调焦镜头及振镜式激光扫描系统的制作方法

本发明涉及光学工程技术领域，特别是涉及一种调焦镜头及振镜式激光扫描系统。

背景技术：

激光扫描技术是一种能够精确控制激光束指向的技术，现已广泛的应用于现已广泛的应用于光电医疗、激光加工、空间激光通信、激光雷达、遥感与测量、自适应光学等领域。在激光加工和激光达标领域，一直采用振镜式激光扫描技术。为了保证激光加工精度，激光在到达加工面之前需要经过聚焦以保证在工作面上有良好的聚焦特性，根据聚焦系统摆放的位置，可以分为振镜前聚焦和振镜后聚焦两种聚焦方式。

现有技术中专利CN101419336B提出了一种振镜后聚焦方式，该振镜式激光三维扫描系统包括激光器、扩束镜、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜、z轴移动机构及控制系统。该振镜式激光扫描系统将xy两维扫描振镜和扫描聚焦镜(如平常聚焦镜或远心扫描透镜)分开为可相互移动的组合体，即xy轴扫描振镜在z轴方向上固定不动，而扫描聚焦透镜固定在可沿z轴方向上下移动的机构上来实现三维立体加工功能。

另，现有专利CN2664011Y公开了一种振镜前聚焦激光扫描系统，包括激光器、聚焦模块、X轴扫描头和Y轴扫描头，其采用三块组合镜片构成的凸透镜组聚焦模块，其设计第一块为可移动透镜，在电机的驱动下，作往复直线运动，后两块为静止透镜。聚焦系统一方面起聚焦作用，另一方面起光学杠杆作 用，通过电动平移台改变透镜的位置从而自动调节光学系统的焦距，保证整个扫描面上都有良好的聚焦光斑。激光束通过聚焦模块经X轴扫描头和Y轴扫描头到达焦点工作平面。

振镜后聚焦方式采用传统的F-theta透镜聚焦方式由于透镜尺寸的限制，扫描范围不宜过大，且扫描面边缘光束聚焦特性已经变得很差。

振镜前聚焦方式其激光扫描系统其光学设计和调焦模型比较复杂。镜片太多，加工和装配带来的误差也会增多，影响调焦效果。此外，此类三维扫描系统基本除扫描面外在光路中也存在实聚焦点，高能激光束聚焦点会导致温度过高，增加设备损坏风险。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种调焦镜头及振镜式激光扫描系统。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于激光三维扫描的调焦镜头及振镜式激光扫描系统。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种调焦镜头，所述调焦镜头包括同轴设置的平凹镜和凸透镜，所述平凹镜包括相对设置的平面和凹面，所述凸透镜包括相对设置的第一凸面和第二凸面，所述凸透镜固定设置，平凹镜在轴线上可移动设置，光线从平凹镜的平面入射，依次经过平凹镜的凹面、凸透镜的第一凸面后从凸透镜的第二凸面出射。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜和凸透镜的材料为硒化锌。

作为本发明的进一步改进，所述凸透镜中第一凸面和第二凸面的曲率半径相等，且大于平凹镜中凹面的曲率半径。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜的凹面与凸透镜的第一凸面之间的距离为10～100mm。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜的平面与凹面之间的距离为1～10mm，凸透镜的第一凸面和第二凸面之间的距离为1～10mm。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜的平面与凹面之间的距离为5mm，凸透镜的第一凸面和第二凸面之间的距离为5mm，平凹镜中凹面的曲率半径为110.94mm，凸透镜中第一凸面和第二凸面的曲率半径均为368.78mm，平凹镜的凹面与凸透镜的第一凸面之间的距离为50mm。

作为本发明的进一步改进，所述光线波长10.64μm、初始焦距750mm时的调焦长度为：

其中，ΔS为调焦长度，Z为平凹镜的位移。

相应地，一种振镜式激光扫描系统，所述系统沿轴线依次包括：激光器、调焦镜头、第一振镜、第二振镜和扫描面。

作为本发明的进一步改进，所述激光器与调焦镜头之间设有激光束扩束系统。

作为本发明的进一步改进，所述激光器出射的激光束束腰半径大于7.5mm。

本发明具有以下有益效果：

调焦镜头结构简单，且装调误差小；

调焦镜头无实焦点使得调焦镜头能够保持相对低温；

振镜式激光扫描系统在入射激光束束腰半径大于7.5mm时，激光器距离调焦镜头之间的距离不影响聚焦效果。

附图说明

图1为本发明第一实施方式中调焦镜头的结构示意图。

图2为本发明第二实施方式中振镜式激光扫描系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种双镜片动态调焦镜头，其目的在于优化现有动态聚焦模块光学系统，该调焦镜头结构更为简单，调焦镜头无实焦点使结构不易产生高温。

具体地，参图1所示，本发明一具体实施方式中的调焦镜头，包括同轴设置的平凹镜1和凸透镜2，平凹镜包括相对设置的平面11和凹面12，凸透镜2包括相对设置的第一凸面21和第二凸面22。凸透镜2固定设置，平凹镜1在轴线上可移动设置，光线从平凹镜1的平面11入射，依次经过平凹镜1的凹面12、凸透镜2的第一凸面21后从凸透镜2的第二凸面22出射。

其中，本实施方式中平凹镜1和凸透镜2所用的材料相同，均为硒化锌。凸透镜2中第一凸面21和第二凸面22的曲率半径相等，且大于平凹镜1中凹面12的曲率半径。

进一步地，平凹镜1的凹面12与凸透镜2的第一凸面21之间的距离为 10～100mm，且平凹镜1的平面11与凹面12之间的距离为1～10mm，凸透镜2的第一凸面21和第二凸面22之间的距离为1～10mm。

具体地，在本发明的一具体实施例中，平凹镜1的平面11与凹面12之间的距离为5mm，凸透镜2的第一凸面21和第二凸面22之间的距离为5mm，平凹镜1中凹面12的曲率半径为110.94mm，凸透镜2中第一凸面21和第二凸面22的曲率半径均为368.78mm，平凹镜1的凹面12与凸透镜2的第一凸面21之间的距离为50mm。

调焦镜头工作时，凸透镜2固定，平凹镜1可在驱动机构(未图示)的驱动下朝向凸透镜2的方向运动，假设运动量为Z，则可改变整个调焦镜头的焦距。

本实施例中在光线波长10.64μm、初始焦距750mm时的调焦长度为：

其中，ΔS为调焦长度，Z为平凹镜的位移。

本实施方式中的调焦镜头可以应用于激光三维扫描等。

参图2所示为本发明另一实施方式中振镜式激光扫描系统的结构示意图，其沿轴线依次包括激光器6、调焦镜头、第一振镜3、第二振镜4和扫描面5，其中，调焦镜头由上述平凹镜1和凸透镜2组成，第一振镜3为X振镜，第二振镜4为Y振镜，调焦镜头的安装方式与上述第一实施方式相同，在此不再进行赘述。

在振镜式激光扫描系统的安装过程中，激光器6、平凹镜1、凸透镜2的中心要在一条直线上，且与第一振镜3、第二振镜4的光束入口中心在一条直线上。

本实施方式中激光器为二氧化碳连续激光器，且激光器出射的激光束束腰半径大于7.5mm。

激光束在对工件进行加工时，需要考虑激光束的聚焦点与扫描面存在的偏差，即激光在工作面产生离焦。本发明使激光束通过调焦镜头完成了对全工作幅面上的离焦校正，通过电动平移台改变平凹镜的位置从而自动调节光学系统的焦距，保证整个扫描面上都有良好的聚焦光斑。

对于振镜式激光扫描系统，选取扫描面中心点为坐标原点建立直角坐标系，假设反射激光束指向扫描面上的(x,y)点，则系统的离焦误差计算公式为：

其中d为第二振镜4到扫描面5之间的距离，e为第一振镜3和第二振镜4镜面中心之间的距离。

对于本发明一具体实施例中的振镜式激光扫描系统，平凹镜1向凸透镜2方向移动的距离与调节的焦距之间的关系为：

其中，ΔS为调焦长度，Z为平凹镜的位移。

通过如上两个公式，已知扫描点(x,y)，使用人员就可以计算出平凹镜2应该向凸透镜3方向移动的距离Z，从而保证扫描面上每个扫描点正好是聚焦点，消除离焦误差。

进一步地，在其他实施方式中，为了在扫描面上获得较小的弥散斑，在调焦镜头前还可以增加激光束扩束系统。

本实施例中，对比已有振镜后聚焦系统受透镜尺寸限制、工作幅面难以做大、扫描面边缘光束聚焦特性很差，本发明能完成大尺寸幅面的精密加工。

由以上技术方案可以看出，本发明的调焦镜头及振镜式激光扫描系统具有以下优点：

调焦镜头结构简单，且装调误差小；

调焦镜头无实焦点使得调焦镜头能够保持相对低温；

振镜式激光扫描系统在入射激光束束腰半径大于7.5mm时，激光器距离调焦镜头之间的距离不影响聚焦效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。