Die vorliegende Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv, welches genau drei Linsen aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein F-Theta-Objektiv, welches genau vier Linsen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Scannervorrichtung für einen Laserstrahl mit einem solchen F-Theta-Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls in einer Fokusebene. Unter Linsen werden im Sinne dieser Anmeldung Einzellinsen, d.h. einteilige Linsen, verstanden.

In der Literatur ist eine Vielzahl von optischen Systemen mit drei, vier oder fünf Linsen beschrieben, die für unterschiedliche Zwecke optimiert sind.

In der US 8,497,931 B2 ist ein bildaufnehmendes optisches System für eine Kamera beschrieben, das in einer Abfolge ausgehend von der Objektseite vier Linsen umfasst: eine erste Linse, die als Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, eine zweite Linse mit negativer Brechkraft, die eine konkave Oberfläche aufweist, die zur Bildseite hin ausgerichtet ist, eine dritte Linse mit positiver Brechkraft, die eine konvexe Oberfläche aufweist, die zur Bildseite hin ausgerichtet ist und eine vierte Linse, die eine negative Brechkraft aufweist. Das optische System soll eine geringe Baulänge entlang der optischen Achse aufweisen.

Für Scanneranwendungen werden F-Theta-Objektive verwendet, um einen Laserstrahl in einer Fokusebene zu fokussieren. Es ist bekannt, derartige F-Theta- Objektive im Hinblick auf unterschiedliche Eigenschaften zu optimieren:

In der CN104317034 A ist ein F-Theta-Objektiv mit fünf Linsen beschrieben, das eine genaue Positionierung des Laserstrahls ermöglichen soll. Die US 4,400,063 beschreibt ein F-Theta-Objektiv mit vier Linsengruppen, von denen die erste Linsengruppe eine negative Brechkraft aufweist. Das dort beschriebene F- Theta-Objektiv soll die F-Theta-Bedingung möglichst gut erfüllen.

In der CN108415147 ist ein F-Theta-Objektiv beschrieben, das eine erste, positive Linse in Form einer Bikonvexlinse, eine zweite, negative Linse in Form einer Bikonkavlinse und eine dritte, positive Linse in Form einer Plankonvexlinse sowie ein Schutzlgas aufweist. Das F-Theta-Objektiv ist für Bohranwendungen optimiert.

In der KR102019049996A ist eine Laservorrichtung mit einem F-Theta-Objektiv mit mehreren sphärischen Linsen beschrieben, das eine geringe Größe aufweist.

In der US20190187416A1 ist ein F-Theta-Objektiv beschrieben, das ein diffraktives optisches Element und eine Mehrzahl von sphärischen Linsen aufweist. Das F- Theta-Objektiv soll einen beugungsbegrenzten Laserspot mit hoher Positionsgenauigkeit erzeugen.

Die EP1081525 A2 beschreibt ein F-Theta-Objektiv mit einer ersten Linsengruppe, die eine objektseitig konvexe Linse mit positiver Brechkraft sowie eine zweite Linsengruppe mit einer objektseitig konkaven Linse mit negativer Brechkraft sowie ein dritte Linsengruppe mit positiver Brechkraft aufweist. Die Linsen sind aus einem Material mit einem Brechungsindex größer als Zwei hergestellt, beispielsweise aus Zinkselenid oder aus Germanium. In einem Beispiel handelt es sich bei den Linsen des F-Theta-Objektivs um sphärische Linsen, wobei die erste Linsengruppe durch eine Meniskuslinse, die zweite Linsengruppe durch eine Bikonkavlinse und die dritte Linsengruppe durch eine Meniskuslinse mit einer annähernd planen Seite sowie durch eine weitere Meniskuslinse gebildet wird.

Im der CN109425962 A ist ein F-Theta-Objektiv beschrieben, das fünf Linsen aufweist, um bei geringer Verzeichnung ein möglichst großes Scanfeld zu erzeugen.

In der US 4,787,723 ist ein F-Theta-Linsensystem mit einem ultraweiten Scanwinkel von bis zu 45° beschrieben. Das F-Theta-Linsensystem umfasst: eine erste Linsenkomponente mit positiver Brechkraft, die als Meniskuslinse ausgebildet ist, eine zweite Linsenkomponente mit negativer Brechkraft, die als Meniskuslinse ausgebildet ist, sowie eine dritte Linsenkomponente mit positiver Brechkraft, die als Plankonvexlinse ausgebildet ist. Das F-Theta-Linsensystem soll trotz der geringen Anzahl an Linsen eine Abbildungsqualität des Laserstrahls nahe am Beugungslimit ermöglichen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein F-Theta-Objektiv sowie eine Scannervorrichtung mit einem solchen F-Theta-Objektiv bereitzustellen, die bei möglichst kompakter Bauweise ein großes Scanfeld aufweisen.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein F-Theta-Objektiv, welches genau drei Linsen aufweist, und zwar: eine erste Linse mit einer ersten Brennweite, die als Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite, die als Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft ausgebildet ist, sowie eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite, die als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, wobei die erste, zweite und dritte Linse im Strahlweg hintereinander angeordnet sind und daher eine Linsengruppe bilden.

Die Erfinder haben erkannt, dass eine Linsenanordnung aus drei Linsen mit positiv- negativ-positiven Linsenbrechkräften ein großes Scanfeld bei gleichzeitig sehr kompakter Bauweise ermöglicht. Im Gegensatz zu klassischen Designs von F-Theta- Objektiven, bei denen die erste Linse eine negative Brechkraft aufweist, kann durch das Vorsehen einer ersten Linse, die eine positive Brechkraft aufweist, eine deutlich geringere radiale Ausleuchtung an den folgenden Linsen erreicht werden. Es können hierdurch u.a. kleinere Linsendurchmesser verwendet werden und auch mechanische Einschränkungen durch die Peripherie können dadurch eingehalten werden. Die weiter oben beschriebene Linsenbaugruppe, die aus drei Linsen mit positiv-negativ-positiven Brechkräften besteht, ermöglicht die Erzeugung eines planen Bildfeldes. Für den hier beschriebenen Fall, dass das F-Theta-Objektiv drei Linsen aufweist, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die erste Linse der Linsengruppe eine Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft ist.

Bei einer Ausführungsform weist die dritte Linse mindestens eine, insbesondere genau eine asphärische Linsenfläche auf. Bei dem hier beschriebenen Fall, bei dem das F-Theta-Objektiv genau drei Linsen aufweist, ist es vorteilhaft, wenn die dritte Linse der Linsenbaugruppe eine asphärische Linsenfläche aufweist. Durch die Asphärisierung, d.h. durch eine geeignete Abweichung von der sphärischen Krümmung der Linsenfläche, kann eine Korrektur von Abbildungsfehlern des F- Theta-Objektivs vorgenommen werden.

Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich bei der dritten Linse um eine Meniskuslinse, die eine konkav gekrümmte Seite und eine konvex gekrümmte Seite aufweist. Bei dem hier beschriebenen Fall, dass das F-Theta-Objektiv drei Linsen aufweist, ist die konkav gekrümmte Seite der Meniskuslinse typischerweise der zweiten Linse zugewandt und entsprechend ist die konvex gekrümmte Seite der Meniskuslinse der zweiten Linse abgewandt.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die asphärische Linsenfläche an einer der zweiten Linse abgewandten Seite der dritten Linse gebildet. Wie weiter oben beschrieben wurde, weist die der zweiten Linse abgewandte Seite der dritten Linse in Form der Meniskuslinse typischerweise eine konvexe Krümmung auf. Bei der anderen Linsenfläche der dritten Linse sowie bei den Linsenflächen der ersten und zweiten Linse handelt es sich typischerweise um sphärische Flächen.

Bei einer weiteren Ausführungsform genügt das Verhältnis der ersten bis dritten Brennweite zu einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs folgenden Bedingungen:

0,3 < fi / f < 0,4,

-0,3 < f ₂ / f < -0,2,

0,5 < f ₃ / f < 0,7. Wie allgemein üblich bezeichnen die Brennweiten fi bis fs der drei Linsen den Abstand eines jeweiligen Brennpunkts von einer Hauptebene der jeweiligen Linse. Entsprechend bezeichnet die Gesamtbrennweite den Abstand der Fokusebene bzw. des Bildfeldes von einer Ersatzhauptebene des F-Theta-Objektivs. Die Gesamtbrennweite ergibt sich aus der Anordnung bzw. den Dicken der drei Linsen in Verbindung mit ihren Luftabständen.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform gilt: fi / f = 0,36, f2 / f = -0,27 und fs / f = 0,64.

Durch die Wahl der Brennweiten innerhalb der oben beschriebenen Intervalle bzw. mit den oben beschriebenen Werten kann eine idealerweise beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden. Die Brennweiten der Linsen hängen hierbei in bekannter Weise vom Brechungsindex n des Materials der Linsen, von deren Krümmungsradien sowie von deren Dicke ab.

Bei der vorliegenden Anwendung handelt es sich beim Material der Linsen aufgrund der hohen verwendeten Laserleistungen von z.B. mehr als 1 kW typischerweise um ein Material, das einen Brechungsindex n von weniger als 2,0 aufweist. In der Regel handelt es sich um Quarzglas, beispielsweise um synthetisches Quarzglas, welches bei den hier verwendeten Laserwellenlängen typischer Weise einen Brechungsindex von ca. n =1 ,46 aufweist.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein F-Theta-Objektiv, welches genau vier Linsen aus einem Material mit einem Brechungsindex kleiner als 2,0 aufweist, und zwar: eine erste Linse mit einer ersten Brennweite, die als Meniskuslinse oder als Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, eine zweite Linse mit einer zweiten Brennweite, die als Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft ausgebildet ist, eine dritte Linse mit einer dritten Brennweite, die als Meniskuslinse oder als Plankonvexlinse mit positiver Brechkraft ausgebildet ist, sowie eine vierte Linse mit einer vierten Brennweite, die eine positive Brechkraft aufweist, wobei die erste, zweite und dritte Linse im Strahlweg hintereinander angeordnet sind und eine Linsengruppe bilden, und wobei die vierte Linse im Strahlweg vor der Linsengruppe oder im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet ist.

Bei diesem Aspekt der Erfindung sind die Linsenflächen aller vier Linsen typischerweise sphärisch ausgebildet, d.h. die Linsen des F-Theta-Objektivs weisen keine asphärischen Linsenflächen auf. Bei dem Material der Linsen kann es sich beispielsweise um (synthetisches) Quarzglas handeln.

Die Art der vierten Linse mit der positiven Brechkraft hängt von deren Anordnung in Bezug auf die Linsengruppe ab. Für den Fall, dass die vierte Linse im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordnet ist, handelt es sich typischerweise um eine Bikonvexlinse. Für den Fall, dass die vierte Linse im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet ist, handelt es sich in der Regel um eine Meniskuslinse.

Die Meniskuslinse weist eine konvexe Seite auf, die typischerweise der dritten Linse der Linsengruppe zugewandt ist.

Bei einer Ausführungsform ist die vierte Linse im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet und das Verhältnis der ersten bis vierten Brennweite zu einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs genügt folgenden Bedingungen:

0,6 < fi / f < 0,7,

-0,30 < f ₂ / f < -0,35,

0,55 < f ₃ / f < 0,65,

1 ,6 < f ₄ / f < 1 ,8 .

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform gilt: fi / f = 0,63, f ₂ / f = -0,32, f 3 / f = 0,59, f ₄ / f = 1 ,65 .

Durch die Wahl der Brennweiten innerhalb der oben beschriebenen Intervalle bzw. mit den oben beschriebenen Werten kann auch in diesem Fall eine idealerweise beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden.

Bei dem hier beschriebenen Fall, bei dem die vierte Linse im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet ist, handelt es sich bei der ersten Linse der Linsengruppe typischerweise um eine Meniskuslinse, deren konkave Seite der zweiten Linse der Linsengruppe zugewandt ist. Bei der dritten Linse kann es sich um eine Plankonvexlinse handeln, deren konvexe Seite der zweiten Linse abgewandt ist. Alternativ kann es sich bei der dritten Linse um eine Meniskuslinse handeln, deren konvexe Seite der zweiten Linse abgewandt ist.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist die vierte Linse im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordnet und das Verhältnis der ersten bis vierten Brennweite zu einer Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs genügt folgenden Bedingungen:

0,6 < f ₄ / f < 0,8

1 ,6 < fi / f < 1 ,8,

-0,4 < f ₂ / f < -0,35,

0,7 < f ₃ / f < 0,8 .

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform gilt: f 4 / f = 0,70; fi / f = 1 ,73; f 2 / f = - 0,37; f ₃ / f = 0,73.

Durch die Wahl der Brennweiten innerhalb der oben beschriebenen Intervalle bzw. mit den oben beschriebenen Werten kann auch im hier beschriebenen Fall eine idealerweise beugungsbegrenzte Abbildung erzeugt werden.

Für den hier beschriebenen Fall, dass die vierte Linse im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordnet ist, handelt es sich bei der ersten Linse der Linsengruppe typischerweise um eine Meniskuslinse, deren konkave Seite der zweiten Linse zugewandt ist. Bei der dritten Linse der Linsengruppe handelt es sich typischerweise ebenfalls um eine Meniskuslinse, deren konkave Seite der zweiten Linse der Linsengruppe zugewandt ist; dies ist aber nicht zwingend der Fall.

Bei einer weiteren Ausführungsform liegt die Gesamtbrennweite des F-Theta- Objektivs zwischen 150 mm und 1000 mm. Die weiter oben beschriebenen Designs eignen sich für große Auslenkwinkel, d.h. für ein großes Scan- bzw. Bildfeld, dessen größte Ausdehnung typischerweise in der Größenordnung der Gesamtbrennweite des F-Theta-Objektivs liegt. Das F-Theta-Objektiv mit den genau drei Linsen und das weiter oben beschriebene F-Theta-Objektiv, bei dem die vierte Linse im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet ist, eignen sich insbesondere für Gesamtbrennweiten, die zwischen 150 mm und 500 mm liegen. Das weiter oben beschriebene F-Theta-Objektiv, bei dem die vierte Linse vor der Linsengruppe angeordnet ist, eignet sich insbesondere für Gesamtbrennweiten, die zwischen 400 mm und 1000 mm liegen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das F-Theta-Objektiv als nicht bildseitig telezentrisches Objektiv ausgebildet. Die Ausrichtung des von der Eintrittspupille des F-Theta-Objektivs ausgehenden Laserstrahls zur optischen Achse hängt bei einem solchen F-Theta-Objektiv vom Winkel ab, unter dem der Laserstrahl auf die Fokusebene bzw. auf das Bildfeld gelenkt wird. Der Laserstrahl ist somit nicht wie bei einem bildseitig telezentrischen F-Theta-Objektiv im Wesentlichen unabhängig vom Ablenkwinkel stets im Wesentlichen parallel zur optischen Achse ausgerichtet. Der Telezentriefehler liegt in diesem Fall in der Größenordnung des maximalen Ablenkwinkels, d.h. üblicherweise bei mehr als 15° oder bei mehr als 20°. Die nicht bildseitig telezentrische Ausgestaltung des F-Theta-Objektivs kann durch eine geeignete Wahl der Verhältnisse zwischen den Brennweiten der Linsen und der Gesamtbrennweite erreicht werden (s.o.).

Bei einer weiteren Ausführungsform liegt eine Eintrittspupillenebene des F-Theta- Objektivs in einem Abstand zwischen 30 mm und 100 mm vor der ersten Linse der Linsengruppe (wenn die vierte Linse nicht im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordnet ist) oder vor der im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordneten vierten Linse. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die erste Linse des F-Theta- Objektivs, die eine positive Brechkraft aufweist (s.o.), möglichst nahe an der Eintrittspupillenebene angeordnet ist.

Bei der Verwendung eines F-Theta-Objektivs in einer Scannervorrichtung mit zwei Scannerspiegeln befindet sich die Eintrittspupille definitionsgemäß genau zwischen den beiden Scannerspiegeln. Der Abstand der Eintrittspupillenebene von der ersten (bzw. vierten) Linse wird typischer Weise in Abhängigkeit von den opto- mechanischen Randbedingungen festgelegt: Je größer der Strahldurchmesser des eintretenden Laserstrahls ist, desto größer sind typischer Weise die reflektierenden Oberflächen der Scannerspiegel und desto größer ist der Abstand zwischen der Eintrittspupillenebene und der ersten Linse des F-Theta-Objektivs, um die Gefahr von Kollisionen zwischen den Scannerspiegeln und der ersten (bzw. vierten) Linse des F-Theta-Objektivs zu vermeiden.

Das F-Theta-Objektiv kann mindestens ein im Strahlweg nach den Linsen angeordnetes Schutzglas aufweisen. Bei dem Schutzglas handelt es sich typischer Weise um eine planparallele Platte, d.h. um ein Bauteil, welches idealer Weise nicht optisch wirksam ist. Das Schutzglas dient zum Schutz der Linsen bzw. des F-Theta- Objektivs vor Schmutz, Schlacke oder dergleichen, die bei einem Matenalbearbeitungsprozess, beispielsweise bei einem Schweiß- oder Schneidprozess, gebildet wird. Insbesondere können auch zwei Schutzgläser im Strahlweg nach dem F-Theta-Objektiv angeordnet sein.

Das F-Theta-Objektiv mit den weiter oben beschriebenen Parametern ist für (monochromatische) Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 500 nm und 550 nm oder zwischen 1000 nm und 1100 nm, insbesondere zwischen 1030 nm und 1075 nm, optimiert.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Scannervorrichtung für einen Laserstrahl, umfassend: mindestens einen Scannerspiegel zur Ablenkung des Laserstrahls, sowie ein dem mindestens einen Scannerspiegel im Strahlweg nachfolgendes F-Theta-Objektiv zur Fokussierung des Laserstrahls in einer Fokusebene, wobei das F-Theta-Objektiv wie weiter oben beschrieben ausgebildet ist. Bei dem Laserstrahl handelt es sich typischer Weise um einen Hochleistungs- Laserstrahl mit einer Strahlungsleistung von z.B. mehreren kW. Die Scannervorrichtung ist in der Regel, zur Materialbearbeitung ausgebildet. Zwischen den Linsen des F-Theta-Objektivs und der Fokusebene bzw. dem Werkstück ist in der Regel mindestens ein (planparalleles) Schutzglas angeordnet (s.o.). Der bzw. die Scannerspiegel ist/sind typischer Weise in bzw. in der Nähe der Eintrittspupillenebene des F-Theta-Objektivs angeordnet. Die Scannervorrichtung ist typischerweise ausgebildet, den von dem bzw. von den Scannerspiegel(n) abgelenkten Laserstrahl über den gesamten Scanbereich im Wesentlichen nicht telezentrisch auf die Fokusebene treffen zu lassen, die in der Regel einer Bearbeitungsebene bei der Materialbearbeitung entspricht, an der ein Werkstück angeordnet wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Scannervorrichtung mit einem F-Theta-Objektiv,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines F-Theta-Objektivs für die Scannervorrichtung von Fig. 1 , das genau drei Linsen aufweist, die eine Linsengruppe bilden,

Fig. 3 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 2, bei der das F-Theta- Objektiv eine Linsengruppe mit drei Linsen sowie eine vierte Linse aufweist, die im Strahlweg nach der Linsengruppe angeordnet ist, sowie

Fig. 4 eine schematische Darstellung analog zu Fig. 2, bei der das F-Theta- Objektiv eine Linsengruppe mit drei Linsen sowie eine vierte Linse aufweist, die im Strahlweg vor der Linsengruppe angeordnet ist.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Scannervorrichtung 1 zur Materialbearbeitung, beispielsweise zum Laserschweißen oder Laserschneiden, welche ein F-Theta-Objektiv 2 umfasst, das in Fig. 1 zur Vereinfachung in Form einer einzelnen Linse dargestellt ist und dessen Aufbau weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 2 bis Fig. 4 näher beschrieben wird. Die Scannervorrichtung 1 weist eine Lichtleitfaser 3 auf, aus der ein divergenter Laserstrahl 4 mit hoher Strahlleistung (> 1kW) austritt, welcher mittels einer Kollimationslinse 5 in einen weitestgehend kollimierten Laserstrahl 4 transformiert wird. Der kollim ierte Laserstrahl 4 wird an einem Umlenkspiegel 6 um 90° umgelenkt und tritt über eine Eintrittsapertur in einen Scannerkopf 7 ein. Im Scannerkopf 7 trifft der kollim ierte Laserstrahl 4 zuerst auf einen planaren X-Scannerspiegel 8, welcher den Strahl in X-Richtung auf einen planaren Y-Scannerspiegel 9 umlenkt, der den Laserstrahl 4 weiter in Y-Richtung ablenkt. Der X-Scannerspiegel 8 und der Y- Scannerspiegel 9 sind an Galvanometern befestigt, d.h. diese können gedreht bzw. verkippt werden. Die Position der Drehachse der Galvanometer bestimmt den Ablenkwinkel des jeweiligen Scannerspiegels 8, 9 und dadurch die Position des Laserstrahls 4 im Bildfeld bzw. in der Fokusebene FE. Der kollim ierte Laserstrahl 4 verlässt den Scannerkopf 7 durch eine Austrittsöffnung, an der das F-Theta-Objektiv 2 angebracht ist, welches den Laserstrahl 4 auf die Fokusebene FE fokussiert, in der beim Betrieb der Scannervorrichtung 1 ein zu bearbeitendes Werkstück angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung des F-Theta-Objektivs 2 von Fig. 1 in einer Detaildarstellung. Das F-Theta-Objektiv 2 weist entlang der optischen Achse 10 bzw. entlang des Strahlwegs des Laserstrahls 4 drei aufeinander folgende Linsen L1 , L2, L3 auf, die eine gemeinsame Linsengruppe 11 bilden. Die erste Linse L1 ist als Bikonvexlinse ausgebildet und weist eine positive Brechkraft auf, die zweite Linse L2 ist als Bikonkavlinse ausgebildet und weist eine negative Brechkraft auf und die dritte Linse L3 ist als Meniskuslinse ausgebildet und weist eine positive Brechkraft auf.

Die dritte Linse L3 weist eine erste, konkav gekrümmte Seite auf, die der zweiten Linse L2 zugewandt ist, sowie eine zweite, konvex gekrümmte Seite, die der zweiten Linse L2 abgewandt ist. Die zweite, konvex gekrümmte Seite ist als asphärische Linsenfläche 12 ausgebildet. Die Linsenflächen der ersten und zweiten Linse L1 , L2 sowie die konkav gekrümmte Linsenfläche der dritten Linse L3 sind als sphärische Flächen ausgebildet.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel genügen die Verhältnisse der Brennweiten fi bis fs der drei Linsen L1 bis L3 in Bezug auf eine Gesamtbrennweite f des F-Theta- Objektivs 2 (vgl. Fig. 1 ) folgenden drei Bedingungen: 0,3 < fi / f < 0,4, -0,3 < f ₂ / f < -0,2, 0,5 < f ₃ / f < 0,7.

Konkret gilt im gezeigten Beispiel: fi / f = 0,36; f ₂ / f = -0,27; f ₃ / f = 0,64.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für ein F-Theta-Objektiv 2, das abweichend von dem in Fig. 2 gezeigten F-Theta-Objektiv 2 genau vier Linsen L1 , L2, L3, L4 aufweist, die im Strahlweg hintereinander angeordnet sind. Die erste, zweite und dritte Linse L1 , L2, L3 bilden ebenfalls eine Linsengruppe 11 , die eine positiv-negativ-positive Brechkraft aufweist: Die erste Linse L1 der Linsengruppe 11 ist als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet und weist eine konvexe Linsenfläche auf, die der zweiten Linse L2 abgewandt ist, sowie eine konkave Linsenfläche, die der zweiten Linse L2 zugewandt ist. Die zweite Linse L2 ist wie bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel als Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft ausgebildet. Die dritte Linse L3 ist typischerweise als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet und weist eine konvexe Linsenfläche auf, die der zweiten Linse L2 abgewandt ist, sowie eine konkave Linsenfläche, die der zweiten Linse L2 zugewandt ist. Es ist auch möglich, dass die erste Linsenfläche der dritten Linse L3 plan ausgebildet ist, d.h. dass es sich bei der dritten Linse L3 um eine Plankonvexlinse mit positiver Brechkraft handelt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die vierte Linse L4 ist als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Die konvexe Seite der vierten Linse L4 ist der dritten Linse L3 zugewandt, die konkave Seite der vierten Linse L4 ist der dritten Linse L3 abgewandt.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel genügen die Verhältnisse der Brennweiten fi bis f ₄ der vier Linsen L1 bis L4 in Bezug auf eine Gesamtbrennweite f des F-Theta- Objektivs 2 (vgl. Fig. 1 ) folgenden vier Bedingungen:

0,6 < fi / f < 0,7, -0,30 < f ₂ / f < -0,35, 0,55 < f ₃ / f < 0,65, 1 ,6 < f ₄ / f < 1 ,8 . Konkret gilt im gezeigten Beispiel: fi / f = 0,63, f2 / f = -0,32, f 3 / f = 0,59, f4 / f = 1 ,65 .

Fig. 4 zeigt ein F-Theta-Objektiv 2, das wie das in Fig. 3 gezeigte F-Theta-Objektiv 2 vier Linsen L1 , L2, L3, L4 aufweist. Die ersten drei Linsen L1 , L2, L3 sind im Strahlweg hintereinander angeordnet und bilden eine Linsengruppe 11. Die vierte Linse L4 ist im Strahlweg vor der Linsengruppe 11 , genauer gesagt vor der ersten Linse L1 der Linsengruppe 11 , angeordnet.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel ist die erste Linse L1 der Linsengruppe 11 als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Die zweite Linse L2 ist als Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft ausgebildet und die dritte Linse L3 ist als Meniskuslinse mit positiver Brechkraft ausgebildet. Die erste Linse L1 der Linsengruppe 11 weist eine konvexe Linsenfläche auf, die der zweiten Linse L2 abgewandt ist, sowie eine konkave Linsenfläche, die der zweiten Linse L2 zugewandt ist. Die konvexe Linsenfläche der dritten Linse L3 ist von der zweiten Linse L2 abgewandt und die konkave Linsenfläche der dritten Linse L3 ist der zweiten Linse L2 zugewandt. Die vierte Linse L4, die im Strahlweg vor der Linsengruppe 11 angeordnet ist, ist als Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft ausgebildet.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel genügen die Verhältnisse der Brennweiten fi bis f4 der vier Linsen L1 bis L4 in Bezug auf eine Gesamtbrennweite f des F-Theta- Objektivs 2 (vgl. Fig. 1 ) folgenden vier Bedingungen:

0,6 < f ₄ / f < 0,8 1 ,6 < fi / f < 1 ,8, -0,4 < f ₂ / f < -0,35, 0,7 < f ₃ / f < 0,8.

Konkret gilt im gezeigten Beispiel: f4 / f = 0,70; fi / f = 1 ,73; f 2 / f = -0,37; f ₃ / f = 0,73.

Die Gesamtbrennweite f des in Fig. 2 bis Fig. 4 gezeigten F-Theta-Objektivs 2 liegt zwischen 150 mm und 1000 mm. Bei den in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Beispielen liegt die Gesamtbrennweite f typischerweise in einem Wertebereich zwischen 150 mm und 500 mm, bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel liegt die Gesamtbrennweite f typischerweise in einem Wertebereich zwischen 400 mm und 1000 mm. Die Gesamtbrennweite f, welche den Abstand der Fokusebene FE von einer Ersatzhauptebene des F-Theta-Objektivs 2 bezeichnet, ist schematisch in Fig. 1 dargestellt.

Die drei Linsen L1 bis L3 des in Fig. 2 gezeigten F-Theta-Objektivs sowie die vier Linsen L1 bis L4 des in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten F-Theta-Objektivs sind jeweils aus (synthetischem) Quarzglas gebildet, welches für Laserstrahlung bei Leistungen von mehr als 1 kW beständig ist. Bei dem Material des Schutzglases SG handelt es sich ebenso wie bei dem Material der vier Linsen L1 bis L4 um synthetisches Quarzglas mit einem Brechungsindex n von 1 ,46 bei den Wellenlängen, mit denen das F-Theta-Objektiv 2 betrieben wird. Das F-Theta-Objektiv 2 ist für monochromatische Strahlung bei Wellenlängen zwischen 500 nm und 550 nm oder zwischen 1000 nm und 1100 nm, insbesondere zwischen 1030 nm und 1075 nm, ausgelegt. Für diesen Wellenlängenbereich erzeugt das F-Theta-Objektiv 2 eine beugungsbegrenzte Abbildung.

In Fig. 2 bis Fig. 4 ebenfalls dargestellt ist die Eintrittspupille EP des F-Theta- Objektivs 2, die in Fig. 2 und in Fig. 3 vor der ersten Linse L1 der Linsengruppe 11 , genauer gesagt vom im Strahlweg vorderen Scheitelpunkt der ersten Linse L1 der Linsengruppe 11 , entlang der optischen Achse 10 einen Abstand d aufweist, der in einer Größenordnung zwischen 30 mm und 100 mm liegt. Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel wird der Abstand d zwischen der Eintrittspupille EP und der vierten Linse L4, genauer gesagt von deren im Strahlweg vorderen Scheitelpunkt, gemessen und liegt ebenfalls in der Größenordnung zwischen 30 mm und 100 mm.

Das F-Theta-Objektiv 2 weist ein großes Scanfeld bzw. Bildfeld auf, dessen halbe maximale Erstreckung D / 2 in der Fokusebene FE in Fig. 2 bis Fig. 4 zu erkennen ist. Die maximale Erstreckung D des Scanfeldes wird durch den in Fig. 2 bis Fig. 4 dargestellten (maximalen) Scanwinkel a des Laserstrahls 4 bei der Bewegung der Scannerspiegel 8, 9 festgelegt und liegt ungefähr in der Größenordnung der Gesamtbrennweite f des F-Theta-Objektivs 2. Wie in Fig. 2 bis Fig. 4 ebenfalls zu erkennen ist, weicht die Ausrichtung des Laserstrahls 4 am Rand des Scanfeldes, d.h. bei maximalem Scanwinkel a, um einen Winkel (Telezentriefehler) ö von einer Ausrichtung parallel zur optischen Achse 10 ab, der ungefähr dem maximalen Scanwinkel a entspricht. Der Scanwinkel a kann im gezeigten Beispiel zwischen ungefähr -20° und +20° oder zwischen ca. -30° und +30° variieren. Die Ausrichtung des Laserstrahls 4 in der Fokusebene FE ist bei dem in Fig. 2 bis Fig. 4 gezeigten F- Theta-Objektiv somit vom Scanwinkel a abhängig und variiert in Abhängigkeit von der Position des Laserstrahls 4 in der Fokusebene FE.

Zusammenfassend kann auf die weiter oben beschriebene Weise bei der Abbildung des Laserstrahls 4 mittels des F-Theta-Objektivs 2 ein großes Scanfeld erzeugt werden. Die Verwendung von drei oder von vier Linsen bei dem F-Theta-Objektiv 2 ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise sowie die Erzielung einer hohen Transmission, da nur wenige optische Grenzflächen vorhanden sind.