CN110441839A - 一种获得可调双焦点的微透镜阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获得可调双焦点的微透镜阵列,微透镜阵列为一种柱面型透镜阵列。本发明结构设计新颖,基于微透镜阵列实现长焦深特性,基于微型曲面分光特性,通过沿微透镜阵列柱面交线方向旋转,配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距可调,并大幅增长双焦点聚焦光束焦深,适用于激光焊接应用,特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求,降低高反材料焊接中产生的各种缺陷,提高焊缝成形质量和焊接深度。

Description

一种获得可调双焦点的微透镜阵列
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域,具体为一种获得可调双焦点的微透镜阵列。
背景技术
激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、淬火、打孔、微加工等多种激光加工工艺,利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束具有与加工材料的非接触性、加工速度快与质量优异等优势,奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。
激光焊接,具有能量密度高、速度快、焊接变形小、熔宽与热影响区窄等优点。但是,对于高反材料的激光焊接,普通的焊接方式不足以满足焊接需求,如铝合金的激光焊接,极易产生裂纹、气孔等激光焊接缺陷;即便是普通板材如碳钢、不锈钢等的焊接,通常会受到板材搭接缝宽的影响,对装夹治具要求高,对激光器或激光头配置相应提高。
目前,普通的焊接方式为单焦点焊接,为改善高反材料焊接质量,为降低板材对装夹治具等要求,为进行更厚板材的焊接,通常会采用双焦点激光焊。
对于高反材料而言,当双焦点垂直焊缝方向与落于焊缝两边时,可以形成较大的熔池与匙孔,增加了匙孔稳定性,有利于内部气泡上浮,一定程度上改善焊缝内部的气孔。
对于普通材料而言,双焦点焊接有助于一定程度上提高焊缝宽度,降低板材搭接宽度限制,从而降低附属的装夹治具、激光器等要求。如果双焦点之间存在一定量的能量,更有助于提高焊缝表面成型效果。
对于更厚板材的焊接而言,光斑尺寸与焦深至关重要。常规的双焦点有助于提升焊缝宽度,有助于更深熔池的成型,从而适当提升焊接深度。
能够实现双焦点的方法较多,如分光棱镜分光、微透镜整形、自由曲面透镜组、半片球面透镜等。采用分光棱镜分光,单镜片焦点间距不可调,双镜片在实现单焦点时离焦光束段不重合导致发散角变大,实现双焦点时离焦光斑形状非对称分布;目前市面上常规的微透镜无法实现双焦点调节;自由曲面透镜组实现双焦点,需要两片镜片组合并协调移动实现双焦点及能量比调节,同时仅能实现正负离焦单向分光,光束发散角上无改善;半片球面透镜无法承受高功率应用,且与双片式分光棱镜类似,双焦点下离焦光斑形状非对称分布,不利于激光焊接。
除此之外,微透镜阵列整形,有助于提高聚焦光束焦深,这在常规透镜上是无可比拟的优势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得可调双焦点的微透镜阵列,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种获得可调双焦点的微透镜阵列,所述微透镜阵列为柱面型透镜阵列,所述微透镜阵列外形包含但不限于矩形形状。
优选的,所述微透镜阵列两侧镜面均由10-100个微柱面型阵列单元构成,每个微柱面型阵列单元的面型包括凹型柱面、凸型柱面。
优选的,所述微透镜阵列两侧镜面微柱面型阵列单元数量相等,宽度相同,一一对应构成微型柱面透镜单元。
优选的,其使用方法包括以下步骤:
A、光纤激光器出射发散光,入射到准直镜组以获得平行准直光束;
B、准直光束经过微透镜阵列后再由聚焦镜组聚焦。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明结构设计新颖,基于微透镜阵列实现长焦深特性,基于微型曲面分光特性,通过沿微透镜阵列柱面交线方向旋转,配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距可调,并大幅增长双焦点聚焦光束焦深,适用于激光焊接应用,特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求,降低高反材料焊接中产生的各种缺陷,提高焊缝成形质量和焊接深度。
(2)本发明提出的微透镜阵列,通过与聚焦镜配合使用,不影响聚焦焦点位置。在实现单焦点时,聚焦光束段整体为实心光束段,能量分布与常规光学配置相似;在实现双焦点时,离焦光束段光斑外形对称分布,且双焦点方向光斑有效尺寸更大,有利于激光焊接应用。
(3)本发明提出的微透镜阵列,通过与聚焦镜配合使用实现双焦点,可确保双焦点焦深大幅加长,有助于大幅提升熔池深度,从而显著提升激光焊接板材厚度。
本发明提出的微透镜阵列,由于镜片数量少,调节方式单一非常容易实现,有利于机械设计,并缩减整体的机械尺寸,可以通过以模块的形式插入到其他常规光学系统中。
附图说明
图1为本发明的微透镜阵列正视图、双边斜向投影图。
图2为本发明微透镜阵列在光纤激光光路中的实施例示意图。
图3为本发明实施例单焦点时聚焦光束段正负离焦光斑能量分布图。
图4为本发明实施例微透镜阵列沿阵列柱面交线方向旋转实现焦点位置单焦点到双焦点连续可调示意图。
图5为本发明实施例实现双焦点时焦点前后光斑能量分布图。
具体实施方式
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,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种获得可调双焦点的微透镜阵列,所述微透镜阵列1为柱面型透镜阵列,所述微透镜阵列1外形包含但不限于矩形形状。
微透镜阵列1两侧镜面均由10-100个微柱面型阵列单元构成,每个微柱面型阵列单元的面型包括凹型柱面、凸型柱面;
微透镜阵列1两侧镜面微柱面型阵列单元数量相等,宽度相同,一一对应构成微型柱面透镜单元。
本发明中,微透镜阵列1需要配合聚焦镜使用,不影响聚焦焦点位置;
所述微透镜阵列1配合聚焦镜使用时,通过沿微透镜阵列1柱面交线方向旋转实现聚焦光束单焦点到双焦点、双焦点间距调节;
所述微透镜阵列1配合聚焦镜使用获得双焦点时,焦深大幅提升。
工作原理:本发明的使用方法包括以下步骤:
A、光纤激光器出射发散光,入射到准直镜组2以获得平行准直光束;
B、准直光束经过微透镜阵列1后再由聚焦镜组3聚焦。
在微透镜阵列1沿柱面交线方向旋转获得单焦点时,离焦光束段能量也为实心分布,参考图3,与常规配置下的光束能量分布相近。
在微透镜阵列1沿柱面交线方向旋转过程中,聚焦焦点光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距连续可调,参考图4。
在微透镜阵列1基于单焦点对应位置沿柱面交线方向旋转一定角度时,实现聚焦双焦点,对应聚焦光束段正负离焦光斑能量分布参考图5。
在图3、图5中,从左至右分别为焦点前不同距离、焦点、焦点后不同距离下的光斑能量分布,中间图为焦点位置光斑能量分布。
综上所述,本发明结构设计新颖,基于微透镜阵列实现长焦深特性,基于微型曲面分光特性,通过沿微透镜阵列柱面交线方向旋转,配合聚焦镜可实现聚焦光斑从单焦点到双焦点、双焦点间距可调,并大幅增长双焦点聚焦光束焦深,适用于激光焊接应用,特别有助于降低板材搭接宽度及装夹要求,降低高反材料焊接中产生的各种缺陷,提高焊缝成形质量和焊接深度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种获得可调双焦点的微透镜阵列,其特征在于:所述微透镜阵列1为柱面型透镜阵列,所述微透镜阵列1外形包含但不限于矩形形状。
2.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的微透镜阵列,其特征在于:所述微透镜阵列1两侧镜面均由10-100个微柱面型阵列单元构成,每个微柱面型阵列单元的面型包括凹型柱面、凸型柱面。
3.根据权利要求1所述的一种获得可调双焦点的微透镜阵列,其特征在于:所述微透镜阵列1两侧镜面微柱面型阵列单元数量相等,宽度相同,一一对应构成微型柱面透镜单元。
4.实现权利要求1所述的一种获得可调双焦点的微透镜阵列的使用方法,其特征在于:其使用方法包括以下步骤:
A、光纤激光器出射发散光,入射到准直镜组2以获得平行准直光束;
B、准直光束经过微透镜阵列1后再由聚焦镜组3聚焦。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023221318A1 (zh) * 2022-05-18 2023-11-23 上海嘉强自动化技术有限公司 自由曲面透镜、光学系统及其激光焊接装置

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