[發明專利]一種含雙拋物面鏡動態聚焦模塊的三維掃描系統

有效

• 申請號: 202010936660.6
• 申請日: 2020-09-08
• 公開（公告）號: CN112068309B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 張震;余良
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B26/10
• 分類號: G02B26/10;G02B26/08
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發明公開了一種含雙拋物面鏡動態聚焦模塊的三維掃描系統，所述的含雙拋物面鏡動態聚焦模塊的三維掃描系統由雙拋物面鏡動態聚焦模塊、激光擴束和聚焦透鏡組以及激光二維掃描模塊組成。本發明采用由雙拋物面反射鏡以及動平面反射鏡組成的動態聚焦模塊實現聚焦光斑沿光軸的位置變化，進而通過激光擴束和聚焦透鏡組后的二維掃描模塊實現三維激光掃描。所述的動態聚焦模塊中包含兩個動平面反射鏡，通過改變其轉角即可改變動態聚焦模塊出射光的發散角，進而可改變經過激光擴束和聚焦透鏡組變換后的聚焦光斑的位置。本發明中的雙拋物面鏡動態聚焦模塊和激光二維掃描模塊中使用性能一致的旋轉電機部件，可實現聚焦光斑在三維空間內的高速、同步定位。

技術領域

本發明涉及一種新型激光三維掃描系統，通過系統包含的雙拋物面鏡動態聚焦模塊和激光二維掃描模塊實現激光聚焦光斑在三維空間內的高速、同步定位，屬于光機電一體化、激光加工領域。

背景技術

隨著激光技術的日益成熟，激光加工應用于越來越廣的領域，如材料表面改性、3D打印、打孔、板材切割等。其中，作為激光加工的基礎裝備，即對激光束導向、激光聚焦光斑定位的掃描系統，其設計多包含快速準確的振鏡掃描技術以實現快速的激光掃描。激光束掃描系統按照聚焦透鏡布置位置的不同主要分為兩類，即聚焦透鏡位于XY雙軸掃描振鏡前的前聚焦掃描系統以及聚焦透鏡位于XY雙軸掃描振鏡后的后聚焦掃描系統。傳統的激光掃描技術多采用后聚焦掃描系統，即結合XY雙軸振鏡和場鏡實現平面范圍內的二維掃描，場鏡位于XY雙軸振鏡后實現對激光束的聚焦，但該技術受限于場鏡而難以實現大幅面或三維空間的激光掃描。為解決上述問題，人們提出一種含動態聚焦系統的前聚焦激光掃描系統以實現大幅面及三維空間內的激光掃描。

現有的較為成熟的動態聚焦技術多通過改變激光擴束、聚焦的光學系統中的相關光學元件間的距離以實現，不同的實施方案中主要在所選用的透鏡移動的驅動方式與傳動方式部存在不同。例如，專利US7339750B2公開的一種激光束動態聚焦模塊，該模塊在光路上主要包括兩組透鏡，其通過動態改變其中一組透鏡的間距實現聚焦位置的變化。專利US7531772B2公開的一種用于激光聚焦系統中的透鏡移動裝置，其采用雙旋轉電機驅動，并設計曲柄滑塊的傳動機構實現沿光軸移動透鏡。專利CN208391288U公開了一種大型復雜曲面動態聚焦激光加工系統，該系統所包含的動態聚焦模塊在光路上主要包括動態聚焦鏡、第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡，所采用的驅動方式是音圈電機或壓電陶瓷，可以直接驅動動態聚焦透鏡沿光軸直線運動，進而實現聚焦光斑位置的變化。專利CN205899130U公開的高速動態聚焦激光振鏡模組，其包含的動態聚焦模塊在光路上是由變焦透鏡、聚焦透鏡組組成，設計采用旋轉電機驅動以及由鉸接桿、滑塊以及導軌組成傳動機構以實現動態聚焦透鏡沿光軸的直線運動，進而實現聚焦位置的動態變化。

綜上所述，激光三維掃描系統中采用的動態聚焦技術在原理上主要通過動態改變激光擴束、聚焦的光學系統中透鏡元件之間的距離以實現聚焦光斑沿光軸的動態變化，該原理從本質上均需要控制透鏡沿光軸方向進行直線運動，因此，其驅動以及傳動方式與二維振鏡掃描相比，具有較大的差異，這導致動態聚焦系統與二維掃描系統在動態性能上存在很大的不同，實現對兩者的同步控制較為困難，且透鏡沿直線運動相較于掃描振鏡旋轉運動，其響應速度慢、響應時間長，會最終降低整體三維掃描系統的掃描速度。

發明內容

為解決已有技術的不足，本發明提供一種含雙拋物面鏡動態聚焦模塊的三維掃描系統，該動態變焦系統采用性能一致的振鏡作為驅動部件，可實現聚焦光斑在空間三軸上位置變化的同步高速響應，即可以實現同步、快速的激光三維掃描。