一种简化平场镜头的振镜扫描系统

技术领域

本发明属于激光3D打印设备技术领域，尤其涉及一种简化平场镜头的振镜扫描系统。

背景技术

振镜扫描加工广泛应用于激光打孔、切割、焊接、3D打印等行业，原理是采用振镜反射激光光束，在打印工作面上进行图像扫描打印。当前激光扫描聚焦的方式有前聚焦振镜(PRE-SCAN)和后聚焦振镜(POST-SCAN)两种方式，前聚焦振镜是在扫描后聚焦，后聚焦振镜是在扫描前聚焦。

前聚焦方案，激光器光束首先通过准直镜、扩束镜，再由能实时移动的动态调焦透镜，再通过振镜反射激光，实现激光在打印工作面的扫描打印工作。该方案需要使用程序补偿算法，实时控制调焦镜片，配合振镜扫描的位置补偿焦距，实现动态对焦，使得激光束能实时成像于打印工作面。动态对焦设备在一年的工作期限内需要镜片来回运动补偿焦距超过100亿次，因此它对音圈电机以及直线导轨的稳定性要求非常高。以目前业内产品的实际表现，前聚焦的动态对焦方案比后聚焦的平场镜头方案稳定性要更差。此外，前聚焦系统受限于光学系统的原理，其扫描打印图案时，光束垂直扫描图案中心位置和光束倾斜扫描图案边缘位置，其光斑变形量接近后聚焦系统的两倍，因此，其零件边缘打印的质量更差。

后聚焦振镜方式，即激光器发出激光束首先通过准直镜、扩束镜，再通过扫描振镜，最后经过场镜(也叫f-theta平场镜头、f-θ场镜)扫描到加工面。扫描振镜通过改变X、Y轴方向的两个反射镜的反射角度，实现激光束的偏转，进而控制激光束按照指定的扫描路径运动。f-theta平场镜头是在不改变光学系统光学特性的前提下，改变成像光束的位置，实现在整个加工面光斑聚焦均匀。

后聚焦中使用的F-Theta平场镜头主要是实现两个作用，其一是将前聚焦系统中不同扫描角度激光焦点的弯曲像场矫正成平面像场，其二是将扫描角度与打印工作面的扫描位置的关系由F/tan(θ)变为F/θ，即扫描角度与光点位置成正比。在实际应用中F-Theta平场镜头作用里，矫正弯曲像场的作用更加重要，该功能可以省去调焦用电机及驱动器，让控制系统更加简。

f-theta平场镜头的结构如申请公布号为CN101846791A、CN114994866A以及授权公告号为CN203909385U的中国专利所示的结构，由于在振镜大扫描角度下，像场弯曲需要矫正的数值很大，因此高精度的F-Theta平场镜头光学镜片通常包含4片以上，导致F-Theta平场镜头结构比较复杂，体积也很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简化平场镜头的振镜扫描系统，以解决现有后聚焦振镜扫描系统中所使用的F-Theta平场镜头结构复杂、体积大等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明涉及的一种简化平场镜头的振镜扫描系统，其包括依次设置在激光束路径上的辅助透镜、扫描振镜和平场透镜组；所述的辅助透镜的焦距为f1，辅助透镜与扫描振镜之间的间距为L1，扫描振镜与平场透镜组之间的最大倾角光束光程为L2，辅助透镜的焦距满足以下公式：f1＜L1+L2；所述的平场透镜组包括至少1块凸透镜。

优选地，所述的辅助透镜为凹透镜，辅助透镜的焦距f1＜0。

优选地，所述的辅助透镜为凸透镜，辅助透镜的焦距0＜f1＜L1+L2。

优选地，所述的平场透镜组包括1～2块凸透镜。

优选地，所述的平场透镜组包括2块凸透镜，2块凸透镜平行间隔设置。

与现有技术相比，采用本发明涉及的技术方案存在以下有益效果：

本发明涉及的简化平场镜头的振镜扫描系统是对后聚焦振镜扫描系统的一种改进，通过在扫描振镜的前方设置辅助透镜，且辅助透镜的焦距f1、辅助透镜与扫描振镜之间的间距L1以及扫描振镜与平场透镜组之间的最大倾角光束光程L2满足f1＜L1+L2，光束透过辅助透镜后，倾斜的光束的像距变得比光轴上的光束更长，使得平场透镜组和打印工作面之间的光束长度大于平场透镜组的焦距，进而将平场透镜组后的像场变为平面像场，不再通过增加平场透镜组中透镜的数量达到将弯曲的像场改变为平面像场的目的，进而简化了平场透镜组的结构，减少了体积。

附图说明

图1为本发明涉及的简化平场镜头的振镜扫描系统的结构图；

图2为本发明涉及的简化平场镜头的振镜扫描系统的简化光路示意图；

图3为未设置辅助透镜情况下使用单片平场透镜的光学仿真图；

图4为实施例2设置辅助透镜情况下使用单片平场透镜的光学仿真图；

图5为实施例3设置辅助透镜情况下使用单片平场透镜的光学仿真图；

图6为实施例4设置辅助透镜情况下使用单片平场透镜的光学仿真图；

图7为实施例4中F/θ关系的畸变曲线图。

附图标记：1-激光束，2-辅助透镜，3-扫描振镜，4-平场透镜组，41-凸透镜，5-打印工作面。

具体实施方式

下面对本发明进行详细说明，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。

实施例1

对于未设置辅助透镜2且平场透镜组4为1块凸透镜的扫描系统，入射激光束为经过准直的激光束1，直径20mm，扫描振镜3反射后的激光束1扫描角度±20°，波长1064nm，工作距离600mm，使用单片凸透镜41进行平场镜头设计，最终光学仿真优化结果如图3所示，光路参数如表1所示：

表1：未设置辅助透镜且平场透镜组为1块凸透镜时的光路参数图

由此可见，如使用单片透镜将弯曲的像场矫正为平面的像场，单片透镜对像场弯曲的矫正有限，最终无法将弯曲像场矫正为平面像场，矫正后的像场弯曲半径仍然有860mm。对此，本实施例在保持以单块凸透镜41进行平场透镜组4设计的情况下，在扫描振镜3的前方设置辅助透镜2，以对扫描系统进行改进。

实施例2

参照附图1和2所示，本实施例为基于实施例1的其中一种改进方案，本实施例涉及的一种简化平场镜头的振镜扫描系统，其包括依次设置在激光束1路径上的辅助透镜2、扫描振镜3和平场透镜组4。所述的激光束1为经过准直的平行光束，准直采用准直镜实现，为现有技术，不属于本发明的保护范畴，故附图中未画出准直镜。所述的辅助透镜2的焦距为f1，辅助透镜2与扫描振镜3之间的间距为L1，扫描振镜3与平场透镜组4之间的最大倾角光束光程为L2，平场透镜组4与打印工作面5之间的最大倾角光束光程为L3，根据透镜成像公式有如下关系式：

本实施例中，辅助透镜2采用凹透镜，其焦距f1＜0；平场透镜组为1块凸透镜41，以进行平场设计。该系统的光学仿真图如图4所示，光路参数如表2所示：

表2：实施例2涉及的扫描系统的光路参数图

由此得，辅助透镜2的位置加入单片凹透镜片后，平场透镜组4对弯曲像场的矫正能力大幅提高，使用单片凸透镜41作为平场透镜组4即可完美矫正像场弯曲。

实施例3

本实施例中，辅助透镜2采用凸透镜，焦距满足0＜f1＜L1+L2；采用1块凸透镜41进行平场透镜组4的设计，光学仿真图如图5所示，光路参数如表3所示：

表3：实施例3涉及的扫描系统的光路参数图

本实施例在辅助透镜2的位置加入单片凸透镜片后，平场透镜组4也能实现使用单片凸透镜41即可完美矫正像场弯曲，但是其矫正几何像差的能力比实施例2中的凹透镜差一些，在实际使用中辅助透镜2更建议使用凹透镜或凹透镜组。

实施例4

本实施例中，辅助透镜2采用凹透镜，焦距满足f1＜0；采用2块凸透镜41进行平场透镜组4的设计，光学仿真图如图6所示，光路参数如表4所示：

表4：实施例4涉及的扫描系统的光路参数图

本实施例在辅助透镜2的位置加入单片凹透镜片，平场透镜组4使用两片凸透镜41，不仅实现了对弯曲像场的矫正，而且对F/θ关系的畸变矫正，也达到了使用要求，即通过本方案在辅助透镜2的位置加入辅助透镜后，仅需要两片凸透镜41即可设计实现高质量的F-Theta平场镜头。图7为实施例4中F/θ关系的畸变曲线图，在全视场内F/θ关系的畸变值不超过±0.01％，本实施例是一个打印幅面360*360mm的镜头，在整个视场内，打印工作面处图像与F/θ关系的畸变最大偏差不超过180mm*0.01％＝18um，满足激光扫描打印对图案的精度要求。

以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。