专利名称：自动调节聚焦参量的飞行光路机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光应用技术领域的激光束控制机构，特别是一种自动调 节聚焦参量的飞行光路机构。
背景技术：
在激光应用领域中，比如大型激光加工、激光打靶、激光驱动飞行器等领 域中，飞行光学技术由于具有较大的灵活性和轻便性得到广泛应用。例如大型 激光加工中，由于大型工件较长，且较笨重，加工时若随主轴一起纵向移动， 易出现爬行，定位不准确。因此对于大型工件的加工，通常采用飞行光学形式。飞行光束聚焦特性主要包括实际焦距与几何焦距(理想几何平行光焦距) 的差异、焦斑大小和焦深的变化。由于聚焦镜沿激光光轴作大尺寸移动，使实 际焦距、焦斑和焦深产生较大变化，这对激光束质量产生重要影响，如何自动 补偿飞行光束参量的变化是一个关键技术。飞行聚焦头移动时，需要获得稳定的激光束聚焦参量，并且要使飞行光学 参数补偿系统简单易控、响应快、精度高。现有技术中，采用变形镜应用于激 光光束导光系统，应用压力控制的变形镜自适应扩束系统来解决飞行光束聚焦 特性的问题，较好的解决飞行光学问题。其不足在于变形镜需要复杂的控制 单元，自适应组件的性能差，比如组件较低的精度和响应特性，常常影响光束 的传输质量。另外，现有技术的飞行光学领域中，存在复杂的自动控制系统， 包括位置传感器等信号采集设备，操作控制以及结构都比较复杂，制造成本较 高。因此，需要一种飞行光路机构，取消变形镜并改进复杂的控制以及信号采 集设备，能改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的 变化，随飞行距离的变化，保证焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变。发明内容有鉴于此，本发明的目的是提供一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构， 基于光束变换特性，针对现有技术的不足，取消变形镜结构，能够改善飞行光 束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，采用机械传动机 构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过自动调整扩束镜和 飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变，且方法简单可 靠，简化复杂的控制以及信号采集设备，结构简单，造价低。本发明的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器、飞行光路和驱 动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，所述望远镜系统包括位置相对固定并共焦的目镜和物镜，飞行聚焦头包括平面镜和聚焦镜；所述 驱动控制系统可驱动望远镜系统和飞行聚焦头沿光学轴线往复运动，所述飞行 聚焦头的运动速度为望远镜系统的运动速度的1倍，并且运动方向相反，其 中历为望远镜系统的扩束比；激光器发射的光束依次通过目镜、物镜经平面镜 反射至聚焦镜聚焦。进一步，所述驱动控制系统包括伺服电机、第一传动轴、第二传动轴、齿 轮I和齿轮II ，所述伺服电机驱动第一传动轴或第二传动轴，所述齿轮I和齿 轮II互相啮合并分别与第一传动轴和第二传动轴在圆周方向固定配合；所述第 一传动轴和第二传动轴分别与飞行聚焦头和望远镜系统配合，并驱动其沿光学 轴线往复运动；进一步，所述第一传动轴和第二传动轴分别通过丝杆传动机构与飞行聚焦 头和望远镜系统配合，所述第一传动轴和第二传动轴的丝杆传动机构的导程和 螺纹旋向相同；所述齿轮II与齿轮I之间的传动比大小为5进一步，所述伺服电机与第一传动轴相连；进一步，所述平面镜相对于光学轴线呈45°角设置，入射光和反射光之间 的夹角为90° 。本发明的有益效果是本发明的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，采用 简单的机械传动机构，基于光束变换特性，针对现有技术的不足，取消变形镜 结构，能够改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的 变化，采用机械传动机构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化， 通过自动调整扩束镜和飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保 持不变，且方法简单可靠，简化复杂的控制以及信号采集设备，结构简单，造 价低。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。 附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
附图为本发明的结构示意图，如图所示本实施例的自动调节聚焦参量的 飞行光路机构，包括激光器l、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚 焦头2和望远镜系统5，望远镜系统5包括位置相对固定并共焦的目镜3和物镜 4，飞行聚焦头2包括平面镜8和聚焦镜9，平面镜8相对于光学轴线呈45°角 设置，入射光和反射光之间的夹角为90°使机构的结构紧凑，易于控制；激光 器1发射的光束6依次通过目镜3、物镜4，经平面镜8反射至聚焦镜9聚焦至工件ll;驱动控制系统包括伺服电机13、第一传动轴7、第二传动轴10、齿轮I 12 和齿轮I114，所述伺服电机13与第一传动轴7相连并驱动其转动，由于飞行聚焦头2与第一传动轴7相连，直接驱动第一传动轴7，而使望远镜系统与之适应， 有利于保证加工精度以及操作精度；齿轮I 12和齿轮II 14互相啮合并分别与第 一传动轴7和第二传动轴10在圆周方向固定配合；第一传动轴7和第二传动轴 10外圆设置丝杆螺纹，分别与飞行聚焦头2和望远镜系统5设置的螺纹孔配合， 形成丝杆传动机构，伺服电机13通过第一传动轴7驱动飞行聚焦头2沿光学轴 线往复运动，通过齿轮I 12和齿轮II 14以及第二传动轴10并驱动望远镜系统5 沿光学轴线往复运动；第一传动轴7和第二传动轴10的丝杆传动机构的导程和 螺纹旋向相同，并配合齿轮I 12和齿轮II14的啮合方式，保证飞行聚焦头2和 望远镜系统5的运行方向相反；齿轮112与齿轮I114之间的传动比大小为 (附2-1),保证飞行聚焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的(附2-1)倍， 其中历为望远镜系统5的扩束比；采用一个伺服电机驱动两个齿轮达到飞行聚 焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的(附2-1)倍和运动方向相反，与其他传动结构相比，结构最为简单紧凑，造价低。当然，用于保证飞行聚焦头2的运动速度为望远镜系统5的运动速度的 (附2-l)倍的传动方式并不局限于本实施例，也可以是其他方式，比如通过两个伺 服电机由计算机控制；采用两个不同导程的丝杆传动结构等等；飞行聚焦头2 和望远镜系统5的运动方向相反也不局限于本实施例中的两个齿轮啮合的结构， 也可以采用两个不同螺纹旋向的丝杆传动结构来完成；都能到到发明目的。本发明工作时，当飞行聚焦头2在伺服电机13驱动的第一传动轴7上沿着 光学轴线以速度r水平前进时，望远镜系统5在和第一传动轴平行的第二传动 轴10上向相反的方向以速度-W(附2-l)移动，飞行聚焦头2和望远镜系统5呈线 性比例关系反向平行移动，这样就可以获得不变的聚焦参数。具体原理如下调整望远镜系统5和飞行聚焦头2的移动速比，具体为在飞行光学加工 中,若只要求聚焦参数保持不变，我们可以采用较简单的聚焦参量自动保持法， 望远镜系统5包括位置相对固定并共焦的目镜3和物镜4，望远镜系统5离焦量为零，即2; + 22=, + /2，望远镜系统5和飞行聚焦头2—起移动，望远镜系统5 出射光束束腰的半径和位置可以表示为w2=mWl， Z2=m(y; + /2)-<formula>formula see original document page 8</formula>从上式可知，如果飞行聚焦头2以速度7运动，望远镜系统5同时以速度-v/(m2-1) 运动，那么距离^将保持不变，于是聚焦镜9的聚焦光斑尺寸的，聚焦点位置^ 以及焦深4将保持不变。公式中M、的和附分别为目镜出射激光束束腰半径、物镜出射激光束束腰 半径和聚焦镜出射激光束束腰半径，a为初始入射激光束束腰到目镜的距离，z; 为M到目镜的距离，Z2为M到物镜的距离，22:为的到物镜的距离，z3为出射光 聚焦距离，A和6分别为目镜和物镜的几何焦距，A为初始入射激光束束腰到平面镜的距离，即飞行距离，《3为聚焦镜的焦深。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管 参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器(1)、飞行光路和驱动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)，其特征在于所述望远镜系统(5)包括位置相对固定并共焦的目镜(3)和物镜(4)，飞行聚焦头(2)包括平面镜(8)和聚焦镜(9)；所述驱动控制系统可驱动望远镜系统(5)和飞行聚焦头(2)沿光学轴线往复运动，所述飞行聚焦头(2)的运动速度为望远镜系统(5)的运动速度的m2-1倍，并且运动方向相反，其中m为望远镜系统(5)的扩束比；激光器(1)发射的光束(6)依次通过目镜(3)、物镜(4)经平面镜(8)反射至聚焦镜(9)聚焦。
2. 根据权利要求1所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于: 所述驱动控制系统包括伺服电机(13)、第一传动轴(7)、第二传动轴(10)、 齿轮I (12)和齿轮II (14)，所述伺服电机(13)驱动第一传动轴(7)或第 二传动轴(10)，所述齿轮I (12)和齿轮II (14)互相啮合并分别与第一传动 轴(7)和第二传动轴(10)在圆周方向固定配合；所述第一传动轴(7)和第 二传动轴(10)分别与飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)配合，并驱动其沿 光学轴线往复运动。
3. 根据权利要求2所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于 所述第一传动轴(7)和第二传动轴(10)分别通过丝杆传动机构与飞行聚焦头(2)和望远镜系统(5)配合，所述第一传动轴(7)和第二传动轴(10)的丝 杆传动机构的导程和螺纹旋向相同；所述齿轮I (12)与齿轮II (14)之间的 传动比大小为y/-l。
4. 根据权利要求3所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于: 所述伺服电机(13)与第一传动轴(7)相连。
5. 根据权利要求4所述的自动调节聚焦参量的飞行光路机构，其特征在于: 所述平面镜(8)相对于光学轴线呈45。角设置，入射光和反射光之间的夹角为90° 。
全文摘要
本发明公开了一种自动调节聚焦参量的飞行光路机构，包括激光器、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，望远镜系统包括位置相对固定并共焦的目镜和物镜，飞行聚焦头包括平面镜和聚焦镜，驱动控制系统可驱动望远镜系统和飞行聚焦头沿光学轴线往复运动，飞行聚焦头的运动速度为望远镜系统的运动速度的m<sup>2</sup>-1倍，并且运动方向相反，其中m为望远镜系统的扩束比，激光器发射的光束依次通过目镜、物镜经平面镜反射至聚焦镜聚焦，本发明取消变形镜结构，能够改善飞行光束的聚焦特性，采用机械传动机构自动调节飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过自动调整扩束镜和飞行聚焦镜间的距离而使焦斑尺寸、焦深、焦点位置保持不变。
文档编号B23K26/00GK101324694SQ200810070049
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月28日 优先权日2008年7月28日
发明者万大平, 李以农, 王时龙 申请人:重庆大学