CN111487764A - 一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统，所述基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统由抛物面镜折叠光路系统、激光导向反射镜和聚焦透镜组组成。本发明采用由平面反射镜和抛物面反射镜组成的折叠光路实现对系统的入射激光的变换，即改变出射激光的发散角。所述的折叠光路中含一个由旋转电机驱动的动反射镜，动反射镜的倾角变化可改变折叠光路出射激光的发散角，进而经过聚焦透镜聚焦后获得不同的聚焦位置。本发明采用由旋转电机驱动的单反射镜实现动态聚焦，具有变焦速度快的特点，进而可实现与扫描振镜同步的高速变焦。

Description

一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统
技术领域
本发明涉及一种新型激光动态聚焦原理及系统，通过单反射镜偏转改变抛物面反射镜折叠光路出射激光发散角以实现动态聚焦，属于光机电一体化、激光加工领域。
背景技术
随着激光技术的飞速发展，激光扫描技术广泛应用于诸如表面加工、扫描成像、快速成形、板材切割、钻孔等各种领域。其中，在各种激光扫描技术中，振镜扫描技术凭借其快速及准确性被广泛采用，传统的振镜扫描技术主要结合XY双轴振镜扫描和场镜(F-theta透镜)实现平面范围内的二维扫描，但该技术受限于场镜视场而难以实现大幅面扫描，且由于采用扫描后聚焦的原理而无法实现三维空间的激光扫描。为解决上述问题，提出一种含动态聚焦系统的激光扫描系统以取代场镜实现大幅面及三维激光扫描，即采用先聚焦，后进行XY轴振镜扫描的方法，并可动态改变聚焦位置以实现大幅面以及三维激光扫描。
现有广泛使用的动态聚焦技术的原理在于，改变激光聚焦光学系统中的相关透镜元件间的距离以改变最终激光聚焦的位置，不同的专利方案中主要在所选用的透镜移动的驱动方式与传动方式部存在不同。例如，专利CN208391288U公开的一种大型复杂曲面动态聚焦激光加工系统，其所发明的系统包含动态聚焦模块，该模块光路上主要包括动态聚焦镜、第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所选用的驱动方式是音圈电机或压电陶瓷，以驱动动态聚焦沿光轴的直线运动，进而实现聚焦位置的变化。专利US8023165B2公开的透镜移动装置与激光扫描系统所包含的动态聚焦模块，其原理在于利用旋转电机驱动，并配合铰链、滑块与导轨的传动实现透镜沿光轴方向上的运动；类似的，专利CN205899130U公开的高速动态聚焦激光振镜模组，其所包含的动态聚焦模块在光路上是由变焦透镜、聚焦透镜组组成，所选用的驱动方式也是旋转电机，并设计由铰接杆、滑块以及导轨组成传动机构，进而将转动驱动转换为直线驱动以实现动态聚焦镜的运动，进而实现聚焦位置的动态变化。专利CN201783759U公开的光纤激光或碟片激光动态聚焦扫描点轨迹加工系统，其包含的动态聚焦模块在光路上由凹透镜和凸透镜组组成，所选用的驱动方式为轴空心伺服直线电机，通过控制伺服直线电机直接驱动凹透镜直线移动，以聚焦位置的动态变化。
综上所述，目前广泛应用的动态聚焦技术在光路上主要是改变激光聚焦系统的透镜元件之间的距离以实现聚焦位置的动态变化，这一方法需要控制透镜沿直线的运动，其运动控制、驱动与传动方式与二维振镜扫描相比，具有显著区别，这导致动态聚焦系统与二维扫描系统在动态性能上存在很大不同，很难实现两者间的同步控制，且透镜直线运动与扫描振镜旋转运动之间的响应速度存在较大的差异，前者速度慢、响应时间长，会最终限制整体三维扫描系统的扫描速度。
发明内容
为解决已有技术的不足，本发明提供一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统，该动态变焦系统变焦速度快、可与扫描振镜同步控制，可以实现快速的三维扫描。
本发明的技术方案是：
一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统，其特征在于，包括抛物面镜折叠光路系统(10)、激光导向反射镜(20)和聚焦透镜组(30)。
所述的抛物面镜折叠光路系统(10)，其特征在于，包括抛物面凹反射镜(101)和折叠反射镜组(102)；其中，所述的抛物面凹反射镜(101)的激光反射面为凹抛物面。
所述激光导向反射镜(20)，其特征在于，包括两个反射镜，反射镜的布置倾角可以控制激光动态聚焦系统的入射和出射激光方向。
所述的聚焦透镜组(30)，其特征在于，包含一个或多个聚焦透镜，其光轴与反射镜反射出射激光轴向重合。
根据本发明的一个实施例，所述聚焦透镜组(30)由两个平凸透镜组成，两平凸透镜凸面相向紧靠布置。
所述折叠反射镜组(102)，其特征在于，包括固定反射镜(102A、102B)以及动反射镜(102C)和旋转电机(102D)；所述的固定反射镜(102A、102B)由两个关于抛物面凹反射镜(101)的竖直对称面对称布置的反射镜组成，两个固定反射镜(102A、102B)的反射面的夹角为直角，且与水平面垂直；所述的动反射镜(102C)反射面置于抛物面凹反射镜(101)的焦点处，其转动轴与抛物面凹反射镜(101)的抛物面反射面的中心轴垂直且处于同一水平面上，其在所述旋转电机(102D)的驱动下转动可以改变相对水平面的倾角。
所述的基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统可以与二维激光扫描系统(40)集成实现三维扫描加工的功能，所述的二维激光扫描系统由两个由旋转电机及其所驱动的平面反射镜组成，实现从激光动态聚焦系统中出射的激光束的偏转，配合聚焦位置变化实现聚焦点在一定三维空间内的变化，进而实现激光三维扫描。
本发明的有益效果：
本发明的动态聚焦系统只需要控制单一反射镜的转角变化即可以实现出射激光束聚焦位置的改变，在系统配置调试完成后所需的控制较简单。
本发明的动态聚焦系统中驱动动反射镜转动的旋转电机决定整体系统的变焦性能，可采用与二维扫面振镜性能一致的电机，可以实现整体三维扫描系统的高度同步性，同样也可以充分利用振镜电机的快速性，实现高速、同步的三维扫描。
附图说明
图1为本发明实例整体结构示意图。
图2为本发明抛物面镜折叠光路系统结构示意图
图3为本发明变焦原理光路示意图。
图4为本发明变焦原理光路侧视图。
图5为本发明激光扫描功能示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细介绍具体结构实例以及工作原理的相关内容：
如图1所示，一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统，包括抛物面镜折叠光路系统(10)、激光导向反射镜(20)和聚焦透镜组(30)；所述的激光导向反射镜(20)布置在抛物面镜折叠光路系统的(20)入射和出射激光的光轴处；聚焦透镜组(30)则布置在出射激光处。
如图2所示，所述的抛物面镜折叠光路系统(10)包括抛物面凹反射镜(101)和折叠反射镜组(102)；其中，所述的抛物面凹反射镜(101)的激光反射面为凹抛物面，其固定在基座上。
如图1所示，所述的激光导向反射镜(20)包括两个反射镜，反射镜的反射面的布置倾角可以控制激光动态聚焦系统的入射和出射激光方向，可以使聚焦后的激光束沿入射激光的光轴出射。
如图1所示，所述的聚焦透镜组(30)包含一个或多个聚焦透镜，其光轴与激光导向反射镜(20)反射得到的出射激光的光轴向重合。
根据本发明的一个实施例，所述聚焦透镜组(30)由两个平凸透镜组成，两平凸透镜凸面相向紧靠布置。
如图2所示，所述折叠反射镜组(102)包括固定反射镜(102A、102B)以及动反射镜(102C)和旋转电机(102D)；其中，所述的固定反射镜(102A、102B)由两个关于抛物面凹反射镜(101)的对称面对称布置的反射镜组成，两个固定反射镜(102A、102B)的反射面的夹角为直角，且与水平面垂直；所述的动反射镜(102C)反射面置于抛物面凹反射镜(101)的焦点处，其转动轴与抛物面凹反射镜(101)的抛物面反射面的中心轴垂直，其在所述旋转电机(102D)的驱动下转动可以改变相对水平面的倾角。
如图3所示，所述的一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统的光路工作原理在于：入射激光经激光导向反射镜(20)导向后，先入射到动反射镜(102C)上，由于该动反射镜(102C)位于抛物面凹反射镜(101)的焦点处，激光经其反射后入射到抛物面凹反射镜(101)后聚焦并会沿与抛物面凹反射镜的中心轴平行的方向出射，由于固定反射镜(102A、102B)布置时倾角与位置是相互对称的，因此随后激光束经过固定反射镜(102A、102B)反射后出射的激光仍沿与抛物面凹反射镜的中心轴平行的方向入射到抛物面凹反射镜(101)上，同样由于该动反射镜(102C)位于抛物面凹反射镜(101)的焦点处，再次经过抛物面凹反射镜(101)聚焦后的出射的激光束入射在动反射镜(102C)上，经其反射后出射的激光束经导向反射镜(20)导向反射后沿聚焦透镜组(30)光轴入射到聚焦透镜组(30)中，经其聚焦后获得聚焦光斑。
如图4所示，所述的一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统的光路变焦工作原理在于：如上所述，激光束主要经过了抛物面凹反射镜(101)的两次聚焦以及折叠反射镜组(102)的反射导向这两个过程，激光束实际经过了聚焦、发散、聚焦、发散的过程，最后在入射到聚焦透镜组(30)之前，激光束是发散的，而改变动反射镜(102C)的倾角，可以改变内部激光变换的特性，进而改变在入射到聚焦透镜组(30)之前的激光束的发散角，最终改变聚焦光斑位置。
如图5所示，所述的一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统可以与任意二维激光扫描系统，例如40配合实现三维扫描的功能，所述的二维扫描系统由两个平面反射镜及驱动其运动的旋转电机组成，两面反射镜偏转角度的变化可以实现激光束偏转，而所述的基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统以实现聚焦光斑沿激光束光轴方向的变换，进而相互配合实现三维空间内的激光扫描。
本动态聚焦系统所使用的光路只需要控制单一反射镜的转动即能够实现出射激光聚焦位置的动态变化，因此，首先本专利所述的动态聚焦系统在系统控制上比较容易，与振镜的电机控制原理相同；其次，由于所需控制的转动反射镜的孔径可与扫描振镜孔径一致，因此可以采用与扫描振镜电机性能相近的电机驱动其转动，进而可以保持动态聚焦系统与扫描振镜系统的动态性能一致，实现两者的同步；此外，由于可以使用响应速度快、固有频率高的振镜电机驱动本动态聚焦系统中的动反射镜转动，因此该系统具有聚焦速度快、精度高的特点。综合来看，本专利所述的动态聚焦系统具有控制系统简单、聚焦速度快、精度高、与二维扫描系统同步性好的优点。

Claims (5)

1.一种基于抛物面反射镜折叠光路的激光动态聚焦系统，其特征在于，包括抛物面镜折叠光路系统(10)、激光导向反射镜(20)和聚焦透镜组(30)。
2.根据权利要求1所述的抛物面镜折叠光路系统(10)，其特征在于，包括抛物面凹反射镜(101)和折叠反射镜组(102)；其中，所述的抛物面凹反射镜(101)的激光反射面为凹抛物面。
3.根据权利要求1所述激光导向反射镜(20)，其特征在于，包括两个反射镜，反射镜的布置倾角可以控制激光动态聚焦系统的入射和出射激光光束方向。
4.根据权利要求1所述的聚焦透镜组(30)，其特征在于，包含一个或多个聚焦透镜。
5.根据权利要求2所述折叠反射镜组(102)，其特征在于，包括固定反射镜(102A、102B)以及动反射镜(102C)和旋转电机(102D)；所述的固定反射镜(102A、102B)由两个关于抛物面凹反射镜(101)的竖直对称面对称布置的反射镜组成，两个固定反射镜(102A、102B)的反射面的夹角为直角，且与水平面垂直；所述的动反射镜(102C)反射面置于抛物面凹反射镜(101)的焦点处，其转动轴与抛物面凹反射镜(101)的中心轴垂直且处于同一水平面上，其在所述旋转电机(102D)的驱动下转动可以改变相对水平面的倾角。
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