双波长共焦调焦光学系统的制作方法

本实用新型涉及激光加工光学系统领域，尤其涉及一种双波长共焦调焦光学系统。
背景技术：
：目前,激光应用已深入到我们现代生活的各个方面。其中激光的工业应用也越来越广泛，而在激光应用中离不开符合各种工艺要求的应用光学系统。在目前兴起的激光三维加工系统中，由于三维空间的复杂性，给三维加工过程中的激光定位带来的挑战。在三维加工系统中，除了常规的X、Y轴平面的扫描系统外，还需要激光变焦系统，形成激光加工中的Z轴，从而实现激光的三维立体加工。激光变焦光学系统是三维立体激光加工中是非常重要的组成部分。三维激光加工中又分为前聚焦系统与后聚焦系统。前聚焦系统完全靠系统的光学变焦，并结合软件控制使得焦点在三维空间上实现定点加工。它的焦距变化范围大，焦距也较长，使得加工效果差，加工立体空间区域的一致性较也较差。针对大部分立体激光加工中，由于其对尺寸精度与加工效果的一致性要求高，一般不采用该光学系统，而采用后聚焦激光加工光学系统。而后聚焦光学系统是通过变焦光学系统与fθ镜头光学系统结合实现三维激光加工。fθ镜头光学系统是一个平场光学系统，它的优点是在同一个X、Y轴平面内，激光加工效果非常一致。再通过与变焦光学系统结合，变焦后的fθ镜头光学系统的焦平面将在不同的Z轴位置上，构成一个立体的加工区域。从而形成一个加工效果一致的立体加工空间区域。而传统变焦光学系统是主要针对单色激光波长的，激光的焦点与可视照明光的焦点相差比较大的距离。而在高精度的三维激光加工系统中，要求有高精度的三维同步视觉定位系统，这要求激光的焦点与可视照明光的焦点在三维空间中完全一致。否则，视觉捕捉到的点与激光的焦点不在同一位置，这样难以达到加工所需的高精度要求。技术实现要素：本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种双波长共焦调焦光学系统，使得视觉捕捉到的点与激光的焦点在同一位置，从而大大地提高三维激光的加工精度。本实用新型的技术方案如下：提供一种双波长共焦调焦光学系统，包括光学变焦镜头以及fθ镜头，所述光学变焦镜头包括：沿入射光方向依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、以及振镜系统，fθ镜头设于所述振镜系统下方，第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜以及振镜系统位于同一光轴上，光线经fθ镜头聚焦，通过改变第一透镜与第二透镜之间的间距实现调焦。所述第一透镜为双凸型正透镜，其光焦度为f1；所述第二透镜为双凹型负透镜，其光焦度为f2；所述第三透镜以及第四透镜均为弯月型的正透镜，其向光线入射方向弯曲，第三透镜的光焦度为f3,第四透镜的光焦度为f4，各透镜的光焦度比率符合以下要求：-0.35<f2/f1<-0.251.1<f3/f1<1.44.0<f4/f1<4.5进一步地，所述双波长共焦调焦系统能在可见光与激光两个波段成像，可见光的焦点与激光的焦点共焦。进一步地，第一透镜的光焦度f1为83.5mm，第二透镜的光焦度f2为-26.5mm，第三透镜的光焦度f3为99.7mm，第四透镜的光焦度f4为359.8mm。进一步地，所述激光的波长为1064nm，所述可见光的波长为625±15nm。进一步地，第一透镜在光轴中心的厚度d1为5mm，第二透镜在光轴中心的厚度d3为2mm，第三透镜在光轴中心的厚度d5为5mm，第四透镜在光轴中心d7的厚度为4mm。进一步地，第一透镜包括第一曲面S1以及第二曲面S2，第一曲面S1的曲率半径R1的期望值为70.576mm，第二曲面S2的曲率半径的期望值R2为-370.7mm，所述第二透镜包括第三曲面S3以及第四曲面S4，第三曲面S3的曲率半径的期望值R3为-75.04mm，第四曲面S4的曲率半径的期望值R4为28.58mm，所述第三透镜包括第五曲面S5以及第六曲面S6，第五曲面S5的曲率半径的期望值R5为-124.45mm，第六曲面S6的曲率半径的期望值R6为-40.581mm，所述第四透镜包括第七曲面S7以及第八曲面S8，第七曲面S7的曲率半径的期望值R7为-29.907mm，第八曲面S8的曲率半径的期望值R8为-28.58mm。进一步地，第一透镜材料光学参数Nd1:Vd1的期望值为1.73/54.7，第二透镜材料光学参数Nd3:Vd3的期望值为1.8/25.4，第三透镜材料光学参数Nd5:Vd5的期望值为1.6/60.6，第四透镜材料光学参数Nd7:Vd7的期望值为1.8/25.4。进一步地，第一透镜与第二透镜在光轴上的间隔距离d2的为18±5mm，第二透镜与第三透镜在光轴上的间隔距离d4的期望值为25.3mm，第三透镜与第四透镜在光轴上的间隔距离d6的期望值为11.6mm，第四透镜与振镜系统在光轴上的间隔距离d8的期望值为20mm，fθ镜头距振镜系统的距离d9的期望值为47mm，fθ镜头的焦距为260mm，其后焦距Bf的变化范围为233mmm-286mm。采用上述方案，本实用新型具有如下有益效果：一是实现激光的调焦，在整个调焦过程中，激光的聚焦点成像质量好，在调焦范围内的一致性好。二是在激光调焦的过程中，照明系统的可见光的焦点与激光的焦点共焦，从而实现激光加工与监控系统焦点位置的一致性，从而利用视频监控系统进行激光焦点(Z轴)的定位，实现可视化加工。附图说明图1为本实用新型的系统图。图2为本实用新型在调焦极限位置及中间位置焦平面上的纵向焦点偏移图。图3为本实用新型在调焦极限位置及中间位置焦平面上的光扇图。图4为本实用新型在调焦极限位置及中间位置焦平面上的点列图。图5为本实用新型在调焦极限位置及中间位置焦平面上的点扩散函数图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。请参阅图1，本实用新型提供一种双波长共焦调焦光学系统，包括光学变焦镜头以及fθ镜头11，包括：沿入射光方向依次设置的第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4、振镜系统11，以及设于所述振镜系统11下方的fθ镜头12，第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3、第四透镜L4以及振镜系统12位于同一光轴上，所述振镜系统12在本光学系统中与光阑的作用类似，用来定义光束(光通量)的大小，光线经fθ镜头11聚焦。所述第一透镜L1为双凸型正透镜，其光焦度为f1；所述第二透镜L2为双凹型负透镜，其光焦度为f2；所述第三透镜L3以及第四透镜L4均为弯月型的正透镜，其向光线入射方向弯曲，第三透镜L3的光焦度为f3,第四透镜L4的光焦度为f4，各透镜的光焦度比率符合以下要求：-0.35<f2/f1<-0.251.1<f3/f1<1.44.0<f4/f1<4.5所述双波长共焦调焦系统能在可见光与激光两个波段成像，可见光的焦点与激光的焦点共焦，这样就可以使用CCD捕捉焦点，从而实现可视化加工。在本实施例中，可见光为LED光源。各个透镜的参数如下：第一透镜L1在光轴中心的厚度为d1，其包括第一曲面S1以及第二曲面S2，第一曲面S1的曲率半径为R1，第二曲面S2的曲率半径为R2，第一透镜L1的材料光学参数为Nd1:Vd1；第二透镜L2在光轴中心的厚度为d3，其包括第三曲面S3以及第四曲面S4，第三曲面S3的曲率半径的为R3，第四曲面S4的曲率半径为R4，第二透镜L2的材料光学参数为Nd3:Vd3；第三透镜L3在光轴中心的厚度为d5，其包括第五曲面S5以及第六曲面S6，第五曲面S5的曲率半径为R5，第六曲面S6的曲率半径为R6，第三透镜L3的材料光学参数Nd5:Vd5；第四透镜L4在光轴中心的厚度为d7，其包括第七曲面S7以及第八曲面S8，第七曲面S7的曲率半径为R7，第八曲面S8的曲率半径为R8，第四透镜L4的材料光学参数为Nd7:Vd7。第一透镜L1与第二透镜L2在光轴上的间隔距离为d2，第二透镜L2与第三透镜L3在光轴上的间隔距离为d4，第三透镜L3与第四透镜L4在光轴上的间隔距离为d6，第四透镜L4与振镜系统12在光轴上的间隔距离为d8，fθ镜头11距振镜系统12的距离为d9，fθ镜头11的焦距为f0，其后焦距为Bf,Bf的变化范围为Bfa<Bf<Bfb。通过改变第一透镜L1与第二透镜L2之间的间距实现调焦，前后移动第一透镜L1，fθ镜头的后焦距Bf会产生变化，再结合fθ镜头11产生的平面场，从而得到三维的加工区域。结合以上参数，我们设计了一个光学变焦镜头，其具体参数如下：激光波长λ0＝1064nm，可见光波长λ1＝625±15nm各透镜的光焦度分别为：f1＝83.5mmf2＝-26.5mmf3＝99.7mmf4＝359.8mm各透镜的光焦度比率为:f2/f1＝-0.32f3/f1＝1.19f4/f1＝4.31系统各透镜的主要参数如下：调节第一透镜L1，控制d2在13mm与23mm之间变动，d2与fθ镜头的后焦距Bf的参数的关系如下：调焦位调焦位置d2后焦距Bf负向极限位置13286中间位置18260正向极限位置23233由上表可看出，后焦距Bf的变化范围为233mm-286mm。请参阅图2至图5，图2中(a)是焦距为286时的纵向焦点偏移图，(b)是焦距为260时的纵向焦点偏移图，(c)是焦距为233时的纵向焦点偏移图。图3中(a)是焦距为286时的Rayfan图，(b)是焦距为260时的Rayfan图，(c)是焦距为233时的Rayfan图。图4中(a)是焦距为286时的点列图，(b)是焦距为260时的点列图，(c)是焦距为232时的点列图。图5中(a)是焦距为286时的点扩散函数，(b)是焦距为260时的点扩散函数，(c)是焦距为232时的点扩散函数。从图2与图3中可看出，该系统在不同的焦平面上的横向色差都比较小，从图2至图5可看出，该系统在不同的焦平面上的成像质量都很好，点弥散范围都在10um以内，点扩散函数都在0.9以上，这在激光调焦过程中能达到很好的加工效果，并且一致性好，同时也能获得良好的共焦成像效果，供可视化监测系统进行高精度定位。综上所述，本实用新型具有如下有益效果：一是实现激光的调焦，在整个调焦过程中，激光的聚焦点成像质量好，在调焦范围内的一致性好。二是在激光调焦的过程中，照明系统的可见光的焦点与激光的焦点共焦，可实现激光加工与监控系统焦点位置的一致性，从而利用视频监控系统进行激光焦点(Z轴)的定位，实现可视化加工。以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。当前第1页1 2 3