專利名稱：一種用于石質文物的便攜式激光清洗機的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光清洗設備技術領域，具體涉及一種用于石質文物的便攜式激光清洗機。
背景技術：
在文物保護領域中，石材是一種最古老的建筑材料和藝術雕刻材料，中華民族數千年文明為我們留下了許多令世人矚目的石質文物古跡。但是，大多數的石質文物多處于露天或半露天保存，由于自然風化、人為活動、生物侵蝕、環境污染，使其表面出現不同程度的污染物附集、變色、硬質結垢、煙熏、有害鹽類聚集、微生物侵蝕等文物表面病害。這些表層覆蓋物對石質文物不僅造成視覺上的污染，而且其中的有害成分嚴重威脅著文物本體的保存，造成文物損毀，同時影響進一步保護措施的實施及實施效果。所以說石質文物表面有害污物清除技術是石質文物保護最基本技術，也是至關石質文物保護成功與否的關鍵技術點。對于石質文物的清洗，所使用的清洗方法不僅要清除文物表面污染物，最重要的是要保證在清洗過程中文物表面不發生損傷。目前石質文物表面污染物清除技術有化學清洗、蒸汽噴射清洗、粒子噴射清洗、激光清洗等。在各種清洗技術中，化學清洗的問題是難以判別殘留物對文物的遠期影響，另外易造成環境污染。蒸汽噴射清洗技術的問題在于，用于表面已劣化的石質文物時，會因為蒸汽的高溫造成巖石內外熱脹不均，從而導致應力破壞。 粒子噴射清洗技術會嚴重磨損石質文物的表層，特別是一些棱角部位。而激光清洗技術，其原理是利用高功率密度的激光束輻照待清洗物表面，使表面的污染物發生瞬間的碎裂、蒸發或剝離，脫離物體表面，其特點是清洗效果好、非接觸式、不污染環境、無殘留、安全可靠、 節水、可精確控制、適用面廣、運行成本低，特別對于表面精細的石雕石刻類文物，其優勢是許多傳統清洗工藝無法比擬的。名稱為“便攜式激光清洗系統”的中國專利(專利授權號為CN100374237C)文獻中介紹了一種便攜式激光清洗系統，該系統主要用于道路、廣告牌等表面的清洗，不是針對于石質文物的激光清洗設備，且在清洗石質文物過程中，易造成文物損傷。

發明內容
為了克服現有的激光清洗裝置難以清洗石質文物的不足，本發明提供一種用于石質文物的便攜式激光清洗機。為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下
本發明的一種用于石質文物的便攜式激光清洗機，特點是，所述的清洗機含有激光器、 集成在激光器上的激光能量監測系統和可見光指示系統、用于傳導激光的導光臂、工作頭。 其中，所述的激光能量監測系統包括能量探頭、能量表頭、反射鏡I和反射鏡II ；所述的可見光指示系統包括可見指示光源和半透半反鏡I ；所述的導光臂由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口、控制開關、實時在線監測系統和用于調節激光光斑尺寸的透鏡I ；所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器、監視器、透鏡II和半透半反鏡II。其連接關系是，激光器中依次放置有反射鏡I、反射鏡II、半透半反鏡I，還放置有能量探頭、可見指示光源，置于激光器外部的能量表頭與激光器中的能量探頭連接。用于傳導激光的導光臂的一端與激光器中的半透半反鏡I相連，導光臂的另一端與工作頭相連。工作頭中放置有透鏡I、半透半反鏡II、出光口、透鏡II、(XD圖像傳感器，監視器置于工作頭外部，與CXD圖像傳感器連接；在工作頭中設置有用于控制激光出射和關閉的控制開關，控制開關與激光器相連接。所述清洗機的工作原理為，激光在激光器內部先依次經過激光能量監測系統的反射鏡I和反射鏡II，再經過可見光指示系統的半透半反鏡I，然后從激光器輸出。激光從激光器輸出后，通過導光臂，將激光傳導至與導光臂相連的工作頭。激光進入工作頭后，經過用于調節光斑尺寸的透鏡I，再經過實時在線監測系統的半透半反鏡II，最后從工作頭的出光口出射，輻照在待清洗物表面。待清洗物表面漫反射的光可透過實時在線監測系統的半透半反鏡II，透鏡II在半透半反鏡II后，將待清洗物表面的像成像在CXD圖像傳感器上， 顯示待清洗物表面的形貌。本發明的用于石質文物的便攜式激光清洗機中，所述的激光器，其工作部件含有光學諧振腔、電源、水箱、激光能量調節部件，激光器的選擇取決于需要清洗的對象，可選擇單波長或者三波長可調的Nd: YAG類固體脈沖激光器，也可選擇連續型的激光器。所述激光能量監測系統包括能量探頭、能量表頭、反射鏡I和反射鏡II，反射鏡I 對激光的反射率為90% 98%，反射鏡II對激光的反射率大于99%。反射鏡I的一側用于反射激光，能量探頭放置在反射鏡I的另一側，監測透過反射鏡I的激光能量，能量表頭放在激光器外部。透過反射鏡I的激光能量與輻照在待清洗物表面的激光成一定的比例，可通過監測透過反射鏡I的激光能量換算得到待清洗物表面的激光的能量，從而實時的監測激光能量。反射鏡II用于傳導激光，將激光傳導至所需的位置。所述可見光指示系統包括可見指示光源和半透半反鏡I，可見指示光源為低功率的可見波段的激光光源，半透半反鏡I對激光的透過率大于99%，并對可見指示光的反射率大于70%。半透半反鏡I使激光透過，同時將可見指示光反射進光路，在此處調節半透半反鏡I，使可見指示光與激光共軸，因而可見指示光可快速指示激光位置。所述的用于傳導激光的導光臂，由多片反射鏡組成，用于傳導激光及可見指示光， 可自由全角度旋轉，不影響光束質量。所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器、監視器、透鏡II和半透半反鏡II， 透鏡II對可見光的透過率大于80%，半透半反鏡II對激光的反射率大于99%，并對可見光的透過率大于80%。待清洗物表面的漫反射的光可透過半透半反鏡II，透鏡II在半透半反鏡II 之后，將待清洗物的像成像在C⑶圖像傳感器上，監視器與CXD圖像傳感器連接，顯示CXD 圖像傳感器上接收的待清洗物的像，從而實時在線監測待清洗物表面形貌。所述的用于調節激光光斑尺寸的透鏡I，對激光的透過率大于99%。透鏡具有對光束擴散和會聚的作用，在此處用于調節激光光斑尺寸。本發明的用于石質文物的便攜式激光清洗機具有實時在線監測文物表面形貌、激光能量監測、可見光指示和激光光斑尺寸可調的功能。能夠實時在線的觀察待清洗物表面形貌，同時監測激光能量，通過判斷待清洗物表面形貌和激光能量大小，當有需要時立即停止激光輻照，可有效避免文物損傷發生。可見指示光精確指示激光，便于觀察激光位置。可根據需要調節待清洗物表面的光斑尺寸，使清洗過程更易控制。上述功能配合使用能有效避免石質文物在清洗過程中發生損傷，并且這些功能都集成在激光清洗機上，在生產過程中，各功能就已調節標定完畢，使用過程中無需再調節，使用攜帶方便，非光學專業的技術人員都可操作使用。


圖1為本發明用于石質文物的便攜式激光清洗機的結構框圖。圖中，1.激光器 2.反射鏡I 3.反射鏡II 4.能量探頭 5.能量表頭 6.半透半反鏡I7.可見指示光源 8.導光臂 9..透鏡I 10.控制開關 11.半透半反鏡II 12.透鏡II 13. C⑶圖像傳感器 14.監視器 15.出光口 16.待清洗物。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行具體的說明。圖1為本發明的用于石質文物的便攜式激光清洗機的結構框圖，圖1中，本發明的一種用于石質文物的便攜式激光清洗機含有激光器1、集成在激光器1上的激光能量監測系統和可見光指示系統、用于傳導激光的導光臂8、工作頭。其中，所述的激光能量監測系統包括能量探頭4、能量表頭5、反射鏡I 2和反射鏡II 3 ；所述的可見光指示系統包括可見指示光源7和半透半反鏡I 6 ；所述的導光臂8由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口 15、控制開關10、實時在線監測系統和用于調節激光光斑尺寸的透鏡I 9 ；所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器13、監視器14、透鏡II 12和半透半反鏡II 11。其連接關系是，激光器1中的反射鏡I 2、反射鏡II 3、半透半反鏡I 6在光路中依次放置，能量探頭4 放置在反射鏡I 2的一側，置于激光器外部的能量表頭5與激光器1中的能量探頭4連接； 用于傳導激光的導光臂8的一端與激光器1中的半透半反鏡I 6相連，導光臂8的另一端與工作頭相連；工作頭中的透鏡I 9、半透半反鏡II 11、出光口 15在光路中依次放置；放置在半透半反鏡II 11 一側的透鏡II 12與CXD圖像傳感器13在光路中連接；監視器14置于工作頭外部，與CCD圖像傳感器13連接；在工作頭中設置有用于控制激光出射和關閉的控制開關10，控制開關10與激光器1相連接；
所述清洗機的工作原理為，激光在激光器內部先依次經過激光能量監測系統的反射鏡 I 2和反射鏡II 3，再經過可見光指示系統的半透半反鏡I 6，然后從激光器1輸出；激光從激光器輸出后，通過導光臂8，將激光傳導至與導光臂相連的工作頭；激光進入工作頭后， 經過用于調節光斑尺寸的透鏡I 9，再經過實時在線監測系統的半透半反鏡II 11，最后從工作頭的出光口 15出射，輻照在待清洗物16表面；待清洗物16表面漫反射的光可透過實時在線監測系統的半透半反鏡II 11，透鏡II 12在半透半反鏡II 11后，將待清洗物16表面的像成像在CXD圖像傳感器13上，顯示待清洗物16表面的形貌。本發明的用于石質文物的便攜式激光清洗機中，所述的激光器，其工作部件含有光學諧振腔、電源、水箱、激光能量調節部件，激光器的選擇取決于需要清洗的對象，可選擇單波長或者三波長可調的Nd: YAG類固體脈沖激光器，也可選擇連續型的激光器。
所述激光能量監測系統包括能量探頭4、能量表頭5、反射鏡I 2和反射鏡II 3，反射鏡I 2對激光的反射率為90% 98%，反射鏡II 3對激光的反射率大于99%。反射鏡I 2 的一側用于反射激光，能量探頭放置在反射鏡I 2的另一側，監測透過反射鏡I 2的激光能量，能量表頭放在激光器外部。透過反射鏡I 2的激光能量與輻照在待清洗物表面的激光成一定的比例，可通過監測透過反射鏡I 2的激光能量換算得到待清洗物表面的激光的能量，從而實時的監測激光能量。反射鏡II用于傳導激光，將激光傳導至所需的位置，可根據實際需要，增減反射鏡。所述可見光指示系統包括可見指示光源7和半透半反鏡I 6，可見指示光源7為低功率的可見波段的激光光源，半透半反鏡I 6對激光的透過率大于99%，并對可見指示光的反射率大于70%。半透半反鏡I 6使激光透過，同時將可見指示光反射進光路，在此處調節半透半反鏡I 6，使可見指示光與激光共軸，因而可見指示光可快速指示激光位置。所述的用于傳導激光的導光臂8，由多片反射鏡組成，用于傳導激光及可見指示光，可自由全角度旋轉，不影響光束質量。所述的實時在線監測系統包括CXD圖像傳感器13、監視器14、透鏡II 12和半透半反鏡II 11，透鏡II 12對可見光的透過率大于80%，半透半反鏡II 11對激光的反射率大于99%，并對可見光的透過率大于80%。待清洗物16表面的漫反射的光可透過半透半反鏡 II 11，透鏡II 12在半透半反鏡II 11之后，將待清洗物16的像成像在C⑶圖像傳感器13 上，監視器14與CXD圖像傳感器13連接，顯示CXD圖像傳感器13上接收的待清洗物16的像，從而實時在線監測待清洗物表面形貌。所述的用于調節激光光斑尺寸的透鏡I 9，對激光的透過率大于99%。其作用是調節待清洗物16表面的光斑尺寸，可通過兩種方式來調節，一是將透鏡I 9做成可抽插切換的模塊，通過更換不同焦距的透鏡來調節光斑尺寸；二是將透鏡I 9做成可隨光路前后移動的模塊，通過移動透鏡的位置來改變待清洗物16到透鏡I 9的距離，從而實現待清洗物表面上光斑尺寸可調。所述的控制開關10與激光器1連接，用于控制激光的出射，操作人員手持工作頭， 當需要激光輻照時，打開開關，放出激光，關閉開關，即可停止激光出射。本發明的操作流程是確定工作頭上的開關10關閉后，啟動激光器1，打開能量表頭5、可見指示光源7、(XD圖像傳感器13和監視器14的電源。操作人員手持工作頭，將工作頭的出光口 15面對待清洗物16，此時可在待清洗物表面看見可見指示光的光斑，由于激光與指示光共軸，因此指示光所指示的位置即為激光的位置。移動工作頭，將可見指示光對準所需清洗的位置，前后移動工作頭，使監視器上待清洗物16表面的圖像清晰，此時即可觀察到待清洗物16表面在激光輻照前的形貌。調節激光器的激光能量至所需激光能量，打開工作頭上的開關10，激光出射，輻照在待清洗物16上。輻照后，關閉開關10停止輻照，通過監視器14觀察待清洗物16表面在激光輻照后的形貌，同時通過能量表頭5的示數換算激光能量。判斷待清洗物表面形貌和激光能量大小，當有需要時停止激光輻照，可有效避免損傷的發生，并可以更好的判斷激光清洗效果。在激光輻照過程中，根據需要調節待清洗物 16表面的激光光斑尺寸。實時在線監測系統中的透鏡II，可根據需要更換為不同焦距的透鏡或者顯微鏡鏡頭。通過改變光學參數，可將待清洗物表面的像放大不同的倍數顯示在監視器上。
監視器14可更換為電腦，安裝圖像采集軟件，即可將待清洗物表面形貌拍照記錄下來。本發明在進行清洗工作時，還可配置輔助氣體吹掃和吸塵裝置，提高清洗效率減少環境污染。對于文物清洗，安全為第一要素，因此一般情況下首選單點清洗，以確保安全。當需要掃描清洗時，可將本發明的工作頭固定在電動平移臺上，通過控制電動平移臺進行掃描清洗，以提高清洗效率。
權利要求
1.一種用于石質文物的便攜式激光清洗機，其特征在于，所述的清洗機含有激光器 (1)、集成在激光器(1)上的激光能量監測系統和可見光指示系統、用于傳導激光的導光臂(8)、工作頭；其中，所述的激光能量監測系統包括能量探頭0)、能量表頭(5)、反射鏡I ( 和反射鏡II (3)；所述的可見光指示系統包括可見指示光源(7)和半透半反鏡 I (6)；所述的導光臂(8)由多片反射鏡組成；所述的工作頭包括出光口(15)、控制開關 (10)、實時在線監測系統和用于調節激光光斑尺寸的透鏡I (9)；所述的實時在線監測系統包括C⑶圖像傳感器(13)、監視器(14)、透鏡II (12)和半透半反鏡II (11)；其連接關系是，激光器(1)中依次放置有反射鏡I O)、反射鏡II (3)、半透半反鏡I (6)，還放置有能量探頭G)、可見指示光源(7)，置于激光器(1)外部的能量表頭(5)與激光器(1)中的能量探頭(4)連接；用于傳導激光的導光臂(8)的一端與激光器(1)中的半透半反鏡I (6)相連， 導光臂(8)的另一端與工作頭相連；工作頭中放置有透鏡I (9)、半透半反鏡II (11)、出光口(15)、透鏡II (12)、CCD圖像傳感器(13)，監視器(14)置于工作頭外部，與CCD圖像傳感器(13)連接；在工作頭中設置有用于控制激光出射和關閉的控制開關(10)，控制開關(10) 與激光器(1)相連接。
2.根據權利要求1所述的用于石質文物的便攜式激光清洗機，其特征在于，所述的激光能量監測系統中，反射鏡I (2)采用對激光的反射率為90% 98%的反射鏡；所述的反射鏡II (3)采用對激光的反射率大于99%的反射鏡。
3.根據權利要求1所述的用于石質文物的便攜式激光清洗機，其特征在于，所述的可見光指示系統中，半透半反鏡I (6)采用對激光的透過率大于99%，并對可見指示光的反射率大于70%的半透半反鏡。
4.根據權利要求1所述的用于石質文物的便攜式激光清洗機，其特征在于，所述的實時在線監測系統中，透鏡II (12)采用對可見光的透過率大于80%的透鏡；所述的半透半反鏡II (11)采用對激光的反射率大于99%，并對可見光的透過率大于80%的半透半反鏡。
5.根據權利要求1所述的用于石質文物的便攜式激光清洗機，其特征在于，所述的透鏡I (9)采用對激光的透過率大于99%的透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種用于石質文物的便攜式激光清洗機，可對石質文物表面污染物進行有效的清除，并有效避免清洗過程中發生損傷。本發明包括激光器、集成在激光器上的激光能量監測系統和可見光指示系統、用于傳導激光的導光臂和工作頭。本發明具有實時在線監測文物表面形貌、激光能量監測、可見光指示和激光光斑尺寸可調的功能。通過判斷待清洗物表面形貌和激光能量大小，當有需要時立即停止激光輻照，可有效避免文物損傷發生。可見指示光精確指示激光，便于觀察激光位置。可根據需要調節待清洗表面的光斑尺寸，使清洗過程更易控制。本發明的激光清洗機適用于石質文物清洗，攜帶方便，易于使用。
文檔編號B08B7/00GK102327885SQ20111034354
公開日2012年1月25日 申請日期2011年11月4日 優先權日2011年11月4日
發明者葉亞云, 欒曉雨, 王洪彬, 王海軍, 秦朗, 程曉鋒, 苗心向, 袁曉東, 賀少勃, 賀群, 趙龍彪, 馬志強, 齊揚 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心