CN213903954U - 可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，包括：激光源、准直透镜组、扩束透镜组、微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布；扫描振镜***；以及场镜***；其中，准直透镜组安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小；激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。本发明的激光扫描装置与扫描方法，提供稳定且激光焦点位置光斑大小及形貌可调的光斑输出，激光光斑的能量分布从传统的高斯分布变为均匀的平顶分布，实现光强的均匀化处理。
Description
技术领域
本发明涉及激光光束扫描技术领域，具体涉及一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置。
背景技术
在激光扫描、抛光、焊接、切割、表面整形、打标、激光熔覆加工等激光加工和激光再造领域，利用高功率的激光光束输出，通过准直、会聚等光学处理后，对待处理对象的表面进行对应的加工处理。目前激光器的输出的激光束，通常是圆形平行光束，能量呈高斯型分布，在准直聚焦透镜直接将这种光束进行聚焦后打到加工表面，形成的圆形、矩形、线形光斑的能量也是高斯型分布，光斑中心能量过高，光斑***能量低，在进行加工(例如熔覆、清扫、表面整形等)时，通常需要比较高的搭接率，加工的效率、均匀性均受到影响。
现有技术中常用的改善是进行光束整形，改变激光能量分布，包括光波导反射整型器、复眼均束整型器和带光阑的望远镜***等。光波导反射整型器是在光学***中引入光波导，使入射激光在***内部多次反射，从而使激光光束均匀分布，其内部光路结构复杂；复眼均束整型器是将入射激光束进行分割和叠加，其能量损失率较高；带光阑的望远镜***只是将***能量低的区域进行了隔离，只保留中心高能量区域，属于伪均匀分布，而且激光焦点位置的光斑大小和形貌均不可调。
发明内容
本发明目的在于提供一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，旨在提供一种激光焦点处能量均匀分布的光斑，将激光输出的高斯光束转变为平顶光束，可应用于在激光扫描、抛光、打标、焊接、切割、增加表面平整度、降低表面粗糙度领域。
为实现上述目的，本发明第一方面提出一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，包括：
激光源，用于被驱动发射激光光束；
准直透镜组，用于准直激光源发射的光束；
扩束透镜组，用对准直后的光束进行变倍扩束；
微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布，其中N为大于等于1的正整数；
扫描振镜***；以及
场镜***；
其中，所述准直透镜组安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小；
所述激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。
优选地，所述准直透镜组被设置成可前后移动的距离控制在±100mm。
优选地，所述扩束透镜组采用伽利略式扩束镜片，由一正透镜和一负透镜组合构成。
优选地，所述扩束镜片由平凸透镜和平凹透镜构成，并且使二者平面的一侧相面对放置。
优选地，所述扩束透镜组采用开普勒式扩束镜片，由两片正焦距的凸透镜组合构成。
优选地，所述扩束透镜组包括固定变倍扩束镜或者变倍扩束镜。
优选地，所述微透镜阵列为折射式(ROE)微透镜阵列，包括N个ROE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分折射聚焦到焦平面上，籍由焦平面上细小光斑的重叠实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。
优选地，所述微透镜阵列为衍射式(DOE)微透镜阵列，包括N个DOE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分衍射后在焦平面处上，籍由焦平面上细小光斑之间的干涉实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。
优选地，所述场镜位于在扫描振镜的出射端，被设置用于对振镜扫描输出的光束进行聚焦；所述场镜的出射端还设置有保护镜片。
根据以上本发明的实施方式，其显著的有益效果在于：
本发明通过光路的优化设计，将传统激光输出的高斯分布的光斑优化变为平顶分布，使得光强均匀分布，同时光功率的损耗低，在进行激光扫描、激光清扫、表面整形、打标、焊接、切割、增加表面平整度、降低表面粗糙度等应用时，可提高激光加工的效率和利用率，降低光斑的搭接率。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明示例性实施例的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置的示意图。
图2a、2b是匀化前高斯分布光斑能量分布与本发明的匀化后平顶光斑能量分布的对比图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
结合图1所示示例性实施例的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，包括：激光源10、准直镜片组20、扩束镜片组30、微透镜阵列40、扫描振镜***50以及场镜 60。
激光源10，作为激光输出头，用于被驱动发射激光光束。优选地，激光源10在进行不同的应用场景下，可选择不同的激光输出功率。
准直透镜组20，用于准直激光源发射的光束。在本发明的实施例中，准直透镜组可以包括一个或者多个准直镜片，例如熔融石英等材料制成的双凸透镜或者平凸透镜，调整光束的发散角，将入射的发散光路变成平行光路输出。
扩束透镜组30，用对准直后的光束进行变倍扩束。
扩束透镜组30可基于伽利略式设计或开普勒式实现。在采用伽利略式扩束镜片的实施例中，由一正透镜和一负透镜组合构成。为了使相差最小化，扩束镜片由平凸透镜和平凹透镜构成，并且使二者平面的一侧相面对放置。
在采用开普勒式扩束镜片的实施例中，扩束透镜组采用开普勒式扩束镜片，由两片正焦距的凸透镜组合构成。
在可选的实施例中，扩束透镜组30采用的熔融石英材料制备的镜片，以满足从10W-20000W高低功率应用。在具体应用上，扩束透镜组30可选用固定变倍扩束镜，或者变倍扩束镜，变倍范围优选可达1.5-10倍。
微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布，其中N为大于等于1的正整数。
结合图1所示，激光源10被通过激光驱动电路驱动激发，发射激光光束；经由准直透镜组20进行光束准直后，进入扩束透镜组30进行变倍扩束；扩束输出的光束进入微透镜阵列 40，通过折射式(ROE)微透镜阵列或者衍射式(DOE)微透镜阵列将入射光束匀化处理，形成光强均匀分布的平顶型激光光斑；其中的准直透镜组、扩束透镜组以及微透镜阵列的主光轴共轴设计，即准直透镜组、扩束透镜组和微透镜阵列在沿着光路方向的投影的中心共轴设计；通过扫描振镜***进行光束扫描朝向待加工工件表面输出，透过场镜将扫描输出的光束汇聚到工件表面，并控制输出光束的覆盖区域。
结合图1所示，在优选的实施例中，准直透镜组20安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台21上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小。移动平台21的可前后移动的距离控制在±100mm，以控制准直镜片组沿着光轴的方向移动对应的距离，从而可调节激光焦点位置的光斑大小。激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。
在可选的实施例中，结合图1，微透镜阵列为折射式(ROE)微透镜阵列，包括N个ROE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分折射聚焦到焦平面上，籍由焦平面上细小光斑的重叠实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。如此，折射型(ROE)微透镜阵列可将激光波在空间上分成许多微小的部分，每一部分被相应的微小透镜(例如微米级的光学单元)聚焦在焦平面上，光斑进行重叠，从而实现在特定区域将光均匀化，对激光束精确整形。
在另外的实施例中，微透镜阵列为衍射式(DOE)微透镜阵列，包括N个DOE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分衍射后在焦平面处上，籍由焦平面上细小光斑之间的干涉实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。由此，通过DOE微透镜阵列的表面浮雕结构(例如微米级的球面镜、非球面镜、柱镜、棱镜等)调制改变光的相位。激光光束经过每个衍射光学单元后发生衍射，并在透镜焦平面处产生干涉，形成均匀的光强分布。
本发明的实施例中，微透镜阵列的阵列结构可以包含从阵列从1×1至500×500的数量级设计，在特殊的需求领域，还可以使用更多微透镜光学单元组成的阵列结构，实现光强的均匀化处理。
由此，通过激光源10、准直镜片组20、扩束镜片组30、微透镜阵列40的优化设计，组成激光波束整形机构，提供稳定且激光焦点位置光斑大小及形貌可调的光斑输出，激光光斑的能量分布可从传统的高斯分布变为均匀的平顶分布。
在可选的实施例中，根据激光的波长不同，所使用的镜片(例如前述的准直、扩束、匀光镜片)可以采用不同的镀膜，适用于不同波段的激光，例如200-3000nm波段范围的激光。
其中，前述的准直透镜组、扩束透镜组和微透镜阵列可配套设置具有水冷结构的镜座，能够长时间稳定工作，延长使用寿命。
结合图2、2b所示的对比示意图，我们采用激光光纤芯径为50微米，焦距为100毫米的准直镜片，2倍的扩束镜组，20x20阵列排布DOE匀化镜片组，焦距为150mm的场镜为例，按照上述方式实施例的激发和光束准直、扩束、匀化后得到的光斑，经过激光形貌测试仪测试可见，通过本发明的实施，激光光斑能量由原先的高斯分布变为均匀的平顶分布，实现激光焦点处光斑能量的均匀分布。
结合图1所示，扫描振镜***50采用f-θ振镜或转镜。其中本发明示例性的实施例中，反射镜镜座采用通水冷却，温度漂移小于10μrad/K。光学分辨率为12μrad，重复定位精度为 2μrad，8小时长期漂移小于100μrad。振镜输入孔径为15-30mm。扫描振镜***的镜片材质包括熔融石英、硅或者碳化硅材质。
结合图1，场镜60位于在扫描振镜的出射端，被设置用于对振镜扫描输出的光束进行聚焦。由此，通过场镜可以有效地将光纤末端的光束会聚在一起，将输出光束控制在很小的区域内。
可选地，根据不同应用的场景和需求，可以使用两片或者两片以上的复合聚焦镜片、非球面聚焦镜、同心聚焦镜片，将光束进行会聚。场镜的参数为：有效焦距160-450mm，扫描范围80×80mm2至300×300mm2。光束透过率大于96％，可承受最大激光功率为20000W。
结合图1，场镜的出射端还设置有保护镜片70。通过在场镜外设置的保护镜片设计，有效防止落灰引起场镜镜片的脏污和损毁，增加镜头使用寿命。
根据激光扫描、打标、焊接、切割、增加表面平整度、降低表面粗糙度等应用时的激光功率及飞溅物颗粒大小，选配一个至两个气刀，避免飞溅物溅射到保护镜片上。
根据本发明前述实施例的激光光束扫描，在激光扫描、打标、焊接、切割、增加表面平整度、降低表面粗糙度应用时，激光功率的选择如下：
激光打标时选用的参数为激光功率5-100W，扫描速度10-10000mm/s，激光频率10-100000Hz。
焊接时选用的参数为激光功率500-20000W，扫描速度10-10000mm/s，激光频率10-100000Hz。
切割时选用的参数为激光功率500-20000W，扫描速度1-300mm/s，激光频率 10-100000Hz。
增加表面平整度、降低表面粗糙度时选用的参数为激光功率10-5000W，扫描速度5-5000mm/s，激光频率10-100000Hz。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，包括：
激光源，用于被驱动发射激光光束；
准直透镜组，用于准直激光源发射的光束；
扩束透镜组，用对准直后的光束进行变倍扩束；
微透镜阵列，具有N*N阵列式排布的微透镜光学单元，用于对扩束后的光束进行匀化处理，形成均匀的光强分布输出，将光斑能量变为平顶分布，其中N为大于等于1的正整数；
扫描振镜***；以及
场镜***；
其中，所述准直透镜组安装在可沿着光轴方向前后移动的移动平台上，通过移动平台的前后移动改变激光焦点位置的光斑大小；
所述激光焦点处于扩束透镜组及微透镜阵列的入射焦点正中央位置。
2.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述准直透镜组被设置成可前后移动的距离控制在±100mm。
3.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述扩束透镜组采用伽利略式扩束镜片，由一正透镜和一负透镜组合构成。
4.根据权利要求3所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述扩束镜片由平凸透镜和平凹透镜构成，并且使二者平面的一侧相面对放置。
5.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述扩束透镜组采用开普勒式扩束镜片，由两片正焦距的凸透镜组合构成。
6.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述扩束透镜组包括固定变倍扩束镜，或者变倍扩束镜。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述微透镜阵列为折射式(ROE)微透镜阵列，包括N个ROE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分折射聚焦到焦平面上，籍由焦平面上细小光斑的重叠实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。
8.根据权利要求1-6中任意一项所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述微透镜阵列为衍射式(DOE)微透镜阵列，包括N个DOE微透镜光学单元，将扩束后的光束细分衍射后在焦平面处上，籍由焦平面上细小光斑之间的干涉实现均匀化输出，形成均匀的光强分布。
9.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述振镜为f-θ振镜或转镜。
10.根据权利要求1所述的可改变激光焦点位置光斑大小及形貌的激光扫描装置，其特征在于，所述场镜位于在扫描振镜的出射端，被设置用于对振镜扫描输出的光束进行聚焦；所述场镜的出射端还设置有保护镜片。
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