含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置、方法和系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置、方法和系统，属于激光加工领域。本发明专利技术通过采用第一反射镜、双抛物面镜系统、第二反射镜组成动态调焦模块，采用第二反射镜、第三反射镜组成二维扫描模块。由于共用一片反射镜将动态调焦与二维扫描功能集成一体，可减小扫描加工装置的体积尺寸和重量，降低成本。本发明专利技术通过偏转第一反射镜和第二反射镜的相同角度，动态调节激光聚焦的焦平面到所需Z轴位置，再根据加工图形控制第二反射镜、第三反射镜的偏转角，在该焦平面上进行激光图形扫描加工，从而实现动态调焦激光三维加工，简化控制复杂性程度，减少累计误差，增加激光三维扫描加工精度以及抗外界干扰能力，提高光三维扫描加工效率。维扫描加工效率。维扫描加工效率。

【技术实现步骤摘要】
含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置、方法和系统


[0001]本专利技术属于激光加工领域，更具体地，涉及含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置、方法和系统。

技术介绍

[0002]随着全球工业加工制造技术的不断发展，对材料的加工需求逐步从二维平面向三维空间方向发展。在激光加工领域中，常规的激光三维加工方式有两种：一种是使用五轴联动数控机床加工方式；另一种是采用XY二维振镜与Z轴机械升降机构联动加工方式。前者因设备体积庞大而笨重，导致加工速度低，只适用于加工速度要求较低、加工范围较大的应用场合；后者虽采用XY二维振镜，提高了激光扫描加工速度，但由于Z轴机械升降机构的移动速度远低于振镜扫描速度，严重限制了激光三维加工效率的提升。为了解决上述问题，有些研究者提出了以XY二维振镜与动态调焦相结合的扫描方式来提高激光三维空间加工效率。例如，专利CN204248222U公开了“一种三轴动态聚焦激光打标装置”。该专利通过在Z轴光路中加入负焦距透镜，并由直线电机带动负焦距透镜沿Z轴光轴方向上下移动，通过改变激光束的发散角大小来改变激光焦点位置，使激光焦点在Z轴方向上下移动，并与XY二维振镜配合，实现激光三维空间加工功能。这种方式的不足之处在于，直线电机的上下移动速度相较于XY二维振镜的偏转电机偏转速度依然很低，实际的激光三维加工速度仍然受到Z轴直线电机运动速度的限制。此外，这种负焦距透镜较小的位移产生较大的聚焦位置变化的光学杠杆方法，会因负焦距透镜的移动误差所引起激光焦点的移动误差进一步扩大，导致激光三维加工精度质量下降，加工的稳定性和一致性变差。
[0003]专利CN113857655A公开了“一种三维动态聚焦激光标识系统及工作方法”，该专利采用了一种透射式液态透镜调焦的动态调焦方法，通过将坐标位置信息转化成控制数字信号输送至液态透镜调焦驱动单元，液态透镜调焦驱动单元将需要调焦的参数转化电流信号，施加给液态透镜，液态透镜在不同的电流驱动下改变透镜的曲率半径，从而改变液体透镜的焦距，实现系统的动态调焦的激光三维加工功能。这种激光三维加工虽然提高了加工速度，但加工精度质量易受液体透镜的影响，如液体透镜光轴位置的飘移，曲率变化的精密，以及对高低温要求(蒸发/凝结)等因素，限制了这种激光三维加工精度质量的稳定性和一致性。此外，液态透镜中的液体材料汽化阈值也极大地限制了所使用的激光功率。
[0004]上述两种动态调焦方法为透射式调控方式，其原理可归结为改变系统光路中一片或多片透镜的位置甚至是曲率，调节激光聚焦位置的移动，协同XY二维振镜一起，实现激光三维加工功能。但由于动态调焦模块的驱动方式与XY二维振镜的偏转驱动方式并不相同，难以实现真正的同步控制。
[0005]专利CN110681991A公开了“一种基于光程可变的多反射镜激光动态聚焦系统”，将经聚焦镜聚焦的激光束平行输入镜像布置的四面反射镜系统，通过偏转电机动态改变多反射镜的偏角，改变激光束在多反射镜动态调焦系统中的总光程长度，进而改变平行出射激光束的聚焦位置。这种动态调焦方法虽然提高了激光聚焦位置改变速度，且不会改变聚焦
光斑尺寸，但由于聚焦镜位于四面反射镜系统之前，只能适用于长聚焦距激光焦点位置的动态调焦，因而形成的聚焦光斑尺寸较大，无法应用于加工尺寸分辨率较高的精微加工应用中。
[0006]专利CN112068309A公开了“一种含双抛物面镜动态聚焦模块的三维扫描系统”。双抛物面镜动态聚焦模块是由两片反射镜和两个抛物面镜组成，利用从抛物面焦点发出的激光束将平行于抛物面中心轴出射，偏离抛物面焦点的激光束将会汇聚的特性，通过在双抛物面镜的双焦点处对称放置两片反射镜的方式，控制两片反射镜同步旋转，从而改变出射激光束发散角，实现动态调焦的目的。从双抛物面镜系统出射的发散激光束再进入XY二维振镜扫描聚焦系统，实现激光三维扫描加工。由于这种动态调焦方式可以采用短焦距聚焦，得到更小的聚焦光斑尺寸，因而可以应用于加工尺寸分辨率较高的精微加工应用中。
[0007]以上两种动态调焦方法，均采用与XY二维振镜相同的偏转电机，调控四片反射镜的偏转角方式，实现与XY二维振镜相同速度快速调节激光焦点位置，因而提高了激光三维空间扫描加工速度及效率。但是，四片反射镜必须采用四个偏转电机来分别控制每一个反射镜，不但导致整个系统尺寸庞大笨重，而且成本增加；其次，四片反射镜必须同步协同工作，增加了控制系统的复杂性；更重要的是反射镜数量越多，每片反射镜的偏差累计的总误差越大，受工作环境干扰影响也越大，因而导致激光三维扫描加工精度以及系统的稳定性和一致性越差，同时也限制了调节激光焦点位置速度的进一步提升。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置、方法和系统，旨在解决现有系统尺寸庞大笨重，而且成本增加，激光三维扫描加工精度以及系统的稳定性和一致性越差的问题。
[0009]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置，包括：
[0010]第一反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二反射镜、第三反射镜、第一偏转电机、第二偏转电机和第三偏转电机；
[0011]所述第一反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二反射镜沿光路设置，与第一偏转电机、第二偏转电机共同构成双抛物面动态调焦模块，其中，所述第一抛物面镜和第二抛物面镜镜像对称布置，中心轴重合，所述第一反射镜、第二反射镜中心分别和第一抛物面镜、第二抛物面镜的焦点重合，所述第一偏转电机转轴与第一反射镜固连，用于带动第一反射镜绕Z轴方向偏转，第二偏转电机与所述第二反射镜转轴固连，用于带动第二反射镜绕Z轴方向偏转；
[0012]所述第二反射镜和第二偏转电机、第三反射镜和第三偏转电机共同构成XY二维扫描模块，其中，第三偏转电机转轴与所述第三反射镜固连，用于带动所述第三反射镜绕X轴方向偏转；
[0013]第三偏转电机转轴沿X轴方向；第二偏转电机转轴与第三偏转电机转轴垂直。
[0014]优选地，所述三维扫描装置还包括：扩束准直镜组和导光镜，两者位置固定，且光轴通过两者的中心；
[0015]所述导光镜的反射平面与XY平面垂直，与光轴夹角呈45度，使导光镜中心的激光
束偏折90度进入第一反射镜的中心。
[0016]需要说明的是，本专利技术优选在动态调焦模块之前放置扩束准直透镜和导光镜，可减小能量密度高的小光斑对反射镜的损伤，其中，扩束准直镜组起放大准直作用，导光镜起改变光路，优化系统尺寸的作用。
[0017]优选地，所述三维扫描装置还包括：所述扩束准直镜组由平凹透镜和凹平透镜组成倒置的伽利略式结构。
[0018]优选地，所述三维扫描装置还包括：
[0019]扫描聚焦场镜，其位置固定，且中心与第三反射镜中心连线垂直于XY平面，出射光束用于聚焦到待加工工件的表面。
[0020]需要说明的是，考虑到激光束具有一定的发散角，本专利技术优选扫描聚焦场镜，激光束反射到第三反射镜中心后，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含三片反射镜动态调焦模块的三维扫描装置，其特征在于，包括：第一反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二反射镜、第三反射镜、第一偏转电机、第二偏转电机和第三偏转电机；所述第一反射镜、第一抛物面镜、第二抛物面镜、第二反射镜沿光路设置，与第一偏转电机、第二偏转电机共同构成双抛物面动态调焦模块，其中，所述第一抛物面镜和第二抛物面镜镜像对称布置，中心轴重合，所述第一反射镜、第二反射镜中心分别和第一抛物面镜、第二抛物面镜的焦点重合，所述第一偏转电机转轴与第一反射镜固连，用于带动第一反射镜绕Z轴方向偏转，第二偏转电机与所述第二反射镜转轴固连，用于带动第二反射镜绕Z轴方向偏转；所述第二反射镜和第二偏转电机、第三反射镜和第三偏转电机共同构成XY二维扫描模块，其中，第三偏转电机转轴与所述第三反射镜固连，用于带动所述第三反射镜绕X轴方向偏转；第三偏转电机转轴沿X轴方向；第二偏转电机转轴与第三偏转电机转轴垂直。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三维扫描装置还包括：扩束准直镜组和导光镜，两者位置固定，且光轴通过两者的中心；所述导光镜的反射平面与XY平面垂直，与光轴夹角呈45度，使导光镜中心的激光束偏折90度进入第一反射镜的中心。3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述三维扫描装置还包括：所述扩束准直镜组由平凹透镜和凹平透镜组成倒置的伽利略式结构。4.如权利要求1至3任一项所述的装置...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，刘翌，段军，马浩然，丁雨航，畅恂达，乔亚庆，陈天庭，杨少睿，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：