[发明专利]F/θ镜头和带有该镜头的扫描装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于形成平面像场的F/θ镜头以及一种具有这种镜头 的扫描装置。

背景技术

在通过大功率激光加工材料中越来越多地使用扫描装置，用于快速定 位激光射线。一旦在(近似)准直的射线中通过扫描镜实现射线偏转，为 了聚焦使用所谓的F/θ镜头，它的特点尤其在于大的平面像场。

在最大约1kW平均激光功率的范围中，这种F/θ镜头一般由约6个由 不同的高折射玻璃制成的球面透光具成。这些镜头典型地对于刻写应用是 最佳的，即它们具有非常高的(接近衍射极限的)图像质量，但只具有平 常的功率相容性。在100-200W以上平均功率的范围内典型地出现明显的 焦点偏移以及由热引起的图像质量变差。在约1kW平均功率以上，常见的 F/θ镜头或者只能非常有限地或者根本不能用于材料加工，因为在射线可聚 焦性方面产生强烈损失并且由于透镜过热产生损伤。也可以选择在扫描装 置中在聚焦射线中使用具有射线偏转的射线导向系统，在这些系统中对镜 头的要求较低。但此时可利用的工作距离由于扫描镜而明显减小。在这种 情况下，像场强烈地球形弯曲，这一般通过镜头的z调整来补偿。对于大 的工作距离，与聚焦射线的数值孔径相关，所需的扫描镜非常大，由此限 制了其动态性。

由US 6,396,616B1已知一种激光成像系统，它具有一个扫描镜和一个 F/θ镜头，F/θ镜头具有球面的、非球面的和环面的透镜，它起到缩小透镜 的作用以提高光学射线功率。

发明内容

因此，本发明的任务是，提供一种F/θ镜头，它与传统的F/θ镜头相比 在重量和尺寸上减小并且它尤其也可以在高功率密度下运行。

按照本发明，该任务的解决方案是，该镜头具有至少两个、最好正好 两个在光路中前后设置的透镜，它们在1kW以上的激光射线功率下是稳定 的，其中，至少一个透镜具有一个或两个非球面透镜面。按照本发明，由 此实现一种特别适合于大功率应用的F/θ镜头：所使用的透镜数量减少到对 于该应用所需的最小程度(最好正好两个)。为了在所需的成像质量下能 够使透镜数量最小化，使用至少一个非球面透镜面。非球面透镜面与球面 透镜面相比具有附加的自由度，借助于它们尤其可以补偿高阶成像误差， 这些高阶成像误差尤其在大扫描角度时起重要作用。在此省去了像场的完 全平坦化；取而代之进行所谓的在中间平坦化，即，在聚焦射线中保留与 偏转角相关的像散。

在一个特别优选的实施方式中，至少一个、最好所有的透镜由合成的 石英玻璃制成。用于透镜的光学材料尤其从低吸收、低热光效应和高负荷 能力的角度来选择。用于UV/VIS/NIR范围(约170nm-3μm)的优选材料 是合成石英玻璃。石英玻璃的低折射率(n～1.45)是不利的，与在通常的 F/θ镜头中所使用的高折射的光学玻璃(n～1.65-1.85)相比，低折射率导致 表面过强弯曲并因此一般导致较大的成像误差以及导致防反射覆层上的损 失增大。此外在仅使用一种玻璃(石英玻璃)的情况下不能实现消色差的 镜头。但石英玻璃在VIS范围和NIR范围中的色散足够小，以致例如在同 轴考察时穿过镜头产生的色差误差保持在可接受的范围内。当然也可以使 用具有低吸收、低热光效应和高热负荷能力的其它光学材料(例如YAG或 蓝宝石)作为透镜材料。

在一个优选实施方式中，光路中的第一透镜是一个最好球面的弯月透 镜。该弯月透镜最好在物镜侧尽可能强地、即近似半球形地凹形弯曲，以 便能够在透镜厚度尽可能小的情况下通过射线扩展实现像场(在中间)平 坦化。弯月透镜的第二面最好近似与第一面同轴，由此总体上产生小的(负) 折光力。

在另一有利实施方式中，光路中的第二透镜是一个具有非球面透镜面 的聚焦透镜。非球面的聚焦透镜可以实施为平凸透镜、弯月透镜或实施为 双凸透镜，并且起到使射线聚焦以及使球面像差、像散和高阶误差最小的 作用。通过聚焦透镜的折光力还确定镜头的焦距。

按照本发明的用于通过激光射线加工材料的扫描装置包括至少一个平 面的用于使激光射线偏转的扫描镜和一个在光路中随后布置的如上所述的 F/θ镜头，该扫描装置尤其可以在激光射线功率高于1kW时运行。

在一个特别有利的实施方式中，在光路中在F/θ镜头前面设置一波前修 正光具。由此可以在扫描镜前面就已进行要聚焦的射线的波前的第一修正， 该修正有助于使F/θ镜头中所需的透镜数量最小化。