DE102020202549B4

DE102020202549B4 - Optische Anordnung mit einem F-Theta-Objektiv

Info

Publication number: DE102020202549B4
Application number: DE102020202549.5A
Authority: DE
Inventors: Reiner Brüstle; Christoph Tillkorn; Stefan Dorer; Tobias Marte; Dominik Keller
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER SE, DE
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2040-02-29
Also published as: US20220390713A1; DE102020202549A1; WO2021170579A1; CN115176187A; CN115176187B

Abstract

Optische Anordnung, insbesondere Scannervorrichtung (1), für einen Laserstrahl (5), umfassend:ein F-Theta-Objektiv (3),wobei das F-Theta-Objektiv (3) in einem divergenten Strahlengang (4) der optischen Anordnung (1) angeordnet ist, um den Laserstrahl (5) in eine Fokusebene (FE) zu fokussieren, die von einer Brennebene (BE) des F-Theta-Objektivs (3) beabstandet ist,dadurch gekennzeichnet, dass das F-Theta-Objektiv (3) genau drei im Strahlengang (4) hintereinander angeordnete Linsen (L1 bis L3) aufweist, und zwar:eine erste Linse (L1) mit negativer Brechkraft und mit einer ersten Brennweite f1, die als Bikonkavlinse ausgebildet ist,eine zweite Linse (L2) mit positiver Brechkraft und mit einer zweiten Brennweite f2, die als Plankonvexlinse oder als Konkav-Konvexlinse ausgebildet ist,eine dritte Linse (L3) mit positiver Brechkraft und mit einer dritten Brennweite f3, die als Plankonvexlinse oder als Bikonvexlinse ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Anordnung, insbesondere eine Scannervorrichtung, für einen Laserstrahl, umfassend: ein F-Theta-Objektiv.
In optischen Anordnungen in Form von Scannervorrichtungen werden häufig so genannte F-Theta-Objektive verwendet. Ein F-Theta-Objektiv fokussiert einen auftreffenden Laserstrahl in eine Fokusebene. Innerhalb eines vorgegebenen Scanwinkelbereichs stellt das Verhältnis des Scanwinkels, der üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben theta (θ) bezeichnet wird, zum Abstand des Laserstrahls von der optischen Achse eine lineare Funktion dar. Ein Laserstahl, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gescannt wird, erzeugt in der Fokusebene daher einen Fokuspunkt, der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, was für die Materialbearbeitung vorteilhaft ist. Bei dem Laserstrahl, der für die Materialbearbeitung verwendet wird, handelt es sich typischer Weise um einen Hochleistungs-Laserstrahl mit einer Strahlungsleistung im Multi-kW-Bereich.
Die bislang bekannten F-Theta-Objektive für hohe Leistungen (Schweißanwendungen) sind für Multimode-Laserquellen ausgelegt, die eine Beugungsmaßzahl von M² > 20 aufweisen. Derartige Laserquellen benötigen keine F-Theta-Objektive mit über das gesamte Scanfeld beugungsbegrenzter Abbildungsqualität, so dass Aberrationen vor allem im Randbereich des Scanfeldes akzeptabel sind. Bei modernen (Schweiß-)Anwendungen für Elektrofahrzeuge, beispielsweise beim Hair-Pin-Schweißen, werden jedoch Laserquellen mit beugungsbegrenzter oder nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M² < 10) eingesetzt und damit erhöhte Anforderungen an die Abbildungsqualität und an die Positionstreue gestellt. Herkömmliche F-Theta-Objektive sind bei derartigen Anwendungen daher nur eingeschränkt einsetzbar.
F-Theta-Objektive mit vier Linsen bzw. mit drei Linsen sind aus der DE 20 2012 003 084 U1 bzw. aus der DE 20 2018 100 368 U1 bekannt geworden. Unter Linsen werden im Sinne dieser Anmeldung Einzellinsen, d.h. einteilige Linsen, verstanden.
In der US 8,331,043 B2 ist ein Objektiv beschrieben, welches eine Linsengruppe und eine vor der Linsengruppe angeordnete Blende aufweist. Die Linsengruppe weist drei Linsen auf. Bei der ersten Linse handelt es sich um eine doppelt konkave Linse mit einer negativen Brechkraft, bei der zweiten Linse um eine Meniskuslinse mit positiver Brechkraft und bei der dritten Linse um eine doppelt konvexe Linse mit positiver Brechkraft.
Aus der DE 11 2013 007 354 B4 ist eine telezentrische F-Theta-Linse zur großformatigen Infrarotlasermarkierung bekannt geworden, die drei Linsenelemente aufweist, von denen das erste Linsenelement ein negatives bikonkaves Linsenelement ist, von denen das zweite Linsenelement ein positives Meniskuslinsenelement ist und von denen das dritte Linsenelement ein positives Meniskuslinsenelement ist.
In der EP 1 934 644 B1 ist eine Scannervorrichtung mit einem F-Theta-Objektiv beschrieben, welches genau zwei im Strahlweg aufeinander folgende 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, bei der geforderten Abbildungsqualität die Anzahl der Linsen zu minimieren.
In der DE 10 2016 211 811 A1 ist ein F-Theta-Objektiv mit genau vier im Strahlweg hintereinander angeordneten Linsen beschrieben. Die dritte Linse ist als Bikonvexlinse ausgebildet und weist mindestens eine asphärische Linsenfläche auf. Ein solches F-Theta-Objektiv ermöglicht die Realisierung einer kurzen Brennweite.
Die Druckschrift US 4906061 A beschreibt ein Scanverfahren mit einem F-Theta Objektiv, bei dem die Fokussierebene durch Verändern des Abstands der Lichtquelle von einer Kollimationslinse hinter eine Scanebene eingestellt wird.
Die Druckschrift DE 698 31 843 T2 beschreibt ein Lichtstrahl-Abtastsystem, bei dem einem F-Theta Objektiv divergentes Licht zugeführt wird, womit Verzerrungen korrigiert werden ohne die Anzahl von Linsenelementen zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung, insbesondere eine Scannervorrichtung, mit einem F-Theta-Objektiv bereitzustellen, welche bei einem möglichst großen Scanfeld eine hohe Abbildungsqualität aufweist.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung nach Anspruch 1, insbesondere eine Scannervorrichtung, der eingangs genannten Art, bei welcher das F-Theta-Objektiv in einem divergenten Strahlengang der optischen Anordnung angeordnet ist, um den Laserstrahl in eine Fokusebene zu fokussieren, die von einer Brennebene des F-Theta-Objektivs beabstandet ist.
Herkömmliche F-Theta-Objektive sind für eine ebene Wellenfront bzw. für einen kollimierten Strahlengang optimiert und werden daher im kollimierten Strahlengang angeordnet. Die Anordnung eines F-Theta-Objektivs im kollimierten Strahlengang erschwert jedoch eine gleichzeitige Optimierung von Abbildungsqualität und Größe des Scanfeldes in der Fokusebene. Bei gegebener Austrittspupille ist neben der Abbildungsqualität jedoch vor allem die Größe des Scanfeldes ein wichtiges Kriterium für die mittels der optischen Anordnung durchzuführende Materialbearbeitung.
Hierbei wird daher vorgeschlagen, das F-Theta-Objektiv im divergenten Strahlengang des Laserstrahls anzuordnen. Das F-Theta-Objektiv wird in diesem Fall für den Betrieb im divergenten Strahlengang optimiert (endlich korrigiert). Aufgrund der Anordnung im divergenten Strahlengang ist die Fokusebene bzw. die Bildebene des F-Theta-Objektivs in Bezug auf die (nominelle) Brennebene verschoben, genauer gesagt befindet sich die Fokusebene im Strahlengang hinter der (bildseitigen) Brennebene des F-Theta-Objektivs. Die Brennebene des F-Theta-Objektivs ist im Abstand der Gesamtbrennweite vom F-Theta-Objektiv beabstandet. Das F-Theta-Objektiv weist genau drei im Strahlengang hintereinander angeordnete Linsen auf, und zwar: eine erste Linse mit negativer Brechkraft und mit einer ersten Brennweite f₁, die bevorzugt als Bikonkavlinse ausgebildet ist, eine zweite Linse mit positiver Brechkraft und mit einer zweiten Brennweite f₂, die bevorzugt als Plankonvexlinse oder als Konkav-Konvexlinse ausgebildet ist, sowie eine dritte Linse mit positiver Brechkraft und mit einer dritten Brennweite f₃, die bevorzugt als Plankonvexlinse oder als Bikonvexlinse ausgebildet ist. Ein solches Design des F-Theta-Objektivs mit drei Linsen hat sich für die Anordnung des F-Theta-Objektivs im divergenten Strahlengang als besonders vorteilhaft erwiesen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Fokusebene von der Brennebene in einem Abstand Δf angeordnet, für den gilt: 0,00018 / mm < Δf / f² < 0,0003 / mm, wobei f die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs bezeichnet. Die Erfinder haben erkannt, dass eine optimale Abbildungsqualität bei vergleichsweise großem Scanfeld realisiert werden kann, wenn das Verhältnis zwischen dem (relativen) Abstand Δf zur Gesamtbrennweite f (d.h. Δf / f) und der Gesamtbrennweite f einen annähernd konstanten Wert aufweist, der in dem oben genannten Wertebereich liegt. Dies gilt für einen großen Bereich von Gesamtbrennweiten von ca. 160 mm bis ca. 600 mm und ggf. darüber hinaus. In dem oben angegebenen, vergleichsweise schmalen Wertebereich für Δf / f² kann eine optimale Abbildungsqualität erreicht werden, die eine beugungsbegrenzte Abbildung für Grundmode-Laseranwendungen ermöglicht und die eine z.B. 2-Mal beugungsbegrenzte Abbildung für Multimode-Laseranwendungen ermöglicht. Die maximale Eintrittsapertur (bzw. der Durchmesser des Laserstrahls) eines solchen F-Theta-Objektivs liegt in der Regel bei nicht mehr als ca. 33 mm.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Anordnung eine optische Einrichtung zur Erzeugung des divergenten Strahlengangs, die bevorzugt eine Strahlaustrittsfläche zum divergenten Austritt des Laserstrahls und eine Kollimationseinrichtung umfasst, wobei die Strahlaustrittsfläche insbesondere in einem Abstand von der Kollimationseinrichtung angeordnet ist, der kleiner ist als eine Brennweite der Kollimationseinrichtung. Für die Erzeugung des divergenten Strahlengangs, in dem das F-Theta-Objektiv angeordnet ist, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten: Beispielsweise kann die optische Anordnung eine Strahlaustrittsfläche aufweisen, aus welcher der Laserstrahl divergent austritt. Eine solche Strahlaustrittsfläche kann beispielsweise an der Stirnseite einer Lichtleitfaser oder dergleichen gebildet sein. Bei einer herkömmlichen Scannereinrichtung ist die Strahlaustrittsfläche im Abstand der Brennweite von der Kollimationseinrichtung angeordnet, um den divergenten Laserstrahl zu kollimieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Strahlaustrittsfläche in einem Abstand von der Kollimationseinrichtung, beispielsweise einer Kollimationslinse, angeordnet, der kleiner ist als die Brennweite der Kollimationseinrichtung. Auf diese Weise wird der aus der Strahlaustrittsfläche austretende Laserstrahl von der Kollimationseinrichtung nicht vollständig kollimiert, sondern bleibt nach dem Durchlaufen der Kollimationseinrichtung weiterhin (geringfügig) divergent, so dass das F-Theta-Objektiv trotz des Vorhandenseins der Kollimationseinrichtung im divergenten Strahlengang des Laserstahls angeordnet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die optische Anordnung mindestens einen Scannerspiegel zur Ablenkung des Laserstrahls, der im - typischerweise divergenten - Strahlengang vor dem F-Theta-Objektiv angeordnet ist. Der bzw. die Scannerspiegel ist/sind typischer Weise in bzw. in der Nähe der Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs angeordnet. Bei der optischen Anordnung handelt es sich in diesem Fall um eine Scannervorrichtung. 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. Zwischen den Linsen des F-Theta-Objektivs und der Fokusebene bzw. dem Werkstück ist in der Regel ein (planparalleles) Schutzglas angeordnet.
Das F-Theta-Objektiv der optischen Anordnung weist drei Linsen auf. Als Material der Linsen wird aufgrund der hohen verwendeten Laserleistungen von z.B. mehr als 1 kW typischer Weise Quarzglas, beispielsweise synthetisches Quarzglas, verwendet, welches bei den hier verwendeten Laserwellenlängen in der Regel einen Brechungsindex von n =1,46 aufweist.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform genügt das Verhältnis der ersten bis dritten Brennweite f₁, f₂, f₃ zu einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs folgenden Bedingungen: $- 0,8 < f_{1} / f < - 0,2,$
$0,4 < f_{2} / f < 1,2,$
$0,4 < f_{3} / f < 1,2.$
Wie allgemein üblich bezeichnen die Brennweiten f₁ bis f₃ der drei Linsen den Abstand eines jeweiligen Brennpunkts von einer Hauptebene der jeweiligen Linse. Entsprechend bezeichnet die Gesamtbrennweite den Abstand der Brennebene von einer Ersatzhauptebene des F-Theta-Objektivs. Die Gesamtbrennweite ergibt sich aus der Anordnung bzw. den Dicken der drei Linsen in Verbindung mit ihren Luftabständen. Die drei Linsen sind derart ausgebildet, dass diese bezüglich ihrer Brennweiten eine „negativ-positiv-positiv“ Linsenfolge bilden. Es hat sich gezeigt, dass sich mit den oben angegebenen Brennweiten-Verhältnissen die Bedingung an das Verhältnis Δf / f² über einen großen Bereich der Gesamtbrennweite zwischen ca. 150 mm bzw. 160 mm und ca. 600 mm gut erfüllen lässt.
Bei einer Ausführungsform liegt die Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs bei mehr als 345 mm und alle Linsenflächen sind sphärisch ausgebildet. Die Erfinder haben herausgefunden, dass bei vergleichsweise großen Brennweiten keine asphärischen Linsenflächen benötigt werden, um die gewünschten Abbildungseigenschaften des F-Theta-Objektivs, d.h. eine möglichst beugungsbegrenzte Abbildung bei einem vergleichsweise großen Scanfeld, zu erzeugen.
Bei einer alternativen Ausführungsform liegt die Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs bei 345 mm oder weniger (in der Regel bei mindestens 160 mm) und die dritte Linse weist mindestens eine asphärische Linsenfläche auf. Durch die asphärische Linsenfläche kann die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs gegenüber herkömmlichen F-Theta-Objektiven mit drei Linsen reduziert werden, indem die asphärische Linsenfläche mit einer typischerweise 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.
Bei einer Weiterbildung liegt die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs bei mindestens 160 mm.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegt ein Luftabstand a zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse des F-Theta-Objektivs zwischen 0 mm und 20 mm. Bei einem F-Theta-Objektiv, welches (genau) drei Linsen aufweist, wir der Luftabstand zwischen der ersten und der zweiten Linse in Abhängigkeit von der Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs festgelegt, wobei der Abstand a mit abnehmender Gesamtbrennweite zunimmt, d.h. der größte Abstand von ca. 20 mm entspricht der kürzesten Gesamtbrennweite.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die optische Anordnung, insbesondere die Scannervorrichtung, zum Betrieb mit einem Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm, und/oder zum Betrieb mit einem Laserstrahl mit einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 440 nm und 650 nm, ausgebildet.
Der Abstand a zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse ist zusätzlich auch von der Wellenlänge des Laserstrahls abhängig, welcher das F-Theta-Objektiv durchläuft. Das F-Theta-Objektiv mit den weiter oben beschriebenen Parametern ist für Laserstrahlung im IR-Wellenlängenbereich optimiert. In diesem Fall kann bei einem Grundmode-Laserstrahl bis zu einer Eintrittspupille von ca. 22 mm eine beugungsbegrenzte Abbildung realisiert werden. Bis zu einer Eintrittspupille von 33 mm kann eine 2-fach beugungsbegrenzte Abbildung realisiert werden.
Das F-Theta-Objektiv kann aber auch für Laserstrahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich, beispielsweise zwischen ca. 440 nm und 650 nm, eingesetzt werden. In diesem Fall wird typischerweise der Luftabstand a zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse gegenüber dem Fall, dass der Laserstrahl eine Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich aufweist, um ca. 10% (maximal ca. 2,5 mm) verkürzt. Ein gewünschter Abstand a kann durch die Wahl von in axialer Richtung geeignet dimensionierten Fassungen für die erste Linse bzw. für die zweite Linse eingestellt werden. Durch die Anpassung, genauer gesagt die Reduzierung, des Luftabstands zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse kann auch in bei einer Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich eine nahezu beugungsbegrenzte Abbildung erreicht werden.
Um eine möglichst gute Entspiegelung zu erreichen, ist typischer Weise auf alle Linsenflächen sowie ggf. auf ein Schutzglas eine Antireflex-Beschichtung aufgebracht, die zumindest bei der Wellenlänge des Laserstrahls, mit dem das F-Theta-Objektiv betrieben wird, die Reflektivität der jeweiligen Linsenflächen auf weniger als ca. 0,5 % reduziert. Derartige Antireflex-Beschichtungen sind dem Fachmann bekannt, so dass deren Aufbau hier nicht näher beschrieben wird.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann das F-Theta-Objektiv bei mindestens einer ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm, und bei mindestens einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 440 nm und 650 nm, betrieben werden. Auch in diesem Fall hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Linsen eine jeweilige Antireflex-Beschichtung aufweisen, die zur Unterdrückung von Reflexionen in einem einzigen Wellenlängenbereich bzw. für eine einzige Wellenlänge ausgebildet ist, welcher der Wellenlänge des Laserstrahls entspricht, mit dem die optische Anordnung betrieben wird. Eine solche Antireflex-Beschichtung weist für die Laserwellenlänge typischerweise eine stärkere reflexionsunterdrückende Wirkung auf als eine Antireflex-Beschichtung, die zur Unterdrückung von Reflexionen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen ausgebildet ist. Dies ist insbesondere für den Fall günstig, dass der Laserstrahl eine besonders hohe Laserleistung aufweist. Bei der Herstellung eines für eine jeweilige Wellenlänge optimierten F-Theta-Objektivs können dieselben Linsen-Rohlinge verwendet werden, auf die eine für die jeweilige Wellenlänge optimierte Antireflex-Beschichtung aufgebracht wird.
Alternativ ist es möglich, dass die Linsen eine Antireflex-Beschichtung aufweisen, die sowohl zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer ersten Wellenlänge im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm, als auch zur Unterdrückung von Reflexionen bei mindestens einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 440 nm und 650 nm, ausgebildet ist.
Generell gilt, dass durch die geringe Krümmung der Linsen des F-Theta-Objektivs mit drei Linsen keine Einschränkungen hinsichtlich der Entspiegelung bestehen. Die gegebenen großen Randdicken der Linsen ermöglichen zudem eine sichere Montage.
Das F-Theta-Objektiv ist typischerweise aufgrund des großen Scanfelds als bildseitig nicht-telezentrisches Objektiv ausgebildet, d.h. der Telezentriefehler (max. Winkel zwischen Hauptstrahl und optischer Achse) liegt typischerweise bei weniger als 14°.
Die weiter oben beschriebene optische Anordnung bzw. die Scannervorrichtung ist universell für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Die optische Anordnung kann beispielsweise sowohl mit einem Laserstrahl betrieben werden, der von einer Grundmode-Laserquelle erzeugt wird, als auch mit einem Laserstrahl, der von einer Multimode-Laserquelle erzeugt wird. Wie dies weiter oben beschrieben wurde, ist auch die Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen möglich.
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:

1a eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit einem F-Theta-Objektiv, welches im kollimierten Strahlengang angeordnet ist und einen Laserstrahl in eine Brennebene fokussiert,
1b eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit einem F-Theta-Objektiv, welches im divergenten Strahlengang angeordnet ist und einen Laserstrahl in eine von der Brennebene in einem Abstand Δf beabstandete Fokusebene fokussiert,
2 eine schematische Darstellung des Verhältnisses des Abstands Δf zur Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs in Abhängigkeit von der Gesamtbrennweite f, 3 eine schematische Darstellung einer Scannervorrichtung mit dem im divergenten Strahlengang angeordneten F-Theta-Objektiv von 1b,
4a,b schematische Darstellungen eines F-Theta-Objektivs mit drei Linsen bei zwei unterschiedlichen Brennweiten,
5a,b schematische Darstellungen von Spot-Matrix-Diagrammes der mittels des F-Theta-Objektivs von 4a,b erzeugten Fokusspots bei unterschiedlichen Scanwinkeln,

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a,b zeigen stark schematisch eine optische Anordnung 1, welche eine Kollimationseinrichtung in Form einer einzelnen Kollimationslinse 2 sowie ein F-Theta-Objektiv 3 aufweist. Das F-Theta-Objektiv 3 ist in 1a,b schematisch in Form einer einzigen Linse dargestellt, weist in der Realität aber mindestens zwei Linsen auf, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Bei dem in 1a gezeigten Beispiel der optischen Anordnung 1 ist das F-Theta-Objektiv 3 im kollimierten Strahlengang 4' eines Laserstrahls 5 angeordnet, der von der Kollimationslinse 2 erzeugt wird. Das F-Theta-Objektiv 3 fokussiert den Laserstrahl 5 in einer Brennebene BE, die im Abstand der Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 3 zum F-Theta-Objektiv 3 angeordnet ist. Eine im Wesentlichen punktförmige Strahlaustrittsfläche 6, aus welcher der Laserstrahl 5 divergent austritt, ist im Abstand der Brennweite f_K der Kollimationslinse 2 zur Kollimationslinse 2 angeordnet und erzeugt den kollimierten Strahlengang 4' des Laserstrahls 5.
Bei der in 1a gezeigten optischen Anordnung 1, bei welcher das F-Theta-Objektiv 3 im kollimierten Strahlengang 4' angeordnet ist, besteht das Problem, dass insbesondere bei einem Grundmode-Laserstrahl 5, der eine Beugungsmaßzahl von M² < 10 aufweist, d.h. bei einem Laserstrahl, der von einer Grundmode-Laserquelle erzeugt wird, vor allem im Randbereich des Scanfeldes vergleichsweise große Aberrationen auftreten, so dass die optische Anordnung 1 nur eingeschränkt oder mit einer größeren Anzahl von Linsen einsetzbar ist.
Bei der in 1b gezeigten optischen Anordnung 1 ist das F-Theta-Objektiv 3 im divergenten Strahlengang 4 der optischen Anordnung 1 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird aufgrund der Anordnung des F-Theta-Objektivs 3 im divergenten Strahlengang 4 nicht in der Brennebene BE, sondern in einer Fokusebene FE fokussiert, die von der Brennebene BE in einem Abstand Δf angeordnet ist. Die Fokusebene FE ist um den Abstand Δf weiter vom F-Theta-Objektiv 3 beabstandet als die Brennebene BE.
Für die Erzeugung des divergenten Strahlengangs 4 dient bei der in 1b gezeigten optischen Anordnung 1 eine optische Einrichtung 7, welche die Strahlaustrittsfläche 6 und die Kollimationslinse 2 umfasst. Bei dem in 1b gezeigten Beispiel ist die Strahlaustrittsfläche 6 in einem Abstand f_K- Δf_K von der Kollimationslinse 2 angeordnet, der um einen Betrag Δf_K kleiner ist als die Brennweite f_K der Kollimationslinse 2. Entsprechend wird der an der Strahlaustrittsfläche 6 austretende Laserstrahl 5 an der Kollimationslinse 2 nicht vollständig kollimiert, sondern es wird der divergente Strahlengang 4 erzeugt, in dem das F-Theta-Objektiv 3 angeordnet ist. Es versteht sich, dass die in 1b dargestellte optische Einrichtung 7 zur Erzeugung eines divergenten Strahlengangs 4 des Laserstrahls 5 auf eine Vielzahl von Arten realisiert werden kann und keinesfalls auf das in 1b dargestellte Beispiel beschränkt ist. Bei der Strahlaustrittsfläche 6 kann es sich um die Stirnseite einer Lichtleitfaser handeln, aber auch um eine andere Fläche, aus welcher der Laserstrahl 5 divergent austritt. Abhängig von der Art der optischen Anordnung 1 kann die optische Einrichtung 7 nur aus der Strahlaustrittsfläche 6 bestehen, aus welcher der Laserstrahl 5 divergent austritt.
Für den Fall, dass das F-Theta-Objektiv 3 in einer Scannervorrichtung 1 verwendet wird, hat sich ein vergleichsweise kleines Intervall für das Verhältnis des Abstandes Δf zur Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 3 als besonders günstig herausgestellt, um bei einem möglichst großen Scanfeld (bzw. bei möglichst großen Scanwinkeln θ) eine möglichst hohe Abbildungsqualität, idealerweise eine möglichst beugungsbegrenzte Abbildung, zu realisieren:

Wie in 2 zu erkennen ist, liegen die optimalen Werte für das Verhältnis Δf / f in Abhängigkeit von der Gesamtbrennweite f (annähernd) auf einer Geraden, d.h. der Quotient Δf / f² ist über einen vergleichsweise großen Wertebereich der Gesamtbrennweite f zwischen ca. 150 mm und ca. 500 mm näherungsweise konstant. Eine optimale Abbildungsqualität des F-Theta-Objektivs 3 wird erreicht, wenn für den Quotienten Δf / f² gilt: 0,00018 / mm < Δf / f² < 0,0003 / mm.

Bei der optischen Anordnung 1 von 1b kann es sich um eine Scannervorrichtung 1 zur Materialbearbeitung handeln, beispielsweise zum Laserschweißen oder zum Laserschneiden. Eine solche Scannervorrichtung 1 wird nachfolgend anhand von 3 beschrieben. Die Scannervorrichtung 1 weist eine Lichtleitfaser 8 auf, die eine Stirnseite aufweist, die als Strahlaustrittsfläche 6 dient und aus welcher der Laserstrahl 5 divergent und mit hoher Strahlleistung (> 1 kW) austritt. Wie weiter oben in Zusammenhang mit 1b beschrieben wurde, ist der Abstand f_K - Δf_K zwischen der Strahlaustrittsfläche 6 und der Kollimationslinse 2 kleiner als die Brennweite f_K der Kollimationslinse 2, so dass der Laserstahl 5 von der Kollimationslinse 2 nicht vollständig kollimiert wird und auch nach der Kollimationslinse 2 einen divergenten Strahlengang 4 aufweist.
Der Laserstrahl 5 wird an einem Umlenkspiegel 9 um 90° umgelenkt und tritt über eine Eintrittsapertur in einen Scannerkopf 10 ein. Im Scannerkopf 10 trifft der Laserstrahl 5 zuerst auf einen planaren X-Scannerspiegel 11, welcher den Strahl in X-Richtung auf einen planaren Y-Scannerspiegel 12 umlenkt, der den Laserstrahl 5 weiter in Y-Richtung ablenkt. Der X-Scannerspiegel 11 und der Y-Scannerspiegel 12 sind an Galvanometern befestigt, d.h. diese können gedreht bzw. verkippt werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt den Ablenkwinkel des jeweiligen Scannerspiegels 11, 12 und dadurch die Position des Laserstrahls 5 im Bildfeld bzw. in der Fokusebene FE. Der Laserstrahl 5 verlässt den Scannerkopf 10 durch eine Austrittsöffnung, an der das F-Theta-Objektiv 3 angebracht ist, welches den Laserstrahl 5 auf die Fokusebene FE fokussiert, in der beim Betrieb der Scannervorrichtung 1 ein zu bearbeitendes Werkstück angeordnet ist. Ein plattenförmiges Schutzglas SG schützt das F-Theta-Objektiv 3 vor Verschmutzung. An Stelle von zwei Scannerspiegeln 11, 12 kann die Scannervorrichtung 1 einen einzigen Scannerspiegel aufweisen, der um zwei Drehachsen verkippbar ist.
Wie in 1b ist auch in 3 die Fokusebene FE in einem Abstand Δf von der Brennebene BE des F-Theta-Objektivs 3 angeordnet, wobei die oben angegebene Bedingung für Δf / f² erfüllt ist.
Das in 1b und in 3 dargestellte, im divergenten Strahlengang 4 des Laserstrahls 5 angeordnete F-Theta-Objektiv 3 kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Das F-Theta-Objektiv 3 kann insbesondere zwei, drei oder vier Linsen L1, L2, L3, L4 aufweisen. In den nachfolgend beschriebenen Figuren ist das F-Theta-Objektiv 3 zur Vereinfachung der Darstellung jeweils im kollimierten Strahlengang dargestellt.
In 4a,b ist ein Beispiel für ein F-Theta-Objektiv 3 gezeigt, welches genau drei Linsen L1, L2, L3 aufweist: Die erste Linse L1 ist eine Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft, d.h. mit einer ersten Brennweite f₁, für die gilt: f₁ < 0. Die zweite Linse L2 hat eine zweite Brennweite f₂ und eine positive Brechkraft (f2 >0). Die dritte Linse L3 weist eine dritte Brennweite f₃ und eine positive Brechkraft auf (f₃ > 0). Die zweite Linse L2 ist bei dem in 4a,b dargestellten Beispiel eine Plankonvexlinse, es kann sich bei der zweiten Linse L2 aber auch um eine Konkav-Konvexlinse handeln. Die dritte Linse L3 ist bei dem in 4a,b gezeigten Beispiel eine Bikonvexlinse, es kann sich bei der dritten Linse L3 aber auch um eine Plankonvexlinse handeln, bei der die im Strahlweg vordere Linsenfläche plan ausgebildet ist.
Für das Verhältnis der ersten bis dritten Brennweiten f₁, f₂, f₃ der drei Linsen L1, L2, L3 zur Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 3 gilt bei dem in 4a,b gezeigten Beispiel: $- 0,8 < f_{1} / f < - 0,2,$
$0,4 < f_{2} / f < 1,2,$
$0,4 < f_{3} / f < 1,2.$
Die weiter oben angegebenen Bedingungen für die drei Brennweiten f₁, f₂, f₃ haben sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das F-Theta-Objektiv 3 im divergenten Strahlengang 4 angeordnet ist.
Das in 4a gezeigte F-Theta-Objektiv 3 weist eine Gesamtbrennweite f von 265 mm auf. Bei dieser Gesamtbrennweite f bzw. allgemein bei Brennweiten f, die zwischen ca. 160 mm und ca. 345 mm liegen, handelt es sich bei der im Strahlweg ersten, der zweiten Linse L2 zugewandten Linsenfläche 13 der dritten Linse L3 um eine asphärische Linsenfläche 13. Die asphärische Linsenfläche 13 dient zur Reduzierung von Abbildungsfehlern bei vergleichsweise geringen Gesamtbrennweiten f des F-Theta-Objektivs 3 von 345 mm oder weniger.
Das in 4b gezeigte F-Theta-Objektiv 3 weist demgegenüber eine größere Gesamtbrennweite f von 450 mm auf und benötigt keine asphärische Linsenfläche 13. Entsprechend sind bei dem F-Theta-Objektiv 3 von 4b alle Linsenflächen der drei Linsen L1, L2, L3 sphärisch ausgebildet. Das in 4b gezeigte Design mit drei sphärischen Linsen L1, L2, L3 kann über einen vergleichsweise großen Wertebereich der Gesamtbrennweite f bis zu ca. 600 mm oder darüber verwendet werden.
5a,b zeigen Spot-Matrix-Diagramme der mittels des in 4a,b gezeigten F-Theta-Objektivs 3 erzeugten Abbildung. In den Diagrammen ist jeweils das Airy-Scheibchen als gestrichelter Kreis dargestellt. Bei dem in 5a gezeigten Beispiel liegt der Airy-Radius bei ca. 22,85 µm, bei dem in 5b gezeigten Beispiel bei ca. 7,4 µm. Die zehn in einer jeweiligen Reihe dargestellten Spot-Matrix-Diagramme entsprechen unterschiedlichen Winkel-Einstellungen der beiden Scannerspiegel 11, 12, wobei das am weitesten links dargestellte Spot-Matrix-Diagramm einem senkrechten Einfall auf die Fokusebene FE entspricht (beide Scanwinkel θ_x bzw. θ_Y =0), während bei den anderen Spot-Diagrammen der jeweilige erste und/oder zweite Scannerspiegel 11, 12 um einen Scanwinkel θ_x bzw. θ_Y von bis zu 9° ausgelenkt ist.
Das F-Theta-Objektiv 3 mit den oben angegebenen Parametern ist für eine Wellenlänge λ₁ (vgl. 3) des Laserstrahls 5 optimiert, die im IR-Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 1100 nm, z.B. bei 1075 nm, liegt. Für diesen Wellenlängenbereich und eine maximale Eintrittspupille von 22 mm (Durchmesser des Laserstrahls 5 in der Eintrittspupillenebene) erzeugt das F-Theta-Objektiv 3 eine 1/e beugungsbegrenzte Abbildung, wie sich anhand der in 5a gezeigten Spot-Diagramme ergibt, bei denen keine Spots außerhalb des Airy-Scheibchens liegen.
Das F-Theta-Objektiv 3 mit den oben angegebenen bzw. mit geeignet modifizierten Parametern kann auch mit einem Laserstrahl 5 bei einer zweiten Wellenlänge λ₂ verwendet werden, welche im sichtbaren Wellenlängenbereich, genauer gesagt im Bereich zwischen 440 nm und 650 nm, z.B. bei 515 nm, liegt. In diesem Fall sowie für eine Wellenlänge λ₁ im IR-Wellenlängenbereich kann der Durchmesser des Laserstrahls 5 in der Eintrittspupillenebene auf ca. 33 mm vergrößert werden und dennoch eine doppelt beugungsbegrenzte Abbildung realisiert werden, wie dies für diesen Fall in 5b dargestellt ist.
Der in 4a,b dargestellte Luftabstand a zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 liegt bei den hier beschriebenen Beispielen jeweils zwischen 0 mm und 20 mm, wobei der größte Luftabstand a bei der kleinsten hier beschriebenen Gesamtbrennweite f (hier: 160 mm) verwendet wird. Bei gegebener Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 3 hängt der Luftabstand a zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 von der Wellenlänge λ₁, λ₂ des Laserstrahls 5 ab: Für den Fall, dass die Wellenlänge λ₂ des Laserstrahls 5 im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen ca. 440 nm und ca. 650 nm liegt, wird der Luftabstand a um ca. 5% oder ggf. um ca. 10% kleiner (in der Regel nicht mehr als ca. 2,5 mm kleiner) gewählt als für den Fall, dass die Wellenlänge λ₁ des Laserstrahls 5 im IR-Wellenlängenbereich zwischen 900 nm und 1100 nm liegt. Das in 5b dargestellte Spot-Diagramm wurde mit einem reduzierten Luftabstand a zwischen der ersten Linse L1 und der zweiten Linse L2 berechnet.
Um eine ausreichende Entspiegelung der Linsen L1 bis L3 sowie des Schutzglases SG zu erreichen, ist auf den Linsenflächen der drei Linsen L1 bis L3 sowie auf den beiden Seiten des planparallelen Schutzglases SG jeweils eine Antireflex-Beschichtung aufgebracht. Die Antireflex-Beschichtung ist schmalbandig, d.h. diese ist zur Unterdrückung von Reflexionen entweder bei der ersten Wellenlänge λ₁ oder bei der zweiten Wellenlänge λ₂ ausgebildet. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn der Laserstrahl 5 eine besonders hohe Leistung aufweist.
Bei der Antireflex-Beschichtung handelt es sich typischer Weise um eine MehrlagenBeschichtung mit mehreren Schichten mit alternierend hohem und niedrigem Brechungsindex, um eine destruktive Interferenz für die jeweilige Wellenlänge λ₁, λ₂ zu erzeugen. Die auf das Quarzglas-Material aufgebrachte Antireflex-Beschichtung kann beispielsweise für die erste bzw. für die zweite Wellenlänge λ₁, λ₂ eine Reflektivität von weniger als 0,5 % aufweisen. Die Scannervorrichtung 1 wird in diesem Fall nur mit genau einer (nicht bildlich dargestellten) Laserquelle, insbesondere mit einer Grundmode-Laserquelle, betrieben, welche einen Laserstrahl 5 mit der jeweiligen Wellenlänge λ₁ oder λ₂ erzeugt.
Alternativ zur Verwendung einer schmalbandigen Antireflex-Beschichtung kann auf die Linsenflächen der drei Linsen L1 bis L3 sowie auf das Schutzglas SG eine Antireflex-Beschichtung aufgebracht werden, die sowohl zur Unterdrückung von Reflexionen bei der ersten Wellenlänge λ₁ als auch zur Unterdrückung von Reflexionen bei der zweiten Wellenlänge λ₂ optimiert ist.
Bei allen weiter oben beschriebenen Beispielen handelt es sich bei dem Material der Linsen L1 bis L4 sowie beim Material des Schutzglases SG um (synthetisches) Quarzglas, das für Laserstrahlung bei Leistungen von mehr als 1 kW beständig ist.

Claims

Optische Anordnung, insbesondere Scannervorrichtung (1), für einen Laserstrahl (5), umfassend: ein F-Theta-Objektiv (3), wobei das F-Theta-Objektiv (3) in einem divergenten Strahlengang (4) der optischen Anordnung (1) angeordnet ist, um den Laserstrahl (5) in eine Fokusebene (FE) zu fokussieren, die von einer Brennebene (BE) des F-Theta-Objektivs (3) beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das F-Theta-Objektiv (3) genau drei im Strahlengang (4) hintereinander angeordnete Linsen (L1 bis L3) aufweist, und zwar: eine erste Linse (L1) mit negativer Brechkraft und mit einer ersten Brennweite f₁, die als Bikonkavlinse ausgebildet ist, eine zweite Linse (L2) mit positiver Brechkraft und mit einer zweiten Brennweite f2, die als Plankonvexlinse oder als Konkav-Konvexlinse ausgebildet ist, eine dritte Linse (L3) mit positiver Brechkraft und mit einer dritten Brennweite f₃, die als Plankonvexlinse oder als Bikonvexlinse ausgebildet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher die Fokusebene (FE) von der Brennebene (BE) in einem Abstand Δf angeordnet ist, für den gilt: $0,00018 / mm < Δ f / f^{2} < 0,0003 / mm,$
wobei f die Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs (3) bezeichnet.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend: eine optische Einrichtung (7) zur Erzeugung des divergenten Strahlengangs (4), die bevorzugt eine Strahlaustrittsfläche (6) zum divergenten Austritt des Laserstrahls (5) und eine Kollimationseinrichtung (2) umfasst, wobei die Strahlaustrittsfläche (6) insbesondere in einem Abstand (f_K- Δf_K) von der Kollimationseinrichtung (2) angeordnet ist, der kleiner ist als eine Brennweite (f_K) der Kollimationseinrichtung (2).
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: mindestens einen Scannerspiegel (11, 12) zur Ablenkung des Laserstrahls (5), der im Strahlengang (4) vor dem F-Theta-Objektiv (3) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, bei dem das Verhältnis der ersten bis dritten Brennweite f₁, f₂, f₃ zu einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs (3) folgenden Bedingungen genügt: $- 0,8 < f_{1} / f < - 0,2,$
$0,4 < f_{2} / f < 1,2,$
$0,4 < f_{3} / f < 1,2.$
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, bei der die Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs (3) bei mehr als 345 mm liegt und bei der alle Linsenflächen sphärisch ausgebildet sind.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, bei der die Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs (3) bei 345 mm oder weniger liegt und bei der die dritte Linse (L3) mindestens eine asphärische Linsenfläche (13) aufweist.
Optische Anordnung nach Anspruch 7, bei der die dritte Linse (L3) als Bikonvexlinse ausgebildet ist und die asphärische Linsenfläche (13) an einer der zweiten Linse (L2) zugewandten Seite der dritten Linse (L3) gebildet ist.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Gesamtbrennweite (f) des F-Theta-Objektivs (3) bei mindestens 160 mm liegt.
Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 5 bis 9, bei der ein Luftabstand (a) zwischen der ersten Linse (L1) und der zweiten Linse (L2) des F-Theta-Objektivs (3) zwischen 0 mm und 20 mm liegt.
Optische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zum Betrieb mit einem Laserstrahl (5) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) im IR-Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 900 nm und 1100 nm, und/oder zum Betrieb mit einem Laserstrahl (5) mit einer zweiten Wellenlänge (λ₂) im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt zwischen 440 nm und 650 nm, ausgebildet ist.