雷射變長線掃描系統的製作方法

2023-10-07 05:44:49

專利名稱：雷射變長線掃描系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種雷射變長線掃描系統，它主要用於雷射燒結變長線掃描快速成型機中，也可以用於其它雷射加工或雷射信息處理技術中。
現有雷射作能量源的快速成型機，都是採用雷射點掃描的方法，用聚光鏡將雷射束聚焦成點，聚光點作用於工作面上以便於加工零件。雷射點掃描系統一般有兩種型式，一種型式為透鏡後掃描即在聚光鏡後設置光學掃描器；另一種型式為透鏡前掃描即在聚光鏡前設置光學掃描器。透鏡後掃描(見

圖1)的聚光鏡位於近軸光下工作，因此其口徑可以做得很小，結構和加工都很簡便。但是其聚焦點的掃描軌跡為一圓弧，在軌跡邊緣A′處與工作面A處相離甚遠，只有在軌跡中心C處才能與工作面重合，而且掃描半徑越小，這種相離越大，嚴重影響工件質量或後續信息處理的質量。
在透鏡前掃描中(見圖2)，掃描軌跡為一直線，可與工作面完全重合，掃描質量好。但是聚光鏡已經不是在近軸光而是在較大視場下工作，因此聚光鏡單元的口徑較大。對於製作聚光鏡的晶體材料來講，口徑越大，該晶體材料的毛坯質量越難保證，一旦材料中存在一點雜質或微小疵病，都有可能造成雷射能量的局部積聚而引起材料炸裂。除此之外，由於透鏡前掃描使聚光鏡單元的工作視場增大，為了對其視場象差進行校正，必然造成聚光鏡單元結構複雜化，本來可由一塊透鏡組成的聚光鏡單元，可能要用兩塊甚至三塊透鏡才能達到目的。同時由於口徑加大，還造成光學加工的困難。
本發明的目的是提供一種選用光束變形單元口徑小、結構簡單、加工方便、並能提高成型速度和成型件質量的雷射變長線掃描系統。
本發明的任務是這樣實現的該雷射變長線掃描系統包括雷射器、準直擴束單元、光學掃描器、光束變形單元和擋板，準直擴束單元設在雷射器之後，光學掃描器設在準直擴束單元和光束變形單元之間，擋板設在工作面上。
上述雷射器為內含指向半導體雷射器的CO2雷射器，其他氣體雷射器、固體雷射器或半導體雷射器。
上述準直擴束單元由一個倒置的伽俐略望遠鏡組成，根據準直與擴束的具體要求確定其倍率。伽俐略望遠鏡的最簡單的形式由一塊負球鏡和一塊正球鏡組成，兩鏡焦距之比等於準直擴束倍率。
上述光學掃描器為導軌式光學掃描器或轉鏡式光學掃描器。導軌式光學掃描器由兩個或兩個以上的光學反射鏡和導軌及電機組成，光學反射鏡裝在導軌上，兩套正交設置的導軌在電機的驅動下在x-y平面內運動。轉鏡式光學掃描器由兩套光學反射鏡和定位馬達組成，該兩套光學反射鏡和定位馬達正交設置以便於實現在x-y平面內的二維掃描。
上述光束變形單元由一正一負兩塊光焦度符號相反、數值不等的非球面折射光學元件膠合在一起或小間隔配置，使從雷射器發出的光束變成一條線束；通過改變光束變形單元中的正光焦度元件的焦距和孔徑光欄尺寸控制線束的寬度，通過改變光束變形單元中的負光焦度元件的焦距控制線束的長度。
上述光束變形單元中的負光焦度元件可用一個由一正一負兩塊薄的非球面折射元件組成的變焦單元替代，連續改變兩非球面折射元件的間隔，使變焦範圍從負值到零再為正值，從而實現從點到某一線長範圍內的連續變長。
在光束變形單元輸出一方增設一塊負球鏡，使其後焦點與光束變形單元中正光焦度元件的後焦點重合，形成一望遠鏡單元，則在本子午面內可輸出線寬不變的細的平行光束，在另一個與之相垂直的子午面內的不同位置上可獲得不同的線長。移動望遠鏡單元改變工作距離即可實現線束連續變長。
為改善雷射線束能量密度的均勻性，將由幾套光學系統得到的兩條或兩條以上的線束相互搭接起來，取其中間能量密度均勻分布的部分，兩邊能量密度低的部分使用擋板擋掉。
由於本發明採用了上述技術方案，因此與現有技術相比，具有下列優點1、由於光束變形單元的口徑小，所以可選用較小直徑的晶體材料作為光束變形單元晶體的材料，直徑小於25mm；2、光束變形單元的結構簡單，由一塊透鏡即可構成，且加工方便；3、提高了成型的速度；4、提高了成型件的質量，特別是提高了大工件的加工質量。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
圖1是透鏡後掃描示意圖；圖2是透鏡前掃描示意圖3是導軌式雷射變長線掃描系統示意圖；圖4是光束變形單元示意圖；圖5是線束搭接改善能量分布的均勻性的示意圖；圖6是轉鏡式雷射變長線掃描系統示意圖；圖7是含有變焦功能的光束變形單元示意圖；圖8是變焦單元連續改變線長的示意圖；圖9是φ-d關係曲線圖；圖10是線寬不變、線長連續變化的望遠鏡單元示意圖。
圖3是本發明的一個實施例的示意圖。本實施例為導軌式雷射變長線掃描系統，該系統由內含指向半導體雷射器的CO2雷射器1、準直擴束單元2、反光鏡3、導軌式光學掃描器4和5、光束變形單元6和兩塊擋板7構成。準直擴束單元2設在CO2雷射器1之後，導軌式光學掃描器4和5設在準直擴束單元2和光束變形單元6之間，擋板7設在工作面P上，雷射線束S。反光鏡3設在準直擴束單元2和導軌式光學掃描器4之間。導軌式光學掃描器由兩個光學反射鏡和導軌及電機組成，光學反射鏡裝在導軌上，兩套正交設置的導軌在電機的驅動下在x-y平面內運動。
由CO2雷射器1發出的準平行圓光束經準直擴束單元2後進一步準直並擴束，經反光鏡3後折嚮導軌式光學掃描器4和5上，裝在導軌上的光學掃描器4和5，通過平移實現x軸和y軸向的掃描。通過光學掃描器的雷射束再經光束變形單元6在工作面P上形成一條又細又長的雷射線S。當光學掃描器5、光束變形單元6和擋板7沿著x軸移動時，雷射線就在工作面P的x軸向掃描。當光學掃描器4和5以及光束變形單元6和擋板7沿著y軸移動時，雷射線就在工作面P的y軸向掃描。擋板7由計算機控制實現工作面P上雷射線的變長。CO2雷射器內含有的半導體雷射器發出紅色指向光束並與CO2雷射器發出的紅外雷射束同光路輸出。該紅色指向光到達工作面時也為一條線束，並與CO2雷射束重合，在裝置裝調和運行時起到指示雷射線束位置的作用。
上述CO2雷射器還可以由其他氣體雷射器、固體雷射器或半導體雷射器代替。
上述準直擴束單元由一個倒置的伽俐略望遠鏡組成，根據準直與擴束的具體要求確定其倍率。其最簡單的形式由一塊負球鏡和一塊正球鏡組成，兩鏡焦距之比等於準直擴束倍率。
上述光束變形單元由一正一負兩塊光焦度符號相反、數值不等的非球面折射光學元件膠合在一起或小間隔配置(見圖4)。在圖4中，9-負光焦度非球面折射光學元件；10-正光焦度非球面折射光學元件；E-平面波波陣面，6-光束變形單元。設有一束平行光，發出九條光線，經正光焦度非球面折射光學元件10和負光焦度兩塊非球面折射光學元件9組成的光束變形單元6後，在一個子午面內將光束會聚成線，在另一個與之相垂直的子午面內將光束展寬成長線S，形成所要求的又細又長的雷射線束。
線束的寬度
當選定雷射波長λ後，合理改變孔徑光欄尺寸b和正光焦度元件焦距f′正，就可以得到所要求的線寬。
線束的長度
當確定輸入雷射束口徑a以及工作距l後，合理改變負光焦度元件焦距f′負，就可以得到不同的線長。
考慮到CO2雷射器輸出高斯光束，展成線束後仍為高斯分布，則在線長方向上能量分布是不均勻的，為提高能量密度的均勻性；可以使用兩套或兩套以上的雷射器和光學系統，得到兩條或兩條以上的雷射線，然後將它們搭接起來(見圖5)。圖5-1中a-雷射器輸出光束的能量分布，b-展成線後的能量分布。圖5-2為三條線搭接後的能量分布，其中平坦部分c為能量均勻分布的部分，兩邊能量密度低的部分使用擋板擋掉。雷射線搭接要求各套光學元件參數儘量一致，保證有相同的線寬，並經精密校正，使各條雷射線位於同一直線上。
圖6為轉鏡式雷射變長線掃描系統實施例的示意圖。由圖6可知，該掃描系統由雷射器1、準直擴束單元2、轉鏡式光學掃描器8、光束變形單元6和兩塊擋板7構成。轉鏡式光學掃描器8設在準直擴束單元2和光束變形單元6之間，其餘結構與導軌式掃描系統的相同。轉鏡式光學掃描器8由兩套光學反射鏡和定位馬達組成，該兩套光學反射鏡和定位馬達正交設置以便於實現在x-y平面的二維掃描。圖6中的P-工作面，S-雷射線束。轉鏡式光學掃描器在x-y平面內掃描時，雷射線束S在工作面P上也作x-y二維掃描。掃描器的掃描角為α，光束變形單元的入射視場角即為2α，它們決定於工件的加工尺寸。雷射線束的變長也是由兩塊擋板通過計算機控制來實現的。
上述兩個實施例中的雷射線的變長都需要由兩塊擋板來完成。這兩塊擋板位於工作面上方，儘可能接近工作面。它們的開合動作在導軌上由電機驅動，開合移動量根據工件各加工層面的幾何形狀信息由計算機控制。雖然使用擋板能實現雷射線束的變長，但要進一步簡化設備的結構，可以將光束變形單元中的負光焦度元件用一個由一正一負兩塊薄的非球面折射元件組成的變焦單元替代(見圖7)。如圖7所示，光束變形單元中的變焦單元由一塊正非球面折射元件12和一塊負非球面折射元件11組成，圖中d為兩元件的間隔，連續改變該間隔d，可使變焦範圍從負值到零再為正值，從而實現從點到某一線長範圍內的連續變長，即可省掉上述兩個實施例中的擋板元件。
在這個變焦單元中，總光焦度φ=φ1+φ2-dφ1φ2，其中φ1為負光焦度元件光焦度，φ2為正光焦度元件光焦度，d為兩鏡的間隔。當φ1、φ2確定以後，φ與d成線性。f′=l/φ,f′與d不成線性。圖9表示了φ與d的關係曲線。
圖8是利用變焦單元連續改變線長的示意圖。下面結合圖8說明變焦的過程及與雷射線束變長的關係。圖8(a)位於某一子午面內，在此子午面內變焦單元相當於一個平面鏡，平行光入射後聚焦於光束變形單元中正光焦度元件10焦平面(即工作面HH′)上。圖8(b)、圖8(c)和圖8(d)位於與圖8(a)相垂直的子午面內，此時光束變形單元的正光焦度元件10相當於一個平面鏡，而由一塊正非球面折射元件12和一塊負非球面折射元件11組成的變焦單元的總光焦度由負(b)變為零(c)，再變為正(d)。它們在工作面上的線長由粗線表示。由圖8(d)繼續發展，當變焦單元的總光焦度與圖8(a)中光束變形單元中正光焦度元件的光焦度相等時，就在工作面上形成一個點。這樣，就實現了從點到某一線長範圍內的連續變長。
如圖10所示，在光束變形單元(圖4)輸出一方增設一塊負球鏡13，使其後焦點與光束變形單元中正光焦度元件10的後焦點重合，形成一望遠鏡單元，則在本子午面內可輸出線寬不變的細的平行光束，而在另一個與之相垂直的子午面內的不同位置上可獲得不同的線長。移動望遠鏡單元改變工作距離即可實現線束連續變長。使用該光束變形單元同樣可以得到與使用擋板改變線長和使用變焦單元改變線長的目的。
權利要求
1.一種雷射變長線掃描系統，其特徵在於它包括雷射器、準直擴束單元、光學掃描器、光束變形單元和擋板，準直擴束單元設在雷射器之後，光學掃描器設在準直擴束單元和光束變形單元之間，擋板設在工作面上。
2.根據權利要求1所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述雷射器為內含指向半導體雷射器的CO2雷射器，其他氣體雷射器、固體雷射器或半導體雷射器。
3.根據權利要求1所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述準直擴束單元由一個倒置的伽俐略望遠鏡組成，根據準直與擴束的具體要求確定其倍率。
4.根據權利要求3所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述伽俐略望遠鏡的最簡單的形式由一塊負球鏡和一塊正球鏡組成，兩鏡焦距之比等於準直擴束倍率。
5.根據權利要求1所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述光學掃描器為導軌式光學掃描器或轉鏡式光學掃描器。
6.根據權利要求5所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述導軌式光學掃描器由兩個或兩個以上的光學反射鏡和導軌及電機組成，光學反射鏡裝在導軌上，兩套正交設置的導軌在電機的驅動下在x-y平面內運動。
7.根據權利要求5所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述轉鏡式光學掃描器由兩套光學反射鏡和定位馬達組成，該兩套光學反射鏡和定位馬達正交設置以便於實現在x-y平面內的二維掃描。
8.根據權利要求1所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述光束變形單元由一正一負兩塊光焦度符號相反、數值不等的非球面折射光學元件膠合在一起或小間隔配置，使從雷射器發出的光束變成一條線束；通過改變光束變形單元中的正光焦度元件的焦距和孔徑光欄尺寸控制線束的寬度，通過改變光束變形單元中的負光焦度元件的焦距控制線束的長度。
9.根據權利要求8所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於所述光束變形單元中的負光焦度元件可用一個由一正一負兩塊薄的非球面折射元件組成的變焦單元替代，連續改變兩非球面折射元件的間隔，使變焦範圍從負值到零再為正值，從而實現從點到某一線長範圍內的連續變長。
10.根據權利要求8所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於在光束變形單元輸出一方增設一塊負球鏡，使其後焦點與光束變形單元中正光焦度元件的後焦點重合，形成一望遠鏡單元，則在本子午面內可輸出線寬不變的細的平行光束，在另一個與之相垂直的子午面內的不同位置上可獲得不同的線長。
11.根據權利要求10所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於移動望遠鏡單元改變工作距離即可實現線束連續變長。
12.根據權利要求1所述的雷射變長線掃描系統，其特徵在於為改善雷射線束能量密度的均勻性，將由幾套光學系統得到的兩條或兩條以上的線束相互搭接起來，取其中間能量密度均勻分布的部分，兩邊能量密度低的部分使用擋板擋掉。
全文摘要
本發明涉及一種雷射變長線掃描系統。現有的雷射快速成型中使用的雷射點掃描系統存在著結構簡單、加工複雜、成型件質量差等缺點。本發明包括雷射器、準直擴束單元、光學掃描器、光束變形單元和擋板,準直擴束單元設在雷射器之後,光學掃描器設在準直擴束單元和光束變形單元之間,擋板設在工作面上。本發明具有結構簡單、加工方便、成型速度快和加工質量好等優點。
文檔編號G02B26/10GK1218193SQ97122130
公開日1999年6月2日 申請日期1997年11月24日 優先權日1997年11月24日
發明者朱林泉, 程軍, 周漢昌, 劉增祿 申請人:華北工學院