[发明专利]同轴测温成像的激光聚焦系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型激光聚焦系统，特别是涉及一种同轴测温成像的激光聚焦系统。

背景技术

目前，光纤耦合激光器被广泛应用于工业焊接、切割、固化等领域，但是光纤直径一般比较小，光纤端面功率密度非常高，在工业加工环境下，如果光纤直接作用在被加工面上，光纤表面很容易被污染，导致光纤被烧毁；因此在工业应用场合，都会采用激光聚焦头，通过成像，使激光聚焦于聚焦头后一定距离，同时也能够对光纤起保护作用。工业加工中，为了观察被加工工件，往往需要成像光信号输出，加装电荷耦合器件(CCD)，进行检测甚至定位控制；同时有些被加工工件对温度较敏感，为了达到最好的加工效果，需要检测加工位置的实时加工温度，甚至通过探测被加工工件的温度结合温度反馈系统实时控制照射在工件表面的激光功率以达到控制加工实时温度的目的。一般情况下，聚焦头、CCD、温度测量系统是分立的，不仅体积大，而且调节精度也要求非常高。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，适应工业加工中实时观测和温度控制的需要，使光纤耦合激光器能够更广泛更稳定的应用于工业加工、制造等领域，本发明提供一种能够使激光聚焦系统实现同轴测温成像的功能、结构紧凑小巧、精度、稳定性、同一性得到根本性提高的同轴测温成像的激光聚焦系统。

为了实现上述目的本发明采用的技术方案是：根据激光、CCD成像、温度探测三个光路所采用的光波波长的不同，采用合束镜，实现同轴测温成像；三光路共用同一个聚焦镜，使CCD成像点、激光聚焦点、测温点重合；激光光路采用成像系统，成像系统内部采用先准直为平行光，再用聚焦镜聚焦的设计方式，使激光聚焦点光斑大小与激光出纤光斑大小的比例可控。此结构能够实现激光光路、CCD成像系统、测温光路等三个光路同轴。具体技术实施方案如下：

激光聚焦系统分为准直系统和聚焦系统，其中准直系统18由单个或多个镜片组构成，其作用是将从光纤4出来的发散激光准直为近似平行光；聚焦系统是聚焦镜10，此聚焦镜可以由单个或多个镜片组构成，其作用是将准直后的近似平行光聚焦到加工点14；

CCD成像系统由聚焦镜10、合束镜8、反射镜13和调节镜12组成，其作用是将加工点14的图像成像于CCD11接收平面；沿光轴17前后调节调节镜12，可以在CCD11接收平面形成清晰的加工点14的像；合束镜8位于激光光路光轴16和CCD成像光路光轴17上，将激光和可见光合为一束，实现激光和可见光的同轴传输；CCD可以以灰度显示在显示设备上，也可以以彩色显示显示在显示设备上；

测温光路由聚焦镜2、合束镜9、反射镜3和聚焦镜10组成，其作用将加工点14的温度光信号采集到温度探测器1上；沿光轴15前后调节聚焦镜2可以将温度光信号采集到温度探测器上；合束镜9位于激光光路光轴16、CCD成像光路光轴17和温度探测光路光轴15上，将激光、可见光和温度光信号合为一束，实现激光、可见光和温度光信号的同轴传输；温度光信号波长为中红外波段，范围包括但不限于2-15微米；温度探测器1测量温度可以使用基于温度光信号的辐射波长和温度的对应关系测量，也可基于温度光信号的辐射强度和温度的对应关系测量；

所有光学透镜2、10、12、18都可以是单透镜，也可以是组合透镜或多个透镜系统组成的等效透镜；

聚焦透镜10、合束镜9的材料必须是同时可以透过可见光、近红外和中红外的材料，比如ZnSe(硒化锌)等；

同轴测温成像的激光聚焦系统，可以保留激光聚焦、测温、CCD成像全部功能，也可以只保留其中的两个功能，例如激光聚焦和同轴测温、激光聚焦和同轴CCD成像以及测温和同轴CCD成像。

本发明所述的系统，其特征是在一定工作距离上，激光班点的大小可以通过调节组成激光准系统18的全部或部分透镜和光纤4端面的相对距离来实现。

本发明的有益效果是将激光传输、CCD成像和温度探测实现同轴传输，三个功能用同一套装置实现，整体体积小巧，适用于工业焊接、切割、固化等各种场合。

附图说明

图1所示为同轴测温成像的激光聚焦系统原理图，图中，1.温度探测器，2.聚焦镜，3.反射镜，4.光纤，5、6、7.球面镜，8.合束镜，9.合束镜，10.聚焦镜，11.电荷耦合器件(CCD)，12.调节镜，13.反射镜，14.加工点，15.探温光路光轴，16.激光光路光轴，17.CCD成像光路光轴，18.准直系统。

具体实施方式