一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機的製作方法
2023-12-12 17:11:22 1
專利名稱：一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射清洗設備技術領域，具體涉及一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機。
背景技術：
在文物保護領域中，石材是一種最古老的建築材料和藝術雕刻材料，中華民族數千年文明為我們留下了許多令世人矚目的石質文物古蹟。但是，大多數的石質文物多處於露天或半露天保存，由於自然風化、人為活動、生物侵蝕、環境汙染，使其表面出現不同程度的汙染物附集、變色、硬質結垢、煙燻、有害鹽類聚集、微生物侵蝕等文物表面病害。這些表層覆蓋物對石質文物不僅造成視覺上的汙染，而且其中的有害成分嚴重威脅著文物本體的保存，造成文物損毀，同時影響進一步保護措施的實施及實施效果。所以說石質文物表面有害汙物清除技術是石質文物保護最基本技術，也是至關石質文物保護成功與否的關鍵技術點。對於石質文物的清洗，所使用的清洗方法不僅要清除文物表面汙染物，最重要的是要保證在清洗過程中文物表面不發生損傷。目前石質文物表面汙染物清除技術有化學清洗、蒸汽噴射清洗、粒子噴射清洗、雷射清洗等。在各種清洗技術中，化學清洗的問題是難以判別殘留物對文物的遠期影響，另外易造成環境汙染。蒸汽噴射清洗技術的問題在於，用於表面已劣化的石質文物時，會因為蒸汽的高溫造成巖石內外熱脹不均，從而導致應力破壞。 粒子噴射清洗技術會嚴重磨損石質文物的表層，特別是一些稜角部位。而雷射清洗技術，其原理是利用高功率密度的雷射束輻照待清洗物表面，使表面的汙染物發生瞬間的碎裂、蒸發或剝離，脫離物體表面，其特點是清洗效果好、非接觸式、不汙染環境、無殘留、安全可靠、 節水、可精確控制、適用面廣、運行成本低，特別對於表面精細的石雕石刻類文物，其優勢是許多傳統清洗工藝無法比擬的。名稱為「可攜式雷射清洗系統」的中國專利(專利授權號為CN100374237C)文獻中介紹了一種可攜式雷射清洗系統，該系統主要用於道路、廣告牌等表面的清洗，不是針對於石質文物的雷射清洗設備，且在清洗石質文物過程中，易造成文物損傷。
發明內容
為了克服現有的雷射清洗裝置難以清洗石質文物的不足，本發明提供一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機。為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下
本發明的一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機，特點是，所述的清洗機含有雷射器、 集成在雷射器上的雷射能量監測系統和可見光指示系統、用於傳導雷射的導光臂、工作頭。 其中，所述的雷射能量監測系統包括能量探頭、能量表頭、反射鏡I和反射鏡II ；所述的可見光指示系統包括可見指示光源和半透半反鏡I ；所述的導光臂由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口、控制開關、實時在線監測系統和用於調節雷射光斑尺寸的透鏡I ；所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器、監視器、透鏡II和半透半反鏡II。其連接關係是，雷射器中依次放置有反射鏡I、反射鏡II、半透半反鏡I，還放置有能量探頭、可見指示光源，置於雷射器外部的能量表頭與雷射器中的能量探頭連接。用於傳導雷射的導光臂的一端與雷射器中的半透半反鏡I相連，導光臂的另一端與工作頭相連。工作頭中放置有透鏡I、半透半反鏡II、出光口、透鏡II、(XD圖像傳感器，監視器置於工作頭外部，與CXD圖像傳感器連接；在工作頭中設置有用於控制雷射出射和關閉的控制開關，控制開關與雷射器相連接。所述清洗機的工作原理為，雷射在雷射器內部先依次經過雷射能量監測系統的反射鏡I和反射鏡II，再經過可見光指示系統的半透半反鏡I，然後從雷射器輸出。雷射從雷射器輸出後，通過導光臂，將雷射傳導至與導光臂相連的工作頭。雷射進入工作頭後，經過用於調節光斑尺寸的透鏡I，再經過實時在線監測系統的半透半反鏡II，最後從工作頭的出光口出射，輻照在待清洗物表面。待清洗物表面漫反射的光可透過實時在線監測系統的半透半反鏡II，透鏡II在半透半反鏡II後，將待清洗物表面的像成像在CXD圖像傳感器上， 顯示待清洗物表面的形貌。本發明的用於石質文物的可攜式雷射清洗機中，所述的雷射器，其工作部件含有光學諧振腔、電源、水箱、雷射能量調節部件，雷射器的選擇取決於需要清洗的對象，可選擇單波長或者三波長可調的Nd: YAG類固體脈衝雷射器，也可選擇連續型的雷射器。所述雷射能量監測系統包括能量探頭、能量表頭、反射鏡I和反射鏡II，反射鏡I 對雷射的反射率為90% 98%，反射鏡II對雷射的反射率大於99%。反射鏡I的一側用於反射雷射，能量探頭放置在反射鏡I的另一側，監測透過反射鏡I的雷射能量，能量表頭放在雷射器外部。透過反射鏡I的雷射能量與輻照在待清洗物表面的雷射成一定的比例，可通過監測透過反射鏡I的雷射能量換算得到待清洗物表面的雷射的能量，從而實時的監測雷射能量。反射鏡II用於傳導雷射，將雷射傳導至所需的位置。所述可見光指示系統包括可見指示光源和半透半反鏡I，可見指示光源為低功率的可見波段的雷射光源，半透半反鏡I對雷射的透過率大於99%，並對可見指示光的反射率大於70%。半透半反鏡I使雷射透過，同時將可見指示光反射進光路，在此處調節半透半反鏡I，使可見指示光與雷射共軸，因而可見指示光可快速指示雷射位置。所述的用於傳導雷射的導光臂，由多片反射鏡組成，用於傳導雷射及可見指示光， 可自由全角度旋轉，不影響光束質量。所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器、監視器、透鏡II和半透半反鏡II， 透鏡II對可見光的透過率大於80%，半透半反鏡II對雷射的反射率大於99%，並對可見光的透過率大於80%。待清洗物表面的漫反射的光可透過半透半反鏡II，透鏡II在半透半反鏡II 之後，將待清洗物的像成像在C⑶圖像傳感器上，監視器與CXD圖像傳感器連接，顯示CXD 圖像傳感器上接收的待清洗物的像，從而實時在線監測待清洗物表面形貌。所述的用於調節雷射光斑尺寸的透鏡I，對雷射的透過率大於99%。透鏡具有對光束擴散和會聚的作用，在此處用於調節雷射光斑尺寸。本發明的用於石質文物的可攜式雷射清洗機具有實時在線監測文物表面形貌、雷射能量監測、可見光指示和雷射光斑尺寸可調的功能。能夠實時在線的觀察待清洗物表面形貌，同時監測雷射能量，通過判斷待清洗物表面形貌和雷射能量大小，當有需要時立即停止雷射輻照，可有效避免文物損傷發生。可見指示光精確指示雷射，便於觀察雷射位置。可根據需要調節待清洗物表面的光斑尺寸，使清洗過程更易控制。上述功能配合使用能有效避免石質文物在清洗過程中發生損傷，並且這些功能都集成在雷射清洗機上，在生產過程中，各功能就已調節標定完畢，使用過程中無需再調節，使用攜帶方便，非光學專業的技術人員都可操作使用。
圖1為本發明用於石質文物的可攜式雷射清洗機的結構框圖。圖中，1.雷射器 2.反射鏡I 3.反射鏡II 4.能量探頭 5.能量表頭 6.半透半反鏡I7.可見指示光源 8.導光臂 9..透鏡I 10.控制開關 11.半透半反鏡II 12.透鏡II 13. C⑶圖像傳感器 14.監視器 15.出光口 16.待清洗物。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行具體的說明。圖1為本發明的用於石質文物的可攜式雷射清洗機的結構框圖，圖1中，本發明的一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機含有雷射器1、集成在雷射器1上的雷射能量監測系統和可見光指示系統、用於傳導雷射的導光臂8、工作頭。其中，所述的雷射能量監測系統包括能量探頭4、能量表頭5、反射鏡I 2和反射鏡II 3 ；所述的可見光指示系統包括可見指示光源7和半透半反鏡I 6 ；所述的導光臂8由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口 15、控制開關10、實時在線監測系統和用於調節雷射光斑尺寸的透鏡I 9 ；所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器13、監視器14、透鏡II 12和半透半反鏡II 11。其連接關係是，雷射器1中的反射鏡I 2、反射鏡II 3、半透半反鏡I 6在光路中依次放置，能量探頭4 放置在反射鏡I 2的一側，置於雷射器外部的能量表頭5與雷射器1中的能量探頭4連接； 用於傳導雷射的導光臂8的一端與雷射器1中的半透半反鏡I 6相連，導光臂8的另一端與工作頭相連；工作頭中的透鏡I 9、半透半反鏡II 11、出光口 15在光路中依次放置；放置在半透半反鏡II 11 一側的透鏡II 12與CXD圖像傳感器13在光路中連接；監視器14置於工作頭外部，與CCD圖像傳感器13連接；在工作頭中設置有用於控制雷射出射和關閉的控制開關10，控制開關10與雷射器1相連接；
所述清洗機的工作原理為，雷射在雷射器內部先依次經過雷射能量監測系統的反射鏡 I 2和反射鏡II 3，再經過可見光指示系統的半透半反鏡I 6，然後從雷射器1輸出；雷射從雷射器輸出後，通過導光臂8，將雷射傳導至與導光臂相連的工作頭；雷射進入工作頭後， 經過用於調節光斑尺寸的透鏡I 9，再經過實時在線監測系統的半透半反鏡II 11，最後從工作頭的出光口 15出射，輻照在待清洗物16表面；待清洗物16表面漫反射的光可透過實時在線監測系統的半透半反鏡II 11，透鏡II 12在半透半反鏡II 11後，將待清洗物16表面的像成像在CXD圖像傳感器13上，顯示待清洗物16表面的形貌。本發明的用於石質文物的可攜式雷射清洗機中，所述的雷射器，其工作部件含有光學諧振腔、電源、水箱、雷射能量調節部件，雷射器的選擇取決於需要清洗的對象，可選擇單波長或者三波長可調的Nd: YAG類固體脈衝雷射器，也可選擇連續型的雷射器。
所述雷射能量監測系統包括能量探頭4、能量表頭5、反射鏡I 2和反射鏡II 3，反射鏡I 2對雷射的反射率為90% 98%，反射鏡II 3對雷射的反射率大於99%。反射鏡I 2 的一側用於反射雷射，能量探頭放置在反射鏡I 2的另一側，監測透過反射鏡I 2的雷射能量，能量表頭放在雷射器外部。透過反射鏡I 2的雷射能量與輻照在待清洗物表面的雷射成一定的比例，可通過監測透過反射鏡I 2的雷射能量換算得到待清洗物表面的雷射的能量，從而實時的監測雷射能量。反射鏡II用於傳導雷射，將雷射傳導至所需的位置，可根據實際需要，增減反射鏡。所述可見光指示系統包括可見指示光源7和半透半反鏡I 6，可見指示光源7為低功率的可見波段的雷射光源，半透半反鏡I 6對雷射的透過率大於99%，並對可見指示光的反射率大於70%。半透半反鏡I 6使雷射透過，同時將可見指示光反射進光路，在此處調節半透半反鏡I 6，使可見指示光與雷射共軸，因而可見指示光可快速指示雷射位置。所述的用於傳導雷射的導光臂8，由多片反射鏡組成，用於傳導雷射及可見指示光，可自由全角度旋轉，不影響光束質量。所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器13、監視器14、透鏡II 12和半透半反鏡II 11，透鏡II 12對可見光的透過率大於80%，半透半反鏡II 11對雷射的反射率大於99%，並對可見光的透過率大於80%。待清洗物16表面的漫反射的光可透過半透半反鏡 II 11，透鏡II 12在半透半反鏡II 11之後，將待清洗物16的像成像在C⑶圖像傳感器13 上，監視器14與CXD圖像傳感器13連接，顯示CXD圖像傳感器13上接收的待清洗物16的像，從而實時在線監測待清洗物表面形貌。所述的用於調節雷射光斑尺寸的透鏡I 9，對雷射的透過率大於99%。其作用是調節待清洗物16表面的光斑尺寸，可通過兩種方式來調節，一是將透鏡I 9做成可抽插切換的模塊，通過更換不同焦距的透鏡來調節光斑尺寸；二是將透鏡I 9做成可隨光路前後移動的模塊，通過移動透鏡的位置來改變待清洗物16到透鏡I 9的距離，從而實現待清洗物表面上光斑尺寸可調。所述的控制開關10與雷射器1連接，用於控制雷射的出射，操作人員手持工作頭， 當需要雷射輻照時，打開開關，放出雷射，關閉開關，即可停止雷射出射。本發明的操作流程是確定工作頭上的開關10關閉後，啟動雷射器1，打開能量表頭5、可見指示光源7、(XD圖像傳感器13和監視器14的電源。操作人員手持工作頭，將工作頭的出光口 15面對待清洗物16，此時可在待清洗物表面看見可見指示光的光斑，由於雷射與指示光共軸，因此指示光所指示的位置即為雷射的位置。移動工作頭，將可見指示光對準所需清洗的位置，前後移動工作頭，使監視器上待清洗物16表面的圖像清晰，此時即可觀察到待清洗物16表面在雷射輻照前的形貌。調節雷射器的雷射能量至所需雷射能量，打開工作頭上的開關10，雷射出射，輻照在待清洗物16上。輻照後，關閉開關10停止輻照，通過監視器14觀察待清洗物16表面在雷射輻照後的形貌，同時通過能量表頭5的示數換算雷射能量。判斷待清洗物表面形貌和雷射能量大小，當有需要時停止雷射輻照，可有效避免損傷的發生，並可以更好的判斷雷射清洗效果。在雷射輻照過程中，根據需要調節待清洗物 16表面的雷射光斑尺寸。實時在線監測系統中的透鏡II，可根據需要更換為不同焦距的透鏡或者顯微鏡鏡頭。通過改變光學參數，可將待清洗物表面的像放大不同的倍數顯示在監視器上。
監視器14可更換為電腦，安裝圖像採集軟體，即可將待清洗物表面形貌拍照記錄下來。本發明在進行清洗工作時，還可配置輔助氣體吹掃和吸塵裝置，提高清洗效率減少環境汙染。對於文物清洗，安全為第一要素，因此一般情況下首選單點清洗，以確保安全。當需要掃描清洗時，可將本發明的工作頭固定在電動平移臺上，通過控制電動平移臺進行掃描清洗，以提高清洗效率。
權利要求
1.一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機，其特徵在於，所述的清洗機含有雷射器 (1)、集成在雷射器(1)上的雷射能量監測系統和可見光指示系統、用於傳導雷射的導光臂(8)、工作頭；其中，所述的雷射能量監測系統包括能量探頭0)、能量表頭(5)、反射鏡I ( 和反射鏡II (3)；所述的可見光指示系統包括可見指示光源(7)和半透半反鏡 I (6)；所述的導光臂(8)由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口(15)、控制開關 (10)、實時在線監測系統和用於調節雷射光斑尺寸的透鏡I (9)；所述的實時在線監測系統包括C⑶圖像傳感器(13)、監視器(14)、透鏡II (12)和半透半反鏡II (11)；其連接關係是，雷射器(1)中依次放置有反射鏡I O)、反射鏡II (3)、半透半反鏡I (6)，還放置有能量探頭G)、可見指示光源(7)，置於雷射器(1)外部的能量表頭(5)與雷射器(1)中的能量探頭(4)連接；用於傳導雷射的導光臂(8)的一端與雷射器(1)中的半透半反鏡I (6)相連， 導光臂(8)的另一端與工作頭相連；工作頭中放置有透鏡I (9)、半透半反鏡II (11)、出光口(15)、透鏡II (12)、CCD圖像傳感器(13)，監視器(14)置於工作頭外部，與CCD圖像傳感器(13)連接；在工作頭中設置有用於控制雷射出射和關閉的控制開關(10)，控制開關(10) 與雷射器(1)相連接。
2.根據權利要求1所述的用於石質文物的可攜式雷射清洗機，其特徵在於，所述的雷射能量監測系統中，反射鏡I (2)採用對雷射的反射率為90% 98%的反射鏡；所述的反射鏡II (3)採用對雷射的反射率大於99%的反射鏡。
3.根據權利要求1所述的用於石質文物的可攜式雷射清洗機，其特徵在於，所述的可見光指示系統中，半透半反鏡I (6)採用對雷射的透過率大於99%，並對可見指示光的反射率大於70%的半透半反鏡。
4.根據權利要求1所述的用於石質文物的可攜式雷射清洗機，其特徵在於，所述的實時在線監測系統中，透鏡II (12)採用對可見光的透過率大於80%的透鏡；所述的半透半反鏡II (11)採用對雷射的反射率大於99%，並對可見光的透過率大於80%的半透半反鏡。
5.根據權利要求1所述的用於石質文物的可攜式雷射清洗機，其特徵在於，所述的透鏡I (9)採用對雷射的透過率大於99%的透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種用於石質文物的可攜式雷射清洗機，可對石質文物表面汙染物進行有效的清除，並有效避免清洗過程中發生損傷。本發明包括雷射器、集成在雷射器上的雷射能量監測系統和可見光指示系統、用於傳導雷射的導光臂和工作頭。本發明具有實時在線監測文物表面形貌、雷射能量監測、可見光指示和雷射光斑尺寸可調的功能。通過判斷待清洗物表面形貌和雷射能量大小，當有需要時立即停止雷射輻照，可有效避免文物損傷發生。可見指示光精確指示雷射，便於觀察雷射位置。可根據需要調節待清洗表面的光斑尺寸，使清洗過程更易控制。本發明的雷射清洗機適用於石質文物清洗，攜帶方便，易於使用。
文檔編號B08B7/00GK102327885SQ20111034354
公開日2012年1月25日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者葉亞雲, 欒曉雨, 王洪彬, 王海軍, 秦朗, 程曉鋒, 苗心向, 袁曉東, 賀少勃, 賀群, 趙龍彪, 馬志強, 齊揚 申請人:中國工程物理研究院雷射聚變研究中心