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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 Scanlängen und Scanbereiche 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 dem folgenden Symbol 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 einigen Millimetern (ca. halbe Scannerapertur) 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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Spotverbreiterung bei Anwendungen mit UKP Lasern

Im Jahr 1927 formulierte Werner Heisenberg seine Unschärferelation, die besagt, dass zwei komplementäre Eigenschaften eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar sind. Dieses Phänomen führt bei modernen ultrakurz gepulsten Lasern zu Problemen. Insbesondere bei sehr geringen Pulsdauern im Bereich von einigen hundert Femtosekunden kann die Wellenlänge der emittierten Photonen nicht mehr genau bestimmt werden. Die bei langen Pulsen klar definierbare Wellenlänge verschwimmt somit bei UKP-Lasern und führt zu einer Erhöhung von deren Bandbreite. Dabei hängt die Intensität der spektralen Verbreiterung von der Sollwellenlänge sowie der Pulsdauer ab. Je kürzer der Puls und je größer die Wellenlänge, desto breiter ist der Unschärfebereich.

Ein nicht farbkorrigiertes f-Theta Objektiv erzeugt daher bei breitbandigen UKP-Laser Anwendungen einen stark ausgedehnten Spot. Spezielle farbkorrigierte Objektive können dieses Problem zwar lösen, sind allerdings wegen der eingeschränkten Glasauswahl oft sehr teuer. Stark absorbierende optische Gläser sind nicht UKP-tauglich und würden sich schnell erhitzen und zu irreparablen Schäden im Objektiv führen.

Zwar ist die Bandbreite von UKP-Lasern im ultravioletten Bereich meist etwas geringer, allerdings lässt sich die Farbe gerade dort besonders schwer korrigieren. Während der Spot bei kurzgepulsten langwelligen Anwendungen mit nicht farbkorrigierten Objektiven manchmal noch akzeptabel ist, weicht seine Form im UV-Bereich sehr häufig stark vom Soll ab. Aus der erzielten Gaussform wird eine elliptische oder gar linienförmige Gestalt. Die längliche Verzerrung entsteht dabei durch viele spektrale Anteile, die auf der Arbeitsebene leicht versetzt fokussiert werden. Bei stark ausgelenkten Strahlen ist der Versatz deutlich größer als in den zentraler gelegenen Bereichen.

Sill Optics bietet für besonders kurzgepulste Laser in seinem Katalog drei verschiedene UKP-taugliche farbkorrigierte f-Theta Objektive an und ist jederzeit bereit, kundenspezifische Objektive mit neuen Brennweiten zu entwickeln.

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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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Veränderung der Einbaulage

Auf den Datenblättern für f-Theta Objektive ist in der Outline und der Spezifikationstabelle eine empfohlene Einbaulage angegeben. Die Abstände zwischen den Scannerspiegeln und dem Objektiv sollten im Idealfall eingehalten werden. Bei einigen Anwendungen können die Abstände allerdings nicht exakt übernommen werden, weil nicht genügend Bauraum vorhanden ist, ein anderer Scanner verwendet wird oder die Scannerspiegel nicht weit genug ausgelenkt werden können. Falls die Einbaulage von den vorgegebenen Werten abweicht, verändern sich allerdings auch einige Spezifikationen des f-Theta Objektivs.


Wird der Abstand zwischen Scanobjektiv und dem Scanner vergrößert, so verkleinert sich das maximal erreichbare Scanfeld, weil die ausgelenkten Strahlen weiter entfernt von der optischen Achse auf das f-Theta Objektiv treffen. Dies führt wiederum zu Vignettierung im Objektiv.
Außerdem kann sich der Telezentriefehler bei Veränderung des Aperturabstands vergrößern. Der entsprechende Wert aus der Spezifikationstabelle vom Datenblatt ist der Abstand, bei dem der Telezentriefehler minimal ist. Dieser Punkt ist nur für telezentrische Objektive von Bedeutung.
Die empfohlenen Spiegelabstände (typische Abstände für gängige Scanner) werden immer so gewählt, dass externe Rückreflexe nicht in der Nähe der Scannerspiegel liegen. Daher ist es besonders wichtig, darauf zu achten, dass auch bei veränderten Spiegelabständen keine Geister auf den Spiegelflächen liegen. Anderenfalls kann es zu einer Beschädigung des Scanners kommen.


Wenn Sie bei einer Scanlinse gerne von der empfohlenen Einbaulage abweichen würden, können Sie gerne auf das Technikteam von Sill Optics zukommen und nach Veränderungen bei den Spezifikationen und den Geisterpositionen fragen. Nennen Sie uns bitte hierfür den Abstand zwischen den beiden Scannerspiegeln sowie den Abstand vom hinteren Spiegel zur Fassungskante des Objektivs.

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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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Telezentrie

Ein Objektiv ist dann telezentrisch, wenn auch ausgelenkte Strahlen senkrecht oder nahezu senkrecht auf die Arbeitsebene auftreffen. Der Telezentriefehler gibt dabei den maximalen Winkel an, den der Laserstrahl zur Senkrechten des Bearbeitungsfeldes einnimmt. Typischerweise ist dieser Wert gerade in den Feldecken besonders groß.


Eine perfekte Telezentrie ist allerdings nur dann möglich, wenn alle Strahlen genau aus einer Ebene kommen. Wenn der Abstand zwischen dieser Ebene und der vorderen Fassungskante des Objektivs identisch mit der Schnittweite ist, ist ein Objektiv telezentrisch.


Bei Galvanometer Scannern wird der Laserstrahl durch zwei benachbarte Spiegel in x- und y-Richtung ausgelenkt. Es entsteht also ein Strahlversatz, der vom Grad der Auslenkung abhängt. Um dennoch eine bestmögliche Telezentrie zu gewährleisten, wird der Aperturabstand so gewählt, dass die theoretische Ebene, aus der alle Strahlen kommen sollten, mittig zwischen den Spiegeln liegt. Wenn dieser Punkt nicht mehr zwischen sondern außerhalb der Spiegel liegt, gilt ein Objektiv nicht mehr als telezentrisch.

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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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