CN105301768B - 振镜式激光扫描*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振镜式激光扫描***，所述***沿轴线依次包括：激光器、调焦镜头、第一振镜、第二振镜和扫描面，所述调焦镜头包括平凹镜和凸透镜，所述平凹镜包括相对设置的平面和凹面，所述凸透镜包括相对设置的第一凸面和第二凸面，所述凸透镜固定设置，所述平凹镜固定安装于可沿轴线的平行线水平移动的位移台上。本发明的振镜式激光扫描***结构简单，且***的装调误差小；调焦镜头无实焦点使得振镜式激光扫描***能够保持相对低温。

Description

振镜式激光扫描***

技术领域

本发明涉及光学工程技术领域，特别是涉及一种振镜式激光扫描***。

背景技术

激光扫描技术是一种能够精确控制激光束指向的技术，现已广泛的应用于现已广泛的应用于光电医疗、激光加工、空间激光通信、激光雷达、遥感与测量、自适应光学等领域。在激光加工和激光达标领域，一直采用振镜式激光扫描技术。为了保证激光加工精度，激光在到达加工面之前需要经过聚焦以保证在工作面上有良好的聚焦特性，根据聚焦***摆放的位置，可以分为振镜前聚焦和振镜后聚焦两种聚焦方式。

现有技术中专利200320116330.4公开了一种振镜式前聚焦的激光扫描***，包括激光器、聚焦模块、X轴扫描头和Y轴扫描头。激光束通过三块组合镜片构成的聚焦模块，经X轴扫描头和Y轴扫描头到达焦点工作平面，所述X轴扫描头和Y轴扫描头均由全数字交流伺服电机和附在其转轴上的镜片组成，全数字交流伺服电机的转轴上设置有限位装置；控制***通过二个全数字交流伺服电机的控制器分别控制镜片在X轴和Y轴上移动，实现二维扫描。增设动态聚焦模块后，可以保证扫描面上良好的聚焦特性。但是这一扫描***采用三块镜片实现动态调焦，光学设计和调焦模型比较复杂。镜片太多，加工和装配带来的误差也会增多，影响调焦效果。此外，该发明所述的***有采用聚焦透镜，***中除扫描面外在光路中也存在聚焦点，高能激光束聚焦点会导致温度过高，增加设备损坏风险。

另，现有技术中专利200810197661.2公开了一种振镜后聚焦扫描***，包括激光器、扩束镜、x轴扫描振镜、y轴扫描振镜、扫描聚焦透镜、z轴移动机构及控制***。激光器发出激光束，经扩束镜放大准直后，激光束直接进入x轴扫描振镜和y轴扫描振镜，控制***控制z轴移动机构带动扫描聚焦透镜在z轴方向上、下移动，调节激光聚焦点在z轴方向的位置，通过固定在可沿z轴方向上下移动的z轴移动机构的扫描聚焦透镜来实现三维立体加工功能。这种***采用F-theta透镜作为聚焦透镜，在一定范围内可以保证工作面上激光的聚焦特性。但是，一方面F-theta透镜尺寸不可能做到很大，另一方面，这种聚焦方式在F-theta透镜边缘的聚焦效果变差，无法实现大幅面的激光扫描。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种新的振镜式激光扫描***。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种振镜前聚焦得振镜式激光扫描***。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种振镜式激光扫描***，所述***沿轴线依次包括：激光器、调焦镜头、第一振镜、第二振镜和扫描面，所述调焦镜头包括平凹镜和凸透镜，所述平凹镜包括相对设置的平面和凹面，所述凸透镜包括相对设置的第一凸面和第二凸面，所述凸透镜固定设置，所述平凹镜固定安装于可沿轴线的平行线水平移动的位移台上。

作为本发明的进一步改进，所述位移台包括第一位移台和第二位移台，所述平凹镜固定安装于第一位移台上，所述第一位移台固定安装于第二位移台上。

作为本发明的进一步改进，所述第一位移台为自动位移台，所述第二位移台为手动位移台。

作为本发明的进一步改进，所述激光器与调焦镜头之间设有激光束扩束***。

作为本发明的进一步改进，所述凸透镜中第一凸面和第二凸面的曲率半径相等，且大于平凹镜中凹面的曲率半径。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜的凹面与凸透镜的第一凸面之间的距离为10～100mm。

作为本发明的进一步改进，所述平凹镜的平面与凹面之间的距离为1～10mm，凸透镜的第一凸面和第二凸面之间的距离为1～10mm。

作为本发明的进一步改进，所述***还包括与位移台相连的控制单元，所述控制单元包括：

计算机，用于通过位移台中的位移台驱动电机控制平凹镜的位移大小；

扫描头控制器，与所述计算机相连，用于接收振镜摆动角度信息；

驱动电机，与所述扫描头控制器相连，用于驱动第一振镜和/或第二振镜以摆动角度信息进行摆动。

作为本发明的进一步改进，所述扫描头控制器包括第一扫描头控制器和第二扫描头控制器，分别用于接收第一振镜的第一摆动角度信息和第二振镜的第二摆动角度信息。

作为本发明的进一步改进，所述驱动电机包括与第一扫描头控制器相连的第一驱动电机和与第二扫描头控制器相连的第二驱动电机，所述第一驱动电机与第一振镜相连并驱动第一振镜以第一摆动角度信息进行摆动，第二驱动电机与第二振镜相连并驱动第二振镜以第二摆动角度信息进行摆动。

本发明具有以下有益效果：

振镜式激光扫描***结构简单，且***的装调误差小；

调焦镜头无实焦点使得振镜式激光扫描***能够保持相对低温；

通过电动平移台改变平凹镜的位置从而自动调节光学***的焦距，保证整个扫描面上都有良好的聚焦光斑，能完成大尺寸幅面的精密加工；

通过手动位移台调节平凹镜的位置可使***在不同工作距离和工作幅面情况下工作。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式振镜式激光扫描***的结构示意图。

图2为本发明一具体实施方式振镜式激光扫描***中控制单元的模块示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种振镜式激光扫描***，沿轴线依次包括：激光器、调焦镜头、第一振镜、第二振镜和扫描面，调焦镜头包括平凹镜和凸透镜，平凹镜包括相对设置的平面和凹面，凸透镜包括相对设置的第一凸面和第二凸面，凸透镜固定设置，平凹镜固定安装于可沿轴线的平行线水平移动的位移台上。

参图1所示，在本发明的一具体实施方式中，振镜式激光扫描***包括：二氧化碳激光器1、扩束透镜2，平凹镜3、凸透镜4，X振镜5、Y振镜6、扫描面7、电动位移台8和手动位移台9。

二氧化碳激光器1发出的光束经过扩束透镜2进行扩束，经扩束的激光光束经过由一平平凹镜3和凸透镜4构成的调焦镜头，然后入射到X振镜5中心，X振镜5将激光束反射到Y振镜6上，Y振镜6再将激光束反射到扫描面7上。平凹镜安装在电动位移台8上，初始安装位置固定，电动位移台安装在手动位移台9上。电动位移台可以自动控制平凹镜3朝向凸透镜4方向移动，调节整个***的焦距，使得扫描面7上每个扫描点都正好是激光束聚焦点。电动位移台8安装在手动位移台9上，初始安装时可以手动调节电动位移台8与手动位移台9之间的距离，使得平凹镜3与凸透镜4之间有不同的距离，可对应与不同的初始焦距。

本实施方式中平凹镜3和凸透镜4共同构成了调焦镜头，其目的在于优化现有动态聚焦模块光学***，该调焦镜头结构更为简单，调焦镜头无实焦点使结构不易产生高温。

平凹镜3包括相对设置的平面和凹面，凸透镜4包括相对设置的第一凸面和第二凸面。凸透镜4固定设置，平凹镜3在轴线上可移动设置，激光光束从平凹镜3的平面入射，依次经过平凹镜的凹面、凸透镜的第一凸面后从凸透镜4的第二凸面出射。

其中，本实施方式中平凹镜3和凸透镜4所用的材料相同，均为硒化锌。凸透镜4中第一凸面和第二凸面的曲率半径相等，且大于平凹镜3中凹面的曲率半径。

进一步地，平凹镜3的凹面与凸透镜4的第一凸面之间的距离为10～100mm，且平凹镜3的平面与凹面之间的距离为1～10mm，凸透镜4的第一凸面和第二凸面之间的距离为1～10mm。

具体地，在本发明的一具体实施例中，平凹镜3的平面与凹面之间的距离为5mm，凸透镜4的第一凸面和第二凸面之间的距离为5mm，平凹镜3中凹面的曲率半径为110.94mm，凸透镜4中第一凸面和第二凸面的曲率半径均为368.78mm，平凹镜3的凹面与凸透镜4的第一凸面之间的距离为50mm。

调焦镜头工作时，凸透镜4固定，平凹镜3可在驱动机构的驱动下朝向凸透镜4的方向运动，假设运动量为Z，则可改变整个调焦镜头的焦距。

本实施例中在光线波长10.64μm、初始焦距750mm时的调焦长度为：

其中，ΔS为调焦长度，Z为平凹镜的位移。

本实施方式中的位移台包括电动位移台8和手动位移台9，平凹镜3固定安装于电动位移台8上，电动位移台8固定安装于手动位移台9上。电动位移台8通过计算机控制，而当操作人员想实现不同的工作高度和工作范围，可以通过手动位移台调整平凹镜3的位置，利用光学杠杆原理实现不同工作高度和工作范围工作，或环境温度等各方面条件对光学***构成影响时，可手动调节平凹镜的位置使光线聚焦于工作面。

另外，本实施方式中的振镜式激光扫描***还包括控制单元，具体地，参图2所示，该控制单元包括：

计算机10，用于通过自动位移台8控制平凹镜3的位移大小，还用于计算X振镜5、Y振镜6所需的摆动角度信息；

扫描头控制器，包括X轴扫描头控制器11和Y轴扫描头控制器13，分别与计算机10相连，用于接收X振镜5所需的第一摆动信息和Y振镜6所需的第二摆动信息；

驱动电机，包括X轴驱动电机12和Y轴驱动电机14，分别与X轴扫描头控制器11和Y轴扫描头控制器13相连，分别用于驱动X振镜5和Y振镜6以第一摆动角度信息和第二摆动信息进行摆动。

具体地，参图2所示，激光束通过振镜***完成X-Y平面扫描，对于大幅面的平面扫描，采用带动态调焦镜头的三维物镜后振镜式扫描***。计算机10由扫描坐标计算出X、Y振镜所需的摆动角度，计算机10通过X轴扫描头控制器11控制X轴扫描头的全数字交流X轴驱动电机12，由X轴驱动电机12驱动X振镜5摆动相应的角度，通过Y轴扫描头控制器13控制Y轴扫描头的全数字交流Y轴驱动电机14，由Y轴驱动电机14驱动Y振镜摆动相应的角度。

X振镜、Y振镜在对应驱动电机的控制下，把激光束反射到工作面预定的X、Y坐标点上。计算机还可以通过扫描坐标计算出***的离焦误差和平凹镜3应该向凸透镜方向的移动距离，并直接控制电动位移台8的电动位移台驱动电机15驱动平凹镜移动相应的距离。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

振镜式激光扫描***结构简单，且***的装调误差小；

调焦镜头无实焦点使得振镜式激光扫描***能够保持相对低温；

通过电动平移台改变平凹镜的位置从而自动调节光学***的焦距，保证整个扫描面上都有良好的聚焦光斑，能完成大尺寸幅面的精密加工；

通过手动位移台调节平凹镜的位置可使***在不同工作距离和工作幅面情况下工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种振镜式激光扫描***，其特征在于，所述***沿轴线依次包括：激光器、调焦镜头、第一振镜、第二振镜和扫描面，所述调焦镜头包括平凹镜和凸透镜，所述平凹镜包括相对设置的平面和凹面，所述凸透镜包括相对设置的第一凸面和第二凸面，所述凸透镜固定设置，所述平凹镜固定安装于可沿轴线的平行线水平移动的位移台上；所述凸透镜中第一凸面和第二凸面的曲率半径相等，且大于平凹镜中凹面的曲率半径。

2.根据权利要求1所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述位移台包括第一位移台和第二位移台，所述平凹镜固定安装于第一位移台上，所述第一位移台固定安装于第二位移台上。

3.根据权利要求2所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述第一位移台为自动位移台，所述第二位移台为手动位移台。

4.根据权利要求1所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述激光器与调焦镜头之间设有激光束扩束***。

5.根据权利要求1所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述平凹镜的凹面与凸透镜的第一凸面之间的距离为10～100mm。

6.根据权利要求5所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述平凹镜的平面与凹面之间的距离为1～10mm，凸透镜的第一凸面和第二凸面之间的距离为1～10mm。

7.根据权利要求1所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述***还包括与位移台相连的控制单元，所述控制单元包括：

计算机，用于通过位移台中的位移台驱动电机控制平凹镜的位移大小；

扫描头控制器，与所述计算机相连，用于接收振镜摆动角度信息；

驱动电机，与所述扫描头控制器相连，用于驱动第一振镜和/或第二振镜以摆动角度信息进行摆动。

8.根据权利要求7所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述扫描头控制器包括第一扫描头控制器和第二扫描头控制器，分别用于接收第一振镜的第一摆动角度信息和第二振镜的第二摆动角度信息。

9.根据权利要求8所述的振镜式激光扫描***，其特征在于，所述驱动电机包括与第一扫描头控制器相连的第一驱动电机和与第二扫描头控制器相连的第二驱动电机，所述第一驱动电机与第一振镜相连并驱动第一振镜以第一摆动角度信息进行摆动，第二驱动电机与第二振镜相连并驱动第二振镜以第二摆动角度信息进行摆动。