CN110398842B - 一种激光线性光斑整形光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光线性光斑整形光学系统，包括沿入射光线传输方向依次设置的球面镜组和柱面镜组；球面镜组有结构相同、且呈“一”字型排列的两组以上，每组球面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一球面镜和第二球面镜；柱面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一柱面镜和第二柱面镜，所有的球面镜组共用一组柱面镜组。本发明激光线性光斑整形光学系统，通过球面镜组准直、柱面镜组聚焦后，可得到均匀度非常高的线性光。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光线性光斑整形光学系统，属于激光整形领域。
背景技术
线光斑应用范围很广，在激光清洗表面尘埃、油污，激光照明，激光切割等众多领域有应用。
在激光整形成长度较大的线光斑中，常规整形的线性光斑的能量分布呈高斯分布，中心能量密度高而边缘能量密度低，会导致整体线性光斑的能量分布不均，在清洗应用中会导致边缘达不到清洗效果；在照明中会出现中心亮度过高而边缘亮度暗，整体照度不均匀等效果。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种激光线性光斑整形光学系统。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种激光线性光斑整形光学系统，包括沿入射光线传输方向依次设置的球面镜组和柱面镜组；球面镜组有结构相同、且呈“一”字型排列的两组以上，每组球面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一球面镜和第二球面镜；柱面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一柱面镜和第二柱面镜，所有的球面镜组共用一组柱面镜组。
为了达到整体光斑的均匀，将一个激光光源通过现有的分束盒分成两束以上相同功率的光束，再分别通过球面镜组和柱面镜组整形成长度相同的线性光，最后边缘相交合并成一条均匀的长线性光。
使用时，每组球面镜组对应一束激光束，由球面镜组分别对相应的激光光束进行准直，再经过两片柱面镜在Y轴方向聚焦成线性光。
球面镜组呈“一”字型排列也即球面镜组的排列方向与球面镜组的光轴是垂直的，也即各球面镜组的光轴是相互平行的。球面镜组的排列方向与柱面镜的轴向(轴向长度方向)是平行的，各球面镜组到柱面镜组的中心间距是相同的，每组球面镜组所正对的柱面镜组的结构、设置等均是相同的，因此，不同的光束经过对应的球面镜组和共用的柱面镜组整形后的效果是相同的。
为了保证聚焦效果，第一柱面镜和第二柱面镜结构相同。
优选，所用光源为半导体多模激光器，发散角NA＝0.22，波长＝808nm，光纤纤径＝200μm，连接方式SMA905。
沿入射光线传输方向第一球面镜的两面依次为第一球面入光面和第一球面出光面，第二球面镜的两面依次为第二球面入光面和第二球面出光面，第一柱面镜的两面依次为第一柱面入光面和第一柱面出光面，第二柱面镜的两面依次为第二柱面入光面和第二柱面出光面，为了起到更好的准直效果，第一球面入光面的曲率半径为44.889±2mm，第一球面出光面的曲率半径为23.656±2mm；第二球面入光面的曲率半径为301.3±2mm，第二球面出光面的曲率半径为62.42±2mm。
为了起到更好的聚焦效果，第一柱面入光面和第二柱面入光面的曲率半径均为102.113±2mm；第一柱面出光面和第二柱面出光面均为平面结构。
作为本申请的一种优选方案，光源到第一球面入光面中心的间距为29.4±2mm，第一球面出光面中心到第二球面入光面中心的间距为30±2mm，第二球面出光面中心到第一柱面入光面中心的间距为30±2mm，第一柱面出光面中心到第二柱面入光面中心的间距为0.6±0.02mm。这样能更好的保证系统的准直和聚焦效果。
进一步优选，第一球面镜的中心厚度为7±0.1mm；第二球面镜的中心厚度为7±0.1mm。
进一步优选，第一球面入光面的直径为18±2mm，第一球面出光面的直径为20±2mm；第二球面入光面的直径为26±2mm，第二球面出光面的直径为28±2mm。
为了起到更好的聚焦效果，第一柱面镜和第二柱面镜的中心厚度均5±0.1mm，边缘厚度均为3.7mm，高度(与轴向长度垂直的方向)均为32mm，轴向长度均为180mm，第一柱面镜和第二柱面镜的轴向(轴向长度方向)均与入射光线传输方向垂直。每组球面镜组的两个球面镜的中心点与两个柱面镜高度方向上的中心点共线。
优选，球面镜组有结构相同、且平行设置的六组，球面镜对激光起到准直作用，若有六束激光则采用六组球面镜准直，再用两片柱面镜聚焦Y轴上的激光，而为了保证聚焦光束的效率和光束质量，六束激光同时用两片柱面镜聚焦。为了达到整体光斑的均匀，因此将一个激光光源通过现有的分束盒分成六束相同功率的光束，比如可以分别整形成长度40mm的线性光，最后边缘相交合并成一条长度为180～220mm较为均匀的长线性光。这样可以更好的用于硅基片表面的形貌检测。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明激光线性光斑整形光学系统，通过球面镜组准直、柱面镜组聚焦后，可得到均匀度非常高的线性光，在清洗或切割中可以实现均匀清洗和切割；将本产品应用在硅基片的表面照明时，红外相机接收到的照明光整体平均，均匀性好。
附图说明
图1为实施例中激光线性光斑整形光学系统结构示意图；
图2为实施例中激光线性光斑整形光学系统光路图；
图3为实施例中第一球面镜的示意图；
图4为实施例中第二球面镜的示意图；
图5为实施例中第一柱面镜(或第二柱面镜)的示意图；
图6为图5的右视图；
图7为图5的俯视图；
图8为实施例中光路光线出射图；
图9为实施例中接收面上光强分布；
图10为实施例中一束光束整形后的光斑分布图；
图11为现有整形的线性光斑的均匀度示意图；
图12为利用本发明激光线性光斑整形光学系统整形后线性光斑的均匀度示意图；
图中，1为第一球面镜，2为第二球面镜，3为第一柱面镜，4为第二柱面镜，5为光源。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1-2所示，激光线性光斑整形光学系统，包括沿入射光线传输方向依次设置的球面镜组和柱面镜组；球面镜组有结构相同、且呈“一”字型排列的六组，每组球面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一球面镜和第二球面镜；柱面镜组包括沿入射光线传输方向依次设置的第一柱面镜和第二柱面镜，所有的球面镜组共用一组柱面镜组。
所用光源为半导体多模激光器，发散角NA＝0.22，波长＝808nm，光纤纤径＝200μm，连接方式SMA905。
沿入射光线传输方向第一球面镜的两面依次为第一球面入光面和第一球面出光面，第二球面镜的两面依次为第二球面入光面和第二球面出光面，第一柱面镜的两面依次为第一柱面入光面和第一柱面出光面，第二柱面镜的两面依次为第二柱面入光面和第二柱面出光面，如图3-4所示，第一球面入光面的曲率半径为44.889mm，第一球面出光面的曲率半径为23.656mm；第二球面入光面的曲率半径为301.3mm，第二球面出光面的曲率半径为62.42mm；光源到第一球面入光面中心的间距为29.4mm，第一球面出光面中心到第二球面入光面中心的间距为30mm，第二球面出光面中心到第一柱面入光面中心的间距为30mm，第一柱面出光面中心到第二柱面入光面中心的间距为0.6mm；第一球面镜的中心厚度为7±0.1mm；第二球面镜的中心厚度为7±0.1mm；第一球面入光面的直径为18mm，第一球面出光面的直径为20mm；第二球面入光面的直径为26mm，第二球面出光面的直径为28mm。
第一柱面镜和第二柱面镜结构相同；如图5-7所示，第一柱面入光面和第二柱面入光面的曲率半径均为102.113mm；第一柱面出光面和第二柱面出光面均为平面结构；第一柱面镜和第二柱面镜的中心厚度均5±0.1mm，边缘厚度均为3.7mm，高度均为32mm，轴向长度均为180mm，第一柱面出光面中心到第二柱面入光面中心的间距为0.6mm，第一柱面镜和第二柱面镜的轴向均与入射光线传输方向垂直。
如图8所示，将激光光源通过现有的分束盒分成六束相同功率的光束，相邻光束之间相隔30mm，分别整形成长度40mm的线性光，最后边缘相交合并成一条长度为215mm较为均匀的长线性光，相邻光斑之间重合光斑区域5mm。图9为接收面上光强分布，横坐标表示接收屏位置，纵坐标表示照射光的强度，重叠光斑优化完成，均匀度在70％左右，比现有整形的线性光斑的均匀度40％有了大幅的提升，现有整形的线性光见图11，经上述激光线性光斑整形光学系统整形后的线性光见图12。图10为一束光束整形后的光斑分布图，线光斑长度40mm，宽度0.6mm。
Claims (5)
1.一种激光线性光斑整形光学系统，其特征在于：由沿入射光线传输方向依次设置的球面镜组和柱面镜组组成；球面镜组有结构相同、且呈“一”字型排列的两组以上，每组球面镜组由沿入射光线传输方向依次设置的第一球面镜和第二球面镜组成；柱面镜组由沿入射光线传输方向依次设置的第一柱面镜和第二柱面镜组成，所有的球面镜组共用一组柱面镜组；
第一柱面镜和第二柱面镜结构相同；
沿入射光线传输方向第一球面镜的两面依次为第一球面入光面和第一球面出光面，第二球面镜的两面依次为第二球面入光面和第二球面出光面，第一柱面镜的两面依次为第一柱面入光面和第一柱面出光面，第二柱面镜的两面依次为第二柱面入光面和第二柱面出光面，第一球面入光面的曲率半径为44.889±2mm，第一球面出光面的曲率半径为23.656±2mm；第二球面入光面的曲率半径为301.3±2mm，第二球面出光面的曲率半径为62.42±2mm；
光源到第一球面入光面中心的间距为29.4±2mm，第一球面出光面中心到第二球面入光面中心的间距为30±2mm，第二球面出光面中心到第一柱面入光面中心的间距为30±2mm，第一柱面出光面中心到第二柱面入光面中心的间距为0.6±0.02mm；
第一球面镜的中心厚度为7±0.1mm；第二球面镜的中心厚度为7±0.1mm；
第一柱面入光面和第二柱面入光面的曲率半径均为102.113±2mm；第一柱面出光面和第二柱面出光面均为平面结构。
2.如权利要求1所述的激光线性光斑整形光学系统，其特征在于：所用光源为半导体多模激光器，发散角NA＝0.22，波长＝808nm，光纤纤径＝200μm，连接方式为SMA905。
3.如权利要求1或2所述的激光线性光斑整形光学系统，其特征在于：第一球面入光面的直径为18±2mm，第一球面出光面的直径为20±2mm；第二球面入光面的直径为26±2mm，第二球面出光面的直径为28±2mm。
4.如权利要求1或2所述的激光线性光斑整形光学系统，其特征在于：第一柱面镜和第二柱面镜的中心厚度均为5±0.1mm，边缘厚度均为3.7±0.1mm，高度均为32±1mm，轴向长度均为180±10mm，第一柱面镜和第二柱面镜的轴向均与入射光线传输方向垂直。
5.如权利要求1或2所述的激光线性光斑整形光学系统，其特征在于：球面镜组有六组。
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