本發(fā)明涉及激光振鏡掃描技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種單振鏡全反射式位移調(diào)焦3D掃描光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光加工技術(shù)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(zhì)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(zhì)量等優(yōu)勢，奠定了激光加工技術(shù)是一種無可替代的高新技術(shù)。

當(dāng)前激光切割占了整個激光加工行業(yè)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(yè)的應(yīng)用推廣。

在激光工業(yè)加工應(yīng)用中，常規(guī)的激光技術(shù)方案不足以滿足各類加工需求，各類復(fù)雜圖形的處理應(yīng)用多有限制，靠著龐大的機床設(shè)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(yīng)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(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)各類形狀的快速掃描，且掃描精度與重復(fù)極高，主要用于激光打標、激光內(nèi)雕、激光焊接、激光打孔行業(yè)等，隨著激光功率的逐步提升，振鏡掃描應(yīng)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(yè)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(yīng)用的限制，再加上常規(guī)的雙振鏡掃描系統(tǒng)兩片振鏡都會因為鏡片的光束偏轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yōu)勢。而且，普通振鏡掃描系統(tǒng)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(fā)明提出一種鏡片數(shù)量少、能量利用率高的全反射式金屬單振鏡系統(tǒng)，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(zhuǎn)特性，基于擴束聚焦模塊的位移調(diào)焦，基于金屬材料的良好導(dǎo)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(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種單振鏡全反射式位移調(diào)焦3D掃描光學(xué)系統(tǒng)，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種單振鏡全反射式位移調(diào)焦3D掃描光學(xué)系統(tǒng),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(zhuǎn)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(yōu)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(yōu)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(nèi)部均設(shè)有冷卻水通道。

優(yōu)選的，所述凹橢球面反射鏡前焦距較短，后焦距較長。

優(yōu)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(dǎo)熱性良好的金屬鏡片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，采用單振鏡掃描方案，平面反射振鏡具備雙軸旋轉(zhuǎn)，即既能繞反射鏡面旋轉(zhuǎn)，也能以入射光軸旋轉(zhuǎn)。

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

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

(4)本發(fā)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(xiàn)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(fā)明通過平面反射振鏡雙軸旋轉(zhuǎn)，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(xiàn)3D大幅面激光掃描應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體工作原理圖；

圖2為本發(fā)明的平面反射振鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的實施例2結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-4，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種單振鏡全反射式位移調(diào)焦3D掃描光學(xué)系統(tǒng),包括凸面離軸拋物鏡1、凹橢球面反射鏡2以及平面反射振鏡3,所述凸面離軸拋物鏡1與所述凹橢球面反射鏡2有相同的光束偏轉(zhuǎn)角且中心法線平行，所述凸面離軸拋物鏡1焦點與所述凹橢球面反射鏡2前焦點重合，所述凸面離軸拋物鏡1、凹橢球面反射鏡2、平面反射振鏡3中心與光束中心重合。

本發(fā)明中，在保證通光孔徑利用率基礎(chǔ)上，為了降低鏡片重量，并便于安裝與識別鏡片方向性，凸面離軸拋物鏡1與凹橢球面反射鏡2均為圓柱狀斜面反射鏡。

本發(fā)明中，凸面離軸拋物鏡1用作擴束鏡，凹橢球面反射鏡2用作擴束鏡與聚焦鏡。

本發(fā)明中，凸面離軸拋物鏡1，凹橢球面反射鏡2以及平面反射振鏡3內(nèi)部均設(shè)有冷卻水通道，用于直接水冷，提高鏡片承受激光功率。

本發(fā)明中，凹橢球面反射鏡2有前后兩種焦距，前焦距較短，后焦距較長，凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2前焦距配合實現(xiàn)對入射光束擴束，凹橢球面反射鏡2后焦距對擴束光束進行聚焦。

本發(fā)明中，平面反射振鏡3具備雙軸旋轉(zhuǎn)方式，即既能繞反射鏡面中心軸7旋轉(zhuǎn)，也能以入射光軸8旋轉(zhuǎn)。

工作原理：在平行光束水平入射到凸面離軸拋物鏡1后，光束發(fā)散并以一定光束偏轉(zhuǎn)角反射到凹橢球面反射鏡2，并經(jīng)過凹橢球面反射鏡2中心，凹橢球面反射鏡2前焦距與凸面離軸拋物鏡1焦距絕對比值，為激光束的放大倍數(shù)，其目的在于長聚焦情況下，縮小聚焦光斑直徑，提高聚焦光斑功率密度。凹橢球面反射鏡2的后焦距較長，為m量級，經(jīng)由凹橢球面反射鏡2前焦距與凸面離軸拋物鏡1擴束后的光束經(jīng)過凹橢球面反射鏡2后焦距聚焦，聚焦光束再由平面反射振鏡3反射，當(dāng)平面反射振鏡3繞鏡中心面軸7、入射光軸8按照一定的關(guān)系旋轉(zhuǎn)時，在平面反射振鏡3下方任意面上將產(chǎn)生二維的掃描圖形，此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來補償焦距，即可實現(xiàn)3D掃描激光加工。

實施例1：

本實施例是針對光纖輸出類激光器，光纖激光輸出后，經(jīng)過離軸拋物鏡4準直，其中，光纖出光點位置與離軸拋物鏡4焦點重合，準直光束經(jīng)過凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴束聚焦后，再經(jīng)過雙軸旋轉(zhuǎn)的平面反射振鏡3，實現(xiàn)3D空間掃描，此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來獲得任意3D位置上的焦點補償。

實施例2：

本實施例是針對自由輸出平行光束，平面反射鏡5與平面反射鏡6組成光束同軸調(diào)節(jié)模塊，在平行光束入射下，依次經(jīng)過平面反射鏡5與平面反射鏡6，由于入射過程中可能產(chǎn)生角度偏差與位置偏差，所以需要平面反射鏡5與平面反射鏡6組成的光束同軸調(diào)節(jié)系統(tǒng)對光束同軸進行調(diào)節(jié)，再經(jīng)過凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴束聚焦，最后經(jīng)過雙軸旋轉(zhuǎn)的平面反射振鏡3，實現(xiàn)3D空間掃描，此時通過凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動來獲得任意3D位置上的焦點補償。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，采用單振鏡掃描方案，在同樣實現(xiàn)3D大幅掃描的同時優(yōu)化振鏡數(shù)量，雙軸旋轉(zhuǎn)中繞入射光軸旋轉(zhuǎn)不影響激光反射率，改善了光束偏轉(zhuǎn)角所引起的激光反射率變化，全反射式金屬光學(xué)鏡片，可直接水冷，具有良好導(dǎo)熱特性，大幅提高鏡片承受功率，同時較長的聚焦焦距，通過擴束聚焦模塊的位移補償，根據(jù)激光器的種類有不同的鍍膜，尤其適用于千瓦、萬瓦級高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應(yīng)用。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。