CN117048055B - 一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，包括振镜扫描模块和打印工作面，振镜扫描模块位于光路的后方依次设有第一透镜组和第二透镜组，振镜扫描模块与第一透镜组之间的距离为L1，第一透镜组和第二透镜组之间的距离为L2，第一透镜组和第二透镜组的等效焦距分别为f 1和f 2，当另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组的关系式为：；当不另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组的关系式为：；打印幅面H为： 。本发明可实现打印工作距离L不变的情况下，提高打印工作幅面或提高打印精度。
Description
技术领域
本发明属于激光3D打印设备技术领域，尤其涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置。
背景技术
激光加工是一种先进的快速加工制造技术，例如激光切割、激光焊接、激光打标以及激光3D打印等，激光加工通常采用的方式是以振镜反射单束激光，在二维工作平面或者曲面上进行曲线图像扫描来工作。根据振镜扫描光路的方式，当前激光扫描聚焦的方式有前聚焦振镜(PRE-SCAN)和后聚焦振镜(POST-SCAN)两种方式，前聚焦振镜是在扫描后聚焦，后聚焦振镜是在扫描前聚焦。
前聚焦振镜的方式中，激光器光束首先通过准直镜、扩束镜，再由能实时移动的动态调焦透镜，再通过振镜反射激光，实现激光在打印工作面的扫描打印工作。后聚焦振镜的方式中，激光器发出激光束首先通过准直镜、扩束镜，再通过扫描振镜，最后经过场镜(也叫f-theta平场镜头、f-θ场镜)扫描到加工面。
在激光加工的各种行业中，对反射振镜的要求也不相同，最主要的指标差别在于激光可扫描加工的工作幅面大小以及加工位置的精度。目前，振镜系统通常可用的旋转角度为±10°，激光通过振镜反射之后，在XY方向上可偏转的角度为±20°，扫描系统的扫描原理如图1所示，振镜反射激光可加工的幅面大小H与振镜反射面工作距离L之间满足如下关系：H=2Ltan（θ）。由此可见，在激光可偏转角度有限的情况下，振镜打印工作幅面与其工作距离成正比，在振镜电机旋转速度固定的情况下，打印工作面上的激光光斑的扫描速度也与其工作距离H成正比。
振镜电机在打印工作面上扫描打印线条和图案时，都是通过振镜电机旋转来偏转激光扫描打印的，电机旋转的角度控制精度在给定的电机和驱动器规格下基本是固定的，因此打印面上的光斑位置精度则与振镜的工作距离L成正比，对于相同的振镜电机，L值越大，其反射的激光在打印工作面上的位置误差越大。因此，如需增加激光加工的幅面，或者提高激光扫描线速度，需要增大扫描振镜的工作距离L；如需提高激光加工的精度，则需要减小振镜电机的工作距离L。目前使用振镜做激光加工的各行业，均是按照此原则来设计振镜扫描模块的规格。
然而，在有些行业中，如小型的激光打标行业，有时候需要设备体积比较小，如果，需要能打印更大幅面的图案，或者为了提高打印效率，想提高激光扫描打印的线速度，受制于上述原理，无法在小尺寸设备里实现以上要求；有些领用领域，如激光金属烧结3D打印行业，对于打印的零件尺寸精度要求较高，但扫描振镜下方还需要安装铺粉装置、风场装置，因此其工作距离L无法缩小，过于大的工作距离L值，也使得激光光斑扫描位置误差较大，影响零件精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，在不改变打印工作距离的情况下，无法实现增加小尺寸设备的打印幅面或提高小尺寸设备打印效率、无法实现大尺寸打印设备的打印精度的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，所述的扫描系统包括设置在激光束光路上的振镜扫描模块和打印工作面，所述的振镜扫描模块位于光路的后方依次设有第一透镜组和第二透镜组，振镜扫描模块与第一透镜组之间的距离为L1，第一透镜组和第二透镜组之间的距离为L2，第一透镜组和第二透镜组的等效焦距分别为f 1和f 2，扫描系统另设聚焦透镜或不另设聚焦透镜；
当扫描系统另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组满足以下关系式：
；
当扫描系统不另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组满足以下关系式：
；
设置第一透镜组和第二透镜组后，打印幅面H表示为：
；
公式中，V1和V2分别表示第一透镜组和第二透镜组的物距，θ表示振镜模块的最大调整角度，L为打印工作距离；所述第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印幅面或打印精度。
优选地，当所述的第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印幅面和扫描速度时，所述的第一透镜组的等效焦距f 1为正值，所述的第二透镜组的等效焦距f 2为负值。
优选地，当所述的第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印精度时，所述的第一透镜组的等效焦距f 1为负值，所述的第二透镜组的等效焦距f 2为正值。
优选地，当扫描系统另设聚焦透镜时，所述的聚焦振镜为设置于振镜扫描模块的光路前方的调焦镜片。
优选地，当扫描系统另设聚焦透镜时，所述的聚焦振镜为设置于振镜扫描模块的光路后方的平场透镜，所述的第一透镜组和第二透镜组设置在振镜扫描模块和平场透镜之间。
优选地，所述的第一透镜组为由若干透镜组成的等效焦距为f 1的透镜组。
优选地，所述的第二透镜组为由若干透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组。
优选地，所述的第一透镜组和第二透镜组采用分离式结构或一体式结构。
与现有技术相比，采用本发明涉及的技术方案存在以下有益效果：
1.本发明涉及的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置在振镜扫描模块的后方依次设有第一透镜组和第二透镜组，当所述扫描系统另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组的等效焦距满足，当所述扫描系统不另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组满足/>，其中，L1为振镜扫描模块与第一透镜组之间的距离，L2为第一透镜组和第二透镜组之间的距离，L为打印工作距离，通过相互配合的第一透镜组和第二透镜组，可实现打印工作距离L不变的情况下，提高打印工作幅面或提高打印精度。
2.本发明涉及的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置在振镜扫描模块的后方依次设有第一透镜组和第二透镜组，当第一透镜组和第二透镜组满足时，第一透镜组和第二透镜组可将聚焦透镜结合于一体，即第一透镜组和第二透镜组的组合即可实现在打印工作距离L不变的情况下提高打印工作幅面或提高打印精度的目的，又可兼备F-Theta平场镜头的作用，F-Theta平场镜头价格较高，因此，不另外设置F-Theta平场镜头可降低扫描设备的价格。
附图说明
图1为现有的振镜扫描系统扫描原理图；
图2为扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置的原理图；
图3为实施例1涉及的扫描系统的结构图；
图4为实施例2涉及的扫描系统的结构图；
图5为实施例3涉及的扫描系统的结构图；
图6为扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置提升打印幅面和打印速度的原理图；
图7为扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置提升打印精度的原理图。
附图标记：1-激光束，2-第一透镜组，3-扫描振镜组，4-第二透镜组，5-打印工作面，6-调焦镜片，7-平场透镜。
具体实施方式
下面对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参照附图2和3所示，本实施例涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，所述的扫描系统包括设置在激光束光路上的聚焦振镜、振镜扫描模块和打印工作面5。所述的振镜扫描模块3的位于激光束1光路的后方依次设有第一透镜组2和第二透镜组4，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离为L1，第一透镜组2和第二透镜组4之间的距离为L2，第一透镜组2和第二透镜组4的等效焦距分别为f 1和f 2，第一透镜组2为由若干透镜组成的等效焦距为f 1的透镜组，第二透镜组4为由若干透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组，第一透镜组2和第二透镜组4采用分离式结构或一体式结构；打印工作距离（振镜扫描模块3与打印工作面5之间的距离）为L。对于第一透镜组2，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离L1等效为物距，振镜扫描模块3的像距为V1，第二透镜组4的像距为V2，根据透镜成像公式有：
；
；
由此可得设置第一透镜组2和第二透镜组4后，打印幅面H表示为：
；
公式中，θ表示振镜模块的最大调整角度。
本实施例采用前聚焦系统，即在振镜扫描模块3的前侧设置调焦镜片6，第一透镜组2和第二透镜组4的组合只用于改变振镜等效工作距离，其光焦度为0，为了满足光焦度为0，第一透镜组2和第二透镜组4满足以下关系式：
。
实施例2
参照附图2和4所示，本实施例涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，所述的扫描系统包括设置在激光束光路上的振镜扫描模块3、聚焦振镜和打印工作面5，振镜扫描模块3和聚焦振镜之间的位置依次设有第一透镜组2和第二透镜组4，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离为L1，第一透镜组2和第二透镜组4之间的距离为L2，第一透镜组2和第二透镜组4的等效焦距分别为f 1和f 2，第一透镜组2为由若干透镜组成的等效焦距为f 1的透镜组，第二透镜组4为由若干透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组，第一透镜组2和第二透镜组4采用分离式结构或一体式结构；打印工作距离（振镜扫描模块3与打印工作面5之间的距离）为L。对于第一透镜组2，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离L1等效为物距，振镜扫描模块3的像距为V1，第二透镜组4的像距为V2，根据透镜成像公式有：
；
；
由此可得设置第一透镜组2和第二透镜组4后，打印幅面H表示为：
；
公式中，θ表示振镜模块的最大调整角度。
本实施例采用后聚焦系统，即在振镜扫描模块3的后侧设置平场透镜7，第一透镜组2和第二透镜组4的组合只用于改变振镜等效工作距离，其光焦度为0，为了满足光焦度为0，第一透镜组2和第二透镜组4满足以下关系式：
。
此时振镜的有效打印幅面会变小，该情况适用于工作距离较长，打印幅面要求不大，打印精度要求较高的应用场合。
实施例3
参照附图2和5所示，本实施例涉及一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，所述的扫描系统包括设置在激光束光路上的振镜扫描模块3和打印工作面5，振镜扫描模块3和打印工作面5之间的位置依次设有第一透镜组2和第二透镜组4，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离为L1，第一透镜组2和第二透镜组4之间的距离为L2，第一透镜组2和第二透镜组4的等效焦距分别为f 1和f 2，第一透镜组2为由若干透镜组成的等效焦距为f 1的透镜组，第二透镜组4为由若干透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组，第一透镜组2和第二透镜组4采用分离式结构或一体式结构；打印工作距离（振镜扫描模块3与打印工作面5之间的距离）为L。对于第一透镜组2，振镜扫描模块3与第一透镜组2之间的距离L1等效为物距，振镜扫描模块3的像距为V1，第二透镜组4的像距为V2，根据透镜成像公式有：
；
；
由此可得设置第一透镜组2和第二透镜组4后，打印幅面H表示为：
；
公式中，θ表示振镜模块的最大调整角度。
本实施例将第一透镜组2和第二透镜组4的组合结构与F-Theta镜头合二为一，不再另外设置聚焦透镜，即第一透镜组2和第二透镜组4为既能改变振镜扫描模块的等效工作距离L，也能对激光束在成像打印工作处聚焦的透镜组，此时，第一透镜组2和第二透镜组4的公式由公式（1）变为如下公式：
。
参照附图6所示，以公式（2）为基础，以提高打印幅面和加快扫描速度为目的进行说明，所述的第一透镜组2的等效焦距f 1为正值，其采用1块凸透镜；所述的第二透镜组4的等效焦距f 2为负值，其采用由3块透镜组成的等效为凹透镜的第一透镜组2，光学系统的透镜参数表如下：
表1：提高打印幅面和加快扫描速度为目的的透镜参数表
| 厚度 | 入射面曲率半径（单位mm） | 出射面曲率半径（单位mm） | 数值（单位mm） | 材质 |
| 空气间隔1 | 15 | 空气 | ||
| 透镜1 | 28 | 平面 | 4 | K9 |
| 空气间隔2 | 30 | 空气 | ||
| 透镜2 | -16 | -55 | 3 | K9 |
| 空气间隔3 | 1 | 空气 | ||
| 透镜3 | -55 | 平面 | 3 | K9 |
| 空气间隔4 | 1 | 空气 | ||
| 透镜4 | 194 | 54 | 3 | K9 |
| 空气间隔5 | 120 | 空气 |
以振镜工作距离L为180mm，振镜扫描模块3的最大调整角度θ为±10°，计算不设置第一透镜组2和第二透镜组4时的打印幅面宽度H=2Ltan（θ）=63.5mm；而设置第一透镜组2和第二透镜组4后，H=127.5mm，此时，H＞2Ltan（θ），打印幅面为无透镜组打印幅面的200%，在电机转速相同的情况下，激光光斑的扫描速度也变为无透镜组的200%，扫描效率提升100%。
此时振镜的有效打印幅面会变大，该情况适用于工作距离较短，设备尺寸较小，打印幅面又需要比较大以及扫描速度要求更高的应用场合。
参照附图7所示，以公式（2）为基础，以提高打印精度为目的进行说明，所述的第一透镜组2的等效焦距f 1为负值，其采用1块凹透镜；所述的第二透镜组4的等效焦距f 2为正值，其采用由3块透镜组成的等效为凸透镜的第一透镜组2，光学系统的透镜参数表如下：
表2：以提高打印精度为目的透镜参数表
| 厚度 | 入射面曲率半径（单位mm） | 出射面曲率半径（单位mm） | 数值（单位mm） | 材质 |
| 空气间隔1 | 15 | 空气 | ||
| 透镜1 | -20 | 平面 | 5 | K9 |
| 空气间隔2 | 50 | 空气 | ||
| 透镜2 | -117 | -58 | 6 | K9 |
| 空气间隔3 | 1 | 空气 | ||
| 透镜3 | 平面 | -117 | 6 | K9 |
| 空气间隔4 | 1 | 空气 | ||
| 透镜4 | 平面 | -169 | 6 | K9 |
| 空气间隔5 | 510 | 空气 |
以振镜工作距离L为600mm，振镜扫描模块3的最大调整角度θ为±10°，计算不设置第一透镜组和第二透镜组时的打印幅面宽度H=2Ltan（θ）=211.6mm；而设置第一透镜组2和第二透镜组4后，H=68.7mm，此时，H＜2Ltan（θ），打印幅面缩小为原打印幅面的32.5%，打印精度提高为无透镜组打印的3.1倍。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，所述的扫描系统包括设置在激光束光路上的振镜扫描模块和打印工作面，其特征在于：所述的振镜扫描模块位于光路的后方依次设有第一透镜组和第二透镜组，振镜扫描模块与第一透镜组之间的距离为L1，第一透镜组和第二透镜组之间的距离为L2，第一透镜组和第二透镜组的等效焦距分别为f 1和f2，扫描系统另设聚焦透镜或不另设聚焦透镜；
当扫描系统另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组满足以下关系式：
；
当扫描系统不另设聚焦透镜时，第一透镜组和第二透镜组满足以下关系式：
；
设置第一透镜组和第二透镜组后，打印幅面H表示为：
；
公式中，V1和V2分别表示第一透镜组和第二透镜组的物距，θ表示振镜模块的最大调整角度，L为打印工作距离；所述第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印幅面或打印精度。
2.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：当所述的第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印幅面和扫描速度时，所述的第一透镜组的等效焦距f 1为正值，所述的第二透镜组的等效焦距f 2为负值。
3.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：当所述的第一透镜组和第二透镜组配合用于提高打印精度时，所述的第一透镜组的等效焦距f 1为负值，所述的第二透镜组的等效焦距f 2为正值。
4.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：当扫描系统另设聚焦透镜时，所述的聚焦透镜为设置于振镜扫描模块光路前方的调焦镜片。
5.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：当扫描系统另设聚焦透镜时，所述的聚焦透镜为设置于振镜扫描模块的光路后方的平场透镜，所述的第一透镜组和第二透镜组设置在振镜扫描模块和平场透镜之间。
6.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：所述的第一透镜组为由若干透镜组成的等效焦距为f 1的透镜组。
7.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：所述的第二透镜组为由若干透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组。
8.根据权利要求1所述的扫描系统振镜打印幅面和精度的调节装置，其特征在于：所述的第一透镜组和第二透镜组采用分离式结构或一体式结构。
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2023
- 2023-10-11 CN CN202311307852.0A patent/CN117048055B/zh active Active
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