CN110681991B - 一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，所述基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统由可调激光聚焦系统、多反射镜动态聚焦系统以及安装基座组成。本发明采用由反射镜构成的可变光程光路系统实现对聚焦系统出射的光束进行光斑位置变焦的功能，在动态变焦的过程中保持光斑尺寸的一致性。本发明采用由透镜组成的可调激光聚焦系统完成对入射激光束的扩束、聚焦功能，所设计的聚焦系统中光学元件相对位置可调，因此可以从工作焦距、光斑尺寸、协同变焦等多个方面对系统进行性能调节。本发明具有光斑一致性好、变焦精度高、加工范围可调等特点。

Description

一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统
技术领域
本发明涉及一种新型激光动态聚焦原理及系统，通过多反射镜偏转改变光路结构以实现动态聚焦，属于光机电一体化、激光加工领域。
背景技术
激光扫描技术广泛应用于材料表面加工、快速成形、医疗成像、焊接等各种领域。传统的激光扫描技术主要结合振镜扫描和场镜，可以实现一定区域内的平面扫描，这种技术受到场镜尺寸、成本以及原理的限制，很难应用于大面积区域加工以及三维区域加工。随着技术发展，采用动态聚焦技术的三轴振镜扫描系统可以实现大幅面均匀光斑激光加工，并可以实现三维区域加工。
现有动态聚焦技术的核心原理在于，激光聚焦光学系统中的透镜元件间的距离可以动态改变，进而动态改变激光聚焦位置，其不同之处多在于所选的驱动方式与传动方式。例如，专利CN208391288U公开的一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统，其动态聚焦模块由动态聚焦镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜组成，动态聚焦镜由音圈电机或压电陶瓷驱动以实现其进行直线往返运动。专利CN205899130U 公开的高速动态聚焦激光振镜模组，其动态聚焦模块由变焦透镜、聚焦透镜组组成，变焦透镜由旋转电机驱动，通过由铰接杆、滑块以及导轨组成传动机构将驱动传递为变焦透镜的直线运动。专利 CN201783759U公开的光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统，其动态聚焦模块由轴空心伺服直线电机、凹透镜和凸透镜组组成，通过伺服直线电机驱动凹透镜直线移动实现动态变焦。
综上所述，现有的动态聚焦技术多采用透镜的移动以实现动态变焦，但这将改变激光聚焦光学系统的结构，造成聚焦光斑尺寸的变化，进而影响激光加工质量的一致性。此外，现有动态聚焦技术所采用的聚焦光路多会加入光学杠杆，即用较小的透镜位移产生较大的聚焦位置变化，这将使透镜移动的误差进一步扩大。
发明内容
为解决已有技术的不足，本发明提供一种新型的基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，该动态变焦系统光斑尺寸一致性好、精度高且加工范围可调。
本发明的技术方案是：
一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，包括可调激光聚焦系统(10)、多反射镜动态聚焦系统(20)以及安装基座(30)。
所述的安装基座(30)具有多反射镜动态聚焦系统安装孔(301)，激光发散透镜沿光轴移动装置安装孔(302)以及聚焦透镜组长安装孔(303)等特征。
所述的可调节激光聚焦系统，包括激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)和聚焦透镜组(102)；其中，所述的聚焦透镜组(102) 由一或多个凸透镜或平凸透镜构成；所述的激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)与聚焦透镜组(102)中透镜光轴重合，且在所述的激光发散透镜(101C)沿其光轴移动的过程中，始终保持与所述的聚焦透镜组(102)中透镜的光轴重合。
所述激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)，包括旋转电机 (101A)、丝杠(101B)和发散透镜(101C)；所述的旋转电机(101A) 与所述的丝杠(101B)相连接，通过丝杠(101B)将其旋转运动转换为安装在丝杠螺母上的所述发散透镜(101C)沿光轴方向的直线运动；所述的发散透镜(101C)可为凹透镜或凸透镜。
根据本发明的一个实施例，所述聚焦透镜组位(102)由光轴重合的两个平凸透镜组成，两平凸透镜按照凸面相对的特征布置。
根据本发明的一个实施例，所述发散透镜(101C)是一个平凸透镜。
根据本发明的一个实施例，所述丝杠(101B)是滚珠丝杠。
所述基于多反射镜动态聚焦系统(20)包括平面反射镜组(201)、旋转电机(202)以及传动机构(203)。
所述反射镜组(201)包括第一反射镜(201A)、第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)；其中，所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)以及第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)分别始终保持平行；激光通过可调激光聚焦系统(10)后，入射到所述的第一反射镜(201A)中心，后经所述的第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D) 反射后沿初始光轴射出；所述的第一反射镜(201A)、第二反射镜 (201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)转轴相互平行呈倒等腰梯形的分布；所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)与第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)呈镜像对称分布，在系统工作时保持所述的镜像关系，并同时偏转一定角度后实现聚焦位置的动态变化。
所述传动结构(203)包括中心对称的柔性扭簧(203A)和曲柄 (203B)；所述的柔性扭簧(203A)安装在旋转电机(202)转轴上，随着旋转电机(202)转动柔性扭簧变形，配合曲柄(203B)将旋转电机的转动转换为正反射镜(201A、201C)和偏反射镜(201B、201D) 的转动，且保持平行。
本发明的有益效果：
本发明的动态聚焦系统可以实现激光光束经聚焦后得到的光斑直径在整过系统动态变焦的过程中基本上保持一致，因此可以有效保持加工过程光斑尺寸稳定以获得一致稳定的加工质量。
本发明的动态聚焦系统中驱动反射镜转动的旋转电机的精度直接决定变焦范围的精度，不存在误差放大的问题，因此在变焦范围内可以实现较高的定位精度。
本发明的动态聚焦系统中可调激光聚焦系统可以通过改变透镜间相对位置来改变整体系统的聚焦特性，可以从工作焦距、光斑尺寸、协同变焦等多个方面对系统进行性能调节，因此变焦系统具有加工范围可调的特性。
附图说明
图1为本发明实例整体结构示意图。
图2为本发明变焦原理光路示意图。
图3为本发明中安装基座结构示意图。
图4为本发明中安装在基座上的可调激光聚焦系统结构示意图。
图5为本发明中多反射镜动态聚焦系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细介绍具体结构实例、工作原理的内容：
如图1所示，所述的一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，包括可调激光聚焦系统(10)、多反射镜动态聚焦系统(20) 以及安装基座(30)；所述的可调激光聚焦系统(10)、多反射镜动态聚焦系统(20)均安装在所述的安装基座(30)上；所述的安装基座(30)按照所设计的原理尺寸加工安装孔，以保证各光学元件相对位置符合变焦需求。
如图3所示，所述的安装基座(30)具有多反射镜动态聚焦系统安装孔(301)，激光发散透镜沿光轴移动装置安装孔(302)以及聚焦透镜组长安装孔(303)等特征；所述的聚焦透镜组长安装孔(303) 配合安装基座(30)上预先加工安装位置标定特征可以调节聚焦透镜安装位置以实现不同的聚焦效果。
如图4所示，所述的可调节激光聚焦系统，包括激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)和聚焦透镜组(102)；其中，所述的聚焦透镜组(102)由一或多个凸透镜或平凸透镜构成；所述的激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)与聚焦透镜组(102)中透镜光轴重合，且在所述的激光发散透镜(101C)沿其光轴移动的过程中，始终保持与所述的聚焦透镜组(102)中透镜的光轴重合。
如图4所示，所述激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)，包括旋转电机(101A)、丝杠(101B)和发散透镜(101C)；所述的旋转电机(101A)与所述的丝杠(101B)相连接，通过丝杠(101B) 将其旋转运动转换为安装在丝杠螺母上的所述发散透镜(101C)沿光轴方向的直线运动；所述的发散透镜(101C)是凹透镜或者凸透镜。
根据本发明的一个实施例，所述聚焦透镜组位(102)由光轴重合的两个平凸透镜组成，两平凸透镜按照凸面相对的特征布置，如图1所示布置。
根据本发明的一个实施例，所述发散透镜(101C)是一个平凸透镜，如图1所示布置。
根据本发明的一个实施例，所述丝杠(101B)是滚珠丝杠。
如图5所示，所述基于多反射镜动态聚焦系统(20)包括平面反射镜组(201)、旋转电机(202)以及传动机构(203)。
如图5所示，所述反射镜组(201)包括第一反射镜(201A)、第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)；其中，所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)以及第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)分别始终保持平行；激光通过可调激光聚焦系统后，入射到所述的第一反射镜(201A)中心，后经所述的第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)反射后沿初始光轴射出；如图2所示，所述的第一反射镜(201A)、第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)转轴相互平行呈倒等腰梯形的分布，第二反射镜(201B) 转轴在前正反射镜(201A)左上位置，第四反射镜(201D)转轴在第三反射镜(201C)右上位置；所设计得到的各反射镜的镜面尺寸以及安装的相对位置等特征实现系统在有效调焦范围内稳定工作；如图2所示，所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)与第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)呈镜像对称分布，在系统工作时保持所述的镜像关系，并同时偏转一定角度后实现聚焦位置的动态变化。
如图5所示，所述传动结构(203)包括中心对称的柔性扭簧 (203A)和曲柄(203B)；所述的柔性扭簧(203A)安装在旋转电机 (202)转轴上，随着旋转电机(202)转动柔性扭簧变形，配合曲柄 (203B)将旋转电机的转动转换为正反射镜(201A、201C)和偏反射镜(201B、201D)的转动，且保持平行。
如图2所示，所述的一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统的工作原理在于：可调激光聚焦系统(10)对入射激光束进行扩束与聚焦；多反射镜动态聚焦系统(20)通过平行镜像布置的四面反射镜在焦距内对聚焦后的激光束进行反射，并使激光束沿入射光轴方向出射；改变多反射镜动态聚焦系统(20)反射镜的偏角，可以改变激光束在多反射镜动态聚焦系统(20)中的总光程长度，进而改变出射激光束的聚焦位置，如图2中所示，三种不同的反射镜偏角可以对应获得不同聚焦焦点位置。
本动态聚焦系统由于不涉及改变聚焦光学系统部分的参数，因此，激光光束经聚焦后得到的光斑直径在整过系统动态变焦的过程中基本上保持一致，光斑的形貌不会随着聚焦位置的变化而变化，可以保证加工质量的一致稳定。此外，由于没有采用透镜构成的动态变焦系统，不存在光学杠杆作用放大误差的现象，本动态聚焦系统中驱动反射镜转动的旋转电机的精度直接决定变焦范围的精度。本动态聚焦系统中可调激光聚焦系统可以通过改变透镜间相对位置来改变整体系统的聚焦特性，可以从工作焦距、光斑尺寸、协同变焦等多个方面对系统进行性能调节，因此整体变焦系统具有功能多样性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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装置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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变。

Claims (4)

1.一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，其特征在于，包括可调激光聚焦系统(10)、多反射镜动态聚焦系统(20)以及安装基座(30)，其中，所述的多反射镜动态聚焦系统(20)包括平面反射镜组(201)、旋转电机(202)以及传动机构；所述的平面反射镜组(201)，其特征包括第一反射镜(201A)、第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)；其中，所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)以及第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)分别始终保持平行；激光通过可调激光聚焦系统(10)后，入射到所述的第一反射镜(201A)中心，后经所述的第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)反射后沿初始光轴射出；所述的第一反射镜(201A)、第二反射镜(201B)、第三反射镜(201C)以及第四反射镜(201D)转轴相互平行呈倒等腰梯形的分布；所述的第一反射镜(201A)和第二反射镜(201B)与第三反射镜(201C)和第四反射镜(201D)呈镜像对称分布，保持镜像同时偏转一定角度后实现聚焦位置的改变；所述传动机构包括中心对称的柔性扭簧(203A)和曲柄(203B)；所述的柔性扭簧(203A)随旋转电机(202)转动而变形，配合曲柄(203B)将旋转电机的转动转换为第一反射镜(201A)、第三反射镜(201C)和第二反射镜(201B)、第四反射镜(201D)的转动，且保持平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，其特征在于，所述的可调激光聚焦系统(10)包括激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)和聚焦透镜组(102)；其中，所述的聚焦透镜组(102)由一或多个凸透镜或平凸透镜构成；所述的激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)与聚焦透镜组(102)中透镜光轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，其特征在于，所述的安装基座(30)分布着多反射镜动态聚焦系统安装孔(301)，激光发散透镜沿光轴移动装置安装孔(302)以及聚焦透镜组长安装孔(303)；所述的聚焦透镜组长安装孔可以调节聚焦透镜安装位置以实现不同的聚焦效果。
4.根据权利要求2所述的一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统，其特征在于，所述的激光发散透镜及其沿光轴移动装置(101)包括旋转电机(101A)、丝杠(101B)和发散透镜(101C)；所述的旋转电机(101A)通过所述的丝杠(101B)传动将旋转运动转换为所述的发散透镜(101C)沿光轴方向的直线运动；所述的发散透镜(101C)可为凹透镜或凸透镜。
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