[发明专利]一种手持式激光清洗机的光学整型装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种手持式激光清洗机的光学整型装置。

背景技术

激光清洗技术是采用高功率密度的激光直接照射在物体表面，使表面上附着的涂层、锈迹和油污瞬间蒸发、烧蚀或剥离。

手持式激光清洗机要求结构紧凑，体积小，重量轻。系统由光学设计开始，光学结构决定了整个系统的体积大小，对激光的整型处理决定了待清洗面上的聚焦光点面积，在激光器输出光功率不变的情况下直接影响清洗效果。聚焦光点的半径越小，则激光的功率密度越高，清洗厚度越深，但单位时间内能清洗的面积也会减少。

多数情况下，激光器的输出为圆形平行光束，能量呈高斯型分布，光功率越大对应的圆形光斑直径也越大，可达6mm～10mm。目前的激光清洗机进行扫描时，通常都是使用准直聚焦透镜直接将这种大直径光束进行聚焦，透镜的球差、慧差将导致聚焦效果变差，待清洗物表面的光点直径增大并变形，使光功率密度下降，严重时可能低于清洗阈值，导致无法完成清洗工作。本发明的第一个目标就是对激光束进行光学整型，以获得直径小、能量高度集中的激光光斑。

减小光斑直径，提高成像质量的方法主要有两种：一是采用非球面透镜或透镜组来矫正球差、慧差，二是根据透镜成像的原理，减小物的大小也能减小像的大小。第一种方法采用非球面透镜将大大提高设备成本，而透镜组又会带来光吸收率提高、透射率下降的缺点，因此应优先采用第二种方法减小光斑直径。理想的情况是先将6mm～10mm的激光光斑缩小5～10倍，然后通过振镜扫描和准直聚焦透镜，形成高功率密度的光点。

对于缩小激光聚焦光点直径的光学整型系统还有两个要求：不能改变光束质量、尽量减少光学元件数量。不能改变光束质量是指光学系统要实现平行光入射平行光出射，高斯分布的光束直径缩小后仍呈高斯分布；减小光学元件数量是为了减少元件对光的吸收，保证输出光能量。伽利略式或开普勒式双镜望远系统均能够满足这两方面要求。伽利略望远系统由一个凸透镜加一个凹透镜组成，凸透镜的后焦点与凹透镜的后焦点（虚焦点）重合；开普勒望远系统由两个凸透镜组成，前凸透镜的后焦点与后凸透镜的前焦点重合。这两种系统的缩小倍数均为前后两镜焦距之比。伽利略系统结构较紧凑，但是光路中没有聚焦点，会给调试过程带来一定困难，如果调试不准，同样会造成光斑聚焦质量差的问题，因此在系统长度具有裕量的情况下采用开普勒系统较为合适。准直聚焦镜为球面型单透镜，其相对孔径与像差大小直接相关。在直径一定的情况下，选择小的相对孔径（即大的焦距）能够获得较好的光束会聚效果。

为了指示最佳工作位置，一般的激光清洗机采取激光测距法直接测量输出端到待清洗物的距离，但是这种方法将引入大量的元器件，提高了设备成本，并使控制系统更加复杂化。本发明的第二个目标就是采用光学对焦的方法来取代传统的激光测距法，仅需使用几个固定不动的反射镜，利用光学原理，将指示光分为两束，从两个不同的位置分别入射到会聚透镜，会聚透镜的焦点处即为会聚光斑直径最小的地方，也就是最佳工作位置。两束指示光将在透镜的焦点处产生重合，如果待清洗物位于透镜焦点之外的其他位置，则操作人员将看到两个光斑，只有当待清洗物位于透镜焦点处时，操作人员看到两个光斑重合在一起，此时待清洗物与手持式激光清洗机处于最佳工作距离。由此即以光学的方法实现了最佳工作位置的对焦指示，同时对工作激光能量无任何衰减。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种手持式激光清洗机的光学整型装置，将可见指示光和不可见工作激光进行合束和分束，再通过望远系统和折返式自由光路对两部分光束分别进行整型和移位，从而实现了工作激光功率的高密度集中，克服了单轴系统体积过大的问题；采取了光学对焦的方法，取代了传统的激光测距法，用于指示最佳工作点位置，减少了元器件数量，使结构更为简单紧凑；在不可见的工作激光中附加了可见指示光，同时实现了光学对焦，既给操作人员指明了清洗区域，又保障了人身安全。