DE102016211811B4 - F-Theta-Objektiv und Scannervorrichtung damit - Google Patents

Abstract

F-Theta-Objektiv (2) für eine Scannervorrichtung (1) für einen Laserstrahl (4), welches genau vier im Strahlweg hintereinander angeordnete Linsen (L1 bis L4) aufweist, und zwar:
eine erste Linse (L1) mit einer ersten Brennweite (f₁), die als Bikonkavlinse ausgebildet ist,
eine zweite Linse (L2) mit einer zweiten Brennweite (f₂), die als Meniskuslinse ausgebildet ist,
eine dritte Linse (L3) mit einer dritten Brennweite (f₃), sowie eine vierte Linse (L4) mit einer vierten Brennweite (f₄), die als Bikonvexlinse ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dritte Linse (L3) mindestens eine asphärische Linsenfläche (11) aufweist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv für eine Scannervorrichtung für einen Laserstrahl, welches genau vier im Strahlweg hintereinander angeordnete Linsen aufweist, und zwar: eine erste Linse mit einer ersten Brennweite, die als Bikonkavlinse ausgebildet ist, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite, die als Meniskuslinse ausgebildet ist, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite, sowie eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite, die als Bikonvexlinse ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Scannervorrichtung für einen Laserstrahl mit einem solchen F-Theta-Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls in einer Fokusebene. Unter Linsen werden im Sinne dieser Anmeldung Einzellinsen, d.h. einteilige Linsen, verstanden.
• Ein F-Theta-Objektiv der eingangs genannten Art ist aus der DE 20 2012 003 084 U1 , der DE 20 2012 003 087 U1 , der DE 20 2012 003 079 U1 sowie der DE 20 2012 003 080 U1 bekannt geworden. Die dort beschriebenen F-Theta-Objektive unterscheiden sich durch die Verhältnisse der Brennweiten der ersten bis vierten Linse in Bezug auf die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs, wobei die dritte Linse jeweils als Plankonvexlinse mit einer annähernd planen Linsenfläche ausgebildet ist. Die F-Theta-Objektive sollen jeweils zur rückreflexfreien Abbildung der Laserstrahlung dienen und sind entweder für einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder für einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 532 nm ausgelegt bzw. optimiert. Die Gesamtbrennweite der jeweiligen F-Theta-Objektive soll zwischen 230 mm und 270 mm, zwischen 230 mm und 280 mm, zwischen 150 mm und 190 mm bzw. zwischen 140 mm und 180 mm liegen.
• Aus der DE 20 2013 006 369 U1 , der DE 20 2013 009 184 U1 und der DE 20 2014 002 322 U1 sind F-Theta-Objektive mit fünf Einzellinsen bekannt geworden, die für einen Hochleistungs-Laser mit einer Wellenlänge von 355 nm ausgelegt sind und die eine telezentrische Abbildung bewirken. Die Gesamtbrennweite der F-Theta-Objektive liegt zwischen 90 mm und 110 mm.
• Aus der US 5,404,247 A ist ein telezentrisches und achromatisches F-Theta-Objektiv bekannt geworden, welches beugungsbegrenzt ist und sieben Linsen aufweist. Die US 6,294,778 B1 beschreibt ebenfalls eine Scannervorrichtung, welche ein achromatisches F-Theta-Objektiv mit drei Linsen aufweist.
• In der US 6,396,616 B1 wird ein so genanntes direktes Laserabbildungssystem beschrieben, bei dem im Strahlweg zwischen einem Scanner und einer Medienoberfläche ein F-Theta-Objektiv angeordnet ist, welches eine sphärische Linse, eine asphärische Linse und eine torische Linse aufweist bzw. aus diesen drei Linsen besteht.
• In der US 2015/0177488 A1 ist ein abbildendes Objektiv mit vier im Strahlweg aufeinanderfolgenden Linsen beschrieben, das zum Einbau in einer relativ kleinen Kamera vorgesehen ist.
• In der EP 1 934 644 B1 ist eine Scannervorrichtung mit einem F-Theta-Objektiv beschrieben, welches genau zwei im Strahlweg aufeinanderfolgende Linsen aufweist, wobei mindestens eine Linse eine oder zwei asphärische Linsenflächen aufweist. Die beiden Linsen bestehen aus synthetischem Quarzglas. Die mindestens eine asphärische Linsenfläche soll dazu dienen, die Anzahl der Linsen bei der geforderten Abbildungsqualität zu minimieren. Im Strahlweg vor dem Scannerspiegel ist eine Wellenfrontkorrektur-Optik zur Korrektur eines Teils der sphärischen Aberrationen des F/Theta-Objektivs angeordnet, um eine im Mittel über dem Scanbereich verbesserte Abbildungsqualität zu ermöglichen.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein F-Theta-Objektiv sowie eine Scannervorrichtung mit einem solchen F-Theta-Objektiv bereitzustellen, welche eine kurze Brennweite und insbesondere eine große Robustheit gegenüber Rückreflexen bei möglichst großem Arbeitsabstand aufweisen.
• Gegenstand der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein F-Theta-Objektiv der eingangs genannten Art, bei dem die dritte Linse mindestens eine asphärische Linsenfläche aufweist. Die Erfinder haben erkannt, dass durch die asphärische Linsenfläche die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs gegenüber herkömmlichen F-Theta-Objektiven mit vier Linsen reduziert werden kann, indem die asphärische Linsenfläche mit einer typischer Weise vergleichsweise kleinen sphärischen Krümmung versehen wird und durch die Asphärisierung, d.h. durch eine geeignete Abweichung von der sphärischen Krümmung der Linsenfläche, eine Korrektur von Abbildungsfehlern des F-Theta-Objektivs vorgenommen wird.
• Insbesondere kann auf diese Weise eine Gesamtbrennweite erreicht werden, die mit der Gesamtbrennweite der aus dem Stand der Technik bekannten F-Theta-Objektive übereinstimmt, die fünf Linsen und somit tendenziell eine größere Baulänge aufweisen als das erfindungsgemäße F-Theta-Objektiv mit vier Linsen. Durch die Verwendung von nur vier an Stelle von fünf Linsen ermöglicht das erfindungsgemäße F-Theta-Objektiv eine Reduzierung der thermischen Drift der Fokuslage in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. Auch vereinfacht sich durch die Verwendung von vier an Stelle von fünf Linsen die Montage sowie die Justage des F-Theta-Objektivs.
• Bei einer Ausführungsform weist das F-Theta-Objektiv ein im Strahlweg nach der vierten Linse angeordnetes Schutzglas auf. Bei dem Schutzglas handelt es sich typischer Weise um eine planparallele Platte, d.h. um ein Bauteil, welches idealer Weise nicht optisch wirksam ist. Das Schutzglas dient zum Schutz der Linsen bzw. des F-Theta-Objektivs vor Schmutz, Schlacke oder dergleichen, die bei einem Materialbearbeitungsprozess, beispielsweise bei einem Schweiß- oder Schneidprozess, gebildet wird. Bei einem solchen Bearbeitungsprozess wird typischer Weise die der vierten Linse abgewandte Oberfläche des Schutzglases, d.h. die Austrittsfläche des Schutzglases, verunreinigt.
• Bei einer Weiterbildung liegt der Fokus von Strahlung, die an einer der vierten Linse abgewandten Oberfläche des Schutzglases zurück reflektiert wird, zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse oder zwischen einer Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs und der ersten Linse. Wie weiter oben beschrieben wurde, können sich an der der vierten Linse abgewandten, dem Materialbearbeitungsprozess zugewandten Oberfläche des Schutzglases Verunreinigungen z.B. in Form von Schlacke oder Schmauch ablagern, an denen ein Teil der das F-Theta-Objektiv durchlaufenden Strahlung zurück reflektiert wird. Liegt der Rückreflex der zurück reflektierten Strahlung, genauer gesagt der Brennpunkt des Rückreflexes entlang der Mittelachse des F-Theta-Objektivs, zwischen den Linsen, ist die Robustheit des F-Theta-Objektivs gegenüber Rückreflexen vergleichsweise groß. Bei der Verwendung von vier Linsen sowie der asphärischen Linsenfläche kann der Rückreflex zwischen die erste Linse und die zweite Linse oder ggf. zwischen die Eintrittspupillenebene und die erste Linse gelegt werden, auch wenn der Abstand des Schutzglases von der vierten Linse gering ist und z.B. bei weniger als ca. 20 mm liegt. Der geringe Abstand zwischen der vierten Linse und dem Schutzglas ermöglicht eine Vergrößerung bzw. eine Maximierung des Arbeitsabstandes des F-Theta-Objektivs.
• Bei einer Ausführungsform ist die dritte Linse als Bikonvexlinse ausgebildet und die asphärische Linsenfläche ist an einer der zweiten Linse zugewandten Seite der dritten Linse gebildet. Im Gegensatz zum eingangs zitierten Stand der Technik, beispielsweise der DE 20 2012 003 084 U1 , bei dem die dritte Linse des F-Theta-Objektivs als Plankonvexlinse beschrieben wird, bei welcher die der zweiten Linse zugewandte Linsenfläche eine annähernd plane Fläche bildet, wird bei der vorliegenden Ausführungsform eine Bikonvexlinse als dritte Linse verwendet, die eine sphärische Krümmung mit einem asphärischen Anteil aufweist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann durch die Verwendung einer Bikonvexlinse mit einer asphärischen Linsenfläche die Brennweite des F-Theta-Objektivs reduziert werden, ohne dass hierbei die Abbildungsfehler zu stark zunehmen.
• Bei einer weiteren Ausführungsform weist die asphärische Linsenfläche eine Geometrie auf, die beschrieben wird durch folgende Funktion: $$z\left(r\right)=\frac{r^2}{R\left(1+\sqrt{1-\left(1+k\right)r^2\text{/}{R}^2}\right)}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8,$$

  

  wobei r einen radialen Abstand zu einer Mittelachse der dritten Linse bezeichnet, und wobei gilt: k = -1; A₂ = 0; - 0,5 × 10^-7 < A₄ < - 2,0 × 10^-7, 0,5 × 10^-11 < A₆ < 1,5 × 10^-11; A₈ = 0, sowie 400 mm < R < 600 mm, wobei k die konische Konstante, A_i (i = 2, 4, 6, 8) die Asphärenkoeffizienten und R den Basisradius bezeichnen, und wobei z in Richtung der Mittelachse bzw. optischen Achse gemessen wird. Der sphärische Anteil der asphärischen Linsenfläche, der in den asphärischen Anteil eingeht, weist einen Basisradius R auf, der typischer Weise in einer Größenordnung zwischen ca. 400 mm und ca. 600 mm liegt. Es hat sich gezeigt, dass durch eine asphärische Oberfläche, welche insbesondere die oben beschriebene Geometrie aufweist, auch bei einer kleinen Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs zwischen ca. 80 mm und ca. 120 mm eine beugungsbegrenzte Abbildung realisiert werden kann, sofern die Brennweiten der vier Linsen geeignet gewählt werden und der Strahldurchmesser des Laserstrahls, welcher das F-Theta-Objektiv durchläuft, hinreichend klein ist. Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass für die vorliegende Anwendung ein asphärischer Anteil der asphärischen Oberfläche ausreichend ist, der im Vergleich zu den asphärischen Oberflächen, die in den weiter oben zitierten Dokumenten, beispielsweise in der US 6,396,616 B1 , verwendet werden, vergleichsweise gering ist.
• Bei einer weiteren Ausführungsform liegt eine maximale Abweichung der asphärischen Linsenfläche von einem Best-Fit-Radius bei weniger als 250 µm, bevorzugt bei weniger als ca. 160 µm . Der Best-Fit-Radius bezeichnet hierbei denjenigen Radius R_BF, bei dem ein Maß für die Abweichung („root mean square“) der Geometrie der asphärischen Linsenfläche, d.h. der Funktion z(r), minimal wird, d.h. der Best-Fit-Radius stellt denjenigen Radius dar, für den der Materialabtrag bei der Herstellung der asphärischen Oberfläche minimal wird. Eine sphärische Oberfläche mit dem Best-Fit-Radius R_BF (d.h. nicht mit dem Basisradius R) stellt daher typischer Weise den Ausgangspunkt für die Herstellung der asphärischen Linsenfläche dar. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist eine vergleichsweise geringe Asphärizität der asphärischen Linsenfläche für die vorliegenden Anwendungen ausreichend. Die maximale Abweichung Z_MAX(r) vom Best-Fit-Radius R_BF wird bei einem oder ggf. bei mehreren radialen Abständen r von der Mittelachse angenommen (0 ≤ r ≤ D / 2, mit D: Linsendurchmesser).
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform erfüllen die Verhältnisse der ersten bis vierten Brennweite der ersten bis vierten Linse zu einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs folgenden Bedingungen: $$-\mathrm{1,1}<{\text{f}}_1\text{/f}<-\mathrm{0,5,}$$

  

  $$\mathrm{2,6}<{\text{f}}_2\text{/f}<\mathrm{3,2,}$$

  

  $$\mathrm{1,1}<{\text{f}}_3\text{/f}<\mathrm{1,7,}$$

  

  $$\mathrm{1,9}<{\text{f}}_4\text{/f}<\mathrm{2,5.}$$

  
• Wie allgemein üblich bezeichnen die Brennweiten f₁ bis f₄ der vier Linsen den Abstand eines jeweiligen Brennpunkts von einer Hauptebene der jeweiligen Linse. Entsprechend bezeichnet die Gesamtbrennweite den Abstand der Fokusebene bzw. des Bildfeldes von einer Ersatzhauptebene des F-Theta-Objektivs. Die Gesamtbrennweite ergibt sich aus der Anordnung bzw. den Dicken der vier Linsen in Verbindung mit ihren Luftabständen. Die vier Linsen sind derart ausgebildet, dass diese bezüglich ihrer Brennweiten eine „negativ-positiv-positiv-positiv“ Linsenfolge bilden.
• Durch die Wahl der vier Brennweiten innerhalb der oben beschriebenen Intervalle kann bei einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs von z.B. zwischen ca. 80 mm und 120 mm eine idealer Weise beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden.
• Die Brennweiten der vier Linsen hängen hierbei in bekannter Weise vom Brechungsindex n des Materials der Linsen, von deren Krümmungsradien sowie von deren Dicke ab. Bei der vorliegenden Anwendung handelt es sich beim Material der Linsen aufgrund der hohen verwendeten Laserleistungen von z.B. mehr als 1 kW typischer Weise um Quarzglas, beispielsweise um synthetisches Quarzglas, welches bei den hier verwendeten Laserwellenlängen typischer Weise einen Brechungsindex von n =1,45 aufweist.
• Bei einer vorteilhaften Weiterbildung gilt für das Verhältnis der ersten bis vierten Brennweite der ersten bis vierten Linse zu einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs folgendes: f₁ / f = -0,8, f₂ / f = 2,9, f₃ /f = 1,4 sowie f₄ / f = 2,2 . Eine solche Wahl der Verhältnisse der Brennweiten der vier Linsen zur Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.
• Bei einer weiteren Ausführungsform liegt die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs zwischen 80 mm und 120 mm, bevorzugt zwischen 90 mm und 110 mm, insbesondere bei ca. 100 mm. Aufgrund seiner geringen Brennweite kann das F-Theta-Objektiv Laserstrahlen bis zu einer Beugungsmaßzahl M² von ca. 15 auf einen Fokusdurchmesser von weniger als ca. 100 µm in der Fokusebene fokussieren, und zwar sowohl Laserstrahlung im IR-Wellenlängenbereich als auch Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich (s.u.).
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das F-Theta-Objektiv als bildseitig telezentrisches Objektiv mit einem Telezentriefehler von weniger als 5° ausgebildet. Bei einem bildseitig telezentrischen Objektiv liegt die Austrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs (theoretisch) im Unendlichen. In der Regel stimmt die Position der Eintrittspupillenebene aufgrund von opto-mechanischen Randbedingungen nicht exakt mit der objektseitigen Brennebene des F-Theta-Objektivs überein, so dass eine exakte bildseitige Telezentrie nicht erreicht werden kann. Der von der Eintrittspupille des F-Theta-Objektivs ausgehende Laserstrahl verläuft bei einem solchen F-Theta-Objektiv über den gesamten Winkelbereich, unter dem der Laserstrahl abgelenkt wird, beim Austritt aus dem F-Theta-Objektiv aber im Wesentlichen parallel zur optischen Achse, d.h. der Telezentriefehler liegt bei weniger als 5°, bevorzugt bei weniger als 2°. Der Laserstrahl trifft unabhängig vom Scanwinkel des bzw. der vor dem F-Theta-Objektiv angeordneten Scannerspiegel daher stets im Wesentlichen telezentrisch auf die Bild- bzw. Fokusebene. Die telezentrische Ausbildung des F-Theta-Objektivs kann durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse zwischen den Brennweiten der vier Linsen und der Gesamtbrennweite erreicht werden (s.o.).
• Bei einer weiteren Ausführungsform liegt eine Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs in einem Abstand zwischen 35 mm und 60 mm vor der ersten Linse, bevorzugt bei ca. 39 mm bzw. bei ca. 52 mm. Bei der Verwendung eines F-Theta-Objektivs mit zwei Scannerspiegeln befindet sich die Eintrittspupille definitionsgemäß genau zwischen den beiden Scannerspiegeln. Der Abstand der Eintrittspupillenebene von der ersten Linse wird typischer Weise in Abhängigkeit von den opto-mechanischen Randbedingungen festgelegt: Je größer der Strahldurchmesser des eintretenden Laserstrahls ist, desto größer sind typischer Weise die reflektierenden Oberflächen der Scannerspiegel und desto größer ist der Abstand zwischen der Eintrittspupillenebene und der ersten Linse des F-Theta-Objektivs, um die Gefahr von Kollisionen zwischen den Scannerspiegeln und der ersten Linse des F-Theta-Objektivs zu vermeiden. Die objektseitige Brennebene des F-Theta-Objektivs (gemessen vom objektseitigen Scheitel der ersten Linse) kann beispielsweise zwischen ca. -30 mm und ca. -35 mm liegen und weicht somit geringfügig von der Position der Eintrittspupille ab. In allen hier beschriebenen Fällen kann bei Laserstrahlung im IR-Wellenlängenbereich, beispielsweise in einem Wellenlängenbereich zwischen ca. 900 nm bis 1070 nm, über den gesamten Arbeits- bzw. Scanbereich eine beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden.
• Das F-Theta-Objektiv mit den weiter oben beschriebenen Parametern ist für Laserstrahlung im IR-Wellenlängenbereich optimiert. Das hier beschriebene F-Theta-Objektiv kann aber auch für Laserstrahlung im sichtbaren (grünen) Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen ca. 500 nm und 530 nm, insbesondere um ca. 515 nm, eingesetzt werden. Bei einem Strahldurchmesser von ca. 20 mm und einem Abstand der Eintrittspupille von der ersten Linse von z.B. ca. 52 mm kann über den Scanbereich immer noch eine Abbildung erzeugt werden, die drei Mal beugungsbegrenzt ist.
• Bei einer Ausführungsform weisen die Linsen eine Antireflex-Beschichtung auf, die sowohl zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1070 nm, insbesondere zwischen 1030 nm und 1070 nm, als auch zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 500 nm und 530 nm, ausgebildet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das hier beschriebene F-Theta-Objektiv nicht nur bei der ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich betrieben werden, für das dieses optimiert ist, sondern auch bei einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren (z.B. grünen) Wellenlängenbereich. Die Entspiegelung bei mindestens einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich ist günstig, da eine solche Entspiegelung auch für die Durchführung einer Prozessbeobachtung im sichtbaren Wellenlängenbereich bei der zweiten Wellenlänge oder in der Nähe der zweiten Wellenlänge genutzt werden kann.
• Um sowohl für die erste Wellenlänge als auch für die zweite Wellenlänge eine möglichst gute Entspiegelung zu erreichen, ist typischer Weise auf alle Linsenflächen der vier Linsen sowie ggf. auf ein Schutzglas eine (breitbandige) Antireflex-Beschichtung aufgebracht, welche zumindest bei der ersten und der zweiten Wellenlänge die Reflektivität der jeweiligen Linsenflächen auf weniger als ca. 0,5 % reduziert. Für Wellenlängen, die zwischen der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge liegen, kann die Entspiegelungswirkung der Antireflex-Beschichtung kleiner sein und die Reflektivität einer jeweiligen Linsenfläche kann beispielsweise zwischen ca. 5% und ca. 10% betragen. Derartige Antireflex-Beschichtungen sind dem Fachmann bekannt, so dass deren Aufbau hier nicht näher beschrieben wird.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Scannervorrichtung für einen Laserstrahl, umfassend: mindestens einen Scannerspiegel zur Ablenkung des Laserstrahls, sowie ein dem mindestens einen Scannerspiegel im Strahlweg nachfolgendes F-Theta-Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls in einer Fokusebene, wobei das F-Theta-Objektiv wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist. Bei dem Laserstrahl handelt es sich typischer Weise um einen Hochleistungs-Laserstrahl mit einer Strahlungsleistung von z.B. mehreren kW. Die Scannervorrichtung ist zur Materialbearbeitung ausgebildet. Zwischen den Linsen des F-Theta-Objektivs und der Fokusebene bzw. dem Werkstück ist in der Regel ein (planparalleles) Schutzglas angeordnet. Der bzw. die Scannerspiegel ist/sind typischer Weise in bzw. in der Nähe der Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs angeordnet. Die Scannervorrichtung kann insbesondere ausgebildet sein, den von dem bzw. von den Scannerspiegel(n) abgelenkten Laserstrahl über den gesamten Scanbereich im Wesentlichen telezentrisch auf die Fokusebene treffen zu lassen, die typischer Weise einer Bearbeitungsebene bei der Materialbearbeitung entspricht, an der ein Werkstück angeordnet wird.
• Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Scannervorrichtung zum wahlweisen Betrieb mit einem Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1070 nm, und einem Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 500 nm und 530 nm, ausgebildet. Für die Zuführung des Laserstrahls in die Scannervorrichtung wird typischer Weise eine Lichtleitfaser verwendet, die mit unterschiedlichen Laserquellen verbunden werden kann, d.h. der Scannervorrichtung werden Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen bzw. mit einer ersten oder einer zweiten Wellenlänge zugeführt.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Scannervorrichtung mit einem F-Theta-Objektiv, sowie
• 2 eine schematische Darstellung eines F-Theta-Objektivs für die Scannervorrichtung von 1.
• In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
• 1 zeigt eine Scannervorrichtung 1 zur Materialbearbeitung, beispielsweise zum Laserschweißen oder Laserschneiden welche ein F-Theta-Objektiv 2 umfasst, das in 1 zur Vereinfachung in Form einer einzelnen Linse dargestellt ist und dessen Aufbau weiter unten in Zusammenhang mit 2 näher beschrieben wird. Die Scannervorrichtung 1 weist eine Lichtleitfaser 3 auf, aus der ein divergenter Laserstrahl 4 mit hoher Strahlleistung (> 1kW) austritt, welcher mittels einer Kollimationslinse 5 in einen kollimierten Laserstrahl 4 transformiert wird. Der kollimierte Laserstrahl 4 wird an einem Umlenkspiegel 6 um 90° umgelenkt und tritt über eine Eintrittsapertur in einen Scannerkopf 7 ein. Im Scannerkopf 7 trifft der kollimierte Laserstrahl 4 zuerst auf einen planaren X-Scannerspiegel 8, welcher den Strahl in X-Richtung auf einen planaren Y-Scannerspiegel 9 umlenkt, der den Laserstrahl 4 weiter in Y-Richtung ablenkt. Der X-Scannerspiegel 8 und der Y-Scannerspiegel 9 sind an Galvanometern befestigt, d.h. diese können gedreht bzw. verkippt werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt den Ablenkwinkel des jeweiligen Scannerspiegels 8, 9 und dadurch die Position des Laserstrahls 4 im Bildfeld bzw. in der Fokusebene FE. Der kollimierte Laserstrahl 4 verlässt den Scannerkopf 7 durch eine Austrittsöffnung, an der das F-Theta-Objektiv 2 angebracht ist, welches den Laserstrahl 4 auf die Fokusebene FE fokussiert, in der beim Betrieb der Scannervorrichtung 1 ein zu bearbeitendes Werkstück angeordnet ist.
• 2 zeigt das F-Theta-Objektiv 2 von 1 in einer Detaildarstellung. Das F-Theta-Objektiv 2 weist entlang der optischen Achse 10 bzw. entlang des Strahlengangs des Laserstrahls 4 vier aufeinander folgende Linsen L1, L2, L3, L4 auf. Die erste Linse L1 hat eine negative Brennweite, während die zweite bis vierte Linse L2, L3, L4 eine positive Brennweite aufweisen. Bei der ersten Linse L1 des F-Theta-Objektivs 2 handelt es sich um eine Bikonkavlinse, bei der zweiten Linse L2 um eine Meniskuslinse, bei der dritten Linse L3 und bei der vierten Linse L4 handelt es sich jeweils um eine Bikonvexlinse. An der der zweiten Linse L2 zugewandten Seite der dritten Linse L3 ist eine asphärische Linsenfläche 11 gebildet. Die vier Linsen L1 bis L4 sind jeweils aus (synthetischem) Quarzglas gebildet, welches für Laserstrahlung bei Leistungen von mehr als 1 kW beständig ist.
• Bei dem in 2 gezeigten Beispiel genügen die Verhältnisse der Brennweiten f₁ bis f₄ der vier Linsen L1 bis L4 in Bezug auf eine Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 2 (vgl. 1) folgenden vier Bedingungen: $$-\mathrm{1,1}<{\text{f}}_1\text{/f}<-\mathrm{0,5,}$$

  

  $$\mathrm{2,6}<{\text{f}}_2\text{/f}<\mathrm{3,2,}$$

  

  $$\mathrm{1,1}<{\text{f}}_3\text{/f}<\mathrm{1,7,}$$

  

  $$\mathrm{1,9}<{\text{f}}_4\text{/f}<\mathrm{2,5.}$$

  
• Die Gesamtbrennweite f des in 2 gezeigten F-Theta-Objektivs 2 liegt typischer Weise zwischen 80 mm und 120 mm,. Daraus ergibt sich eine bildseitige Schnittweite zwischen ca. 120 mm und ca. 160 mm vom bildseitigen Scheitel der vierten Linse L4.
• In 2 ebenfalls dargestellt ist die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektivs 2, die von der ersten Linse L1, genauer gesagt vom im Strahlweg vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L1 auf der optischen Achse 10 einen Abstand d₁ von z.B. 39 mm aufweist. Der kollimierte Laserstrahl 4 weist beim Eintritt in das F-Theta-Objektiv 2 einen Durchmesser D auf, der beispielsweise bei 14 mm liegen kann. Die erste Linse L1 weist eine Dicke d₂, eine in Strahlrichtung vordere Linsenfläche mit einem ersten Radius r₁ sowie eine in Strahlrichtung hintere Linsenfläche mit einem zweiten Radius r₂ auf. Auf die erste Linse L1 folgt mit einem Luftabstand d₃ die zweite Linse L2 in Form einer negativen Meniskuslinse mit einer Dicke d₄, deren im Strahlweg vordere Linsenfläche einen dritten Radius r₃ und deren im Strahlweg hintere Linsenfläche einen vierten Radius r₄ aufweist.
• Auf die zweite Linse L2 folgt mit einem Luftabstand d₅ die dritte Linse L3, bei der es sich um eine Bikonvexlinse mit einer Dicke d₆ handelt, deren im Strahlweg vordere Linsenfläche einen sphärischen Anteil mit einem fünften Radius r₅ sowie einen asphärischen Anteil (s.u.) aufweist und deren im Strahlweg hintere Linsenfläche einen sechsten Radius r₆ aufweist. Mit einem Luftabstand d₇ folgt auf die dritte Linse L3 die vierte Linse L4, die eine Dicke d₈ sowie eine im Strahlweg vordere Linsenfläche mit einem sechsten Radius r₆ und eine im Strahlweg hintere Linsenfläche mit einem siebten Radius r₇ aufweist. Auf die vierte Linse L4 folgt ein planparalleles Schutzglas SG mit einer Dicke d₁₀. Die Fokusebene FE ist in einem Abstand d₁₁ vom Schutzglas SG angeordnet. Bei dem Material des Schutzglases SG handelt es sich ebenso wie bei dem Material der vier Linsen L1 bis L4 um synthetisches Quarzglas mit einem Brechungsindex n von 1,46.
• Die weiter oben angegebenen Radien der vier Linsen L1 bis L4, deren Dicken sowie die Luftabstände sind in nachfolgender Tabelle angegeben: Tabelle

  Medium		Radius [mm]		Dicke [mm]
  Luft			d1	39-52
  L1	r1	-43,0	d2	4
  L1	r2	177,2
  Luft			d3	16
  L2	r3	-147,1	d4	17
  L2	r4	-72,0
  Luft			d5	1
  L3	r5	518,4	d6	26,5
  L3	r6	-73,4
  Luft			d7	1
  L4	r7	112,8	d8	18
  L4	r8	-800
  Luft			d9	18
  SG	r9	∞	d10	3
  SG	r10	∞
  Luft			d11	119,4

• Die in der Tabelle angegebenen Dicken sowie die Luftabstände sind in 2 gleichermaßen mit d bezeichnet sowie in ihrer Abfolge entlang des Strahlwegs bzw. entlang der optischen Achse 10 durchnummeriert. Auf die Darstellung der in der Tabelle angegebenen Krümmungsradien der Linsen L1 bis L4 sowie der vier Brennweiten f₁ bis f₄, welche den Abstand eines jeweiligen Brennpunkts von der Hauptebene der jeweiligen Linse L1 bis L4 bezeichnen, wurde in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
• Die Gesamtbrennweite f von 100 mm, welche den Abstand der Fokusebene FE von einer Ersatzhauptebene des F-Theta-Objektivs 2 bezeichnet, ist schematisch in 1 dargestellt. Die Gesamtbrennweite f von 100 mm ergibt sich aus der Anordnung der vier Linsen L1 bis L4 hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d₃, d₅, d₇, sowie aus der Verwendung der asphärischen Linsenfläche 11 der dritten Linse L3, die eine Geometrie aufweist, die durch folgende Funktion beschrieben wird: $$z\left(r\right)=\frac{r^2}{R\left(1+\sqrt{1-\left(1+k\right)r^2\text{/}{R}^2}\right)}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8,$$

  

  wobei r einen radialen Abstand zu einer Mittelachse bzw. Symmetrieachse der dritten Linse L3 bezeichnet, die mit der optischen Achse 10 des F-Theta-Objektivs 2 übereinstimmt. Weiterhin bezeichnen k die konische Konstante, A_i die Asphärenkoeffizienten und R den Basisradius. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel gilt: k=-1; R = 518,4 mm; A₂ = 0; A₄ = -1,55843 × 10^-7; A₆ = 1,02349 × 10^-11; A₈ = 0. Die maximale Abweichung Z_MAX der asphärischen Linsenfläche 11 vom Best-Fit-Radius R_BF (vgl. 2) an die asphärische Linsenfläche 11 beträgt 155 µm, kann aber ggf. auch größer ausfallen und beispielsweise bis zu ca. 250 µm betragen. Die asphärische Linsenfläche 11 wird aus einer sphärischen Linsenfläche mit dem Best-Fit-Radius R_BF durch Materialabtrag hergestellt. Der Best-Fit-Radius R_BF ist hierbei so gewählt, dass der Materialabtrag zur Herstellung der asphärischen Linsenfläche 11 minimal ist.
• Für ein F-Theta-Objektiv mit den in der Tabelle angegebenen Parametern ergeben sich folgende Verhältnisse zwischen der jeweiligen Brennweite f₁ bis f₄ der vier Linsen L1 bis L4 und der Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 2 : f₁ / f = -0,8, f₂/f= 2,9, f₃ /f= 1,4, f₄ /f= 2,2 .
• Das in 2 dargestellte F-Theta-Objektiv 2 ist bildseitig im Wesentlichen telezentrisch, d.h. dieses weist eine Austrittspupille auf, die in einem nahezu unendlichen Abstand von der vierten Linse L4 angeordnet ist. Ein Telezentriefehler δ, der eine Abweichung von einer parallelen Ausrichtung des Laserstrahls 4 beim Auftreffen auf die Fokusebene FE bezeichnet, liegt typischer Weise bei weniger als ca. 5°, bevorzugt bei weniger als ca. 2°. Entsprechend verläuft der Laserstrahl 4 unabhängig vom Scanwinkel α (vgl. 2), der beispielsweise zwischen ca. -30° und +30° variieren kann, beim Austritt aus dem F-Theta-Objektiv 2 stets im Wesentlichen parallel zur optischen Achse 10, wie in 2 ebenfalls zu erkennen ist, d.h. der Laserstrahl 4 trifft unabhängig vom Scanwinkel α des bzw. der vor dem F-Theta-Objektiv 2 angeordneten Scannerspiegel 8, 9 stets im Wesentlichen telezentrisch auf die Fokusebene FE.
• Das F-Theta-Objektiv 2 mit den in der Tabelle angegebenen Parametern ist für eine Wellenlänge λ₁ (vgl. 1) des Laserstrahls 4 optimiert, die im IR-Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 1070 nm, z.B. bei 1030 nm, liegt. Für diesen Wellenlängenbereich erzeugt das F-Theta-Objektiv 2 eine beugungsbegrenzte Abbildung.
• Das F-Theta-Objektiv 2 mit den in der Tabelle angegebenen bzw. mit geeignet modifizierten Parametern kann auch mit einem Laserstrahl 4 bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ verwendet werden, welche im sichtbaren Wellenlängenbereich, genauer gesagt im Bereich zwischen 500 nm und 530 nm, z.B. bei 515 nm, liegt. In diesem Fall kann der Durchmesser D des Laserstrahls 4 in der Eintrittspupillenebene EP auf ca. 20 mm vergrößert werden, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Wird der Durchmesser D des Laserstrahls 4 vergrößert, wird typischer Weise der Abstand d₁ zwischen der Eintrittspupillenebene EP und der ersten Linse L1 aufgrund von opto-mechanischen Randbedingungen geeignet modifiziert, beispielsweise auf 52 mm vergrößert. In diesem Fall kann eine drei Mal beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden. Eine drei Mal beugungsbegrenzte Abbildung wird ebenfalls erzeugt, wenn ein Laserstrahl 4 mit der ersten Wellenlänge λ₁ und einem Durchmesser D des Laserstrahls 4 von ca. 20 mm bei einem Abstand d₁ zur Eintrittspupillenebene EP von ca. 52 mm verwendet wird.
• Um eine ausreichende Entspiegelung der Linsen L1 bis L4 sowie des Schutzglases SG zu erreichen, ist auf den Linsenflächen der vier Linsen L1 bis L4 sowie auf den beiden Seiten des planparallelen Schutzglases SG jeweils eine Antireflex-Beschichtung AR aufgebracht, wie in 2 beispielhaft für die im Strahlweg vordere Linsenfläche der ersten Linse L1 angedeutet ist. Die Antireflex-Beschichtung AR ist breitbandig, d.h. diese ist zur Unterdrückung von Reflexionen sowohl bei der ersten Wellenlänge λ₁ als auch bei der zweiten Wellenlänge λ₂ ausgebildet. Bei der Antireflex-Beschichtung AR handelt es sich typischer Weise um eine MehrlagenBeschichtung mit mehreren Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex, um eine destruktive Interferenz für die beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ sowie ggf. auch für die zwischen der ersten Wellenlänge λ₁ und der zweiten Wellenlänge λ₂ liegenden Wellenlängen zu erzeugen. Die auf das Quarzglas-Material aufgebrachte Antireflex-Beschichtung AR kann beispielsweise für die erste und die zweite Wellenlänge λ₁, λ₂ jeweils eine Reflektivität von weniger als 0,5 % aufweisen.
• Trotz der Antireflex-Beschichtung AR kann es an der Oberfläche 12 des Schutzglases SG, welche der vierte Linse L4 abgewandt und somit dem Materialbearbeitungsprozess zugewandt ist, zu unerwünschten Rückreflexen kommen. Diese können durch Verschmutzungen an der Oberfläche 12 des Schutzglases SG erzeugt werden, die während des Bearbeitungsprozesses entstehen und bei denen es sich beispielsweise um Schlacke, Schmauch etc. handeln kann. Wie in 2 ebenfalls zu erkennen ist, liegt der Fokus RR der Strahlung 13, die an der der vierten Linse L4 abgewandten Oberfläche 12 des Schutzglases SG entlang der Mittenachse 10 zurück reflektiert wird, zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2. Durch die Positionierung des Fokus RR der rückreflektierten Strahlung 13 zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 wird die Robustheit des F-Theta-Objektivs 2 gegenüber Rückreflexen erhöht, da der Rückreflex RR sich nicht innerhalb des Materials der vier Linsen L1 bis L4, insbesondere nicht direkt auf einer der (beschichteten) Oberflächen der vier Linsen L1 bis L4 befindet. Alternativ kann ggf. der Fokus RR der rückreflektierten Strahlung 13 zwischen der Eintrittspupillenebene EP und der ersten Linse L1 liegen.
• Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise bei der Abbildung des Laserstrahls 4 mittels des F-Theta-Objektivs 2 aufgrund der verhältnismäßig geringen Gesamtbrennweite f ein kleiner Fokusdurchmesser erzeugt werden. Eine thermische Drift der Fokuslage in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 4 kann aufgrund der Verwendung von nur vier Linsen verringert werden, da weniger Luft-Glas-Übergänge vorhanden sind und aufgrund der insgesamt geringeren vom Laserstrahl 4 durchlaufenen Materialdicke eine geringere Materialabsorption auftritt. Auch kann die Flexibilität beim Einsatz der Scannervorrichtung 1 aufgrund der Möglichkeit des Betriebs des F-Theta-Objektivs 2 mit einem Laserstrahl 4 mit unterschiedlichen Wellenlängen erhöht werden.

Claims (14)

1. F-Theta-Objektiv (2) für eine Scannervorrichtung (1) für einen Laserstrahl (4), welches genau vier im Strahlweg hintereinander angeordnete Linsen (L1 bis L4) aufweist, und zwar: eine erste Linse (L1) mit einer ersten Brennweite (f₁), die als Bikonkavlinse ausgebildet ist, eine zweite Linse (L2) mit einer zweiten Brennweite (f₂), die als Meniskuslinse ausgebildet ist, eine dritte Linse (L3) mit einer dritten Brennweite (f₃), sowie eine vierte Linse (L4) mit einer vierten Brennweite (f₄), die als Bikonvexlinse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Linse (L3) mindestens eine asphärische Linsenfläche (11) aufweist.
2. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 1, weiter umfassend: ein im Strahlweg nach der vierten Linse (L4) angeordnetes Schutzglas (SG).
3. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 2, bei dem der Fokus (RR) von Strahlung (13), die an einer der vierten Linse (L4) abgewandten Oberfläche (12) des Schutzglases (SG) zurück reflektiert wird, sich zwischen der ersten Linse (L1) und der zweiten Linse (L2) oder zwischen einer Eintrittspupillenebene (EP) des F-Theta-Objektivs (2) und der ersten Linse (L1) befindet.
4. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Linse (L3) als Bikonvexlinse ausgebildet ist und die asphärische Linsenfläche (11) an einer der zweiten Linse (L2) zugewandten Seite der dritten Linse (L3) gebildet ist.
5. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die asphärische Linsenfläche (11) eine Geometrie aufweist, die beschrieben wird durch folgende Funktion: $$z\left(r\right)=\frac{r^2}{R\left(1+\sqrt{1-\left(1+k\right)r^2\text{/}{R}^2}\right)}+A_2{r}^2+A_4{r}^4+A_6{r}^6+A_8{r}^8,$$

   

   wobei r einen radialen Abstand zu einer Mittelachse (10) der dritten Linse (L3) bezeichnet, und wobei gilt: k = -1; A₂ = 0; - 0,5 × 10^-7< A₄ < - 2,0 × 10^-7; 0,5 × 10^-11 < A₆ < 1,5 × 10^-11; A₈ = 0, sowie 400 mm < R < 600 mm.
6. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine maximale Abweichung (Z_MAX) der asphärischen Linsenfläche (11) von einem Best-Fit-Radius (R_BF) bei weniger als 250 µm liegt.
7. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis der ersten bis vierten Brennweite (f₁, f₂, f₃, f₄) zu einer Gesamtbrennweite (f) des F-Theta-Objektivs (2) folgenden Bedingungen genügt: $$-\mathrm{1,1}<{\text{f}}_1\text{/f}<-\mathrm{0,5,}$$

   

   $$\mathrm{2,6}<{\text{f}}_2\text{/f}<\mathrm{3,2,}$$

   

   $$\mathrm{1,1}<{\text{f}}_3\text{/f}<\mathrm{1,7,}$$

   

   $$\mathrm{1,9}<{\text{f}}_4\text{/f}<\mathrm{2,5.}$$

   
8. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 7, bei dem gilt: $${\text{f}}_1\text{/f}=-\mathrm{0,8}$$

   

   $${\text{f}}_2\text{/f}=\mathrm{2,9}$$

   

   $${\text{f}}_3\text{/f}=\mathrm{1,4}$$

   

   $${\text{f}}_4\text{/f}=\mathrm{2,2.}$$

   
9. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtbrennweite (f) des F-Theta-Objektivs (2) zwischen 80 mm und 120 mm liegt.
10. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als bildseitig telezentrisches Objektiv mit einem Telezentriefehler von weniger als 5° ausgebildet ist.
11. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Eintrittspupillenebene (EP) des F-Theta-Objektivs (2) in einem Abstand (d₁) zwischen 35 mm und 60 mm vor der ersten Linse (L1) liegt.
12. F-Theta-Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Linsen (L1 bis L4) eine Antireflex-Beschichtung (AR) aufweisen, die sowohl zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer ersten Wellenlänge (λ₁) im IR-Wellenlängenbereich als auch zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer zweiten Wellenlänge (λ₂) im sichtbaren Wellenlängenbereich ausgebildet ist.
13. Scannervorrichtung (1) für einen Laserstrahl (4), umfassend: mindestens einen Scannerspiegel (8, 9) zur Ablenkung des Laserstrahls (4), sowie ein dem mindestens einen Scannerspiegel (8, 9) im Strahlweg nachfolgendes F-Theta-Objektiv (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Fokussierung des Laserstrahls (4) in einer Fokusebene (FE).
14. Scannervorrichtung nach Anspruch 13, die zum wahlweisen Betrieb mit einem Laserstrahl (4) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) im IR-Wellenlängenbereich als auch mit einem Laserstrahl (4) mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂) im sichtbaren Wellenlängenbereich ausgebildet ist.

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