DE4120684A1

DE4120684A1 - Spiegelobjektiv

Info

Publication number: DE4120684A1
Application number: DE4120684A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Hohberg
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1991-06-22
Filing date: 1991-06-22
Publication date: 1992-12-24
Also published as: EP0520326B1; DE59204726D1; EP0520326A3; US5306892A; EP0520326A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelobjektiv mit zwei Spiegeln. Derartige Anordnungen sind mit fester Geometrie und Brenn weite in verschiedenen Variationen auch mit Paraboloid- und Ellipsoidspiegeln bekannt.

Bei der Materialbearbeitung mit Lasern hängt das Bearbei tungsergebnis sehr kritisch von der Energieverteilung im Fokus ab. Das gilt in besonderem Maße für das Laserschneiden. Hierbei werden bevorzugt Laser eingesetzt, die in einem niedrigen Mode strahlen und deshalb eine annähernd beugungs begrenzte Fokusverteilung liefern. Eine Anpassung der Fokus verteilung an die Erfordernisse, die z. B. durch Materialart und Materialdicke gegeben sind, kann in diesem Fall praktisch nur durch die wirksame Apertur und damit die Brennweite der Fokussieroptik geschehen. Deshalb werden - je nach Anwen dung - verschiedene Brennweiten eingesetzt. Wenn die Anfor derungen häufig wechseln, dann erwächst zur Verminderung der Umrüstzeiten der Bedarf an Fokussieroptiken mit veränderbarer Apertur.

Bei der Verwendung von Linsenoptiken sind solche Systeme seit langem im Einsatz. Dabei handelt es sich um komplette pankra tische Fokussiereinheiten oder um pankratische Auf- oder Abweitungssysteme in Verbindung mit einer festen Fokussier optik.

Beim Einsatz von Lasern hoher Leistung sind Linsensysteme nur bedingt tauglich. Deshalb werden sie zunehmend durch Spiegel optiken ersetzt, die deutlich höher belastbar sind. Aller dings sind nur Ausführungen mit fester Apertur bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungs gemäßes Spiegelobjektiv als Pankraten zur Laserfokussierung auszubilden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Demnach besteht der erfindungsgemäße Pankrat aus zwei Spiegeln, einem zumindest angenäherten Paraboloid und einem zumindest angenäherten Ellipsoid. Das Laserbündel wird vom Paraboloid fokussiert. Dieser Fokus wird in den einen Brennpunkt des zumindest angenäherten Ellipsoids gelegt und von letzterem in seinen anderen Brennpunkt abgebildet.

Die Veränderung der effektiven Apertur geschieht hierbei nicht, wie bei Linsensystemen üblich, durch Veränderung des Abstands zwischen den optischen Elementen, sondern durch Veränderung des Winkels zwischen denselben.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unter ansprüche 2 bis 7. Anspruch 8 gibt eine Laserbearbeitungs anordnung an, welche für das Spiegelobjektiv nach den Ansprüchen 1 bis 7 adaptiert ist.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel mit den zugehörigen Abmessungen dargestellt.

Ein Laserstrahl fällt senkrecht zur Zeichenebene auf den konvexen Paraboloid-Spiegel P und wird so reflektiert, daß ein virtueller Fokus in F₁ entsteht. Dieser wird vom Ellipsoid E, das sich zunächst in der Stellung "k=8" befindet, nach F₂ abgebildet.

Als Beispiel soll das Ellipsoid E derart dimensioniert sein, daß eine Variation der bildseitigen Apertur um einen Faktor zwei zwischen k=4 und k=8 möglich ist. Zweckmäßig wird das Ellipsoid E so gestaltet, daß die Endstellungen symmetrisch sind. Dann muß das einfallende (von Paraboloid P erzeugte) Bündel eine Apertur von k=5.6 aufweisen (geometrisches Mittel). Bei einem Durchmesser des Strahls von dp=40 mm erfordert das eine Brennweite des Paraboloids P von f_p=225 mm. Damit das reflektierte Bündel nicht abgeschattet wird, muß ein Mindestabstand zwischen den beiden Spiegeln P,E ein gehalten werden. Mit den genannten Abmessungen sollte der Abstand F₁-S wenigstens 300 mm betragen.

Die genaue Form des Ellipsoids E ist damit noch nicht fest gelegt. Ein weiterer Parameter kann willkürlich gewählt werden. In Fig. 1 wurde die Zusatzforderung eingeführt, daß in den Extremstellungen der Hauptstrahl H bzw. H′ senkrecht auf der Achse des Ellipsoids E stehen soll. Mit diesen Forderungen ergibt sich ein Ellipsoid E mit den Werten a=362 mm, b=329 mm für die Halbachsen und c=151 mm für den halben Brennpunktabstand. Die für den Anwendungsfall not wendige Mindestlänge des Spiegels ergibt sich zu 1=366 mm.

Änderungen des willkürlichen Parameters haben nur einen geringfügigen Einfluß auf die notwendige Spiegellänge.

Die Abmessungen der Anordnung können in weitem Rahmen variiert werden.

Wird der Ellipsoidspiegel E um die zur Zeichenebene senk rechte, aber zum einfallenden Laserstrahl parallele Achse durch den ersten Fokus F₁ gedreht, dann wandert der zweite Ellipsenfokus F₂ und gleichzeitig ändert sich die Apertur des dort fokussierten Bündels und damit die Brennweite des Gesamtsystems. Eingezeichnet ist gestrichelt die Stellung des Ellipsoidspiegels E′ mit Apertur k=4 und Fokus F₂′.

Während bei Foto-Varioobjektiven bei veränderter Brennweite stets die Abbildung auf die Filmebene erfolgen muß, ist es bei dem erfindungsgemäßen Spiegelobjektiv bei der Anwendung zur Laserbearbeitung kein Problem, daß der Fokus F₂, F₂′ auf einem Kreisbogen wandert.

Eine Laserbearbeitungsanordnung hat häufig eine Bahnsteuerung für die Bewegung eines Laserkopfes mit darin enthaltenem Objektiv relativ zum Werkstück und ohne weiteres kann für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Pankrates die Steuerung so programmiert werden, daß die von der gewünschten Brennweite abhängige Lage des Bearbeitungspunktes, also des Fokus F₂, F₂′, relativ zum Laserkopf berücksichtigt wird.

Die Strahlrichtung des austretenden Strahls wird bei der Variation der effektiven Brennweite nur unerheblich geändert, so daß eine Korrektur derselben meist unnötig ist. Die Ver wendung eines Ellipsoids für die endliche Abbildung ergibt eine fehlerfreie Strahlvereinigung.

In manchen Fällen werden geringe Abbildungsfehler in Kauf genommen, wenn dadurch Spiegel verwendet werden können, die einfacher herstellbar sind.

Im Falle der Abb. 1 kann das Ellipsoid z. B. näherungs weise durch eine torische Fläche ersetzt werden, deren Haupt krümmungsradius in der Zeichenebene
R₁=a²/b=362²/329=398 mm,
beträgt, und senkrecht dazu
R₂=b=329 mm.

Eine noch gröbere Näherung wird mit einer sphärischen Fläche erreicht. Dabei sind jedoch die Abbildungsfehler, vorwiegend der Astigmatismus, beträchtlich.

Auch das in Abb. 1 dargestellte Paraboloid kann, wenn eine Verschlechterung der Fokusqualität zulässig ist, durch eine einfacher herstellbare Fläche ersetzt werden.

Eine sphärische Fläche würde bei Verwendung in der skizzier ten Anordnung, d. h. mit 90° Strahlumlenkung, sehr erhebliche Bildfehler verursachen. Deshalb würde man eine Sphäre unter einem möglichst kleinen Umlenkwinkel verwenden. Der Anteil des Astigmatismus kann durch Einsatz einer torischen Fläche weitgehend eliminiert werden.

Es ist auch denkbar, die astigmatischen Fehleranteile der beiden Spiegel so zu bemessen, daß sie sich in Summe kompen sieren. Dies erscheint jedoch nur in seltenen Fällen sinn voll, da meistens moderne Fertigungsmaschinen zur Verfügung stehen, mit denen auch die elliptischen und parabolischen Flächen problemlos und zu angemessenen Kosten hergestellt werden können.

Claims

1. Spiegelobjektiv mit einem ersten Spiegel (P) mit einem ersten Fokus (F₁) und zumindest angenähert Paraboloidform und mit einem zweiten Spiegel (E) mit zumindest an genäherter Ellipsoidform, der um eine Achse durch den ersten Fokus (F₁) drehbar ist und den ersten Fokus (F₁) in einen zweiten Fokus (F₂) abbildet.

2. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Apertur (K) durch Drehen um die Achse durch den ersten Fokus (F₁) veränderbar ist.

3. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Variation der bildseitigen Apertur etwa von k=4 bis k=8 möglich ist.

4. Spiegelobjektiv nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ellipsoid spiegel (E) um eine zum einfallenden Laserbündel parallele Achse gedreht wird.

5. Spiegelobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (P) konvex ist.

6. Spiegelobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel (P) ein genaues Paraboloid und/oder der zweite Spiegel (E) ein genaues Ellipsoid ist.

7. Spiegelobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Paraboloidform des ersten Spiegels (P) durch eine torische Fläche angenähert ist und/oder die Ellipsoidform des zweiten Spiegels (E) durch eine torische Fläche angenähert ist.

8. Laserbearbeitungsanordnung mit einem Laserkopf und einer Bahnsteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkopf ein Spiegelobjektiv nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7 enthält und die Bahnsteuerung abhängig von der eingestellten Brennweite des Spiegelobjektivs die Lage des Bearbeitungspunkts relativ zum Laserkopf verändert, so daß dieser mit dem Fokus (F₂, F₂′) des Spiegelobjek tivs zusammenfällt.