CN108526142A - 一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置 - Google Patents
一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，将近似平行光束照射在旋转反射镜片，旋转反射镜片由电机带动旋转，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。本发明还公开了一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，包括电机、旋转反射镜片，所述电机的下端连接有可旋转的旋转反射镜片，所述近似平行光束能够照射在旋转反射镜片上，所述旋转反射镜片将反射过来的光束进行反射，当电机旋转时，旋转反射镜片反射的光束形成扫描轨迹，实现圆周扫描。本发明扫描均匀，清洗效率高，成本低、寿命长、质量轻，利于便携式，整体结构简单稳定、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种光束扫描设备，具体的说，涉及一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置，属于激光清洗等技术领域。
背景技术
激光清洗作为一种新型表面清洗技术，具有无机械接触、无基底损伤、绿色环保、运行成本低等优点，在模具清洗、电子元器件制备、文物保护与修复、除漆除锈等领域应用前景十分广阔。因此，激光清洗技术及设备的研究与开发已经引起国内外研究人员的高度关注。
激光清洗主要是利用了激光能量密度高的特性，即将一束聚焦激光束直接辐照污染物（或漆、锈等），使污染物产生熔化、气化或者震动等物理或化学变化，从而使污染物与被污染物体脱离。在对大面积污染物（或漆、锈等）进行清洗（或清除）时，为降低激光清洗设备成本或减小设备体积，通常是使单一光束在某一个方向上快速来回运动，使辐照光束在待清洗物表面形成线状光斑，然后再使线状光斑运动，从而达到对整个污染面进行清洗的目的。因此，如何给激光束设计一种速度快、效率高、寿命长、结构简单且成本低的一维扫描装置是推动激光清洗技术快速发展与应用的关键问题之一。
目前，使激光束快速扫描的装置及其实现方法主要有平台扫描、振镜扫描和转镜扫描三种，其工作原理及优缺点具体如下：
平台扫描。通过移动平台带动激光束或待清洗物体发生平面运动，使激光束与待清洗物体发生相对运动，从而达到清洗目的。该方式原理简单，但设备占用空间大，不利于实现便携式操作。
振镜扫描。该方式常用于激光加工与标刻系统，具体方法是将一束激光打到振镜上，通过振镜的来回快速摆动使反射光斑变成线状光斑。该方式比平台扫描方式占用体积小，扫描速度快。但是，来回快速摆动的运动方式不仅会限制振镜的摆动速度还会影响振镜电机的使用寿命。
多面转镜扫描。为克服振镜扫描存在的缺陷，多面转镜装置与技术在某些领域得到发展和应用。由于转镜是单方向转动，所以电机使用寿命长易于实现。但是，多面转镜也存在一定缺陷：其一，制作工艺要求高，造价高昂；其二，光束入射点（或反射点）随反射面的转动而变化，不利于光束的均匀辐照；其三，扫描范围（或角度）不易改变，因为转镜的扫面范围（或角度）由反射面的数目决定。需要转镜面数比较多。其四，当光束口径比较大时，多面转镜体积会很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置，其扫描均匀，清洗效率高，成本低、寿命长、质量轻，利于便携式，整体结构简单稳定、易于实现。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，将近似平行光束照射在旋转反射镜片，旋转反射镜片由电机带动旋转，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
一种优化方案，包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片，旋转反射镜片在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片将反射光束照射在场镜上，场镜将旋转反射镜片反射来的光束进行聚焦，当电机旋转时，电机带动旋转反射镜片旋转，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
进一步地，将近似平行光束照射在固定反射镜片上，固定反射镜片将反射光照射在旋转反射镜片上；旋转反射镜片由电机带动旋转，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
进一步地，包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在固定反射镜片上，固定反射镜片将反射光照射在旋转反射镜片上；旋转反射镜片在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片将反射光照射在场镜上，场镜将旋转反射镜片反射的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
进一步地，包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片上，所述旋转反射镜片为凹面镜，旋转反射镜片在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片将反射光进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
本发明还提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，包括电机、旋转反射镜片，所述电机的下端连接有可旋转的旋转反射镜片，所述近似平行光束能够照射在旋转反射镜片上，所述旋转反射镜片将反射过来的光束进行反射，当电机旋转时，旋转反射镜片反射的光束形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
一种优化方案，所述旋转反射镜片为凹面镜。
进一步地，所述旋转反射镜片的下方设置有场镜，所述旋转反射镜片将光束反射照射在场镜上，所述场镜将旋转反射镜片反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
进一步地，所述场镜上方设置有固定反射镜片，固定反射镜片的反射面与场镜所在平面之间设置有夹角，所述固定反射镜片位于旋转反射镜片的正下方；所述近似平行光束照射在固定反射镜片上，固定反射镜片的反射光束照射在旋转反射镜片上，所述固定反射镜片的反射光束与入射光束垂直；所述旋转反射镜片将光束反射照射在场镜上，所述场镜将旋转反射镜片反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹，实现圆周扫描。
进一步地，所述旋转反射镜片上的入射点与电机的旋转轴中心重合；所述装置还包括光束整形系统，所述光束整形系统将光纤射出的激光整形变为近似平行光束进行照射。
本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
（1）扫描均匀，清洗效率高。在传统扫描方式中，激光焦斑的扫描轨迹往往是一条直线，当移动（尤其是人工移动）扫描系统进行面清洗时，如果移动速度稍快很容易形成“斑马线”或“z”形扫描轨迹，清洗效果不理想。如果采用本发明光束扫描方式，在直线移动扫描装置进行面清洗的过程，污染物会被清洗两次，即“下（或右）半个圆”扫描一次“上（或左）半个圆”再清洗一次，或者说清洗轨迹类似于“螺旋式”的。这样大大提高了清洗的均匀性与清洗效率。
（2）成本低、寿命长。
①对电机性能要求低。目前光束快速扫描大多由振镜系统完成，由于在光束扫描过程中需要振镜电机往返运动，这种往返运动使得光束扫描速度不可能非常快，而且长时间快速往返运动还会降低电机的使用寿命，因此，振镜系统对电机的性能普遍要求比较高，另外振镜电机的控制系统相对也比较复杂。在本发明中完成光束扫描过程电机只需要单向旋转，控制系统一般只需能够改变电机的转速即可。因此，相对于传统振镜系统，本发明大大降低了对电机的性能要求，这不仅有利于提高电机的运行寿命还会显著降低电机价格，同时还大大简化了控制系统。
②对扫描反射镜要求低。通常情况下，采用电机单向旋转实现光束扫描的装置都是基于多面反射镜，但是多面转镜存在一定缺陷：其一，制作工艺要求高，造价高昂；其二，光束入射点（或反射点）随反射面的转动而变化，不利于光束的均匀辐照；其三，扫描范围（或角度）不易改变，因为转镜的扫面范围（或角度）由反射面的数目决定。需要转镜面数比较多。其四，当光束口径比较大时，多面转镜体积会很大。本发明的扫描反射镜只是一片普通的平面反射镜，相对于多面转镜该平面反射镜易于加工，成本大大降低。
③对场镜要求低。在光束直线扫描方式中（无论是基于振镜系统还是多面转镜系统）为了保持整条扫描轨迹中间与两侧焦斑的均匀性，场镜必须要特殊设计，因此成本往往比较高。在本发明中光束在场镜上的扫描轨迹的位置是成圆对称分布的，这就大大降低了对场镜的要求。
因此，本发明装置器件少，结构简单，这有助于降低系统成本与系统的长期稳定。
（3）质量轻，利于便携式。本发明装置器件少，所以整体质量轻，而且依据本发明光路设计十分有利于做成手持式激光清洗设备。
另外，通过调节旋转反射镜片与场镜的间距能够实现改变光斑圆形扫描轨迹的半径（或宽度）。
由上可见，本发明提供的基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置整体结构简单稳定、易于实现、制造成本低。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例4清洗装置的结构示意图；
图2是本发明实施例2清洗装置的结构示意图；
图中，
1-外壳及支架，2-旋转反射镜片，3-固定反射镜片，4-场镜，5-光斑扫描轨迹，6-光束整形系统，7-电机。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法
本发明提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，包括以下步骤：
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片2，旋转反射镜片2在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片2将反射光照射在场镜4上，场镜4将旋转反射镜片2反射来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
具体的由光纤出射的激光经光束整形系统后变为类近似平行光束，该光束经旋转反射镜片反射，最后由场镜聚焦形成高强度光斑，当该高强度光斑打到待清洗物体上时，污染物就能够被清洗掉。如果电机带动旋转反射镜片高速旋转，高强度聚焦光斑便会形成一个圆形扫描轨迹。经人工或机械装置带动该扫描系统整体移动便可实现大面积清洗。光束在旋转反射镜上的入射点与电机的旋转轴中心重合。
实施例2一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置
如图2所示，本发明提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，包括外壳1、支架、光束整形系统6、电机7、旋转反射镜片2、场镜4。
所述外壳1的顶部固定设置有电机7，所述电机7电连接电源线与控制线。
所述电机7通过支架固定在外壳1的顶部或侧壁上，所述电机7的下端连接有可旋转的旋转反射镜片2，所述旋转反射镜片2顺时针或逆时针旋转均可。所述旋转反射镜片2具备调节转速功能，转速可调，因为不同清洗物需要的激光照射时间会有区别。
旋转反射镜片2为平面镜。
所述外壳1的底部设置有场镜4，场镜4为聚焦透镜或者透镜组，具有聚焦能力。
所述装置还包括光束整形系统6，所述光束整形系统6位于外壳1内部一侧。
所述光束整形系统6将光纤射出的激光整形变为近似平行光束，并将近似平行光束能够照射在旋转反射镜片2上，优选的，旋转反射镜片2的入射点与电机的旋转轴中心重合。所述旋转反射镜片2将光束反射照射在场镜4上，所述场镜4将旋转反射镜片2反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
通过调节旋转反射镜片2与场镜4的间距能够实现改变光斑圆形扫描轨迹的半径（或宽度）。
实施例3一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法
本发明还提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，包括以下步骤：
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在固定反射镜片3上，固定反射镜片3将反射光照射在旋转反射镜片2上；旋转反射镜片2在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片2将反射光照射在场镜4上，场镜4将旋转反射镜片2的反射光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
具体的由光纤出射的激光经光束整形系统后变为类近似平行光束，该光束经固定反射镜片和旋转反射镜片反射，最后由场镜聚焦形成高强度光斑，当该高强度光斑打到待清洗物体上时，污染物就能够被清洗掉。如果电机带动旋转反射镜片高速旋转，高强度聚焦光斑便会形成一个圆形扫描轨迹。经人工或机械装置带动该扫描系统整体移动便可实现大面积清洗。光束在旋转反射镜上的入射点与电机的旋转轴中心重合。
实施例4一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置
如图1所示，本发明还提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，包括外壳1、支架、光束整形系统6、电机7、旋转反射镜片2、固定反射镜片3场镜4。
所述外壳1的顶部固定设置有电机7，所述电机7电连接电源线与控制线。
所述电机7通过支架固定在外壳1的顶部或侧壁上，所述电机7的下端连接有可旋转的旋转反射镜片2，所述旋转反射镜片2顺时针或逆时针旋转均可。所述旋转反射镜片2具备调节转速功能，转速可调，因为不同清洗物需要的激光照射时间会有区别。
旋转反射镜片2为平面镜。
所述外壳1的底部设置有场镜4，场镜4为聚焦透镜或者透镜组，具有聚焦能力。
所述场镜4上方设置有固定反射镜片3，固定反射镜片3的反射面与场镜4所在平面成45度角，所述固定反射镜片3位于旋转反射镜片2的正下方。
所述装置还包括光束整形系统6，所述光束整形系统6位于外壳1内部一侧。
所述光束整形系统6将光纤射出的激光整形变为近似平行光束，并将近似平行光束照射在固定反射镜片3的中心位置，入射角为45度，反射光束与入射光束垂直，固定反射镜片3的反射光束在旋转反射镜片2上的入射点与电机的旋转轴中心重合。
所述固定反射镜片3将近似平行光束反射成为垂直光束照射在旋转反射镜片2上，所述旋转反射镜片2将垂直光束反射成为倾斜光束照射在场镜4上。
所述场镜4将倾斜光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
通过调节旋转反射镜片2与场镜4的间距能够实现改变光斑圆形扫描轨迹的半径（或宽度）。
实施例5一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法
本发明还提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，包括以下步骤：
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片2上，所述旋转反射镜片2为凹面镜，旋转反射镜片2在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片2将反射光进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
实施例6一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置
本发明提供一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，包括外壳1、支架、光束整形系统6、电机7、旋转反射镜片2。
所述外壳1的顶部固定设置有电机7，所述电机7电连接电源线与控制线。
所述电机7通过支架固定在外壳1的顶部或侧壁上，所述电机7的下端连接有可旋转的旋转反射镜片2，旋转反射镜片2为凹面镜，所述旋转反射镜片2顺时针或逆时针旋转均可。所述旋转反射镜片2具备调节转速功能，转速可调，因为不同清洗物需要的激光照射时间会有区别。
所述装置还包括光束整形系统6，所述光束整形系统6位于外壳1内部一侧。
所述光束整形系统6将光纤射出的激光整形变为近似平行光束，并将近似平行光束能够照射在旋转反射镜片2上，优选的，旋转反射镜片2的入射点与电机的旋转轴中心重合。所述旋转反射镜片2将反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹5，实现圆周扫描。
本发明扫描均匀，清洗效率高。在传统扫描方式中，激光焦斑的扫描轨迹往往是一条直线，当移动（尤其是人工移动）扫描系统进行面清洗时，如果速度稍快很容易形成“斑马线”或“z”形扫描轨迹，清洗效果不理想。如果采用本发明光束扫描方式，在直线移动扫描装置进行面清洗的过程，污染物会被清洗两次，即“下（或右）半个圆”扫描一次“上（或左）半个圆”再清洗一次，或者说清洗轨迹类似于“螺旋式”的。这样大大提高了清洗的均匀性与清洗效率。
成本低、寿命长；本发明旋转反射镜只是一片普通的反射平面镜，通常情况下，采用电机单向旋转实现光束扫描的装置，其反射镜都是多面的，相对于本发明中的平面反射镜片，无论哪种多面镜其加工工艺都会显得复杂而且成本也随之增高。相对于传统振镜系统，大大降低了对电机的性能要求，这不仅有利于提高电机的运行寿命还会显著降低电机价格。而且振镜系统的控制系统比较复杂，不仅要控制振镜的速度还要控制振镜往返运动和摆动角度，而本发明的控制系统一般只需能够改变电机的转速即可，大大简化了控制系统。因此，本发明装置器件少，结构简单，这有助于降低系统成本与系统的长期稳定。
质量轻，利于便携式；本发明装置器件少，所以整体质量轻，而且依据本发明光路设计十分有利于做成手持式激光清洗设备。
另外，通过调节旋转反射镜片与场镜的间距能够实现改变光斑圆形扫描轨迹的半径（或宽度）。
综上所述，本发明提供的基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法与装置整体结构简单稳定、易于实现、制造成本低。
以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，其特征在于：将近似平行光束照射在旋转反射镜片（2），旋转反射镜片（2）由电机带动旋转，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
2.如权利要求1所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片（2），旋转反射镜片（2）在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片（2）将反射光束照射在场镜（4）上，场镜（4）将旋转反射镜片（2）反射来的光束进行聚焦，当电机旋转时，电机带动旋转反射镜片（2）旋转，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
3.如权利要求1所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，其特征在于：将近似平行光束照射在固定反射镜片（3）上，固定反射镜片（3）将反射光照射在旋转反射镜片（2）上；旋转反射镜片（2）由电机带动旋转，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
4.如权利要求3所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在固定反射镜片（3）上，固定反射镜片（3）将反射光照射在旋转反射镜片（2）上；旋转反射镜片（2）在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片（2）将反射光照射在场镜（4）上，场镜（4）将旋转反射镜片反射的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
5.如权利要求1所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一：光束整形，由光纤出射的激光经光束整形系统后变为近似平行光束；
步骤二：将近似平行光束照射在旋转反射镜片（2）上，所述旋转反射镜片（2）为凹面镜，旋转反射镜片（2）在旋转过程中保证近似平行光束能够照射在镜面上；
步骤三，旋转反射镜片（2）将反射光进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
6.一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，其特征在于：包括电机（7）、旋转反射镜片（2），所述电机（7）的下端连接有可旋转的旋转反射镜片（2），所述近似平行光束能够照射在旋转反射镜片（2）上，所述旋转反射镜片（2）将反射过来的光束进行反射，当电机旋转时，旋转反射镜片（2）反射的光束形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
7.如权利要求6所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，其特征在于：所述旋转反射镜片（2）为凹面镜。
8.如权利要求6所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，其特征在于：所述旋转反射镜片（2）的下方设置有场镜（4），所述旋转反射镜片（2）将光束反射照射在场镜（4）上，所述场镜（4）将旋转反射镜片（2）反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
9.如权利要求6所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，其特征在于：所述场镜（4）上方设置有固定反射镜片（3），固定反射镜片（3）的反射面与场镜（4）所在平面之间设置有夹角，所述固定反射镜片（3）位于旋转反射镜片（2）的正下方；所述近似平行光束照射在固定反射镜片（3）上，固定反射镜片（3）的反射光束照射在旋转反射镜片（2）上，所述固定反射镜片（3）的反射光束与入射光束垂直；所述旋转反射镜片（2）将光束反射照射在场镜（4）上，所述场镜（4）将旋转反射镜片（2）反射过来的光束进行聚焦，当电机旋转时，焦斑形成扫描轨迹（5），实现圆周扫描。
10.如权利要求6-9任意一项所述的一种基于光束圆周扫描实现激光清洗的装置，其特征在于：所述旋转反射镜片（2）上的入射点与电机的旋转轴中心重合；所述装置还包括光束整形系统（6），所述光束整形系统（6）将光纤射出的激光整形变为近似平行光束进行照射。
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2018
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