一种级联粗精耦合光学扫描装置的制造方法

文档序号:8472210阅读:1103来源:国知局
一种级联粗精耦合光学扫描装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学扫描系统,具体涉及一种旋转双棱镜和正交偏摆光学平板集成的 高精度光学扫描装置。
【背景技术】
[0002] 旋转双棱镜作为一种典型的光束扫描装置,具有结构紧凑,转动惯量小,动态性能 好等特点,可以广泛应用于激光通信、微结构加工、生物医学、军事武器等领域。通过旋转双 棱镜可以实现光束的高精度定位。在先技术(云茂金等专利,专利号:200310108487. 7)提 到旋转双棱镜用于激光通信领域时,精度可以达到毫弧度量级。由于棱镜在安装时会产生 安装误差,如棱镜倾斜或轴承倾斜,影响了扫描跟踪精度。因此在高精度扫描时,对旋转双 棱镜系统中棱镜的制造和系统的安装提出了较高的要求。
[0003] 在先技术(机械工程学报,2009年01期,45卷,第200页,李安虎《大口径精密光束 扫描装置》)用正交偏摆双棱镜可以实现亚微弧度的扫描精度,主要用于光束指向调整;在 先技术(潘涌等专利,专利号:2012101172862)提出正交平板扫描装置,可以实现微米级的 位移调整。在光束跟踪和扫描过程中,有时需要在目标点附近实现局部高精度扫描而不改 变光束的指向,这是系统设计的难题。例如加工激光微孔时,为了保证激光孔的中心度,使 用激光加工过程中,要求激光产生微小位移而保持方向不变。
[0004] 为了解决激光粗精耦合跟踪和扫描问题,在先技术(李安虎等专利,专利号: 201210439061. 9)提到级联棱镜粗精耦合扫描装置,但是该装置结构复杂,而且该装置都是 用来调整光束指向,无法满足局部范围内的光束平移要求。而在实际应用中,很多场合需要 实现精细的位移调整,正交偏摆光学平板正好可以满足这一要求,如在激光微孔加工中的 应用等。

【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提出一种级联粗精耦合光学扫描装置,所述装置包括旋转双棱 镜和正交光学平板两部分。旋转双棱镜用于全场区域内粗扫描时,正交光学平板可以在局 部目标点附近产生更高精度的位移平移,而不改变光束扫描指向,特别适用于大范围激光 精细加工等场合。
[0006] 本发明提供的一种级联粗精耦合光学扫描装置,沿光轴方向由旋转双棱镜系统和 正交偏摆光学平板系统组成,所述旋转双棱镜系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个楔 形棱镜绕Z轴旋转实现粗扫描;正交偏摆光学平板系统采用两个旋转步进电机分别驱动两 个光学平板绕Y轴和绕X轴偏摆,通过折射光束的位移偏移来实现光束在局部范围内的位 移平移,满足精细的扫描要求; 所述的旋转双棱镜系统由第一底座1、第一旋转步进电机2、第一编码器3、第一楔形棱 镜4、第一镜框5、第一蜗轮6、第一蜗杆7、第一镜架8、第二旋转步进电机9、第二编码器10、 第二楔形棱镜11、第二镜框12、第二蜗轮13、第二蜗杆14和第二镜架15组成,第一镜架8 上设有第一镜框5,第一楔形棱镜4内置于第一镜框5上,第一镜框5压紧于第一蜗轮6内 部,第一蜗轮6与第一蜗杆7接合形成蜗轮蜗杆连接,第一旋转步进电机2和第一编码器3 分别位于第一蜗杆的蜗杆轴两端;第二镜架15上设有第二镜框17,第二楔形棱镜11内置 于第二镜框17上,第二镜框12压紧于第二蜗轮13内部,第二蜗轮13与第二蜗杆14接合 形成蜗轮蜗杆连接,第二旋转步进电机9和第二编码器10分别位于第二蜗杆14的蜗杆轴 两端;第一镜架8和第二镜架15分别布置于第一底座1上,且可以在第一底座1上沿Z轴 前后滑动,以调节第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的距离;第一旋转步进电机2的旋转 运动通过第一镜架8内部的第一蜗轮6和第一蜗杆7传递到第一镜框5,使得第一镜框5绕 Z轴旋转,进而带动第一楔形棱镜4绕Z轴旋转;第二旋转步进电机9的旋转运动通过第二 镜架15内部的第二蜗轮13和第二蜗杆14传递到第二镜框12,使得第二镜框12绕Z轴旋 转,进而带动第二楔形棱镜11绕Z轴旋转; 所述正交偏摆平板系统由第二底座16、第三镜架17、第三旋转步进电机18、第一平面 镜19、第三镜框20、第三编码器21、第四编码器22、第四镜框23、第二平面镜24、第四旋转 步进电机25和第四镜架26组成,所述第三镜架17上设有第一旋转轴,第三镜框20固定于 所述第一旋转轴上,第三旋转步进电机18与第三编码器21分别安装于第一旋转轴两端,第 一平面镜19内置于第三镜框20上;所述第四镜架26上设有第二旋转轴,第四镜框23固定 系于所述第二旋转轴上,第四旋转步进电机25与第四编码器22分别安装于第二旋转轴两 端,第二平面镜24内置于第四镜框23上;第三镜架17和第四镜架26分别布置于第二底座 16上,且可以在第二底座16上沿Z轴前后滑动,第三旋转步进电机18的旋转运动通过第一 旋转轴传递到第三镜框20上,使第三镜框20绕着Y轴偏摆,带动第一平面镜19绕着Y轴 偏摆;第四旋转步进电机25的旋转运动通过第二旋转轴传递到第四镜框23上,使第四镜框 23绕着X轴偏摆,带动第二平面镜24绕着X轴偏摆; 所述第一旋转步进电机2、第二旋转步进电机9、第三旋转步进电机18和第四旋转步进 电机25分别通过数据通信口连接运动控制系统,所述运动控制系统连接PC机。
[0007] 本发明级联粗精耦合光学扫描装置的基本原理是: 1.结合附图3、图4说明控制系统原理:运动控制系统可以将目标轨迹点转化为坐标点 (X,/)。数据传输接口将运动控制系统连接到PC机上,实现运动控制系统和PC机通信。结 合附图3,要实现粗扫描,首先在已知粗扫描目标轨迹点的情况下,通过运动控制系统将目 标轨迹点转化为坐标并传输到PC机上。PC机根据扫描坐标(XvV),分别计算出第一 楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的旋转角度(1?)以及旋转速度数据,并通过数据传输接口 传输到运动控制系统中,运动控制系统根据接收到的闲,?)和旋转速度信息,控制第一旋 转步进电机2和第二旋转步进电机9的旋转,实现粗扫描。在精扫描时,结合附图4,首先在 已知精扫描目标轨迹点的情况下,通过运动控制系统将目标轨迹点转化为坐标(X5J)并传 输到PC机上。PC机根据扫描坐标计算出光束需要的位移偏移量(&,~),再根据正交 偏摆双平板偏摆角和折射光束平移的关系,计算出第一平面镜19和第二平面镜24的偏摆 角度(?.尽2)以及偏摆速度数据,并通过数据传输接口传输到运动控制系统中,运动控制系 统根据接收到的(?,?)和偏摆速度信息,控制第三旋转步进电机18和第四旋转步进电机 25的旋转,实现光束微位移平移。
[0008] 2.在粗扫描时,根据矢量折射定理可知,当光束从旋转双棱镜中心入射时,可推 出光束通过旋转双棱镜后出射光的方向,调节两楔形棱镜的旋转角度时,可以改变出射光 的方向。此装置中通过第一旋转步进电机2驱动第一楔形棱镜4绕Z轴旋转,第二旋转步 进电机9驱动第二楔形棱镜11绕着Z轴转动,旋转角度分别为色、马,从而实现一定区域内 的粗扫描。
[0009] 3.精扫描时,如附图2所示,光束通过平面镜时,传播方向不会改变,但光束会偏 移。(a)图表示当第一平面镜19绕Y轴偏摆黾,入射光束通过第一平面镜19后,出射光束 传播方向不变,且在X轴方向上会有一定的偏移量Ax;同理,(b)图表示当第二平面镜24 绕Y轴偏摆巧2,入射光束通过第二平面镜24后,出射光束传播方向不变,且在Y轴方向上 会有一定的偏移量每。此装置中通过第三旋转步进电机18驱动第一平面镜19绕Y轴偏 摆4,光束通过第一平面镜19后沿着X轴位移偏移Ax ;第四旋转步进电机25驱动第二平 面镜24绕X轴偏摆,光束通过第二平面镜21后沿着Y轴位移偏移Ay。实现小范围内 精扫描。
[0010] 本发明的有益效果在于: 1.本发明可实现粗精扫描,旋转双棱镜系统可以实现粗扫描,正交偏摆光学平板可以 实现精扫描,两部分可以同时工作,也可以独立工作,满足不同粗精扫描精度要求。
[0011] 2.本发明易于控制光束传播方向。在不改变光束传播方向的情况下,通过改变双 平板的偏摆角度,实现光束分别沿X轴和Y轴方向的微小位移Ar和~。
[0012] 3.本发明控制方便。该装置采用独立控制方式,可以分别控制粗扫描机构和精扫 描机构,同时采用开环控制模式,控制方便,控制过程简单。
【附图说明】
[0013]图1是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置示意图,前一部分是旋转双棱镜,后 一部分是正交偏摆平板。乓、乌是棱镜的旋转角度,斗、^是平板的偏摆角度。
[0014] 图2是光束通过偏摆平板时会产生相应的偏移量Ax和每的原理示意图。
[0015]图3是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置控制部分流程图。简述了此装置的控 制方法。 图4是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置控制部分流程图。简述了此装置的控制方 法。
[0016]图中标号:1_第一底座;2-第一旋转步进电机;3-第一编码器;4-第一楔形棱镜; 5_第一镜框;6-第一蜗轮;7-第一蜗杆;8-第一镜架;9-第二旋转步进电机;10-第二编码 器;11-第二楔形棱镜;12-第二镜框;13-第二蜗轮;14-第二蜗杆;15-第二镜架;16-第 二底座;17-第三镜框;18-第三旋转步进电机;19-第一平面镜;20-第三镜框;21-第三编 码器;22-第四编码器;23-第四镜框;24-第二平面镜;25-第四旋转步进电机;26-第四镜 架。
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