CN205427319U - 小范围激光平动扫描镜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小范围激光平动扫描镜装置，包括外壳壳体、X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台和聚焦镜，Z轴平移台上下移动安装在外壳壳体上，X、Y、Z轴平移台成串联连接，X轴平移台前后移动安装在Z轴平移台上，Y轴平移台左右移动安装在X轴平移台上，X、Y、Z轴平移台上分别固定安装有X、Y、Z反射镜，X、Y、Z反射镜分别与X、Y、Z轴呈45度角，X反射镜与Z反射镜相对设置且位于同一水平线上，Y反射镜与X反射镜相对设置且位于同一水平线上，聚焦镜水平安装在Y轴平移台上，聚焦镜位于Y反射镜的正下方。该装置能够避免出现枕形畸变以及离焦误差，聚焦斑点大小稳定，控制方便，能够实现小范围的激光精准扫描。

Description

小范围激光平动扫描镜装置

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种小范围激光平动扫描镜装置。

背景技术

激光器诞生于上世纪60年代，与传统光源相比，激光具有方向性强、亮度高、单色性好等优点，激光器的诞生为现代光学带来了巨大技术革命，目前激光技术在工业、农业、医学、商业、国防、科研等领域发展迅速。随着激光技术的不断发展和应用，激光在工业生产中发挥越来越重要的角色，并与其他学科交叉，产生了很多高端技术，比如激光先进制造技术，激光3D打印等等。激光在工业领域中的应用中的关键问题就是光路的控制，按照预定的轨迹实现激光的精准扫描。

光路的控制实现方式有控制激光器运动、控制工作台运动以及控制光束运动。激光的几种典型应用主要有激光打标，激光显示，激光快速成型及激光演示等，其中激光打标光路控制的实现方式是控制光束的运动，激光快速成型中用的最多的是控制激光器的运动，激光显示和激光演示中也是控制光束的运动，控制工件运动一般用在科研实验中，如激光打孔等，激光束不动，控制工件的运动，实现光束和工件的相对运动。所以，可见在光路控制的实现方式中用的比较多的是控制光束的运动，如图1所示，是比较常见的扫描振镜，也是控制光束运动实现方式中最多的一种结构。

振镜是一种小型的瓷电式偏转器，振镜的转子偏转带动反射镜的偏转，从而实现光束的运动，通过控制不同的偏转角度实现激光束的扫描轨迹。振镜系统惯性小，响应迅速，控制精准，但是如图1所示的双振镜扫描系统的扫描轨迹在原理上是双曲线，出现非线性失真，这就必然带来扫描轨迹出现如图2所示的枕形畸变，必须对此畸变进行校正补偿。另外，振镜扫描系统的焦平面为一球面，光束通过反射镜到达视场平面不同坐标点的光程不同，从而造成聚焦误差，也叫离焦误差，必须对这种离焦误差做算法上的补偿和利用光学元件的组合减小误差，使焦平面成一水平面。另外，扫描振镜一般只能实现激光的二维扫描，若要实现三维扫描则必须加一个第三轴的运动机构，这样就造成了振镜和第三轴的控制器不同，可能会出现三轴响应速度不统一，在实现三维扫描中的算法编程实现上难度很大。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种小范围激光平动扫描镜装置，使其更具有产业上的利用价值。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种能够避免出现枕形畸变以及离焦误差，且三轴均采用直线电机驱动，控制器驱动器统一，响应速度同一，控制算法编程实现方便，能够实现小范围激光精准扫描的小范围激光平动扫描镜装置。

本实用新型提出的一种小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：包括外壳壳体、X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台和聚焦镜，所述Z轴平移台上下移动安装在所述外壳壳体上，所述X、Y、Z轴平移台成串联连接，所述X轴平移台前后移动安装在所述Z轴平移台上，所述Y轴平移台左右移动安装在所述X轴平移台上，所述X、Y、Z轴平移台上分别固定安装有X、Y、Z反射镜，所述X、Y、Z反射镜分别与X、Y、Z轴呈45度角，所述X反射镜与Z反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述Y反射镜与X反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述聚焦镜水平安装在所述Y轴平移台上，所述聚焦镜位于所述Y反射镜的正下方。

作为本实用新型的进一步改进，所述外壳壳体的左右两侧内壁上分别沿Z轴方向固定一Z轴滑轨，所述Z轴滑轨上下移动安装一Z轴轨道滑块。

作为本实用新型的进一步改进，所述Z轴平移台包括Z轴滑块、Z活动轴、Z电机、联轴器、横梁、动力连接板、Z基板和Z反射镜支架，所述Z轴滑块固定在所述外壳壳体的内壁上端部分，所述Z活动轴上下移动定位在所述Z轴滑块中，所述Z电机安装在所述Z轴滑块上并控制所述Z活动轴的运动，所述联轴器安装在所述Z活动轴的下端，所述横梁固定在所述联轴器的下端，所述横梁与Y轴平行，所述动力连接板为两个且分别竖直固定在所述横梁的两端，所述动力连接板与所述Z轴轨道滑块固定连接，所述Z基板固定在两个动力连接板的底部之间，所述Z反射镜支架竖直固定在所述Z基板的左前角上，所述Z反射镜固定在所述Z反射镜支架上。

作为本实用新型的进一步改进，所述Z基板上的中间呈镂空状，所述Z基板镂空处的左右两侧分别沿X轴方向固定一X轴滑轨，所述X轴滑轨上前后移动安装一X轴轨道滑块。

作为本实用新型的进一步改进，所述X轴平移台包括X固定块、X轴滑块、X活动轴、X电机、X基板和X反射镜支架，所述X固定块为两个且分别竖直固定在所述Z基板右侧的前后两端上，所述X活动轴水平固定在两个X固定块之间，所述X轴滑块前后移动套设在所述X活动轴上，所述X电机安装在所述X轴滑块上并控制所述X轴滑块的运动，所述X基板固定在所述X轴滑块的底部且同时固定在所述X轴轨道滑块的上面并沿X轴滑轨前后移动，所述X反射镜支架竖直固定在所述X基板左侧的中间部分，所述X反射镜固定在所述X反射镜支架上。

作为本实用新型的进一步改进，所述X基板上的中间呈镂空状，所述X基板镂空处的前后两侧分别沿Y轴方向固定一Y轴滑轨，所述Y轴滑轨上前后移动安装一Y轴轨道滑块。

作为本实用新型的进一步改进，所述Y轴平移台包括Y固定块、Y轴滑块、Y活动轴、Y电机、Y基板和Y反射镜支架，所述Y固定块为两个且分别竖直固定在所述X基板后端的左右两侧上，所述Y活动轴水平固定在两个Y固定块之间，所述Y轴滑块前后移动套设在所述Y活动轴上，所述Y电机安装在所述Y轴滑块上并控制所述Y轴滑块的运动，所述Y基板固定在所述Y轴滑块的底部且同时固定在所述Y轴轨道滑块的上面并沿Y轴滑轨前后移动，所述Y反射镜支架竖直固定在所述Y基板的中间部分，所述Y反射镜固定在所述Y反射镜支架上。

作为本实用新型的进一步改进，所述X基板的尺寸小于所述Z基板的尺寸，所述Y基板的尺寸小于所述X基板的尺寸，所述Y基板的中间设有一圆形通孔，所述聚焦镜固定在所述圆形通孔中，所述X、Y、Z电机均为直线电机。

作为本实用新型的进一步改进，还包括X、Y、Z轴光栅尺，所述Z轴光栅尺固定在所述动力连接板的上端侧壁上并与所述Z轴平行设置，所述X轴光栅尺固定在所述X基板的左端侧壁上并与所述X轴平行，所述Y轴光栅尺固定在所述Y基板的前端侧壁上并与所述Y轴平行。

作为本实用新型的进一步改进，还包括做回位零点的X、Y、Z轴光电开关，所述Z轴光电开关固定在所述外壳壳体内部的右侧壁上，所述X轴光电开关固定在所述Z基板的左前角上，所述Y轴光电开关固定在所述X基板的右侧中间，所述外壳壳体的上端面上设有一激光入射口，所述激光入射口位于所述Z反射镜的正上方。

借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：本实用新型提供的小范围激光平动扫描镜装置能够使激光束和聚焦镜的相对位置不变，只需通过编程控制聚焦镜的运动(X、Y、Z轴平移台的运动)即可实现激光聚焦光斑的运动，实现理想光斑的运动轨迹，没有畸变和离焦误差，无需通过算法进行畸变校正和光学元件组合减小离焦误差，并且由于振镜系统扫描的光束和聚焦镜有角度关系，需要的聚焦透镜的直径尺寸大，而本实用新型激光束和聚焦透镜始终保持垂直，需要的聚焦透镜直径尺寸小，节约了聚焦镜的成本。本装置三轴均采用直线电机驱动，控制器驱动器统一，响应速度同一，控制算法编程实现方便。另外，由于本装置入射光和聚焦镜相对位置始终保持不变，这样激光聚焦出现的球差相对稳定，聚焦斑点大小相对稳定。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为现有的扫描振镜结构示意图；

图2为现有的扫描振镜产生的扫描轨迹出现枕形畸变示意图；

图3为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置激光束入射状态的结构示意图；

图4为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置中激光束的轨迹示意图；

图5为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置的内部结构示意图；

图6为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置中Z轴平移台的结构示意图；

图7为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置中X轴平移台的结构示意图；

图8为本实用新型小范围激光平动扫描镜装置中Y轴平移台的结构示意图；

其中：1-外壳壳体；2-X轴平移台；3-Y轴平移台；4-Z轴平移台；5-聚焦镜；6-Z轴滑轨；7-Z轴轨道滑块；8-X轴滑轨；9-X轴轨道滑块；10-Y轴滑轨；11-Y轴轨道滑块；12-X轴光栅尺；13-Y轴光栅尺；14-Z轴光栅尺；15-X轴光电开关；16-Y轴光电开关；17-Z轴光电开关；18-激光入射口；19-激光发射器；20-激光束；21-X固定块；22-X轴滑块；23-X活动轴；24-X电机；25-X基板；26-X反射镜支架；30-激光入射反射镜；31-Y固定块；32-Y轴滑块；33-Y活动轴；34-Y电机；35-Y基板；36-Y反射镜支架；40-激光扩束器；41-Z轴滑块；42-Z活动轴；43-Z电机；44-联轴器；45-横梁；46-动力连接；47-板Z基板；48-Z反射镜支架；50-X反射镜；60-Y反射镜；70-Z反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例：一种小范围激光平动扫描镜装置，包括外壳壳体1、X轴平移台2、Y轴平移台3、Z轴平移台4和聚焦镜5，所述Z轴平移台上下移动安装在所述外壳壳体上，所述X、Y、Z轴平移台成串联连接，所述X轴平移台前后移动安装在所述Z轴平移台上，所述Y轴平移台左右移动安装在所述X轴平移台上，所述X、Y、Z轴平移台上分别固定安装有X、Y、Z反射镜50、60、70，所述X、Y、Z反射镜分别与X、Y、Z轴呈45度角，所述X反射镜与Z反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述Y反射镜与X反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述聚焦镜水平安装在所述Y轴平移台上，所述聚焦镜位于所述Y反射镜的正下方。

所述外壳壳体的左右两侧内壁上分别沿Z轴方向固定一Z轴滑轨6，所述Z轴滑轨上下移动安装一Z轴轨道滑块7。

所述Z轴平移台包括Z轴滑块41、Z活动轴42、Z电机43、联轴器44、横梁45、动力连接板46、Z基板47和Z反射镜支架48，所述Z轴滑块固定在所述外壳壳体的内壁上端部分，所述Z活动轴上下移动定位在所述Z轴滑块中，所述Z电机安装在所述Z轴滑块上并控制所述Z活动轴的运动，所述联轴器安装在所述Z活动轴的下端，所述横梁固定在所述联轴器的下端，所述横梁与Y轴平行，所述动力连接板为两个且分别竖直固定在所述横梁的两端，所述动力连接板与所述Z轴轨道滑块固定连接，所述Z基板固定在两个动力连接板的底部之间，所述Z反射镜支架竖直固定在所述Z基板的左前角上，所述Z反射镜固定在所述Z反射镜支架上。

所述Z基板上的中间呈镂空状，所述Z基板镂空处的左右两侧分别沿X轴方向固定一X轴滑轨8，所述X轴滑轨上前后移动安装一X轴轨道滑块9。

所述X轴平移台包括X固定块21、X轴滑块22、X活动轴23、X电机24、X基板25和X反射镜支架26，所述X固定块为两个且分别竖直固定在所述Z基板右侧的前后两端上，所述X活动轴水平固定在两个X固定块之间，所述X轴滑块前后移动套设在所述X活动轴上，所述X电机安装在所述X轴滑块上并控制所述X轴滑块的运动，所述X基板固定在所述X轴滑块的底部且同时固定在所述X轴轨道滑块的上面并沿X轴滑轨前后移动，所述X反射镜支架竖直固定在所述X基板左侧的中间部分，所述X反射镜固定在所述X反射镜支架上。

所述X基板上的中间呈镂空状，所述X基板镂空处的前后两侧分别沿Y轴方向固定一Y轴滑轨10，所述Y轴滑轨上前后移动安装一Y轴轨道滑块11。

所述Y轴平移台包括Y固定块31、Y轴滑块32、Y活动轴33、Y电机34、Y基板35和Y反射镜支架36，所述Y固定块为两个且分别竖直固定在所述X基板后端的左右两侧上，所述Y活动轴水平固定在两个Y固定块之间，所述Y轴滑块前后移动套设在所述Y活动轴上，所述Y电机安装在所述Y轴滑块上并控制所述Y轴滑块的运动，所述Y基板固定在所述Y轴滑块的底部且同时固定在所述Y轴轨道滑块的上面并沿Y轴滑轨前后移动，所述Y反射镜支架竖直固定在所述Y基板的中间部分，所述Y反射镜固定在所述Y反射镜支架上。

所述X基板的尺寸小于所述Z基板的尺寸，所述Y基板的尺寸小于所述X基板的尺寸，所述Y基板的中间设有一圆形通孔37，所述聚焦镜固定在所述圆形通孔中，所述X、Y、Z电机均为直线电机。

还包括X、Y、Z轴光栅尺12、13、14，所述Z轴光栅尺固定在所述动力连接板的上端侧壁上并与所述Z轴平行设置，所述X轴光栅尺固定在所述X基板的左端侧壁上并与所述X轴平行，所述Y轴光栅尺固定在所述Y基板的前端侧壁上并与所述Y轴平行。用增量式编码器(直线光栅)对电机实现闭环控制，通过X、Y、Z轴光栅尺的作用，能够保证控制精准，分辨率能够达到微米级别。

还包括做回位零点的X、Y、Z轴光电开关15、16、17，所述Z轴光电开关固定在所述外壳壳体内部的右侧壁上，所述X轴光电开关固定在所述Z基板的左前角上，所述Y轴光电开关固定在所述X基板的右侧中间，所述外壳壳体的上端面上设有一激光入射口18，所述激光入射口位于所述Z反射镜的正上方。通过X、Y、Z轴光电开关能够对X、Y、Z轴平移台做回位零点。

X、Y、Z三轴平移台串联，Y联在X，X联在Z上，聚焦镜装在Y基板上，分别通过X电机、Y直线电机以及Z电机提供动力实现三轴运动，从而可以实现聚焦镜的三轴运动。其中Z向移动连接方式如图5所示，由于电机的动力连接方式可以固定好的轴让滑块在活动轴上运动，也可以固定滑块，让活动轴相对于滑块运动，Z轴方向的动力提供方式则是通过固定滑块的方式，通过联轴器连接Z活动轴和横梁，横梁连接两块动力联接板，然后和Z基板连接，在外壳壳体的左右两侧内壁上安装Z轴滑轨，上动力联接板能够沿Z轴滑轨上下移动，保证移动的平行度。

具体工作方式如图3-4所示，外设的激光发射器19发出激光束20与Y轴平行，在激光入射口处安装激光入射反射镜30，激光入射反射镜与Y轴呈45度角，在激光入射反射镜和激光发射器之间设置激光扩束器40，通过激光扩束器的激光束水平射到激光入射反射镜，激光束通过激光入射反射镜反射之后垂直入射在Z反射镜上，激光束经过Z反射镜水平反射到X反射镜上，然后激光束经过X反射镜水平反射到Y反射镜上，最后激光束经过Y反射镜垂直反射到聚焦镜上聚焦，在X、Y、Z基板运动中，由于串联关系，X和Y反射镜的相对角度关系不发生变化，只是相对位置发生变化，同时X和Z反射镜的相对角度关系也不发生变化，只是相对位置变化，从而保证了激光束在所有反射镜之间传播时相对方向不发生改变，只是传播的距离发生变化，不影响激光聚焦。这样，基板、反射镜、激光束之间的相对运动关系就保证了激光束在最后入射到聚焦时始终保持垂直入射并且相对聚焦镜固定，实现聚焦光斑和聚焦镜的位置相对固定，通过控制聚焦镜的运动便可实现聚焦光斑的运动，实现激光的扫描运动轨迹。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：包括外壳壳体、X轴平移台、Y轴平移台、Z轴平移台和聚焦镜，所述Z轴平移台上下移动安装在所述外壳壳体上，所述X、Y、Z轴平移台成串联连接，所述X轴平移台前后移动安装在所述Z轴平移台上，所述Y轴平移台左右移动安装在所述X轴平移台上，所述X、Y、Z轴平移台上分别固定安装有X、Y、Z反射镜，所述X、Y、Z反射镜分别与X、Y、Z轴呈45度角，所述X反射镜与Z反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述Y反射镜与X反射镜相对设置且位于同一水平线上，所述聚焦镜水平安装在所述Y轴平移台上，所述聚焦镜位于所述Y反射镜的正下方。

2.根据权利要求1所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述外壳壳体的左右两侧内壁上分别沿Z轴方向固定一Z轴滑轨，所述Z轴滑轨上下移动安装一Z轴轨道滑块。

3.根据权利要求2所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述Z轴平移台包括Z轴滑块、Z活动轴、Z电机、联轴器、横梁、动力连接板、Z基板和Z反射镜支架，所述Z轴滑块固定在所述外壳壳体的内壁上端部分，所述Z活动轴上下移动定位在所述Z轴滑块中，所述Z电机安装在所述Z轴滑块上并控制所述Z活动轴的运动，所述联轴器安装在所述Z活动轴的下端，所述横梁固定在所述联轴器的下端，所述横梁与Y轴平行，所述动力连接板为两个且分别竖直固定在所述横梁的两端，所述动力连接板与所述Z轴轨道滑块固定连接，所述Z基板固定在两个动力连接板的底部之间，所述Z反射镜支架竖直固定在所述Z基板的左前角上，所述Z反射镜固定在所述Z反射镜支架上。

4.根据权利要求3所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述Z基板上的中间呈镂空状，所述Z基板镂空处的左右两侧分别沿X轴方向固定一X轴滑轨，所述X轴滑轨上前后移动安装一X轴轨道滑块。

5.根据权利要求4所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述X轴平移台包括X固定块、X轴滑块、X活动轴、X电机、X基板和X反射镜支架，所述X固定块为两个且分别竖直固定在所述Z基板右侧的前后两端上，所述X活动轴水平固定在两个X固定块之间，所述X轴滑块前后移动套设在所述X活动轴上，所述X电机安装在所述X轴滑块上并控制所述X轴滑块的运动，所述X基板固定在所述X轴滑块的底部且同时固定在所述X轴轨道滑块的上面并沿X轴滑轨前后移动，所述X反射镜支架竖直固定在所述X基板左侧的中间部分，所述X反射镜固定在所述X反射镜支架上。

6.根据权利要求5所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述X基板上的中间呈镂空状，所述X基板镂空处的前后两侧分别沿Y轴方向固定一Y轴滑轨，所述Y轴滑轨上前后移动安装一Y轴轨道滑块。

7.根据权利要求6所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述Y轴平移台包括Y固定块、Y轴滑块、Y活动轴、Y电机、Y基板和Y反射镜支架，所述Y固定块为两个且分别竖直固定在所述X基板后端的左右两侧上，所述Y活动轴水平固定在两个Y固定块之间，所述Y轴滑块前后移动套设在所述Y活动轴上，所述Y电机安装在所述Y轴滑块上并控制所述Y轴滑块的运动，所述Y基板固定在所述Y轴滑块的底部且同时固定在所述Y轴轨道滑块的上面并沿Y轴滑轨前后移动，所述Y反射镜支架竖直固定在所述Y基板的中间部分，所述Y反射镜固定在所述Y反射镜支架上。

8.根据权利要求7所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：所述X基板的尺寸小于所述Z基板的尺寸，所述Y基板的尺寸小于所述X基板的尺寸，所述Y基板的中间设有一圆形通孔，所述聚焦镜固定在所述圆形通孔中，所述X、Y、Z电机均为直线电机。

9.根据权利要求8所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：还包括X、Y、Z轴光栅尺，所述Z轴光栅尺固定在所述动力连接板的上端侧壁上并与所述Z轴平行设置，所述X轴光栅尺固定在所述X基板的左端侧壁上并与所述X轴平行，所述Y轴光栅尺固定在所述Y基板的前端侧壁上并与所述Y轴平行。

10.根据权利要求9所述的小范围激光平动扫描镜装置，其特征在于：还包括做回位零点的X、Y、Z轴光电开关，所述Z轴光电开关固定在所述外壳壳体内部的右侧壁上，所述X轴光电开关固定在所述Z基板的左前角上，所述Y轴光电开关固定在所述X基板的右侧中间，所述外壳壳体的上端面上设有一激光入射口，所述激光入射口位于所述Z反射镜的正上方。