本實(shí)用新型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(shì)，奠定了激光加工技術(shù)是一種無(wú)可替代的高新技術(shù)。

當(dāng)前激光切割占了整個(gè)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(kuò)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(gè)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(jī)床設(shè)備運(yùn)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(yùn)而生。

振鏡掃描以高速著稱，在mm量級(jí)乃至大范圍的m量級(jí)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(biāo)、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(kuò)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(wú)法直接水冷仍將受到高功率特別是萬(wàn)瓦級(jí)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(huì)因?yàn)殓R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(wèn)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(shì)。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(guò)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(duì)更好。

基于上述各點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一種鏡片數(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(kuò)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(wàn)瓦級(jí)高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型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(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(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(diǎn)與所述凹橢球面反射鏡前焦點(diǎn)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(zhǎng)。

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，本實(shí)用新型的有益效果是：

(1)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)本實(shí)用新型中，在同樣實(shí)現(xiàn)3D大幅掃描的同時(shí)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)本實(shí)用新型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)本實(shí)用新型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(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束擴(kuò)束，凹橢球面反射鏡后焦距對(duì)擴(kuò)束光束進(jìn)行聚焦。

(5)本實(shí)用新型通過(guò)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(kuò)束聚焦模塊沿入射光軸移動(dòng)進(jìn)行焦距補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)3D大幅面激光掃描應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的整體工作原理圖；

圖2為本實(shí)用新型的平面反射振鏡結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型的實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型的實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-4，本實(shí)用新型提供一種技術(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(diǎn)與所述凹橢球面反射鏡2前焦點(diǎn)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。

本實(shí)用新型中，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(shí)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。

本實(shí)用新型中，凸面離軸拋物鏡1用作擴(kuò)束鏡，凹橢球面反射鏡2用作擴(kuò)束鏡與聚焦鏡。

本實(shí)用新型中，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。

本實(shí)用新型中，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(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)對(duì)入射光束擴(kuò)束，凹橢球面反射鏡2后焦距對(duì)擴(kuò)束光束進(jìn)行聚焦。

本實(shí)用新型中，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(guò)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(duì)比值，為激光束的放大倍數(shù)，其目的在于長(zhǎng)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(zhǎng)，為m量級(jí)，經(jīng)由凹橢球面反射鏡2前焦距與凸面離軸拋物鏡1擴(kuò)束后的光束經(jīng)過(guò)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(shí)，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(shí)通過(guò)凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴(kuò)束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償焦距，即可實(shí)現(xiàn)3D掃描激光加工。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例是針對(duì)光纖輸出類激光器，光纖激光輸出后，經(jīng)過(guò)離軸拋物鏡4準(zhǔn)直，其中，光纖出光點(diǎn)位置與離軸拋物鏡4焦點(diǎn)重合，準(zhǔn)直光束經(jīng)過(guò)凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴(kuò)束聚焦后，再經(jīng)過(guò)雙軸旋轉(zhuǎn)的平面反射振鏡3，實(shí)現(xiàn)3D空間掃描，此時(shí)通過(guò)凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴(kuò)束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動(dòng)來(lái)獲得任意3D位置上的焦點(diǎn)補(bǔ)償。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例是針對(duì)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(guò)平面反射鏡5與平面反射鏡6，由于入射過(guò)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(duì)光束同軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，再經(jīng)過(guò)凸面離軸拋物鏡1和凹橢球面反射鏡2擴(kuò)束聚焦，最后經(jīng)過(guò)雙軸旋轉(zhuǎn)的平面反射振鏡3，實(shí)現(xiàn)3D空間掃描，此時(shí)通過(guò)凸面離軸拋物鏡1焦距與凹橢球面反射鏡2所組合的擴(kuò)束聚焦模塊沿著入射光軸水平移動(dòng)來(lái)獲得任意3D位置上的焦點(diǎn)補(bǔ)償。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，采用單振鏡掃描方案，在同樣實(shí)現(xiàn)3D大幅掃描的同時(shí)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(shí)較長(zhǎng)的聚焦焦距，通過(guò)擴(kuò)束聚焦模塊的位移補(bǔ)償，根據(jù)激光器的種類有不同的鍍膜，尤其適用于千瓦、萬(wàn)瓦級(jí)高功率激光器的3D激光大幅掃描加工應(yīng)用。

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