DE102011117607A1

DE102011117607A1 - Optik für Laserstrahlung mit variablem Abbildungsmaßstab

Info

Publication number: DE102011117607A1
Application number: DE102011117607A
Authority: DE
Inventors: Roman Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Ii Vi Delaware Inc Wilmington Us
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: DE102011117607B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optik für Laserstrahlung mit einstellbarem Fokusdurchmesser. Es wird ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab zur Verfügung gestellt, wobei das System ein Kollimations-Objektiv, welches einer Strahlquelle mit einer Strahltaille, nachgeordnet ist, und einem dem Kollimations-Objektiv nachgeordneten Fokussier-Objektiv zur Abbildung des kollimierten Strahls in einen Strahlfokus umfasst und dadurch gekennzeichnet wird, dass das der Strahlquelle nachgeordnete Kollimations-Objektiv aus drei Linsengruppen zusammengesetzt ist, wobei die erste Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, die zweite Linsengruppe eine negative Brennweite aufweist und die dritte Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, und die zweite Linsengruppe des Kollimations-Objektivs innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die zweite Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe jeweils gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser zweiten Linsengruppe in dieser Position gleich –1 ist, und das Verhältnis der Brennweite f1 der ersten Linsengruppe zum Abstand s01 der Strahlquelle zur objektseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe zwischen 1/4 und 3/4 liegt, also 0,25 ≤ f1/s01 ≤ 0,75 und die Brennweite f2 der zweiten, verstellbaren Linsen-gruppe in einem sich aus dem folgenden Zusammenhang ergebenden Bereich 0 > f2 > [(e/2) – f1/(1 – f1/s01)]/2 liegt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Optik für Laserstrahlung mit einstellbarem Fokusdurchmesser. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung der Optiken in Bearbeitungsoptiken für die Lasermaterialbearbeitung zur Fokussierung der Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die einfachste Möglichkeit zur Änderung des Durchmessers eines Strahlflecks besteht in der axialen Dejustierung, d. h. die Bearbeitungsebene wird aus der Fokus-Ebene herausbewegt (sog. Defokussierung). Da dies die Schärfentiefe des Strahls erheblich verringert, ist dies jedoch allenfalls für Oberflächen-Anwendungen praktikabel.
Um stattdessen den Durchmesser des Strahls in der Fokus-Ebene zu verändern, muss der Abbildungsmaßstab oder die Brennweite eines Teils oder des gesamten optischen Systems verändert werden. Solche Systeme sind in der technischen Optik seit langem bekannt. Üblicherweise wird dazu ein Teil des optischen Systems, d. h. eine Linsengruppe oder eine einzelne Linse, axial verschiebbar angeordnet, welche üblicherweise als Variator bezeichnet wird. Allerdings wird dabei zwangsläufig mit dem Abbildungsmaßstab auch immer ein weiterer optischer Parameter verändert, im Normalfall die Fokuslage. Deshalb wird eine zweite axial verschiebbare Linsengruppe benötigt, der sogenannte Kompensator, mit dem die Fokuslage wieder in die ursprüngliche Position verschoben wird.
Die dabei benötigten Stellwege von Variator und Kompensator stehen im allgemeinen in einem stark nichtlinearen Zusammenhang, so dass eine kontinuierliche Verstellung des Abbildungsmaßstabes bei konstanter Fokuslage z. B. durch eine mechanische Steuerung mit Kulissenführungen erreicht werden kann. Diese mechanisch aufwändige Lösung wird als mechanischer Ausgleich bezeichnet.
Im Gegensatz dazu ist es aber bei besonderen optischen Anordnungen und spezieller Parameterwahl für Variator und Kompensator auch möglich, die beiden Linsengruppen starr miteinander gekoppelt zu verstellen und dabei nur eine sehr kleine Variation der Fokuslage hervorzurufen, die in der Praxis vernachlässigbar ist. Diese als optischer Ausgleich bezeichnete Lösung kann mechanisch sehr robust realisiert werden, was für die industrielle Materialbearbeitung wichtig ist, hat jedoch den Nachteil, optisch sehr aufwändig zu sein, da mindestens zwischen Variator und Kompensator eine weitere Linsengruppe benötigt wird. Dadurch wiederum werden andere unerwünschte Eigenschaften verstärkt, wie z. B. Abbildungsfehler und thermischer Fokus-Shift (engl.: thermal lensing).
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen spiegeln diesen Konflikt wider, es wird nachfolgend ein kurzer Überblick über die bekannten Vorrichtungen gegeben.
Eine relativ vielseitig einsetzbare Möglichkeit, den Abbildungsmaßstab zu variieren, ist die Verwendung eines einstellbaren afokalen Teleskops, beispielsweise durch Einfügen des Teleskops in den kollimierten Strahlengang zwischen Kollimations- und Fokussier-Objektiv einer Laser-Optik. Da ein solches Teleskop zusätzlich zu Kollimator und Fokussierung der Laser-Optik verwendet wird, ist eine solche Vorrichtung insgesamt sehr aufwändig und benötigt eine hohe Anzahl von optischen Elementen.
Solche Teleskope sind beispielsweise bekannt aus der US 4 353 617 , der DE 10 2009 025 182 oder der EP 0 723 834 . Die in der US 4 353 617 beschriebenen Teleskope bestehen aus drei Linsengruppen, von denen zwei verschiebbar angeordnet sind und nichtlinear zueinander verstellt werden müssen (= mechanischer Ausgleich). Da für eine der Linsengruppen bevorzugt 2 Linsen verwendet werden, besteht das Teleskop typischerweise aus insgesamt 4 Linsen. Eine optisch vergleichbare Vorrichtung ist in der DE 10 2009 025 182 beschrieben, wobei der Schwerpunkt dieser Anmeldung auf der Bereitstellung einer möglichst spielarmen mechanischen Konstruktion liegt. Hingegen wird in der EP 0 723 834 ein Teleskop mit optischem Ausgleich beschrieben, wodurch aber eine Linsengruppe mehr, also 4 Linsengruppen für das Teleskop benötigt werden. Eine dort beispielhaft dargestellte Konstruktion einer abbildenden Laser-Optik mit einem integrierten Teleskop kommt auf insgesamt 8 Linsen.
Vorrichtungen, bei denen der Abbildungsmaßstab nicht durch ein zusätzlich eingesetztes Teleskop verändert wird, sondern durch Eingriffe im abbildenden optischen System, können optisch wesentlich einfacher ausgestaltet sein. In der DE 198 25 092 ist eine Laser-Optik mit variablem Fokusdurchmesser vorgestellt, die im einfachsten Fall mit 3 Linsen auskommt. Dabei sind sowohl Variator als auch Kompensator im Fokussier-Teil des optischen Systems untergebracht. Prinzipbedingt (mechanischer Ausgleich) müssen die beiden verschiebbaren Linsen nichtlinear gekoppelt werden, woraus ein höherer mechanischer Aufwand resultiert. Nachteilig ist hier außerdem, dass ein hoher mechanische Aufwand im Fokussierbereich betrieben werden muss, da wegen der Nähe zur Bearbeitungsstelle mit den damit verbundenen thermischen Belastungen besondere Anforderungen an Robustheit und Zugänglichkeit gelten. Dieses Problem wird in der DE 20 2010 006 047 vermieden. Die hier vorgestellte Bearbeitungsoptik kommt ebenfalls mit insgesamt 3 Linsen aus, wobei der Variator im Kollimationsbereich der Optik untergebracht ist, ebenso wie der Kompensator. Da für beide beweglichen Linsengruppen unabhängige Stellvorrichtungen vorgesehen sind, kann über eine entsprechende Steuerung sowohl eine nichtlineare Kopplung zur Kompensation der Fokuslage erfolgen, oder es wird zusätzlich eine Verstellung der Fokuslage ermöglicht. Nachteilig ist hierbei, dass ein Zwischenfokus vorhanden ist, wodurch die Gesamtlänge des optischen Systems erheblich zunimmt.
In der EP 0 877 273 wird ein optisches System beschrieben, welches zwei Variatoren zur Änderung des Abbildungsmaßstabes verwendet. Im Gegensatz zu den bisher betrachteten Vorrichtungen wird hierbei der Abbildungsmaßstab nicht kontinuierlich verändert, sondern diskret in Stufen. Dazu kann jeder Variator zwischen zwei Positionen hin- und hergeschaltet werden, bei denen die Fokuslage jeweils identisch ist. Bei geeigneter Wahl der Parameter können so 4 verschiedene Abbildungsmaßstäbe bei gleicher Fokuslage realisiert werden, ohne dass ein zusätzlicher Kompensator benötigt wird. Abgesehen von der fehlenden Möglichkeit, den Fokusdurchmesser kontinuierlich zu variieren, ist es nachteilig, dass durch das Hintereinanderschalten der Variatoren und der dazwischenliegenden Zwischenfoki die Gesamtlänge des optischen Systems erheblich zunimmt.
Axial verstellbare Linsengruppen können auch zum Einsatz kommen, wenn nicht der Fokusdurchmesser verändert werden soll, sondern die axiale Fokuslage bzw. der Abstand des Strahlfokus vom optischen System. Eine einfache Möglichkeit zur Umsetzung besteht darin, den Abstand zwischen der Strahlquelle, d. h. der Lichtleitfaserspitze, und der zur Kollimation verwendeten optischen Linsengruppe zu verändern, wie z. B. in der DE 10 2004 038 310 oder der EP 1 837 116 beschrieben. Sofern dabei nicht das Kollimationslinsenglied verstellt wird, sondern die Lichtleitfaserspitze, können unerwünschte Kraft-Momente auf die Lichtleitfaser ausgeübt werden. Nachteilig kann außerdem sein, dass nicht sichergestellt ist, dass dabei der Fokusdurchmesser gleich bleibt.
Zur Verstellung der Fokuslage bei konstantem Fokusdurchmesser sind in der aus der DE 10 2008 048 502 bekannten Vorrichtung zwei Linsen bzw. Linsengruppen im Bereich der Fokussierung axial verstellbar angeordnet; um einen konstanten Fokusdurchmesser zu gewährleisten, ist hierzu eine nichtlineare Kopplung zwischen den Verstell-Gliedern nötig.
Die in der EP 1 643 284 beschriebene Vorrichtung nutzt ebenfalls zwei Verstellglieder, welche gegenläufig gekoppelt angesteuert werden, wodurch eine besonders schnelle Fokuslagen-Verstellung erreicht werden kann.
Aus der WO 2008 01968 ist eine Vorrichtung bekannt, die nur ein Verstellglied benötigt. Durch eine nachfolgende optische Übersetzung wird dabei erreicht, dass die Fokuslage in einem sehr weiten Bereich verstellt werden kann, ohne dass sich dabei der Fokusdurchmesser ändert.
Die bekannten Vorrichtungen zur Verstellung des Fokusdurchmessers eines Laserstrahls haben demnach alle den Nachteil, dass optisch oder konstruktiv ein hoher Aufwand getrieben werden muss, wenn die Fokuslage der Optik unverändert bleiben soll.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der Fokusdurchmesser verstellt werden kann und trotz verhältnismäßig geringem optischen und konstruktiven Aufwands die Fokuslage nahezu gleichbleibend ist oder nur in einem kleinen zulässigen Bereich schwankt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab zur Verfügung gestellt, wobei das System ein Kollimations-Objektiv, welches einer Strahlquelle mit einer Strahltaille, nachgeordnet ist, und einem dem Kollimations-Objektiv nachgeordneten Fokussier-Objektiv zur Abbildung des kollimierten Strahls in einen Strahlfokus umfasst und dadurch gekennzeichnet wird, dass das der Strahlquelle nachgeordnete Kollimations-Objektiv aus drei Linsengruppen zusammengesetzt ist, wobei die erste Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, die zweite Linsengruppe eine negative Brennweite aufweist und die dritte Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, und die zweite Linsengruppe des Kollimations-Objektivs innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die zweite Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe jeweils gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser zweiten Linsengruppe in dieser Position gleich –1 ist, und das Verhältnis der Brennweite f₁ der ersten Linsengruppe zum Abstand s₀₁ der Strahlquelle zur objektseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe zwischen 1/4 und 3/4 liegt, also 0,25 ≤ f₁/s₀₁ ≤ 0,75 und die Brennweite f₂ der zweiten, verstellbaren Linsengruppe in einem sich aus dem folgenden Zusammenhang ergebenden Bereich 0 > f₂ > [(e/2) – f₁/(1 – f₁/s₀₁)]/2 liegt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass bei dem optischem System zusätzlich zur zweiten Linsengruppe auch die erste Linsengruppe innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei auch die erste Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser ersten Linsengruppe in dieser Position gleich –1 ist.
Für die Verstellung der ersten Linsengruppe und die Verstellung der zweiten Linsengruppe kann das optische System eine gemeinsame Vorrichtung zur Ansteuerung aufweisen.
Es ist vorgesehen, dass die gemeinsame Ansteuerung der ersten und zweiten Linsengruppe für eine gegenläufig lineare Verstellung der Linsengruppen ausgebildet ist, wobei für die gegenläufige Verstellung der Linsengruppen weiterhin eine mechanische Kopplung vorgesehen sein kann.
Die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe können bei dem zur Verfügung gestellten optischen System unabhängig voneinander jeweils in zwei axial verschiedenen Lagen positioniert werden und die beiden Stellpositionen der beiden Linsengruppen können so gewählt sein, dass für alle vier Kombinationsmöglichkeiten der Positionierung der Linsengruppen die Fokuslage gleich ist.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die dritte Linsengruppe axial verschiebbar angeordnet sein kann.
Der Abstand s₃₄ zwischen der bildseitigen Hauptebene der dritten Linsengruppe mit der Brennweite f₃ und der objektseitigen Hauptebene des Fokussier-Objektivs mit der Brennweite f_Fok kann folgende Größe haben: s₃₄ = f₃ + f_Fok.
Für ein optisches System ist weiterhin vorgesehen, dass eine oder mehrere Linsengruppen jeweils aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen bestehen kann sowie, dass in einer oder mehreren Linsengruppen jeweils eine Fläche der optischen Elemente in der Linsengruppe als asphärische Fläche ausgebildet sein kann.
Das zur Verfügung gestellte optische System kann derart ausgestaltet sein, dass das System zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe trennbar ausgeführt sein kann, und die durch diese Trennstelle oder Schnittstelle gebildeten modularen Einheiten austauschbar sind.
Es ist vorgesehen, dass ein optisches System, wie es in dieser Anmeldung offenbart wird, in Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, also dem Verschweißen und/oder Trennen von Werkstücken, und/oder beim Beschichten von Werkstücken verwendet werden kann. Dabei kann es sich um die Verwendung in einer Laser-Anlage, einer Mehrachsen-Führungsmaschine oder -Portalanlage handeln.
Das optische System ist zur Kombination mit einem Halbleiter-Festkörperlaser, einem Scheiben-Laser oder einem Faser-Laser vorgesehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein; es zeigt:
1: Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Systems mit Bezeichnung der Abstände zwischen den Linsengruppen.
2: Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der zweiten Linsengruppe als verstellbarem Variator.
3: Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit erster und zweiter Linsengruppe als gegenläufig gekoppelte Variatoren.
4: Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die zwei Variatoren jeweils zwei fest definierte Positionen unabhängig voneinander einnehmen können.
5a: Darstellung der Fokuslage in Abhängigkeit der Vergrößerung (Betrag des Abbildungsmaßstabes) bei einem optischen System nach 3 mit zwei gegenläufig gekoppelten Variatoren ohne Optimierung der Mittenposition der Linsengruppen. Zum Vergleich ist zusätzlich die Größe der Rayleigh-Länge eines Strahls mit dem Strahlparameter-Produkt 3,4 mm·mrad gestrichelt eingezeichnet.
5b: Darstellung der Fokuslage in Abhängigkeit der Vergrößerung bei einem optischen System nach 3 mit zwei gegenläufig gekoppelten Variatoren mit optimierten Mittenpositionen der Linsengruppen. Zum Vergleich ist zusätzlich die Größe der Rayleigh-Länge eines Strahls mit dem Strahlparameter-Produkt 3,4 mm·mrad gestrichelt eingezeichnet.
6: Darstellung der Fokuslage in Abhängigkeit der Vergrößerung bei einem optischen System nach 2 mit der zweiten Linsengruppe als einzelnem Variator. Zum Vergleich ist zusätzlich die Größe der Rayleigh-Länge eines Strahls mit dem Strahlparameter-Produkt 3,4 mm·mrad gestrichelt eingezeichnet.
1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße optische System mit einem Kollimations-Objektiv 70, welches aus drei Linsengruppen 10, 20, 30 besteht, und mit einer vierten Linsengruppe 40 als Fokussier-Objektiv. Das System wird beschrieben durch die Abstände zu den Hauptebenen der verschiedenen Linsengruppen, die den einzelnen Linsengruppen zugeordnet eingezeichnet sind. Als Strahlquelle kann beispielsweise eine Lichtleitfaser dienen, an deren Ende 51 der Laserstrahl 55 unter Ausbildung einer Strahltaille 50 austritt.
In 2 ist das erfindungsgemäße optische System beispielhaft in einer ersten Ausführungsform dargestellt, bei der die zweite Linsengruppe 20 als Variator axial verstellbar um einen Bereich e angeordnet ist. Die Figur zeigt den Strahlengang in drei verschiedenen Stellungen der Linsengruppe 20; bei minimalem Abbildungsmaßstab (21), in der Mittenposition 22 innerhalb des Verstellbereichs e, sowie bei maximalem Abbildungsmaßstab (23). Entsprechend ändert sich der Durchmesser des kollimierten Strahls 58 und damit auch der Durchmesser des Strahlfokus 60.
3 zeigt das erfindungsgemäße optische System in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform, bei der die erste Linsengruppe 10 und die zweite Linsengruppe 20 beide als Variatoren axial verstellbar um einen Bereich e gelagert sind. Die Figur zeigt den Strahlengang in drei verschiedenen Stellungen der gegenläufig gekoppelten Linsengruppen 10 und 20; bei minimalem Abbildungsmaßstab (11 und 21), in der Mittenposition (12 und 22) innerhalb des Verstellbereichs e, sowie bei maximalem Abbildungsmaßstab (13 und 23). Entsprechend ändert sich der Durchmesser des kollimierten Strahls 58 und damit auch der Durchmesser des Strahlfokus 60. Die Änderung des kollimierten Strahldurchmessers und damit des Abbildungsmaßstabes ist größer als bei der Ausführungsform mit einem Variator.
Eine dritte mögliche Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Hier ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Linsengruppe axial verschiebbar angeordnet sind, jedoch nur zwischen jeweils zwei verschiedenen fest vorgegebenen Positionen. Diese Positionen können für beide Linsengruppen unabhängig eingestellt werden, so dass es insgesamt 4 Möglichkeiten der Einstellung gibt und damit 4 verschiedene Abbildungsmaßstäbe, bei denen die Fokuslage gleich ist. Alle 4 Möglichkeiten der Linsenpositionierung sind in der Abbildung dargestellt.
5a zeigt die Fokuslage in Abhängigkeit des Betragswertes des Abbildungsmaßstabes für eine Ausführung der Erfindung mit zwei gegenläufig gekoppelten Variatoren, also gemäß 3, wobei die Verstellbereiche der Linsengruppen jeweils symmetrisch zur Position der Einheitsvergrößerung vorgesehen sind, d. h. die Mittenpositionen entsprechen den Positionen der Einheitsvergrößerung. Insbesondere bei kleinen Abbildungsmaßstäben weicht die Fokuslage stark von der Soll-Lage ab. Dies ist insofern besonders ungünstig, als bei kleinem Abbildungsmaßstab die Rayleigh-Länge des fokussierten Strahls besonders kurz ist. Zum Vergleich ist in der Abbildung gestrichelt die Größe der Rayleigh-Länge eingezeichnet für einen beispielhaften Strahl mit dem Strahlparameter-Produkt 3,4 mm·mrad und einer Apertur von NA = 0,08. Dieses Strahlparameterprodukt entspricht bei einer Wellenlänge von 1070 nm einem Multi-Mode-Strahl mit der Beugungsmaßzahl 10 und stellt eine typische Strahlqualität für einen modernen, hochbrillanten Multi-Kilowatt-Laserstrahl dar. Für diesen Strahl weicht die Fokuslage teilweise um mehrere Rayleigh-Längen von der Soll-Fokuslage ab.
In 5b ist die Schwankung der Fokuslage für das gleiche optische System wie in 5a dargestellt. Hier jedoch sind die Verstellbereiche der Linsengruppen so optimiert, dass die Schwankung der Fokuslage in Einheiten der Rayleigh-Länge minimal ist. Für den beispielhaften Strahl mit dem Strahlparameter-Produkt 3,4 mm·mrad ist nun die Abweichung der Fokuslage von der Soll-Lage für alle Abbildungsmaßstäbe kleiner als +/–1 Rayleigh-Längen. Für die meisten Anwendungen ist damit keine weitere Fein-Korrektur der Fokuslage mehr erforderlich. Zum Erreichen dieser Optimierung ist es notwendig, dass die Mittenpositionen der Verstellbereiche der Linsengruppen von der Position der Einheitsvergrößerung um bestimmte Abstande d₁ (für die erste Linsengruppe) und d₂ (für die zweite Linsengruppe) abweichen.
6 zeigt die Schwankung der Fokuslage für eine Ausführung der Erfindung mit einer einzelnen verstellbaren Linsengruppe, also entsprechend 2, wobei Brennweite und Verstellbereich des Variators gleich gewählt sind wie in dem Beispiel für 5a und 5b. Es zeigt sich, dass die Schwankung der Fokuslage deutlich größer ist, und der Zoomfaktor (Änderung des Abbildungsmaßstabes) deutlich kleiner ist, als in dem Ausführungsbeispiel mit den zwei gekoppelten Variatoren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND FIGUREN
Bei der Analyse der Eigenschaften einer einzelnen Linse als Variator ergibt sich, dass die axiale Fokuslage in Abhängigkeit der Linsenverstellung eine asymmetrische Parabel-ähnliche Kurve durchläuft, mit einem Extremum beim Abbildungsmaßstab –1 (Einheitsvergrößerung). Um diesen Abbildungsmaßstab herum ist also die Änderung der Fokuslage am geringsten. Dieses Verhalten der Fokuslage ist auch in 6 erkennbar. Um eine minimale Änderung der Fokuslage über einen bestimmten Verstellbereich zu erzielen, darf jedoch der Verstellbereich der Linse nicht genau symmetrisch zur Position der Einheitsvergrößerung vorgesehen sein, sondern muss aufgrund der Asymmetrie der Kurve etwas verschoben sein.
Für die kleinstmögliche Fokuslagen-Schwankung ΔZ_Fok1 bei einem Variator mit dem Verstellbereich e der Linse mit der Brennweite f ergibt sich dann folgender Zusammenhang gemäß Formel I: ΔZ_Fok1 = 2f[(1 + u²)^1/2 – 1] (Formel I)
Dabei entspricht der dimensionslose Parameter u der auf die Brennweite normierte halbe Verstellbereich der Linse gemäß dem Zusammenhang nach Formel II: u = e/(2f) (Formel II)
Für den Zoomfaktor V gilt dabei nach Formel III, wobei als Zoomfaktor das Verhältnis von maximal einstellbarem Abbildungsmaßstab zu minimal einstellbarem Abbildungsmaßstab verstanden wird: V = V_max/V_min = {[1 + u + (1 + u²)^1/2]/[1 – u + (1 + u²)^1/2]}² (Formel III)
Oder, in guter Näherung für nicht zu große Zoomfaktoren nach Formel IV: V ≈ exp(2u) = exp(e/f) (Formel IV)
Damit kann für die Schwankung der Fokuslage ΔZ_Fok1 auch gemäß Formel V geschrieben werden: ΔZ_Fok1 ≈ 2f{[1 + (InV)²/4]^1/2 – 1} (Formel V)
Es ergibt sich somit, dass die Fokuslagen-Schwankung bei einem einfachen Variator sowohl linear mit der Brennweite f skaliert, als auch in etwas komplexerer Weise mit dem Zoomfaktor V. Wünscht man eine möglichst geringe Fokuslagen-Schwankung, dann muss folglich sowohl die Brennweite als auch der Zoomfaktor möglichst klein gewählt werden. In der Regel wird aber ein gewisser gewünschter Zoomfaktor vorgegeben sein, so dass nur die Lösung bleibt, den Betrag der Brennweite möglichst klein zu wählen.
Hier sind die Möglichkeiten jedoch begrenzt. Ein optisches Element, welches einer Lichtleitfaserspitze nachgeordnet ist, um den dort austretenden Laserstrahl abzubilden, kann nicht in einem beliebig kurzen Abstand zur Faserspitze angeordnet sein. Einerseits ist zum Schutz der Faser deren Spitze im Lichtleitfaserstecker zurückgesetzt angeordnet, darüberhinaus ist an vielen Lichtleitfasern am Austrittspunkt ein optisches Element angesetzt, eine sog. Endkappe, um eine Freistrahl-Ausbreitung im optischen Material zu ermöglichen und so die Leistungsdichte an der Glas-Luft-Grenzfläche herabzusetzen.
Weiterhin ist dem Stecker häufig eine Blende innerhalb der Stecker-Aufnahme nachgeordnet, um Strahlung mit zu hohem Aperturwinkel sicher abzufangen. Schließlich ist oftmals vor dem ersten abbildenden optischen Element noch ein austauschbares Schutzglas vorgesehen, da bei der Montage oder bei einem Wechsel des Lichtleitfasersteckers in der Aufnahme Staub eindringen kann, welcher sich dann auf der ersten optischen Fläche absetzen kann und dort zu Absorption von Laserstrahlung fuhrt. Ist diese erste Fläche ein austauschbares Schutzglas, so kann dieses im Bedarfsfall gereinigt oder gegebenenfalls ausgetauscht werden. Somit befinden sich üblicherweise zwischen der Lichtleitfaserspitze und dem ersten abbildenden Element eine Faser-Endkappe, deren Länge zwischen 20 und 30 mm liegen kann, eine Blende, meist mit aktiver Kühlung, sowie ein Schutzglas in einer tauschbaren Halterung. Somit wird für das erste abbildende optische Element eine Objekt-Schnittweite von wenigstens ca. 40 bis 50 mm benötigt, üblicherweise mehr. Wenn diese erste Linse dann als Variator, d. h. axial verstellbar angeordnet sein soll, dann folgt daraus, dass die Brennweite dieser Linse mindestens ca. 25 bis 30 mm betragen muss und nicht kleiner gewählt werden kann.
An dieser Stelle setzt die vorliegende Erfindung an. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strahlquelle 50 eine erste Linse oder Linsengruppe 10 mit einer positiven Brennweite f₁ nachgeordnet ist. Der ersten Linsengruppe 10 ist eine zweite Linse oder Linsengruppe 20 nachgeordnet, wobei diese zweite Linsengruppe 20 als axial verstellbarer Variator ausgeführt ist und eine negative Brennweite f₂ besitzt, so dass der Variator virtuell abbildet und somit keine unmittelbare Beschränkung für den Betrag der Brennweite vorliegt, der damit sehr klein gewählt werden kann und somit auch die resultierende Schwankung der Fokuslage sehr gering wird. Aufgrund dieser virtuellen Abbildung ist die vorgeschaltete reelle Abbildung der Strahlquelle mit der ersten Linsengruppe 10 mit positiver Brennweite erforderlich. Die Brennweite dieser ersten Gruppe kann nun so groß gewählt werden, dass ein ausreichender Abstand zwischen der Strahlquelle, wie z. B. einer Lichtleitfaserspitze, und der ersten Linse erreicht wird. Dem Variator, also der zweiten Linsengruppe 20 nachgeordnet ist eine dritte Linse oder Linsengruppe 30 mit positiver Brennweite f₃, mit der der Strahl nun schließlich kollimiert wird. Diese drei Linsengruppen bilden insgesamt ein Kollimations-Objektiv 70, welches den Laserstrahl kollimiert, d. h. in einen gebündelten Strahl 58 mit einem Divergenzwinkel nahe Null abbildet. Die effektive Gesamt-Brennweite dieses Kollimations-Objektivs 70 wird durch die verstellbare Linsengruppe verändert, und somit ist der Durchmesser des aus dem Kollimations-Objektiv 70 austretenden kollimierten Laserstrahls 58 veränderbar. Dieser kollimierte Laserstrahl 58 kann in bekannter Weise mit einer weiteren (vierten) Linsengruppe 40, bzw. einem Fokussier-Objektiv, abgebildet werden, so dass ein Strahlfokus 60 mit veränderbarem Fokus-Durchmesser erzeugt wird.
Es ist vorgesehen, dass es innerhalb des Verstellbereichs e der zweiten Linsengruppe bzw. Linse 20 eine Position gibt, bei der der Divergenz- oder Konvergenz-Winkel des Laserstrahls vor und nach der Linsengruppe betragsmäßig gleich ist, also der Abbildungsmaßstab nur dieser zweiten Gruppe in dieser Position gleich –1 ist (Einheitsvergrößerung). Die Position der Einheitsvergrößerung der zweiten Gruppe 20 mit der Brennweite f₂ wird erreicht, wenn der Abstand s₁₂ zur ersten Gruppe 10 mit der Brennweite f₁ gleich dem Abstand a₁₂ ist, wobei nach Formel VI gilt: a₁₂ = 2f₂ + f₁/(1 – f₁/s₀₁) (Formel VI)
Dabei ist s₀₁ der Abstand zwischen der Strahltaille der Strahlquelle 50, z. B. einer Lichtleitfaserspitze 51 (bzw. der virtuellen Lichtleitfaserspitze, wenn das Faserende eine Endkappe hat), und der objektseitigen Hauptebene 15 der ersten Linsengruppe.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Mittenposition 22 innerhalb des Verstellbereichs e der Linsengruppe 20 gegenüber der Position der Einheitsvergrößerung um einen Abstand d₂ verschoben ist. Der Abstand s₁₂ zwischen der bildseitigen Hauptebene 16 der ersten Gruppe 10 und der objektseitigen Hauptebene 25 der zweiten Gruppe 20 ist also über den folgenden Bereich einstellbar: a₁₂ + d₂ – e/2 ≤ s₁₂ ≤ a₁₂ + d₂ + e/2 (Formel VII)
Zur Minimierung der Fokuslagen-Schwankung ist es für diese erste Ausgestaltung der Erfindung mit der zweiten Linsengruppe 20 als einzelnem Variator vorgesehen, dass der Abstand d₂ in folgendem Bereich liegt: 0 ≥ d₂ ≥ d_2,A1 (Formel VIII) mit d_2,A1 = f₂[(1 + u₂ ²)^1/2 – 1] (Formel IX) und u₂ = e/(2f₂) (Formel X)
Dabei ist es vorgesehen, dass der Parameter d₂ in der Nähe des Wertes d₂ _, _A1 liegt, um eine minimale absolute Schwankung der Fokuslage zu erzielen; andererseits ist vorgesehen, dass der Parameter d₂ etwa Null ist, um eine minimale Schwankung der Fokuslage in Einheiten der Rayleigh-Länge zu erzielen.
Es ist ferner für alle möglichen Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, dass die Brennweite f₁ der ersten Linsengruppe oder Linse in folgendem Bereich liegt: 0,25 ≤ f₁/s₀₁ ≤ 0,75
Erfindungsgemäß muss die Brennweite f₂ der zweiten Linsengruppe 20 in folgendem Bereich liegen: 0 > f₂ > [(e/2) – f₁/(1 – f₁/s₀₁)]/2 (Formel XI)
Dabei ist vorgesehen, dass die Brennweite der zweiten Linsengruppe etwa in folgendem Bereich liegt: –10 mm ≥ f₂ ≥ –60 mm
Weiterhin ist folgender Bereich für die Brennweite der zweiten Gruppe vorgesehen: –15 mm ≥ f₂ ≥ –35 mm
Weiterhin soll für alle Ausgestaltungen der Erfindung folgende Beziehung für die Brennweite f₃ der dritten Linsengruppe 30 gelten: f₃ > –2f₂ + e/2 (Formel XII)
Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 3 ist es vorgesehen, dass zusätzlich zur zweiten Linsengruppe 20 auch die erste Linsengruppe (oder Linse) 10, die der Strahlquelle 50 nachgeordnet ist, axial verstellbar angeordnet ist und damit ein weiterer Variator zur Veränderung des Abbildungsmaßstabes zur Verfügung steht.
Es ist für diese Ausgestaltung vorgesehen, dass es innerhalb des Verstellbereichs der beiden Linsengruppen bzw. Linsen für jede Linsengruppe jeweils eine Position gibt, bei der der Divergenz- oder Konvergenz-Winkel des Laserstrahls vor und nach der jeweiligen Linsengruppe betragsmäßig gleich ist, also der Abbildungsmaßstab der jeweiligen Gruppe in dieser Position gleich –1 ist (Einheitsvergrößerung). Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Mittenposition 12 der ersten Linsengruppe 10 innerhalb des Verstellbereichs e gegenüber ihrer Position der Einheitsvergrößerung um einen Abstand d₁ verschoben ist, während die Mittenposition 22 der zweiten Linsengruppe 20 innerhalb des Verstellbereichs e gegenüber ihrer Position der Einheitsvergrößerung um einen Abstand d₂ verschoben ist.
Die Position der Einheitsvergrößerung der ersten Gruppe 10 ist erreicht, wenn der Abstand s₀₁ von der Strahlquelle 50 zur Hauptebene 15 gleich dem Abstand a₀₁ ist, wobei gilt: a₀₁ = 2f₁ (Formel XIII)
Die Position der Einheitsvergrößerung der zweiten Gruppe 20 ist bereits für die erste Ausführung definiert, es ergibt sich mit obiger Bedingung, wenn sich auch die erste Gruppe 10 in der Position der Einheitsvergrößerung befindet, dass der Abstand s₁₂ gleich dem Wert a₁₂ ist: a₁₂ = 2f₁ + 2f₂ (Formel XIV)
Die beiden verstellbaren Linsengruppen 10 und 20 können miteinander gekoppelt werden. Durch die besonderen Merkmale der Erfindung kann eine besonders einfache Kopplung zwischen der Verstellung der ersten Linsengruppe 10 und der Verstellung der zweiten Linsengruppe 20 hergestellt werden. Es ist vorgesehen, dass die Linsengruppen zueinander genau gegenläufig linear verstellt werden. Eine solche Kopplung kann mechanisch sehr einfach realisiert werden, beispielsweise über einen umgelenkten Seilzug, oder über einen drehbaren Einstell-Tubus, der auf die Halterungen der Linsengruppen einmal über Rechtsgewinde und einmal über ein Linksgewinde wirkt, oder über eine Steuerspindel, die ein Rechts- und ein Linksgewinde aufweist, oder über zwei Steuerspindeln, die über ein Zahnradgetriebe miteinander verbunden sind. Die Kopplung kann natürlich auch hergestellt werden, indem beide verstellbaren Linsengruppen mit einem eigenen Antrieb versehen sind und die Kopplung durch eine entsprechende Ansteuerung erfolgt.
Durch diese Kopplung ergeben sich somit aus den Einstellbereichen e der beiden Linsengruppen folgende Bereiche für die Abstände s₀₁ und s₁₂: 2f₁ + d₁ – e/2 ≤ s₀₁ ≤ 2f₁ + d₁ + e/2 (Formel XV) 2f₁ + 2f₂ – d₁ + d₂ – e ≤ s₁₂ ≤ 2f₁ + 2f₂ – d₁ + d₂ + e (Formel XVI)
Durch die Verwendung der in dieser Weise gekoppelten Variatoren kann der Einstellbereich des Gesamt-Abbildungsmaßstabes bzw. der Zoomfaktor deutlich größer sein bei gleichzeitig wesentlich kleinerer Schwankung der Fokuslage im Vergleich zu einer Verstellung mit nur einem Variator, wenn die Abstandsparameter d₁ und d₂ auf geeignete Weise eingestellt werden. Dies ist in der 5b besonders gut im Vergleich zur 6 erkennbar.
Zur Minimierung der Schwankung der Fokuslage in Einheiten der Rayleigh-Länge ist es vorgesehen, dass in dieser zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Abstandsparameter d₁ etwa folgenden Sollwert d₁₀ besitzt: d₁₀ = c₁₂(f₁ + f₂)² + c₁₁(f₁ + f₂) + c₁₀ (Formel XVII) mit c₁₂ = –0,0009; c₁₁ = –0,156; c₁₀ = –0,25.
Der Abstandsparameter d₂ soll etwa folgenden Wert d₂₀ haben: d₂₀ = c₂₃(f₁ + f₂₎ + c₂₂e² + c₂₁e + c₂₀ (Formel XVIII) mit c₂₃ = 0,10; c₂₂ = 0,0019; c₂₁ = 0,073; c₂₀ = 0,40.
Dabei sind sowohl die Brennweiten f₁ und f₂ als auch der Verstellbereich e in mm einzusetzen, die Sollwerte d₁₀ und d₂₀ erhält man ebenfalls in mm. Diese Parameter-Sollwerte entstanden aus der numerischen Analyse einer großen Anzahl verschiedener untersuchter optischer Konfigurationen, woraus die angegebenen Relationen extrahiert wurden. Daher stellen diese Sollwerte nicht die mathematisch exakte Lösung dar, sondern liefern Anhaltswerte, die sich sehr nahe am Optimum befinden. Die sinnvollen Werte für d₁ und d₂ können daher in einem kleinen Bereich um die Parameter-Sollwerte liegen. Dieser Bereich beträgt für d₁ etwa +/–15% und für d₂ etwa +/–30%, oder in mathematischer Form: 0,85 ≤ d₁/d₁₀ ≤ 1,15 sowie 0,70 ≤ d₂/d₂₀ ≤ 1,30
Durch die derart ausgeführte Optimierung der Mittenpositionen der Linsengruppen ergibt sich eine minimale Schwankung der Fokuslage in Einheiten der Rayleigh-Länge, gleichzeitig ist die Fokuslage für drei verschiedene einstellbare Abbildungsmaßstäbe identisch.
Die Rayleigh-Länge ist das üblicherweise verwendete Maß für die Schärfentiefe eines Strahlfokus. Da die Rayleigh-Länge durch den Abbildungsmaßstab verändert wird, sie skaliert mit dem Quadrat des Abbildungsmaßstabes, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schwankung der Fokuslage im Verhältnis zur Rayleigh-Länge minimiert wird.
Als Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist auch das hohe Maß an Kompaktheit zu nennen, da die Gesamtlänge des Kollimations-Objektivs bei geeigneter Parameterwahl in der gleichen Größenordnung liegt wie die längste einstellbare Brennweite. Ein Zahlenbeispiel für dünne Linsen möge dies veranschaulichen. Als Brennweiten für die drei Linsen werde gewählt f₁ = 40 mm, f₂ = –26 mm und f₃ = 100 mm, der Verstellbereich der Variatoren, also der ersten und der zweiten Linse, soll e = 20 mm betragen. Für das so konfigurierte System ergibt sich ein Zoomfaktor von etwa V = 3,2. Die resultierende effektive Gesamt-Brennweite des Kollimations-Objektivs ist etwa zwischen 47 mm und 151 mm einstellbar; die Gesamtlänge des Kollimations-Objektivs beträgt dabei ca. 156 mm.
In einer dritten Aufführungsform der Erfindung gemäß 4 ist es vorgesehen, dass sowohl die erste Linsengruppe als auch die zweite Linsengruppe unabhängig voneinander jeweils zwischen zwei axial unterschiedlichen Positionen umgeschaltet werden können. Damit kann erreicht werden, dass die Fokuslage für vier verschiedene Abbildungsmaßstäbe gleich ist.
Betrachtet man in dieser dritten Ausgestaltung die beiden einstellbaren Positionen der Linsengruppen als Endlagen des Verstellbereichs, so können nun die Verstellbereiche e₁ und e₂ für die erste und die zweite Linsengruppe unterschiedlich sein, da die Positionen nicht miteinander gekoppelt sind. Um zu erreichen, dass die Fokuslage für alle vier Kombinationen der Linsenpositionen identisch ist, müssen wiederum die Mittenlagen der Einstellbereiche um bestimmte Abstände d₁ und d₂ gegenüber den bereits definierten Positionen der Einheitsvergrößerung verschoben werden, und zwar um die Werte d_1,A3 und d_2,A3, die sich aus folgenden Beziehungen ergeben: d₁ = f₁[(1 + u₁ ²)^1/2 – 1] (Formel XIX) mit u₁ = e₁/(2f₁) (Formel XX) d_2,A3 = 2f₁[(1 + u₁ ²)^1/2 – 1] + f₂[(1 + u₂ ²)^1/2 – 1] (Formel XXI) mit u₂ = e₂/(2f₂) (Formel XXII)
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Linsengruppe 30 ebenfalls axial verstellbar angeordnet, wodurch zusätzlich zur Verstellung des Fokus-Durchmessers auch eine Verstellung der axialen Fokuslage erfolgen kann.
Es ist von Vorteil, dass auf diese Weise die Verstellung von Fokus-Durchmesser und Fokuslage nahezu unabhängig voneinander erfolgen kann, d. h. bei Verstellung des Fokus-Durchmessers durch Verschiebung der ersten und/oder zweiten Linsengruppe ändert sich die Fokuslage fast nicht oder nur um einen zulässigen kleinen Betrag, und andererseits ändert sich bei Verstellung der Fokuslage durch Verschiebung der dritten Linsengruppe der Fokusdurchmesser nicht oder nur um einen vernachlässigbar kleinen Betrag. Für einen geringstmöglichen Einfluss der Fokuslagenverstellung auf den Fokusdurchmesser ist es vorgesehen, dass der mittlere Abstand s₃₄ zwischen der verstellbaren dritten Linsengruppe 30 des Kollimators mit der Brennweite f₃ und der objektseitigen Hauptebene 45 des Fokussier-Objektivs 40 mit der Brennweite f_Fok folgender Bedingung entspricht: s₃₄ = f₃ + f_Fok (Formel XXIII)
Es ist vorgesehen, dass die Linsen aus einem absorptionsarmen Glas bestehen können, welches für hohe Strahlleistungen geeignet ist. Geeignete Materialien sind beispielsweise Quarzglas, insbesondere synthetisch hergestelltes Quarzglas, Zinksulfid (ZnS), Kalziumfluorid (CaF₂) und Saphir.
Jede Linsengruppe kann jeweils aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen bestehen.
Pro Linsengruppe kann eine Fläche der optischen Elemente als asphärische Fläche ausgebildet sein, insbesondere wenn pro Linsengruppe nur eine Linse eingesetzt wird.
Das Kollimations-Objektiv 70 kann konstruktiv aus zwei modularen Einheiten aufgebaut sein. Dabei bilden die erste 10 und die zweite Linsengruppe 20 eine erste modulare Einheit, und die dritte Linsengruppe 30 bildet eine zweite modulare Einheit. Die durch die derart ausgebildete Schnittstelle zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe sind die Module trennbar. Die erste modulare Einheit ist damit als optische Vorrichtung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab ausgebildet und wird mit der zweiten modularen Einheit kombiniert, wobei die zweite modulare Einheit austauschbar ist. Die dritte Linsengruppe 30 in der zweiten, austauschbaren modularen Einheit kann dann verschiedene Brennweiten aufweisen und in verschiedenen Positionen in der Einheit untergebracht sein. Auf diese Weise kann der Brennweiten-Verstellbereich des Kollimations-Objektivs 70 modular angepasst werden, die erste modulare Einheit aus erster 10 und zweiter Linsengruppe 20 kann dabei unverändert bleiben.
Das optische System kann Verwendung in der Materialbearbeitung mit Hochleistungs-Laserstrahlung finden, beispielsweise beim Verschweißen von Werkstücken, beim Schneiden oder Trennen von Werkstücken, oder beim Beschichten. Das optische System kann zu diesem Zweck in eine Laser-Anlage integriert sein, oder in eine Mehrachsen-Führungsmaschine oder -Portalanlage eingebaut sein. Die Laserstrahlung kann erzeugt werden von einem Halbleiter-Festkörperlaser, oder von einem Scheiben-Laser, oder auch von einem Faser-Laser; es können aber auch andere Lasersysteme zur Erzeugung der Strahlung verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Erste Linse oder Linsengruppe mit der Brennweite f₁
11: Endposition der ersten Linsengruppe bei minimalem Abbildungsmaßstab
12: Mittenposition der ersten Linsengruppe innerhalb des Verstellbereichs
13: Endposition der ersten Linsengruppe bei maximalem Abbildungsmaßstab
15: Objektseitige Hauptebene der ersten Linsengruppe
16: Bildseitige Hauptebene der ersten Linsengruppe
20: Zweite Linse oder Linsengruppe mit der Brennweite f₂
21: Endposition der zweiten Linsengruppe bei minimalem Abbildungsmaßstab
22: Mittenposition der zweiten Linsengruppe innerhalb des Verstellbereichs
23: Endposition der zweiten Linsengruppe bei maximalem Abbildungsmaßstab
25: Objektseitige Hauptebene der zweiten Linsengruppe
26: Bildseitige Hauptebene der zweiten Linsengruppe
30: Dritte Linse oder Linsengruppe mit der Brennweite f₃
35: Objektseitige Hauptebene der dritten Linsengruppe
36: Bildseitige Hauptebene der dritten Linsengruppe
40: Vierte Linse oder Linsengruppe bzw. Fokussier-Objektiv mit der Brennweite f_Fok
45: Objektseitige Hauptebene der vierten Linsengruppe
46: Bildseitige Hauptebene der vierten Linsengruppe
50: Strahlquelle mit Strahltaille bzw. virtueller Austrittspunkt der Laserstrahlung
51: Lichtleitfaserende
55: Laserstrahl
58: Kollimierter Laserstrahl
60: Fokus des Laserstrahls
70: Kollimations-Objektiv, bestehend aus erster, zweiter und dritter Linsengruppe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4353617 [0008, 0008]
DE 102009025182 [0008, 0008]
EP 0723834 [0008, 0008]
DE 19825092 [0009]
DE 202010006047 [0009]
EP 0877273 [0010]
DE 102004038310 [0011]
EP 1837116 [0011]
DE 102008048502 [0012]
EP 1643284 [0013]
WO 200801968 [0014]

Claims

Optisches System zur Abbildung von Laserstrahlung mit einstellbarem Abbildungsmaßstab, umfassend ein Kollimations-Objektiv, welches einer Strahlquelle mit einer Strahltaille, nachgeordnet ist, und einem dem Kollimations-Objektiv nachgeordneten Fokussier-Objektiv zur Abbildung des kollimierten Strahls in einen Strahlfokus, dadurch gekennzeichnet, dass a. das der Strahlquelle nachgeordnete Kollimations-Objektiv aus drei Linsengruppen zusammengesetzt ist, wobei die erste Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, die zweite Linsengruppe eine negative Brennweite aufweist und die dritte Linsengruppe eine positive Brennweite aufweist, und b. die zweite Linsengruppe des Kollimations-Objektivs innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei die zweite Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe jeweils gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser zweiten Linsengruppe in dieser Position gleich –1 ist, und c. das Verhältnis der Brennweite f₁ der ersten Linsengruppe zum Abstand s₀₁ der Strahlquelle zur objektseitigen Hauptebene der ersten Linsengruppe zwischen 1/4 und 3/4 liegt, also 0,25 ≤ f₁/s₀₁ ≤ 0,75 und d. die Brennweite f₂ der zweiten, verstellbaren Linsengruppe in einem sich aus dem folgenden Zusammenhang gemäß Formel XII ergebenden Bereich 0 > f₂ > [(e/2) – f₁/(1 – f₁/s₀₁)]/2 liegt.
Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur zweiten Linsengruppe auch die erste Linsengruppe innerhalb eines Verstellbereichs e axial verschiebbar angeordnet ist, wobei auch die erste Linsengruppe innerhalb ihres Verstellbereichs eine Position aufweist, bei der der Divergenz- oder Konvergenzwinkel des Strahls vor und nach dieser Linsengruppe gleich ist, also der Abbildungsmaßstab dieser ersten Linsengruppe in dieser Position gleich –1 ist.
Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieses für die Verstellung der ersten Linsengruppe und die Verstellung der zweiten Linsengruppe eine gemeinsame Vorrichtung zur Ansteuerung aufweist.
Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Ansteuerung der ersten und zweiten Linsengruppe für eine gegenläufig lineare Verstellung der Linsengruppen ausgebildet ist.
Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die gegenläufige Verstellung der Linsengruppen eine mechanische Kopplung vorgesehen ist.
Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linsengruppe und die zweite Linsengruppe unabhängig voneinander jeweils in zwei axial verschiedenen Lagen positioniert werden können, und die beiden Stellpositionen der beiden Linsengruppen so gewählt sind, dass für alle vier Kombinations-Möglichkeiten der Positionierung der Linsengruppen die Fokuslage gleich ist.
Optisches System nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Linsengruppe axial verschiebbar angeordnet ist.
Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand s₃₄ zwischen der bildseitigen Hauptebene der dritten Linsengruppe mit der Brennweite f₃ und der objektseitigen Hauptebene des Fokussier-Objektivs mit der Brennweite f_Fok folgende Größe hat: s₃₄ = f₃ + f_Fok.
Optisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Linsengruppen jeweils aus einer einzelnen Linse oder aus mehreren Linsen besteht.
Optisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer oder mehreren Linsengruppen jeweils eine Fläche der optischen Elemente in der Linsengruppe als asphärische Fläche ausgebildet ist.
Optisches System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe trennbar ausgeführt ist, und die durch diese Trennstelle oder Schnittstelle gebildeten modularen Einheiten austauschbar sind.
Verwendung eines optischen Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, also dem Verschweißen oder Trennen von Werkstücken, oder beim Beschichten von Werkstücken.
Verwendung nach Anspruch 12 in einer Laser-Anlage, einer Mehrachsen-Führungsmaschine oder -Portalanlage.
Verwendung einer optischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in Kombination mit einem Halbleiter-Festkörperlaser, einem Scheiben-Laser oder einem Faser Laser.