CN105215546B - 一种激光扫描填充系统及其扫描填充方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光扫描填充系统及激光扫描填充方法，所述系统包括计算机、激光聚焦模块、填充扫描激光偏转控制模块、光束发散扩束光学模块、截面经络扫描模块和激光平场聚焦模块。本发明由计算机对待填充扫描截面事先进行了扫描填充区域划分和扫描经络路径划分，并分别控制填充扫描激光偏转控制模块和截面经络扫描模块进行填充扫描和经络扫描，充分利用截面经络扫描模块特别是振镜的直线长距离经络路径扫描运动能力和填充扫描激光偏转控制模块局部高速高精度填充扫描运动的优势，对激光束同时进行填充速度扫描调制和经络扫描运动调制，使得整体激光填充扫描效率和精度获得突破性提高。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种激光扫描填充系统及其扫描填充方法。
背景技术
在激光加工领域，存在着一部分加工是相对于激光焦点而言属于大面积的激光扫描填充，毫无疑问目前绝大部分采用振镜逐行扫描激光光束的方式，激光聚焦有前聚焦与后聚焦两种方式，为了提高激光填充速度，振镜的加减速水平也在不断提高，分别从软件、电路、振镜镜片材料与形状设计、电机的创新等方面，但是由于振镜镜片运动属于摆动，因此不论如何努力，振镜摆动速度的提高已经越来越接近极限了。如果想追求更高的填充扫描速度，振镜已经无能为力了。例如，光固化激光光速成型，对于精细结构的激光扫描，激光振镜扫描速度必须降到3米/秒以下才可以保证激光填充时的起码扫描精度，否则要么填充扫描速度上去了，但是扫描精度不够，要么扫描精度够了，填充扫描速度太慢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光扫描填充系统及其扫描填充方法，既能够高速甚至超高速激光填充扫描，同时又能够保证激光填充扫描精度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种激光扫描填充系统，所述系统包括计算机、激光聚焦模块、填充扫描激光偏转控制模块、光束发散扩束光学模块、截面经络扫描模块和激光平场聚焦模块；
所述计算机，用于根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面进行填充区域划分，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；还用于将填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块；
所述激光聚焦模块，用于将入射激光束进行聚焦，形成入射所述填充扫描激光偏转控制模块的聚焦的第一激光束；
所述填充扫描激光偏转控制模块，用于根据计算机发送的填充扫描范围信息对所述聚焦的第一激光束的扫描填充运动控制，形成入射所述光束发散扩束光学模块的第二激光束；
所述光束发散扩束光学模块，用于对聚焦状态的第二激光束进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束，其中，所述光束发散扩束光学模块内部透镜全部拆除条件下，所述第一激光束和/或第二激光束激光焦点处于所述光束发散扩束光学模块内部或者输出端后端；
所述截面经络扫描模块，用于根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束；
所述激光平场聚焦模块，用于对所述第四激光束的平场聚焦，平场聚焦后输出的第五激光束对待加工工件的待扫描填充截面进行扫描填充加工。
本发明的有益效果为：由计算机对待填充扫描截面事先进行了扫描填充区域划分和扫描经络路径划分，并分别控制填充扫描激光偏转控制模块和截面经络扫描模块进行填充扫描和经络扫描，充分利用截面经络扫描模块特别是振镜的直线长距离经络路径扫描运动能力和填充扫描激光偏转控制模块局部高速高精度填充扫描运动的优势，对激光束同时进行填充速度扫描调制和经络扫描运动调制，使得整体激光填充扫描效率和精度获得突破性提高。
在上述技术方案的基础上，还可以作如下改进：
进一步的，所述填充扫描激光偏转控制模块包括一个或多个串联的光束偏移调制子单元，每一个所述光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括声光偏转器，通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节聚焦的所述第一激光束的布拉格光栅反射角，改变聚焦第一激光束传输方向；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括电光偏转器，电光晶体施加外加电压，形成渐变折射率梯度分布，并在其输出端实现光束方向的偏转。
所述进一步的有益效果为：填充扫描激光偏转控制模块使用声光偏转器或者电光偏转器，扫描精度会更高。
进一步的，所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。
进一步的，所述激光平场聚焦模块为远心平场镜头或者平场扫描聚焦镜头。
进一步的，所述光束发散扩束光学模块包括两个或两个以上串联的光学透镜,其中，至少串联有一个发散凹透镜和一个会聚凸透镜。
另一方面，本发明提供了一种激光扫描填充方法，所述方法包括：
S1、计算机根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面进行填充区域划分，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；并将填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块；
S2、入射激光束经过聚焦形成聚焦的第一激光束，并通过所述填充扫描激光偏转控制模块对聚焦的第一激光束进行扫描填充运动控制，输出聚焦状态的第二激光束；
S3、对聚焦状态的第二激光束进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束；
S4、根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束；
S5、对所述第四激光束平场聚焦，以使平场聚焦后输出的第五激光束对待加工工件的待扫描填充截面进行扫描填充加工。
本发明提供的激光扫描填充方法的有益效果为：由计算机对待填充扫描截面事先进行了扫描填充区域划分和扫描经络路径划分，并分别控制填充扫描激光偏转控制模块和截面经络扫描模块进行填充扫描和经络扫描，充分利用截面经络扫描模块特别是振镜的直线长距离经络路径扫描运动能力和填充扫描激光偏转控制模块局部高速高精度填充扫描运动的优势，对激光束同时进行填充速度扫描调制和经络扫描运动调制，使得整体激光填充扫描效率和精度获得突破性提高。
在上述技术方案的基础上，还可以作如下改进：
进一步的，当所述第二激光束处于静态时，所述第五激光束的填充扫描路径为经络状；当所述填充扫描激光偏转控制模块对第一激光束进行偏转运动控制以形成偏转运动的第二激光束时，所述第五激光束的填充扫描路径为填充扫描运动和经络路径扫描运动的合成路径，其中，填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量不共线。
所述进一步的有益效果为：
通过填充扫描激光偏转控制模块和截面经络扫描模块的共同作用，可形成合成运动路径的第五激光束，对待加工工件的填充扫描精度更高。
进一步的，所述第五激光束的填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量夹角在45°与90°之间。
进一步的，所述待加工工件为激光快速成型材料。
进一步的，所述激光快速成型材料为光敏树脂、金属粉末、陶瓷粉末或尼龙。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种激光扫描填充系统结构示意图；
图2为实施例1中计算机与填充扫描激光偏转控制模块以及截面经络扫描模块之间的连接示意图；
图3-a为实施例1中单独的填充扫描路径轨迹和单独的经络扫描路径轨迹示意图；
图3-b为实施例中填充扫描路径轨迹和经络扫描路径轨迹合成运动轨迹示意图；
图4-a为实施例1中带填充扫描区域示意图；
图4-b为传统振镜逐行填充扫描轨迹示意图；
图4-c为实施例1中填充扫描路线和经络扫描路线示意图；
图4-d为是实施例1中填充扫描运动与经络扫描运动的合成运动轨迹示意图；
图5为实施例2的用于硅晶圆激光铣削盲槽的激光扫描填充系统结构示意图；
图6为本发明实施例3的一种激光扫描填充方法流程图。
附图中，各部件标号如下：
1、入射激光束，2、激光聚焦模块，3、第一激光束，4、填充扫描激光偏转控制模块，5、出射零级衍射激光，6、第二激光束，7、光束发散扩束光学模块，71、发散凹透镜，72、会聚凸透镜，8、第三激光束，9、截面经络扫描模块，91、第二电机主轴，92、第二振镜反射镜片，93、第一振镜反射镜片反射光束，94、第一电机，95、第一电机主轴，96第一振镜反射镜片，10第四激光束，11、激光平场聚焦模块，12、第五激光束，13、待加工工件，21、填充扫描路径轨迹，22、经络扫描路径轨迹，23、填充扫描运动与经络扫描运动合成的运动轨迹，24、待填充扫描截面，25、传统逐行扫描填充轨迹，26、填充区域分区线，27、未完成的扫描分区。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1、一种激光扫描填充系统。以下结合图1-图4-d对本实施例提供的系统进行详细说明。
参见图1和图2，本实施例提供的系统包括计算机、激光聚焦模块2、填充扫描激光偏转控制模块4、光束发散扩束光学模块7、截面经络扫描模块9和激光平场聚焦模块11。
所述计算机，用于根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块4控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面进行填充区域划分，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；还用于将确定的填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块4以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块9。
其中，填充扫描区域是指具备一定宽度的带状区域，区域宽度就是实时扫描宽度范围，所述填充扫描区域最大宽度小于填充扫描激光偏转控制模块4控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力；所述填充区域线指填充扫描区域与相邻填充扫描区域的分界线；所述经络扫描位置信息指所述扫描经络线上点的位置坐标信息，所述填充扫描范围信息是所述扫描经络线上点对应的区域宽度信息。
所述激光聚焦模块4，用于将入射激光束1进行聚焦，形成入射所述填充扫描激光偏转控制模块4的聚焦的第一激光束3。所述填充扫描激光偏转控制模块4，用于根据计算机发送的填充扫描范围信息对所述聚焦的第一激光束3进行扫描填充运动控制，形成入射所述光束发散扩束光学模块的第二激光束6。所述光束发散扩束光学模块7，用于对聚焦状态的第二激光束6进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束8。所述截面经络扫描模块9，用于根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束8的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束10。所述激光平场聚焦模块11，用于对所述第四激光束10的平场聚焦，平场聚焦后输出的第五激光束12对待加工工件13的待扫描填充截面进行扫描填充加工。
其中，所述填充扫描激光偏转控制模块4包括一个或多个串联的光束偏移调制子单元，每一个所述光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括声光偏转器，通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节所述聚焦的第一激光束3的布拉格光栅反射角，改变聚焦第一激光束传输方向；或者每一个所述光束偏移调制子单元包括电光偏转器，所述电光偏转器，利用电光晶体折射率随电压而改变的特性，沿垂直于电光偏转晶体生长方向施加外加电压，使电光偏转晶体沿生长方向形成渐变折射率梯度分布，进而使电光偏转晶体内部光波等相位面发生偏转，并在其输出端实现光束方向的偏转，则外加电压就会连续改变光束的偏转角。所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。
所述截面经络扫描模块9为一套传统的二维扫描振镜，包括第一振镜反射镜片96和第二振镜反射镜片92，其中，二维扫描振镜的第一振镜反射镜片96安装在扫描振镜的第一电机94的第一电机主轴95上，二维扫描振镜的第二振镜反射镜片92安装在扫描振镜的第二电机的第二电机主轴91上。
其中的光束发散扩束光学模块7包括两个或两个以上串联的光学透镜，其内部安装有串联的至少一个发散凹透镜71和至少一个会聚凸透镜72。激光平场聚焦模块11为远心平场镜头或者平场扫描聚焦镜头。
采用本实施例提供的激光扫描填充系统的工作过程为：入射激光束1经过激光聚焦模块2，形成聚焦的第一激光束3，聚焦的第一激光束3经过填充扫描激光偏转控制模块4的填充扫描运动控制，输出角度偏转和方位偏转(主要是角度偏转)的聚焦状态的第二激光束6。第二激光束6经过光束发散扩束光学模块7进行发散扩束后，形成扩束或扩束准直的第三激光束8。第三激光束8经过截面经络扫描模块9进行经络扫描运动控制后输出第四激光束10，第四激光束10经过激光平场聚焦模块11的平场聚焦后，形成第五激光束12，形成的第五激光束12对待加工工件13的待填充扫描截面进行填充扫描加工。
下面以紫外激光光固化快速成型的装置结构示意图为例说明本实施例提供的激光扫描填充系统。紫外激光光固化快速成型装置包括激光聚焦模块2、填充扫描激光偏转控制模块4、光束发散扩束光学模块7、截面经络扫描模块9和激光平场聚焦模块11。
其中，第一激光束3为聚焦光束，所述填充扫描激光偏转控制模块4为声光偏转器，第一激光束3入射所述声光偏转器，所述声光偏转器位于所述第一激光束3的焦点前面，5为所述声光偏转器出射零级衍射激光，6为第二激光束，为所述声光偏转器出射一级衍射激光，所述第二激光束6也为聚焦光束，入射光束发散扩束光学模块7，输出扩束的第三激光束8，第三激光束8可以是准直激光束。在所述光束发散扩束光学模块7内部透镜全部拆除条件下，所述第二激光束6激光焦点处于所述光束发散扩束光学模块7内部或者输出端后端。所述光束发散扩束光学模块7内部安装有发散凹透镜71和会聚凸透镜72，所述发散凹透镜71和会聚凸透镜72的配合，使得会聚入射的第二激光束6经过发散扩束光学模块7输出扩束的第三激光束8，第三激光束8可以是扩束准直激光束，这样有利于后续光学系统对光束进行平场聚焦，也可以使得第三激光束8保留了与第二激光束6同步的角度偏转运动，经过后续激光平场聚焦模块11聚焦后激光焦点获得相应的运动，这样使得填充扫描激光偏转控制模块4模块对激光束填充扫描调制有效。
所述激光平场聚焦模块11，有普通平场扫描聚焦镜和远心扫描聚焦镜等类型，本实施例中，激光扫描平场聚焦模块11采用普通平场扫描聚焦镜。普通平场扫描聚焦镜焦镜波长355nm，焦距为10至1000毫米，优选为1000毫米，平场聚焦范围为5毫米×5毫米至500毫米×500毫米，优选为500毫米×500毫米。
所述待加工工件13为紫外光固化树脂，是一种紫外光敏树脂。
其中，第一激光束3为聚焦光束，相关参数如下：激光波长355纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，100KHz时平均功率4瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率从50千赫兹至100兆赫兹，优选为150千赫兹。
所述声光偏转器超声波驱动频率80Mhz到120MHz，偏转角度工作范围3mrad，布拉格衍射角5mrad。
所述第四激光束10填充扫描运动时偏转角度工作范围为3mrad，由于激光平场聚焦镜头的焦距为1米，因此所述第五激光束12填充扫描工作范围能力为3毫米，也就是说，在经络扫描线两边，填充扫描宽度距离是正负1.5毫米范围。所述声光偏转器对第二激光束6进行3mrad角度偏转所用时间为5微秒，此时填充扫描速度为600米/秒(计算方法：3毫米除以5微秒)，实际上由于激光器的限制，所述声光偏转器对第二激光束6的偏转调试速度必须降下来，这与激光脉冲重复频率、激光聚焦光斑、激光脉冲能量、紫外光敏树脂的固化光学剂量等因素有关系。而此时振镜最大扫描速度低于10米/秒，但具备500毫米*500毫米的平面空间扫描能力。
因此，本方案的实质是充分利用所述截面经络扫描模块9特别是振镜的直线长距离经络路径扫描运动能力和所述填充扫描激光偏转控制模块局部高速高精度填充扫描运动的优势，由计算机把激光扫描截面事先进行了经络路径划分和填充区域划分，对激光束同时进行填充速度扫描调制和经络扫描运动调制，使得整体激光填充扫描效率和精度获得突破性提高。
在所述第五激光束12对一层树脂待曝光固化区域进行了激光扫描后，固化树脂所在承载台(图中未标示)下降一层(一般为0.1毫米)，树脂液面重新流过被固化树脂表面，此时有树脂刮板刮平，使得被固化树脂表面的液态树脂均匀分布，此时所述第五激光束根据计算机系统软件输出的路径数据，对待固化树脂区域进行高速高精度复合激光扫描(填充扫描和经络扫描)。
整个紫外激光光固化快速成型的装置结构中的光路流程如下：所述第一激光束3入射所述填充扫描激光偏转控制模块4，本实施例为声光偏转器，所述声光偏转器出射一级衍射激光为第二激光束6，所述第二激光束6在入射光束发散扩束光学模块7，输出第三激光束8，第三激光束8入射所述所述截面经络扫描模块9，输出第四激光束10，所述第四激光束10入射普通平场扫描聚焦镜11，出射第五激光束12，所述第五激光束12作用于紫外光固化树脂13表面。
参见图3-a和图3-b，21为填充扫描路径轨迹(系列平行于纸面数值的线段)，表示第二激光束6的填充扫描空间轨迹，22为经络扫描路径轨迹(水平线条)，表示在第二激光束6静止时，第四激光束10的运动空间轨迹，23为填充扫描激光偏转控制模块4与截面经络扫描模块9共同作用下第五激光束12激光焦点的实际运动轨迹，从图中可以看出，这是完美的激光填充轨迹，很容易看出是填充扫描激光偏转控制模块4与截面经络扫描模块9共同作用的结果，与传统振镜形成轨迹相比，本方案在上下两边起始点与终点都没有加减速(声光偏转激光束没有机械惯性)，且填充效率极大提高(提高程度此时由激光器的频率与平均功率决定)；如果由传统振镜形成轨迹，则由于振镜镜片摆动惯性的原因，在上下两端起点与终点存在激光能量过烧的现象，且由于填充区域过小，振镜速度上不来，刚加速完毕就需要减速，因此填充效率与填充精度上不去，总之本方案相对于传统振镜填充扫描具备巨大的技术进步。
参见图4-a、图4-b、图4-c和图4-d，21为填充扫描路径轨迹，22为经络扫描路径轨迹，23为填充扫描运动与经络扫描运动合成的运动轨迹，24为待填充扫描截面，25为传统逐行扫描填充轨迹，26为填充区域分区线，27为未完成的扫描分区。
实施例2、用于硅晶圆激光铣削盲槽的激光扫描填充系统，如图所示5，硅晶圆激光铣削盲槽的装置包括计算机(未示出)，激光聚焦模块2、填充扫描激光偏转控制模块4、光束发散扩束光学模块7、截面经络扫描模块9和激光平场聚焦模块11。
其中，第一激光束3为聚焦光束，填充扫描激光偏转控制模块4为采用压电陶瓷(图中未标示)驱动平面反射镜，对第一激光束3进行一维或者二维偏转反射，小角度下对激光光束反射调制能力可以做到10KHz甚至更高的频率，这种非常高的调制频率，使得激光填充扫描的速度非常快。
第一激光束3入射压电陶瓷驱动平面反射镜，输出第二激光束6，所述第二激光束6也为聚焦状态的激光束，并入射光束发散扩束光学模块7，输出扩束的第三激光束8，第三激光束8可以是扩束准直激光束。所述光束发散扩束光学模块7内部安装有发散凹透镜71和会聚凸透镜72，发散凹凸镜71和会聚凸透镜72的配合，使得会聚入射的第二激光束6经过发散扩束光学模块7输出扩束的第三激光束8，第三激光束8优选为扩束准直激光束，这样有利于后续光学系统对光束进行平场聚焦，也可以使得第三激光束8保留了与第二激光束6同步的角度偏转运动，经过后续激光平场聚焦模块11聚焦后激光焦点获得相应的运动，这样使得填充扫描模块对激光束填充扫描调制有效。所述光束发散扩束光学模块7内部透镜全部拆除条件下，所述第二激光束6激光焦点处于所述光束发散扩束光学模块7内部或者输出端后端。
所述截面经络扫描模块9为一套传统的二维扫描振镜，包括第一振镜反射镜片96和第二振镜反射镜片92，所述扫描振镜的第一振镜反射镜片96安装在扫描振镜的第一电机94的第一电机主轴95上，所述扫描振镜的第二振镜反射镜片92安装在扫描振镜的第二电机的第二电机主轴91上。
所述激光平场聚焦模块11，有普通平场扫描聚焦镜和远心扫描聚焦镜等类型，本实施例中，扫描平场聚焦镜采用远心扫描聚焦镜。远心扫描聚焦镜波长532nm，焦距为10至1000毫米，优选为100毫米，平场聚焦范围为5毫米×5毫米至500毫米×500毫米，优选为50毫米×50毫米。
所述待加工工件13为200微米厚度8英寸直径的半导体级别的硅晶圆。
硅晶圆激光铣削盲槽的装置中的光路流程如下：所述第一激光束3入射压电陶瓷驱动平面反射镜，输出第二激光束6，所述第二激光束6入射光束发散扩束光学模块7，输出第三激光束8，第三激光束8入射所述截面经络扫描模块9，输出第四激光束10，所述第四激光束10入射远心扫描聚焦镜，出射第五激光束12，所述第五激光束12作用于硅晶圆13的表面。
所述第一激光束相关参数如下：激光波长532纳米，光束质量因子小于1.2，光斑圆度大于百分之九十，平均功率30瓦，单模高斯激光(横向场强为高斯分布)，脉冲重复频率从10千赫兹至100兆赫兹，优选为500千赫兹。
所述压电陶瓷驱动平面反射镜可以安装在至少一个压电元件或者电致伸缩元件上，特别是压电陶瓷上；压电元件特别是压电陶瓷元件的伸缩，使得第一反射镜角度偏转，使得平面反射镜的反射光束的传输角度发生偏转。目前基本的压电陶瓷元件或者电致伸缩元件的伸缩频率可以做到吉赫兹(GHz)以上。这里采用20KHz伸缩频率压电陶瓷(图中未标示)。
本实施例的工作方式与实施例1的图2对应内容相类似，不同的是本实施例中的填充扫描激光偏转控制模块采用压电陶瓷驱动平面反射镜，且激光平场聚焦模块采用了远心聚焦镜头，远心聚焦镜头的焦距为100mm，采取的激光波长是532nm波长，平面反射镜摆动1mrad，所述第二激光束摆动2mrad，所述第五激光束进行填充扫描摆动距离为200微米，所述第四激光束，优选为激光光束振镜10毫米的扩束准直光束，所述第五激光束的聚焦光斑为15微米。所述平面反射镜摆动1mrad所需时间为0.33毫秒，此时第五激光束激光焦点的填充扫描速度为600毫米/秒，而传统振镜在200微米范围内进行填充扫描，由于受镜片转动惯量等因素影响，其扫描速度不高于150毫米/秒。相对于15um的激光聚焦光斑而言，所述第五激光束进行填充扫描摆动距离为200微米的填充扫描速度是非常高效客观的，相对于传统振镜扫描填充，所述第五激光束激光焦点的填充扫描速度和精度获得极大的提高，因此，在激光微加工领域，本发明技术方案对于提高激光扫描填充的效率具备巨大的技术进步。
实施例3、一种激光扫描填充方法。以下结合图6对本实施例提供的方法进行详细描述。
参见图6，本实施例提供的激光扫描填充方法包括：
S1、计算机根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面划分填充区域线，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；并将根据所述填充区域线确定的填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块。
具体的，计算机首先将待扫描填充截面进行分区，在分区时，计算机需要考虑填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，根据扫描宽度范围能力确定填充区域线。计算机在每一个待扫描填充截面截面分区里面确定经络扫描路线；所有经络扫描路线构成经络扫描路径数据并保存；计算机将待扫描填充截面内经络两边填充扫描区域进行计算，获得任意经络扫描路径两边需要填充扫描区域的实时扫描宽度，形成填充扫描数据并保存；所述填充扫描数据包括经络扫描位置信息和填充扫描范围信息。计算机将填充扫描范围信息发送给填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块。
S2、入射激光束经过聚焦形成聚焦的第一激光束，并通过所述填充扫描激光偏转控制模块对聚焦的第一激光束进行扫描填充运动控制，输出聚焦状态的第二激光。
具体的，入射激光束需要经过聚焦形成聚焦的第一激光束入射填充扫描激光偏转控制模块，根据计算机发送的填充扫描范围信息，填充扫描激光偏转控制模块对聚焦的第一激光束进行扫描填充运动控制，形成扫描填充运动控制之后的第二激光束，其中，第二激光束也为聚焦状态。
S3、对聚焦状态的第二激光束进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束。
具体的，对于经过扫描填充运动控制之后的聚焦状态的第二激光束，采用光束发散扩束光学模块对其进行扩束，输出扩束的第三激光束。对于准直入射的第二激光束，经过光束发散扩束光学模块后输出扩束发散的第三激光束；对于聚焦的第二激光束，经过光束发散扩束光学模块后输出扩束激光束，并能够形成扩束准直的第三激光束(形成扩束准直的第三激光束对后续扫描填充的精度会更高)。如此，所述第二激光束是经过了所述填充扫描激光偏转控制模块运动调制了的，由于所述光束发散扩束模块是发散的光学系统，因此所述第三光束也是有角度运动的，如果第一光束是发散入射或者准直入射，那么所述光束发散扩束光学模块只能设计成光束聚焦模式或者扩束准直模式，这样无论所述第一光束如何运动，第三光束几乎不产生任何角度运动，而激光平场聚焦镜扫描对应的是光束的角度变化，因此，第一激光束是汇聚状态且光束发散扩束光学模块对入射的第二激光束是发散状态，对于本实施例的实现是直观重要的。
S4、根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束。
具体的，对于扩束后的第三激光束，根据步骤S1中计算机向截面经络扫描模块发送的经络扫描位置信息对扩束后的第三激光束进行经络路径扫描运动控制，输出经络扫描运动控制之后的第四激光束。
至此，总结一下为：第一激光束为会聚光束，经过填充扫描激光偏转控制模块完成偏移特别是角度运动控制调制，然后分别经过光束发散扩束模块和截面经络扫描模块把偏移运动传递到第四激光束，第四激光束的偏移运动特别是角度运动经过所述平场聚焦模块进行平场聚焦，完成填充扫描。截面经络扫描模块把经络扫描运动加载到第四激光束上，经过所述激光平场聚焦模块进行平场聚焦，完成经络路径扫描。总之，第四激光束承载了填充扫描激光偏转控制模块的填充扫描运动调制和截面经络扫描模块的经路路径扫描运动调制。
S5、对所述第四激光束平场聚焦，以使平场聚焦后输出的第五激光束对待加工对象的待扫描填充截面进行扫描填充加工。
具体的，第四激光束入射激光平场聚焦模块，输出平场扫描聚焦后的第五激光束。当填充扫描激光偏转控制模块不对第一激光束进行偏转时，即第二激光束处于静态时，最终输出的第五激光束的填充扫描路径为经络状；当填充扫描激光偏转控制模块对第一激光束进行偏转运动控制以形成偏转运动的第二激光束时，优选的，所述第五激光束的填充扫描路径为填充扫描运动和经络路径扫描运动的合成路径，其中，填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量不共线，第五激光束的填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量夹角在45°与90°之间。
输出的第五激光束对待加工工件进行填充扫描加工，其中，待加工工件为激光快速成型材料，包括但不限于光敏树脂、金属粉末、陶瓷粉末或尼龙。
本发明提供的一种激光扫描填充系统及激光扫描填充方法，利用计算机对激光待扫描填充截面事先进行了填充区域划分和经络路径划分，充分利用了截面经络扫描模块特别是振镜的直线长距离经络路径扫描运动和填充扫描激光偏转控制模块局部高速高精度填充扫描运动的优势，使得整体激光填充扫描效率和精度获得突破性提高。
另外，填充扫描激光偏转控制模块采用了压电陶瓷或者声光偏转或者电光偏转技术，这些技术元素对激光偏转的响应速度速度是纳秒量级到微秒量级，比传统振镜(响应速度毫秒量级)对光束偏转响应速度至少高二到三个量级，因此在完成激光填充扫描动作的效率上有极大的提高。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体方法、装置或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、方法、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光扫描填充系统，其特征在于，所述系统包括计算机、激光聚焦模块、填充扫描激光偏转控制模块、光束发散扩束光学模块、截面经络扫描模块和激光平场聚焦模块；
所述计算机，用于根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面进行填充区域划分，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；还用于将填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块；
所述激光聚焦模块，用于将入射激光束进行聚焦，形成入射所述填充扫描激光偏转控制模块的聚焦的第一激光束；
所述填充扫描激光偏转控制模块，用于根据计算机发送的填充扫描范围信息对所述聚焦的第一激光束的扫描填充运动控制，形成入射所述光束发散扩束光学模块的第二激光束；
所述光束发散扩束光学模块，用于对聚焦状态的第二激光束进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束，其中，在所述光束发散扩束光学模块内部透镜全部拆除的条件下，所述第一激光束和/或第二激光束激光焦点处于所述光束发散扩束光学模块内部或者输出端后端；
所述截面经络扫描模块，用于根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束；
所述激光平场聚焦模块，用于对所述第四激光束的平场聚焦，平场聚焦后输出的第五激光束对待加工工件的待填充扫描截面进行扫描填充加工。
2.如权利要求1所述的激光扫描填充系统，其特征在于，所述填充扫描激光偏转控制模块包括一个或多个串联的光束偏移调制子单元；
每一个所述光束偏移调制子单元包括透射光学元件以及用于控制透射光学元件进行摆动或平移的电机或压电陶瓷；
或者每一个所述光束偏移调制子单元包括反射光学元件以及用于控制反射光学元件进行偏转或者平移的电机或压电陶瓷；
或者每一个所述光束偏移调制子单元包括声光偏转器，通过改变声光偏转器的驱动源的载波频率调节聚焦的所述第一激光束的布拉格光栅反射角，改变聚焦的第一激光束传输方向；
或者每一个所述光束偏移调制子单元包括电光偏转器，电光晶体施加外加电压，形成渐变折射率梯度分布，并在其输出端实现光束方向的偏转。
3.如权利要求2所述的激光扫描填充系统，其特征在于，所述透射光学元件为透射平板光学元件或透射棱镜光学元件；所述反射光学元件为反射镜片。
4.如权利要求1所述的激光扫描填充系统，其特征在于，所述激光平场聚焦模块为远心平场镜头或者平场扫描聚焦镜头。
5.如权利要求1所述的激光扫描填充系统，其特征在于，所述光束发散扩束光学模块包括两个或两个以上串联的光学透镜，其中，至少串联有一个发散凹透镜和一个会聚凸透镜。
6.一种激光扫描填充方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、计算机根据待填充扫描截面面积和形状以及填充扫描激光偏转控制模块控制填充扫描的实时扫描宽度范围能力，对待填充扫描截面进行填充区域划分，并在相邻两条填充区域线之间确定一条扫描经络线；并将填充扫描范围信息发送给所述填充扫描激光偏转控制模块以及将经络扫描位置信息发送给截面经络扫描模块；
S2、入射激光束经过聚焦形成聚焦的第一激光束，并通过所述填充扫描激光偏转控制模块对聚焦的第一激光束进行扫描填充运动控制，输出聚焦状态的第二激光束；
S3、对聚焦状态的第二激光束进行发散光学处理，获取扩束的第三激光束；
S4、根据计算机发送的经络扫描位置信息完成对所述第三激光束的经络路径扫描运动控制，输出第四激光束；
S5、对所述第四激光束平场聚焦，以使平场聚焦后输出的第五激光束对待加工工件的待扫描填充截面进行扫描填充加工。
7.如权利要求6所述的激光扫描填充方法，其特征在于，当所述第二激光束处于静态时，所述第五激光束的填充扫描路径为经络状；当所述填充扫描激光偏转控制模块对第一激光束进行偏转运动控制以形成偏转运动的第二激光束时，所述第五激光束的填充扫描路径为填充扫描运动和经络路径扫描运动的合成路径，其中，填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量不共线。
8.如权利要求7所述的激光扫描填充方法，其特征在于，所述第五激光束的填充扫描运动矢量和经络路径扫描运动矢量夹角在45°与90°之间。
9.如权利要求6所述的激光扫描填充方法，其特征在于，所述待加工工件为激光快速成型材料。
10.如权利要求9所述的激光扫描填充方法，其特征在于，所述激光快速成型材料为光敏树脂、金属粉末、陶瓷粉末或尼龙。
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