CN102175153B - 激光光束聚焦焦斑检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光光束聚焦焦斑检测系统，用于检测激光光束通过光学机构后在工件上的聚焦变化，其包括挡板、平凸柱面透镜、相机、监视器及依次排列且中心均位于第一光轴上的激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、对物透镜，挡板设于偏振分光棱镜与激光器之间并将圆形的线性偏振激光光束阻挡成为半圆形的线性偏振激光光束，对物透镜正对工件，偏振分光棱镜、平凸柱面透镜与相机的镜面的中心均位于与第一光轴正交的第二光轴上，平凸柱面透镜的凸面正对相机的镜面，监视器与相机连接并显示图像。本发明的激光光束聚焦焦斑检测系统结构合理、操作简便、精度高、成像清晰且能将激光焦斑的位置变化直观地显示。

Description

激光光束聚焦焦斑检测系统

技术领域

本发明涉及一种光束检测系统，尤其涉及一种激光光束聚焦焦斑的位置及变化的检测系统。

背景技术

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER)是现代新光源，因具有扩散角小、亮度高、单色性好、可长距离传播等特点而被广泛应用，如激光测距、激光钻孔和切割、地震监测、激光手术、激光唱头等。同时，激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度均很大，适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

在激光应用中，特别是激光加工中，通常需要将激光光束聚焦到工艺所要求的位置。聚焦位置的变化超过允许的偏差，将影响加工质量。因此，为检测激光光束聚焦变化情况，多种检测系统和装置被应用于监测光束聚焦位置变化，其中一种方案是借助电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)相机，通过照明系统照射激光加工部位，进而将激光光束在该部位的加工情况成像在监视器上，实现激光光束聚焦加工的实时监控，另一种方案是借助四象限光电探测器或光电二极管，通过检测照射在其上的光信号，利用信号处理模块，实现焦距的定量测量，有些系统配有伺服驱动机构，可实现自动调焦。

然而，上述第一种方案系统虽然可以直观地实时监控激光加工过程，但无法显示出光束聚焦焦斑的位置变化，第二中方案系统虽然可利于信号处理模块和可编程运算器，定量检测出聚焦焦斑的位置变化量，从而驱动伺服机构进行自动调焦，但不能将聚焦焦斑的位置变化直观地显示在监视器上。因此，急需一种操作简便、调整精度高且能将激光光束聚焦焦斑的位置变化直观地显示的激光光束聚焦焦斑检测系统来满足需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理、操作简便、调整精度高且能将激光光束聚焦焦斑的位置变化直观地显示的激光光束聚焦焦斑检测系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种激光光束聚焦焦斑检测系统，用于检测激光光束通过光学机构后在工件上的聚焦变化，其包括挡板、平凸柱面透镜、相机、监视器及依次排列并相互平行设置的线性偏振激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、对物透镜，所述线性偏振激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片及对物透镜的中心位于同一直线上形成第一光轴，所述线性偏振激光器产生平行的线性偏振激光光束，所述线性偏振激光光束呈圆形，所述挡板设于所述偏振分光棱镜与所述激光器之间并将所述圆形的线性偏振激光光束阻挡成为半圆形的线性偏振激光光束，所述对物透镜正对所述工件，所述相机具有镜面，所述偏振分光棱镜、平凸柱面透镜及相机的镜面依次排列并相互平行设置，所述偏振分光棱镜、平凸柱面透镜及相机的镜面的中心位于同一直线上形成第二光轴，所述第一光轴与第二光轴正交，所述平凸柱面透镜的凸面正对所述相机的镜面，所述监视器与所述相机连接并显示图像。

较佳地，所述线性偏振激光器与所述偏振分光棱镜之间还设有用于对线性偏振激光光束进行扩束的扩束器，所述挡板位于所述扩束器与所述偏振分光棱镜之间，所述扩束器的中心位于所述第一光轴上。从线性偏振激光器发出的线性偏振激光，通过扩束器后成为扩束的平行光，扩大了激光光束的横截面面积。

较佳地，所述偏振分光棱镜与所述平凸柱面透镜之间设有凸透镜，所述凸透镜的中心位于第二光轴上。通过所述凸透镜的设置，将从工件上反射回来的激光光束会聚，提高通过平凸柱面透镜的激光光束在相机上成像时的图像亮度，进一步提高图像分辨能力和检测精度。

较佳地，所述偏振分光棱镜由两等边直角三棱镜合成并呈正方体形，所述偏振分光棱镜的对角面设有偏振分光膜片，所述四分之一波片、对物透镜、工件、平凸柱面透镜、相机及监视器均位于所述偏振分光棱镜的对角面的同一侧。所述偏振分光棱镜能使P线性偏振光能完全通过，而S线性偏振光不能通过，只能在偏振分光棱镜的对角面上被反射，从棱镜的一个侧面出射到另一种媒质中。

与现有技术相比，本发明的激光光束聚焦焦斑检测系统由线性偏振激光器发出线性偏振激光，圆形的线性偏振激光光束通过挡板后，变为半圆形的线性偏振激光光束，然后经过偏振分光棱镜、四分之一波片，线性偏振激光的偏振方向将旋转45度，变为圆偏光，所述平行的圆偏振光经过对物透镜聚焦到工件的表面上，再反射回来，通过四分之一波片时，偏振方向再次被旋转45度，在偏振分光棱镜处被反射后，入射到平凸柱面透镜上，最后成像在相机上，通过与相机相连的监视器可直观观察出激光光束聚焦焦斑是否位于工件的表面上。本发明利用线性偏振激光两次通过四分之一波片后偏振方向发生90度旋转改变偏振方向，再经偏振分光棱镜反射、平凸柱面透镜聚焦后，成像于相机上的方式，实现了在监视器上直观显示出激光光束聚焦焦斑的位置变化，并根据其变化对聚焦焦斑位置进行相应的调整，从而使聚焦焦斑位于工艺所要求的位置处，调整精度高，操作简便。

附图说明

图1-3是本发明实施例的激光光束聚焦焦斑检测系统的原理示意图。

图4a-4c是本发明实施例的激光光束聚焦焦斑检测系统的监视器上的成像示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，为了检测激光光束通过光学机构后在工件上的聚焦变化，本发明的激光光束聚焦焦斑检测系统采用了CCD相机，并在光路中引入一挡板，将圆形光斑变为半圆形光斑，经光学机构后，将激光光束聚焦焦斑的位置变化直观地显示在监视器上，通过调整对物透镜将焦斑位置调整到所要求的位置处，调整精度高，操作简便。

具体地，参考图1至图3，本发明实施例的激光光束聚焦焦斑检测系统包括：挡板3、平凸柱面透镜9、相机10、监视器11及依次排列并相互平行设置的线性偏振激光器1、偏振分光棱镜4、四分之一波片5、对物透镜6，所述线性偏振激光器1、偏振分光棱镜4、四分之一波片5及对物透镜6的中心均位于同一直线上形成第一光轴C1，所述线性偏振激光器1产生P线性偏振激光光束，所述P线性偏振激光光束呈圆形，所述挡板3设于所述偏振分光棱镜4与所述线性偏振激光器1之间并将圆形的P线性偏振激光光束阻挡成为半圆形的P线性偏振激光光束，所述对物透镜6正对工件7，所述对物透镜6为凸透镜，具有聚焦作用，将激光光束聚焦在工件7的表面上。所述偏振分光棱镜4的作用是使P线性偏振光能完全通过，而S线性偏振光不能通过，只能在偏振分光棱镜4的对角面上被反射，从棱镜的一个侧面出射到另一种媒质中，在本发明实施中，所述偏振分光棱镜4呈正方体形并由两等边直角三棱镜合成，其合成的位置形成偏振分光棱镜4的对角面41，该对角面41处设有偏振分光膜，所述四分之一波片5、对物透镜6、工件7、平凸柱面透镜9及相机10均位于所述偏振分光棱镜4的对角面41的同一侧。所述偏振分光棱镜4的偏振分光原理为本领域技术人员所知，故此不多详述。所述相机10具有镜面，所述偏振分光棱镜4、平凸柱面透镜9与所述相机10的镜面依次排列并相互平行设置，所述偏振分光棱镜4、平凸柱面透镜9及相机10的镜面的中心位于同一直线上形成第二光轴C2，所述第一光轴C1与第二光轴C2正交，所述平凸柱面透镜9的凸面91正对所述相机10的镜面，所述监视器11与所述相机10连接并显示图像。所述平凸柱面透镜9的作用是使半圆形的光束成长条状像，从而在监视器11上能更清晰地观察焦斑位置的变化情况，提高图像分辨能力和焦斑位置检测精度。

较佳地，所述线性偏振激光器1与所述偏振分光棱镜4之间还设有用于对线性偏振激光光束进行扩束的扩束器2，所述挡板3位于所述扩束器2与所述偏振分光棱镜4之间，所述扩束器2的中心位于所述第一光轴C1上。从线性偏振激光器1发出的线性偏振激光，通过扩束器2后成为扩束的平行光，扩大了线性偏振激光光束的横截面面积。

较佳地，所述偏振分光棱镜4与所述平凸柱面透镜9之间设有凸透镜8，所述凸透镜8的中心位于第二光轴C2上。通过所述凸透镜8的设置，将从工件7上反射回来的激光光束会聚，提高通过平凸柱面透镜9的激光光束在相机10上成像时的图像亮度，进一步提高图像分辨能力和检测精度。

结合图4a-4c，本发明实施例的激光光束聚焦焦斑检测系统的工作原理如下所述：如图1中的箭头所示，从线性偏振激光器1发出的呈圆形状的P线性偏振激光光束，通过扩束器2，成为扩束的平行光，圆形的P线性偏振激光光束通过挡板3后，变为半圆形的P线性偏振激光光束，然后经过偏振分光棱镜4、四分之一波片5，P线性偏振激光光束全透射过偏振分光棱镜4，通过四分之一波片5时，P线性偏振激光的偏振方向将旋转45度，变为圆偏光，这束平行的圆偏振光经过对物透镜6聚焦到工件7的表面上，再反射回来，通过对物透镜6及四分之一波片5，通过四分之一波片5时，偏振方向再次被旋转45度，成为S线性偏振光，由于S线性偏振光在偏振分光棱镜4中无法通过，只能在对角面41处被全反射，再入射到凸透镜8、平凸柱面透镜9上，最后成像在CCD相机10上。如图1中所示，如果激光光束聚焦焦斑位于工件7的表面上，即对物透镜6与工件7的表面之间的距离等于对物透镜6的焦距，所述工件7位于对物透镜6的像方焦平面L上，对物透镜6和四分之一波片5的表面反射回来的激光光束在CCD相机10上所成的像O与工件7的表面反射回来的激光光束在CCD相机106上所成的像P重合，在监视器7上可直观观察到如图4a所示形状的图像。

具体地，当对物透镜6与工件表面之间的距离小于对物透镜6的焦距时，如图2所示，图中工件7附近的虚线表示对物透镜6的像方焦平面L，工件7的表面反射回来的激光光束通过对物透镜6、四分之一波片5、偏振分光棱镜4以及凸透镜8和平凸柱面透镜9后，在CCD相机10上所成的像P将不再与对物透镜6和四分之一波片5的表面反射回来的激光光束在CCD相机10上所成的像O重合，而是位于像O的左侧(从激光光束入射进CCD相机10的方向观察)，从而在监视器11上可直观观察到如图4b所示形状的图像。

具体地，如图3所示，如果对物透镜6与工件7的表面之间的距离大于对物透镜6的焦距，工件7的表面反射回来的激光光束通过对物透镜6、四分之一波片5、偏振分光棱镜4以及凸透镜8和平凸柱面透镜9后，在CCD相机10上所成的像P将不再与对物透镜6和四分之一波片5的表面反射回来的激光光束在CCD相机10上所成的像O重合，而是位于像O的右侧(从激光光束入射进CCD相机10的方向观察)，从而在监视器11上可直观观察到如图4c所示形状的图像。

通过观察监视器11上像O与像P的相对位置，可以判断出激光光束经对物透镜6后是否聚焦在工件7表面以及聚焦焦斑相对于工件7表面的位置变化，并且可通过调节对物透镜6的位置，使激光光束聚焦在工件7表面上。由于引入了挡板3以及凸透镜8，使图像亮度得到了极大提高，即使工件7表面不光滑或者工件7在亮处和暗处呈现明显的差异，反射的激光光束也可以在CCD相机10上获得足够亮度的成像。本发明可直观地检测出激光光束聚焦焦斑位置变化，操作方便，焦斑位置校准精度高等优点。若将CCD相机10改为光电探测器并加装信号处理模块和对物透镜6驱动机构，可实现激光加工过程的自动调焦，使激光光束经对物透镜6后能始终聚焦在工件7表面上。

可以理解地，本发明的激光光束聚焦焦斑检测系统也可以用线性偏振激光器1产生S线性偏振激光光束，并将线性偏光棱镜4设计为只能让S线性偏振激光通过而P线性偏振激光不能通过，其原理与上述实施例类似，同样能达到在监视器11上直观显示出激光光束聚焦焦斑的位置变化的目的。

与现有技术相比，本发明的激光光束聚焦焦斑检测系统由线性偏振激光器1发出平行的线性偏振激光，圆形的线性激光光束通过挡板3后，变为半圆形的线性偏振激光光束，然后经过偏振分光棱镜4、四分之一波片5，P线性偏振激光的偏振方向将旋转45度，变为圆偏光，所述平行的圆偏振光经过对物透镜6聚焦到工件7的表面上，再反射回来，通过四分之一波片5时，偏振方向再次被旋转45度，在偏振分光棱镜4处被反射后，入射到平凸柱面透镜9上，最后成像在相机10上，通过与相机10相连的监视器11可直观观察出激光光束聚焦焦斑是否位于工件7的表面上。本发明利用了线性偏振激光两次通过四分之一波片5后偏振方向发生90度旋转改变偏振方向，再经偏振分光棱镜4反射、平凸柱面透镜9聚焦后，成像于相机10上的方式，实现了在监视器11上直观显示出激光光束聚焦焦斑的位置变化，并根据其变化对聚焦焦斑位置进行相应的调整，从而使聚焦焦斑位于工艺所要求的位置处，成像清晰，调整精度高，操作简便。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (3)

1.一种激光光束聚焦焦斑检测系统，用于检测激光光束通过光学机构后在工件上的聚焦变化，其特征在于，包括挡板、平凸柱面透镜、相机、监视器及依次排列并相互平行设置的线性偏振激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、对物透镜，所述线性偏振激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片及对物透镜的中心位于同一直线上形成第一光轴，所述线性偏振激光器产生平行的线性偏振激光光束，所述线性偏振激光光束呈圆形，所述挡板设于所述偏振分光棱镜与所述线性偏振激光器之间并将所述圆形的线性偏振激光光束阻挡成为半圆形的线性偏振激光光束，所述对物透镜正对所述工件，所述相机具有镜面，所述偏振分光棱镜、平凸柱面透镜及相机的镜面依次排列并相互平行设置，所述偏振分光棱镜、平凸柱面透镜及相机的镜面的中心位于同一直线上形成第二光轴，所述第一光轴与第二光轴正交，所述平凸柱面透镜的凸面正对所述相机的镜面，所述监视器与所述相机连接并显示图像；

其中，所述偏振分光棱镜由两等边直角三棱镜合成并呈正方体形，所述偏振分光棱镜的对角面设有偏振分光膜片，所述四分之一波片、对物透镜、工件、平凸柱面透镜、相机及监视器均位于所述偏振分光棱镜的对角面的同一侧。

2.如权利要求1所述的激光光束聚焦焦斑检测系统，其特征在于：所述线性偏振激光器与所述偏振分光棱镜之间还设有用于对线性偏振激光光束进行扩束的扩束器，所述挡板位于所述扩束器与所述偏振分光棱镜之间，所述扩束器的中心位于所述第一光轴上。

3.如权利要求1所述的激光光束聚焦焦斑检测系统，其特征在于：所述偏振分光棱镜与所述平凸柱面透镜之间设有凸透镜，所述凸透镜的中心位于第二光轴上。

Images