CN109343226A - 一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，所述光学系统由依次排列的扩束透镜组、微柱面镜阵列棱镜及变倍系统构成；所述扩束透镜组用于将激光器发出的激光光斑进行放大；所述微柱面镜阵列棱镜用于将所述扩束镜组放大的激光光斑细化为子光源；所述变倍系统用于对所述微柱面镜阵列棱镜细化的子光源进行聚焦，以使光能量均匀线列光斑作用于工作面上，通过旋转微柱面棱镜与轴线的角度，线列光斑旋转的角度与之相同，通过改变变倍聚焦系统的焦距，可以使线列光斑的长度在一定范围内可变。本发明的有益效果在于：该光学系统将激光光斑转化为长度可变角度可调能量均匀的线列光斑，应用范围更广，并能够提升激光加工质量和加工效率。

Description

一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统
技术领域
本发明涉及一种光学系统，尤其是指一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统。
背景技术
激光加工相比起传统的加工方法，有许多显著的优点。使用激光对工件进行加工时，不需要跟工件接触，没有“刀具”磨损，加工速度快，对工件的热影响小，加工方式灵活，可加工多种材料，加工质量好。因此，激光加工技术被称为“未来制造业的共同加工手段”。
在激光加工某些细分领域，如表面大面积烧结，材料表面去膜，会使用一维光斑。为了提高加工质量和效率，希望一维光斑的能量分布均匀，同时为了满足不同物品的加工需求，并满足设备使用的兼容性，希望线列光斑的角度和长度在一定的范围内可调。普通的柱面镜产生能量分布不均匀的线列光斑，不但造成了加工质量的下降，在能量较弱的地方，需要增加加工的工作时间，降低了工作效率。特定光学衍射元件(DOE)，可以将激光高斯光束整形成能量非常均匀的线列光斑，但是DOE的价格昂贵，装调困难，对激光器光斑质量要求高等条件，都限制了DOE的大范围使用。除此之外，DOE的工作距离固定，无法灵活调节线列光斑的角度，更无法快速的改变线列光斑长度，降低了设备使用的灵活性、可操作性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，应用范围广，用于提升激光加工质量和加工效率。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，所述光学系统由依次排列的扩束透镜组、微柱面镜阵列棱镜及变倍系统构成；
所述扩束透镜组用于将激光器发出的激光光斑进行放大；
所述微柱面镜阵列棱镜用于将所述扩束镜组放大的激光光斑细化为子光源光斑；
所述变倍系统用于对所述微柱面镜阵列棱镜细化的子光源光斑进行聚焦，以使均匀线列光斑作用于工作面上。
进一步的，所述扩束透镜组由依次排列的第一正透镜及第二正透镜构成；所述扩束透镜组用于将所述激光器发出的激光光斑放大5倍。
进一步的，所述第一正透镜的入光面的曲面半径为7.53mm，出光面的曲面半径无穷大，厚度为1.57mm，入光面的外径为5.08mm，出光面的外径为5.08mm。
进一步的，所述第二正透镜的入光面的曲面半径为无穷大，出光面的曲面半径为-33.465mm，厚度为3.53mm，入光面的外径为12mm，出光面的外径为12mm。
进一步的，所述变倍系统由依次排列的负透镜及正透镜构成；所述负透镜与正透镜之间的间距在1-30mm之间可调。
进一步的，所述负透镜的入光面的半径无穷大，出光面的半径-29.05mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为-2。
进一步的，所述正透镜的入光面的半径无穷大，出光面的半径41.39mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为0。
进一步的，所述微柱面镜阵列棱镜可沿着所述光学系统的光轴进行旋转，以使经过其的线列光斑随之旋转。
进一步的，所述微柱面镜阵列棱镜集成了20个柱面镜，每个柱面镜的半径均为2.04mm。
进一步的，所述微柱面镜阵列棱镜呈正方形，尺寸大小为20mm×20mm，厚度为1mm。
本发明的有益效果在于：光学系统通过扩束透镜组对激光器发出的激光光斑放大后，微柱面镜阵列棱镜再对放大后的激光光斑细化为子光源光斑，变倍系统再将子光源光斑作用于工作面上，通过旋转微柱面棱镜与轴线的角度，线列光斑旋转的角度与之相同，通过改变变倍聚焦系统的焦距，可以使线列光斑的长度在一定范围内可变。该光学系统将激光光斑转化为长度可变角度可调能量均匀的线列光斑，应用范围广，能够提升激光加工质量和加工效率。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构。
图1为本发明一具体实施例的光学系统布局图；
图2为本发明一具体实施例的工作面照度分布图；
图3为本发明一具体实施例的激光光斑X方向照度截面图；
图4为本发明一具体实施例的激光光斑Y方向照度截面图；
图5为本发明一具体实施例的线列光斑旋转示意图；
图6为本发明一具体实施例的负透镜与正透镜间隔1mm时的光斑宽度图；
图7为本发明一具体实施例的负透镜与正透镜间隔15mm时的光斑宽度图
图8为本发明一具体实施例的负透镜与正透镜间隔30mm时的光斑宽度图
图9为本发明一具体实施例的微柱面镜阵列棱镜结构示意图；
其中，1-第一正透镜、2-第二正透镜、3-微柱面镜阵列棱镜、4-负透镜、5-正透镜、6-工作面。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
参阅图1，一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，所述光学系统由依次排列的扩束透镜组(1,2)、微柱面镜阵列棱镜3及变倍系统(4,5)构成；
所述扩束透镜组用于将激光器发出的激光光斑进行放大；
所述微柱面镜阵列棱镜3用于将所述扩束镜组放大的激光光斑细化为子光源光斑；
所述变倍系统用于对所述微柱面镜阵列棱镜3细化的子光源光斑进行聚焦，以使均匀线列光斑作用于工作面6上。
本技术方案中，光学系统通过扩束透镜组对激光器发出的激光光斑放大后，微柱面镜阵列棱镜3再对放大后的激光光斑细化为子光源光斑，变倍系统再将子光源光斑作用于工作面6上，该光学系统将激光光斑转化为长度可变角度可调能量均匀的线列光斑，通过旋转微柱面棱镜与轴线的角度，线列光斑旋转的角度与之相同，通过改变变倍聚焦系统的焦距，可以使线列光斑的长度在一定范围内可变，以便满足不同加工要求，同时提升激光加工质量和加工效率。
参阅图2，高斯光束经过该系统后，像面的光能量分布图。
参阅图3，像面的光能量分布，水平方向的截面图，通过图中可以看出，该截面方向的能量分布非常均匀；
参阅图4.像面的光能量分布，竖直方面的截面图，通过图中可以看出，该截面方向的能量是会聚的，并且会聚的尺度非常小。
实施例一
在一具体实施例中，所述扩束透镜组由依次排列的第一正透镜1及第二正透镜2构成；所述扩束透镜组用于将所述激光器发出的激光光斑放大5倍。
进一步的，所述第一正透镜1的入光面的曲面半径为7.53mm，出光面的曲面半径无穷大，厚度为1.57mm，入光面的外径为5.08mm，出光面的外径为5.08mm。
进一步的，所述第二正透镜2的入光面的曲面半径为无穷大，出光面的曲面半径为-33.465mm，厚度为3.53mm，入光面的外径为12mm，出光面的外径为12mm。
实施例二
在一具体实施例中，参阅图1，所述变倍系统由依次排列的负透镜4及正透镜5构成；所述负透镜4与正透镜5之间的间距在1-30mm之间可调。
进一步的，所述负透镜4的入光面的半径无穷大，出光面的半径-29.05mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为-2。
进一步的，所述正透镜5的入光面的半径无穷大，出光面的半径41.39mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为0。
本实施例中，为了提高线列光斑的均匀度，在变倍系统中的负透镜4选用非球面负透镜4，当负透镜4和正透镜5的间隔发生变化时，线列光斑的长度也随之变化，线列光斑的长度在20mm到45mm之间可调；如图6所示，当负透镜4和正透镜5的间隔为1mm时，其线列光斑的长度为45mm；如图7所示，当负透镜4和正透镜5的间隔为15mm时，其线列光斑的长度为31mm，如图8所示，当负透镜4和正透镜5的间隔为30mm时，其线列光斑的长度为20mm；线列光斑的长度在一定范围可调，增强使用该光学系统的设备的灵活性及可操作性，更大范围地满足不同物品的加工需求。
实施例三
在一具体实施例中，所述微柱面镜阵列棱镜3可沿着所述光学系统的光轴进行旋转，以使经过其的线列光斑随之旋转。
微柱面镜阵列棱镜3沿着光学系统的光轴进行旋转，其线列光斑也随之旋转，旋转角度与为柱面镜阵列棱镜的旋转角度相同，参阅图5，微柱面镜阵列棱镜3沿着光轴分别旋转0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°、360°，增强了使用该光学系统的设备的灵活性、可操作性。
进一步的，参阅图9，所述微柱面镜阵列棱镜3集成了20个柱面镜，每个柱面镜的半径均为2.04mm。
进一步的，所述微柱面镜阵列棱镜3呈正方形，尺寸大小为20mm×20mm，厚度为1mm。
本发明具体实施例的有益效果在于：光学系统通过扩束透镜组对激光器发出的激光光斑放大后，微柱面镜阵列棱镜3再对放大后的激光光斑细化为子光源光斑，变倍系统再将子光源光斑作用于工作面6上，该光学系统将激光光斑转化为长度可变角度可调能量均匀的线列光斑，能够提升激光加工质量和加工效率，同时微柱面镜阵列棱镜3可沿着所述光学系统的光轴进行旋转，以使经过其的线列光斑随之旋转，变倍系统中的负透镜4和正透镜5的间隔发生变化时，线列光斑的长度也随之变化，增强了使用该光学系统的设备的灵活性、可操作性，更大范围地满足不同物品的加工需求。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
此处，上、下、左、右、前、后只代表其相对位置而不表示其绝对位置。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述光学系统由依次排列的扩束透镜组、微柱面镜阵列棱镜及变倍系统构成；
所述扩束透镜组用于将激光器发出的激光光斑进行放大；
所述微柱面镜阵列棱镜用于将所述扩束镜组放大的激光光斑细化为子光源光斑；
所述变倍系统用于对所述微柱面镜阵列棱镜细化的子光源光斑进行聚焦，以使均匀线列光斑作用于工作面上。
2.如权利要求1所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述扩束透镜组由依次排列的第一正透镜及第二正透镜构成；所述扩束透镜组用于将所述激光器发出的激光光斑放大5倍。
3.如权利要求2所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述第一正透镜的入光面的曲面半径为7.53mm，出光面的曲面半径无穷大，厚度为1.57mm，入光面的外径为5.08mm，出光面的外径为5.08mm。
4.如权利要求2所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述第二正透镜的入光面的曲面半径为无穷大，出光面的曲面半径为-33.465mm，厚度为3.53mm，入光面的外径为12mm，出光面的外径为12mm。
5.如权利要求1所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述变倍系统由依次排列的负透镜及正透镜构成；所述负透镜与正透镜之间的间距在1-30mm之间可调。
6.如权利要求5所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述负透镜的入光面的半径无穷大，出光面的半径-29.05mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为-2。
7.如权利要求5所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述正透镜的入光面的半径无穷大，出光面的半径41.39mm，厚度为3mm，入光面的外径为20mm，出光面的外径为20mm，圆锥系数为0。
8.如权利要求1所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述微柱面镜阵列棱镜可沿着所述光学系统的光轴进行旋转，以使经过其的线列光斑随之旋转。
9.如权利要求8所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述微柱面镜阵列棱镜集成了20个柱面镜，每个柱面镜的半径均为2.04mm。
10.如权利要求9所述的将激光光斑转化成均匀线列光斑的光学系统，其特征在于：所述微柱面镜阵列棱镜呈正方形，尺寸大小为20mm×20mm，厚度为1mm。
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