CN104976953B - 激光聚焦偏离检测装置 - Google Patents

Abstract

一种激光聚焦偏离检测装置，包括：偏振分束镜；λ/4波片；显微物镜；第一平凸透镜和第二平凸透镜；柱透镜；四象限光电探测器；信号采集处理器，其中：激光依次通过偏振分束镜、λ/4波片，经显微物镜聚焦于固定在位移台上的加工件；加工件反射的激光由显微物镜收集，再通过λ/4波片，被偏振分束镜反射后通过第一平凸透镜与第二平凸透镜，然后经柱透镜投射到四象限光电探测器，信号采集处理器采集来自四象限光电探测器的信号并处理该信号；第一、第二平凸透镜的焦距分别为第一、第二焦距，第二焦距大于第一焦距，第一和第二平凸透镜之间的光程为第一焦距和第二焦距之和。

Description

激光聚焦偏离检测装置

技术领域

本发明的实施例属于激光加工领域，具体地，涉及在激光加工中激光聚焦偏离的检测。利用象散法探测激光聚焦偏离状态，在装置中引入由平凸透镜对组成的光学系统减小加工件表面不平坦造成的探测误差。

技术背景

激光加工具有精度高、数字化、适用材料广泛等优点，被广泛应用于焊接、切割、打标及钻孔等领域。为了保证激光加工过程中的加工质量均一，有必要对激光聚焦在样品表面的焦点位置进行有效调控，这就需要对激光焦点在样品表面的聚焦偏离状态进行有效检测。常见的聚焦偏离检测方法包括象散法、刀口法、临界角法等方法，相较于其它方法，象散法具有光学系统结构简单、调节相对容易、光能损失少、测量分辨率高等优点，技术较为成熟，实际中应用较多，例如光盘驱动器中利用此方法实现激光焦点对数据记录层的追踪。对样品的曲面结构进行象散法聚焦偏离检测时，由于样品反射回的光线偏离光轴方向，最终入射到四象限光电探测器中的光斑位置发生变化，从而引入较大的探测误差。特别是在激光加工系统中，通常采用高质量的分立光学元件进行系统搭建，探测光由样品入射到探测器需经过很长光程，相比较于探测光光程较短的光盘驱动器中的聚焦偏离检测系统，引入的误差更加显著，造成激光焦点较难在曲面上进行有效追踪，对在曲面上进行高质量的激光加工产生了限制。

发明内容

本发明的实施例提供一种激光聚焦偏离检测装置，其利用象散法检测激光加工过程中激光聚焦焦点距离加工样品表面的偏离状态，并利用由平凸透镜对组成的光学系统补偿由于样品表面不平行引起的探测误差，从而极大地提高了检测精度。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种激光聚焦偏离检测装置，包括：

偏振分束镜；

λ/4波片；

显微物镜；

第一平凸透镜和第二平凸透镜；

柱透镜；

四象限光电探测器；

信号采集处理器，

其中：

激光依次通过偏振分束镜、λ/4波片，经显微物镜聚焦于固定在位移台上的加工件；

加工件反射的激光由显微物镜收集，再通过λ/4波片，被偏振分束镜反射后通过第一平凸透镜与第二平凸透镜，然后经柱透镜投射到四象限光电探测器，信号采集处理器采集来自四象限光电探测器的信号并处理该信号；

第一平凸透镜的焦距为第一焦距，第二平凸透镜的焦距为第二焦距，第二焦距大于第一焦距，第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的光程为第一焦距和第二焦距之和。

可选地，第一平凸透镜到显微物镜的光程为第一焦距，第二平凸透镜到柱透镜的光程为第二焦距。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种激光加工系统，包括：激光源；移动台，加工件放置在所述移动台上；计算机；和上述的激光聚焦偏离检测装置，其中：计算机与信号采集处理器通信且控制移动台的移动。

附图说明

图1是根据本发明的示例性实施例的激光聚焦偏离检测装置示意图。

图2是不同聚焦偏离状态时四象限光电探测器上的光斑形貌示意图：(a)准焦；(b)激光焦点在样品表面以上；(c)激光焦点在样品表面以下。

图3是样品表面倾斜角度不同光斑在四象限探测器上的分布情况：(a)样品表面水平，四个象限的分割缝隙交点与光斑中心重合；(b)样品表明倾角较大，部分光斑未被四象限光电探测器接收；(c)样品表面倾角较小，四个象限的分割缝隙交点与光斑中心不重合。

图4是根据本发明的一个示例性实施例的平凸透镜对作用于探测光束的示意图。

图5是(a)无平凸透镜对(b)使用透镜对激光光束在柱透镜非聚焦轴向的偏离情况。

图6是(a)无平凸透镜对(b)使用透镜对激光光束在柱透镜聚焦轴向的偏离情况。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的底部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

本发明中激光器1发出的激光同时用于样品加工及聚焦偏离检测，四象限光电探测器12接收到的探测光为加工样品6表面反射回的激光。如果加工与探测各采用独立的激光，在系统实际搭建中以及搭建后使用中很难保证光学系统中两束光完全重合，并且两束光的准直性也很难保证完全一致，尤其两束光的波长不一致时，即使经过物镜等折射光学元件前两束光均为平行光束，光束聚焦后焦点在纵向上的位置也将产生明显差别，加工激光与检测激光焦点位置的不同将造成较大的探测误差，加工与探测采用同一激光源消除了这个问题。本实施例采用波长780nm，重复频率80MHz的飞秒振荡器作为激光源。

激光器发出的线偏振激光经过准直后，通过介质高反镜2反射至偏振分束镜3，激光的偏振方向垂直光传输方向且落在如图1的纸面平面上，此偏振方向被偏振分束镜3所透射。透射光的线偏振方向与λ/4波片的光轴方向成45°角，经过λ/4波片4后变为圆偏振光。圆偏振光经过显微物镜5聚焦，焦点落于样品6表面附近。由样品表6面反射的光作为探测光被显微物镜5所收集。被收集的圆偏振光沿着原光路返回至λ/4波片4后变化为线偏振光，但偏振方向与原入射光线的偏振方向变化了90°。此线偏振光再次经过偏振分束镜3后被反射，被反射的光束依次经过由平凸透镜对8与9组成的光学系统到达柱透镜11处。

平凸透镜8与平凸透镜9组成的光学系统中，平凸透镜9的焦距f₂比平凸透镜8的焦距f₁长。平凸透镜8的凸面面对光入射方向，平凸透镜9的凸面背对光入射方向。平凸透镜8距离显微物镜5的入瞳光程为f₁，平凸透镜8与平凸透镜9之间的光程为f₁+f₂，平凸透镜9距离柱透镜11的光程为f₂。

光束经过柱透镜11，在柱透镜的二倍焦距处被四象限光电探测器12所接收，柱透镜11的焦距通常选取远小于物镜入瞳到柱透镜间的光程。在光具摆放空间允许以及聚焦偏离信号测量范围允许(注：通常柱透镜焦距小，聚焦误差信号的线性测量范围会变小)的情况下，柱透镜11的焦距通常尽量选取较小值，因而，柱透镜11的焦距通常选取远小于物镜入瞳到柱透镜间的光程，例如，柱透镜焦距至少小于显微物镜到柱透镜的光程的1/4。

在进一步的实施例中，第一平凸透镜的凸面朝向光入射方向，第二平凸透镜的平面朝向光入射方向。可选地，第一平凸透镜的平面可以朝向光入射方向，第二平凸透镜的凸面可以朝向光入射方向。

四象限光电探测器12表面与入射激光光轴方向垂直，四个象限的分割缝隙与柱透镜的象散方向成45°角，分割缝隙的交点与激光光斑的中心点重合。

四象限光电探测器12探测到的光电流经聚焦偏离信号检测与采集电路13处理，获得聚焦误差信号。聚焦误差信号传递到计算机，计算机控制精密三维位移台7垂直方向的位移使激光在样品表面处于准焦位置。

聚焦偏离信号检测与采集电路13由跨阻前置放大电路与模数转换电路组成。跨阻前置放大电路将四象限光电探测器探测到的光电流转化为电压，每个探测象限分别对应一套跨阻前置放大电路。四通道的模数转换电路将转化后的四路模拟电压信号分别转换为数字信号，四个象限依顺时针方向其信号数值大小分别记作A、B、C、D。记聚焦误差信号

FES＝(A+C)-(B+D)

其反映了激光焦点偏离样品表面的离焦情况。

为消除样品表面反射率差异及光源功率不稳定对探测造成的影响，聚焦误差信号进一步被归一化，记录为

当激光处于准焦状态时，光斑在四象限光电探测器上成圆形分布，如图2(a)，四个象限探测到的光功率均相等，因此聚焦误差信号FES为0；当激光焦点在样品表面以上时，光斑在四象限探测器上成椭圆形分布，如图2(b)，聚焦误差信号FES＞0，并且离焦越严重，椭圆的长轴与短轴相差越多，聚焦误差信号FES值越大；当激光焦点在样品表面以下时，椭圆形光斑的长轴方向与焦点在表面以上时偏转了90°，如图2(c)，聚焦误差信号FES＜0。

利用上述装置，根据聚焦误差信号FES的大小已经可以获得激光焦点的聚焦偏离情况。根据聚焦误差信号FES的大小，可通过升降精密三维位移台(7)将样品(6)表面调节至准焦位置。

下面说明样品表面不平行性对探测精度的影响及本发明对探测精度的补偿的有效性。

如果样品表面平行，如图3(a)，样品表面反射的探测光最终落到四象限光电探测器时光斑中心与四个象限分割缝隙的交点重合，聚焦误差信号能够反映激光的聚焦偏离情况。

如果样品表面不平行，即样品表面法线方向与激光光轴方向存在一定倾角，由样品反射到探测器中的激光光斑中心将不与四个象限分割缝隙的交点相重合。即便激光处于准焦状态，聚焦误差信号仍然存在一定的数值，因而不能反映激光的聚焦偏离状态。当上述倾角较大时，如图3(b)，反射的光斑甚至偏离四象限光电探测器的探测区域，因此探测器探测到的信号并不能代表在相应象限的光强分布；当倾角较小时，如图3(c)，光斑中心距离四象限间一条分割缝隙的距离为Δx，距离另一条分割缝隙的距离为Δy，聚焦误差信号FES的误差绝对值经计算为四个象限分割缝隙的交点与光斑中心间分别以Δx及Δy为边长的矩形区域内的光电探测信号值的4倍。

综上，样品表面不平行对聚焦误差信号探测精度的影响源自探测光斑中心对光电探测器四个象限分割缝隙中心的偏离。当样品表面存在倾角θ时，考察上述两者偏离的情况。

首先考虑经过平凸透镜对后，探测激光入射柱透镜时的倾角情况。如图4，物镜入瞳、短焦平凸透镜、长焦平凸透镜、柱透镜间的光程依次分别为f₁、f₁+f₂、f₂。光束经过平凸透镜对光学系统的变换后，倾角的正切值变为倾角得到了有效减少，但光束的宽度变为原宽度的f₂/f₁倍。因此，在四象限光电探测器面积足够大的情况下，可适量增大两平凸透镜的焦距比。

为简化分析，图5与图6的光路图中光束用一条直线来简化表示，光路分析中透镜简化为理想薄透镜。图5与图6的(a)图激光由显微物镜出发，经过距其光程为L的柱透镜投射到四象限光电探测器上；(b)图激光由显微镜光瞳出发，经过平凸透镜对，经过2f₁+2f₂的光程后，通过柱透镜透射到四象限光电探测器上，通常f₁的取值与(a)图中的L相近。下面分别对激光光束在柱透镜非聚焦轴向与聚焦轴向的偏离情况进行说明。

当光束沿着柱透镜的非聚焦轴向传播时，如果装置中不包括平凸透镜对，如图5(a)，光斑中心最终偏离四象限光电探测器四个象限分割缝隙中心的距离x1为(L+2f)×tanθ；引入平凸透镜对后，如图5(b)，上述的偏离距离x2为2f·tanθ′，得到了显著的降低。

当光束沿着柱透镜的聚焦轴向传播时，如果装置中不包括平凸透镜对，如图6(a)，光斑中心最终偏离四象限光电探测器四个象限分割缝隙中心的距离x1为(L-2f)×tanθ；引入平凸透镜对后，如图6(b)，上述的偏离距离x2为2f×tanθ′。如果L＞4f，引入平凸透镜对后偏离距离情况也会得到有效改善。

整个系统的指标由其短板所决定，经上述分析，激光沿柱透镜非聚焦轴向的传输所引起的光斑位置偏移对系统探测指标劣化起主要作用，本发明对这个方向的光斑位置偏移起到了很好的补偿作用，因而大大提高了系统在曲面加工过程中探测到的聚焦误差信号的精度。

例如，实例使用f＝30mm的柱透镜，如不用平凸透镜对时L约150mm。使用f₁＝150mm，f₂＝300mm的平凸透镜对后，上述聚焦轴向的偏移距离变为原来的1/3，而非聚焦轴向的偏移距离则变为原来的1/7，得到了很好的改善，因此聚焦偏离检测的误差得到了相应地改善。若提高平凸透镜对的焦距比，则可获得更大的改进空间。

基于以上，本发明提出了一种激光聚焦偏离检测装置，包括：偏振分束镜；λ/4波片；显微物镜；第一平凸透镜和第二平凸透镜；柱透镜；四象限光电探测器；信号采集处理器，其中：激光依次通过偏振分束镜、λ/4波片，经显微物镜聚焦于固定在位移台上的加工件；加工件反射的激光由显微物镜收集，再通过λ/4波片，被偏振分束镜反射后通过第一平凸透镜与第二平凸透镜，然后经柱透镜投射到四象限光电探测器，信号采集处理器采集来自四象限光电探测器的信号并处理该信号；第一平凸透镜的焦距为第一焦距，第二平凸透镜的焦距为第二焦距，第二焦距大于第一焦距，第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的光程为第一焦距和第二焦距之和。

本发明的实施例中，引入一对平凸透镜后，不论样品或加工件表面倾角大小，激光入射到柱透镜上的空间位置保持不变；并且激光入射到柱透镜时角度偏转的正切值与原来角度偏转的正切值的比值为长焦距平凸透镜与短焦距平凸透镜的焦距之比，角度偏转相对原来有所减小。

本发明的实施例中，将由一对不同焦距平凸透镜组成的光学系统引入象散法聚焦偏离探测系统后，使由于样品表面不平坦投射到四象限探测器的探测光斑的位置偏移大大地减少，从而降低了利用象散法探测曲面样品聚焦偏离的误差。进而能够有效地将象散法应用于曲面样品的聚焦偏离检测中，在曲面样品上进行高质量的激光加工。

基于以上，本发明还提出了一种激光加工系统，包括：激光源；移动台，加工件放置在所述移动台上；计算机；和上述的激光聚焦偏离检测装置，其中：计算机与信号采集处理器通信且控制移动台的移动。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种激光聚焦偏离检测装置，包括：

偏振分束镜；

λ/4波片；

显微物镜；

第一平凸透镜和第二平凸透镜；

柱透镜；

四象限光电探测器；

信号采集处理器，

其中：

由位于偏振分束镜的一侧的激光器发射的激光依次通过偏振分束镜、λ/4波片，经显微物镜聚焦于固定在位移台上的加工件；

加工件反射的激光由显微物镜收集，再通过λ/4波片，被偏振分束镜反射后通过位于偏振分束镜的与激光器相反的一侧的第一平凸透镜与第二平凸透镜，然后经柱透镜投射到四象限光电探测器，信号采集处理器采集来自四象限光电探测器的信号并处理该信号；

第一平凸透镜的焦距为第一焦距，第二平凸透镜的焦距为第二焦距，第二焦距大于第一焦距，第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的光程为第一焦距和第二焦距之和。

2.根据权利要求1所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

第一平凸透镜到显微物镜的光程为第一焦距，第二平凸透镜到柱透镜的光程为第二焦距。

3.根据权利要求1所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

第一平凸透镜的凸面朝向光入射方向，第二平凸透镜的平面朝向光入射方向。

4.根据权利要求1所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：柱透镜到四象限光电探测器的光程两倍于柱透镜的焦距。

5.根据权利要求1所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

柱透镜焦距至少小于显微物镜到柱透镜的光程的1/4。

6.根据权利要求1所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

激光束经过第一平凸透镜和第二平凸透镜后，激光束的倾角θ′的正切值为其中，f₁为第一焦距，f₂为第二焦距，θ为加工件表面存在的倾角。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

激光以P偏振态入射到偏振分束镜，入射到λ/4波片的激光的偏振与λ/4波片的光轴成45°角。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的激光聚焦偏离检测装置，其中：

四象限光电探测器四个象限的分割缝隙与柱透镜的象散方向成45°角。

9.一种激光加工系统，包括：

激光源；

移动台，加工件放置在所述移动台上；

计算机；和

根据权利要求1-8中任一项所述的激光聚焦偏离检测装置，

其中：

计算机与信号采集处理器通信且控制移动台的移动。