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Die
Erfindung betrifft ein F/theta-Objektiv zur Formung eines ebenen
Bildfeldes sowie eine Scannervorrichtung mit einem solchen Objektiv.
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In
der Materialbearbeitung mit Hochleistungslasern werden zunehmend
Scannervorrichtungen zur schnellen Positionierung des Leiserstrahls eingesetzt.
Sofern die Strahlablenkung mit Scannerspiegeln im (annähernd) kollimierten
Strahl erfolgt, wird zur Fokussierung ein so genanntes F/theta-Objektiv
eingesetzt, das sich insbesondere durch ein großes, planes Bildfeld auszeichnet.
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Im
Bereich bis etwa 1 kW mittlere Laserleistung sind solche F/theta-Objektive üblicherweise
aus ca. 6 sphärischen
Linsen aus verschiedenen, auch hochbrechenden Gläsern zusammengesetzt. Diese Objektive
sind typischerweise für
Beschriftungsanwendungen optimiert, d.h. sie weisen eine sehr hohe (nahe
beugungsbegrenzte) Abbildungsqualität, aber nur eine mäßige Leistungsverträglichkeit
auf. Im Bereich oberhalb 100–200
W mittlerer Leistung treten typischerweise eine deutliche Fokusverschiebung sowie
eine thermisch bedingte Verschlechterung der Abbildungsqualität auf. Oberhalb
von etwa 1 kW mittlerer Leistung sind die gebräuchlichen F/theta-Objektive
entweder nur sehr bedingt oder überhaupt
nicht zur Materialbearbeitung einsetzbar, da starke Einbußen in der
Fokussierbarkeit der Strahlung und Beschädigungen durch Überhitzung
der Linsen auftreten. Alternativ werden in Scannervorrichtungen Strahlführungssysteme
mit Strahlablenkung im fokussierten Strahl eingesetzt, bei denen
die Anforderungen an das Objektiv geringer sind. Allerdings wird dabei
der nutzbare Arbeitsabstand durch die Scannerspiegel erheblich reduziert.
Das Bildfeld ist in diesem Fall stark sphärisch gekrümmt, was üblicherweise durch eine z-Verstellung
des Objektivs ausgeglichen wird. Bei großen Arbeitsabständen sind – abhängig von
der numerischen Apertur des fokussierten Strahls – die erforderlichen
Scannerspiegel sehr groß,
wodurch ihre Dynamik eingeschränkt
wird.
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Aus
der
US 6,396,616 B1 ist
ein Laser-Abbildungssystem bekannt, welches einen Scannerspiegel
und ein F/theta-Objektiv mit einer sphärischen, einer asphärischen
und einer torischen Linse aufweist, das zur Erhöhung der optischen Strahlleistung
als verkleinernde Linse wirkt.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein F/theta-Objektiv
bereitzustellen, welches gegenüber
konventionellen F/theta-Objektiven in Gewicht und Größe reduziert
ist und welches insbesondere auch bei hohen Leistungsdichten betrieben
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Objektiv mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei im Strahlweg
hintereinander angeordnete Linsen aufweist, die bei einer Laserstrahlungsleistung
von mehr als 1 kW beständig
sind, wobei mindestens eine Linse eine oder zwei asphärische Linsenflächen aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein
für Hochleistungsanwendungen
besonders geeignetes F/theta-Objektiv dadurch erzielt, dass die Anzahl
der verwendeten Linsen auf das für
die Anwendung erforderliche Mindestmaß (vorzugsweise genau zwei)
reduziert wird. Um die Anzahl der Linsen bei der geforderten Abbildungsqualität minimieren
zu können,
wird mindestens eine asphärische
Linsenfläche
verwendet. Asphärische
Linsenflächen
weisen im Vergleich zu sphärischen
Flächen
zusätzliche Freiheitsgrade
auf, mit deren Hilfe insbesondere Abbildungsfehler höherer Ordnung,
die besonders bei großen
Scanwinkeln ins Gewicht fallen, kompensiert werden können. Hierbei
wird auf eine vollständige Ebnung
des Bildfeldes verzichtet; stattdessen wird eine sog. Ebnung im
Mittel durchgeführt,
d.h. es verbleibt ein vom Ablenkwinkel abhängiger Astigmatismus im fokussierten
Strahl.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
besteht zumindest eine, vorzugsweise alle Linsen aus synthetischem
Quarzglas. Die Auswahl der optischen Materialien für die Linsen
erfolgt insbesondere unter den Aspekten geringe Absorption, geringe
thermooptische Effekte und hohe Belastbarkeit. Das bevorzugte Material
für den
UV/VIS/NIR-Bereich (ca. 170 nm – 3 μm) ist synthetisches
Quarzglas. Nachteilig ist der niedrige Brechungsindex (n ~ 1,45) von
Quarzglas, was – im
Vergleich zu hochbrechenden optischen Gläsern (n ~ 1,65 – 1,85),
wie sie in üblichen
F/theta-Objektiven verwendet werden – zu stärker gekrümmten Oberflächen und
somit i.A. zu höheren
Abbildungsfehlern sowie erhöhten
Verlusten an den Antireflex-Beschichtungen führt. Weiterhin lässt sich
bei ausschließlicher
Verwendung nur einer Glassorte (z.B. Quarzglas) kein achromatisches
Objektiv realisieren. Die Dispersion von Quarzglas im VIS- und NIR-Bereich
ist jedoch ausreichend gering, so dass die z.B. bei koaxialer Beobachtung
durch das Objektiv hindurch auftretenden chromatischen Fehler in
einem akzeptablen Rahmen bleiben. Selbstverständlich können auch andere optische Materialien, welche
geringe Absorption, geringe thermooptische Effekte und eine hohe
thermische Belastbarkeit aufweisen (z. B. YAG oder Saphir), als
Linsenmaterial zum Einsatz kommen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die im Strahlweg erste Linse eine vorzugsweise sphärische Meniskuslinse.
Die Meniskuslinse ist vorzugsweise objektseitig so stark wie möglich, d.h.
annähernd
halbkugelförmig,
konkav gekrümmt, um
bei möglichst
geringer Linsendicke eine Ebnung des Bildfeldes (im Mittel) durch
Strahlaufweitung zu ermöglichen.
Die zweite Seite der Meniskuslinse ist vorzugsweise annähernd konzentrisch
zur ersten, so dass sich insgesamt eine geringe (negative) Brechkraft
ergibt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die im Strahlweg
zweite Linse eine Fokussierlinse mit einer asphärischen Linsenfläche. Die asphärische Fokussierlinse
kann als Plankonvexlinse, Meniskuslinse oder als Bikonvexlinse ausgeführt sein
und bewirkt die Fokussierung des Strahls sowie die Minimierung von
sphärischer
Aberration, Astigmatismus und Fehlern höherer Ordnung. Durch die Brechkraft
der Fokussierlinse wird außerdem
die Brennweite des Objektivs festgelegt.
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Eine
erfindungsgemäße Scannervorrichtung zur
Materialbearbeitung mit einem Laserstrahl umfasst mindestens einen
planaren Scannerspiegel zur Ablenkung des Laserstrahls und ein in
Strahlengang nachfolgend angeordnetes F/theta Objektiv wie oben beschrieben
und kann insbesondere bei Strahlungsleistungen eines Lasers über 1 kW
betrieben werden.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im Strahlweg
vor dem F/theta-Objektiv eine
Wellenfrontkorrektur-Optik angeordnet. Hierdurch kann eine zur Minimierung
der erforderlichen Linsenanzahl im F/theta-Objektiv beitragende,
erste Korrektur der Wellenfront der zu fokussierenden Strahlung
bereits vor den Scannerspiegeln vorgenommen werden.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Wellenfrontkorrektur-Optik
eine Kollimationslinse mit einer oder zwei asphärischen Linsenflächen auf. Üblicherweise
ist eine sphärische
Kollimationslinse in der Scannervorrichtung zur Kollimation des
aus einer Lichtleitfaser austretenden divergenten Strahls vorgesehen.
Die asphärische
Kollimationslinse ersetzt diese konventionelle Kollimationslinse,
die lediglich einen bestmöglichen
Parallelstrahl erzeugen soll. Neben der Kollimation übernimmt
diese Linse auch eine Feinkorrektur der Wellenfronten, die im Zusammenspiel
mit den beiden Linsen des F/theta-Objektivs eine im Mittel über den
Scanbereich bessere Abbildungsqualität ermöglicht, als dies mit einer
konventionellen Kollimationslinse möglich wäre. Die asphärische Kollimationslinse übernimmt
unter anderem einen Teil der Korrektur der sphärischen Aberrationen.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Wellenfrontkorrektur-Optik
eine Phasenkorrekturplatte auf, welche zur Wellenfrontkorrektur
dient. Diese kann z.B. mit einer konventionellen, sphärischen
Kollimationslinse kombiniert werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale
je für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu
verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen F/theta-Objektivs;
und
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2 einen
Längsschnitt
durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Scannervorrichtung
mit dem F/theta-Objektiv von 1.
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Das
in 1 gezeigte F/theta-Objektiv 1 umfasst
eine Meniskuslinse 2 und eine Fokussierlinse 3, welche
in einer Linsenfassung 4 angebracht sind, die in einem
Objektivgehäuse 5 angeordnet
ist.
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Die
Meniskuslinse 2 weist objektseitig eine annähernd halbkugelförmig konkav
gekrümmte
erste Linsenfläche 6 auf,
um bei möglichst
geringer Linsendicke eine Ebnung des Bildfeldes (im Mittel) durch Strahlaufweitung
zu ermöglichen.
Die zweite, bildseitige Linsenfläche 7 der
Meniskuslinse 2 ist annähernd
konzentrisch zur ersten Linsenfläche 6,
so dass sich insgesamt eine geringe (negative) Brechkraft ergibt.
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Die
Fokussierlinse 3 ist eine Bikonvexlinse mit einer sphärischen
Linsenfläche 8 und
einer asphärischen
Linsenfläche 9.
Die Fokussierlinse 3 bewirkt die Fokussierung eines in 1 nicht
bildlich dargestellten Laserstrahls unter Minimierung von sphärischer
Aberration, Astigmatismus und Fehlern höherer Ordnung durch Ausnutzung
zusätzlicher Freiheitsgrade,
welche durch die asphärische
Linsenfläche 8 bewirkt
werden. Durch die Brechkraft der Fokussierlinse 3 wird
die Brennweite des F/theta-Objektivs 1 festgelegt.
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Das
F/theta-Objektiv
1 umfasst weiterhin eine bildseitig angebrachte
Halterung
10 für
ein Schutzglas
11, welche auf das Gehäuse
5 des Objektivs
1 aufgeschnappt
werden kann, wie im eingetragenen Gebrauchsmuster
DE 20 2004 019 487.2 der Anmelderin
näher beschrieben.
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Die
Meniskuslinse 2 und die Fokussierlinse 3 bestehen
aus wasserfreiem, synthetischen Quarzglas, wodurch eine sehr geringe
Absorption der Laserstrahlung und eine geringe Wärmeausdehnung des Linsensystems
unter gleichzeitiger Steigerung der Leistungsverträglichkeit
des Objektivs 1 auf mindestens 4–6 kW erreicht wird. Weiterhin
lassen sich mit der gezeigten Bauform große Gewichts- und Größeneinsparungen gegenüber einem konventionellen F/theta-Objektiv
mit einer typischerweise größeren Linsenanzahl
erreichen. Aufgrund der minimierten Komponentenzahl ist das optische
System trotz Verwendung von im Vergleich zu sphärischen Linsen weniger kostengünstigen
Asphären
insgesamt dennoch kostengünstig
herstellbar.
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2 zeigt
das F/theta-Objektiv 1 im Einbauzustand in einer Scannervorrichtung 12 zur
Materialbearbeitung. Diese weist eine Lichtleitfaser 13 auf,
aus der ein divergenter Laserstrahl 14a mit hoher Strahlleistung
(> 1 kW) austritt,
welcher in vertikaler Richtung durch die Scannervorrichtung 12 läuft und mittels
einer Kollimationslinse 15 in einen weiterhin vertikal
verlaufenden, kollimierten Laserstrahl 14b transformiert
wird.
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Im
Gegensatz zu einer konventionellen Kollimationslinse, die lediglich
einen bestmöglichen
Parallelstrahl erzeugen soll, weist die Kollimationslinse 15 eine
speziell optimierte asphärische
Linsenfläche auf.
Neben der Strahl-Kollimation dient die Kollimationslinse 15 daher
auch als Wellenfront-Korrekturoptik und übernimmt eine Feinkorrektur
der Wellenfronten, insbesondere einen Teil der Korrektur der sphärischen
Aberrationen, wodurch im Zusammenspiel mit der Meniskuslinse 2 und
der Fokussierlinse 3 des F/theta-Objektivs 1 eine
im Mittel über
den Scanbereich bessere Abbildungsqualität ermöglicht wird, als dies mit einer
konventionellen Kollimationslinse möglich wäre. Alternativ kann die asphärische Kollimationslinse 15 auch
durch eine (nicht gezeigte) Kombination aus einer sphärischen
Kollimationslinse und einer Phasenkorrekturplatte ersetzt sein.
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Der
kollimierte Laserstrahl 14b wird an einem Umlenkspiegel 16 um
90° aus
der vertikalen Richtung in die horizontale Richtung abgelenkt und tritt über eine
Eintrittsapertur in den Scankopf 17 ein. Im Scankopf 17 trifft
der kollimierte Laserstrahl 14b zuerst auf einen Planaren
X-Scannerspiegel 18, welcher den Strahl in X-Richtung auf
einen planaren Y-Scannerspiegel 19 ablenkt, der den Strahl
weiter in Y-Richtung ablenkt. Der X-Scannerspiegel 18 und der
Y-Scannerspiegel 19 sind an Galvanometern befestigt und
können
gedreht werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt
den Ablenkwinkel des jeweiligen Scannerspiegels 18, 19 und
so die Position des Laserstrahls im (nicht gezeigten) Bildfeld.
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Der
kollimierte Laserstrahl 14b verlässt den Scankopf 17 durch
eine Austrittsöffnung,
welche mit dem F-Theta-Objektiv 1 von 1 versehen
ist. Dieses bewirkt mittels der Meniskuslinse 2 eine Aufweitung
des Laserstrahls 14b zur Erzeugung eines möglichst
großen
Bildfeldes, sowie mittels der nachfolgenden Fokussierlinse 3 die
Umwandlung des aufgeweiteten Laserstrahls in einen konvergenten
Laserstrahl 14e, der in einem Fokuspunkt fokussiert wird, um
den herum durch die Linsenanordnung im F/theta-Objektiv 1 ein
im Mittel flaches Bildfeld erzeugt wird.
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Da
das in der Scannervorrichtung 12 vorhandene optische System
nicht vollständig
korrigert ("beugungsbegrenzt") ist, ist es das
Ziel, die Abbildungsfehler bei allen Auslenkungen der Scannerspiegel 18, 19 in
erträglichen
Grenzen zu halten. Hierbei wird in Kauf genommen, dass bei geringen Auslenkungen
derselben eine Verschlechterung der Abbildung im Vergleich zu einem
System aus sphärischen
Linsen auftritt. Die gezielte Wellenfrontverzerrung des kollimierten
Laserstrahls 14b durch die Kollimationslinse 15 oder
auch durch eine separate Korrekturplatte erzeugt bei den kritischen,
großen
Auslenkungen der Scannerspiegel 18, 19 eine entscheidende
Verbesserung der Abbildung, während
sie bei kleinen Auslenkungen eine geringfügige und somit akzeptable Verschlechterung
bewirkt. In dem erfindungsgemäßen F/theta-Objektiv 1 wird
aufgrund der Verwendung von synthetischem Quarzglas als besonders
leistungstauglichem optischem Material bewusst auf die Korrektur
der chromatischen Aberration verzichtet. Weiterhin verbleibt ein
gewisser Restastigmatismus, da nur eine Bildfeldebnung im Mittel stattfindet.
Dem gegenüber
steht eine erhebliche Kosten- sowie Gewichtsreduktion durch die
Verwendung einer geringeren Anzahl von optischen Komponenten im
F/theta-Objektiv 1 und eine wesentlich höhere Laserbeständigkeit
auch bei Laserleistungen oberhalb von 1 kW bis hin zu ca. 10 kW,
wodurch der Einsatz von F/theta-Objektiven in Hochleistungsanwendungen,
bei denen eine Strahlumlenkung im kollimierten Strahl erfolgt, erst
ermöglicht
wird.