专利名称：一种用于石质文物的便携式激光清洗机的制作方法
技术领域：
本发明属于激光清洗设备技术领域，具体涉及一种用于石质文物的便携式激光清洗机。
背景技术：
在文物保护领域中，石材是一种最古老的建筑材料和艺术雕刻材料，中华民族数千年文明为我们留下了许多令世人瞩目的石质文物古迹。但是，大多数的石质文物多处于露天或半露天保存，由于自然风化、人为活动、生物侵蚀、环境污染，使其表面出现不同程度的污染物附集、变色、硬质结垢、烟熏、有害盐类聚集、微生物侵蚀等文物表面病害。这些表层覆盖物对石质文物不仅造成视觉上的污染，而且其中的有害成分严重威胁着文物本体的保存，造成文物损毁，同时影响进一步保护措施的实施及实施效果。所以说石质文物表面有害污物清除技术是石质文物保护最基本技术，也是至关石质文物保护成功与否的关键技术点。对于石质文物的清洗，所使用的清洗方法不仅要清除文物表面污染物，最重要的是要保证在清洗过程中文物表面不发生损伤。目前石质文物表面污染物清除技术有化学清洗、蒸汽喷射清洗、粒子喷射清洗、激光清洗等。在各种清洗技术中，化学清洗的问题是难以判别残留物对文物的远期影响，另外易造成环境污染。蒸汽喷射清洗技术的问题在于，用于表面已劣化的石质文物时，会因为蒸汽的高温造成岩石内外热胀不均，从而导致应力破坏。 粒子喷射清洗技术会严重磨损石质文物的表层，特别是一些棱角部位。而激光清洗技术，其原理是利用高功率密度的激光束辐照待清洗物表面，使表面的污染物发生瞬间的碎裂、蒸发或剥离，脱离物体表面，其特点是清洗效果好、非接触式、不污染环境、无残留、安全可靠、 节水、可精确控制、适用面广、运行成本低，特别对于表面精细的石雕石刻类文物，其优势是许多传统清洗工艺无法比拟的。名称为“便携式激光清洗系统”的中国专利(专利授权号为CN100374237C)文献中介绍了一种便携式激光清洗系统，该系统主要用于道路、广告牌等表面的清洗，不是针对于石质文物的激光清洗设备，且在清洗石质文物过程中，易造成文物损伤。
发明内容
为了克服现有的激光清洗装置难以清洗石质文物的不足，本发明提供一种用于石质文物的便携式激光清洗机。为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下
本发明的一种用于石质文物的便携式激光清洗机，特点是，所述的清洗机含有激光器、 集成在激光器上的激光能量监测系统和可见光指示系统、用于传导激光的导光臂、工作头。 其中，所述的激光能量监测系统包括能量探头、能量表头、反射镜I和反射镜II ；所述的可见光指示系统包括可见指示光源和半透半反镜I ；所述的导光臂由多片反射镜组成；所述的工作头包括出光口、控制开关、实时在线监测系统和用于调节激光光斑尺寸的透镜I ；所述的实时在线监测系统包括CXD图像传感器、监视器、透镜II和半透半反镜II。其连接关系是，激光器中依次放置有反射镜I、反射镜II、半透半反镜I，还放置有能量探头、可见指示光源，置于激光器外部的能量表头与激光器中的能量探头连接。用于传导激光的导光臂的一端与激光器中的半透半反镜I相连，导光臂的另一端与工作头相连。工作头中放置有透镜I、半透半反镜II、出光口、透镜II、(XD图像传感器，监视器置于工作头外部，与CXD图像传感器连接；在工作头中设置有用于控制激光出射和关闭的控制开关，控制开关与激光器相连接。所述清洗机的工作原理为，激光在激光器内部先依次经过激光能量监测系统的反射镜I和反射镜II，再经过可见光指示系统的半透半反镜I，然后从激光器输出。激光从激光器输出后，通过导光臂，将激光传导至与导光臂相连的工作头。激光进入工作头后，经过用于调节光斑尺寸的透镜I，再经过实时在线监测系统的半透半反镜II，最后从工作头的出光口出射，辐照在待清洗物表面。待清洗物表面漫反射的光可透过实时在线监测系统的半透半反镜II，透镜II在半透半反镜II后，将待清洗物表面的像成像在CXD图像传感器上， 显示待清洗物表面的形貌。本发明的用于石质文物的便携式激光清洗机中，所述的激光器，其工作部件含有光学谐振腔、电源、水箱、激光能量调节部件，激光器的选择取决于需要清洗的对象，可选择单波长或者三波长可调的Nd: YAG类固体脉冲激光器，也可选择连续型的激光器。所述激光能量监测系统包括能量探头、能量表头、反射镜I和反射镜II，反射镜I 对激光的反射率为90% 98%，反射镜II对激光的反射率大于99%。反射镜I的一侧用于反射激光，能量探头放置在反射镜I的另一侧，监测透过反射镜I的激光能量，能量表头放在激光器外部。透过反射镜I的激光能量与辐照在待清洗物表面的激光成一定的比例，可通过监测透过反射镜I的激光能量换算得到待清洗物表面的激光的能量，从而实时的监测激光能量。反射镜II用于传导激光，将激光传导至所需的位置。所述可见光指示系统包括可见指示光源和半透半反镜I，可见指示光源为低功率的可见波段的激光光源，半透半反镜I对激光的透过率大于99%，并对可见指示光的反射率大于70%。半透半反镜I使激光透过，同时将可见指示光反射进光路，在此处调节半透半反镜I，使可见指示光与激光共轴，因而可见指示光可快速指示激光位置。所述的用于传导激光的导光臂，由多片反射镜组成，用于传导激光及可见指示光， 可自由全角度旋转，不影响光束质量。所述的实时在线监测系统包括CXD图像传感器、监视器、透镜II和半透半反镜II， 透镜II对可见光的透过率大于80%，半透半反镜II对激光的反射率大于99%，并对可见光的透过率大于80%。待清洗物表面的漫反射的光可透过半透半反镜II，透镜II在半透半反镜II 之后，将待清洗物的像成像在C⑶图像传感器上，监视器与CXD图像传感器连接，显示CXD 图像传感器上接收的待清洗物的像，从而实时在线监测待清洗物表面形貌。所述的用于调节激光光斑尺寸的透镜I，对激光的透过率大于99%。透镜具有对光束扩散和会聚的作用，在此处用于调节激光光斑尺寸。本发明的用于石质文物的便携式激光清洗机具有实时在线监测文物表面形貌、激光能量监测、可见光指示和激光光斑尺寸可调的功能。能够实时在线的观察待清洗物表面形貌，同时监测激光能量，通过判断待清洗物表面形貌和激光能量大小，当有需要时立即停止激光辐照，可有效避免文物损伤发生。可见指示光精确指示激光，便于观察激光位置。可根据需要调节待清洗物表面的光斑尺寸，使清洗过程更易控制。上述功能配合使用能有效避免石质文物在清洗过程中发生损伤，并且这些功能都集成在激光清洗机上，在生产过程中，各功能就已调节标定完毕，使用过程中无需再调节，使用携带方便，非光学专业的技术人员都可操作使用。
图1为本发明用于石质文物的便携式激光清洗机的结构框图。图中，1.激光器 2.反射镜I 3.反射镜II 4.能量探头 5.能量表头 6.半透半反镜I7.可见指示光源 8.导光臂 9..透镜I 10.控制开关 11.半透半反镜II 12.透镜II 13. C⑶图像传感器 14.监视器 15.出光口 16.待清洗物。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行具体的说明。图1为本发明的用于石质文物的便携式激光清洗机的结构框图，图1中，本发明的一种用于石质文物的便携式激光清洗机含有激光器1、集成在激光器1上的激光能量监测系统和可见光指示系统、用于传导激光的导光臂8、工作头。其中，所述的激光能量监测系统包括能量探头4、能量表头5、反射镜I 2和反射镜II 3 ；所述的可见光指示系统包括可见指示光源7和半透半反镜I 6 ；所述的导光臂8由多片反射镜组成；所述的工作头包括出光口 15、控制开关10、实时在线监测系统和用于调节激光光斑尺寸的透镜I 9 ；所述的实时在线监测系统包括CXD图像传感器13、监视器14、透镜II 12和半透半反镜II 11。其连接关系是，激光器1中的反射镜I 2、反射镜II 3、半透半反镜I 6在光路中依次放置，能量探头4 放置在反射镜I 2的一侧，置于激光器外部的能量表头5与激光器1中的能量探头4连接； 用于传导激光的导光臂8的一端与激光器1中的半透半反镜I 6相连，导光臂8的另一端与工作头相连；工作头中的透镜I 9、半透半反镜II 11、出光口 15在光路中依次放置；放置在半透半反镜II 11 一侧的透镜II 12与CXD图像传感器13在光路中连接；监视器14置于工作头外部，与CCD图像传感器13连接；在工作头中设置有用于控制激光出射和关闭的控制开关10，控制开关10与激光器1相连接；
所述清洗机的工作原理为，激光在激光器内部先依次经过激光能量监测系统的反射镜 I 2和反射镜II 3，再经过可见光指示系统的半透半反镜I 6，然后从激光器1输出；激光从激光器输出后，通过导光臂8，将激光传导至与导光臂相连的工作头；激光进入工作头后， 经过用于调节光斑尺寸的透镜I 9，再经过实时在线监测系统的半透半反镜II 11，最后从工作头的出光口 15出射，辐照在待清洗物16表面；待清洗物16表面漫反射的光可透过实时在线监测系统的半透半反镜II 11，透镜II 12在半透半反镜II 11后，将待清洗物16表面的像成像在CXD图像传感器13上，显示待清洗物16表面的形貌。本发明的用于石质文物的便携式激光清洗机中，所述的激光器，其工作部件含有光学谐振腔、电源、水箱、激光能量调节部件，激光器的选择取决于需要清洗的对象，可选择单波长或者三波长可调的Nd: YAG类固体脉冲激光器，也可选择连续型的激光器。
所述激光能量监测系统包括能量探头4、能量表头5、反射镜I 2和反射镜II 3，反射镜I 2对激光的反射率为90% 98%，反射镜II 3对激光的反射率大于99%。反射镜I 2 的一侧用于反射激光，能量探头放置在反射镜I 2的另一侧，监测透过反射镜I 2的激光能量，能量表头放在激光器外部。透过反射镜I 2的激光能量与辐照在待清洗物表面的激光成一定的比例，可通过监测透过反射镜I 2的激光能量换算得到待清洗物表面的激光的能量，从而实时的监测激光能量。反射镜II用于传导激光，将激光传导至所需的位置，可根据实际需要，增减反射镜。所述可见光指示系统包括可见指示光源7和半透半反镜I 6，可见指示光源7为低功率的可见波段的激光光源，半透半反镜I 6对激光的透过率大于99%，并对可见指示光的反射率大于70%。半透半反镜I 6使激光透过，同时将可见指示光反射进光路，在此处调节半透半反镜I 6，使可见指示光与激光共轴，因而可见指示光可快速指示激光位置。所述的用于传导激光的导光臂8，由多片反射镜组成，用于传导激光及可见指示光，可自由全角度旋转，不影响光束质量。所述的实时在线监测系统包括CXD图像传感器13、监视器14、透镜II 12和半透半反镜II 11，透镜II 12对可见光的透过率大于80%，半透半反镜II 11对激光的反射率大于99%，并对可见光的透过率大于80%。待清洗物16表面的漫反射的光可透过半透半反镜 II 11，透镜II 12在半透半反镜II 11之后，将待清洗物16的像成像在C⑶图像传感器13 上，监视器14与CXD图像传感器13连接，显示CXD图像传感器13上接收的待清洗物16的像，从而实时在线监测待清洗物表面形貌。所述的用于调节激光光斑尺寸的透镜I 9，对激光的透过率大于99%。其作用是调节待清洗物16表面的光斑尺寸，可通过两种方式来调节，一是将透镜I 9做成可抽插切换的模块，通过更换不同焦距的透镜来调节光斑尺寸；二是将透镜I 9做成可随光路前后移动的模块，通过移动透镜的位置来改变待清洗物16到透镜I 9的距离，从而实现待清洗物表面上光斑尺寸可调。所述的控制开关10与激光器1连接，用于控制激光的出射，操作人员手持工作头， 当需要激光辐照时，打开开关，放出激光，关闭开关，即可停止激光出射。本发明的操作流程是确定工作头上的开关10关闭后，启动激光器1，打开能量表头5、可见指示光源7、(XD图像传感器13和监视器14的电源。操作人员手持工作头，将工作头的出光口 15面对待清洗物16，此时可在待清洗物表面看见可见指示光的光斑，由于激光与指示光共轴，因此指示光所指示的位置即为激光的位置。移动工作头，将可见指示光对准所需清洗的位置，前后移动工作头，使监视器上待清洗物16表面的图像清晰，此时即可观察到待清洗物16表面在激光辐照前的形貌。调节激光器的激光能量至所需激光能量，打开工作头上的开关10，激光出射，辐照在待清洗物16上。辐照后，关闭开关10停止辐照，通过监视器14观察待清洗物16表面在激光辐照后的形貌，同时通过能量表头5的示数换算激光能量。判断待清洗物表面形貌和激光能量大小，当有需要时停止激光辐照，可有效避免损伤的发生，并可以更好的判断激光清洗效果。在激光辐照过程中，根据需要调节待清洗物 16表面的激光光斑尺寸。实时在线监测系统中的透镜II，可根据需要更换为不同焦距的透镜或者显微镜镜头。通过改变光学参数，可将待清洗物表面的像放大不同的倍数显示在监视器上。
监视器14可更换为电脑，安装图像采集软件，即可将待清洗物表面形貌拍照记录下来。本发明在进行清洗工作时，还可配置辅助气体吹扫和吸尘装置，提高清洗效率减少环境污染。对于文物清洗，安全为第一要素，因此一般情况下首选单点清洗，以确保安全。当需要扫描清洗时，可将本发明的工作头固定在电动平移台上，通过控制电动平移台进行扫描清洗，以提高清洗效率。
权利要求
1.一种用于石质文物的便携式激光清洗机，其特征在于，所述的清洗机含有激光器 (1)、集成在激光器(1)上的激光能量监测系统和可见光指示系统、用于传导激光的导光臂(8)、工作头；其中，所述的激光能量监测系统包括能量探头0)、能量表头(5)、反射镜I ( 和反射镜II (3)；所述的可见光指示系统包括可见指示光源(7)和半透半反镜 I (6)；所述的导光臂(8)由多片反射镜组成；所述的工作头包括出光口(15)、控制开关 (10)、实时在线监测系统和用于调节激光光斑尺寸的透镜I (9)；所述的实时在线监测系统包括C⑶图像传感器(13)、监视器(14)、透镜II (12)和半透半反镜II (11)；其连接关系是，激光器(1)中依次放置有反射镜I O)、反射镜II (3)、半透半反镜I (6)，还放置有能量探头G)、可见指示光源(7)，置于激光器(1)外部的能量表头(5)与激光器(1)中的能量探头(4)连接；用于传导激光的导光臂(8)的一端与激光器(1)中的半透半反镜I (6)相连， 导光臂(8)的另一端与工作头相连；工作头中放置有透镜I (9)、半透半反镜II (11)、出光口(15)、透镜II (12)、CCD图像传感器(13)，监视器(14)置于工作头外部，与CCD图像传感器(13)连接；在工作头中设置有用于控制激光出射和关闭的控制开关(10)，控制开关(10) 与激光器(1)相连接。
2.根据权利要求1所述的用于石质文物的便携式激光清洗机，其特征在于，所述的激光能量监测系统中，反射镜I (2)采用对激光的反射率为90% 98%的反射镜；所述的反射镜II (3)采用对激光的反射率大于99%的反射镜。
3.根据权利要求1所述的用于石质文物的便携式激光清洗机，其特征在于，所述的可见光指示系统中，半透半反镜I (6)采用对激光的透过率大于99%，并对可见指示光的反射率大于70%的半透半反镜。
4.根据权利要求1所述的用于石质文物的便携式激光清洗机，其特征在于，所述的实时在线监测系统中，透镜II (12)采用对可见光的透过率大于80%的透镜；所述的半透半反镜II (11)采用对激光的反射率大于99%，并对可见光的透过率大于80%的半透半反镜。
5.根据权利要求1所述的用于石质文物的便携式激光清洗机，其特征在于，所述的透镜I (9)采用对激光的透过率大于99%的透镜。
全文摘要
本发明公开了一种用于石质文物的便携式激光清洗机，可对石质文物表面污染物进行有效的清除，并有效避免清洗过程中发生损伤。本发明包括激光器、集成在激光器上的激光能量监测系统和可见光指示系统、用于传导激光的导光臂和工作头。本发明具有实时在线监测文物表面形貌、激光能量监测、可见光指示和激光光斑尺寸可调的功能。通过判断待清洗物表面形貌和激光能量大小，当有需要时立即停止激光辐照，可有效避免文物损伤发生。可见指示光精确指示激光，便于观察激光位置。可根据需要调节待清洗表面的光斑尺寸，使清洗过程更易控制。本发明的激光清洗机适用于石质文物清洗，携带方便，易于使用。
文档编号B08B7/00GK102327885SQ20111034354
公开日2012年1月25日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者叶亚云, 栾晓雨, 王洪彬, 王海军, 秦朗, 程晓锋, 苗心向, 袁晓东, 贺少勃, 贺群, 赵龙彪, 马志强, 齐扬 申请人:中国工程物理研究院激光聚变研究中心