CN108857052B - 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12，以及设于所述振镜系统12下方的fθ镜头11，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＝-0.32f3/f1＝1.19f4/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，图2中(a)是焦距为286时的纵向焦点偏移图，(b)是焦距为260时的纵向焦点偏移图，(c)是焦距为233时的纵向焦点偏移图。图3中(a)是焦距为286时的Rayfan图，(b)是焦距为260时的Ray fan图，(c)是焦距为233时的Ray fan图。图4中(a)是焦距为286时的点列图，(b)是焦距为260时的点列图，(c)是焦距为232时的点列图。图5中(a)是焦距为286时的点扩散函数，(b)是焦距为260时的点扩散函数，(c)是焦距为232时的点扩散函数。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 (7)
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；
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。
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，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。
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，所述激光的波长为1064nm，所述可见光的波长为625±15nm。
4.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。
5.根据权利要求4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。
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。
7.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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