DE202014002322U1

DE202014002322U1 - F-Theta-Objektiv

Info

Publication number: DE202014002322U1
Application number: DE202014002322.0U
Authority: DE
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: CN203786376U; DE202013009184U1; KR200485918Y1; US9442272B2; US20150022899A1; KR20150000387U; DE202013006369U1

Abstract

F-Theta-Objektiv umfassend fünf Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L1 als Bikonkavlinse mit einer Brennweite f1, einer zweiten Einzellinse L2 als Meniskus mit einer Brennweite f2, einer dritten Einzellinse L3 als Meniskus L3 mit einer Brennweite f3, einer vierten Einzellinse L4 als Bikonvexlinse mit einer Brennweite f4 und einer fünften Einzellinse L5 als Plankonvexlinse mit einer Brennweite f5 sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f1–f5 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt: –1,0 < f1/f < –0,4 +3,6 < f2/f < +4,2 +2,0 < f3/f < 2,8 +1,4 < f4/f < +1,8 +2,7 < f5/f < +3,1.

Description

Die Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv wie es in einer Scanvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann.
Ein F-Theta-Objektiv fokussiert einen, um einen Scanwinkelbereich +/–θ zur optischen Achse des F-Theta-Objektives scannend auftreffenden Laserstrahl, in ein ebenes Bildfeld, wobei innerhalb dieses Scanwinkelbereiches das Verhältnis von Scanwinkel und Abstand des Auftreffpunktes des Laserstrahls von der optischen Achse im Bildfeld einer linearen Funktion folgt. Das heißt, ein Laserstrahl, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gescannt wird, erzeugt im Bildfeld einen Fokuspunkt, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Dabei soll die Größe des Fokuspunktes an jedem Ort im Bildfeld konstant sein. Die Größe des Fokuspunktes wird in Abhängigkeit vom Ziel der Lasermaterialbearbeitung, z. B. Beschriften, Entschichten oder Schneiden bestimmt.
Aufgrund der wellenlängenabhängigen Brechung des Laserstrahles beim Durchlaufen des F-Theta-Objektives werden F-Theta-Objektive, um eine hohe Fokuspunktqualität zu erreichen, auf die Wellenlänge des verwendeten Bearbeitungslaserstrahls korrigiert, das heißt, das Objektiv wird so gerechnet, dass es für ein Bildfeld vorgegebener Größe im Rahmen einer zulässigen Temperaturtoleranz für eine vorgegebene Wellenlänge und einen vorgegebenen Laserstrahldurchmesser keine oder nur sehr geringe optische Abbildungsfehler aufweist, die zu einer merklichen Größenänderung des Fokuspunktes führen. Insbesondere für den Einsatz in der Lasermaterialbearbeitung weisen F-Theta-Objektive ein großes Bildfeld und eine große Gesamtbrennweite auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein F-Theta-Objektiv für Hochleistungslaser mit einer Wellenlänge von 355 nm und einer Gesamtbrennweite zwischen 90 mm und 110 mm, insbesondere 100 mm–105 mm zu schaffen, welches eine rückreflexfreie Abbildung der Laserstrahlung ermöglicht und telezentrisch ausgeführt sein soll. Damit ist es zum Beispiel möglich Löcher senkrecht in ein Werkstück einzubringen und/oder gleiche Durchmesser bei X- und Y-Scanrichtung [sonst Ellipse in X oder Y] zu erzielen. Zugleich sollen dadurch eine gleichmäßige Gratbildung bei der Materialbearbeitung erreicht werden. Ziel ist es eine somit eine höhere Energiedichte bei kreisförmigem Fokus zu erzielen.
Diese Aufgabe wird durch ein F-Theta-Objektiv mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierzu zeigt:
1 das geometrische Optikschema eines erfindungsgemäßen Objektives
Ein erfindungsgemäßes F-Theta-Objektiv weist eine dem F-Theta-Objektiv vorgeordnet beabstandete Eintrittspupille EP auf, die in einer Ebene, in der ein Scannerspiegel, bzw. bei Verwendung von zwei Scannerspiegeln eine hierfür gerechnete Ersatzebene liegt, angeordnet werden kann, und umfasst fünf, auf einer gemeinsamen optischen Achse A angeordnete, Einzellinsen L₁–L₅. Die fünf Einzellinsen L₁–L₅ sind so gestaltet, dass sie eine „negativ-positiv-positiv-positiv-positiv” Linsenfolge bilden. Das heißt die erste Einzellinse L₁ hat eine negative Brennweite, während die zweite bis fünfte Linse L₂–L₅ eine positive Brennweite aufweisen.
Die erste Linse L₁ ist dabei eine Bikonkavlinse, die zweite Linse L₂ ist ein Meniskus, die dritte Linse L₃ ist ebenfalls ein Meniskus, die vierte Linse L₄ ist eine Bikonvexlinse und die fünfte Linse L₅ ist eine Plankonvexlinse.
Die Brennweiten der fünf Einzellinsen genügen folgender Forderung:
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₁ der ersten Linse L₁ beträgt zur Gesamtbrennweite f: –1,0 < f₁/f < –0,4.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₂ der zweiten Linse L₂ beträgt zur Gesamtbrennweite f: +3,6 < f₂/f < +4,2.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₃ der dritten Linse L₃ beträgt zur Gesamtbrennweite f: +2,0 < f₃/f < +2,8.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₄ der vierten Linse L₄ beträgt zur Gesamtbrennweite f: +1,4 < f₄/f < +1,8.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₅ der fünften Linse L₅ beträgt zur Gesamtbrennweite f: +2,7 < f₅/f < +3,1.
Den fünf Einzellinsen L₁–L₅ kann ein Schutzglas SG nachgeordnet sein.
Der nützliche Effekt, welcher mit einem erfindungsgemäßen F-Theta-Objektiv erreicht wird, besteht darin, dass mit fünf Einzellinsen L₁–L₅, aus Quarzglas, ein für ein Hochleistungslaser geeignetes, für eine Wellenlänge von 355 nm korrigiertes F-Theta-Objektiv mit einer Gesamtbrennweite zwischen 90 mm und 110 mm entsteht. Das F-Theta-Objektiv ist mit seinen Parametern so gestaltet, dass an den optisch wirksamen Flächen der Linsen L₁–L₅ und gegebenenfalls dem Schutzglas SG entstehende Rückreflexe nicht auf die optischen Oberflächen der Linsen L₁–L₅ bzw. auf die um die Eintrittspupille EP angeordneten Spiegel fokussiert werden. Die Gestaltung ist so ausgerichtet, dass auch keine Rückreflexe im Material der Linsen und keine Rückreflexe auf den Orten der Scannerpositionen entstehen.
Die spezifische Struktur und die Parameter eines Ausführungsbeispiels für ein solches F-Theta-Objektiv sind nachfolgend beschrieben.
Die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt in einem Abstand von d₁ vor dem vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L₁, einer Bikonkavlinse mit einer Dicke d₂, deren vordere Oberfläche einen Radius r₁ und deren hintere Oberfläche einen Radius r₂ aufweist. Dieser ersten Linse L₁ folgt mit einem Luftabstand d₃ die zweite Linse L₂, ein positiver Meniskus mit einer Dicke d₄, dessen vordere Oberfläche einen Radius r₃ und deren hintere Oberfläche einen Radius r₄ aufweist.
Mit einem Luftabstand d₅ folgt als dritte Linse L₃, ebenfalls ein positiver Meniskus mit einer Dicke d₆, deren vordere Oberfläche einen Radius von r₅ und deren hintere Oberfläche einen Radius von r₆ aufweist. Die vierte Linse L₄, eine Bikonvexlinse mit einer Dicke d₈, deren vordere Oberfläche einen Radius von r₇ und deren hintere Oberfläche einen Radius von r₈ aufweist, folgt mit einem Luftabstand d₇. Mit einem Luftabstand von d₉ folgt eine Plankonvexlinse mit eine Dicke von d₁₀, deren vordere Oberfläche einen Radius von r₉ und deren hintere Oberfläche einen Radius von r₁₀ aufweist. Mit einem Luftabstand von d₁₁ folgt im Ausführungsbeispiel ein planparalleles Schutzglas SG mit einer Dicke von d₁₂. Das Bildfeld BE entsteht in einem Abstand von d₁₃ zum Schutzglas SG. Als Material wurde für alle Einzellinsen L₁–L₅ und das Schutzglas SG Quarzglas mit einer Brechzahl n_e gewählt.

Die Radien der Einzellinsen L₁–L₅, deren Dicken und deren Abstände d sind in nachfolgender Tabelle 1 angegeben.

Medium		Radius (mm)		Dicke (mm)	n_e
Luft		EP	d₁	35,0
L₁	r₁	38,8	d₂	3,0	1,46
L₁	r₂	243,6
Luft			d₃	5,5	1
L₂	r₃	118,8	d₄	15,0	1,46
L₂	r₄	76,5
Luft			d₅	2,2	1
L₃	r₅	285,8	d₆	20	1,46
L₃	r₆	86,0
Luft			d₇	0,2
L₄	r₇	1695,9	d₈	25	1,46
L₄	r₈	90,2
Luft			d₉	0,2
L₅	r₉	138,0	d₁₀	15	1,46
L₅	r₁₀	=
Luft			d₁₁	5
SG	r₁₁	=
SG	r₁₂	=

Die Abstände und Dicken sind gleichermaßen als d gekennzeichnet und in ihrer Abfolge entlang der optischen Achse A des F-Theta-Objektivs in Strahldurchtrittsrichtung durchnummeriert sowie in 1 als d₁–d₁₃ angegeben.
Die Angaben „vordere” und „hintere Oberfläche sind auf die Strahldurchtrittsrichtung bezogen. Die Radien r₁–r₁₂ können durch den Bezug auf die betreffenden Linsen L₁–L₅ und das Schutzglas SG zweifelsfrei zugeordnet werden und sind daher der guten Übersichtlichkeit halber in 1 nicht angegeben.
In Abhängigkeit von den materialabhängigen Brechzahlen n_e der Einzellinsen L₁–L₅, bestimmen die Dicken d₂, d₄, d₆, d₈ _, d₁₀ der Einzellinsen L₁–L₅ in Verbindung mit den Krümmungsradien r₁–r₁₀ der Einzellinsen jeweils die Brennweiten f₁–f₅ der Einzellinsen L₁–L₅. Die Brennweiten f₁–f₅, die jeweils den Abstand eines Brennpunktes von einer Hauptebene einer Einzellinse L₁–L₅ beschreiben, sind in 1, da der guten Übersichtlichkeit halber die Hauptebenen der Einzellinsen L₁–L₅ nicht eingetragen sind, nicht angegeben. Ebenso ist die Gesamtbrennweite f, welche den Abstand des Bildfeldes BE von einer Ersatzhauptebene für das F-Theta-Objektiv beschreibt, nicht angegeben.
Für ein F-Theta-Objektiv mit den hier angegebenen Parametern ergibt sich für die erste Linse L₁ eine Brennweite f₁ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von –0,7, für die zweite Linse L₂ eine Brennweite f₂ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +3,9, für die dritte Linse L₃ eine Brennweite f₃ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +2,4, für die vierte Linse L₄ eine Brennweite f₄ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +1,6 und für die fünfte Linse L₅ eine Brennweite f5 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +2,9.
Aus der Anordnung der Linsen L₁–L₅ hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d₃, d₅, d₇, d₉ ergibt sich die Gesamtbrennweite f von 103 mm. Das F-Theta-Objektiv ist für eine Wellenlänge von 355 nm korrigiert.

Claims

F-Theta-Objektiv umfassend fünf Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L₁ als Bikonkavlinse mit einer Brennweite f₁, einer zweiten Einzellinse L₂ als Meniskus mit einer Brennweite f₂, einer dritten Einzellinse L₃ als Meniskus L₃ mit einer Brennweite f₃, einer vierten Einzellinse L₄ als Bikonvexlinse mit einer Brennweite f₄ und einer fünften Einzellinse L₅ als Plankonvexlinse mit einer Brennweite f₅ sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f₁–f₅ zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt: –1,0 < f₁/f < –0,4 +3,6 < f₂/f < +4,2 +2,0 < f₃/f < 2,8 +1,4 < f₄/f < +1,8 +2,7 < f₅/f < +3,1.
F-Theta-Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass f₁/f = –0,7, f₂/f = +3,9, f₃/f = +2,4, f₄/f = +1,6, f₅/f = +2,9 ist.
F-Theta-Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Einzellinse L₁ im Abstand d₁ von 35,0 mm die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt.
F.Theta-Objektiv nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gescannte Strahl telezentrisch zur optischen Achse ausgerichtet ist.