一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，包括兩片二分束棱鏡、兩片楔形鏡和消像差聚焦鏡組，各鏡片中心同軸，在軸對稱平行或近平行光束入射下，依次經過兩片分束棱鏡分束、兩片楔形鏡偏向及消像差聚焦鏡組聚焦，通過改變兩片二分束棱鏡棱間夾角，旋轉兩片楔形鏡，能夠實現焦平面上一定范圍內任意單焦點、間距與方向可變雙焦點、單焦點掃描圖形、間距與方向可變雙焦點掃描圖形等多種功能的激光加工。本發明結構設計新穎，通過采用二分束棱鏡與楔形鏡組合，基于二分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于楔形鏡旋轉掃描特性，實現了一種具備多種激光加工功能的光學系統，極大程度提高了激光加工質量與加工效率。
【專利說明】
一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統
技術領域
[0001]本發明涉及激光加工領域，具體為一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統。
【背景技術】
[0002 ]工業激光加工行業包括激光切割、焊接、打標、鉆孔、微加工、熔覆、淬火、表面處理等各方面，涵蓋了各類常用金屬或非金屬材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打標、鉆孔等激光加工行業對激光束多樣性的要求更具代表性。
[0003]激光焊接，從最初的單焦點焊接，到后面衍生的雙焦點焊接、三焦點焊接等，目的是為了獲得更好焊接效果與質量，雙焦點焊接是激光束經過特殊整形后，聚焦出兩束能量相同、大小一致的光斑，分別對稱落在焊縫兩邊來進行加工的工藝方式，三焦點焊接通常是在雙焦點焊接基礎上，引入另一焦點對待焊接或焊接后的焊縫進行預處理或后處理。
[0004]隨著激光加工工業的逐步成熟以及各行業對激光加工的不同工藝需求，激光焊接中不僅有點焊，還出現了如C型焊，線型焊，S型焊等多種焊接工藝，其目的是提高焊接質量的同時，還改善美觀，這些類多樣性的焊接工藝，僅僅靠機床運作是遠遠不夠的，而楔形鏡掃描系統、振鏡掃描系統的高速特性優勢在這方面體現得淋漓盡致。
[0005]楔形鏡掃描系統，通常是由雙片式具有一定小角度楔角的楔形鏡與消像差聚焦鏡組或非球面鏡組成，通過算法調整楔形鏡轉速與旋轉方向，可以實現一定范圍內的任意圖形掃描，這不僅僅在激光焊接上能滿足各類工藝條件，在激光打標上也獨樹一幟。尤其的，旋轉楔形鏡掃描在激光鉆孔也獨具優勢，如圓孔、橢圓孔以及各種異形孔，通過再引入較大角度的楔形鏡組，甚至可獲得單錐孔、雙錐孔、圓柱孔等多種激光微加工工藝。
[0006]但是，隨著激光加工工藝的日趨發展，獲得更高效率的激光加工是大勢所趨，比如激光焊接，單焦點楔形鏡掃描系統由于電機選型限制，在高速乃至超高速上十分受限，且機械裝配因素影響，用于楔形鏡的電機在高速旋轉過程中，容易出現過熱現象，精度隨著轉速的增大而降低，這極大程度上影響旋轉楔形鏡性能優勢。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，以解決上述【背景技術】中提出的問題。
[0008]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案:一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，包括第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡、第一楔形鏡、第二楔形鏡和消像差聚焦鏡組，所述第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡、第一楔形鏡、第二楔形鏡、消像差聚焦鏡組中心同軸。
[0009]優選的，所述第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡棱角相同，均為平凸形分束棱鏡。
[0010]優選的，所述第一楔形鏡、第二楔形鏡楔角相同。
[0011 ]優選的，所述消像差聚焦鏡組為球面鏡組合。
[0012]優選的，所述第一二分束棱鏡入射光束采用軸對稱光斑分布的平行或近平行光。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明結構設計新穎，通過采用二分束棱鏡與楔形鏡組合，基于二分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于楔形鏡旋轉掃描特性，實現了一種具備多種激光加工功能的光學系統，尤其在單焦點、單焦點掃描圖形的各類激光應用上，提供了雙焦點同時同步加工應用，極大程度提高了激光加工質量與加工效率。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明光學系統鏡片結構示意圖；
[0015]圖2為本發明的二分束棱鏡立體圖；
[0016]圖3為本發明的實施例一光路傳輸不意圖；
[0017]圖4為本發明的實施例二等效光路傳輸示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0019]實施例一:
[0020]請參閱圖1-3，本發明提供一種技術方案:種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，包括第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2、第一楔形鏡3、第二楔形鏡4和消像差聚焦鏡組5，第二二分束棱鏡2結構與第一二分束棱鏡I相似，皆是平凸形鏡片，所有鏡片均設計為圓形，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2、第一楔形鏡3、第二楔形鏡4、消像差聚焦鏡組5鏡片中心同軸，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2棱角相同，均為平凸形分束棱鏡，放置方向為棱相對或棱相向，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4楔角相同，鏡面放置朝向任意，基于鏡片對激光束反射、折反射對激光器的影響，消像差鏡組5可以是球面鏡組，也可以選擇非球面鏡或鏡組。
[0021 ] 本實施例中，還包括入射光束6，入射光束6米用軸對稱光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6經過第一二分束棱鏡I分成兩束匯聚后又發散的平行光束，兩束平行光束匯聚后一段距離，經過第二二分束棱鏡2形成相互平行的兩束光，此時第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2之間的分束棱相互平行，經過第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2后的光束再經由第一楔形鏡3、第二楔形鏡4偏向，最后由消像差聚焦鏡組5聚焦，聚焦焦面上存在一個聚焦光斑，且焦點附近存在一段一定長度的實心聚焦段。
[0022]當其他鏡片不動，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定角度值旋轉到相應方向后靜止，實現了聚焦面一定范圍內單點聚焦。
[0023]當其他鏡片不動，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定的實時轉速與方向連續旋轉時，聚焦焦面形成對應需求的掃描軌跡，實現了楔形鏡單焦點掃描。
[0024]當第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定角度值旋轉到相應方向后靜止，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2的棱相對于初始狀態分別且僅允許反向旋轉等量小角度，可以獲得相應間距且連線平行于第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2棱間銳角平分線的雙焦點，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2棱間夾角大小的改變，可以實現單焦點到雙焦點以及雙焦點間距的改變，通過將調整后的第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2統一同向旋轉任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現了聚焦面一定范圍內雙點聚焦。
[0025]當第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定的實時轉速與方向連續旋轉時，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2的棱相對于初始狀態分別且僅允許反向旋轉等量小角度，可以獲得相應間距且連線平行于第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2棱間銳角平分線的雙焦點掃描，第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2棱間夾角大小的改變，可以實現單焦點到雙焦點的改變以及雙焦點間距的改變，通過將調整后的第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2統一同向旋轉任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現楔形鏡雙焦點掃描。
[0026]掃描過程中，當第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2的棱間夾角調整好后并靜止，雙焦點掃描圖形的激光加工，任意過程中兩焦點間距一致，連線方向不變，并且不會影響和改變楔形鏡自身掃描所需要獲得圖形規格尺寸。
[0027]實施例二:
[0028]請參閱圖4，本實施例提供一種與實施例一等效的技術方案:包括第三二分束棱鏡
7、第四二分束棱鏡8、第一楔形鏡3、第二楔形鏡4和消像差聚焦鏡組5，第三二分束棱鏡7為平凹形，第四二分束棱鏡8為平凸形，所有鏡片均為圓形，第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8、第一楔形鏡3、第二楔形鏡4、消像差聚焦鏡組5鏡片中心同軸，第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8棱角之和為180°，放置方向為棱相對或棱相向，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4楔角相同，鏡面放置朝向任意，基于鏡片對激光束反射、折反射對激光器的影響，消像差鏡組5可以是球面鏡組，也可以選擇非球面鏡或鏡組。
[0029]本實施例中，還包括入射光束6，入射光束6采用軸對稱光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6經過第三二分束棱鏡7分成兩束發散的平行光束，方向發散的平行光束經過第四二分束棱鏡8形成相互平行的兩束光，此時第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8之間的分束棱相互平行，經過第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8后的光束再經由第一楔形鏡
3、第二楔形鏡4偏向，最后由消像差聚焦鏡組5聚焦，聚焦焦面上存在一個聚焦光斑，且焦點附近存在一段一定長度的實心聚焦段。
[0030]當其他鏡片不動，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定角度值旋轉到相應方向后靜止，實現了聚焦面一定范圍內單點聚焦。
[0031]當其他鏡片不動，第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定的實時轉速與方向連續旋轉時，聚焦焦面形成對應需求的掃描軌跡，實現了楔形鏡單焦點掃描。
[0032]當第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定角度值旋轉到相應方向后靜止，第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8的棱相對于初始狀態分別且僅允許反向旋轉等量小角度，可以獲得相應間距且連線平行于第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8棱間銳角平分線的雙焦點，第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8棱間夾角大小的改變，可以實現單焦點到雙焦點以及雙焦點間距的改變，通過將調整后的第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8統一同向旋轉任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現了聚焦面一定范圍內雙點聚焦。
[0033]當第一楔形鏡3、第二楔形鏡4分別以給定的實時轉速與方向連續旋轉時，第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8的棱相對于初始狀態分別且僅允許反向旋轉等量小角度，可以獲得相應間距且連線平行于第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8棱間銳角平分線的雙焦點掃描第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8棱間夾角大小的改變，可以實現單焦點到雙焦點的改變以及雙焦點間距的改變，通過將調整后的第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8統一同向旋轉任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現楔形鏡雙焦點掃描。
[0034]掃描過程中，當第三二分束棱鏡7、第四二分束棱鏡8的棱間夾角調整好后并靜止，雙焦點掃描圖形的激光加工，任意過程中兩焦點間距一致，連線方向不變，并且不會影響和改變楔形鏡自身掃描所需要獲得圖形規格尺寸。
[0035]兩種實施例中，各鏡片的旋轉步驟并不受上述描述限制，所有旋轉以光軸為基準，即繞光軸旋轉，根據不同波長的激光器，需進行相應的光學處理，來獲得軸對稱光斑分布的平行光束或近平行光束。另外，所有鏡片外形、尺寸以及鏡間距、放置方向根據設計確定，并不受結構示意圖限制，鏡片材料及鍍膜以激光器波長為依據。
[0036]本發明結構設計新穎，通過采用二分束棱鏡與楔形鏡組合，基于二分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于楔形鏡旋轉掃描特性，實現了一種具備多種激光加工功能的光學系統，尤其在單焦點、單焦點掃描圖形的各類激光應用上，提供了雙焦點同時同步加工應用，極大程度提高了激光加工質量與加工效率。
[0037]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1.一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，其特征在于:包括第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡、第一楔形鏡、第二楔形鏡和消像差聚焦鏡組，所述第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡、第一楔形鏡、第二楔形鏡、消像差聚焦鏡組鏡片中心同軸。2.根據權利要求1所述的一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，其特征在于:所述第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡棱角相同，均為平凸形分束棱鏡。3.根據權利要求1所述的一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，其特征在于:所述第一楔形鏡、第二楔形鏡楔角相同。4.根據權利要求1所述的一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，其特征在于:所述消像差聚焦鏡組為球面鏡組合。5.根據權利要求1所述的一種基于二分束棱鏡與楔形鏡組合光學系統，其特征在于:所述第一二分束棱鏡入射光束米用軸對稱光斑分布的平行或近平行光。
【文檔編號】G02B27/12GK106094226SQ201610605531
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610605531.2, CN 106094226 A, CN 106094226A, CN 201610605531, CN-A-106094226, CN106094226 A, CN106094226A, CN201610605531, CN201610605531.2
【發明人】邵華江, 李思佳, 李思泉
【申請人】上海嘉強自動化技術有限公司