[实用新型]光学变焦对焦镜头及其机械结构及光学结构

说明书

本实用新型公开了一种光学变焦对焦镜头及其机械结构及光学结构，本实用新型提供的变焦对焦激光镜头的光学结构，创造性的使用两块透镜组成的准直镜头和两块透镜组成的聚焦镜头各自独立进行变焦和对焦，极大的改善了设计灵活行，简化了设计过程；本实用新型提供的变焦对焦激光镜头的机械结构，创造性的使用具有自润滑材料的透镜框套管凸轮的套管式机械结构取代传统机械结构，该机械结构结构简单、体积小；滑块与套管之间是面接触，且石墨等自润滑材料的导热性极好，该结构的导热能力得到极大提高，在该导热结构中，可以方便的将水冷做在套管内部，彻底解决系统的冷却问题，解除热问题对系统最大使用功率的限制。

技术领域

本实用新型属于激光加工领域，尤其涉及一种光学变焦对焦镜头及其机械结构及光学结构。

背景技术

在激光加工过程中，为了满足不同材料及不同厚度材料的加工工艺要求，常需要根据工艺要求调整激光光斑的大小和激光光斑相对加工表面的高低位置。前者称为变焦，它通过改变设备中光学系统的焦距实现，只改变光斑大小，不改变光斑位置；后者称为对焦，不改变光斑大小，只改变光斑位置。在激光加工系统中，激光光学镜头系统通常采用准直镜头与聚焦镜头的组合结构，即准直镜头将光源发出的光变为平行光，聚焦镜头将平行光聚焦在工作表面上。这种结构设计灵活，便于在两者的平行光路中引入监视系统及光束扫描振动等辅助系统，扩展设备功能。在现有的准直镜头和聚焦镜头的组合结构中，实现对焦的方法一是移动聚焦镜头的位置，二是在聚焦透镜或准直透镜前加个小光焦度透镜，通过调整透镜位置对焦。变焦功能可以在准直镜头上实现，也可以在聚焦透镜上实现。变焦和聚焦是两个独立的系统，分别实现。

图1A和图1B为现有变焦光学系统的典型结构示意图，包括：准直透镜组LC，固定透镜组LG、变焦透镜组LT和补偿透镜组LB组成的变焦扩束系统，以及聚焦透镜组LF。在该系统中，准直透镜组与变焦扩束组组成复合准直透镜系统，实现焦距变化。

根据不同应用，激光加工变焦镜头光学系统处理的光的功率从几千瓦到几万瓦，这类光学系统存在以下问题：

1、如果激光光学系统采用变焦光学系统，其价格就极其昂贵。这里除了设计复杂外，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，该激光镜头一定非常贵。

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。

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。

激光加工变焦对焦镜头中，保证光学系统功能得以实现的机械系统在高功率应用中，必须仔细解决光学系统带来的热问题，现有结构存在的问题如下：

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。