光学学报, 2019, 39 (2): 0222001, 网络出版: 2019-05-10   

变斑变焦激光切割光学系统的设计 下载: 1489次

Design of Variable Spot and Zoom Optical System for Laser Cutting
葛佳琪 1,2,*秦应雄 1,2,*刘晓东 1,2唐霞辉 1,2
作者单位
1 华中科技大学光学与电子信息学院激光加工国家工程研究中心, 湖北 武汉 430074
2 深圳华中科技大学研究院, 广东 深圳 518057
图 & 表

图 1. 两镜组激光切割系统

Fig. 1. Laser cutting system with two lens

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图 2. 变焦扩束系统

Fig. 2. Zoom beam expander system

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图 3. 五镜组激光变斑变焦系统

Fig. 3. Variable spot and zoom laser system with five lens

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图 4. 四镜组激光变斑变焦系统

Fig. 4. Variable spot and zoom laser system with four lens

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图 5. 扩束系统的原理

Fig. 5. Principle of beam expander system

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图 6. 变焦镜组和补偿镜组在光轴上的运动轨迹

Fig. 6. Geometric locus of zoom group and compensated group

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图 7. MATLAB软件仿真结果

Fig. 7. Simulation results with MATLAB software

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图 8. 焦斑处细节放大图

Fig. 8. Amplification diagram of focal spot

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图 9. 焦点移动距离随补偿镜组移动距离的变化

Fig. 9. Change of focal movement distance with the movement distance of compensated group

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图 10. 不同放大倍率时的光学系统、聚焦面光斑与波像差

Fig. 10. Optical system, focusing surface spot, and wavefront aberration with different magnifications

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表 1变焦镜组移动时各项数据的变化

Table1. Change of all items when zoom group is moved

d1d2f'12M
0<d1<f'1+f'2,d1d2<f'3,d2f'12<0, |f'12|↑
f'1+f2'<d1<f'1,d1d2>f'3,d2f'12>0,|f'12|↓
d1=f'1d2=f'3f'12=f'1M=|f'3/f'1|
f'1+f'2-d1<f'2 ,d1d2<f'3,d2f'12>0 ,|f'12|↓

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表 2不同放大倍率时d1和d2的值

Table2. Values of d1 and d2 with different magnifications

Mkd1 /mmd2 /mm
0.43.75064.5317.00
0.62.50060.8052.00
0.81.87557.0769.00
1.01.50053.3380.07
1.21.25049.6087.00
1.41.07045.8792.00
1.51.00044.0094.00

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表 3不同放大倍率时变焦镜组和补偿镜组的坐标位置

Table3. Coordinate positions of zoom group and compensated group with different magnifications

MkCoordinate position /mm
Zoom groupCompensated group
0.43.750164.53181.53
0.62.500160.80212.80
0.81.875157.07226.07
1.01.500153.33233.40
1.21.250149.60236.60
1.41.070145.87237.87
1.51.000144.00238.00

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表 4利用Zemax软件设计的固定镜组的参数

Table4. Parameters of fixed group calculated by Zemax software

ItemSurface typeRadius /mmThickness /mmGlass materialConic coefficient
OBJStandardInfinityInfinity0
STOStandard107.353.00Silica0
2Standard-85.811.000
3Standard39.173.00Silica-0.94
4Standard518.9847.330
IMAStandardInfinity0

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表 5利用Zemax软件设计的变焦镜组的参数

Table5. Parameters of zoom group calculated by Zemax magnification

ItemSurface typeRadius /mmThickness /mmGlass materialConic coefficient
OBJStandardInfinityInfinity0
STOStandard2.94×1072.00Silica0
2Standard13.04-29.00-2.10
IMAStandardInfinity0

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表 6利用Zemax软件设计的补偿镜组和聚焦透镜的参数

Table6. Parameters of compensated group and focusing lens calculated by Zemax magnification

ItemSurface typeRadius /mmThickness /mmGlass materialConic coefficient
OBJStandardInfinityInfinity0
STOStandard98.945Silica0
2Standard58.3421.86
3Standard38.685Silica0
4Standard240.661440
IMAStandardInfinity0

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表 7优化后的系统结构参数

Table7. Parameters of system after optimization

ItemSurface typeRadius /mmThickness /mmGlass materialConic coefficient
OBJStandardInfinityInfinity0
STOStandard107.353.00Silica0
2Standard-85.811.000
3Standard39.173.00Silica-0.94
4Standard518.9839.380
5Standard-45.682.00Silica-22.44
6Standard17.4387.120
7Standard703.055.00Silica0
8Standard95.622.000
9Standard76.595.00Silica0
10Standard-94.7525.000
11Standard98.945.00Silica0
12Standard58.392.001.86
13Standard38.685.00Silica0
14Standard240.66144.010
IMAStandardInfinity0

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表 8优化后不同放大倍率下计算得到的d1和d2的值

Table8. Values of d1 and d2 calculated at different magnification after optimization

Mkd1/mmd2/mm
0.43.75060.2711.17
0.62.50055.7550.26
0.81.87550.2870.42
1.01.50045.3480.07
1.21.25042.1084.33
1.41.07040.0886.45
1.51.00039.3887.12

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表 9系统的公差参数

Table9. Tolerance parameters of this system

Front R /mmBack R /mmThickness /mmDecenter X /mmDecenter Y /mmTilt XTilt Y
±0.15±0.15±0.15±0.15±0.15±0.1±0.1

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葛佳琪, 秦应雄, 刘晓东, 唐霞辉. 变斑变焦激光切割光学系统的设计[J]. 光学学报, 2019, 39(2): 0222001. Jiaqi Ge, Yingxiong Qin, Xiaodong Liu, Xiahui Tang. Design of Variable Spot and Zoom Optical System for Laser Cutting[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(2): 0222001.

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