CN208743253U - 一种集成式激光清洗光电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成式激光清洗光电系统，其包括用于发射清洗用激光束的激光器、用于在线监测激光清洗过程的在线监测组件、用于分析激光清洗过程的产物成分的光谱分析组件、以及用于将所述激光器的激光束导向入射至待清洗样品的表面的光学组件，且光学组件能够同时将来自待清洗样品的表面向外辐射的光谱信号导向入射至所述在线监测组件和所述光谱分析组件。本实用新型的集成式激光清洗光电系统可以在实现激光清洗的过程中，能够对激光清洗过程进行在线监测和附加产物的在线分析，从而实现对激光清洗工艺过程的精确控制，实现高精度和高效率激光清洗的目的。

Description

一种集成式激光清洗光电系统

技术领域

本实用新型涉及激光清洗技术领域，更具体地说，涉及一种集成式激光清洗光电系统。

背景技术

传统的清洗方法主要分为化学和机械清洗两种方式，以上两种清洗方法均会对环境和人员产生严重的二次污染。激光清洗作为一种清洁的清洗方式，正在逐步被人们所熟知，其采用激光束作为清洗介质，利用激光能量密度高和脉冲特性，能够在要去除材料表面形成极高的温度和热冲击作用，由于基体材料和表面去除物材料间存在巨大的温度差，会产生不同的热膨胀效果，在热冲击作用的辅助下，可实现表面材料与基体材料的快速剥离，且激光的高能量密度，能够将表面要去除材料瞬间气化，从而达到快速和深度清洗的目的。

目前现有的激光清洗终端设备，功率从50W到200W区间，其光电系统仅能够实现对物体表面材料的清洗，而对于激光清洗过程无法实现在线监控，对于清洗过程的产物也无法实现在线检测功能，对于需要精密清洗的场合，该类型激光清洗系统往往无法满足工艺的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种集成式激光清洗光电系统，解决了现有技术中的激光清洗终端设备无法实现在线监控和在线检测功能导致无法应用于需要精密清洗的情况的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种集成式激光清洗光电系统，包括用于发射清洗用的激光束的激光器、用于在线监测激光清洗过程的在线监测组件、用于分析激光清洗过程的产物成分的光谱分析组件以及用于将所述激光器的激光束导向入射至待清洗样品的表面且同时将来自待清洗样品的表面向外辐射的光谱信号导向入射至所述在线监测组件和所述光谱分析组件的光学组件。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述光学组件包括用于将激光束反射至待清洗样品的表面的可绕X轴摆动的X轴扫描振镜、用于将激光束反射至所述X轴扫描振镜的可绕Y轴摆动的Y轴扫描振镜以及用于将激光束反射至所述Y轴扫描振镜的第一光学镜体，所述第一光学镜体、Y轴扫描振镜和X轴扫描振镜沿着激光束的光路依次设置；所述X轴扫描振镜通过第一驱动器驱动摆动，所述Y轴扫描振镜通过第二驱动器驱动摆动。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述第一光学镜体的反射面镀有仅反射激光束且透射激光束以外的其它波长的光束的激光反射膜；所述X轴扫描振镜的反射面和所述Y轴扫描振镜的反射面分别镀有紫外增强铝膜。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述光学组件还包括用于将来自待清洗样品的表面的沿原路反射并通过所述第一光学镜体透射的光谱信号反射至所述在线监测组件的第二光学镜体，且所述第二光学镜体与所述第一光学镜体同轴设置。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述第二光学镜体是半透半反反射镜，且所述第二光学镜体的透射率与反射率的比为50：50。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述光学组件还包括用于将来自待清洗样品的表面的沿原路反射并通过所述第一光学镜体和第二光学镜体透射的光谱信号反射至所述光谱分析组件的第三光学镜体，所述第三光学镜体与所述第二光学镜体、第一光学镜体同轴设置；所述第三光学镜体为反射镜。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述X轴扫描振镜是半透半反反射镜，所述光谱分析组件设置在激光清洗时所述X轴扫描振镜背离待清洗样品的表面的一侧，所述光谱分析组件接收来自待清洗样品的表面且通过所述X轴扫描振镜透射的光谱信号。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述激光器与所述第一光学镜体之间设置有准直扩束光学组件，所述准直扩束光学组件包括准直镜头、凹透镜和凸透镜，所述准直镜头、凹透镜和凸透镜沿着激光束的射出方向依次设置。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述在线监测组件包括高速相机以及用于使来自待清洗样品的表面的且通过所述光学组件后的光谱信号聚焦至所述高速相机的成像透镜；所述光谱分析组件包括光谱仪以及用于使待清洗样品的表面的且通过所述光学组件后的光谱信号聚焦至所述光谱仪的光谱采集镜头。

在本实用新型的集成式激光清洗光电系统中，所述高速相机是具有高帧频和可近红外成像特性的相机；所述光谱采集镜头是紫外熔融石英玻璃透镜。

实施本实用新型的集成式激光清洗光电系统，具有以下有益效果：本实用新型的集成式激光清洗光电系统可以在实现激光清洗的过程中，能够对激光清洗过程进行在线监控和附加产物的在线分析，从而实现对激光清洗工艺过程的精确控制，实现高精度和高效率激光清洗的目的。

附图说明

图1为本实用新型的集成式激光清洗光电系统的第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型的集成式激光清洗光电系统的第二实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的集成式激光清洗光电系统的结构及作用原理作进一步说明：

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1-2所示，本实用新型的较佳实施例提供了一种集成式激光清洗光电系统，其包括用于发射清洗用的激光束的激光器1、用于在线监测激光清洗过程的在线监测组件、用于分析激光清洗过程的产物成分的光谱分析组件以及用于将激光器1的激光束导向入射至待清洗样品10的表面且同时将来自等清洗样品10的表面辐射的光谱信号导向至在线监测组件和光谱分析组件的光学组件。

在线监测组件包括高速相机13以及用于使来自待清洗样品10的表面的且通过光学组件后的光谱信号聚焦至高速相机13的成像透镜12。光谱分析组件包括光谱仪16以及用于使来自待清洗样品10的表面的且通过光学组件后的光谱信号聚焦至光谱仪16的光谱采集镜头15。光学组件包括X轴扫描振镜7、Y轴扫描振镜6、第一光学镜体5、第二光学镜体11和第三光学镜体 14，第一光学镜体5、X轴扫描振镜7、Y轴扫描振镜6、第二光学镜体11以及第三光学镜体14的光学中心在同一水平面内，即光学共轴。

进一步地，在激光器1与第一光学镜体5之间设置有准直扩束光学组件，准直扩束光学组件包括准直镜头2、凹透镜3和凸透镜4，准直镜头2、凹透镜3和凸透镜4沿着激光的射出方向依次设置。在其它实施例中，也可以不包括准直扩束光学组件。

本实用新型的集成式激光清洗光电系统存在如下优势：

(1)本实用新型的集成式激光清洗光电系统可以实现对激光清洗过程的在线监控，可针对特殊环境实现远距离清洗操作，避免停机检查清洗质量；

(2)本实用新型的集成式激光清洗光电系统能够对激光清洗过程产生的附加产物的成分进行在线分析，从而实现对工艺参数的动态反馈及参数调整，实现高精度清洗；

(3)本实用新型的集成式激光清洗光电系统共轴设置，从而实现了所见即所得的目的，光学精度更高，且系统易于模块化设计和具有更紧凑的结构；

(4)本实用新型的集成式激光清洗光电系统可以替代传统的化学、机械清洗方法和现有的简易激光清洗设备，可以应用于船舶、地铁、PCB板以及模具等对清洗工艺和质量有较高要求的行业领域。

下面通过具体实施例进行详细说明。

实施例1

如图1所示，准直扩束光学组件位于第一光学镜体5的上方，激光器1 位于准直扩束光学组件的上方。在线监测组件位于第二光学镜体11的上方，光谱分析组件位于第三光学镜体14的上方。具体地，激光器1、准直镜头2、凹透镜3、凸透镜4和第一光学镜体5在同一条直线上；成像透镜12位于第二光学镜体11的上方，高速相机13位于成像透镜12的上方，高速相机13、成像透镜12和第二光学镜体11在同一条直线上；光谱采集镜头15位于第三光学镜体14的上方，光谱仪16位于光谱采集镜头15的上方，光谱仪16、光谱采集镜头15和第三光学镜体14在同一条直线上。

其中，激光器1可采用固体或光纤激光器，可以为脉冲型或连续型输出激光器，输出基频1064nm激光束或532nm激光束，激光器1发射的激光束方向为由上向下。

准直扩束光学组件用于将激光器1发射的带有发散角的激光束进行准直和扩束，从而减小输出激光束的发散角，同时增加输出激光束的光斑直径，降低光学系统被高功率和能量密度激光束损伤的风险。激光器1、准直镜头2、凹透镜3、凸透镜4和第一光学镜体5在同一条直线上。准直镜头2能够将激光器1发射的带有发散角的激光束进行准直，获得近似平行输出的激光束；凹透镜3和凸透镜4用于激光扩束，能够将准直镜头2的准直的激光束进行扩束，获得更粗的激光束或更大的光束直径。

第一光学镜体5的反射面与入射激光束的方向成45°夹角，能够将竖直向下入射的激光束偏转90°，被反射的激光束传播方向由右向左，第一光学镜体 5的反射面镀有激光反射膜，仅对入射的激光束反射，其余波长光束均能够透过该第一光学镜体5。

Y轴扫描振镜6位于第一光学镜体5的左侧，且被安装在第二驱动器8 的输出轴上，且Y轴扫描振镜6的反射面与水平面互相垂直，Y轴扫描振镜 6的反射面与入射的激光束之间的初始角度成45°夹角，能够将第一光学镜体 5反射的激光束偏转90°，反射后激光束的传播方向垂直纸面向外，Y轴扫描振镜6的反射面镀有紫外增强铝膜，该类型膜能够对200nm-1100nm波长的光均具有极高的反射率。X轴扫描振镜7的位置是位于第一光学镜体5的左侧且沿垂直于纸的方向远离Y轴扫描振镜6移位，X轴扫描振镜7被安装在第一驱动器9的输出轴上，且X轴扫描振镜7的反射面与入射的激光束之间的初始角度成45°夹角，能够将Y轴扫描振镜6反射的激光束偏转90°，反射后激光束的传播方向由上向下，被反射的激光束最终作用在待清洗样品10的上表面，从而实现对表面污浊物质的清洗，X轴扫描振镜7的反射面镀有紫外增强铝膜，该类型膜能够对200nm-1100nm波长的光均具有极高的反射率。

其中，第一光学镜体5、Y轴扫描振镜6和X轴扫描振镜7沿着激光光路依次设置。X轴扫描振镜7可绕X轴且相对初始角度摆动，摆动范围为± 13°；Y轴扫描振镜6可绕Y轴且相对初始角度摆动，摆动范围为±13°。X轴扫描振镜7通过第一驱动器9驱动摆动，Y轴扫描振镜6通过第二驱动器8驱动摆动。第一驱动器9和第二驱动器8可以为伺服电机或马达等，第一驱动器9和第二驱动器8之间大致呈垂直状，即二者的输出轴大致呈垂直状。通过采用二维扫描的双振镜反射式光路设计，能实现高速扫描待清洗样品，极大地提高了清洗效率。

根据光路可逆原理，激光作用在待清洗样品10的上表面的过程中，待清洗样品10的上表面会向外辐射光谱信号，包括可见光和近红外波段，由于X 轴扫描振镜7和Y轴扫描振镜6的反射面均镀有紫外增强铝膜，能够对200 nm-1100nm波长的光均具有极高的反射率，因此，从待清洗样品10的上表面辐射的光谱信号在X轴扫描振镜7和Y轴扫描振镜6的反射作用下，传输到第一光学镜体5，由于第一光学镜体5仅对激光器1发射的激光束具有反射作用，对其他波长的光束均透过，因此，大部分光谱信号将透过第一光学镜体5，入射到第二光学镜体11的反射面。

第二光学镜体11是半透半反反射镜，对可见光波段400nm-800nm具有半透半反特性，透射率与反射率的比为50：50。且第二光学镜体11与第一光学镜体5同轴设置且相互平行，同轴是指二者的光学中心在同一轴线上。因此，入射到第二光学镜体11的光谱信号，将有一部分400nm-800nm波段的光谱信号被反射至成像透镜12，成像透镜12能够将入射的可见光波段光谱信号聚焦到高速相机13的成像元件表面，形成图像，由于大于700nm波长的光信号具有一定的近红外属性，因此，能够利用该波段近红外光谱信号对激光作用待清洗样品10的过程进行红外热成像分析。高速相机12具有高帧频和可近红外成像的特性，能够在1S时间内获得数百帧高清图像，能够对激光清洗过程的动态过程进行分析，同时，利用高速相机12的近红外成像特性，能够对激光清洗熔池进行红外成像，熔池不同位置具有不同的温度特性，能够在高速相机12的成像元件表面形成温度梯度图像，从而获取熔池的横向结构信息。

从第二光学镜体11透射的光谱信号仍具有较完整的带宽(200 nm-1100nm，仅缺失了激光波长谱线，透射的光谱信号入射到第三光学镜体 14的反射面，且第三光学镜体14与第一光学镜体5和第二光学镜体11同轴设置且相互平行，同轴是指二者的光学中心在同一轴线上。第三光学镜体14 为反射镜，即可以是各种形式的反射镜，如全反反射镜、半透半反反射镜等等，但优选为全反反射镜。第三光学镜体14将入射的光谱信号反射给光谱采集镜头15，光谱采集镜头15为一片未镀膜的紫外熔融石英玻璃透镜，该类型透镜具有极宽的透射带宽和极小的吸收率(200nm-1100nm)，因此，常用于光谱采集系统中。光谱采集镜头15将入射的光谱信号聚焦到光谱仪16中，光谱仪16能够将复杂的光谱信号分解成若干个波长，并将分解的光信号成像在感光元件的表面，从而将光谱信号变为电信号用于分析激光清洗过程中的产物成分。

需要说明的是，上述的部件激光器1、准直镜头2、凹透镜3、凸透镜4、第一光学镜头5、X轴扫描振镜7、Y轴扫描振镜6、第一驱动器9、第二驱动器8、第二光学镜头11、成像透镜12、高速相机13、第二光学镜头14、光谱采集镜头15、光谱仪16均是现有技术中已有的部件，这里对其不再进行详细赘述。

实施例2

与实施例1不同之处在于：如图2所示，光谱分析组件置于X轴扫描振镜7的正上方，即光谱采集透镜15位于X轴扫描振镜7的正上方，光谱仪 16位于光谱采集透镜15的正上方。此时X轴扫描振镜7不仅在反射面镀有紫外增强铝膜，其能够对200nm-1100nm波段的光谱信号具有较高的反射率，而且X轴扫描振镜7为半透半反反射镜，在400nm-800nm波段具有半透半反特性，从而保证有一部分400nm-800nm光波信号能够透射，X轴扫描振镜 7入射到光谱采集透镜15的表面，继而被光谱采集透镜15聚焦到光谱仪16。此时，第二光学镜体11可以是全反反射镜，也可以仍然是半透半反反射镜，优选为全反反射镜。该类型结构相比于实施例1所示结构，减少了第三光学镜体14，因此，实现了更加紧凑的光路结构，降低了器件的使用数量，便于设备的装配和光学调试，其余部件的空间位置实施例1相同。

应当理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，但这些改进或变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成式激光清洗光电系统，其特征在于，包括用于发射清洗用的激光束的激光器(1)、用于在线监测激光清洗过程的在线监测组件、用于分析激光清洗过程的产物成分的光谱分析组件以及用于将所述激光器(1)的激光束导向入射至待清洗样品(10)的表面且同时将来自待清洗样品(10)的表面向外辐射的光谱信号导向入射至所述在线监测组件和所述光谱分析组件的光学组件。

2.根据权利要求1所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述光学组件包括用于将激光束反射至待清洗样品(10)的表面的可绕X轴摆动的X轴扫描振镜(7)、用于将激光束反射至所述X轴扫描振镜(7)的可绕Y轴摆动的Y轴扫描振镜(6)以及用于将激光束反射至所述Y轴扫描振镜(6)的第一光学镜体(5)，所述第一光学镜体(5)、Y轴扫描振镜(6)和X轴扫描振镜(7)沿着激光束的光路依次设置；所述X轴扫描振镜(7)通过第一驱动器(9)驱动摆动，所述Y轴扫描振镜(6)通过第二驱动器(8)驱动摆动。

3.根据权利要求2所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述第一光学镜体(5)的反射面镀有仅反射激光束且透射激光束以外的其它波长的光束的激光反射膜；所述X轴扫描振镜(7)的反射面和所述Y轴扫描振镜(6)的反射面分别镀有紫外增强铝膜。

4.根据权利要求3所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述光学组件还包括用于将来自待清洗样品(10)的表面的沿原路反射并通过所述第一光学镜体(5)透射的光谱信号反射至所述在线监测组件的第二光学镜体(11)，且所述第二光学镜体(11)与所述第一光学镜体(5)同轴设置。

5.根据权利要求4所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述第二光学镜体(11)是半透半反反射镜，且所述第二光学镜体(11)的透射率与反射率的比为50：50。

6.根据权利要求5所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述光学组件还包括用于将来自待清洗样品(10)的表面的沿原路反射并通过所述第一光学镜体(5)和第二光学镜体(11)透射的光谱信号反射至所述光谱分析组件的第三光学镜体(14)，所述第三光学镜体(14)与所述第二光学镜体(11)、第一光学镜体(5)同轴设置；所述第三光学镜体(14)为反射镜。

7.根据权利要求4所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述X轴扫描振镜(7)是半透半反反射镜，所述光谱分析组件设置在激光清洗时所述X轴扫描振镜(7)背离待清洗样品(10)的表面的一侧，所述光谱分析组件接收来自待清洗样品(10)的表面且通过所述X轴扫描振镜(7)透射的光谱信号。

8.根据权利要求2所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述激光器(1)与所述第一光学镜体(5)之间设置有准直扩束光学组件，所述准直扩束光学组件包括准直镜头(2)、凹透镜(3)和凸透镜(4)，所述准直镜头(2)、凹透镜(3)和凸透镜(4)沿着激光束的射出方向依次设置。

9.根据权利要求1所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述在线监测组件包括高速相机(13)以及用于使来自待清洗样品(10)的表面的且通过所述光学组件后的光谱信号聚焦至所述高速相机(13)的成像透镜(12)；所述光谱分析组件包括光谱仪(16)以及用于使待清洗样品(10)的表面的且通过所述光学组件后的光谱信号聚焦至所述光谱仪(16)的光谱采集镜头(15)。

10.根据权利要求9所述的集成式激光清洗光电系统，其特征在于，所述高速相机(13)是具有高帧频和近红外成像特性的相机；所述光谱采集镜头(15)是紫外熔融石英玻璃透镜。