一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及光路结构

1.本发明涉及一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及系统的光路结构，应用于激光焊接、激光切割、激光打标等激光先进制造领域中。


背景技术：

2.现有技术中的动态聚焦扫描振镜系统主要有两种结构。第一种是包含动态聚焦镜组与双轴振镜的结构，对于三维空间内不同位置处的离焦误差通过动态聚焦镜来补偿。第二种是包含动态聚焦模块、双轴振镜模块和f-theta场镜模块的结构，f-theta场镜实现了平面上的二维扫描，配合动态聚焦模块，控制场镜焦平面在z方向上的位置，以此实现三维空间内的扫描加工。
3.公开号为cn107666981a的专利文献申请公布了一种调节激光焦点尺寸和位置的方法，公告号为cn21143858u的专利文献公布了一种紫外光扫描振镜场镜。目前对于动态聚焦扫描振镜系统的优化设计主要是针对系统中各个模块独立进行的，而在实际的系统工作中，动态聚焦镜位置的变化以及扫描振镜角度的偏转都会引起焦平面上激光束聚焦特性的改变，仅对动态聚焦系统和f-theta场镜独立设计和优化无法充分地反映系统整体的成像质量。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述问题，本发明的目的在于提供一种动态聚焦扫描振镜系统优化方法，搭建了动态聚焦扫描振镜系统整体的光路结构，模拟系统在不同工作状态下聚焦光斑的质量，模拟结果更符合系统实际的工作状态，从整体的角度对系统的光学参数进行优化，提升了扫描范围内聚焦光斑的质量。
5.本发明的技术方案如下。
6.本发明第一方面提供了一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，包括如下步骤：
7.步骤s1，对动态聚焦扫描振镜系统进行模块化设计，将所述动态聚焦扫描振镜系统分为动态聚焦模块、振镜模块和f-theta场镜模块，并分别进行初步优化；
8.步骤s2，对将所述步骤s1中的动态聚焦模块、振镜模块和f-theta场镜模块分别进行初步优化之后，组合在一起，对所述动态聚焦扫描振镜系统进行整体优化。
9.优选地，所述步骤s1进一步包括：
10.步骤s11，设计所述动态聚焦模块，实现通过控制动态聚焦镜的位置来改变聚焦光斑在z轴方向上的聚焦位置，并进行初步优化；
11.步骤s12，设计所述f-theta场镜模块，并对其中的场镜进行初步优化，通过场镜的平场特性补偿扫描平面上的离焦误差，实现动态聚焦扫描振镜系统在x、y方向上的扫描；
12.步骤s13，设计所述振镜模块；在初步优化后的f-theta场镜模块中加入振镜模块，所述振镜模块包括x轴振镜和y轴振镜，并且优化x轴振镜与y轴振镜间距、y轴振镜与场镜间距这两个参数。
13.优选地，所述步骤s2进一步包括：对经初步优化的三个模块进行组合，进行进一步优化，模拟动态聚焦扫描振镜系统中动态聚焦镜和振镜在不同状态下的聚焦光斑的质量。
14.优选地，所述步骤s2对于在动态聚焦镜的位置为-2mm、0mm和 2mm处时，x轴振镜和y轴振镜分别偏转0
°
、3
°
、5
°
、7
°
和10
°
的工作状态下的光线进行追迹，获得激光束在工作区域内的聚焦情况，通过约束追迹光线的聚焦位置来提升整个系统的成像质量和聚焦光斑的圆度。
15.本发明第二方面提供根据本发明第一方面中任一项所述的优化方法设计的动态聚焦扫描振镜系统的光路结构，包括动态聚焦模块、振镜模块和f-theta场镜模块；
16.所述动态聚焦模块包含第一透镜和第二透镜，第一透镜为动态聚焦镜，动态移动范围为
±
2mm，控制的聚焦光斑可变化的范围为
±
10mm；
17.所述f-theta场镜模块包含第三透镜，第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述f-theta场镜模块的焦距为250mm，视场角为
±
25
°
；
18.所述振镜模块包含x轴振镜和y轴振镜，两轴振镜的特性为平面反射镜，最大的机械偏转角度为
±
10
°
；
19.激光束依次经过第一透镜、第二透镜、x轴振镜、y轴振镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后聚焦在焦平面上。
20.优选地，所述第一透镜为双凹型负透镜，所述第二透镜为双凸透镜型正透镜，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜为弯月型正透镜，所述第五透镜为弯月型正透镜，所述第六透镜为双凸型正透镜。
21.优选地，所述第一透镜的前表面曲率半径为-20.5mm，后表面曲率半径为-83.1mm；所述第一透镜的中心厚度为2.0mm，所述第一透镜与所述第二透镜的间隔为49.2mm；所述第一透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
22.优选地，所述第二透镜的前表面曲率半径为137.7mm，后表面曲率半径为-75.9mm；所述第二透镜的中心厚度为2.3mm，所述第二透镜与x轴振镜的间隔为80.0mm；所述第二透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
23.优选地，所述x轴振镜与所述y轴振镜之间间隔为20.9mm，所述的y轴振镜与第三透镜之间间隔为35.2mm。
24.优选地，所述激光束的波长为1064nm，入瞳直径为5.6mm。
25.本发明的动态聚焦扫描振镜的优化方法对动态聚焦扫描振镜系统进行了一体式考虑，评价在不同工作状态下系统聚焦光斑的质量，并从整体角度对系统进行优化，由此准确地模拟实际应用中扫描振镜系统的工作状态，模拟不同工作状态下系统的聚焦能力，对系统中的各个光学元件做更深入的优化。本发明还应用所述的优化方法，设计了一种动态聚焦扫描振镜系统，提高了系统聚焦光斑的圆度，获得了更好的成像质量，能够满足在激光焊接、激光切割、激光打标等领域的应用需求。
附图说明
26.图1为本发明的扫描振镜系统的动态聚焦模块的光路结构示意图。
27.图2为本发明的扫描振镜系统的f-theta场镜的光路结构示意图。
28.图3为本发明的扫描振镜系统的f-theta场镜的点列图。
29.图4为本发明的扫描振镜系统的f-theta场镜的场曲、畸变示意图。
30.图5为本发明的动态聚焦扫描振镜系统光路结构示意图。
31.图6为优化前动态聚焦扫描振镜系统的点列图。
32.图7为优化后动态聚焦扫描振镜系统的点列图。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
34.所述的动态聚焦扫描振镜系统的优化方法是对系统进行模块化设计，整体性优化。本发明所述的动态聚焦扫描振镜系统可分为动态聚焦模块、振镜模块和f-theta场镜模块。具体地优化方法分为以下四步：
35.(1)设计系统的动态聚焦模块。如图1所示，通过控制动态聚焦镜的位置能够改变聚焦光斑在z轴方向上的聚焦位置，并通过光学设计软件进行初步优化。本发明中动态聚焦模块包含第一透镜和第二透镜，第一透镜为动态聚焦镜，动态移动范围为
±
2mm，控制的聚焦光斑可变化的范围为
±
10mm。
36.(2)设计系统的f-theta场镜模块。如图2所示，利用光学设计软件对场镜进行初步优化，通过场镜的平场特性补偿扫描平面上的离焦误差，实现动态聚焦扫描振镜系统在x、y方向上的扫描。本发明中f-theta场镜包含第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜，f-theta场镜的焦距为250mm，视场角为
±
25
°
。
37.(3)设计系统的振镜模块。在初步优化后的f-theta场镜模块中加入振镜模块，所述振镜模块包含x轴振镜和y轴振镜，两轴振镜的特性为平面反射镜，最大的机械偏转角度为
±
10
°
。在光学设计软件中优化x轴振镜与y轴振镜间距、y轴振镜与场镜间距这两个参数。
38.(4)优化动态聚焦扫描振镜系统。如图5所示，对上述的经初步优化的三个模块进行组合，利用光学设计软件进行进一步优化，模拟系统中动态聚焦镜和振镜在不同状态下的聚焦光斑的质量。在本发明设计的动态聚焦扫描振镜系统，考虑系统在动态聚焦镜的位置为-2mm、0mm和 2mm处时，x轴振镜和y轴振镜分别偏转0
°
、3
°
、5
°
、7
°
和10
°
的工作状态，对上述不同工作状态下的光线进行追迹，获得激光束在工作区域内的聚焦情况，通过约束追迹光线的聚焦位置来提升整个系统的成像质量和聚焦光斑的圆度。
39.所述的动态聚焦扫描振镜系统中，激光束依次经过第一透镜、第二透镜、x轴振镜、y轴振镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后聚焦在焦平面上。
40.所述的第一透镜为双凹型负透镜。在一优选的实施方式中，所述第一透镜的前表面曲率半径为-20.5mm，后表面曲率半径为-83.1mm，第一透镜的中心厚度为2.0mm，第一透镜与第二透镜的间隔为49.2mm。第一透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
41.所述的第二透镜为双凸透镜型正透镜。在一优选的实施方式中，所述第二透镜的前表面曲率半径为137.7mm，后表面曲率半径为-75.9mm，第二透镜的中心厚度为2.3mm，第二透镜与x轴振镜的间隔为80.0mm。第二透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
42.如图1所示，第一透镜与第二透镜组成动态聚焦模块，通过改变第一透镜(动态聚焦镜)能够实现对聚焦点位置的控制。
43.所述的x轴振镜为平面反射镜，x轴振镜与y轴振镜之间间隔为20.9mm。
44.所述的y轴振镜为平面反射镜，y轴振镜与第三透镜之间间隔为35.2mm。
45.所述的第三透镜为双凹透镜。在一优选的实施方式中，所述第三透镜的前表面曲率半径为-64.5mm，后表面曲率半径为-1196.0mm，第三透镜的中心厚度为7.7mm，第三透镜与第四透镜的间隔为1.2mm。第三透镜材料的折射率为1.74，阿贝尔系数为49.4。
46.所述的第四透镜为弯月型正透镜。在一优选的实施方式中，所述第四透镜的前表面曲率半径为-904.2mm，后表面曲率半径为-257.9mm，第四透镜的中心厚度为7.4mm，第四透镜与第五透镜的间隔为1.9mm。第四透镜材料的折射率为1.67，阿贝尔系数为47.1。
47.所述的第五透镜为弯月型正透镜。在一优选的实施方式中，所述第五透镜的前表面曲率半径为-205.767mm，后表面曲率半径为-86.357mm，第五透镜的中心厚度为11.4mm，第五透镜与第六透镜的间隔为1.9mm。第五透镜材料的折射率为1.80，阿贝尔系数为28.4。
48.所述的第六透镜为双凸型正透镜。在一优选的实施方式中，所述第六透镜的前表面曲率半径为3814.8mm，后表面曲率半径为-189.7mm，第六透镜的中心厚度为25.0mm。第六透镜材料的折射率为1.99，阿贝尔系数为20.9。
49.如图2所示，第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜组成f-theta场镜模块，图3和图4是f-theta场镜的点列图和场曲/畸变图。从图中可知，f-theta场镜模块达到衍射受限。
50.所述的动态聚焦扫描振镜系统整体光路结构如图5所示。通过在光学设计软件中设置动态聚焦镜位置和振镜偏转角度可以模拟振镜系统在工作时的状态。
51.图6是经过初步优化的各个模块未进行整体优化时，系统在不同位置处的点列图。图7是应用本发明介绍的优化方法，对初步优化的各个模块进行整体优化后，系统在不同位置处的点列图。对比这两张图可知，优化后，系统聚焦光斑的圆度有显著提升，在扫描范围内，系统的成像质量有明显提升。
52.应用本发明的优化方法，设计的动态聚焦扫描振镜系统激光波长为1064nm，入瞳直径为5.6mm，最大工作范围为不超过160mm
×
160mm
×
20mm，优选的加工范围为100mm
×
100mm
×
20mm，系统的聚焦光斑小于50um，聚焦光斑小，聚焦光斑圆度高，光斑一致性好。
53.本发明介绍的动态聚焦扫描振镜的优化方法能够更准确地模拟实际应用中扫描振镜系统的工作状态，模拟不同工作状态下系统的聚焦能力，对系统中的各个光学元件做更深入的优化。并应用所述的优化方法，设计了一种动态聚焦扫描振镜系统，提高了系统聚焦光斑的圆度，获得了更好的成像质量，能够满足在激光焊接、激光切割、激光打标等领域的应用需求。