CN117103684B - 一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，属于激光3D打印设备技术领域，其包括依次设置在激光束路径上的凹透镜组、扫描振镜组、凸透镜组和打印工作面；所述的凹透镜组和凸透镜组的等效焦距分别为f1和f2，凹透镜组与扫描振镜组之间的间距为L1，扫描振镜组与凸透镜组之间的距离为L2，扫描振镜组与打印工作面之间的距离为L，凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：采用本发明涉及的扫描系统在进行长工作距离扫描时，能够减小扫描振镜处的光束直径，进而减小扫描振镜的尺寸，降低惯量，提高扫描打印频响。
Description
技术领域
本发明属于激光3D打印设备技术领域，尤其涉及一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统。
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。
后聚焦振镜方式，即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。扫描振镜通过改变X、Y轴方向的两个反射镜的反射角度，实现激光束的偏转，进而控制激光束按照指定的扫描路径运动。f-theta平场镜头是在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束的位置，实现在整个加工面光斑聚焦均匀。高精度的F-Theta平场镜头结构比较复杂，体积也很大。
相比于后聚焦振镜方式，传统的前聚焦振镜方式的成本更低、体积更小，因此，对于打印精度要求不是特别高的情况下，前聚焦振镜方式的扫描系统运用更为广泛。前聚焦振镜方式的原理如图1所示，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。该方案需要使用程序补偿算法，实时控制调焦镜片，配合振镜扫描的位置补偿焦距，实现动态对焦，使得激光束能实时成像于打印工作面。该方案需要使用程序补偿算法，实时控制调焦镜片，配合振镜扫描的位置补偿焦距，使得激光束能实时成像于加工工作面。
在激光加工的各种行业中，对反射振镜的要求也不相同，假定振镜反射镜处的激光光斑直径为D，则激光束经过L距离聚焦在打印工作面上，其光束汇聚的半角a，在激光扫描打印中a通常数值很小，因此有如下公式：根据高斯光束的束腰半径的公式为：/>因此，高斯光束的光束越粗，聚焦角度越大，其束腰半径即聚焦光斑就越小。假定打印工作面处的激光扫描线宽，即光斑直径要求为d，振镜反射镜处的光束D满足如需使用更小的光斑在打印工作面上进行扫描图像打印，在振镜反射镜处则需要更粗的激光光束或者使用更短的工作距离。在3D打印中，SLM和SLS是使用激光束熔融粉末材料来进行3D打印的一种方式，在大部分3D打印的设备中，零件打印完毕后，控制零件托盘上升，并从打印腔将零件取出，因此扫描振镜的有效工作距离必须得大于打印零件成型腔的高度。目前大尺寸的3D打印机，其零件成型腔的高度已超过1.5米，因此与小型的3D打印机相比，其振镜扫描打印的工作距离需要增大2～3倍，根据上述公式可知，打印工作面处保持同样的扫描激光光斑，大型3D打印机激光光束在振镜反射镜处的直径也会增大2～3倍。
激光振镜的反射镜片，是依靠振镜电机带动镜片旋转来反射激光束，其转动惯量与扫描激光束的频响能力成反比。按照最简单的方式估算，假定反射镜片为长方体，当光斑增大时，反射镜的长宽均需要按比例增大，为了维持反射镜的刚性，其厚度通常也按比例增大。根据长方体沿中心转动的转动惯量公式，振镜反射镜转动惯量与光斑直径的5次方成正比。当激光光束直径增大至2倍，反射镜的转动惯量增大128倍，其反射激光扫描的频响性能下降约两个数量级。由此可见，在大幅面的3D打印机中，由于扫描工作距离变长，为了保持同样的打印精度，增大振镜反射镜，使得激光扫描的频响能力大为降低，严重影响打印效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，以解决现有振镜扫描系统在扫描大尺寸零件时因工作距离长导致所需振镜尺寸大、转动惯量大、打印效率低等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明涉及一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其包括依次设置在激光束路径上的凹透镜组、扫描振镜组、凸透镜组和打印工作面；所述的凹透镜组和凸透镜组的等效焦距分别为f1和f2，凹透镜组与扫描振镜组之间的间距为L1，扫描振镜组与凸透镜组之间的距离为L2，扫描振镜组与打印工作面之间的距离为L，凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：
优选地，所述的凹透镜组为1块凹透镜或为若干块透镜组成的等效焦距为凹透镜的透镜组。
优选地，所述的凸透镜组为1块凸透镜或为若干块透镜组成的等效焦距为凸透镜的透镜组。
优选地，所述的扫描振镜组包括X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜和Y轴振镜之间的间距为La，凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：
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：
本发明涉及的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统在扫描振镜组的位于光路的前侧设置凹透镜组，在扫描振镜组的位于光路的后侧设置凸透镜组，使凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：L1为凹透镜组与扫描振镜组之间的间距，L2为扫描振镜组与凸透镜组之间的距离，L为扫描振镜组与打印工作面之间的距离，最终实现在长工作距离时，减小扫描振镜处的光束直径，进而减小扫描振镜的尺寸，降低惯量，提高扫描打印频响。
附图说明
图1为现有的前聚焦振镜方式的扫描原理图；
图2为本发明涉及的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统的结构图；
图3为本发明涉及的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统的原理图。
附图标记：1-激光束，2-凹透镜组，3-扫描振镜组，4-凸透镜组，5-打印工作面。
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所示，本实施例涉及一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其包括依次设置在激光束1路径上的凹透镜组2、扫描振镜组3、凸透镜组4和打印工作面5；所述的凹透镜组可以为1块凹透镜，也可以为若干块透镜组成的等效焦距为凹透镜的透镜组；所述的凸透镜组可以为1块凸透镜，也可以为若干块透镜组成的等效焦距为凸透镜的透镜组；所述的扫描振镜组3为单振镜，即采用单振镜扫描。
参照附图2所示，所述的激光束1经过准直、扩束进入凹透镜组2，激光束1进入凹透镜组2时的直径为D1，凹透镜组2使得激光束1直径变大，激光束1在扫描振镜组3处的直径为D，激光束1在凸透镜组4处的直径为D2，激光束1经过凸透镜组4后直径逐渐变小，最终投影至打印工作面5上并形成直径为d的打印光斑。凹透镜组2和凸透镜组4的等效焦距分别为f1和f2，凹透镜组2与扫描振镜组3之间的间距为L1，扫描振镜组3与凸透镜组4之间的距离为L2，扫描振镜组3与打印工作面5之间的距离为L。根据光学成像公式可得：
由于凹透镜组2的等效焦距f1＜0，则有D2＞D＞D1；
使凹透镜组2的等效焦距f1与凸透镜组4的等效焦距f2满足以下公式：
当投影至打印工作面5上的所需光束光斑的直径为d，此时光束光斑的直径d的表达式为：
若采用背景技术中如附图1所示的现有的前聚焦振镜方式的扫描系统，想要使投影至打印工作面5上的光束光斑的直径同为d，则扫描振镜组3处激光束直径D’需要满足以下公式：
在保证打印工作距离L相同的情况下，采用本实施例的扫描系统与背景技术中的扫描系统时，扫描振镜组3处激光束直径的比值n为：
以数值举例，令f1＝-60mm，L1＝20mm，L2＝100mm，L＝1000mm，带入上式可得n＝0.4，由背景技术可知，振镜反射镜转动惯量与光斑直径的5次方成正比，则扫描振镜组3的转动惯量降低至为n5≈0.01。综上所述，本发明涉及的方案能够实现在长工作距离时，减小扫描振镜组3处的光束直径，进而减小扫描振镜组3的尺寸，降低扫描振镜组3惯量，提高扫描打印频响。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别在于：本实施例中的扫描振镜组3采用XY轴双轴振镜，所述的激光束1经过准直、扩束进入凹透镜组2，激光束1进入凹透镜组2时的直径为D1，凹透镜组2使得激光束1直径变大，激光束1再经过X轴振镜和Y轴振镜的反射，激光束在X轴振镜处的直径为Dx，Y轴振镜处的直径为Dy，X轴振镜和Y轴振镜之间的间距为La，激光束1经过X轴振镜和Y轴振镜的反射后，进入凸透镜组4，经过凸透镜组4后直径逐渐变小，最终投影至打印工作面5上并形成直径为d的打印光斑。凹透镜组2与X轴振镜之间的间距为L1，Y轴振镜与凸透镜组4之间的距离为L2，扫描振镜组3与打印工作面5之间的距离为L，根据光学成像公式可得：
使凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：
采用本实施例的方案同样能够减小扫描振镜组3(X轴振镜和Y轴振镜)的尺寸，降低扫描振镜组3的惯量，提高扫描打印频响。
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 (4)
1.一种降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其特征在于：其包括依次设置在激光束路径上的凹透镜组、扫描振镜组、凸透镜组和打印工作面；所述的凹透镜组和凸透镜组的等效焦距分别为f1和f2，凹透镜组与扫描振镜组之间的间距为L1，扫描振镜组与凸透镜组之间的距离为L2，扫描振镜组与打印工作面之间的距离为L，凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：
2.根据权利要求1所述的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其特征在于：所述的凹透镜组为1块凹透镜或为若干块透镜组成的等效焦距为凹透镜的透镜组。
3.根据权利要求1所述的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其特征在于：所述的凸透镜组为1块凸透镜或为若干块透镜组成的等效焦距为凸透镜的透镜组。
4.根据权利要求1所述的降低长工作距离振镜惯量的扫描系统，其特征在于：所述的扫描振镜组包括X轴振镜和Y轴振镜，X轴振镜和Y轴振镜之间的间距为La，凹透镜组的等效焦距f1与凸透镜组的等效焦距f2满足以下公式：
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