一種級(jí)聯(lián)粗精耦合光學(xué)掃描裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)掃描系統(tǒng)，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)雙棱鏡和正交偏擺光學(xué)平板集成的 高精度光學(xué)掃描裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡作為一種典型的光束掃描裝置，具有結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)性能 好等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于激光通信、微結(jié)構(gòu)加工、生物醫(yī)學(xué)、軍事武器等領(lǐng)域。通過(guò)旋轉(zhuǎn)雙 棱鏡可以實(shí)現(xiàn)光束的高精度定位。在先技術(shù)(云茂金等專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)：200310108487. 7)提 到旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于激光通信領(lǐng)域時(shí)，精度可以達(dá)到毫弧度量級(jí)。由于棱鏡在安裝時(shí)會(huì)產(chǎn)生 安裝誤差，如棱鏡傾斜或軸承傾斜，影響了掃描跟蹤精度。因此在高精度掃描時(shí)，對(duì)旋轉(zhuǎn)雙 棱鏡系統(tǒng)中棱鏡的制造和系統(tǒng)的安裝提出了較高的要求。
[0003] 在先技術(shù)(機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009年01期，45卷，第200頁(yè)，李安虎《大口徑精密光束 掃描裝置》）用正交偏擺雙棱鏡可以實(shí)現(xiàn)亞微弧度的掃描精度，主要用于光束指向調(diào)整；在 先技術(shù)(潘涌等專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)：2012101172862)提出正交平板掃描裝置，可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的 位移調(diào)整。在光束跟蹤和掃描過(guò)程中，有時(shí)需要在目標(biāo)點(diǎn)附近實(shí)現(xiàn)局部高精度掃描而不改 變光束的指向，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題。例如加工激光微孔時(shí)，為了保證激光孔的中心度，使 用激光加工過(guò)程中，要求激光產(chǎn)生微小位移而保持方向不變。
[0004] 為了解決激光粗精耦合跟蹤和掃描問(wèn)題，在先技術(shù)(李安虎等專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)： 201210439061. 9)提到級(jí)聯(lián)棱鏡粗精耦合掃描裝置，但是該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且該裝置都是 用來(lái)調(diào)整光束指向，無(wú)法滿(mǎn)足局部范圍內(nèi)的光束平移要求。而在實(shí)際應(yīng)用中，很多場(chǎng)合需要 實(shí)現(xiàn)精細(xì)的位移調(diào)整，正交偏擺光學(xué)平板正好可以滿(mǎn)足這一要求，如在激光微孔加工中的 應(yīng)用等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種級(jí)聯(lián)粗精耦合光學(xué)掃描裝置，所述裝置包括旋轉(zhuǎn)雙棱 鏡和正交光學(xué)平板兩部分。旋轉(zhuǎn)雙棱鏡用于全場(chǎng)區(qū)域內(nèi)粗掃描時(shí)，正交光學(xué)平板可以在局 部目標(biāo)點(diǎn)附近產(chǎn)生更高精度的位移平移，而不改變光束掃描指向，特別適用于大范圍激光 精細(xì)加工等場(chǎng)合。
[0006] 本發(fā)明提供的一種級(jí)聯(lián)粗精耦合光學(xué)掃描裝置，沿光軸方向由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)和 正交偏擺光學(xué)平板系統(tǒng)組成，所述旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)楔 形棱鏡繞Z軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)粗掃描；正交偏擺光學(xué)平板系統(tǒng)采用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩 個(gè)光學(xué)平板繞Y軸和繞X軸偏擺，通過(guò)折射光束的位移偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)光束在局部范圍內(nèi)的位 移平移，滿(mǎn)足精細(xì)的掃描要求； 所述的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)由第一底座1、第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2、第一編碼器3、第一楔形棱 鏡4、第一鏡框5、第一蝸輪6、第一蝸桿7、第一鏡架8、第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9、第二編碼器10、 第二楔形棱鏡11、第二鏡框12、第二蝸輪13、第二蝸桿14和第二鏡架15組成，第一鏡架8 上設(shè)有第一鏡框5,第一楔形棱鏡4內(nèi)置于第一鏡框5上，第一鏡框5壓緊于第一蝸輪6內(nèi) 部，第一蝸輪6與第一蝸桿7接合形成蝸輪蝸桿連接，第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2和第一編碼器3 分別位于第一蝸桿的蝸桿軸兩端；第二鏡架15上設(shè)有第二鏡框17,第二楔形棱鏡11內(nèi)置 于第二鏡框17上，第二鏡框12壓緊于第二蝸輪13內(nèi)部，第二蝸輪13與第二蝸桿14接合 形成蝸輪蝸桿連接，第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9和第二編碼器10分別位于第二蝸桿14的蝸桿軸 兩端；第一鏡架8和第二鏡架15分別布置于第一底座1上，且可以在第一底座1上沿Z軸 前后滑動(dòng)，以調(diào)節(jié)第一楔形棱鏡4和第二楔形棱鏡11的距離；第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2的旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)通過(guò)第一鏡架8內(nèi)部的第一蝸輪6和第一蝸桿7傳遞到第一鏡框5,使得第一鏡框5繞 Z軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)第一楔形棱鏡4繞Z軸旋轉(zhuǎn)；第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)第二 鏡架15內(nèi)部的第二蝸輪13和第二蝸桿14傳遞到第二鏡框12,使得第二鏡框12繞Z軸旋 轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)第二楔形棱鏡11繞Z軸旋轉(zhuǎn)； 所述正交偏擺平板系統(tǒng)由第二底座16、第三鏡架17、第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18、第一平面 鏡19、第三鏡框20、第三編碼器21、第四編碼器22、第四鏡框23、第二平面鏡24、第四旋轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)25和第四鏡架26組成，所述第三鏡架17上設(shè)有第一旋轉(zhuǎn)軸，第三鏡框20固定于 所述第一旋轉(zhuǎn)軸上，第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18與第三編碼器21分別安裝于第一旋轉(zhuǎn)軸兩端，第 一平面鏡19內(nèi)置于第三鏡框20上；所述第四鏡架26上設(shè)有第二旋轉(zhuǎn)軸，第四鏡框23固定 系于所述第二旋轉(zhuǎn)軸上，第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)25與第四編碼器22分別安裝于第二旋轉(zhuǎn)軸兩 端，第二平面鏡24內(nèi)置于第四鏡框23上；第三鏡架17和第四鏡架26分別布置于第二底座 16上，且可以在第二底座16上沿Z軸前后滑動(dòng)，第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)第一 旋轉(zhuǎn)軸傳遞到第三鏡框20上，使第三鏡框20繞著Y軸偏擺，帶動(dòng)第一平面鏡19繞著Y軸 偏擺；第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)25的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)第二旋轉(zhuǎn)軸傳遞到第四鏡框23上，使第四鏡框 23繞著X軸偏擺，帶動(dòng)第二平面鏡24繞著X軸偏擺； 所述第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2、第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9、第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18和第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn) 電機(jī)25分別通過(guò)數(shù)據(jù)通信口連接運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接PC機(jī)。
[0007] 本發(fā)明級(jí)聯(lián)粗精耦合光學(xué)掃描裝置的基本原理是： 1.結(jié)合附圖3、圖4說(shuō)明控制系統(tǒng)原理：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可以將目標(biāo)軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)點(diǎn) (X，/)。數(shù)據(jù)傳輸接口將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)連接到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和PC機(jī)通信。結(jié) 合附圖3,要實(shí)現(xiàn)粗掃描，首先在已知粗掃描目標(biāo)軌跡點(diǎn)的情況下，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將目 標(biāo)軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)并傳輸?shù)絇C機(jī)上。PC機(jī)根據(jù)掃描坐標(biāo)(XvV)，分別計(jì)算出第一 楔形棱鏡4和第二楔形棱鏡11的旋轉(zhuǎn)角度(1?)以及旋轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口 傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的閑,?)和旋轉(zhuǎn)速度信息，控制第一旋 轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2和第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)9的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粗掃描。在精掃描時(shí)，結(jié)合附圖4,首先在 已知精掃描目標(biāo)軌跡點(diǎn)的情況下，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)將目標(biāo)軌跡點(diǎn)轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)(X5J)并傳 輸?shù)絇C機(jī)上。PC機(jī)根據(jù)掃描坐標(biāo)計(jì)算出光束需要的位移偏移量(&,~)，再根據(jù)正交 偏擺雙平板偏擺角和折射光束平移的關(guān)系，計(jì)算出第一平面鏡19和第二平面鏡24的偏擺 角度(?.盡2)以及偏擺速度數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系 統(tǒng)根據(jù)接收到的(?,?)和偏擺速度信息，控制第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18和第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī) 25的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光束微位移平移。
[0008] 2.在粗掃描時(shí)，根據(jù)矢量折射定理可知，當(dāng)光束從旋轉(zhuǎn)雙棱鏡中心入射時(shí)，可推 出光束通過(guò)旋轉(zhuǎn)雙棱鏡后出射光的方向，調(diào)節(jié)兩楔形棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，可以改變出射光 的方向。此裝置中通過(guò)第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)第一楔形棱鏡4繞Z軸旋轉(zhuǎn)，第二旋轉(zhuǎn)步 進(jìn)電機(jī)9驅(qū)動(dòng)第二楔形棱鏡11繞著Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度分別為色、馬，從而實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi) 的粗掃描。
[0009] 3.精掃描時(shí)，如附圖2所示，光束通過(guò)平面鏡時(shí)，傳播方向不會(huì)改變，但光束會(huì)偏 移。（a)圖表示當(dāng)?shù)谝黄矫骁R19繞Y軸偏擺黽，入射光束通過(guò)第一平面鏡19后，出射光束 傳播方向不變，且在X軸方向上會(huì)有一定的偏移量Ax;同理，（b)圖表示當(dāng)?shù)诙矫骁R24 繞Y軸偏擺巧2，入射光束通過(guò)第二平面鏡24后，出射光束傳播方向不變，且在Y軸方向上 會(huì)有一定的偏移量每。此裝置中通過(guò)第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)18驅(qū)動(dòng)第一平面鏡19繞Y軸偏 擺4,光束通過(guò)第一平面鏡19后沿著X軸位移偏移Ax ;第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)25驅(qū)動(dòng)第二平 面鏡24繞X軸偏擺，光束通過(guò)第二平面鏡21后沿著Y軸位移偏移Ay。實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi) 精掃描。
[0010] 本發(fā)明的有益效果在于： 1.本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)粗精掃描，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)粗掃描，正交偏擺光學(xué)平板可以 實(shí)現(xiàn)精掃描，兩部分可以同時(shí)工作，也可以獨(dú)立工作，滿(mǎn)足不同粗精掃描精度要求。
[0011] 2.本發(fā)明易于控制光束傳播方向。在不改變光束傳播方向的情況下，通過(guò)改變雙 平板的偏擺角度，實(shí)現(xiàn)光束分別沿X軸和Y軸方向的微小位移Ar和~。
[0012] 3.本發(fā)明控制方便。該裝置采用獨(dú)立控制方式，可以分別控制粗掃描機(jī)構(gòu)和精掃 描機(jī)構(gòu)，同時(shí)采用開(kāi)環(huán)控制模式，控制方便，控制過(guò)程簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)粗精耦合掃描裝置示意圖，前一部分是旋轉(zhuǎn)雙棱鏡，后 一部分是正交偏擺平板。乓、烏是棱鏡的旋轉(zhuǎn)角度，斗、^是平板的偏擺角度。
[0014] 圖2是光束通過(guò)偏擺平板時(shí)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的偏移量Ax和每的原理示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)粗精耦合掃描裝置控制部分流程圖。簡(jiǎn)述了此裝置的控 制方法。 圖4是本發(fā)明所述的級(jí)聯(lián)粗精耦合掃描裝置控制部分流程圖。簡(jiǎn)述了此裝置的控制方 法。
[0016]圖中標(biāo)號(hào)：1_第一底座；2-第一旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)；3-第一編碼器；4-第一楔形棱鏡； 5_第一鏡框；6-第一蝸輪；7-第一蝸桿；8-第一鏡架；9-第二旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)；10-第二編碼 器；11-第二楔形棱鏡；12-第二鏡框；13-第二蝸輪；14-第二蝸桿；15-第二鏡架；16-第 二底座；17-第三鏡框；18-第三旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)；19-第一平面鏡；20-第三鏡框；21-第三編 碼器；22-第四編碼器；23-第四鏡框；24-第二平面鏡；25-第四旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)；26-第四鏡 架。