專利名稱：F/θ鏡頭和帶有該鏡頭的掃描裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于形成平面像場的F/e鏡頭以及一種具有這種鏡頭 的掃描裝置。
背景技術(shù)：
在通過大功率激光加工材料中越來越多地使用掃描裝置，用于快速定 位激光射線。 一旦在(近似)準(zhǔn)直的射線中通過掃描鏡實(shí)現(xiàn)射線偏轉(zhuǎn)，為 了聚焦使用所謂的F/e鏡頭，它的特點(diǎn)尤其在于大的平面像場。
在最大約lkW平均激光功率的范圍中，這種F/e鏡頭一般由約6個由
不同的高折射玻璃制成的球面透光具成。這些鏡頭典型地對于刻寫應(yīng)用是 最佳的，即它們具有非常高的(接近衍射極限的)圖像質(zhì)量，但只具有平 常的功率相容性。在100—200W以上平均功率的范圍內(nèi)典型地出現(xiàn)明顯的 焦點(diǎn)偏移以及由熱引起的圖像質(zhì)量變差。在約ikw平均功率以上，常見的 F/e鏡頭或者只能非常有限地或者根本不能用于材料加工，因?yàn)樵谏渚€可聚 焦性方面產(chǎn)生強(qiáng)烈損失并且由于透鏡過熱產(chǎn)生損傷。也可以選擇在掃描裝 置中在聚焦射線中使用具有射線偏轉(zhuǎn)的射線導(dǎo)向系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中對鏡 頭的要求較低。但此時可利用的工作距離由于掃描鏡而明顯減小。在這種 情況下，像場強(qiáng)烈地球形彎曲，這一般通過鏡頭的z調(diào)整來補(bǔ)償。對于大 的工作距離，與聚焦射線的數(shù)值孔徑相關(guān)，所需的掃描鏡非常大，由此限 制了其動態(tài)性。
由US 6,396,616 Bl已知一種激光成像系統(tǒng)，它具有一個掃描鏡和一個
F/e鏡頭，F(xiàn)/e鏡頭具有球面的、非球面的和環(huán)面的透鏡，它起到縮小透鏡
的作用以提高光學(xué)射線功率。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種F/e鏡頭，它與傳統(tǒng)的F/e鏡頭相比在重量和尺寸上減小并且它尤其也可以在高功率密度下運(yùn)行。
按照本發(fā)明，該任務(wù)的解決方案是，該鏡頭具有至少兩個、最好正好
兩個在光路中前后設(shè)置的透鏡，它們在lkW以上的激光射線功率下是穩(wěn)定
的，其中，至少一個透鏡具有一個或兩個非球面透鏡面。按照本發(fā)明，由
此實(shí)現(xiàn)一種特別適合于大功率應(yīng)用的F/e鏡頭所使用的透鏡數(shù)量減少到對
于該應(yīng)用所需的最小程度(最好正好兩個)。為了在所需的成像質(zhì)量下能 夠使透鏡數(shù)量最小化，使用至少一個非球面透鏡面。非球面透鏡面與球面 透鏡面相比具有附加的自由度，借助于它們尤其可以補(bǔ)償高階成像誤差， 這些高階成像誤差尤其在大掃描角度時起重要作用。在此省去了像場的完
全平坦化；取而代之進(jìn)行所謂的在中間平坦化，即，在聚焦射線中保留與 偏轉(zhuǎn)角相關(guān)的像散。
在一個特別優(yōu)選的實(shí)施方式中，至少一個、最好所有的透鏡由合成的 石英玻璃制成。用于透鏡的光學(xué)材料尤其從低吸收、低熱光效應(yīng)和高負(fù)荷 能力的角度來選擇。用于UV/VIS/NIR范圍(約170nm—3pm)的優(yōu)選材料 是合成石英玻璃。石英玻璃的低折射率(n 1.45)是不利的，與在通常的 F/e鏡頭中所使用的高折射的光學(xué)玻璃(n 1.65-1.85)相比，低折射率導(dǎo)致 表面過強(qiáng)彎曲并因此一般導(dǎo)致較大的成像誤差以及導(dǎo)致防反射覆層上的損 失增大。此外在僅使用一種玻璃(石英玻璃)的情況下不能實(shí)現(xiàn)消色差的 鏡頭。但石英玻璃在VIS范圍和NIR范圍中的色散足夠小，以致例如在同 軸考察時穿過鏡頭產(chǎn)生的色差誤差保持在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)然也可以使 用具有低吸收、低熱光效應(yīng)和高熱負(fù)荷能力的其它光學(xué)材料(例如YAG或 藍(lán)寶石)作為透鏡材料。
在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，光路中的第一透鏡是一個最好球面的彎月透 鏡。該彎月透鏡最好在物鏡側(cè)盡可能強(qiáng)地、即近似半球形地凹形彎曲，以 便能夠在透鏡厚度盡可能小的情況下通過射線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)像場(在中間)平 坦化。彎月透鏡的第二面最好近似與第一面同軸，由此總體上產(chǎn)生小的(負(fù)) 折光力。
在另一有利實(shí)施方式中，光路中的第二透鏡是一個具有非球面透鏡面 的聚焦透鏡。非球面的聚焦透鏡可以實(shí)施為平凸透鏡、彎月透鏡或?qū)嵤?雙凸透鏡，并且起到使射線聚焦以及使球面像差、像散和高階誤差最小的 作用。通過聚焦透鏡的折光力還確定鏡頭的焦距。按照本發(fā)明的用于通過激光射線加工材料的掃描裝置包括至少一個平 面的用于使激光射線偏轉(zhuǎn)的掃描鏡和一個在光路中隨后布置的如上所述的
F/e鏡頭，該掃描裝置尤其可以在激光射線功率高于ikw時運(yùn)行。
在一個特別有利的實(shí)施方式中，在光路中在F/e鏡頭前面設(shè)置一波前修 正光具。由此可以在掃描鏡前面就已進(jìn)行要聚焦的射線的波前的第一修正， 該修正有助于使F/e鏡頭中所需的透鏡數(shù)量最小化。
在該實(shí)施方式的一個優(yōu)選改進(jìn)方案中，波前修正光具具有一個準(zhǔn)直透 鏡，該準(zhǔn)直透鏡具有一個或兩個非球面透鏡面。通常在掃描裝置中設(shè)置球 面準(zhǔn)直透鏡，用于從光導(dǎo)纖維射出的發(fā)散的射線的準(zhǔn)直。非球面準(zhǔn)直透鏡 代替該傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡，該準(zhǔn)直透鏡僅要產(chǎn)生盡可能最好的平行射線。除 了準(zhǔn)直外，該透鏡還承擔(dān)波前的精細(xì)修正，它與F/e鏡頭的兩個透鏡共同作 用使得在掃描范圍上在中間能夠?qū)崿F(xiàn)比用傳統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡所能實(shí)現(xiàn)的更好的 成像質(zhì)量。非球面準(zhǔn)直透鏡還承擔(dān)一部分球面像差修正。
在另一優(yōu)選的改進(jìn)方案中，波前修正光具具有一個相位修正板，它用 于波前修正。該相位修正板例如可以與傳統(tǒng)的球面準(zhǔn)直透鏡組合。


從說明書、附圖和權(quán)利要求中可得知本發(fā)明主題的其它優(yōu)點(diǎn)和有利改 進(jìn)方案。上述的和還要描述的特征可以單獨(dú)地或者多個任意組合地使用。 所示的和所述的實(shí)施方式不應(yīng)被理解為窮舉，而是對于描述本發(fā)明具有示 例性特征。
附圖中示出
圖i 本發(fā)明F/e鏡頭的一個實(shí)施方式的縱剖面， 圖2 具有圖i中的F/e鏡頭的本發(fā)明掃描裝置的一個實(shí)施方式的縱 剖面。
具體實(shí)施例方式
圖i中所示的F/e鏡頭i包括一個彎月透鏡2和一個聚焦透鏡3，它們
安置在一個透鏡座4中，該透鏡座安置在鏡頭殼體5中。
彎月透鏡2在物鏡側(cè)具有一個近似半球形的凹形彎曲的第一透鏡面6， 以便能夠在透鏡厚度盡可能小的情況下通過射線擴(kuò)展使像場(平均)平化。彎月透鏡2的圖形側(cè)的第二透鏡面7近似與第一透鏡面6同軸心，由 此總體上產(chǎn)生一個小的(負(fù))折光力。
聚焦透鏡3是一個雙凸透鏡，它具有一個球面的透鏡面8和一個非球 面的透鏡面9。該聚焦透鏡3通過利用附加自由度使得在圖1中未用圖形示 出的激光射線在非球面像差、像散和高階誤差最小化的情況下聚焦，這些 附加自由度由非球面的透鏡面8引起。通過聚焦透鏡3的折光力確定F/e 鏡頭1的焦距。
該F/e鏡頭1還包括一個安置在圖形側(cè)的、供保護(hù)玻璃11用的保持架 10，它可以夾緊在鏡頭l的殼體5上，如在申請人的已登記的實(shí)用新型DE 20 2004 019 487.2中所詳細(xì)描述的那樣。
彎月透鏡2和聚焦透鏡3由無水的、合成的石英玻璃制成，由此達(dá)到 很少的激光射線吸收和小的透鏡系統(tǒng)熱膨脹，同時鏡頭1的功率相容性提 高到至少4一6kW。此外通過所示的結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的典型地具有較大數(shù) 量透鏡的F/e鏡頭相比，達(dá)到大的重量減輕和尺寸減小。由于最小的部件數(shù) 量，盡管使用與球面透鏡相比在成本上不有利的非球面，但該光學(xué)系統(tǒng)可 以總體上成本有利地制造。
圖2示出F/e鏡頭1處于裝入用于材料加工的掃描裝置12中的安裝狀 態(tài)。該掃描裝置具有光導(dǎo)纖維13，由光導(dǎo)纖維射出具有高射線功率(〉lkW) 的發(fā)散的激光射線14a，它在垂直方向穿過掃描裝置12并且借助準(zhǔn)直透鏡 15轉(zhuǎn)變成繼續(xù)垂直延伸的、準(zhǔn)直的激光射線14b。
傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡僅要產(chǎn)生一個盡可能最好的平行射線，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)直 透鏡不同，該準(zhǔn)直透鏡15具有一個特殊優(yōu)化的非球面的透鏡面。因此，除 了射線準(zhǔn)直以外，該準(zhǔn)直透鏡15還用作波前修正光具并且承擔(dān)波前的精修 正，尤其是球面像差修正的一部分，由此，與F/e鏡頭的彎月透鏡2和聚焦 透鏡3共同作用，使得在掃描范圍上平均可實(shí)現(xiàn)比通過傳統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡可實(shí) 現(xiàn)的成像質(zhì)量更好的成像質(zhì)量。替換地，也可以通過一個(未示出的)球 面準(zhǔn)直透鏡和一個相位修正板的組合來取代該非球面的準(zhǔn)直透鏡15。
準(zhǔn)直的激光射線14b在偏轉(zhuǎn)鏡16上從垂直方向偏轉(zhuǎn)90。達(dá)到水平方向 并且經(jīng)過一進(jìn)入孔徑進(jìn)入掃描頭17中。在掃描頭17中，準(zhǔn)直的激光射線 14b首先碰到平面的X掃描鏡18，它使射線在X方向偏轉(zhuǎn)到平面的Y掃描 鏡19上，該Y掃描鏡使射線繼續(xù)向Y方向偏轉(zhuǎn)。X掃描鏡18和Y掃描鏡19固定在靈敏電流計上并且可以旋轉(zhuǎn)。靈敏電流計旋轉(zhuǎn)軸線的位置確定各 掃描鏡18， 19的偏轉(zhuǎn)角并由此確定激光射線在(未示出的)像場中的位置。
準(zhǔn)直的激光射線14b通過出口離開掃描頭17,該出口設(shè)置有圖1的F/e 鏡頭1。該鏡頭借助彎月透鏡2使得激光射線14b擴(kuò)展以產(chǎn)生盡可能大的像 場，以及借助接下來的聚焦透鏡3使得擴(kuò)展后的激光射線轉(zhuǎn)換成收斂的激 光射線14c，它聚焦在一個焦點(diǎn)上，圍繞該焦點(diǎn)通過透鏡裝置在F/e鏡頭1 中產(chǎn)生在中間平坦的像場。
由于在掃描裝置12中存在的光學(xué)系統(tǒng)未被完全修正("衍射受限制")， 因此目的是，使成像誤差在掃描鏡18， 19的所有偏轉(zhuǎn)時保持在允許的極限 內(nèi)。在此容忍在掃描鏡小偏轉(zhuǎn)情況下與由球面透光具成的系統(tǒng)相比出現(xiàn) 圖像變差。準(zhǔn)直的激光射線14b通過準(zhǔn)直透鏡15或者也通過單獨(dú)的修正板 有目的地波前失真在掃描鏡18， 19偏轉(zhuǎn)的臨界大時產(chǎn)生圖像的決定性改善， 而它在偏轉(zhuǎn)小的情況下引起微小的因而可接受的變差。在按照本發(fā)明的F/e 鏡頭1中，由于使用合成石英玻璃作為功率特別適合的光學(xué)材料，有意識 地省去了色像差的修正。此外保留一定的殘余像散，因?yàn)橹辉谥虚g進(jìn)行像 場平坦化。因此，通過在F/e鏡頭1中使用較少數(shù)量的光學(xué)部件明顯降低了 成本和重量，激光穩(wěn)定性即使在lkW以上至約10kW的激光功率下也明顯
提高，由此才能夠在大功率應(yīng)用場合中使用F/e鏡頭，在這些應(yīng)用場合中在
準(zhǔn)直的射線中進(jìn)行射線偏轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1. F/θ鏡頭(1)，用于在平面的像場中聚焦大功率激光射線，其特征在于，該鏡頭(1)具有至少兩個、最好正好兩個在光路中前后布置的透鏡(2，3)，這些透鏡在1kW以上的激光射線功率時是穩(wěn)定的，其中，至少一個透鏡(3)具有一個或兩個非球面的透鏡面(8)。
2. 如權(quán)利要求l所述的F/e鏡頭，其特征在于，至少一個、最好所有 的透鏡(2， 3)由合成的石英玻璃制成。
3. 如權(quán)利要求l或2所述的F/e鏡頭，其特征在于，該光路中的第一 透鏡是一個最好球面的彎月透鏡(2)。
4. 如上述權(quán)利要求之一所述的F/e鏡頭，其特征在于，該光路中的第 二透鏡是一個具有非球面的透鏡面(8)的聚焦透鏡(3)。
5. 掃描裝置(12),用于大功率激光射線，具有至少一個平面的掃描 鏡用于使激光射線偏轉(zhuǎn)并具有一個在光路中跟隨在該掃描鏡后面的如上述 權(quán)利要求之一所述的F/e鏡頭(1)。
6. 如權(quán)利要求5所述的掃描裝置，其特征在于一個在光路中設(shè)置在F/e 鏡頭(1)前面的波前修正光具。
7. 如權(quán)利要求6所述的掃描裝置，其特征在于，所述波前修正光具具 有一個準(zhǔn)直透鏡(15),該準(zhǔn)直透鏡具有一個或兩個非球面的透鏡面。
8. 如權(quán)利要求6或7所述的掃描裝置，其特征在于，所述波前修正光 具具有一個相位修正板。
全文摘要
一種F/θ鏡頭(1)，用于在平面的像場中聚焦大功率激光射線，具有至少兩個、最好正好兩個在光路中前后布置的透鏡(2，3)，這些透鏡在1kW以上的激光射線功率時是穩(wěn)定的，其中，至少一個透鏡(3)具有一個或兩個非球面的透鏡面(8)。
文檔編號G02B26/08GK101438195SQ200680045976
公開日2009年5月20日 申請日期2006年10月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者A·福斯, M·胡翁克, R·布呂斯特勒 申請人:通快激光兩合公司