一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统的制作方法

1.本发明涉及光学镜头技术领域，具体涉及一种适用于工业自动化，如工件表面处理、模具生产等的可变光斑激光整形系统。


背景技术：

2.随着科学技术的发展，工业自动化程度逐步加深，在这个时代，激光是一种必不可少的工具。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。
3.激光技术是采用激光的手段，对特定目标进行加工或者检测的技术。但是，半导体激光器输出光束光强分布不均匀，远场光斑分布为椭圆高斯型，不能满足工业化的使用要求，因此，需要对激光进行匀化整形。目前，市场上的激光匀化整形系统存在结构复杂、加工难度大、光斑大小受限等问题。采用微透镜阵列实现激光匀化整形的技术已经出现，但通常采用多个微透镜阵列或多种不同透镜与微透镜阵列配合实现激光匀化整形，成本高，加工困难，光斑大小受限，不适合大面积工件的加工使用。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术中存在上述技术问题，解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、适用于大面积工件表面处理，如淬火、退火、软化等一系列工艺操作的可变光斑激光整形系统。该可变光斑激光整形系统能够提高大面积工件表面处理的效率，其匀化的线形光斑的尺寸可以适合几乎所有的工艺，实现其最佳的结果。同时，所述可变光斑激光整形系统允许动态的调节光斑大小，在经常需要更换镜组的激光应用上，使用者不需要更换加工镜组，即可实现激光光斑大小的调节。
5.为实现上述发明目的，本发明的技术方案为：
6.本发明提供一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，所述可变光斑整形系统包括激光器本体，所述激光器本体中具有光束通道，所述光束通道中沿光束传播方向依次同轴设置微透镜阵列、作为前固定组的第一透镜组、作为变倍组的第二透镜组和作为补偿组的第三透镜组，其中所述第一透镜组与第二透镜组、第二透镜组和第三透镜组之间的距离均可调。
7.进一步的，所述激光器本体包括固定镜筒、第一可移动镜筒和第二可移动镜筒，所述固定镜筒、第一可移动镜筒与第二可移动镜筒同轴套装，所述第一可移动镜筒和第二可移动镜筒均可沿轴线前后移动；所述微透镜阵列通过镜片固定支架安装在固定镜筒中，所述第一透镜组安装在固定镜筒中，所述第二透镜组和第三透镜组分别安装在第一可移动镜筒和第二可移动镜筒中。
8.进一步的，所述微透镜阵列，物面侧为平面，像面侧为子透镜排列阵面；所述第一透镜组包括第一球面镜片，其物面侧为凸面，像面侧为凸面；所述第二透镜组包括第二球面镜片，其物面侧为凹面，像面侧为凹面；所述第三透镜组包括第三球面镜片和第四球面镜
片，所述第三球面镜片的物面侧为凸面，像面侧为凸面，所述第四球面镜片的物面侧为凸面，像面侧为凸面。
9.进一步的，所述微透镜阵列是长方体微透镜阵列，长和宽均为32.2mm，由46个子透镜排列；其中一个子透镜的宽度为0.7mm；
10.所述第一透镜组包括第一球面镜片，其物面侧的凸面的曲率半径为r110.16mm，像面侧的凸面的曲率半径为r258.02mm，第一球面镜片的中心厚为9.58mm；
11.所述第二透镜组包括第二球面镜片，其物面侧的凹面的曲率半径为r57.14mm，像面侧的凹面的曲率半径为r32.78mm；第二球面镜片的中心厚为9.73mm；
12.所述第三透镜组包括第三球面镜片和第四球面镜片，所述第三球面镜片的物面侧的凸面的曲率半径为r2222.22mm，像面侧的凸面的曲率半径为r142.86mm；第三球面镜片的中心厚为12.00mm；所述第四球面镜片的物面侧的凸面的曲率半径为r202.43mm，像面侧的凸面的曲率半径为r418.41mm；第四球面镜片的中心厚为12.00mm。
13.进一步的，所述微透镜阵列、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组的材料均为石英。
14.进一步的，所述可变光斑激光整形系统可配合相机等附加组件使用。
15.在上述技术方案中，光束首先经过微透镜阵列，形成在子午和弧矢方向光焦度不同的光束，再通过前固定组调整光束发散角，最后经过移动变倍组和补偿组的位置(即调整变倍组和前固定组之间的距离、及变倍组和补偿组之间的距离)来控制线光斑的形状，通过动态调整，还能够灵活处理高度复杂的工作任务。
16.与现有技术相比，本发明适用于大面积工件的表面处理，特别是进行精准温度控制的局部加热，适用于各种形状的工件加工。该可变光斑激光整形系统的成本低，能够形成能量分布宽度稳定在1mm、长度稳定在5-50mm之间的光斑。成像均匀性极好。同时，上述可变光斑激光整形系统中，仅使用一片微透镜阵列，其余光学镜片均为易加工的球面镜片，使得整体成本低、结构简单易加工。
17.本发明具有如下有益效果：
18.1、所述激光整形系统可以动态调整光斑大小，实现能量分布宽度稳定在1mm、长度稳定在5-50mm之间的光斑，适合大部分的工艺，可以提高大面积工件表面处理如淬火、退火、软化等一系列工艺操作的效率。
19.2、所述可变光斑激光整形系统是集成匀化系统，其前固定组和变倍组之间的距离调节通过第一可移动镜筒的移动实现，其变倍组和补偿组之间的距离调节通过第二可移动镜筒的移动实现，不需要更换任何组件，能够灵活处理高度复杂的工作任务。
20.3、所述激光整形系统仅采用一组微透镜阵列，其余透镜均为球面镜片，结构简单，容易加工，适用范围广且使用成本低。
附图说明
21.图1为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为5mm时镜片位置示意图；
22.图2为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为5mm时的光路示意图；
23.图3为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为5mm时的照度图；
24.图4为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为5mm时的轴测图；
25.图5为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为50mm时镜片示意图；
26.图6为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为50mm时的光路示意图；
27.图7为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为50mm时的照度图；
28.图8为本发明的实施例1中可变光斑激光整形系统的光斑长度为50mm时的轴测图；
29.其中，1为微透镜阵列，2为第一球面镜片(前固定组、第一透镜组)，3为第二球面镜片(变倍组、第二透镜组)，4为第三球面镜片，5为第四球面镜片。
具体实施方式
30.下面结合具体实施案例和附图，对本发明的技术方案进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
31.实施例1
32.本实施例涉及一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，如图1或5所示，所述可变光斑整形系统包括激光器本体，所述激光器本体中具有光束通道，所述光束通道中沿光束传播方向(即镜头从物面到像面)依次同轴设置微透镜阵列1、作为前固定组的第一透镜组2、作为变倍组的第二透镜组3和作为补偿组的第三透镜组，其中所述第一透镜组2和第二透镜组3、第二透镜组3和第三透镜组之间的距离均可调。所述微透镜阵列1、第一透镜组2、第二透镜组3和第三透镜组的材料均为石英。所述可变光斑激光整形系统可配合相机等附加组件使用。
33.所述激光器本体包括固定镜筒、第一可移动镜筒和第二可移动镜筒，所述固定镜筒、第一可移动镜筒与第二可移动镜筒同轴套装，所述第一可移动镜筒和第二可移动镜筒均可沿轴线前后移动；所述微透镜阵列1通过镜片固定支架安装在固定镜筒中，所述第一透镜组2安装在固定镜筒中，所述第二透镜组3和第三透镜组分别安装在第一可移动镜筒和第二可移动镜筒中。
34.所述微透镜阵列1是长方体微透镜阵列，长和宽均为32.2mm，由46个子透镜排列；其中一个子透镜的宽度为0.7mm；
35.所述第一透镜组包括第一球面镜片2，起物面侧的凸面的曲率半径为r110.16mm，像面侧的凸面的曲率半径为r258.02mm，第一球面镜片2的中心厚为9.58mm；
36.所述第二透镜组包括第二球面镜片3，其物面侧的凹面的曲率半径为r57.14mm，像面侧的凹面的曲率半径为r32.78mm；第二球面镜片3的中心厚为9.73mm；
37.表1可变光斑激光整形系统在最短线长处的透镜参数
38.surfradiusthicknessndvdobj无限无限1(微透镜)无限21.45846467.821428.40033.5003110.1609.5841.45846467.8214
4258.02033.4205-57.1439.7251.45846467.8214632.776162.28072222.22012.0001.45846467.82148-142.8578.0009202.42912.0001.45846467.821410-418.410398.000ima无限-39.如图4和图8所示，所述第三透镜组包括第三球面镜片4和第四球面镜片5，所述第三球面镜片4的物面侧的凸面的曲率半径为r2222.22mm，像面侧的凸面的曲率半径为r142.86mm；第三球面镜片4的中心厚为12.00mm；所述第四球面镜片5的物面侧的凸面的曲率半径为r202.43mm，像面侧的凸面的曲率半径为r418.41mm；第四球面镜片5的中心厚为12.00mm。从图4或图8中可知，所述微透镜阵列1，物面侧为平面，像面侧为子透镜排列阵面，所述第一球面镜片2的物面侧为凸面，像面侧为凸面，所述第二球面镜片3的物面侧为凹面，像面侧为凹面，所述第三球面镜片4的物面侧为凸面，像面侧为凸面，所述第四球面镜片5的物面侧为凸面，像面侧为凸面。
40.具体的，本实施例的可变光斑激光整形系统在最短线长处各透镜的具体参数如表1所示，此时的光路图如图2所示。
41.具体的，本发明的可变光斑激光整形系统在最长线长处各透镜的具体参如表2所示，此时的光路图如图6所示。
42.表2可变光斑激光整形系统在最长线长处的透镜参数
43.surfradiusthicknessndvdobj无限无限1(微透镜)无限21.45846467.821428.40033.5003110.1609.5841.45846467.82144258.020105.4205-57.1439.7251.45846467.8214632.77610.28072222.22012.0001.45846467.82148-142.8578.0009202.42912.0001.45846467.821410-418.410478.000ima无限-44.为了验证本实施例的适用于大面积工件表面处理的可变光斑激光整形系统的光学性能，对本实施例中的可变光斑激光整形系统进行验证测试，测试结果如图3和图7所示，
45.该可变光斑激光整形系统的总长为685.50mm，所出射的激光最短可达到长度5mm，宽度1mm，最长可达到长度50mm，宽度1mm。长度灵活可变的线，通过不同的激光功率和灵活的光斑尺寸的选择，可以满足不同场景下的应用需求。
46.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述可变光斑激光整形系统包括激光器本体，所述激光器本体中具有光束通道，所述光束通道中沿光束传播方向依次同轴设置有微透镜阵列、作为前固定组的第一透镜组、作为变倍组的第二透镜组和作为补偿组的第三透镜组，其中所述第一透镜组与第二透镜组、第二透镜组和第三透镜组之间的距离均可调。2.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述激光器本体包括固定镜筒、第一可移动镜筒和第二可移动镜筒，所述固定镜筒、第一可移动镜筒与第二可移动镜筒同轴套装，所述第一可移动镜筒和第二可移动镜筒均可沿轴线前后移动；所述微透镜阵列通过镜片固定支架安装在固定镜筒中，所述第一透镜组安装在固定镜筒中，所述第二透镜组和第三透镜组分别安装在第一可移动镜筒和第二可移动镜筒中。3.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述微透镜阵列，物面侧为平面，像面侧为子透镜排列阵面；所述第一透镜组包括第一球面镜片，其物面侧为凸面，像面侧为凸面；第二透镜组包括第二球面镜片，其物面侧为凹面，像面侧为凹面；第三透镜组包括第三球面镜片和第四球面镜片，所述第三球面镜片的物面侧为凸面，像面侧为凸面，所述第四球面镜片的物面侧为凸面，像面侧为凸面。4.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述微透镜阵列是长方体微透镜阵列，长和宽均为32.2mm，由46个子透镜排列。5.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述第一透镜组包括第一球面镜片，为球面镜片，物面侧的凸面的曲率半径为r110.16mm，像面侧的凸面的曲率半径为r258.02mm，第一球面镜片的中心厚为9.58mm。6.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述第二透镜组包括第二球面镜片，为球面镜片，物面侧的凹面的曲率半径为r57.14mm，像面侧的凹面的曲率半径为r32.78mm；第二球面镜片的中心厚为9.73mm。7.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述第三透镜组包括第三球面镜片和第四球面镜片，所述第三球面镜片为球面镜片，物面侧的凸面的曲率半径为r2222.22mm，像面侧的凸面的曲率半径为r142.86mm；第三球面镜片的中心厚为12.00mm；所述第四球面镜片为球面镜片，物面侧的凸面的曲率半径为r202.43mm，像面侧的凸面的曲率半径为r418.41mm；第四球面镜片的中心厚为12.00mm。8.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述微透镜阵列、第一透镜组、第二透镜组和第三透镜组的材料均为石英。9.根据权利要求1所述的适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统，其特征在于，所述可变光斑激光整形系统可配合相机使用。

技术总结
本发明属于光学镜头技术领域，公开了一种适用于工件表面处理的可变光斑激光整形系统。所述可变光斑激光整形系统包括激光器本体，所述激光器本体中具有光束通道，所述光束通道中沿光束传播方向依次同轴设置有微透镜阵列、前固定组、变倍组和补偿组。其中，所述变倍组与前固定组、补偿组与变倍组之间的距离均可调。本发明是集成匀化系统，通过调整变倍组和补偿组的位置，可实现能量分布宽度稳定在1mm长度稳定在5-50mm之间的光斑，能够灵活处理高度复杂的工作任务，适合大部分的工艺，提高大面积工件表面处理如淬火、退火、软化等一系列工艺操作的效率。本发明提供的可变光斑激光整形系统适用范围广且使用成本低，并可配如相机等附加组件。组件。组件。


技术研发人员：魏群
受保护的技术使用者：南京华群光电技术有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/28