[發明專利]一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統

在審

• 申請號: 201710082685.2
• 申請日: 2017-02-16
• 公開（公告）號: CN106735887A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 邵華江;李思佳;李思泉
• 申請（專利權）人: 上海嘉強自動化技術有限公司
• 主分類號: B23K26/082
• 分類號: B23K26/082;B23K26/064
• 代理公司: 北京權智天下知識產權代理事務所(普通合伙)11638
• 代理人: 王新愛

技術領域

本發明涉及激光振鏡掃描技術領域，具體為一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統。

背景技術

激光加工技術涵蓋了激光切割、焊接、表面處理、打孔、微加工等多種激光加工工藝，利用了激光與物質相互作用的基本特性。由于激光束與加工材料的非接觸性、加工速度與質量等優勢，奠定了激光加工技術是一種無可替代的高新技術。

當前激光切割占了整個激光加工行業的主要地位，而隨著激光功率的提高，高功率激光焊接、熔覆、表面處理等加工工藝也將得到更廣泛的擴展與提升，其中尤以高功率激光焊接能夠更快普及，如在汽車、航空、船舶等多個行業的應用推廣。

在激光工業加工應用中，常規的激光技術方案不足以滿足各類加工需求，各類復雜圖形的處理應用多有限制，靠著龐大的機床設備運作也十分不便，且加工精度與速度也亟待提高，振鏡掃描方案便應運而生。

振鏡掃描以高速著稱，在mm量級乃至大范圍的m量級內能夠實現各類形狀的快速掃描，且掃描精度與重復極高，主要用于激光打標、激光內雕、激光焊接、激光打孔行業等，隨著激光功率的逐步提升，振鏡掃描應用將得到更大程度的擴展，而作為振鏡掃描的掃描鏡片，雖鏡片加工工藝更好，鍍膜工業也越加成熟，因無法直接水冷仍將受到高功率特別是萬瓦級以上功率激光應用的限制，再加上常規的雙振鏡掃描系統兩片振鏡都會因為鏡片的光束偏轉角而引起激光反射率的不小變化，而一定程度上限制了激光加工幅面。

在大功率激光加工問題上，能夠直接水冷以及良好導熱性的金屬反射型鏡片，在保證較小的通光孔徑下，依舊能夠承受極高的激光功率，這是難以替代的優勢。而且，普通振鏡掃描系統在激光加工即便是二維掃描加工過程中往往需要較多鏡片組成，降低了光束能量利用率，而反射式光路則相對更好。

基于上述各點，本發明提出一種鏡片數量少、能量利用率高的全反射式金屬單振鏡系統，其基于凸面離軸拋物鏡，凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡組合，基于單振鏡雙軸旋轉特性，基于擴束聚焦模塊的位移調焦，基于金屬材料的良好導熱性，基于激光器種類鍍不同的高反射率膜層，特別適用于千瓦、萬瓦級高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種單振鏡全反射式位移調焦3D掃描光學系統,包括凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡,所述凸面離軸拋物鏡與所述凹橢球面反射鏡有相同的光束偏轉角且中心法線平行，所述凸面離軸拋物鏡焦點與所述凹橢球面反射鏡前焦點重合，所述凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡、平面反射振鏡中心與光束中心重合。

優選的，所述凸面離軸拋物鏡與所述凹橢球面反射鏡均為圓柱狀斜面反射鏡。

優選的，所述凸面離軸拋物鏡、凹橢球面反射鏡以及平面反射振鏡內部均設有冷卻水通道。

優選的，所述凹橢球面反射鏡前焦距較短，后焦距較長。

優選的，所述凸面離軸拋物鏡鏡片、凹橢球面反射鏡鏡片以及平面反射振鏡鏡片均為導熱性良好的金屬鏡片。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

(1)本發明結構設計新穎，采用單振鏡掃描方案，平面反射振鏡具備雙軸旋轉，即既能繞反射鏡面旋轉，也能以入射光軸旋轉。

(2)本發明中，在同樣實現3D大幅掃描的同時優化振鏡數量，雙軸旋轉中繞入射光軸旋轉不影響激光反射率，改善了光束偏轉角所引起的激光反射率變化。

(3)本發明采用全反射式金屬光學鏡片，可直接水冷，具有良好導熱特性，大幅提高鏡片承受功率。

(4)本發明的凹橢球面反射鏡有前后兩種焦距，凸面離軸拋物鏡焦距與凹橢球面反射鏡前焦距配合實現對入射光束擴束，凹橢球面反射鏡后焦距對擴束光束進行聚焦。

(5)本發明通過平面反射振鏡雙軸旋轉，凸面離軸拋物鏡與凹橢球面反射鏡組成的擴束聚焦模塊沿入射光軸移動進行焦距補償，可以實現3D大幅面激光掃描應用。

附圖說明

圖1為本發明的整體工作原理圖；

圖2為本發明的平面反射振鏡結構示意圖；

圖3為本發明的實施例1結構示意圖；

圖4為本發明的實施例2結構示意圖。

具體實施方式