一种半径可调的环形光反射式光学系统

1.本发明属于光学系统设计领域，特别涉及一种半径可调的环形光反射式光学系统。


背景技术：

2.光束的整形和调控是光学产业朝着先进化、轻量化和高性能方向发展的关键技术问题，在光纤通信、激光切割和激光焊接等领域有着重要作用。工业薄壁管件的焊接通常采用环形光束，如实用新型专利cn201820983136.2公开了“一种环状聚焦光束系统”，但涉及的技术方法无法实现焦面环形光半径的实时调节，可操作性差。又如发明专利cn202011544208.1公开了“一种环形光激光焊接装置”虽能实现环光半径可调节，但系统中的镜片均为透射式，此类镜片在抛光时精度有限，效率低，且存在透镜表面膜层无法长时间承受高功率激光等问题，影响实际使用效果。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种半径可调的环形光反射式光学系统，通过动镜的自由移动即可产生一定半径范围内的聚焦环光，不仅设计自由度高，在实际应用中还具有耐高功率激光、结构紧凑和易于加工成型的特点。
4.实现本发明目的的技术方案是所述的光学系统由圆锥镜(s1)、聚焦镜(s2)和动镜(s3)组合设计形成，系统光路是：一束圆形平行光入射至圆锥镜(s1)后，传播方向折转90
°
以平行环形光反射至聚焦镜(s2)，聚焦镜(s2)上的光会聚于动镜(s3)，经动镜(s3)反射后聚焦至焦面，形成半径为d的环形光；所述光学系统为反射式，其光轴是z轴；所述的环形光半径d等于焦点f1与z轴的距离；所述动镜(s3)可沿着z轴移动，当向左移动l距离后，焦面焦点由f1移至f2，环形光的半径由d变成d；此时动镜(s3)半顶角θ、距离l和环形光半径之间的关系满足如下公式：sin2θ = (d-d) / l
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(4)动镜(s3)由线段m绕光轴z旋转一周形成，已知动镜(s3)面上q点坐标是q(x1,z1)，则线段m(x,z)的方程是：x-x1 tanθ
·
(z z1)=0 z1≤ z ≤ z1 x1/tanθ
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(5)所述聚焦镜(s2)的焦点是f(xf,zf)，且f是f1以线段m为对称轴的对称点，f1点的坐标是(d,0),则f中的横纵坐标xf和zf通过如下方程组求解：
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(6)依据上述方法计算出光学系统中反射镜的各项参数，当动镜(s3)沿z轴以0~l距离移动时，即可实现半径调节范围为d~d的环形光。
5.在上述技术方案中：动镜实质是外圆锥反射镜，其沿着光轴移动l时，焦点f1和f2的z向距离δz是：δz = 2lsin2θ
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(8)δz也是焦面调节的深度，当动镜移动0~l时，焦面呈现聚焦环光的调节范围是0~δz。
6.上述说明仅是本发明方法的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
7.图1为实施例一提供的半径可调环形光光学系统设计方法示意图；图2为实施例一提供的光学系统结构示意图；图3为实施例二提供的半径可调环形光光学系统设计方法示意图；图1和图3标记说明：s1、圆锥镜；s2、聚焦镜；s3、动镜。
8.图2标记说明：d、动镜移动前的环光半径；d、动镜移动后的环光半径。
9.具体实施方式一下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
10.要求设计一套环形光光学系统，能够实现环光半径可调范围22~44mm，焦面调焦距离最大不超过10mm。参见附图1，整个系统总体可由顶角是90
°
的圆锥镜、聚焦镜和动镜组合设计形成。参数d=44，d=22mm，若定义动镜的移动距离是30mm，根据式(5)可计算出动镜的半顶角是23.6
°
。
11.其次，综合考虑光学系统的z向尺寸，定义动镜(s3)面上q点坐标是q(34.34,-94)，则线段m(x,z)的方程是：x-34.34 0.437
·
(z-94)=0
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94 ≤ z ≤
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15.42(7)最后聚焦镜(s2)的焦点经式(7)计算后为f(-41.202,-37.233)，结合聚焦镜上的点坐标即可得到聚焦镜的方程参数。
12.参见附图2，整个光学系统的光路结构为：一束圆形平行光入射至圆锥镜后，传播方向折转90
°
以平行环形光反射至聚焦镜，聚焦镜上的光会聚于动镜，经动镜反射后聚焦至焦面，形成半径为d的环形光；当动镜移动时，焦面上的环形光环形光的半径由d变成d。
13.具体实施方式二附图1中的动镜实质是外圆锥反射镜，其反射后的环形光束与z轴夹角是锐角，方向外张，一般适用于薄壁管内部焊接。参见附图3，当动镜是内圆锥反射镜时，同样能够实现d~d的环形光，此时反射后的环形光束与z轴夹角是钝角，方向内收，一般适用于薄壁管外部焊接从本发明的实施例可以看出这种半径可调的环形光反射式光学系统结构紧凑，涉及的反射镜均可选取铜或铝为材料，采用单点金刚石车床一次车削成形，加工精度高的同时也提高了效率。


技术特征：
1.一种半径可调的环形光反射式光学系统，其特征在于:所述的光学系统由圆锥镜(s1)、聚焦镜(s2)和动镜(s3)组合设计形成，系统光路是：一束圆形平行光入射至圆锥镜(s1)后，传播方向折转90
°
以平行环形光反射至聚焦镜(s2)，聚焦镜(s2)上的光会聚于动镜(s3)，经动镜(s3)反射后聚焦至焦面，形成半径为d的环形光；所述光学系统为反射式，其光轴是z轴；所述的环形光半径d等于焦点f1与z轴的距离；所述动镜(s3)可沿着z轴移动，当向左移动l距离后，焦面焦点由f1移至f2，环形光的半径由d变成d；此时动镜(s3)半顶角θ、距离l和环形光半径之间的关系满足如下公式：sin2θ = (d-d) / l (1)动镜(s3)由线段m绕光轴z旋转一周形成，已知动镜(s3)面上q点坐标是q(x1,z1)，则线段m(x,z)的方程是：x-x1 tanθ
·
(z z1)=0 z
1 ≤ z ≤ z1 x1/tanθ (2)所述聚焦镜(s2)的焦点是f(x
f
,z
f
)，且f是f1以线段m为对称轴的对称点，f1点的坐标是(d,0),则f中的横纵坐标x
f
和z
f
通过如下方程组求解：依据上述方法计算出光学系统中反射镜的各项参数，当动镜(s3)沿z轴以0~l距离移动时，即可实现半径调节范围为d~d的环形光。

技术总结
本发明公开一种半径可调的环形光反射式光学系统，属于光学设计领域。技术方案：涉及的光学系统由圆锥镜、聚焦镜和动镜组合形成。一束圆形平行光入射至圆锥镜后，传播方向折转90


技术研发人员：陈宝华 吴泉英 沈悦晨 李鸿鑫 叶佳伟
受保护的技术使用者：苏州科技大学
技术研发日：2022.06.13
技术公布日：2022/9/2