一种基于单振镜与自适应镜3D扫描光学系统的制作方法

本实用新型涉及激光振镜扫描技术领域，具体为一种基于单振镜与自适应镜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，且扫描精度与重复精度极高，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，另外传统的3D振镜扫描依靠位移调焦模组，增加了光路复杂度，同时聚焦光斑大小往往有异，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。

自适应镜，作为一种曲面可变的特殊光学反射镜片，意在取代当前的位移调焦模组。常规的自适应镜，其曲面类型涵盖球面与非球面，球面自适应镜用于光束偏转角较小光路中，而非球面自适应镜则常用于光束偏转角较大的光路中。当下的自适应镜，依靠镜片背面的单气流通道中充入气压，与镜面外气压形成压差，通过压差的改变，来改变自适应镜的曲面焦距，自适应镜压差与焦距往往存在线性关系，加上金属直接水冷结构，奠定了自适应镜无可替代的优势。

基于上述各点，本实用新型提出一种基于单振镜与自适应镜3D扫描光学系统，光路包括第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜以及平面反射振镜，基于自适应镜的可调变焦特性，基于单振镜双轴旋转特性，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：

本实用新型的目的在于提供一种基于单振镜与自适应镜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，本实用新型提供如下技术方案：一种基于单振镜与自适应镜3D扫描光学系统,包括第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜以及平面反射振镜，所述第一自适应镜与第二自适应镜有相同的光束偏转角且中心法线平行，组成连续变倍扩束模块；所述第三自适应镜置于长焦离轴抛物镜之前，光束依次经过第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜以及平面反射振镜，所述第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜以及平面反射振镜镜片中心与光束中心重合。

优选的，所述第一自适应镜、第二自适应镜以及第三自适应镜均为椭圆柱状反射镜。

优选的，所述第一自适应镜、第二自适应镜以及第三自适应镜反射镜面均为凹凸可变曲面。

优选的，所述第一自适应镜、第二自适应镜以及第三自适应镜反射镜安装面具有单气流通道。

优选的，所述长焦离轴抛物镜为圆柱状斜反射镜，聚焦焦距长。

优选的，所述第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜以及平面反射振镜带水冷通道。

优选的，所述第一自适应镜、第二自适应镜、第三自适应镜、长焦离轴抛物镜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，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型结构设计新颖，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)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)本实用新型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)本实用新型的第一自适应镜与第二自适应镜组合组成连续变倍扩束模块，对平行入射光束进行连续可调的扩束或缩束，目的在于不改变聚焦焦点位置的同时，改变聚焦光斑直径。

(5)本实用新型第三扩束镜与离轴抛物镜构成聚焦调焦模块，对变倍扩束模块后的扩束光斑进行聚焦并实现大幅调焦。

(6)本实用新型引入了自适应镜变倍扩束模块与聚焦调焦模块，在保证镜片安装固定不动的前提下，既能够单独控制聚焦光斑大小，又能够保证聚焦光束大幅调焦，通过平面反射振镜双轴旋转配合，可以实现3D大幅面激光扫描应用。

附图说明

图1为本实用新型的整体工作原理图；

图2为本实用新型的平面反射振镜结构示意图；

图3为本实用新型的实施例1结构示意图；

图4为本实用新型的实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-4，本实用新型提供一种技术方案：一种基于单振镜与自适应镜3D扫描光学系统，包括第一自适应镜1、第二自适应镜2、第三自适应镜3、长焦离轴抛物镜4以及平面反射振镜5，所述第一自适应镜1与第二自适应镜2有相同的光束偏转角且中心法线平行，组成连续变倍扩束模块；根据光路传输方向，所述第三自适应镜3置于长焦离轴抛物镜4之前，光束依次经过第一自适应镜1、第二自适应镜2、第三自适应镜3、长焦离轴抛物镜4以及平面反射振镜5，第一自适应镜1、第二自适应镜2、第三自适应镜3、长焦离轴抛物镜4以及平面反射振镜5镜片中心与光束中心重合。

本实用新型中，在考虑通光孔径最优化以及曲面变形精度情况下，第一自适应镜1、第二自适应镜2以及第三自适应镜3均为椭圆柱状反射镜，椭圆柱长短轴比值取决于自适应镜光束偏转角。

本实用新型中，第一自适应镜1、第二自适应镜2以及第三自适应镜3反射镜具有单气流通道，反射镜面均为凹凸可变曲面，通过单气流通道中充入气压压差的改变，来改变第一自适应镜1、第二自适应镜2以及第三自适应镜3的曲面焦距。

本实用新型中，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，长焦离轴抛物镜4为圆柱状斜面反射镜，焦距较长。

本实用新型中，第一自适应镜1、第二自适应镜2、第三自适应镜3、长焦离轴抛物镜4以及平面反射振镜5为具有良好导热性的金属材料，带水冷通道，便于直接水冷，大幅提高镜面激光功率损伤阈值。

本实用新型中，第一自适应镜1与第二自适应镜2构成连续变倍扩束模块，第三自适应镜3与长焦离轴抛物镜4构成聚焦调焦模块。

本实用新型中，平面反射振镜5具备双轴旋转方式，即既能绕反射镜面中心轴9旋转，也能以入射光轴10旋转。

工作原理：平行光束水平入射到第一自适应镜1，通过调节第一自适应镜1的气压压差，改变入射光束发散收缩特性，反射光束经过第二自适应镜2，同时按照一定算法关系控制调节第二自适应镜2的气压压差，使得发散或收缩的光束反射后为平行光束。这其中，第一自适应镜1与第二自适应镜2构成连续变倍扩束模块，对平行入射光束实现了扩束或缩束，使得聚焦光斑直径发生变化，并同时不影响聚焦焦点位置。经过扩束或缩束后的平行光束，再水平入射到第三自适应镜3镜面，同样基于自适应镜特性对激光束发散收缩性进行处理，对应的反射光束入射到长焦离轴抛物镜4，以实现光束聚焦，聚焦焦点位置依赖于第三自适应镜3与长焦离轴抛物镜4的参数配合，这样可实现聚焦光束焦点位置的大幅变化。聚焦光束入射到平面反射振镜5上，通过平面反射振镜5镜面中心轴9与入射光轴10配合旋转，在平面反射振镜5下方可获得任意水平面上的扫描图形，加上连续变倍扩束模块以及聚焦调焦模块之间的相互配合，既能满足聚焦焦点位置的补偿，又能保证平面反射振镜5下方同一水平面上聚焦光斑一致性，再基于长焦离轴抛物镜4长聚焦特性，即实现了3D大幅扫描激光加工应用。

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6准直，其中，光纤出光点位置与离轴抛物镜6焦点重合，准直光束经过第一自适应镜1与第二自适应镜2构成连续变倍扩束模块进行变倍扩束，扩束光束再经由第三自适应镜3与长焦离轴抛物镜4构成聚焦调焦模块聚焦并调焦，最后经过双轴旋转的平面反射振镜5反射。基于连续变倍扩束模块以及聚焦调焦模块之间的相互配合进行焦点位置补偿与光斑直径补偿，基于平面反射振镜5双轴旋转角度配合，实现平面反射振镜5下方3D空间内任意图形的扫描应用。

实施例2：

本实施例是针对自由输出平行光束，平面反射镜7与平面反射镜8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7与平面反射镜8，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7与平面反射镜8组成的光束同轴调节系统对光束同轴进行调节，再经过第一自适应镜1与第二自适应镜2构成连续变倍扩束模块进行变倍扩束，扩束光束经由第三自适应镜3与长焦离轴抛物镜4构成聚焦调焦模块聚焦并调焦，最后经过双轴旋转的平面反射振镜5反射。基于连续变倍扩束模块以及聚焦调焦模块之间的相互配合进行焦点位置补偿与光斑直径补偿，基于平面反射振镜5双轴旋转角度配合，实现平面反射振镜5下方3D空间内任意图形的扫描应用。

本实用新型结构设计新颖，采用单振镜扫描方案，引入了自适应镜变倍扩束模块与聚焦调焦模块，在保证镜片安装固定不动的前提下，既能够单独控制聚焦光斑大小，又能够保证聚焦光束大幅调焦，突破了传统位移调焦模组限制；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，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实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。