CN112269269A

CN112269269A - 一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜

Info

Publication number: CN112269269A
Application number: CN202011266985.4A
Authority: CN
Inventors: 葛伟伟; 陆轩然; 施飞; 马俊; 傅康; 蒋芬军; 胡一鸣; 姜萍
Original assignee: Jiangsu Zhufeng Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Zhufeng Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2021-01-26

Abstract

本发明属于激光加工用镜片技术领域，具体涉及一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，包括圆柱形的积分镜本体，所述积分镜本体包括反射面以及与反射面相对的底面，所述反射面与底面之间具有一定的夹角，所述反射面包括若干个子反射面，所述子反射面均为曲面，所述子反射面反射出的光线均在工作面上汇聚。本发明的积分镜，通过一块积分镜就能将光斑整形为平顶分布，可以有效减小光学系统的尺寸，更加适用于激光头内狭小的空间，有利于激光头的设计，并有助于减小激光头的尺寸。

Description

一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜

技术领域

本发明属于激光加工用镜片技术领域，具体涉及一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜。

背景技术

激光加热技术是激光对非金属材料加工的重要手段，但是非金属材料的熔点比较低，通常只有数百摄氏度，同时导热系数又普遍较低，无法快速散热，激光功率只要稍高就会将材料碳化，激光功率不均匀也会出现局部碳化的现象；光纤激光器的光分布为高斯分布，在淬火和熔覆的应用场景上不适用，需要将光斑整形成平顶分布；同时在生物荧光、医学等领域需要将不同波长的激光以特定的形状均匀的照射在指定区域，保证光谱的一致性。所以有必要开发一种能够形成均匀矩形光斑的镜片，实现不同波长的共用。而且由于激光头内空间较小，如果能够通过一块积分镜实现对光斑的整形不仅更加有利于激光头的设计，还有助于减小激光头的尺寸。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，通过一块积分镜就能将光斑整形为平顶分布，可以有效减小光学习通的尺寸，更加适用于激光头内狭小的空间，有利于激光头的设计，并有助于减小激光头的尺寸。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，包括圆柱形的积分镜本体，所述积分镜本体包括反射面以及与反射面相对的底面，所述反射面与底面之间具有一定的夹角，所述反射面包括若干个子反射面，所述子反射面均为曲面，所述子反射面反射出的光线均在工作面上汇聚。

作为优选，上述子反射面均为向内凹进的非球曲面，且水平方向和竖直方向上的面型均为抛物面。

作为优选，上述子反射面设有25个，由四条水平方向的横向棱和四条垂直于横向棱的纵向棱均匀分割而成。

作为优选，中间的两条上述纵向棱之间的部分为纵向中心反射面，左侧的两条所述纵向棱之间的部分为左一反射面，最左侧的一条所述纵向棱往左的部分为左二反射面，右侧的两条所述纵向棱之间的部分为右一反射面，最右侧的一条所述纵向棱往右的部分为右二反射面；

所述纵向中心反射面上的每个子反射面在水平方向上均具有相同的曲率，所述左一反射面上的每个子反射面在水平方向上均具有相同的曲率，所述左二反射面上的每个子反射面在水平方向上均具有相同的曲率，所述右一反射面上的每个子反射面在水平方向上均具有相同的曲率，所述右二反射面上的每个子反射面在水平方向上均具有相同的曲率；

所述左一反射面和右一反射面在水平方向上的曲率相同，且均大于纵向中心反射面在水平方向上的曲率；所述左二反射面和右二反射面在水平方向上的曲率相同，且均大于左一反射面在水平方向上的曲率。

作为优选，中间的两条上述横向棱之间的部分为横向中心反射面，上方的两条所述横向棱之间的部分为上一反射面，最上方的一条所述横向棱以上的部分为上二反射面，下方的两条所述横向棱之间的部分为下一反射面，最下方的一条所述横向棱以下的部分为下二反射面；

所述横向中心反射面上的每个子反射面在纵向上均具有相同的曲率，所述上一反射面上的每个子反射面在纵向上均具有相同的曲率，所述上二反射面上的每个子反射面在纵向上均具有相同的曲率，所述下一反射面上的每个子反射面在纵向上均具有相同的曲率，所述下二反射面上的每个子反射面在纵向上均具有相同的曲率；

所述上二反射面、上一反射面、横向中心反射面、下一反射面和下二反射面在纵向上的曲率依次减小。

作为优选，上述积分镜本体的底面上设有固定孔、进水口和出水口，所述固定孔用于将积分镜固定在设备上；所述进水口用于向积分镜内部通入冷却水对积分镜进行冷却，并使冷却水经出水口流出。

作为优选，上述积分镜本体的底面上还设有至少一个定位孔，避免积分镜发生旋转。

作为优选，上述反射面与底面之间的夹角为45°；所述积分镜的工作距离为300mm。

作为优选，上述反射面的正投影为圆形，直径为49.5 mm。

作为优选，上述积分镜本体采用无氧铜TU1制成。

本发明具有如下的有益效果：

（1）本发明的积分镜，通过一块积分镜就能将光斑整形为平顶分布，可以有效减小光学系统的尺寸，更加适用于激光头内狭小的空间，有利于激光头的设计，并有助于减小激光头的尺寸；

（2）采用本发明的积分镜，在工作平面上获得的光斑在长度方向和宽度方向上均为平顶分布；

（3）通过修改反射面的参数，每个子反射面在横向和纵向上的曲率，可以实现5×5 mm-20×20 mm的光斑，并且可以实现异形光斑，可根据具体需求进行设定，满足不同的光斑需求；

（4）本发明的积分镜不仅可用于对激光的整形，改变积分镜材料还可以用于紫外光和远红外光的整形。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明反射面的示意图；

图3是本发明底面上的结构示意图；

图4是本发明的光路示意图；

图5是本发明的一种实施方式所获得的光斑示意图；

图中：1. 积分镜本体；11. 反射面；111. 子反射面；112. 横向棱；113. 纵向棱；12.底面；121. 固定孔；122. 进水口；123. 出水口；124. 定位孔；21. 横向中心反射面；22.上一反射面；23. 上二反射面；24. 下一反射面；25. 下二反射面；31. 纵向中心反射面；32. 左一反射面；33. 左二反射面；34. 右一反射面；35. 右二反射面；7. 激光光束；8. 反射光；9. 光斑。

具体实施方式

现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。

一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，如图1、图3和图4所示，包括圆柱形的积分镜本体1，积分镜本体1包括反射面11以及与反射面11相对的底面12，反射面11与底面12之间具有一定的夹角，反射面11包括若干个子反射面111，子反射面111均为曲面，子反射面111反射出的光线均在工作面上汇聚。每个子反射面11反射出的光线均在工作面上汇聚并重合，形成设定形状和设定尺寸的光斑。

在一种具体的实施方式中，子反射面111均为向内凹进的非球曲面，且水平方向和竖直方向上的面型均为抛物面。由于曲面的弧度非常小，所以附图中未能清楚地显示出弧度。

在一种具体的实施方式中，如图1所示，子反射面111设有25个，由四条水平方向的横向棱112和四条垂直于横向棱112的纵向棱113均匀分割而成。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，中间的两条纵向棱113之间的部分为纵向中心反射面31，左侧的两条纵向棱113之间的部分为左一反射面32，最左侧的一条纵向棱113往左的部分为左二反射面33，右侧的两条纵向棱113之间的部分为右一反射面34，最右侧的一条纵向棱113往右的部分为右二反射面35；纵向中心反射面31上的每个子反射面111在水平方向上均具有相同的曲率，左一反射面32上的每个子反射面111在水平方向上均具有相同的曲率，左二反射面33上的每个子反射面111在水平方向上均具有相同的曲率，右一反射面34上的每个子反射面111在水平方向上均具有相同的曲率，右二反射面35上的每个子反射面111在水平方向上均具有相同的曲率；左一反射面32和右一反射面34在水平方向上的曲率相同，且均大于纵向中心反射面31在水平方向上的曲率；左二反射面33和右二反射面35在水平方向上的曲率相同，且均大于左一反射面32在水平方向上的曲率。

在一种具体的实施方式中，如图1-2所示，中间的两条横向棱112之间的部分为横向中心反射面21，上方的两条横向棱112之间的部分为上一反射面22，最上方的一条横向棱112以上的部分为上二反射面23，下方的两条横向棱112之间的部分为下一反射面24，最下方的一条横向棱112以下的部分为下二反射面25；横向中心反射面21上的每个子反射面111在纵向上均具有相同的曲率，上一反射面22上的每个子反射面111在纵向上均具有相同的曲率，上二反射面23上的每个子反射面111在纵向上均具有相同的曲率，下一反射面24上的每个子反射面111在纵向上均具有相同的曲率，下二反射面25上的每个子反射面111在纵向上均具有相同的曲率；上二反射面23、上一反射面22、横向中心反射面21、下一反射面24和下二反射面25在纵向上的曲率依次减小。

以上设计有利于使每个子反射面111反射出的光线均能在工作面上汇聚并完全重合，从而获得设定尺寸的光斑。

在一种具体的实施方式中，如图3所示，积分镜本体1的底面12上设有固定孔121、进水口122和出水口123，固定孔121用于将积分镜固定在设备上；进水口122用于向积分镜内部通入冷却水对积分镜进行冷却，并使冷却水经出水口123流出。在实际操作中，冷却水通过进水口122流入积分镜内的通道，并通过出水口123流出，利于对积分镜进行冷却，避免积分镜长时间处于高温状态。

在具体实施例中，如图3所示，在积分镜的侧壁上具有一个加工孔，该加工孔是在积分镜内加工冷却水通道时产生的，使用过程中可以用橡胶塞堵住。

在一种具体的实施方式中，如图3所示，积分镜本体1的底面12上还设有至少一个定位孔124，避免积分镜发生旋转。

在一种具体的实施方式中，反射面11与底面12之间的夹角为45°；积分镜的工作距离为300 mm。

在一种具体的实施方式中，反射面11的正投影为圆形，直径为49.5 mm。可适用于现有的大多数激光头。

在一种具体的实施方式中，积分镜本体1采用无氧铜TU1制成。在具体实施例中，如果是针对紫外光和远红外光的整形，可选择其他适当的材质。

在使用过程中，如图4所示，当需要获得5×15 mm的光斑时，首先通过固定孔121和定位孔124将积分镜固定在加工系统上，将冷却水通入进水口122，对积分镜进行冷却，并经出水口123流出。准直后的激光光束7为直径约为40mm的圆形光斑，入射到积分镜的反射面11上，激光光束被分割为25道光束，经反射面11反射后的反射光8在工作面上形成光斑9，对非金属材料进行加热，并通过远红外探测器实时反馈工作点的温度分布，调整激光功率，控制加热垫的温度在400-450℃之间。

根据所需的光斑面积的大小，可以通过调整二维积分镜的每个子反射面111的曲率，形状获得所需的光斑，比如5×5mm到20×20mm的矩形平顶分布的光斑，也可以获得八角形或者六边形等形状的平顶光斑，此时需将积分镜本体1的反射面11分割为与光斑对应的八角形或者六边形等形状的子反射面111，这种情况下，各个子反射面111在水平方向或与水平方向垂直的纵向上的曲率也需要根据实际情况设计，以所有子反射面111均能汇聚在工作平面上为宜。

在具体实施例中，如图2所示，以反射面的中心为原点，x方向上的曲率为X，y方向上的曲率为Y，纵向中心反射面31的曲率在x方向为X²= -565.92×Y²，左一反射面32的曲率在x方向为(X+3.33)²= -566.04×(Y+0.04)，左二反射面33的曲率在x方向为(X+6.65)²= -566.68×(Y+0.16)，右一反射面34的曲率在x方向为(X-3.33)²= -566.04×(Y+0.04)，右二反射面35的曲率在x方向为(X-6.65)²= -566.68×(Y+0.16)。横向中心反射面21的曲率在y方向为Y²= -240.2×X，上一反射面22的曲率在y方向为(Y -5.92)²= -240.2×(X+6.16)，上二反射面23的曲率在y方向为(Y -11.77)²= -240.52×(X+12.48)，下一反射面24的曲率在y方向为(Y -5.92)²= -240.2×(X-6.16)，下二反射面25的曲率在y方向为(Y +12.09)²= -240.24×(X-11.85)。如图5所示，通过上述积分镜所获得的光斑为5×15mm，焦点光斑在x和y方向均为平顶分布。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，包括圆柱形的积分镜本体（1），所述积分镜本体（1）包括反射面（11）以及与反射面（11）相对的底面（12），所述反射面（11）与底面（12）之间具有一定的夹角，其特征在于：所述反射面（11）包括若干个子反射面（111），所述子反射面（111）均为曲面，所述子反射面（111）反射出的光线均在工作面上汇聚。

2.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述子反射面（111）均为向内凹进的非球曲面，且水平方向和竖直方向上的面型均为抛物面。

3.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述子反射面（111）设有25个，由四条水平方向的横向棱（112）和四条垂直于横向棱（112）的纵向棱（113）均匀分割而成。

4.如权利要求3所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：中间的两条所述纵向棱（113）之间的部分为纵向中心反射面（31），左侧的两条所述纵向棱（113）之间的部分为左一反射面（32），最左侧的一条所述纵向棱（113）往左的部分为左二反射面（33），右侧的两条所述纵向棱（113）之间的部分为右一反射面（34），最右侧的一条所述纵向棱（113）往右的部分为右二反射面（35）；

所述纵向中心反射面（31）上的每个子反射面（111）在水平方向上均具有相同的曲率，所述左一反射面（32）上的每个子反射面（111）在水平方向上均具有相同的曲率，所述左二反射面（33）上的每个子反射面（111）在水平方向上均具有相同的曲率，所述右一反射面（34）上的每个子反射面（111）在水平方向上均具有相同的曲率，所述右二反射面（35）上的每个子反射面（111）在水平方向上均具有相同的曲率；

所述左一反射面（32）和右一反射面（34）在水平方向上的曲率相同，且均大于纵向中心反射面（31）在水平方向上的曲率；所述左二反射面（33）和右二反射面（35）在水平方向上的曲率相同，且均大于左一反射面（32）在水平方向上的曲率。

5.如权利要求3所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：中间的两条所述横向棱（112）之间的部分为横向中心反射面（21），上方的两条所述横向棱（112）之间的部分为上一反射面（22），最上方的一条所述横向棱（112）以上的部分为上二反射面（23），下方的两条所述横向棱（112）之间的部分为下一反射面（24），最下方的一条所述横向棱（112）以下的部分为下二反射面（25）；

所述横向中心反射面（21）上的每个子反射面（111）在纵向上均具有相同的曲率，所述上一反射面（22）上的每个子反射面（111）在纵向上均具有相同的曲率，所述上二反射面（23）上的每个子反射面（111）在纵向上均具有相同的曲率，所述下一反射面（24）上的每个子反射面（111）在纵向上均具有相同的曲率，所述下二反射面（25）上的每个子反射面（111）在纵向上均具有相同的曲率；

所述上二反射面（23）、上一反射面（22）、横向中心反射面（21）、下一反射面（24）和下二反射面（25）在纵向上的曲率依次减小。

6.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述积分镜本体（1）的底面（12）上设有固定孔（121）、进水口（122）和出水口（123），所述固定孔（121）用于将积分镜固定在设备上；所述进水口（122）用于向积分镜内部通入冷却水对积分镜进行冷却，并使冷却水经出水口（123）流出。

7.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述积分镜本体（1）的底面（12）上还设有至少一个定位孔（124），避免积分镜发生旋转。

8.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述反射面（11）与底面（12）之间的夹角为45°；所述积分镜的工作距离为300 mm。

9.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述反射面（11）的正投影为圆形，直径为49.5 mm。

10.如权利要求1所述的用于形成均匀二维光斑的反射式积分镜，其特征在于：所述积分镜本体（1）采用无氧铜TU1制成。