头设计已经证明对于将F-Theta镜头布置在发散的射束路径中特别有利。
在本实施方式的一扩展方案中，第一至第三焦距f1、f2、f3与F-Theta镜头的总焦距f的比值满足以下条件：
-0.8<f1/f<-0.2，
0.4<f2/f<1.2，
0.4<f3/f<1.2。
如通常的惯例，这三个透镜的焦距f1至f3表示相应透镜的、相应焦点距主平面的间距。相应地，总焦距表示F-Theta镜头的焦平面距替代主平面的间距。总焦距是这三个透镜的布置或厚度结合它们的空气间距的结果。这三个透镜如此构造，使得它们在焦距方面形成“负-正-正”透镜序列。已经表明，对于上述焦距比值，与Δf/f2比值相关的要求在大约150mm或160mm与大约600mm之间的大范围的总焦距上可以轻松满足。
在一实施方式中，F-Theta镜头的总焦距f大于345mm，并且所有透镜面都构造为球状。发明人已经发现，对于相对大的焦距，不需要非球状的透镜面来产生F-Theta镜头的期望成像特性，即在相对大的扫描场情况下的尽可能衍射极限的成像。
在替代性实施方式中，F-Theta镜头的总焦距f为345mm或更小(通常为至少160mm)，并且该第三透镜具有至少一个非球状的透镜面。由于该非球状的透镜面，与具有三个透镜的传统F-Theta镜头相比，可以减小该F-Theta镜头的总焦距，其方式是，非球状的透镜面设置有典型地较小的球状曲率并且该F-Theta镜头的像差通过非球状化来校正、即通过与该透镜面的球状曲率的适当偏差来校正。
在本实施方式的一扩展方案中，该第三透镜构造为双凸透镜，并且该非球状的透镜面形成在该第三透镜的面向该第二透镜的一侧上。如上文进一步描述的，通过使用具有非球状的透镜面的双凸透镜，该F-Theta镜头的焦距可以减小，而像差不会增加太多。
在一替代性实施方式中，该F-Theta镜头具有在射束路径中相继布置的恰好两个透镜，具体为：第一透镜，构造为弯月透镜；以及第二透镜，构造为双凸透镜、平凸透镜或弯月透镜；其中至少一个透镜具有一个或两个非球状的透镜面。具有一个或两个非球状的透镜面的这个透镜特别可以是这两个透镜中的第二个，但是两个透镜都具有非球状的透镜面也是可能的。在具有两个透镜的F-Theta镜头中已证明有利的是，在射束路径中在该F-Theta镜头前方布置波前校正光学单元，例如在开始提及的EP 1934644 B1(其通过引用以其全部被并入本申请的内容中)中所描述的。
在一扩展方案中，F-Theta镜头的总焦距为至少160mm。不仅在使用具有两个透镜的F-Theta镜头而且在使用具有三个透镜的F-Theta镜头时，总焦距典型地大于160mm。例如使用具有四个透镜的F-Theta镜头可以产生更小的总焦距，如下文将进一步更详细地描述。
在替代性实施方式中，F-Theta镜头具有在射束路径中相继布置的恰好四个透镜，具体为：第一透镜，具有第一焦距，构造为双凹透镜；第二透镜，具有第二焦距，构造为弯月透镜；第三透镜，具有第三焦距；以及第四透镜，具有第四焦距，构造为双凸透镜；其中该第三透镜优选地具有至少一个非球状的透镜面。具有四个透镜的该F-Theta镜头特别地可以如在开头提及的DE 102016211811 A1(其通过引用以其全部被并入本申请的内容中)中所描述的那样实施。
在一扩展方案中，该第三透镜构造为双凸透镜，并且该非球状的透镜面形成在该第三透镜的面向该第二透镜的一侧上。通过使用该非球状的透镜面，还可以以相对较小的总焦距实现高成像质量。然而，对于具有这四个透镜的该F-Theta镜头具有相对较大的总焦距的情况，也可以省去非球状的透镜面的设置。
在一扩展方案中，该F-Theta镜头的总焦距小于160mm。如上文进一步描述的，尤其是由于上文进一步描述的非球状的透镜面，但可以在具有四个透镜而尽管总焦距小的F-Theta镜头中实现理想地衍射极限的成像。
第一至第四透镜的第一至第四焦距与F-Theta镜头的总焦距的比值优选满足以下条件：
-1.1<f1/f<-0.5，
2.6<f2/f<3.2，
1.1<f3/f<1.7，
1.9<f4/f<2.5。
在另一实施方式中，F-Theta镜头的第一透镜与第二透镜之间的空气间距a位于0mm与20mm之间。在恰好具有两个透镜的F-Theta镜头中，空气间距典型地为0mm。在具有(恰好)三个、(恰好)四个或更多个透镜的F-Theta镜头中，第一与第二透镜之间的空气间距取决于该F-Theta镜头的总焦距来确定，其中该间距a随着总焦距的减小而增加，即大约为20mm的最长间距对应于最小的总焦距。
在另一实施方式中，该光学布置、尤其是扫描仪设备构造为：以具有第一波长的激光束运行，和/或以具有第二波长的激光束来运行，所述第一波长在IR波长范围内、优选地在900nm与1100nm之间，所述第二波长在可见光波长范围内、优选地在在440nm与650nm之间。
第一透镜与第二透镜之间的间距a附加地还取决于穿过F-Theta镜头的激光束的波长。具有上文进一步描述的参数的F-Theta镜头针对在IR波长范围内的激光辐射进行了优化。在这种情况下，可以在直至大约22mm的入射光瞳的基模激光束中实现衍射极限成像。直至33mm的入射光瞳，可以实现二次(2-fach)衍射极限的成像。
然而，该F-Theta镜头还可以用于在可见光波长范围内、例如在大约440nm与650nm之间的激光辐射。在这种情况下，与激光束具有在IR波长范围内的波长情况相比，典型地，该第一透镜与该第二透镜之间的空气间距a缩小了大约10％(最多大约2.5mm)。可以通过选择用于该第一透镜或用于该第二透镜的安装件(Fassung)来设定期望的间距a，这些安装件在轴向方向上具有适当的尺寸。通过匹配、确切地说减小该第一透镜与该第二透镜之间的空气间距，也可以在可见光波长范围内的波长下实现几乎衍射极限的成像。
为了实现尽可能高的抗反射效果，典型地在所有透镜面上并且可能在保护玻璃上施加抗反射涂层，该抗反射涂层至少在激光束的、F-Theta镜头以其运行的波长下将相应的透镜面的反射率降低到小于大约0.5％。这样的抗反射涂层对于本领域技术人员来说是已知的，因此这里不更详细地描述它们的结构。
如上文进一步描述的，F-Theta镜头可以在IR波长范围内、优选地在900nm与1100nm之间的至少一个第一波长下运行，并且在可见光波长范围内、优选地在440nm与650nm之间的至少一个第二波长下运行。在这种情况下也已证明是有利的是，这些透镜具有相应的抗反射涂层，该抗反射涂层构造用于抑制在单一波长范围内的反射或者说抑制与以下波长相对应的单一波长的反射：该光学布置以激光束的该波长运行。这样的抗反射涂层与构造为抑制不同波长范围内的反射的抗反射涂层相比，典型地对于该激光波长具有更大的反射抑制效果。这特别对于激光束具有特别高的激光功率的情况是有利的。在生产针对相应波长优化的F-Theta镜头时，可以使用相同的透镜毛坯，在该透镜毛坯上施加针对相应波长优化了的抗反射涂层。
替代地，这些透镜可以具有如下的抗反射涂层，该抗反射涂层构造为用于抑制在IR波长范围内、优选地在900nm与1100nm之间的至少一个第一波长下的反射，并且还用于抑制在可见光波长范围内、优选地在440nm与650nm之间的至少一个第二波长下的反射。
一般而言，通过具有三个透镜或具有四个透镜的F-Theta镜头的透镜的小曲率，在抗反射方面不存在限制。这些透镜的给定的大的边缘厚度附加地允许安全安装。
由于大的扫描场，F-Theta镜头典型地构造为图像侧非远心的镜头，即远心误差(主光线与光轴之间的最大角)典型地小于14°。
上文进一步描述的光学布置或扫描仪设备能够普遍地用于大量应用。例如，该光学布置不仅可以借助由基模激光源产生的激光束而且可以借助由多模激光源产生的激光束来运行。如上文进一步描述的，使用不同的波长也是可能的。
本发明的其他优点将从描述和附图中显现。同样，以上提及的特征和仍将进一步解释的那些特征可以在各自的情况下自身使用、或者以任何期望的组合作为多个使用。所示出和描述的实施方式不应被理解为穷举，而是具有用于概述本发明的说明性特性。
附图说明
在附图中：
图1a示出具有F-Theta镜头的光学布置的示意图，该F-Theta镜头被布置在准直射束路径中并将激光束聚焦到焦平面中，
图1b示出具有F-Theta镜头的光学布置的示意图，该F-Theta镜头被布置在发散的射束路径中并将激光束聚焦到与焦平面相隔间距Δf处的聚焦面中，
图2示出间距Δf与F-Theta镜头的总焦距f的比值与总焦距f的关系的示意图，
图3示出具有被布置在发散的射束路径中的图1b的F-Theta镜头的扫描仪设备的示意图，
图4a、4b示出在两个不同焦距下具有三个透镜的F-Theta镜头的示意图，
图5a、5b示出借助于图4a、4b的F-Theta镜头在不同扫描角度下产生的焦斑的焦斑矩阵图的示意图，
图6a至图6c示出了具有两个透镜的F-Theta镜头的示意图，以及
图7示出了具有四个透镜的F-Theta镜头的示意图。
在以下对附图的描述中，相同的附图标记用于相同的或功能相同的部件。
具体实施方式
图1a、1b高度示意性地展示了具有呈单个准直透镜2和F-Theta镜头3形式的准直装置的光学布置1。F-Theta镜头3在图1a、1b中示意性地展示为单一透镜，但实际上具有至少两个透镜，如下文将进一步更详细地描述。
在图1a所示的光学布置1的示例中，F-Theta镜头3被布置在由准直透镜2产生的激光束5的准直射束路径4'中。F-Theta镜头3将激光束5聚焦在焦平面BE中，该焦平面被布置在距F-Theta镜头3为F-Theta镜头3的总焦距f的间距处。基本上点状的射束出射面6(激光束5从该出射面发散地出射)被布置在与准直透镜2相距准直透镜2的焦距fK的间距处，并产生激光束5的准直射束路径4'。
在图1a所示的光学布置1(其中F-Theta镜头3被布置在准直射束路径4'中)中，特别在具有衍射指数M2<10的基模激光束5的情况下、即在由基模激光源产生的激光束的情况下出现的问题是，主要在扫描场的边缘区域中出现较大的像差，从而使光学布置1只能在有限的程度上使用或者只能与更多的透镜一起使用。
在图1b所示的光学布置1中，F-Theta镜头3被布置在光学布置1的发散的射束路径4中。由于F-Theta镜头3布置在发散的射束路径4中，激光器束5不被聚焦在焦平面BE中，而是聚焦在聚焦面FE中，该聚焦面FE被布置在距焦平面BE一定间距Δf处。聚焦面FE被布置为比焦平面BE更远地与F-Theta镜头3间隔开，远了间距Δf。
在图1b所示的光学布置1中，包括射束出射面6和准直透镜2的光学装置7用于产生发散的射束路径4。在图1b所示的示例中，射束出射面6被布置在距准直透镜2为间距fK-ΔfK处，该间距比准直透镜2的焦距fK小了绝对值ΔfK。因此，从射束出射面6出射的激光束5在准直透镜2处未完全准直，而是产生发散的射束路径4，F-Theta镜头3布置在该发散的射束路径中。应当理解，图1b中所示的用于产生激光束5的发散的射束路径4的光学装置7可以以多种方式实现并且决不限于图1b中所示的示例。射束出射面6可以是光纤的正面或者可以是激光束5从其发散地出射的其他面。取决于光学布置1的类型，光学装置7可以仅由激光束5从其发散地出射的射束出射面6组成。
对于在扫描仪设备1中使用F-Theta镜头3的情况，间距Δf与F-Theta镜头3的总焦距f的比值的相对小的区间已被证明特别适合在尽可能大的扫描场、还是在尽可能大的扫描角度θ的情况下实现尽可能高的成像质量，理想地尽可能衍射极限的成像。
从图2中可以看出，取决于总焦距f的、比值Δf/f的最佳值(大致)位于一条直线上，即，商Δf/f2在大约150mm与大约500mm之间的相对较大的总焦距f取值范围内大致恒定。如果对于商Δf/f2适用：0.00018/mm<Δf/f2<0.0003/mm，则实现F-Theta镜头3的最佳成像质量。
图1b中的光学布置1可以是用于材料加工、例如用于激光焊接或激光切割的扫描仪设备1。下面将参考图3描述这样的扫描仪设备1。扫描仪设备1具有光纤8，该光纤具有用作射束出射面6的正面，激光束5从该正面发散地出射并具有高辐射功率(>1kW)。如上文结合图1b进一步描述的，射束出射面6与准直透镜2之间的间距fK-ΔfK比准直透镜2的焦距fK小，从而激光束5未被准直透镜2完全准直并且甚至在准直透镜2之后也具有发散的射束路径4。
激光束5在偏转镜9处偏转90°并经由入射孔径进入扫描仪头10。在扫描仪头10中，激光束5首先入射在平面的X扫描仪镜11上，该扫描仪镜将射束在X方向上偏转到平面的Y扫描仪镜12上，该Y扫描仪镜进一步将激光束5偏转到Y方向。X扫描仪镜11和Y扫描仪镜12被附接到检流计，即该检流计可以旋转或倾斜。检流计的旋转轴线的位置决定了相应扫描仪镜11、12的偏转角，由此决定了激光束5在图像场中或在聚焦面FE中的位置。激光束5通过附接有F-Theta镜头3的出射口离开扫描仪头10，该透镜将激光束5聚焦到聚焦面FE上，在扫描仪设备1的运行期间，要处理的工件布置在该焦平面中。板状保护玻璃SG保护F-Theta镜头3免受污染。代替两个扫描仪镜11、12，扫描仪设备1可以具有唯一的扫描仪镜，该扫描仪镜可围绕两条旋转轴线倾斜。
如同在图1b中，在图3中聚焦面FE也被布置在F-Theta镜头3的焦平面BE以下间距Δf处，其中满足上述Δf/f2的条件。
如图1b和图3中所示并且被布置在激光束5的发散的射束路径4中的F-Theta镜头3可以以不同方式构造。F-Theta镜头3尤其可以具有两个、三个或四个透镜L1、L2、L3、L4。在下面描述的图中，为了简化图示，F-Theta镜头3分别在准直射束路径中示出。
图4a、4b展示了F-Theta镜头3的示例，其具有恰好三个透镜L1、L2、L3：第一透镜L1是具有负屈光力的双凹透镜，即，具有第一焦距f1，其中：f1<0。第二透镜L2具有第二焦距f2和正屈光力(f2>0)。第三透镜L3具有第三焦距f3和正屈光力(f3>0)。在图4a、4b所示的示例中，第二透镜L2是平凸透镜，但第二透镜L2也可以是凹凸透镜。在图4a、4b所示的示例中，第三透镜L3是双凸透镜，但第三透镜L3也可以是平凸透镜，其中在射束路径中位于前部的透镜面构造为平面的。
对于这三个透镜L1、L2、L3的第一至第三焦距f1、f2、f3与F-Theta镜头3的总焦距f的比值，在图4a、4b所示的示例中：
-0.8<f1/f<-0.2，
0.4<f2/f<1.2，
0.4<f3/f<1.2。
如果F-Theta镜头3被布置在发散的射束路径4中，上文进一步描述的三个焦距f1、f2、f3的条件已被证明是特别有利的。
图4a所示的F-Theta镜头3的总焦距f为265mm。在该总焦距f、或通常在大约160mm与大约345mm之间的焦距f的情况下，第三透镜L3的在射束路径中面向第二透镜L2的第一透镜面13是非球状的透镜面13。非球状的透镜面13用于在F-Theta镜头3的345mm或更小的较小总焦距f的情况下减少像差。
相比之下，图4b中所示的F-Theta镜头3具有450mm的更大总焦距f，并且不需要非球状的透镜面13。因此，在图4b的F-Theta镜头3中，这三个透镜L1、L2、L3的所有透镜面构造为球状。图4b中所示的具有三个球状透镜L1、L2、L3的设计可以在高达大约600mm或更大的相对较大的总焦距f取值范围上使用。
图5a、5b展示了借助于图4a、4b中所示的F-Theta镜头3产生的成像的焦斑矩阵图。这些图分别将艾里斑(Airy-Scheibchen)示出为虚线圆圈。在图5a所示的示例中，艾里半径为大约22.85μm，并且在图5b所示的示例中为大约7.4μm。各行中所示的十个焦斑矩阵图对应于这两个扫描仪镜11、12的不同角度设定，其中最左边所示的焦斑矩阵图对应于聚焦面FE上的垂直入射(扫描角度θx和θY＝0)，而在其他焦斑图中，相应的第一和/或第二扫描仪镜11、12偏转了高达9°的相应扫描角度θx和θY。
具有上述参数的F-Theta镜头3针对激光束5的波长λ1(见图3)进行了优化，该波长位于在900nm与1100nm之间的IR波长范围内，例如为1075nm。对于此波长范围和22mm的最大入射光瞳(入射光瞳平面内激光束5的直径)，F-Theta镜头3产生1/e衍射极限成像，如从图5a中所示的焦斑图中可以明显看出，其中在艾里斑之外没有任何焦斑。
具有上述参数或经适当修改的参数的F-Theta镜头3也可以与具有第二波长λ2的激光束5一起使用，该第二波长位于可见光波长范围内，更具体地在440nm与650nm之间的范围内，例如为515nm。在这种情况下以及对于IR波长范围内的波长λ1，在入射光瞳平面内激光束5的直径可以扩大到大约33mm，并且仍然可以实现二次衍射极限的成像，如图5b所示。
在这里描述的示例中，图4a、4b所示的在第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间距a分别在0mm与20mm之间，其中在这里描述的最小总焦距f(这里：160mm)的情况下使用最大空气间距a。在F-Theta镜头3的给定总焦距f的情况下，第一透镜L1与第二透镜L2之间的空气间距a取决于激光束5的波长λ1、λ2：对于激光束5的波长λ2位于在大约440nm与大约650nm之间的可见光波长范围内的情况，空气间距a被选择为比激光束5的波长λ1位于在900nm与1100nm之间的IR波长范围内的情况下小大约5％或可能大约10％(通常小不高于大约2.5mm)。图5b所示的焦斑图是在第一透镜L1与第二透镜L2之间具有减小的空气间距a的情况下计算得出的。
为了实现透镜L1至L3和保护玻璃SG的充分抗反射，在这三个透镜L1至L3的透镜面上以及平面平行的保护玻璃SG的两侧上分别施加抗反射涂层。抗反射涂层是窄带类型的，即它构造为用于抑制第一波长λ1或第二波长λ2下的反射。如果激光束5具有特别高的功率，这特别有意义。
抗反射涂层典型地是多层涂层，该多层涂层具有高折射率和低折射率交替的多个层，以便针对相应的波长λ1、λ2产生相消干涉。例如，施加在石英玻璃材料上的抗反射涂层可以对于第一或第二波长λ1、λ2具有小于0.5％的反射率。在这种情况下，扫描设备1仅借助恰好一个激光源(未示出)、尤其是借助基模激光源来运行，该激光源产生具有相应波长λ1或λ2的激光束5。
作为使用窄带抗反射涂层的替代方案，可以在这三个透镜L1至L3的透镜面上和保护玻璃SG上施加被优化用于不仅抑制第一波长λ1下的反射而且用于抑制第二波长λ2下的反射的抗反射涂层。
作为图5a、5b所示的具有三个透镜L1、L2、L3的F-Theta镜头3的替代方案，还可以在发散的射束路径4中布置具有两个透镜L1、L2的F-Theta镜头3，如图6a至6c中的示例所示。在图6a至图6c所示的所有三个F-Theta镜头3中，第一透镜L1构造为具有近似球状曲率的弯月透镜。图6a所示的示例中，F-Theta镜头3具有265mm的总焦距f，第二透镜L2是双凸透镜，。在图6b所示的示例中，F-Theta镜头3的总焦距f为345mm，第二透镜L2为平凸透镜。在图6c所示的F-Theta镜头3中，其总焦距f大于大约450mm，第二透镜L2同样为弯月透镜。所有三个F-Theta镜头3的共同之处在于，第二透镜L2在其面向第一透镜L1的一侧上具有非球状的透镜面13。图6a至图6c中所示的F-Theta镜头3的第一透镜L1与第二透镜L2之间的间距为0mm，即这两个透镜L1、L2实际上彼此紧邻。因此，在图6a至图6c所示的示例中，不能够针对激光束5的相应波长λ1、λ2来匹配空气间距a。
然而，这种匹配可以在图7所示的F-Theta镜头3中进行，其具有四个透镜L1至L4。虽然在上文进一步描述的示例中，F-Theta镜头3的总焦距f为至少大约160mm，但在图7所示的F-Theta镜头3中，可以实现小于大约160mm的较小总焦距f。
图7所示的F-Theta镜头3沿激光束5的射束路径具有四个彼此相继的透镜L1、L2、L3、L4。第一透镜L1具有负焦距，而第二至第四透镜L2、L3、L4具有正焦距。F-Theta镜头3的第一透镜L1是双凹透镜，第二透镜L2是弯月透镜，第三透镜L3和第四透镜L4分别是双凸透镜。原则上，F-Theta镜头3可以仅具有球状透镜面，但在所示示例中，在第三透镜L3的面向第二透镜L2的一侧上形成了非球状的透镜面13。
在图7所示的示例中，这四个透镜L1至L4的焦距f1至f4相对于F-Theta镜头3的总焦距f的比值满足以下四个条件：
-1.1<f1/f<-0.5，
2.6<f2/f<3.2，
1.1<f3/f<1.7，
1.9<f4/f<2.5。
图7所示的F-Theta镜头3的总焦距f典型地在80mm与120mm之间。这导致了距第四透镜L4的图像侧顶点在大约120mm与大约160mm之间的图像侧后焦距(Schnittweite)。对于图7中所示的F-Theta镜头3的其他细节，请参考DE 102016211811 A1。
在上文进一步描述的所有示例中，透镜L1至L4的材料和保护玻璃SG的材料是(合成)石英玻璃，其对于功率大于1kW的激光辐射是稳定的
Claims (16)
1.一种用于激光束(5)的光学布置，包括：
F-Theta镜头(3)，
其中，
所述F-Theta镜头(3)布置在所述光学布置(1)的发散的射束路径(4)中，以便将所述激光束(5)聚焦到聚焦面(FE)中，所述聚焦面与所述F-Theta镜头(3)的焦平面(FB)间隔开，其特征在于，所述F-Theta镜头(3)具有在所述射束路径(4)中相继布置的恰好三个透镜(L1至L3)，具体为：
第一透镜(L1)，所述第一透镜具有负屈光力和第一焦距f1，所述第一透镜构造为双凹透镜；
第二透镜(L2)，所述第二透镜具有正屈光力和第二焦距f2，所述第二透镜构造为平凸透镜或凹凸透镜；
第三透镜(L3)，所述第三透镜具有正屈光力和第三焦距f3，所述第三透镜构造为平凸透镜或双凸透镜。
2.根据权利要求1所述的光学布置，其中，所述聚焦面(FE)被布置在距所述焦平面(BE)以下间距Δf处，对于所述间距适用：
0.00018/mm<Δf/f2<0.0003/mm，
其中，f表示所述F-Theta镜头(3)的总焦距。
3.根据权利要求1或2所述的光学布置，进一步包括：
用于产生所述发散的射束路径(4)的光学装置(7)，＝。
4.根据权利要求1或2所述的光学布置，进一步包括：
用于偏转所述激光束(5)的至少一个扫描仪镜(11，12)，所述至少一个扫描仪镜在射束路径(4)中布置在所述F-Theta镜头(3)前方。
5.根据权利要求1所述的光学布置，其中，所述第一焦距至所述第三焦距f1、f2、f3与所述F-Theta镜头(3)的总焦距f的比值满足以下条件：
-0.8<f1/f<-0.2，
0.4<f2/f<1.2，
0.4<f3/f<1.2。
6.根据权利要求1或5所述的光学布置，其中，所述F-Theta镜头(3)的总焦距f大于345mm，其中，所有透镜面构造为球状。
7.根据权利要求1或5所述的光学布置，其中，所述F-Theta镜头(3)的总焦距f为345mm或更小，并且其中，所述第三透镜(L3)具有至少一个非球状的透镜面(13)。
8.根据权利要求7所述的光学布置，其中，所述第三透镜(L3)构造为双凸透镜，所述非球状的透镜面(13)形成在所述第三透镜(L3)的面向所述第二透镜(L2)的一侧上。
9.根据前述权利要求1或5所述的光学布置，其中，所述F-Theta镜头(3)的总焦距(f)为至少160mm。
10.根据权利要求1或5中任一项所述的光学布置，其中，所述F-Theta镜头(3)的第一透镜(L1)与第二透镜(L2)之间的空气间距(a)位于0mm与20mm之间。
11.根据权利要求1或2所述的光学布置，所述光学布置构造成：以具有第一波长(λ1)的激光束(5)运行，和/或以具有第二波长(λ2)的激光束(5)运行，所述第一波长在IR波长范围内，所述第二波长在可见光波长范围内。
12.根据权利要求1所述的光学布置，其中，所述光学布置是扫描仪设备(1)。
13.根据权利要求3所述的光学布置，其中，所述光学装置包括射束出射面(6)和准直装置(2)，所述射束出射面用于所述激光束(5)的发散的出射。
14.根据权利要求13所述的光学布置，其中，所述射束出射面(6)布置在距所述准直装置(2)以下间距(fK-ΔfK)处：所述间距小于所述准直装置(2)的焦距(fK)。
15.根据权利要求11所述的光学布置，其中，所述第一波长在900nm与1100nm之间。
16.根据权利要求11所述的光学布置，其中，所述第二波长在440nm与650nm之间。
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