内置冷却流道的光轴同心式连续动态聚焦装置

本申请是申请日为2023年3月16日、申请号为202310253579.1、名称为光轴同心且连续动态聚焦装置的分案申请。

技术领域

本发明属于激光振镜技术领域，具体涉及一种内置冷却流道的光轴同心式连续动态聚焦装置。

背景技术

振镜简单来讲是用在激光行业的一种扫描振镜，其专业名词叫做高速扫描振镜(也称为Galvo scanning system)。所谓振镜，又可以称之为电流表计，它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法，镜片取代了表针，而探头的信号由计算机控制的-5V～5V或-10V～10V的直流信号取代，以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同，这种典型的控制系统采用了一对折返镜，不同的是，驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代，在这套控制系统中，位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度，整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。

然而，在实际使用过程，会存在以下技术缺陷：

1)、镜片在高速的往复运动中，一旦所安装的镜座出现重心不稳，或者在运动中产生运动方向以外的惯量，致使镜片自身相对偏转，因此，直接影响同心的重合度，造成聚焦的精度低；

2)、常规的镜片设定行程后，无法进行扩展调节，造成使用存在很大的局限性；

3)、实际使用过程中，由于光学镜片及内部线路板等组件全部内置，导致各内置部件无法很好进行散热，直接导致光学热稳定性差、及动态聚焦的调整精度存在明显不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的内置冷却流道的光轴同心式连续动态聚焦装置。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种内置冷却流道的光轴同心式连续动态聚焦装置，其包括形成有激光输入通道的座体和动态聚焦模组，所述动态聚焦模组包括聚焦座、通过直线滑轨滑动安装在所述聚焦座上的镜座、轴心线与所述镜座滑动方向平行且安装于所述镜座上的聚焦镜片、驱动所述镜座往复运动的驱动器，其中座体内部还形成有相互连通且能够与所述动态聚焦模组进行热交换的流道，所述流道所形成的换热区域覆盖所述动态聚焦模组；所述直线滑轨的中心线、所述镜座的中心线、所述聚焦镜片的轴心线三者自上而下依次向所述聚焦座的中心靠近分布，且三者相互平行构成等腰三角形，其中所述镜座的中心线与所述直线滑轨的中心线之间的距离、及所述镜座的中心线与所述聚焦镜片的轴心线之间的距离分别构成等腰三角形的两条腰；所述镜座与所述驱动器的连接处的中心、所述镜座的中心、所述聚焦镜片的中心自上而下依次向所述聚焦座的中心靠近分布，且三者的中心位于同一平面上构成等腰三角形，其中所述镜座的中心与所述连接处的中心之间的距离、及所述镜座的中心与所述聚焦镜片的中心之间的距离分别构成等腰三角形的两条腰，聚焦镜片的轴心线与激光输入通道的中心线重合，动态聚焦模组还包括安装在所述座体上且调整所述聚焦镜片的轴心线与所述激光输入通道的中心线重合度的微调部件。

优选地，激光输入通道呈圆柱形，动态聚焦模组还包括拆装于激光输入通道中的镜筒、沿着镜筒长度方向且间隔分布在镜筒内的多个光学镜片，其中各光学镜片自周向面贴合在镜筒的内壁，且各光学镜片与聚焦镜片相互平行设置。在此，通过多个光学镜片之间消除像差，使得聚焦的精度更高。在本发明的一些具体和优选的实施方式中，光学镜片均为凸面镜，所述聚焦镜片为凹面镜。此设计，更有利于高精度聚焦。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，动态聚焦装置还包括与所述聚焦座配合且外端部自所述座体外侧穿出的调节螺杆、安装在所述座体内且保持抵触在所述调节螺杆的内端部以形成运动阻尼的阻尼部件，其中所述阻尼部件的弹性抵触力的方向为所述调节螺杆的轴向，所述调节螺杆旋转时，所述聚焦座沿着所述调节螺杆长度方向滑动移位。在此，通过阻尼部件产生的回弹力来消除调节螺杆运动所采用的运动间隙，并且在调节螺杆的旋转过程中具有良好的阻尼感，因此，不会因螺杆的运动所产生的震动而导致聚焦镜片的移位。

根据本发明的一个具体实施和优选方面，阻尼部件弹性抵触在所述调节螺杆的内端部，且弹性抵触力的方向为所述调节螺杆的轴向。在此，通过阻尼部件产生的回弹力来消除调节螺杆运动所采用的运动间隙，并且在调节螺杆的旋转过程中具有良好的阻尼感，因此，不会因螺杆的运动所产生的震动而导致聚焦镜片的移位。

在本发明的一些具体和优选的实施方式中，阻尼部件包括安装在座体上的缓冲座、自一端部与调节螺杆的内端部同轴且同步运动连接的接头，其中接头另一端部转动并沿着调节螺杆长度方向弹性安装在缓冲座上。不仅方便阻尼部件的安装，而且形成的轴向力完全消除螺杆运动中所采用的震动，改善聚焦的精度。

在一些具体实施方式中，调节螺杆延伸方向与所述聚焦镜片的轴心线方向平行设置，直线滑轨和所述调节螺杆位于所述聚焦座底部的相对两侧，其中所述直线滑轨包括固定在所述聚焦座底部的轨本体、滑动设置在所述轨本体上的架座，所述架座与所述镜座中心对齐且上下对接，所述直线滑轨的中心线为所述架座的中心线。在此，通过轨道的设计，便于聚焦座的直线运动以拓展聚焦镜片的行程，满足不同工况的使用之需要；同时，所采用上下左右的结构布局，使得整体结构更加紧凑。

在本发明的一些具体和优选的实施方式中，在座体内还设有与直线滑轨平行的导轨，聚焦座自上部安装于导轨中，且聚焦座相对导轨滑动。优选地，导轨有两个或三个(一般情况下两个效果最佳，且更加简单)，且导轨之间相互平行且间隔分布，其中导轨为交叉辊导轨(属于标准件)，且包括相互平行设置的左轨体和右轨体、位于左轨体和右轨体之间的保持架、及呈交叉式穿过所述保持架并分别滑动设置在左轨体和右轨体上的交叉辊，动态聚焦模组还包括安装在座体上且沿着垂直于导轨长度方向调整聚焦镜片的轴心线与激光输入通道的中心线重合度的微调部件。在此交叉辊导轨的布局下，不仅能够限制聚焦座在上下方向所产生的晃动，而且能够进行中心距离的微调(一般情况下0.1～0.9mm)，进一步控制同心度。

在一些具体实施方式中，导轨有两个，且位于座体的左右两侧，其中两个导轨相对外侧的左轨体和右轨体分别抵触在座体的内壁，两个导轨相对外侧的左轨体和右轨体分别与聚焦座固定，微调部件包括自座体左和/或右侧插入并与两个导轨相对外侧的左轨体和右轨体弹性抵触的调节件，其中通过调节件向内或向外的运动调整各导轨自身的左轨体和右轨体距离以进行聚焦座中心线位置的微调。

此外，驱动器包括安装在聚焦座上的驱动马达、用于将驱动马达的输出轴与镜座传动连接的传动杆件，其中传动杆件将输出轴的圆周运动转换成直线运动以驱使镜座沿着轨本体长度方向往复滑动。在此，十分稳定地完成镜片的往复运动。

在本发明的一些具体和优选的实施方式中，座体包括上下对接的上座体、下座体、形成激光输入通道的侧座体，其中下座体自顶部敞开形成下安装腔，上座体包括与下座体顶部敞开口配合且上下贯穿的围腔板、将围腔板顶部闭合的盖顶板，侧座体安装在上座体和下座体的一侧、且激光输入通道伸入下安装腔内。采用此结构的座体，不仅有利于组装，而且有利于整体结构的小型化。

优选地，侧座体贴合上座体和下座体的外侧，流道所形成的换热区域覆盖动态聚焦模组。因此，通过冷却流体的流道设计，接入冷却流体后可对动态聚焦模组(主要是光学镜片、驱动器等)进行散热，改善光学热稳定性及驱动器的驱动精度，同时也可以对上、下座体上所安装的其他模组(如：数据解析和传输模组)进行散热。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

现有动态聚焦装置的结构无法在高速往复运动中保持光轴同心、有效控制镜片轴向运动所产生的偏转惯量、无法进行各内置部件的散热等缺陷，而本发明通过对聚焦装置的结构进行整体设计巧妙地解决了现有结构的各种不足。采取该装置，由各中心线和各中心的布局，在镜片的高速往复运动中，能够控制轴向以外的偏转惯量，保持同心，而且在微调部件进行聚焦座中心线位置微调下，提高同心度，同时通过流道所形成的换热区域覆盖动态聚焦模组，从而有效进行热交换并带走热量，因此，与现有的结构相比，不仅能够控制镜片轴向以外的运动惯量并结合聚焦座中心线位置微调以保持光轴同心，而且采用流动式冷却流体进行热交换和流动快速带走热量，以提高光学热稳定性及动态聚焦的调整精度。

附图说明

图1为本发明的光轴同心且连续动态聚焦装置的结构示意图；

图2为图1的结构分解示意图(一)；

图3为图1的结构分解示意图(二)；

图4为图2中动态聚焦模组的局部结构放大示意图；

图5为图2中导轨结构放大示意图；

图6为图1的俯视示意图；

图7为图6中A-A向剖视示意图；

图8为图6中B-B向剖视示意图；

图9为图6中C-C向剖视示意图；

图10为图6中D-D向剖视示意图；

其中：1、座体；10、上座体；100、围腔板；101、盖顶板；11、下座体；110、下安装腔；12、侧座体；120、激光输入通道；121、流道；2、动态聚焦模组；20、聚焦座；200、上座；201、下座；e、导轨；e1、左轨体；e2、右轨体；e3、保持架；e4、交叉辊；21、聚焦镜片；22、驱动器；220、驱动马达；221、传动杆件；g1、第一杆；g2、第二杆；23、调节螺杆；24、阻尼部件；240、缓冲座；241、接头；25、调整部件；250、调节螺栓；26、镜筒；27、光学镜片；29、连接座；2a、镜座；2b、直线滑轨；b1、轨本体；b2、架座；3、数据解析和传输模组；30、线路板；31、数据处理模块；32、数据传输接头；E、连接处的中心；F、镜座的中心；G、聚焦镜片的中心。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1至图10所示，本实施涉及的光轴同心且连续动态聚焦装置，其主要包括座体1、动态聚焦模组2、数据解析和传输模组3，其中座体1包括上下对接的上座体10、下座体11、形成激光输入通道120的侧座体12，其中下座体11自顶部敞开形成下安装腔110，上座体10包括与下座体11顶部敞开口配合且上下贯穿的围腔板100、将围腔板100顶部闭合的盖顶板101，侧座体12安装在上座体10和下座体11的前侧、且激光输入通道120伸入下安装腔110内，同时侧座体12内部还形成有相互连通且能够与动态聚焦模组2和数据解析和传输模组3进行热交换的流道121。

本例中，动态聚焦模组2包括聚焦座20、镜座2a、聚焦镜片21、直线滑轨2b、驱动器22、与聚焦座20配合且外端部自下座体11外侧穿出的调节螺杆23、安装在下座体11内且保持抵触在调节螺杆23的内端部以形成运动阻尼的阻尼部件24、安装在围腔板100上且沿着垂直于调节螺杆23长度方向调整聚焦镜片21的轴心线与激光输入通道120的中心线重合度的调整部件25、拆装于激光输入通道120中的镜筒26、沿着镜筒26长度方向且间隔分布在镜筒26内的多个光学镜片27。

在图2、图3和图5中，围腔板100内部形成有延伸方向与调节螺杆23长度方向一致的导轨e，其中导轨e的个数可以2个或3个或4个，最佳的，导轨e为两个，不仅满足直线滑动需要，而且简化结构。聚焦座20包括与导轨e配合的上座200、位于上座200底部的下座201。

本例中，导轨e有两个，且位于围腔板100的左右两侧，其中导轨e为交叉辊导轨(属于标准件)，且包括相互平行设置的左轨体e1和右轨体e2、位于左轨体e1和右轨体e2之间的保持架e3、及呈交叉式穿过保持架e3并分别滑动设置在左轨体e1和右轨体e2上的交叉辊e4，其中两个导轨e相对外侧的左轨体e1和右轨体e2分别抵触在围腔板100的内壁，两个导轨e相对外侧的左轨体e1和右轨体e2分别与上座200固定。微调部件25包括自围腔板100左侧(右侧或者左右两侧都可以)插入并与两个导轨e相对外侧的左轨体e1和右轨体e2弹性抵触的调节件250，其中通过调节件250向内或向外的运动调整各导轨自身的左轨体e1和右轨体e2距离以进行聚焦座20中心线位置的微调，一般情况下0.1～0.9mm的调整量，避免安装后出现同心度偏差，进而有效控制同心度。具体的，调节件250为常规的螺栓件，同时，考虑抵触效果，也可以设计为螺栓件和弹簧组合式弹性抵触。

在图2、图3和图4中，直线滑轨2b和调节螺杆23位于下座201底部的相对两侧，其中直线滑轨2b包括固定在下座201底部的轨本体b1、滑动设置在轨本体b1上的架座b2，架座b2与镜座2a中心对齐且上下对接，直线滑轨2b的中心线为架座b2的中心线，同时，架座b2的中心线、镜座2a的中心线、聚焦镜片21的中心线(或者轴心线)三者相互平行所构成的三角形为等腰三角形，其中镜座2a的中心线与架座b2的中心线之间形成距离、及镜座2a的中心线与聚焦镜片21的中心线之间的距离分别构成等腰三角形的两条腰，且镜座2a与驱动器22的连接处的中心E、镜座的中心F、聚焦镜片的中心G三者构成等腰三角形，其中镜座的中心F与连接处的中心E之间的距离、及镜座的中心F与聚焦镜片的中心G之间的距离分别构成等腰三角形的两条腰，在本例中，连接处的中心E、镜座的中心F、聚焦镜片的中心G自上而下依次向聚焦座20的中心靠近分布，且三者的中心位于同一平面上(此处，需要强调说明的是：在往复运动方向的所形成的惯量保持相对均匀，从而更稳定实施高速往复运动，提高同心度)。

本例中，驱动器22包括安装在聚焦座20上的驱动马达220、用于将驱动马达220的输出轴与镜座2a传动连接的传动杆件221，其中传动杆件221将输出轴的圆周运动转换成直线运动以驱使镜座2a沿着轨本体b1长度方向往复滑动，本例中，传动杆件221包括与输出轴同步连接且沿着输出轴径向延伸的第一杆g1、两端部分别与第一杆g1和镜座2a转动连接的第二杆g2，其中在第一杆g1和第二杆g2同步运动中，推着镜座2a沿着轨本体b1往复运动。

本例中，在下座201的底部还设有连接座29，调节螺杆23通过转动轴承安装于下座体11上，且调节螺杆23的内端部伸入下安装腔110，外端部穿出下座体11的后侧，其中在下座体11后侧还设有便于调节螺杆23外端部转动调节的操作缺口，调节螺杆23的螺纹部分与连接座29相配合，因此，在调节螺杆23的转动中，驱使连接座29沿着调节螺杆23长度方向运动以改变聚焦镜片21行程位置。阻尼部件24弹性抵触在调节螺杆23的内端部，且弹性抵触力的方向为调节螺杆23的轴向。本例中，阻尼部件24包括安装在下座体11上的缓冲座240、自一端部与调节螺杆23的内端部同轴且同步运动连接的接头241，其中接头241另一端部转动并沿着调节螺杆23长度方向弹性安装在缓冲座240上。

此外，激光输入通道120呈圆柱形，镜筒26呈与激光输入通道120匹配安装的圆柱形，且镜筒26的前端部安装在侧座体12上、后端部伸入下安装腔110内。光学镜片27自周向面贴合在镜筒26的内壁，且光学镜片27与聚焦镜片21相互平行设置。在一些具体实施例中，光学镜片27沿着镜筒26长度方向可以分布有两个、三个或四个，其中光学镜片27为凸面镜，聚焦镜片21为凹面镜，且在多个光学镜片27的平行且同心设置下，有效地消除像差，进一步提升聚焦的精度。

数据解析和传输模组3包括设置在围腔板100内的线路板30、数据处理模块31、与线路板30连通且自盖顶板101顶部穿出的数据传输接头32。本例中，数据解析和传输模组3等结构属于常规设计，而且直接外购获得。

由上可见，采取该装置，由各中心线和各中心的布局，在镜片的高速往复运动中，能够控制轴向以外的偏转惯量，保持同心，而且在调节螺杆的转动下，实现聚焦座直线运动以拓展镜片的行程，同时由阻尼部件消除调节螺杆旋转中所产生的运动间隙，避免镜片震动而产生偏移，提高聚焦精度，而且在往复运动方向的所形成的惯量保持相对均匀，因此，与现有的结构相比，一方面，不仅能够控制镜片轴向以外的运动惯量以保持光轴同心，而且能够在扩展镜片行程的同时消除所产生的运动间隙，提高连续动态聚焦的精度；另一方面，通过交叉辊式导轨的滑动导向，不仅限制聚焦座在上下方向所产生的晃动，而且能够进行中心距离的微调，进一步控制同心度；第三方面，通过流道的设计，能够进行内部零件进行有效散热，改善光学热稳定性及驱动器的驱动精度，进一步提高动态聚焦的精度。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。