一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統的製作方法

2023-10-24 12:12:12 3

本實用新型涉及雷射振鏡掃描技術領域，具體為一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統。

背景技術：

雷射加工技術涵蓋了雷射切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等多種雷射加工工藝，利用了雷射與物質相互作用的基本特性。由於雷射束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優勢，奠定了雷射加工技術是一種無可替代的高新技術。

當前雷射切割佔了整個雷射加工行業的主要地位，而隨著雷射功率的提高，高功率雷射焊接、熔覆、表面處理等加工工藝也將得到更廣泛的擴展與提升，其中尤以高功率雷射焊接能夠更快普及，如在汽車、航空、船舶等多個行業的應用推廣。

在雷射工業加工應用中，常規的雷射技術方案不足以滿足各類加工需求，各類複雜圖形的處理應用多有限制，靠著龐大的工具機設備運作也十分不便，且加工精度與速度也亟待提高，振鏡掃描方案便應運而生。

振鏡掃描以高速著稱，在mm量級乃至大範圍的m量級內能夠實現各類形狀的快速掃描，且掃描精度與重複精度極高，主要用於雷射打標、雷射內雕、雷射焊接、雷射打孔行業等，隨著雷射功率的逐步提升，振鏡掃描應用將得到更大程度的擴展，而作為振鏡掃描的掃描鏡片，雖鏡片加工工藝更好，鍍膜工業也越加成熟，因無法直接水冷仍將受到高功率特別是萬瓦級以上功率雷射應用的限制，再加上常規的雙振鏡掃描系統兩片振鏡都會因為鏡片的光束偏轉角而引起雷射反射率的不小變化，另外傳統的3D振鏡掃描依靠位移調焦模組，增加了光路複雜度，同時聚焦光斑大小往往有異，一定程度上限制了雷射加工幅面。

在大功率雷射加工問題上，能夠直接水冷以及良好導熱性的金屬反射型鏡片，在保證較小的通光孔徑下，依舊能夠承受極高的雷射功率，這是難以替代的優勢。而且，普通振鏡掃描系統在雷射加工即便是二維掃描加工過程中往往需要較多鏡片組成，降低了光束能量利用率，而反射式光路則相對更好。

自適應鏡，作為一種曲面可變的特殊光學反射鏡片，意在取代當前的位移調焦模組。常規的自適應鏡，其曲面類型涵蓋球面與非球面，球面自適應鏡用於光束偏轉角較小光路中，而非球面自適應鏡則常用於光束偏轉角較大的光路中。當下的自適應鏡，依靠鏡片背面的單氣流通道中充入氣壓，與鏡面外氣壓形成壓差，通過壓差的改變，來改變自適應鏡的曲面焦距，自適應鏡壓差與焦距往往存在線性關係，加上金屬直接水冷結構，奠定了自適應鏡無可替代的優勢。

基於上述各點，本實用新型提出一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統，光路包括第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡，基於自適應鏡的可調變焦特性，基於單振鏡雙軸旋轉特性，基於金屬材料的良好導熱性，基於雷射器種類鍍不同的高反射率膜層，特別適用於千瓦、萬瓦級高功率雷射器的3D雷射大幅掃描加工應用。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本實用新型提供如下技術方案：一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統,包括第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡，所述第一自適應鏡與第二自適應鏡有相同的光束偏轉角且中心法線平行，組成連續變倍擴束模塊；所述第三自適應鏡置於長焦離軸拋物鏡之前，光束依次經過第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡鏡片中心與光束中心重合。

優選的，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡以及第三自適應鏡均為橢圓柱狀反射鏡。

優選的，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡以及第三自適應鏡反射鏡面均為凹凸可變曲面。

優選的，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡以及第三自適應鏡反射鏡安裝面具有單氣流通道。

優選的，所述長焦離軸拋物鏡為圓柱狀斜反射鏡，聚焦焦距長。

優選的，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡帶水冷通道。

優選的，所述第一自適應鏡、第二自適應鏡、第三自適應鏡、長焦離軸拋物鏡以及平面反射振鏡鏡片均為導熱性良好的金屬鏡片。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

(1)本實用新型結構設計新穎，採用單振鏡掃描方案，平面反射振鏡具備雙軸旋轉，即既能繞反射鏡面旋轉，也能以入射光軸旋轉。

(2)在同樣實現3D大幅掃描的同時優化振鏡數量，雙軸旋轉中繞入射光軸旋轉不影響雷射反射率，改善了光束偏轉角所引起的雷射反射率變化。

(3)本實用新型採用全反射式金屬光學鏡片，可直接水冷，具有良好導熱特性，大幅提高鏡片承受功率。

(4)本實用新型的第一自適應鏡與第二自適應鏡組合組成連續變倍擴束模塊，對平行入射光束進行連續可調的擴束或縮束，目的在於不改變聚焦焦點位置的同時，改變聚焦光斑直徑。

(5)本實用新型第三擴束鏡與離軸拋物鏡構成聚焦調焦模塊，對變倍擴束模塊後的擴束光斑進行聚焦並實現大幅調焦。

(6)本實用新型引入了自適應鏡變倍擴束模塊與聚焦調焦模塊，在保證鏡片安裝固定不動的前提下，既能夠單獨控制聚焦光斑大小，又能夠保證聚焦光束大幅調焦，通過平面反射振鏡雙軸旋轉配合，可以實現3D大幅面雷射掃描應用。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體工作原理圖；

圖2為本實用新型的平面反射振鏡結構示意圖；

圖3為本實用新型的實施例1結構示意圖；

圖4為本實用新型的實施例2結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

請參閱圖1-4，本實用新型提供一種技術方案：一種基於單振鏡與自適應鏡3D掃描光學系統，包括第一自適應鏡1、第二自適應鏡2、第三自適應鏡3、長焦離軸拋物鏡4以及平面反射振鏡5，所述第一自適應鏡1與第二自適應鏡2有相同的光束偏轉角且中心法線平行，組成連續變倍擴束模塊；根據光路傳輸方向，所述第三自適應鏡3置於長焦離軸拋物鏡4之前，光束依次經過第一自適應鏡1、第二自適應鏡2、第三自適應鏡3、長焦離軸拋物鏡4以及平面反射振鏡5，第一自適應鏡1、第二自適應鏡2、第三自適應鏡3、長焦離軸拋物鏡4以及平面反射振鏡5鏡片中心與光束中心重合。

本實用新型中，在考慮通光孔徑最優化以及曲面變形精度情況下，第一自適應鏡1、第二自適應鏡2以及第三自適應鏡3均為橢圓柱狀反射鏡，橢圓柱長短軸比值取決於自適應鏡光束偏轉角。

本實用新型中，第一自適應鏡1、第二自適應鏡2以及第三自適應鏡3反射鏡具有單氣流通道，反射鏡面均為凹凸可變曲面，通過單氣流通道中充入氣壓壓差的改變，來改變第一自適應鏡1、第二自適應鏡2以及第三自適應鏡3的曲面焦距。

本實用新型中，在保證通光孔徑利用率基礎上，為了降低鏡片重量，並便於安裝與識別鏡片方向性，長焦離軸拋物鏡4為圓柱狀斜面反射鏡，焦距較長。

本實用新型中，第一自適應鏡1、第二自適應鏡2、第三自適應鏡3、長焦離軸拋物鏡4以及平面反射振鏡5為具有良好導熱性的金屬材料，帶水冷通道，便於直接水冷，大幅提高鏡面雷射功率損傷閾值。

本實用新型中，第一自適應鏡1與第二自適應鏡2構成連續變倍擴束模塊，第三自適應鏡3與長焦離軸拋物鏡4構成聚焦調焦模塊。

本實用新型中，平面反射振鏡5具備雙軸旋轉方式，即既能繞反射鏡面中心軸9旋轉，也能以入射光軸10旋轉。

工作原理：平行光束水平入射到第一自適應鏡1，通過調節第一自適應鏡1的氣壓壓差，改變入射光束髮散收縮特性，反射光束經過第二自適應鏡2，同時按照一定算法關係控制調節第二自適應鏡2的氣壓壓差，使得發散或收縮的光束反射後為平行光束。這其中，第一自適應鏡1與第二自適應鏡2構成連續變倍擴束模塊，對平行入射光束實現了擴束或縮束，使得聚焦光斑直徑發生變化，並同時不影響聚焦焦點位置。經過擴束或縮束後的平行光束，再水平入射到第三自適應鏡3鏡面，同樣基於自適應鏡特性對雷射束髮散收縮性進行處理，對應的反射光束入射到長焦離軸拋物鏡4，以實現光束聚焦，聚焦焦點位置依賴於第三自適應鏡3與長焦離軸拋物鏡4的參數配合，這樣可實現聚焦光束焦點位置的大幅變化。聚焦光束入射到平面反射振鏡5上，通過平面反射振鏡5鏡面中心軸9與入射光軸10配合旋轉，在平面反射振鏡5下方可獲得任意水平面上的掃描圖形，加上連續變倍擴束模塊以及聚焦調焦模塊之間的相互配合，既能滿足聚焦焦點位置的補償，又能保證平面反射振鏡5下方同一水平面上聚焦光斑一致性，再基於長焦離軸拋物鏡4長聚焦特性，即實現了3D大幅掃描雷射加工應用。

實施例1：

本實施例是針對光纖輸出類雷射器，光纖雷射輸出後，經過離軸拋物鏡6準直，其中，光纖出光點位置與離軸拋物鏡6焦點重合，準直光束經過第一自適應鏡1與第二自適應鏡2構成連續變倍擴束模塊進行變倍擴束，擴束光束再經由第三自適應鏡3與長焦離軸拋物鏡4構成聚焦調焦模塊聚焦並調焦，最後經過雙軸旋轉的平面反射振鏡5反射。基於連續變倍擴束模塊以及聚焦調焦模塊之間的相互配合進行焦點位置補償與光斑直徑補償，基於平面反射振鏡5雙軸旋轉角度配合，實現平面反射振鏡5下方3D空間內任意圖形的掃描應用。

實施例2：

本實施例是針對自由輸出平行光束，平面反射鏡7與平面反射鏡8組成光束同軸調節模塊，在平行光束入射下，依次經過平面反射鏡7與平面反射鏡8，由於入射過程中可能產生角度偏差與位置偏差，所以需要平面反射鏡7與平面反射鏡8組成的光束同軸調節系統對光束同軸進行調節，再經過第一自適應鏡1與第二自適應鏡2構成連續變倍擴束模塊進行變倍擴束，擴束光束經由第三自適應鏡3與長焦離軸拋物鏡4構成聚焦調焦模塊聚焦並調焦，最後經過雙軸旋轉的平面反射振鏡5反射。基於連續變倍擴束模塊以及聚焦調焦模塊之間的相互配合進行焦點位置補償與光斑直徑補償，基於平面反射振鏡5雙軸旋轉角度配合，實現平面反射振鏡5下方3D空間內任意圖形的掃描應用。

本實用新型結構設計新穎，採用單振鏡掃描方案，引入了自適應鏡變倍擴束模塊與聚焦調焦模塊，在保證鏡片安裝固定不動的前提下，既能夠單獨控制聚焦光斑大小，又能夠保證聚焦光束大幅調焦，突破了傳統位移調焦模組限制；在同樣實現3D大幅掃描的同時優化振鏡數量，雙軸旋轉中繞入射光軸旋轉不影響雷射反射率，改善了光束偏轉角所引起的雷射反射率變化；全反射式金屬光學鏡片，可直接水冷，具有良好導熱特性，大幅提高鏡片承受功率，同時較長的聚焦焦距，根據雷射器的種類有不同的鍍膜，尤其適用於千瓦、萬瓦級高功率雷射器的3D雷射大幅掃描加工應用。

儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由所附權利要求及其等同物限定。