CN114101900B - 一种激光扫描光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光扫描光学系统，属于激光加工技术领域，包括第一光楔和第二光楔，且第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；在扫描信号的控制下，第一光楔和第二光楔分别在相互垂直的两个方向上进行旋转，光楔在旋转时可以微调激光出射时的偏角，从而控制激光的焦点沿x轴和y轴方向移动。激光偏转角改变量与光楔旋转角改变量近似为二次函数关系。例如，使用波长为532nm的激光，在100mm聚焦场镜条件，楔角为10°的光楔可以使位置调节精度从1um提高到10nm，可以实现比反射镜控制更高精度的激光角向控制，从而实现高精度的激光扫描，进而提高了激光加工的精度。

Description

一种激光扫描光学系统
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，更具体地，涉及一种激光扫描光学系统。
背景技术
激光是上个世纪的重要发明之一，它具有良好的单色性、方向性、强相干性和高功率密度性等优点。激光扫描技术是一种通过有规律的控制激光进行工业应用的技术，由于其高精度和高速度的特性，被广泛用于激光打标、激光切割、增材制造等领域。
在现有技术中，通常采用数字扫描振镜系统来实现激光扫描；数字扫描振镜系统是一种利用伺服电机转动反射镜控制激光传播方向的系统，可以实现较大角度范围内对光路的偏折。但受现有技术限制，常用的数字振镜电机的单次定位精度很难低于10urad。并且，由于传统的振镜采用反射镜来调控激光指向，激光偏转角改变量是振镜偏转角改变量的两倍，这导致振镜系统难以做到高精度激光角向控制，扫描精度较低，进而影响激光加工的精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光扫描光学系统，用以解决现有技术激光扫描精度较低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光扫描光学系统，包括：第一电机、第二电机以及沿光路方向依次放置的动态聚焦系统、第一光楔、第二光楔和聚焦镜；
其中，第一光楔和第二光楔的折射棱垂直；第一电机与第一光楔相连；第二电机与第二光楔相连；
第一电机用于在扫描信号的控制作用下带动第一光楔旋转；第二电机用于在扫描信号的控制作用下带动第二光楔旋转；其中，第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；
经动态聚焦系统聚焦后的激光依次经过第一光楔和第二光楔进行偏转后，由聚焦镜将激光聚焦到工作面上，实现激光扫描。
进一步优选地，为使电机的偏转范围得到最大程度的利用，第一光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第一光楔最小偏向角所对应的入射角；第二光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第二光楔最小偏向角所对应的入射角。
进一步优选地，第一光楔和第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角设置为激光偏转位于所需激光偏转范围中心时所对应的夹角；第一光楔或第二光楔处于工作范围边界时，激光的入射角仍大于或小于第一光楔或第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
进一步优选地，第一光楔和第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜，且入射面和出射面应根据激光入射和出射的角度范围镀对应的增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。
进一步优选地，第一电机和第二电机为振镜电机。
进一步优选地，动态聚焦系统包括：沿光路方向依次放置的第一透镜和第二透镜；
第一透镜和第二透镜的相对距离由工作面的位置确定，以实现动态聚焦。
进一步优选地，聚焦镜为场镜或远心透镜；
当聚焦镜为场镜时，聚焦镜用于补偿激光扫描光学系统的场曲，以在工作面上获得平场像面；
当聚焦镜为远心透镜时，聚焦镜用于使聚焦光束的主激光在任何视场角的情况下都垂直于焦平面。
进一步优选地，上述激光扫描光学系统还包括：沿光路方向在第二光楔之后依次放置的第一反射镜和第二反射镜，以及与第一反射镜对应相连的第三电机和与第二反射镜对应相连的第四电机；其中，第一反射镜的旋转轴与第一光楔的旋转轴平行；第二反射镜的旋转轴与第二光楔的旋转轴平行；
第三电机用于在扫描信号的控制作用下带动第一反射镜旋转；
第四电机用于在扫描信号的控制作用下带动第二反射镜旋转；
第一反射镜和第二反射镜用于增加激光激光偏转的范围。
进一步优选地，第三电机和第四电机为振镜电机。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提供了一种激光扫描光学系统，包括第一光楔和第二光楔，且第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；在扫描信号的控制下，第一光楔和第二光楔分别在相互垂直的两个方向上进行旋转，从而控制激光沿着两个相互垂直的方向进行偏转，聚焦到工作面上，实现激光扫描；其中，光楔在旋转时可以微调激光出射时的偏角，且激光偏转角改变量远小于光楔偏转角改变量，利用电机控制光楔偏转，可以实现比反射镜控制更高精度的激光角向控制，从而实现高精度的激光扫描，大大提高了激光加工的精度。
2、本发明所提供的激光扫描光学系统，综合了光楔和反射镜两种偏转方式，二者配合使用，在增加激光小角度控制精度的同时，也提高了大角度控制的精度。
附图说明
图1为本发明所提供的激光扫描光学系统的结构示意图；
图2为本发明所提供的光楔偏转激光的原理图；
图3为本发明所提供的激光偏转角与光楔偏转角之间的关系图；
图4为本发明所提供的光楔偏转激光的示意图；
图5为本发明实施例所提供的激光扫描光学系统的结构示意图。
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。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光扫描光学系统，如图1所示，包括：第一电机6、第二电机8以及沿光路方向依次放置的动态聚焦系统、第一光楔5、第二光楔7和聚焦镜9；动态聚焦系统、第一光楔5、第二光楔7和聚焦镜9的中心点均位于光轴上；
其中，第一光楔和第二光楔的折射棱垂直；第一电机与第一光楔相连；第二电机与第二光楔相连；
第一电机用于在扫描信号的控制作用下带动第一光楔旋转；第二电机用于在扫描信号的控制作用下带动第二光楔旋转；具体地，根据所需要控制的激光的偏转角度确定光楔需要旋转的角度，并将其转换为电机所需要的扫描信号。其中，第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；由于两个光楔的折射棱均与其自身旋转轴平行，旋转操作不影响旋转轴自身，而两个光楔的旋转轴是互相垂直的，因此两个光楔的折射棱在旋转过程中依然垂直。具体地，第一电机和第二电机可以为振镜电机；
经动态聚焦系统聚焦后的激光依次经过第一光楔和第二光楔进行偏转后，由聚焦镜将激光聚焦到工作面上，实现激光扫描。优选地，第一光楔和第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜，且入射面和出射面应根据激光入射和出射的角度范围镀对应的增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。
需要说明的是，光楔是一种利用光在两个有微小夹角的介质界面的折射现象控制激光偏折角度的器件；光楔在旋转时可以微调激光出射时的偏角，且激光偏转角改变量远小于光楔偏转角改变量，利用电机控制光楔偏转，可以实现比反射镜控制更高精度的激光角向控制。
优选地，动态聚焦系统包括：沿光路方向依次放置的第一透镜和第二透镜；第一透镜和第二透镜的相对距离由工作面的位置确定，以实现动态聚焦。在一些可选实施方式下，动态聚焦系统采用负透镜2与正透镜4组合的形式，此时，第一透镜为负透镜，第二透镜为正透镜；负透镜为长焦距透镜，通过第三电机为平板式直线电机、U型槽式直线电机或圆柱型直线电机(音圈电机)控制长焦距透镜移动，以实现动态聚焦。
优选地，聚焦镜为场镜或远心透镜；当聚焦镜为场镜时，聚焦镜用于补偿激光扫描光学系统的场曲，以在工作面上获得平场像面；当聚焦镜为远心透镜时，聚焦镜用于使聚焦光束的主激光在任何视场角的情况下都垂直于焦平面。
优选地，上述激光扫描光学系统还包括：沿光路方向在第二光楔之后依次放置的第一反射镜和第二反射镜，以及与第一反射镜对应相连的第三电机和与第二反射镜对应相连的第四电机；其中，第一反射镜的旋转轴与第一光楔的旋转轴平行；第二反射镜的旋转轴与第二光楔的旋转轴平行；
第三电机用于在扫描信号的控制作用下带动第一反射镜旋转；第四电机用于在扫描信号的控制作用下带动第二反射镜旋转；其中，第三电机和第四电机可以为振镜电机。
第一反射镜和第二反射镜用于增加激光偏转的范围。具体地，在需要激光角度偏转较大时，可用反射镜将激光大致偏转至所需角度，并结合光楔小角度控制的优势加以精细控制，以增加系统的工作范围。
需要说明的是，如图2所示为光楔偏转激光的原理图，其中，α为光楔的楔角，n为光楔的折射率，I1为激光在入射面(第一个折射面)的入射角，I'1为激光在入射面(第一个折射面)的折射角，-I2为激光在出射面(第二个折射面)的入射角，-I'2为激光在出射面(第二个折射面)的折射角。δ为入射光楔激光与出射光楔激光夹角，即激光的偏转角。
由光的折射定律及角度关系，上述参数满足如下公式。
Figure BDA0003451801080000061
当I1＝I2时，激光的偏转角δ最小，记为激光最小偏转角δmin(即光楔的最小偏向角)，此时，激光在入射面的入射角为I0。
由于光楔的旋转角度和激光的入射角的变化角度相等，用激光的入射角I1作为变量可以建立光楔旋转对激光偏转的数学模型，在光楔角度很小，且激光入射角极为接近最小偏向角时的入射角时，有以下近似公式：
Figure BDA0003451801080000062
以楔角为10°(174.53mrad)的石英玻璃(折射率为1.46)为例，采用532nm的激光，经计算得激光最小偏向角为80.65mrad，此时入射角I1＝127.59mrad。令光楔旋转1mrad，入射角I1＝128.59mrad，出射激光偏移角度为68.62nrad，构建得到如图3所示为激光偏转角与光楔偏转角之间的关系图，其中，横坐标为光楔的旋转角与激光偏转角最小时所对应的光楔的旋转角之差，纵坐标为激光偏转角与激光最小偏转角之差。图4为本发明所提供的光楔偏转激光的示意图，其展示了单光楔工作在中心位置，工作范围下边界、工作范围上边界三种状态时光楔对激光角度的不同影响。结合图3和图4可以看出，利用光楔偏转能够有效提高激光小角度控制的精度。
根据图3可以看出，为扩大系统的工作范围，且兼顾工作精度，光楔的初始旋转角度应偏离使激光最小偏转的旋转角度，并依据实际情况选取。具体地，为使电机的偏转范围得到最大程度的利用，在一些可选实施方式下，第一光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第一光楔最小偏向角所对应的入射角；第二光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第二光楔最小偏向角所对应的入射角。优选地，第一光楔和第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角均应使激光初始偏转位于所需激光偏转范围中心，将第一光楔和所述第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角设置为激光偏转位于所需激光偏转范围中心时所对应的夹角。第一光楔或第二光楔处于工作范围边界时，激光的入射角仍大于或小于第一光楔或第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
为了进一步说明本发明所提供的激光扫描光学系统，下面结合实施例进行详述：
实施例
如图5所示，本实施例中的激光扫描光学系统包括：激光器1、负透镜2、控制负透镜2运动的音圈电机3、正透镜4、第一光楔5、控制光楔5的第一振镜电机6、第二光楔7、控制第二光楔7的第二振镜电机8、聚焦镜9、以及工作面10。
在使用中，激光器1出射的激光入射至负透镜2与正透镜4；其中，负透镜通过音圈电机3控制，实现光轴方向的动态聚焦。第一光楔5和第二光楔7分别控制微调激光出射时的偏角，从而控制激光的焦点沿x轴和y轴方向移动。光楔的两个表面均镀有增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。为扩大工作范围，兼顾工作精度，光楔的初始旋转角度偏离使激光最小偏转的光楔旋转角度，并依据实际选取。例如图2的光楔，选用最小行程为10urad的振镜电机，工作范围选取为±1mrad，为方便控制关系接近线性，选取光楔的工作范围如图3所示，光楔的初始放置方式需使激光入射角等于所需工作范围中心所对应的入射角，即+261mrad处，将此时的出射光方向视为参考轴。在使用中利用振镜电机控制光楔旋转，使激光的入射角范围控制在0.182rad-0.303rad内，可以实现激光相对参考轴±1mrad的范围内偏转，有效提高了激光小角度控制的精度。最后由聚焦镜将激光垂直聚焦到工作面，实现高精度激光扫描的作用。
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 (9)

1.一种激光扫描光学系统，其特征在于，包括：第一电机、第二电机以及沿光路方向依次放置的动态聚焦系统、第一光楔、第二光楔和聚焦镜；
所述第一光楔和所述第二光楔的折射棱垂直；所述第一电机与所述第一光楔相连；所述第二电机与所述第二光楔相连；
所述第一电机用于在扫描信号的控制作用下带动第一光楔旋转；所述第二电机用于在扫描信号的控制作用下带动第二光楔旋转；其中，所述第一光楔的旋转轴、所述第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；
在扫描信号的控制下，所述第一光楔和所述第二光楔分别在相互垂直的两个方向上进行旋转，从而控制激光沿着两个相互垂直的方向进行偏转；经所述动态聚焦系统聚焦后的激光依次经过所述第一光楔和所述第二光楔进行偏转后，由所述聚焦镜将激光聚焦到工作面上，实现激光扫描；
根据所需要控制的激光的偏转角度确定所述光楔需要旋转的角度，并将其转换为电机所需要的扫描信号；
所述光楔的旋转角α与其产生的激光偏转角δ之间的关系满足：
Figure FDA0004046967630000011
其中，n为所述光楔的折射率；I1为激光在入射面的入射角；I0为当激光的偏转角δ最小时，激光在入射面的入射角为I0。
2.根据权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一光楔的入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于所述第一光楔的最小偏向角所对应的入射角；所述第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于所述第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
3.根据权利要求2所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一光楔和所述第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角设置为激光偏转位于所需激光偏转范围中心时所对应的夹角；所述第一光楔或所述第二光楔处于工作范围边界时，激光的入射角仍大于或小于所述第一光楔或所述第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
4.根据权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一光楔和所述第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜；且入射面和出射面根据激光入射和出射的角度范围镀对应的增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第一电机和所述第二电机均为振镜电机。
6.根据权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述动态聚焦系统包括：沿光路方向依次放置的第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜和所述第二透镜的相对距离由工作面的位置确定，以实现动态聚焦。
7.根据权利要求1所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述聚焦镜为场镜或远心透镜；
当所述聚焦镜为场镜时，所述聚焦镜用于补偿所述激光扫描光学系统的场曲，以在工作面上获得平场像面；
当所述聚焦镜为远心透镜时，所述聚焦镜用于使聚焦光束的主激光在任何视场角的情况下都垂直于焦平面。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的激光扫描光学系统，其特征在于，还包括：沿光路方向在第二光楔之后依次放置的第一反射镜和第二反射镜，以及与所述第一反射镜对应相连的第三电机和与所述第二反射镜对应相连的第四电机；其中，所述第一反射镜的旋转轴与所述第一光楔的旋转轴平行；所述第二反射镜的旋转轴与所述第二光楔的旋转轴平行；
所述第三电机用于在扫描信号的控制作用下带动所述第一反射镜旋转；
所述第四电机用于在扫描信号的控制作用下带动所述第二反射镜旋转；
所述第一反射镜和所述第二反射镜用于增加激光偏转的范围。
9.根据权利要求8所述的激光扫描光学系统，其特征在于，所述第三电机和所述第四电机均为振镜电机。
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