DE202020106809U1 - F-Theta-Objektiv - Google Patents

Abstract

F-Theta-Objektiv umfassend Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L₁ als Konkav-Konvex-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 Konkav-Plan-Linse mit einer Brennweite f₄ sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f₁f4 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt:
-1,95 <f₁/f < -1,25
+0,85 < f₂/f < +1,25
+0,70 <f₃/f < +1,00
-1,10 <f₄/f < -0,75

Description

• Die Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv zur Fokussierung von Hochleistungslasern wie es in einer Scannvorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung verwendet werden kann.
• 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.
• 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 bemerkbaren 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 f von 275 mm bis 410 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.
• 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 mit Darstellung des Strahlverlaufes entlang der optischen Achse A und bei maximalem Scanwinkel.
• 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-negativ“ Linsenfolge bilden. Das heißt die erste bzw. die letzte Einzellinse L₁ bzw. L₄ hat eine negative Brennweite, während die anderen beiden Linsen L₂ und L₃ eine positive Brennweite aufweisen.
• Die ersten beiden Linsen L₁ und L₂ sind dabei Konkav-Konvex-Linsen, die dritte Linse L₃ ist eine Konvex-Konvex-Linse (Bikonvex-Linse) und die vierte Linse L₄ ist eine Konkav-Plan-Linse.
• Die Brennweiten der vier Einzellinsen genügen folgender Forderung:
• Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₁ der ersten Linse L₁ beträgt zur Gesamtbrennweite f: - 1,95 < f₁/f < - 1,25.
• Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₂ der zweiten Linse L₂ beträgt zur Gesamtbrennweite f: 0,85 < f₂/f < 1,25.
• Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₃ der dritten Linse L₃ beträgt zur Gesamtbrennweite f: 0,70 < f₃/f < 1,00.
• Das Brennweitenverhältnis der Brennweite f₄ der vierten Linse L₄ beträgt zur Gesamtbrennweite f: - 1,10 < f₄/f < - 0,75.
• 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 355 nm korrigiertes F-Theta-Objektiv mit einer Gesamtbrennweite von 340 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.
• Die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt in einem Abstand von d₁ vor dem vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L₁, einer Konkav-Konvex-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, eine Konkav-Plan-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.
• Die Radien r der Einzellinsen L₁ - L₄, deren Dicken und deren Abstände d sind in nachfolgender Tabelle angegeben.

  Medium		Radius		Dicke
  		[mm]		[mm]	n
  Luft			d1	51,6
  L1	r1	-44	d2	16,6	1,460081
  L1	r2	-60
  Luft			d3	0,3
  L2	r3	-156	d4	11,8	1,460081
  L2	r4	-84
  Luft			d5	0,6
  L3	r5	1677	d6	15,5	1,460081
  L3	r6	-151
  Luft			d7	75
  L4	r7	-151	d5	12	1,460081
  L4	r8	∞
  Luft			d9	5
  SG	r9	∞	d10	3	1,460081
  SG	r10	∞
  Luft			d11	238,8

• 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.
• In Abhängigkeit von den materialabhängigen Brechzahlen n der Einzellinsen L₁ - L₄, bestimmen die Dicken d₂ , d₄ , d₆ und d₅ 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.
• 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 -1,6 für die zweite Linse L₂ eine Brennweite f₂ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +1,1, für die dritte Linse L₃ eine Brennweite f₃ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von +0,9 und für die vierte Linse L₄ eine Brennweite f₄ im Verhältnis zur Gesamtbrennweite f von -0,9.
• Aus der Anordnung der Linsen L₁ - L₄ hintereinander in Verbindung mit deren Luftabständen d₃ , d₅ und d₇ ergibt sich die Gesamtbrennweite f von 340 mm.
• Das F-Theta-Objektiv ist für eine Wellenlänge von 355 nm korrigiert.
• Bezugszeichenliste

d1

Abstand EP - L1

d2

Dicke L1

d3

Abstand L1 - L2

d4

Dicke L2

d5

Abstand L2 - L3

d6

Dicke L3

d7

Abstand L3 - L4

d8

Dicke L4

d9

Abstand L4 - Schutzglas

d10

Dicke Schutzglas

d11

Abstand Schutzglas - Bildebene

Claims (3)

1. F-Theta-Objektiv umfassend Einzellinsen mit einer ersten Einzellinse L₁ als Konkav-Konvex-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 Konkav-Plan-Linse mit einer Brennweite f₄ sowie einer Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektives, wobei das Verhältnis zwischen den Brennweiten f₁f4 zur Gesamtbrennweite f folgenden Bedingungen genügt: -1,95 <f₁/f < -1,25 +0,85 < f₂/f < +1,25 +0,70 <f₃/f < +1,00 -1,10 <f₄/f < -0,75
2. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass f₁/f = -1,6, f₂/f = +1,1, f₃/f = +0,9 und f₄/f = -0,9 ist.
3. F-Theta-Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Einzellinse L₁ im Abstand d₁ von 51,6 mm die Eintrittspupille EP des F-Theta-Objektives liegt.

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