CN116967597A - 一种细棒轴向短距密集多排孔的激光聚焦装置 - Google Patents

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Nanjing Zhishengda Automation Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种细棒轴向短距密集多排孔的激光聚焦装置，主要是通过设置在分段拨滚空隙外侧的反射光学装置、聚焦镜片和分光装置的位置配合配合实现打孔；分光装置的输出光束经过反射面反射输出至聚焦镜片上，该反射面的输入、输出光束所构成的面与聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面平行；反射光学装置的输出光束或者该输出光束的平行光束，其穿过聚焦镜片中心时与聚焦镜片的中轴之间相交，投影在聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面上形成夹角α，α为0.1°‑8°或者1°‑3.8°。该设计可以利用现有的成熟分光装置的技术，实现多路分光，简化光路，降低成本，通过组合实现多排孔洞的设计。

Description

一种细棒轴向短距密集多排孔的激光聚焦装置
技术领域
本发明属于激光打孔技术领域，特别涉及一种细棒轴向短距密集多排孔的激光聚焦装置。
背景技术
中国专利201280060691.3揭示一种双倍长度卷烟其分切后形成常规的卷烟烟支，表面孔洞分布如下图1：图中所示的孔洞特别是抽吸时位于口腔内的出气孔，位于双倍长度烟支的过滤嘴棒连接区域，位于双倍长度烟支中点位置的±8mm范围内，即在16mm的轴向长度范围内实现大于4排的多排孔洞。
由于卷烟纸张材料对激光波长吸收的峰值在10.6微米左右，所以常规的卷烟烟支细棒激光打孔所采用的激光器都是CO2脉动式激光，光斑直径较大为7-12mm。
本公司专利技术方案，ZL200820041253.3揭示一种利用分光镜实现2排、3排孔的方法，具有简单可行成本低的特点，目前已经得到广泛的应用。按照此方案，可以采用分光镜+聚集镜片实现短距离内多排孔打孔。见图2a、图2b.1、图2b.2。
本公司的另一专利技术方案，ZL201620713647 .3揭示一种利用多聚焦头实现多排孔的应用，图2c。
从光学系统的技术来说，上述几个常规方案理论上是可行的，但是实际应用中两个反射镜采用不同的角度设置，增加了设计加工和安装调试的难度，另外两只聚焦镜片的组合，每个镜片直径至少19mm，再考虑空间安装时镜片的紧固构件还需要空间，所以整个聚焦装置至少需要55mm的宽度，因此，在已经实现过滤嘴进气孔的基础上，再希望获得图1所示的口腔内出气聚焦孔图，在一个狭窄的空间内，图2所示的方案是不可行的。
另外，上述方案采用了50%透射/反射镜片，并设定了非45°的反射角，这增加了分光镜片的设计、镀膜难度，降低了分光的精度。另外，非45°的反射角度设定使得多排入射光束中的远离聚集镜片聚焦中心的激光焦点与靠近聚集镜片聚焦中心的激光焦点相比，出现焦距不等即离焦的现象，从而造成孔洞大小、透气度、孔洞深浅不一致的情况发生。因此，该方案理论上可行，实际运行时穿孔精度下降，很难满足工艺要求。
可见，对于上述如此的狭小空间、短距离内需要实现多排孔洞的设置，现有的方案显然无法适用。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种细棒轴向短距密集多排孔的激光聚焦装置，从而克服上述现有技术中的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，包括运输卷烟烟支的鼓状旋转轮和设于鼓状旋转轮圆周外侧的分段拨滚，在分段拨滚间隙外侧设有用于将激光汇聚至双倍长烟支表面的聚集装置，在聚集装置的左、右两侧分别设有分光装置；（需要说明的是外侧是指能够实现该光路功能的任意位置，可以是分段拨滚间隙的正上方、斜上方、水平方、斜下方等位置）。
聚集装置主要由具有两个反射面的反射光学装置和聚焦镜片组成，所述分光装置设置在反射光学装置两个反射面的入射光路上，所述反射面用于将分光装置的出射光反射至聚焦镜片上；两个反射面中心的法线相交且相互垂直，两个反射镜面中心的法线与聚焦镜片的轴线的夹角为45°；
分光装置的输出光束经过反射面反射输出至聚焦镜片上，该反射面的输入、输出
光束所构成的面与聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面平行。
所述反射光学装置的输出光束或者该输出光束的平行光束，其穿过聚焦镜片中心时与聚焦镜片的中轴之间相交，投影在聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面上形成夹角α，α为0.5°- 8°，优选1°-3.8°
如此设置，当选择聚焦镜片的焦距F在45-120mm范围内时，构成吸嘴距离首排孔之间距离h=0.4-5mm。
h（min）=F*Tanα=45*Tan（0.5°）=0.4mm。
h（max）=F*Tanα=120*Tan（5°）=10.4mm。
根据透镜聚焦的特点，当α=0时，左右两侧的输出光束1组和2组经棱角镜或反射镜组反射后，所形成的光束与聚焦镜片的主光轴平行，均聚焦在透镜焦平面与主光轴的交汇点处，从而无法实现多排孔的聚焦。
当且α≠0为（0.1°-8°）时，左右两侧的输出光束1组、输出光束2组分别聚焦在透镜的焦平面与主光轴的交汇点的右侧和左侧。
对多排孔的方案时，分别设置每一束输出光束的角度α，即可实现聚焦点在主光轴两侧不同位置的分布。
由于α较小，使得不同输出光束的α1、α2、α3所造成的聚焦距离变化较小，从而不影响穿孔的参数。
本文记载的分光装置具有单束输出光束、双束输出光束以及三束输出光束的转换功能，具体结构参考申请人在先申请的专利技术方案200820041253.3揭示一种利用分光镜实现2排、3排孔的方法已经进行了描述。
优选地，上述技术方案中，反射光学装置为棱角镜或者两片反射镜，所述棱角镜包含两个左右对称设置的反射面构成，所述棱角镜或者两片反射镜对称倒立设置在聚集镜片入射光路上，所述棱角镜的左右侧反射镜镜面中心的法线相交且相互垂直，所述反射镜组的两片反射镜片中心的法线相交且相互垂直。
优选地，上述技术方案中，分光装置可以有多个，多个分光装置对称分布在反射光学装置的两个反射面外侧，位于反射光学装置同侧的分光装置或者上下平行分布或者左右平行分布。
当分光装置输出两束或者两束以上光束时，该光束经过反射面反射至聚焦镜片上，两束或者两束以上输出光束所构成的光束平面与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的平面相互平行；
当分光装置只输出一束光束时，该输出光束经过反射面反射至聚焦镜片上，该输出光束与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的面平行；
优选地，上述技术方案中，聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置左右分布构成的平面-3与聚焦镜的焦平面-2平行设置，其输出光分置于反射镜面法线投影的两侧，如此设置使得所有分光装置的出射光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
优选地，上述技术方案中，聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置上下分布构成的平面-4与平面-1平行，如此设置使得所有分光装置的出射光均位于同一平面-4内，该平面-4与平面-1平行，每束光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
优选地，上述技术方案中，当平面-4与平面-1重合。如此设置，使得所有分光装置输出的所有光束，每束光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
优选地，上述技术方案中，平面-3与平面-2平行时，第1分光装置输出的所有光束均位于平面-5内、第3分光装置3输出的所有光束均位于平面-6内、第2分光装置输出的所有光束均位于平面-7内、第4分光装置输出的所有光束均位于平面-8内，平面-5、平面-6、平面-7和平面-8相互平行，且与平面1平行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
可以利用现有的成熟分光装置的技术，实现多路分光，简化光路，降低成本，通过组合实现多排孔洞的设计。
光路设计均采用45°入射的设计，特别对于50%透射反射镜片来说，如此的设置保证了分光的精度。
棱角镜或者双面反射镜+聚焦镜片的组合，减小了聚焦装置所占用的空间体积，使得在线激光穿孔成为可能。
附图说明
图1为多排打孔的双倍长烟支示意图；
图2a一种常规的分光装置；
图2b.1利用分光装置实现短距多排孔的技术方案示意图；
图2b.2利用分光装置实现短距多排孔的技术方案示意图；
图2c一种利用多个聚焦镜片实现多排孔的应用示意图
图3a和图3b为本申请的基本结构示意图；
图4a和图4b为分光装置输出光束经过棱角镜反射的光路示意图；
图5a和图5b为两片反射镜片对应多个分光装置的光路示意图；
图6a和图6b为一种多分光装置时空间位置关系示意图；
图7a和图7b为另一种多分光装置时空间位置关系示意图；
图8a和8b为聚焦装置设置在鼓状旋转轮不同角度时的实施案例示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护 范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或 组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
实施例
一种在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，包括运输卷烟烟支的鼓状旋转轮和设于鼓状旋转轮圆周外侧的拨滚，聚集装置和两个左右分置的分光装置组，激光光源。
聚集装置包括一棱角镜+一聚集镜片（图3a）或者反射镜组+一聚集镜片（图3b）构成，棱角镜包含两个左右对称设置的反射面构成，反射镜组由左右对称设置的两片反射镜片构成。
棱角镜或者反射镜组对称倒立设置在聚集镜片入射光路上，棱角镜的左右侧反射镜镜面中心的法线相交且相互垂直。
反射镜组的两片反射镜片中心的法线相交且相互垂直。
棱角镜或者反射镜组的两个反射镜面中心的法线与聚焦镜片的轴线的夹角为45°；
两个分光装置组（参见图3a图3b图5b图5b），分别由分光装置1、分光装置3组成第一组，分光装置2、分光装置4组成第二组，第一组和第二组分别位于棱角镜或者反射镜组左右两侧反射镜的入射光的一侧，激光光源发出的光束，经分光装置后，再经棱角镜或者反射镜组反射后，经过聚焦镜片汇聚在卷烟表面。
分光装置1与分光装置2的输出光束1组或/和3组以及分光装置3与分光装置4的输出光束2组或/和4组，为分设在棱角镜或者反射镜组的左右且对称设置，且输出光束1组或/和3组和输出光束2组或/和4组中的每一束光经棱角镜或者反射镜组反射后，所形成光束的光轴与聚焦镜片的中轴之间均存在一相互不等的夹角α（参见图4a，图4b），且α≠0其范围±（0.1°-8°），当然最佳的范围是1°-3.8°。
如此设置，当选择聚焦镜片的焦距F在45-120mm范围内时，构成吸嘴距离首排孔之间距离h=0.4-5mm。
h（min）=F*Tanα=45*Tan（0.5°）=0.4mm。
h（max）=F*Tanα=120*Tan（5°）=10.4mm。
注：根据透镜聚焦的特点，当α=0时，左右两侧的输出光束1组和2组经棱角镜或反射镜组反射后，所形成的光束与聚焦镜片的主光轴平行，均聚焦在透镜焦平面与主光轴的交汇点处，从而无法实现多排孔的聚焦。
当且α≠0为（0.1°-8°）时，左右两侧的输出光束1组、输出光束2组分别聚焦在透镜的焦平面与主光轴的交汇点的右侧和左侧。
对多排孔的方案时，分别设置每一束输出光束的角度α，即可实现聚焦点在主光轴两侧不同位置的分布。
由于α较小，使得不同输出光束的α1、α2、α3所造成的聚焦距离变化较小，从而不影响穿孔的参数。
4个分光装置对称分布在反射光学装置的两个反射面外侧，位于反射光学装置同侧的分光装置或者上下平行分布（参见图5a）或者左右平行（参见图5b）分布；
当一分光装置输出两束或者两束以上光束时，该光束经过反射面反射至聚焦镜片上，两束或者两束以上输出光束所构成的光束平面与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的面平行。
当一分光装置只输出一束光束时，该输出光束经过反射面反射至聚焦镜片上，该输出光束与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的面平行
聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置左右分布构成的平面-3与聚焦镜的焦平面-2平行设置，其输出光分置于反射镜面法线投影的两侧，如此设置使得所有分光装置的出射光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。（见图7）。
聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置上下分布构成的平面-4与平面-1平行，如此设置使得所有分光装置的出射光均位于同一平面-4内，该平面-4与平面-1平行，每束光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。（见图6）。
当同一分光装置组内的分光装置1与分光装置3、分光装置2与分光装置4均位于平面-4内，该平面-4与平面-1平行且重合时，所述分光装置1、分光装置2、分光装置3和分光装置4的所有输出光束均位于平面-4范围内。如此设置，使得所有分光装置输出的所有光束，均能够聚焦在烟支表面的同一条线上。
当同一分光装置组内的分光装置1与分光装置3、分光装置2与分光装置4位于同一平面-3内，该平面-3与平面-2平行时，所述分光装置1输出的所有光束均位于平面-5内、所述分光装置3输出的所有光束均位于平面-6内、所述分光装置2输出的所有光束均位于平面-7内、所述分光装置4输出的所有光束均位于平面-8内，所述平面-5、平面-6、平面-7和平面-8相互平行，且与平面1平行。
如此设置，使得所有分光装置输出的所有光束，均能够聚焦在烟支表面的同一条线上。
实施例
请参见图2，这是基于实施例1的一个拓展结构，主体结构请参考实施例1，实施例2主要用于说明聚集装置在其他位置也是能够实现本申请想要实现的功能，例如可以是分段拨滚间隙的正上方、正下方、斜上方、水平方、斜下方等位置，并不局限于正上方。
本方案实施后，具有以下优点：
可以利用现有的成熟分光装置的技术，实现多路分光，简化光路，降低成本，通过组合实现多排孔洞的设计。
光路设计均采用45°入射的设计，特别对于50%透射反射镜片来说，如此的设置保证了分光的精度。
棱角镜或者双面反射镜+聚焦镜片的组合，减小了聚焦装置所占用的空间体积，使得在线激光穿孔成为可能。
本文记载的分光装置具有单束输出光束、双束输出光束以及三束输出光束的转换功能，具体结构参考申请人在先申请的专利技术方案200820041253.3揭示一种利用分光镜实现2排、3排孔的方法已经进行了描述。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，包括运输卷烟烟支的鼓状旋转轮和设于鼓状旋转轮圆周外侧的分段拨滚，其特征在于：分段拨滚间隙的外侧设有用于将激光汇聚至双倍长烟支表面的聚集装置，在聚集装置的左、右两侧分别设有分光装置；所述聚集装置主要由具有两个反射面的反射光学装置和聚焦镜片组成，所述分光装置设置在反射光学装置两个反射面的入射光路上，所述反射面用于将分光装置的出射光反射至聚焦镜片上；两个反射面中心的法线相交且相互垂直，两个反射镜面中心的法线与聚焦镜片的轴线的夹角为45°；
分光装置的输出光束经过反射面反射输出至聚焦镜片上，该反射面的输入、输出光束所构成的面与聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面平行；
所述反射光学装置的输出光束或者该输出光束的平行光束，其穿过聚焦镜片中心时与聚焦镜片的中轴之间相交，投影在聚焦镜片的中轴与反射面中心的法线所构成的面上形成夹角α，α为0.1°- 8°或者1°-3.8°。
2.根据权利要求1所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：反射光学装置为棱角镜或者两片反射镜，所述棱角镜包含两个左右对称设置的反射面构成，所述棱角镜或者两片反射镜对称倒立设置在聚集镜片入射光路上，所述棱角镜的左右侧反射镜镜面中心的法线相交且相互垂直，所述反射镜组的两片反射镜片中心的法线相交且相互垂直。
3.根据权利要求1或2所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：聚焦镜片焦距F优选为45-120mm。
4.根据权利要求1所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：分光装置可以有多个，多个分光装置对称分布在反射光学装置的两个反射面外侧，位于反射光学装置同侧的分光装置或者上下平行分布或者左右平行分布；
当一分光装置输出两束或者两束以上光束时，该光束经过反射面反射至聚焦镜片上，两束或者两束以上输出光束所构成的光束平面与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的面平行。
5.当一分光装置只输出一束光束时，该输出光束经过反射面反射至聚焦镜片上，该输出光束与聚焦镜片的中轴和反射面中心的法线所构成的面平行。
6.根据权利要求4所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置左右分布构成的平面-3与聚焦镜的焦平面-2平行设置，其分光分置于反射镜面法线投影的两侧，如此设置使得所有分光装置的出射光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
7.根据权利要求4所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：所述聚焦镜的中轴与反射光学装置的反射面中心的法线所构成的面平行构成平面-1，聚焦镜的焦平面为平面-2，
同一侧的两个分光装置上下分布构成的平面-4与平面-1平行，如此设置使得所有分光装置的出射光均位于同一平面-4内，该平面-4与平面-1平行，每束光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
8.根据权利要求6所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：当平面-4与平面-1重合。如此设置，使得所有分光装置输出的所有光束，每束光束经过聚焦镜片后均汇聚在平面-1内的烟支轴向表面。
9.根据权利要求5所述的在线卷烟轴向短距离密集多排孔的激光聚焦装置，其特征在于：平面-3与平面-2平行时，第1分光装置输出的所有光束均位于平面-5内、第3分光装置3输出的所有光束均位于平面-6内、第2分光装置输出的所有光束均位于平面-7内、第4分光装置输出的所有光束均位于平面-8内，平面-5、平面-6、平面-7和平面-8相互平行，且与平面1平行。
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