CN108169883A - 一种用于大范围清洗的激光镜头及激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及短焦镜头领域，具体涉及一种用于大范围清洗的激光镜头及激光系统，所述激光镜头包括沿着入射光线的自近至远方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第二透镜为弯月正透镜，所述第三透镜为弯月正透镜，所述第四透镜为平面保护玻璃。所述激光镜头通过四个透镜的组合，实现在大范围做清洁、除锈工作，若是清洁面积过大时，无需耗费过多时间即可清洗干净；并且，所述激光系统的焦深较大，当焦点对准清洗位置时，不仅清洗位置的平面可以清洗，而且在此平面的上下一定的曲面跨度也能进行清洗。

Description

一种用于大范围清洗的激光镜头及激光系统

技术领域

本发明涉及激光镜头领域，具体涉及一种用于大范围清洗的激光镜头及激光系统。

背景技术

传统清洗工业有各种各样的清洗方式，多是利用化学药剂和机械方法进行清洗。在我国环境保护法规要求越来越严格、人们环保和安全意识日益增强的今天，工业生产清洗中可以使用的化学药品种类将变得越来越少。如何寻找更清洁，且不具损伤性的清洗方式是我们不得不考虑的问题。而激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种材质的物体等清洗特点，被认为是最可靠、最有效的解决办法。同时，激光清洗技术颠覆了化学清洗、机械打磨、干冰清洗、超声波清洗等传统的清洗技术，可以解决采用传统清洗方式无法解决的问题。

但是，以往激光系统只能在小范围做清洁、除锈工作，若是清洁面积过大时，需要耗费过多时间方能清洗干净；并且，以往激光系统的焦深不足，手持激光系统时容易造成晃动，导致清洁不够彻底；另外，以往清洗系统整体结构较大，无法实现小型化，不便于操作人员进行清洁操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于大范围清洗的激光镜头，解决无法实现大范围清洗，以及焦深不足和整体结构较大的问题。

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种用于大范围清洗的激光系统，解决无法实现大范围清洗，以及焦深不足和整体结构较大的问题。

为解决该技术问题，本发明提供一种用于大范围清洗的激光镜头，所述激光镜头包括沿着入射光线的传播方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第二透镜为弯月正透镜，所述第三透镜为弯月正透镜，所述第四透镜为平面保护玻璃。

其中，较佳方案是：所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面的曲率半径为58.85mm，所述第二曲面的曲率半径为279.1mm；所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面的曲率半径为81.25mm，所述第四曲面的曲率半径为69.15mm；所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面的曲率半径为602.5mm，所述第六曲面的曲率半径为103.35mm；所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面的曲率半径为∞，所述第八曲面的曲率半径为∞；所有曲面的曲率半径的公差为5％。

其中，较佳方案是：所述第一透镜的中心厚度为3mm，所述第二透镜的中心厚度为4mm，所述第三透镜的中心厚度为6mm，所述第四透镜的中心厚度为3mm；所有透镜的中心厚度的公差为5％。

其中，较佳方案是：所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为1.458/67.82，所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16，所述第四透镜的折射率与阿贝数的比例为1.516/64.12；所有透镜的折射率与阿贝数的比例的公差为5％。

其中，较佳方案是：所述第一透镜的后表面中心点与第二透镜的前表面中心点之间的距离为6.5mm，所述第二透镜的后表面中心点与第三透镜的前表面中心点之间的距离为0.5mm，所述第三透镜的后表面中心点与第四透镜的前表面中心点之间的距离为2mm；前后透镜表面中心点之间的距离的公差为5％。

其中，较佳方案是：所述第一透镜由熔融石英材料制成。

本发明还提供一种用于大范围清洗的激光系统，所述激光系统包括如权利要求1至6任一所述的激光镜头，还包括用于朝向激光镜头的中轴线发射激光光束的激光器，以及用于带动激光镜头和激光器移动的移动机构。

其中，较佳方案是：所述激光系统的清洗范围为250mm，焦深为7.52mm。

其中，较佳方案是：所述激光系统的通光波长为1064nm，焦距为420mm，入瞳直径为10mm，视场角为32°。

其中，较佳方案是：所述激光器的功率为200W。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明通过设计一种用于大范围清洗的激光镜头及激光系统，通过四个透镜的组合，实现在大范围做清洁、除锈工作，若是清洁面积过大时，无需耗费过多时间即可清洗干净；并且，所述激光系统的焦深较大，当焦点对准清洗位置时，不仅清洗位置的平面可以清洗，而且在此平面的上下一定的曲面跨度也能进行清洗；另外，所述第一透镜由熔融石英制成，能够适应较高功率的激光器，增强清洁能力，从而提高清洁效率；并且，所述激光镜头整体小型化，轻量化，可方便的安装在手持工作系统中，操作简单，亦可实现自动化。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明激光镜头的示意图；

图2是本发明激光镜头像散及畸变的曲线图；

图3是本发明激光镜头光学传递函数和调制传递函数的示意图；

图4是本发明激光镜头聚焦点弥散斑的示意图；

图5是本发明激光镜头能量集中度的曲线图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1至图5所示，本发明提供一种用于大范围清洗的激光镜头的优选实施例。

激光清洗的原理是利用激光的高能、高频率、高功率的特性，通过激光镜头把高能量瞬间沉积在很小的一片区域内，利用高温灼化氧化层，该工艺称为激光清洗技术。具体地，并参考图1，一种用于大范围清洗的激光镜头，所述激光镜头包括沿着入射光线的传播方向依次共轴设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，即外部的激光器发出入射光线，所述入射光线依次透过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4，所述第一透镜L1由熔融石英材料制成，熔融石英即是氧化硅的非晶态，其原子结构长程无序，通过三维结构交叉链接提供其高使用温度和低热膨胀系数，使得激光镜头能够适应较高功率的激光器；其中，所述第一透镜L1的后表面中心点与第二透镜L2的前表面中心点之间的距离d2为6.5mm，所述第二透镜L2的后表面中心点与第三透镜L3的前表面中心点之间的距离d4为0.5mm，所述第三透镜L3的后表面中心点与第四透镜L4的前表面中心点之间的距离d6为2mm。

在本实施例中，所述激光镜头通过四个透镜的组合，实现在大范围做清洁、除锈工作，在振镜偏转满足±8°时，所述激光镜头的扫描范围为250mm，若是清洁面积过大时，无需耗费过多时间即可清洗干净；并且，根据焦深公式δ＝±2*λ*(f＇/D)²≈7.52mm，得出所述激光镜头的焦深较大，已经达到将近8mm，即是说，当焦点对准清洗位置时，不仅清洗位置的平面可以清洗，而且在此平面的上下一定的曲面跨度也能进行清洗，从而补偿手持激光镜头时造成的晃动，提高清洗质量；并且，所述激光镜头最大处的通光口径只有44mm，最小处只有32mm，结构简单，实现小型化、轻量化，大大减轻了重量，整个激光镜头总重量不超100g，便于实现自动化或者使用携带；同时，小视场角的设计也使成像质量达到了理想状态。

其中，并参考图1，激光光束从左向右传播，即从物方向像方传播，以球面和主光轴的交点为准，球面的球心在该点以左，则曲率半径为负，反之，球心在在该点以右，则曲率半径为正，以下同理。所述第一透镜L1为弯月负透镜，所述第一透镜L1包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面向像方凸出，所述第一曲面的曲率半径S1为-58.85mm，所述第二曲面向像方凸出，所述第二曲面的曲率半径S2为-279.1mm，所述第一透镜L1的中心厚度d1为3mm，中心厚度为透镜在光轴上的厚度，所述第一透镜L1的折射率与阿贝数的比例为1.458/67.82，阿贝数用来衡量介质的光线色散程度，

其中，并参考图1，所述第二透镜L2为弯月正透镜，所述第二透镜L2包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面向像方凸出，所述第三曲面的曲率半径S3为-81.25mm，所述第四曲面向像方凸出，所述第四曲面的曲率半径S4为-69.15mm，所述第二透镜L2的中心厚度d3为4mm，所述第二透镜L2的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16。

其中，并参考图1，所述第三透镜L3为弯月正透镜，所述第三透镜L3包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面向像方凸出，所述第五曲面的曲率半径S5为-602.5mm，所述第六曲面的向像方凸出，所述第六曲面的曲率半径S6为-103.35mm，所述第三透镜L3的中心厚度d5为6mm，所述第三透镜L3的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16。

其中，并参考图1，所述第四透镜L4为平面保护玻璃，所述第四透镜L4包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面为一平面，所述第七曲面的曲率半径S7为∞，所述第八曲面为一平面，所述第八曲面的曲率半径S8为∞，所述第四透镜L4的中心厚度d7为3mm，所述第四透镜L4的折射率与阿贝数的比例为1.516/64.12。

在本实施例中，前后透镜表面中心点之间的距离的公差为5％，所有透镜的中心厚度、折射率与阿贝数的比例以及所有曲面的曲率半径的公差为5％，即上述的参数的公差在5％以内，均属于本发明的保护范围。

图2示出了激光镜头像散及畸变的曲线图，所述激光镜头的像散和畸变都已达到了理想的校正状态，像面明显地变平，使其在整个清洗范围内的像面都非常平，而轴上与轴外无明显差别。

图3示出了激光镜头光学传递函数(Optical Transfer Function，OTF)和调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)，由函数图也可以看出，该镜头的轴上点和轴外点均无明显差别，达到了平像场的目的。

图4示出了激光镜头聚焦点弥散斑，表示了激光镜头的像面上聚焦点弥散圆的直径大小，在图4中，所有视场的弥散斑直径都控制5μm以内，说明聚焦斑点非常集中。

图5示出了激光镜头能量集中度的曲线图，表示了激光镜头在像面上聚焦点的“能量集中度”，在图5中，各个视场曲线几乎一致，说明集中度非常的高，即表示激光镜头的所有能量均集中在5μm以内。

本发明还提供一种用于大范围清洗的激光系统的较佳实施例。

具体地，所述激光系统包括如上所述的激光镜头，还包括一激光器，所述激光器朝向激光镜头的中轴线发射激光光束，所述激光系统还包括用于带动激光器和激光镜头移动的移动机构。所述激光系统能够实现大焦深、广范围的清洁操作；并且，所述激光系统可制成手持系统，便于操作人员进行清洁操作；所述激光系统亦可集成自动化设计，进一步地简便操作。

其中，所述激光系统的焦深为7.52mm，清洗范围为250mm，通光波长为1064nm，焦距为420mm，入瞳直径为10mm，视场角为32°；并且，所述激光器的功率为200W。

以及，所述激光系统还包括用于放置激光镜头的壳体，优选地，所述壳体由A6061-H112航空镁铝合金材料制成，牢固性强，不易损坏。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于大范围清洗的激光镜头，其特征在于：所述激光镜头包括沿着入射光线的传播方向依次共轴设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜，所述第一透镜为弯月负透镜，所述第二透镜为弯月正透镜，所述第三透镜为弯月正透镜，所述第四透镜为平面保护玻璃。

2.根据权利要求1所述的激光镜头，其特征在于：所述第一透镜包括第一曲面和第二曲面，所述第一曲面的曲率半径为58.85mm，所述第二曲面的曲率半径为279.1mm；所述第二透镜包括第三曲面和第四曲面，所述第三曲面的曲率半径为81.25mm，所述第四曲面的曲率半径为69.15mm；所述第三透镜包括第五曲面和第六曲面，所述第五曲面的曲率半径为602.5mm，所述第六曲面的曲率半径为103.35mm；所述第四透镜包括第七曲面和第八曲面，所述第七曲面的曲率半径为∞，所述第八曲面的曲率半径为∞；所有曲面的曲率半径的公差为5％。

3.根据权利要求2所述的激光镜头，其特征在于：所述第一透镜的中心厚度为3mm，所述第二透镜的中心厚度为4mm，所述第三透镜的中心厚度为6mm，所述第四透镜的中心厚度为3mm；所有透镜的中心厚度的公差为5％。

4.根据权利要求3所述的激光镜头，其特征在于：所述第一透镜的折射率与阿贝数的比例为1.458/67.82，所述第二透镜的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16，所述第三透镜的折射率与阿贝数的比例为1.74/28.16，所述第四透镜的折射率与阿贝数的比例为1.516/64.12；所有透镜的折射率与阿贝数的比例的公差为5％。

5.根据权利要求1所述的激光镜头，其特征在于：所述第一透镜的后表面中心点与第二透镜的前表面中心点之间的距离为6.5mm，所述第二透镜的后表面中心点与第三透镜的前表面中心点之间的距离为0.5mm，所述第三透镜的后表面中心点与第四透镜的前表面中心点之间的距离为2mm；前后透镜表面中心点之间的距离的公差为5％。

6.根据权利要求1所述的激光镜头，其特征在于：所述第一透镜由熔融石英材料制成。

7.一种用于大范围清洗的激光系统，其特征在于：所述激光系统包括如权利要求1至6任一所述的激光镜头，还包括用于朝向激光镜头的中轴线发射激光光束的激光器，以及用于带动激光镜头和激光器移动的移动机构。

8.根据权利要求7所述的激光透镜，其特征在于：所述激光系统的清洗范围为250mm，焦深为7.52mm。

9.根据权利要求8所述的激光透镜，其特征在于：所述激光系统的通光波长为1064nm，焦距为420mm，入瞳直径为10mm，视场角为32°。

10.根据权利要求9所述的激光透镜，其特征在于：所述激光器的功率为200W。