CN116088164A - 将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置 - Google Patents

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CN116088164A CN202310300947.3A CN202310300947A CN116088164A CN 116088164 A CN116088164 A CN 116088164A CN 202310300947 A CN202310300947 A CN 202310300947A CN 116088164 A CN116088164 A CN 116088164A
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萧德瑛
郭诗坪
马奡麟
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Abstract

本发明提供将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置，所述较佳实施方法包括：设激光扫描出的曲线为8字型扫描曲线，将8字型扫描曲线采用有理函数来参数化，将场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosine wave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路，计算求解得出经场镜折射后的扫描曲线。本发明通过将场镜的上表面和下表面分别设置上下起伏的曲面和一个左右起伏的曲面形成场镜折射面的中心线上的斜率，或单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜，能够将转镜一维入射光线经场镜形成二维扫描光路。

Description

将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置
技术领域
本发明涉及二维激光扫描技术领域，具体而言，涉及将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法及装置。
背景技术
激光技术是一门跨学科、跨行业的高新技术，随着激光技术的发展，激光扫描技术在制造领域的应用越来越广泛。振镜激光扫描作为激光扫描技术的主要应用，以其高精度、高速度等特点被广泛应用于激光清洗、激光焊接、激光打标等领域。振镜激光扫描技术的实质是利用高密度、高功率激光源作为加工主体，通过一维或二维振镜的反射或折射，以振镜的运动实现静止的激光的运动，最终实现激光在工件上按指定的规律扫描加工。
将激光在平面上扫描各种图案或曲线的方法，常以两个振镜反射光线为操作原理，也就是将光线打在第一振镜来产生某轴（如x轴）的摆动，再将光打在另一振镜上产生另一轴（如y轴）的作动，经由操控从而在扫描平面上能够形成不同的激光扫描曲线，所述激光扫描曲线在平面上会显现而产生加工或制作效果（例如激光焊接、激光打标等）。
目前最常用的是将激光在平面上扫描各种图案或曲线的方法是以两个振镜来操作，将光线打在第一振镜上经由振镜的摆动来产生光线在某轴的摆动，将摆动的光打在另一振镜上产生另一轴的摆动，使得在扫描平面时能产生曲线而在平面上显现出某些加工效果（例如激光焊接、激光打标等）。
但是，在使用双振镜生成曲线时，两振镜要被控制成不同的振频，一般的使用状况（非高速运动）下两轴振镜之振频的差异会达到好几倍（有时为了在其中一轴要往复多次有时要上百倍），但因速度要求不高故对电机控制而言尚可应付，但即使如此控制器的发热会造成问题。在高速扫描状况下因频率太高而造成电机控制上不可行（控制器指令周期不够、发热、结构疲劳等）。而且在某些应用上，只要求高速对曲线的总类不需要那么多，有时只要一种即可，可见在这种状况下，现有的双振镜的使用在一定程度上是一种资源浪费。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于通过在场镜(或任何激光源与扫描面之间的任何透镜)折射面添加上表面和下表面的曲面特征，以产生二维的高速扫描曲线，实现高速大面积的激光扫描曲线。
本发明提供一种将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，包括：将场镜的上表面和下表面分别设置上下起伏的曲面和左右起伏的曲面形成场镜折射面的中心线上的斜率，或单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜，将转镜一维入射光线经场镜形成二维扫描光路。
进一步地，所述将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，包括以下步骤：
S1、设激光扫描出的曲线为8字型扫描曲线，将所述8字型扫描曲线采用有理函数来参数化，表达式为：
  （1）
式（1）中，a为8字形曲线的x轴长度，b为8字形曲线的y轴高度，φ为转镜反射面的转动角度；
8字形线（figure-eight curve）也称为赫罗诺双纽线（lemniscate of Gerono）或惠更斯双纽线（lemniscate of Huygens），是四阶、几何亏格（英语：geometric genus）为0的代数曲线，其外形为类似8或无限大符号的双纽线；
S2、将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面，将所述场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosinewave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路，表达式为：
；
；
          （2）
式（2）中a为8字形曲线的长度， 为扫描速度，t为扫描时间，， L为扫描长度，n为8字形曲线的个数；
S3、计算求解经场镜(或任何激光源与扫描面之间的任何透镜)折射后的扫描曲线，设场镜的折射率为n，则折射率与入射角和出射角的关系表达式为：
；
；
；
；
；
（3）
式（3）中，ni表示第i次折射的折射率，如图5所示，θi表示入射激光和镜子上表面垂直线之夹角，θ0表示折射的入射角度，h2是为激光经折射后在目标面和入射激光x方向之距离，F´是F对x1之一次微分, F为埸镜上表面之波动函数，x1是镜边和入射激光在x方向之距离，θ2、θ3、θ4分别为激光入射镜片的各折射角；
通过所述场镜使得在x方向之扫描曲线变成：
；
y方向之扫描曲线变成：
   （4）
；
式（4）中，y是8字形曲线的y轴高度，θ5、θ6分别是激光在所述场镜和被扫描面的入射角度，h3是为激光经折射后在目标面和入射激光y方向之间的距离。
通过式（3）及式（4）分别求解 F（x1）、。
进一步地，所述场镜的上表面和下表面的外形计算方法包括：
通过式（5）和式（6），但由于式（5）和式（6）为超越方程式很难解出解析解，故必需采用数值法求解出场镜的上表面A 面及下表面B 面的外形；
（5）
 （6）
在不影响8字曲线周期的情况下令式（5）中：
；
则，且，a，b为激光扫描8字曲线被要求的高度与宽度，则由式（5）及式（6）求解得到A 面及B 面的外形：。
式（5）中，y是8字形曲线的y轴高度，θ5、θ6分别是激光在场镜和被扫描面的入射角度。
进一步地，所述S2步骤的所述将场镜进行表面曲面化的设置方法包括：
将场镜的上表面设置为上下起伏的曲面，将场镜的下表面设置一个左右起伏的曲面，使得场镜折射面的中心线上形成斜率。
进一步地，所述S2步骤的所述将场镜进行表面曲面化的设置方法包括：
单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜使得形成激光扫描曲线。
进一步地，所述S2步骤的所述激光扫描出的曲线如要求为一条直线，则将场镜折射面设置为平面。
本发明还提供将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置装置，应用如上述所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，包括：
场镜：用于将入射光经过折射面的折射形成来回摆动的扫描曲线；
场镜折射面曲面特征：用于将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面；场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosine wave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述所述将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法的步骤。
本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过将场镜(或任何激光源与扫描面之间的任何透镜)的上表面和下表面分别设置上下起伏的曲面和一个左右起伏的曲面形成场镜折射面的中心线上的斜率，或单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜(或任何激光源与扫描面之间的任何透镜)，形成激光扫描曲线的扫描方式，能够将转镜一维入射光线经场镜(或任何激光源与扫描面之间的任何透镜)形成二维扫描光路，实现了二维高速扫描曲线。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为本发明一种将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法的流程图；
图2为本发明实施例计算机设备的构成示意图；
图3为本发明实施例激光扫描曲线8字形线的示意图；
图4为本发明实施例场镜折射面的上表面A面和下表面B面的形状示意图；
图5为本发明实施例场镜a-a截面的光线路径示意图；
图6为本发明实施例场镜b-b截面的光线路径示意图；
图7为本发明实施例将一维入射激光转换为二维扫描光路的处理过程示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。
本发明实施例提供将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，参见图1所示，包括如下步骤：
S1、设激光扫描出的曲线为8字型扫描曲线，将所述8字型扫描曲线采用有理函数来参数化，表达式为：
  （1）
式（1）中，a为8字形曲线的x轴长度，b为8字形曲线的y轴高度，φ为转镜反射面的转动角度；
参见图3所示，8字形线（figure-eight curve）也称为赫罗诺双纽线（lemniscateof Gerono）或惠更斯双纽线（lemniscate of Huygens），是四阶、几何亏格（英语：geometric genus）为0的代数曲线，其外形为类似8或无限大符号的双纽线；
S2、将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面，将所述场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosinewave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路，表达式为：
；
；
          （2）
式（2）中a为8字形曲线长度，为扫描速度，t为扫描时间，, L为扫描长度，n为8字形曲线的个数，T为周期； L为扫描长度，n为8字形曲线在扫描方向的扫描次数；
参见图4所示，为解释更清楚，将场镜用a-a剖面和b-b剖面两个剖面来说明光线的行走方向，参见图5所示，a-a剖面是镜片是中心的剖面；b-b剖面是某一光线在经A面折射后和射向B面的某一点的剖面，因光线是经过中心，故在B面的a-a的剖面看起来只是一条直线，如图6所示。
所述将场镜进行表面曲面化的设置方法包括：
将场镜的上表面设置为上下起伏的曲面，将场镜的下表面设置一个左右起伏的曲面，使得场镜折射面的中心线上形成斜率；
所述将场镜进行表面曲面化的设置方法包括：
单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜使得形成激光扫描曲线；
所述激光扫描出的曲线如要求为一条直线，则将场镜折射面设置为平面；
S3、计算求解经场镜折射后的扫描曲线，设场镜的折射率为n，则折射率与入射角和出射角的关系表达式为：
；
；
；
；
 ；
（3）
式（3）中，ni表示第i次折射的折射率，如图5所示，θi表示入射激光和镜子上表面垂直线之夹角，θ0表示折射的入射角度，h2是为激光经折射后在目标面和入射激光x方向的距离，F´是F对x1之一次微分, F为场镜上表面之波动函数，x1是镜边和入射激光在x方向之距离，θ2、θ3、θ4分别为激光入射镜片的各折射角；
通过所述场镜使得在x方向之扫描曲线变成：
y方向之扫描曲线变成：
   （4）
；
式（4）中，y是8字形曲线的y轴高度，θ5、θ6分别是激光在所述场镜和被扫描面的入射角度，h3参数含义见前面；
通过式（3）及式（4）分别求解F（x1）、。
所述场镜的上表面和下表面的外形计算方法包括：
通过式（5）和式（6），但由于式（5）和式（6）为超越方程式很难解出解析解，故必需采用数值法求解出场镜的上表面A 面及下表面B 面的外形；令
（5）
 （6）
在不影响8字曲线周期的情况下令式（5）中：
；
则，且，a，b为激光扫描8字曲线被要求的高度与宽度，则由式（5）及式（6）求解得到A 面及B 面的外形：。
式（5）中，y是8字形曲线的y轴高度，θ5、θ6分别是激光在场镜和被扫描面的入射角度。
参见图7所示为本实施例将一维入射激光转换为二维扫描光路的处理过程。
本发明实施例还提供将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置装置，应用如上述所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，包括：
场镜：用于将入射光经过折射面的折射形成来回摆动的扫描曲线；
场镜折射面曲面特征：用于将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面；场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosine wave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路。
本发明实施例通过将场镜的上表面和下表面分别设置上下起伏的曲面和一个左右起伏的曲面形成场镜折射面的中心线上的斜率，或单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜，形成激光扫描曲线的扫描方式，能够将转镜一维入射光线经场镜形成二维扫描光路，实现了二维高速扫描曲线。
本发明实施例还提供了一种计算机设备，图2是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图2所示，该计算机设备包括：输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21；所述存储器22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法；其中输入装置23、输出装置24、存储器22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。
存储器22作为一种计算设备可读写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法对应的程序指令；存储器22可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，存储器22可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件；在一些实例中，存储器22可进一步包括相对于处理器21远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。
处理器21通过运行存储在存储器22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法。
上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，具备相应的功能和有益效果。
本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，存储介质是任何的各种类型的存储器设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带装置；计算机***存储器或随机存取存储器，诸如DRAM、DDR RAM、SRAM、EDO RAM，兰巴斯(Rambus)RAM等；非易失性存储器，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的存储器组件等；存储介质可以还包括其它类型的存储器或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机***中，或者可以位于不同的第二计算机***中，第二计算机***通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机***；第二计算机***可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机***中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。
当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法中的相关操作。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，其特征在于，包括：将场镜的上表面和下表面分别设置上下起伏的曲面和左右起伏的曲面形成场镜折射面的中心线上的斜率，或单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜，将转镜一维入射光线经场镜形成二维扫描光路。
2.根据权利要求1所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设激光扫描出的曲线为8字型扫描曲线，将所述8字型扫描曲线采用有理函数来参数化，表达式为：
   （1）
式（1）中，a为8字形曲线的x轴长度，b为8字形曲线的y轴高度，φ为转镜反射面的转动角度；
S2、将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面，将所述场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosine wave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路，表达式为：
；
；
         （2）
式（2）中a为8字形曲线长度，为扫描速度，t为扫描时间，,L为扫描长度，n为8字形曲线的个数，T为周期；
S3、计算求解经场镜折射后的扫描曲线，设场镜的折射率为n，则折射率与入射角和出射角的关系表达式为：
；
；
 ；
；
；
（3）
式（3）中，ni表示第i次折射的折射率，如图5所示，θi表示入射激光和镜子上表面垂直线之夹角，θ0表示折射的入射角度，h2是为激光经折射后在目标面和入射激光x方向的距离，F´是F对x1之一次微分, F为场镜上表面的波动函数，x1是镜边和入射激光在x方向的距离，θ2、θ3、θ4分别为激光入射镜片的各折射角；
通过所述场镜使得在x方向之扫描曲线变成：
；
y方向之扫描曲线变成：
    （4）
；
式（4）中，y是8字形曲线的y轴高度，如图6所示θ5、θ6分别是激光在所述场镜和被扫描面的入射角度，h3是为激光经折射后在目标面和入射激光y方向之间的距离；
通过式（3）及式（4）分别求解 F（x1）、 。
3.根据权利要求2所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，其特征在于，所述场镜的上表面和下表面的外形计算方法包括：
通过式（5）和式（6）采用数值法求解出场镜的上表面A 面及下表面B 面的外形；令
（5）
  （6）
在不影响8字曲线周期的情况将式（5）中，令：
；
则，且，a，b为激光扫描8字曲线被要求的高度与宽度，则由式（5）及式（6）求解得到A 面及B 面的外形：；
式（5）中，y是8字形曲线的y轴高度，θ5、θ6分别是激光在场镜和被扫描面的入射角度。
4.根据权利要求2所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，其特征在于，所述S2步骤的所述将场镜进行表面曲面化的设置方法包括：
单独使用两个上表面和下表面的单面有上下起伏或左右起伏的场镜使得形成激光扫描曲线。
5.根据权利要求2所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，其特征在于，所述S2步骤的所述激光扫描出的曲线如要求为一条直线，则将场镜折射面设置为平面。
6.将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置装置，其特征在于，应用如权利要求1-5任一项所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法，包括：
场镜：用于将入射光经过折射面的折射形成来回摆动的扫描曲线；
场镜折射面曲面特征：用于将场镜进行表面曲面化以使激光扫描出的曲线为一个二维面；场镜的上表面设置为余弦波cosine wave，场镜的下表面设置为中心上的斜率为余弦波cosine wave；通过场镜折射面产生8字形曲线的x轴的往复形状，形成来回摆动的二维扫描光路。
7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法的步骤。
8.一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的将一维入射转换为二维光路的场镜折射面设置方法的步骤。
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