一种级联粗精耦合光学扫描装置

摘要

本发明涉及一种级联粗精耦合光学扫描装置，沿光轴方向由旋转双棱镜系统和正交偏摆光学平板系统组成，所述旋转双棱镜系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个楔形棱镜绕Z轴旋转实现粗扫描；正交偏摆光学平板系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个光学平板绕Y轴和绕X轴偏摆，通过折射光束的位移偏移来实现光束在局部范围内的位移平移，满足精细的扫描要求；所述旋转双棱镜系统的两套棱镜系统均由底座、旋转步进电机、编码器、楔形棱镜、镜框、蜗轮、蜗杆和镜架组成，所述正交偏摆平板系统由第二底座、第三镜架、第三旋转步进电机、第一平面镜、第三镜框、第三编码器、第四编码器、第四镜框、第二平面镜、第四旋转步进电机和第四镜架组成，本发明易于控制光束传播方向，控制方便。

权利要求

1.一种级联粗精耦合光学扫描装置，其特征在于沿光轴方向由旋转双棱镜系统和正交偏摆光学平板系统组成，所述旋转双棱镜系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个楔形棱镜绕Z轴旋转实现粗扫描；正交偏摆光学平板系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个光学平板绕Y轴和绕X轴偏摆，通过反射光束的位移偏移来实现光束在局部范围内的位移平移，满足精细的扫描要求；

所述的旋转双棱镜系统由第一底座(1)、第一旋转步进电机(2)、第一编码器(3)、第一楔形棱镜(4)、第一镜框(5)、第一蜗轮(6)、第一蜗杆(7)、第一镜架(8)、第二旋转步进电机(9)、第二编码器(10)、第二楔形棱镜(11)、第二镜框(12)、第二蜗轮(13)、第二蜗杆(14)和第二镜架(15)组成，第一镜架(8)上设有第一镜框(5)，第一楔形棱镜(4)内置于第一镜框(5)上，第一镜框(5)压紧于第一蜗轮(6)内部，第一蜗轮(6)与第一蜗杆(7)接合形成蜗轮蜗杆连接，第一旋转步进电机(2)和第一编码器(3)分别位于第一蜗杆的蜗杆轴两端；第二镜架(15)上设有第二镜框(17)，第二楔形棱镜(11)内置于第二镜框(17)上，第二镜框(12)压紧于第二蜗轮(13)内部，第二蜗轮(13)与第二蜗杆(14)接合形成蜗轮蜗杆连接，第二旋转步进电机(9)和第二编码器(10)分别位于第二蜗杆(14)的蜗杆轴两端；第一镜架(8)和第二镜架(15)分别布置于第一底座(1)上，且可以在第一底座(1)上来回滑动，以调节第一楔形棱镜(4)和第二楔形棱镜(11)的距离；第一旋转步进电机(2)的旋转运动通过第一镜架(8)内部的第一蜗轮(6)和第一蜗杆(7)传递到第一镜框(5)，使得第一镜框(5)绕Z轴旋转，进而带动第一楔形棱镜(4)绕Z轴旋转；第二旋转步进电机(9)的旋转运动通过第二镜架(15)内部的第二蜗轮(13)和第二蜗杆(14)传递到第二镜框(12)，使得第二镜框(12)绕Z轴旋转，进而带动第二楔形棱镜(11)绕Z轴旋转；

所述正交偏摆光学平板系统由第二底座(16)、第三镜架(17)、第三旋转步进电机(18)、第一平面镜(19)、第三镜框(20)、第三编码器(21)、第四编码器(22)、第四镜框(23)、第二平面镜(24)、第四旋转步进电机(25)和第四镜架(26)组成，所述第三镜架(17)上设有第一旋转轴，第三镜框(20)固定于所述第一旋转轴上，第三旋转步进电机(18)与第三编码器(21)分别安装于第一旋转轴两端，第一平面镜(19)内置于第三镜框(20)上；所述第四镜架(26)上设有第二旋转轴，第四镜框(23)固定系于所述第二旋转轴上，第四旋转步进电机(25)与第四编码器(22)分别安装于第二旋转轴两端，第二平面镜(24)内置于第四镜框(23)上；第三镜架(17)和第四镜架(26)分别布置于第二底座(16)上，且可以在第二底座(16)上来回滑动，第三旋转步进电机(18)的旋转运动通过第一旋转轴传递到第三镜框(20)上，使第三镜框(20)绕着Y轴偏摆，带动第一平面镜(19)绕着Y轴偏摆；第四旋转步进电机(25)的旋转运动通过第二旋转轴传递到第四镜框(23)上，使第四镜框(23)绕着X轴偏摆，带动第二平面镜(24)绕着X轴偏摆；

所述第一旋转步进电机(2)、第二旋转步进电机(9)、第三旋转步进电机(18)和第四旋转步进电机(25)分别通过数据通信口连接运动控制系统，所述运动控制系统连接PC机。

说明书

一种级联粗精耦合光学扫描装置

技术领域

[0001] 本发明涉及光学扫描系统，具体涉及一种旋转双棱镜和正交偏摆光学平板集成的高精度光学扫描装置。

背景技术

[0002] 旋转双棱镜作为一种典型的光束扫描装置，具有结构紧凑，转动惯量小，动态性能好等特点，可以广泛应用于激光通信、微结构加工、生物医学、军事武器等领域。通过旋转双棱镜可以实现光束的高精度定位。在先技术（云茂金等专利，专利号：200310108487.7）提到旋转双棱镜用于激光通信领域时，精度可以达到毫弧度量级。由于棱镜在安装时会产生安装误差，如棱镜倾斜或轴承倾斜，影响了扫描跟踪精度。因此在高精度扫描时，对旋转双棱镜系统中棱镜的制造和系统的安装提出了较高的要求。

[0003] 在先技术（机械工程学报，2009年01期，45卷，第200页，李安虎《大口径精密光束扫描装置》）用正交偏摆双棱镜可以实现亚微弧度的扫描精度，主要用于光束指向调整；在先技术（潘涌等专利，专利号：2012101172862）提出正交平板扫描装置，可以实现微米级的位移调整。在光束跟踪和扫描过程中，有时需要在目标点附近实现局部高精度扫描而不改变光束的指向，这是系统设计的难题。例如加工激光微孔时，为了保证激光孔的中心度，使用激光加工过程中，要求激光产生微小位移而保持方向不变。

[0004] 为了解决激光粗精耦合跟踪和扫描问题，在先技术（李安虎等专利，专利号：201210439061.9）提到级联棱镜粗精耦合扫描装置，但是该装置结构复杂，而且该装置都是用来调整光束指向，无法满足局部范围内的光束平移要求。而在实际应用中，很多场合需要实现精细的位移调整，正交偏摆光学平板正好可以满足这一要求，如在激光微孔加工中的应用等。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出一种级联粗精耦合光学扫描装置，所述装置包括旋转双棱镜和正交光学平板两部分。旋转双棱镜用于全场区域内粗扫描时，正交光学平板可以在局部目标点附近产生更高精度的位移平移，而不改变光束扫描指向，特别适用于大范围激光精细加工等场合。

[0006] 本发明提供的一种级联粗精耦合光学扫描装置，沿光轴方向由旋转双棱镜系统和正交偏摆光学平板系统组成，所述旋转双棱镜系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个楔形棱镜绕Z轴旋转实现粗扫描；正交偏摆光学平板系统采用两个旋转步进电机分别驱动两个光学平板绕Y轴和绕X轴偏摆，通过反射光束的位移偏移来实现光束在局部范围内的位移平移，满足精细的扫描要求；

[0007] 所述的旋转双棱镜系统由第一底座1、第一旋转步进电机2、第一编码器3、第一楔形棱镜4、第一镜框5、第一蜗轮6、第一蜗杆7、第一镜架8、第二旋转步进电机9、第二编码器10、第二楔形棱镜11、第二镜框12、第二蜗轮13、第二蜗杆14和第二镜架15组成，第一镜架8上设有第一镜框5，第一楔形棱镜4内置于第一镜框5上，第一镜框5压紧于第一蜗轮6内部，第一蜗轮6与第一蜗杆7接合形成蜗轮蜗杆连接，第一旋转步进电机2和第一编码器3分别位于第一蜗杆的蜗杆轴两端；第二镜架15上设有第二镜框17，第二楔形棱镜11内置于第二镜框17上，第二镜框12压紧于第二蜗轮13内部，第二蜗轮13与第二蜗杆14接合形成蜗轮蜗杆连接，第二旋转步进电机9和第二编码器10分别位于第二蜗杆14的蜗杆轴两端；第一镜架8和第二镜架15分别布置于第一底座1上，且可以在第一底座1上沿Z轴前后滑动，以调节第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的距离；第一旋转步进电机2的旋转运动通过第一镜架8内部的第一蜗轮6和第一蜗杆7传递到第一镜框5，使得第一镜框5绕Z轴旋转，进而带动第一楔形棱镜4绕Z轴旋转；第二旋转步进电机9的旋转运动通过第二镜架15内部的第二蜗轮13和第二蜗杆14传递到第二镜框12，使得第二镜框12绕Z轴旋转，进而带动第二楔形棱镜11绕Z轴旋转；

[0008] 所述正交偏摆光学平板系统由第二底座16、第三镜架17、第三旋转步进电机18、第一平面镜19、第三镜框20、第三编码器21、第四编码器22、第四镜框23、第二平面镜24、第四旋转步进电机25和第四镜架26组成，所述第三镜架17上设有第一旋转轴，第三镜框20固定于所述第一旋转轴上，第三旋转步进电机18与第三编码器21分别安装于第一旋转轴两端，第一平面镜19内置于第三镜框20上；所述第四镜架26上设有第二旋转轴，第四镜框23固定系于所述第二旋转轴上，第四旋转步进电机25与第四编码器22分别安装于第二旋转轴两端，第二平面镜24内置于第四镜框23上；第三镜架17和第四镜架26分别布置于第二底座16上，且可以在第二底座16上沿Z轴前后滑动，第三旋转步进电机18的旋转运动通过第一旋转轴传递到第三镜框20上，使第三镜框20绕着Y轴偏摆，带动第一平面镜19绕着Y轴偏摆；第四旋转步进电机25的旋转运动通过第二旋转轴传递到第四镜框23上，使第四镜框23绕着X轴偏摆，带动第二平面镜24绕着X轴偏摆；

[0009] 所述第一旋转步进电机2、第二旋转步进电机9、第三旋转步进电机18和第四旋转步进电机25分别通过数据通信口连接运动控制系统，所述运动控制系统连接PC机。

[0010] 本发明级联粗精耦合光学扫描装置的基本原理是：

[0011] 1.结合附图3、图4说明控制系统原理：运动控制系统可以将目标轨迹点转化为坐标点                                                 。数据传输接口将运动控制系统连接到PC机上，实现运动控制系统和PC机通信。结合附图3，要实现粗扫描，首先在已知粗扫描目标轨迹点的情况下，通过运动控制系统将目标轨迹点转化为坐标 并传输到PC机上。PC机根据扫描坐标 ，分别计算出第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的旋转角度 以及旋转速度数据，并通过数据传输接口传输到运动控制系统中，运动控制系统根据接收到的 和旋转速度信息，控制第一旋转步进电机2和第二旋转步进电机9的旋转，实现粗扫描。在精扫描时，结合附图4，首先在已知精扫描目标轨迹点的情况下，通过运动控制系统将目标轨迹点转化为坐标 并传输到PC机上。PC机根据扫描坐标计算出光束需要的位移偏移量 ，再根据正交偏摆双平板偏摆角和折射光束平移的关系，计算出第一平面镜19和第二平面镜24的偏摆角度 以及偏摆速度数据，并通过数据传输接口传输到运动控制系统中，运动控制系统根据接收到的 和偏摆速度信息，控制第三旋转步进电机18和第四旋转步进电机25的旋转，实现光束微位移平移。

[0012] 2. 在粗扫描时，根据矢量折射定理可知，当光束从旋转双棱镜中心入射时，可推出光束通过旋转双棱镜后出射光的方向，调节两楔形棱镜的旋转角度时，可以改变出射光的方向。此装置中通过第一旋转步进电机2驱动第一楔形棱镜4绕Z轴旋转，第二旋转步进电机9驱动第二楔形棱镜11绕着Z轴转动，旋转角度分别为 、 ，从而实现一定区域内的粗扫描。

[0013] 3. 精扫描时，如附图2所示，光束通过平面镜时，传播方向不会改变，但光束会偏移。（a）图表示当第一平面镜19绕Y轴偏摆 ，入射光束通过第一平面镜19后，出射光束传播方向不变，且在X轴方向上会有一定的偏移量 ；同理，（b）图表示当第二平面镜24绕Y轴偏摆 ，入射光束通过第二平面镜24后，出射光束传播方向不变，且在Y轴方向上会有一定的偏移量 。此装置中通过第三旋转步进电机18驱动第一平面镜19绕Y轴偏摆 ，光束通过第一平面镜19后沿着X轴位移偏移 ；第四旋转步进电机25驱动第二平面镜24绕X轴偏摆，光束通过第二平面镜21后沿着Y轴位移偏移 。实现小范围内精扫描。

[0014] 本发明的有益效果在于：

[0015] 1.本发明可实现粗精扫描，旋转双棱镜系统可以实现粗扫描，正交偏摆光学平板可以实现精扫描，两部分可以同时工作，也可以独立工作，满足不同粗精扫描精度要求。

[0016] 2.本发明易于控制光束传播方向。在不改变光束传播方向的情况下，通过改变双平板的偏摆角度，实现光束分别沿X轴和Y轴方向的微小位移 和 。

[0017] 3.本发明控制方便。该装置采用独立控制方式，可以分别控制粗扫描机构和精扫描机构，同时采用开环控制模式，控制方便，控制过程简单。

附图说明

[0018] 图1是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置示意图，前一部分是旋转双棱镜，后一部分是正交偏摆平板。 、 是棱镜的旋转角度， 、 是平板的偏摆角度。

[0019] 图2是光束通过偏摆平板时会产生相应的偏移量 和 的原理示意图。

[0020] 图3是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置控制部分流程图。简述了此装置的控制方法。

[0021] 图4是本发明所述的级联粗精耦合扫描装置控制部分流程图。简述了此装置的控制方法。

[0022] 图中标号：1-第一底座；2-第一旋转步进电机；3-第一编码器；4-第一楔形棱镜；5-第一镜框；6-第一蜗轮；7-第一蜗杆；8-第一镜架；9-第二旋转步进电机；10-第二编码器；11-第二楔形棱镜；12-第二镜框；13-第二蜗轮；14-第二蜗杆；15-第二镜架；16-第二底座；
17-第三镜框；18-第三旋转步进电机；19-第一平面镜；20-第三镜框；21-第三编码器；22-第四编码器；23-第四镜框；24-第二平面镜；25-第四旋转步进电机；26-第四镜架。

具体实施方式

[0023] 下面通过各附图对本发明采用级联粗精耦合光学扫描装置的组成及实现粗精扫描过程作进一步的详述，但是本发明专利保护范围不限于此。

[0024] 图1所示的级联粗精耦合光学扫描装置主要包括两个部分，第一部分为旋转双棱镜系统，第二部分为正交偏摆平板系统。

[0025] 所述的旋转双棱镜系统由第一底座1、第一旋转步进电机2、第一编码器3、第一楔形棱镜4、第一镜框5、第一蜗轮6、第一蜗杆7、第一镜架8、第二旋转步进电机9、第二编码器10、第二楔形棱镜11、第二镜框12、第二蜗轮13、第二蜗杆14和第二镜架15组成。第一镜架8和第二镜架15布置在第一底座1上，可以在第一底座1上滑动，以调节第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的距离。第一旋转步进电机2与第一编码器3安装在第一蜗杆7的蜗杆轴上，第一蜗轮6与第一蜗杆7接合形成蜗轮蜗杆连接，第一镜框5压紧在第一蜗轮6内部，第一楔形棱镜4内置在第一镜框5上。第一旋转步进电机2的旋转运动通过第一镜架8内部的第一蜗轮6和第一蜗杆7传递到第一镜框5，使得第一镜框5绕Z轴旋转，带动第一楔形棱镜4绕Z轴旋转。
第二旋转步进电机9与第二编码器10安装在第二蜗杆14的蜗杆轴上，第二蜗轮13与第二蜗杆14接合形成蜗轮蜗杆连接，第二镜框12压紧在第二蜗轮14内部，第二楔形棱镜11内置在第二镜框12上。第二旋转步进电机9的旋转运动通过第二镜架15内部的第二蜗轮13和第二蜗杆14传递到第二镜框12，使得第二镜框12绕Z轴旋转，带动第二楔形棱镜11绕Z轴旋转。

[0026] 所述的正交偏摆平板系统由第二底座16、第三镜架17、第三旋转步进电机18、第一平面镜19、第三镜框20、第三编码器21、第四编码器22、第四镜框23、第二平面镜24、第四旋转步进电机25和第四镜架26组成。第三镜架17和第四镜架26布置在第二底座16上，可以在第二底座16上滑动，以调节第一平面镜19和第二平面镜24的距离。第三旋转步进电机18与第三编码器21安装在旋转轴上，第三镜框20固定在旋转轴上，第一平面镜19内置在第三镜框20上。第三旋转步进电机18的旋转运动通过旋转轴传递到第三镜框20上，使第三镜框20绕着Y轴偏摆，带动第一平面镜19绕着Y轴偏摆。第四旋转步进电机25与第四编码器22安装在旋转轴上，第四镜框23固定在旋转轴上，第二平面镜24内置在第四镜框23上。第四旋转步进电机25的旋转运动通过旋转轴传递到第四镜框23上，使第四镜框23绕着X轴偏摆，带动第二平面镜24绕着X轴偏摆。

[0027] 级联粗精耦合光学扫描装置的工作原理如下：

[0028] 控制器采集要扫描的点数据，并对旋转双棱镜系统和正交偏摆平板系统发出控制信号，控制第一旋转步进电机2和第二旋转步进电机9的旋转，实现粗扫描。同时，控制器控制第三旋转步进电机18和第四旋转步进电机25旋转，实现精扫描，达到粗精耦合光学扫描的目的。

[0029] 根据下列步骤完成粗精耦合光学扫描：

[0030] 1.根据粗扫描目标轨迹点，运动控制系统将位置坐标 通过数据传输接口传递到PC机上，PC机根据坐标 ，计算出第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的旋转角度以及旋转速度数据，通过数据传输接口传输到运动控制系统中。再根据精扫描目标轨迹点，通过运动控制系统将目标轨迹点转化为坐标 并传输到PC机上。PC机根据扫描坐标 ，计算出光束需要的位移偏移量 ，再根据正交偏摆双平板偏转角和光束平移关系，计算出第一平面镜19和第二平面镜24的偏摆角度 以及偏摆速度数据，并通过数据传输接口传输到运动控制系统中。

[0031] 2. 第一旋转步进电机2和第二旋转步进电机9根据运动系统传递的 以及旋转速度信息，分别带动第一楔形棱镜4和第二楔形棱镜11的旋转，使得光束在粗扫描域内移动，实现粗扫描过程。

[0032] 3.判断扫描光束是否在精扫描区域内，在精扫描域内，则执行第4步，不在精扫描域内，则执行第2步。

[0033] 4. 第三旋转步进电机18和第四旋转步进电机25根据运动系统传递的 以及旋转速度信息，分别带动第一平面镜19绕Y轴偏摆和第二平面镜24绕X轴偏摆，使得光束在局部精扫描域位移偏移 ，实现精扫描过程。

[0034] 这种级联粗精耦合光学扫描装置可以在满足大范围扫描的同时，在局部小范围内，不改变光束传播方向而进行高精度扫描。

[0035] 以上所述仅为本发明在扫描中应用的一个实例，对于本技术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。