CN110421253A - 激光扫描系统及具有其的激光雕刻系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光扫描系统及具有其的激光雕刻系统。该激光扫描系统包括：Z轴单元，位于激光束的光轴上，用于改变焦点在z轴方向的位置，定义光轴为第一光轴；振镜组件，位于Z轴单元一侧的第一光轴上，激光束在经过振镜组件后由第一光轴偏转为第二光轴，振镜组件用于改变焦点在x轴方向和y轴方向的位置；场镜，位于振镜组件与工件之间的第二光轴上，用于聚焦被振镜组件偏转的激光束以形成焦点；成像单元，用于采集被工件反射的照明光束以进行成像。本发明在三轴振镜中增加了成像单元，通过获取工件表面的图像信息，方便对工件进行观察并基于图像进行工件定位，从而对工件进行加工时具有加工深度大、加工精度高以及加工准确度高的优点。

Description

激光扫描系统及具有其的激光雕刻系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种激光扫描系统及具有其的激光雕刻系统。

背景技术

激光雕刻技术是指将激光源产生的激光束，经扫描振镜偏转一定角度后，再通过场镜聚焦激光束，实现聚焦激光束对工件的雕刻与切割。然而，二轴振镜无法实现纵向平面内运动，即无法实现动态调焦。尤其当需要加工深度较大的工件或者进行曲面雕刻时，随着激光对工件雕刻的深度增加，加工位置逐渐远离激光的焦点位置，此时则无法实现激光的精准雕刻，导致加工效果差，加工效率低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种激光扫描系统及具有其的激光雕刻系统，以解决现有技术中的激光雕刻技术无法实现激光的精准雕刻的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种激光扫描系统，激光束通过激光扫描系统在工件上形成焦点，定义工件位于由x轴、y轴和z轴构成的三维坐标系中，上述激光扫描系统包括：Z轴单元，位于激光束的光轴上，用于改变激光束的发散角，从而改变激光束在z轴方向的聚焦位置，定义光轴为第一光轴；振镜组件，位于Z轴单元一侧的第一光轴上，激光束在经过振镜组件后由第一光轴偏转为第二光轴，振镜组件用于改变焦点在x轴方向和y轴方向的位置；场镜，位于振镜组件与工件之间的第二光轴上，用于聚焦被振镜组件偏转的激光束以形成焦点；成像单元，用于采集被工件反射的照明光束以进行成像。

进一步地，第一光轴与第二光轴垂直。

进一步地，振镜组件包括：x轴振镜，位于场镜远离工件的一侧，第一光轴经x轴振镜后偏转为第三光轴，x轴振镜用于反射激光束以改变焦点在x轴方向的位置；y轴振镜，第三光轴经y轴振镜后偏转为第二光轴，y轴振镜用于进一步反射激光束以改变焦点在y轴方向的位置。

进一步地，振镜组件还包括第一电机和第二电机，第一电机与x轴振镜连接，用于控制x轴振镜的偏转角度，第二电机与y轴振镜连接，用于控制y轴振镜的偏转角度，Z轴单元包括：扩束器，位于激光束的光轴上，用于将激光束扩束并改变激光束的发散角；控制器，分别与第一电机和第二电机连接，用于控制焦点在三维坐标系中的位置。

进一步地，成像单元包括：合束镜，位于振镜组件与Z轴单元之间的第一光轴上，用于反射照明光束，合束镜靠近Z轴单元的第一镜面透过激光束，合束镜靠近振镜组件的第二镜面反射照明光束并透过激光束；成像模块，位于合束镜的一侧，用于采集被合束镜反射的照明光束以进行成像。

进一步地，合束镜的镜面与第一光轴之间的夹角为45°。

进一步地，成像模块包括：成像物镜，位于合束镜的一侧，用于将被第二镜面反射的照明光束聚焦；CCD相机，位于成像物镜远离合束镜的一侧，用于采集聚焦的照明光束以进行成像。

进一步地，激光扫描系统还包括激光光源，激光光源位于Z轴单元远离振镜组件的一侧，用于发射具有第一光轴的激光束。

进一步地，激光扫描系统还包括照明光源，照明光源为波长为635nm的镭射灯。

根据本发明的另一方面，提供了一种激光雕刻系统，具有上述的激光扫描系统，激光束通过激光扫描系统对工件上进行雕刻。

应用本发明的技术方案，提供了一种激光扫描系统，该激光扫描系统在常规2D振镜与场镜的基础上增加一个Z轴单元，用于改变激光束的发散角，从而改变焦点在z轴方向的位置，实现三位动态聚焦，以确保激光束的焦点位置跟随加工位置的移动而相应的变化，实现对聚焦误差的实时动态补偿，同时在三轴振镜中增加了成像单元，通过获取工件表面的图像信息，方便对工件进行观察，从而使上述激光扫描系统对工件进行加工时，能够具有加工深度大、加工精度高以及加工准确度高的优点。进一步地，通过使成像单元中成像物镜的焦距与z轴方向的移动存在一定的函数关系，当z方向产生移动时成像物镜可以做出相应的变焦处理，实现对激光加工位置图像的实时获取，进一步提高加工的精度与准确度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明所提供的一种激光扫描系统的结构原理示意图；

图2示出了本发明所提供的一种激光雕刻系统的立体结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、Z轴单元；2、成像单元；3、振镜组件；4、场镜；5、成像物镜；6、CCD相机；7、合束镜；8、工件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中当需要加工深度较大的工件或者进行曲面雕刻时，随着激光对工件雕刻的深度增加，加工位置逐渐远离激光的焦点位置，此时则无法实现激光的精准雕刻，导致加工效果差，加工效率低。

本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种激光扫描系统，如图1所示，激光束通过激光扫描系统在工件8上形成焦点，定义工件8位于由x轴、y轴和z轴构成的三维坐标系中，激光扫描系统包括Z轴单元1、振镜组件3、场镜4和成像单元2，Z轴单元1位于激光束的光轴上，用于改变激光束的发散角，从而改变激光束在z轴方向的聚焦位置，定义光轴为第一光轴；振镜组件3位于Z轴单元1一侧的第一光轴上，激光束在经过振镜组件3后由第一光轴偏转为第二光轴，振镜组件3用于改变焦点在x轴方向和y轴方向的位置；场镜4位于振镜组件3与工件8之间的第二光轴上，用于聚焦被振镜组件3偏转的激光束以形成焦点；成像单元2用于采集被工件8反射的照明光束以进行成像。

上述激光扫描系统通过在现有技术中常规2D振镜与场镜的基础上，在激光进入振镜之前增加一个Z轴单元，用于改变激光束的发散角，从而改变焦点在z轴方向的位置，随扫描位置的不同，通过上述Z轴单元使焦点在z轴方向移动，以确保激光束的焦点位置跟随加工位置的移动而相应的变化来实现对聚焦误差的实时动态补偿，具有动态聚焦作用，构成的三轴振镜系统在对工件进行加工时具有加工深度大，加工精度高的优点。

同时，在三轴振镜中增加了成像单元，通过获取工件表面的图像信息，方便对工件进行观察，从而使上述激光扫描系统对工件进行加工时，能够具有加工深度大、加工精度高以及加工准确度高的优点。

进一步地，通过使成像单元中成像物镜的焦距与z轴方向的移动存在一定的函数关系，当z方向产生移动时成像物镜可以做出相应的变焦处理，实现对激光加工位置图像的实时获取，进一步提高加工的精度与准确度。

在本发明的上述激光扫描系统中，优选地，第一光轴与第二光轴垂直，当激光束在经过振镜组件3前为水平方向时，在经过振镜组件3后被偏转为竖直方向并经场镜4聚焦到工件8上，从而将上述激光扫描系统应用于激光雕刻中，通过将工件8水平放置就能够实现对工件8的深度雕刻。

在本发明的上述激光扫描系统中，如图1所示，激光束可以先经过振镜组件3偏转，然后经过场镜4聚焦到工件8上，此时上述振镜组件3为后聚焦扫描振镜(Post-Scan)，即扫描后聚焦。

定义工件8位于由x轴、y轴和z轴构成的三维坐标系中，利用上述振镜组件3能够调整工件8上焦点在x轴方向和y轴方向的位置。如图1所示，振镜组件3可以包括x轴振镜和y轴振镜，x轴振镜位于场镜4远离工件8的一侧，第一光轴经x轴振镜后偏转为第三光轴，x轴振镜用于反射激光束以改变焦点在x轴方向的位置；第三光轴经y轴振镜后偏转为第二光轴，y轴振镜用于进一步反射激光束以改变焦点在y轴方向的位置。

上述振镜组件3还可以包括第一电机和第二电机，第一电机与x轴振镜连接，用于控制x轴振镜的偏转角度，第二电机与y轴振镜连接，用于控制y轴振镜的偏转角度。

具体地，上述x轴振镜和y轴振镜分别在电机的带动下高速来回延轴旋转，以达到改变激光束路径的目的，激光束在旋转的x轴振镜的作用下发生偏转，被反射到旋转的y轴振镜上，从而被进一步反射至场镜4，进而通过场镜4实现在工件8上的焦点。

在本发明的上述激光扫描系统中，Z轴单元1能够调整工件8上焦点在z轴方向的位置，优选地，Z轴单元1包括扩束器和控制器，扩束器位于激光束的光轴上，用于将激光束扩束并改变激光束的发散角；控制器分别与第一电机和第二电机连接，用于控制焦点在三维坐标系中的位置。上述z轴单元1受控制器(振镜控制卡)的控制，不仅能够在加工过程中控制工件上焦点在x轴方向和y轴方向的雕刻位置，还能够在加工过程中随着工件雕刻位置在z轴方向的变化，从而实现实时的动态聚焦。

在本发明的上述激光扫描系统中，如图1所示，优选地，成像单元2包括合束镜7和成像模块，如图1所示，合束镜7位于振镜组件3与Z轴单元1之间的第一光轴上，用于反射照明光束，合束镜7靠近Z轴单元1的第一镜面透过激光束，合束镜7靠近振镜组件3的第二镜面反射照明光束并透过激光束；成像模块位于合束镜7的一侧，用于采集被合束镜7反射的照明光束以进行成像。

上述合束镜7的第一镜面和第二镜面由于均能够激光束，从而不影响激光束由Z轴单元1向同位于第一光轴上的振镜组件3的传递。

被上述合束镜7反射的照明光束进入上述成像模块进行成像，以形成待加工工件8表面的图像，成像原理可以包括：同样具有上述第二光轴的照明光束照射到工件8上并被工件8反射，反射的照明光束通过场镜4后被振镜组件3偏转为具有上述第一光轴的激光束并经位于第一光轴上的合束镜7的第二镜面反射至成像单元2中进行成像。

优选地，上述合束镜7的镜面与第一光轴之间的夹角为45°。当照明光束经过振镜组件3后为水平方向时，通过上述合束镜7后被偏转为竖直方向，以进入位于进入合束镜7上方的成像单元2中，从而实现工件8表面图像信息的获取。

优选地，上述成像模块包括成像物镜5和CCD相机6，成像物镜5位于合束镜7的一侧，用于将被第二镜面反射的照明光束聚焦；CCD相机6位于成像物镜5远离合束镜7的一侧，用于采集聚焦的照明光束以进行成像。通过在Z轴单元1与振镜组件3之间加入上述CCD视觉成像系统，照明光源被工件8表面反射，经过场镜4以及振镜组件3偏转，然后被合束镜7反射后，由成像物镜5聚焦至CCD相机6上形成待加工工件表面的图像。

进一步地，当Z轴单元1前后移动使得激光焦点位置改变时，成像物镜5同时依靠一定的函数关系做出相应的变焦处理，确保CCD相机6的成像位置与激光加工位置一致，这样就可以获取加工位置的实时图像，有利于观察加工效果。

本发明的上述激光扫描系统还可以包括激光光源，激光光源位于Z轴单元1远离振镜组件3的一侧，用于发射具有第一光轴的激光束。

本发明的上述激光扫描系统还包括照明光源，本领域技术人员可以根据实际需求对上述照明光源的种类进行合理选取，如上述照明光源可以为波长为635nm的镭射灯。

根据本发明的另一方面，还提供了一种激光雕刻系统，如图2所示，该激光雕刻系统具有上述的激光扫描系统，激光束通过激光扫描系统对工件8上进行雕刻。

上述激光雕刻系统包括Z轴单元1、振镜组件3、场镜4和成像单元2，Z轴单元1位于激光束的光轴上，用于改变焦点在z轴方向的位置，定义光轴为第一光轴；振镜组件3位于Z轴单元1一侧的第一光轴上，激光束在经过振镜组件3后由第一光轴偏转为第二光轴，振镜组件3用于改变焦点在x轴方向和y轴方向的位置；场镜4位于振镜组件3与工件8之间的第二光轴上，用于聚焦被振镜组件3偏转的激光束以形成焦点；成像单元2用于采集被工件8反射的照明光束以进行成像。

本发明的上述激光雕刻系统中由于在现有技术中常规2D振镜与场镜的基础上，在激光进入振镜之前增加一个Z轴单元，用于改变焦点在z轴方向的位置，构成的三轴振镜系统在对工件进行加工时加工深度大、加工精度高，适合工件的深雕加工。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、通过上述Z轴单元使焦点在z轴方向移动，以确保激光束的焦点位置跟随光斑的移动而相应的变化来实现对聚焦误差的实时动态补偿，具有动态聚焦作用，构成的三轴振镜系统在对工件进行加工时具有加工深度大、加工精度高的优点，适合工件的深雕加工；

2、通过获取工件表面的图像信息，方便对工件进行观察，从而使上述激光扫描系统对工件进行加工时，能够具有加工深度大、加工精度高以及加工准确度高的优点；

3、通过使成像单元中成像物镜的焦距与z轴方向的移动存在一定的函数关系，当z方向产生移动时成像物镜可以做出相应的变焦处理，实现对激光加工位置图像的实时获取，进一步提高加工的精度与准确度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光扫描系统，激光束通过所述激光扫描系统在工件(8)上形成焦点，其特征在于，定义所述工件(8)位于由x轴、y轴和z轴构成的三维坐标系中，所述激光扫描系统包括：

Z轴单元(1)，位于所述激光束的光轴上，用于改变所述激光束的发散角，从而改变所述激光束在z轴方向的聚焦位置，定义所述光轴为第一光轴；

振镜组件(3)，位于所述Z轴单元(1)一侧的所述第一光轴上，所述激光束在经过所述振镜组件(3)后由所述第一光轴偏转为第二光轴，所述振镜组件(3)用于改变所述焦点在x轴方向和y轴方向的位置；

场镜(4)，位于所述振镜组件(3)与所述工件(8)之间的所述第二光轴上，用于聚焦被所述振镜组件(3)偏转的激光束以形成所述焦点；

成像单元(2)，用于采集被所述工件(8)反射的照明光束以进行成像。

2.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述第一光轴与所述第二光轴垂直。

3.根据权利要求1或2所述的激光扫描系统，其特征在于，所述振镜组件(3)包括：

x轴振镜，位于所述场镜(4)远离所述工件(8)的一侧，所述第一光轴经所述x轴振镜后偏转为第三光轴，所述x轴振镜用于反射所述激光束以改变所述焦点在x轴方向的位置；

y轴振镜，所述第三光轴经所述y轴振镜后偏转为所述第二光轴，所述y轴振镜用于进一步反射所述激光束以改变所述焦点在y轴方向的位置。

4.根据权利要求3所述的激光扫描系统，其特征在于，所述振镜组件(3)还包括第一电机和第二电机，所述第一电机与所述x轴振镜连接，用于控制所述x轴振镜的偏转角度，所述第二电机与所述y轴振镜连接，用于控制所述y轴振镜的偏转角度，所述Z轴单元(1)包括：

扩束器，位于所述激光束的光轴上，用于将所述激光束扩束并改变所述激光束的发散角；

控制器，分别与所述第一电机和所述第二电机连接，用于控制所述焦点在三维坐标系中的位置。

5.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述成像单元(2)包括：

合束镜(7)，位于所述振镜组件(3)与所述Z轴单元(1)之间的所述第一光轴上，用于反射所述照明光束，所述合束镜(7)靠近所述Z轴单元(1)的第一镜面透过所述激光束，所述合束镜(7)靠近所述振镜组件(3)的第二镜面反射所述照明光束并透过所述激光束；

成像模块，位于所述合束镜(7)的一侧，用于采集被所述合束镜(7)反射的所述照明光束以进行成像。

6.根据权利要求5所述的激光扫描系统，其特征在于，所述合束镜(7)的镜面与所述第一光轴之间的夹角为45°。

7.根据权利要求5所述的激光扫描系统，其特征在于，所述成像模块包括：

成像物镜(5)，位于所述合束镜(7)的一侧，用于将被所述第二镜面反射的所述照明光束聚焦；

CCD相机(6)，位于所述成像物镜(5)远离所述合束镜(7)的一侧，用于采集聚焦的所述照明光束以进行成像。

8.根据权利要求1或2所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统还包括激光光源，所述激光光源位于所述Z轴单元(1)远离所述振镜组件(3)的一侧，用于发射具有所述第一光轴的所述激光束。

9.根据权利要求1所述的激光扫描系统，其特征在于，所述激光扫描系统还包括照明光源，所述照明光源为波长为635nm的镭射灯。

10.一种激光雕刻系统，其特征在于，具有权利要求1至9中任一项所述的激光扫描系统，激光束通过所述激光扫描系统对所述工件(8)上进行雕刻。