一种振镜扫描装置及系统的制作方法

本发明实施例涉及激光扫描技术领域，尤其涉及一种振镜扫描装置及系统。

背景技术：

扫描振镜是一种由驱动板和高速摆动电机组成的一个高精度、高速度伺服控制系统，具有体积小、精度高等特点，一套扫描振镜系统包括光源、扫描反射部分、聚焦系统以及相关伺服电路和控制软件，系统中的每个部件都可相互独立。

扫描振镜可用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光淬火、激光清洗等领域，特别是在激光切割领域中应用扫描振镜使得厚板切割断面能力大幅提升。随着日益进步的激光加工应用发展，激光器功率的大幅提升，激光扫描应用越加复杂化和高效率化，提高振镜扫描的效率也变得越来越重要，例如，激光焊接应用中，随着激光功率的提升，振镜扫描效率低会影响激光焊接的速度与焊缝成型质量；激光打孔中，振镜扫描频率低会降低单位时间内打孔数量，从而直接影响客户端的加工效率；激光淬火应用中，振镜扫描频率越快，淬火效果与深度也会有提升和改善；激光清洗过程中，振镜扫描效率越高，对工件表面的清洗效果就越好。现有的扫描振镜通常采用增大聚焦镜焦距、提高振镜电机扫描频率的方法，来提高扫描频率，但聚焦镜焦距越长，聚焦光斑越大，导致焦点及焦点附近的能量不够集中，不利于高频加工应用，为保证聚焦光斑能量的高集中度，通常又会缩短聚焦镜焦距，使得振镜扫描效率与聚焦镜焦距之间存在矛盾。此外，通过提高振镜电机扫描频率，虽然能提高扫描振镜的扫描频率，但改进高频电机难度较大。

技术实现要素：

本发明提供了一种振镜扫描装置及系统，以提高激光扫描效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种振镜扫描装置，包括：

第一振镜驱动单元、第一振镜片以及与所述第一振镜片相对设置的第一反射镜；所述第一反射镜的反射面朝向所述第一振镜片；所述振镜扫描装置处于初始状态时，所述第一振镜片与所述第一反射镜平行；

所述第一振镜驱动单元与所述第一振镜片连接，用于驱动所述第一振镜片旋转以改变所述第一振镜片所在平面与所述第一反射镜所在平面之间的夹角，所述第一振镜片的旋转轴平行于所述第一振镜片所在平面；

入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的第一偏转角与所述第一振镜片的偏转角之间的比值为c1；入射光束在所述第一振镜片上的反射次数为b1；

其中，c1＝2^b1；b1≥2；所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的第一偏转角是指，在垂直于所述第一振镜片的旋转轴的方向上，所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束与所述振镜扫描装置处于初始状态时所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的角度差；所述第一振镜片的偏转角是指，旋转后的所述第一振镜片所在平面与所述振镜扫描装置处于初始状态时所述第一振镜片所在平面的角度差。

可选的，所述入射光束入射到所述第一振镜片或所述第一反射镜的入射角为a，其中，20°≤a≤70°。

可选的，所述振镜扫描装置还包括第一反射镜驱动单元；

所述第一反射镜驱动单元与所述第一反射镜连接，用于驱动所述第一反射镜旋转以改变所述第一反射镜所在平面与所述第一振镜片所在平面之间的夹角，所述第一反射镜的旋转轴平行于所述第一振镜片的旋转轴；

所述第一反射镜与所述第一振镜片的旋转方向相反。

可选的，所述振镜扫描装置还包括第二振镜驱动单元、第二振镜片以及与所述第二振镜片相对设置的第二反射镜；

所述第二反射镜的反射面朝向所述第二振镜片；所述第二振镜扫描装置处于初始状态时，所述第二振镜片与所述第二反射镜平行；

所述第二振镜驱动单元与所述第二振镜片连接，用于驱动所述第二振镜片旋转以改变所述第二振镜片所在平面与所述第二反射镜所在平面之间的夹角，所述第二振镜片的旋转轴平行于所述第二振镜片所在平面，并且垂直于所述第一振镜片的旋转轴；

所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的第二偏转角与所述第二振镜片的偏转角之间的比值为c2；入射光束在所述第二振镜片上的反射次数为b2；

其中，c2＝2^b2；b2≥2；所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的第二偏转角是指，在垂直于所述第二振镜片的旋转轴的方向上，所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束与所述振镜扫描装置处于初始状态时所述入射光束经所述振镜扫描装置出射的出射光束的角度差；所述第二振镜片的偏转角是指，旋转后的所述第二振镜片所在平面与所述振镜扫描装置处于初始状态时所述第二振镜片所在平面的角度差。

可选的，所述振镜扫描装置还包括第二反射镜驱动单元；

所述第二反射镜驱动单元与所述第二反射镜连接，用于驱动所述第二反射镜旋转以改变所述第二反射镜所在平面与所述第二振镜片所在平面之间的夹角，所述第二反射镜的旋转轴平行于所述第二振镜片的旋转轴；

所述第二反射镜与所述第二振镜片的旋转方向相反。

第二方面，本发明实施例还提供了一种振镜扫描系统，包括：

光源和第一方面中所述的任一振镜扫描装置；

所述光源用于产生入射光束。

可选的，所述光源为激光器。

可选的，所述振镜扫描系统还包括控制装置，所述控制装置分别与所述光源和所述第一振镜驱动单元电连接，所述控制装置用于控制所述光源出射入射光束以及控制所述第一振镜驱动单元带动所述第一振镜片旋转。

可选的，所述振镜扫描系统还包括第一聚焦装置；

所述入射光束经所述第一聚焦装置聚焦后入射至所述振镜扫描装置。

可选的，所述振镜扫描系统还包括第二聚焦装置；

所述振镜扫描装置的出射光束经所述第二聚焦装置聚焦后出射。

本发明实施例提供的技术方案，通过将第一反射镜与第一振镜片相对设置，使得入射光束在第一振镜片上进行多次反射，从而使得光束经振镜扫描装置出射的出射光束的第一偏转角与第一振镜片的偏转角之间的比值为c1≥4。现有的扫描振镜，振镜片的偏转角与出射光束的偏转角之间的比值均为1:2定值关系，本发明实施例通过设置第一反射镜改变第一振镜片的偏转角与出射光束的第一偏转角之间1:2的定值关系，使得入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束的第一偏转角与第一振镜片的偏转角之间的比值为c1≥4，在扫描尺寸固定的条件下，第一振镜片的偏转角至少减半，从而提高振镜扫描装置的扫描频率；在扫描频率固定时，同等的振镜偏转角，则能够成倍提高扫描尺寸，从而整体提高振镜扫描装置的扫描效率。本发明实施例提供的振镜扫描装置在提高扫描效率的同时，结构简单且能量集中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种振镜扫描装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种振镜扫描装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种振镜扫描系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种振镜扫描系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的一种振镜扫描装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的振镜扫描装置包括：第一振镜驱动单元11、第一振镜片12以及与第一振镜片12相对设置的第一反射镜13。第一反射镜13的反射面131朝向第一振镜片12，振镜扫描装置处于初始状态时，第一振镜片12与第一反射镜13平行。第一振镜驱动单元11与第一振镜片12连接，用于驱动第一振镜片12旋转以改变第一振镜片12所在平面与第一反射镜13所在平面之间的夹角，第一振镜片12的旋转轴平行于第一振镜片12所在平面。入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1，入射光束21在第一振镜片上12的反射次数为b1，其中，c1＝2^b1；b1≥2，入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角是指，在垂直于第一振镜片12的旋转轴的方向上，入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22与振镜扫描装置处于初始状态时入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的角度差，第一振镜片12的偏转角是指，旋转后的第一振镜片12所在平面与振镜扫描装置处于初始状态时第一振镜片所在平面的角度差。

示例性的，如图1所示，入射光束21在第一振镜片上12和第一反射镜13之间反射3次，平行入射的入射光束21以一定角度入射到第一振镜片上12表面，经第一振镜片上12反射后入射到第一反射镜13的反射面131上，经第一反射镜13反射后再次入射到第一振镜片上12上，最后由第一振镜片上12将入射光束21反射出去。入射光束21在第一振镜片上12的反射次数b1＝2，则入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值c1＝2²＝4，即第一振镜片12每旋转1°，出射光束22旋转4°。其中，入射光束21可以在第一振镜片12上发生最后一次反射后出射，也可以在第一反射镜13上发生最后一次反射后出射，以提高振镜扫描装置的灵活性。

本发明实施例提供的技术方案，通过将第一反射镜13与第一振镜片12相对设置，使得入射光束21在第一振镜片上12进行多次反射，从而使得光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1≥4。现有的扫描振镜，振镜片的偏转角与出射光束的偏转角之间的比值均为1:2定值关系，本发明实施例通过设置第一反射镜13改变第一振镜片12的偏转角与出射光束22的第一偏转角之间1:2的定值关系，使得入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1≥4，在扫描尺寸固定的条件下，第一振镜片12的偏转角至少减半，从而提高振镜扫描装置的扫描频率；在扫描频率固定时，同等的振镜偏转角，则能够成倍提高扫描尺寸，从而整体提高振镜扫描装置的扫描效率。本发明实施例提供的振镜扫描装置在提高扫描效率的同时，结构简单且能量集中。

继续参考图1所示，可选的，入射光束21入射到第一振镜片12或第一反射镜13的入射角为a，其中，20°≤a≤70°。

具体的，入射光束21可以在第一振镜片12上发生第一次反射，也可以在第一反射镜13上发生第一次反射，若入射光束21入射到第一振镜片12或第一反射镜13的入射角a大于70°，则不利于减小第一反射镜13以及第一振镜片12的尺寸；若入射光束21入射到第一振镜片12或第一反射镜13的入射角a小于20°，则不利于调整入射光束21在第一振镜片上12的反射次数b1。本发明实施例通过设置合适的入射角a，使得振镜扫描装置小型化的同时，保证了调整入射光束21在第一振镜片上12的反射次数b1的简易性。

继续参考图1所示，可选的，本发明实施例提供的振镜扫描装置还包括第一反射镜驱动单元14。第一反射镜驱动单元14与第一反射镜13连接，用于驱动第一反射镜13旋转以改变第一反射镜13所在平面与第一振镜片12所在平面之间的夹角，第一反射镜13的旋转轴平行于第一振镜片12的旋转轴，第一反射镜13与第一振镜片12旋转方向相反。

具体的，如图1所示，入射光束21在第一振镜片上12和第一反射镜13之间反射3次，入射光束21在第一振镜片上12的反射次数b1＝2，则第一振镜片上12每旋转1°，出射光束22旋转4°。同理，入射光束21在第一反射镜13的反射次数为c1，c1＝1，则第一反射镜13每旋转1°，出射光束22旋转2°。示例性的，将振镜扫描装置设置为第一振镜片12每旋转预设角度，则第一反射镜13也旋转相同的预设角度，且第一反射镜13与第一振镜片12旋转方向相反，即若第一振镜片12顺时针旋转1°，则第一反射镜13逆时针旋转1°。此时，入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值c1＝2^b1+c1＝2²⁺¹＝2³＝8，即第一振镜片12每旋转1°，出射光束22旋转8°，从而进一步提高了振镜扫描装置的扫描效率。

图2为本发明实施例提供的另一种振镜扫描装置的结构示意图，如图2所示，可选的，本发明实施例提供的振镜扫描装置还包括第二振镜驱动单元31、第二振镜片32以及与第二振镜片32相对设置的第二反射镜33。第二反射镜33的反射面朝向第二振镜片32，第二振镜扫描装置处于初始状态时，第二振镜片32与第二反射镜33平行。第二振镜驱动单元31与第二振镜片32连接，用于驱动第二振镜片32旋转以改变第二振镜片32所在平面与第二反射镜33所在平面之间的夹角，第二振镜片32的旋转轴平行于第二振镜片32所在平面，并且垂直于第一振镜片12的旋转轴。入射光束41经振镜扫描装置出射的出射光束42的第二偏转角与第二振镜片32的偏转角之间的比值为c2，入射光束41在第二振镜片32上的反射次数为b2。其中，c2＝2^b2，b2≥2，入射光束41经振镜扫描装置出射的出射光束42的第二偏转角是指，在垂直于第二振镜片32的旋转轴的方向上，入射光束41经振镜扫描装置出射的出射光束42与振镜扫描装置处于初始状态时入射光束41经振镜扫描装置出射的出射光束42的角度差，第二振镜片32的偏转角是指，旋转后的第二振镜片32所在平面与振镜扫描装置处于初始状态时第二振镜片32所在平面的角度差。

示例性的，如图2所示，沿入射光束41的传播方向，第二振镜驱动单元31、第二振镜片32以及与第二振镜片32相对设置的第二反射镜33可以位于第一振镜驱动单元11、第一振镜片12以及与第一振镜片12相对设置的第一反射镜13之前，第二振镜驱动单元31、第二振镜片32和第二反射镜33也可以位于第一振镜驱动单元11、第一振镜片12以及第一反射镜13之后。第二振镜片32的旋转轴垂直于第一振镜片12的旋转轴，使得出射光束42能够在相互垂直的两个方向上进行移动，实现振镜扫描装置的二维扫描功能，提高了振镜扫描装置的灵活性。

可选的，本发明实施例提供的振镜扫描装置还包括第二反射镜驱动单元34。第二反射镜驱动单元34与第二反射镜33连接，用于驱动第二反射镜33旋转以改变第二反射镜33所在平面与第二振镜片32所在平面之间的夹角，第二反射镜33的旋转轴平行于第二振镜片33的旋转轴，第二反射镜33与第二振镜片32的旋转方向相反。与上述实施例同理，通过第二反射镜驱动单元34驱动第二反射镜33旋转，进一步提高振镜扫描装置的扫描效率。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种振镜扫描系统，包括光源51和上述实施例所述的任一振镜扫描装置52，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，图3为本发明实施例提供的一种振镜扫描系统的结构示意图，如图3所示，光源51用于产生入射光束21。

可选的，光源51为激光器，激光器出射的入射光束21为激光，使得振镜扫描系统能够广泛用于激光切割、激光焊接、激光打孔、激光淬火、激光清洗等领域。

继续参考图3所示，可选的，本发明实施例提供的振镜扫描系统还包括控制装置53，控制装置53分别与光源51和第一振镜驱动单元11电连接，控制装置用于控制光源出射入射光束21以及控制第一振镜驱动单元11带动第一振镜片12旋转，使得振镜扫描系统的操作更加便捷。

可选的，本发明实施例提供的振镜扫描系统还包括第一聚焦装置54，入射光束经第一聚焦装置54聚焦后入射至振镜扫描装置52，使得出射光束22的能量更加集中，提高振镜扫描系统精确度和效率。

图4为本发明实施例提供的另一种振镜扫描系统的结构示意图，如图4所示，可选的，本发明实施例提供的振镜扫描系统还包括第二聚焦装置55，振镜扫描装置52的出射光束22经第二聚焦装置55聚焦后出射，使得出射光束22的能量更加集中，提高振镜扫描系统精确度和效率，并且使出射光束22焦距的调节更加便捷。

综上所述，目前，受振镜电机扫描频率、扫描图形尺寸等限制，在同等聚焦镜焦距下，扫描尺寸越大，扫描频率越低，现有的扫描振镜越来越无法满足对振镜扫描效率要求日益提高的工业激光加工应用。例如，小尺寸扫描频率可达1000hz以上，而大尺寸扫描频率则只有100-10hz量级，随着日益进步的激光加工应用发展，激光功率不断提高，激光扫描应用越加复杂化和高效率化，现有的扫描振镜的振镜扫描效率越来越不够用。工业激光加工应用中现有的扫描振镜，无论是单振镜方案实现线性扫描，还是xy振镜等双振镜方案实现任意图形扫描，单个振镜片都满足振镜片的偏转角与出射光束偏转角的比值为1:2定值关系，本发明实施例提供的技术方案，通过将第一反射镜13与第一振镜片12相对设置，使得入射光束21在第一振镜片上12进行多次反射，从而使得入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1≥4。入射光束21在第一振镜片上12和第一反射镜13中反射的过程中，第一振镜片上12绕垂直于光路传输面的旋转轴旋转，使得经过第一振镜片上12反射的入射光束21发生角度偏转，最终实现入射光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1≥4，突破了传统光学振镜扫描中出射光束偏转角度与振镜片偏转角度为2:1的定值关系。在振镜加工中，出射光束22的偏转角与扫描尺寸存在最直接的正相关关系，本发明实施例通过设置第一反射镜13改变第一振镜片12的偏转角与出射光束22的第一偏转角之间1:2的定值关系，使得光束21经振镜扫描装置出射的出射光束22的第一偏转角与第一振镜片12的偏转角之间的比值为c1≥4，在扫描尺寸固定的条件下，第一振镜片12的偏转角至少减半，从而提高振镜扫描装置的扫描频率；在扫描频率固定时，同等的振镜偏转角，则能够成倍提高扫描尺寸，从而整体提高振镜扫描装置的扫描效率。本发明实施例提供的振镜扫描装置在提高等尺寸扫描下的扫描频率和等扫描频率下的扫描尺寸的同时，结构简单且能量集中。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。