[发明专利]一种双片式非球面镜连续变倍变焦ZOOM光学系统

说明书

本发明公开了一种双片式非球面镜连续变倍变焦ZOOM光学系统，涉及激光加工技术领域，包括沿着主光轴的传输方向依次设置的高功率光纤耦合激光器出光点、第一保护镜片、非球面双凸镜、非球面双凹镜、双分离式透镜组和第二保护镜片，所述非球面双凸镜、非球面双凹镜和双分离式透镜组的光轴同轴共线。本发明通过两个非球面镜的位置移动实现了光学系统的连续变倍和变焦。避免了传统方案的像平面不稳定，导致切割焦点漂移。由于准直单元和聚焦单元两者分离，属有限远共轭光学系统，非常便于机构设计，以及光学镜片单元的维修和更换。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，特别涉及一种双片式非球面镜连续变倍变焦ZOOM光学系统。

背景技术

随着科学技术的发展，各行各业也正悄然的发生着变化，其中，激光切割加工用不可见的光束代替了传统的机械刀，激光切割的精度高，切割速度快的特点，不局限于切割图案限制，自动排版节省材料，且切口平滑，加工成本低，激光切割正在逐渐改进或取代传统的金属切割工艺设备。

激光切割通俗地讲就是，由高能量密度的激光融化板材，同时依靠与激光同轴的辅助气体将切缝中的熔融状的残渣吹掉。因此切缝的宽窄与激光光斑覆盖面积的大小相关，它会影响切割速度(覆盖面积大则光斑的能量密度低)和切割质量(所需要吹入的辅助气体是否适量)。

激光切割领域一般采用短、中、长三种焦距的聚焦镜去加工不同厚度和材料。短焦距透镜光斑面积小能量密度高导致被照射位置的材料熔融(速度)快但切缝狭窄不利于辅助气体的吹入——适合薄板高速切割；中焦距透镜光斑面积增加能量密度减小导致被照射位置的材料熔融(速度)减慢但切缝增加，有利于一定量的气体吹入——适合中厚板高速高质量切割；长焦距透镜光斑面积大能量密度小导致被照射位置的材料熔融(速度)慢，但切缝宽利于气体吹入——适合厚板高质量切割。

遗憾的是同一个聚焦透镜(因其倍率和焦距固定)，在其聚集足以切割的能量密度的光斑范围内，只能满足一部分材料和板厚的切割需求。因此只能通过更换透镜来弥补不足。

为了达到最佳地加工效果，通常引入连续变倍变焦ZOOM光学系统来实现，即一种能使焦距在一定范围内改变而保持像面不动的光学系统。目前常用连续变倍变焦ZOOM光学系统的镜片通常采用非球面镜方案，较常见的如Precitec、HighYAG等4片式非球面镜系统，国内也有4片式球面镜方案和3片式非球面镜方案。它们的主要缺点在于：首先，不能够均匀地改变焦距。特别是当光学系统的横向放大倍率达到3X以上时，对传动机构的控制精度要求非常高；其次，变焦过程中像面稳定性差。由于激光切割加工设备的设计异于一般的光学镜头，需要同时考虑到光路、水路、气路的设计，高能量激光运行一段时候后，经常需要额外增加补偿值以补偿其光机设计上的误差；最后，普遍的方案是采用变倍组+补偿组的方式来实现光学系统的连续变倍变焦，工业量产阶段保证其产品的一致性和稳定性是非常困难的。目前市面上基本上是采用一台加工设备，一套工艺参数，且各加工设备间组件不可互换，不便于维修。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种能够均匀地改变焦距、在变焦的过程中像面的稳定性好，且能够适用于不同激光切割要求的双片式非球面镜连续变倍变焦ZOOM光学系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双片式非球面镜连续变倍变焦ZOOM光学系统，包括沿着主光轴的传输方向依次设置的高功率光纤耦合激光器出光点、第一保护镜片、准直单元、聚焦单元和第二保护镜片，所述准直单元包括非球面双凸镜、非球面双凹镜，所述聚焦单元为双分离式透镜组，所述非球面双凸镜、非球面双凹镜和双分离式透镜组的光轴同轴共线。

进一步的是：所述非球面双凸镜、非球面双凹镜、双分离式透镜组的镜片材质均为低羟基人工合成石英。

进一步的是：所述双分离式透镜组为球面镜构成的定焦透镜组。

进一步的是：所述定焦透镜组的有效焦距值F2的范围为120-250mm。