激光加工头的成像系统及具有其的激光加工设备的制作方法

本实用新型涉及激光加工领域，具体而言，涉及一种激光加工头的成像系统及具有其的激光加工设备。

背景技术：

激光加工技术是指利用激光束与物质相互作用的特性，对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工设备一般由光路系统、成像系统、运动系统等组成，其中成像系统可以在加工过程中对待雕刻工件的表面进行成像，通过软件算法实现图像中特征点位置的计算，达到对工件的视觉定位以及对工件表面质量的在线监控。

现有技术中，激光加工头的成像系统为后置同轴成像系统。后置同轴成像系统中，成像光线需依次穿过场镜、合束镜、成像物镜，最终到达相机成像。此方法的缺点是图像易受场镜设计参数的影响，图像容易产生畸变，进而影响图像的真实性与激光加工的准确性。以上也就是说，现有技术的成像系统中存在因成像质量较差，从而导致激光加工不够准确的问题。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种激光加工头的成像系统及具有其的激光加工设备，以解决现有技术中因成像质量较差，从而导致激光加工不够准确的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种激光加工头的成像系统，成像系统包括：合束镜，与待加工工件的表面之间具有夹角α；场镜，场镜与合束镜自上而下设置；光源发射部，位于待加工工件和合束镜之间；成像部，光源发射部发射的光沿垂直于待加工工件的表面反射后形成成像光，成像光经合束镜反射后到达成像部。

进一步地，合束镜具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面朝向场镜，第二表面朝向待加工工件，其中，第一表面上设有激光增透膜；或者，第二表面上设有激光增透膜；或者，第一表面和第二表面上均设有激光增透膜；第二表面上设有成像光增反膜以使合束镜反射成像光。

进一步地，夹角α大于0°且小于等于90°。

进一步地，光源发射部上设有用于使激光和成像光透过的通孔。

进一步地，成像部包括成像镜头和与成像镜头连接的相机，经合束镜反射后的成像光穿过成像镜头后在相机处形成图像。

进一步地，成像系统还包括外壳，外壳具有内腔和与内腔连通的第一开口，场镜和合束镜均位于内腔中，成像部和光源发射部均位于外壳的外部。

进一步地，成像系统还包括设置在第一开口处的透明板，透明板位于合束镜和光源发射部之间。

进一步地，透明板具有相对设置的透明板第一表面和透明板第二表面，透明板第一表面朝向合束镜，透明板第二表面朝向光源发射部，其中，透明板第一表面上设有激光增透膜和/或成像光增透膜；或者，透明板第二表面上设有激光增透膜和/或成像光增透膜；或者，透明板第一表面和透明板第二表面上均设有激光增透膜和/或成像光增透膜。

进一步地，成像系统还包括振镜，沿激光的传播方向，振镜与场镜依次设置，振镜位于外壳的外部。

进一步地，外壳还具有与内腔连通的第二开口，第二开口开设在外壳的与合束镜相对应的侧壁上，成像系统还包括位于第二开口处的第一盖板，第一盖板与外壳可拆卸地连接。

进一步地，外壳还具有与内腔连通的第三开口，第三开口开设在外壳的与合束镜相对应的侧壁上，成像系统还包括位于第三开口处的第二盖板，第二盖板与外壳可拆卸地连接。

进一步地，第二开口和第三开口相对于外壳的中心线对称设置。

根据本实用新型的另一方面，提供了一种激光加工设备，激光加工设备包括激光加工头和用于发射激光的激光发射部，激光发射部发射的激光通过激光加工头对待加工工件进行激光加工，激光加工头包括上述的成像系统。

进一步地，激光依次透过场镜和合束镜并穿过光源发射部后照射到待加工工件的表面上。

应用本实用新型的技术方案，成像光经过合束镜的反射后即可到达成像部，而无需像现有技术中那样要依次经过场镜、合束镜等部件，这样，成像光在到达成像部处的中间环节较少，且合束镜的反射只改变了成像光的光路方向，对成像光的成像影响较小，因此，能够在成像部形成比较真实、畸变小的图像，成像质量较高，从而有利于成像系统对待加工工件的观察和对图像的捕捉，提高了激光加工的精准性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本实用新型的激光加工头的成像系统的实施例的光路示意图；

图2示出了根据本实用新型的激光加工头的成像系统的实施例的主视结构示意图；以及

图3示出了根据本实用新型的激光加工头的成像系统的实施例的后视结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、激光；20、待加工工件；30、合束镜；40、光源发射部；41、成像光；50、成像部；51、成像镜头；52、相机；60、场镜；70、振镜；80、透明板；90、外壳；100、第一盖板；110、第二盖板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本实用新型中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本实用新型。

为了解决现有技术中的激光加工头的成像系统获得的图像畸变较大、图像的真实性低的问题，本实用新型及本实用新型的实施例提供了一种激光加工头的成像系统。

如图1所示，本实用新型的实施例中，激光加工头的成像系统包括合束镜30、场镜60、光源发射部40和成像部50，其中，合束镜30与待加工工件20的表面之间具有夹角α，沿激光10的传播方向，场镜60与合束镜30依次设置，场镜60用于对激光10进行聚焦，光源发射部40位于待加工工件20和合束镜30之间，激光10依次透过场镜60和合束镜30并穿过光源发射部40后照射到待加工工件20的表面上，光源发射部40发射的光沿垂直于待加工工件20的表面反射后形成成像光41，成像光41经合束镜30反射后到达成像部50。

上述技术方案中，光源发射部40发射的光照射到待加工工件20的表面上并经待加工工件20的表面反射，经待加工工件20的表面反射的光的一部分形成成像光41，成像光41垂直于待加工工件20的表面并朝向远离待加工工件20的表面的方向传播，成像光41传播至合束镜30处，经合束镜30反射后改变其光路的传播方向，成像部50用于捕捉经合束镜30反射后的成像光41，经合束镜30反射后的成像光41在成像部50处形成图像。以上也就是说，垂直于待加工工件20的表面的成像光41经过合束镜30反射后到达成像部50成像。

具体地，成像部50直接捕捉从待加工工件20的表面反射的成像光41，合束镜30的反射只改变了成像光41的光路方向，对成像光41的成像影响较小，而且成像光41无需像现有技术中那样经过场镜，成像光41到达成像部50处的中间环节少，成像光41在到达成像部50处的过程中受到的影响较小，有利于成像部50对图像的捕捉，因此，成像光41不受场镜设计参数的影响，成像光41在成像部50处形成的图像能够真实的反映待加工工件20的表面的加工情况，图像畸变小，成像质量较高，有利于成像系统对待加工工件20的观察和对图像的捕捉，从而能够提高激光加工精度。

以上也就是说，与现有技术中的后置同轴成像系统不同，本申请的成像系统中，从待加工工件20的表面反射后的成像光41依次经过合束镜30、成像镜头51到达相机52，成像光41不经过场镜60，不会受场镜60的设计参数的影响，因此，更换场镜60不会影响成像质量，区别于现有技术中的后置同轴成像系统，本申请的成像系统可称之为前置成像系统。

现有技术中，还有一种旁轴成像系统，在旁轴成像系统中，成像光线与待加工工件表面之间的夹角小于90°，成像部相对于待加工工件倾斜设置，这样，形成的图像为斜面，不能真实的反映工件的表面状况。而本申请中，如图1所示，成像光41是垂直于待加工工件20的，且成像光41在被合束镜30反射之前的光路与激光10的传播路径是平行的，成像部50捕捉垂直于待加工工件20的成像光41，这样，在成像部50处形成的图像能够准确的呈现待加工工件20的表面的加工情况，有利于成像系统对待加工工件20的观察，从而有助于提高激光加工精度。

可选地，本实用新型的实施例中，合束镜30具有相对设置的第一表面和第二表面，第一表面朝向场镜60，第二表面朝向待加工工件20，其中第一表面和第二表面上均镀有激光增透膜，且第二表面上还镀有成像光增反膜以使合束镜30反射成像光41。

通过上述设置，合束镜30的第一表面和第二表面上均镀有激光增透膜，能够增加合束镜30的第一表面和第二表面对激光10的透射效果，使激光10更容易透过合束镜30；同时合束镜30的第二表面上还镀有成像光增反膜，这样可以增加合束镜30的第二表面对成像光41的反射效果，增加成像光41在合束镜30的第二表面上的反射强度，从而使成像光41在成像部50处的成像更清晰。

当然，在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要仅在合束镜30的第一表面上增设激光增透膜；或者，仅在合束镜30的第二表面上增设激光增透膜。

本实用新型及本实用新型的实施例中，夹角α大于0°且小于等于90°。优选地，如图1所示，本实用新型的实施例中，夹角α为45°。

即合束镜30与待加工工件20的表面呈45°设置，通过上述设置，经合束镜30反射后的成像光41的传播方向平行于待加工工件20的表面，待加工工件20的表面反射的成像光41经过上述合束镜30反射后进入成像部50。

成像部50的布置角度随合束镜30的布置角度的改变而改变，由上可知，当合束镜30与待加工工件20的表面之间的夹角α为45°时，经合束镜30反射后的成像光41的传播方向平行于待加工工件20的表面，如此，有利于成像部50在成像系统中的位置的确定，并且此时成像光41在成像部50处形成的图像也最为清晰、真实，且畸变小。

当然，在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要将夹角α设置为0°～90°内的任一值。

可选地，本实用新型的实施例中，光源发射部40上设有用于使激光10和成像光41透过的通孔。

本实用新型的实施例中，激光10在场镜60处聚焦，聚焦后的激光10透射过合束镜30后向待加工工件20的表面传播，在此过程中，激光10穿过光源发射部40上设置的用于透过激光10的通孔，激光10到达待加工工件20的表面对待加工工件20进行加工；光源发射部40位于待加工工件20和合束镜30之间，垂直于待加工工件20的表面反射的光线形成成像光41，光源发射部40上设置通孔用于透过成像光41。

进一步地，光源发射部40为环形结构，光源发射部40具有中空部以使激光10和成像光41通过，环形结构的光源发射部40能够提供光线亮度分布均匀的光。

当然，在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要，使用激光灯作为光源发射部40。

可选地，如图1至图3所示，本实用新型的实施例中，成像部50包括成像镜头51和与成像镜头51连接的相机52，经合束镜30反射后的成像光41穿过成像镜头51后在相机52处形成图像。

本实用新型的实施例中，合束镜30与待加工工件20的表面之间的夹角α为45°，经合束镜30反射后，成像光41的传播方向平行于待加工工件20的表面，沿合束镜30反射后的成像光41的传播方向，成像镜头51和相机52依次设置，成像镜头51与相机52平行于待加工工件20的表面设置。

可选地，如图2和图3所示，本实用新型的实施例中，成像系统还包括外壳90，外壳90具有内腔和与内腔连通的第一开口，场镜60和合束镜30均位于内腔中，成像部50和光源发射部40均位于外壳90的外部。

上述设置中，外壳90用于容纳、保护场镜60和合束镜30，避免场镜60和合束镜30受到损伤。

可选地，如图1所示，本实用新型的实施例中，成像系统还包括设置在第一开口处的透明板80，透明板80位于合束镜30和光源发射部40之间。

具体地，透明板80设置在外壳90的第一开口处，透明板80和外壳90的第一开口形成窗口，沿激光10的传播方向，场镜60、合束镜30和透明板80依次设置，按照图1所示，从上至下，场镜60、合束镜30和透明板80依次设置在外壳90的内腔中，光源发射部40设置在外壳90的底部，方便对待加工工件20进行照明。

通过上述设置，一方面激光10和成像光41能够透过透明板80，另一方面利用透明板80可以使外壳90的内腔处于一个相对密封的状态，从而保护位于内腔中的合束镜30和场镜60，防止灰尘等进入外壳90的内腔而污染光学器件。

可选地，透明板80为玻璃。

当然，在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要将光源发射部40布置在外壳90的内腔中，此时，沿激光10的传播方向，场镜60、合束镜30、光源发射部40和透明板80依次设置。

可选地，本实用新型的实施例中，透明板80具有相对设置的透明板第一表面和透明板第二表面，透明板第一表面朝向合束镜30，透明板第二表面朝向光源发射部40，其中，透明板第一表面和透明板第二表面上均镀有激光增透膜和成像光增透膜。

具体地，沿激光10的传播方向，场镜60、合束镜30、透明板80和光源发射部40依次设置，成像光41依次穿过光源发射部40、透明板80后在合束镜30处发生反射，从而可以改变成像光41的传播方向，由上可知，激光10和成像光41均需透射过透明板80，透明板第一表面和透明板第二表面上均镀有激光增透膜和成像光增透膜，能够增加透明板80的透明板第一表面和透明板第二表面对激光10和成像光41的透射效果，使激光10和成像光41更容易透过透明板80。

当然，在本申请的附图未示出的替代实施例中，还可以根据实际需要仅在透明板第一表面上增设激光增透膜和/或成像光增透膜；或者，仅在透明板第二表面上增设激光增透膜和/或成像光增透膜；或者，在透明板第一表面和透明板第二表面上均增设激光增透膜或成像光增透膜。

可选地，如图1至图3所示，本实用新型的实施例中，成像系统还包括振镜70，外壳90还具有与内腔连通的第四开口，振镜70固定连接在外壳90的第四开口处，振镜70位于外壳90的外部，沿激光10的传播方向，振镜70与场镜60依次设置。

具体地，第四开口设置在外壳90的顶部，且第四开口与内腔连通，振镜70在第四开口处与外壳90固定连接，振镜70位于外壳90的上方，振镜70与场镜60沿激光10的传播方向依次设置。

通过上述设置，激光发射部发射出的激光10依次经过振镜70偏转与场镜60聚焦，然后依次经过合束镜30、透明板80和光源发射部40，最后到达待加工工件20的表面对待加工工件20进行加工，其中，振镜70通过镜片偏转来调整激光10按照规划的路线对待加工工件20进行激光加工。

可选地，如图2所示，本实用新型的实施例中，外壳90还具有与内腔连通的第二开口，第二开口开设在外壳90的与合束镜30相对应的前端侧壁上，成像系统还包括位于第二开口处的第一盖板100，第一盖板100与外壳90通过螺栓固定连接。

具体地，第二开口设置在外壳90的前端侧壁上，且第二开口与内腔连通，第二开口与位于外壳90的内腔中的合束镜30相对应设置，第一盖板100设置在第二开口处，且第一盖板100通过螺栓固定在外壳90的前方，取下第一盖板100后，通过第二开口方便操作人员对位于外壳90的内腔中的合束镜30的角度进行调整。

可选地，如图3所示，本实用新型的实施例中，外壳90还具有与内腔连通的第三开口，第三开口开设在外壳90的与合束镜30相对应的侧壁上，成像系统还包括位于第三开口处的第二盖板110，第二盖板110与外壳90通过螺栓固定连接。

具体地，第三开口设置在外壳90的后端侧壁上，且第三开口与内腔连通，第三开口与位于外壳90的内腔中的合束镜30相对应设置，第二盖板110设置在第三开口处，且通过螺栓固定在外壳90的后方，取下第二盖板110后，通过第三开口，方便操作人员对位于外壳90的内腔中的合束镜30的角度进行调整。

可选地，本实用新型的实施例中，第二开口和第三开口相对于外壳90的中心线对称设置。

本实用新型及本实用新型的实施例中，还提供了一种激光加工设备，该激光加工设备包括激光加工头和用于发射激光10的激光发射部，激光发射部发射的激光10通过激光加工头对待加工工件20进行激光加工，该激光加工头包括上述的成像系统。由于激光加工设备包括本申请的成像系统，所以激光加工设备也具有本申请的激光加工头的成像系统的上述优点，此处不再赘述。

下面，结合图1详细说明本实用新型的激光加工过程和成像过程：

激光发射部发射出的激光10依次经过振镜70和场镜60，通过振镜70的偏转调整以及场镜60的聚焦后，接着，上述激光10依次透过合束镜30和透明板80；然后，透过合束镜30和透明板80的激光10穿过光源发射部40上的通孔后，到达待加工工件20的表面，从而能够对待加工工件20进行激光加工；同时，光源发射部40发射的光线照射到待加工工件20的表面，经待加工工件20的表面反射后，垂直于待加工工件20的表面反射的光形成成像光41，成像光41穿过光源发射部40上的通孔向远离待加工工件20的表面的方向传播，成像光41透过窗口在合束镜30处被反射，经合束镜30反射的成像光41穿过成像镜头51后最终在相机52处成像。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：光源发射部发射的光在待加工工件的表面垂直反射形成的成像光，穿过光源发射部上的通孔传播至合束镜，经合束镜反射后的成像光穿过成像镜头在相机处成像。由上可知，从待加工工件的表面反射后的成像光依次经过合束镜、成像镜头到达相机，成像光不经过场镜，不会受场镜的设计参数的影响，因此，更换场镜不会影响成像质量，成像部直接捕捉从待加工工件的表面反射的成像光，合束镜的反射只改变了成像光的光路方向，对成像光的成像影响较小，而且成像光无需像现有技术中那样经过场镜，成像光到达成像部处的中间环节少，成像光在到达成像部处的过程中受到的影响较小，有利于成像部对图像的捕捉，因此，成像光不受场镜设计参数的影响，成像光在成像部处形成的图像能够真实的反映待加工工件的表面的加工情况，图像畸变小，成像质量较高，有利于成像系统对待加工工件的观察和对图像的捕捉，从而能够提高激光加工精度；成像光是垂直于待加工工件的，成像部捕捉垂直于待加工工件的成像光，这样，在成像部处形成的图像能够准确的呈现待加工工件的表面的加工情况，有利于成像系统对待加工工件的观察，从而有助于提高激光加工精度。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。