CN103955061B

CN103955061B - 一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置

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Publication number: CN103955061B
Application number: CN201410163288.4A
Authority: CN
Inventors: 王学锋; 刘佳; 于文鹏; 王军龙; 于淼
Original assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Current assignee: China Aerospace Times Electronics Corp
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: CN103955061A

Abstract

一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块(10)、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜(50)、驱动电机(60)和准直聚焦透镜(70)；高斯-平顶系统将激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜(50)上，渐变旋转多面镜(50)在驱动电机(60)的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜(70)折射后在待清洗物体(80)上形成面状光斑。

Description

一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置

技术领域

本发明涉及一种激光清洗机的均匀光斑面扫描方法及装置。它是一种将能量分布不均匀、点状光斑的激光光束经过变换整形为能量分布均匀、面型扫描的激光光斑的光学系统。主要应用于激光清洗或其他激光表面处理领域。

背景技术

激光清洗技术是采用高功率密度的激光直接照射在物体表面，使表面上附着的涂层、锈迹和油污瞬间蒸发、烧蚀或剥离。多数情况下，激光器的输出为圆形平行光束，能量呈高斯型分布。目前的激光清洗机进行扫描时，通常都是使用准直聚焦透镜直接将这种光束进行聚焦，因此待清洗物表面的激光光斑能量也呈高斯型分布，使光斑中心能量过高，可能会超过材料的损伤阈值；而光斑外围能量低，可能低于清洗阈值。为此在工作时只能采用较高的光斑搭接率以保证清洗效果，导致清洗速度低下，清洗程度不均匀。业内常用激光整型方法改变激光能量分布，包括光波导反射整型器、复眼均束整型器和带光阑的望远镜系统等。光波导反射整型器是在光学系统中引入光波导，使入射激光在系统内部多次反射，从而使激光光束均匀分布；复眼均束整型器是将入射激光束进行分割和叠加，其能量损失率较高；带光阑的望远镜系统只是将外围能量低的区域进行了隔离，只保留中心高能量区域，属于伪均匀分布，同时还需要风冷或水冷系统进行配合。对于需要高速高精度的激光清洗领域，传统的激光整型方法并不能达到理想的效果。

激光束聚焦后为直径很小的点状光斑，这种光斑虽然能量很高，有利于激光清洗效果，但是单位时间内能清洗的面积也很小，直接应用时清洗速度会很慢。目前激光清洗机常用的方法有三种：一是采用单振镜系统将激光束扫描成线状光斑，再配合工作台移动进行清洗；二是采用单面万向镜，使用万向架结构，使得单镜面实现两个方向的偏转，形成面状光斑，对目标进行清洗；三是采用双振镜系统直接将激光束扫描成面状光斑，对目标进行清洗。第一种线状扫描方式的缺陷在于：当工作台移动速度不均匀时，容易造成漏清洗或过清洗。第二种和第三者面状扫描方式的缺陷在于：目标平面的光斑位置存在失真，并非线性对应关系，仅凭光学系统和机械机构很难校正。同时这三种光束扫描方式均存在控制电路，电路的控制、安装、复杂性和可靠性都需要考虑。且振镜系统并不适合用于外部环境恶劣(振动、温湿度变化大)的场所。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，该装置能够大大提高激光清洗的速度且控制简单。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜、驱动电机和准直聚焦透镜；高斯-平顶系统将激光器输出模块出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜上，渐变旋转多面镜在驱动电机的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜折射后在待清洗物体上形成面状光斑。

还包括反射镜，反射镜将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜。

还包括反射镜，激光器输出模块出射的高斯型激光束先经反射镜反射后进入高斯-平顶系统。

所述的反射镜表面镀有45°增反膜。

所述的渐变旋转多面镜由n个平面镜以不同角度组装在与驱动电机60输出轴共轴的柱面体上。

所述的平面镜个数n＝4πf/w，其中f为准直聚焦透镜的焦距，w为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度。

所有平面镜的中心点位于同一个垂直于驱动电机输出轴的平面上，选取一个平面镜与驱动电机的输出轴平行安装，以该平面镜为基准，与驱动电机旋转方向同向的相邻平面镜以固定安装角度差递增或递减，与驱动电机旋转方向反向的相邻平面镜以固定安装角度差递减或递增；上述安装角度差α＝45hw/2π²f²，其中，f为准直聚焦透镜的焦距，w、h分别为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度和高度。

所述准直聚焦透镜的焦点位置与平面镜的中心点重合。

所述的能量均匀为在激光束的能量分布图上光斑中心到边缘范围内，单位面积内的光能量波动在光斑中心强度的10％以内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)通过光学结构设计，利用非球面透镜组形成“高斯-平顶”系统，将能量分布不均匀激光束进行能量重新分配，能够获得直径小、能量均匀分布、光功率损耗低的激光光斑。这种光斑可以降低搭接率，激光清洗速度得到了明显提高。

(2)利用一个简单易控的驱动电机带动渐变旋转多面镜单元，形成激光束角扫描，再配合准直聚焦镜，实现了对激光束的面状扫描，增加了激光光斑的覆盖范围。能够提高激光清洗的速度，简化系统控制电路。系统无需采用传统的二维扫描振镜和复杂的控制电路，仅用一个简单的驱动电机即可形成周期性扫描，控制简单，结构紧凑，抗振性能强，适合用于大型工业生产线。

(3)本发明装置能够降低激光光斑搭接率：一般高斯型光斑的能量分布情况是80％的能量集中在光斑中心区域，光斑外围的20％激光能量分布在一个大面积环形区域，不足以产生清洗效果，因此高斯型光斑搭接率一般在30％以上才能保证没有漏清洗。如果激光能量是均匀分布，那么光斑搭接率可降低到15％以下，通过提高激光能量利用率加快了清洗速度。

附图说明

图1为本发明的光学系统光路结构图；

图2为本发明的光学系统局部视图(a)和局部右视图(b)。

图3为本发明采用的渐变旋转多面镜示意图。

具体实施方式

一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块10、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜50、驱动电机60和准直聚焦透镜70；高斯-平顶系统将激光器输出模块10出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀(能量均匀为在激光束的能量分布图上光斑中心到边缘范围内，单位面积内的光能量波动在光斑中心强度的10％以内)的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜50上，渐变旋转多面镜50在驱动电机60的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜70折射后在待清洗物体80上形成面状光斑。

本发明装置中还可以增加一个反射镜40，且反射镜40的位置有两种不同的方式，一种通过反射镜40将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜50。另一种方式激光器输出模块10出射的高斯型激光束先经反射镜40反射后进入高斯-平顶系统。反射镜40表面镀有45°增反膜，对工作激光具有极高的反射率。特定情况下，如激光输出端已经是均匀光束，则光路中非球面透镜组可以省略掉。

“高斯-平顶”系统可以是如图1所示的由非球面透镜20和30组成的两片透镜组成，也可以由多片透镜组成；存在开普勒望远系统(实焦点对实焦点)或伽利略望远系统(实焦点对虚焦点)两种组合形式，实现压缩光束直径的作用。驱动电机60的类型任意，可以是直流电机、交流电机或步进电机等等。

渐变旋转多面镜50由n个平面镜以不同角度组装在与驱动电机60输出轴共轴的柱面体上，准直聚焦透镜70的焦点位置与平面镜的中心点重合。如图3所示，假设准直聚焦透镜70的焦距为f，激光扫描面的宽度为w(即待清洗物体上形成的面状光斑的宽度)，高度为h。

以电机旋转一周扫描一次为例，那么多面镜的数量n和安装角度差α的计算过程是：

每块镜面负责水平扫描的角度为：θ＝w/f(单位为弧度)即θ＝180w/πf(单位为度)；

根据几何光学的反射定律，每块镜面实际转动角为：θ/2即90w/πf；

整个圆周有360度，因此镜面总数量：n＝360/(θ/2)＝4πf/w；

n应取整数，所以在实际设计过程中要根据计算结果适量调整w值。

多面镜对应垂直方向角度总变化量为：η＝h/f(单位为弧度)即η＝180h/πf(单位为度)

每块镜面负责垂直扫描角度为：η/n＝45hw/π²f²

根据几何光学的反射定律，相邻镜面的安装角度差为：α＝η/2n＝45hw/2π²f²

如果需要电机旋转一周扫描m次，则水平扫描角度不变，镜面总数n也不变，垂直方向角度变化持续m个周期：

多面镜对应垂直方向角度总变化量为：η＝mh/f(单位为弧度)即η＝180mh/πf(单位为度)

每块镜面负责垂直扫描角度为：η/n＝45mhw/π²f²

根据几何光学的反射定律，相邻镜面的安装角度差为：α＝η/2n＝45mhw/2π²f²；

m、n都要取整数，而且光斑需要连续，因此实际设计过程中一次扫描m周期的多面镜，对应光斑h值会降低约m倍。

具体安装如下：所有平面镜的中心点位于同一个垂直于驱动电机输出轴的平面上，选取一个平面镜与驱动电机60的输出轴平行安装，以该平面镜为基准平面镜，n个平面镜(包括作为基准的平面镜)的安装角度呈等差数列排列，等差值为α＝45hw/2π²f²。当n为奇数时，各平面镜与基准平面镜角度差为：-(n-1)α/2，-(n-3)α/2，-(n-5)α/2，……，0，……，(n-5)α/2，(n-3)α/2，(n-1)α/2。当n为偶数时，取n’＝n+1，将n’代入奇数情况进行计算，然后去除计算结果的第一项或最后一项即可。需要说明的是：平面镜在渐变旋转多面镜上的安装顺序可以打乱，只需满足以上角度差值为α的排列即可。

实施例

下面结合附图对本发明所述的一个具体实例进行说明：

本实例针对入射激光的光斑形状为圆形(直径8mm)，光能量呈高斯分布、中心波长为1064nm的红外激光进行设计，适用于激光清洗及激光表面处理。本实例由激光器输出模块10、非球面透镜20、非球面透镜30、反射镜40、渐变旋转多面镜50、驱动电机60和准直聚焦透镜70组成。

装置中包含的元件及特征为：工作激光来源是光纤激光器、YAG激光器或CO2激光器，激光器输出模块10发射连续或脉冲式激光，能量非均匀分布(典型呈高斯型)，激光波长段为0.532μm～10.64μm，输出功率小于1000W；非球面透镜20和30的材料为石英、CaF或ZnSe，表面镀增透膜，对工作激光具有极高的透过率；反射镜40表面镀有45°增反膜，对工作激光具有极高的反射率；渐变旋转多面镜50由多个反射镜面组成，每个反射镜面的安装角度各不相同且连续变化；驱动电机60用于带动渐变旋转多面镜50绕其轴心转动，驱动电机能够直接供电驱动，不需要复杂的控制电路；准直聚焦镜70的材料为石英、CaF或ZnSe，表面镀增透膜，对工作激光具有极高的透过率，其焦点位置与渐变旋转多面镜的反射镜面中心重合。

光学系统结构如图1，光学系统的工作过程如图中箭头所示传播方向。激光器输出模块10出射的大直径高斯型激光束平行进入非球面透镜20，非球面透镜20的直径为20mm，焦距为100mm，材料为熔融石英，表面镀有增透膜，对1064nm波长的光线透过率达99.5％以上，对入射激光产生了会聚作用。非球面透镜30的直径为10mm，焦距为20mm，材料为熔融石英，表面镀有增透膜，对1064nm波长的光线透过率达99.5％以上，其前焦点与非球面透镜20的后焦点重合，因此将发散的激光重新准直。在此过程中，非球面透镜20与非球面透镜30组成了一个“高斯-平顶”系统，前后两镜同轴且焦点重合，组成方式通过光线追迹软件设计(如ZEMAX、CODEV、OSLO等)实现，将呈高斯分布的激光能量重新进行均匀化分布，同时非球面透镜20与非球面透镜30还组成了一个开普勒望远镜系统，由于非球面透镜20与非球面透镜30之间的焦距之比为5：1，因此激光束直径被压缩了5倍，即8mm的光束直径压缩成为1.6mm。整个光学系统能够根据需要进行元器件的增减或传播方向的修改。

被整型过的激光束继续经过反射镜40，反射镜40表面镀有增反膜，对1064nm激光的反射率大于99.5％。激光束入射角度为45°，经过反射后，光轴产生了90°的偏转，入射到渐变旋转多面镜50。

渐变旋转多面镜50与驱动电机60采用同轴安装方式，安装轴垂直于反射镜40。因此激光入射方向与渐变旋转多面镜50安装轴的夹角为45°。渐变旋转多面镜50由驱动电机60带动并绕其轴心进行旋转，周期性地使反射镜面501、502、503……依次参与反射，本例中采用了16个反射镜面，即在渐变旋转多面镜50的一周安装了16个反射镜面，因此每个反射镜面水平方向可旋转角度为22.5°；每个反射镜面的垂直安装角度间隔为0.5°，与入射激光夹角从41.5°～49°变化，如图2(a)所示，因此在镜面切换时可以产生垂直角度的扫描。在驱动电机快速转动的同时，每个反射镜面依次工作，形成了连续的角扫描光斑，入射到准直聚焦透镜70，准直聚焦镜70的焦点与渐变旋转多面镜50各个反射镜面的反射位置重合。由此，在准直聚焦透镜70上形成了图2(b)中所示的501’、502’、503’等激光像面，经过准直聚焦透镜70聚焦之后，在待清洗物80上形成图2(b)中所示的501’’、502’’、503’’等组成的面扫描激光。驱动电机60采用直流电机，更改其供电电压即可调整转速，对应调节激光扫描频率，本例中为600转/min。

采用本发明后，在激光器输出不变的情况下，激光能量由高斯分布转化成了均匀分布，激光扫描方式成为了面扫描。光斑搭接率由33.33％降低到了14％，清洗速度提高了约20％。系统中没有复杂的控制电路和环境适应性差的振镜系统。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：包含激光器输出模块(10)、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜(50)、驱动电机(60)和准直聚焦透镜(70)；高斯-平顶系统将激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜(50)上，渐变旋转多面镜(50)在驱动电机(60)的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜(70)折射后在待清洗物体(80)上形成面状光斑；

所述的渐变旋转多面镜(50)由n个平面镜以不同角度组装在与驱动电机(60)输出轴共轴的柱面体上；所有平面镜的中心点位于同一个垂直于驱动电机输出轴的平面上，选取一个平面镜与驱动电机(60)的输出轴平行安装，以该平面镜为基准，与驱动电机旋转方向同向的相邻平面镜以固定安装角度差递增或递减，与驱动电机旋转方向反向的相邻平面镜以固定安装角度差递减或递增；上述安装角度差α＝45hw/2π²f²，其中，f为准直聚焦透镜(70)的焦距，w、h分别为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度和高度。

2.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：还包括反射镜(40)，反射镜(40)将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜(50)。

3.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：还包括反射镜(40)，激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束先经反射镜(40)反射后进入高斯-平顶系统。

4.根据权利要求2或3所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：所述的反射镜(40)表面镀有45°增反膜。

5.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：所述的平面镜个数n＝4πf/w，其中f为准直聚焦透镜(70)的焦距，w为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度。

6.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：所述准直聚焦透镜(70)的焦点位置与平面镜的中心点重合。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：所述的能量均匀为在激光束的能量分布图上光斑中心到边缘范围内，单位面积内的光能量波动在光斑中心强度的10％以内。