CN205844652U - 一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，包括两片二分束棱镜、两片楔形镜和消像差聚焦镜组，各镜片中心同轴，在轴对称平行或近平行光束入射下，依次经过两片分束棱镜分束、两片楔形镜偏向及消像差聚焦镜组聚焦，通过改变两片二分束棱镜棱间夹角，旋转两片楔形镜，能够实现焦平面上一定范围内任意单焦点、间距与方向可变双焦点、单焦点扫描图形、间距与方向可变双焦点扫描图形等多种功能的激光加工。本实用新型结构设计新颖，通过采用二分束棱镜与楔形镜组合，基于二分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于楔形镜旋转扫描特性，实现了一种具备多种激光加工功能的光学系统，极大程度提高了激光加工质量与加工效率。

Description

一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统

技术领域

本实用新型涉及激光加工领域，具体为一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统。

背景技术

工业激光加工行业包括激光切割、焊接、打标、钻孔、微加工、熔覆、淬火、表面处理等各方面，涵盖了各类常用金属或非金属材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打标、钻孔等激光加工行业对激光束多样性的要求更具代表性。

激光焊接，从最初的单焦点焊接，到后面衍生的双焦点焊接、三焦点焊接等，目的是为了获得更好焊接效果与质量，双焦点焊接是激光束经过特殊整形后，聚焦出两束能量相同、大小一致的光斑，分别对称落在焊缝两边来进行加工的工艺方式，三焦点焊接通常是在双焦点焊接基础上，引入另一焦点对待焊接或焊接后的焊缝进行预处理或后处理。

随着激光加工工业的逐步成熟以及各行业对激光加工的不同工艺需求，激光焊接中不仅有点焊，还出现了如C型焊，线型焊，S型焊等多种焊接工艺，其目的是提高焊接质量的同时，还改善美观，这些类多样性的焊接工艺，仅仅靠机床运作是远远不够的，而楔形镜扫描系统、振镜扫描系统的高速特性优势在这方面体现得淋漓尽致。

楔形镜扫描系统，通常是由双片式具有一定小角度楔角的楔形镜与消像差聚焦镜组或非球面镜组成，通过算法调整楔形镜转速与旋转方向，可以实现一定范围内的任意图形扫描，这不仅仅在激光焊接上能满足各类工艺条件，在激光打标上也独树一帜。尤其的，旋转楔形镜扫描在激光钻孔也独具优势，如圆孔、椭圆孔以及各种异形孔，通过再引入较大角度的楔形镜组，甚至可获得单锥孔、双锥孔、圆柱孔等多种激光微加工工艺。

但是，随着激光加工工艺的日趋发展，获得更高效率的激光加工是大势所趋，比如激光焊接，单焦点楔形镜扫描系统由于电机选型限制，在高速乃至超高速上十分受限，且机械装配因素影响，用于楔形镜的电机在高速旋转过程中，容易出现过热现象，精度随着转速的增大而降低，这极大程度上影响旋转楔形镜性能优势。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，包括第一二分束棱镜、第二二分束棱镜、第一楔形镜、第二楔形镜和消像差聚焦镜组，所述第一二分束棱镜、第二二分束棱镜、第一楔形镜、第二楔形镜、消像差聚焦镜组中心同轴。

优选的，所述第一二分束棱镜、第二二分束棱镜棱角相同，均为平凸形分束棱镜。

优选的，所述第一楔形镜、第二楔形镜楔角相同。

优选的，所述消像差聚焦镜组为球面镜组合。

优选的，所述第一二分束棱镜入射光束采用轴对称光斑分布的平行或近平行光。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型结构设计新颖，通过采用二分束棱镜与楔形镜组合，基于二分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于楔形镜旋转扫描特性，实现了一种具备多种激光加工功能的光学系统，尤其在单焦点、单焦点扫描图形的各类激光应用上，提供了双焦点同时同步加工应用，极大程度提高了激光加工质量与加工效率。

附图说明

图1为本实用新型光学系统镜片结构示意图；

图2为本实用新型的二分束棱镜立体图；

图3为本实用新型的实施例一光路传输示意图；

图4为本实用新型的实施例二等效光路传输示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，包括第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2、第一楔形镜3、第二楔形镜4和消像差聚焦镜组5，第二二分束棱镜2结构与第一二分束棱镜1相似，皆是平凸形镜片，所有镜片均设计为圆形，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2、第一楔形镜3、第二楔形镜4、消像差聚焦镜组5镜片中心同轴，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱角相同，均为平凸形分束棱镜，放置方向为棱相对或棱相向，第一楔形镜3、第二楔形镜4楔角相同，镜面放置朝向任意，基于镜片对激光束反射、折反射对激光器的影响，消像差镜组5可以是球面镜组，也可以选择非球面镜或镜组。

本实施例中，还包括入射光束6，入射光束6采用轴对称光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6经过第一二分束棱镜1分成两束汇聚后又发散的平行光束，两束平行光束汇聚后一段距离，经过第二二分束棱镜2形成相互平行的两束光，此时第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2之间的分束棱相互平行，经过第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2后的光束再经由第一楔形镜3、第二楔形镜4偏向，最后由消像差聚焦镜组5聚焦，聚焦焦面上存在一个聚焦光斑，且焦点附近存在一段一定长度的实心聚焦段。

当其他镜片不动，第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定角度值旋转到相应方向后静止，实现了聚焦面一定范围内单点聚焦。

当其他镜片不动，第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转时，聚焦焦面形成对应需求的扫描轨迹，实现了楔形镜单焦点扫描。

当第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定角度值旋转到相应方向后静止，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间锐角平分线的双焦点，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现了聚焦面一定范围内双点聚焦。

当第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转时，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间锐角平分线的双焦点扫描，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点的改变以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现楔形镜双焦点扫描。

扫描过程中，当第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱间夹角调整好后并静止，双焦点扫描图形的激光加工，任意过程中两焦点间距一致，连线方向不变，并且不会影响和改变楔形镜自身扫描所需要获得图形规格尺寸。

实施例二：

请参阅图4，本实施例提供一种与实施例一等效的技术方案：包括第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8、第一楔形镜3、第二楔形镜4和消像差聚焦镜组5，第三二分束棱镜7为平凹形，第四二分束棱镜8为平凸形，所有镜片均为圆形，第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8、第一楔形镜3、第二楔形镜4、消像差聚焦镜组5镜片中心同轴，第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8棱角之和为180°，放置方向为棱相对或棱相向，第一楔形镜3、第二楔形镜4楔角相同，镜面放置朝向任意，基于镜片对激光束反射、折反射对激光器的影响，消像差镜组5可以是球面镜组，也可以选择非球面镜或镜组。

本实施例中，还包括入射光束6，入射光束6采用轴对称光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6经过第三二分束棱镜7分成两束发散的平行光束，方向发散的平行光束经过第四二分束棱镜8形成相互平行的两束光，此时第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8之间的分束棱相互平行，经过第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8后的光束再经由第一楔形镜3、第二楔形镜4偏向，最后由消像差聚焦镜组5聚焦，聚焦焦面上存在一个聚焦光斑，且焦点附近存在一段一定长度的实心聚焦段。

当其他镜片不动，第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定角度值旋转到相应方向后静止，实现了聚焦面一定范围内单点聚焦。

当其他镜片不动，第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转时，聚焦焦面形成对应需求的扫描轨迹，实现了楔形镜单焦点扫描。

当第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定角度值旋转到相应方向后静止，第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8棱间锐角平分线的双焦点，第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现了聚焦面一定范围内双点聚焦。

当第一楔形镜3、第二楔形镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转时，第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8棱间锐角平分线的双焦点扫描第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点的改变以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现楔形镜双焦点扫描。

扫描过程中，当第三二分束棱镜7、第四二分束棱镜8的棱间夹角调整好后并静止，双焦点扫描图形的激光加工，任意过程中两焦点间距一致，连线方向不变，并且不会影响和改变楔形镜自身扫描所需要获得图形规格尺寸。

两种实施例中，各镜片的旋转步骤并不受上述描述限制，所有旋转以光轴为基准，即绕光轴旋转，根据不同波长的激光器，需进行相应的光学处理，来获得轴对称光斑分布的平行光束或近平行光束。另外，所有镜片外形、尺寸以及镜间距、放置方向根据设计确定，并不受结构示意图限制，镜片材料及镀膜以激光器波长为依据。

本实用新型结构设计新颖，通过采用二分束棱镜与楔形镜组合，基于二分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于楔形镜旋转扫描特性，实现了一种具备多种激光加工功能的光学系统，尤其在单焦点、单焦点扫描图形的各类激光应用上，提供了双焦点同时同步加工应用，极大程度提高了激光加工质量与加工效率。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，其特征在于：包括第一二分束棱镜、第二二分束棱镜、第一楔形镜、第二楔形镜和消像差聚焦镜组，所述第一二分束棱镜、第二二分束棱镜、第一楔形镜、第二楔形镜、消像差聚焦镜组镜片中心同轴。

2.根据权利要求1所述的一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，其特征在于：所述第一二分束棱镜、第二二分束棱镜棱角相同，均为平凸形分束棱镜。

3.根据权利要求1所述的一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，其特征在于：所述第一楔形镜、第二楔形镜楔角相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，其特征在于：所述消像差聚焦镜组为球面镜组合。

5.根据权利要求1所述的一种基于二分束棱镜与楔形镜组合光学系统，其特征在于：所述第一二分束棱镜入射光束采用轴对称光斑分布的平行或近平行光。