一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块(10)、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜(50)、驱动电机(60)和准直聚焦透镜(70)；高斯-平顶系统将激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜(50)上，渐变旋转多面镜(50)在驱动电机(60)的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜(70)折射后在待清洗物体(80)上形成面状光斑。
【技术实现步骤摘要】
一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置
本专利技术涉及一种激光清洗机的均匀光斑面扫描方法及装置。它是一种将能量分布不均匀、点状光斑的激光光束经过变换整形为能量分布均匀、面型扫描的激光光斑的光学系统。主要应用于激光清洗或其他激光表面处理领域。
技术介绍
激光清洗技术是采用高功率密度的激光直接照射在物体表面，使表面上附着的涂层、锈迹和油污瞬间蒸发、烧蚀或剥离。多数情况下，激光器的输出为圆形平行光束，能量呈高斯型分布。目前的激光清洗机进行扫描时，通常都是使用准直聚焦透镜直接将这种光束进行聚焦，因此待清洗物表面的激光光斑能量也呈高斯型分布，使光斑中心能量过高，可能会超过材料的损伤阈值；而光斑外围能量低，可能低于清洗阈值。为此在工作时只能采用较高的光斑搭接率以保证清洗效果，导致清洗速度低下，清洗程度不均匀。业内常用激光整型方法改变激光能量分布，包括光波导反射整型器、复眼均束整型器和带光阑的望远镜系统等。光波导反射整型器是在光学系统中引入光波导，使入射激光在系统内部多次反射，从而使激光光束均匀分布；复眼均束整型器是将入射激光束进行分割和叠加，其能量损失率较高；带光阑的望远镜系统只是将外围能量低的区域进行了隔离，只保留中心高能量区域，属于伪均匀分布，同时还需要风冷或水冷系统进行配合。对于需要高速高精度的激光清洗领域，传统的激光整型方法并不能达到理想的效果。激光束聚焦后为直径很小的点状光斑，这种光斑虽然能量很高，有利于激光清洗效果，但是单位时间内能清洗的面积也很小，直接应用时清洗速度会很慢。目前激光清洗机常用的方法有三种:一是采用单振镜系统将激光束扫描成线状光斑，再配合工作台移动进行清洗；二是采用单面万向镜，使用万向架结构，使得单镜面实现两个方向的偏转，形成面状光斑，对目标进行清洗；三是采用双振镜系统直接将激光束扫描成面状光斑，对目标进行清洗。第一种线状扫描方式的缺陷在于:当工作台移动速度不均匀时，容易造成漏清洗或过清洗。第二种和第三者面状扫描方式的缺陷在于:目标平面的光斑位置存在失真，并非线性对应关系,仅凭光学系统和机械机构很难校正。同时这三种光束扫描方式均存在控制电路，电路的控制、安装、复杂性和可靠性都需要考虑。且振镜系统并不适合用于外部环境恶劣(振动、温湿度变化大)的场所。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供了一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，该装置能够大大提高激光清洗的速度且控制简单。为实现以上目的，本专利技术的技术解决方案是:一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜、驱动电机和准直聚焦透镜；高斯-平顶系统将激光器输出模块出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜上，渐变旋转多面镜在驱动电机的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜折射后在待清洗物体上形成面状光斑。还包括反射镜，反射镜将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜。还包括反射镜，激光器输出模块出射的高斯型激光束先经反射镜反射后进入高斯-平顶系统。所述的反射镜表面镀有45°增反膜。所述的渐变旋转多面镜由η个平面镜以不同角度组装在与驱动电机60输出轴共轴的柱面体上。所述的平面镜个数η = 4 f/w，其中f为准直聚焦透镜的焦距，W为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度。所有平面镜的中心点位于同一个垂直于驱动电机输出轴的平面上，选取一个平面镜与驱动电机的输出轴平行安装，以该平面镜为基准，与驱动电机旋转方向同向的相邻平面镜以固定安装角度差递增或递减，与驱动电机旋转方向反向的相邻平面镜以固定安装角度差递减或递增；上述安装角度差a = 45hw/2 π 2f2，其中，f为准直聚焦透镜的焦距，W、h分别为待清洗物体上形成的面状光斑的宽度和高度。所述准直聚焦透镜的焦点位置与平面镜的中心点重合。所述的能量均匀为在激光束的能量分布图上光斑中心到边缘范围内，单位面积内的光能量波动在光斑中心强度的10%以内。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(I)通过光学结构设计，利用非球面透镜组形成“高斯-平顶”系统，将能量分布不均匀激光束进行能量重新分配，能够获得直径小、能量均匀分布、光功率损耗低的激光光斑。这种光斑可以降低搭接率，激光清洗速度得到了明显提高。(2)利用一个简单易控的驱动电机带动渐变旋转多面镜单元，形成激光束角扫描，再配合准直聚焦镜，实现了对激光束的面状扫描，增加了激光光斑的覆盖范围。能够提高激光清洗的速度，简化系统控制电路。系统无需采用传统的二维扫描振镜和复杂的控制电路，仅用一个简单的驱动电机即可形成周期性扫描，控制简单，结构紧凑，抗振性能强，适合用于大型工业生产线。(3)本专利技术装置能够降低激光光斑搭接率:一般高斯型光斑的能量分布情况是80%的能量集中在光斑中心区域，光斑外围的20%激光能量分布在一个大面积环形区域，不足以产生清洗效果，因此高斯型光斑搭接率一般在30%以上才能保证没有漏清洗。如果激光能量是均匀分布，那么光斑搭接率可降低到15%以下，通过提高激光能量利用率加快了清洗速度。【附图说明】图1为本专利技术的光学系统光路结构图；图2为本专利技术的光学系统局部视图(a)和局部右视图(b)。图3为本专利技术采用的渐变旋转多面镜示意图。【具体实施方式】一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，包含激光器输出模块10、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜50、驱动电机60和准直聚焦透镜70 ;高斯-平顶系统将激光器输出模块10出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀(能量均匀为在激光束的能量分布图上光斑中心到边缘范围内，单位面积内的光能量波动在光斑中心强度的10%以内)的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜50上，渐变旋转多面镜50在驱动电机60的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜70折射后在待清洗物体80上形成面状光斑。本专利技术装置中还可以增加一个反射镜40，且反射镜40的位置有两种不同的方式，一种通过反射镜40将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜50。另一种方式激光器输出模块10出射的高斯型激光束先经反射镜40反射后进入高斯-平顶系统。反射镜40表面镀有45°增反膜，对工作激光具有极高的反射率。特定情况下，如激光输出端已经是均匀光束，则光路中非球面透镜组可以省略掉。“高斯-平顶”系统可以是如图1所示的由非球面透镜20和30组成的两片透镜组成，也可以由多片透镜组成；存在开普勒望远系统(实焦点对实焦点)或伽利略望远系统(实焦点对虚焦点)两种组合形式，实现压缩光束直径的作用。驱动电机60的类型任意，可以是直流电机、交流电机或步进电机等等。渐变旋转多面镜50由η个平面镜以不同角度组装在与驱动电机60输出轴共轴的柱面体上，准直聚焦透镜70的焦点位置与平面镜的中心点重合。如图3所示，假设准直聚焦透镜70的焦距为f，激光扫描面的宽度为w(即待清洗物体上形成的面状光斑的宽度)，高度为h。以电机旋转一周扫描一次为例，那么多面镜的数量η和安装角度差α的计算过程是:每块镜面负责水平扫描的角度为:Θ =w/f (单位为弧度)即Θ =180w/Jif (单位为度本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于：包含激光器输出模块(10)、高斯‑平顶系统、渐变旋转多面镜(50)、驱动电机(60)和准直聚焦透镜(70)；高斯‑平顶系统将激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜(50)上，渐变旋转多面镜(50)在驱动电机(60)的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜(70)折射后在待清洗物体(80)上形成面状光斑。
【技术特征摘要】
1.一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于:包含激光器输出模块(10)、高斯-平顶系统、渐变旋转多面镜(50)、驱动电机(60)和准直聚焦透镜(70);高斯-平顶系统将激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束的能量进行重新分布，同时压缩光束直径，形成能量均匀的激光束，该激光束照射到渐变旋转多面镜(50)上，渐变旋转多面镜(50)在驱动电机(60)的带动下旋转，将激光束形成空间角扫描光束，空间角扫描光束经准直聚焦透镜(70)折射后在待清洗物体(80)上形成面状光斑。2.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于:还包括反射镜(40)，反射镜(40)将高斯-平顶系统处理后的激光束反射至渐变旋转多面镜(50)。3.根据权利要求1所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于:还包括反射镜(40)，激光器输出模块(10)出射的高斯型激光束先经反射镜(40)反射后进入高斯-平顶系统。4.根据权利要求2或3所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于:所述的反射镜(40)表面镀有45°增反膜。5.根据权利要求1或2或3所述的一种激光清洗机的均匀光斑面扫描装置，其特征在于:所述的渐变旋转多...
【专利技术属性】
技术研发人员：王学锋，刘佳，于文鹏，王军龙，于淼，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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