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Die Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv zur Fokussierung von Hochleistungslasern wie es in einer Scannvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann.
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Ein F-Theta-Objektiv fokussiert einen, um einen Scannwinkelbereich +/–0 zur optischen Achse des F-Theta-Objektives scannend auftreffenden Laserstrahl, in ein ebenes Bildfeld (Bildebene BE), wobei innerhalb dieses Scannwinkelbereiches das Verhältnis von Scannwinkel und Abstand des Auftreffpunktes des Laserstrahls von der optischen Achse in der Bildebene einer linearen Funktion folgt. Das heißt ein Laserstrahl, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gescannt wird, erzeugt in der Bildebene einen Fokuspunkt, der sich mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt. Dabei soll die Größe des Fokuspunktes an jedem Ort in der Bildebene konstant sein. Die Größe des Fokuspunktes wird in Abhängigkeit vom Ziel der Lasermaterialbearbeitung, z. B. Beschriften, Entschichten oder Schneiden bestimmt.
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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 eine Bildebene 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 eine große Bildebene und eine große Gesamtbrennweite auf.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein F-Theta-Objektiv für Hochleistungslaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Gesamtbrennweite von 410 mm bis 430 mm zu schaffen, welches eine rückreflexfreie Abbildung der Laserstrahlung ermöglicht. Diese Aufgabe wird für ein F-Theta-Objektiv mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierzu zeigt:
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1 das geometrische Optikschema eines erfindungsgemäßen Objektives mit Darstellung des Strahlverlaufes entlang der optischen Achse A und bei maximalem Scanwinkel.
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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 drei, auf einer gemeinsamen optischen Achse A angeordnete, Einzellinsen L1–L3. Die drei Einzellinsen L1–L3 sind so gestaltet, dass sie eine „negativ-negativ-positiv” Linsenfolge bilden. Das heißt die ersten beiden Einzellinsen L1–L2 haben eine negative Brennweite, während die dritte Linse L3 eine positive Brennweite aufweist.
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Die erste Linse L1 ist dabei eine Plan-Konkav-Linse, die zweite Linse L2 ist eine Konkav-Konvex-Linse und die dritte Linse L3 ist eine Konvex-Konvex-Linse (Bikonvex-Linse).
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Die Brennweiten der drei Einzellinsen genügen folgender Forderung:
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f1 der ersten Linse L1 beträgt zur Gesamtbrennweite f: –1,0 < f1/f < –0,8.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f2 der zweiten Linse L2 beträgt zur Gesamtbrennweite f: –2,2 < f2/f < –1,9.
Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f3 der dritten Linse L3 beträgt zur Gesamtbrennweite f: +0,3 < f3/f < +0,6.
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Den drei Einzellinsen L1–L3 kann ein Schutzglas SG nachgeordnet sein.
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Der nützliche Effekt, welcher mit einem erfindungsgemäßen F-Theta-Objektiv erreicht wird, besteht darin, dass mit drei Einzellinsen L1–L3, aus Quarzglas, ein für ein Hochleistungslaser geeignetes, für eine Wellenlänge von 1064 nm korrigiertes F-Theta-Objektiv mit einer Gesamtbrennweite von 423 mm entsteht. Das F-Theta-Objektiv ist mit seinen Parametern so gestaltet, dass an den optisch wirksamen Flächen der Linsen L1–L3 und gegebenenfalls dem Schutzglas SG entstehende Rückreflexe nicht auf die Oberflächen der Linsen L1–L3 bzw. auf die um die Eintrittspupille EP angeordneten Spiegel fokussiert werden. Es ist frei von Rückreflexen im Material der Linsen. Es entstehen keine Rückreflexe auf optischen Oberflächen und keine Rückreflexe auf den Orten der empfohlenen Scannerpositionen. Die spezifische Struktur und die Parameter eines Ausführungsbeispiels für ein solches F-Theta-Objektiv sind nachfolgend beschrieben.
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Die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt in einem Abstand von d1 vor dem vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L1, einer Plan-Konkav-Linse 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, eine Konkav-Konvex-Linse mit einer Dicke d4, dessen vordere Oberfläche einen Radius r3 und deren hintere Oberfläche einen Radius r4 aufweist. Mit einem Luftabstand d5 folgt die dritte Linse L3, eine Konvex-Konvex-Linse oder Bi-Konvex-Linse mit einer Dicke d6, deren vordere Oberfläche einen Radius von r5 und deren hintere Oberfläche einen Radius von r6 aufweist. Mit einem Luftabstand von d7 folgt ein planparalleles Schutzglas SG mit einer Dicke von d8. Die Bildebene BE entsteht in einem Abstand von d9 zum Schutzglas SG. Als Material wurde für alle Einzellinsen L1–L3 und das Schutzglas SG Quarzglas mit einer Brechzahl n gewählt.
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Die Radien der Einzellinsen L
1–L
3, deren Dicken und deren Abstände d sind in nachfolgender Tabelle angegeben.
| Medium | | Radius [mm] | | Dicke [mm] | n |
| Luft | | | d1 | 30 | |
| L1 | r1 | ∞ | d2 | 5 | 1,460081 |
| L1 | r2 | 171 | | | |
| Luft | | | d3 | 9 | |
| L2 | r3 | –46 | d4 | 17 | 1,460081 |
| L2 | r4 | –58 | | | |
| Luft | | | d5 | 2 | |
| L3 | r5 | 367 | d6 | 13 | 1,460081 |
| L3 | r6 | –120 | | | |
| Luft | | | d7 | 2 | |
| SG | | ∞ | d8 | 3 | 1,460081 |
| SG | | ∞ | | | |
| Luft | | | d9 | 502 | |
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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–d9 angegeben. Die Angaben „vordere” und „hintere” Oberfläche sind auf die Strahldurchtrittsrichtung bezogen. Die Radien r1–r6 können durch den Bezug auf die betreffenden Linsen L1–L3 und das Schutzglas SG zweifelsfrei zugeordnet werden und sind daher der guten Übersichtlichkeit halber in 1 nicht angegeben.
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In Abhängigkeit von den materialabhängigen Brechzahlen n der Einzellinsen L1–L3, bestimmen die Dicken d2, d4, d6, der Einzellinsen L1–L3 in Verbindung mit den Krümmungsradien r1–r6 der Einzellinsen jeweils die Brennweiten f1–f3 der Einzellinsen L1–L3. Die Brennweiten f1–f3, die jeweils den Abstand eines Brennpunktes von einer Hauptebene einer Einzellinse L1–L3 beschreiben, sind in 1, da der guten Übersichtlichkeit halber die Hauptebenen der Einzellinsen L1–L3 nicht eingetragen sind, nicht angegeben. Ebenso ist die Gesamtbrennweite f, welche den Abstand der Bildebene BE von einer Ersatzhauptebene für das F-Theta-Objektiv beschreibt, nicht angegeben.
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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 –0,9 für die zweite Linse L2 eine Brennweite f2 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite von –2,07 und für die dritte Linse L3 eine Brennweite f3 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von 0,48.
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Aus der Anordnung der Linsen L1–L3 hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d3, d5 ergibt sich die Gesamtbrennweite f von 423 mm. Das F-Theta-Objektiv ist für eine Wellenlänge von 1064 nm korrigiert.
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Legende zu Fig. 1:
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- d1
- Abstand EP-L1
- d2
- Dicke L1
- d3
- Abstand L1-L2
- d4
- Dicke L2
- d5
- Abstand L2-L3
- d6
- Dicke L3
- d7
- Abstand L3-Schutzglas (SG)
- d8
- Dicke Schutzglas
- d9
- Abstand Schutzglas-Bildebene (BE)
