CN117148565B - 一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，属于3D打印设备技术领域，包括设置在激光光路上的调焦模块和反射振镜，调焦模块位于反射振镜的前方；所述调焦模块包括定焦透镜和调焦透镜组，定焦透镜与反射振镜的间距恒定，调焦透镜组滑动设置于定焦透镜和反射振镜之间，调焦透镜组包括凹透镜组、凸透镜组和镜筒，凹透镜组和凸透镜组平行、间隔固定于镜筒内，凹透镜组位于凸透镜组的前方，镜筒配有用于驱动其移动的电机；通过改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距调整激光的聚焦光斑半径。采用本发明中，倾斜光束的光斑大小和垂直光斑大小由光路中多个光学参数组合来确定，可根据各种打印需求，按需要调节倾斜光斑与垂直光斑的大小关系。

Description

一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统及扫描方法

技术领域

本发明属于激光3D打印设备技术领域，尤其涉及一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统及扫描方法。

背景技术

激光加工，例如激光切割、激光焊接、激光打标以及激光3D打印，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，激光加工是一种先进的快速加工制造技术。当前的激光加工采用振镜反射激光光束，在加工工作面进行扫描打印。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，后聚焦振镜是在扫描后聚焦，前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。由于场镜体积较大、造价也高，因此，采用后聚焦振镜方式的扫描系统价格高、体积也大。

相比于后聚焦振镜方式的扫描系统，前聚焦振镜方式的扫描系统价格便宜，体积更小。前聚焦振镜方式，即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，实现激光在加工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，使得激光束能实时成像于加工工作面。

对于前聚焦振镜方式，调焦镜片用于调节光束的焦距位置，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。要满足不同的角度均能打印在同一个工作面上，倾斜光束的焦距要比垂直光束的焦距更长，对于调焦镜片处同样粗细的激光束而言，更长的焦距意味着光束聚焦时的角度更小。对于激光束而言，根据高斯光束的束腰半径的公式ω=λ/πθ可知，高斯光束的聚焦角度越大，其束腰半径即聚焦光斑就越小，反之亦然，因此在前聚焦光路中，倾斜激光束的扫描光斑尺寸要比垂直激光束的光斑更大。假定垂直激光束的聚焦光斑半径为ω2，倾斜激光束的倾斜角为α，聚焦光斑半径为ω1，考虑到振镜反射镜聚焦激光束的数值孔径都比较小，汇聚光束的数值孔径反比于激光束焦距，倾斜光束的聚焦光斑半径与垂直激光束的聚焦光斑半径的关系式为：ω1=ω2/cos（α），因此倾斜光束光斑大于垂直光束光斑，即ω1>ω2。这些特性决定了在各类激光加工、打标以及3D打印等领域，打印幅面边缘的倾斜光束质量与中心的光束质量像差较大，对于一些高精度的行业应用，这是一个重要缺陷。

对此，授权公告号为“CN 215867306 U”和“CN 115166953 B”的中国专利中分别提出了一个改变光学系统倍率，实现光斑大小变化的方案。以上两个中国专利均使用了两组可独立控制的镜片，使用电机分别控制两组镜片独立运动，并通过合适的补偿算法，两组镜片位置实时相互补偿，用来调节倍率与焦距，以实现振镜扫描打印时，垂直光束与倾斜光束的光斑尺寸相同。上述两种方案在实际工程应用中难度系数过大，两组镜片的相对位置关系需要实时匹配着移动，并且在实际调试时，倍率调试、焦距调试的流程，相应的计算补偿算法均比较麻烦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，解决3D打印技术中打印幅面边缘的倾斜光束质量与中心的光束质量像差较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明涉及一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，包括设置在激光光路上的反射振镜，其还包括调焦模块，调焦模块位于反射振镜的前方；所述的调焦模块包括定焦透镜和调焦透镜组，定焦透镜与反射振镜之间的间距恒定，调焦透镜组滑动设置于定焦透镜和反射振镜之间；所述的调焦透镜组包括凹透镜组、凸透镜组和镜筒，凹透镜组和凸透镜组平行、间隔固定于镜筒内，且凹透镜组位于凸透镜组的光路的前方，镜筒配有用于驱动其移动的电机；通过改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距调整激光的聚焦光斑半径。

优选地，所述的激光的聚焦光斑半径的表达式为：

，

其中，D为准直入射激光束的直径，ω为聚焦光斑半径，A为定焦透镜和凹透镜组的间距，B为凹透镜组和凸透镜组的距离，f 1、f 2、f 3分别为定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距。

优选地，所述的凹透镜组为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组。

优选地，所述的凸透镜组为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 3的透镜组。

本发明还涉及一种基于上述可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的扫描方法，其包括以下步骤：

步骤1.设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的参数，组装形成调焦模块；

步骤2.将调焦模块设置于扫描系统中的反射振镜的前方；

步骤3.扫描过程中，通过反射振镜调整激光的反射角度，与此同时，通过改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距调整激光的聚焦光斑半径。

优选地，所述步骤3调整激光的聚焦光斑半径时，聚焦光斑的表达式为：

，

其中，D为准直入射激光束的直径，ω为聚焦光斑半径，A为定焦透镜和凹透镜组的间距，B为凹透镜组和凸透镜组的距离，f 1、f 2、f 3分别为定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距。

优选地，所述步骤1中设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的参数包括设计凹透镜组和凸透镜组的透镜数量、设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距和设计凹透镜组和凸透镜组的间距。

优选地，所述步骤3通过电机改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距。

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：

本发明涉及的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统在反射振镜的前方设置了调焦模块，调焦模块包括定焦透镜和调焦透镜组，定焦透镜与反射振镜之间的间距恒定，调焦透镜组滑动设置于定焦透镜和反射振镜之间；所述的调焦透镜组包括凹透镜组、凸透镜组和镜筒，凹透镜组和凸透镜组平行、间隔固定于镜筒内，且凹透镜组位于凸透镜组的光路的前方，镜筒配有用于驱动其移动的电机；调焦透镜组移动的过程中，光路的焦距发生了变化的同时，由于定焦透镜和反射振镜之间的间距发生了改变，调焦透镜组的出射激光束直径也发生了变化，倾斜光束的光斑大小和垂直光斑大小由光路中多个光学参数组合来确定，倾斜光束光斑不仅可以等于垂直光束光斑，也可以让倾斜光束光斑小于垂直光束光斑。在实际应用中以根据各种打印需求，按需要调节倾斜光斑与垂直光斑的大小关系。

附图说明

图1为本发明涉及的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的结构示意图；

图2是倾斜光束和垂直光束投影至打印工作面上形成的光斑形状图；

图3是倾斜射入打印工作面的激光的等效光路图；

图4是垂直射入打印工作面的激光的等效光路图；

图5是应用例中可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的等效光路图。

附图标记：1-定焦透镜，2-调焦透镜组，21-凹透镜组，22-凸透镜组，23-镜筒，3-反射振镜，4-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

参照附图1所示，本发明涉及的一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统包括设置在激光光路上的调焦模块和反射振镜3，调焦模块位于反射振镜3的前方。所述的调焦模块包括定焦透镜1和调焦透镜组2，定焦透镜1与反射振镜3之间的间距恒定，调焦透镜组2滑动设置于定焦透镜1和反射振镜3之间；所述的调焦透镜组2包括凹透镜组21、凸透镜组22和镜筒23，凹透镜组21和凸透镜组22平行、间隔固定于镜筒23内，且凹透镜组21位于凸透镜组22的光路的前方，镜筒23配有用于驱动其移动的电机。

设置了调焦模块后，可通过改变定焦透镜1和调焦透镜组2之间的间距调整激光的聚焦光斑半径，聚焦光斑半径的表达式为：

，

其中，D为准直入射激光束的直径，ω为聚焦光斑半径，A为定焦透镜1和凹透镜组21的间距，B为凹透镜组21和凸透镜组22的距离，f 1、f 2、f 3分别为定焦透镜1、凹透镜组21和凸透镜组22的焦距。

上述凹透镜组21为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组；凸透镜组22为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 3的透镜组。

基于上述可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的扫描方法包括以下步骤：

步骤1.根据实际使用需求，设计定焦透镜1、凹透镜组21和凸透镜组22的参数，包括凹透镜组21和凸透镜组22的透镜数量，设计定焦透镜1、凹透镜组21和凸透镜组22的焦距，涉及凹透镜组21和凸透镜组22的间距等，按照涉及参数组装形成调焦模块；

步骤2.将调焦模块设置于扫描系统中的反射振镜3的前方；

步骤3.扫描过程中，通过反射振镜3调整激光的反射角度，与此同时，通过电机改变定焦透镜1和调焦透镜组2之间的间距调整激光的聚焦光斑半径。

本实施例以3D打印为例对本发明涉及的方案进行进一步说明。3D打印过程中，如背景技术中所述，倾斜激光束的扫描光斑尺寸要比垂直激光束的光斑更大，这就意味着打印过程中，边缘位置的打印质量要比中心位置的打印质量差。此外，由于边缘激光束以倾斜的角度聚焦到打印工作面4上，因此其成像为一个椭圆形，如图2所示，这将导致倾斜光束的光斑面积与垂直光束的差异更大。因此，在高精度的行业应用中，最理想的方案是，将倾斜激光束的聚焦光斑半径ω1调节至略小于垂直激光束的聚焦光斑半径ω2。

采用可调倍率的前聚焦振镜扫描系统进行扫描时，入射光束依次透过定焦透镜1、调焦透镜组2和凸透镜组22，入射光束为经过准直的平行光束，其光束直径为D，定焦透镜1、调焦透镜组2和凸透镜组22的焦距分别为f 1、f 2和f 3。倾斜射入打印工作面4的激光的等效光路如图3所示，定焦透镜1和调焦透镜组2之间的距离为A1，调焦透镜组2和凸透镜组22之间的距离为B，光束从凸透镜组22射出时的直径为D1，光束从凸透镜组22至打印工作面4的光程为L1；垂直射入打印工作面4的激光的等效光路如图4所示，定焦透镜1和调焦透镜组2之间的距离为A2，调焦透镜组2和凸透镜组22之间的距离为B，光束从凸透镜组22射出时的直径为D2，光束从凸透镜组22至打印工作面4的光程为L2。根据高斯光束聚焦成像公式，倾斜光路与垂直光路的聚焦光斑半径为：

，

，

其中，

，

，

，

，

由公式3和公式5可知，采用本发明涉及的扫描系统时，凸透镜组22处激光束的直径根据定焦透镜1和调焦透镜组2之间的距离的变化而变化。

将公式3和公式4代入公式2.1中，则有：

，

将公式5和公式6代入公式2.2中，则有：

，

公式7和公式8即为将两种情况下的定焦透镜1和调焦透镜组2之间的距离A1和A2分别代入公式1中形成的聚焦光斑半径公式。

结合公式7和公式8可知，

，

根据公式9可知，当调焦透镜组2移动距离s时，s=A1-A2，倾斜光束的光斑大小和垂直光斑大小由光路中多个光学参数组合来确定，不仅可以可以让倾斜光束光斑等于垂直光束光斑，也可以让倾斜光束光斑小于垂直光束光斑。在实际应用中以根据各种打印需求，按需要调节倾斜光斑与垂直光斑的大小关系。

需要注意的是，上述方案不仅存在于前聚焦的光路系统中，对于使用了F-Theta场镜的后聚焦系统，同样适用。

应用例

如图5所示，本应用例中定焦透镜1为1块凸透镜，凹透镜组21为1块凹透镜，凸透镜组22为3块透镜组成的等效焦距为f3的透镜组，输入激光束为直径D=5mm的已准直光束，波长λ为1080nm，垂直光路的工作距离为700mm，倾斜光路的工作距离为750mm，垂直光路和倾斜光路的参数如表1所示：

表1：垂直光路和倾斜光路的参数表

由表1可得，当空气间隔2（定焦透镜1和调焦透镜组2之间的间距A）缩减1.1mm，即调焦透镜组2移动距离s=-1.1mm，倾斜光路的工作距离由垂直光路的700mm增大至750mm，垂直光束的聚焦光斑半径ω2由48.8um变为倾斜光束光斑半径ω1的45um，不仅没有因为光束倾斜光斑变得更大，反而光斑变小了。

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 (6)

1.一种可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，包括设置在激光光路上的反射振镜，其特征在于：其还包括调焦模块，调焦模块位于反射振镜的前方；所述的调焦模块包括定焦透镜和调焦透镜组，定焦透镜与反射振镜之间的间距恒定，调焦透镜组滑动设置于定焦透镜和反射振镜之间；所述的调焦透镜组包括凹透镜组、凸透镜组和镜筒，凹透镜组和凸透镜组平行、间隔固定于镜筒内，且凹透镜组位于凸透镜组的光路的前方，镜筒配有用于驱动其移动的电机；通过改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距调整激光的聚焦光斑半径，聚焦光斑半径的表达式为：

，

其中，D为准直入射激光束的直径，ω为聚焦光斑半径，A为定焦透镜和凹透镜组的间距，B为凹透镜组和凸透镜组的距离，f 1、f 2、f 3分别为定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距；

此时，倾斜光路与垂直光路的聚焦光斑半径的关系式为：

，

ω2为垂直激光束的聚焦光斑半径，ω1倾斜激光束的焦光斑半径；

当反射振镜调整激光束角度时，移动调焦透镜组，使得ω1≤ω2。

2.根据权利要求1所述的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，其特征在于：所述的凹透镜组为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 2的透镜组。

3.根据权利要求1所述的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统，其特征在于：所述的凸透镜组为由至少1块透镜组成的等效焦距为f 3的透镜组。

4.一种基于权利要求1所述的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的扫描方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1.设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的参数，组装形成调焦模块；

步骤2.将调焦模块设置于扫描系统中的反射振镜的前方；

步骤3.扫描过程中，通过反射振镜调整激光的反射角度，与此同时，通过改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距调整激光的聚焦光斑半径，调整激光的聚焦光斑半径时，聚焦光斑的表达式为：

，

其中，D为准直入射激光束的直径，ω为聚焦光斑半径，A为定焦透镜和凹透镜组的间距，B为凹透镜组和凸透镜组的距离，f 1、f 2、f 3分别为定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距，

倾斜光路与垂直光路的聚焦光斑半径的关系式为：

，

ω2为垂直激光束的聚焦光斑半径，ω1倾斜激光束的焦光斑半径；

当反射振镜调整激光束角度时，移动调焦透镜组，使得ω1≤ω2。

5.根据权利要求4所述的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的扫描方法，其特征在于：所述步骤1中设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的参数包括设计凹透镜组和凸透镜组的透镜数量、设计定焦透镜、凹透镜组和凸透镜组的焦距和设计凹透镜组和凸透镜组的间距。

6.根据权利要求4所述的可调倍率的前聚焦振镜扫描系统的扫描方法，其特征在于：所述步骤3通过电机改变定焦透镜和调焦透镜组之间的间距。