一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及光路结构技术方案

本发明专利技术提供了一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及光路结构。所述优化方法对动态聚焦扫描振镜系统进行了一体式考虑，模拟动态聚焦镜和两轴振镜的不同工作状态，评价在不同工作状态下系统聚焦光斑的质量，并从整体角度对系统进行优化。所述光路结构包含第一透镜、第二透镜、X轴振镜、Y轴振镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；第一透镜为双凹型负透镜，第二透镜为双凸型正透镜，X轴振镜和Y轴振镜为平面反射镜，第三透镜为双凹型负透镜，第四透镜为弯月型正透镜，第五透镜为弯月型正透镜，第六透镜为双凸型正透镜，本发明专利技术能够提升动态聚焦扫描振镜系统在工作区域内聚焦光斑的圆度，提升了聚焦光斑的质量。提升了聚焦光斑的质量。提升了聚焦光斑的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及光路结构


[0001]本专利技术涉及一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法及系统的光路结构，应用于激光焊接、激光切割、激光打标等激光先进制造领域中。

技术介绍

[0002]现有技术中的动态聚焦扫描振镜系统主要有两种结构。第一种是包含动态聚焦镜组与双轴振镜的结构，对于三维空间内不同位置处的离焦误差通过动态聚焦镜来补偿。第二种是包含动态聚焦模块、双轴振镜模块和F
‑
Theta场镜模块的结构，F
‑
Theta场镜实现了平面上的二维扫描，配合动态聚焦模块，控制场镜焦平面在Z方向上的位置，以此实现三维空间内的扫描加工。
[0003]公开号为CN107666981A的专利文献申请公布了一种调节激光焦点尺寸和位置的方法，公告号为CN21143858U的专利文献公布了一种紫外光扫描振镜场镜。目前对于动态聚焦扫描振镜系统的优化设计主要是针对系统中各个模块独立进行的，而在实际的系统工作中，动态聚焦镜位置的变化以及扫描振镜角度的偏转都会引起焦平面上激光束聚焦特性的改变，仅对动态聚焦系统和F
‑
Theta场镜独立设计和优化无法充分地反映系统整体的成像质量。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种动态聚焦扫描振镜系统优化方法，搭建了动态聚焦扫描振镜系统整体的光路结构，模拟系统在不同工作状态下聚焦光斑的质量，模拟结果更符合系统实际的工作状态，从整体的角度对系统的光学参数进行优化，提升了扫描范围内聚焦光斑的质量。
[0005]本专利技术的技术方案如下。
[0006]本专利技术第一方面提供了一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1，对动态聚焦扫描振镜系统进行模块化设计，将所述动态聚焦扫描振镜系统分为动态聚焦模块、振镜模块和F
‑
Theta场镜模块，并分别进行初步优化；
[0008]步骤S2，对将所述步骤S1中的动态聚焦模块、振镜模块和F
‑
Theta场镜模块分别进行初步优化之后，组合在一起，对所述动态聚焦扫描振镜系统进行整体优化。
[0009]优选地，所述步骤S1进一步包括：
[0010]步骤S11，设计所述动态聚焦模块，实现通过控制动态聚焦镜的位置来改变聚焦光斑在Z轴方向上的聚焦位置，并进行初步优化；
[0011]步骤S12，设计所述F
‑
Theta场镜模块，并对其中的场镜进行初步优化，通过场镜的平场特性补偿扫描平面上的离焦误差，实现动态聚焦扫描振镜系统在X、Y方向上的扫描；
[0012]步骤S13，设计所述振镜模块；在初步优化后的F
‑
Theta场镜模块中加入振镜模块，所述振镜模块包括X轴振镜和Y轴振镜，并且优化X轴振镜与Y轴振镜间距、Y轴振镜与场镜间距这两个参数。
[0013]优选地，所述步骤S2进一步包括：对经初步优化的三个模块进行组合，进行进一步优化，模拟动态聚焦扫描振镜系统中动态聚焦镜和振镜在不同状态下的聚焦光斑的质量。
[0014]优选地，所述步骤S2对于在动态聚焦镜的位置为
‑
2mm、0mm和+2mm处时，X轴振镜和Y轴振镜分别偏转0
°
、3
°
、5
°
、7
°
和10
°
的工作状态下的光线进行追迹，获得激光束在工作区域内的聚焦情况，通过约束追迹光线的聚焦位置来提升整个系统的成像质量和聚焦光斑的圆度。
[0015]本专利技术第二方面提供根据本专利技术第一方面中任一项所述的优化方法设计的动态聚焦扫描振镜系统的光路结构，包括动态聚焦模块、振镜模块和F
‑
Theta场镜模块；
[0016]所述动态聚焦模块包含第一透镜和第二透镜，第一透镜为动态聚焦镜，动态移动范围为
±
2mm，控制的聚焦光斑可变化的范围为
±
10mm；
[0017]所述F
‑
Theta场镜模块包含第三透镜，第四透镜、第五透镜和第六透镜，所述F
‑
Theta场镜模块的焦距为250mm，视场角为
±
25
°
；
[0018]所述振镜模块包含X轴振镜和Y轴振镜，两轴振镜的特性为平面反射镜，最大的机械偏转角度为
±
10
°
；
[0019]激光束依次经过第一透镜、第二透镜、X轴振镜、Y轴振镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜后聚焦在焦平面上。
[0020]优选地，所述第一透镜为双凹型负透镜，所述第二透镜为双凸透镜型正透镜，所述第三透镜为双凹透镜，所述第四透镜为弯月型正透镜，所述第五透镜为弯月型正透镜，所述第六透镜为双凸型正透镜。
[0021]优选地，所述第一透镜的前表面曲率半径为
‑
20.5mm，后表面曲率半径为
‑
83.1mm；所述第一透镜的中心厚度为2.0mm，所述第一透镜与所述第二透镜的间隔为49.2mm；所述第一透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
[0022]优选地，所述第二透镜的前表面曲率半径为137.7mm，后表面曲率半径为
‑
75.9mm；所述第二透镜的中心厚度为2.3mm，所述第二透镜与X轴振镜的间隔为80.0mm；所述第二透镜材料的折射率为1.46，阿贝尔系数为67.8。
[0023]优选地，所述X轴振镜与所述Y轴振镜之间间隔为20.9mm，所述的Y轴振镜与第三透镜之间间隔为35.2mm。
[0024]优选地，所述激光束的波长为1064nm，入瞳直径为5.6mm。
[0025]本专利技术的动态聚焦扫描振镜的优化方法对动态聚焦扫描振镜系统进行了一体式考虑，评价在不同工作状态下系统聚焦光斑的质量，并从整体角度对系统进行优化，由此准确地模拟实际应用中扫描振镜系统的工作状态，模拟不同工作状态下系统的聚焦能力，对系统中的各个光学元件做更深入的优化。本专利技术还应用所述的优化方法，设计了一种动态聚焦扫描振镜系统，提高了系统聚焦光斑的圆度，获得了更好的成像质量，能够满足在激光焊接、激光切割、激光打标等领域的应用需求。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的扫描振镜系统的动态聚焦模块的光路结构示意图。
[0027]图2为本专利技术的扫描振镜系统的F
‑
Theta场镜的光路结构示意图。
[0028]图3为本专利技术的扫描振镜系统的F
‑
Theta场镜的点列图。
[0029]图4为本专利技术的扫描振镜系统的F
‑
Theta场镜的场曲、畸变示意图。
[0030]图5为本专利技术的动态聚焦扫描振镜系统光路结构示意图。
[0031]图6为优化前动态聚焦扫描振镜系统的点列图。
[0032]图7为优化后动态聚焦本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，对动态聚焦扫描振镜系统进行模块化设计，将所述动态聚焦扫描振镜系统分为动态聚焦模块、振镜模块和F
‑
Theta场镜模块，并分别进行初步优化；步骤S2，对将所述步骤S1中的动态聚焦模块、振镜模块和F
‑
Theta场镜模块分别进行初步优化之后，组合在一起，对所述动态聚焦扫描振镜系统进行整体优化。2.根据权利要求1所述的一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：步骤S11，设计所述动态聚焦模块，实现通过控制动态聚焦镜的位置来改变聚焦光斑在Z轴方向上的聚焦位置，并进行初步优化；步骤S12，设计所述F
‑
Theta场镜模块，并对其中的场镜进行初步优化，通过场镜的平场特性补偿扫描平面上的离焦误差，实现动态聚焦扫描振镜系统在X、Y方向上的扫描；步骤S13，设计所述振镜模块；在初步优化后的F
‑
Theta场镜模块中加入振镜模块，所述振镜模块包括X轴振镜和Y轴振镜，并且优化X轴振镜与Y轴振镜间距、Y轴振镜与场镜间距这两个参数。3.根据权利要求2所述的一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：对经初步优化的三个模块进行组合，进行进一步优化，模拟动态聚焦扫描振镜系统中动态聚焦镜和振镜在不同状态下的聚焦光斑的质量。4.根据权利要求3所述的一种动态聚焦扫描振镜系统的优化方法，其特征在于，所述步骤S2对于在动态聚焦镜的位置为
‑
2mm、0mm和+2mm处时，X轴振镜和Y轴振镜分别偏转0
°
、3
°
、5
°
、7
°
和10
°
的工作状态下的光线进行追迹，获得激光束在工作区域内的聚焦情况，通过约束追迹光线的聚焦位置来提升整个系统的成像质量和聚焦光斑的圆度。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的优化方法设计的动态聚焦扫描振镜系统的光路结构，其特征在于，包括动态聚焦模块、振镜模...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖荣诗，苏坤，黄婷，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：