CN100585450C

CN100585450C - 自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法

Info

Publication number: CN100585450C
Application number: CN200810070050.1A
Authority: CN
Inventors: 万大平; 陈兵奎; 邵毅敏; 孟凡明
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2008-07-28
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2028-07-28
Also published as: CN101324705A

Abstract

本发明公开了一种自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法，包括激光器、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚焦头和望远镜系统，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，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，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，本发明具有高性能的自适应性，能够改善飞行光束的聚焦特性，精确可靠的补偿激光聚焦点焦深的变化，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。

Description

自适应闭环控制的飞行光路机构及其控制方法

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)：

z_{3}^{'} = f_{3} + {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}

L = z_{1} + z_{1}^{'} + z_{2} + f_{2} + f_{3} - l + \frac{(z_{2} - f_{2}) f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}} + \frac{w_{1}^{2}}{w_{3}^{2}} \cdot \frac{f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}} .

{[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2} + {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} [{(z_{2} - f_{2}^{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}

公式中w₁和w₃分别为目镜出射激光束束腰半径和聚焦镜出射激光束束腰半径，z₁为初始入射激光束束腰到目镜的距离，z′₁为w₁到目镜的距离，z₂为w₁到物镜的距离，z′₃为出射光聚焦距离，f₂和f₃分别为物镜和聚焦镜的几何焦距，L为初始入射激光束束腰到平面镜的距离，即飞行距离，l为w₃到平面镜的距离，Z_R1和Z_R3分别为目镜和聚焦镜的焦深；

b.确定聚焦镜的实际聚焦位置是否需要改变，如果是，则根据改变后的z′₃值，计算z₂的调整量，根据计算所得数值，通过物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器驱动物镜和聚焦镜；如果否，则根据L的变化计算z′₃和z₂的调整量，根据计算所得数值，通过物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器驱动物镜和聚焦镜。

本发明的有益效果是：本发明的自适应闭环控制的飞行光路机构，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；采用简单的进给轴结构，有别于传统的其它驱动方式，使本发明结构简单，运行精度高，安装制造方便，成本低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制方法流程图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图，如图所示：本实施例的自适应闭环控制的飞行光路机构，包括激光器1、飞行光路和驱动控制系统，飞行光路包括飞行聚焦头2和望远镜系统，飞行聚焦头2可沿光学轴线往复移动，望远镜系统包括目镜3和物镜4，飞行聚焦头2包括平面镜8和聚焦镜9，平面镜8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°，使机构的结构紧凑，易于控制；激光器1和目镜3相对固定设置，激光器1发射的光束6依次通过目镜3、物镜4，经平面镜8反射至聚焦镜9聚焦至工件11；

驱动控制系统包括计算机13、物镜数控驱动器14、聚焦镜数控驱动器12和位置传感器7，位置传感器7设置在飞行聚焦头2上，用于检测飞行聚焦头2沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜9位置；物镜数控驱动器14设置物镜进给轴5，物镜4设置在物镜进给轴5上，聚焦镜数控驱动器12设置聚焦镜进给轴10，聚焦镜9设置在聚焦镜进给轴10上；计算机13根据位置传感器7传入的飞行聚焦头2沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜9位置信号，向物镜数控驱动器14和聚焦镜数控驱动器12发出指令，驱动物镜4和聚焦镜9沿光学轴线往复运动；采用数控驱动器结构，利于精确控制物镜4和聚焦镜9的移动距离，利于保证精确得到设定的聚焦尺寸和焦深。

物镜数控驱动器14和聚焦镜数控驱动器12均为伺服电机，配合伺服放大器，均通过丝杆传动结构驱动物镜进给轴5和聚焦镜进给轴10；采用伺服电机结合丝杆传动可以缩小传动机构的结构尺寸，不但使整个机构结构简单，传动精确，并且节约制造成本。

当然，驱动控制系统并不局限于本实施例的结构，也可以是现有的常规驱动和传感技术，也可以达到发明目的。

图2为本发明控制方法流程图，如图所示：图中的f_i为f₁、f₂和f₃，Z_Ri为Z_R1和Z_R3，w_i为w₁、w₃，透镜M₂和M₃分别为物镜4和聚焦镜9；

本发明的自适应闭环控制的飞行光路机构的控制方法，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)：

z_{3}^{'} = f_{3} = {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}

公式一

L = z_{1} + z_{1}^{'} + z_{2} + f_{2} + f_{3} - l + \frac{(z_{2} - f_{2}) f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}} + \frac{w_{1}^{2}}{w_{3}^{2}} \cdot \frac{f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}} .

公式二

{[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2} + {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} [{(z_{2} - f_{2}^{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}

公式中w₁和w₃分别为目镜出射激光束束腰半径和聚焦镜出射激光束束腰半径，z₁为初始入射激光束束腰到目镜的距离，z′₁为w₁到目镜的距离，z₂为w₁到物镜的距离，z′₃为出射光聚焦距离，f₁、f₂和f₃分别为目镜、物镜和聚焦镜的几何焦距，L为初始入射激光束束腰到平面镜的距离，即飞行距离，l为w₃到平面镜的距离，Z_R1和Z_R3分别为目镜和聚焦镜的焦深；

b.确定聚焦镜的实际聚焦位置是否需要改变，如果需要改变，则根据改变后的z′₃值，计算z₂的调整量，根据计算所得数值，通过物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器驱动物镜和聚焦镜；如果不需要改变，则根据L的变化计算z′₃和z₂的调整量，根据计算所得数值，通过物镜数控驱动器和聚焦镜数控驱动器驱动物镜和聚焦镜。

调整望远镜系统的物镜4和飞行聚焦头2的聚焦镜9位置，具体为：当飞行聚焦头2沿着光轴前进时，焦点半径w₃，聚焦距离z′₃以及焦深Z_R3相应改变，为了保持焦点半径w₃和焦深z_R3不变，可以同步调整聚焦距离z′₃、扩束物镜与束腰距离z₂的大小；由于f₁、f₂和f₃，目镜3距前后束腰的距离z₁和z′₁，聚焦镜9出射激光束束腰到平面镜M₀的距离l均为已知量，固定不变的，飞行距离L为变量，入射激光束的Z_R1由激光器谐振腔的输出光束确定，输出激光束的Z_R3预先确定，由飞行光束传输特性和高斯光束ABCD传输矩阵理论可求出包含聚焦距离z′₃、扩束物镜与束腰距离z₂以及飞行距离L三个变量的方程组，该两参数与飞行距离L的函数关系可以表示为以上公式一和公式二；

公式中固定不变的已知量为：f_i、w_i、l和Z_Ri，当其它参数保持不变时，聚焦距离z′₃、扩束物镜与束腰距离z₂相对于飞行距离L的变化情况通过数值计算求解出来；当然，飞行距离L与z′₃及z₂的函数关系z′₃(L)和z₂(L)亦可由最小二乘法拟合出二个函数公式以提高计算速度。根据计算结果，通过采用闭环伺服控制单元移动物镜4和聚焦镜9的位置来补偿焦深和焦点半径的变化。另外，如果聚焦镜9的实际聚焦位置根据需要改变时，可根据z′₃与z₂之间的函数关系，确定物镜4的移动位置，使聚焦镜9焦点位置自适应伸长和缩短。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种自适应闭环控制的飞行光路机构，包括激光器(1)、飞行光路和驱动控制系统，所述飞行光路包括飞行聚焦头(2)和望远镜系统，飞行聚焦头(2)可沿光学轴线往复移动，所述望远镜系统包括目镜(3)和物镜(4)，飞行聚焦头(2)包括平面镜(8)和聚焦镜(9)；其特征在于：所述激光器(1)和目镜(3)相对固定设置，激光器(1)发射的光束(6)依次通过目镜(3)、物镜(4)经平面镜(8)反射至聚焦镜(9)聚焦；所述驱动控制系统包括计算机(13)、物镜数控驱动器(14)、聚焦镜数控驱动器(12)和位置传感器(7)，所述位置传感器(7)设置在飞行聚焦头(2)上，用于检测飞行聚焦头(2)沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜(9)位置；所述物镜数控驱动器(14)设置物镜进给轴(5)，物镜(4)设置在物镜进给轴(5)上，所述聚焦镜数控驱动器(12)设置聚焦镜进给轴(10)，聚焦镜(9)设置在聚焦镜进给轴(10)上；所述计算机(13)根据位置传感器(7)传入的飞行聚焦头(2)沿光学轴线往复移动的距离和聚焦镜(9)位置信号，向物镜数控驱动器(14)和聚焦镜数控驱动器(12)发出指令，分别驱动物镜(4)和聚焦镜(9)沿光学轴线往复运动。

2.根据权利要求1所述的自适应闭环控制的飞行光路机构，其特征在于：所述平面镜(8)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°。

3.根据权利要求2所述的自适应闭环控制的飞行光路机构，其特征在于：所述物镜数控驱动器(14)和聚焦镜数控驱动器(12)均为伺服电机，均通过丝杆传动机构驱动物镜进给轴(5)和聚焦镜进给轴(10)。

4.一种用于权利要求1所述的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)：

z_{3}^{'} = f_{3} + {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}

L = z_{1} + z_{1}^{'} + z_{2} + f_{2} + f_{3} - l + \frac{(z_{2} - f_{2}) f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}} + \frac{w_{1}^{2}}{w_{3}^{2}} \cdot \frac{f_{2}^{2}}{{(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}

{[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} {(z_{2} - f_{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2} + {[\frac{w_{3}^{2} f_{3}^{2} [{(z_{2} - f_{2}^{2})}^{2} + Z_{R 1}^{2}}{w_{1}^{2} f_{2}^{2}} - Z_{R 3}^{2}]}^{1 / 2}