CN109799075A - 一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法，其包括：激光加工头，激光加工头包括光纤水晶头、准直镜、聚焦镜、电容随动头以及喷嘴；焦点位置测量模块，所述焦点位置测量模块包括感应片、窗口片、中继镜、耦合镜组、第一成像合束镜、第二成像合束镜、聚光LED、衰减片、滤光片、电动变焦透镜组以及CCD相机，聚光LED发出的光束被第一成像合束镜全反射后进入耦合镜组，再通过中继镜、聚焦镜、准直镜后最终聚焦到光纤水晶头端面上，光纤水晶头端面反射出来的光束原路返回经第一成像合束镜全反射至第二成像合束镜上，并经电动变焦透镜组后在CCD相机上成像。本发明能准确测量出激光加工头的焦点变化量。

Description

一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法

【技术领域】

本发明属于激光加工技术领域，特别是涉及一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法。

【背景技术】

激光束穿过不洁净的加工透镜时，镜片的污渍会吸收激光束能量，使得加工透镜的温度上升甚至变形，折射率也会同时发生变化。这样会导致加工透镜的聚光能力下降、焦点位置发生变化。光学元件的污渍所吸收的激光光束能量的比例称为光束吸收率。加工透镜的吸收率越高，焦点位置的偏移量就越大。这会导致激光加工头的稳定性下降，在批量加工过程中需要频繁地调节激光加工的工艺参数才能保证加工件的品质。现有的判断激光加工头中是否存在热透镜现象的方法是根据加工面的质量进行判断。当加工透镜发生热透镜时，加工面会变得粗糙，底部挂渣，甚至过烧。这种方法对加工人员的经验要求高，且发现这种现象时就已经造成了一定的损失。

因此，有必要提供一种新的激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法来解决上述问题。

【发明内容】

本发明的主要目的之一在于提供一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，能够及时发现加工透镜是否被污染，能准确测量出激光加工头的焦点变化量，提高加工件的良率和减少损失。

本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，其包括

一激光加工头，所述激光加工头沿光路传输方向依次包括光纤水晶头、准直镜、聚焦镜、电容随动头以及设置在所述电容随动头末端的喷嘴；

一焦点位置测量模块，所述焦点位置测量模块包括感应片、窗口片、中继镜、耦合镜组、第一成像合束镜、第二成像合束镜、聚光LED、衰减片、滤光片、电动变焦透镜组、以及CCD相机，所述聚光LED发出的光束被所述第一成像合束镜全反射后进入所述耦合镜组，再通过所述中继镜、所述聚焦镜、所述准直镜后最终聚焦到光纤水晶头端面上，所述光纤水晶头端面反射出来的光束原路返回经所述第一成像合束镜全反射至所述第二成像合束镜上，并经所述电动变焦透镜组后在所述CCD相机上成像。

进一步的，还包括功损测量模块，所述功损测量模块沿光路传输方向依次包括所述感应片、所述窗口片、所述中继镜、功率合束镜、衰减器、红外滤光片、聚焦调节镜、功率计；激光光束通过所述中继镜被准直成一平行光束，平行光束通过所述功率合束镜的反射进入所述衰减器，再经过所述聚焦调节镜被聚焦到所述功率计的靶面上。

进一步的，所述感应片为一由金属材质制作而成的且用于感应电容变化的部件。

本发明的另一主要目的在于提供一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量方法，其包括以下步骤：

1)在激光加工头的输出光路上依次设置一耦合镜组、第一成像合束镜，然后提供一光束经过所述第一成像合束镜、所述耦合镜组进入所述激光加工头内，并照亮所述激光加工头的光纤水晶头端面；

2)在所述光纤水晶头端面反射光路上且位于所述第一成像合束镜之后设置一第二成像合束镜，然后将反射光束经过所述第二成像合束镜、一电动变焦透镜组，在一CCD相机上成像；

3)当所述激光加工头中的加工透镜发生热透镜现象时，调整所述电动变焦透镜组，使得所述CCD相机上形成焦点像，再根据所述电动变焦透镜组的焦距变化量计算出所述激光加工头的焦距变化量。

与现有技术相比，本发明一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置及测量方法的有益效果在于：

1)通过将光纤水晶头端面作为目标物进行清晰成像，此时的像称为焦点像；当激光加工头发生热透镜效应后，焦点位置测量模块在不变焦的情况下是难以对目标物清晰成像，此时的像称为离焦像；根据焦点像和离焦像，利用变焦距离的数值可计算出激光加工头的焦点变化量，从而实现了焦点位置的测量；

2)还设置了光束吸收率监测模块，利用功率合束镜将激光光束近似全反射的反射到一功率计上，测量激光光束的实际输出功率，再与激光发射功率进行比值便可得到光束吸收率，从而为加工时的工艺参数调整或者设备的调节提供可靠的依据；

3)在功率测量时，通过设置衰减器的使用可测量激光光束高达1000W时的光束吸收率，测量效果接近实际，测量数据精准，同时对于焦点测量模块而言，避免了CCD相机承受高功率能量的冲击而损坏；

4)本方案只需要更换耦合镜组即可实现测量市面上各种配比的激光加工头的热透镜焦点变化量。

【附图说明】

图1为本发明实施例的结构示意图；

图中数字表示：

1激光加工头，11光纤水晶头，12准直镜，13聚焦镜，14电容随动头，15喷嘴，16光纤水晶头端面；

2功损测量模块，21感应片，22窗口片，23中继镜，24功率合束镜，25衰减器，26红外滤光片，27聚焦调节镜，28功率计；

3焦点位置测量模块，31耦合镜组，32第一成像合束镜，33黄光聚光LED，34衰减片，35红光滤光片，36电动变焦透镜组，37CCD相机，38第二成像合束镜；

4石墨板。

【具体实施方式】

实施例：

请参照图1，本实施例为激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置100，其包括激光加工头1、功损测量模块2、焦点位置测量模块3。

激光加工头1沿光路传输方向依次包括光纤水晶头11、准直镜12、聚焦镜13、电容随动头14以及设置在电容随动头14末端的喷嘴15，其中光纤水晶头11的虚拟出光点位于光纤水晶头11内部，而电容随动头14可实时、准确地感应出喷嘴15距离下方金属平面的高度。

功损测量模块2可通过测量通过激光加工头1的激光功率损失监测激光加工头1中的光学镜片是否发生污染，测量得到的光束吸收率数据可以作为激光加工头1是否能够继续使用的判断依据。

功损测量模块2沿光路传输方向依次包括感应片21、窗口片22、中继镜23、功率合束镜24、衰减器25、红外滤光片26、聚焦调节镜27、功率计28。感应片21为一由金属材质制作而成的且用于感应电容变化的部件。激光光束通过中继镜23被准直成一平行光束，平行光束通过功率合束镜24的近似全反射进入衰减器25，在衰减器25中激光光束约98％的能量被衰减掉，剩余的约2％的能量通过聚焦调节镜27被聚焦到功率计28的靶面上。通过调节聚焦调节镜27的距离来扩大激光光束直径，可避免功率计28上承载过高的功率密度。功率计28通过标定后可实测激光实际输出功率。对比激光器的输出功率和功率计28实测的激光输出功率，即可计算出激光加工头的功率损失百分比。

焦点位置测量模块3将光纤水晶头端面16作为目标物进行清晰成像，此时的像称为焦点像。当激光加工头1发生热透镜效应后，焦点位置测量模块3在不变焦的情况下是难以对目标物清晰成像，此时的像称为离焦像。根据焦点像和离焦像，利用变焦距离的数值可计算出激光加工头1的焦点变化量，这样实现了焦点位置的相对测量，该焦距的相对变化量来源于激光加工头的热透镜效应。焦点位置测量模块3包括感应片21、窗口片22、中继镜23、耦合镜组31、第一成像合束镜32、第二成像合束镜38、黄光聚光LED33、衰减片34、红光滤光片35、电动变焦透镜组36、以及CCD相机37。黄光聚光LED33发出的光束被第一成像合束镜32全反射后进入耦合镜组31，耦合镜组31可使得黄光光束通过中继镜23、聚焦镜13、准直镜12后最终聚焦到光纤水晶头端面16上。耦合镜组31可根据激光加工头1的准直聚焦配比进行更换。黄光光束被光纤水晶头端面16反射的反射光作为CCD相机37的照明光源。通过驱动电动变焦透镜组36变焦可使得CCD相机37对光纤水晶头端面16形成清晰像。

功率合束镜24设置在中继镜23与耦合镜组31之间。

本实施例中采用黄光聚光LED33提供成像光源，在其他实施例中，也可以采用白光聚光LED或其他光源，并选择对应的滤光片实现滤光。

本实施例还提供了一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量方法，其包括以下步骤：

1)在激光加工头1的输出光路上依次设置耦合镜组31、第一成像合束镜32，然后提供一光束经过第一成像合束镜32、耦合镜组31进入激光加工头1内，并照亮激光加工头1的光纤水晶头端面16；

2)在光纤水晶头端面16反射光路上且位于第一成像合束镜32之后设置一第二成像合束镜38，然后将反射光束经过第二成像合束镜38、电动变焦透镜组36，在一CCD相机37上成像；

3)当激光加工头1中的加工透镜发生热透镜现象后，此时，若电动变焦透镜组36不变焦，则CCD相机37上的成像会变得模糊形成离焦像，调整电动变焦透镜组36，使得CCD相机37上形成焦点像，再根据电动变焦透镜组36的焦距变化量计算出激光加工头1的焦距变化量，具体计算如下：

假设准直镜12焦距为F₁，聚焦镜13焦距为F₂，中继镜23焦距为F₃，耦合镜31焦距为F₄，电动变焦透镜组36的组合焦距F₅，F₁-F₂的光学间隔为d₁，F₃-F₄的光学间隔为d₂，物象耦合距为L，整体系统的放大率为β，则：

其中Δ是组合焦距f₁与组合焦距f₂的光学间隔，Δ'是组合焦距f₃和组合焦距f₅的光学间隔，x为光轴上的距离：

通过上式则可求得变焦焦距F₅的变化量与激光加工头组合焦距f₁的变化量的关系表达式：

激光加工头1通过电容随动头14的电容感应测距原理将喷嘴15与感应片21的高度确定后，通过功率计28测量激光加工前与加工后的光束吸收率。

根据激光加工头1的准直聚焦配比更换至对应的耦合镜组31，使得黄光聚光LED33的光束耦合进激光光路中，此时光纤水晶头端面16被照亮。激光光束的红色指示光可以被红光滤光片35滤除。加工前CCD相机37通过调节电动变焦透镜组36对光纤水晶头端面16清晰成像，加工后如果加工透镜(准直镜12或和聚焦镜13)发生热透镜现象，则在电动变焦透镜组36不变焦的情况下是无法对光纤水晶头端面16成清晰像的；通过调节电动变焦透镜组36的焦距后可获得激光加工头发生热透镜时光纤水晶头端面的清晰像。根据电动变焦透镜组36的焦距变化量可容易且准确地计算出激光加工头的焦距变化量。

实际加工过程中可以根据光束吸收率以及焦点变化量两个指标来决定激光加工头能否继续使用。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，其特征在于：其包括

一激光加工头，所述激光加工头沿光路传输方向依次包括光纤水晶头、准直镜、聚焦镜、电容随动头以及设置在所述电容随动头末端的喷嘴；

一焦点位置测量模块，所述焦点位置测量模块包括感应片、窗口片、中继镜、耦合镜组、第一成像合束镜、第二成像合束镜、聚光LED、衰减片、滤光片、电动变焦透镜组、以及CCD相机，所述聚光LED发出的光束被所述第一成像合束镜全反射后进入所述耦合镜组，再通过所述中继镜、所述聚焦镜、所述准直镜后最终聚焦到光纤水晶头端面上，所述光纤水晶头端面反射出来的光束原路返回经所述第一成像合束镜全反射至所述第二成像合束镜上，并经所述电动变焦透镜组后在所述CCD相机上成像。

2.如权利要求1所述的激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，其特征在于：还包括功损测量模块，所述功损测量模块沿光路传输方向依次包括所述感应片、所述窗口片、所述中继镜、功率合束镜、衰减器、聚焦调节镜、功率计；激光光束通过所述中继镜被准直成一平行光束，平行光束通过所述功率合束镜的反射进入所述衰减器，再经过所述聚焦调节镜被聚焦到所述功率计的靶面上。

3.如权利要求2所述的激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，其特征在于：所述功损测量模块还包括设置在所述衰减器与所述聚焦调节镜之间的红外滤光片。

4.如权利要求2所述的激光加工头中热透镜焦点变化的测量装置，其特征在于：所述感应片为一由金属材质制作而成的且用于感应电容变化的部件。

5.一种激光加工头中热透镜焦点变化的测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)在激光加工头的输出光路上依次设置一耦合镜组、第一成像合束镜，然后提供一光束经过所述第一成像合束镜、所述耦合镜组进入所述激光加工头内，并照亮所述激光加工头的光纤水晶头端面；

2)在所述光纤水晶头端面反射光路上且位于所述第一成像合束镜之后设置一第二成像合束镜，然后将反射光束经过所述第二成像合束镜、一电动变焦透镜组，在一CCD相机上成像；

3)当所述激光加工头中的加工透镜发生热透镜现象时，调整所述电动变焦透镜组，使得所述CCD相机上形成焦点像，再根据所述电动变焦透镜组的焦距变化量计算出所述激光加工头的焦距变化量。