【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光加工领域，更具体地，涉及一种声光动态调焦模块及三维扫描系统。
技术介绍
1、随着激光加工技术的不断发展，为提高加工速度，对于激光的动态调焦速度有了更高的要求。激光扫描器件是改变激光调焦速度的关键，其最高的响应频率直接影响着激光聚焦速度。激光扫描器件可分为两大类：机械扫描器件和衍射扫描器件。机械扫描器件通过电机的直线运动控制光束直接沿轴改变或通过电机的圆周运动控制光束在聚焦前产生光程差，从而改变光束的聚焦位置。对于机械扫描器件而言，其响应频率最高为khz数量级，可实现m/s数量级的调焦速度，机械扫描器件包括振镜、棱镜、伽利略透射式动态聚焦模块、离轴抛物镜反射式动态聚焦模块等。衍射扫描器件利用液晶双折射、电光效应或声光效应等原理，改变介质折射率，从而实现光束偏转，包括液晶偏转器、声光偏转器等。为了提高加工速度，实现激光的快速聚焦，有些研究者使用了衍射扫描器件来替代机械扫描器件。
2、例如，专利cn115735158a公开了“用于控制激光束的聚焦的装置和方法”。该专利将激光束接收至声光偏转器中，通过向声光偏转器提供声波，从而在晶体内构建光栅并实现激光光束的偏转。声波频率的变化率在微扫描期间被调整，从而在与微扫描平行的方向上的激光束宽度内产生了声波频率差，频率差引起了激光束在与微扫描平行方向上的期望聚焦。这种方式的不足之处在于，利用频率差动态聚焦，声波频率随时间变化速度会对频率差产生干扰，从而影响扫描方向上激光束的聚焦。另外，在扫描过程中存在的非线性扫描也会影响扫描的速度变化，从而造成激光扫描过程中的位置变
3、专利cn202199931u公布了“一种基于声光效应加工微圆孔的激光扫描装置”，该专利在平面反射镜与激光器之间设置有声光调制器，反射镜反射激光光束下方设置有两块声光偏转器，通过两个互相垂直设置的声光偏转器，控制声光晶体中声波频率的非线性变化，改变衍射激光光束的偏转角，从而实现了激光光束的动态聚焦。但由于激光光束直接透过两块声光偏转器，再经平行平板后进行聚焦，因而动态聚焦范围有限。此外，由于两台声光偏转器位置固定，入射光束透射后方向变化有限，布拉格条件无法充分得到满足，衍射效率也会下降。
4、专利cn217412799u公开了“一种基于声光偏转器的振镜场镜式激光加工系统”，该专利包括声光偏转器和振镜，声光偏转器有两个声光偏转结构，分别为x轴声光偏转结构和y轴声光偏转结构，二者依次串联，配合振镜可实现光束在二维角度上的扫描，从而实现动态聚焦。但是由于被偏转的激光直径较大，声光偏转器对透射而过的激光偏转角度较小，因此需要通过聚焦镜和光阑将0级和1级衍射光区分，而用于加工的1级激光被偏转角度不固定，超出筛选范围激光无法通过光阑，使得激光加工范围较小。
技术实现思路
1、针对现有技术，本专利技术的目的在于提供一种基于声光动态调焦的三维扫描装置、方法和系统。旨在解决现有系统尺寸庞大笨重、存在像差、扫描速度低、激光三维扫描加工精度以及系统的稳定性和难以实现阶跃式加工等问题。
2、为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种用于三维扫描系统的声光动态调焦模块，所述声光动态调焦模块包括依次沿光路设置的多个光学组件以及聚焦场镜；
3、所述多个光学组件包括第一声光偏转器、第一凹面抛物面镜、第二凹面抛物面镜、第二声光偏转器以及聚焦场镜，且所述第一凹面抛物面镜以及第二凹面抛物面镜的凹面相对设置；
4、在任意两个光学组件之间设置有像差校正镜组；
5、所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)用于通过自身的折射率变化，从而使经聚焦场镜(4)聚焦后的激光的焦点沿光路方向发生偏转。
6、优选地，所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器的材料为光学各向异性材料，所述光学各向异性材料对目标波长的激光的声光衍射品质因数大于1.5，最大声光衍射效率大于80％，对超声的反射率小于10％。
7、作为进一步优选地，所述光学各向异性材料为钼酸铅、二氧化碲、铌酸锂或熔融石英。
8、优选地，在所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器的垂直于激光的光路的侧面设置有压电换能器；所述压电换能器用于在超声的驱动下产生压力，使得所述第一声光偏转器和所述第二声光偏转器在垂直于光路方向上的折射率产生周期性变化，形成光栅，从而使经聚焦场镜聚焦后的激光的焦点沿光路方向发生偏转。
9、作为进一步优选地，所述压电换能器在设置有压电换能器的一侧镀有膜层，所述膜层的材料为金、银、铝、环氧树脂或苯甲酸苯。
10、优选地，所述声光动态调焦模块还包括射频发生器以及功率放大器；
11、所述射频发生器的输出端连接所述功率放大器的输入端，用于产生超声波；所述功率放大器的输出端连接所述压电换能器的输入端，用于放大所述超声波的功率。
12、按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种包括上述声光动态调焦模块的三维扫描系统；所述三维扫描系统还包括二维扫描器件，所述二维扫描器件用于使经聚焦场镜聚焦后的激光的焦点在垂直于光路的平面方向内发生偏转。
13、优选地，所述二维扫描器件为设置于所述第二声光偏转的光路后方的振镜。
14、优选地，所述三维扫描系统还包括控制器和存储器；所述控制器的输出端直接或者间接地连接第一声光偏转器、第二声光偏转器和二维扫描器件的输入端；
15、所述控制器用于根据加工指令，向两声光偏转器和/或二维扫描器件施加控制信号，使得所述激光的焦点在沿光路方向和/或垂直于光路的平面方向内发生偏转；所述存储器的输出端连接所述控制器的输入端，所述存储器用于存储所述控制器用以执行的程序。
16、优选地，还包括激光器，所述激光器设置于光路的最前端，用于发出激光。
17、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
18、1.本专利技术提供了一种声光动态调焦模块；不同于现有技术采用振镜或者机械臂的结构，本专利技术采用第一声光偏转器、双抛物面镜系统、第二声光偏转器组成声光动态调焦模块；由于声光偏转器的“0惯量”特性，沿光路方向的调焦频率可从khz提高到mhz级别，提高了三维扫描的速度，从而大幅提高了系统的调焦性能；由于声光偏转器的对光束的调焦频率可达到mhz级别，故能实现传统调焦器件无法实现的阶跃式加工；
19、2.本专利技术提供一种声光动态调焦模块中的像差校正镜组，位于声光动态调焦模块沿光路设置的任意两个相邻光学组件之间，用于减小离轴光路中其他光线和每束离轴光线的中心光线之间的光程差，进而校正动态调焦过程产生的像差，从而将三维扫描范围相较于现有技术提高；
20、3.本专利技术的三维扫描系统除采用声光动态调焦模块外，还优选采用二维扫描器件组成二维扫描模块，实现激光聚焦位置的平面扫描加工功能；
21、4.在第一声光偏转器和第二声光偏转器的垂直于激光的光路的侧面设置压电换本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于三维扫描系统的声光动态调焦模块，包括依次沿激光的光路设置的多个光学组件，其特征在于，所述多个光学组件包括第一声光偏转器(2-1)、第一凹面抛物面镜(2-2)、第二凹面抛物面镜(2-3)、第二声光偏转器(2-5)以及聚焦场镜(4)；所述第一凹面抛物面镜(2-2)以及第二凹面抛物面镜(2-3)的凹面相对设置；
2.如权利要求1所述的声光动态调焦模块，其特征在于，所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)的材料为光学各向异性材料，所述光学各向异性材料对激光的声光衍射品质因数大于1.5，最大声光衍射效率大于80％，对超声的反射率小于10％。
3.如权利要求2所述的声光动态调焦模块，其特征在于，所述光学各向异性材料为钼酸铅、二氧化碲、铌酸锂或熔融石英。
4.如权利要求1所述的声光动态调焦模块，其特征在于，在所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)的垂直于激光的光路的侧面设置有压电换能器；所述压电换能器用于在超声的驱动下，对所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)产生压力，使得所述第一声光偏转
5.如权利要求4所述的声光动态调焦模块，其特征在于，所述压电换能器在设置有压电换能器的一侧镀有膜层，所述膜层的材料为金、银、铝、环氧树脂或苯甲酸苯。
6.如权利要求4所述的声光动态调焦模块，其特征在于，还包括射频发生器以及功率放大器；
7.一种三维扫描系统，包括如权利要求1-6中任意一项所述的声光动态调焦模块，其特征在于，还包括二维扫描器件(3)，所述二维扫描器件(3)用于使经聚焦场镜(4)聚焦后的激光的焦点在垂直于光路的平面方向内发生偏转。
8.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，所述二维扫描器件(3)为设置于所述第二声光偏转器(2-5)的光路后方的振镜。
9.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，还包括控制器(5)和存储器；
10.如权利要求7所述的三维扫描系统，其特征在于，还包括激光器(1)，所述激光器(1)设置于光路的最前端，用于发出激光。
...【技术特征摘要】
1.一种用于三维扫描系统的声光动态调焦模块，包括依次沿激光的光路设置的多个光学组件，其特征在于，所述多个光学组件包括第一声光偏转器(2-1)、第一凹面抛物面镜(2-2)、第二凹面抛物面镜(2-3)、第二声光偏转器(2-5)以及聚焦场镜(4)；所述第一凹面抛物面镜(2-2)以及第二凹面抛物面镜(2-3)的凹面相对设置；
2.如权利要求1所述的声光动态调焦模块，其特征在于，所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)的材料为光学各向异性材料，所述光学各向异性材料对激光的声光衍射品质因数大于1.5，最大声光衍射效率大于80％，对超声的反射率小于10％。
3.如权利要求2所述的声光动态调焦模块，其特征在于，所述光学各向异性材料为钼酸铅、二氧化碲、铌酸锂或熔融石英。
4.如权利要求1所述的声光动态调焦模块，其特征在于，在所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏转器(2-5)的垂直于激光的光路的侧面设置有压电换能器；所述压电换能器用于在超声的驱动下，对所述第一声光偏转器(2-1)和所述第二声光偏...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊敏，陈乔丹，陈天庭，刘翌，张云飞，陈发钰，叶亚光，乔亚庆，马浩然，段军，熊伟，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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