CN108857052A - 双波长共焦调焦光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双波长共焦调焦光学系统,包括光学变焦镜头以及fθ镜头,光学变焦镜头包括:沿入射光方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、以及振镜系统,fθ镜头设于振镜系统下方,第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及振镜系统位于同一光轴上,光线经fθ镜头聚焦,通过改变第一透镜与第二透镜之间的间距实现调焦。本发明实现激光的调焦,在整个调焦过程中,激光的聚焦点成像质量好,在调焦范围内的一致性好,并且在激光调焦的过程中,照明系统的可见光的焦点与激光的焦点共焦,这样实现激光加工与监控系统焦点位置的一致性,从而可利用视频监控系统进行激光焦点(Z轴)的定位,实现可视化加工。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工光学系统领域,尤其涉及一种双波长共焦调焦光学系统。
背景技术
目前,激光应用已深入到我们现代生活的各个方面。其中激光的工业应用也越来越广泛,而在激光应用中离不开符合各种工艺要求的应用光学系统。
在目前兴起的激光三维加工系统中,由于三维空间的复杂性,给三维加工过程中的激光定位带来的挑战。在三维加工系统中,除了常规的X、Y轴平面的扫描系统外,还需要激光变焦系统,形成激光加工中的Z轴,从而实现激光的三维立体加工。激光变焦光学系统是三维立体激光加工中是非常重要的组成部分。
三维激光加工中又分为前聚焦系统与后聚焦系统。前聚焦系统完全靠系统的光学变焦,并结合软件控制使得焦点在三维空间上实现定点加工。它的焦距变化范围大,焦距也较长,使得加工效果差,加工立体空间区域的一致性较也较差。针对大部分立体激光加工中,由于其对尺寸精度与加工效果的一致性要求高,一般不采用该光学系统,而采用后聚焦激光加工光学系统。
而后聚焦光学系统是通过变焦光学系统与fθ镜头光学系统结合实现三维激光加工。fθ镜头光学系统是一个平场光学系统,它的优点是在同一个X、Y轴平面内,激光加工效果非常一致。再通过与变焦光学系统结合,变焦后的fθ镜头光学系统的焦平面将在不同的Z轴位置上,构成一个立体的加工区域。从而形成一个加工效果一致的立体加工空间区域。
而传统变焦光学系统是主要针对单色激光波长的,激光的焦点与可视照明光的焦点相差比较大的距离。而在高精度的三维激光加工系统中,要求有高精度的三维同步视觉定位系统,这要求激光的焦点与可视照明光的焦点在三维空间中完全一致。否则,视觉捕捉到的点与激光的焦点不在同一位置,这样难以达到加工所需的高精度要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足,提供一种双波长共焦调焦光学系统,使得视觉捕捉到的点与激光的焦点在同一位置,从而大大地提高三维激光的加工精度。
本发明的技术方案如下:提供一种双波长共焦调焦光学系统,包括光学变焦镜头以及fθ镜头,所述光学变焦镜头包括:沿入射光方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、以及振镜系统,fθ镜头设于所述振镜系统下方,第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及振镜系统位于同一光轴上,光线经fθ镜头聚焦,通过改变第一透镜与第二透镜之间的间距实现调焦。
所述第一透镜为双凸型正透镜,其光焦度为f1;所述第二透镜为双凹型负透镜,其光焦度为f2;所述第三透镜以及第四透镜均为弯月型的正透镜,其向光线入射方向弯曲,第三透镜的光焦度为f3,第四透镜的光焦度为f4,各透镜的光焦度比率符合以下要求:
-0.35<f2/f1<-0.25
1.1<f3/f1<1.4
4.0<f4/f1<4.5
进一步地,所述双波长共焦调焦系统能在可见光与激光两个波段成像,可见光的焦点与激光的焦点共焦。
进一步地,第一透镜的光焦度f1为83.5mm,第二透镜的光焦度f2为-26.5mm,第三透镜的光焦度f3为99.7mm,第四透镜的光焦度f4为359.8mm。
进一步地,所述激光的波长为1064nm,所述可见光的波长为625±15nm。
进一步地,第一透镜在光轴中心的厚度d1为5mm,第二透镜在光轴中心的厚度d3为2mm,第三透镜在光轴中心的厚度d5为5mm,第四透镜在光轴中心d7的厚度为4mm。
进一步地,第一透镜包括第一曲面S1以及第二曲面S2,第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为70.576mm,第二曲面S2的曲率半径的期望值R2为-370.7mm,所述第二透镜包括第三曲面S3以及第四曲面S4,第三曲面S3的曲率半径的期望值R3为-75.04mm,第四曲面S4的曲率半径的期望值R4为28.58mm,所述第三透镜包括第五曲面S5以及第六曲面S6,第五曲面S5的曲率半径的期望值R5为-124.45mm,第六曲面S6的曲率半径的期望值R6为-40.581mm,所述第四透镜包括第七曲面S7以及第八曲面S8,第七曲面S7的曲率半径的期望值R7为-29.907mm,第八曲面S8的曲率半径的期望值R8为-28.58mm。
进一步地,第一透镜材料光学参数Nd1:Vd1的期望值为1.73/54.7,第二透镜材料光学参数Nd3:Vd3的期望值为1.8/25.4,第三透镜材料光学参数Nd5:Vd5的期望值为1.6/60.6,第四透镜材料光学参数Nd7:Vd7的期望值为1.8/25.4。
进一步地,第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔距离d2的为18±5mm,第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔距离d4的期望值为25.3mm,第三透镜与第四透镜在光轴上的间隔距离d6的期望值为11.6mm,第四透镜与振镜系统在光轴上的间隔距离d8的期望值为20mm,fθ镜头距振镜系统的距离d9的期望值为47mm,fθ镜头的焦距为260mm,其后焦距Bf的变化范围为233mmm-286mm。
采用上述方案,本发明具有如下有益效果:
一是实现激光的调焦,在整个调焦过程中,激光的聚焦点成像质量好,在调焦范围内的一致性好。
二是在激光调焦的过程中,照明系统的可见光的焦点与激光的焦点共焦,从而实现激光加工与监控系统焦点位置的一致性,从而利用视频监控系统进行激光焦点(Z轴)的定位,实现可视化加工。
附图说明
图1为本发明的系统图。
图2为本发明在调焦极限位置及中间位置焦平面上的纵向焦点偏移图。
图3为本发明在调焦极限位置及中间位置焦平面上的光扇图。
图4为本发明在调焦极限位置及中间位置焦平面上的点列图。
图5为本发明在调焦极限位置及中间位置焦平面上的点扩散函数图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例,对本发明进行详细说明。
请参阅图1,本发明提供一种双波长共焦调焦光学系统,包括光学变焦镜头以及fθ镜头11,包括:沿入射光方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、振镜系统11,以及设于所述振镜系统11下方的fθ镜头12,第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4以及振镜系统12位于同一光轴上,所述振镜系统12在本光学系统中与光阑的作用类似,用来定义光束(光通量)的大小,光线经fθ镜头11聚焦。
所述第一透镜L1为双凸型正透镜,其光焦度为f1;所述第二透镜L2为双凹型负透镜,其光焦度为f2;所述第三透镜L3以及第四透镜L4均为弯月型的正透镜,其向光线入射方向弯曲,第三透镜L3的光焦度为f3,第四透镜L4的光焦度为f4,各透镜的光焦度比率符合以下要求:
-0.35<f2/f1<-0.25
1.1<f3/f1<1.4
4.0<f4/f1<4.5
所述双波长共焦调焦系统能在可见光与激光两个波段成像,可见光的焦点与激光的焦点共焦,这样就可以使用CCD捕捉焦点,从而实现可视化加工。在本实施例中,可见光为LED光源。
各个透镜的参数如下:
第一透镜L1在光轴中心的厚度为d1,其包括第一曲面S1以及第二曲面S2,第一曲面S1的曲率半径为R1,第二曲面S2的曲率半径为R2,第一透镜L1的材料光学参数为Nd1:Vd1;
第二透镜L2在光轴中心的厚度为d3,其包括第三曲面S3以及第四曲面S4,第三曲面S3的曲率半径的为R3,第四曲面S4的曲率半径为R4,第二透镜L2的材料光学参数为Nd3:Vd3;
第三透镜L3在光轴中心的厚度为d5,其包括第五曲面S5以及第六曲面S6,第五曲面S5的曲率半径为R5,第六曲面S6的曲率半径为R6,第三透镜L3的材料光学参数Nd5:Vd5;
第四透镜L4在光轴中心的厚度为d7,其包括第七曲面S7以及第八曲面S8,第七曲面S7的曲率半径为R7,第八曲面S8的曲率半径为R8,第四透镜L4的材料光学参数为Nd7:Vd7。
第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔距离为d2,第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔距离为d4,第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的间隔距离为d6,第四透镜L4与振镜系统12在光轴上的间隔距离为d8,fθ镜头11距振镜系统12的距离为d9,fθ镜头11的焦距为f0,其后焦距为Bf,Bf的变化范围为Bfa<Bf<Bfb。
通过改变第一透镜L1与第二透镜L2之间的间距实现调焦,前后移动第一透镜L1,fθ镜头的后焦距Bf会产生变化,再结合fθ镜头11产生的平面场,从而得到三维的加工区域。
结合以上参数,我们设计了一个光学变焦镜头,其具体参数如下:
激光波长λ0=1064nm,可见光波长λ1=625±15nm
各透镜的光焦度分别为:
f1=83.5mm f2=-26.5mm f3=99.7mm f4=359.8mm
各透镜的光焦度比率为:
f2/f1=-0.32 f3/f1=1.19 f4/f1=4.31
系统各透镜的主要参数如下:
调节第一透镜L1,控制d2在13mm与23mm之间变动,d2与fθ镜头的后焦距Bf的参数的关系如下:
调焦位 | 调焦位置d2 | 后焦距Bf |
负向极限位置 | 13 | 286 |
中间位置 | 18 | 260 |
正向极限位置 | 23 | 233 |
由上表可看出,后焦距Bf的变化范围为233mm-286mm。
请参阅图2至图5,从图2与图3中可看出,该系统在不同的焦平面上的横向色差都比较小,从图2至图5可看出,该系统在不同的焦平面上的成像质量都很好,点弥散范围都在10um以内,点扩散函数都在0.9以上,这在激光调焦过程中能达到很好的加工效果,并且一致性好,同时也能获得良好的共焦成像效果,供可视化监测系统进行高精度定位。
综上所述,本发明具有如下有益效果:
一是实现激光的调焦,在整个调焦过程中,激光的聚焦点成像质量好,在调焦范围内的一致性好。
二是在激光调焦的过程中,照明系统的可见光的焦点与激光的焦点共焦,可实现激光加工与监控系统焦点位置的一致性,从而利用视频监控系统进行激光焦点(Z轴)的定位,实现可视化加工。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用于限制本发明,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 (8)
1.一种双波长共焦调焦光学系统,包括光学变焦镜头以及fθ镜头,其特征在于,所述光学变焦镜头包括:沿入射光方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、以及振镜系统,fθ镜头设于所述振镜系统下方,第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及振镜系统位于同一光轴上,光线经fθ镜头聚焦,通过改变第一透镜与第二透镜之间的间距实现调焦;
所述第一透镜为双凸型正透镜,其光焦度为f1;所述第二透镜为双凹型负透镜,其光焦度为f2;所述第三透镜以及第四透镜均为弯月型的正透镜,其向光线入射方向弯曲,第三透镜的光焦度为f3,第四透镜的光焦度为f4,各透镜的光焦度比率符合以下要求:
-0.35<f2/f1<-0.25
1.1<f3/f1<1.4
4.0<f4/f1<4.5。
2.根据权利要求1所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,所述双波长共焦调焦系统能在可见光与激光两个波段成像,可见光的焦点与激光的焦点共焦。
3.根据权利要求1所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,第一透镜的光焦度f1为83.5mm,第二透镜的光焦度f2为-26.5mm,第三透镜的光焦度f3为99.7mm,第四透镜的光焦度f4为359.8mm。
4.根据权利要求2所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,所述激光的波长为1064nm,所述可见光的波长为625±15nm。
5.根据权利要求1所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,第一透镜在光轴中心的厚度d1为5mm,第二透镜在光轴中心的厚度d3为2mm,第三透镜在光轴中心的厚度d5为5mm,第四透镜在光轴中心的厚度d7为4mm。
6.根据权利要求5所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,第一透镜包括第一曲面S1以及第二曲面S2,第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为70.576mm,第二曲面S2的曲率半径的期望值R2为-370.7mm,所述第二透镜包括第三曲面S3以及第四曲面S4,第三曲面S3的曲率半径的期望值R3为-75.04mm,第四曲面S4的曲率半径的期望值R4为28.58mm,所述第三透镜包括第五曲面S5以及第六曲面S6,第五曲面S5的曲率半径的期望值R5为-124.45mm,第六曲面S6的曲率半径的期望值R6为-40.581mm,所述第四透镜包括第七曲面S7以及第八曲面S8,第七曲面S7的曲率半径的期望值R7为-29.907mm,第八曲面S8的曲率半径的期望值R8为-28.58mm。
7.根据权利要求6所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,第一透镜材料光学参数Nd1:Vd1的期望值为1.73/54.7,第二透镜材料光学参数Nd3:Vd3的期望值为1.8/25.4,第三透镜材料光学参数Nd5:Vd5的期望值为1.6/60.6,第四透镜材料光学参数Nd7:Vd7的期望值为1.8/25.4。
8.根据权利要求1所述的双波长共焦调焦光学系统,其特征在于,第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔距离d2的为18±5mm,第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔距离d4的期望值为25.3mm,第三透镜与第四透镜在光轴上的间隔距离d6的期望值为11.6mm,第四透镜与振镜系统在光轴上的间隔距离d8的期望值为20mm,fθ镜头距振镜系统的距离d9的期望值为47mm,fθ镜头的焦距为260mm,其后焦距Bf的变化范围为233mmm-286mm。
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