激光扫描系统及其方法与流程

1.本发明涉及3d打印领域，特别是涉及一种激光扫描系统及其方法。


背景技术：

2.现有激光平面扫描装置通过控制偏转单元，将扫描光束偏转后控制其在成像平面上运动；
3.但是由于扫描光束偏转后其入射角偏离垂直入射状态，使得成像平面上的激光光斑会发生椭圆畸变，即偏转椭圆畸变；此外，激光器的原理局限性导致扫描光束发散角通常在xy方向上是不一致的，使得扫描光束的光斑在离焦时，光斑亦会产生椭圆畸变，即离焦椭圆畸变；
4.目前大多采用保证激光光斑聚焦的方式，通过避免使用离焦光斑以避免离焦椭圆畸变，同时聚焦还能够减小光斑面积，从而减小甚至消除偏转椭圆畸变的影响；
5.但是由于扫描光束在成像平面上运动过程中，光程会发生改变，进而会导致光斑离焦，因此，为维持激光光斑的聚焦状态，一般采用调焦单元来补偿因扫描光束运动导致的光程变化。
6.而当扫描光束偏转至成像平面的边缘位置时，即使激光光斑在成像面上处于聚焦状态，但由于其入射角明显偏离垂直入射状态，使得成像面上的实际光斑仍会发生椭圆畸变，且椭圆畸变的长轴跟随扫描光束偏转方向而动态变化，导致扫描路径宽度跟随光斑在成像平面内的移动而发生连续变化，在激光功率不变条件下，使得扫描路径上的能量密度不一，即扫描路径宽度与能量密度均不稳定。
7.当前的普遍做法是限制最大扫描偏转角，但这会影响激光平面扫描装置在增材制造装备中的应用潜力，有公开报道运用大口径调焦单元覆盖整个成像平面的案例，以确保扫描光束始终垂直扫描成像平面，但其成本高昂，不利于普及应用。


技术实现要素：

8.基于此，有必要针对扫描光束的扫描路径的宽度与能量密度不均匀的问题，提供一种能够使得扫描光束在成像平面的光斑沿待扫描路径法线方向的投影宽度保持不变的激光扫描系统及其方法。
9.一种激光扫描系统，用于在成像平面上进行扫描，包括框架、激光发射单元、调焦单元以及偏转单元，其特征在于，所述激光扫描系统还包括有光束质量分析仪和控制器，其中：所述光束质量分析仪用于测量所述激光发射单元所发射的扫描光束入射至所述成像平面中心位置的光斑形态的数据，所述光束质量分析仪与所述控制器电连接，用于将数据输入所述控制器；所述控制器与所述激光发射单元、所述偏转单元以及所述调焦单元均电连接，所述控制器用于对输入的所述测量数据进行计算并得到实时指令，以通过控制偏转单元使得所述扫描光束沿待扫描路径移动，同时通过实时控制所述调焦单元，以使得所述扫描光束在所述成像平面的光斑沿所述待扫描路径法线方向的投影宽度保持不变。
10.上述激光扫描系统中，通过光束质量分析仪测量光斑的数据，并通过控制器计算得到实时指令，从而使得控制器在通过偏转单元控制光斑沿扫描路径移动的同时，还通过调焦单元实时控制光斑的离焦状态，以使得扫描光束在成像平面的光斑沿待扫描路径法线方向的投影宽度保持不变，达到保证扫描路径的宽度与能量密度均匀的效果。
11.在其中一个实施例中，所述框架设置有准直器，所述准直器的入光口与所述激光发射单元的输出光纤连接，所述准直器的出光口与所述调焦单元的入光口连接。
12.如此设置，以使得激光发射单元输出的激光束，在通过输出光纤导入至准直器后，经准直器处理为近似平行光束。
13.在其中一个实施例中，所述框架还设置有光学基板，所述准直器、所述调焦单元以及所述偏转单元均设置于所述光学基板，且所述准直器的光轴、所述调焦单元的光轴以及所述偏转单元的入光口光轴同轴设置。
14.在其中一个实施例中，所述偏转单元包括输出轴相互垂直的x轴电机与y轴电机，所述x轴电机的输出轴设置有x轴反射镜，所述y轴电机的输出轴设置有y轴反射镜。
15.如此设置，以使得x轴反射镜与y轴反射镜在连续偏转时，可驱动扫描光束在成像平面上连续移动，并在成像平面形成光斑扫描线。
16.一种激光扫描方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一项所述的激光扫描系统，所述激光扫描方法包括如下步骤：
17.s100，通过光束质量分析仪对所述激光发射单元所射出扫描光束的光斑数据进行测量，将所述光斑数据以及多组待扫描路径的向量数据输入所述控制器，并通过所述控制器计算得到光斑数据表二维数组；
18.s200，通过所述控制器计算得到一组所述待扫描路径与光斑长轴的夹角α，通过所述控制器发出指令至所述偏转单元和所述激光发射单元，以控制所述扫描光束处于初始状态；
19.s300，所述控制器通过所述向量数据计算得到光斑的瞬时位置，并控制所述偏转单元，以使得所述光斑沿该组所述待扫描路径移动；
20.s400，所述控制器根据所述瞬时位置、所述夹角α以及所述光斑数据表二维数组，计算并得到聚焦控制指令与离焦控制指令，并且将两者叠加后实时发送至所述调焦单元，以使得所述光斑沿该组所述扫描路径法线方向的投影宽度保持不变。
21.在其中一个实施例中，所述s100包括
22.s101，使用所述光束质量分析仪测量所述扫描光束垂直入射至所述成像平面中心位置的光斑形态，包括负离焦光斑、聚焦光斑以及正离焦光斑，以记录聚焦和离焦状态下所述光斑的长轴宽度、短轴宽度以及长轴方位角，并将所记录数据输入所述控制器，生成中心光斑数据表；以及
23.s102，所述控制器根据所述中心光斑数据表以及所述偏转单元的投影几何模型，计算所述成像平面不同位置的所述光斑数据，从而得到包括整个所述成像平面范围内各坐标位置负离焦光斑、聚焦光斑、正离焦光斑的长、短轴宽度以及长轴方位角数据的光斑数据表二维数组；以及
24.s103，将所述待扫描路径的所述向量数据，包括多组所述待扫描路径的起点坐标、终点坐标、速度、宽度以及激光功率的数据集合，输入所述控制器。
25.在其中一个实施例中，所述s200包括
26.s201，通过所述控制器读取所述向量数据中一组所述待扫描路径的所述起点坐标与所述终点坐标，并计算该组所述待扫描路径与所述光斑长轴的所述夹角α；以及
27.s202，所述控制器发出定位指令至所述偏转单元，通过所述偏转单元控制所述扫描光束偏转至该组所述待扫描路径的起点位置；以及
28.s203，所述控制器读取该组所述待扫描路径的所述激光功率的设定值，发出功率调节指令至所述激光发射单元，以控制所述激光发射单元的输出功率与所述激光功率设定值一致。
29.在其中一个实施例中，所述s300包括
30.s301，所述控制器读取该组所述待扫描路径的所述速度的设定值，并实时计算所述光斑沿所述待扫描路径从起点移动至终点过程中的瞬时位置的坐标数据；以及
31.s302，通过所述控制器将计算所得的所述坐标数据实时发送至所述偏转单元，以控制所述光斑在所述成像平面沿所述待扫描路径移动。
32.在其中一个实施例中，所述s400包括
33.s401，所述控制器读取所述待扫描路径的所述宽度的设定值，并根据所述光斑的所述瞬时位置的所述坐标数据，计算所述扫描光束从所述调焦单元的中心至所述成像平面的总光程，从而得到用以补偿光程变化并维持所述光斑聚焦的所述聚焦控制指令；以及
34.s402，根据所述夹角α，以及所述光斑数据表二维数组，实时计算各所述瞬时位置处所述光斑在所述待扫描路径法线上的所述投影宽度，进而根据所述投影宽度得出用于宽度补偿的所述离焦控制指令；以及
35.s403，所述控制器将所述聚焦控制指令与所述离焦控制指令叠加后实时发送至所述调焦单元；以及
36.s404，将上述s401、s402以及s403步骤，在所述待扫描路径的扫描期间反复循环执行，以使得所述扫描期间，所述成像平面的所述光斑在移动方向法线上的投影宽度等于所述待扫描路径的所述宽度设定值。
37.在其中一个实施例中，所述扫描光束从所述调焦单元的中心至所述成像平面的总光程，等于b值与p值之和，其中：
38.所述b值为所述调焦单元与所述x轴反射镜间的光程；
39.所述p值为所述x轴反射镜和所述y轴反射镜的投射光程之和，所述p值公式为(((y2 a2)
1/2
e)2 x2)
1/2
；
40.其中，y为所述成像平面上扫描点的y轴坐标值，x为所述成像平面上扫描点的x轴坐标值，e为所述x轴反射镜与所述y轴反射镜的中心距，a为所述y轴反射镜中心到所述成像平面的垂直距离。
附图说明
41.图1为本发明的立体结构示意图；
42.图2为光斑发生偏转椭圆畸变时成像平面的正视方向示意图；
43.图3为光斑发生正离焦时成像平面的立体结构示意图；
44.图4为光斑发生负离焦时成像平面的立体结构示意图；
45.图5为现有技术中扫描路径在成像平面的正视方向示意图；
46.图6为本发明中扫描路径在成像平面的正视方向示意图；
47.图7为调焦单元、偏转单元以及成像平面间的光路结构示意图。
48.主要元件符号说明
49.100、框架；10、激光发射单元；11、输出光纤；20、调焦单元；30、偏转单元；31、x轴电机；32、x轴反射镜；33、y轴电机；34、y轴反射镜；40、准直器；50、光学基板；
50.200、成像平面。
51.以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
52.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，都属于本发明保护的范围。
53.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
54.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
55.本发明首先提供一种激光扫描系统，用于在成像平面200上进行扫描，请参考图1所示，包括框架100、激光发射单元10、调焦单元20以及偏转单元30，激光扫描系统还包括有光束质量分析仪和控制器，其中：
56.光束质量分析仪用于测量激光发射单元10所发射的扫描光束入射至成像平面200中心位置的光斑形态的数据，光束质量分析仪与控制器电连接，用于将数据输入控制器；
57.控制器与激光发射单元10、偏转单元30以及调焦单元20均电连接，控制器用于对输入的测量数据进行计算并得到实时指令，以通过控制偏转单元30使得扫描光束沿待扫描路径移动，同时通过实时控制调焦单元20，以使得扫描光束在成像平面200的光斑沿待扫描路径法线方向的投影宽度保持不变。
58.这里，光束质量分析仪所测量的光斑形态，包括负离焦光斑、聚焦光斑以及正离焦光斑，以记录聚焦和离焦状态下光斑的长轴宽度、短轴宽度以及长轴方位角等光斑数据。
59.将成像平面200上扫描点的x轴坐标值定义为x，成像平面200上扫描点的y轴坐标值定义为y；
60.在控制偏转单元30使得扫描光束沿待扫描路径移动时，由于扫描光束的偏转后其入射角偏离垂直入射状态，使得成像平面200上的投影光斑会发生椭圆畸变，即偏转椭圆畸变，例如：
61.请参考图2所示，当x不为零时，扫描光束照射在成像平面200的x轴上且偏离中心
点，则光斑x轴方向被拉伸，且拉伸系数为扫描光束在x轴偏转角余弦函数的倒数；
62.当y不为零时，扫描光束照射在成像平面200的y轴上且偏离中心点，则光斑y轴方向被拉伸，且拉伸系数为扫描光束在y轴偏转角余弦函数的倒数；
63.当x、y同时不为零时，扫描光束照射至成像平面200时，光斑沿成像平面200中心点与坐标(x,y)点的连线方向被拉伸。
64.而通过调焦单元20控制扫描光束的聚、离焦同样能够使投影光斑发生椭圆畸变，即离焦椭圆畸变，例如：
65.当x、y均等于零且调焦单元20的输出焦距f1等于扫描光束的总光程时，扫描光束照射在成像平面200的中心点并处于聚焦状态，投影光斑尺寸最小且为正圆形；
66.请参考图3所示，当调焦单元20的输出焦距f1小于扫描光束的总光程时，扫描光束照射在成像平面200中心点时处于正离焦状态，且由于扫描光束发散角各向异形，投影光斑尺寸大于聚焦光斑并发生椭圆畸变；
67.反之，请参考图4所示，当调焦单元20的输出焦距f1大于扫描光束的总光程时，扫描光束照射在成像平面200中心点时处于负离焦状态，投影光斑尺寸亦大于聚焦光斑且发生椭圆畸变，并且椭圆长短轴与正离焦时互换方位角。
68.因此，在光斑沿待扫描路径扫描过程中，根据光斑在任意一瞬时位置时因偏转所产生的偏转椭圆畸变，通过调焦单元20实时控制扫描光束的正、负离焦状态，从而对该瞬时位置处投影光斑的椭圆长短轴进行调节，即可根据需要实时控制投影光斑的椭圆畸变，以使得投影光斑沿待扫描路径法线方向的投影宽度保持不变，进而达到保证扫描路径的宽度与能量密度均匀的效果。
69.在一些实施例中，当扫描路径为成像平面200上以(x1,0)为圆心，半径为r且圆弧角从
‑
90
°
逆时针旋转至90
°
的半圆弧时：
70.请参考图5所示，在现有技术中，调焦单元20仅用于补偿扫描光束移动时的光程变化，即扫描光束在成像平面200上始终处于聚焦状态；为简化描述，视光斑在圆心(x1,0)周围的偏转椭圆畸变与圆心处一致，则光斑在扫描半圆弧过程中维持x轴方向宽、y轴方向不变的扁椭圆形态，该半圆弧在
‑
90
°
处的路径宽度等于光斑y轴宽度，在0
°
时宽度等于光斑x轴宽度，到达90
°
时路径宽度再次变为光斑y轴宽度，整个半圆弧扫描路径的宽度经历了从窄变宽、又从宽变窄的连续变化，使得激光功率、速度设定值不变条件下，扫描路径上的能量密度不一致；
71.请参考图6所示，若以前述半圆弧扫描线在0
°
位置的宽度tw为基准，偏转单元30驱动扫描光束，在成像平面200上再次扫描同样的半圆弧，则调焦单元20在开始扫描时控制扫描光束处于离焦状态，使得光斑y轴宽度变大至tw，并在扫描过程中，连续调节扫描光束离焦量，使得光斑在圆弧半径方向的投影宽度保持tw不变，则所得到的半圆弧扫描线，其路径宽度恒定为tw，激光功率、扫描速度恒定时，扫描路径上的能量密度亦恒定。
72.因此，通过调焦单元20主动调控激光光斑在成像平面200不同位置、不同扫描方向上光斑大小，使得激光光斑发生偏转椭圆畸变、离焦椭圆畸变时，仍能得到宽度均匀的扫描路径，从而保证扫描路径上激光能量密度的一致性；
73.其次，在扫描过程中，无需采用正圆光斑，可采用离焦大光斑实现宽路径高速扫描，能显著提升增材制造装备中实体填充截面的成形效率；
74.再次，偏转单元30在大偏角扫描状态下，仍可维持成像平面边缘区域扫描路径宽度的可控性与各向一致性，可获得更大的扫描范围，无需采用成本高昂、结构复杂的光学补偿与矫正器件。
75.框架100设置有准直器40，准直器40的入光口与激光发射单元10的输出光纤11连接，准直器40的出光口与调焦单元20的入光口连接。以使得激光发射单元10输出的激光束，在通过输出光纤11导入至准直器40后，经准直器40处理为近似平行光束。
76.框架100还设置有光学基板50，准直器40、调焦单元20以及偏转单元30均设置于光学基板50，且准直器40的光轴、调焦单元20的光轴以及偏转单元30的入光口光轴同轴设置。以保证经准直器40处理后的近似平行光束，能够呈直线无偏移的射入偏转单元30。
77.请参考图7所示，偏转单元30包括输出轴相互垂直的x轴电机31与y轴电机33，x轴电机31的输出轴设置有x轴反射镜32，y轴电机33的输出轴设置有y轴反射镜34。
78.x轴电机31用于驱动x轴反射镜32转动，从而使扫描光束发生偏转，且扫描光束在成像平面200上的投影光斑沿x轴方向移动；y轴电机33用于驱动y轴反射镜34转动，从而使扫描光束发生偏转，且扫描光束在成像平面200上的投影光斑沿y轴方向移动；因此，x轴反射镜32与y轴反射镜34在连续偏转时，可驱动扫描光束在成像平面200上连续移动，并在成像平面200形成光斑扫描线。
79.针对上述的激光扫描系统，本发明还提供了一种激光扫描方法，该激光扫描方法可以包括：
80.s100，通过光束质量分析仪对激光发射单元10所射出扫描光束的光斑数据进行测量，将光斑数据以及多组待扫描路径的向量数据输入控制器，并通过控制器计算得到光斑数据表二维数组；
81.s200，通过控制器计算得到一组待扫描路径与光斑长轴的夹角α，通过控制器发出指令至偏转单元30和激光发射单元10，以控制扫描光束处于初始状态；
82.s300，控制器通过向量数据计算得到光斑的瞬时位置，并控制偏转单元30，以使得光斑沿该组待扫描路径移动；
83.s400，控制器根据瞬时位置、夹角α以及光斑数据表二维数组，计算并得到聚焦控制指令与离焦控制指令，并且将两者叠加后实时发送至调焦单元20，以使得光斑沿该组扫描路径法线方向的投影宽度保持不变。
84.在本发明的一个实施例中，在步骤s100中，还可以包括步骤：
85.s101，使用光束质量分析仪测量扫描光束垂直入射至成像平面200中心位置的光斑形态，包括负离焦光斑、聚焦光斑以及正离焦光斑，以记录聚焦和离焦状态下光斑的长轴宽度、短轴宽度以及长轴方位角，并将所记录数据输入控制器，生成中心光斑数据表；以及
86.s102，控制器根据中心光斑数据表以及偏转单元30的投影几何模型，计算成像平面200不同位置的光斑数据，从而得到包括整个成像平面200范围内各坐标位置负离焦光斑、聚焦光斑、正离焦光斑的长、短轴宽度以及长轴方位角数据的光斑数据表二维数组；以及
87.s103，将待扫描路径的向量数据，包括多组待扫描路径的起点坐标、终点坐标、速度、宽度以及激光功率的数据集合，输入控制器。
88.在本发明的一个实施例中，在步骤s200中，还可以包括步骤：
89.s201，通过控制器读取向量数据中一组待扫描路径的起点坐标与终点坐标，并计算该组待扫描路径与光斑长轴的夹角α；以及
90.s202，控制器发出定位指令至偏转单元30，通过偏转单元30控制扫描光束偏转至该组待扫描路径的起点位置；以及
91.s203，控制器读取该组待扫描路径的激光功率的设定值，发出功率调节指令至激光发射单元10，以控制激光发射单元10的输出功率与激光功率设定值一致。
92.在本发明的一个实施例中，在步骤s300中，还可以包括步骤：
93.s301，控制器读取该组待扫描路径的速度的设定值，并实时计算光斑沿待扫描路径从起点移动至终点过程中的瞬时位置的坐标数据；以及
94.s302，通过控制器将计算所得的坐标数据实时发送至偏转单元30，以控制光斑在成像平面200沿待扫描路径移动。
95.在本发明的一个实施例中，在步骤s400中，还可以包括步骤：
96.s401，控制器读取待扫描路径的宽度的设定值，并根据光斑的瞬时位置的坐标数据，计算扫描光束从调焦单元20的中心至成像平面200的总光程，从而得到用以补偿光程变化并维持光斑聚焦的聚焦控制指令；以及
97.s402，根据夹角α，以及光斑数据表二维数组，实时计算各瞬时位置处光斑在待扫描路径法线上的投影宽度，进而根据投影宽度得出用于宽度补偿的离焦控制指令；以及
98.s403，控制器将聚焦控制指令与离焦控制指令叠加后实时发送至调焦单元20；以及
99.s404，将上述s401、s402以及s403步骤，在待扫描路径的扫描期间反复循环执行，以使得扫描期间，成像平面的光斑在移动方向法线上的投影宽度等于待扫描路径的宽度设定值。
100.在上述实施例中，扫描光束从调焦单元20的中心至成像平面200的总光程，等于b值与p值之和，其中：
101.b值为调焦单元20与x轴反射镜32间的光程；
102.p值为x轴反射镜32和y轴反射镜34的投射光程之和，p值公式为(((y2 a2)
1/2
e)2 x2)
1/2
。
103.这里，y为成像平面200上扫描点的y轴坐标值，x为成像平面200上扫描点的x轴坐标值，e为x轴反射镜32与y轴反射镜34的中心距，a为y轴反射镜34中心到成像平面200的垂直距离。
104.当需要扫描其他组的待扫描路径时，只要该组待扫描路径的向量数据在步骤s100中被输入控制件中，即可通过重复步骤s200、s300以及s400完成该组待扫描路径的扫描。
105.针对本发明提供的激光扫描方法的具体实施方式，已经在介绍激光扫描系统时进行了详细介绍，这里不再赘述。
106.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
107.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。