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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv mit zumindest einer ersten und einer zweiten optischen Baugruppe. Unter diese Art von Objektiven fallen insbesondere auch die sogenannten F-Theta-Objektive, die beispielsweise zur Fokussierung von Hochleistungslasern, wie es in einer Scanvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann, vorgesehen sind.
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Anwendungen in der Laser- und Materialbearbeitung verlangen nach immer höheren optischen Qualitäten der eingesetzten optischen Systeme und nach einer hohen Produktionsstabilität, also einer geringen Abweichung der optischen Performance der hergestellten Systeme untereinander.
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Fertigungstoleranzen der eingesetzten Bauteile führen in der Regel zu Aberrationen und einer Reduktion der optischen Qualität. Vor allem im Bereich von UV- und Vollquarz-Optiken führt dies zu merklich schlechterer Qualität und erhöhten Aufwänden bei der Nachbearbeitung. Die Fassungstechnologie ist insbesondere bei F-Theta-Objektiven ein zentraler Faktor. Die aktuellen Qualitätsforderungen sind mit Standard-Technologien des Standes der Technik nicht mehr zu gewährleisten.
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Standard F-Theta-Fassungstechnologien zeichnen sich durch so genannte Füllfassungen aus. Das Prinzip der Füllfassung basiert auf dem Konzept der Selbstzentrierung von Linsen und Abstandsringen. Beim Einsatz von beispielsweise Meniskuslinsen (in 1 mit „M“ gekennzeichnet), die eine erste Fläche und zumindest eine zweite Fläche aufweisen, die annähernd den gleichen Krümmungsradius besitzen, kann dies zu Problemen führen, da diese Meniskuslinsen keine Zentrierwirkung aufweisen und durch die jeweiligen Auflagen hinwegrollen. Damit kann es zu einem maximal dezentrierten Zusammenbaustatus kommt. Ähnliche Probleme können bei einem Einsatz von plankonvexen oder plankonkaven Linsen (in 1 mit „P“ gekennzeichnet) auftreten. Die plane Seite dieser Linsen lässt sich über die beschriebene Füllfassungstechnologie nicht zentrieren. Lediglich Linsen mit einer genügenden Krümmung (in 1 mit „G“ gekennzeichnet) beider Seiten weisen einen ausreichend hohen Selbstzentrierungseffekt auf.
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Die Technologie der Justierdrehfassungen mit Schiebelinsen (hochgenaue Spezialobjektive) ist teuer, schwierig und nimmt viel Platz in Anspruch. Sie ist dadurch für den Massenmarkt ungeeignet. Bei der Montage von F-Theta-Objektiven werden die Linsen in so genannte Rohrfassungen (Tubes) eingeführt und über Abstandshalter (Ringe oder Spacer) gemäß der gewünschten Linseneinheit und Parametern gestaltet. Die im Wesentlichen zylindrischen Tubes und die Spacer werden nacheinander in das Fassungsgehäuse (housing) eingeführt und montiert. Hierbei kann es zu Fehlern durch unsachgemäße Montage oder durch Unregelmäßigkeiten der Spacer usw. kommen, was schließlich zu Justierfehlern und damit in weiterer Folge zu Bildfehlern etc. führt. Diese Fehler übertragen sich von Linse zu Linse durch die gesamte Linseneinheit des Objektivs.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Lösung dafür zu schaffen, ein Objektiv, das Linsen mit einer geringen Selbstzentrierung, also Linsen mit einer ersten Fläche und zumindest einer zweiten Fläche, die annähernd den gleichen Krümmungsradius aufweisen, so aufzubauen und zu montieren, dass Montagefehler minimiert oder gegebenenfalls auch kompensiert werden können. Diese Aufgabe wird für ein derartiges Objektiv mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Kombination mit der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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Es wird ein Objektiv vorgestellt, wobei das Objektiv die folgenden Merkmale aufweist:
eine in einem ersten Objektivgehäuse gelagerte zumindest eine erste Linse umfassende erste optische Baugruppe, wobei die erste Linse zumindest eine erste Fläche und eine zweite Fläche mit annähernd gleichen Krümmungsradien aufweist; und
eine in einem zweiten Objektivgehäuse gelagerte zumindest eine Linse umfassende zweite optische Baugruppe, wobei das erste und zweite Objektivgehäuse in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden sind und wobei die unmittelbar an den Verbindungsbereich angrenzende Linse im ersten Objektivgehäuse die erste Linse ist.
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Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es bei Linsen mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, die annähernd den gleichen Krümmungsradius aufweisen, zu keiner oder zumindest zu einer sehr schlechten Selbstzentrierung kommt. Die Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass durch die zweiteilige Ausgestaltung des Objektivgehäuses der dadurch entstehende Verbindungsbereich genutzt werden kann, um vorhandene Fertigungsfehler auszugleichen beziehungsweise zu kompensieren.
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Unter dem technischen Merkmal „annähernd der gleiche Krümmungsradius“ wird erfindungsgemäß verstanden, dass sich die Krümmungsradien maximal um 10 Prozent, bevorzugt um kleiner 5 Prozent, besonders bevorzugt um kleiner 1 Prozent unterscheiden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Linse als Meniskuslinse mit einer konkaven Fläche als der ersten Fläche und einer konvexen Fläche als der zweiten Fläche oder als eine plankonvexe bzw. plankonkave Linse ausgebildet. Derartige Linsen eignen sich besonders gut für den Einsatz in der Lasermaterialbearbeitung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Objektivgehäuse mit dem zweiten Objektivgehäuse lösbar miteinander verbunden, insbesondere verschraubt. Durch eine lösbare Verbindung, insbesondere durch eine Schraubverbindung, kann das erste Objektivgehäuse besonders schnell vom zweiten Objektivgehäuse getrennt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind zwischen dem ersten Objektivgehäuse und dem zweiten Objektivgehäuse Mittel einbaubar, um den Abstand zwischen dem ersten Objektivgehäuse und dem zweiten Objektivgehäuse zu verändern. Die Mittel können bevorzugt als Abstandselemente ausgebildet sein. Durch eine derartige Ausführungsform kann der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objektivgehäuse kontrolliert werden. Somit können etwaige Abbildungsfehler korrigiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind Mittel vorhanden, um das erste Objektivgehäuse mit dem zweiten Objektivgehäuse in einer ersten Position und zumindest einer davon azimutal verschiedenen zweiten Position zu verbinden. Durch eine Verdrehung der beiden Gehäuseteile gegenüber der ursprünglichen Position können insbesondere asymmetrische Aberrationen kompensiert werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem eine Anordnung zur Lasermaterialbearbeitung, wobei die Anordnung die folgenden Merkmale aufweist:
eine Laserstrahlquelle zur Emission eines Lichtbündels; und
ein erfindungsgemäßes Objektiv zur Fokussierung des Lichtbündels auf eine Bearbeitungsebene.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der Selbstzentrierung für verschiedene Arten von Linsen; und
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2 eine schematische Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Realisierung eines erfindungsgemäßen Objektivs 1. Das Objektiv 1 bildet eine Lichtbündel L, beispielsweise eine Laserbündel aus einer nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle, auf eine Bearbeitungsebene BE ab.
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Die Figur zeigt die in einem Verbindungsbereich V verbundenen Objektivgehäuseteile 2 und 3. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sind die beiden Gehäuseteile mittels Schrauben 8 verschraubt, wobei der Schnittdarstellung lediglich eine Schraube zu entnehmen ist. Das erste Objektivgehäuse 2 umfasst eine als Meniskuslinse 4 ausgebildete erste Linse und eine weitere Linse 5. Diese beiden Linsen bilden eine erste optische Baugruppe. Das zweite Objektivgehäuse 3 umfasst eine Linse 6 und eine weitere Linse 7, wobei auf die genaue Funktion dieser beiden Linsen nicht näher eingegangen werden soll. Diese beiden Linsen bilden eine zweite optische Baugruppe.
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Wie aus 2 ersichtlich, umfasst die Meniskuslinse 4 eine konkave Fläche 4A und eine konvexe Fläche 4B, wobei die Krümmungsradien dieser beiden Flächen annähernd gleich sind. Die Meniskuslinse 4 ist diejenige Linse aus der ersten optischen Baugruppe, die unmittelbar an den Verbindungsbereich V angrenzt. Somit ist es einfach und schnell möglich, durch z.B. Einlegen von Abstandselementen zwischen dem ersten Objektivgehäuse und dem zweiten Objektivgehäuse den Luftraum zwischen den Linsen 4 und 7 einzustellen. Durch eine derartige Maßnahme kann es nicht zu einer Addition von Dezentrierungszuständen wie in der Füllfassungstechnologie kommen.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt im rechten Bereich das zweite Objektivgehäuse 3, welches in dieser Ausführung über acht Gewindebohrungen 80 verfügt.
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Durch ein Vorsehen mehrerer Gewindebohrungen im zweiten Gehäuseteil 3 kann die azimutale Orientierung der beiden Objektivgehäuse gegeneinander – beispielsweise auch in kleineren als 90°-Schritten – verändert werden. Die Anzahl der Bohrungen und damit der Möglichkeiten der Veränderung der Objektivgehäuse zueinander ist im Rahmen der technischen und technologischen Zweckmäßigkeit unbegrenzt.
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Die Außenansicht des zusammengebauten Objektivs 1 mit den beiden Objektivgehäusen, also dem ersten Objektivgehäuse 2 und dem zweiten Objektivgehäuse 3 ist in 3 (linker Bereich) mit sichtbaren Verbindungsschrauben 8 zu sehen.
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Derartige Objektive, insbesondere F-Theta-Objektive, eignen sich für den Einsatz in der Mikromaterialbearbeitung für mittlere und hohe Leistungen im Kilowatt-Bereich. Die F-Theta-Objektive zeichnen sich dadurch aus, dass sie besonders langlebig sind und eine hochpräzise Lasermaterialbearbeitung ermöglichen. Sie können zum Beispiel zur Mikrostrukturierung, Markierung und Beschriftung verschiedener Materialien eingesetzt werden.
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Die F-Theta-Objektive werden speziell für Anwendungen mit High-Power-Lasern und Kurzzeitpulsen entwickelt und eingesetzt. Dabei handelt es sich insbesondere um minimal absorbierende Vollquarz-Objektive für besonders hohe Laserleistungen. Die Objektive sind beugungsbegrenzt und zeichnen sich durch hohe Abbildungsqualität aus. Außerdem bieten sie eine deutlich höhere Zerstörschwelle und eine hohe Spotkonstanz über den gesamten Scanbereich. Sie garantieren eine minimale Brennpunktverschiebung bei Lasern mit hohen Leistungen.
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Extrem langlebige und hochpräzise Objektive können durch spezielle kontaminationsarme Fassungstechnologien, Verzicht auf Kleber und Schmiermittel sowie Montage im zertifizierten Reinraum hergestellt werden.
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Die beiden Objektivgehäuse, bestehen zumindest teilweise aus Aluminium, Messing und/oder Edelstahl, wobei eine gute Verarbeitbarkeit von Vorteil ist. Die Robustheit der beiden Objektivgehäuse gegenüber mechanischer und/oder thermischer Beanspruchung aber auch das Gewicht ist gleichfalls für die Auswahl des Materials wichtig. Insbesondere lassen sich so auch mehrere Teilgehäuse ggf. mit unterschiedlichen Materialeinheiten miteinander verbinden, insbesondere verschrauben.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
