DE102019109794A1

DE102019109794A1 - F-Theta-Objektiv mit einer ersten und zumindest einer zweiten optischen Baugruppe

Info

Publication number: DE102019109794A1
Application number: DE102019109794.0A
Authority: DE
Inventors: Tim Baldsiefen; Kerstin Leonhardt; Birgit Massino; Jürgen Weise
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15
Also published as: JP3226604U; KR20200002328U; SG10202003294TA; CN212135049U

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Objektiv (1), insbesondere F-Theta-Objektiv mit folgenden Merkmalen:ein in einem ersten Objektivgehäuse (2) gelagerten erstem Linsenelement (4), wobei das erste Objektivgehäuse ein justiergedrehtes Objektivgehäuse ist; undeine in einem zweiten Objektivgehäuse (3) gelagerte zumindest eine Linse (5, 6, 7) umfassende zweite optische Baugruppe, die durch eine Füllfassungstechnologie gefertigt ist, also ein füllgefasstes Objektivgehäuseteil darstellt,wobei das erste und zweite Objektivgehäuse in einem Verbindungsbereich V miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein F-Theta-Objektiv für die Lasermaterialbearbeitung mit einer ersten und zumindest einer zweiten optischen Baugruppe. Diese Art von Objektiven werden beispielsweise zur Fokussierung von Hochleistungslasern, wie es in einer Scanvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann, eingesetzt.
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.
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. Störungen werden insbesondere durch Flächenkippungen des ersten Linsenelementes oder auch mehrerer zusammengefasster Linsenelemente verursacht. Diese zusammengefassten Linsenelemente können zum Beispiel auch eine Linse 1 und mindestens eine Linse 2 sein.
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.
Bei der bekannten Montage des Standes der Technik 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 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.
Beim Einsatz von beispielsweise Meniskuslinsen oder einer plankonvexen oder plankonkaven Linse, wie es in der DE 102017209325 A1 beschrieben ist, kommt eine Lösung mit einem zweiteiligem Objektiv zum Einsatz, wobei diese erste Linse zumindest eine erste Fläche und eine zweite Fläche mit annähernd gleichen Krümmungsradien aufweist, und diese erste Linse im ersten Objektivgehäuse unmittelbar an den Verbindungsbereich zum zweiten Objektivgehäuse angrenzt.
Bekannt ist auch die Technologie der Justierdrehfassungen mit Schiebelinsen (hochgenaue Spezialobjektive), die jedoch teuer und schwierig zu handhaben sind und allgemein viel Platz in Anspruch nehmen.
Die störenden Einflüsse der genannten Flächenkippungen können jedoch auch nicht durch die Lösung aus der DE 102017209325 A1 beseitigt werden.
Die relativen Flächenkippungen der Einzelflächen eines Linsenelementes ergeben sich aus einer Kombination von Linsenschiefstellung und Keilfehler der Linse. Aufgrund der großen Einfallswinkel am ersten Linsenelement ist dieses i.d.R. am zentrierempfindlichsten und die negative Auswirkung auf die Performance am größten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Lösung dafür zu schaffen, dass die relativen Flächenkippungen des ersten Linsenelementes oder einer ersten Linsengruppe für ein F-Theta-Objektiv bzw. einem dem F-Theta-Objektiv im Aufbau und Wirkung ähnlichem Objektiv verringert werden. Unter einer ersten Linsengruppe im Sinne dieser Erfindung werden mindestens zwei zusammengefasster Linsenelemente verstanden, die jeweils mit nur sehr geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Sehr geringer Abstand heißt, dass keine Abstandselemente zwischen den Linsenelementen eingebracht werden können und die Linsen praktisch Glas an Glas zueinander sich befinden, bzw. der Abstand nur ein Minimum eines Luftspaltes < 1 mm bevorzugt kleiner 0,5 mm enthält. Zusätzlich soll dieses Objektiv preiswert herzustellen, leicht bzw. mit nur geringer Gewichtszunahme ausgestattet sein. Außerdem soll die Größe nur unwesentlich (max. Durchmesserzunahme < 10%) von bekannten Objektiven abweichen, und es soll einfach und reproduzierbar vom Monteur justiert 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.
Es wird ein Objektiv, insbesondere F-Theta-Objektiv, für die Lasermaterialbearbeitung vorgestellt, wobei dieses Objektiv die folgenden Merkmale aufweist:

ein in einem ersten Objektivgehäuse gelagerten erstem Linsenelement (oder erste zusammengefasste Linsenelemente), wobei das erste Objektivgehäuse ein justiergedrehtes Objektivgehäuse ist; und
eine in einem zweiten Objektivgehäuse gelagerte zumindest eine Linse umfassende zweite optische Baugruppe, die durch eine Füllfassungstechnologie gefertigt ist, also ein füllgefasstes Objektivgehäuseteil darstellt, wobei das erste und zweite Objektivgehäuse in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden sind.

Die Schnittstelle bzw. Verbindungsstelle V zwischen den beiden Objektivteilen wird zusätzlich dazu genutzt, um

1) den Abstand zwischen den beiden Objektivteilen einzustellen (z.B. durch Anpassung geeigneter Abstandshalter) und
2) die Orientierung der Objektivteile gegeneinander zu ändern (also die Objektivgehäuseteile gegeneinander verdreht wieder zusammenzuschrauben).

In einer 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.
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. Im Folgenden werden das erste und zweite Objektivgehäuse als Objektivgehäuseteile bezeichnet. In bevorzugter Weise können die eingebauten Mittel auch justiergedrehte Elemente sein.
Durch das Einlegen von Abstandsringen (nicht dargestellt) zwischen den Objektivgehäuseteilen kann der Luftraum zwischen den Linsen 4 und 5 (in 1) eingestellt werden. Als Abstandsringe zwischen den Objektivgehäuseteilen können auch Folien bevorzugt aus Edelstahl verwendet werden.
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.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Außenansicht eines zusammengebauten Objektivs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Objektivgehäuseteiles 2 gemäß 2;
4 eine Außenansicht eines zusammengebauten Objektivs gemäß einem Weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Objektivgehäuseteiles 2 gemäß 4.

In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten 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.
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Realisierung eines erfindungsgemäßen Objektivs 1. Das Objektiv 1 bildet ein Lichtbündel L, beispielsweise ein Laserbündel aus einer nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle, auf eine Bearbeitungsebene BE ab.
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. Die Anzahl der Schrauben kann je nach Anwendungsfall variieren.
Das erste Objektivgehäuse 2 umfasst eine erste Linse 4. Diese Linse 4 kann auch als hier nicht dargestellte zusammengefasste Linsenelemente eine erste optische Baugruppe bilden. Das erste Objektivgehäuse 2 wird durch Justierdrehen hergestellt. Beim Justierdrehen ist die Linse bzw. Linsengruppe bereits in der Fassung (Objektivgehäuseteil 2) fixiert.
Beim Justierdrehen wird die gefasste Optik in ein Justierfutter gespannt und danach die Lage der optischen Achse der Linse zur Spindelachse ausgerichtet. Der Zylinder der Fassung wird so bearbeitet, dass er konzentrisch zur optischen Achse und die Stirnfläche der Fassung senkrecht zur optischen Achse stehen.
Das zweite Objektivgehäuse 3 umfasst eine Linse 5 und zwei weitere Linsen, im Ausführungsbeispiel die Linsen 6 und 7, wobei auf die genaue Funktion dieser drei Linsen nicht näher eingegangen werden soll. Diese drei Linsen bilden eine zweite optische Baugruppe. Zwischen den Linsen 5, 6, 7 können Abstandselemente 9, 10, wie im Ausführungsbeispiel in 1, eingebracht sein.
In den 2 und 4 sind zwei Ausführungen eines erfindungsgemäßen Objektivs 1 dargestellt. Die 2 und 4 enthalten jeweils drei Perspektivdarstellungen Die beiden Objektivgehäuseteile 2 und 3 sind mittels sechs Schrauben 8 (Ausführung in 2) und mit drei Schrauben 8 (Ausführung in 4) verschraubt. Wegen der Übersichtlichkeit sind nicht in allen 3 Perspektiven die Bezeichnungen enthalten. Die Anzahl der Schrauben kann variieren und wird abhängig von der Ausstattung und der Parameter gewählt.
Die 3 zeigt eine Ausführungsform des justiergedrehtem Objektivgehäuseteils 2 in zwei Perspektiven gemäß der 2.
Die 5 zeigt eine Ausführungsform des justiergedrehtem Objektivgehäuseteils 2 in zwei Perspektiven gemäß der 4.
Die Anzahl der Gewindebohrungen 80 und damit der Möglichkeiten der Veränderung der Objektivgehäuseteile zueinander, ist im Rahmen der technischen und technologischen Zweckmäßigkeit unbegrenzt. Die Verbindungsfläche VF zum Objektivgehäuseteil 3 ist jeweils in der rechten Seitendarstellung gekennzeichnet.
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.
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. Dadurch, dass der hintere Objektivteilgehäuseteil 3 in sich montiert ist, ändert sich der Zustand bei notwendig werdenden Neumontagen nicht. Es ist eine einfache Kompensation von Aberrationen möglich.
In überraschender und einfacher Weise konnte durch Kombination bekannter Technologien ein besonderer erfindungswesentlicher Zusammenbau des neuen erfindungsgemäßen Objektivs erfolgen.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017209325 A1 [0006, 0008]

Claims

F-Theta-Objektiv (1) mit folgenden Merkmalen: ein in einem ersten Objektivgehäuse 2 gelagerten erstem Linsenelement 4, wobei das erste Objektivgehäuse 2 ein justiergedrehtes Objektivgehäuse ist; und eine in einem zweiten Objektivgehäuse 3 gelagerte zumindest eine Linse (5, 6, 7) umfassende zweite optische Baugruppe, das ein füllgefasstes Objektivteil ist, wobei das erste und zweite Objektivgehäuse in einem Verbindungsbereich miteinander verbunden sind.
F-Theta-Objektiv (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Linsenelement (4) eine Einzellinse oder eine Linsengruppe bestehend aus mindestens zwei zusammengefassten Linsenelementen, die jeweils mit nur sehr geringem Abstand zueinander oder Glas an Glas zueinander angeordnet sind.
F-Theta-Objektiv (1) nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Objektivgehäuse lösbar miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, ist.
F-Theta-Objektiv (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Objektivgehäuse (2) und dem zweiten Objektivgehäuse (3) Mittel einbaubar sind, um einen axialen Abstand zwischen dem ersten Objektivgehäuse (2) und dem zweiten Objektivgehäuse (3) zu verändern.
F-Theta-Objektiv (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (80) vorhanden sind, um das erste Objektivgehäuse (2) mit dem zweiten Objektivgehäuse (3) in einer ersten Position und zumindest einer davon verschiedenen zweiten Position zu verbinden.
Anordnung zur Lasermaterialbearbeitung, wobei die Anordnung die folgenden Merkmale aufweist: eine Laserstrahlquelle zur Emission eines Lichtbündels (L); und ein Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Fokussierung des Lichtbündels (L) auf eine Bearbeitungsebene (BE).