CN2454077Y - 激光加工机光学装置 - Google Patents

Abstract

激光加工机光学装置属于利用激光对工件进行加工处理装置技术领域。其特征是：在激光加工机的光学器件中配置有一扩束镜,并按以下顺序排列：半导体激光棒——全反介质膜片——晶体激光棒——半透半反介质膜片——扩束镜——激光45°全反反射镜——聚焦物镜——工件。闭路电视的光学器件是由工件、聚焦物镜等及十字丝分划板、摄像机靶面构成。照明设施由光源——聚光镜——闭路电视部分光学器件构成光路。该装置放大系数高、精度高,便于观察；结构简单；工作寿命长。是一高性价的激光加工机光学装置。

Description

激光加工机光学装置

激光加工机光学装置属于利用激光对工件进行加工处理装置技术领域。

众所周知，激光广泛地应用于打孔、焊接、切割和热处理等机加工范畴。激光加工机光学装置根据需要，可让激光束发散或聚集或整形，使之符合设计指标。目前市场上所销售的各种激光加工机的光学系统的光学器件及其组合顺序如下：半导体激光棒——全反介质膜片——晶体激光棒——半透半反介质膜片——45°全反反光光镜——聚焦物镜——工件，工件位于聚焦物镜与其焦点之间，激光器振荡所产生的激光束是高斯光束，它经透镜聚焦之后，其能量在透镜焦点上按高斯分布，在光轴轴心能量很强，当偏离光轴时，能量分布急剧衰减，就激光打孔、激光切割加工而言，工件应位于透镜的焦点上；就激光焊接而言，则要求能量分布均匀，工件就得酌情偏离焦点，由于激光作用于工件上的焊接点必然小于激光光束的直径，而被焊接的工件焊接质量有一定深度的要求，因而就有能量被工件吸收，为了弥补这一损失，工件只有配置在聚焦透镜与其焦点之间，这是需解决的难题之一。第二，由于激光加工是微型加工、加工点的直径可能只有0.1毫米的量级，因此，对工件的准确定位亦必须作为重要的技术指标之一。第三，对于激光微型加工而言，还要求有较高的放大系数，以达到较好的观察监视效果。因此，设计一种不可变焦距的物镜；有助于工件准确定位的照明设施和高倍放大系数闭路电视光学装置是研制本技术方案的出发点。据申请人所悉，目前尚无与此相同的技术内容向社会公众披露，亦无类同的技术方案向中国专利局提出申请，市场上也未发现有此类产品销售或为人们所使用。

设计本实用新型的目的是：为本技术领域提供一种激光加工工效高、工件定位准确和便于观察监视的激光加工机光学装置。

本实用新型要求保护的技术方案是：在激光加工机的光学器件中的配有一扩束镜(5)并按以下顺序排列：半导体激光棒(1))——全反介质膜片(2)——晶体激光棒(3)——半透半反介质膜片——扩束镜(5)——激光45°全反反射镜——聚焦物镜——工件(15)。激光加工机闭路电视的光学器件按以下顺序排列：工作(15)——聚焦物镜(14)——激光45°全反反射镜(13)——半透半反镜(6)——会聚透镜(10)——发散透镜(7)——十字丝分划板(9)——摄像机靶面(8)。激光加工机的照明设施的光学器件按以顺序排列：光源(12)——聚光镜(11)——半透半反镜(6)——激光45°全反反射镜(13)——聚焦物镜(14)——工件(15)。

下面参照附图并结合实施例，对本新用新型再予补充说明：

附图为激光加工机光学装置结构示意图，图中各零部件的定义如下：1——半导体激光棒，它发出的红色可见光。2——全反介质膜片。3——YAG晶体激光棒，它发出的为不可见光，与半导体激光棒的光轴相重合。4——半透半反介质膜片，以晶体激光棒为中心与全反介质膜片呈对称分布，它与全反介质膜片，晶体激光棒构成谐振腔。5——扩束镜，位于谐振腔的输出方，与晶体激光棒的光轴相重叠。6——半透半反镜，位于激光加工机闭路电视光路与照明设施光路的交叉处。7——发散透镜，配置在闭路电视光学器件的光路上。8——摄像机靶面。9——十字丝分划板，靶面与划板相邻紧贴在一起，它们的中点经过激光加工机闭路电视光学器件的光路中心线。10——会聚透镜，置于半透半反镜与发散透镜之间，闭路电视光学器件的光轴穿过其中心。11——聚光镜，位于半透半反镜的45°入射反射线上，聚光镜的中心被入射反射线穿过。12——光源，其光轴穿过聚光镜和半透半反镜的中心，半透半反镜、聚光镜和光源构成照明设施的光学器件。13——激光45°全反反射镜，配置在激光加工机光学器件光路与闭路电视光学器件光路的交点处。14——聚物镜，其中心与激光加工机闭路电视光学器件的光轴相重合。15——工件，系激光加工机中被加工的工件，其中心位于光轴上。

根据上述技术方案，申请人认为一种典型的实施例的有关参数如下：

激光加工机有关光学器件的参数：

器件名称	透镜半径	间隔	玻璃牌号
				扩束镜	-40
2	k9    1.5163
		40
			聚物镜		54.95	75
5	k9    1.5163
		-54.95

本光学系统的激光晶体直径为6毫米，激光为平行入射，光学器件合成焦距为33.71毫米，焦点像距为99.91毫米，出射孔径角为0.08898弧度，当焊点直径为0.6毫米时工作表面到焦点的距离为3.37毫米，此时工件的工作距离为99.91-3.37=96.54毫米。96.54毫米即为闭路电视光学器件的物距。

激光加工机闭路电视光学器件的有关参数如下：

器件名称	透镜半径	间隔	玻璃牌号
				聚物镜	54.95
5	k9    1.5163
		-54.95
			40
激光45°全反射镜	∞
		5		k9    1.5163
			∞
	20
		半透半反镜		∞
2			k9    1.5163
	∞
				4
会聚透镜			31.88-27.05
	3	k9    1.5163
				4
	发散透镜	-13.062
3			k9    1.5163
				25.82
		51.991
十字丝分划板			∞
	2			k9    1.5163
		∞

闭路电视光学器件物距为96.54毫米，物方视场直径5毫米，入射孔径角0.05弧度，其像方视场直径为9.84毫米，出射孔径角0.025407弧度，其放大率为1.98倍，由于闭路电视装置本身具有30倍放大倍率，因而总的倍率为59.4倍，对于直径0.6毫米的焊接点它在电视屏上为直径35.64毫米。

照明设施的光学器件的有关参数如下：

器件名称	透镜半径	间隔	玻璃牌号
				聚焦物镜	54.95
5	k9    1.5163
		-54.95
			40
工件	∞
		520		k9    1.5163
			∞
	半透半反镜				∞
0			k9    1.5163
		∞
				103	k9   1.5163
聚光镜			31.88
	-27.05

灯丝成像于聚焦物镜顶下方120毫米处，光源位于距聚光镜右侧11.03毫米。以上有关长度单位为毫米。

本激光加工机光学装置的工作过程如下：YAG晶体激光棒被半导体激光棒发出的红色可见光激发，而发出不可见的光，在全反介质膜片与半透半反介质膜片之间产生光谐振，并经后者输出，再经扩束镜、激光45°全反反射镜、聚焦物镜后到达工件的表面上，对工件进行加工。被照亮的工件上的可见光经聚焦物镜、激光45°全反反射镜后透射，再经半透半反镜、会聚透镜、发散透镜后成像于十字丝分划板的后表面上，它与摄像机靶面相贴合。半导体激光棒所发出的红光经过YAG晶体激光棒后以同样的光路照在工件上，其上可观察到半导体激光的红点，达到对准的目的，借助于人眼以直接观察对准。本加工机的照明设施由光源发出可见光经聚光镜、半透半反镜、激光45°全反反射镜、聚焦物镜照射在工件上。由于本设计方案增设了扩束镜、摄像机靶面无需改变，与目前市场所用的双目镜、双物镜装置相比较则大为简化了闭路电视光路的光学零件和机械零件的数量。本实施例中，选用闭路电视的靶面为三分之一英寸，摄像机为10英寸，所以闭路电视自身的放大率为30倍，而光学系统的放大率为2倍，总放大率为60倍，这样的技术指标在设计和工艺上是易实现的。本装置观察方便，精确度高。同时，由于在激光加工的光学器件中增置了扩束镜，因而使工件到聚焦物镜的距离增长；激光焊接点的大小又是可变的，这样在金属热处理加工过程中，对聚焦物镜的保护是有益处的。

综上所述，本实用新型与背景技术相比，具有以下的优点：放大系数高，便于观察；精度高，便于对准；零部件少，结构简单；改善了工作环境，提高了光学器件的工作寿命。为激光加工机设计了一套高性价比的光学装置。

Claims (3)

1．一种激光加工机光学装置包括由半导体激光棒(1)，全反介质膜片(2)、晶体激光棒(3)、半透半反介质膜片(4)组成的谐振腔，激光45°全反反射镜(13)，聚焦物镜(14)，工件(15)构成的激光加工机光学器件；半透半反镜(6)、会聚透镜(10)、发散透镜(7)、十字丝分划板(9)和摄像机靶面(8)构成的激光加工机闭路电视光学器件；由光源(12)、聚光镜(11)、半透半反镜(6)、激光45°全反反射镜(13)、取焦物镜(14)和工件(15)构成的照明设施的光学器件；其特征是在激光加工机的光学器件中的配有一扩束镜(5)并按以下顺序排列：半导体激光棒(1)——全反介质膜片(2)——晶体激光棒(3)——半透半反介质膜片——扩束镜(5)——激光45°全反反射镜——聚焦物镜——工件(15)。

2．根据权利要求1所述的一种激光加工机光学装置，其特征是：激光加工机闭路电视的光学器件按以下顺序排列：工作(15)——聚焦物镜(14)——激光45°全反反射镜(13)——半透半反镜(6)——会聚透镜(10)——发散透镜(7)——十字丝分划板(9)——摄像机靶面(8)。

3．根据权利要求1所述的一种激光加工机光学装置，其特征是：激光加工机的照明设施的光学器件按以顺序排列：光源(12)——聚光镜(11)——半透半反镜(6)——激光45°全反反射镜(13)——聚集物镜(14)——工件(15)。