本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，具體為一種基于二分束棱鏡與掃描振鏡組合光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

工業(yè)激光加工行業(yè)包括激光切割、焊接、打標(biāo)、鉆孔、微加工、熔覆、淬火、表面處理、3D打印等各方面，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(biāo)、3D打印等激光加工行業(yè)對激光束多樣性的要求更具代表性。

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(zhì)量，雙焦點焊接是激光束經(jīng)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(jìn)行加工的工藝方式，三焦點焊接通常是在雙焦點焊接基礎(chǔ)上，引入另一焦點對待焊接或焊接后的焊縫進(jìn)行預(yù)處理或后處理。

隨著激光加工工業(yè)的逐步成熟以及各行業(yè)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(xiàn)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(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而振鏡掃描系統(tǒng)、楔形鏡掃描系統(tǒng)的高速特性優(yōu)勢在這方面體現(xiàn)得淋漓盡致。

振鏡掃描光學(xué)系統(tǒng)，分為兩類，一類是前聚焦掃描方案，另一類則是后聚焦如f鏡組掃描方案，前聚焦掃描的優(yōu)勢在于聚焦光束質(zhì)量不變，且鏡片或鏡組尺寸較小，通過特殊鏡片組合還可以實現(xiàn)三維掃描激光加工應(yīng)用，焦距往往較長，聚焦鏡不移動則掃描焦點不共面；后聚焦掃描如f鏡組方案，鏡片數(shù)量多且外形尺寸較大，好處在于掃描過程中聚焦焦點在同一平面，尤其適用于二維掃描加工應(yīng)用。無論是哪一種振鏡掃描方式，通過算法調(diào)整掃描振鏡轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)方向，可以實現(xiàn)一定范圍內(nèi)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(biāo)上也獨樹一幟。尤其的，隨著新興的3D打印技術(shù)到來，高速振鏡掃描體現(xiàn)出了其應(yīng)用中的優(yōu)勢與魅力。

但是，隨著激光加工工藝的日趨發(fā)展，獲得更高效率的激光加工是大勢所趨，比如激光焊接、激光打標(biāo)、3D打印，單焦點振鏡掃描系統(tǒng)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，用于掃描振鏡的電機在高速旋轉(zhuǎn)過程中，同樣容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，精度隨著轉(zhuǎn)速的增大而降低，且為適應(yīng)較高功率激光的振鏡掃描應(yīng)用，電機轉(zhuǎn)速的提升更加受限，這極大程度上影響掃描振鏡性能優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于二分束棱鏡與掃描振鏡組合光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于二分束棱鏡與掃描振鏡組合光學(xué)系統(tǒng),包括第一二分束棱鏡、第二二分束棱鏡、第一掃描振鏡、第二掃描振鏡和消像差聚焦鏡組，所述第一二分束棱鏡、所述第二二分束棱鏡中心軸同軸，所述第一掃描振鏡、第二掃描振鏡和消像差聚焦鏡組構(gòu)成振鏡掃描光學(xué)系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述第一二分束棱鏡、所述第二二分束棱鏡棱角相同，均為平凸形分束棱鏡。

優(yōu)選的，所述第一掃描振鏡、所述第二掃描振鏡光束偏轉(zhuǎn)角均為變化角。

優(yōu)選的，所述消像差聚焦鏡組為球面鏡組合。

優(yōu)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。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，通過采用二分束棱鏡與掃描振鏡組合，基于二分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于振鏡掃描特性，實現(xiàn)了一種具備多種激光加工功能的光學(xué)振鏡系統(tǒng)，尤其在單焦點、單焦點掃描圖形的各類激光應(yīng)用上，提供了雙焦點同時同步加工應(yīng)用，極大程度提高了激光加工質(zhì)量與加工效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)鏡片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的二分束棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的實施例一光路傳輸示意圖；

圖4為本發(fā)明的實施例二光路傳輸示意圖。

具體實施方式

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

請參閱圖1-3，本實施例提供一種技術(shù)方案：一種基于二分束棱鏡與掃描振鏡組合光學(xué)系統(tǒng)，包括第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2、第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4和消像差聚焦鏡組5，第一二分束棱鏡1、所述第二二分束棱鏡2中心軸同軸，放置方向為棱相對或棱相向；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；第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4光束偏轉(zhuǎn)角均為變化角，實現(xiàn)兩個垂直面上的光束反射，消像差聚焦鏡組5可以是球面鏡組，也可以選擇非球面鏡或鏡組，其中第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4和消像差聚焦鏡組5構(gòu)成最基本的二維振鏡掃描光學(xué)系統(tǒng)。

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(jīng)過第一二分束棱鏡1分成兩束匯聚后又發(fā)散的平行光束，兩束平行光束匯聚后一段距離，經(jīng)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(jīng)過第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2后的光束再經(jīng)由第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡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。

當(dāng)其他鏡片不動，第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4分別以給定角度值旋轉(zhuǎn)其對應(yīng)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8到相應(yīng)方向位置后靜止，實現(xiàn)了聚焦面一定范圍內(nèi)單點聚焦。

當(dāng)其他鏡片不動，第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4分別以給定的實時轉(zhuǎn)速與方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8時，聚焦焦面形成對應(yīng)需求的掃描軌跡，實現(xiàn)了掃描振鏡單焦點掃描。

當(dāng)?shù)谝粧呙枵耒R3、第二掃描振鏡4分別以給定角度值旋轉(zhuǎn)其對應(yīng)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8到相應(yīng)位置后靜止，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(tài)分別且僅允許反向旋轉(zhuǎn)等量小角度，可以獲得相應(yīng)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(xiàn)單焦點到雙焦點以及雙焦點間距的改變，通過將調(diào)整后的第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2統(tǒng)一同向旋轉(zhuǎn)任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現(xiàn)了聚焦面一定范圍內(nèi)雙點聚焦。

當(dāng)?shù)谝粧呙枵耒R3、第二掃描振鏡4分別以給定的實時轉(zhuǎn)速與方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8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(tài)分別且僅允許反向旋轉(zhuǎn)等量小角度，可以獲得相應(yīng)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(xiàn)單焦點到雙焦點的改變以及雙焦點間距的改變，通過將調(diào)整后的第一二分束棱鏡1、第二二分束棱鏡2統(tǒng)一同向旋轉(zhuǎn)任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現(xiàn)掃描振鏡雙焦點掃描。

掃描過程中，當(dāng)?shù)谝欢质忡R1、第二二分束棱鏡2的棱間夾角調(diào)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掃描振鏡自身掃描所需要獲得圖形規(guī)格尺寸。

請參閱圖4，本實施例提供一種與實施例一分束特性等效且適用于3D振鏡掃描的技術(shù)方案：包括第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10、負(fù)焦透鏡或鏡組11、正焦透鏡或鏡組12、第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4，第三二分束棱鏡9為平凹形，第四二分束棱鏡10為平凸形，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10棱角之和為180°，放置方向為棱相對或棱相向，負(fù)焦透鏡或鏡組11、正焦透鏡或鏡組12可以為球面面型，也可以為非球面面型，兩者組合形成調(diào)焦組合，通過移動其中一組鏡片或鏡組，可以實現(xiàn)聚焦焦點三維上的變化，其中，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10、負(fù)焦透鏡或鏡組11、正焦透鏡或鏡組12均為圓形鏡片，鏡片中心同軸，第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4光束偏轉(zhuǎn)角均為變化角，實現(xiàn)兩個垂直面上的光束反射。

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(jīng)過第三二分束棱鏡9分成兩束發(fā)散的平行光束，方向發(fā)散的平行光束經(jīng)過第四二分束棱鏡10形成相互平行的兩束光，此時第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10之間的分束棱相互平行，經(jīng)過第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10后的光束再經(jīng)由負(fù)焦透鏡或鏡組11、正焦透鏡或鏡組12組合聚焦，最后由第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4偏向，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。

當(dāng)其他鏡片不動，第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4分別以給定角度值旋轉(zhuǎn)其對應(yīng)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8到相應(yīng)方向位置后靜止，實現(xiàn)了聚焦面一定范圍內(nèi)單點聚焦。

當(dāng)其他鏡片不動，第一掃描振鏡3、第二掃描振鏡4分別以給定的實時轉(zhuǎn)速與方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8時，通過實時移動負(fù)焦透鏡或鏡組11，或移動正焦透鏡或鏡組12，獲得聚焦焦點共面補償，形成對應(yīng)需求的掃描軌跡，實現(xiàn)了掃描振鏡單焦點掃描。

當(dāng)?shù)谝粧呙枵耒R3、第二掃描振鏡4分別以給定角度值旋轉(zhuǎn)其對應(yīng)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8到相應(yīng)位置后靜止，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10的棱相對于初始狀態(tài)分別且僅允許反向旋轉(zhuǎn)等量小角度，可以獲得相應(yīng)間距且連線平行于第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10棱間銳角平分線的雙焦點，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10棱間夾角大小的改變，可以實現(xiàn)單焦點到雙焦點以及雙焦點間距的改變，通過將調(diào)整后的第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10統(tǒng)一同向旋轉(zhuǎn)任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，實現(xiàn)了聚焦面一定范圍內(nèi)雙點聚焦。

當(dāng)?shù)谝粧呙枵耒R3、第二掃描振鏡4分別以給定的實時轉(zhuǎn)速與方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)第一轉(zhuǎn)軸7、第二轉(zhuǎn)軸8時，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10的棱相對于初始狀態(tài)分別且僅允許反向旋轉(zhuǎn)等量小角度，可以獲得相應(yīng)間距且連線平行于第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10棱間銳角平分線的雙焦點掃描，第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10棱間夾角大小的改變，可以實現(xiàn)單焦點到雙焦點的改變以及雙焦點間距的改變，通過將調(diào)整后的第三二分束棱鏡9、第四二分束棱鏡10統(tǒng)一同向旋轉(zhuǎn)任意角度后靜止，即可改變兩聚焦光斑的方向，同時通過實時移動負(fù)焦透鏡或鏡組11，或移動正焦透鏡或鏡組12，獲得聚焦焦點共面補償，實現(xiàn)掃描振鏡雙焦點掃描。

過程中，當(dāng)?shù)谌质忡R9、第四二分束棱鏡10的棱間夾角調(diào)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掃描振鏡自身掃描所需要獲得圖形規(guī)格尺寸。

過程中，通過移動負(fù)焦透鏡或鏡組11，或移動正焦透鏡或鏡組12，不僅可以實現(xiàn)焦平面上的焦點補償，還可以實現(xiàn)三維方向上的焦距補償。

兩種實施例中，各鏡片的旋轉(zhuǎn)步驟并不受上述描述限制，兩片二分束棱鏡旋轉(zhuǎn)以光軸為基準(zhǔn)，即繞光軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)不同波長的激光器，需進(jìn)行相應(yīng)的光學(xué)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(jù)設(shè)計確定，并不受結(jié)構(gòu)示意圖限制，鏡片材料及鍍膜以激光器波長為依據(jù)。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，通過采用二分束棱鏡與掃描振鏡組合，基于二分束棱鏡分束特性與棱夾角特性，基于振鏡掃描特性，實現(xiàn)了一種具備多種激光加工功能的光學(xué)振鏡系統(tǒng)，尤其在單焦點、單焦點掃描圖形的各類激光應(yīng)用上，提供了雙焦點同時同步加工應(yīng)用，極大程度提高了激光加工質(zhì)量與加工效率。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。