CN114160965A - 激光成丝切割装置 - Google Patents

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吴霞芳
黄灿
张晓彬
杨先林
欧城孝
陈大贵
伏博
高鹏
黄小龙
陆明
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Abstract

本发明公开一种激光成丝切割装置，激光成丝切割装置包括轴棱锥镜、长焦距透镜、振镜组件和场镜，激光束通过轴棱锥镜转换成贝塞尔光束，再通过长焦距透镜将贝塞尔光束投射在振镜组件上，通过振镜组件控制贝塞尔光束偏转，再通过场镜使贝塞尔光束产生干涉，形成长焦深的线焦点，就可在工件的表面实现快速切割。贝塞尔光束具备较长的焦深，其经振镜组件反射后通过场镜，投射在工件表面，即使光束偏移使场镜与投射点之间的距离发生变化，但投射点仍然处于焦深范围内，并不会影响切割效果。

Description

激光成丝切割装置
技术领域
本发明涉及激光切割领域，特别涉及一种激光成丝切割装置。
背景技术
随着科学技术的发展，透明材料如玻璃、蓝宝石等已经广泛应用在指纹识别按键、摄像头保护镜片、平板和智能手机屏幕等消费电子领域。在将透明材料应用到产品中之前，需对透明材料进行切割加工。由于透明材料具有硬度高的特性，因此，现有技术中大多采用激光来对透明材料进行切割加工。贝塞尔切割镜头，可以使激光器的高斯光束由圆形光束转化为贝塞尔光束干涉形成的线聚焦点，以用于蓝宝石和玻离等材料的成丝切割。在实际应用切割当中，现有的应用，要么通过移动贝塞尔切割镜头，要么通过移动加工平面，来实现不形状的切割目的。无论是移动贝塞尔切割镜头，还是移动加工平面，其加工效率相对都是很低的。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种激光成丝切割装置，旨在解决现有技术中激光对蓝宝石和玻璃等材料成丝切割效率较低的问题。
为实现上述目的，本发明依据贝塞尔切割镜头的光路原理，提出一种激光成丝切割装置，包括沿光路方向依次设置的轴棱锥镜、长焦距透镜、振镜组件和场镜；
所述轴棱锥镜用于将准直光束转化为贝塞尔光束，所述贝塞尔光束经所述长焦距透镜照射在所述振镜组件上，所述振镜组件用于控制所述贝塞尔光束偏转，所述场镜用于将所述贝塞尔光束干涉聚焦于工件上。
在一实施例中，所述长焦距透镜位于所述轴棱锥镜的贝塞尔焦深末端，所述长焦距透镜的聚焦点位于所述振镜组件和场镜之间。
在一实施例中，所述振镜组件包括使所述贝塞尔光束在第一平面内偏转的第一振镜，以及使所述贝塞尔光束在第二平面内偏转的第二振镜，所述第二平面与所述第一平面垂直。
在一实施例中，所述激光成丝切割装置还包括激光发生器和扩束镜，所述激光发生器发射的激光经所述扩束器射入所述轴棱锥镜。
在一实施例中，所述激光发生器发出的激光束包括高斯光束、平顶光束或多模光束，所述激光发生器产生的激光包括紫外光、红外光或绿光。
在一实施例中，所述轴棱锥镜的锥角α＜30°。
在一实施例中，入射到所述轴棱锥镜的激光光斑的直径小于8mm。
在一实施例中，所述场镜包括平场聚焦透镜，所述场镜的焦距大于80mm。
在一实施例中，所述激光成丝切割装置还包括镀于所述轴棱锥镜表面的激光增透膜。
本发明通过设置包括轴棱锥镜、长焦距透镜、振镜组件和场镜的激光成丝切割装置，使激光束通过轴棱锥镜转换成贝塞尔光束，再通过长焦距透镜将贝塞尔光束投射在振镜组件上，通过振镜组件控制贝塞尔光束偏转，再通过场镜使贝塞尔光束产生干涉，形成长焦深的线焦点，就可在工件的一表面实现快速的成丝切割。此外贝塞尔光束具备较长的焦深，其经振镜组件反射后通过场镜，投射在工件表面，即使光束偏移使场镜与投射点之间的距离发生变化，但投射点仍然处于焦深范围内，并不会影响切割效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明激光成丝切割装置一实施例的结构示意图；
图2为本发明激光成丝切割装置另一实施例的结构示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0003368723070000021
Figure BDA0003368723070000031
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，若全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种激光成丝切割装置，参照图1和图2，包括沿光路方向依次设置的轴棱锥镜10、长焦距透镜20、振镜组件30和场镜40；所述轴棱锥镜10用于将准直光束转化为贝塞尔光束，所述长焦距透镜20使所述贝塞尔光束聚焦，所述振镜组件30用于控制所述贝塞尔光束偏转，所述场镜40用于将所述贝塞尔光束产生干涉，形成长焦深的线焦点。所述长焦距透镜20位于所述轴棱锥镜10的贝塞尔焦深末端，所述长焦距透镜20的聚焦点位于所述振镜组件30和场镜40之间。该激光成丝切割光路，克服了激光切割焦深短(一般小于1mm)的特点，本发明中激光成丝切割装置的焦深大于5mm.，可实现长焦深的切割，适用于较厚的工件材料。此外通过设置振镜组件30可用于控制贝塞尔光束的偏转，实现在投射面上控制光斑快速移动。振镜的运行速度一般可达到10m/s，例如型号为ExtraScan10的振镜。移动平台的移动速度较快的为200mm/s，例如型号为ONE-XY60的X-Y轴移动平台。振镜的控制光线偏转的效率是移动平台效率的50倍，进一步提升了激光切割的切割效率。
本发明通过设置包括轴棱锥镜10、长焦距透镜20、振镜组件30和场镜40的激光成丝切割装置，使激光束通过轴棱锥镜10转换成贝塞尔光束，再通过长焦镜头将贝塞尔光束投射在振镜组件30上，通过振镜组件30控制贝塞尔光束偏转，再通过场镜40使贝塞尔光束产生干涉，形成长焦深的线焦点。贝塞尔光束具备较长的焦深，贝塞尔光束经振镜组件30反射后通过场镜40，投射在工件表面，即使光束偏移使场镜40与投射点之间的距离发生变化，但投射点仍然处于焦深范围内，并不会影响切割效果。
在一实施例中，所述振镜组件30包括使所述贝塞尔光束在第一平面内偏转的第一振镜31，以及使所述贝塞尔光束在于所述第一平面垂直的第二平面内偏转的第二振镜32。在本实施例中，工件的表面为投影平面，第一平面与第二平面以及工件表面相互垂直构成一个坐标系。第一振镜31控制光斑在工件表面沿X轴方向移动，第二振镜32控制光斑在工件表面沿Y轴方向移动，由此实现对光斑在工件表面的坐标的控制。
在一实施例中，所述场镜40包括平场聚焦透镜，所述平场聚焦透镜接收所述贝塞尔光束，并将所述贝塞尔光束干涉线聚焦于待切割的工件表面。平场聚焦镜，也称场镜40、f-theta聚焦镜，是一种专业的透镜系统，目的是将激光束在整个打标平面内形成均匀大小的聚焦光斑。普通的单片凸透镜，只有光线垂直通过正中心才形成一个圆形的聚焦光斑。当光线倾斜射入普通的单片凸透镜光线时，也就是不同轴入射。这时聚集光斑一定是变形的。更重要的是，这时光线的焦点不是处于光线垂直时的焦点平面。焦距随着偏转角度变化，这样焦点位置也就变化。当振镜扫描时，使用平像场镜40时，可获得平场像面；在像差校正方面，可以补偿系统的场曲和畸变。
在一实施例中，轴棱锥镜是一种圆锥棱镜，由其α角和顶角定义。聚光透镜可以将光聚焦在光轴上的某一点，例如平凸透镜、双凸透镜或非球面透镜。锥透镜可以将光聚焦到光轴上的多个点，锥透镜产生的光束穿过光轴，当锥透镜到图像距离增大时，所形成的光环直径也将增大，而光环的厚度保持不变。该光束具有贝塞尔光束的特性，沿光束传播方向的光强分布不会发生改变，贝塞尔光束具备贝塞尔焦深。所述轴棱锥镜10的材料为熔融石英。具体而言，熔融石英以其较低的热膨胀系数，稳定的化学性能，在激光下具备较高的熔融温度。在一实施例中，所述激光成丝切割装置还包括镀于所述轴棱锥镜10表面的激光增透膜。具体而言，因为光波和机械波一样也具有干涉的性质，增透膜是利用光的干涉原理，膜的前表面与后表面反射的光发生干涉，减少反射光的强度，从而增加透射光的强度。
在一实施例中，激光成丝切割装置还包括设置在轴棱锥镜10的进光侧的扩束镜50，扩束镜50是能够改变激光束直径和发散角的透镜组件。从激光器发出的激光束具有一定的发散角，对于激光加工来说，只有通过扩束镜50的调节使激光束变为准直光束，才能利用聚焦镜获得细小的高功率密度光斑；在激光测距中，必须通过扩束镜50最大限度地改善激光的准直度才能得到理想的远距离测量效果；通过扩束镜50能改变光束直径以便用于不同的光学仪器设备；扩束镜50配合空间滤光片使用则可以使非对称光束分布变为对称分布，并使光能量分布更加均匀。
本发明还提出一种激光成丝切割装置，包括上述的激光成丝切割装置以及激光发生器60。所述激光发生器60发出的激光束包括高斯光束、平顶光束或多模光束。所述激光发生装置可为紫外激光器、绿光激光器和红外激光器。
在一实施例中，激光发生器60可以是皮秒激光器，该激光发生器60发出的激光包括：波长为355nm的紫外光、波长为532nm的绿光或波长为1064nm的红外光。
在一实施例中，扩束镜50可以是1到8倍扩束镜50。入射到轴棱锥镜10的光斑要小于8mm。轴棱锥镜10的锥角α＜30°。若取长焦距透镜20焦距为250mm。则长焦距透镜20与第一振镜和第二振镜的光程距离均小于250mm。则长焦距到场镜40的光程距离大于250mm。场镜40的焦距大于80mm。调整场镜40与振镜的距离可以得到不同的焦深，可切割不同厚度的加工材料。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光成丝切割装置，其特征在于，包括沿光路方向依次设置的轴棱锥镜、长焦距透镜、振镜组件和场镜；
所述轴棱锥镜用于将准直光束转化为贝塞尔光束，所述贝塞尔光束经所述长焦距透镜照射在所述振镜组件上，所述振镜组件用于控制所述贝塞尔光束偏转，所述场镜用于将所述贝塞尔光束的干涉线聚焦于工件上。
2.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述长焦距透镜位于所述轴棱锥镜的贝塞尔焦深末端，所述长焦距透镜的聚焦点位于所述振镜组件和场镜之间。
3.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述振镜组件包括使所述贝塞尔光束在第一平面内偏转的第一振镜，以及使所述贝塞尔光束在第二平面内偏转的第二振镜，所述第二平面与所述第一平面垂直。
4.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述激光成丝切割装置还包括激光发生器和扩束镜，所述激光发生器发射的激光经所述扩束器射入所述轴棱锥镜。
5.根据权利要求4所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述激光发生器发出的激光束包括高斯光束、平顶光束或多模光束，所述激光发生器产生的激光包括紫外光、红外光或绿光。
6.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述轴棱锥镜的锥角α＜30°。
7.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，入射到所述轴棱锥镜的激光束的光斑直径小于8mm。
8.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述场镜包括平场聚焦透镜，所述场镜的焦距大于80mm。
9.根据权利要求1所述的激光成丝切割装置，其特征在于，所述激光成丝切割装置还包括镀于所述轴棱锥镜表面的激光增透膜。
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