一种单振镜全反射式位移调焦3D扫描光学系统的制作方法

本发明涉及激光振镜扫描技术领域，具体为一种单振镜全反射式位移调焦3D扫描光学系统。

背景技术：

激光加工技术涵盖了激光切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等多种激光加工工艺，利用了激光与物质相互作用的基本特性。由于激光束与加工材料的非接触性、加工速度与质量等优势，奠定了激光加工技术是一种无可替代的高新技术。

当前激光切割占了整个激光加工行业的主要地位，而随着激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、表面处理等加工工艺也将得到更广泛的扩展与提升，其中尤以高功率激光焊接能够更快普及，如在汽车、航空、船舶等多个行业的应用推广。

在激光工业加工应用中，常规的激光技术方案不足以满足各类加工需求，各类复杂图形的处理应用多有限制，靠着庞大的机床设备运作也十分不便，且加工精度与速度也亟待提高，振镜扫描方案便应运而生。

振镜扫描以高速著称，在mm量级乃至大范围的m量级内能够实现各类形状的快速扫描，且扫描精度与重复极高，主要用于激光打标、激光内雕、激光焊接、激光打孔行业等，随着激光功率的逐步提升，振镜扫描应用将得到更大程度的扩展，而作为振镜扫描的扫描镜片，虽镜片加工工艺更好，镀膜工业也越加成熟，因无法直接水冷仍将受到高功率特别是万瓦级以上功率激光应用的限制，再加上常规的双振镜扫描系统两片振镜都会因为镜片的光束偏转角而引起激光反射率的不小变化，而一定程度上限制了激光加工幅面。

在大功率激光加工问题上，能够直接水冷以及良好导热性的金属反射型镜片，在保证较小的通光孔径下，依旧能够承受极高的激光功率，这是难以替代的优势。而且，普通振镜扫描系统在激光加工即便是二维扫描加工过程中往往需要较多镜片组成，降低了光束能量利用率，而反射式光路则相对更好。

基于上述各点，本发明提出一种镜片数量少、能量利用率高的全反射式金属单振镜系统，其基于凸面离轴抛物镜，凹椭球面反射镜以及平面反射振镜组合，基于单振镜双轴旋转特性，基于扩束聚焦模块的位移调焦，基于金属材料的良好导热性，基于激光器种类镀不同的高反射率膜层，特别适用于千瓦、万瓦级高功率激光器的3D激光大幅扫描加工应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种单振镜全反射式位移调焦3D扫描光学系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单振镜全反射式位移调焦3D扫描光学系统,包括凸面离轴抛物镜、凹椭球面反射镜以及平面反射振镜,所述凸面离轴抛物镜与所述凹椭球面反射镜有相同的光束偏转角且中心法线平行，所述凸面离轴抛物镜焦点与所述凹椭球面反射镜前焦点重合，所述凸面离轴抛物镜、凹椭球面反射镜、平面反射振镜中心与光束中心重合。

优选的，所述凸面离轴抛物镜与所述凹椭球面反射镜均为圆柱状斜面反射镜。

优选的，所述凸面离轴抛物镜、凹椭球面反射镜以及平面反射振镜内部均设有冷却水通道。

优选的，所述凹椭球面反射镜前焦距较短，后焦距较长。

优选的，所述凸面离轴抛物镜镜片、凹椭球面反射镜镜片以及平面反射振镜镜片均为导热性良好的金属镜片。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明结构设计新颖，采用单振镜扫描方案，平面反射振镜具备双轴旋转，即既能绕反射镜面旋转，也能以入射光轴旋转。

(2)本发明中，在同样实现3D大幅扫描的同时优化振镜数量，双轴旋转中绕入射光轴旋转不影响激光反射率，改善了光束偏转角所引起的激光反射率变化。

(3)本发明采用全反射式金属光学镜片，可直接水冷，具有良好导热特性，大幅提高镜片承受功率。

(4)本发明的凹椭球面反射镜有前后两种焦距，凸面离轴抛物镜焦距与凹椭球面反射镜前焦距配合实现对入射光束扩束，凹椭球面反射镜后焦距对扩束光束进行聚焦。

(5)本发明通过平面反射振镜双轴旋转，凸面离轴抛物镜与凹椭球面反射镜组成的扩束聚焦模块沿入射光轴移动进行焦距补偿，可以实现3D大幅面激光扫描应用。

附图说明

图1为本发明的整体工作原理图；

图2为本发明的平面反射振镜结构示意图；

图3为本发明的实施例1结构示意图；

图4为本发明的实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种单振镜全反射式位移调焦3D扫描光学系统,包括凸面离轴抛物镜1、凹椭球面反射镜2以及平面反射振镜3,所述凸面离轴抛物镜1与所述凹椭球面反射镜2有相同的光束偏转角且中心法线平行，所述凸面离轴抛物镜1焦点与所述凹椭球面反射镜2前焦点重合，所述凸面离轴抛物镜1、凹椭球面反射镜2、平面反射振镜3中心与光束中心重合。

本发明中，在保证通光孔径利用率基础上，为了降低镜片重量，并便于安装与识别镜片方向性，凸面离轴抛物镜1与凹椭球面反射镜2均为圆柱状斜面反射镜。

本发明中，凸面离轴抛物镜1用作扩束镜，凹椭球面反射镜2用作扩束镜与聚焦镜。

本发明中，凸面离轴抛物镜1，凹椭球面反射镜2以及平面反射振镜3内部均设有冷却水通道，用于直接水冷，提高镜片承受激光功率。

本发明中，凹椭球面反射镜2有前后两种焦距，前焦距较短，后焦距较长，凸面离轴抛物镜1焦距与凹椭球面反射镜2前焦距配合实现对入射光束扩束，凹椭球面反射镜2后焦距对扩束光束进行聚焦。

本发明中，平面反射振镜3具备双轴旋转方式，即既能绕反射镜面中心轴7旋转，也能以入射光轴8旋转。

工作原理：在平行光束水平入射到凸面离轴抛物镜1后，光束发散并以一定光束偏转角反射到凹椭球面反射镜2，并经过凹椭球面反射镜2中心，凹椭球面反射镜2前焦距与凸面离轴抛物镜1焦距绝对比值，为激光束的放大倍数，其目的在于长聚焦情况下，缩小聚焦光斑直径，提高聚焦光斑功率密度。凹椭球面反射镜2的后焦距较长，为m量级，经由凹椭球面反射镜2前焦距与凸面离轴抛物镜1扩束后的光束经过凹椭球面反射镜2后焦距聚焦，聚焦光束再由平面反射振镜3反射，当平面反射振镜3绕镜中心面轴7、入射光轴8按照一定的关系旋转时，在平面反射振镜3下方任意面上将产生二维的扫描图形，此时通过凸面离轴抛物镜1焦距与凹椭球面反射镜2所组合的扩束聚焦模块沿着入射光轴水平移动来补偿焦距，即可实现3D扫描激光加工。

实施例1：

本实施例是针对光纤输出类激光器，光纤激光输出后，经过离轴抛物镜4准直，其中，光纤出光点位置与离轴抛物镜4焦点重合，准直光束经过凸面离轴抛物镜1和凹椭球面反射镜2扩束聚焦后，再经过双轴旋转的平面反射振镜3，实现3D空间扫描，此时通过凸面离轴抛物镜1焦距与凹椭球面反射镜2所组合的扩束聚焦模块沿着入射光轴水平移动来获得任意3D位置上的焦点补偿。

实施例2：

本实施例是针对自由输出平行光束，平面反射镜5与平面反射镜6组成光束同轴调节模块，在平行光束入射下，依次经过平面反射镜5与平面反射镜6，由于入射过程中可能产生角度偏差与位置偏差，所以需要平面反射镜5与平面反射镜6组成的光束同轴调节系统对光束同轴进行调节，再经过凸面离轴抛物镜1和凹椭球面反射镜2扩束聚焦，最后经过双轴旋转的平面反射振镜3，实现3D空间扫描，此时通过凸面离轴抛物镜1焦距与凹椭球面反射镜2所组合的扩束聚焦模块沿着入射光轴水平移动来获得任意3D位置上的焦点补偿。

本发明结构设计新颖，采用单振镜扫描方案，在同样实现3D大幅扫描的同时优化振镜数量，双轴旋转中绕入射光轴旋转不影响激光反射率，改善了光束偏转角所引起的激光反射率变化，全反射式金属光学镜片，可直接水冷，具有良好导热特性，大幅提高镜片承受功率，同时较长的聚焦焦距，通过扩束聚焦模块的位移补偿，根据激光器的种类有不同的镀膜，尤其适用于千瓦、万瓦级高功率激光器的3D激光大幅扫描加工应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。