本實用新型涉及激光振鏡掃描技術領域,具體為一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統。
背景技術:
激光加工技術涵蓋了激光切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等多種激光加工工藝,利用了激光與物質相互作用的基本特性。由于激光束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優(yōu)勢,奠定了激光加工技術是一種無可替代的高新技術。
當前激光切割占了整個激光加工行業(yè)的主要地位,而隨著激光功率的提高,高功率激光焊接、熔覆、表面處理等加工工藝也將得到更廣泛的擴展與提升,其中尤以高功率激光焊接能夠更快普及,如在汽車、航空、船舶等多個行業(yè)的應用推廣。
在激光工業(yè)加工應用中,常規(guī)的激光技術方案不足以滿足各類加工需求,各類復雜圖形的處理應用多有限制,靠著龐大的機床設備運作也十分不便,且加工精度與速度也亟待提高,振鏡掃描方案便應運而生。
振鏡掃描以高速著稱,在mm量級乃至大范圍的m量級內能夠實現各類形狀的快速掃描,且掃描精度與重復極高,主要用于激光打標、激光內雕、激光焊接、激光打孔行業(yè)等,隨著激光功率的逐步提升,振鏡掃描應用將得到更大程度的擴展,而作為振鏡掃描的掃描鏡片,雖鏡片加工工藝更好,鍍膜工業(yè)也越加成熟,因無法直接水冷仍將受到高功率特別是萬瓦級以上功率激光應用的限制,再加上常規(guī)的雙振鏡掃描系統兩片振鏡都會因為鏡片的光束偏轉角而引起激光反射率的不小變化,而一定程度上限制了激光加工幅面。
在大功率激光加工問題上,能夠直接水冷以及良好導熱性的金屬反射型鏡片,在保證較小的通光孔徑下,依舊能夠承受極高的激光功率,這是難以替代的優(yōu)勢。而且,普通振鏡掃描系統在激光加工即便是二維掃描加工過程中往往需要較多鏡片組成,降低了光束能量利用率,而反射式光路則相對更好。
基于上述各點,本實用新型提出一種鏡片數量少、能量利用率高的全反射式金屬單振鏡系統,其基于凸面離軸拋物鏡,凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡組合,基于單振鏡雙軸旋轉特性,基于擴束聚焦模塊的位移調焦,基于金屬材料的良好導熱性,基于激光器種類鍍不同的高反射率膜層,特別適用于千瓦、萬瓦級高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應用。
技術實現要素:
本實用新型的目的在于提供一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統,以解決上述背景技術中提出的問題。
為實現上述目的,本實用新型提供如下技術方案:一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統,包括凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡,所述凸面離軸拋物鏡與所述凹橢球面反射鏡有相同的光束偏轉角且中心法線平行,所述凸面離軸拋物鏡焦點與所述凹橢球面反射鏡前焦點重合,所述凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡、平面反射振鏡中心與光束中心重合。
優(yōu)選的,所述凸面離軸拋物鏡與所述凹橢球面反射鏡均為圓柱狀斜面反射鏡。
優(yōu)選的,所述凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡內部均設有冷卻水通道。
優(yōu)選的,所述凹橢球面反射鏡前焦距較短,后焦距較長。
優(yōu)選的,所述凸面離軸拋物鏡鏡片、凹橢球面反射鏡鏡片以及平面反射振鏡鏡片均為導熱性良好的金屬鏡片。
與現有技術相比,本實用新型的有益效果是:
(1)本實用新型結構設計新穎,采用單振鏡掃描方案,平面反射振鏡具備雙軸旋轉,即既能繞反射鏡面旋轉,也能以入射光軸旋轉。
(2)本實用新型中,在同樣實現3D大幅掃描的同時優(yōu)化振鏡數量,雙軸旋轉中繞入射光軸旋轉不影響激光反射率,改善了光束偏轉角所引起的激光反射率變化。
(3)本實用新型采用全反射式金屬光學鏡片,可直接水冷,具有良好導熱特性,大幅提高鏡片承受功率。
(4)本實用新型的凹橢球面反射鏡有前后兩種焦距,凸面離軸拋物鏡焦距與凹橢球面反射鏡前焦距配合實現對入射光束擴束,凹橢球面反射鏡后焦距對擴束光束進行聚焦。
(5)本實用新型通過平面反射振鏡雙軸旋轉,凸面離軸拋物鏡與凹橢球面反射鏡組成的擴束聚焦模塊沿入射光軸移動進行焦距補償,可以實現3D大幅面激光掃描應用。
附圖說明
圖1為本實用新型的整體工作原理圖;
圖2為本實用新型的平面反射振鏡結構示意圖;
圖3為本實用新型的實施例1結構示意圖;
圖4為本實用新型的實施例2結構示意圖。
具體實施方式
下面將結合本實用新型實施例中的附圖,對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例?;诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?,本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。
請參閱圖1-4,本實用新型提供一種技術方案:一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統,包括凸面離軸拋物鏡1、凹橢球面反射鏡2以及平面反射振鏡3,所述凸面離軸拋物鏡1與所述凹橢球面反射鏡2有相同的光束偏轉角且中心法線平行,所述凸面離軸拋物鏡1焦點與所述凹橢球面反射鏡2前焦點重合,所述凸面離軸拋物鏡1、凹橢球面反射鏡2、平面反射振鏡3中心與光束中心重合。
本實用新型中,在保證通光孔徑利用率基礎上,為了降低鏡片重量,并便于安裝與識別鏡片方向性,凸面離軸拋物鏡1與凹橢球面反射鏡2均為圓柱狀斜面反射鏡。
本實用新型中,凸面離軸拋物鏡1用作擴束鏡,凹橢球面反射鏡2用作擴束鏡與聚焦鏡。
本實用新型中,凸面離軸拋物鏡1,凹橢球面反射鏡2以及平面反射振鏡3內部均設有冷卻水通道,用于直接水冷,提高鏡片承受激光功率。
本實用新型中,凹橢球面反射鏡2有前后兩種焦距,前焦距較短,后焦距較長,凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2前焦距配合實現對入射光束擴束,凹橢球面反射鏡2后焦距對擴束光束進行聚焦。
本實用新型中,平面反射振鏡3具備雙軸旋轉方式,即既能繞反射鏡面中心軸7旋轉,也能以入射光軸8旋轉。
工作原理:在平行光束水平入射到凸面離軸拋物鏡1后,光束發(fā)散并以一定光束偏轉角反射到凹橢球面反射鏡2,并經過凹橢球面反射鏡2中心,凹橢球面反射鏡2前焦距與凸面離軸拋物鏡1焦距絕對比值,為激光束的放大倍數,其目的在于長聚焦情況下,縮小聚焦光斑直徑,提高聚焦光斑功率密度。凹橢球面反射鏡2的后焦距較長,為m量級,經由凹橢球面反射鏡2前焦距與凸面離軸拋物鏡1擴束后的光束經過凹橢球面反射鏡2后焦距聚焦,聚焦光束再由平面反射振鏡3反射,當平面反射振鏡3繞鏡中心面軸7、入射光軸8按照一定的關系旋轉時,在平面反射振鏡3下方任意面上將產生二維的掃描圖形,此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來補償焦距,即可實現3D掃描激光加工。
實施例1:
本實施例是針對光纖輸出類激光器,光纖激光輸出后,經過離軸拋物鏡4準直,其中,光纖出光點位置與離軸拋物鏡4焦點重合,準直光束經過凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴束聚焦后,再經過雙軸旋轉的平面反射振鏡3,實現3D空間掃描,此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來獲得任意3D位置上的焦點補償。
實施例2:
本實施例是針對自由輸出平行光束,平面反射鏡5與平面反射鏡6組成光束同軸調節(jié)模塊,在平行光束入射下,依次經過平面反射鏡5與平面反射鏡6,由于入射過程中可能產生角度偏差與位置偏差,所以需要平面反射鏡5與平面反射鏡6組成的光束同軸調節(jié)系統對光束同軸進行調節(jié),再經過凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴束聚焦,最后經過雙軸旋轉的平面反射振鏡3,實現3D空間掃描,此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來獲得任意3D位置上的焦點補償。
本實用新型結構設計新穎,采用單振鏡掃描方案,在同樣實現3D大幅掃描的同時優(yōu)化振鏡數量,雙軸旋轉中繞入射光軸旋轉不影響激光反射率,改善了光束偏轉角所引起的激光反射率變化,全反射式金屬光學鏡片,可直接水冷,具有良好導熱特性,大幅提高鏡片承受功率,同時較長的聚焦焦距,通過擴束聚焦模塊的位移補償,根據激光器的種類有不同的鍍膜,尤其適用于千瓦、萬瓦級高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應用。
盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例,對于本領域的普通技術人員而言,可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型,本實用新型的范圍由所附權利要求及其等同物限定。