[发明专利]激光扫描系统及其方法

说明书

本发明涉及一种激光扫描系统，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，激光扫描系统还包括有光束质量分析仪和控制器，其中：光束质量分析仪用于测量光斑形态的数据，光束质量分析仪与控制器电连接，用于将数据输入控制器；控制器与激光发射单元、偏转单元以及调焦单元均电连接。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。

技术领域

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

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；

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；

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；

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。

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。