CN116027545B - 将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置，所述方法包括：将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使将振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部；将入射光经振镜摆动形成的扫描曲线采用函数进行参数化；利用振镜的自然振动频率与振镜支撑架的摆动机构产生共振，或者用振动产生器使得振镜与振镜支撑架的摆动机构相对摆动。本发明以振镜为激光左右扫描的频率产生机构，通过将振镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供振镜的垂直振镜轴方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将振镜与振镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，形成曲线图案，实现了高速大面积的二维扫描曲线。

Description

将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置

技术领域

本发明涉及二维激光扫描技术领域，具体而言，涉及将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法及装置。

背景技术

激光技术是一门跨学科、跨行业的高新技术，随着激光技术的发展，激光扫描技术在制造领域的应用越来越广泛。振镜激光扫描作为激光扫描技术的主要应用，以其高精度、高速度等特点被广泛应用于激光清洗、激光焊接、激光打标等领域。振镜激光扫描技术的实质是利用高密度、高功率激光源作为加工主体，通过一维或二维振镜的反射或折射，以振镜的运动实现静止的激光的运动，最终实现激光在工件上按指定的规律扫描加工。

将激光在平面上扫描各种图案或曲线的方法，通常以两个振镜反射光线为操作原理，就是将光线打在第一振镜来产生某轴（如x轴）的摆动，再将光打在另一振镜上产生另一轴（如y轴）的作动，经由操控在扫描平面上形成不同的激光扫描曲线，所述激光扫描曲线在扫描平面上会显现从而产生加工或制作效果（例如激光焊接、激光打标等）。

振镜是一种优良的向量扫描仪件，它是一种特殊的摆动电机，基本原理是通电线圈在磁场中产生力矩，但与旋转电机不同，摆动电机的转子上通过机械扭簧或电子的方法施加有复位力矩，大小与转子偏离平衡位置的角度成正比，当线圈通以一定的电流而转子发生偏转到一定角度时，电磁力矩与复位力矩的大小相等，因而振镜不能像普通电机一样旋转，只能偏转，偏转角与电流成正比，与电流计一样，故振镜又叫电流计扫描仪（Galvanometric Scanner）。

但是，两轴的振镜在产生曲面时会有振频的差异，在很多状况下两轴振频的差异会达到好几倍（有时在其中一轴需要往复多次使得振频的差异达到上百倍），因而高速大面积扫描时在电机控制上很难执行（例如控制器指令周期不够、发热、结构疲劳等）。并且，在某些只要求高速扫描而不需要多种曲线种类的应用场景，可能只需要一种曲线即可，现有的两轴振镜的使用在一定程度上是一种资源浪费。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于在以现有的一个振镜为激光左右扫描的频率产生机构的基础上，将振镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供振镜的垂直上下方向的摆动，使入射振镜的激光产生左右摆动和上下摆动，从而产生二维扫描曲线，并且使扫描的面积相比现有技术的没有增加摆动机构的振镜更大，以增加扫描的效率。

本发明提供一种将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，包括以下步骤：

S1、将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部；

S2、设振镜的摆动轴的偏摆角度为α，且转镜的转轴的转动角度为β，将入射光经振镜和转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；

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所述扫描曲线的参数化表达式为：

；

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其中的参数含义如下：

H：入射激光与振镜的摆动轴的垂直距离；

R：振镜的反射镜与振镜转轴的垂直距离；

：振镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度，其振动频率为ω；

δ为因转轴摆动α角所造成的水平方向位移

H1：激光和扫描面的垂直距离；

c点为激光入射与振镜转轴在初始未摆动平面的交点；

e点为振镜转轴在初始未摆动未转动时之激光射入扫描面的交点；

d点为振镜转轴在摆动β角后激光射入扫描面的交点；

：为c点与d点连结的线段；

：为d点与e点连结的线段；

x’ 为x方向上d点与e点之间的距离；

转镜的转轴的旋转起点在β角为零处，激光从左向右进入转镜且平行于被扫描面，如图5所示；

S3、利用振镜的自然振动频率与振动支撑架的摆动机构产生共振，或者用振动产生器使得振镜与振镜支撑架的摆动机构相对摆动；

所述扭力弹簧的常数为

，转子机构的转动惯量为I，则转子机构的自然振动角频率/>

为：

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能被振镜转子的转动频率共振出来，将/>

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的关系列成

（1）

式（1）中，n为在振镜转动一个角度时设计的激光扫描次数(可为非整数)；在组装摆动机构时调整γ使自然振动角频率

符合式（1）的条件。

进一步地，所述S3步骤的产生共振的方法还包括：

利用外界振动源的振动产生符合式（1）

的角频率/>

。

进一步地，所述扭力弹簧给所述振镜与振镜支撑架提供垂直上下方向的摆动：所述振镜的摆动轴在垂直方向有偏摆角α的摇动，造成激光产生2α的偏摆，造成原本是直线的激光变成摆动的光线。

扫描曲线在扫描面上的摆动幅度与扫描面与振镜的反射点距离有关。

进一步地，所述S1步骤的将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部的方法包括：

将所述振镜支撑架与所述扭力弹簧的上部通过焊接固定、螺接固定、粘接固定中的一种或多种的组合连接在一起。

进一步地，所述S2步骤的入射到振镜的所述入射光包括：

平行光、非平行光中的一种或两种的组合。

本发明还提供将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的装置，应用如上述所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，包括：

振镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；

摆动轴：用于振镜与振镜支撑架之间的转动连接；

摆动机构：采用扭力弹簧构建，所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述所述将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。

本发明还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括内存、处理器及存储在内存上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以振镜为激光左右扫描的频率产生机构，通过将振镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供振镜的垂直上下方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将振镜与振镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，形成曲线图案，实现了高速大面积的二维扫描曲线。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明一种将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法的流程图；

图2为本发明实施例计算机设备的构成示意图；

图3为本发明实施例的摆动机构的示意图；

图4为本发明实施例的振镜侧视光路简图；

图5为本发明实施例的振镜上视光路简图；

图6为本发明实施例激光经增加摆动机构的振镜反射后的扫描曲线的实例图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和产品的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“回应于确定”。

下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

本发明实施例提供将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，参见图1所示，包括如下步骤：

S1、将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部；

所述将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部的方法包括：

将所述振镜支撑架与所述扭力弹簧的上部通过焊接固定、螺接固定、粘接固定中的一种或多种的组合连接在一起；

S2、设振镜的摆动轴的偏摆角度为α，且转镜的转轴的转动角度为β，将入射光经振镜和转镜形成的扫描曲线采用函数进行参数化；

参见图4、图5分别示出的本实施例的振镜侧视光路和振镜上视光路；

入射到振镜的所述入射光包括：平行光、非平行光中的一种或两种的组合。

；

；

；

；

本实施例的扫描曲线参见图6所示，所述扫描曲线的参数化表达式为：

；

；

其中的参数含义如下：

其中的参数含义如下：

H：入射激光与振镜的摆动轴的垂直距离；

R：振镜的反射镜与振镜转轴的垂直距离；

β：振镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度，其振动频率为ω；

δ为因转轴摆动α角所造成的水平方向位移

H1：激光和扫描面的垂直距离；

c点为激光入射与振镜转轴在初始未摆动平面的交点；

e点为振镜转轴在初始未摆动未转动时之激光射入扫描面的交点；

d点为振镜转轴在摆动β角后激光射入扫描面的交点；

：为c点与d点连结的线段；

：为d点与e点连结的线段；

x’ 为x方向上d点与e点之间的距离；

转镜的转轴的旋转起点在β角为零处，激光从左向右进入转镜且平行于被扫描面，参见图5所示；

S3、利用振镜的自然振动频率与振动支撑架的摆动机构产生共振，或者用振动产生器使得振镜与振镜支撑架的摆动机构相对摆动；

所述扭力弹簧的常数为

，转子机构的转动惯量为I，则转子机构的自然振动角频率/>

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（1）

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使自然振动角频率/>

符合式（1）的条件。

所述S3步骤的产生共振的方法还包括：

利用外界振动源的振动产生符合式（1）

的角频率/>

。

所述扭力弹簧给所述振镜与振镜支撑架提供垂直上下方向的摆动：所述振镜的摆动轴在垂直方向有偏摆角α的摇动，造成激光（参见图4所示的激光入射方向和反射方向）产生2α的偏摆，造成原本是直线的激光变成来回摆动的光线。

扫描曲线在扫描面上的摆动幅度与扫描面与振镜的反射点距离有关。

本发明实施例还提供将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的装置，应用如上述所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，参见图3所示，包括：

振镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；

摆动轴：用于振镜与振镜支撑架之间的转动连接；

摆动机构：采用扭力弹簧构建，所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。

本发明实施例以振镜为激光左右扫描的频率产生机构，通过将振镜的整个支撑架放置在摆动机构上，由摆动机构提供振镜的垂直上下方向的摆动，除左右扫描方向以外还有垂直方向的摆动，能够将振镜与振镜支撑架相对摆动使得入射激光形成二维扫描光路，形成曲线图案，实现了高速大面积的二维扫描曲线。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，图2是本发明实施例提供的一种计算机设备的结构示意图；参见附图图2所示，该计算机设备包括：输入设备23、输出装置24、内存22和处理器21；所述内存22，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器21执行，使得所述一个或多个处理器21实现如上述实施例提供的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法；其中输入设备23、输出装置24、内存22和处理器21可以通过总线或者其他方式连接，图2中以通过总线连接为例。

内存22作为一种计算设备可擦写存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序，如本发明实施例所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法对应的程序指令；内存22可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据设备的使用所创建的数据等；此外，内存22可以包括高速随机存取内存，还可以包括非易失性内存，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态内存件；在一些实例中，内存22可进一步包括相对于处理器21远程设置的内存，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入设备23可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入；输出装置24可包括显示屏等显示设备。

处理器21通过运行存储在内存22中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法。

上述提供的计算机设备可用于执行上述实施例提供的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，具备相应的功能和有益效果。

本发明实施例还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如上述实施例提供的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，存储介质是任何的各种类型的内存设备或存储设备，存储介质包括：安装介质，例如CD-ROM、软盘或磁带装置；计算机系统内存或随机存取内存，诸如DRAM、DDR RAM、SRAM、EDO RAM，兰巴斯(Rambus)RAM等；非易失性内存，诸如闪存、磁介质(例如硬盘或光存储)；寄存器或其它相似类型的内存组件等；存储介质可以还包括其它类型的内存或其组合；另外，存储介质可以位于程序在其中被执行的第一计算机系统中，或者可以位于不同的第二计算机系统中，第二计算机系统通过网络(诸如因特网)连接到第一计算机系统；第二计算机系统可以提供程序指令给第一计算机用于执行。存储介质包括可以驻留在不同位置中(例如在通过网络连接的不同计算机系统中)的两个或更多存储介质。存储介质可以存储可由一个或多个处理器执行的程序指令(例如具体实现为计算机程序)。

当然，本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质，其计算机可执行指令不限于如上实施例所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，还可以执行本发明任意实施例所提供的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法中的相关操作。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部；

S2、设振镜的摆动轴的偏摆角度为α，且转镜的转轴的转动角度为β，将入射光经振镜与振镜支撑架相对摆动形成的扫描曲线采用函数进行参数化；

；

；

；

；

所述扫描曲线的参数化表达式为：

；

；

其中的参数含义如下：

H：入射激光与振镜的摆动轴的垂直距离；

R：振镜的反射镜与振镜转轴的垂直距离；

β：振镜在t时间内R从初始的与平面成45°角的起始点，逆时针旋转的旋转角度，其振动频率为ω；

δ为因转轴摆动α角所造成的水平方向位移

H1：激光和扫描面的垂直距离；

c点为激光入射与振镜转轴在初始未摆动平面的交点；

e点为振镜转轴在初始未摆动未转动时之激光射入扫描面的交点；

d点为振镜转轴在摆动β角后激光射入扫描面的交点；

：为c点与d点连结的线段；

：为d点与e点连结的线段；

x’为x方向上d点与e点之间的距离；

S3、利用振镜的自然振动频率与振动支撑架的摆动机构产生共振，或者用振动产生器使得振镜与振镜支撑架的摆动机构相对摆动；

可利用常数为

扭力弹簧将转子机构固结于外界，转子机构的转动惯量为I，则转子机构的自然振动角频率/>

为：

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的关系列成

（1）

式（1）中，n为在振镜转动一个角度时设计的激光扫描次数；在组装摆动机构时调整γ使自然振动角频率

符合式（1）的条件。

2.根据权利要求1所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S3步骤的产生共振的方法还包括：

利用外界振动源的振动产生符合式（1）

的角频率/>

。

3.根据权利要求1所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述相对摆动机构给所述振镜与振镜支撑架提供垂直上下方向的摆动：所述振镜的摆动轴在垂直方向有偏摆角α的摇动，造成激光产生2α的偏摆，使原本是直线的激光变成摆动的光线。

4.根据权利要求1所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S1步骤的将包括振镜与振镜支撑架的转子机构固定连接在可使振镜与振镜支撑架相对摆动机构的上部的方法包括：

将所述振镜支撑架与所述相对摆动机构的上部通过焊接固定、螺接固定、粘接固定中的一种或多种的组合连接在一起。

5.根据权利要求1所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，其特征在于，所述S2步骤的入射到振镜的所述入射光包括：

平行光、非平行光中的一种或两种的组合。

6.将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的装置，其特征在于，应用如权利要求1-5任一项所述的将振镜与振镜支撑架相对摆动形成二维光路的方法，包括：

振镜：用于将入射光经过反射面的发射形成来回摆动的扫描曲线；

摆动轴：用于振镜与振镜支撑架之间的转动连接；

摆动机构：所述摆动机构的上部与所述转子机构固定连接。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1-5任一项所述的将振镜与振镜支撑架共振形成二维扫描光路的方法的步骤。

8.一种计算机设备，所述计算机设备包括内存、处理器及存储在内存上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5任一项所述的将振镜与振镜支撑架共振形成二维扫描光路的方法的步骤。

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