CN114054943A - 一种螺旋动态往复扫描光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种螺旋动态往复扫描光学系统，包括振镜扫描装置和待扫描的工件（5），所述振镜扫描装置按光路路径依次包括一偏转棱镜（2）、一动态聚焦镜（3）、及一摆动振镜（4），其中，所述偏转棱镜（2）的一面与光轴倾斜、另一面与光轴垂直，绕其光轴作360°不间断的转动；所述动态聚焦镜（3）沿X轴方向作往复直线运动；所述摆动振镜（4）绕其中心轴在X‑Y平面内作往复摆动运动；所述工件（5）沿Z轴方向作往复直线运动；该光学系统输出运动轨迹呈空间螺旋状的扫描激光束，能够适用于待扫描表面为凹凸不平的工件，可避免漏扫描问题，显著提高扫描质量和加工效率。

Description

一种螺旋动态往复扫描光学系统
技术领域
本发明涉及一种激光扫描光学系统，特别是一种螺旋动态往复扫描光学系统。
背景技术
振镜扫描是实现激光扫描加工的常见方式，传统的振镜扫描系统是通过电机带动一反射镜片往复摆动，使照射到所述反射镜片上并被反射出去的激光光束执行一条直线上的往复运动，再配合工件沿另一个方向上的平移运动从而实现对工件整个表面的扫描；然而这种扫描系统只适用于待扫描表面为平面的工件，不适用于具有凹凸不平表面的工件；而且，经传统的振镜扫描系统输出的激光束光斑直径为几十微米到几百微米，当工件的平移速度较快或光斑直径较小时会使扫描激光束行进形成的之字形线平移方向不重合，导致不能完全覆盖待扫描表面，产生漏扫描的现象，这降低了激光扫描的质量。
发明内容
本发明通过重新搭建激光扫描光学系统，改变激光光路和激光束运动轨迹，输出运动轨迹呈空间螺旋状的扫描激光束，使激光扫描光学系统适用于待扫描表面为凹凸不平的工件，而且当工件平移速度较快或光斑直径较小时，能够避免漏扫描问题，显著提高扫描质量和加工效率。
本发明涉及的一种螺旋动态往复扫描光学系统，包括振镜扫描装置和待扫描的工件，所述振镜扫描装置按光路路径依次包括一偏转棱镜、一动态聚焦镜、及一摆动振镜，其中，所述偏转棱镜为一面与光轴倾斜、另一面与光轴垂直的棱镜，所述偏转棱镜由转动控制器控制，绕其光轴作360°不间断的转动；所述动态聚焦镜由往复直线运动控制器控制，沿X轴方向作往复直线运动；所述摆动振镜由往复摆动控制器控制，绕其中心轴在X-Y平面内作往复摆动运动；所述工件沿Z轴方向作往复直线运动；一激光束经所述振镜扫描装置后，产生运动轨迹呈空间螺旋状的扫描激光束，扫描激光束作用到所述工件的待扫描表面上，完成激光扫描。
优选地，所述偏转棱镜的运动状态及运动参数由所述转动控制器控制，所述动态聚焦镜的运动状态及运动参数由所述往复直线运动控制器控制，所述摆动振镜的运动状态及运动参数由所述往复摆动控制器控制。
优选地，所述动态聚焦镜根据工件的待扫描表面的凹凸情况进行手动调节，当扫描激光束的光斑焦点离开待扫描表面时，将动态聚焦镜向靠近工件的方向移动；当扫描激光束的光斑焦点照射到待扫描表面的内部时，将动态聚焦镜向远离工件的方向移动。
优选地，所述动态聚焦镜设置为在一定位移范围内自动进行的高速往复直线运动。
优选地，所述偏转棱镜的转动频率由所述转动控制器控制，所述动态聚焦镜的移动速度和移动幅度由所述往复直线运动控制器控制，所述摆动振镜的摆动速度和摆动幅度由所述往复摆动控制器控制。
优选地，所述转动控制器、所述往复直线运动控制器及所述往复摆动控制器被手动控制或者被自动控制。
优选地，所述工件的待扫描表面为平面，或者是凹凸不平的非平面。
本发明所提出的螺旋动态往复扫描光学系统，产生的扫描激光束的运动轨迹呈空间螺旋状，与传统的运动轨迹为直线状的扫描激光束相比，能够针对凹凸不平的工件表面进行激光扫描，而且当工件平移速度较快或光斑直径较小时，能够有效避免扫描之字形线不重合所产生的漏扫描问题，增加了扫描光学系统的适应性，显著提高了扫描质量和加工效率。
附图说明
为进一步说明本发明的具体内容，以下结合实施例并附图对本发明进一步详述，其中：
图1 为本发明的螺旋动态往复扫描光学系统的具体组成结构。
图2 为本发明光学系统所产生的扫描激光束的运动轨迹。
附图标记：激光束1，偏转棱镜2，动态聚焦镜3，摆动振镜4，待扫描凹凸面5，360°转动控制器6，往复直线运动控制器7，往复摆动控制器8。
具体实施例
请参见图1，一种螺旋动态往复扫描光学系统，包括振镜扫描装置和待扫描的工件5，所述振镜扫描装置按光路路径依次包括一偏转棱镜2、一动态聚焦镜3、及一摆动振镜4，其中，所述偏转棱镜2为一面与光轴倾斜、另一面与光轴垂直的棱镜，所述偏转棱镜2由转动控制器6控制，绕其光轴作360°不间断的转动；所述动态聚焦镜3由往复直线运动控制器7控制，沿X轴方向作往复直线运动；所述摆动振镜4由往复摆动控制器8控制，绕其中心轴在X-Y平面内作往复摆动运动；所述工件5沿Z轴方向作往复直线运动。
整形后的平行激光束1照射到偏转棱镜2上，经偏转棱镜2的与光轴倾斜的一面后，激光束将偏折一定角度后射出，由于偏转棱镜2在转动控制器6的控制下进行360°不间断的转动，将使偏折后的激光束形成同样速度转动的动态激光环束，该动态激光环束随后经过沿X轴作往复直线运动的动态聚焦镜3，将形成光斑焦点位置可调节的聚焦激光束，再经在X-Y平面内往复摆动的摆动振镜4的反射后，形成可用于扫描工件表面的扫描激光束，由于摆动振镜4的反射会使激光束具有沿一个方向的直线运动，该运动叠加环形转动，最终使扫描激光束的运动轨迹为如图2所示的空间螺旋状。
动态聚焦镜3的位置可以根据工件待扫描表面的凹凸情况进行调节，当扫描激光束的光斑焦点离开待扫描表面时，将动态聚焦镜3向靠近工件的方向移动；当扫描激光束的光斑焦点照射到待扫描表面的内部时，将动态聚焦镜3向远离工件的方向移动。也可以使动态聚焦镜3一定位移范围内自动进行的高速往复直线运动，使某个时间扫描激光束的聚焦光斑焦点正好作用于待扫描位置处。
优选地，转动控制器6控制偏转棱镜的转动频率等运动参数和是否开始转动，往复直线运动控制器7控制动态聚焦镜3的移动速度和移动幅度等运动参数，以及动态聚焦镜是否开始移动，往复摆动控制器8控制摆动振镜4的摆动速度和摆动幅度等运动参数，以及摆动振镜4是否开始摆动，上述控制器均可手动或自动控制。
所述工件的待扫描表面可以为平面，或者是凹凸不平的非平面。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明的原则和精神的条件下，能够对这些实施例做出改动，其中本发明的保护范围由所附权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种螺旋动态往复扫描光学系统，其特征在于：包括振镜扫描装置和待扫描的工件（5），所述振镜扫描装置按光路路径依次包括一偏转棱镜（2）、一动态聚焦镜（3）、及一摆动振镜（4），其中，所述偏转棱镜（2）的一面与光轴倾斜、另一面与光轴垂直，所述偏转棱镜（2）由转动控制器（6）控制，绕其光轴作360°不间断的转动；所述动态聚焦镜（3）由往复直线运动控制器（7）控制，沿X轴方向作往复直线运动；所述摆动振镜（4）能够反射激光束，所述摆动振镜（4）由往复摆动控制器（8）控制，绕其中心轴在X-Y平面内作往复摆动运动；所述工件（5）沿Z轴方向作往复直线运动；一激光束（1）经所述振镜扫描装置后，产生运动轨迹呈空间螺旋状的扫描激光束，所述扫描激光束作用到所述工件（5）的待扫描表面上，完成激光扫描。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于：所述偏转棱镜（2）的运动状态和/或运动参数由所述转动控制器（6）控制，所述动态聚焦镜（3）的运动状态和/或运动参数由所述往复直线运动控制器（7）控制，所述摆动振镜（4）的运动状态和/或运动参数由所述往复摆动控制器（8）控制。
3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述动态聚焦镜（3）的位置根据工件的待扫描表面的凹凸情况进行手动调节，当扫描激光束的光斑焦点离开待扫描表面时，将动态聚焦镜（3）向靠近工件的方向移动；当扫描激光束的光斑焦点照射到待扫描表面的内部时，将动态聚焦镜（3）向远离工件的方向移动。
4.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述动态聚焦镜（3）设置为在一定位移范围内自动进行的高速往复直线运动。
5.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于：所述偏转棱镜（2）的转动频率由所述转动控制器（6）控制，所述动态聚焦镜（3）的移动速度和移动幅度由所述往复直线运动控制器（7）控制，所述摆动振镜（4）的摆动速度和摆动幅度由所述往复摆动控制器（8）控制。
6.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述转动控制器（6）、所述往复直线运动控制器（7）及所述往复摆动控制器（8）被手动控制或者被自动控制。
7.根据权利要求1或2所述的光学系统，其特征在于：所述工件（5）的待扫描表面为平面，或者是凹凸不平的非平面。
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