DE202020104094U1 - F-theta lens - Google Patents

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Abstract

F-Theta-Objektiv umfassend Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L1 als Konkav-Konkav-Linse mit einer Brennweite f1, einer zweiten Einzellinse L2 als Konkav-Konvex-Linse mit einer Brennweite f2, einer dritten Einzellinse L3 als Konvex-Konvex-Linse mit einer Brennweite f3 und einer vierten Einzellinse L4 als Konvex-Konvex-Linse mit einer Brennweite f4 sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f1 - f4 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt:
-0,70 < f1/f < -0,45
+1,60 < f2/f < +2,40
+1,00 < f3/f < +1,60
+1,50 < f4/f < +2,30

Figure DE202020104094U1_0000
F-theta lens comprising single lenses with a first single lens L 1 as a concave-concave lens with a focal length f 1 , a second single lens L 2 as a concave-convex lens with a focal length f 2 , a third single lens L 3 as a convex Convex lens with a focal length f 3 and a fourth single lens L 4 as a convex-convex lens with a focal length f 4 and a total focal length f of the F-theta lens, the ratio between the focal lengths f 1 - f 4 to the total focal length f the following conditions are sufficient:
-0.70 <f 1 / f <-0.45
+1.60 <f 2 / f <+2.40
+1.00 <f 3 / f <+1.60
+1.50 <f 4 / f <+2.30
Figure DE202020104094U1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv zur Fokussierung von Hochleistungslasern wie es in einer Scannvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann.The invention relates to an F-theta lens for focusing high-power lasers as it can be used in a scanning device for laser material processing.

Ein F-Theta-Objektiv fokussiert einen, um einen Scannwinkelbereich +/- θ zur optischen Achse des F-Theta-Objektives scannend auftreffenden Laserstrahl, in ein ebenes Bildfeld, wobei innerhalb dieses Scannwinkelbereiches das Verhältnis von Scannwinkel 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.An F-Theta lens focuses a laser beam that scans by a scanning angle range +/- θ to the optical axis of the F-Theta lens into a flat image field, with the ratio of the scanning angle and the distance of the point of incidence of the laser beam from the within this scanning angle range optical axis in the image field follows a linear function. This means that a laser beam that is scanned at a constant angular velocity creates a focal point in the image field that moves at a constant velocity. The size of the focus point should be constant at every location in the image field.
The size of the focus point is dependent on the objective of the laser material processing, e.g. B. labeling, stripping or cutting determined.

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.Due to the wavelength-dependent refraction of the laser beam when passing through the F-Theta objective, F-Theta objectives are corrected to the wavelength of the processing laser beam used in order to achieve a high focus point quality, i.e. the objective is calculated so that it is more specified for an image field Size within a permissible temperature tolerance for a given wavelength and a given laser beam diameter has no or only very small optical imaging errors that lead to a noticeable change in the size of the focal point. F-theta lenses have a large field of view and a large total focal length, especially for use in laser material processing.

Es ist die Aufgabe der Erfindung ein F-Theta-Objektiv für Hochleistungslaser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Gesamtbrennweite von 130 mm bis 200 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.It is the object of the invention to create an F-theta lens for high-power lasers with a wavelength of 532 nm and a total focal length of 130 mm to 200 mm, which enables back-reflection-free imaging of the laser radiation. This object is achieved for an F-theta lens with the features of claim 1.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous designs are described in the subclaims.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Hierzu zeigt:

  • 1 das geometrische Optikschema eines erfindungsgemäßen Objektives mit Darstellung des Strahlverlaufes entlang der optischen Achse A und bei maximalem Scanwinkel.
The invention will be explained in more detail below with reference to a drawing. This shows:
  • 1 the geometrical optical scheme of an objective according to the invention with representation of the beam path along the optical axis A and at the maximum scanning angle.

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 vier, auf einer gemeinsamen optischen Achse A angeordnete, Einzellinsen L1 - L4 . Die vier Einzellinsen L1 - L4 sind so gestaltet, dass sie eine „negativ-positiv-positiv-positiv“ Linsenfolge bilden. Das heißt die erste Einzellinse L1 hat eine negative Brennweite, während die anderen drei Linsen L2 , L3 und L4 eine positive Brennweite aufweisen.An F-theta objective according to the invention has an entrance pupil EP, which is arranged upstream of the F-theta objective and which can be arranged in a plane in which a scanner mirror or, if two scanner mirrors are used, an equivalent plane calculated for this purpose, is located four individual lenses arranged on a common optical axis A. L 1 - L 4 . The four individual lenses L 1 - L 4 are designed so that they form a "negative-positive-positive-positive" lens sequence. That is, the first single lens L 1 has a negative focal length while the other three lenses L 2 , L 3 and L 4 have a positive focal length.

Die erste Linse L1 ist dabei eine Konkav-Konkav-Linse (Bikonkav-Linse), die zweite Linse L2 ist eine Konkav-Konvex-Linse, die dritte Linse L3 ist eine Konvex-Konvex-Linse (Bikonvex-Linse) und die vierte Linse L4 ist ebenfalls eine Konvex-Konvex-Linse (Bikonvex-Linse).The first lens L 1 is a concave-concave lens (biconcave lens), the second lens L 2 is a concave-convex lens, the third lens L 3 is a convex-convex lens (biconvex lens) and the fourth lens L 4 is also a convex-convex lens (biconvex lens).

Die Brennweiten der vier Einzellinsen genügen folgender Forderung:

  • Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f1 der ersten Linse L1 beträgt zur Gesamtbrennweite f: - 0,70 < f1/f < - 0,45.
  • Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f2 der zweiten Linse L2 beträgt zur Gesamtbrennweite f: 1,60 < f2/f < 2,40.
  • Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f3 der dritten Linse L3 beträgt zur Gesamtbrennweite f: 1,00 < f3/f < 1,60.
  • Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f4 der vierten Linse L4 beträgt zur Gesamtbrennweite f: 1,50 < f4/f < 2,30.
The focal lengths of the four individual lenses meet the following requirement:
  • The focal length ratio of the focal length f 1 of the first lens L 1 to the total focal length f: - 0.70 <f 1 / f <- 0.45.
  • The focal length ratio of the focal length f 2 of the second lens L 2 to the total focal length f: 1.60 <f 2 / f <2.40.
  • The focal length ratio of the focal length f 3 of the third lens L 3 to the total focal length f: 1.00 <f 3 / f <1.60.
  • The focal length ratio of the focal length f 4 of the fourth lens L 4 to the total focal length f: 1.50 <f 4 / f <2.30.

Den vier Einzellinsen L1 - L4 kann ein Schutzglas SG nachgeordnet sein.
Der nützliche Effekt, welcher mit einem erfindungsgemäßen F-Theta-Objektiv erreicht wird, besteht darin, dass mit vier Einzellinsen L1 - L4 , aus Quarzglas, ein für ein Hochleistungslaser geeignetes, für eine Wellenlänge von 532 nm korrigiertes F-Theta-Objektiv mit einer Gesamtbrennweite von 163 mm entsteht. Das F-Theta-Objektiv ist mit seinen Parametern so gestaltet, dass an den optisch wirksamen Flächen der Linsen L1 - L4 und gegebenenfalls dem Schutzglas SG entstehende Rückreflexe nicht auf die Oberflächen der Linsen L1 - L4 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.The four individual lenses L 1 - L 4 a protective glass SG can be arranged downstream.
The useful effect that is achieved with an F-theta lens according to the invention is that with four individual lenses L 1 - L 4 , made of quartz glass, suitable for a high-power laser, for one wavelength F-theta lens corrected by 532 nm with a total focal length of 163 mm is created. The parameters of the F-Theta lens are designed in such a way that the optically effective surfaces of the lenses L 1 - L 4 and any back reflections arising from the protective glass SG do not hit the surfaces of the lenses L 1 - L 4 or are focused on the mirror arranged around the entrance pupil EP. It is free of back reflections in the material of the lenses. There are no back reflections on optical surfaces and no back reflections on the locations of the recommended scanner positions. The specific structure and the parameters of an exemplary embodiment for such an F-theta lens are described below.

Die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt in einem Abstand von d1 vor dem vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L1 , einer Konkav-Konkav-Linse bzw. Bikonkav-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 bzw. Bikonvex-Linse mit einer Dicke d6, deren vordere Oberfläche einen Radius von r5 und deren hintere Oberfläche einen Radius von r6 aufweist. Die vierte Linse L4 , ebenfalls eine Konvex-Konvex-Linse bzw. Bikonvex-Linse 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 d9 folgt ein planparalleles Schutzglas SG der Dicke d10. Das Bildfeld BE entsteht in einem Abstand von d11 zum Schutzglas SG. Als Material wurde für alle Einzellinsen L1 - L4 und das Schutzglas SG Quarzglas mit einer Brechzahl n gewählt.The entrance pupil EP of the F-theta objective lies at a distance of d 1 in front of the front vertex of the first lens L 1 , a concave-concave lens or biconcave lens with a thickness d 2 , the front surface of which has a radius r 1 and the rear surface of which has a radius r 2 . That first lens L 1 the second lens follows with an air gap d 3 L 2 , a concave-convex lens with a thickness d 4 , the front surface of which has a radius r 3 and the rear surface of which has a radius r 4 .
The third lens follows with an air gap d 5 L 3 , a convex-convex lens or biconvex lens with a thickness d 6 , the front surface of which has a radius of r 5 and the rear surface of which has a radius of r 6 . The fourth lens L 4 , also a convex-convex lens or biconvex lens with a thickness d 8 , whose front surface has a radius of r 7 and whose rear surface has a radius of r 8 , follows with an air gap d 7 . With an air gap d 9 , a plane-parallel protective glass SG of thickness d 10 follows. The image field BE is created at a distance of d 11 from the protective glass SG. The material used for all single lenses L 1 - L 4 and the protective glass SG quartz glass with a refractive index n was chosen.

Die Radien der Einzellinsen L1 - L4 , deren Dicken und deren Abstände d sind in nachfolgender Tabelle angegeben. Medium Radius Dicke [mm] [mm] n Luft d1 62 L1 r1 -51 d2 4,1 1,460081 L1 r2 317 Luft d3 20,2 L2 r3 -225 d4 25 1,460081 L2 r4 -94 Luft d5 0,3 L3 r5 1869 d6 19,6 1,460081 L3 r6 -105 Luft d7 0,3 L4 r7 256 d8 16,8 1,460081 L4 r8 -322 Luft d9 4 SG r9 ∞ d10 3 1,460081 SG r10 ∞ Luft d11 236,7 The radii of the individual lenses L 1 - L 4 , their thicknesses and their distances d are given in the table below. medium radius thickness [mm] [mm] n air d 1 62 L 1 r 1 -51 d 2 4.1 1.460081 L 1 r 2 317 air d 3 20.2 L 2 r 3 -225 d 4 25th 1.460081 L 2 r 4 -94 air d 5 0.3 L 3 r 5 1869 d 6 19.6 1.460081 L 3 r 6 -105 air d 7 0.3 L 4 r 7 256 d 8 16.8 1.460081 L 4 r 8 -322 air d 9 4th SG r 9 ∞ d 10 3 1.460081 SG r 10 ∞ air d 11 236.7

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 - d11 angegeben.
Die Angaben „vordere“ und „hintere Oberfläche sind auf die Strahldurchtrittsrichtung bezogen. Die Radien r1 - r10 können durch den Bezug auf die betreffenden Linsen L1 - L4 und das Schutzglas SG zweifelsfrei zugeordnet werden und sind daher der guten Übersichtlichkeit halber in 1 nicht angegeben.The distances and thicknesses are also identified as d and numbered consecutively in their sequence along the optical axis A of the F-theta objective in the direction of beam passage and in 1 given as d 1 - d 11 .
The information "front" and "rear surface" refer to the direction of beam passage. The radii r 1 - r 10 can be determined by the reference to the relevant lenses L 1 - L 4 and the protective glass SG can be assigned unequivocally and are therefore for the sake of clarity in 1 not specified.

In Abhängigkeit von den materialabhängigen Brechzahlen n der Einzellinsen L1 - L4 , bestimmen die Dicken d2, d4, d6 und d8 der Einzellinsen L1 - L4 in Verbindung mit den Krümmungsradien r1 - r8 der Einzellinsen jeweils die Brennweiten f1 - f4 der Einzellinsen L1 - L4 . Die Brennweiten f1 - f4, die jeweils den Abstand eines Brennpunktes von einer Hauptebene einer Einzellinse L1 - L4 beschreiben, sind in 1, da der guten Übersichtlichkeit halber die Hauptebenen der Einzellinsen L1 - L4 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.Depending on the material-dependent refractive index n of the individual lenses L 1 - L 4 , determine the thicknesses d 2 , d 4 , d 6 and d 8 of the individual lenses L 1 - L 4 in conjunction with the radii of curvature r 1 -r 8 of the individual lenses, the focal lengths f 1 -f 4 of the individual lenses L 1 - L 4 . The focal lengths f 1 - f 4 , each representing the distance of a focal point from a main plane of an individual lens L 1 - L 4 describe are in 1 , since the main planes of the individual lenses for the sake of clarity L 1 - L 4 are not entered, not specified. Likewise, the total focal length f, which describes the distance between the image field BE and an equivalent main plane for the F-theta lens, is not specified.

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 -0,6 für die zweite Linse L2 eine Brennweite f2 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +2,0, für die dritte Linse L3 eine Brennweite f3 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +1,3 und für die vierte Linse L4 eine Brennweite f4 im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +1,9.For an F-theta lens with the parameters specified here, this results for the first lens L 1 a focal length f 1 in relation to the total focal length f of -0.6 for the second lens L 2 a focal length f 2 in relation to the total focal length f of +2.0, for the third lens L 3 a focal length f 3 in relation to the total focal length f of +1.3 and for the fourth lens L 4 a focal length f 4 in relation to the total focal length f of +1.9.

Aus der Anordnung der Linsen L1 - L4 hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d3, d5 und d7 ergibt sich die Gesamtbrennweite f von 163 mm.
Das F-Theta-Objektiv ist für eine Wellenlänge von 532 nm korrigiert.From the arrangement of the lenses L 1 - L 4 one behind the other in connection with their air gaps d 3 , d 5 and d 7 results in the total focal length f of 163 mm.
The F-theta objective is corrected for a wavelength of 532 nm.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

d1d1
Abstand EP - L1 distance EP - L1
d2d2
Dicke L1 thickness L1
d3d3
Abstand L1 - L2 distance L1 - L2
d4d4
Dicke L2 thickness L2
d5d5
Abstand L2 - L3 distance L2 - L3
d6d6
Dicke L3 thickness L3
d7d7
Abstand L3 - L4 distance L3 - L4
d8d8
Dicke L4 thickness L4
d9d9
Abstand L4 - Schutzglasdistance L4 - protective glass
d10d10
Dicke SchutzglasThick protective glass
d11d11
Abstand Schutzglas - BildebeneDistance protective glass - image plane

Claims (3)

F-Theta-Objektiv umfassend Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L1 als Konkav-Konkav-Linse mit einer Brennweite f1, einer zweiten Einzellinse L2 als Konkav-Konvex-Linse mit einer Brennweite f2, einer dritten Einzellinse L3 als Konvex-Konvex-Linse mit einer Brennweite f3 und einer vierten Einzellinse L4 als Konvex-Konvex-Linse mit einer Brennweite f4 sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f1 - f4 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt: -0,70 < f1/f < -0,45 +1,60 < f2/f < +2,40 +1,00 < f3/f < +1,60 +1,50 < f4/f < +2,30F-theta lens comprising single lenses with a first single lens L 1 as a concave-concave lens with a focal length f 1 , a second single lens L 2 as a concave-convex lens with a focal length f 2 , a third single lens L 3 as a convex Convex lens with a focal length f 3 and a fourth single lens L 4 as a convex-convex lens with a focal length f 4 and a total focal length f of the F-theta lens, the ratio between the focal lengths f 1 - f 4 to the total focal length f The following conditions are sufficient: -0.70 <f 1 / f <-0.45 +1.60 <f 2 / f <+2.40 +1.00 <f 3 / f <+1.60 +1.50 <f 4 / f <+2.30 F-Theta-Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass f1/f = -0,6, f2/f = +2,0, f3/f = +1,3 und f4/f = +1,9 ist.F-theta lens Claim 1 , characterized in that f 1 / f = -0.6, f 2 / f = +2.0, f 3 / f = +1.3 and f 4 / f = +1.9. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Einzellinse L1 im Abstand d1 von 62 mm die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt.F-theta lens Claim 2 , characterized in that the entrance pupil EP of the F-theta objective lies in front of the first individual lens L 1 at a distance d 1 of 62 mm.
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