CN103056517A - 一种三维激光清洗装置 - Google Patents

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沈全
邵祥松
宣婷
张罗
王浩
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Abstract

本发明公开了一种激光三维清洗装置，包括含指示红光的脉冲激光器及其控制***、扩束准直光学***、二维光学扫描振镜及其控制器、聚焦位置调节器、位移控制器，其中聚焦位置调节器包含聚焦透镜、滤波器、显微成像透镜、CCD和处理器，所述聚焦透镜和显微成像透镜固定在一起，激光器自带指示红光在样品上的反射光成像于CCD，显微成像透镜前后移动，寻找到对比度最高边缘最清晰的位置，即为聚焦透镜焦点位置，聚焦透镜和二维扫描振镜一起构成三维清洗装置。本发明装置充分利用了现有的基于光学振镜扫描***的二维激光清洗设备，且清洗前无需事先设定清洗材料表面形状，应用范围广，具有结构简单、稳定性好、易于调试等优点。

Description

一种三维激光清洗装置
技术领域
本发明属于激光清洗领域，尤其涉及一种基于光学二维扫描振镜和可根据被清洗材料表面形状自动调节的三维激光清洗装置。
技术背景
激光清洗是一种新型的绿色清洗方式，能够清洗各种材料表面各种类型的污染物，它具有方便实现远距离和自动化操作等优点。目前激光清洗装置基本都是针对平面结构，采用光学振镜扫描***实现二维清洗。光学振镜扫描***的工作原理是将激光器输出的激光准直后由两个扫描振镜控制x轴方向和y轴方向运动，再由聚焦透镜会聚到材料表面。这种***具有输出力矩大、转动惯量小、速度快、精度高以及运行稳定等特点，因此广泛应用于很多材料的激光清洗领域。但是在实际应用场合，被清洗的材料表面很多情况下不为平面，而是有一定变化的曲线，因此这种二维光学扫描振镜不能完全满足实际需求，有必要在二维振镜扫描激光清洗装置基础上设计三维的扫描激光清洗装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维激光清洗装置，该装置基于二维光学振镜扫描***，实现了激光清洗过程中x、y、z三个方向的调整，实现了材料表面的三维清洗。
本发明的技术方案是：一种激光三维清洗装置，包括脉冲激光器及控制***、扩束准直光学***、第一扫描振镜、第一扫描振镜控制器、第二扫描振镜、第二扫描振镜控制器、聚焦透镜、聚焦位置调节器和位移控制器，其中聚焦位置调节器包含滤波器、显微成像透镜、 CCD和处理器。所述脉冲激光器及控制***带有指示红光，扩束准直光学***将激光器发出的激光扩束准直成平行光。
所述第一扫描振镜和第一扫描振镜控制器控制激光束x方向移动，所述第二扫描振镜和第二扫描振镜控制器控制激光束y方向移动，组成二维扫描振镜***。所述聚焦透镜控制激光束z方向移动，聚焦透镜中心轴与二维扫描振镜中心轴重合。
所述滤波器、显微成像透镜、 CCD、处理器和位移控制器组成自动调焦***，其中滤波器、显微成像透镜和CCD的中心在同一光轴上，所述光轴在自动对焦时与二维扫描振镜中心轴相交于显微成像透镜的中心，并成一个微小的角度θ，θ由二维扫描振镜的扫描范围决定，保证让指示红光通过，且能将指示红光在样品上的反射光能成像于CCD靠近中心的位置上，实验证明θ取值范围10°～20°为宜。
所述显微成像透镜的位置在进行清洗前固定在指示红光在CCD上成的像对比度最高，且边缘最清晰处。所述聚焦透镜固定在聚焦调节器上，且所述聚焦透镜和显微成像透镜相对位置固定，所述位移控制器控制聚焦调节器沿z方向移动。。
在进行激光清洗时，清洗用平行激光束经二维扫描振镜和聚焦透镜聚焦于材料表面。清洗完成后激光器发出指示红光，聚焦透镜移出，自动对焦***移入，指示红光在样品上的反射光成像于CCD上，当样品位于显微成像透镜焦点位置时，成的像画面最清晰，对比度最高，且边缘最清晰；当样品远离焦点位置时，对比度下降，边缘模糊，此时显微成像透镜前后移动，寻找到对比度最高边缘最清晰的位置停止，完成对焦。由于聚焦透镜和显微成像透镜固定在一起，因此聚焦透镜和样品也相距焦距的位置。对焦完成后，激光器重新发出清洗激光，再次开始清洗。
本发明在常用的基于光学振镜扫描***的二维激光清洗装置基础上，利用激光器自带的指示红光，当指示红光在样品上的反射光通过自动聚焦***成像时，调节对比度最高和边缘最清洗的位置完成z轴聚焦，从而实现了激光三维清洗。这种装置充分利用了现有的设备，且清洗前无需事先设定清洗材料表面形状，应用范围广，结构简单、稳定性好、易于调试等优点。
附图说明
图1激光三维清洗装置图；
图2自动调焦装置图；
其中：1脉冲激光器及控制***；2扩束准直光学***；3清洗用平行激光束；4第一扫描振镜；5第一扫描振镜控制器； 6第二扫描振镜；7第二扫描振镜控制器；8聚焦透镜； 9聚焦位置调节器；10位移控制器；11样品；12指示红光；13滤波器；14显微成像透镜；15 CCD；16处理器。
具体实施方式
一种激光三维清洗装置，包括脉冲激光器及控制***1、扩束准直光学***2、清洗用平行激光束3、第一扫描振镜4、第一扫描振镜控制器5、第二扫描振镜6、第二扫描振镜控制器7、聚焦透镜8、聚焦位置调节器9、位移控制器10。脉冲激光及控制***1带有指示红光，扩束准直光学***2将激光器发出的激光扩束准直成平行光。激光清洗时，第一扫描振镜4和第一扫描振镜控制器5控制激光束x方向移动，第二扫描振镜和第二扫描振镜控制器控制激光束y方向移动，第一扫描振镜和第二扫描振镜组成二维扫描振镜，聚焦透镜8和聚焦位置调节器9控制激光束z方向移动。聚焦透镜8中心轴与二维扫描振镜中心轴重合，两者一起形成三维激光清洗。
聚焦位置调节器9包含滤波器13、显微成像透镜14、 CCD15和处理器16。滤波器13滤除杂光，只让632.8nm的红光通过。聚焦位置调节器9和位移控制器10组成自动调焦***。自动调焦***的工作原理是当物体反射光线经过显微成像透镜会聚于CCD15上时，如果物***于显微成像透镜14焦点位置时，成的像画面最清晰，对比度最高，且边缘最清晰；当样品远离焦点位置时，对比度下降，边缘模糊，此时显微成像透镜前后移动，寻找到对比度最高边缘最清晰的位置停止，就可完成对焦。在进行第一次清洗前，指示红光在样品上的反射光线经过显微成像透镜14会聚于CCD15上，前后调节显微成像透镜14，寻找像对比度最高，且边缘最清晰处，即为显微成像透镜14的初始位置，然后将聚焦透镜8和显微成像透镜14固定在一起，可在z方向前后移动。
当本次激光清洗完成后，激光器1发射出指示红光12，聚焦透镜8移出光路，自动调焦***移入光路。二维扫描振镜的中心轴通过显微成像透镜14的中心，显微成像透镜14、滤波器13和CCD15形成的中心轴与二维扫描振镜中心轴成一个微小的角度θ，这个角度保证自动调焦***既让指示红光通过，又能将指示红光在样品上的反射光能成像于CCD靠近中心的位置上。实验证明θ取值范围10°～20°为宜。此时，指示红光在样品上的反射光成像于CCD上，前后移动显微成像透镜14，若成的像画面最清晰，对比度最高，且边缘最清晰，则调节显微成像透镜14的于该位置处。由于聚焦透镜8和显微成像透镜14固定在一起，因此聚焦透镜8和样品也相距焦距的位置，完成调焦。移出自动调焦***，移入聚焦透镜8，再次启动激光器清洗。
本发明在常用的基于光学振镜扫描***的二维激光清洗装置基础上，利用激光器自带的指示红光，当指示红光在样品上的反射光通过自动聚焦***成像时，调节对比度最高和边缘最清晰的位置完成z轴聚焦，从而实现了激光三维清洗。这种装置充分利用了现有的设备，且清洗前无需事先设定清洗材料表面形状，应用范围广，结构简单、稳定性好、易于调试等优点。
实施例
采用1064nm固体激光器，频率为5Hz，SamLight二维光学扫描振镜和254nm的焦距清洗，滤波器只让632.8nm的光通过，成像透镜也选择254nm，θ=15°，采用工业面阵CCD采集图像。

Claims (4)

1.一种激光三维清洗装置，包括脉冲激光器及控制***(1)、扩束准直光学***(2)、第一扫描振镜(4)、第一扫描振镜控制器(5)、第二扫描振镜(6)、第二扫描振镜控制器(7)、聚焦透镜(8)、聚焦位置调节器(9)和位移控制器(10)，其中聚焦位置调节器(9)包含滤波器(13)、显微成像透镜(14)、 CCD(15)和处理器(16)；其特征在于，所述第一扫描振镜(4)和第一扫描振镜控制器(5)控制激光束x方向移动，所述第二扫描振镜(6)和第二扫描振镜控制器(7)控制激光束y方向移动，所述第一扫描振镜(4)和第二扫描振镜(6)组成二维扫描振镜，所述聚焦透镜(8)控制激光束z方向移动，聚焦透镜中心轴与二维扫描振镜中心轴重合；所述脉冲激光器及控制***(1)带有指示红光，所述聚焦透镜(8)固定在聚焦调节器（9）上，且所述聚焦透镜（8）和显微成像透镜(14)相对位置固定，所述位移控制器控制聚焦调节器（9）沿z方向移动。
2.根据权利要求1所述的一种激光三维清洗装置，其特征在于，所述滤波器(13)、显微成像透镜(14)、 CCD(15)、处理器(16)和位移控制器(10)组成自动调焦***，所述滤波器(13)、显微成像透镜(14)和CCD(15)的中心在同一光轴上，所述光轴与二维扫描振镜中心轴成一个角度θ，并在对焦时相交于显微成像透镜(14)的中心。
3.根据权利要求1所述的一种激光三维清洗装置，其特征在于，所述显微成像透镜(14)的初始位置设置在指示红光的反射光在CCD（15）上成像对比度最高且边缘最清晰处。
4.根据权利要求2所述的一种激光三维清洗装置，其特征在于，所述θ的取值范围10°~20°。
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