本发明涉及具有正好三个透镜的f-θ镜组。本发明还涉及具有正好四个透镜的f-θ镜组。本发明还涉及用于激光束的、具有用于将激光束聚焦在焦平面上的这种f-θ镜组的扫描仪装置。本技术中的透镜被理解为单独的透镜，即，单件式透镜。
背景技术：
1、文献描述了针对不同目的进行优化的具有三个透镜、四个透镜或五个透镜的各种光学系统。
2、us 8,497,931 b2描述了用于摄像机的图像拍摄光学系统，其包括从物空间开始按顺序的四个透镜：第一透镜，其构造为具有正折光力的双凸透镜；具有负折光力的第二透镜，其具有朝向像空间定向的凹表面；具有正折光力的第三透镜，其具有朝向像空间定向的凸表面；以及具有负折光力的第四透镜。光学系统应当沿光轴具有短的总长度。
3、对于扫描仪应用，f-θ镜组用于将激光束聚焦在焦平面上。已知关于不同属性来优化这样的f-θ镜组。
4、cn104317034 a描述了具有五个透镜的f-θ镜组，其应实现激光束的精确定位。
5、us 4,400,063描述了具有四个透镜组件的f-θ镜组，其中第一透镜组件具有负折光力。那里所描述的f-θ镜组应当尽可能好地满足f-θ条件。
6、cn108415147描述了下述f-θ镜组，其具有呈双凸透镜形式的第一正透镜、呈双凹透镜形式的第二负透镜和呈平凸透镜形式的第三正透镜、以及防护玻璃。f-θ透镜针对钻孔应用进行了优化。
7、kr102019049996a描述了具有f-θ镜组的激光装置，该f-θ镜组具有小尺寸的多个球面透镜。
8、us20190187416a1描述了具有衍射光学元件和多个球面透镜的f-θ镜组。该f-θ镜组应当产生具有高定位精度的衍射极限激光光斑。
9、ep1081525 a2描述了具有下述的f-θ镜组：具有拥有正折光力的物方凸透镜的第一透镜组件；具有拥有负折光力的物方凹透镜的第二透镜组件；以及具有正折光力的第三透镜组件。透镜由具有大于二的折射率的材料(例如硒化锌或锗)制成。在一个示例中，f-θ镜组的透镜是球面透镜，其中，第一透镜组件由弯月形透镜形成，第二透镜组件由双凹透镜形成，而第三透镜组件由具有近似平坦侧的弯月形透镜以及另一弯月形透镜形成。
10、cn109425962 a描述了具有五个透镜的f-θ镜组，以创建在低畸变的情况下的最大可能扫描场。
11、us 4,787,723描述了具有高达45°的超广扫描角度的f-θ透镜系统。该f-θ透镜系统包括：具有正折光力的第一透镜部件，其构造为弯月形透镜；具有负折光力的第二透镜部件，其构造为弯月形透镜；以及具有正折光力的第三透镜部件，其构造为平凸透镜。f-θ透镜系统应当实现即使透镜的数目少，激光束的成像质量也能够接近衍射极限。
技术实现思路
1、发明目的
2、本发明的目的是提供一种f-θ镜组和具有这样的f-θ镜组的扫描仪装置，其在尽可能紧凑的结构的情况下具有大的扫描场。
3、发明主题
4、根据第一方面，该目的通过具有正好三个透镜的f-θ镜组来实现，所述三个透镜即：具有第一焦距的第一透镜，该第一透镜构造为具有正折光力的双凸透镜；具有第二焦距的第二透镜，该第二透镜构造为具有负折光力的双凹透镜；以及具有第三焦距的第三透镜，该第三透镜构造为具有正折光力的弯月形透镜，其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜在射束路径中相继地布置并且因此形成透镜组件。
5、发明人已经认识到，三个透镜的具有正透镜折光力-负透镜折光力-正透镜折光力的透镜布置能够实现大的扫描场，而同时是非常紧凑的结构。与其中第一透镜具有负折光力的f-θ镜组的经典设计相比，通过提供具有正折光力的第一透镜，可以在后续透镜上实现显著较低的径向照明。这尤其使得能够使用较小的透镜直径，同时还符合由外围引起的机械限制。由具有正折光力-负折光力-正折光力的三个透镜组成的上述透镜组件使得能够创建平坦的图像场。对于此处描述的f-θ镜组具有三个透镜的情况，已经证明如果透镜组件的第一透镜是具有正折光力的双凸透镜，则是有利的。
6、在一个实施方式中，第三透镜具有至少一个、尤其正好一个非球面透镜面。在此处描述的f-θ镜组具有正好三个透镜的情况下，如果透镜组件的第三透镜具有非球面透镜面则是有利的。通过非球面化，即，通过与透镜面的球面曲率的适当偏差，可以校正f-θ镜组的成像误差。
7、如上所述，第三透镜为弯月形透镜，其具有一个凹入弯曲侧和一个凸出弯曲侧。在此处描述的f-θ镜组具有三个透镜的情况下，弯月形透镜的凹入弯曲侧通常面对第二透镜，并且相应地，弯月形透镜的凸出弯曲侧背对第二透镜。
8、在该实施方式的进一步发展中，非球面透镜面形成在第三透镜的背对第二透镜的侧上。如上所述，呈弯月形透镜形式的第三透镜的背对第二透镜的侧通常具有凸曲率。第三透镜的另一透镜面以及第一透镜和第二透镜的透镜面通常为球面。
9、在另一实施方式中，第一焦距至第三焦距与f-θ镜组的总焦距的比率满足以下条件：
10、0.3<f1/f<0.4，
11、-0.3<f2/f<-0.2，
12、0.5<f3/f<0.7。
13、作为惯例，三个透镜的焦距f1至f3表示各个焦点距各个透镜的主平面的距离。相应地，总焦距是指焦平面或图像场距f-θ镜组的替代主平面的距离。总焦距是三个透镜的布置或厚度与其空气距离结合的结果。
14、在该实施方式的扩展方案中，以下适用：f1/f＝0.36，f2/f＝-0.27，以及f3/f＝0.64。
15、通过选择在上述间隔内或具有上述值的焦距，可以创建理想的衍射极限图像。众所周知，透镜的焦距取决于透镜材料的折射率n、透镜的曲率半径和透镜的厚度。
16、在本技术中，由于所使用的高激光功率，例如，超过1kw，因此透镜的材料通常是具有小于2.0的折射率n的材料。通常，该材料是石英玻璃，例如合成石英玻璃，其在此处所使用的激光波长下的折射率通常为约n＝1.46。
17、本发明的第二方面涉及一种具有正好四个透镜的f-θ镜组，所述透镜由具有小于2.0的折射率的材料制成，所述透镜即：具有第一焦距的第一透镜，该第一透镜构造为具有正折光力的弯月形透镜或双凸透镜；具有第二焦距的第二透镜，该第二透镜构造为具有负折光力的双凹透镜；具有第三焦距的第三透镜，该第三透镜构造为具有正折光力的弯月形透镜或平凸透镜；以及具有第四焦距的第四透镜，该第四透镜具有正折光力，其中，第一透镜、第二透镜和第三透镜在射束路径中相继地布置并形成透镜组件，其中，第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之前或在射束路径中布置在透镜组件之后。
18、在本发明的这方面中，所有四个透镜的透镜面通常球面地构造，即，f-θ镜组的透镜不具有非球面透镜面。透镜的材料可以例如是(合成)石英玻璃。
19、具有正折光力的第四透镜的类型取决于其相对于透镜组件的布置。如果第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之前，则其通常是双凸透镜。如果第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之后，则其通常是弯月形透镜。弯月形透镜具有通常面对透镜组件的第三透镜的凸出侧。
20、在一个实施方式中，第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之后，并且第一焦距至第四焦距与f-θ镜组的总焦距的比率满足以下条件：
21、0.6<f1/f<0.7，
22、-0.30<f2/f<-0.35，
23、0.55<f3/f<0.65，
24、1.6<f4/f<1.8。
25、在该实施方式的进一步发展中，以下适用：f1/f＝0.63，f2/f＝-0.32，f3/f＝0.59，f4/f＝1.65。
26、通过选择在上述间隔内或具有上述值的焦距，在这种情况下也可以创建理想的衍射极限图像。
27、在此处描述的第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之后的情况下，透镜组件的第一透镜通常是弯月形透镜，其凹入侧面对透镜组件的第二透镜。第三透镜可以是具有背对第二透镜的凸出侧的平凸透镜。替代地，第三透镜可以是具有背对第二透镜的凸出侧的弯月形透镜。
28、在替选实施方式中，第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之前，并且第一焦距至第四焦距与f-θ镜组的总焦距的比率满足以下条件：
29、0.6<f4/f<0.8，
30、1.6<f1/f<1.8，
31、-0.4<f2/f<-0.35，
32、0.7<f3/f<0.8。
33、在该实施方式的进一步发展中，以下适用：f4/f＝0.70；f1/f＝1.73；f2/f＝-0.37；f3/f＝0.73。
34、通过选择在上述间隔内或具有上述值的焦距，在此处描述的情况下也可以创建理想的衍射极限图像。
35、在此处描述的第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之前的情况下，透镜组件的第一透镜通常是弯月形透镜，其凹入侧面对第二透镜。透镜组件中的第三透镜通常也是弯月形透镜，其中该透镜的凹入侧面对透镜组件中的第二透镜；然而不一定是这种情况。
36、在另一实施方式中，f-θ镜组的总焦距在150mm至1000mm之间。上述设计适于大的偏转角度，即，适于大的扫描场或图像场，其最大范围通常是f-θ镜组的总焦距的数量级。具有正好三个透镜的f-θ镜组和另外上述的f-θ镜组(其中第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之后)特别地适于在150mm至500mm之间的总焦距。其中第四透镜在射束路径中布置在透镜组件之前的另外上述f-θ镜组特别适于400mm至1000mm之间的总焦距。
37、在另一实施方式中，f-θ镜组构造为非像方远心透镜。在这样的f-θ镜组中，从f-θ镜组的入射光瞳发出的激光束与光轴的定向取决于激光束被引导到焦平面上或被引导到图像场上的角度。因此，与像方远心f-θ镜组的情况不一样，激光束基本上与偏转角度无关地总是平行于光轴定向。在这种情况下，远心误差具有最大偏转角度的数量级，即，通常大于15°或大于20°。通过适当选择透镜的焦距与总焦距之间的比率(参见上面)，可以实现f-θ镜组的非像方远心构型。
38、在另一实施方式中，f-θ镜组的入射光瞳平面以30mm至100mm之间的距离位于：透镜组件的第一透镜之前(如果第四透镜在射束路径中没有布置在透镜组件之前)或者在射束路径中布置在透镜组件之前的第四透镜之前。已经证明，如果将f-θ镜组的具有正折光力的第一透镜(参见上面)布置成尽可能靠近入射光瞳平面，则是有利的。
39、当在具有两个扫描镜的扫描仪装置中使用f-θ镜组时，根据定义，入射光瞳正好位于两个扫描镜之间。入射光瞳平面距第一(或第四)透镜的距离通常根据光学机械边界条件来确定：通常，为了避免扫描镜与f-θ镜组的第一(或第四)透镜之间的碰撞的风险，入射的激光束的射束直径越大，典型地扫描镜的进行反射的表面越大，并且入射光瞳平面与f-θ镜组的第一透镜之间的距离越大。
40、f-θ镜组可以具有在射束路径中布置在透镜之后的至少一个防护玻璃。防护玻璃通常是平面平行的板，即，在理想情况下不具有光学效应的构件。防护玻璃用于保护透镜或f-θ镜组免受材料处理过程期间(例如焊接或切割过程期间)形成的污垢、熔渣等的影响。特别地，可以在射束路径中在f-θ镜组之后布置两个防护玻璃。
41、具有上述参数的f-θ镜组针对波长范围在500nm至550nm之间或者在1000nm至1100nm之间、特别地在1030nm至1075nm之间的(单色)激光辐射进行了优化。
42、本发明的另一方面在用于激光束的扫描仪装置中实现，该扫描仪装置包括：至少一个扫描镜，用于使激光束偏转；以及在射束路径中在所述至少一个扫描镜之后的f-θ镜组，用于将激光束聚焦在焦平面中，其中，f-θ镜组如上所述地构造。激光束通常是具有例如若干kw的辐射功率的高功率激光束。扫描仪装置通常构造成用于材料处理。通常，在f-θ镜组的透镜与焦平面或工件之间布置至少一个(平面平行的)防护玻璃(参见上面)。一个或多个扫描镜通常布置在f-θ镜组的入射光瞳平面中或在该入射光瞳平面附近。扫描仪装置通常构造成使得被扫描镜偏转的激光束能够在整个扫描区域上基本上非远心地入射到焦平面上，该焦平面通常对应于材料处理情况下的处理平面并且工件布置在该处理平面上。
43、本发明的其他优点根据描述和附图得到。同样地，上面提到的特征和那些将要实施的特征可以分别被单独使用或者作为多个以任何期望的组合使用。所示和所描述的实施方式不应被理解为详尽的列举，而应当被理解为具有用于描述本发明的示例性特征。
1.一种f-θ镜组(2)，所述f-θ镜组具有正好三个透镜(l1，l2，l3)，即：
2.根据权利要求1所述的f-θ镜组，其特征在于，所述第三透镜(l3)具有非球面透镜面(12)。
3.根据权利要求2所述的f-θ镜组，其特征在于，所述非球面透镜面(12)形成在所述第三透镜(l3)的背对所述第二透镜(l2)的侧上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的f-θ镜组，其特征在于，所述第一焦距至所述第三焦距(f1，f2，f3)与所述f-θ镜组(2)的总焦距(f)的比率满足以下条件：
5.根据权利要求4所述的f-θ镜组，其中：
6.一种f-θ镜组(2)，所述f-θ镜组具有正好四个透镜(l1，l2，l3，l4)，所述四个透镜由具有小于2.0的折射率的材料制成，所述四个透镜即：
7.根据权利要求6所述的f-θ镜组，其特征在于，所述第四透镜(l4)在所述射束路径中布置在所述透镜组件(11)之后，并且所述第一焦距至所述第四焦距(f1，f2，f3，f4)与所述f-θ镜组(2)的总焦距(f)的比率满足以下条件：
8.根据权利要求7所述的f-θ镜组，其中：
9.根据权利要求6所述的f-θ镜组，其特征在于，所述第四透镜(l4)在所述射束路径中布置在所述透镜组件(11)之前，并且所述第一焦距至所述第四焦距(f1，f2，f3，f4)与所述f-θ镜组(2)的总焦距(f)的比率满足以下条件：
10.根据权利要求9所述的f-θ镜组，其中：
11.根据前述权利要求中任一项所述的f-θ镜组，其中，所述f-θ镜组(2)的总焦距(f)在150mm至1000mm之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的f-θ镜组，所述f-θ镜组构造为非像方远心镜组。
13.根据前述权利要求中任一项所述的f-θ镜组，其中，所述f-θ镜组(2)的入射光瞳平面(ep)以30mm至100mm之间的距离(d1)位于：所述透镜组件(11)的所述第一透镜(l1)之前，或者所述射束路径中布置在所述透镜组件(11)之前的所述第四透镜(l4)之前。
14.一种用于激光束(4)的扫描仪装置(1)，其包括：
