一种光学系统及激光加工设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及激光加工技术领域，特别涉及光学系统及激光加工设备。


背景技术：

2.在激光加工过程中，激光束为了能快速融化工件、一般单位面积光束具有高能量密度，但是因为聚焦的光斑很小、而常规的加工面积很大，两者之间存在矛盾，对此需要通过运动的模式进行补偿。一种补偿形式是激光聚焦光束不移动、加工工件进行运动，即将加工工件移动到所需要进行加工的位置；另外一种补偿形式为加工的工件不移动、激光聚焦光束移动，即将激光的聚焦光束进行扫描到所需要进行加工的位置。
3.这两种运动形式中常常采用后者，因为后者的加工效率更高，即能够在进行激光聚焦光斑扫描的同时，能保证边沿光斑不失真，从而实现快速加工的需求、以及大加工范围的需求。然而此种形式中激光聚焦焦距常常为短焦距，然而在常规理论上焦距和后截距成正比关系，从而导致加工工件和光学镜头的后截距也较短，即光学镜头离加工热源较近，容易损坏。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述缺陷，本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种用于光学系统及激光加工设备，实现了短焦距、长后截距的目的，加大了加工工件和光学系统的间距。
5.本使用新型实施例的目的是通过如下技术方案实现的：
6.为解决上述技术问题，第一方面，本实用新型实施例提供了一种光学系统，包括从物侧到像侧之间沿光轴依次设置的反射镜、第一透镜组、第二透镜组：所述第一透镜组具有负光焦度；所述第二透镜组具有正光焦度；所述反射镜具有平行于所述反射镜的摆动轴，所述反射镜以所述摆动轴为中心按照预设角度进行摆动。
7.在一些实施例中，所述反射镜按照预设角度
±
10
°
进行往复摆动。
8.在一些实施例中，还包括平面透镜，所述平面透镜沿光轴设置于所述第二透镜组的像侧。
9.在一些实施例中，所述反射镜的中心至所述平面透镜中心的距离为90-130mm。
10.在一些实施例中，所述第一透镜组包括第一透镜，所述第二透镜组包括第二透镜和第三透镜；
11.所述第一透镜为双凹透镜或平凹透镜，其中，所述平凹透镜的平面靠近物侧，所述平凹透镜的凹面靠近所述像侧；
12.所述第二透镜具有正光焦度，所述第二透镜为第一弯月透镜或双凸透镜，其中，所述第一弯月透镜的凹面靠近所述物侧，所述第一弯月透镜的凸面靠近所述像侧；
13.所述第三透镜具有正光焦度，所述第三透镜为双凸透镜或第二弯月透镜，其中，所述第二弯月透镜的凹面靠近所述物侧，所述第二弯月透镜的凸面靠近所述像侧。
14.在一些实施例中，所述光学系统满足以下关系：
15.5mm＜d1＜30mm，
16.5mm＜d2＜30mm，
17.0.5mm＜d3＜2mm；
18.其中，d1为所述反射镜的中心至所述第一透镜光心的距离，d2为所述第一透镜的光心至所述第二透镜光心的距离，d3为所述第二透镜的光心至所述第三透镜光心的距离。
19.在一些实施例中，所述光学系统的有效焦距为30-60mm，所述光学系统的全视场角为0-10
°
，所述光学系统的入瞳直径为2-15mm。
20.在一些实施例中，所述光学系统还包括准直透镜组，所述准直透镜组设置于所述反射镜朝向物侧的一侧。
21.在一些实施例中，还包括多波长组件，所述多波长组件设置在所述准直透镜组的物侧，且所述多波长组件中至少包含一个正透镜与一个负透镜。
22.在一些实施例中，所述激光加工设备包括上述任一项所述的光学系统。
23.本实用新型实施方式的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例提供一种光学系统及激光加工设备，该光学系统包括从物侧到像侧之间沿第一光轴依次设置反射镜、第一透镜组、第二透镜组，其中，第一透镜组具有负光焦度，第二透镜组具有正光焦度，构成反摄远结构，从而能让光学系统在保证短焦距的同时、加大了后截距，即加长了加工工件和光学系统的间距，反射镜具有平行于所述反射镜的摆动轴，所述反射镜以所述摆动轴为中心按照预设角度进行摆动，从而改变激光束的焦点在视场范围内的扫描位置，有利于对加工工件大面积加工。
附图说明
24.一个或多个实施例中通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件/模块和步骤表示为类似的元件/模块和步骤，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
25.图1是本实用新型一实施例提供的光学系统的结构示意图；
26.图2是本实用新型另一实施例提供的光学系统的结构示意图；
27.图3是本发明另一实施例提供的光学系统的结构示意图；
28.图4是图1所示光学系统的场曲与畸变图；
29.图5是图4所述光学系统的点列图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
31.为了便于理解本技术，下面结合附图和具体实施例，对本技术进行更详细的说明。除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例
的目的，不是用于限制本技术。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.需要说明的是，如果不冲突，本实用新型实施例中的各个特征可以相互结合，均在本技术的保护范围之内。另外，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。此外，本文所采用的“第一”、“第二”等字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。
33.本实用新型提供的光学系统可以是用于激光焊接的光学系统、用于激光切割的光学系统、用于激光熔覆的光学系统或用于激光雕刻的光学系统，实际使用中不作限定。
34.本发明实施例提供一种光学系统，请参阅图1，光学系统100包括反射镜10、第一透镜组20、第二透镜组30以及平面透镜40，其中，反射镜10、第一透镜组20、第二透镜组30从物侧到像侧沿第一光轴依次设置，并且平面透镜40沿第一光轴设置在第二透镜30的像侧，第一透镜20具有负光焦度，第二透镜组30具有正光焦度。
35.光学系统100工作时，激光源发射激光束至反射镜10，反射镜 10将激光束反射至第一透镜组20，反射后的激光束依次通过第一透镜组20、第二透镜组30以及平面透镜40透射至待加工件，激光束在待加工件形成焦点，从而加工待加工件，为了保证光学系统100的总长与像差之间的平衡，在一些实施例中，反射镜10的中心至平面透镜40中心的距离为90-130mm。
36.举例而言，焊接待加工件时，激光束在待加工件的缝隙位置上形成焦点，并加热待加工件的表面，表面热量通过热传导向待加工件内部扩散，使处于缝隙位置的部分待加工件融化，以便焊接待加工件的对应缝隙。
37.再举例而言，切割待加工件时，激光束在待加工件的切割位置上形成焦点，利用激光束高能量密度，在特定范围加热待加工件的表面，表面热量通过热传导向待加工件内部扩散，使待加工件融化，以便切割待加工件。
38.可以理解的是，激光源可以为各类激光器产生的激光源。
39.在本实施例中，由于第一透镜组20具有负光焦度，第二透镜组 30具有正光焦度，两者构成了反摄远结构，其使光学系统100能够相对保证短焦距的同时，又提高后截距，亦即，加长了加工工件和光学系统的距离，因此，由于光学系统100与待加工件的距离相对比较长，光学系统100距离热源比较远，避免热源损坏光学系统100，从而提高光学系统100的使用寿命、工作可靠性、耐损性及安全系数。
40.可以理解的是，在本实施例中，反射镜10转动地安装于光学系统100中。
41.在一些实施例中，反射镜10具有平行于反射镜10的摆动轴，亦即，摆动轴的轴线平行于反射镜10所在的平面，如图1所示，反射镜10可以以摆动轴为中心按照预设角度进行摆动，例如，反射镜10 绕摆动轴作逆时针摆动，或者绕摆动轴作顺时针摆动，从而改变激光束的焦点在视场范围内的扫描位置。
42.在一些实施例中，反射镜10按照任意合适的预设角度进行摆动，激光束经过反射镜10的反射后，在第一透镜组20、第二透镜组30 及平面透镜40形成的视场范围内进行扫描。由于第一透镜组20、第二透镜组30及平面透镜40构成平场镜组，在其视场范围内不同扫描位置下所形成的聚焦光斑在瑞利光斑范围内，亦即，在像面均匀的情况下，在视场范围内不同扫描位置下所形成的聚焦光斑均匀。例如，预设角度为
±
10
°
，反射镜10在按照预设角
度
±
10
°
往复摆动时，可在视场范围内不同扫描位置下形成多个聚焦光斑，不同扫描位置的聚焦光斑直径一致。采用此种结构和特性的光学系统，其对于各种激光加工场景具有重要意义。举例而言，在激光焊接场景中，由于不同扫描位置的聚焦光斑直径一致，不同扫描位置的光斑能量均匀，最终的焊接平面较为平整。再举例而言，在激光切割场景中，如前所述，不同扫描位置的光斑能量均匀，切割平面的毛刺较少。
43.可以理解的是，反射镜10的摆动角度可以按实际需要进行设置，不需要拘泥于本实用新型实施例中的限定。
44.通常，用户可以根据不同的激光加工场景，调整光学系统的放大比例，放大比例越小，焦点直径越小。在相同输出能量的情况下，聚焦光斑直径越小，光斑能量密度越高，激光束越容易焊接或切割或打标加工工件。由于激光焊接场景或激光切割场景或激光打标场景等场景，其所需的焊接缝隙或切割宽度或打标宽度是不同的，当焊接缝隙或切割宽度或打标宽度比较大，聚焦光斑比较小时，为了可靠有效地实施激光作业，在一些实施例中，光学系统100可以控制激光束的聚焦光斑在待加工件上的移动轨迹，以满足相关激光加工场景的需要，移动轨迹包括直线形、正弦形、余弦形或圆弧形等。
45.在一些实施例中，请结合图1，第一透镜组20为第一透镜，第一透镜为平凹透镜，平凹透镜具有负光焦度，并且平凹透镜的平面靠近物侧，平凹透镜的凹面靠近像侧。
46.第二透镜组30包括第二透镜31和第三透镜32，其中，第二透镜31为双凸透镜，具有正光焦度，第三透镜32为双凸透镜，也具有正光焦度，由此可见，光学系统100的镜片结构较少，结构简单，易于装调，降低了成本。
47.并且，对比使用单透镜聚焦，在同样焦距的情况下，在该光学系统100中，通过第二透镜31和第三透镜32聚焦，双透镜聚焦能够使透镜中心和透镜边沿的汇聚能力得到加强，因此成像质量更好，从而使聚焦的光斑更小。
48.同时，为了实现像面平场，即在满足反射镜10不同摆动幅度时的聚焦光斑一致的目的，对比使用单透镜聚焦，若要将激光束摆动幅度相同，采用第二透镜31和第三透镜32聚焦能够让聚焦效果更好，反射镜10所需要摆动的角度也更小。
49.最后，第一透镜20、第二透镜31和第三透镜32组合实现了反摄远的结构，第一透镜为负透镜，对反射镜反射的激光束进行发散，形成带有一定发散角的入射光束，增大了入射到第二透镜31的光线的发散角和到第二透镜31的光斑大小，并且增加了物点焦距。在不同入射发散角的情况下，会形成不同的后截距，从而达到延长后截距，达到反摄远的效果。
50.同时根据abcd传输矩阵，增加第一透镜20之后，所述光束再经第二透镜31和第三透镜32，需要在更远的距离进行聚焦，从而增大了光学系统100的后截距，使待加工件和光学系统100之间的距离更远，能够更好的保护光学系统100不被从焊接工作回返的激光破坏。
51.在一些实施例中，第一透镜20可以为双凹透镜，具有负光焦度，第二透镜具有正光焦度。
52.第二透镜31可以为第一弯月透镜，其中，第一弯月透镜的凹面靠近物侧，第一弯月透镜的凸面靠近像侧。
53.第三透镜32可以为第二弯月透镜，具有正光焦度，其中，第二弯月透镜的凹面靠近物侧，第二弯月透镜的凸面靠近像侧。
54.在实际应用中，第一透镜20、第二透镜31和第三透镜32的透镜类型可根据实际需要进行选择，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
55.为了进一步降低加工难度，在一些实施例中，第一透镜20、第二透镜31以及第三透镜32均为球面透镜。
56.在一些实施例中，为了能更好校正像差，第一透镜20、第二透镜31以及第三透镜32也可以使用非球面透镜。在实际应用中，所述用于激光焊接的光学系统100中球面透镜的个数可以根据需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例的限定。
57.为了能保证反射镜10反射的光束能纳入第一透镜、并且经第一透镜20发散、再由第二透镜31和第三透镜32聚焦，在一些实施例中，用于激光焊接的光学系统100满足以下关系：
58.5mm＜d1＜30mm，
59.5mm＜d2＜30mm，
60.0.5mm＜d3＜2mm；
61.其中，d1为反射镜10的中心至第一透镜20光心的距离，d2为第一透镜20的光心至第二透镜31光心的距离，d3为第二透镜31的光心至所述第三透镜32光心的距离。
62.在实际应用中，光学系统100的总长、有效焦距、全视场角可根据实际需要进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
63.为了保证光学系统100能够更好地接收输入光束，在一些实施例中，光学系统100的入瞳直径为2-15mm，由于物方和用于激光加工的光学系统之间的焦距共同作用决定入瞳直径，在实际应用中，光学系统100的入瞳直径可以根据不同的加工应用场景进行设置，不需要拘泥于本发明实施例中的限定。
64.在一些实施例中，光学系统100的有效焦距为30-60mm，全视场角为0
°‑
10
°
，入瞳直径为2-15mm。
65.由于光学系统100的有效焦距和入瞳直径较小，不仅能保证工作时所需的短焦条件和单位面积的高能量密度，而且也使光学系统100 易于接收激光器输出的激光光束。同时光学系统100的全视场角为0
°ꢀ‑
10
°
，可达到激光扫描的要求范围，例如，在加工过程中可以通过反射镜转动，进行聚焦光斑扫描，同时通过控制摆动频率，来调节加工速度，从而满足快速加工的需求。
66.在其中一些实施例中，请参阅图2，光学系统100还包括准直透镜组50和石英棒60，准直透镜组50，设于所述反射镜10朝向物侧的一侧，石英棒60设于准直透镜组50的物侧，其中，准直透镜组 50用于对激光器发射的激光进行准直,石英棒60用于将激光器产生的激光传输到光学系统100中。
67.在实际的加工过程中，常常需要使用不同波长的激光，由于透镜的折射率会随着波长的变化而发生变化，不同波长的光会在光轴的方向上形成不同的聚焦点，即产生轴向色差，从而会降低在加工面上光的能量密度。为了让光学系统100能对不同波长的光有更好的加工效果，降低轴向色差，请参阅图3，光学系统100还包括多波长组件70，多波长组件70设置在准直透镜组50的物侧，且多波长组件70中至少包含一个正透镜与一个负透镜，多波长组件70用于校正多波长光束的轴向色差。其中，所述正透镜可以为弯月透镜或双凸透镜，其中，所述弯月透镜的凹面靠近所述像侧，所述弯月透镜的凸面靠近物侧。所述负透镜为双
凹透镜或平凹透镜，其中，平凹透镜的平面靠近物侧，平凹透镜的凹面靠近像侧，本文的像侧为靠近待加工件一侧，物侧为靠近激光源的一侧。通过采用多波长组件70，其能够校正色差，有效的提高聚焦后的光斑分辨率。
68.在一些实施例中，请参阅图3，多波长组件70包括第一多波长透镜71，第一多波长透镜71为负透镜，第一多波长透镜71设置于准直透镜组50与石英棒60之间，其双面均为凹面。
69.在一些实施例中，请继续参阅图3，多波长组件70包括第二多波长透镜72，第二多波长透镜72为正透镜，第二多波长透镜72设置于准直透镜组50与第一多波长透镜71之间，其为弯月透镜，其中，所述弯月透镜的凹面靠近所述像侧，所述弯月透镜的凸面靠近物侧。
70.在本实施例中，通过第一多波长透镜71、第二多波长透镜72及准直透镜组50的作用，不同波长激光准直后的发散角得到极大压缩，实现了免调节也能对多波长激光相同倍率的放大，避免由于发散角过大而导致后面的放大倍率不一致。并且，通过第一多波长透镜71与第二多波长透镜72，光学系统100能够兼容多波长激光的输入，满足各类多波长激光的加工场景。
71.为了详细阐述本发明实施例提供的光学系统的成像质量，下面结合图4与图5对此作出说明：
72.本实施例提供的光学系统能够兼容915nm、975nm及1080nm的波长激光。请参阅图4，在相同能量输出的情况下，将915nm、975nm 及1080nm的波长激光分别输入光学系统，得到如图5所示的点列图，点列图反映的是光学系统成像的几何结构，在像质评价中，可用点列图的密集程度更加直观反映和衡量系统成像质量的优劣，点列图的 rms半径越小，证明像差越小、系统的成像质量越好。
73.如图4所示，rms半径控制在11.85微米，即该用于激光焊接的光学系统各视场光斑较小，像差校正比较好，该用于激光焊接的光学系统的聚焦质量好，能满足焊接过程中激光光斑大小的需求。
74.如图5所示，图5的左侧为场曲曲线，右侧为畸变曲线，场曲是物平面形成曲面像的一种像差，以子午场曲和弧矢场曲来表征，二者过大会严重影响光学系统的轴外光线成像质量。如图5所示，场曲小于20微米，畸变小于5％，由此可见，本实施例中的光学系统的场区畸变较小，聚焦效果好，能满足激光聚焦光斑的要求。
75.由以上数据可知，光学系统100不仅结构简单，聚焦效果好且能满足长后截距的要求。
76.本发明实施例还提供一种激光加工设备，激光加工设备包括如上述任意实施例所述的光学系统。
77.需要说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为
了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。