[發明專利]一種手持式激光清洗機的光學整型裝置

有效

• 申請號: 201310648282.1
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103658140A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 高峰;王巍;劉佳;闞寶璽
• 申請（專利權）人: 北京航天時代光電科技有限公司
• 主分類號: B08B13/00
• 分類號: B08B13/00;G02B27/09;G02B27/10;G02B17/08
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明涉及一種手持式激光清洗機的光學整型裝置。

背景技術

激光清洗技術是采用高功率密度的激光直接照射在物體表面，使表面上附著的涂層、銹跡和油污瞬間蒸發、燒蝕或剝離。

手持式激光清洗機要求結構緊湊，體積小，重量輕。系統由光學設計開始，光學結構決定了整個系統的體積大小，對激光的整型處理決定了待清洗面上的聚焦光點面積，在激光器輸出光功率不變的情況下直接影響清洗效果。聚焦光點的半徑越小，則激光的功率密度越高，清洗厚度越深，但單位時間內能清洗的面積也會減少。

多數情況下，激光器的輸出為圓形平行光束，能量呈高斯型分布，光功率越大對應的圓形光斑直徑也越大，可達6mm～10mm。目前的激光清洗機進行掃描時，通常都是使用準直聚焦透鏡直接將這種大直徑光束進行聚焦，透鏡的球差、慧差將導致聚焦效果變差，待清洗物表面的光點直徑增大并變形，使光功率密度下降，嚴重時可能低于清洗閾值，導致無法完成清洗工作。本發明的第一個目標就是對激光束進行光學整型，以獲得直徑小、能量高度集中的激光光斑。

減小光斑直徑，提高成像質量的方法主要有兩種：一是采用非球面透鏡或透鏡組來矯正球差、慧差，二是根據透鏡成像的原理，減小物的大小也能減小像的大小。第一種方法采用非球面透鏡將大大提高設備成本，而透鏡組又會帶來光吸收率提高、透射率下降的缺點，因此應優先采用第二種方法減小光斑直徑。理想的情況是先將6mm～10mm的激光光斑縮小5～10倍，然后通過振鏡掃描和準直聚焦透鏡，形成高功率密度的光點。

對于縮小激光聚焦光點直徑的光學整型系統還有兩個要求：不能改變光束質量、盡量減少光學元件數量。不能改變光束質量是指光學系統要實現平行光入射平行光出射，高斯分布的光束直徑縮小后仍呈高斯分布；減小光學元件數量是為了減少元件對光的吸收，保證輸出光能量。伽利略式或開普勒式雙鏡望遠系統均能夠滿足這兩方面要求。伽利略望遠系統由一個凸透鏡加一個凹透鏡組成，凸透鏡的后焦點與凹透鏡的后焦點（虛焦點）重合；開普勒望遠系統由兩個凸透鏡組成，前凸透鏡的后焦點與后凸透鏡的前焦點重合。這兩種系統的縮小倍數均為前后兩鏡焦距之比。伽利略系統結構較緊湊，但是光路中沒有聚焦點，會給調試過程帶來一定困難，如果調試不準，同樣會造成光斑聚焦質量差的問題，因此在系統長度具有裕量的情況下采用開普勒系統較為合適。準直聚焦鏡為球面型單透鏡，其相對孔徑與像差大小直接相關。在直徑一定的情況下，選擇小的相對孔徑（即大的焦距）能夠獲得較好的光束會聚效果。

為了指示最佳工作位置，一般的激光清洗機采取激光測距法直接測量輸出端到待清洗物的距離，但是這種方法將引入大量的元器件，提高了設備成本，并使控制系統更加復雜化。本發明的第二個目標就是采用光學對焦的方法來取代傳統的激光測距法，僅需使用幾個固定不動的反射鏡，利用光學原理，將指示光分為兩束，從兩個不同的位置分別入射到會聚透鏡，會聚透鏡的焦點處即為會聚光斑直徑最小的地方，也就是最佳工作位置。兩束指示光將在透鏡的焦點處產生重合，如果待清洗物位于透鏡焦點之外的其他位置，則操作人員將看到兩個光斑，只有當待清洗物位于透鏡焦點處時，操作人員看到兩個光斑重合在一起，此時待清洗物與手持式激光清洗機處于最佳工作距離。由此即以光學的方法實現了最佳工作位置的對焦指示，同時對工作激光能量無任何衰減。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種手持式激光清洗機的光學整型裝置，將可見指示光和不可見工作激光進行合束和分束，再通過望遠系統和折返式自由光路對兩部分光束分別進行整型和移位，從而實現了工作激光功率的高密度集中，克服了單軸系統體積過大的問題；采取了光學對焦的方法，取代了傳統的激光測距法，用于指示最佳工作點位置，減少了元器件數量，使結構更為簡單緊湊；在不可見的工作激光中附加了可見指示光，同時實現了光學對焦，既給操作人員指明了清洗區域，又保障了人身安全。