[发明专利]自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光应用技术领域的飞行光路机构及其控制方法，特别涉及一种自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法。

背景技术

在激光应用领域中，比如大型激光加工、激光打靶、激光驱动飞行器等领域中，飞行光学技术由于具有较大的灵活性和轻便性得到广泛应用。例如大型激光加工中，由于大型工件较长，且较笨重，加工时若随主轴一起纵向移动，易出现爬行，定位不准确。因此对于大型工件的加工，通常采用飞行光学形式。

飞行光束聚焦特性主要包括实际焦距与几何焦距(理想几何平行光焦距)的差异、焦斑大小和焦深的变化。由于聚焦镜沿激光光轴作大尺寸移动，使实际焦距、焦斑和焦深产生较大变化，这对激光束质量产生重要影响，如何自动补偿飞行光束参量的变化是一个关键技术。

飞行聚焦头移动时，需要获得稳定的激光束聚焦参量，并且要使飞行光学参数补偿系统简单易控、响应快、精度高。现有技术中，采用变形镜应用于激光光束导光系统，较好的解决飞行光学问题，例如“自适应扩束系统控制飞行光束聚焦特性”的文章，提出了应用压力控制的变形镜自适应扩束系统来解决飞行光束聚焦特性的问题。其不足在于：变形镜需要复杂的控制单元，自适应组件的性能差，比如组件较低的精度和响应特性，常常影响光束的传输质量。

因此，需要一种飞行光路机构，取消变形镜结构，具有高性能的自适应性，改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，取消变形镜复杂的控制单元，结构简单，造价低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法，针对现有技术的不足，取消变形镜结构，具有高性能的自适应性，能够改善飞行光束的聚焦特性，可以精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，自适应控制飞行光束聚焦性能，即随飞行距离的变化，通过控制扩束物镜和聚焦镜的位置得到设定的聚焦尺寸和焦深，且方法简单可靠，取消变形镜复杂的控制单元，结构简单，造价低。

本发明的自适应闭环控制的飞行光路机构，包括激光器、飞行光路和驱动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，飞行聚焦头可沿光学轴线往复移动，所述望远镜系统包括目镜和物镜，飞行聚焦头包括平面镜和聚焦镜；所述激光器和目镜相对固定设置，激光器发射的光束依次通过目镜、物镜经平面镜反射至聚焦镜聚焦；所述驱动控制系统可根据飞行聚焦头和聚焦镜的位置信号驱动物镜和聚焦镜沿光学轴线往复运动。

进一步，所述驱动控制系统包括计算机、物镜数控驱动器、聚焦镜数控驱动器和位置传感器，所述位置传感器设置在飞行聚焦头上，用于检测飞行聚焦头沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜位置；所述物镜数控驱动器设置物镜进给轴，物镜设置在物镜进给轴上，所述聚焦镜数控驱动器设置聚焦镜进给轴，聚焦镜设置在聚焦镜进给轴上；所述计算机根据位置传感器传入的飞行聚焦头沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜位置信号，向物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器发出指令，分别驱动物镜和聚焦镜沿光学轴线往复运动；

进一步，所述平面镜相对于光学轴线呈45°角设置，入射光和反射光之间的夹角为90°；

进一步，所述物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器均为伺服电机，均通过丝杆传动机构驱动物镜进给轴和聚焦镜进给轴。

本发明还公开了自适应闭环控制的飞行光路机构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.在计算机中根据以下公式建立函数关系z′3(L)和z2(L)：