CN113798659A - 光学变焦对焦镜头及其机械结构、光学结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学变焦对焦镜头及其机械结构、光学结构及其使用方法，本发明提供的变焦对焦激光镜头的光学结构，创造性的使用两块透镜组成的准直镜头和两块透镜组成的聚焦镜头各自独立进行变焦和对焦，极大的改善了设计灵活行，简化了设计过程；本发明提供的变焦对焦激光镜头的机械结构，创造性的使用具有自润滑材料的透镜框套管凸轮的套管式机械结构取代传统机械结构，该机械结构结构简单、体积小；滑块与套管之间是面接触，且石墨等自润滑材料的导热性极好，该结构的导热能力得到极大提高，在该导热结构中，可以方便的将水冷做在套管内部，彻底解决系统的冷却问题，解除热问题对系统最大使用功率的限制。

Description

光学变焦对焦镜头及其机械结构、光学结构及其使用方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，尤其涉及一种光学变焦对焦镜头及其机械结构、光学结构及其使用方法。

背景技术

在激光加工过程中，为了满足不同材料及不同厚度材料的加工工艺要求，常需要根据工艺要求调整激光光斑的大小和激光光斑相对加工表面的高低位置。前者称为变焦，它通过改变设备中光学系统的焦距实现，只改变光斑大小，不改变光斑位置；后者称为对焦，不改变光斑大小，只改变光斑位置。在激光加工系统中，激光光学镜头系统通常采用准直镜头与聚焦镜头的组合结构，即准直镜头将光源发出的光变为平行光，聚焦镜头将平行光聚焦在工作表面上。这种结构设计灵活，便于在两者的平行光路中引入监视系统及光束扫描振动等辅助系统，扩展设备功能。在现有的准直镜头和聚焦镜头的组合结构中，实现对焦的方法一是移动聚焦镜头的位置，二是在聚焦透镜或准直透镜前加个小光焦度透镜，通过调整透镜位置对焦。变焦功能可以在准直镜头上实现，也可以在聚焦透镜上实现。变焦和聚焦是两个独立的系统，分别实现。

图1A和图1B为现有变焦光学系统的典型结构示意图，包括：准直透镜组LC，固定透镜组LG、变焦透镜组LT和补偿透镜组LB组成的变焦扩束系统，以及聚焦透镜组LF。在该系统中，准直透镜组与变焦扩束组组成复合准直透镜系统，实现焦距变化。

根据不同应用，激光加工变焦镜头光学系统处理的光的功率从几千瓦到几万瓦，这类光学系统存在以下问题：

1、如果激光光学系统采用变焦光学系统，其价格就极其昂贵。这里除了设计复杂外，为了减少透镜片数和保证像质，通常会大量使用非球面镜，例如：华中科技大学国家工程研究中心葛佳琪等(中国光学学报2019年第2期)给出了一个7片透镜的镜头设计，在该设计中采用了3片非球面镜；上海嘉强自动化技术公司提出了一种4片透镜的技术方案(中国专利申请号CN201510566726.6)，采用了3片非球面透镜。由于非球面镜加工困难，该激光镜头一定非常贵。

2、由于光学玻璃材料本身有材料吸收和散射，透镜吸收的光直接导致透镜温升，而散射的光作为杂光加温光学系统密闭腔体内的器件及壳体。为了减小材料吸收引起的温升带来的热透镜效应，需采用昂贵的高纯玻璃材料。

3、由于光学透镜镀膜技术不完善，目前的大功率膜的散射光的水平不低于0.2％，这意味着每个单独的玻璃透镜产生的杂光不低于0.4％，显然，光学系统中，玻璃透镜片数的增加，意味着产生热的杂光的增加。我们以上面提到的华中科技大学的设计为例，假如激光功率为一万瓦，每片产生的加热杂光为40瓦，7片透镜组成的光学系统至少需一块保护玻璃，光学系统中加热杂光的功率至少为320瓦。为了消除这些杂光带来的热量，必须仔细设计冷却系统，如果冷却效果不好，会降低光学系统的可靠性。

激光加工变焦对焦镜头中，保证光学系统功能得以实现的机械系统在高功率应用中，必须仔细解决光学系统带来的热问题，现有结构存在的问题如下：

实现变焦镜头中诸透镜相对运动的机械结构和方法是：将诸透镜分别固定在各自的透镜框上，各透镜框用直线轴承与导轨连接，然后通过架在轴承上的凸轮带动诸透镜实现相对运动，达到变焦目的。具体结构可参见中国专利申请号201910637898.6公开的技术方案。

在激光光学系统中，由于透镜自身材料吸收、散射和透镜表面镀膜不完美导致的光散射，密封在凸轮内部的透镜和透镜框的温度会升高，而直线轴承的导热特性差，透镜及透镜框上的热量只能通过空气向凸轮传递，而凸轮在光的作用下也会发热，凸轮上的热一部分通过轴承传递给基座，一部分通过空气传递，由于冷却通常是直接作用在基座上的，滚动轴承同样是不良导热体，这导致冷却设计非常困难。这种传统结构由于散热效果差，要么限制变焦头的使用功率，要么在大功率使用时导致光学系统可靠性变差，严重时会导致性能的降低，如产生热透镜效应。此外，这种结构还会导致机械系统结构复杂、安装困难、尺寸变大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供光学变焦对焦镜头及其机械结构、光学结构及其使用方法，通过合理的结构设计，增强运动系统的工作稳定性和可控性能，并且通过设置自润滑结构，极大程度的提升了系统的导热性，提升了散热效果，保证了设备耐用和可靠性，支撑光学系统的大功率运转。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种光学对焦变焦镜头的机械结构，包括套管以及设置在套管内的若干个透镜框，所述透镜框中至少有一个可在套管内沿套管轴向滑动的滑动透镜框，所述滑动透镜框的外表面与套管的内表面之间设置有自润滑材料，且透镜框的外表面与套管的内表面通过自润滑材料实现面接触；所述套管的壁上开设有滑动槽，所述滑动槽平行于套管的轴线；所述滑动透镜框上连接有拨杆，所述拨杆伸出滑动槽，通过拨杆在滑动槽内的移动带动滑动透镜框在套管内的移动。。在该机械结构中，在透镜框上安装上某种设计制作的光学透镜，就形成了满足某种要求的激光镜头；根据该激光镜头设计参数，通过诸所述拨杆的相对位置，就可以实现所述多片透镜组成的镜头的变焦、对焦及同时变焦对焦功能。

进一步的，所述套管上套设置有凸轮，且在套管外壁与凸轮内壁之间设置有自润滑材料，所述凸轮上开有控制槽，控制槽与滑动槽不平行，所述滑动透镜框上连接的拨杆依次穿过滑动槽和控制槽；通过转动凸轮，控制槽带动拨杆在滑动槽内移动，实现所述透镜框在套管内移动。

进一步的，所述滑动透镜框由自润滑材料制成，或者所述滑动透镜框的外表面设置有自润滑材料层，或者所述滑动透镜框外表面镶嵌有自润滑材料；所述套管外表面设置有自润滑材料层，或者所述套管外表面镶嵌有自润滑材料。

进一步的，所述自润滑材料为石墨，所述套管由金属材料制成，套管内为圆柱孔。

本发明还提供一种变焦对焦光学结构，所述光学结构中包括准直镜头和聚焦镜头，所述准直镜头将光源发出的光变成平行光，所述聚焦镜头将来自准直镜头的平行光汇聚到焦点；所述准直镜头和聚焦镜头分别含有一片透镜或者两片透镜，且准直镜头和聚焦镜头中至少有一个镜头含有两片透镜，所述准直镜头和/或聚焦镜头用于实现光学结构的变焦和对焦。

本发明还提供一种变焦对焦光学结构的使用方法：当通过所述准直镜头进行变焦对焦功能时，所述准直镜头由透镜LC1和透镜LC2组成；通过分别改变所述透镜LC1和透镜LC2与光源之间的距离实现变焦，所述透镜LC1和透镜LC2各自的移动量由变焦前后其在两片透镜组成的复合透镜中距光源的位置的变化值决定；通过对所述透镜LC1和透镜LC2加上等量的移动量实现对焦，该移动量约等于对焦量被聚焦镜头焦距与准直镜头焦距比值的平方除以后的值；通过同时对所述透镜LC1和LC2施加变焦和对焦所需要的移动量，实现光学系统的变焦和对焦；

当通过所述聚焦镜头进行变焦对焦时，所述聚焦镜头由透镜LF1和透镜LF2组成；通过分别改变所述聚焦镜头中所述透镜LF1和透镜LF2与焦点之间的距离实现变焦，所述透镜LF1 和透镜LF2各自的移动量由变焦前后其在透镜LF1和透镜LF2组成的复合透镜中距焦点的位置的变化值决定；通过同时对所述透镜LF1和透镜LF2施加变焦和对焦所需要的移动量，实现光学系统的变焦和对焦；

当通过所述准直镜头与所述聚焦镜头联合进行变焦对焦时：所述准直镜头的变焦、对焦功能与所述聚焦镜头的变焦、对焦功能结合，总的变焦倍率由所述准直镜头和所述聚焦镜头各自变焦倍率的乘积决定；总的对焦量由所述准直镜头和所述聚焦镜头的对焦量的和决定。

本发明还提供3种变焦对焦激光镜头，其中第1种变焦对焦激光镜头，采用权利要求2 所述的机械结构，包括一个固定透镜框、两个滑动透镜框、一个套管及四片透镜；所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另两片透镜组成聚焦镜头；所述组成准直镜头的两片透镜固定在固定透镜框上，所述固定透镜框固定设置在套管内，且靠近套管的一端；所述组成聚焦镜头的两片透镜各固定在一个第二滑动透镜框上，两个第二滑动透镜框相邻设置在套管内，且靠近套管的另一端；

所述套管上开有两个平行于套管轴线的第二滑动槽；所述两个第二滑动透镜框上各连接有一个第二拨杆，第二拨杆一端从各自对应的滑动槽中伸出；通过两个第二拨杆拖动组成聚焦镜头的两片透镜移动，实现变焦和对焦。

本发明提供的第2种变焦对焦激光镜头，采用权利要求3所述的机械结构，包括三个滑动透镜框、一个套管、一个凸轮及四片透镜，所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另外两片透镜组成聚焦镜头，组成准直透镜的两个透镜分别固定在一个第一滑动透镜框上，两个第一滑动透镜框相邻设置在套管内，且靠近套管的一端；组成聚焦镜头的两个透镜均固定在第二滑动透镜框上，所述第二滑动透镜框设置在套管内，且靠近套管的另一端；

所述套管上沿轴线方向开有三个滑动槽，包括两个第一滑动槽和一第二滑动槽，所述凸轮上开有两个控制槽，所述两个第一滑动槽与两个控制槽一一配合形成两组控制结构；所述两个第一滑动透镜框各连接有一个第一拨杆，所述两个第一拨杆分别从对应的滑动槽和控制槽的控制结构中伸出；通过转动凸轮驱动两个第一拨杆移动，从而带动组成准直镜头的两片透镜在套管内移动，实现变焦；

第二滑动槽不被凸轮覆盖，第二滑动透镜框上连接有一个第二拨杆，第二拨杆穿过套管上的第二滑动槽，通过第二拨杆拖动组成聚焦镜头的两片透镜在套管内移动实现对焦。

本发明提供的第3种变焦对焦激光镜头，采用权利要求3所述的机械结构，包括四个滑动透镜框、一个套管、一个凸轮及四片透镜，所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另两片透镜组成聚焦镜头；组成准直透镜的两个透镜各固定在一个第一滑动透镜框上，两个第一滑动透镜框相邻设置在套管内，且靠近套管的一端；组成聚焦镜头的两个透镜各固定在一个第二滑动透镜框上，两个第二滑动透镜框相邻设置在套管内，且靠近套管的另一端；

所述套管上沿轴线方向开有四个滑动槽，包括两个第一滑动槽和两个第二滑动槽；所述凸轮上开有两个控制槽，所述两个第一滑动槽与两个控制槽一一配合形成两组控制结构；所述两个第一滑动透镜框上各连接有一个第一拨杆；所述两个第一拨杆分别从对应的滑动槽和控制槽的控制结构中伸出；通过转动凸轮驱动两个第一拨杆移动，从而带动组成准直镜头的两片透镜在套管内移动实现变焦；

两个第二滑动槽不被凸轮覆盖，所两个第二滑动透镜框上各连接有一个第二拨杆，第二拨杆穿过套管上的对应的第二滑动槽；通过两个第二拨杆拖动组成聚焦镜头的两片透镜在套管内移动实现变焦和对焦；

所述激光镜头的变焦率由准直镜头变焦率和聚焦镜头变焦率的乘积决定。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明提供的变焦对焦镜头的机械结构，该机械结构通过合理的设计，增强了运动系统的工作稳定性和可控性能，并且通过设置自润滑结构，极大程度的提升了系统的导热性，提升了散热效果，保证了设备耐用和可靠性，同时，本发明还具备运动平稳、间隙小、摩擦力小的优点；

本发明提供的变焦对焦光学结构的使用方法，创造性的使用两块透镜组成的准直镜头和两块透镜组成的聚焦镜头各自独立的进行变焦和对焦，极大的改善了设计灵活行，简化了设计过程。利用该结构，最少可以采用3片透镜同时完成变焦和对焦，而在这3片结构中，甚至不需要非球面透镜。在通常的应用中，采用4片球面透镜就可以满足大部分激光加工要求。这带来的好处是极大的减少了透镜产生的热杂光，采用球面透镜，极大的降低了光学系统成本。

进一步的，本发明提供的变焦对焦激光镜头，创造性的使用具有自润滑材料的透镜框(透镜框可视为透镜框的外套)套管凸轮的套管式机械结构取代传统基座轴承凸轮导轨直线轴承式机械结构，使得激光镜头结构简单、体积小；从力学角度来看，本发明中的激光镜头中的滑块和套管之间具有自润滑结构，自润滑结构的滑动运动摩擦力小，可以满足激光镜头的使用要求；从运动学角度，滑块套管结构运行平稳、间隙小；从热学角度，由于滑块与套管之间是面接触，且石墨等自润滑材料的导热性极好，该结构的导热能力得到极大提高，可以快速将套管内的热量传递到外表面，在该导热结构中，可以方便的将水冷做在套管内部，彻底解决系统的冷却问题，解除热问题对系统最大使用功率的限制。

进一步的，本发明创造性地将变焦和对焦功能合在一起实现，简化了现有技术中变焦和对焦需分别由两个独立光机系统实现的方案，降低了系统的成本。

附图说明

图1A为现有光学变焦镜头的结构示意图；

图1B为现有的由4片光学透镜形成的变焦光学透镜结构示意图；

图2为本发明提出的变焦对焦光学结构的一种示意图；

图3为本发明提出的变焦对焦镜头机械结构的一种示意图；

图4A为透镜框的外表面涂有自润滑材料的结构示意图；

图4B为透镜框的外表面上镶嵌自润滑材料的结构示意图；

图5为本发明提出的变焦对焦镜头另一种机械结构的示意图；

图6为本发明提出的变焦对焦镜头机械结构中套管外壁的一种自润滑材料的示意图；

图7为本发明提出的变焦激光镜头机械结构中凸轮的一种示意图；

图8为本发明提出的变焦激光镜头中汇聚段变焦透镜组在光轴上的运动轨迹示意图。

其中：LC为准直透镜组，LG为固定透镜组、LT为变焦透镜组，LB为补偿透镜组，LF为聚焦透镜组，LC1和LC2为准直镜头中的透镜，LF1和LF2为聚焦镜头中的透镜；21为第一滑动透镜框，22为第二滑动透镜框，3T为透镜框外表面上设置的自润滑材料层，3X为镶嵌在透镜框外表面的自润滑材料；41为第一拨杆、42为第二拨杆；5为套管，5B为套管基体，5X为镶嵌在套管上的自润滑材料，5C1为第一滑动槽，5C2为第二滑动槽；6为凸轮， 61为第一控制槽、62为第二控制槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明提出的一种变焦对焦光学结构及其工作方法及激光镜头进行详细说明。

在本发明中，变焦对焦激光镜头光学结构由准直镜头和聚焦镜头组成，准直镜头将光源发出的点光束变成平行光束，聚焦镜头将准直镜头发出的平行光束聚焦成点光束。在本发明中，我们提出的光学结构：1)可以用准直镜头独立实现光学变焦操作，也可以独立的同时完成变焦对焦操作；2)可以用聚焦镜头独立实现光学变焦操作，也可以独立的同时完成变焦对焦操作；3)可以同时用准直镜头和聚焦镜头各自独立的进行变焦和对焦操作，两者结合起来，实现更灵活的变焦对焦操作。具体实现变焦对焦的方法为：

当聚焦镜头固定，利用准直镜头实现变焦和对焦时，准直镜头由透镜LC1和透镜LC2组成；准直镜头实现变焦的方法是：通过分别改变准直镜头中透镜LC1和透镜LC2与光源之间的距离实现变焦，透镜LC1和透镜LC2各自的移动量由变焦前后其在两片透镜组成的复合透镜中距光源的位置的变化值决定；准直镜头实现同时变焦对焦的方法是：在前述变焦量的基础上，对透镜LC1和透镜LC2加上等量的移动量，该移动量等于对焦量被聚焦透镜头焦距与准直镜头焦距比值的平方除以后的值，即实现本发明光学系统的变焦和对焦。

当所述准直镜头固定，利用聚焦镜头实现变焦和对焦时，聚焦镜头由透镜LF1和透镜LF2 组成；实现变焦的方法是：通过分别改变聚焦镜头中透镜LF1和透镜LF2与焦点之间的距离实现变焦，透镜LF1和透镜LF2各自的移动量由变焦前后其在两片透镜组成的复合透镜中距焦点的位置的变化值决定；实现同时变焦对焦的方法是：在前述变焦量的基础上，对透镜LF1 和透镜LF2加上等量的对焦量就可同时实现变焦和对焦。

当所述准直镜头与所述聚焦镜头联合实现变焦对焦功能时：所述准直镜头的变焦、对焦功能与所述聚焦镜头的变焦对焦功能进行灵活组合以满足各种要求，即光学系统总的变焦倍率由所述准直镜头和所述聚焦镜头各自变焦倍率的乘积决定；总的对焦量由所述准直镜头和所述聚焦镜头的对焦量的和决定。

在本发明的某些实施例中，准直镜头和聚焦镜头仅作为固定非变焦镜头使用，它们可以只含一片透镜，采用一片透镜的好处是减少系统中的热杂光，提升了系统工作的稳定性，也降低了成本，当然了，根据实际的使用需求，在这个使用要求下，准直镜头和聚焦镜头也可以含两片透镜。另外，本实施例的光学系统中，准直镜头和聚焦镜头也可以分别由两片球面透镜组成，其好处是球面透镜的技术成熟稳定性高，并且能够进一步的降低系统成本。对于透镜的选择，需要说明的是，组成准直镜头和聚焦镜头的透镜，可以是球面透镜，也可以是非球面透镜，根据实际需要选用，球面透镜成本低，非球面透镜像质好。

图2为本发明提出的变焦对焦激光镜头的一种光学结构示意图。其中，透镜LC1和LC2 组成准直镜头，透镜LF1和LF2组成聚焦镜头，这是一种四片透镜构成的光学系统，可以用4 个球面透镜实现变焦以及对焦操作，与现有技术中所公开的同样功能的透镜系统相比，本发明透镜系统设置简单合理，在成本上有明显优势。

实际上，需要说明的是，该变焦对焦光学结构最少可以用三片透镜实现，即固定镜头采用一片透镜，变焦镜头采用两片透镜进行变焦，目前尚未见其它公开的仅三片透镜实现变焦的光学结构方案。

为了解决大功率激光加工系统中光学镜头杂光导致的热问题，本发明还提供了一种变焦对焦激光镜头的机械结构，如图3所示，机械结构包括套管以及设置在套管内的若干透镜框；透镜框设置在套管内沿套管轴向滑动；所述套管的壁上沿平行于内孔轴线方向开有滑动槽；所述透镜框上设置有拨杆，拨杆从滑动槽伸出；所述透镜框的外表面和所述套管的内表面至少一个面具有自润滑材料；在该机械结构中，所述拨杆在滑动槽中沿所述套管内孔轴向拨动，用于带动透镜框在套管内移动；在该机械结构中，透镜框的中部均为通光孔，在透镜框上安装上光学透镜，就形成了满足某种要求的激光镜头；根据该激光镜头设计参数，通过相应拨杆对透镜框的相对位置进行调节，进而带动透镜框上的透镜进行移动，移动至所需位置，实现了多片透镜组成的镜头的变焦和/或对焦功能。如图3所示，在该机械结构中：套管由金属材料制成，内部为圆柱孔，采用金属以及圆柱孔是因为易于加工且导热性好，同时能够控制加工精度；透镜框的外表面为圆柱面，采用圆柱面是因为加工方便；所述透镜框由自润滑材料制成，或者所述透镜框的外表面设置有自润滑材料层，或者所述透镜框外表面镶嵌有自润滑材料；如图4B所示，在图4B给出的实施例中，所选用的方案是在透镜框上开设有孔，孔内镶嵌有自润滑材料，自润滑材料为石墨片，石墨片放置在孔中，并且设置在透镜框与套管之间的接触面上，即套管与透镜框之间通过石墨接触，在滑动过程中石墨能够进行足够的自润滑，保证运动的可控和稳定性，能够有效的提高运动的精度，并且石墨还具有成本低和稳定性好有点，具有非常好的耐用性，在实际使用过程中具有非常好的使用寿命，另外，石墨导热性好，透镜框与套管之间通过石墨进行接触，并且是面接触，极大程度了提升了热传导，增强了系统的散热性能，增强了系统工作的稳定性。

如图4A所示，在该实施例中，石墨采用整层铺设的方式铺设在透镜框的外表面，具体的说，铺设在透镜框与套管之间，整层铺设更进一步的增强了导热效果。当然了在其他一些实施例中，也可以考虑直接采用石墨制成透镜框。

如图5所示，在本发明的另一实施例中，机械结构还包括套装在套管5上的凸轮6，且在套管5的外壁与凸轮6之间也设置有自润滑材料；所述凸轮6上开有控制槽，控制槽与套管5 上的滑动槽不平行；控制槽与滑动槽一一配合形成控制结构，透镜框上连接的拨杆穿过控制结构；具体的说，控制槽与滑动槽有一交汇处，在交汇处形成了一个供拨杆伸出的通孔，通过转动凸轮6使得该交汇处在滑动槽上平移，进而驱动拨杆带动透镜框在套管5内移动，移动方向沿着滑动槽的方向，滑动槽上是平行于套管的轴线开设的，即透镜框和透镜平行于套管轴线进行平移；在实际镜头设计中，根据设计要求将具体的透镜与该机械结构进行结合，就完成了一个具体的变焦镜头。

同样的，在套管5外表面与凸轮内表面之间也设置有自润滑材料，保证了凸轮6在套管5 上的可控调节，自润滑材料可以有多种设置方式，常用的有套管5的外表面涂有自润滑材料，或者在自润滑材料外表面镶嵌自润滑材料；如图6所示，在套管5外表面开设有若干镶嵌槽，将自润滑材料装入镶嵌槽中完成自润滑材料的设置，另外，套管5外壁上镶嵌的自润滑材料优选为石墨片。

另外，对于本发明所给出的机械结构，需要说明的是，该变焦对焦的激光镜头的机械结构不仅仅适用于本发明提供的光学结构，而是可以应用到所有变焦镜头中！

图3给出了该机械结构的一个具体示意图，套管5内设置有三个透镜框，包括一个第一透镜框21、两个第二透镜框22，其中，第一透镜框21直接固定在套管5内，两个第二透镜框 22相邻设置在套管5内，可在套管内沿套管轴线移动，两个第二透镜框22的结构参见图4；如图6所示，套管5的壁上沿平行于套管5内孔轴线方向开有两个第二滑动槽5C2，其中，两个第二透镜框22各上连接一第二拨杆42，第二拨杆42从对应的第二滑动槽5C2中伸出；在该结构中：透镜框可以整体由自润滑材料制成；也可以由滑块基体及其上的自润滑涂层组成，如图4A所示，3T为透镜框外表面上设置的自润滑材料层；如图4B所示，还可以通过在透镜框外表面上镶嵌自润滑材料3X制成。通常，透镜框由石墨制成，所镶嵌的自润滑材料为石墨片，因石墨导热性极好，成本低。

图5给出了该机械结构的另一个示意图，该结构包括三个透镜框、两个拨杆、一个套管5 及一个凸轮6，其中，三个透镜框包括两个第一滑动透镜框21和一个第二滑动透镜框22，两个第一滑动透镜框21相邻设置在套管5内，可以沿套管5内孔轴线方向移动，第二滑动透镜框22直接固定在套管5中；套管5外壁上有自润滑材料，其结构参见图6，套管5外壁上沿平行于内孔轴线方向开有两个第一滑动槽5C1，套管5外壁上镶嵌有自润滑材料5X；凸轮6结构如图7所述，凸轮6上开有控制槽，分别是第一控制槽61和第二控制槽62，控制槽与滑动槽不平行；凸轮6套设在套管5上，凸轮6与套管5的外壁之间设置有自润滑材料；两个第一滑动槽5C1与第一控制槽61和第二控制槽62一一配合形成控制结构，第一滑动槽5C1与第一控制槽61配合形成第一控制结构，第一滑动槽5C1与第二控制槽62配合形成第二控制结构，两个第一滑动透镜框21上各连接一第一拨杆41，第一拨杆41穿出对应的控制结构。在该机械结构中，所述控制结构由滑动槽和控制槽一一配合构成，滑动槽与控制槽有一交汇处，拨杆从滑动槽与控制槽的交汇处穿出，当转动所述凸轮6，改变控制结构中滑动槽与控制槽的交汇处位置，可使第一拨杆41拖动第一透镜框21在套管5内沿轴线方向移动。通常，套管外壁上镶嵌的自润滑材料是石墨片。

基于已经介绍的机械结构和光学结构，本发明提供了一种变焦对焦激光镜头，包括四片透镜、三个透镜框、两个拨杆及一个套管；其中，四片透镜中的两片组成准直镜头，将光源发出的点光束变化成平行光束，另两片透镜组成聚焦透镜镜头，实现平行光束到点光束的变换，实现变焦对焦功能；所述组成准直镜头的两个透镜固定在一个固定透镜框上，固定透镜框固定在套管内，且靠近套管5的一端；所述组成聚焦透镜的两个透镜各固定在一个第二滑动透镜框 22上，两个第二滑动透镜框22相邻设置在套管5内，且靠近套管5的另一端；所述套管5在没有安装所述准直透镜的一端的壁上，绕圆周以180度角的间距沿平行于内孔轴线方向开有两个第二滑动槽5C2，所述两个第二滑动透镜框22各连接有一第二拨杆42，第二拨杆42)一端从各自对应的滑动槽中伸出；在该镜头中，在套管5一端安装的两片透镜组成的准直镜头将来自光源在光变换成平行光，安装在套管5另一端的两片透镜组成的聚焦镜头将来自准直镜头的平行光变换成点，通过同时等量同步的调整滑动透镜框上两片聚焦透镜的位置，可实现聚焦镜头焦点位置的变化，即对焦；通过改变聚焦镜头中两个滑动透镜框位置实现聚焦镜头焦距的变化，即变焦，也可同时使聚焦镜头焦距和焦点位置的发生变化，实现变焦和对焦。

在另一实施例中，本发明提出了一种激光镜头，其包括四片透镜、三个透镜框、三个拨杆、一个套管及一个凸轮，其中：四片透镜中的两片组成准直镜头，将光源发出的点光束变化成平行光束，实现变焦功能，另两片透镜组成聚焦透镜镜头，实现平行光束到点光束的变换，实现对焦功能；组成准直透镜的两个透镜各固定在一个第一滑动透镜框21上，两个第一滑动透镜框21相邻设置在套管5内，且靠近套管5的一端；组成聚焦镜头的两个透镜固定在一个第二滑动透镜框22上，第二滑动透镜框22设置在套管5内，且靠近套管5的另一端；第二滑动透镜框22的结构参考图5，透镜框中部为通光孔，前后两个端面均可以进行透镜的安装固定；套管在安装准直透镜的一端的壁上沿平行于内孔轴线方向开有两个第一滑动槽21，在另一端安装聚焦透镜的壁上沿平行于内孔轴线方向开有一个第二滑动槽22；套管5上设置有凸轮6，凸轮6设置在套管5安装准直镜头的一端，且套管5外壁与凸轮6之间设置有自润滑材料，凸轮上设置有两个控制槽，两个第一滑动槽21与两个控制槽一一配合形成控制结构，两个第一滑动透镜框21各连接一第一拨杆41，第一拨杆4 1穿出对应的控制结构；第二滑动槽22不被凸轮覆盖，第二滑动透镜框21连接第二拨杆42，第二拨杆42穿过的第二滑动槽22；在该镜头中，在套管5一端安装由两片透镜组成的准直镜头将来自光源在光变换成平行光，通过旋转凸轮6驱动拨杆移动，即可实现准直镜头焦距的变化；安装在套管另一端聚焦镜头将来自准直镜头的平行光变换成点，通过拨杆拖动聚焦镜头在套管内移动，实现聚焦镜头焦点位置的变化，即对焦。

本发明提出了第三种优选的变焦对焦激光镜头：由四片透镜、四个透镜框、四个滑块、四个拨杆、一个套管及一个凸轮组成，其中：所述四片透镜中的两片组成准直镜头，将光源发出的点光束变化成平行光束，实现变焦功能；所述四片透镜的另两片透镜组成聚焦镜头，实现平行光束到点光束的变换，实现变焦和对焦功能；所述组成准直透镜的两个透镜各固定在一个第一滑动透镜框21上，两个第一透镜框21相邻设置在套管5内，且靠近套管5的一端；所述组成聚焦镜头的两个透镜各固定在一个第二滑动透镜框22上，两个第二透镜框22相邻设置在套管5内，且靠近套管5的另一端；套管5在安装准直透镜的一端的壁上沿平行于内孔轴线方向开有两个第一滑动槽5C1，在另一端安装聚焦透镜的壁上以180度角的间距沿平行于内孔轴线方向开有两个第二滑动槽5C2；所述套管5上设置有凸轮6，凸轮6设置在套管5安装准直镜头的一端，且套管5外壁与凸轮6之间设置有自润滑材料，凸轮6上开有两个控制槽，两个第一滑动槽5C1与两个控制槽一一配合形成两组控制结构；所述两第一滑动透镜框21上各连接有一第一拨杆41，第一拨杆41从控制结构中伸出；两个第二透镜框22各连接有一第二拨杆 42，第二拨杆42从第二滑动槽5C2伸出；在该镜头中，安装在套管5一端的由两个透镜组成的准直镜头将来自光源在光变换成平行光，通过旋转凸轮6，驱动第一拨杆41带动准直镜头在套管5内滑动，实现焦距的变化；安装在套管5另一端的由两个透镜组成的聚焦镜头将来自所述准直镜头的平行光变换成点，通过第二拨杆42拖动聚焦镜头在套管5内移动，可实现聚焦镜头焦点大小和位置的变化，即变焦和对焦；该镜头的变焦率由准直镜头变焦率和聚焦镜头变焦率的乘积决定。

在本发明的某一个具体实施例中，设计了一个具有变焦对焦能力的激光镜头，光源输出光纤数值孔径0.1，直径100微米，要求变焦范围130微米到230微米，对焦范围正15毫米负 30毫米。我们采用本发明提出的第一个优选镜头方案，即准直镜头固定，聚焦镜头实现变焦和对焦。具体设计参数是：准直镜头焦距80毫米，由两片球面透镜组成；聚焦镜头焦距从104 毫米变到184毫米，由两片球面透镜组成；所有透镜口径20毫米，有效通光孔径17毫米；组成准直镜头的两片透镜安装在一个透镜框上并固定在套管内的一端；组成聚焦镜头的两片透镜的焦距分别是387.86和139.21，它们分别固定在一个透镜框上；透镜框外径27毫米由石墨制成；套管内径27毫米，在其上相距180度角的位置上开两个滑动槽，两个滑动槽在套管的圆周上隔开180度的角度，能够方便进行动力装置的设置；拨杆通过套管上的槽与透镜框相连。两个拨杆通过丝杆由步进电机带动实现直线运动，通过变焦和对焦参数要求，给电机发位置指令，实现所需的变焦和对焦。图8为两个变焦透镜的相对位置变化规律图，横坐标为需要的放大倍率，纵坐标为在指定放大倍率下，透镜相对于光斑工作点的距离。

在本发明的另一个具体实施例中，设计了一个具有变焦对焦能力的激光镜头，光源输出光纤数值孔径0.1，直径100微米，要求变焦范围130微米到183微米，对焦范围15毫米到负 30毫米。我们采用本发明提出的第二个优选镜头方案，即准直镜头变焦，聚焦镜头实现对焦。具体设计参数是：聚焦镜头含1片球面镜，焦距为104毫米，该透镜固定在透镜框上并固定在一个石墨制成的透镜框上；准直镜头含两片透镜，焦距分别为177.07毫米和79.47毫米，焦距从56.9毫米变到80毫米，两片透镜各安装在一个透镜框上；所有透镜口径20毫米，有效通光孔径17毫米；所有透镜框外径27毫米，套管内径27毫米，外径35毫米，外壁上镶嵌的石墨自润滑材料外径36毫米。其中，组成准直镜头的两片透镜由电机带动凸轮实现变焦，凸轮内径36毫米。用于对焦的聚焦镜头由电机带动丝杆进而带动滑块上的拨杆实现对焦运动。

在本发明的第三个具体实施例中，设计了一个具有变焦对焦能力的激光镜头，光源输出光纤数值孔径0.1，直径100微米，要求变焦范围130微米到323微米，对焦范围15毫米到负 30毫米。我们采用本发明提出的第三个优选镜头方案，即准直镜头变焦，聚焦镜头同时实现变焦和对焦。具体设计参数是：聚焦镜头含2片球面镜，焦距分别是387.86和139.21，变焦范围从焦距104毫米到焦距184毫米；准直镜头含两片球面透镜，焦距分别为177.07毫米和 79.47毫米，焦距从56.9毫米变到80毫米。所有四个透镜口径20毫米，有效通光孔径17毫米，它们分别安装在由石墨制成的透镜框上，滑块外径27毫米，套管由不锈钢制成，内径27 毫米，在套管的两端的壁上以180度角的间距沿平行于内孔轴线方向各开有两个滑动槽；由两个透镜组成准直镜头和由两个透镜组成聚焦镜头设置在套管内部两端；在套管安装准直镜头一端的外壁上镶嵌有石墨材料，起自润滑作用，石墨外径36毫米，在其上套有凸轮，由凸轮转动带动准直镜头变焦。安装在套管另一端的聚焦镜头，通过直接拖动安装在透镜框上的拨杆进行聚焦和对焦。显然，该方案容易产生大的变焦范围。

需要说明的是，本发明提供的变焦对焦激光镜头的光学结构和机械结构，与现有技术相比，因为结构设计更加巧妙，减少了系统中器件数量，结构也更加简单，体积可以做的更小，另外，本发明的机械结构合理设计，增强了运动系统的工作稳定性和可控性能，并且极大程度的提升了系统的导热性好，提升了散热效果，保证了设备耐用和可靠性，同时，本发明还具备运动平稳、间隙小、摩擦力小的优点；本发明在一个系统上同时实现变焦和对焦功能，而这些有益效果带来的最终目的是降低了系统的成本。

Claims (10)

1.一种变焦对焦镜头机械结构，其特征在于：包括套管(5)以及设置在套管(5)内的若干个透镜框，所述透镜框中至少有一个可在套管(5)内沿套管轴向滑动的滑动透镜框(22)，所述滑动透镜框的外表面与套管(5)的内表面之间设置有自润滑材料，且透镜框的外表面与套管(5)的内表面通过自润滑材料实现面接触。

2.根据权利要求1所述的一种变焦对焦镜头机械结构，其特征在于，所述套管(5)的壁上开设有滑动槽，所述滑动槽平行于套管(5)的轴线；所述滑动透镜框上连接有拨杆，所述拨杆伸出滑动槽，通过拨杆在滑动槽内的移动带动滑动透镜框在套管(5)内的移动。

3.根据权利要求2所述的一种光学对焦变焦镜头机械结构，其特征在于，所述套管(5)上套设置有凸轮(6)，且在套管(5)外壁与凸轮(6)内壁之间设置有自润滑材料，所述凸轮(6)上开有控制槽，控制槽与滑动槽不平行，所述滑动透镜框上连接的拨杆依次穿过滑动槽和控制槽；通过转动凸轮(6)，控制槽带动拨杆在滑动槽内移动，实现所述透镜框在套管(5)内移动。

4.根据权利要求1、2和3中任一项所述的一种光学对焦变焦镜头机械结构，其特征在于，所述滑动透镜框由自润滑材料制成，或者所述滑动透镜框的外表面设置有自润滑材料层(3T)，或者所述滑动透镜框外表面镶嵌有自润滑材料(3X)；所述套管(5)外表面设置有自润滑材料层，或者所述套管(5)外表面镶嵌有自润滑材料(5X)。

5.根据权利要求1所述的一种光学对焦变焦镜头机械结构，其特征在于，所述自润滑材料为石墨，所述套管(5)由金属材料制成，套管(5)内为圆柱孔。

6.一种变焦对焦光学结构，其特征在于：所述光学结构中包括准直镜头和聚焦镜头，所述准直镜头将光源发出的光变成平行光，所述聚焦镜头将来自准直镜头的平行光汇聚到焦点；所述准直镜头和聚焦镜头分别含有一片透镜或者两片透镜，且准直镜头和聚焦镜头中至少有一个镜头含有两片透镜，所述准直镜头和/或聚焦镜头用于实现光学结构的变焦和对焦。

7.根据权利要求6所述的一种变焦对焦光学结构的使用方法，其特征在于：当通过所述准直镜头进行变焦对焦功能时，所述准直镜头由透镜LC1和透镜LC2组成；通过分别改变所述透镜LC1和透镜LC2与光源之间的距离实现变焦，所述透镜LC1和透镜LC2各自的移动量由变焦前后其在两片透镜组成的复合透镜中距光源的位置的变化值决定；通过对所述透镜LC1和透镜LC2加上等量的移动量实现对焦，该移动量约等于对焦量被聚焦镜头焦距与准直镜头焦距比值的平方除以后的值；通过同时对所述透镜LC1和LC2施加变焦和对焦所需要的移动量，实现光学系统的变焦和对焦；

当通过所述聚焦镜头进行变焦对焦时，所述聚焦镜头由透镜LF1和透镜LF2组成；通过分别改变所述聚焦镜头中所述透镜LF1和透镜LF2与焦点之间的距离实现变焦，所述透镜LF1和透镜LF2各自的移动量由变焦前后其在透镜LF1和透镜LF2组成的复合透镜中距焦点的位置的变化值决定；通过同时对所述透镜LF1和透镜LF2施加变焦和对焦所需要的移动量，实现光学系统的变焦和对焦；

当通过所述准直镜头与所述聚焦镜头联合进行变焦对焦时：所述准直镜头的变焦、对焦功能与所述聚焦镜头的变焦、对焦功能结合，总的变焦倍率由所述准直镜头和所述聚焦镜头各自变焦倍率的乘积决定；总的对焦量由所述准直镜头和所述聚焦镜头的对焦量的和决定。

8.一种变焦对焦激光镜头，其特征在于，采用权利要求2所述的机械结构，包括一个固定透镜框、两个滑动透镜框、一个套管及四片透镜；所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另两片透镜组成聚焦镜头；所述组成准直镜头的两片透镜固定在固定透镜框上，所述固定透镜框固定设置在套管(5)内，且靠近套管(5)的一端；所述组成聚焦镜头的两片透镜各固定在一个第二滑动透镜框上，两个第二滑动透镜框(22)相邻设置在套管内，且靠近套管的另一端；

所述套管(5)上开有两个平行于套管轴线的第二滑动槽(5C2)；所述两个第二滑动透镜框(22)上各连接有一个第二拨杆(42)，第二拨杆(42)一端从各自对应的滑动槽中伸出；通过两个第二拨杆(42)拖动组成聚焦镜头的两片透镜移动，实现变焦和对焦。

9.一种变焦对焦激光镜头，其特征在于，采用权利要求3所述的机械结构，包括三个滑动透镜框、一个套管、一个凸轮及四片透镜，所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另外两片透镜组成聚焦镜头，组成准直透镜的两个透镜分别固定在一个第一滑动透镜框(21)上，两个第一滑动透镜框(21)相邻设置在套管(5)内，且靠近套管(5)的一端；组成聚焦镜头的两个透镜均固定在第二滑动透镜框(22)上，所述第二滑动透镜框(22)设置在套管(5)内，且靠近套管(5)的另一端；

所述套管上沿轴线方向开有三个滑动槽，包括两个第一滑动槽(5C1)和一第二滑动槽(5C2)，所述凸轮(6)上开有两个控制槽，所述两个第一滑动槽(5C1)与两个控制槽一一配合形成两组控制结构；所述两个第一滑动透镜框(21)各连接有一个第一拨杆(41)，所述两个第一拨杆(41)分别从对应的滑动槽和控制槽的控制结构中伸出；通过转动凸轮(6)驱动两个第一拨杆(41)移动，从而带动组成准直镜头的两片透镜在套管(5)内移动，实现变焦；

第二滑动槽(5C3)不被凸轮(6)覆盖，第二滑动透镜框(22)上连接有一个第二拨杆(42)，第二拨杆(42)穿过套管(5)上的第二滑动槽(5C2)，通过第二拨杆(42)拖动组成聚焦镜头的两片透镜在套管(5)内移动实现对焦。

10.一种变焦对焦激光镜头，其特征在于，采用权利要求3所述的机械结构，包括四个滑动透镜框、一个套管、一个凸轮及四片透镜，所述四片透镜中，两片组成准直镜头，另两片透镜组成聚焦镜头；组成准直透镜的两个透镜各固定在一个第一滑动透镜框(21)上，两个第一滑动透镜框(21)相邻设置在套管(5)内，且靠近套管(5)的一端；组成聚焦镜头的两个透镜各固定在一个第二滑动透镜框(22)上，两个第二滑动透镜框(22)相邻设置在套管(5)内，且靠近套管(5)的另一端；

所述套管上沿轴线方向开有四个滑动槽，包括两个第一滑动槽(5C1)和两个第二滑动槽(5C2)；所述凸轮上开有两个控制槽，所述两个第一滑动槽(5C1)与两个控制槽一一配合形成两组控制结构；所述两个第一滑动透镜框(21)上各连接有一个第一拨杆(41)；所述两个第一拨杆(41)分别从对应的滑动槽和控制槽的控制结构中伸出；通过转动凸轮(6)驱动两个第一拨杆(41)移动，从而带动组成准直镜头的两片透镜在套管(5)内移动实现变焦；

两个第二滑动槽(5C2)不被凸轮(6)覆盖，所述两个第二滑动透镜框上各连接有一个第二拨杆(42)，第二拨杆(42)穿过套管(5)上的对应的第二滑动槽(5C2)；通过两个第二拨杆(42)拖动组成聚焦镜头的两片透镜在套管(5)内移动实现变焦和对焦；

所述激光镜头的变焦率由准直镜头变焦率和聚焦镜头变焦率的乘积决定。

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