CN1049740C - 激光变长线扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光变长线扫描系统。现有的激光快速成型中使用的激光点扫描系统存在着结构简单、加工复杂、成型件质量差等缺点。本发明包括激光器、准直扩束单元、光学扫描器、光束变形单元和挡板，准直扩束单元设在激光器之后，光学扫描器设在准直扩束单元和光束变形单元之间，挡板设在工作面上。本发明具有结构简单、加工方便、成型速度快和加工质量好等优点。
Description
本发明涉及一种激光变长线扫描系统，它主要用于激光烧结变长线扫描快速成型机中，也可以用于其它激光加工或激光信息处理技术中。
现有激光作能量源的快速成型机，都是采用激光点扫描的方法，用聚光镜将激光束聚焦成点，聚光点作用于工作面上以便于加工零件。激光点扫描系统一般有两种型式，一种型式为透镜后扫描即在聚光镜后设置光学扫描器；另一种型式为透镜前扫描即在聚光镜前设置光学扫描器。透镜后扫描(见图1)的聚光镜位于近轴光下工作，因此其口径可以做得很小，结构和加工都很简便。但是其聚焦点的扫描轨迹为一圆弧，在轨迹边缘A′处与工作面A处相离甚远，只有在轨迹中心C处才能与工作面重合，而且扫描半径越小，这种相离越大，严重影响工件质量或后续信息处理的质量。
在透镜前扫描中(见图2)，扫描轨迹为一直线，可与工作面完全重合，扫描质量好。但是聚光镜已经不是在近轴光而是在较大视场下工作，因此聚光镜单元的口径较大。对于制作聚光镜的晶体材料来讲，口径越大，该晶体材料的毛坯质量越难保证，一旦材料中存在一点杂质或微小疵病，都有可能造成激光能量的局部积聚而引起材料炸裂。除此之外，由于透镜前扫描使聚光镜单元的工作视场增大，为了对其视场象差进行校正，必然造成聚光镜单元结构复杂化，本来可由一块透镜组成的聚光镜单元，可能要用两块甚至三块透镜才能达到目的。同时由于口径加大，还造成光学加工的困难。
本发明的目的是提供一种选用光束变形单元口径小、结构简单、加工方便、并能提高成型速度和成型件质量的激光变长线扫描系统。
本发明的任务是这样实现的：该激光变长线扫描系统包括激光器、准直扩束单元、能在x-y平面内运动的光学扫描器、使从激光器发出的光束变成一条线束的光束变形单元和挡板，准直扩束单元设在激光器之后，光学扫描器设在准直扩束单元和光束变形单元之间，挡板设在工作面上；由激光器发出的准平行圆光束经准直扩束单元后进一步提高了圆光束的平行性并扩大了光束直径，经准直扩束后的圆光束通过反光镜折向能在x-y平面内运动的光学扫描器，实现光束在x-y平面内的扫描，通过光学扫描器的圆光束再经光束变形单元在工作面上形成一条又细又长的激光线，然后在挡板的作用下，改变激光线束的长度，获得变长的激光线束。
上述激光器为内含指向半导体激光器的CO2激光器，其他气体激光器、固体激光器或半导体激光器。
上述准直扩束单元由一个倒置的伽俐略望远镜组成，根据准直与扩束的具体要求确定其倍率。伽俐略望远镜的最简单的形式由一块负球镜和一块正球镜组成，两镜焦距之比等于准直扩束倍率。
上述光学扫描器为导轨式光学扫描器或转镜式光学扫描器。导轨式光学扫描器由两个或两个以上的光学反射镜和导轨及电机组成，光学反射镜装在导轨上，两套正交设置的导轨在电机的驱动下在x-y平面内运动。转镜式光学扫描器由两套光学反射镜和定位马达组成，该两套光学反射镜和定位马达正交设置以便于实现在x-y平面内的二维扫描。
上述光束变形单元由一正一负两块光焦度符号相反、数值不等的非球面折射光学元件胶合在一起或小间隔配置，使从激光器发出的光束变成一条线束；通过改变光束变形单元中的正光焦度元件的焦距和孔径光栏尺寸控制线束的宽度，通过改变光束变形单元中的负光焦度元件的焦距控制线束的长度。
上述光束变形单元中的负光焦度元件可用一个由一正一负两块薄的非球面折射元件组成的变焦单元替代，连续改变两非球面折射元件的间隔，使变焦范围从负值到零再为正值，从而实现从点到某一线长范围内的连续变长。
在光束变形单元输出一方增设一块负球镜，使其前焦点与光束变形单元中正光焦度元件的后焦点重合，形成一望远镜单元，则在本子午面内可输出线宽不变的细的平行光束，在另一个与之相垂直的子午面内的不同位置上可获得不同的线长。移动望远镜单元改变工作距离即可实现线束连续变长。
为改善激光线束能量密度的均匀性，将由两套或两套以上的激光器和光学系统分别得到的两条或两条以上的线束，经能量高低位置错位后相互搭接起来，取其中间能量密度均匀分布的部分，两边能量密度低的部分使用挡板挡掉。
由于本发明采用了上述技术方案，因此与现有技术相比，具有下列优点：
1、由于光束变形单元的口径小，所以可选用较小直径的晶体材料作为光束变形单元晶体的材料，直径小于25mm；
2、光束变形单元的结构简单，由两个元件即可构成，且加工方便；
3、提高了成型的速度；
4、提高了成型件的质量，特别是提高了大工件的加工质量。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是透镜后扫描示意图；
图2是透镜前扫描示意图；
图3是导轨式激光变长线扫描系统示意图；
图4是光束变形单元示意图；
图5是线束搭接改善能量分布的均匀性的示意图；
图6是转镜式激光变长线扫描系统示意图；
图7是含有变焦功能的光束变形单元示意图；
图8是变焦单元连续改变线长的示意图；
图9是φ-d关系曲线图；
图10是线宽不变、线长连续变化的望远镜单元示意图。
图3是本发明的一个实施例的示意图。本实施例为导轨式激光变长线扫描系统，该系统由内含指向半导体激光器的CO2激光器1、准直扩束单元2、反光镜3、导轨式光学扫描器4和5、光束变形单元6和两块挡板7构成。准直扩束单元2设在CO2激光器1之后，导轨式光学扫描器4和5设在准直扩束单元2和光束变形单元6之间，挡板7设在工作面P上，激光线束S。反光镜3设在准直扩束单元2和导轨式光学扫描器4之间。导轨式光学扫描器由两个光学反射镜和导轨及电机组成，光学反射镜装在导轨上，两套正交设置的导轨在电机的驱动下在x-y平面内运动。
由CO2激光器1发出的准平行圆光束经准直扩束单元2后进一步准直并扩束，经反光镜3后折向导轨式光学扫描器4和5上，装在导轨上的光学扫描器4和5，通过平移实现x轴和y轴向的扫描。通过光学扫描器的激光束再经光束变形单元6在工作面P上形成一条又细又长的激光线S。当光学扫描器5、光束变形单元6和挡板7沿着x轴移动时，激光线就在工作面P的x轴向扫描。当光学扫描器4和5以及光束变形单元6和挡板7沿着y轴移动时，激光线就在工作面P的y轴向扫描。挡板7由计算机控制实现工作面P上激光线的变长。CO2激光器内含有的半导体激光器发出红色指向光束并与CO2激光器发出的红外激光束同光路输出。该红色指向光到达工作面时也为一条线束，并与CO2激光线束重合，在装置装调和运行时起到指示CO2激光线束位置的作用。
上述CO2激光器还可以由其他气体激光器、固体激光器或半导体激光器代替。
上述准直扩束单元由一个倒置的伽俐略望远镜组成，根据准直与扩束的具体要求确定其倍率。其最简单的形式由一块负球镜和一块正球镜组成，两镜焦距之比等于准直扩束倍率。
上述光束变形单元由一正一负两块光焦度符号相反、数值不等的非球面折射光学元件胶合在一起或小间隔配置(见图4)。在图4中，9-负光焦度非球面折射光学元件；10-正光焦度非球面折射光学元件；E-平面波波阵面，6-光束变形单元。设有一束平行光，发出九条光线，经正光焦度非球面折射光学元件10和负光焦度非球面折射光学元件9组成的光束变形单元6后，在一个子午面内将光束会聚成线，在另一个与之相垂直的子午面内将光束展宽成长线S，形成所要求的又细又长的激光线束。
线束的宽度
。当选定激光波长λ后，合理改变孔径光栏尺寸b和正光焦度元件焦距f′正，就可以得到所要求的线宽。
线束的长度
。当确定输入激光束口径a以及工作距1后，合理改变负光焦度元件焦距f′负，就可以得到不同的线长。
考虑到CO2激光器输出高斯光束，展成线束后仍为高斯分布，则在线长方向上能量分布是不均匀的，为提高能量密度的均匀性；可以使用两套或两套以上的激光器和光学系统，得到两条或两条以上的激光线，然后将它们搭接起来(见图5)。图5-1中a-激光器输出光束的能量分布，b-展成线后的能量分布。图5-2为三条线搭接后的能量分布，其中平坦部分c为能量均匀分布的部分，两边能量密度低的部分使用挡板挡掉。激光线搭接要求各套光学元件参数尽量一致，保证有相同的线宽，并经精密校正，使各条激光线位于同一直线上。
图6为转镜式激光变长线扫描系统实施例的示意图。由图6可知，该扫描系统由激光器1、准直扩束单元2、转镜式光学扫描器8、光束变形单元6和两块挡板7构成。转镜式光学扫描器8设在准直扩束单元2和光束变形单元6之间，其余结构与导轨式扫描系统的相同。转镜式光学扫描器8由两套光学反射镜和定位马达组成，该两套光学反射镜和定位马达正交设置以便于实现在x-y平面的二维扫描。图6中的P-工作面，S-激光线束。转镜式光学扫描器在x-y平面内扫描时，激光线束S在工作面P上也作x-y二维扫描。扫描器的扫描角为α，光束变形单元的入射视场角即为2α，它们决定于工件的加工尺寸。激光线束的变长也是由两块挡板通过计算机控制来实现的。
上述两个实施例中的激光线的变长都需要由两块挡板来完成。这两块挡板位于工作面上方，尽可能接近工作面。它们的开合动作在导轨上由电机驱动，开合移动量根据工件各加工层面的几何形状信息由计算机控制。虽然使用挡板能实现激光线束的变长，但要进一步简化设备的结构，可以将光束变形单元中的负光焦度元件用一个由一正一负两块薄的非球面折射元件组成的变焦单元替代(见图7)。如图7所示，光束变形单元中的变焦单元由一块正非球面折射元件12和一块负非球面折射元件11组成，图中d为两元件的间隔，连续改变该间隔d，可使变焦范围从负值到零再为止值，从而实现从点到某一线长范围内的连续变长，即可省掉上述两个实施例中的挡板元件。
在这个变焦单元中，总光焦度φ＝φ1+φ2-dφ1φ2，其中φ1为负光焦度元件光焦度，φ2为正光焦度元件光焦度，d为两镜的间隔。当φ1、φ2确定以后，φ与d成线性。f′＝1/φ，f′与d不成线性。图9表示了φ与d的关系曲线。
图8是利用变焦单元连续改变线长的示意图。下面结合图8说明变焦的过程及与激光线束变长的关系。图8(a)位于某一子午面内，在此子午面内变焦单元相当于一个平面镜，平行光入射后聚焦于光束变形单元中正光焦度元件10的焦平面(即工作面HH′)上。图8(b)、图8(c)和图8(d)位于与图8(a)相垂直的子午面内，此时光束变形单元的正光焦度元件10相当于一个平面镜，而由一块正非球面折射元件12和一块负非球面折射元件11组成的变焦单元的总光焦度由负(b)变为零(c)，再变为正(d)。它们在工作面上的线长由粗线表示。由图8(d)继续发展，当变焦单元的总光焦度与图8(a)中光束变形单元中正光焦度元件的光焦度相等时，就在工作面上形成一个点。这样，就实现了从点到某一线长范围内的连续变长。
如图10所示，在光束变形单元(图4)输出一方增设一块负球镜13，使其前焦点与光束变形单元中正光焦度元件10的后焦点重合，形成一望远镜单元，则在本子午面内可输出线宽不变的细的平行光束，而在另一个与之相垂直的子午面内的不同位置上可获得不同的线长。移动望远镜单元改变工作距离即可实现线束连续变长。使用该光束变形单元同样可以得到与使用挡板改变线长和使用变焦单元改变线长的目的。
Claims (12)
1、一种激光变长线扫描系统，其特征在于：它包括激光器、准直扩束单元、能在x-y平面内运动的光学扫描器、使从激光器发出的光束变成一条线束的光束变形单元和挡板，准直扩束单元设在激光器之后，光学扫描器设在准直扩束单元和光束变形单元之间，挡板设在工作面上；由激光器发出的准平行圆光束经准直扩束单元后进一步提高了圆光束的平行性并扩大了光束直径，经准直扩束后的圆光束通过反光镜折向能在x-y平面内运动的光学扫描器，实现光束在x-y平面内的扫描，通过光学扫描器的圆光束再经光束变形单元在工作面上形成一条又细又长的激光线，然后在挡板的作用下，改变激光线束的长度，获得变长的激光线束。
2、根据权利要求1所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述激光器为内含指向半导体激光器的CO2激光器，其他气体激光器、固体激光器或半导体激光器。
3、根据权利要求1所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述准直扩束单元由一个倒置的伽俐略望远镜组成，根据准直与扩束的具体要求确定其倍率。
4、根据权利要求3所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述伽俐略望远镜的最简单的形式由一块负球镜和一块正球镜组成，两镜焦距之比等于准直扩束倍率。
5、根据权利要求1所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述光学扫描器为导轨式光学扫描器或转镜式光学扫描器。
6、根据权利要求5所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述导轨式光学扫描器由两个或两个以上的光学反射镜和导轨及电机组成，光学反射镜装在导轨上，两套正交设置的导轨在电机的驱动下在x-y平面内运动。
7、根据权利要求5所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述转镜式光学扫描器由两套光学反射镜和定位马达组成，该两套光学反射镜和定位马达正交设置以便于实现在x-y平面内的二维扫描。
8、根据权利要求1所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述光束变形单元由一正一负两块光焦度符号相反、数值不等的非球面折射光学元件胶合在一起或小间隔配置，使从激光器发出的光束变成一条线束；通过改变光束变形单元中的正光焦度元件的焦距和孔径光栏尺寸控制线束的宽度，通过改变光束变形单元中的负光焦度元件的焦距控制线束的长度。
9、根据权利要求8所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：所述光束变形单元中的负光焦度元件可用一个由一正一负两块薄的非球面折射元件组成的变焦单元替代，连续改变两非球面折射元件的间隔，使变焦范围从负值到零再为正值，从而实现从点到某一线长范围内的连续变长。
10、根据权利要求8所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：在光束变形单元输出一方增设一块负球镜，使其前焦点与光束变形单元中正光焦度元件的后焦点重合，形成一望远镜单元，则在本子午面内可输出线宽不变的细的平行光束，在另一个与之相垂直的子午面内的不同位置上可获得不同的线长。
11、根据权利要求10所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：移动望远镜单元改变工作距离即可实现线束连续变长。
12、根据权利要求1所述的激光变长线扫描系统，其特征在于：为改善激光线束能量密度的均匀性，将由两套或两套以上的激光器和光学系统分别得到的两条或两条以上的线束，经能量高低位置错位后相互搭接起来，取其中间能量密度均匀分布的部分，两边能量密度低的部分使用挡板挡掉。
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