变焦量对焦量联动的光学系统及其设计方法及激光切割头与流程

1.本发明属于激光加工技术领域，尤其涉及一种变焦量对焦量联动的光学系统及其设计方法及激光切割头。


背景技术：

2.光学镜头的功能是将空间中的某一物在空间另一个位置上成一个像，物点到像点的距离称为共轭距，像的垂轴尺寸与物的垂轴尺寸的比值称为放大率。目前人们创造出两类镜头，一类是定焦镜头，一类是变焦镜头。对于定焦镜头，组成镜头的诸光学透镜之间的位置关系是固定的，这类镜头在使用中，共轭距与放大率之间的关系是固定的，这类镜头的使用灵活性受到限制。对于变焦镜头，组成镜头的诸光学透镜中的某些透镜的位置可以变化，这就使共轭距和放大率之间的关系可以根据需要灵活组合，提供了强大的适应各种需求的能力。
3.在实际应用中有一类需求，需要在一定的共轭距变化范围内，放大率随共轭距按某一设定的规律变化。例如，在激光切割加工中，需要针对不同的切割材料和不同厚度的板，调整激光光斑相对板的表面的位置，激光加工设备需使光斑在喷嘴内外沿光轴在不同的位置上调整，这个过程叫激光对焦，对焦过程实际上是改变共轭距；为了提高切割效率和切割质量，对于不同厚度的板，激光加工设备通常需要变换光斑的大小，光斑大小的变化对应激光汇聚角的变化，两者反方向变化，这个过程叫激光变焦，变焦过程实际上改变的是放大率。在激光切割加工中，厚板加工时，光斑需设置在板内靠近下表面处，对焦量大，这时，应采用大的激光光斑，使激光汇聚角小，可以使切缝窄，提高切割效率，同时可以使切口面与表面夹角更接近90度，提高产品质量。也就是说，激光切割加工中，需要一种依据对焦量变化而变化光斑大小的加工光斑。显然这时候我们需要一种设备，它能根据切割工艺特点，使变焦量随板的厚度决定对焦量变化。
4.对于这种需求，在现有的技术方案中，能够实现对焦量和变焦量联动的激光设备必须同时具有变焦和对焦功能。在现有激光设备中，激光对焦和激光变焦是由两套光学系统分别完成，其优点是在任意对焦点处，都可以实现各种变焦操作，可以充分满足激光工艺要求，缺点是系统非常复杂，设备价格及其昂贵，变焦功能通常只配备在顶级激光切割机中。
5.造成这种局面的光学方面的原因主要是：
6.1、从光学系统方面看，价格极其昂贵。变焦镜头除了设计复杂外，为了减少透镜片数和保证像质，通常会大量使用非球面镜，例如：华中科技大学国家工程研究中心葛佳琪等(中国光学学报2019年第2期)给出了一个7片透镜的镜头设计，在该设计中采用了3片非球面镜；上海嘉强自动化技术公司提出了一种4片透镜的技术方案(中国专利申请号 cn201510566726.6)，采用了3片非球面透镜。由于非球面镜加工困难，决定了激光镜头非常贵。
7.2、由于光学玻璃材料本身有材料吸收和散射，透镜吸收的光直接导致透镜温升，
而散射的光作为杂光加温光学系统密闭腔体内的器件及壳体。为了减小材料吸收引起的温升带来的热透镜效应，需采用昂贵的高纯玻璃材料。
8.3、由于光学透镜镀膜技术不完善，目前的大功率膜的散射光的水平不低于0.2％，这意味着每个单独的玻璃透镜产生的杂光不低于0.4％，显然，光学系统中，玻璃透镜片数的增加，意味着产生热的杂光的增加。我们以上面提到的华中科技大学的设计为例，假如激光功率为一万瓦，每片产生的加热杂光为40瓦，7片透镜组成的光学系统至少需一块保护玻璃，光学系统中加热杂光的功率至少为320瓦。为了消除这些杂光带来的热量，必须仔细设计冷却系统，如果冷却效果不好，会降低光学系统的可靠性。
9.造成这种局面的机械方面的原因主要是：
10.1.实现变焦镜头中诸透镜相对运动的机械结构和方法是：将诸透镜分别固定在各自的透镜框上，各透镜框用直线轴承与导轨连接，然后通过架在轴承上的凸轮带动诸透镜实现相对运动，达到变焦目的。具体结构可参见中国专利申请号201910637898.6公开的技术方案。在激光光学系统中，由于透镜自身材料吸收、散射和透镜表面镀膜不完美导致的光散射，密封在凸轮内部的透镜和透镜框的温度会升高，而直线轴承的导热特性差，透镜及透镜框上的热量只能通过空气向凸轮传递，而凸轮在光的作用下也会发热，凸轮上的热一部分通过轴承传递给基座，一部分通过空气传递，由于冷却通常是直接作用在基座上的，滚动轴承同样是不良导热体，这导致冷却设计非常困难。
11.2.这种传统结构由于散热效果差，要么限制变焦头的使用功率，要么在大功率使用时导致光学系统可靠性变差，严重时会导致性能的降低，如产生热透镜效应。
12.3.这种结构还会导致机械系统结构复杂、安装困难、尺寸变大。
13.4.此外，目前的通用变焦镜头的变焦范围通常比较小，要增大变焦范围，需进一步增加系统复杂性。


技术实现要素：

14.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种变焦量对焦量联动的光学系统及其设计方法及激光切割头，在满足应用要求的同时简化系统结构，增加变焦范围，降低系统成本。
15.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种变焦量对焦量联动的光学系统包括至少两片透镜组成的透镜组，所述透镜组用于将某一物体的像成像在其后的某平面上；所述透镜组包括至少一片运动透镜，且当透镜组中某一运动透镜位于某一位置时，透镜组中的其他运动透镜位于与该位置对应的特定位置。
16.进一步的，当将所述透镜组中的运动透镜调节至某一位置时，透镜组的共轭距和放大率两个参数唯一确定的。
17.本发明还提供了上述光学系统的设计方法，对透镜组中透镜的位置变化规律进行设计，具体包括以下步骤：
18.步骤1)根据技术要求提出的对焦和变焦运动规律，确定对焦范围内若干个点处的共轭距离及对应的放大率；
19.步骤2)通过步骤1)得出的若干个点处的共轭距离及对应的放大率，利用光学设计计算确定各个点处的共轭距离及放大率需要透镜组中各透镜所处的位置；
20.步骤3)汇总步骤2)计算得到的各运动透镜的位置变化，拟合得到各运动透镜的运动规律函数。
21.本发明还提供了基于上述光学系统的激光切割头，包括套管、凸轮和光学系统，所述光学系统包括至少两片透镜，每一片透镜分别固定在一个透镜框上，所有的透镜框均设置在套管内且可沿套管轴线方向滑动，其中，所述套管壁上沿平行于套管轴线方向开有滑动槽；
22.所述凸轮套设在所述套管上，凸轮上开有与可滑动透镜框一一对应的控制槽，控制槽与滑动槽不平行，且每个控制槽与滑动槽之间均有交汇处形成控制结构，交汇处与透镜框一一对应，每个透镜框均通过与其对应的交汇处连接有一拨杆，通过旋转凸轮，带动拨杆在滑动槽滑动移动，带动透镜框在套管内移动，实现变焦量和对焦量的联动。
23.进一步的，所述套管上开设的滑动槽与可滑动透镜框一一对应。
24.进一步的，所述透镜框外表面与套管内表面之间设置自润滑结构，所述自润滑结构设置在透镜框外表面上和/或套管内表面上；所述凸轮的内表面与所述套管的外表面至少有一个具有自润滑结构。
25.进一步的，所述透镜框由自润滑材料制成，或者透镜框由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，或者由透镜框基体和镶嵌在透镜框基体上的自润滑材料组成；所述套管外表面具有自润滑结构；所述套管由套管基体和基体外表面的自润滑涂层组成，或者所述套管由套管基体和镶嵌在套管基体上的自润滑材料组成；所述套管基体由金属材料制成。
26.本发明还提供了基于上述光学系统的激光切割头，包括套管、光学系统和透镜框，所述透镜框包括第一透镜框和第二透镜框，所述光学系统包括第一光学透镜和第二光学透镜，所述第一光学透镜固定在第一透镜框上，且第一透镜框固定在所述套管内，所述第二光学透镜固定在所述第二透镜框上，第二透镜框设置在套管内且可沿套管轴线方向滑动；所述套管壁上沿平行于套管轴线方向开有滑动槽，拨杆一端穿过滑动槽与第二透镜框固定连接，通过拖动拨杆带动第二透镜框及第二透镜在套管内移动，实现变焦量与调焦量联动。
27.进一步的，所述透镜框外表面与套管内表面之间设置自润滑结构，所述自润滑结构设置在透镜框外表面上和/或套管内表面上。
28.进一步的，所述第二透镜框，或者由自润滑材料制成，或者由透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，或者由透镜框基体和镶嵌在透镜框基体上的自润滑材料组成。
29.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
30.本发明提供了变焦量对焦量联动的光学系统，对透镜组的共轭距和放大率两个参数在某一个范围内进行设计，并通过透镜组中的位置变化实现，通过调整透镜组中至少一片透镜的位置，使共轭距变化，比如成像沿光轴方向移动，在激光加工中即对焦，在对焦同时，还伴随着成像的大小的变化(即变焦)，并且，当将所述透镜组中的运动透镜调节至某一位置时，透镜组的共轭距和放大率两个参数对应的。
31.本发明提供的激光切割头，只需要用一个电机带动就可以同时实现对焦和变焦联动操作，简化了系统结构，增加了变焦范围；并且，根据实际的使用需求，本发明可以实现将变焦对焦切割头光学系统的结构简化到只有两片，合理的结构设计，能够从源头上减少热杂光。
32.进一步的，本发明的激光头中广泛采用了自润滑结构，自润滑结构优选石墨，作为良导热材料，能够在保证低摩擦力的情况下大幅提高机械结构导热特性，并且，在设计中，自润滑结构实现了器件之间的面接触，极大程度的提升的导热性能，随着热问题的大幅改善，可以提高激光切割头的工作功率，延长激光切割头的寿命；另外，本发明的结构设计合理，能够大幅降低变焦对焦激光切割头的成本。
附图说明
33.图1为本发明提出的一种变焦量对焦量联动的光学系统的原理图。
34.图2为本发明提出的第一种基于两片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示意图。
35.图3为本发明提出的第二种基于三片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示意图。
36.图4为本发明提出的第三种基于二片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示意图。
37.其中：2g1、2g2表示规定透镜，21表示第一光学透镜，22表示第二光学透镜，23表示第三光学透镜；31表示第一透镜框,32表示第二透镜框，33表示第三透镜框；51表示第一拨杆，52表示第二拨杆,53表示第三拨杆；6表示套管；7表示凸轮。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例，对本发明提出的变焦量对焦量联动的光学系统、方法和激光切割头进行详细说明。
39.图1为本发明提出的一种变焦量对焦量联动的光学系统的示意图。组成光学系统的透镜组至少含有两片透镜，其中至少一片是可以沿轴向运动的，通常含有若干固定透镜，如图1中所示，固定透镜2g1和2g2，当然，根据实际需要还可以有更多固定透镜你，以及含有若干运动透镜，如图1中所示第一光学透镜21和第二光学透镜22在本实施例中为均为运动透镜，当然，根据实际需要还可以有更多运动透镜。该系统将某物成像在其后的某个面上。该系统跟传统的定焦镜头不一样，传统定焦镜头的共轭距和放大率是固定的，不能灵活设计。该系统是对不同的目标点(共轭距)，产生特定大小的像，是可以设计的。该系统的传统变焦系统不同，传统变焦系统对一个目标点(共轭距)可产生不同大小的一系列像。
40.该系统实现变焦量对焦量联动的方法是：通过调整透镜组中至少一片透镜的位置，使共轭距变化(像沿光轴方向移动，在激光加工中即对焦)，同时，伴随着像的大小的变化(即变焦)；透镜组中透镜的位置变化规律通过以下方法确定：1)根据技术要求提出的对焦和变焦运动规律，确定对焦范围内若干个点处的共轭距离及对应的放大率；2)通过光学设计计算确定所述透镜组中诸透镜的位置；3)取出诸运动透镜的位置，即可得到所述诸运动透镜的运动规律函数。
41.图2为本发明提出的一种基于两片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示意图。由第一光学透镜21、第二光学透镜22、第一透镜框31、第二透镜框32、第一拨杆51、第二拨杆52、套管6和凸轮7组成。其中：第一光学透镜21固定在第一透镜框31上，第二光学透镜22固定在第二透镜框32上；套管6壁上沿平行于套管6轴线方向开有两个滑动槽；第一透
镜框31和第二透镜框32设置在套管6内，靠近一端；第一透镜框31的外表面与套管6内表面中至少有一个面具有自润滑结构，第二透镜框32的外表面与套管6内表面中至少有一个面具有自润滑结构；凸轮7套在套管外表面，凸轮7的内表面和套管6的外表面中至少有一个面具有自润滑结构，凸轮7上开有与第一透镜框31和第二透镜框32一一对应的控制槽，控制槽与滑动槽不平行，且每个控制槽与滑动槽之间均有交汇处形成控制结构，交汇处与第一透镜框 31和第二透镜框32一一对应，第一透镜框31和第二透镜框32通过与其对应的交汇处连接有第一拨杆51和第二拨杆52。在该变焦量对焦量联动的切割头中，通过凸轮7转动拖动第一拨杆51和第二拨杆52带动第一透镜框31和第二透镜框32及固定在透镜框上的第一光学透镜 21和第二光学透镜22实现光学系统变焦量对焦量联动的操作。
42.在上述系统中，自润滑结构通常制造在透镜框外环面上，这样更便利。第一透镜框31和第二透镜框32可以由自润滑材料制成，也可以由环状透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，还可以由环状透镜框基体和镶嵌在环状透镜框基体上的自润滑材料组成。
43.在上述系统中，通常套管6外表面具有自润滑结构；套管6可以由套管基体和基体外表面的自润滑涂层组成，套管6还可以由套管基体和镶嵌在套管基体上的自润滑材料组成。套管6 基体由金属材料制成。
44.图3为本发明提出的一种基于三片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示意图。由第一光学透镜21、第二光学透镜22、第三光学透镜23、第一透镜框31、第二透镜框32、第三透镜框33、第一拨杆51、第二拨杆52、第三拨杆53、套管6和凸轮7组成。其中：第一光学透镜21固定在第一透镜框31上，第二光学透镜22固定在第二透镜框32上，第三光学透镜 23固定在第一透镜框33上；套管6壁上沿平行于套管6轴线方向开有三个滑动槽；第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33依次设置在套管6内；第一透镜框31的外表面与套管 6内表面中至少有一个面具有自润滑结构，第二透镜框32的外表面与套管6内表面中至少有一个面具有自润滑结构，第三透镜框33的外表面与套管6内表面中至少有一个面具有自润滑结构；凸轮7套在套管6外表面，凸轮7的内表面和套管6的外表面中至少有一个面具有自润滑结构，凸轮7上开有与第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33一一对应的控制槽，控制槽与滑动槽不平行，且每个控制槽与滑动槽之间均有交汇处形成控制结构，交汇处与第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33一一对应；第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33通过与其对应的交汇处连接有第一拨杆51、第二拨杆52和第三拨杆53。在该变焦量对焦量联动的切割头中，通过旋转凸轮7拖动第一拨杆51、第二拨杆52和第三拨杆53带动第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33及固定在透镜框上的第一光学透镜21、第二光学透镜22和第三光学透镜23实现光学系统变焦量对焦量联动的操作。
45.在上述系统中，自润滑结构通常制造在透镜框外环面上，这样更便利。第一透镜框31、第二透镜框32和第三透镜框33可以由自润滑材料制成，也可以由环状透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，还可以由环状透镜框基体和镶嵌在环状透镜框基体上的自润滑材料组成。
46.在上述系统中，通常套管6外表面具有自润滑结构；套管6可以由套管基体和基体外表面的自润滑涂层组成，套管6还可以由套管基体和镶嵌在套管基体上的自润滑材料组成。套管6 基体由金属材料制成。
47.图4为本发明提出的一种基于两片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头结构示
意图。由第一光学透镜21、第二光学透镜22、第一透镜框31、第二透镜框32、第二拨杆52和套管6 组成。其中：第一光学透镜21固定在第一透镜框31上，第二光学透镜22固定在第二透镜框 32上；套管6壁上沿平行于套管6轴线方向开有一个滑动槽第一透镜框31固定设置在套管6 内，靠近套管6一端；第二透镜框32设置在套管6内，靠近套管6另一端；第二透镜框32 的外表面与套管6内表面中至少有一个面具有自润滑结构；第二透镜框32穿过套管6上的滑动槽连接有第二拨杆52。在该变焦量对焦量联动的切割头中，通过拖到第二拨杆52带动第二透镜框32及固定在第二透镜框32上的第二光学透镜22实现光学系统变焦量对焦量联动的操作。
48.该系统结构比图2所示系统简单，但设计灵活性要差很多，适合要求低的应用场合。
49.在上述系统中，自润滑结构通常制造在透镜框外环面上，这样更便利。透镜框32可以由自润滑材料制成，也可以由环状透镜框基体和基体外表面的自润滑涂层组成，还可以由环状透镜框基体和镶嵌在环状透镜框基体上的自润滑材料组成。
50.根据图2所示技术方案，我们设计了一个用于单模激光器、基于两片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头。该切割头适用数值孔径0.065的激光输出，可将激光输出光纤的芯径从放大2倍变化到放大5倍。其中，两个透镜均采用球面镜，焦距分别为34.71毫米和45.48毫米；透镜框31、32采用金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。套管6外表面具有自润滑结构，套管由金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)制成。所设计的加工光斑的变化规律是：对焦量5毫米，放大率2倍；对焦量0毫米，放大率2倍；对焦量负5毫米，放大率3倍；对焦量负10毫米，放大率4倍；对焦量负15，放大率5倍。相对传统的变焦加对焦系统：1)只需两片球面透镜，可以大幅降低热杂光和光学系统成本；2)只需一套运动驱动机构就可以实现，大幅降低电机、传感器和驱动机构成本；3)变焦范围大，如果采用变焦镜头，同样结构的变焦范围只能做到2到4倍。
51.根据图3所示技术方案，我们设计了一个用于多模激光器、基于三片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头。该切割头适用数值孔径0.1芯径的激光输出，可将激光输出光纤的芯径从放大1.2倍变化到放大3倍。其中，三个透镜均采用球面镜，焦距分别为87毫米、100.48毫米和100.93毫米；透镜框31、32和33采用金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。套管6外表面具有自润滑结构，套管由金属基体镶嵌自润滑材料(石墨) 制成。所设计的加工光斑的变化规律是：对焦量15毫米，放大率1.2倍；对焦量10毫米，放大率1.2倍；对焦量5毫米，放大率1.2倍；对焦量0毫米，放大率1.2倍；对焦量负5毫米，放大率1.75倍；对焦量负10毫米，放大率2倍；对焦量负15，放大率2.25倍；对焦量负20，放大率2.5倍；对焦量负25，放大率2.75倍；对焦量负30，放大率3倍。相对传统的变焦加对焦系统：1)只需三片球面透镜(目前已知方案至少用四片透镜，且三片为非球面镜)，可以大幅降低热杂光和光学系统成本，降低热杂光有利于提高系统可靠性；2)只需一套运动驱动机构就可以实现，大幅降低电机、传感器和驱动机构成本；3)变焦范围变大，同样结构变焦镜头放大率只能做到1.2到2.2倍。
52.根据图4所示技术方案，我们设计了一个用于单模激光器、基于两片透镜的变焦量对焦量联动的激光切割头。该切割头适用数值孔径0.065的激光输出，可将激光输出光纤的芯径从放大2倍变化到放大5倍。其中，两个透镜均采用球面镜，焦距分别为34.7毫米和
45.48毫米；透镜框32采用金属基体镶嵌自润滑材料(石墨)的结构，透镜固定在透镜框内部。所设计的加工光斑的变化规律是：对焦量4.5毫米，放大率3倍；对焦量0毫米，放大率3.5倍；对焦量负5毫米，放大率3倍；对焦量负10毫米，放大率4倍；对焦量负18.2，放大率5倍。该方案相对实施例1给出的方案，设计灵活性差，变焦范围小，好处是结构相对简单。
53.本发明提供的变焦量对焦量联动的光学系统、方法及激光切割头，是一种根据激光切割工艺特点优化设计的切割头，与现有的自动对焦自动变焦方案相比，结构简单，采用一套驱动装置就可以实现；光学系统使用球面透镜，大幅降低了成本，并且光学系统透镜片数的减少降低了热杂光，有利于提高系统的可靠性。