一种基于二分束棱镜与扫描振镜组合光学系统的制作方法

本发明涉及激光加工领域，具体为一种基于二分束棱镜与扫描振镜组合光学系统。

背景技术：

工业激光加工行业包括激光切割、焊接、打标、钻孔、微加工、熔覆、淬火、表面处理、3D打印等各方面，涵盖了各类常用金属或非金属材料的激光加工，其中尤以激光焊接、打标、3D打印等激光加工行业对激光束多样性的要求更具代表性。

激光焊接，从最初的单焦点焊接，到后面衍生的双焦点焊接、三焦点焊接等，目的是为了获得更好焊接效果与质量，双焦点焊接是激光束经过特殊整形后，聚焦出两束能量相同、大小一致的光斑，分别对称落在焊缝两边来进行加工的工艺方式，三焦点焊接通常是在双焦点焊接基础上，引入另一焦点对待焊接或焊接后的焊缝进行预处理或后处理。

随着激光加工工业的逐步成熟以及各行业对激光加工的不同工艺需求，激光焊接中不仅有点焊，还出现了如C型焊，线型焊，S型焊等多种焊接工艺，其目的是提高焊接质量的同时，还改善美观，这些类多样性的焊接工艺，仅仅靠机床运作是远远不够的，而振镜扫描系统、楔形镜扫描系统的高速特性优势在这方面体现得淋漓尽致。

振镜扫描光学系统，分为两类，一类是前聚焦扫描方案，另一类则是后聚焦如f镜组扫描方案，前聚焦扫描的优势在于聚焦光束质量不变，且镜片或镜组尺寸较小，通过特殊镜片组合还可以实现三维扫描激光加工应用，焦距往往较长，聚焦镜不移动则扫描焦点不共面；后聚焦扫描如f镜组方案，镜片数量多且外形尺寸较大，好处在于扫描过程中聚焦焦点在同一平面，尤其适用于二维扫描加工应用。无论是哪一种振镜扫描方式，通过算法调整扫描振镜转速与旋转方向，可以实现一定范围内的任意图形扫描，这不仅仅在激光焊接上能满足各类工艺条件，在激光打标上也独树一帜。尤其的，随着新兴的3D打印技术到来，高速振镜扫描体现出了其应用中的优势与魅力。

但是，随着激光加工工艺的日趋发展，获得更高效率的激光加工是大势所趋，比如激光焊接、激光打标、3D打印，单焦点振镜扫描系统由于电机选型限制，在高速乃至超高速上十分受限，且机械装配因素影响，用于扫描振镜的电机在高速旋转过程中，同样容易出现过热现象，精度随着转速的增大而降低，且为适应较高功率激光的振镜扫描应用，电机转速的提升更加受限，这极大程度上影响扫描振镜性能优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于二分束棱镜与扫描振镜组合光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于二分束棱镜与扫描振镜组合光学系统,包括第一二分束棱镜、第二二分束棱镜、第一扫描振镜、第二扫描振镜和消像差聚焦镜组，所述第一二分束棱镜、所述第二二分束棱镜中心轴同轴，所述第一扫描振镜、第二扫描振镜和消像差聚焦镜组构成振镜扫描光学系统。

优选的，所述第一二分束棱镜、所述第二二分束棱镜棱角相同，均为平凸形分束棱镜。

优选的，所述第一扫描振镜、所述第二扫描振镜光束偏转角均为变化角。

优选的，所述消像差聚焦镜组为球面镜组合。

优选的，所述第一二分束棱镜入射光束采用轴对称光斑分布的平行或近平行光。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构设计新颖，通过采用二分束棱镜与扫描振镜组合，基于二分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于振镜扫描特性，实现了一种具备多种激光加工功能的光学振镜系统，尤其在单焦点、单焦点扫描图形的各类激光应用上，提供了双焦点同时同步加工应用，极大程度提高了激光加工质量与加工效率。

附图说明

图1为本发明的光学系统镜片结构示意图；

图2为本发明的二分束棱镜结构示意图；

图3为本发明的实施例一光路传输示意图；

图4为本发明的实施例二光路传输示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本实施例提供一种技术方案：一种基于二分束棱镜与扫描振镜组合光学系统，包括第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2、第一扫描振镜3、第二扫描振镜4和消像差聚焦镜组5，第一二分束棱镜1、所述第二二分束棱镜2中心轴同轴，放置方向为棱相对或棱相向；第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱角相同，均为平凸形分束棱镜；第一扫描振镜3、第二扫描振镜4光束偏转角均为变化角，实现两个垂直面上的光束反射，消像差聚焦镜组5可以是球面镜组，也可以选择非球面镜或镜组，其中第一扫描振镜3、第二扫描振镜4和消像差聚焦镜组5构成最基本的二维振镜扫描光学系统。

本实施例中，还包括入射光束6，入射光束6采用轴对称光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6经过第一二分束棱镜1分成两束汇聚后又发散的平行光束，两束平行光束汇聚后一段距离，经过第二二分束棱镜2形成相互平行的两束光，此时第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2之间的分束棱相互平行，经过第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2后的光束再经由第一扫描振镜3、第二扫描振镜4偏向，最后由消像差聚焦镜组5聚焦，聚焦焦面上存在一个聚焦光斑，且焦点附近存在一段一定长度的实心聚焦段。

当其他镜片不动，第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定角度值旋转其对应第一转轴7、第二转轴8到相应方向位置后静止，实现了聚焦面一定范围内单点聚焦。

当其他镜片不动，第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转第一转轴7、第二转轴8时，聚焦焦面形成对应需求的扫描轨迹，实现了扫描振镜单焦点扫描。

当第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定角度值旋转其对应第一转轴7、第二转轴8到相应位置后静止，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间锐角平分线的双焦点，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现了聚焦面一定范围内双点聚焦。

当第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转第一转轴7、第二转轴8时，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间锐角平分线的双焦点扫描，第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点的改变以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现扫描振镜双焦点扫描。

扫描过程中，当第一二分束棱镜1、第二二分束棱镜2的棱间夹角调整好后并静止，双焦点扫描图形的激光加工，任意过程中两焦点间距一致，连线方向不变，并且不会影响和改变扫描振镜自身扫描所需要获得图形规格尺寸。

请参阅图4，本实施例提供一种与实施例一分束特性等效且适用于3D振镜扫描的技术方案：包括第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10、负焦透镜或镜组11、正焦透镜或镜组12、第一扫描振镜3、第二扫描振镜4，第三二分束棱镜9为平凹形，第四二分束棱镜10为平凸形，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10棱角之和为180°，放置方向为棱相对或棱相向，负焦透镜或镜组11、正焦透镜或镜组12可以为球面面型，也可以为非球面面型，两者组合形成调焦组合，通过移动其中一组镜片或镜组，可以实现聚焦焦点三维上的变化，其中，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10、负焦透镜或镜组11、正焦透镜或镜组12均为圆形镜片，镜片中心同轴，第一扫描振镜3、第二扫描振镜4光束偏转角均为变化角，实现两个垂直面上的光束反射。

本实施例中，还包括入射光束6，入射光束6采用轴对称光斑分布的平行光束，正入射下，入射光束6经过第三二分束棱镜9分成两束发散的平行光束，方向发散的平行光束经过第四二分束棱镜10形成相互平行的两束光，此时第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10之间的分束棱相互平行，经过第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10后的光束再经由负焦透镜或镜组11、正焦透镜或镜组12组合聚焦，最后由第一扫描振镜3、第二扫描振镜4偏向，聚焦焦面上存在一个聚焦光斑，且焦点附近存在一段一定长度的实心聚焦段。

当其他镜片不动，第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定角度值旋转其对应第一转轴7、第二转轴8到相应方向位置后静止，实现了聚焦面一定范围内单点聚焦。

当其他镜片不动，第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转第一转轴7、第二转轴8时，通过实时移动负焦透镜或镜组11，或移动正焦透镜或镜组12，获得聚焦焦点共面补偿，形成对应需求的扫描轨迹，实现了扫描振镜单焦点扫描。

当第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定角度值旋转其对应第一转轴7、第二转轴8到相应位置后静止，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10棱间锐角平分线的双焦点，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，实现了聚焦面一定范围内双点聚焦。

当第一扫描振镜3、第二扫描振镜4分别以给定的实时转速与方向连续旋转第一转轴7、第二转轴8时，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10的棱相对于初始状态分别且仅允许反向旋转等量小角度，可以获得相应间距且连线平行于第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10棱间锐角平分线的双焦点扫描，第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10棱间夹角大小的改变，可以实现单焦点到双焦点的改变以及双焦点间距的改变，通过将调整后的第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10统一同向旋转任意角度后静止，即可改变两聚焦光斑的方向，同时通过实时移动负焦透镜或镜组11，或移动正焦透镜或镜组12，获得聚焦焦点共面补偿，实现扫描振镜双焦点扫描。

过程中，当第三二分束棱镜9、第四二分束棱镜10的棱间夹角调整好后并静止，双焦点扫描图形的激光加工，任意过程中两焦点间距一致，连线方向不变，并且不会影响和改变扫描振镜自身扫描所需要获得图形规格尺寸。

过程中，通过移动负焦透镜或镜组11，或移动正焦透镜或镜组12，不仅可以实现焦平面上的焦点补偿，还可以实现三维方向上的焦距补偿。

两种实施例中，各镜片的旋转步骤并不受上述描述限制，两片二分束棱镜旋转以光轴为基准，即绕光轴旋转，根据不同波长的激光器，需进行相应的光学处理，来获得轴对称光斑分布的平行光束或近平行光束。另外，所有镜片外形、尺寸以及镜间距、放置方向根据设计确定，并不受结构示意图限制，镜片材料及镀膜以激光器波长为依据。

本发明结构设计新颖，通过采用二分束棱镜与扫描振镜组合，基于二分束棱镜分束特性与棱夹角特性，基于振镜扫描特性，实现了一种具备多种激光加工功能的光学振镜系统，尤其在单焦点、单焦点扫描图形的各类激光应用上，提供了双焦点同时同步加工应用，极大程度提高了激光加工质量与加工效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。