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Grundlegende Erklärungen

Objektive, die in Kombination mit XY Galvanometerscannern oder Polygonscannern verwendet werden, sind als f-Theta Objektive, Flachfeldobjektive oder auch Scanobjektive bekannt.

 

Unsere f-Theta Objektive finden ihre Anwendung in unterschiedlichen Einsatzgebieten, wie der industriellen Materialbearbeitung (z.B. Strukturieren, Bohren, Schweißen, Schneiden etc.), in der Medizintechnik und Biotechnik (konfokale Mikroskopie, Ophthalmologie) und in Wissenschaft und Forschung. Das Design und die Qualität der optischen Komponenten spielen dabei eine entscheidende Rolle.

 

Standardlinsen würden in Kombination mit einem Scan-System den Laserstrahl auf eine Kugelschale abbilden, jedoch nicht auf ein ebenes Feld. Mit f-Theta Objektiven wird der Laserfokus auf einem ebenen Bildfeld positioniert, wobei die Fokusgröße nahezu konstant bleibt. Die Lage des Fokuspunktes (Bildhöhe) ist proportional zum Scanwinkel.

 

Den Berechnungen der Scanlänge und des Scanbereichs unserer f-Theta Objektive, liegt das geometrische Design typischer Scan-Systeme mit gegebenen Spiegelabständen zugrunde. Werden die Optiken in Ablenksystemen eingesetzt, die hiervon abweichen bzw. wird ein anderer Strahldurchmesser verwendet, können sich Scan-Längen und Scan-Bereiche verändern. Bei diesen Systemen sollte der „Aperturabstand“ in der geometrischen Mitte der beiden Spiegelabstände zur Fassungskante des Objektivs stehen. Die Werte berücksichtigen eine Vignettierung von max. 1 %.

 

Objektive, die mit einem ! gekennzeichnet sind, werden nur auf Anfrage gefertigt.

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Objektivtyp Auswahlrichtlinie

Wie vorherige Erklärungen aufzeigen ist die richtige Auswahl eines Objektivs passend zum Laser und den Anforderungen eines Prozesses nicht einfach und eine allgemeingültige Aussage nicht möglich. Im Folgenden werden einige Eigenschaften von Sill Objektiven näher erläutert, um die Auswahl etwas zu vereinfachen.

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Interne Geister

Geister oder Rückreflexionen entstehen durch die Reflexion von Licht an einer dahinterliegenden Linsen- oder Schutzglasfläche. Interne Geister zeichnen sich durch eine Fokuslage auf Linsenelementen innerhalb des Objektivs aus.

 

Antireflexbeschichtungen optimieren den Übergang vom optisch dünneren Medium Luft ins optisch dichtere Medium Glas, sodass die Verluste an den Flächen nur noch ca. 0,2 % statt der ursprünglichen 4 % betragen. Trotz der geringen Absorptionsverluste, führt die Anwendung von KP und UKP Lasern oft zur Überschreitung der Zerstörschwelle und somit zu Schäden am betroffenen Linsenelement.

 

Die meisten Objektive sind aus zwei bis sechs Linsen aufgebaut. Die Lösung besteht darin das Objektiv bereits im Design so auszulegen, dass sich keine Rückreflexe in der Nähe von Linsen befinden. Für Laser mit hoher und mittlerer Leistung (Kilowattbereich) und Kurzpulslaser werden solche „geistfreien“ Objektive stark empfohlen. Kurzpulstaugliche, geistfreie Objektive sind im Katalog mit einem  gekennzeichnet und bestehen aus Gläsern mit geringen Temperaturkoeffizienten (v.a. Quarzglas), die nicht verkittet sind.

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Externe Geister

Geister sind Rückreflexe von Linsenflächen oder vom Schutzglas. Leistungsstarke Laser können optische Elemente im Fokus der Rückrefl exe beschädigen.

 

Bei internen Rückreflexen (siehe Seite 31) liegen die Foki auf Linsenflächen innerhalb des Objektivs. Diese Objektive sind prinzipiell nicht für leistungsstarke Laser geeignet.

 

Demgegenüber liegen externe Geister objektseitig außerhalb des Objektivs. In diesem Fall können Hochleistungslaser sicher angewandt werden. Allerdings muss der Abstand zwischen Objektiv und dem restlichen Aufbau mit Bedacht gewählt werden. Falls der Fokus eines Geistes auf einem vorgeschalteten optischen Element (typischerweise Spiegel des Scanners) liegt, kann es dort zu Schäden kommen.

 

Im Datenblatt gibt das Feld „back reflection position“ die Position aller externen Geister an. Der Wert entspricht dem Abstand zwischen dem Fokus auf der optischen Achse und der Fassungskante. Als Simulationsgrundlage wird der unausgelenkte Chief Ray genutzt. Bei einer Auslenkung des Strahls kommt es zu einer Verschiebung des externen Geists. Daher sollte für vorgeschaltete optische Elemente ein Sicherheitsabstand von mindestens einem Millimeter zu der angegebenen Geisterposition eingehalten werden.

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Quarzglas mit absorptionsarmer Beschichtung

Quarzglas ist ein sehr widerstandsfähiges Material und weist außerdem einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu anderen optischen Gläsern auf. Daher ist es eine beliebte Wahl für die Minimierung thermischer Fokusverschiebungseffekte. Sill verwendet zusätzlich besonders absorptionsarme Beschichtungen auf Quarz um thermische Einflüsse weiter zu verringern und die Zerstörschwelle zu erhöhen. Daher empfehlen wir diese Kombination sehr für eine Anwendung mit leistungsstarken oder kurz gepulsten Lasern.

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Polychromatische Objektive

Prinzipiell kann man polychromatische Objektive in zwei verschiedene Typen unterteilen.

 

Auf der einen Seite werden farbkorrigierte Objektive für moderne high power Laser immer wichtiger. Bei Anwendungen mit sehr kurz gepulsten Lasern (fs Pulse) stellen farbkorrigierte f-Theta Objektive eine hohe Prozessqualität sicher. Die Küpfmüller’sche Unschärferelation (in Analogie zur Heisenberg‘schen Unschärferelation) besagt, dass das Produkt aus Bandbreite und Pulsdauer konstant ist. Demnach steigt die spektrale Bandbreite mit sinkender Pulsdauer.

 

Bei UKP Lasern fokussieren die spektralen Anteile mit einem Versatz entlang der Ausbreitungsrichtung und senkrecht dazu. Bei Standardobjektiven vergrößert dieser Effekt den Spotdurchmesser enorm, reduziert die Energiedichte im Fokus und hebt somit den Vorteil von UKP Lasern wieder auf.

 

Farbkorrigierte Objektive ermöglichen trotz der kurzen Pulse eine geringe Spotgröße und eine hohe Energiedichte.

Auf der anderen Seite stehen die multispektralen Objektive, die häufig für die Prozessbeobachtung eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den farbkorrigierten Objektiven sind sie für verschiedene schmalbandige Wellenlängenbereiche korrigiert – typischerweise die Bearbeitungs- und die Beobachtungswellenlänge. In manchen Fällen werden multispektrale Objektive auch für Prozesse genutzt, bei denen diverse Laser zum Einsatz kommen. Dabei können die Laser gewechselt werden ohne dass das Objektiv getauscht werden muss.

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Scanlänge

Die Scanlänge ist die Diagonale des maximalen Bearbeitungsfeldes. Sie hängt vom Scanwinkel und dem Arbeitsabstand des Objektivs ab. Wichtig für die Auswahl eines telezentrischen Objektivs ist, dass die maximale freie Ausgangsapertur bzw. die Öffnung mindestens so groß sein muss, wie die gewünschte Scanlänge.

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Optischer und mechanischer Scanwinkel

Der optische Scanwinkel beschreibt den maximalen Winkel, den der Laserstrahl bei Eintritt in die Optik haben darf um Vignettierung zu vermeiden. Verwechslungsgefahr besteht dabei mit dem mechanischen Scanwinkel, der die Verkippung der Galvo-Spiegel eines Scansystems beschreibt. Eine mechanische Verkippung um einen bestimmten Winkel führt zu einem doppelt so großen Winkel bezogen auf den optischen Strahlengang.

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Aperturblende und Spiegelpositionen

F-Theta Objektive sind dazu ausgelegt, für verschiedenste Anwendungen einen Laserstrahl auf ein ebenes Bildfeld zu fokussieren. Sie werden sehr häufig mit einem Scansystem aus zwei Galvanometer-Spiegeln verwendet. Dabei deckt ein Spiegel eine Richtung und der zweite Spiegel die dazu senkrechte Richtung ab. Außerdem wird für Simulationsmethoden die Aperturblende genau mittig zwischen beide Spiegel gesetzt und ist heute eher noch als historisches Artefakt zu verstehen. An dieser Position befindet sich in der realen Anwendung keine Blende durch mechanische Begrenzungen oder Ähnlichem. Folgende Zeichnung illustriert eine schematische Aufreihung der Elemente entlang der optischen Achse.

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Spotdurchmesser Diagramm

Das Spotdurchmesser Diagramm zeigt den Strahldurchmesser auf der Bearbeitungsebene in Abhängigkeit von der Feldposition anhand eines Farbverlaufs. Diese Farbskala reicht vom kleinsten Wert in Weiß bis hin zum größten Wert in Blau. Dabei wird das gesamte Scanfeld abgedeckt. Die Achsenskala gibt die Position im Feld auf der Arbeitsebene [mm] an, wobei der Nullpunkt genau mittig liegt. Am oberen und unteren Achsenende ist neben der Feldposition auch die mechanische Spiegelauslenkung [°] angegeben.

 

Die Größe des Spotdurchmessers hängt von der Strahlqualität des Lasers (Beugungsmaßzahl M²) und dem Eingangsstrahldurchmesser ab. Sill Optics nimmt für die Simulationen an, dass M² = 1 gilt. Falls M² ≠ 1 ist, entspricht die Multiplikation aus der tatsächlichen Beugungsmaßzahl und Wert aus dem Diagramm der tatsächlichen Spotgröße. Der angegebene Spotdurchmesser entspricht der Kreisfläche, die 86,5 % (1/e²) der auftreffenden Leistung enthält.

 

Das Spotdurchmesser Diagramm ist nicht immer auf den maximalen Eingangsstrahldurchmesser des Objektivs bezogen. In manchen Anwendungen sind die nötigen Intensitäten so hoch, dass eine Vignettierung ab 1/e² inakzeptabel wäre. Details zum genutzten Eingangsstrahl stehen daher im Datenblatt unterhalb des Spotdurchmesser Diagramms.

 

Auf Grund von Abbildungsfehlern besteht eine Abhängigkeit zwischen dem Spotdurchmesser und der Feldposition.

 

Die meisten Optiken sind beugungsbegrenzt, d.h. Abbildungsfehler durch das Design sind vernachlässigbar. Trotzdem besteht auch bei beugungsbegrenzten Objektiven eine Abhängigkeit zwischen Spotdurchmesser und Position, da sich die Beugungsgrenze in der Bearbeitungsebene verändert. Die prozentuale Angabe über der Farbskala gibt die Intensität dieser Schwankungen an.

 

Beispiel: Spotdurchmesser Diagramm des f-Theta Objektivs S4LFT4010/292

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Telezentriefehler

Der Telezentriefehler gibt den maximalen Winkel an, den der Laserstrahl zur Senkrechten der Bearbeitungsfläche einnimmt. Während der Einfallswinkel auf der optischen Achse des Systems Null ist, ist er in der Regel in den Ecken des Scanfeldes maximal. Der Wert ist ein Qualitätsmerkmal für telezentrische Objektive oder die Angabe des maximalen Einfallswinkels für entozentrische optische Systeme.

 

Perfekte Telezentrie ist nur dann möglich, wenn alle Strahlen genau aus der vorderen Schnittweite stammen. Das ist in bei klassischen Anwendungen mit zwei Spiegeln nicht möglich.

 

Allgemein gilt daher: Je größer der Anstand zwischen den Spiegeln, desto größer ist die Entfernung des einzelnen Spiegels vom objektseitigen Fokus, desto größer wird der Telezentriefehler.

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Black Box Dateien für Zemax OpticStudio®

Trotz der standardmäßigen Auslegung unserer f-Theta Objektive für einen bestimmten Scankopf, können sie auch mit anderen Scannern genutzt werden. Durch eine Variation der Spiegelabstände oder des Eingangsstrahldurchmessers ändern sich jedoch auch Spezifikationen wie z.B. Feldgröße, Spotdurchmesser oder Telezentriefehler. Für die simulatorische Ermittlung von Spezifikationen eines optischen Gesamtsystems in einer kundenspezifischen Umgebung können Black Box Dateien sehr hilfreich sein. Das gilt nicht nur für f-Theta Objektive, sondern auch für Linsensysteme, die in einen optischen Aufbau integriert werden. Die Dateien zeigen dem Kunden die Performance einer Optik ohne das Design preiszugeben.

 

Wichtig beim Öffnen ist, dass das File unter „Zemax“  „Black Box“ abgespeichert ist, damit das Programm darauf zugreifen kann. Anschließend wird in einer neuen Ebene der „Surface Type“ auf „Black Box Lens“ gestellt und der volle Name der ZBB-Datei in das Kommentarfeld eingegeben (z.B. „f-theta-lens.ZBB“). Prinzipiell sind Black Box Dateien von jeglichen Sill Objektiven auf Anfrage erhältlich.

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