CN112415739B - 一种工作距可变的激光扫描光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工作距可变的激光扫描光学系统，包括沿入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、振镜和场镜；第一透镜为负透镜、第二透镜为正透镜；场镜包括沿入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。本发明工作距可变的激光扫描光学系统，中心和边缘聚焦光斑大小无差异，均匀性好，扫描工作距可变，主要用于激光3D打印变光斑加工和有高度差的异形件加工，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及一种工作距可变的激光扫描光学系统，属于激光光学领域。
背景技术
激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。常规的激光加工应用方式包括准直镜和单片聚焦镜聚焦、振镜加场镜扫描、三维动态等三种方式。第一种方式效果好，主要用于切割和大功率焊接，适用范围窄；第二种方式主要用于打标、焊接等应用，效率高，但是在有产品有高低差的时候，聚焦工作面固定，需要平台上下移动的方式，适用范围有限；三维动态的方式，适合加工产品有高低差、球形外观等异形件，但大范围加工时，中心和边缘聚焦光斑大小有差异。
发明内容
为了解决针对3D打印变光斑、异形件加工光斑均匀性等问题，本发明提供一种工作距可变的激光扫描光学系统，在工作面上扫描幅面150mm×150mm，扫描工作距离可变±30mm，主要用于激光3D打印变光斑加工和有高度差的异形件加工。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种工作距可变的激光扫描光学系统，包括沿入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、振镜和场镜；第一透镜为负透镜、第二透镜为正透镜；场镜包括沿入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。
上述光学系统可有效解决异形件加工光斑均匀性等问题，扫描工作距离可变，适用范围广。
为了进一步提高聚焦光斑均匀性，沿入射方向，第一透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面；第一曲面的曲率半径为-28.705±0.02mm，第二曲面为平面；第三曲面的曲率半径为267.2334±0.02mm，第四曲面的曲率半径为-51.65±0.02mm；第一透镜的中心厚度为1.5±0.02mm，第二透镜的中心厚度为4±0.02mm。
为了进一步提高聚焦光斑均匀性，沿入射方向，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面，第六透镜的两面依次为第十一曲面和第十二曲面，第七透镜的两面依次为第十三曲面和第十四曲面；第五曲面的曲率半径为-48.75±0.02mm，第六曲面的曲率半径为-262.4±0.02mm；第七曲面的曲率半径为-149.28mm±0.02，第八曲面的曲率半径为-58.92±0.02mm；第九曲面的曲率半径为-1069.4±0.02mm，第十曲面的曲率半径为-113±0.02mm；第十一曲面的曲率半径为236.4mm±0.02，第十二曲面的曲率半径为-278±0.02mm；第十三曲面的曲率半径为-260.56±0.02mm，第十四曲面的曲率半径为209±0.02mm；第八透镜为保护窗，两面均为平面；第三透镜的中心厚度为4.5±0.02mm；第四透镜的中心厚度为11.4±0.02mm；第五透镜的中心厚度为11.2±0.02mm；第六透镜的中心厚度为12.1±0.02mm；第七透镜的中心厚度为5±0.02mm；第八透镜的厚度是4±0.02mm。
沿入射方向，振镜包括X-mirror和Y-mirror，第一透镜和第二透镜的中心间隔23.8～28.8mm可调；第二透镜和振镜X-mirro的中心间隔是75±0.02mm，振镜X-mirror和Y-mirror的中心间隔是16.42±0.02mm；振镜Y-mirror和第三镜片的中心间隔是32.79±0.02mm；第三镜片和第四镜片之间的中心间隔是3.7±0.02mm；第四镜片和第五镜片之间的中心间隔是7±0.02mm；第五镜片和第六镜片之间的中心间隔是0.65±0.02mm；第六镜片和第七镜片之间的中心间隔是42.45±0.02mm；第七镜片和第八镜片之间的中心间隔是10.92±0.02mm。
优选，振镜是14mm通光口径；场镜的波长为355nm，焦距为300mm，扫描幅面为180mm。
为了满足高功率激光焊接的要求，第一至第七镜片均由紫外熔融石英材料制备，第一至第七镜片上均镀有高功率紫外激光膜系。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明工作距可变的激光扫描光学系统，中心和边缘聚焦光斑大小无差异，均匀性好，扫描工作距可变，主要用于激光3D打印变光斑加工和有高度差的异形件加工，适用范围广。
附图说明
图1为本发明的光路原理图；
图2为本发明的218.6mm工作距时的幅面聚焦光斑大小分布图；
图3为本发明的248.6mm工作距时的幅面聚焦光斑大小分布图；
图4为本发明的278.6mm工作距时的幅面聚焦光斑大小分布图；
图5为本发明的218.6mm工作距时的幅面第一象限九点聚焦光斑效果图；
图6为本发明的248.6mm工作距时的幅面第一象限九点聚焦光斑效果图；
图7为本发明的278.6mm工作距时的幅面第一象限九点聚焦光斑效果图；
图中，1为第一透镜，2为第二透镜，3为振镜，4为场镜，5为工作端面。
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所示：一种扫描深度可变的激光光学系统，包括沿入射方向依次设置第一透镜、第二透镜、振镜和场镜；第一至第七镜片均由紫外熔融石英材料制备，第一至第七镜片上均镀有高功率紫外激光膜系(参照《溶胶-凝胶法MgF2紫外增透膜的制备和性能研究》制备)第一镜片和第二镜片上均镀有高功率紫外激光膜系；激光器发的激光直径是7mm；第一透镜为负透镜、第二透镜为正透镜镜；振镜是14mm通光口径；场镜型号：波长355nm，焦距300mm，扫描幅面180mm。
沿入射方向，第一透镜包含相对应的第一曲面和第二曲面，第一曲面的曲率半径为-28.705mm，第二曲面的曲率为平面，第一透镜的中心厚度为1.5mm，第一镜片的质量是0.44g；沿入射方向，第二透镜包含相对应的第三曲面和第四曲面，第三曲面的曲率半径为267.2334mm，第四曲面的曲率半径为-51.65mm，第二透镜的中心厚度为4mm。
场镜包括沿入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。沿入射方向，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面，第六透镜的两面依次为第十一曲面和第十二曲面，第七透镜的两面依次为第十三曲面和第十四曲面；第五曲面的曲率半径为-48.75mm，第六曲面的曲率半径为-262.4mm；第七曲面的曲率半径为-149.28mm，第八曲面的曲率半径为-58.92mm；第九曲面的曲率半径为-1069.4mm，第十曲面的曲率半径为-113mm；第十一曲面的曲率半径为236.4mm，第十二曲面的曲率半径为-278mm；第十三曲面的曲率半径为-260.56mm，第十四曲面的曲率半径为209mm；第八透镜为保护窗，两面均为平面。第三透镜的中心厚度为4.5mm；第四透镜的中心厚度为11.4mm；第五透镜的中心厚度为11.2mm；第六透镜的中心厚度为12.1mm；第七透镜的中心厚度为5mm；第八透镜的厚度是4mm。
第一透镜与第二透镜的中心间隔是变量A，第二透镜和振镜X-mirro的中心间隔是75mm，振镜X-mirror和Y-mirror的中心间隔是16.42mm；振镜Y-mirror和第三镜片的中心间隔是32.79mm；第三镜片和第四镜片之间的中心间隔是3.7mm；第四镜片和第五镜片之间的中心间隔是7mm；第五镜片和第六镜片之间的中心间隔是0.65mm；第六镜片和第七镜片之间的中心间隔是42.45mm；第七镜片和第八镜片之间的中心间隔是10.92mm。
变量A与工作距离、扫描幅面、幅面内的聚焦光斑大小关系如下表1所示。
表1变量A与其它参数之间的关系
| 变量A | 28.8mm | 26.2mm | 23.8mm |
| 工作距 | 218.6mm | 248.6mm | 278.6mm |
| 扫描幅面 | 150mm×150mm | 150mm×150mm | 150mm×150mm |
| 聚焦光斑大小 | 18.4-24.9μm | 19.1-22.7μm | 20.8-40.2μm |
口径为7mm的紫外激光束经过第一、二透镜扩束，入射到振镜中，经过振镜的偏转，场镜的聚焦，实现扫描幅面150mm×150mm；通过改变第一镜片和第二镜片之间的距离，实现工作距离的改变。如图2-7所示，上述光学系统聚焦光斑效果好，不同工作距幅面内的聚焦光斑均在衍射极限内，中心和边缘聚焦光斑大小无差异，均匀性好。
Claims (8)
1.一种工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：包括沿入射方向依次设置的第一透镜、第二透镜、振镜和场镜；第一透镜为负透镜、第二透镜为正透镜；场镜包括沿入射方向依次设置的第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜；
沿入射方向，第三透镜的两面依次为第五曲面和第六曲面，第四透镜的两面依次为第七曲面和第八曲面，第五透镜的两面依次为第九曲面和第十曲面，第六透镜的两面依次为第十一曲面和第十二曲面，第七透镜的两面依次为第十三曲面和第十四曲面；第五曲面的曲率半径为-48.75±0.02mm，第六曲面的曲率半径为-262.4±0.02mm；第七曲面的曲率半径为-149.28mm±0.02，第八曲面的曲率半径为-58.92±0.02mm；第九曲面的曲率半径为-1069.4±0.02mm，第十曲面的曲率半径为-113±0.02mm；第十一曲面的曲率半径为236.4mm±0.02，第十二曲面的曲率半径为-278±0.02mm；第十三曲面的曲率半径为-260.56±0.02mm，第十四曲面的曲率半径为209±0.02mm；第八透镜为保护窗，两面均为平面。
2.如权利要求1所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：沿入射方向，第一透镜的两面依次为第一曲面和第二曲面，第二透镜的两面依次为第三曲面和第四曲面；第一曲面的曲率半径为-28.705±0.02mm，第二曲面为平面；第三曲面的曲率半径为267.2334±0.02mm，第四曲面的曲率半径为-51.65±0.02mm。
3.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：第一透镜的中心厚度为1.5±0.02mm，第二透镜的中心厚度为4±0.02mm。
4.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：第三透镜的中心厚度为4.5±0.02mm；第四透镜的中心厚度为11.4±0.02mm；第五透镜的中心厚度为11.2±0.02mm；第六透镜的中心厚度为12.1±0.02mm；第七透镜的中心厚度为5±0.02mm；第八透镜的厚度是4±0.02mm。
5.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：沿入射方向，振镜包括X-mirror和Y-mirror，第一透镜和第二透镜的中心间隔23.8~28.8mm可调；第二透镜和振镜X-mirro的中心间隔是75±0.02mm，振镜X-mirror和Y-mirror的中心间隔是16.42±0.02mm；振镜Y-mirror和第三透镜的中心间隔是32.79±0.02mm；第三透镜和第四透镜之间的中心间隔是3.7±0.02mm；第四透镜和第五透镜之间的中心间隔是7±0.02mm；第五透镜和第六透镜之间的中心间隔是0.65±0.02mm；第六透镜和第七透镜之间的中心间隔是42.45±0.02mm；第七透镜和第八透镜之间的中心间隔是10.92±0.02mm。
6.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：振镜是14mm通光口径。
7.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：场镜的波长为355nm，焦距为300mm，扫描幅面为180mm。
8.如权利要求1或2所述的工作距可变的激光扫描光学系统，其特征在于：第一至第七透镜均由紫外熔融石英材料制备，第一至第七透镜上均镀有高功率紫外激光膜系。
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