CN109366015A - 带内同轴定位的切割装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带内同轴定位的切割装置，涉及切割技术领域。带内同轴定位的切割装置包括激光器、锥透镜、4f系统、分光镜和带同轴光源镜头CCD成像系统。4f系统包括相互对应设置并位于同一轴线的凸面透镜和消色差聚焦物镜。激光通过锥透镜时产生两束一定夹角的高斯光束，高斯光束相互干涉产生贝塞尔光束，贝塞尔光束经过4f系统后，贝塞尔光束被放大或缩小，形成切割脆性材料所需要的聚焦光斑和焦深。在凸面透镜和消色差聚焦物镜之间插入一个分光镜，可透过激光，待切割材料表面反射的照明光经消色差聚焦物镜由分光镜反射进入带同轴光源镜头CCD成像系统进行定位。该切割装置能够提供较大的焦深对脆性材料进行定位切割，提高切割效率和定位精度。

Description

带内同轴定位的切割装置
技术领域
本发明涉及切割技术领域，具体而言，涉及一种带内同轴定位的切割装置。
背景技术
随着激光加工在脆性材料切割中越来越广泛的被应用，切割材料厚度的增加、对切割精度和定位精度的要求越来越高。一方面，激光内切割技术受到普通高斯激光焦深等的影响，无法完成一次性切割，其加工效率随之降低，无法满足目前市场对该技术加工效率的要求。另一方面，传统旁轴定位已经很难在精度和稳定性上满足加工需求。
因此，需要一种切割装置，其能够提供焦深较大的激光束，以提高加工较厚材料的效率，同时现实高精度的定位切割。
发明内容
本发明实施例提供一种带内同轴定位的切割装置，其能够提供较大的焦深对脆性材料进行定位切割，提高切割效率和定位精度。本发明实施例提供的技术方案：
一种带内同轴定位的切割装置包括：
激光器，所述激光器被设置用于发射激光；
锥透镜，所述锥透镜用于将所述激光转化成两束成夹角的高斯光束，两束所述高斯光束相互干涉产生贝塞尔光束；
4f系统，所述4f系统被设置用于将所述贝塞尔光束放大或缩小，形成加工所需要的聚焦光斑和焦深，所述4f系统包括相互对应设置并位于同一轴线的凸面透镜和消色差聚焦物镜；
分光镜，所述分光镜设置于所述凸面透镜和所述消色差聚焦物镜之间；
带同轴光源镜头CCD成像系统，所述带同轴光源镜头CCD成像系统用于发出照明光，所述照明光经过所述分光镜反射平行于所述贝塞尔光束进入所述消色差聚焦物镜后对待切割材料定位点进行照明。
进一步地，所述带内同轴定位的切割装置还包括45度全反射镜和扩束镜，所述45度全反射镜包括第一45度全反射镜、第二45度全反射镜和第三45度全反射镜，所述扩束镜设置于所述第二45度全反射镜和所述第三45度全反射镜之间，所述激光器发射出的所述激光经过所述第一45度全反射镜后依次通过所述所述第二45度全反射镜、所述扩束镜和所述第三45度全反射镜，经所述扩束镜扩束后的所述激光通过所述所述第三45度全反射镜后射入所述锥透镜。
进一步地，所述凸面透镜的焦距f大小在80mm～800mm之间。
进一步地，所述锥透镜和所述凸面透镜所在的轴线与所述分光镜的夹角为45°。
进一步地，所述带同轴光源镜头CCD成像系统发出的所述照明光与所述分光镜的夹角为45°。
进一步地，所述带同轴光源镜头CCD成像系统包括成像物镜、同轴光源和CCD，所述同轴光源用于向所述分光镜发出所述照明光，所述成像物镜用于接收所述分光镜反射回来的所述照明光、并形成光学影像传递给所述CCD，所述CCD用于将所述光学影像转化为数字信号。
进一步地，所述激光器选用皮秒激光器或飞秒激光器。
进一步地，所述锥透镜的顶角的角度大小在160°～180°之间。
进一步地，所述凸面透镜为平凸透镜或双凸透镜或能起到凸镜作用的透镜组。
进一步地，所述带内同轴定位的切割装置还包括XY移动平台和工控机，所述带同轴光源镜头CCD成像系统与所述工控机电连接，所述工控机与所述XY移动平台电连接，所述工控机用于根据所述带同轴光源镜头CCD成像系统的数字信号控制所述XY移动平台移动。
本发明实施例提供的带内同轴定位的切割装置的有益效果是：能提供较大的焦深对脆性材料进行定位切割，提高切割效率和定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的带内同轴定位的切割装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的带内同轴定位的切割装置的另一结构示意图；
图3为切割轨迹示意图。
图标：100－带内同轴定位的切割装置；110－激光器；111－第一45度全反射镜；112－第二45度全反射镜；113－第三45度全反射镜；114－扩束镜；120－锥透镜；130－凸面透镜；140－分光镜；150－消色差聚焦物镜；160－带同轴光源镜头CCD成像系统；170－XY移动平台；180－工控机；200－定位点；300－切割轨迹；400－待切割材料。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例提供的带内同轴定位的切割装置100的结构示意图。
请参照图1，本实施例提供了一种带内同轴定位的切割装置100，带内同轴定位的切割装置100能够应用于切割对加工精度要求较高的较厚材料。带内同轴定位的切割装置100包括激光器110、锥透镜120、4f系统、分光镜140和带同轴光源镜头CCD成像系统160。4f系统包括相互对应设置并位于同一轴线的凸面透镜130和消色差聚焦物镜150。
激光通过锥透镜120时产生两束一定夹角的高斯光束，高斯光束相互干涉产生贝塞尔光束，贝塞尔光束经过4f系统后，贝塞尔光束被放大或缩小，形成切割脆性材料所需要的聚焦光斑和焦深。在凸面透镜130和消色差聚焦物镜150之间插入一个分光镜140，透过激光，反射待切割材料300定位点200反射经消色差聚焦物镜150的照明光进入带同轴光源镜头CCD成像系统160。
值得说明的是，激光器110选用超快激光器110，具体的，激光器110可选用皮秒激光器110或飞秒激光器110。激光器110的脉宽大小在10fs～100ps之间，激光器110的波长为532nm或1064nm。在图1中，激光器110射出的激光用实线表示。
还值得说明的是，锥透镜120的顶角朝向凸面透镜130。锥透镜120的顶角的角度大小在160°～180°之间。
还值得说明的是，凸面透镜130为平凸透镜或双凸透镜或能起到凸镜作用的透镜组。凸面透镜130的焦距f大小在80mm～800mm之间。
锥透镜120和凸面透镜130所在的轴线与分光镜140的夹角为45°。带同轴光源镜头CCD成像系统160发出的照明光与分光镜140的夹角为45°。分光镜140能够透过激光器110发出的激光，且能够反射带同轴光源镜头CCD成像系统160发出的照明光。
消色差聚焦物镜150的倍率在5X～50X之间。消色差聚焦物镜150对激光器110发出的激光能够起到聚焦作用，对带同轴光源镜头CCD成像系统160发出的照明光能够起到消色差的作用。
带同轴光源镜头CCD成像系统160包括成像物镜、同轴光源和CCD，成像物镜、同轴光源和CCD组装成一体。同轴光源用于向分光镜140发出照明光，照明光的波长的大小在400nm～800nm之间。成像物镜用于接收分光镜140反射回来的照明光、并形成光学影像传递给CCD，CCD用于将光学影像转化为数字信号。
带内同轴定位的切割装置100还包括XY移动平台170和工控机180，带同轴光源镜头CCD成像系统160与工控机180电连接，工控机180与XY移动平台170电连接，工控机180用于根据带同轴光源镜头CCD成像系统160的数字信号控制XY移动平台170移动。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的带内同轴定位的切割装置100的另一结构示意图。
带内同轴定位的切割装置100还包括45度全反射镜和扩束镜114，45度全反射镜包括第一45度全反射镜111、第二45度全反射镜112和第三45度全反射镜113，扩束镜114设置于第二45度全反射镜112和第三45度全反射镜113之间，激光器110发射出的激光经过第一45度全反射镜111后依次通过第二45度全反射镜112、扩束镜114和第三45度全反射镜113，经扩束镜114扩束后的激光通过第三45度全反射镜113后射入锥透镜120。
图3为切割轨迹示意图。
本实施例提供的带内同轴定位的切割装置100的工作原理，请参阅图1－图3：
对于激光的传播过程：激光器110向第一45度全反射镜111发射出激光，激光经过第一45度全反射镜111后依次通过第二45度全反射镜112、扩束镜114和第三45度全反射镜113，经扩束镜114扩束后的激光通过第三45度全反射镜113后射入锥透镜120。锥透镜120将激光转化成两束成夹角的高斯光速，两束高斯光束相互干涉产生贝塞尔光束，贝塞尔光束依次经过凸面透镜130和分光镜140，消色差聚焦物镜150聚焦，产生待切割材料400所需的焦深。最后聚焦作用在XY移动平台170上的待切割材料400。
对于照明光的传播过程：带同轴光源镜头CCD成像系统160中的同轴光源向分光镜140发出照明光，照明光经过分光镜140反射平行于贝塞尔光束进入消色差聚焦物镜150，最后照射在XY移动平台170上的待切割材料400定位点200上，然后被定位点200反射按照以上传播相反方向回到带同轴光源镜头CCD成像系统160，带同轴光源镜头CCD成像系统160中的成像物镜将照明光转化为光学影像、并传递给CCD，CCD将光学影像转化为数字信号、并传递给工控机180。工控机180根据数字信号控制XY移动平台170移动，XY移动平台170移动带动待切割材料400移动，从而使工控机180根据定位点200的位置控制激光在待切割材料400上形成切割轨迹300，完成对待切割材料400的切割。
本实施例提供的带内同轴定位的切割装置100能够提供较大的焦深对脆性材料进行定位切割，提高切割效率和定位精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述带内同轴定位的切割装置包括：
激光器，所述激光器被设置用于发射激光；
锥透镜，所述锥透镜用于将所述激光转化成两束成夹角的高斯光束，两束所述高斯光束相互干涉产生贝塞尔光束；
4f系统，所述4f系统被设置用于将所述贝塞尔光束放大或缩小，形成加工所需要的聚焦光斑和焦深，所述4f系统包括相互对应设置并位于同一轴线的凸面透镜和消色差聚焦物镜；
分光镜，所述分光镜设置于所述凸面透镜和所述消色差聚焦物镜之间；
带同轴光源镜头CCD成像系统，所述带同轴光源镜头CCD成像系统用于发出照明光，所述照明光经过所述分光镜反射平行于所述贝塞尔光束进入所述消色差聚焦物镜后对待切割材料定位点进行照明。
2.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述带内同轴定位的切割装置还包括45度全反射镜和扩束镜，所述45度全反射镜包括第一45度全反射镜、第二45度全反射镜和第三45度全反射镜，所述扩束镜设置于所述第二45度全反射镜和所述第三45度全反射镜之间，所述激光器发射出的所述激光经过所述第一45度全反射镜后依次通过所述所述第二45度全反射镜、所述扩束镜和所述第三45度全反射镜，经所述扩束镜扩束后的所述激光通过所述所述第三45度全反射镜后射入所述锥透镜。
3.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述凸面透镜的焦距f大小在80mm～800mm之间。
4.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述锥透镜和所述凸面透镜所在的轴线与所述分光镜的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述带同轴光源镜头CCD成像系统发出的所述照明光与所述分光镜的夹角为45°。
6.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述带同轴光源镜头CCD成像系统包括成像物镜、同轴光源和CCD，所述同轴光源用于发出照明光，所述成像物镜用于接收所述分光镜反射回来的所述照明光、并形成光学影像传递给所述CCD，所述CCD用于将所述光学影像转化为数字信号。
7.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述激光器选用皮秒激光器或飞秒激光器。
8.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述锥透镜的顶角的角度大小在160°～180°之间。
9.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述凸面透镜为平凸透镜或双凸透镜或能起到凸镜作用的透镜组。
10.根据权利要求1所述的带内同轴定位的切割装置，其特征在于，所述带内同轴定位的切割装置还包括XY移动平台和工控机，所述带同轴光源镜头CCD成像系统与所述工控机电连接，所述工控机与所述XY移动平台电性连接，所述工控机用于根据所述带同轴光源镜头CCD成像系统的数字信号控制所述XY移动平台移动。
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