CN114994912B - 一种半径可调的环形光反射式光学*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半径可调的环形光反射式光学***，属于光学设计领域。技术方案：涉及的光学***由圆锥镜、聚焦镜和动镜组合形成。一束圆形平行光入射至圆锥镜后，传播方向折转90°以平行环形光反射至聚焦镜，聚焦镜上的光会聚于动镜，经动镜反射后聚焦至焦面，形成一定半径的环形光；所述光学***为反射式，其光轴是Z轴；所述的环形光半径等于焦面焦点与Z轴的距离；所述的动镜由线段M绕光轴Z旋转一周形成；当动镜沿Z轴以0~L距离移动时，即可实现半径调节范围为d~D的环形光。

Description

一种半径可调的环形光反射式光学***
技术领域
本发明属于光学***设计领域，特别涉及一种半径可调的环形光反射式光学***。
背景技术
光束的整形和调控是光学产业朝着先进化、轻量化和高性能方向发展的关键技术问题，在光纤通信、激光切割和激光焊接等领域有着重要作用。工业薄壁管件的焊接通常采用环形光束，如实用新型专利CN201820983136.2公开了“一种环状聚焦光束***”，但涉及的技术方法无法实现焦面环形光半径的实时调节，可操作性差。又如发明专利CN202011544208.1公开了“一种环形光激光焊接装置”虽能实现环光半径可调节，但***中的镜片均为透射式，此类镜片在抛光时精度有限，效率低，且存在透镜表面膜层无法长时间承受高功率激光等问题，影响实际使用效果。
发明内容
本发明目的是提供一种半径可调的环形光反射式光学***，通过动镜的自由移动即可产生一定半径范围内的聚焦环光，不仅设计自由度高，在实际应用中还具有耐高功率激光、结构紧凑和易于加工成型的特点。
实现本发明目的的技术方案是
所述的光学***由圆锥镜(S1)、聚焦镜(S2)和动镜(S3)组合设计形成，***光路是：一束圆形平行光入射至圆锥镜(S1)后，传播方向折转90°以平行环形光反射至聚焦镜(S2)，聚焦镜(S2)上的光会聚于动镜(S3)，经动镜(S3)反射后聚焦至焦面，形成半径为D的环形光；所述光学***为反射式，其光轴是Z轴；所述的环形光半径D等于焦点F1与Z轴的距离；
所述动镜(S3)可沿着Z轴移动，当向左移动L距离后，焦面焦点由F1移至F2，环形光的半径由D变成d；此时动镜(S3)半顶角θ、距离L和环形光半径之间的关系满足如下公式：
sin2θ = (D-d) / L (4)
动镜(S3)由线段M绕光轴Z旋转一周形成，已知动镜(S3)面上Q点坐标是Q(x1,z1)，则线段M(X,Z)的方程是：
X-x1+tanθ·(Z+z1)=0 z1≤ Z ≤ z1+x1/tanθ (5)
所述聚焦镜(S2)的焦点是F(xF,zF)，且F是F1以线段M为对称轴的对称点，F1点的坐标是(D,0),则F中的横纵坐标xF和zF通过如下方程组求解：
(6)
依据上述方法计算出光学***中反射镜的各项参数，当动镜(S3)沿Z轴以0~L距离移动时，即可实现半径调节范围为d~D的环形光。
在上述技术方案中：动镜实质是外圆锥反射镜，其沿着光轴移动L时，焦点F1和F2的Z向距离ΔZ是：
ΔZ = 2Lsin2 θ (8)
ΔZ也是焦面调节的深度，当动镜移动0~L时，焦面呈现聚焦环光的调节范围是0~ΔZ。
上述说明仅是本发明方法的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为实施例一提供的半径可调环形光光学***设计方法示意图；
图2为实施例一提供的光学***结构示意图；
图3为实施例二提供的半径可调环形光光学***设计方法示意图；
图1和图3标记说明：S1、圆锥镜；S2、聚焦镜；S3、动镜。
图2标记说明：d、动镜移动前的环光半径；D、动镜移动后的环光半径。
具体实施方式一
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
要求设计一套环形光光学***，能够实现环光半径可调范围22~44mm，焦面调焦距离最大不超过10mm。参见附图1，整个***总体可由顶角是90°的圆锥镜、聚焦镜和动镜组合设计形成。参数D=44，d=22mm，若定义动镜的移动距离是30mm，根据式(5)可计算出动镜的半顶角是23.6°。
其次，综合考虑光学***的Z向尺寸，定义动镜(S3)面上Q点坐标是Q(34.34,-94)，则线段M(X,Z)的方程是：
X-34.34+0.437·(Z-94)=0 -94 ≤ Z ≤ -15.42(7)
最后聚焦镜(S2)的焦点经式(7)计算后为F(-41.202,-37.233)，结合聚焦镜上的点坐标即可得到聚焦镜的方程参数。
参见附图2，整个光学***的光路结构为：一束圆形平行光入射至圆锥镜后，传播方向折转90°以平行环形光反射至聚焦镜，聚焦镜上的光会聚于动镜，经动镜反射后聚焦至焦面，形成半径为D的环形光；当动镜移动时，焦面上的环形光环形光的半径由d变成D。
具体实施方式二
附图1中的动镜实质是外圆锥反射镜，其反射后的环形光束与Z轴夹角是锐角，方向外张，一般适用于薄壁管内部焊接。参见附图3，当动镜是内圆锥反射镜时，同样能够实现d~D的环形光，此时反射后的环形光束与Z轴夹角是钝角，方向内收，一般适用于薄壁管外部焊接
从本发明的实施例可以看出这种半径可调的环形光反射式光学***结构紧凑，涉及的反射镜均可选取铜或铝为材料，采用单点金刚石车床一次车削成形，加工精度高的同时也提高了效率。

Claims (1)

1.一种半径可调的环形光反射式光学***，其特征在于:
所述的光学***由圆锥镜(S1)、聚焦镜(S2)和动镜(S3)组合设计形成，***光路是：一束圆形平行光入射至圆锥镜(S1)后，传播方向折转90°以平行环形光反射至聚焦镜(S2)，聚焦镜(S2)上的光会聚于动镜(S3)，经动镜(S3)反射后聚焦至焦面，形成半径为D的环形光；所述光学***为反射式，其光轴是Z轴；所述的环形光半径D等于焦点F1与Z轴的距离；
所述动镜(S3)可沿着Z轴移动，当向左移动L距离后，焦面焦点由F1移至F2，环形光的半径由D变成d；此时动镜(S3)半顶角θ、距离L和环形光半径之间的关系满足如下公式：
sin2θ = (D-d) / L (1)
动镜(S3)由线段M绕光轴Z旋转一周形成，已知动镜(S3)面上Q点坐标是Q(x1,z1)，则线段M(X,Z)的方程是：
X-x1+tanθ·(Z+z1)=0 z1 ≤ Z ≤ z1+x1/tanθ (2)
所述聚焦镜(S2)的焦点是F(xF,zF)，且F是F1以线段M为对称轴的对称点，F1点的坐标是(D,0),则F中的横纵坐标xF和zF通过如下方程组求解：
依据上述方法计算出光学***中反射镜的各项参数，当动镜(S3)沿Z轴以0~L距离移动时，即可实现半径调节范围为d~D的环形光。
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