CN2216443Y - 激光加工机的变焦距光学聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型为一种长工作距离短焦距激光加工机的变焦距光学聚集系统。它是由激光工作物质(1)，装有位移调节装置的发散物镜(2)和聚光物镜(3)，以及工作聚焦物镜(4)在光路方向依次排列组成。其特点是调焦时，只需移动发散物镜(2)和聚光物镜(3)，而工作聚焦物镜(4)与工件之间的工作距离保持不变。本实用新型同时设计有内部照明系统和闭路电视系统。

Description

激光加工机的变焦距光学聚焦系统。
本实用新型涉及一种激光加工机的变焦距光学聚焦系统。
目前使用的激光加工机的光学系统，都采用置换不同焦距的聚焦物镜(4″)的方法来解决光学系统变焦距的光学聚焦问题(图2)，由于激光聚焦点的大小与光学系统组合焦距的长短成正比，而聚焦点的激光能量与光学系统的组合焦距平方成反比，因而短焦距能有效地提高激光加工的生产率，但对于前述的光学系统，其工作距离因焦距短亦短，由于激光加工中会产生工件气化，其高温气化介质因工作距离短而极易粘附于聚焦物镜(4″)表面，造成聚焦物镜(4″)因激光不能通过而丧失工作性能，显然，短焦距长工作距离的变焦距光学聚焦系统成功地克服了上述诸缺点。
现在使用的长工作距离短焦距的连续变焦距光学聚焦系统(图三)，由激光工作物质(1)、发散物镜(2)、聚光物镜(3)、扩束物镜(4′)，45°激光全反镜(5)，聚焦物镜(4″)及工件台(15)组成。光学系统的变焦距用聚光物镜(3)在光路上位移来控制，但此时，工件台(15)也需相应地在光路上位移来适应光学系统合成焦点的变动。另外，现在使用的光学聚焦系统的观察光学系统采用外部照明的斜照明，斜照明造成被照明工件形象失真，易造成难于排除的加工质量误导，并给电子计算机控制激光加工过程造成误判断。
针对上述不足，本实用新型的目的是提供一种长工作距离短焦距，在连续变焦距以决定最佳焦距的过程中工件台在光路方向不需位移的、操作简便、性能可靠、并能提高激光加工质量的激光加工机的变焦距光学聚焦系统。
本实用新型的技术方案。
激光加工机的变焦距光学聚焦系统，由激光工作物质(1)，发散物镜(2)，装有位移调节装置的聚光物镜(3)，工作聚焦物镜(4)在光路方向依次排列组成，为使在激光加工机连续变焦过程中，工作聚焦物镜(4)至工件台(15)的工作距离固定，在发散物镜(2)上装有位移调节装置，用发散物镜(2)在光路上的位移替代工件台(15)在光路上的位移，调焦机械装置可设计为连动的。变焦距时调节光学系统的机械连动控制装置，使聚光物镜(3)在光路上位移，同时又相应地连带变动发散物镜(2)在光路上位移。
为使光学聚焦系统结构适用，可在聚光物镜(3)和工作聚焦物镜(4)间的光路上装有一个45°激光全反镜(5)，以改变光路，形成纵向和横向两个光路系统。
当激光工作物质产生的是近红外光时，优选的方案是：发散物镜(2)是一个双凹透镜，聚光物镜(3)由一个双凸透镜和一个变月形会聚透镜组成，工作聚焦物镜(4)由一个双胶合透镜和一个单片会聚透镜两顶相接组成。
横向排列的光源(10)聚光镜(8)，折射边与45°激光全反镜背面相接的等腰直角梭镜(6)和纵向排列的工作聚焦物镜(4)，工件台(15)构成内部照明系统，光源(10)的光通过聚光镜(8)，经等腰直角梭镜(6)折射，通过纵向光路经工作聚焦物镜(4)照射到工件台(15)。
工件台(15)，工作聚焦物镜(4)，45°激光全反镜(5)，等腰直角梭镜(6)，装有位移调节装置的会聚透镜(9)，反射镜(7)，装有位移调节装置由一弯月形会聚透镜和一个双胶合两顶相接组成的转向物镜(11)，反射镜(13)，反射镜(12)，摄象机(14)构成闭路电视系统。影像经工作聚焦物镜(4)，透过45°激光全反镜(5)和等腰直角梭镜(6)，会聚透镜(9)，经反射镜(7)改变光路方向，由转向物镜(11)转象，再径反射镜(13)，反射镜(12)至摄象机(14)。
当激光工作物质产生的是远红外光时，优选的组合方案为：发散物镜(2)是弯月形发散透镜，聚光物镜(3)是一个单凸透镜工作，聚焦物镜(4)由两个弯月形会聚透镜两顶相接组成。
本实用新型的优点是：
1、本实用新型用发散物镜(2)在横向光路上的位移替供了工件台(15)在纵向光路上的位移，故本实用新型具有使工件台(15)的三维运动减少为二维运动的优点，从而大大简化了工件台的设计。
2、本实用新型的设计使得原扩束物镜(4′)和聚焦物镜(4″)合并为一个新的工作聚焦物镜(4)，从而使得激光工作物质(1)到扩束物镜(4)的光路距离AE增长为激光工作物质(1)到工作聚焦物镜(4)的光路距离AF，发散物镜(2)与聚焦物镜(3)之移动距离可按AF与AE之比放大，故本实用新型具有在同等光路距离AF之下达到激光变焦距之焦距变化精细的优点。
3、当激光工作物质产生的为近红外光时，本实用新型设计有内部照明的闭路电视十字丝对准监控系统，因而可实现由电子计算机控制变焦距的焦距变化、离焦量等激光加工工艺参数，故具有能实现目视及电子计算机控制激光加工工艺的优点。
附图说明：
图1是本实用新型当激光工作物质产生的是近红外光时变焦距光学聚焦系统结构示意图。
图2是现有的激光加工机的光学系统示意图。
图3是现有的短焦距长工作距离的激光加工机变焦距光学聚焦系统结构示意图。
图4是本实用新型，当激光工作物质产生的是远红外光时变焦距光学聚焦系统结构示意图。
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
在近红外激光加工机的变焦距光学聚焦系统中(图一)，激光工作物质(1)波长为1.06微米，激光束直径为6毫米，装有位移调节装置的单片发散物镜(2)，由一个双凸透镜和一个弯月形会聚透镜组成聚光物镜(3)，依次排列于横向光路上，由一个双胶合透镜和一个单片会聚透镜两顶相接组成工作聚焦物镜(4)，和工件台(15)依次排列于纵向光路上，聚光物镜(3)和工作聚焦物镜(4)问的光路上有一个45°激光全反镜(5)，以改变光路方向。光学系统的内部参数及其结构单元，列于表一：
                                                                                  表一
曲率半径(毫米) 厚度(毫米) 玻璃牌号                        折射率nD          nF       nC    n1.06mm
发散物镜(2) -18.003
2     ZF5  1.7398 1.75871 1.73243 1.71655
-337.3
    d1 28.691
会聚物镜(3) 101.47
3.5     ZF5  1.7398 1.75871 1.73243 1.71655
-70.79
0.2
39.28
5     ZF5  1.7398 1.75871 1.73243 1.71655
85
    d2 184.93
工作聚焦物镜(4) 257
14     ZK10  1.6220 1.62978 1.61876 1.61105
26
2.5     ZF5  1.7398 1.75871 1.73243 1.71655
-58.226
0.1
64.55
5     K9  1.5163 1.52195 1.51389 1.50778
∞
工作聚焦物镜(4)与工件台(15)之工作距离固定为117毫米时，光学系统之变焦距调焦由发散物镜(2)与聚光物镜(3)在光路上之相关运动实现，由表一之光学系统参数可计算出，当发散物镜(2)固定不动时，会聚物镜(3)的两个极限位置为D，D1时，则为本实用新型之最长焦距57毫米与最短焦距19毫米，会聚物镜(3)在D，D1之间的位置时，则发散物镜(2)之位置必须相应变动，光学聚焦系统焦距亦相应变化于上述57毫米与19毫米之间的某一定值，此时，发散物镜(2)至聚光物镜(3)的距离d1及聚光物镜(3)至工作聚焦物镜(4)的距离d2相应变化值列于表二。
(单位：毫米)                                                       表二
d1  72.964  59.99  51.34  45.16  4.542  36.933  34.05  31.69  28.691
d2  14.695  146.103  151.511  156.919  162.313  167.721  173.129  178.537  184.931
光源(10)，聚光镜(8)，等腰直角梭镜(6)和工作聚焦物镜(4)，工件台(15)构成内部照明系统。
工件台(15)，工作聚焦物镜(4)，45°激光全反镜(5)，等腰直角梭镜(6)，装有位移调节装置的会聚透镜(9)，反射镜(7)，装有位移调节装置由一个弯月形会聚透镜和一个双胶合两顶相接组成的转向物镜(11)，反射镜(13)，反射镜(12)，摄象机(14)构成闭路电视系统。
在远红外激光加工机的变焦距光学聚焦系统中，激光工作物质(1)，波长为10.6毫米，激光光束直径为10毫米，发散物镜(2)为一弯月形发散透镜，聚光物镜(3)是一单凸透镜，依次排列于横向光路上，工作聚焦物镜(4)由两个弯月形会聚透镜两顶相接组成，与工件台(15)排列于纵向光路上，聚光物镜(3)和工作聚焦物镜(4)间的光路上有一45°激光全反镜(5)，以改变光路方向，光学系统的内部参数及其结构单元，列于表三：
                                                                                   表三
  发散物镜(2) d1 聚光物镜(3)  d2 工作聚焦物镜(4)
曲率半径(毫米) 8.261    6.522 83.531  ∞ -578.2  -237.2  101.28  139.72
厚度(毫米)     1.9 51.796 3  269 5    0.2    5
玻璃编号 GaAs GaAs GaAs
折射率     3.30 3.30 3.30
工作聚焦物镜(4)与工件台(15)之工作距离固定为121毫米，光学系统之变焦距由发散物镜(2)与聚光物镜(3)之相关运动实现，由表三之光学系统参数可计算出当工作距离为121毫米时，光学系统的组合焦距在19毫米到57毫米之间，d1、d2相应变化值列于表四：
                                                            表四(单位毫米)
d1  51.796  46.7  41.3  38.1  32.9  26.8  20.4  14.9  9.86
d1  269  274.2  279.5  284.7  289.9  295.2  301.2  306.4  310.94
以上所述是本实用新型的一个具体实施方案，本实用新型的保护范围以权利要求为准。

Claims (7)

1、一种激光加工机的变焦距光学聚焦系统，由激光工作物质(1)，单片发散物镜(2)，装有位移调节装置的聚光物镜(3)，工作聚焦物镜(4)，在光路上依次排列组成，其特征在于：发散物镜(2)装有位移调节装置，调节发散物镜(2)和聚光物镜(3)的位置以达到光学聚焦而工作聚焦物镜(4)至工件台(15)间的工作距离可设定不变。
2、根据权利要求1，所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是：发散物镜(2)，聚光物镜(3)的聚焦用位移调节装置是连动的。
3、根据权利要求2，所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是，在聚光物镜(3)和工作聚焦物镜(4)之间的光路上装有45°激光全反镜(5)。
4、根据权利要求1、2、3、所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是：当激光工作物质是近红外光时，发散物镜(2)是双凹透镜，聚光物镜(3)是由一个双凸透镜和一个弯月形会聚透镜组成，工作聚焦物镜(4)是由一个双胶合透镜和一个单片会聚透镜两顶相接组成。
5、根据权利要求4、所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是，工作聚焦物镜(4)，梭镜(6)，聚光镜(8)和光源(10)构成内部照明系统。
6、根据权利要求5所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是：工件台(15)，工作聚焦物镜(4)，45°激光全反镜(5)，装有位移调节装置的会聚透镜(9)，反射镜(7)，装有位移调节装置的转向物镜(11)，反射镜(13)，反射镜(12)，摄象机(14)构成闭路电视系统。
7、根据权利要求2、3所述的激光加工机的变焦距光学聚焦系统，其特征是：当激光工作物质是远红外光时，发散物镜(2)是弯月形发散透镜，聚光物镜(3)是一个单凸透镜，工作聚焦物镜(4)由两个弯月形会聚透镜两顶相接组成。
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