CN113319425B - 一种多轴激光扫描光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光加工领域，公开了一种多轴激光扫描光学系统，该系统包括动态聚焦模块(15)、光束平行平移模块(18)、二维扫描模块(7)和聚焦模块(8)；动态聚焦模块用于控制激光光束的直径以及输出激光的焦点的Z坐标；光束平行平移模块用于调节激光光束传输方向在Y轴上的投影位置、以及激光光束传输方向在Z轴上的投影位置；该系统能够通过调控输入至二维扫描模块的激光光束其沿Y轴及沿Z轴的离轴方向与离轴距离，基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，实现输出激光光束其传播方向与Y轴方向之间的夹角α、以及传播方向与X轴方向之间的夹角β的调控，从而实现对激光的多轴调控。

Description

一种多轴激光扫描光学系统

技术领域

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种多轴激光扫描光学系统，可以实现扫描激光的多维度调控。

背景技术

科技的发展不断对制造技术提出新的挑战，很多高端装备的制造技术指标要求已经接近甚至超过传统制造技术的极限，如航空/航天用零件的制造、三维不规则材料的刻蚀或切割等。利用传统加工技术，如机械加工、电火花加工、超声加工等，均难以达到上述加工需求的技术指标。近年来，以激光和电子束为代表的高能束制造技术在精密加工方面发展迅速。电子束加工是利用高能量会聚电子束的热效应或电离效应对材料进行的加工。然而，电子束的大功率加速和大幅度偏转较难实现，且加工过程需要全真空环境，因此不但造价极其高昂、工艺非常复杂，而且难以实现倒锥孔等特殊孔型的制造；相对于电子束，激光束具有多方面的先天优势，如易于大规模工程化产生、无需真空环境传输、易于聚焦和整型、速度快、效率高以及无工具损耗等，因此在微纳制造方面发展迅速。但激光加工同样存在很多亟待解决的问题，目前在激光加工领域应用最多的加工方式是振镜扫描加工，振镜是一种优良的矢量扫描器件，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩带动镜片旋转，进而实现对激光的偏转，由于振镜扫描的速度快、精度高，所以广泛应用于激光加工领域，实现激光的快速高精度扫描。目前常规振镜扫描技术可以实现X、Y二维激光扫描或X、Y、Z三维激光扫描，但上述二维或三维激光扫描技术的局限在于，聚焦激光束的倾斜角度无法调节，即激光加工到幅面内的某一点时，其在空间中的传输方向是固定的。激光束是通过透镜的会聚效应，在光束焦点上形成极高的功率密度使材料熔化或烧蚀来实现各种加工处理，聚焦后的光束自身就具有较大的锥度，在进行表面刻蚀、切割和打孔等加工时，随着加工深度的增加，上层未被去除的材料会阻碍激光的能量传输，导致刻蚀效率下降、切割端面翻边或烧蚀等问题，在打孔加工时，上述方式加工所得的孔往往是入口孔径大于出口孔径的正锥孔。上述传统二维或三维振镜加工存在的问题可以归结于扫描激光束与材料之间的夹角无法控制，即光路无法让位。

为实现光路让位，就需要实现对扫描激光束倾斜角度的控制，即为扫描激光束增加两个可调控的倾斜轴α和β轴，其中α轴为聚焦激光光束其传播方向与Y轴方向之间的夹角，β轴为聚焦激光光束其传播方向与X轴方向之间的夹角。随着加工深度的增加，激光束可以根据扫描情况进行倾斜，避开未被加工到的材料，在实现激光能量的高效率传输的同时，又不会对未被加工的材料产生影响，有效避免了刻蚀效率下降、切割翻边或烧蚀等问题，在打孔加工时，也可以实现对孔型的调控，除正锥型孔外，还可以加工出柱型孔和倒锥型孔等特殊孔型。

目前公开的专利EP1656234B1中提出了一种用于激光钻孔和切割设备的扫描头，其特征在于，包括摆动单元、动态聚焦和扩束单元、扫描单元、聚焦单元和在线观察单元。摆动单元由两块安装在摆动电机上的平行平板组成，激光以一定的角度入射到平行平板中，通过两个可摆动平行平板组合，可以实现激光束在垂直于传播方向二维平面上的平行偏移，光束的偏移量取决于平板的折射率、平板的厚度以及光束的入射角；动态聚焦和扩束单元将摆动单元产生的激光平移量放大，以实现聚焦激光倾角更大范围的调节，同时通过调节动态聚焦和扩束单元中透镜之间的距离，可以实现对激光焦点Z轴位置的调节；经过平行偏移和扩束的激光再入射到扫描单元和聚焦单元，实现二维图形的扫描。该方法的局限性在于：

1、该系统采用平行平板使激光束离轴，最大离轴量有限，随着平行平板折射率和厚度的增加，激光束离轴的动态调节性能会下降，同时必须借助扩束系统对激光束的离轴量进行放大，扩束系统会影响激光能量分布，导致聚焦性能下降；

2、对离轴激光束进行离轴量放大必须采用大口径的镜片，镜片的尺寸过大将限制镜片间距的调节速度，进而影响激光Z轴调节的动态性能；

3、该系统无法实现激光束直径的调节，扩束系统将激光离轴量放大的同时，也将激光光束直径放大，限制了加工幅面和深径比，无法同时实现大幅面超精细加工和小幅面大深径比加工的切换；

4、该系统属于一个整体系统，缺少任何一个组成部分或系统中任何一个组成部分的特性或安装位置发生了变化，该系统都无法继续工作；

5、该系统提供的方法无法兼容现有二维或三维振镜系统，即不能通过简单升级使二维或三维振镜系统具有五维扫描的功能，并实现二维到五维的切换。

在公开的专利CN107771112A中提出了一种具有集成光束位置传感器的扫描头以及用于离线校准的校准装置，其特征在于，包括聚焦光学系统以及用于影响激光束位置的光束位置系统。该方法通过控制光束进入扫描聚焦镜的位置和角度，进而控制激光焦点在加工表面的位置和激光束与加工表面的相对角度。该方法的局限性在于：

1、该系统中扫描激光束的倾角与焦点位置的调节是相互影响的，需要通过软件算法的复杂计算才可能获得符合预期的扫描激光束；

2、该系统无法实现激光光束直径的调节，无法同时实现大幅面超精细加工和小幅面大深径比加工的切换；

3、该系统中采用的激光倾斜入射调节扫描激光束倾角和焦点位置的方式会引入非常大的像差，激光束倾角过大或扫描范围过大都会导致激光焦点质量的急剧下降，限制了扫描系统的倾角和扫场的调节范围；

4、该系统属于一个整体系统，缺少任何一个组成部分或系统中任何一个组成部分的特性或安装位置发生了变化，该系统都无法继续工作；

5、该系统提供的方法无法兼容现有二维或三维振镜系统，即不能通过简单升级使二维或三维振镜系统具有五维扫描的功能，并实现二维到五维的切换。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种多轴激光扫描光学系统，其中通过对各组件的构成及各组件间相互配合的工作方式等进行改进，在常规X、Y二维激光扫描方法的基础上，通过动态聚焦模块实现对激光光束直径和激光焦点Z方向位置的调节；基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，在激光束入射到二维扫描模块前，利用光束平行平移模块调节激光束的平移方向和平移量，实现扫描激光与工件表面倾角α和β的调节(即，激光束与工件的夹角α和β)。本发明系统中激光的五个轴X、Y、Z、α、β可实现完全独立调节，不存在相互影响，并且可以通过改变入射激光束直径来控制激光扫场大小、焦点光斑大小和最大倾斜角度，在一个系统内同时实现大幅面超精细加工和小幅面大深径比加工，可以用于激光钻孔、激光切割和激光刻蚀等应用。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多轴激光扫描光学系统，其特征在于，该系统包括依次沿光路设置的动态聚焦模块(15)、光束平行平移模块(18)、二维扫描模块(7)和聚焦模块(8)，或者包括依次沿光路设置的光束平行平移模块(18)、动态聚焦模块(15)、二维扫描模块(7)和聚焦模块(8)；

所述多轴激光扫描光学系统用于配合输入激光束使用，记输入激光束其传输方向为X轴正方向，并建立三维空间直角坐标系，则：

所述动态聚焦模块(15)用于利用透镜对光线的会聚作用与发散作用，控制激光光束的直径以及自所述聚焦模块(8)输出的输出激光的焦点在三维空间直角坐标系中的Z坐标；

所述光束平行平移模块(18)用于对激光光束进行平行平移，以调节激光光束传输方向在Y轴上的投影位置、以及激光光束传输方向在Z轴上的投影位置；

所述二维扫描模块(7)和所述聚焦模块(8)分别用于实现对激光光束的XY二维扫描及聚焦；其中，所述二维扫描模块(7)能够使激光光束在两个相互正交的方向上偏摆，配合所述聚焦模块(8)，进而控制激光焦点在三维空间直角坐标系中的X坐标与Y坐标；

该系统能够通过调控输入至所述二维扫描模块(7)的激光光束其沿Y轴及沿Z轴的离轴方向与离轴距离，基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，实现自所述聚焦模块(8)输出的输出激光光束其传播方向与Y轴方向之间的夹角α、以及传播方向与X轴方向之间的夹角β的调控，从而实现对激光的多轴调控。

作为本发明的进一步优选，所述动态聚焦模块(15)由三片沿光轴依次放置的透镜组成，能够通过改变透镜的间距，调节激光光束的直径及发射角，从而实现对激光光束的直径以及自所述聚焦模块(8)输出的输出激光的焦点在三维空间直角坐标系中的Z坐标的控制。

作为本发明的进一步优选，所述动态聚焦模块(15)中，第二片透镜固定不动，第一片透镜和第三片透镜均能够沿光轴移动；其中，通过改变所述第一片透镜与所述第二片透镜的间距，能够调节光束直径和发散角；通过改变所述第三片透镜与所述第二片透镜的间距，能够调节光束直径；

更优选的，所述动态聚焦模块(15)中任意一片透镜的焦距均满足5.3mm到200mm；所述第一片透镜与所述第二片透镜的间距，以及所述第三片透镜与所述第二片透镜的间距，两者均能够在0.1mm到250mm区间范围内变化。

作为本发明的进一步优选，所述光束平行平移模块(18)由两组反射镜组构成，每一组反射镜组由相互平行放置、且反射面相对的两片反射镜构成；

优选的，这两组反射镜组对激光束的平移方向相互正交；

优选的，每一组反射镜组中的两片反射镜与同一个偏摆装置相连，能够实现同步偏转，时刻保持反射面的相互平行。

作为本发明的进一步优选，所述偏摆装置为偏摆电机、压电陶瓷偏摆器、促动器或机械连杆；

优选的，每一组反射镜组中的两片反射镜是固定在一个刚性安装板上，所述偏摆装置与该刚性安装板相连，用于带动该刚性安装板绕方向预先设定的、且方向保持固定的偏摆轴进行一维偏摆。

作为本发明的进一步优选，所述光束平行平移模块(18)中，任意一片反射镜的有效反射直径为3mm到50mm；

相邻两片反射镜的中心点之间的直线距离为3mm到100mm；

任意一片反射镜的最大偏摆角度为±0.001°到±25°。

作为本发明的进一步优选，所述动态聚焦模块(15)为变倍扩束子系统与动态聚焦子系统的组合；

所述变倍扩束子系统为三片式变倍扩束子系统；

所述动态聚焦子系统为两片透镜式激光发散角调节子系统、或两片反射式激光发散角调节子系统。

作为本发明的进一步优选，所述光束平行平移模块(18)由4个一维声光调制器、或4个一维电光调制器、或2个二维声光调制器、或2个二维电光调制器组成。

作为本发明的进一步优选，所述二维扫描模块(7)为二维振镜、二维压电偏摆镜、声光调制器组或电光调制器组。

作为本发明的进一步优选，所述聚焦模块(8)为单片凸透镜，或是由多片透镜组成、且整体具有聚焦功能的透镜组；所述凸透镜为平凸透镜、或双凸透镜；所述凸透镜的透镜面型为球面或非球面；

该聚焦模块(8)的焦距为0.01mm到500mm之间，有效通光孔径为1mm到50mm之间。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、现有技术及相关产品均瞄准小工作区域(激光加工幅面直径小于3mm)内的微孔加工，而本发明的思路是在常规二维扫描模块和大幅面聚焦模块的基础上对扫描激光的倾斜角度等参量进行控制，保留了原二维激光扫描系统较大的加工幅面。本方案的激光加工幅面直径可以达到50mm以上，是现有产品的15倍以上，在实现微孔精细加工的同时，更重要的应用是可以实现大尺寸工件的无翻边、高效率刻蚀；

2、本发明中采用的光束平行平移方式可以实现平移量的快速大范围调节，不受光束直径的限制，也无需后续的平移量放大系统，不引入额外像差影响激光的聚焦质量，不存在激光的明显吸收，激光功率限制小，波长复用方便，可实现多个波长兼容；

3、本发明采用的动态聚焦模块中需要高速运动的镜片尺寸较小(直径可低至1mm至7.5mm)，可快速运动以保证激光Z轴调节的动态性能；

4、本发明中的动态聚焦模块可同时实现激光光束直径和激光焦点Z方向位置的调节，在超精细加工场合，选择大直径的激光束，获得更小的激光焦点，提高激光的能量密度，进而提高加工精度；在深径比要求较大的场合，选择小直径的激光束，获得大深径比的加工功能；一个系统中可同时实现大幅面超精细加工和小幅面大深径比加工功能；

5、本发明中的多轴激光扫描光学系统中激光的五个轴X、Y、Z、α、β可实现完全独立调节，不存在相互影响；

6、本发明以模块化的方式实现了激光的多轴扫描功能，系统中的各个模块安装位置灵活、自由度大，可在现有二维激光扫描系统的基础上实现对扫描激光光束直径、焦点Z轴位置以及聚焦光束倾斜角度的控制，系统中的镜头、扫描模块等部件均可以实现灵活更换，且安装和调节方便，为现有的二维激光扫描系统的升级提供便利，也可随时切换回二维激光扫描系统，节省设备成本。

附图说明

图1为平行离轴激光倾斜聚焦原理示意图。

图2为平行离轴激光扫描倾斜聚焦原理示意图；其中，图2中的(a)对应激光光束沿Z轴的离轴距离为0的情况，图2中的(b)对应激光光束沿Z轴的离轴距离不为0的情况。

图3为多轴激光扫描光学系统的组成结构示意图。

图4为动态聚焦模块的工作原理示意图。

图5为光束平行平移模块的组成结构示意图。图5所示仅为示例，4片反射镜放置顺序除了图5所示的24/26/28/30顺序外，放置顺序还可以是24/26/28/30、24/28/26/30或24/28/30/26。

图6为光束平行平移模块中反射镜组平行平移光束的工作原理示意图；其中，图6中的(a)对应入射角等于45°时的情况，图6中的(b)对应入射角小于45°时的情况，图6中的(c)对应入射角大于45°时的情况。

图7为动态聚焦模块的第二种实现方式原理示意图。

图8为光束平行平移模块中一组反射镜共同偏转的原理示意图。

图9为光束平行平移模块的透射式实现方式原理示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为激光入射端光轴示意，2为沿光轴入射的激光束，3为单片聚焦镜，4为沿光轴方向聚焦的激光束，5为向z轴正方向平行离轴的激光束，6为激光束5的倾斜聚焦光束，7为二维扫描模块，8为聚焦模块，9为待加工材料，10为待加工材料的上表面，11为沿轴入射激光束2经二维扫描模块向左偏转的聚焦光束，12为沿轴入射激光束2经二维扫描模块向右偏转的聚焦光束，13为向z轴负方向平行离轴的激光束，14为激光束13经二维扫描模块7和聚焦透镜8的倾斜聚焦激光束，15为动态聚焦模块，16为通过动态聚焦模块15后的激光束，17为平面反射镜，18为光束平行平移模块，19为动态聚焦模块15中的第一片透镜，20为动态聚焦模块15中的第二片透镜，21为动态聚焦模块15中的第三片透镜，22为透镜19与透镜20之间的距离，23为透镜20与透镜21之间的距离，24、26、28、30为光束平行平移模块18中的四片反射镜，25、27、29、31分别为反射镜24、26、28、30的旋转轴，32为激光束16与反射镜24之间的入射角，33为入射角32等于45°时激光束出射的方向，34为入射角32小于45°时激光束出射的方向，35为入射角32大于45°时激光束出射的方向，36为变倍扩束子系统(即，动态聚焦模块15第二种实现方式中的变倍扩束镜模块)，37为变倍扩束子系统36中的第一片透镜，38为变倍扩束子系统36中的第二片透镜，39为变倍扩束子系统36中的第三片透镜，40为透镜37和透镜38的间距，41为透镜38和透镜39的间距，42为动态聚焦子系统(即，动态聚焦模块15第二种实现方式中的两片透射式动态聚焦模块)，43为动态聚焦子系统42中的第一片透镜，44为动态聚焦子系统42中的第二片透镜，45为透镜43和透镜44的间距，46为光束平行平移模块18中一组反射镜的安装板，47为反射镜安装板46的旋转轴，48为光束平行平移模块18的一维声光/电光偏转器组合实现方式，49、50、51、52为一维声光/电光偏转器，53为入射激光光轴，54为光束平行平移模块18的二维声光/电光偏转器组合实现方式，55、56为二维声光/电光偏转器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

首先介绍本发明中多轴激光扫描光学系统的实现原理，如图1所示，沿光轴1平行入射的激光束2经过单片聚焦镜3后，激光焦点落在光轴1上，聚焦后的激光束4的传播方向仍与光轴1重合，焦点也落在光轴上；与光轴1平行且沿z轴向上离轴一定距离的激光束5经过单片聚焦镜3后，激光焦点仍落在光轴1上，而激光束6传播方向不再与光轴一致，会与光轴1产生一定的角度。

平行离轴激光扫描倾斜聚焦原理如图2所示，可参见图2中的(a)，沿轴入射的激光束2入射到二维扫描模块7中，经聚焦模块8聚焦到待加工材料9的表面10上，4、11和12分别是二维扫描系统扫描中心点、左侧和右侧的聚焦激光束，每束激光的传播方向都垂直于表面10；可参见图2中的(b)，激光束2沿光轴1入射，同时二维扫描模块7扫描中心点，聚焦激光束4垂直聚焦到待加工材料9的表面10上，激光束5的传输方向与光轴1平行且沿z轴向上离轴一定距离，同时二维扫描模块7扫描中心点右侧，聚焦激光6的传播方向不再垂直于表面10上，而是带有一定的倾斜角度，激光束13的传输方向与光轴1平行且沿z轴向下离轴一定距离，二维扫描模块7扫描中心点左侧，聚焦激光14的传播方向也不再垂直于表面10上，而是带有一定的倾斜角度，且倾斜方向与聚焦激光6相反，通过控制入射激光的离轴方向和离轴量即可控制聚焦激光束的倾斜方向以及倾斜角度大小。将上述激光在z轴方向上的离轴决定的聚焦激光倾斜轴定义为α轴。同理，激光在y轴方向上的离轴可以决定聚焦激光的β轴，β轴与α轴相互正交。

以输入激光束首先入射到动态聚焦模块15、再传输至光束平行平移模块18为例(当然，输入激光束也可以先入射到光束平行平移模块18、再传输至动态聚焦模块15)，多轴激光扫描装置的组成结构如图3所示，装置包括动态聚焦模块15、反射镜17、光束平行平移模块18、二维扫描模块7和聚焦模块8，动态聚焦模块15的工作原理如图4所示，平行入射的激光束2经过凸透镜19后变为会聚传输，会聚的激光束经过凹透镜20后变为发散传播，发散转播的激光束再经过凸透镜21，其发散角减小，可以通过调节距离22和距离23实现对输出激光束16的光束直径大小和发散角的调节。当出射激光束16平行传输，此时激光聚焦在焦平面上；当出射激光束16发散传输，焦平面将下降；当出射激光束16会聚传输，焦平面将上升，以此实现多轴激光扫描系统中Z轴的调节。

也就是说，以图4所示的动态聚焦模块为例，该动态聚焦模块由三片沿光轴依次放置的透镜组成，通过调整透镜间距对出射激光束的光束直径和发散角进行调控(例如，第二片透镜固定不动，第一片透镜可高动态、高精度沿光轴方向平行运动，用于改变第一片透镜和第二片透镜之间的距离，调节光束直径和发散角；第三片透镜可高精度沿光轴方向运动，用于改变第三片透镜和第二片透镜之间的距离，调节光束直径)；大光束直径激光束聚焦后的光斑较小，用于大幅面超精细加工，小光束直径激光束聚焦后的光束较细、焦深较长、最大倾斜角较大，用于小幅面大深径比加工；当激光平行出射时，焦平面位置不变；当激光发散出射时，焦平面将下降；当激光会聚出射时，焦平面将上升，以此实现对激光焦点的Z轴控制。

光束平行平移模块18的组成结构可以如图5所示，第一组反射镜由相互平行的反射镜24和反射镜26组成，两个反射镜的旋转轴25和27也相互平行；第二组反射镜由相互平行的反射镜28和反射镜30组成，两个反射镜的旋转轴29和31也相互平行。其中第一组反射镜负责激光束16在y方向上的平移，第二组反射镜负责激光束16在z方向上的平移。激光束平移的原理如图6所示，以反射镜24和反射镜26的组合为例，当入射激光束16与反射镜24之间的入射角32为45度时(如图6中的(a)所示)，基于镜面反射中反射角等于入射角的原理，经过两次反射后，出射激光仍沿着轴33的方向；当反射镜24与反射镜26同时逆时针偏转一定角度后，入射激光束16与反射镜24之间的入射角32将小于45度(如图6中的(b)所示)，基于镜面反射中反射角等于入射角的原理，经过两次反射镜后，出射激光34的传输方向仍是沿着与轴33平行的方向，但是沿z轴向下平移了一段距离；当反射镜24与反射镜26同时顺时针偏转一定角度后，入射激光束16与反射镜24之间的入射角32将大于45度(如图6中的(c)所示)，基于镜面反射中反射角等于入射角的原理，经过两次反射镜后，出射激光34的传输方向仍是沿着与轴33平行的方向，但是沿z轴向上平移了一段距离。因此反射镜24和反射镜26的协同偏摆可以实现对激光束在z轴方向上平行离轴的离轴方向以及离轴量大小的控制，其中偏摆的方向决定了离轴的方向，偏摆角度的大小以及两个反射镜之间的距离决定了离轴量的大小；另外一组反射镜28和反射镜30的原理与第一组相同，将这两组反射镜正交放置，即可实现激光束在y和z方向上的二维平行离轴。

以图5所示的光束平行平移模块为例，激光束经过一组反射镜后，其传播方向将沿与光轴垂直的方向发生一维平移，两组反射镜可正交放置，使激光束在与光轴垂直的方向上发生二维平移；基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，激光束的平移方向和平移量直接决定了聚焦激光束的倾斜方向和倾角大小，以此实现对聚焦激光束的α和β轴控制。

二维扫描模块7为二维振镜，可以实现入射激光在两个相互正交维度上的偏摆，经聚焦模块8聚焦后，激光焦点即可在焦平面10上绘制任意二维图形。经动态聚焦模块和光束平行平移模块最终出射的激光束入射到二维扫描模块(如二维扫描振镜)中，二维扫描模块作用是使激光束在两个相互正交的方向上偏摆，经偏摆的激光束再由聚焦模块聚焦，激光焦点即可在二维焦平面上绘制任意二维图形，以此实现对激光焦点的X和Y轴控制。并且，由于输入至二维扫描模块7的激光是沿Y、Z轴两个方向离轴(此时输入的激光仍沿X轴方向传播)，经过二维扫描模块7后激光的传播方向改为沿Z轴方向传播，相应的，经二维扫描模块7输出的激光的α轴和β轴分别对应输出激光其传播方向与Y轴的夹角、以及输出激光其传播方向与X轴的夹角。

图7为动态聚焦模块15的第二种实现方式，由变倍扩束模块36和两片透射式动态聚焦模块42组成，激光束2入射到变倍扩束镜模块36中，由透镜37将平行传播的激光束变为会聚传播，会聚激光束经过透镜38变为发散传播，再经过透镜39变为平行传播，通过调节距离40和41即可调节出射激光的光束直径；经过扩束后的激光束入射到两片透射式动态聚焦模块42中，第一片透镜43使激光束发散传播，再经过第二片透镜44发散角减小，通过调节两片透镜间距45即可调节出射激光的发散角，进而实现对激光焦点Z方向位置的调节。

光束平行平移模块18可以由四片一维偏摆反射镜组成，同一组反射镜组中的两片反射镜可安装在同一个偏摆装置上；反射镜的偏摆装置可以为偏摆电机、压电陶瓷偏摆器、促动器或机械连杆，反射镜固定于偏摆电机、压电陶瓷偏摆器，或使用机械传动装置由促动器或机械连杆带动，绕一固定偏摆轴进行一维偏摆。图8为光束平行平移模块18中一组反射镜共同偏转的原理示意图，一组反射镜24和26固定在安装板46上，两个反射镜的反射面相对且相互平行，安装板46可由动力装置带动绕旋转轴47转动，当入射激光束16与反射镜24之间的入射角发生变化时，出射激光束将在一维方向上发生平移。

图9为光束平行平移模块18的两种透射式实现方式原理示意图，其中方式48采用四个一维声光/电光偏转器，声光/电光偏转器49和声光/电光偏转器50的偏转维度一致，声光/电光偏转器51和声光/电光偏转器52的偏转维度一致，两组偏转器的偏转维度正交，入射激光束16经过四个一维声光/电光偏转器的调制后可实现平行于入射光轴53的二维光束平移。方式54采用两个二维声光/电光偏转器，入射激光束16经过二维声光/电光偏转器55的偏摆后，再由二维声光/电光偏转器56偏摆回与入射光轴53平行的传播方向，进而实现平行于入射光轴53的二维光束平移。

以下为具体实施例：

实例1：多轴激光扫描光学系统高温合金板大幅面高精度刻蚀

利用一台平均功率60W、波长1064nm、脉冲长度10ps的激光器作为光源，重复频率选定为200kHz，待加工材料为50x50x2mm的高温合金平板。入射激光束2的直径6mm，动态聚焦模块15中的高动态镜片19的直径为7mm，扫描激光束最大倾斜角度7°，二维扫描模块7扫描范围50x50mm，多轴系统按照规划路径在材料表面刻蚀出相应的三维形貌，实现大幅面下无翻边、高效率的三维刻蚀加工。

实例2：多轴激光扫描光学系统大深径比、大幅面群孔制造

利用一台最大平均功率20W、波长355nm的激光器作为光源，设定脉宽为100ns，重复频率选定为200kHz，待加工材料为500μm厚的钛合金板。入射激光束2的直径0.8mm，动态聚焦模块15中的高动态镜片19的直径为1mm，扫描激光束倾斜角度为2°，二维扫描模块7在10x10mm的正方形幅面内，以半径50μm的圆为扫描单元、150μm为圆心间距扫描阵列圆，在动态聚焦模块15的控制下，激光焦点以50μm/s的速度向材料下方运动，使激光焦点始终位于钛合金板的表面，加工得到阵列群孔。

实例3：多轴激光扫描光学系统大尺寸铜板异型切割

利用一台最大平均功率200W、波长1064nm的激光器作为光源，设定脉宽为100ns，重复频率选定为200kHz待加工材料为1000μm厚的铜板。入射激光束2的直径3mm，动态聚焦模块15中的高动态镜片19的直径为4mm，扫描激光束倾斜角度为3°，二维扫描模块7的扫描图形为100x100mm的正方形，激光束的倾斜角度随正方形不同的边进行变化，在动态聚焦模块15的控制下，激光焦点以50μm/s的速度向材料下方运动，使激光焦点始终位于铜板的表面，加工得到正方形零倾斜角侧壁切割。

实例4：多轴激光扫描光学系统高温合金板柱型孔高精度制造

利用一台平均功率60W、波长1064nm、脉冲长度10ps的激光器作为光源，重复频率选定为200kHz，待加工材料为1200μm厚的高温合金板。入射激光束2的直径6mm，动态聚焦模块15中的高动态镜片19的直径为7mm，扫描激光束倾斜角度为5°，二维扫描模块7以半径250μm的圆为扫描路径，在动态聚焦模块15的控制下，激光焦点以100μm/s的速度向材料下方运动，使激光焦点始终位于高温合金板的表面，加工得到一个半径250μm，深1200μm的柱型孔。

上述实施例仅为示例，例如，二维扫描模块7可以为二维振镜、二维压电偏摆镜、声光/电光调制器组或其他具有二维激光偏摆能力的器件。又例如，变倍扩束镜除了三片式变倍扩束系统(如图7所示)外，也可以是其他具有激光束直径变倍放大的光学器件；另外，配合变倍扩束镜使用的动态聚焦子系统，除了图7所示的两片透镜式外，还可以是反射式激光发散角调节子系统，或其他具有激光束发散角调节的光学器件。如图9所示，光束平行平移模块可以是四个一维声光调制器、电光调制器或其他四个具有一维激光偏摆能力的器件，也可以是两个二维声光调制器、电光调制器或其他两个具有二维激光偏摆能力的器件。

另外，本发明中的透镜间距，均是以光心的间距计。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多轴激光扫描光学系统，其特征在于，该系统包括依次沿光路设置的动态聚焦模块（15）、光束平行平移模块（18）、二维扫描模块（7）和聚焦模块（8），或者包括依次沿光路设置的光束平行平移模块（18）、动态聚焦模块（15）、二维扫描模块（7）和聚焦模块（8）；

所述多轴激光扫描光学系统用于配合输入激光束使用，输入的激光束为平行入射的激光束，记输入激光束其传输方向为X轴正方向，并建立三维空间直角坐标系，则：

所述动态聚焦模块（15）用于利用透镜对光线的会聚作用与发散作用，控制激光光束的直径以及自所述聚焦模块（8）输出的输出激光的焦点在三维空间直角坐标系中的Z坐标；

所述光束平行平移模块（18）用于对激光光束进行平行平移，以调节激光光束传输方向在Y轴上的投影位置、以及激光光束传输方向在Z轴上的投影位置；

所述二维扫描模块（7）和所述聚焦模块（8）分别用于实现对激光光束的XY二维扫描及聚焦；其中，所述二维扫描模块（7）能够使激光光束在两个相互正交的方向上偏摆，配合所述聚焦模块（8），进而控制激光焦点在三维空间直角坐标系中的X坐标与Y坐标；

该系统能够通过调控输入至所述二维扫描模块（7）的激光光束其沿Y轴及沿Z轴的离轴方向与离轴距离，基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，实现自所述聚焦模块（8）输出的输出激光光束其传播方向与Y轴方向之间的夹角α、以及传播方向与X轴方向之间的夹角β的调控，从而实现对激光的多轴调控；

所述动态聚焦模块（15）由三片沿光轴依次放置的透镜组成，能够通过改变透镜的间距，调节激光光束的直径及发射角，从而实现对激光光束的直径以及自所述聚焦模块（8）输出的输出激光的焦点在三维空间直角坐标系中的Z坐标的控制；

所述动态聚焦模块（15）中，第二片透镜固定不动，第一片透镜和第三片透镜均能够沿光轴移动；其中，通过改变所述第一片透镜与所述第二片透镜的间距，能够调节光束直径和发散角；通过改变所述第三片透镜与所述第二片透镜的间距，能够调节光束直径；

所述动态聚焦模块（15）中任意一片透镜的焦距均满足5.3mm到200mm；所述第一片透镜与所述第二片透镜的间距，以及所述第三片透镜与所述第二片透镜的间距，两者均满足0.1mm到250mm；

所述光束平行平移模块（18）由两组反射镜组构成，每一组反射镜组由相互平行放置、且反射面相对的两片反射镜构成；其中，

相邻两片反射镜的中心点之间的直线距离为3mm到100mm；

任意一片反射镜的偏摆角度为±0.001°到±25°。

2.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，这两组反射镜组对激光束的平移方向相互正交。

3.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，每一组反射镜组中的两片反射镜与同一个偏摆装置相连，能够实现同步偏转，时刻保持反射面的相互平行。

4.如权利要求3所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，所述偏摆装置为偏摆电机、压电陶瓷偏摆器、促动器或机械连杆。

5.如权利要求4所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，每一组反射镜组中的两片反射镜是固定在一个刚性安装板上，所述偏摆装置与该刚性安装板相连，用于带动该刚性安装板绕方向预先设定的、且方向保持固定的偏摆轴进行一维偏摆。

6.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，所述光束平行平移模块（18）中，任意一片反射镜的有效反射直径为3mm到50mm。

7.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，所述光束平行平移模块（18）由4个一维声光调制器、4个一维电光调制器、2个二维声光调制器或2个二维电光调制器组成。

8.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，所述二维扫描模块（7）为二维振镜、二维压电偏摆镜、声光调制器组或电光调制器组。

9.如权利要求1所述多轴激光扫描光学系统，其特征在于，所述聚焦模块（8）为单片凸透镜，或者是由多片透镜组成且整体具有聚焦功能的透镜组；所述凸透镜为平凸透镜或双凸透镜；所述凸透镜的透镜面型为球面或非球面；

该聚焦模块（8）的焦距为0.01mm到500mm之间，有效通光孔径为1mm到50mm之间。

10.一种多轴激光扫描光学系统，其特征在于，该系统包括依次沿光路设置的动态聚焦模块（15）、光束平行平移模块（18）、二维扫描模块（7）和聚焦模块（8），或者包括依次沿光路设置的光束平行平移模块（18）、动态聚焦模块（15）、二维扫描模块（7）和聚焦模块（8）；

所述多轴激光扫描光学系统用于配合输入激光束使用，输入的激光束为平行入射的激光束，记输入激光束其传输方向为X轴正方向，并建立三维空间直角坐标系，则：

所述动态聚焦模块（15）用于利用透镜对光线的会聚作用与发散作用，控制激光光束的直径以及自所述聚焦模块（8）输出的输出激光的焦点在三维空间直角坐标系中的Z坐标；

所述光束平行平移模块（18）用于对激光光束进行平行平移，以调节激光光束传输方向在Y轴上的投影位置、以及激光光束传输方向在Z轴上的投影位置；

所述二维扫描模块（7）和所述聚焦模块（8）分别用于实现对激光光束的XY二维扫描及聚焦；其中，所述二维扫描模块（7）能够使激光光束在两个相互正交的方向上偏摆，配合所述聚焦模块（8），进而控制激光焦点在三维空间直角坐标系中的X坐标与Y坐标；

该系统能够通过调控输入至所述二维扫描模块（7）的激光光束其沿Y轴及沿Z轴的离轴方向与离轴距离，基于平行离轴激光束聚焦后与焦平面之间夹角会发生变化的原理，实现自所述聚焦模块（8）输出的输出激光光束其传播方向与Y轴方向之间的夹角α、以及传播方向与X轴方向之间的夹角β的调控，从而实现对激光的多轴调控；

所述动态聚焦模块（15）为变倍扩束子系统与动态聚焦子系统的组合；所述变倍扩束子系统为三片式变倍扩束子系统；所述动态聚焦子系统为两片透镜式激光发散角调节子系统或两片反射式激光发散角调节子系统；

所述光束平行平移模块（18）由两组反射镜组构成，每一组反射镜组由相互平行放置、且反射面相对的两片反射镜构成；其中，

相邻两片反射镜的中心点之间的直线距离为3mm到100mm；

任意一片反射镜的偏摆角度为±0.001°到±25°。

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