CN207326176U - 在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统。本系统包括激光系统、CCD成像系统、测温系统、功率反馈系统等四个光路的光学系统。本实用新型采用多波长分光镜使激光、CCD成像光信号、温度光信号光路实现同轴传输。该系统具有设计合理、构思新颖、工艺规范、结构紧凑、方便调节、适宜工业化批量生产，可广泛应用于电子焊接、胶水固化等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种新型激光聚焦系统，特别是设计一种在线同轴测温，功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统。
背景技术
目前，光纤耦合激光器被广泛应用于工业焊接、切割、固化等领域，但是光纤直径一般比较小，光纤端面功率密度非常高，在工业加工环境下，如果光纤直接作用在被加工面上，光纤表面很容易被污染，导致光纤被烧毁；因此在工业应用场合，都会采用激光聚焦头，通过成像，使激光聚焦于聚焦头后一定距离，同时也能够对光纤起保护作用。工业加工中，为了观察被加工工件，往往需要成像光信号输出，加装CCD(电荷耦合器件)，进行检测甚至定位控制；同时有些被加工工件对温度较敏感，为了达到最好的加工效果，需要检测加工位置的实时加工温度，甚至通过探测被加工工件的温度结合温度反馈系统实时控制照射在工件表面的激光功率以达到控制加工实时温度的目的；再一方面，为了了解工件加工的实时动态，加入功率计检测激光功率，使整个流程的掌控更加具体。一般情况下，聚焦头、CCD、温度测量和功率反馈系统是分立的，不仅体积大，而且调节精度也要求非常高。
实用新型内容
为了适应工业加工中实时成像观测，温度控制和功率检测的需要，使光纤耦合激光器能够更广泛更稳定的应用于工业加工、制造等领域，本实用新型设计一种新的结构，能够使激光聚焦系统实现在线同轴测温，同轴功率检测以及同轴成像的功能。不仅体积小巧，而且精度、稳定性、同一性得到根本性提高。
本实用新型的技术构思是，根据激光、CCD成像、温度探测三个光路所采用的光波波长的不同，采用分光镜，实现同轴测温成像；三个光路中部分光路共用同一路径，使CCD成像点、激光聚焦点、测温点重合；激光光路与成像系统内部采用先准直为平行光，再聚焦的设计方式，使激光聚焦点光斑大小与激光出纤光斑大小的比例可控；由于分光镜无法做到对某一波长的光完全反射或透射，故在微弱透射部分加入功率计作为功率反馈光路进行功率检测。此结构能够实现激光光路、CCD成像系统、测温光路等光路同轴。具体技术实施方案如下：
由CCD成像光路系统、温度探测光路系统、功率反馈系统和激光聚焦系统构成，准直系统由多个镜片组组成；准直系统和第一聚焦镜沿激光光路光轴构成激光聚焦系统；调节镜、第一聚焦镜、照明系统、第一多波长分光镜和第二多波长分光镜沿CCD成像光路光轴构成CCD成像系统，将加工点的图像成像于CCD接收平面，多波长分光镜实现激光与可见光同轴传播；第二聚焦镜、第一多波长分光镜和第二多波长分光镜、第一聚焦镜沿探温光路光轴构成温度探测系统，将温度的光信号采集到温度探测器上，多波长分光镜实现不同波长光信号的分光比不同。
第二多波长分光镜位于激光光路光轴和CCD成像光路光轴上，实现激光和可见光的同轴传输。
第二多波长分光镜位于激光光路光轴、CCD成像光路光轴和温度探测光路光轴上，实现激光、可见光和温度光信号的同轴传输。
所有光学透镜，包括第二聚焦镜、第三聚焦镜、调节镜、第一聚焦镜、准直系统是单透镜，或者是组合透镜，或多个透镜系统组成的等效透镜。
第一聚焦镜的材料必须是同时能透过可见光、近红外和中红外的材料。
第一多波长分光镜、第二多波长分光镜镀多层膜，对激光，温度光信号以及成像光信号的分光能力不同。
温度光信号、激光、CCD成像信号在聚焦镜前为共轴系统；合束方式是温度光信号和激光的合束、或者是温度光信号和CCD成像信号的合束、或者是CCD成像信号和激光的合束、或者是温度光信号、激光和CCD成像信号的合束。
在一定的工作距离上，激光斑点的大小通过调节组成激光准直系统的全部或部分透镜和光纤端面的相对距离来实现。
所述温度光信号为中红外波段。
本实用新型的有益效果是将激光传输、CCD成像和温度探测实现同轴传输，四个功能用同一套装置实现，整体体积小巧，适用于工业焊接、切割、固化等各种场合。
附图说明
图1所示为同轴测温成像的激光聚焦系统原理图。
具体实施方式
如图1所示，由CCD成像光路系统、温度探测光路系统、功率反馈系统和激光聚焦系统构成，准直系统23由多个镜片组组成；其作用是将从光纤12出来的发散激光准直为近似平行光；反射镜16和第二多波长分光镜10作用是改变光路方向，且第二多波长分光镜10由多层膜组成实现对多波长不同效果的分光；聚焦系统是聚焦镜22，此聚焦镜可以由单个或多个镜片组构成，其作用是将准直后的近似平行光聚焦到加工点17。
CCD成像系统由准直系统23和第一聚焦镜22沿激光光路光轴24构成1：1激光聚焦系统；调节镜20、第一聚焦镜22、照明系统11、第一多波长分光镜9和第二多波长分光镜10沿CCD成像光路光轴21构成，CCD成像系统的作用是将加工点17的图像成像于CCD 5接收平面，多波长分光镜10实现激光与可见光同轴传播。沿光轴21前后调节调节镜20，可以在CCD5接收平面形成清晰的加工点17的像。第二多波长分光镜10位于激光光路光轴24和CCD成像光路光轴21上，实现激光和可见光的同轴传输；
温度探测系统由第二聚焦镜3、第一多波长分光镜9和第二多波长分光镜10、第一聚焦镜22沿探温光路光轴18构成，其作用在于将温度的光信号采集到温度探测器1上，第一多波长分光镜9实现不同波长光信号的分光比不同。第一多波长分光镜9和第二多波长分光镜10分别镀多层膜，对激光，温度光信号以及成像光信号的分光能力不同。
温度光信号、激光、CCD成像信号在聚焦镜22前为共轴系统；合束方式是温度光信号和激光的合束、或者是温度光信号和CCD成像信号的合束、或者是CCD成像信号和激光的合束、或者是温度光信号、激光和CCD成像信号的合束。
在一定的工作距离上，激光斑点的大小通过调节组成激光准直系统23的全部或部分透镜和光纤12端面的相对距离来实现。温度光信号为中红外波段。
沿光轴18前后调节聚焦镜3可以将温度光信号采集到温度探测器上；多波长分光镜10位于激光光路光轴24、CCD成像光路光轴21和温度探测光路光轴18上，实现激光、可见光和温度光信号的同轴传输；温度光信号波长为中红外波段，范围包括但不限于2-15微米；温度探测器测量温度可以使用基于温度光信号的辐射波长和温度的对应关系测量，也可基于温度光信号的辐射强度和温度的对应关系测量；
功率反馈光路由聚焦镜4、多波长分光镜10、反射镜16和准直系统23组成，其作用是将激光信号功率采集到功率计2上；沿光轴19前后调节聚焦镜4可以将激光信号功率采集到功率计上，多波长分光镜10位于功率反馈光路光轴19、激光光路光轴上，准直系统23由单个或多个镜片组构成，其作用是将从光纤12出来的发散激光准直为近似平行光。
所有光学透镜3、4、20、22、23都可以是单透镜，也可以是组合透镜或多个透镜系统组成的等效透镜；
聚焦透镜22的材料必须是同时可以透过可见光、近红外和中红外的材料，比如ZnSe(硒化锌)等；
本实用新型是利用多波长分光镜将激光、可见光、测温光信号实现同轴传播，从而实现一个聚焦头实现激光聚焦、CCD观测、温度探测、功率检测四个功能。
Claims (9)
1.一种在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，由CCD成像光路系统、温度探测光路系统、功率反馈系统和激光聚焦系统构成，其特征在于：准直系统(23)由多个镜片组组成；准直系统(23)和第一聚焦镜(22)沿激光光路光轴(24)构成激光聚焦系统；调节镜(20)、第一聚焦镜(22)、照明系统(11)、第一多波长分光镜(9)和第二多波长分光镜(10)沿CCD成像光路光轴(21)构成CCD成像系统，将加工点(17)的图像成像于CCD(5)接收平面，多波长分光镜(10)实现激光与可见光同轴传播；第二聚焦镜(3)、第一多波长分光镜(9)和第二多波长分光镜(10)、第一聚焦镜(22)沿探温光路光轴(18)构成温度探测系统，将温度的光信号采集到温度探测器(1)上，多波长分光镜(9)实现不同波长光信号的分光比不同。
2.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，第二多波长分光镜(10)位于激光光路光轴(24)和CCD成像光路光轴(21)上，实现激光和可见光的同轴传输。
3.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，第二多波长分光镜(10)位于激光光路光轴(24)、CCD成像光路光轴(21)和温度探测光路光轴(18)上，实现激光、可见光和温度光信号的同轴传输。
4.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，所有光学透镜，包括第二聚焦镜(3)、第三聚焦镜(4)、调节镜(20)、第一聚焦镜(22)、准直系统(23)是单透镜，或者是组合透镜，或多个透镜系统组成的等效透镜。
5.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，第一聚焦镜(22)的材料必须是同时能透过可见光、近红外和中红外的材料。
6.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，第一多波长分光镜(9)、第二多波长分光镜(10)镀多层膜，对激光，温度光信号以及成像光信号的分光能力不同。
7.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，温度光信号、激光、CCD成像信号在聚焦镜(22)前为共轴系统；合束方式是温度光信号和激光的合束、或者是温度光信号和CCD成像信号的合束、或者是CCD成像信号和激光的合束、或者是温度光信号、激光和CCD成像信号的合束。
8.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，在一定的工作距离上，激光斑点的大小通过调节组成激光准直系统(23)的全部或部分透镜和光纤(12)端面的相对距离来实现。
9.根据权利要求1所述的在线同轴测温、功率检测以及同轴成像的激光聚焦系统，其特征是，所述温度光信号为中红外波段。
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|---|---|---|---|---|
| CN109352115A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-02-19 | 武汉雷英激光科技有限公司 | 一种恒温高速精密激光锡焊机及其控制方法 |
| CN113664369A (zh) * | 2021-07-22 | 2021-11-19 | 深圳泰德激光科技有限公司 | 激光焊接系统、方法、控制器及计算机可读存储介质 |
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