本發(fā)明涉及光學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種調(diào)焦鏡頭及振鏡式激光掃描系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光掃描技術(shù)是一種能夠精確控制激光束指向的技術(shù)，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于光電醫(yī)療、激光加工、空間激光通信、激光雷達(dá)、遙感與測量、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域。在激光加工和激光達(dá)標(biāo)領(lǐng)域，一直采用振鏡式激光掃描技術(shù)。為了保證激光加工精度，激光在到達(dá)加工面之前需要經(jīng)過聚焦以保證在工作面上有良好的聚焦特性，根據(jù)聚焦系統(tǒng)擺放的位置，可以分為振鏡前聚焦和振鏡后聚焦兩種聚焦方式。

現(xiàn)有技術(shù)中專利CN101419336B提出了一種振鏡后聚焦方式，該振鏡式激光三維掃描系統(tǒng)包括激光器、擴(kuò)束鏡、x軸掃描振鏡、y軸掃描振鏡、掃描聚焦透鏡、z軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。該振鏡式激光掃描系統(tǒng)將xy兩維掃描振鏡和掃描聚焦鏡(如平常聚焦鏡或遠(yuǎn)心掃描透鏡)分開為可相互移動(dòng)的組合體，即xy軸掃描振鏡在z軸方向上固定不動(dòng)，而掃描聚焦透鏡固定在可沿z軸方向上下移動(dòng)的機(jī)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)三維立體加工功能。

另，現(xiàn)有專利CN2664011Y公開了一種振鏡前聚焦激光掃描系統(tǒng)，包括激光器、聚焦模塊、X軸掃描頭和Y軸掃描頭，其采用三塊組合鏡片構(gòu)成的凸透鏡組聚焦模塊，其設(shè)計(jì)第一塊為可移動(dòng)透鏡，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，后兩塊為靜止透鏡。聚焦系統(tǒng)一方面起聚焦作用，另一方面起光學(xué)杠桿作 用，通過電動(dòng)平移臺改變透鏡的位置從而自動(dòng)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，保證整個(gè)掃描面上都有良好的聚焦光斑。激光束通過聚焦模塊經(jīng)X軸掃描頭和Y軸掃描頭到達(dá)焦點(diǎn)工作平面。

振鏡后聚焦方式采用傳統(tǒng)的F-theta透鏡聚焦方式由于透鏡尺寸的限制，掃描范圍不宜過大，且掃描面邊緣光束聚焦特性已經(jīng)變得很差。

振鏡前聚焦方式其激光掃描系統(tǒng)其光學(xué)設(shè)計(jì)和調(diào)焦模型比較復(fù)雜。鏡片太多，加工和裝配帶來的誤差也會(huì)增多，影響調(diào)焦效果。此外，此類三維掃描系統(tǒng)基本除掃描面外在光路中也存在實(shí)聚焦點(diǎn)，高能激光束聚焦點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致溫度過高，增加設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。

因此，針對上述技術(shù)問題，有必要提供一種調(diào)焦鏡頭及振鏡式激光掃描系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于激光三維掃描的調(diào)焦鏡頭及振鏡式激光掃描系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案如下：

一種調(diào)焦鏡頭，所述調(diào)焦鏡頭包括同軸設(shè)置的平凹鏡和凸透鏡，所述平凹鏡包括相對設(shè)置的平面和凹面，所述凸透鏡包括相對設(shè)置的第一凸面和第二凸面，所述凸透鏡固定設(shè)置，平凹鏡在軸線上可移動(dòng)設(shè)置，光線從平凹鏡的平面入射，依次經(jīng)過平凹鏡的凹面、凸透鏡的第一凸面后從凸透鏡的第二凸面出射。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平凹鏡和凸透鏡的材料為硒化鋅。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述凸透鏡中第一凸面和第二凸面的曲率半徑相等，且大于平凹鏡中凹面的曲率半徑。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平凹鏡的凹面與凸透鏡的第一凸面之間的距離為10～100mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平凹鏡的平面與凹面之間的距離為1～10mm，凸透鏡的第一凸面和第二凸面之間的距離為1～10mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述平凹鏡的平面與凹面之間的距離為5mm，凸透鏡的第一凸面和第二凸面之間的距離為5mm，平凹鏡中凹面的曲率半徑為110.94mm，凸透鏡中第一凸面和第二凸面的曲率半徑均為368.78mm，平凹鏡的凹面與凸透鏡的第一凸面之間的距離為50mm。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光線波長10.64μm、初始焦距750mm時(shí)的調(diào)焦長度為：

其中，ΔS為調(diào)焦長度，Z為平凹鏡的位移。

相應(yīng)地，一種振鏡式激光掃描系統(tǒng)，所述系統(tǒng)沿軸線依次包括：激光器、調(diào)焦鏡頭、第一振鏡、第二振鏡和掃描面。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光器與調(diào)焦鏡頭之間設(shè)有激光束擴(kuò)束系統(tǒng)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光器出射的激光束束腰半徑大于7.5mm。

本發(fā)明具有以下有益效果：

調(diào)焦鏡頭結(jié)構(gòu)簡單，且裝調(diào)誤差?。?/p>

調(diào)焦鏡頭無實(shí)焦點(diǎn)使得調(diào)焦鏡頭能夠保持相對低溫；

振鏡式激光掃描系統(tǒng)在入射激光束束腰半徑大于7.5mm時(shí)，激光器距離調(diào)焦鏡頭之間的距離不影響聚焦效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實(shí)施方式中調(diào)焦鏡頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明第二實(shí)施方式中振鏡式激光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明公開了一種雙鏡片動(dòng)態(tài)調(diào)焦鏡頭，其目的在于優(yōu)化現(xiàn)有動(dòng)態(tài)聚焦模塊光學(xué)系統(tǒng)，該調(diào)焦鏡頭結(jié)構(gòu)更為簡單，調(diào)焦鏡頭無實(shí)焦點(diǎn)使結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生高溫。

具體地，參圖1所示，本發(fā)明一具體實(shí)施方式中的調(diào)焦鏡頭，包括同軸設(shè)置的平凹鏡1和凸透鏡2，平凹鏡包括相對設(shè)置的平面11和凹面12，凸透鏡2包括相對設(shè)置的第一凸面21和第二凸面22。凸透鏡2固定設(shè)置，平凹鏡1在軸線上可移動(dòng)設(shè)置，光線從平凹鏡1的平面11入射，依次經(jīng)過平凹鏡1的凹面12、凸透鏡2的第一凸面21后從凸透鏡2的第二凸面22出射。

其中，本實(shí)施方式中平凹鏡1和凸透鏡2所用的材料相同，均為硒化鋅。凸透鏡2中第一凸面21和第二凸面22的曲率半徑相等，且大于平凹鏡1中凹面12的曲率半徑。

進(jìn)一步地，平凹鏡1的凹面12與凸透鏡2的第一凸面21之間的距離為 10～100mm，且平凹鏡1的平面11與凹面12之間的距離為1～10mm，凸透鏡2的第一凸面21和第二凸面22之間的距離為1～10mm。

具體地，在本發(fā)明的一具體實(shí)施例中，平凹鏡1的平面11與凹面12之間的距離為5mm，凸透鏡2的第一凸面21和第二凸面22之間的距離為5mm，平凹鏡1中凹面12的曲率半徑為110.94mm，凸透鏡2中第一凸面21和第二凸面22的曲率半徑均為368.78mm，平凹鏡1的凹面12與凸透鏡2的第一凸面21之間的距離為50mm。

調(diào)焦鏡頭工作時(shí)，凸透鏡2固定，平凹鏡1可在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未圖示)的驅(qū)動(dòng)下朝向凸透鏡2的方向運(yùn)動(dòng)，假設(shè)運(yùn)動(dòng)量為Z，則可改變整個(gè)調(diào)焦鏡頭的焦距。

本實(shí)施例中在光線波長10.64μm、初始焦距750mm時(shí)的調(diào)焦長度為：

其中，ΔS為調(diào)焦長度，Z為平凹鏡的位移。

本實(shí)施方式中的調(diào)焦鏡頭可以應(yīng)用于激光三維掃描等。

參圖2所示為本發(fā)明另一實(shí)施方式中振鏡式激光掃描系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其沿軸線依次包括激光器6、調(diào)焦鏡頭、第一振鏡3、第二振鏡4和掃描面5，其中，調(diào)焦鏡頭由上述平凹鏡1和凸透鏡2組成，第一振鏡3為X振鏡，第二振鏡4為Y振鏡，調(diào)焦鏡頭的安裝方式與上述第一實(shí)施方式相同，在此不再進(jìn)行贅述。

在振鏡式激光掃描系統(tǒng)的安裝過程中，激光器6、平凹鏡1、凸透鏡2的中心要在一條直線上，且與第一振鏡3、第二振鏡4的光束入口中心在一條直線上。

本實(shí)施方式中激光器為二氧化碳連續(xù)激光器，且激光器出射的激光束束腰半徑大于7.5mm。

激光束在對工件進(jìn)行加工時(shí)，需要考慮激光束的聚焦點(diǎn)與掃描面存在的偏差，即激光在工作面產(chǎn)生離焦。本發(fā)明使激光束通過調(diào)焦鏡頭完成了對全工作幅面上的離焦校正，通過電動(dòng)平移臺改變平凹鏡的位置從而自動(dòng)調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)的焦距，保證整個(gè)掃描面上都有良好的聚焦光斑。

對于振鏡式激光掃描系統(tǒng)，選取掃描面中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，假設(shè)反射激光束指向掃描面上的(x,y)點(diǎn)，則系統(tǒng)的離焦誤差計(jì)算公式為：

其中d為第二振鏡4到掃描面5之間的距離，e為第一振鏡3和第二振鏡4鏡面中心之間的距離。

對于本發(fā)明一具體實(shí)施例中的振鏡式激光掃描系統(tǒng)，平凹鏡1向凸透鏡2方向移動(dòng)的距離與調(diào)節(jié)的焦距之間的關(guān)系為：

其中，ΔS為調(diào)焦長度，Z為平凹鏡的位移。

通過如上兩個(gè)公式，已知掃描點(diǎn)(x,y)，使用人員就可以計(jì)算出平凹鏡2應(yīng)該向凸透鏡3方向移動(dòng)的距離Z，從而保證掃描面上每個(gè)掃描點(diǎn)正好是聚焦點(diǎn)，消除離焦誤差。

進(jìn)一步地，在其他實(shí)施方式中，為了在掃描面上獲得較小的彌散斑，在調(diào)焦鏡頭前還可以增加激光束擴(kuò)束系統(tǒng)。

本實(shí)施例中，對比已有振鏡后聚焦系統(tǒng)受透鏡尺寸限制、工作幅面難以做大、掃描面邊緣光束聚焦特性很差，本發(fā)明能完成大尺寸幅面的精密加工。

由以上技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的調(diào)焦鏡頭及振鏡式激光掃描系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

調(diào)焦鏡頭結(jié)構(gòu)簡單，且裝調(diào)誤差小；

調(diào)焦鏡頭無實(shí)焦點(diǎn)使得調(diào)焦鏡頭能夠保持相對低溫；

振鏡式激光掃描系統(tǒng)在入射激光束束腰半徑大于7.5mm時(shí)，激光器距離調(diào)焦鏡頭之間的距離不影響聚焦效果。

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點(diǎn)來看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。