[实用新型]变焦对焦量联动的光学系统及激光切割头

说明书

本实用新型公开了一种变焦对焦量联动的光学系统及激光切割头，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，具体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。本实用新型简化了变焦切割头的光学结构，从源头上减少了热杂光；采用自润滑结构，在保证低摩擦力的情况下大幅提高机械结构导热特性。

技术领域

本实用新型属于激光加工技术领域，尤其涉及一种变焦对焦量联动的光学系统及激光切割头。

背景技术

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。

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。

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。

造成这种局面的光学方面的原因主要是：

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。

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。

造成这种局面的机械方面的原因主要是：