一种激光加工扫描光学系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及激光加工【技术领域】，公开了一种激光加工扫描光学系统，该光学系统包括光探测器件组件、激光发射源、透镜组件、第一45°反射镜片、第二45°反射镜片和扫描振镜头组件；激光发射源用于发出半导体激光束，该半导体激光束依次经过第一45°反射镜片、透镜组件、第二45°反射镜片和扫描振镜头组件后，作用在待加工材料上，并反射形成成像光束，同时由外部进来的材料加工激光束，透过第二45°反射镜片，并经过扫描振镜头组件后，也作用在待加工材料上，对材料进行激光精密加工；本实用新型能够实现更换不同焦距的激光扫描镜头后，扫描光学系统仍然可以实现自动寻焦，并能够保持待加工材料一直位于扫描镜头的焦平面上。
【专利说明】一种激光加工扫描光学系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及激光加工【技术领域】，尤其涉及激光精密加工领域，更具体的说，特别涉及一种激光加工扫描光学系统。
【背景技术】
[0002]激光由于其高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的优点，已经广泛应用于科研、国防、工业等国民生产的重要方面。在工业领域，激光加工作为先进制造技术，具有高效、高精度、高质量、范围广、节能环保并能实现柔性加工和超微细加工的优点，在汽车、电子电路、电器、航空航天、钢铁冶金、机械制造等领域得到了广泛的应用，且在某些行业(例如汽车、电子行业等)已经达到较高的水平。对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。
[0003]精密激光切割、激光消除、激光蚀刻等是激光加工中比较常见，应用也比较广泛的一种方式。
[0004]随着激光精密加工在各个领域的不断发展，采用扫描振镜进行精密激光加工也被广泛使用。
[0005]在采用扫描振镜进行精密激光切割、激光消除、激光蚀刻等方面，当扫描所用的镜头的焦距确定后，需要维持扫描头到待加工材料之间的距离，尤其是针对表面不平整、变形的材料，为了保证激光切割、激光消除、激光蚀刻等的效果的均匀性，需要扫描头能够自动寻找焦距并维持扫描头与待切割材料之间的距离，以保证待切割材料始终位于激光加工所使用的镜头的焦平面上。所以为了实现扫描头自动寻找焦距及保持与待切割材料距离一定，需要进行特别设计。
[0006]在精密激光切割、激光消除、激光蚀刻等方面，为了达到预期的激光加工效果，经常需要改变聚焦激光束光斑直径，从而达到改变聚焦激光束单位面积上激光能量的目的，以实现不同的加工需求。这就需要更换不同焦距的激光加工镜头，但是更换激光加工所用镜头的焦距后，针对前一激光加工镜头焦距所设计的光路不再适用于当前激光加工镜头焦距，为了能够实现，更换不同焦距的激光加工镜头后，扫描头仍然可以实现自动寻焦及保持待切割材料位于加工镜头焦平面上的功能，需要进行特别的设计。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种激光加工扫描光学系统，能够实现更换不同焦距的激光扫描镜头后，扫描光学系统仍然可以实现自动寻焦，并能够保持待切割材料一直位于扫描镜头的焦平面上。
[0008]为了解决以上提出的问题，本实用新型采用的技术方案为:
[0009]一种激光加工扫描光学系统，该光学系统包括光探测器件组件、激光发射源、透镜组件、第一 45°反射镜片、第二 45°反射镜片和扫描振镜头组件；
[0010]所述激光发射源用于发出半导体激光束，该半导体激光束依次经过第一 45°反射镜片、透镜组件、第二 45°反射镜片和扫描振镜头组件后，作用在待加工材料上，并反射形成成像光束，该成像光束反应待加工材料表面的图像；同时还包括由外部进来的材料加工激光束，透过第二 45°反射镜片，并经过扫描振镜头组件后，也作用在待加工材料上，对材料进行激光精密加工；
[0011]所述成像光束透过扫描振镜头组件，由第二 45°反射镜片反射，并经过透镜组件，到达光探测器件组件，光探测器件组件接收成像光束。
[0012]优选的，所述光探测器件组件包括筒体、光探测器件、小孔光阑和衰减滤光片，筒体为一端封闭另一端敞开，其外围圆周面沿径向向外延伸形成圆柱形凸台，作为激光入射通道，筒体敞口端圆柱面上加工有外螺纹；其中筒体内腔由封闭端向敞口端依次设置有光探测器件、小孔光阑和衰减滤光片，光探测器件、小孔光阑和衰减滤光片中心位于筒体的中心轴线上。
[0013]优选的，所述光学系统还包括第一安装调整架、第二安装调整架和连接架；透镜组件包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，第一 45°反射镜片和第二透镜依次设置在筒体内腔并位于衰减滤光片下方，且两者中心也位于筒体的中心轴线上；
[0014]第一安装调整架内壁的上下两端均加工有螺纹，其内腔安装第二透镜；第二安装调整架圆周面上端加工有外螺纹，其内腔安装第三透镜；第二安装调整架内壁的上下两端分别与筒体和第二安装调整架通过螺纹配合；
[0015]所述连接架为矩形框架结构，其相对两个侧面中心加工有通孔形成光束通道；连接架上表面与第二安装调整架下端固连，内腔安装有第一 45°反射镜片，且通过其侧面与扫描振镜头组件连接。
[0016]优选的，所述扫描振镜头组件包括镜架、第一扫描振镜片和第二扫描振镜片、第一电机、第二电机和扫描镜头；其中镜架由基板、电机固定板和安装板组成，基板上加工有通孔，其上表面两端对称设置有电机固定板和安装板，安装板上分别加工有与连接架的光束通道相连通的光束通孔；
[0017]电机固定板上安装第二电机，第一电机垂直设置在第二电机上，两个电机分别驱动第一扫描振镜片和第二扫描振镜片，第一扫描振镜片和第二扫描振镜片位于基板通孔上方并与光束通孔位置相对应，基板通孔下方设置有扫描镜头，扫描镜头下方为扫描镜头焦点。
[0018]优选的，所述激光发射源采用半导体激光器，其设置在筒体的圆柱形凸台内腔，并位于第一 45°反射镜片的一侧且两者中心连线与筒体中心轴线垂直。
[0019]优选的，所述激光发射源发出的半导体激光束波长为300nm?970nm，材料加工激光束的波长为300nm?1600nm。
[0020]优选的，所述扫描镜头H的焦距范围为25mm?400mm。
[0021]与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于:
[0022]1、本实用新型能够自动寻找焦点，当光探测器件组件探测到的单位面积上的能量最大时，成像光束恰好在光探测器件组件上聚焦，即半导体激光束和材料加工激光束的焦点也都恰好位于待加工材料表面上，因此通过光探测器件组件能够实现自动寻找焦点功能，从而保证激光加工效果。
[0023]2、本实用新型中具有焦点随动功能，当待加工材料表面不平整或者有起伏时，或者待加工材料厚度变化引起其表面位置改变时，能够实时通过光探测器件组件探测待加工材料是否位于焦点位置，并通过计算机控制Z轴的升降，实现材料加工激光束的焦点随待加工材料表面而改变的功能，保证待加工材料始终位于激光焦点位置，这样能够保证始终采用激光焦点进行加工，保证激光精密加工质量的均匀；此外本实用新型所使用的光探测器件非常灵敏，因此保证了高精度及高灵敏度。
[0024]3、本实用新型中通过调整第一螺纹段和第二螺纹段的长度，从而可调节第一透镜、第二透镜之间的相对距离，而且它们与第三透镜的距离也可以调节，因此当更换扫描镜头焦距后，仍然能将材料加工激光束和半导体激光束焦点调节到重合，从而仍能实现自动寻找焦点功能及焦点随动功能，因此采用本实用新型的激光加工扫描光学系统可以方便的更换扫描镜头焦距，从而适用于各种不同的激光加工方式，适用于不同的材料和不同的效果需求的激光加工。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型激光加工扫描光学系统局部的正视图。
[0026]图2为本实用新型激光加工扫描光学系统局部的剖视图。
[0027]图3为本实用新型中扫描振镜头组件的示意图。
[0028]图4为本实用新型激光加工扫描光学系统的光路示意图。
[0029]图5为本实用新型激光加工扫描光学系统简化后的光路示意图。
[0030]图6为本实用新型激光加工扫描光学系统在不同情况下的光路示意图。
[0031]附图标记说明:1_光探测器件、2-小孔光阑、3-衰减滤光片、4-第一 45°反射镜片、5-半导体激光器、6-第一透镜、7-第二透镜、8-第三透镜、9-第二 45°反射镜片、11_筒体、12-第一安装调整架、13-第二安装调整架、14-连接架、21-成像光束、22-半导体激光束、23-材料加工激光束、24-扫描镜头焦点、25-成像光束聚焦焦点、26-待加工材料、31-光束通孔、32-安装固定孔、33-第一扫描振镜片、34-第二扫描振镜片、35-第一电机、36-第二电机、37-扫描镜头、41-基板、42-电机固定板、43-安装板、110-第一螺纹段、130-第二螺纹段、140-连接架固定孔、
【具体实施方式】
[0032]为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
[0033]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。
[0034]参阅图1和图2所示，本实用新型提供的一种激光加工扫描光学系统，包括光探测器件组件(11、1、2、3)、激光发射源(5)、透镜组件(6、7、8)、第一 45°反射镜片4、第二 45°反射镜片9和扫描振镜头组件(33、34、35、36、37、41、42、43);请同时参阅图4所示，激光发射源用于发出半导体激光束22，该半导体激光束22依次经过第一 45°反射镜片4、透镜组件、第二 45°反射镜片9和扫描振镜头组件后，作用在位于扫描镜头焦点24的待加工材料26上，并反射形成成像光束21，该成像光束21反应半导体激光束22在待加工材料26表面形成的图像；
[0035]同时还包括由外部进来的材料加工激光束23，透过第二 45°反射镜片9，并经过扫描振镜头组件后，也作用在待加工材料26上，对材料进行激光精密加工；
[0036]此时，成像光束21透过扫描振镜头组件，由第二 45°反射镜片9反射，并经过透镜组件，到达光探测器件组件，光探测器件组件接收成像光束21，并探测入射的成像光束21在光探测器件组件的聚焦焦点25的面积以及单位面积上的能量，人工调整从而保证材料加工激光束23聚焦在待加工材料26上。
[0037]上述中，激光发射源发出的半导体激光束22波长为300nm?970nm，能够保证光探测器件组件接收到的成像光束21清晰，从而保证系统在寻焦和对焦过程中的可靠性；材料加工激光束23的波长为300nm?1600nm，能够满足实际加工的需求。
[0038]所述激光加工扫描光学系统的探测和寻焦方法，该方法具体步骤如下:
[0039]步骤一:激光发射源发出一组半导体激光束22，该半导体激光束22依次经过第一45°反射镜片4、透镜组件、第二 45°反射镜片9和扫描振镜头组件后，作用在待加工材料26上，并反射形成成像光束21，该成像光束21反应待加工材料26表面的图像；
[0040]步骤二:由外部进来的材料加工激光束23，透过第二 45°反射镜片9，并经过扫描振镜头组件后，也作用在待加工材料26上，对其进行激光精密加工；
[0041]步骤三:光探测器件组件用于接收步骤一得到的成像光束21，通过光探测器件组件与计算机连接，即实时探测到待加工材料26表面的图像；
[0042]步骤四:根据步骤三探测到的待加工材料26表面图像，得到成像光束21的位置和能量，调节透镜组件中相邻透镜之间的距离，并通过Z轴调节机构调节激光加工扫描光学系统上下移动，即调节步骤二中材料加工激光束23的位置，从而实现对焦。
[0043]如附图1和2所示，本实用新型中，所述光探测器件组件包括筒体11、光探测器件
1、小孔光阑2和衰减滤光片3，筒体11为一端封闭另一端敞开，其外围圆周面沿径向向外延伸形成圆柱形凸台，作为激光入射通道，筒体11敞口端圆柱面上加工有外螺纹；其中筒体11内腔由封闭端向敞口端依次设置有光探测器件1、小孔光阑2和衰减滤光片3，光探测器件1、小孔光阑2和衰减滤光片3的中心皆位于筒体11的中心轴线上。
[0044]透镜组件包括第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8，第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8由上至下依次设置且三者的上下两表面都镀对半导体激光高透射的膜层，第一45°反射镜片4和第一透镜6依次设置在筒体11内腔并位于衰减滤光片3下方，且两者中心也位于筒体11的中心轴线上。
[0045]本实用新型中，所述激光发射源用于发出半导体激光束22，其采用半导体激光器5并设置在筒体的圆柱形凸台内腔即激光入射通道入口，并位于第一 45°反射镜片4的一侧且两者中心连线与筒体11中心轴线垂直。
[0046]本实用新型中，所述第一安装调整架12内壁的上下两端均加工有螺纹，其内腔可以安装第二透镜7。光探测器件组件中筒体11和第一安装调整架12内壁上端通过螺纹连接及固定，两者之间的螺纹段记为第一螺纹段110，而且旋转第一螺纹段110，可调节光探测器件组件和第一安装调整架12之间的相对距离。
[0047]本实用新型中，所述第二安装调整架13圆周面上端加工有外螺纹，其内腔可以安装第三透镜8。第一安装调整架12内壁下端和第二安装调整架13之间通过第二螺纹130连接及固定，两者之间的螺纹段记为第二螺纹段130，而且旋转第二螺纹段130，可调节第一安装调整架12和第二安装调整架13之间的相对距离。
[0048]本实用新型中，所述连接架14为矩形框架结构，其相对两个侧面中心加工有通孔形成光束通道，其中一个侧面上还加工有连接架固定孔140 ;连接架14上表面与第二安装调整架13下端固连，内腔安装有第二 45°反射镜片9，且通过其侧面的连接架固定孔140与扫描振镜头组件连接。
[0049]如图3所示，本实用新型中，扫描振镜头组件包括镜架、第一扫描振镜片33和第二扫描振镜片34、第一电机35、第二电机36和扫描镜头37,其中扫描镜头37的焦距范围为25mm?400mm，满足实际需求，能适用于各种不同的激光加工方式，并能适用于不同的材料和不同的效果需求的激光加工。
[0050]其中，镜架由基板41、电机固定板42和安装板43组成，基板41上加工有通孔，其上表面两端对称设置有电机固定板42和安装板43，安装板43上分别加工有光束通孔31和安装固定孔32 ;电机固定板42上安装第二电机36,第一电机35与第二电机36垂直设置，两个电机分别驱动第一扫描振镜片33和第二扫描振镜片34,第一扫描振镜片33和第二扫描振镜片34位于基板41通孔上方并与光束通孔31位置相对应，基板41通孔下方设置有扫描镜头37，扫描镜头37下方为扫描镜头焦点24，即为待加工材料26表面理想位置。
[0051]光束通孔31，该孔使得光束能够在连接架14和扫描振镜头组件之间通过；安装固定孔32与连接架固定孔140位置相对应且两者固定，使得连接架14和扫描振镜头组件连接及固定。
[0052]第一扫描振镜片33和第二扫描振镜片34分别是采用二维扫描振镜头的振镜片，其作用是对光束高反射，其分别由第一电机35、第二电机36驱动,使得两个扫描振镜片旋转。
[0053]本实用新型的光路示意图如图4所示，具体阐述如下:
[0054]半导体激光器5发射的半导体激光束22首先入射到第一 45°反射镜片4的下表面，第一 45°反射镜片4下表面镀有对半导体激光束22半反半透膜层，因此半导体激光束22的一半被反射向下到达第一透镜6，半导体激光束22透过第一透镜6，并到达第二透镜7，半导体激光束透过第二透镜7并到达第二 45°反射镜片9，第二 45°反射镜片9的上下表面均镀对半导体激光束的高反射膜层，因此半导体激光束22被反射,到达第一扫描振镜片33、第二扫描振镜片34 ；
[0055]由于第一扫描振镜片33、第二扫描振镜片34的表面都镀对半导体激光束22高反射的膜层，因此半导体激光束被反射，到达扫描镜头37，扫描镜头37采用消色差镜头，且扫描镜头37镀有对半导体激光束22的高透射膜，因此半导体激光束22透过，并且被扫描镜头37聚焦。
[0056]此时，材料加工激光束23由左侧，经过扩束后，成为平行光，进入本实用新型的连接架14，并到达第二 45°反射镜片9，材料加工激光束23透过第二 45°反射镜片9，到达第一扫描振镜片33、第二扫描振镜片34后被反射,进入扫描镜头37,材料加工激光束23被聚焦。因为扫描镜头37采用消色差镜头，即可以针对两个特定波段设计，使其虽然波长不同，但是焦距相同，因此，半导体激光束22和材料加工激光束23同时聚焦到扫描镜头焦点24。
[0057]在半导体激光束22和材料加工激光束23同时被聚焦到扫描镜头焦点24后，材料加工激光束23被用于待加工材料的激光精密加工，而半导体激光束22在待加工材料表面被反射，并形成成像光束21。成像光束21透过扫描镜头37,然后由第一扫描振镜片33、第二扫描振镜片34反射，并到达第二 45°反射镜片9，再次被反射，透过第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6，到达第一 45°反射镜片4，一半透过第一 45°反射镜片4，到达衰减滤光片3，衰减滤光片3主要针对成像光束21，即半导体激光束22波长的光进行一定比例的衰减，并过滤掉不属于成像光束21波段的光能量，以便后续检测，然后成像光束21到达小孔光阑2，透过小孔光阑2中心的小孔，到达光探测器件1，成像光束聚焦焦点25到达光探测器件I表面，光探测器件I是对成像光束21，即半导体激光束22波段光束能量敏感的探测元器件，能够探测入射的成像光束21在光探测器件I表面的聚焦焦点25的面积以及单位面积上的能量。
[0058]将本实用新型的光学系统中的反射器件去掉，可得到简化的光路示意图，如图5所示，即简化后的光路含有第一透镜6、第二透镜7、第三透镜8和扫描镜头37，可作如下阐述:
[0059]在确定了扫描镜头37的焦距之后，第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8之间的相对距离也可以确定，因此调节本实用新型中的第一螺纹段I1和第二螺纹段130的长度，从而调节第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8之间的相对距离，可以实现半导体激光束22经过第一透镜6、第二透镜7、第三透镜8三者之后，成为近似平行的光束，这样，再经过扫描镜头37聚焦，半导体激光束22和材料加工激光束23会聚在同一点，此为正常状态，即如图4、图5中的I所示。
[0060]上述中，所述正常状态意味着材料加工激光束23的焦点恰好位于待加工材料26表面上，而且此时半导体激光束22的聚焦焦点也位于待加工材料26表面上,而且同样意味着，此时成像光束21——即半导体激光束22照射到待加工材料26表面上后反射的光束，从待加工材料26表面上起，依次经过扫描镜头37、第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6后，最终恰好穿过小孔光阑2中心的小孔，且成像光束焦点25恰好位于光探测器件I表面，此时焦点的面积最小，因此单位面积上的能量最大。
[0061]本实用新型的光学系统具有自动寻找焦点及焦点随动功能，具体如下:
[0062]一般激光加工设备包含有X/Y/Z三个轴，且三个轴都通过电机驱动，并由计算机统一控制，使得能够实现在空间中X/Y/Z三个方向上的运动。本实用新型的激光加工扫描光学系统，都将固定在Z轴上，并可以通过计算机控制Z轴上下运动，带动本实用新型的激光加工扫描光学系统上下运动。
[0063]上述中，当待加工材料为平面时，调节本实用新型的激光加工扫描光学系统中，SP第一透镜6、第二透镜7和第三透镜8之间的相对距离，使得半导体激光束22和材料加工激光束23的焦点都位于待加工材料26表面上，此时成像光束21的焦点也位于光探测器件I表面，此为图4和图5中的I所示，这样就可以实现本实用新型的自动寻找焦点的功能。
[0064]但是，当待加工材料表面不平整时，偏离待加工材料26表面时，为了保证加工效果，需要将材料加工激光束23的焦点移动到待加工材料26表面上，而且在加工过程中，需要始终保持材料加工激光束23的焦点位于待加工材料26表面之上，也就是材料加工激光束23的焦点随待加工材料26表面而移动，即焦点随动功能。
[0065]本实用新型的激光加工扫描光学系统的焦点随动功能实现如下:
[0066]如图5中的II和III所示，其分别示意了待加工材料实际表面低于(或高于)待加工材料26表面理想位置时的情况，此时材料加工激光束23为了得到焦点仍然位于待加工材料26表面理想位置上，需要将材料加工激光束23的焦点移动到待加工材料实际表面上去。
[0067]对于图5中的II所示，此时成像光束21从位于待加工材料26表面理想位置下方的待加工材料实际表面起，依次经过扫描镜头37、第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6后，到达小孔光阑2。由于此时成像光束21到达起点位于待加工材料表面26理想位置下方，所以成像光束21的聚焦焦点25将位于光探测器件I表面上方，因此相比图5中的I所示的理想状态，此时到达小孔光阑2的成像光束21的光斑直径更大，因此部分能量将被小孔光阑2拦截，而且由于此时成像光束21的焦点25将位于光探测器件I表面上方，所以此时成像光束21在光探测器件I表面上形成的光斑直径更大。
[0068]同样，对于如图5中的III所示情况，此时成像光束21从位于待加工材料26表面理想位置上方的待加工材料实际表面起，依次经过扫描镜头37、第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6后，到达小孔光阑2。此时，成像光束的聚焦焦点25位于光探测器件I表面的下方，而到达光探测器件I表面时，成像光束21所形成的光斑直径已经变大。
[0069]综上所述，当待加工材料表面不在待加工材料26表面理想位置上时，光探测器件I所接收到的成像光束22能量值，以及在光探测器件I表面所形成焦点的光斑直径大小不同，因此，光探测器件I将其探测得到的数值发送给计算机，由计算机判断，进而发送指令到Z轴，控制Z轴上下移动，从而带动本实用新型的激光加工扫描光学系统上下移动，也就是带动材料加工激光束23的焦点上下移动，而且在移动过程中，光探测器件I仍不断探测成像光束21，并将其探测结果反馈给计算机，直至材料加工激光束23的焦点移动到待加工材料26表面理想位置上，即达到图5中的I所示状态为止。
[0070]本实用新型的光学系统通过连接计算机还可以实时实现自动寻找焦点及焦点随动功能，具体的实时方法可以如下:
[0071]当待加工材料确定之后，由操作人员进行手动调整，调节本实用新型中的第一螺纹段110和第二螺纹段130的长度，从而调节第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6之间的相对距离，并且通过计算机控制调节Z轴上下移动，从而达到如图5中的I所示的状态，然后将此时Z轴的高度值反馈到计算机，此时Z轴高度记为Z轴高度标准值。
[0072]在该Z轴高度标准值的上、下范围内，分别按照距离L(单位mm)的步进多次移动Z轴，例如首先在Z轴高度标准值处，停留时间t，由光探测器件I探测此时成像光束21的光斑直径和能量，并将探测结果发送到计算机；
[0073]然后手动控制Z轴从该Z轴高度向上移动L，然后停留时间t，然后由光探测器件I探测此时成像光束21的光斑直径和能量，并将探测结果发送到计算机，然后再次手动控制Z轴继续向上移动距离L，如此类推，设向上移动η次，则总共在η个位置处，得到η组探测结果，向上移动的总距离为nL，使用的时间为nt。同样，操作人员也可手动调节，向下运动Z轴并获得探测数据。这样即可得到多组不同Z轴位置及对应的探测结果的数据，这些数据都保存在计算机内，进行分析，并绘制成曲线。
[0074]在激光开始前，首先Z轴将运动到Z轴高度标准值处，光探测器件I开始探测此时成像光束22在其表面的光斑直径和能量，并发送到计算机，并与之前操作人员保存的数据比较，如果不符合，则根据之前操作人员保存的数据进行上下移动Z轴，直至找到成像光束22在光探测器件I上形成的光斑直径最小且能量最大的位置，即可开始激光加工，这样即可实现自动寻找焦点的功能。在激光加工过程中，如遇到待加工材料表面不平整或待加工材料厚度改变(导致其表面高度变化)等问题，光探测器件I将不断的探测到的成像光束22所形成的光斑直径和能量值，并反馈到计算机，计算机将根据之前操作人员保存的数据，不断调整Z轴，以维持待加工材料始终位于待加工材料26表面理想位置上，因此可以实现焦点随动功能。
[0075]在精密激光切割、激光消除、激光蚀刻等方面，为了实现对不同材料的激光精密加工，为了达到不同的激光加工效果，经常需要改变聚焦激光束光斑直径，从而达到改变聚焦激光束单位面积上激光能量的目的，以实现不同的加工需求。而改变聚焦激光束光斑直径最常用的方法即更换不同焦距的扫描镜头37。然而，一般光学系统都是针对某一个焦距的扫描镜头37进行设计，当确定扫描镜头37的焦距后，才针对其设计第三透镜8、第二透镜7和第一透镜6等，并在此基础上实现自动寻找焦点功能和焦点随动功能，即如图6中的I所
/Jn ο
[0076]如果改变扫描镜头37的焦距，如图6中的II和III所示，则需要进行比较大的调整。本实用新型中所采用的第一透镜6、第二透镜7之间的相对距离可以调节，而且它们与第三透镜8的距离也可以调节，因此如图6中的II所示，当将第一透镜6、第二透镜7之间的距离调大，即可适应更大焦距的扫描镜头37，如图6中的III所示，当将第一透镜6、第二透镜7之间的距离调小，即可适应更小焦距的扫描镜头37，因此在更换扫描镜头37后，可以调节第一螺纹段110、第二螺纹段130，从而能够方便的实现材料加工激光束23、半导体激光束22焦点相重合的理想状态。
[0077]本实用新型相对于现有技术中的优点在于:
[0078]1、本实用新型中激光加工扫描光学系统能够自动定位到合适的位置，当光探测器件组件探测到的单位面积上的能量最大时，成像光束21恰好在光探测器件组件上聚焦，即半导体激光束22和材料加工激光束23的焦点也都恰好位于待加工材料26表面上，因此通过光探测器件组件能够实现自动寻找焦点功能，从而保证激光加工效果。
[0079]2、本实用新型具有焦点随动功能，当待加工材料26表面不平整或者有起伏时，或者待加工材料26厚度变化引起其表面位置改变时，能够实时通过光探测器件I探测待加工材料26是否位于焦点位置，并通过计算机控制Z轴的升降，实现扫描镜头焦点始终位于待加工材料26表面的功能，即材料加工激光束23的焦点随待加工材料表面而改变的功能，保证待加工材料26始终位于激光焦点位置，这样能够保证始终采用激光焦点进行加工，保证激光精密加工质量的均匀；此外本实用新型所使用的光探测器件非常灵敏，因此保证了高精度及高灵敏度。
[0080]3、本实用新型中通过调整第一螺纹段110和第二螺纹段130的长度，从而可调节第一透镜6、第二透镜7之间的相对距离，而且它们与第三透镜8的距离也可以调节，因此当更换扫描镜头37焦距后，仍然能将材料加工激光束23和半导体激光束22焦点调节到重合，从而仍能实现自动寻找焦点功能及焦点随动功能，因此采用本实用新型的激光加工扫描光学系统可以方便的更换扫描镜头焦距，从而适用于各种不同的激光加工方式，适用于不同的材料和不同的效果需求的激光加工。
[0081]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种激光加工扫描光学系统，其特征在于:该光学系统包括光探测器件组件、激光发射源、透镜组件、第一 45°反射镜片(4)、第二 45°反射镜片(9)和扫描振镜头组件； 所述激光发射源用于发出半导体激光束(22)，该半导体激光束(22)依次经过第一45°反射镜片(4)、透镜组件、第二 45°反射镜片(9)和扫描振镜头组件后，作用在待加工材料(26)上，并反射形成成像光束(21)，该成像光束(21)反应待加工材料(26)表面的图像；同时还包括由外部进来的材料加工激光束(23)，透过第二 45°反射镜片(9)，并经过扫描振镜头组件后，也作用在待加工材料(26)上； 所述成像光束(21)透过扫描振镜头组件，由第二 45°反射镜片(9)反射，并经过透镜组件，到达光探测器件组件，光探测器件组件接收成像光束(21)。
2.根据权利要求1所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述光探测器件组件包括筒体(11)、光探测器件(I)、小孔光阑(2)和衰减滤光片(3)，筒体(11)为一端封闭另一端敞开，其外围圆周面沿径向向外延伸形成圆柱形凸台，作为激光入射通道，筒体(11)敞口端圆柱面上加工有外螺纹；其中筒体(11)内腔由封闭端向敞口端依次设置有光探测器件⑴、小孔光阑⑵和衰减滤光片(3)，光探测器件⑴、小孔光阑(2)和衰减滤光片(3)的中心皆位于筒体(11)的中心轴线上。
3.根据权利要求2所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述光学系统还包括第一安装调整架(12)、第二安装调整架(13)和连接架(14);透镜组件包括第一透镜(6)、第二透镜(7)和第三透镜(8)，第一透镜￠)、第二透镜(7)和第三透镜(8)由上至下依次设置，第一 45°反射镜片(4)和第一透镜(6)依次设置在筒体(11)内腔并位于衰减滤光片(3)下方，且两者中心也位于筒体(11)的中心轴线上； 第一安装调整架(12)内壁的上下两端均加工有螺纹，其内腔安装第二透镜(7);第二安装调整架(13)圆周面上端加工有外螺纹，其内腔安装第三透镜(8);第一安装调整架(12)内壁的上下两端分别与筒体(11)和第二安装调整架(13)通过螺纹配合。
4.根据权利要求3所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述连接架(14)为矩形框架结构，其相对两个侧面中心加工有通孔形成光束通道；连接架(14)上表面与第二安装调整架(13)下端固连，内腔安装有第二 45°反射镜片(9)，且通过其侧面与扫描振镜头组件连接。
5.根据权利要求4所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述扫描振镜头组件包括镜架、第一扫描振镜片(33)和第二扫描振镜片(34)、第一电机(35)、第二电机(36)和扫描镜头(37);其中镜架由基板(41)、电机固定板(42)和安装板(43)组成，基板(41)上加工有通孔，其上表面两端对称设置有电机固定板(42)和安装板(43)，安装板(43)上分别加工有与连接架(14)的光束通道相连通的光束通孔(31)； 电机固定板(42)上安装第二电机(36),第一电机(35)垂直的设置在第二电机(36)上，两个电机分别驱动第一扫描振镜片(33)和第二扫描振镜片(34),第一扫描振镜片(33)和第二扫描振镜片(34)位于基板(41)通孔上方并与光束通孔(31)位置相对应，基板(41)通孔下方设置有扫描镜头(37)，扫描镜头(37)下方为扫描镜头焦点(24)。
6.根据权利要求2所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述激光发射源采用半导体激光器(5)，其设置在筒体(11)的圆柱形凸台内腔，并位于第一 45°反射镜片(4)的一侧且两者中心连线与筒体(11)中心轴线垂直。
7.根据权利要求1所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述激光发射源发出的半导体激光束(22)波长为300nm?970nm，材料加工激光束(23)的波长为300nm?1600nmo
8.根据权利要求5所述的激光加工扫描光学系统，其特征在于:所述扫描镜头(37)的焦距范围为25_?400_。
【文档编号】B23K26/082GK204075510SQ201420509563
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】赵建涛, 肖磊, 杨锦彬 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司