CN106695113B - 一种轴向的双焦点镜头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向的双焦点镜头；所述双焦点镜头包括同轴设置的第一透镜以及第二透镜，所述第一透镜作为所述双焦点镜头的入射面，所述第二透镜作为所述双焦点镜头的出射面；所述第一透镜包括中心部以及外周部，所述外周部设置于所述中心部的周向，所述双焦点镜头的第一焦点与第二透镜的距离与所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜的距离不同，且所述第二透镜的像方焦距f3＞0；其中，f1为所述中心部的像方焦距，f2为所述外周部的像方焦距，d为第一透镜与第二透镜的间距。本发明仅需设置包括中心部与外周部的第一透镜以及第二透镜即可实现可调的双焦点镜头，装置的结构简单、所需元件少，节省了生产成本。

Description

一种轴向的双焦点镜头
技术领域
本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种用于激光加工的轴向的双焦点镜头。
背景技术
随着激光技术与应用的不断发展，激光加工已经成为了先进制造技术的重要组成部分。相比于传统的单焦点激光加工系统，双焦点的加工系统在实际应用中具有更高的加工效率和质量，因此其应用也愈加的广泛。
双焦点加工系统的实现，较为传统的是使用双焦点透镜的方法，然而该方法获得的第二焦点的焦距是不可改变的，缺少一定的灵活性。而采用分光或空间分束等方法虽然能得到焦距可调的双焦点系统。例如专利文件CN103111755A公开了一种双焦点加工系统，采用分光镜、凸面镜以及聚焦镜获得可调的第二焦点。然而引入分光镜等光学元件会增加系统的复杂度和额外成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种轴向的双焦点镜头，其目的在于不仅能实现双焦点的激光加工，还能减少额外光学元件的引入，使得系统更为简单，由此解决了目前双焦点加工系统大多都较为复杂的的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轴向的双焦点镜头，包括同轴设置的第一透镜以及第二透镜，所述第一透镜作为所述双焦点镜头的入射面，所述第二透镜作为所述双焦点镜头的出射面；所述第一透镜包括中心部以及外周部，所述外周部设置于所述中心部的周向，所述双焦点镜头的第一焦点和第二透镜之间的距离与所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜之间的距离不同，且所述第二透镜的像方焦距f3＞0；其中，f1为所述中心部的像方焦距，f2为所述外周部的像方焦距，d为第一透镜与第二透镜的间距。
优选地，|f1|:d＞2，|f2|:d＞2，|f1|:|f3＞3，|f2|:f3＞3。
优选地，所述双焦点镜头的第一焦点与第二透镜的距离lF1与所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜的距离lF2为0.04m～0.12m。
优选地，所述双焦点镜头的第一焦点与第二透镜的距离lF1为固定值，所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜的距离lF2为变化值；或者所述双焦点镜头的第一焦点与第二透镜的距离lF1为变化值，所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜的距离lF2为固定值；所述中心部的像方焦距f1或所述外周部的像方焦距f2为+∞。
作为进一步优选地，所述固定值为0.06m～0.12m，所述变化值根据第一透镜与第二透镜的间距d，在Lmin～Lmax之间变化，Lmin为0.04m～0.08m，Lmax为0.1m～0.12m。
作为进一步优选地，所述中心部的像方焦距f1为+∞，所述外周部的像方焦距f2＞0。
作为进一步优选地，所述中心部的像方焦距f1＜0，外周部的像方焦距f2为+∞。
作为进一步优选地，所述中心部的像方焦距f1为+∞，所述外周部的像方焦距f2＜0。
作为进一步优选地，所述中心部的像方焦距f1＞0，外周部的像方焦距f2为+∞。
优选地，所述第一透镜的中心部的像方焦距f1以及外周部的像方焦距f2各自独立地为0.5m～2m，所述第二透镜的像方焦距f3为0.06m～0.12m。
优选地，所述第一透镜与第二透镜的外径相同，且为10mm～40mm，所述第一透镜与第二透镜的间距d小于0.1m。
优选地，所述中心部的直径与所述第一透镜的外径之比为1:4～4:5。
优选地，所述双焦点镜头还包括调节装置，所述调节装置分别连接第一透镜与第二透镜，用于改变第一透镜与第二透镜的间距d。
作为进一步优选地，所述调节装置为镜筒，所述镜筒内表面的周向上设置有螺纹结构，所述第一透镜以及第二透镜分别嵌于镜筒两端的内表面的螺纹结构上；所述第一透镜以及第二透镜可沿所述螺纹结构，绕所述双焦点透镜的中心轴转动，以改变第一透镜与第二透镜的间距d。
按照本发明的另一方面，提供了一种包括上述双焦点镜头的激光加工系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，利用具有不同像方焦距的中心部和外周部的第一透镜，能够取得下列有益效果：
1、本发明仅需设置包括中心部与外周部的第一透镜以及第二透镜即可实现可调的双焦点，装置的结构简单、所需元件少，能够节省生产成本；
2、本发明仅包括两个透镜，因此相比于多光学元件的双焦点系统，可以有效地减少光束多次通过光学元件时由于反射或吸收等因素所造成的能量损失，有利于提高光束能量的利用率；
3、单焦点镜筒仅需通过简单的改造即可获得双焦点镜头，无需额外装置或部件的配合，所以改造成本低，易于使用操作。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例2结构示意图；
图3为本发明实施例3结构示意图；
图4为本发明实施例4结构示意图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-第一透镜，11-中心部，12-外周部，13-第一透镜的第一侧面，14-第一透镜的第二侧面，2-第二透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轴向的双焦点镜头，包包括同轴设置的第一透镜以及第二透镜，所述第一透镜作为所述双焦点镜头的入射面，所述第二透镜作为所述双焦点镜头的出射面；所述第一透镜包括中心部以及外周部，所述外周部设置于所述中心部的周向，所述双焦点镜头的第一焦点和第二透镜之间的距离与所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜之间的距离不同，且所述第二透镜的像方焦距f3＞0；其中，f1为所述中心部的像方焦距，f2为所述外周部的像方焦距，d为第一透镜与第二透镜的间距。
通常中心部与外周部的焦距的绝对值需远大于第一透镜与第二透镜的间距d以及第二透镜的像方焦距f3，即|f1|:d＞2，|f2|:d＞2，|f1|:|f3＞3，|f2|:f3＞3，以保证lF1＞0，lF2＞0，即第一焦点与第二焦点均位于双焦点镜头的出射面的外侧，以便应用于激光加工系统。
为了便于调整双焦点镜头的焦点与第二透镜的距离，可将中心部或外周部的像方焦距(即f1或f2)设置为+∞，在光学结构上即以平面透镜或镂空结构对应该像方焦距(当对应外周部时，可将中心部的直径设置为小于第二透镜的直径，外周部不设置任何结构，使从中心部外周直射入双焦点透镜的光线能直接通过外周部直射入第二透镜上)。此时，双焦点镜头的第一焦点与第二透镜的距离lF1，以及所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜的距离lF2分别为固定值和变化值；调整第一透镜与第二透镜的间距d，变化值可在Lmin～Lmax之间变化。
为了适应激光加工系统的尺寸，通常将第一透镜与第二透镜的外径设置为10mm～40mm，所述中心部的直径与所述第一透镜的外径之比设置为1:4～4:5，所述第一透镜与第二透镜的间距d设置为小于0.1m，|f1|以及|f2|设置为0.5m～2m，f3设置为60～0.12m；lF1以及lF2为0.04m～0.12m；当lF1以及lF2分别为固定值和变化值时，固定值为0.06m～0.12m，变化值为Lmin～Lmax，其中Lmin为0.04m～0.08m，Lmax为0.1m～0.12m。
在第一透镜与第二透镜的结构上，可有多种实现方式，例如：可将中心部的像方焦距f1设置为+∞(即中心部为平面透镜或镂空结构)，所述外周部的像方焦距f2＞0(即外周部为凸透镜)；或令中心部的像方焦距f1＜0(即中心部为凹透镜)，外周部的像方焦距f2设置为+∞(即外周部为平面透镜或镂空结构)；也或将所述中心部的像方焦距设置f1为+∞(即中心部为平面透镜或镂空结构)，所述外周部的像方焦距f2＜0(即外周部为凹透镜)；或令中心部的像方焦距f1＞0(即中心部为凸透镜)，外周部的像方焦距f2设置为+∞(即外周部为平面透镜或镂空结构)。
所述双焦点透镜还包括调节装置，所述调节装置分别连接第一透镜与第二透镜，用于改变第一透镜与第二透镜的间距d；例如可利用内表面的周向上设置有螺纹结构的镜筒作为调节装置，令第一透镜以及第二透镜分别嵌于镜筒两端的内表面的螺纹结构上；所述第一透镜以及第二透镜可沿所述螺纹结构，绕所述双焦点透镜的中心轴转动，以改变第一透镜与第二透镜的间距d，从而改变第一焦点与第二透镜的距离lF1与第二焦点与第二透镜的距离lF2，激光加工系统的光源发出的激光从所述第一透镜所在的一端入射，从第二透镜所在的一端出射。
实施例1
如图1所示，所述双焦点镜头是一共轴的光学系统，包括第一透镜1和第二透镜2，两者的直径R均为30mm，原始间距设置为0.25m。所述第一透镜1是一平凸透镜，第二透镜2为凸透镜，其焦距f3＝0.1m。所述第一透镜1从轴向上包括第一侧面和第二侧面14，且第二侧面14为平面，从径向上包括为平面透镜的中心部11以及为凸透镜的外周部12，中心部11的直径为15mm，外周部12对应的焦距f2＝1.1m。调节装置分别连接第一透镜与第二透镜，用于改变第一透镜与第二透镜的间距。
图中F1和F2分别表示所述双焦点镜头的第一和第二焦点。依据发明内容里的分析，本实例中所述第二透镜的像方焦点与所述镜头的第一焦点F1重和。准直光束入射时，从所述中心部11入射的光会从第二侧面14平行出射，再经过所述第二透镜2会聚到该透镜的像方焦点，从而形成所述双焦点镜头的第一焦点F1。从所述外周部12入射的光会先经过所述第一透镜1的会聚作用，再经过所述第二透镜2聚焦形成轴上的所述双焦点镜头的第二焦点F2。由于本实施例中所述第一透镜是正透镜，所以所述双焦点镜头的第二焦点F2是位于所述第一焦点F1的上方。
实施例2
如图2所示，本实施例中所述的双焦点镜头仍是一共轴的光学系统，包括第一透镜1和第二透镜2，两者的直径R均为30mm，原始间距设置为0.25m。所述第一透镜1为平凹透镜，在轴向上包括第一侧面13和第二侧面，且第一侧面13为平面，第一透镜1在径向上包括为凹透镜的中心部11以及为平面透镜的外周部12，中心部11的直径为15mm，对应的焦距f1＝－1.1m。第二透镜2为焦距f3＝0.1m的凸透镜。
光路分析与实施例1似，入射准直光束经过所述第一透镜1后同样可分为两部分：一部分从外周部12出射；另一部分从中心部11出射。准直光束入射时，从外周部12平行出射的光，经过所述第二透镜2会聚到该透镜的像方焦点，从而形成所述双焦点镜头的第二焦点F2。从所述中心部11出射的光会先经过所述第一透镜1的发散作用，再由所述第二透镜2聚焦形成轴上的所述双焦点镜头的第一焦点F1。本实施例中所述第一透镜1是负透镜，所以所述双焦点镜头的第二焦点F2位于第一焦点F1的上方。
实施例3
如图3所示，本实施例中所述的双焦点镜头还是一共轴的光学系统，包括第一透镜1和第二透镜2，两者的直径R均为30mm，原始间距设置为0.25m。所述第一透镜1在轴向上包括第一侧面13和第二侧面，第一侧面13为平面，径向上包括中心部11以及外周部12，中心部11为中心开孔的镂空结构，开孔直径为15mm，外周部12为焦距为f2＝1.1m的凸透镜。第二透镜2为焦距f3＝0.1m的凸透镜。
光路分析与实施例1类似，准直光束入射时，从所述第一透镜1的中心部11入射的光，经过所述第一透镜1后平行出射，再经过所述第二透镜2会聚到该透镜的像方焦点，从而形成所述双焦点镜头的第一焦点F1。从所述外周部12入射的光经过所述第一透镜1后，从第二侧面12会聚出射，再经过所述第二透镜2聚焦形成轴上的所述双焦点镜头的第二焦点F2。与实施例1一样，本实施例中所述第一透镜是正透镜，所以所述双焦点镜头的第二焦点F2位于第一焦点F1的上方。
实施例4
如图4所示，本实施例中所述的双焦点镜头包括第一透镜1和第二透镜2，两者的直径R均为30mm，原始间距设置为0.25m。所述第一透镜1在轴向上包括第一侧面13和第二侧面，第一侧面13为平面，径向上包括中心部11以及外周部12，中心部11为中心开孔的镂空结构，开孔直径为15mm，外周部12为焦距为f2＝－1.1m的凹透镜。第二透镜2为焦距f3＝0.1m的凸透镜。调节装置分别连接第一透镜与第二透镜，用于改变第一透镜与第二透镜的间距。
本实施例的光路分析也与实施例3类似，区别是从外周部12入射的光经过所述第一透镜1后，会从所述第二侧面发散出射，再经过所述第二透镜2聚焦形成轴上的所述双焦点镜头的第二焦点F2。由于本实施例中所述第一透镜是负透镜，所以所述镜头的第二焦点F2位于第一焦点F1的下方。
下面以实施例1为例，说明该双焦点镜头调节焦距的原理，由于第一焦点与第二透镜的距离为第二焦点与第二透镜的距离而实施例1的中心部为平面透镜，即f1为+∞，因此lF1＝f3＝0.1m；根据本实施例的其它元件参数可获得当d为原始设置值时，lF2＝0.089m；当通过调节装置将第一透镜与第二透镜的间距d调整至最小，即d≈0时，lF1＝0.092m；当通过调节装置将第一透镜与第二透镜的间距d调整至1m时，lF1＝0.05m。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轴向的双焦点镜头，其特征在于，包括同轴设置的第一透镜以及第二透镜，所述第一透镜作为所述双焦点镜头的入射面，所述第二透镜作为所述双焦点镜头的出射面；所述第一透镜包括中心部以及外周部，所述外周部设置于所述中心部的周向，所述双焦点镜头的第一焦点和第二透镜之间的距离与所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜之间的距离不同，且所述第二透镜的像方焦距f3＞0；其中，f1为所述中心部的像方焦距，f2为所述外周部的像方焦距，d为第一透镜与第二透镜的间距；
所述中心部为平面透镜或镂空结构，所述外周部为凸透镜或者凹透镜，使得所述双焦点镜头的第一焦点和第二透镜之间的距离lF1为固定值，并且所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜之间的距离lF2为变化值；或者所述中心部为凸透镜或者凹透镜，所述外周部为平面透镜或镂空结构，使得所述双焦点镜头的第一焦点和第二透镜之间的距离lF1为变化值，并且所述双焦点镜头的第二焦点与第二透镜之间的距离lF2为固定值。
2.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，|f1|:d＞2，|f2|:d＞2，|f1|:f3＞3，|f2|:f3＞3。
3.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，所述固定值为0.06m～0.12m，所述变化值根据第一透镜与第二透镜的间距d，在Lmin～Lmax之间变化，Lmin为0.04m～0.08m，Lmax为0.1m～0.12m。
4.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心部的像方焦距f1以及外周部的像方焦距f2为0.5m～2m，所述第二透镜的像方焦距f3为0.06m～0.12m。
5.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，所述第一透镜与第二透镜的外径相同，且为10mm～40mm，所述第一透镜与第二透镜的间距d小于0.1m。
6.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，所述中心部的直径与所述第一透镜的外径之比为1:4～4:5。
7.如权利要求1所述的双焦点镜头，其特征在于，所述双焦点镜头还包括调节装置，所述调节装置分别连接第一透镜与第二透镜，用于改变第一透镜与第二透镜的间距d。
8.如权利要求7所述的双焦点镜头，其特征在于，所述调节装置为镜筒，所述镜筒内表面的周向上设置有螺纹结构，所述第一透镜以及第二透镜分别嵌于镜筒两端的内表面的螺纹结构上；所述第一透镜以及第二透镜可沿所述螺纹结构，绕所述镜筒的中心轴转动，以改变第一透镜与第二透镜的间距d。
9.一种包括如权利要求1-8中任意一项所述双焦点镜头的激光加工系统。
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