專利名稱：自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的激光束控制機構(gòu)，特別是一種自動調(diào) 節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)。
背景技術(shù)：
在激光應(yīng)用領(lǐng)域中，比如大型激光加工、激光打靶、激光驅(qū)動飛行器等領(lǐng) 域中，飛行光學(xué)技術(shù)由于具有較大的靈活性和輕便性得到廣泛應(yīng)用。例如大型 激光加工中，由于大型工件較長，且較笨重，加工時若隨主軸一起縱向移動， 易出現(xiàn)爬行，定位不準(zhǔn)確。因此對于大型工件的加工，通常采用飛行光學(xué)形式。飛行光束聚焦特性主要包括實際焦距與幾何焦距(理想幾何平行光焦距) 的差異、焦斑大小和焦深的變化。由于聚焦鏡沿激光光軸作大尺寸移動，使實 際焦距、焦斑和焦深產(chǎn)生較大變化，這對激光束質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，如何自動 補償飛行光束參量的變化是一個關(guān)鍵技術(shù)。飛行聚焦頭移動時，需要獲得穩(wěn)定的激光束聚焦參量，并且要使飛行光學(xué) 參數(shù)補償系統(tǒng)簡單易控、響應(yīng)快、精度高?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用變形鏡應(yīng)用于激 光光束導(dǎo)光系統(tǒng)，應(yīng)用壓力控制的變形鏡自適應(yīng)擴束系統(tǒng)來解決飛行光束聚焦 特性的問題，較好的解決飛行光學(xué)問題。其不足在于變形鏡需要復(fù)雜的控制 單元，自適應(yīng)組件的性能差，比如組件較低的精度和響應(yīng)特性，常常影響光束 的傳輸質(zhì)量。另外，現(xiàn)有技術(shù)的飛行光學(xué)領(lǐng)域中，存在復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)， 包括位置傳感器等信號采集設(shè)備，操作控制以及結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，制造成本較 高。因此，需要一種飛行光路機構(gòu)，取消變形鏡并改進復(fù)雜的控制以及信號采 集設(shè)備，能改善飛行光束的聚焦特性，可以精確可靠的補償激光聚焦點焦深的 變化，隨飛行距離的變化，保證焦斑尺寸、焦深、焦點位置保持不變。發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)， 基于光束變換特性，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，取消變形鏡結(jié)構(gòu)，能夠改善飛行光 束的聚焦特性，可以精確可靠的補償激光聚焦點焦深的變化，采用機械傳動機 構(gòu)自動調(diào)節(jié)飛行光束聚焦性能，即隨飛行距離的變化，通過自動調(diào)整擴束鏡和 飛行聚焦鏡間的距離而使焦斑尺寸、焦深、焦點位置保持不變，且方法簡單可 靠，簡化復(fù)雜的控制以及信號采集設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，造價低。本發(fā)明的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，包括激光器、飛行光路和驅(qū) 動控制系統(tǒng)，所述飛行光路包括飛行聚焦頭和望遠鏡系統(tǒng)，所述望遠鏡系統(tǒng)包括位置相對固定并共焦的目鏡和物鏡，飛行聚焦頭包括平面鏡和聚焦鏡；所述 驅(qū)動控制系統(tǒng)可驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)和飛行聚焦頭沿光學(xué)軸線往復(fù)運動，所述飛行 聚焦頭的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)的運動速度的1倍，并且運動方向相反，其 中歷為望遠鏡系統(tǒng)的擴束比；激光器發(fā)射的光束依次通過目鏡、物鏡經(jīng)平面鏡 反射至聚焦鏡聚焦。進一步，所述驅(qū)動控制系統(tǒng)包括伺服電機、第一傳動軸、第二傳動軸、齒 輪I和齒輪II ，所述伺服電機驅(qū)動第一傳動軸或第二傳動軸，所述齒輪I和齒 輪II互相嚙合并分別與第一傳動軸和第二傳動軸在圓周方向固定配合；所述第 一傳動軸和第二傳動軸分別與飛行聚焦頭和望遠鏡系統(tǒng)配合，并驅(qū)動其沿光學(xué) 軸線往復(fù)運動；進一步，所述第一傳動軸和第二傳動軸分別通過絲桿傳動機構(gòu)與飛行聚焦 頭和望遠鏡系統(tǒng)配合，所述第一傳動軸和第二傳動軸的絲桿傳動機構(gòu)的導(dǎo)程和 螺紋旋向相同；所述齒輪II與齒輪I之間的傳動比大小為5進一步，所述伺服電機與第一傳動軸相連；進一步，所述平面鏡相對于光學(xué)軸線呈45°角設(shè)置，入射光和反射光之間 的夾角為90° 。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，采用 簡單的機械傳動機構(gòu)，基于光束變換特性，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，取消變形鏡 結(jié)構(gòu)，能夠改善飛行光束的聚焦特性，可以精確可靠的補償激光聚焦點焦深的 變化，采用機械傳動機構(gòu)自動調(diào)節(jié)飛行光束聚焦性能，即隨飛行距離的變化， 通過自動調(diào)整擴束鏡和飛行聚焦鏡間的距離而使焦斑尺寸、焦深、焦點位置保 持不變，且方法簡單可靠，簡化復(fù)雜的控制以及信號采集設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，造 價低。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述。 附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示本實施例的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的 飛行光路機構(gòu)，包括激光器l、飛行光路和驅(qū)動控制系統(tǒng)，飛行光路包括飛行聚 焦頭2和望遠鏡系統(tǒng)5，望遠鏡系統(tǒng)5包括位置相對固定并共焦的目鏡3和物鏡 4，飛行聚焦頭2包括平面鏡8和聚焦鏡9，平面鏡8相對于光學(xué)軸線呈45°角 設(shè)置，入射光和反射光之間的夾角為90°使機構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，易于控制；激光 器1發(fā)射的光束6依次通過目鏡3、物鏡4，經(jīng)平面鏡8反射至聚焦鏡9聚焦至工件ll;驅(qū)動控制系統(tǒng)包括伺服電機13、第一傳動軸7、第二傳動軸10、齒輪I 12 和齒輪I114，所述伺服電機13與第一傳動軸7相連并驅(qū)動其轉(zhuǎn)動，由于飛行聚焦頭2與第一傳動軸7相連，直接驅(qū)動第一傳動軸7，而使望遠鏡系統(tǒng)與之適應(yīng)， 有利于保證加工精度以及操作精度；齒輪I 12和齒輪II 14互相嚙合并分別與第 一傳動軸7和第二傳動軸10在圓周方向固定配合；第一傳動軸7和第二傳動軸 10外圓設(shè)置絲桿螺紋，分別與飛行聚焦頭2和望遠鏡系統(tǒng)5設(shè)置的螺紋孔配合， 形成絲桿傳動機構(gòu)，伺服電機13通過第一傳動軸7驅(qū)動飛行聚焦頭2沿光學(xué)軸 線往復(fù)運動，通過齒輪I 12和齒輪II 14以及第二傳動軸10并驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)5 沿光學(xué)軸線往復(fù)運動；第一傳動軸7和第二傳動軸10的絲桿傳動機構(gòu)的導(dǎo)程和 螺紋旋向相同，并配合齒輪I 12和齒輪II14的嚙合方式，保證飛行聚焦頭2和 望遠鏡系統(tǒng)5的運行方向相反；齒輪112與齒輪I114之間的傳動比大小為 (附2-1),保證飛行聚焦頭2的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)5的運動速度的(附2-1)倍， 其中歷為望遠鏡系統(tǒng)5的擴束比；采用一個伺服電機驅(qū)動兩個齒輪達到飛行聚 焦頭2的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)5的運動速度的(附2-1)倍和運動方向相反，與其他傳動結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)最為簡單緊湊，造價低。當(dāng)然，用于保證飛行聚焦頭2的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)5的運動速度的 (附2-l)倍的傳動方式并不局限于本實施例，也可以是其他方式，比如通過兩個伺 服電機由計算機控制；采用兩個不同導(dǎo)程的絲桿傳動結(jié)構(gòu)等等；飛行聚焦頭2 和望遠鏡系統(tǒng)5的運動方向相反也不局限于本實施例中的兩個齒輪嚙合的結(jié)構(gòu)， 也可以采用兩個不同螺紋旋向的絲桿傳動結(jié)構(gòu)來完成；都能到到發(fā)明目的。本發(fā)明工作時，當(dāng)飛行聚焦頭2在伺服電機13驅(qū)動的第一傳動軸7上沿著 光學(xué)軸線以速度r水平前進時，望遠鏡系統(tǒng)5在和第一傳動軸平行的第二傳動 軸10上向相反的方向以速度-W(附2-l)移動，飛行聚焦頭2和望遠鏡系統(tǒng)5呈線 性比例關(guān)系反向平行移動，這樣就可以獲得不變的聚焦參數(shù)。具體原理如下調(diào)整望遠鏡系統(tǒng)5和飛行聚焦頭2的移動速比，具體為在飛行光學(xué)加工 中,若只要求聚焦參數(shù)保持不變，我們可以采用較簡單的聚焦參量自動保持法， 望遠鏡系統(tǒng)5包括位置相對固定并共焦的目鏡3和物鏡4，望遠鏡系統(tǒng)5離焦量為零，即2; + 22=, + /2，望遠鏡系統(tǒng)5和飛行聚焦頭2—起移動，望遠鏡系統(tǒng)5 出射光束束腰的半徑和位置可以表示為w2=mWl， Z2=m(y; + /2)-<formula>formula see original document page 8</formula>從上式可知，如果飛行聚焦頭2以速度7運動，望遠鏡系統(tǒng)5同時以速度-v/(m2-1) 運動，那么距離^將保持不變，于是聚焦鏡9的聚焦光斑尺寸的，聚焦點位置^ 以及焦深4將保持不變。公式中M、的和附分別為目鏡出射激光束束腰半徑、物鏡出射激光束束腰 半徑和聚焦鏡出射激光束束腰半徑，a為初始入射激光束束腰到目鏡的距離，z; 為M到目鏡的距離，Z2為M到物鏡的距離，22:為的到物鏡的距離，z3為出射光 聚焦距離，A和6分別為目鏡和物鏡的幾何焦距，A為初始入射激光束束腰到平面鏡的距離，即飛行距離，《3為聚焦鏡的焦深。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，包括激光器(1)、飛行光路和驅(qū)動控制系統(tǒng)，所述飛行光路包括飛行聚焦頭(2)和望遠鏡系統(tǒng)(5)，其特征在于所述望遠鏡系統(tǒng)(5)包括位置相對固定并共焦的目鏡(3)和物鏡(4)，飛行聚焦頭(2)包括平面鏡(8)和聚焦鏡(9)；所述驅(qū)動控制系統(tǒng)可驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)(5)和飛行聚焦頭(2)沿光學(xué)軸線往復(fù)運動，所述飛行聚焦頭(2)的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)(5)的運動速度的m2-1倍，并且運動方向相反，其中m為望遠鏡系統(tǒng)(5)的擴束比；激光器(1)發(fā)射的光束(6)依次通過目鏡(3)、物鏡(4)經(jīng)平面鏡(8)反射至聚焦鏡(9)聚焦。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，其特征在于: 所述驅(qū)動控制系統(tǒng)包括伺服電機(13)、第一傳動軸(7)、第二傳動軸(10)、 齒輪I (12)和齒輪II (14)，所述伺服電機(13)驅(qū)動第一傳動軸(7)或第 二傳動軸(10)，所述齒輪I (12)和齒輪II (14)互相嚙合并分別與第一傳動 軸(7)和第二傳動軸(10)在圓周方向固定配合；所述第一傳動軸(7)和第 二傳動軸(10)分別與飛行聚焦頭(2)和望遠鏡系統(tǒng)(5)配合，并驅(qū)動其沿 光學(xué)軸線往復(fù)運動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，其特征在于 所述第一傳動軸(7)和第二傳動軸(10)分別通過絲桿傳動機構(gòu)與飛行聚焦頭(2)和望遠鏡系統(tǒng)(5)配合，所述第一傳動軸(7)和第二傳動軸(10)的絲 桿傳動機構(gòu)的導(dǎo)程和螺紋旋向相同；所述齒輪I (12)與齒輪II (14)之間的 傳動比大小為y/-l。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，其特征在于: 所述伺服電機(13)與第一傳動軸(7)相連。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，其特征在于: 所述平面鏡(8)相對于光學(xué)軸線呈45。角設(shè)置，入射光和反射光之間的夾角為90° 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動調(diào)節(jié)聚焦參量的飛行光路機構(gòu)，包括激光器、飛行光路和驅(qū)動控制系統(tǒng)，飛行光路包括飛行聚焦頭和望遠鏡系統(tǒng)，望遠鏡系統(tǒng)包括位置相對固定并共焦的目鏡和物鏡，飛行聚焦頭包括平面鏡和聚焦鏡，驅(qū)動控制系統(tǒng)可驅(qū)動望遠鏡系統(tǒng)和飛行聚焦頭沿光學(xué)軸線往復(fù)運動，飛行聚焦頭的運動速度為望遠鏡系統(tǒng)的運動速度的m²-1倍，并且運動方向相反，其中m為望遠鏡系統(tǒng)的擴束比，激光器發(fā)射的光束依次通過目鏡、物鏡經(jīng)平面鏡反射至聚焦鏡聚焦，本發(fā)明取消變形鏡結(jié)構(gòu)，能夠改善飛行光束的聚焦特性，采用機械傳動機構(gòu)自動調(diào)節(jié)飛行光束聚焦性能，即隨飛行距離的變化，通過自動調(diào)整擴束鏡和飛行聚焦鏡間的距離而使焦斑尺寸、焦深、焦點位置保持不變。
文檔編號B23K26/00GK101324694SQ200810070049
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月28日
發(fā)明者萬大平, 李以農(nóng), 王時龍 申請人:重慶大學(xué)