CN101324694A - 自动调节聚焦参量的飞行光路机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，望远镜系统包括位置相对固定并共焦的目镜和物镜，飞行聚焦头包括平面镜和聚焦镜，驱动控制系统可驱动望远镜系统和飞行聚焦头沿光学轴线往复运动，飞行聚焦头的运动速度为望远镜系统的运动速度的m²－1倍，并且运动方向相反，其中m为望远镜系统的扩束比，激光器发射的光束依次通过目镜、物镜经平面镜反射至聚焦镜聚焦，本发明取消变形镜结构，能够改善飞行光束的聚焦特性，采用机械传动机构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过自动调整扩束镜和飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变。

Description

自动调节聚焦参量的飞行光路机构

技术领域

本发明涉及一种激光应用技术领域的激光束控制机构，特别是一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构。

背景技术

在激光应用领域中，比如大型激光加工、激光打靶、激光驱动飞行器等领域中，飞行光学技术由于具有较大的灵活性和轻便性得到广泛应用。例如大型激光加工中，由于大型工件较长，且较笨重，加工时若随主轴一起纵向移动，易出现爬行，定位不准确。因此对于大型工件的加工，通常采用飞行光学形式。

飞行光束聚焦特性主要包括实际焦距与几何焦距(理想几何平行光焦距)的差异、焦斑大小和焦深的变化。由于聚焦镜沿激光光轴作大尺寸移动，使实际焦距、焦斑和焦深产生较大变化，这对激光束质量产生重要影响，如何自动补偿飞行光束参量的变化是一个关键技术。

飞行聚焦头移动时，需要获得稳定的激光束聚焦参量，并且要使飞行光学参数补偿系统简单易控、响应快、精度高。现有技术中，采用变形镜应用于激光光束导光系统，应用压力控制的变形镜自适应扩束系统来解决飞行光束聚焦特性的问题，较好的解决飞行光学问题。其不足在于：变形镜需要复杂的控制单元，自适应组件的性能差，比如组件较低的精度和响应特性，常常影响光束的传输质量。另外，现有技术的飞行光学领域中，存在复杂的自动控制系统，包括位置传感器等信号采集设备，操作控制以及结构都比较复杂，制造成本较高。

因此，需要一种飞行光路机构，取消变形镜并改进复杂的控制以及信号采集设备，能改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，随飞行距离的变化，保证焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构，基于光束变换特性，针对现有技术的不足，取消变形镜结构，能够改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，采用机械传动机构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过自动调整扩束镜和飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变，且方法简单可靠，简化复杂的控制以及信号采集设备，结构简单，造价低。

本发明的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器、飞行光路和驱动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，所述望远镜系统包括位置相对固定并共焦的目镜和物镜，飞行聚焦头包括平面镜和聚焦镜；所述驱动控制系统可驱动望远镜系统和飞行聚焦头沿光学轴线往复运动，所述飞行聚焦头的运动速度为望远镜系统的运动速度的m²-1倍，并且运动方向相反，其中m为望远镜系统的扩束比；激光器发射的光束依次通过目镜、物镜经平面镜反射至聚焦镜聚焦。

进一步，所述驱动控制系统包括伺服电机、第一传动轴、第二传动轴、齿轮I和齿轮II，所述伺服电机驱动第一传动轴或第二传动轴，所述齿轮I和齿轮II互相啮合并分别与第一传动轴和第二传动轴在圆周方向固定配合；所述第一传动轴和第二传动轴分别与飞行聚焦头和望远镜系统配合，并驱动其沿光学轴线往复运动；

进一步，所述第一传动轴和第二传动轴分别通过丝杆传动机构与飞行聚焦头和望远镜系统配合，所述第一传动轴和第二传动轴的丝杆传动机构的导程和螺纹旋向相同；所述齿轮II与齿轮I之间的传动比大小为m²-1；

进一步，所述伺服电机与第一传动轴相连；

进一步，所述平面镜相对于光学轴线呈45°角设置，入射光和反射光之间的夹角为90°。

本发明的有益效果是：本发明的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，采用简单的机械传动机构，基于光束变换特性，针对现有技术的不足，取消变形镜结构，能够改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，采用机械传动机构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过自动调整扩束镜和飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变，且方法简单可靠，简化复杂的控制以及信号采集设备，结构简单，造价低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器1、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚焦头2和望远镜系统5，望远镜系统5包括位置相对固定并共焦的目镜3和物镜4，飞行聚焦头2包括平面镜8和聚焦镜9，平面镜8相对于光学轴线呈45°角设置，入射光和反射光之间的夹角为90°使机构的结构紧凑，易于控制；激光器1发射的光束6依次通过目镜3、物镜4，经平面镜8反射至聚焦镜9聚焦至工件11；

驱动控制系统包括伺服电机13、第一传动轴7、第二传动轴10、齿轮I 12和齿轮II 14，所述伺服电机13与第一传动轴7相连并驱动其转动，由于飞行聚焦头2与第一传动轴7相连，直接驱动第一传动轴7，而使望远镜系统与之适应，有利于保证加工精度以及操作精度；齿轮I 12和齿轮II 14互相啮合并分别与第一传动轴7和第二传动轴10在圆周方向固定配合；第一传动轴7和第二传动轴10外圆设置丝杆螺纹，分别与飞行聚焦头2和望远镜系统5设置的螺纹孔配合，形成丝杆传动机构，伺服电机13通过第一传动轴7驱动飞行聚焦头2沿光学轴线往复运动，通过齿轮I 12和齿轮II 14以及第二传动轴10并驱动望远镜系统5沿光学轴线往复运动；第一传动轴7和第二传动轴10的丝杆传动机构的导程和螺纹旋向相同，并配合齿轮I 12和齿轮II 14的啮合方式，保证飞行聚焦头2和望远镜系统5的运行方向相反；齿轮I 12与齿轮II 14之间的传动比大小为(m²-1)，保证飞行聚焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的(m²-1)倍，其中m为望远镜系统5的扩束比；采用一个伺服电机驱动两个齿轮达到飞行聚焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的(m²-1)倍和运动方向相反，与其他传动结构相比，结构最为简单紧凑，造价低。

当然，用于保证飞行聚焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的(m²-1)倍的传动方式并不局限于本实施例，也可以是其他方式，比如通过两个伺服电机由计算机控制；采用两个不同导程的丝杆传动结构等等；飞行聚焦头2和望远镜系统5的运动方向相反也不局限于本实施例中的两个齿轮啮合的结构，也可以采用两个不同螺纹旋向的丝杆传动结构来完成；都能到到发明目的。

本发明工作时，当飞行聚焦头2在伺服电机13驱动的第一传动轴7上沿着光学轴线以速度v水平前进时，望远镜系统5在和第一传动轴平行的第二传动轴10上向相反的方向以速度-v/(m²-1)移动，飞行聚焦头2和望远镜系统5呈线性比例关系反向平行移动，这样就可以获得不变的聚焦参数。

具体原理如下：

调整望远镜系统5和飞行聚焦头2的移动速比，具体为：在飞行光学加工中，若只要求聚焦参数保持不变，我们可以采用较简单的聚焦参量自动保持法，望远镜系统5包括位置相对固定并共焦的目镜3和物镜4，望远镜系统5离焦量为零，即z′₁+z₂＝f₁+f₂，望远镜系统5和飞行聚焦头2一起移动，望远镜系统5出射光束束腰的半径和位置可以表示为：w₂＝mw₁，z′₂＝m(f₁+f₂)-m²z₁，这里m＝|f₂/f₁|为望远镜光束扩束比，望远镜出射光束束腰与聚焦镜9的距离z₃表示为

z₃＝L-z₁-(z′₁+z₂)-z′₂

＝L-(m+1)(f₁+f₂)+(m²-1)z₁

当飞行距离L变化时，如果偏导 $\∂z_3/\∂t=0,$ 那么聚焦光学参数w₃、Z_R3和z′₃将保持不变，即：

$\frac{{\∂z}_3}{\∂t}=v+(m^2-1)\frac{{\∂z}_1}{\∂t}=0$

于是

$\frac{{\mathrm{dz}}_1}{\mathrm{dt}}=-\frac{v}{m^2-1}$

从上式可知，如果飞行聚焦头2以速度v运动，望远镜系统5同时以速度-v/(m²-1)运动，那么距离z₃将保持不变，于是聚焦镜9的聚焦光斑尺寸w₃，聚焦点位置z′₃以及焦深Z_R3将保持不变。

公式中w₁、w₂和w₃分别为目镜出射激光束束腰半径、物镜出射激光束束腰半径和聚焦镜出射激光束束腰半径，z₁为初始入射激光束束腰到目镜的距离，z′₁为w₁到目镜的距离，z₂为w₁到物镜的距离，z′₂：为w₂到物镜的距离，z′₃为出射光聚焦距离，f₁和f₂分别为目镜和物镜的几何焦距，L为初始入射激光束束腰到平面镜的距离，即飞行距离，Z_R3为聚焦镜的焦深。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器(1)、飞行光路和驱动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)，其特征在于：所述望远镜系统(5)包括位置相对固定并共焦的目镜(3)和物镜(4)，飞行聚焦头(2)包括平面镜(8)和聚焦镜(9)；所述驱动控制系统可驱动望远镜系统(5)和飞行聚焦头(2)沿光学轴线往复运动，所述飞行聚焦头(2)的运动速度为望远镜系统(5)的运动速度的m²-1倍，并且运动方向相反，其中m为望远镜系统(5)的扩束比；激光器(1)发射的光束(6)依次通过目镜(3)、物镜(4)经平面镜(8)反射至聚焦镜(9)聚焦。

2.根据权利要求1所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于：所述驱动控制系统包括伺服电机(13)、第一传动轴(7)、第二传动轴(10)、齿轮I(12)和齿轮II(14)，所述伺服电机(13)驱动第一传动轴(7)或第二传动轴(10)，所述齿轮I(12)和齿轮II(14)互相啮合并分别与第一传动轴(7)和第二传动轴(10)在圆周方向固定配合；所述第一传动轴(7)和第二传动轴(10)分别与飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)配合，并驱动其沿光学轴线往复运动。

3.根据权利要求2所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于：所述第一传动轴(7)和第二传动轴(10)分别通过丝杆传动机构与飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)配合，所述第一传动轴(7)和第二传动轴(10)的丝杆传动机构的导程和螺纹旋向相同；所述齿轮I(12)与齿轮II(14)之间的传动比大小为m²-1。

4.根据权利要求3所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于：所述伺服电机(13)与第一传动轴(7)相连。

5.根据权利要求4所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于：所述平面镜(8)相对于光学轴线呈45°角设置，入射光和反射光之间的夹角为90°。

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