CN106077972A - 一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法与装置,包括如下步骤，通过激光器发出光束投射到被雕刻物体表面上，在物体表面上产生一光点；光点的一部分散射光及反射光通过会聚透镜成像于探测器并在探测器上形成像点，随着雕刻深度的变化，光点在探测器上的像点同步移动；通过检测像点的移动距离h控制激光器在该点的雕刻深度H，当像点移动距离h达到设定值时，激光器停止射出激光并将激光头平移到被雕刻物体表面的下一位置进行雕刻。本发明采用上述方法与装置无需复杂的图像处理，不受材料差异限制，改变雕刻材料无需对激光功率、扫描速度等参数进行重新校核或设置。

Description

一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法与 装置
技术领域
本发明涉及一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法与装置，属光学、激光技术及应用领域。
背景技术
激光标刻（包括打标、雕刻等）是根据需要标刻的字符、图形信息，控制激光焦斑在物体表面进行选择性辐照，使辐照区材料瞬间加热汽化或发生光化学反应，从而形成具有良好对比度或锐度的图案。一般来说，激光打标只要求在材料表面留下视觉痕迹，对雕刻深度不作要求；但是，对于激光雕刻，则要求雕刻图案具有一定的触觉深度，以满足某种实用功能或欣赏功能，如印章、首饰、装饰品等。和刀凿锤击、数控机雕、电化学蚀刻等传统雕刻方法相比，激光雕刻具有非接触、速度快、精度高、雕刻材料不受限制、可接近性好以及可以在非规则表面和易变形表面进行加工等优点。在工业发达国家，激光标刻己经成为一种加工工艺标准，同时，激光标刻在国内已经成最大的激光加工应用领域。
激光表面雕刻包括二维表面雕刻和三维表面雕刻。目前，市场上绝大部分激光雕刻设备都属于二维表面雕刻，雕刻深度一般都在0.2mm以下；而要体现凸凹感的三维立体效果，雕刻深度一般要求0.5mm以上，即三维表面雕刻。激光三维表面雕刻（如浮雕）在家具、饰品、艺术品等加工领域具有巨大应用前景。
目前，激光三维表面雕刻仍处于研发阶段，相关仪器设备尚未问世。根据国内外研究报道，限制激光三维表面雕刻的主要技术瓶颈在于，根据待雕刻立体图像如何精确控制激光雕刻深度。
有研究报道提出分层扫描法，即首先将待雕刻的立体图像进行等厚度分层，激光焦斑在二维平面内每扫描一次就雕刻完成一层图像信息，显然待雕刻立体图像分的层数越多雕刻质量越高。
利用分层扫描法实现三维平面雕刻具有一定可行性，也是目前研究的热点，但是该方法也存在以下问题：1）图像分层处理过程比较复杂；2）不同雕刻材料对激光响应不同，所以雕刻不同材料需要重新校核或设置激光功率、扫描速度等参数；3）待雕刻表面为平面时立体雕刻易于实现，但是，当雕刻表面为曲面或出现不规则起伏时难以实现表面立体雕刻。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种无需复杂的图像处理，不受材料差异限制，改变雕刻材料无需对激光功率、扫描速度等参数进行重新校核或设置，能够实时监测与控制雕刻深度，可适用于曲面、不规则起伏等表面雕刻的实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法；
本发明还提供了一种结构简单并可实现上述方法的雕刻装置。
本发明采用以下技术方案：一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,包括如下步骤，
a、通过激光器发出光束投射到被雕刻物体表面上，在物体表面上产生一光点；
b、光点的一部分散射光及反射光通过会聚透镜成像于探测器并在探测器上形成像点，随着雕刻深度的变化，光点在探测器上的像点同步移动；
c、通过检测像点的移动距离h控制激光器在该点的雕刻深度H，当像点移动距离h达到设定值时，激光器停止射出激光并将激光头平移到被雕刻物体表面的下一位置进行雕刻；
d、重复上述步骤a-c继续进行雕刻直至对整个平面完成雕刻，最后形成一副三维立体雕刻图案。
以下是本发明的进一步改进：
步骤c中，通过信号处理系统实时监测探测器上像点的移动距离，移动距离被实时传递到控制系统，通过控制系统控制激光器的启停。
进一步改进：
步骤c中像点的移动距离h与雕刻深度H的关系如下：
其中：
—雕刻深度；
—像点在光探测器上移动的距离；
—激光束光轴所在直线与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光探测器面与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光点在物体上的位置与透镜中心的距离；
—光探测器表面接受的光点与透镜中心的距离。
进一步改进：
步骤b中探测器为CCD或PSD。
进一步改进：
一种可实现上述雕刻方法的装置，包括激光发生装置、成像装置及探测器；
激光发生装置用于发出雕刻用激光束并投射在被雕刻物体表面上；
成像装置用于收集激光束照射在物体表面上后的一部分散射光及反射光并汇聚于探测器。
进一步改进：
探测器与激光发生装置之间通过信号处理系统连接；
信号处理系统接受探测器上探测到的信号并处理，将处理后的信号实时传递给激光发生装置, 激光发生装置根据收到的信号动作。
进一步改进：
所述激光发生装置包括激光器，激光器上连接有具有光束整形功能的激光头，激光发生装置还包括用于控制激光器启停及激光头移动位置的控制系统。
进一步改进：
所述成像装置包括会聚透镜及衰减片，衰减片设置在会聚透镜的会聚端。
进一步改进：
所述探测器为CCD或PSD。
本发明采用上述方法与装置具有以下优点：
1）、无需复杂的图像处理；
2）、不受材料差异限制，改变雕刻材料无需对激光功率、扫描速度等参数进行重新校核或设置；
3）、实时监测与控制雕刻深度，即使出现材料不均匀甚至不同或者激光能量不稳定等问题，也不会明显影响雕刻质量；
4）、适用于曲面、不规则起伏等表面雕刻；
5）、结构简单，单元技术成熟，易于实现产品化。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。
附图说明
附图1为本发明的示意图。
具体实施方式
实施例，如图1所示，一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,
a、通过激光器发出光束投射到被雕刻物体表面上，在物体表面上产生一光点A；
b、光点A的一部分散射光及反射光通过会聚透镜成像于探测器并在探测器上形成像点a，当雕刻深度至B点时，光点在探测器上的像点同步移动到b点；
c、通过检测像点a到b的移动距离h控制激光器在A-B点的雕刻深度H，当像点移动距离h达到设定值时，激光器停止射出激光并将激光头平移到被雕刻物体表面的下一位置进行雕刻；
d、重复上述步骤a-c继续进行雕刻直至对整个平面完成雕刻，最后形成一副三维立体雕刻图案。
步骤c中，通过信号处理系统实时监测探测器上像点的移动距离，移动距离被实时传递到控制系统，通过控制系统控制激光器的启停，其中信号处理系统为本领域技术人员通用的信号处理系统，在此不再详述。
步骤c中像点的移动距离h与雕刻深度H的关系如下：
其中：
—雕刻深度；
—像点在光探测器上移动的距离；
—激光束光轴所在直线与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光探测器面与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光点在物体上的位置与透镜中心的距离；
—光探测器表面接受的光点与透镜中心的距离。
步骤b中探测器为CCD（Charge-coupled Device）或PSD（Position SensitiveDetector）。
一种可实现上述雕刻方法的装置，包括激光发生装置、成像装置及探测器，激光发生装置用于发出雕刻用激光束并投射在被雕刻物体表面上，成像装置用于收集激光束照射在物体表面上后的一部分散射光及反射光并汇聚于探测器，探测器与激光发生装置之间通过信号处理系统连接，信号处理系统接受探测器上探测到的信号并处理，将处理后的信号实时传递给激光发生装置, 激光发生装置根据收到的信号动作。
所述激光发生装置包括激光器，激光器上连接有具有光束整形功能的激光头，激光发生装置还包括用于控制激光器启停及激光头移动位置的控制系统。
所述成像装置包括会聚透镜及衰减片，衰减片设置在会聚透镜的会聚端。
所述探测器为CCD（Charge-coupled Device）或PSD（Position SensitiveDetector）。

Claims (9)

1.一种实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,其特征在于：包括如下步骤，
a、通过激光器发出光束投射到被雕刻物体表面上，在物体表面上产生一光点；
b、光点的一部分散射光及反射光通过会聚透镜成像于探测器并在探测器上形成像点，随着雕刻深度的变化，光点在探测器上的像点同步移动；
c、通过检测像点的移动距离h控制激光器在该点的雕刻深度H，当像点移动距离h达到设定值时，激光器停止射出激光并将激光头平移到被雕刻物体表面的下一位置进行雕刻；
d、重复上述步骤a-c继续进行雕刻直至对整个平面完成雕刻，最后形成一副三维立体雕刻图案。
2.根据权利要求1所述的实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,其特征在于：步骤c中，通过信号处理系统实时监测探测器上像点的移动距离，移动距离被实时传递到控制系统，通过控制系统控制激光器的启停。
3.根据权利要求1所述的实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,其特征在于：步骤c中像点的移动距离h与雕刻深度H的关系如下：
其中：
—雕刻深度；
—像点在光探测器上移动的距离；
—激光束光轴所在直线与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光探测器面与成像透镜组光轴所在直线之间的夹角；
—光点在物体上的位置与透镜中心的距离；
—光探测器表面接受的光点与透镜中心的距离。
4.根据权利要求1所述的实时主动控制雕刻深度实现激光三维立体雕刻的方法,其特征在于：步骤b中探测器为CCD或PSD。
5.一种可实现上述雕刻方法的装置，其特征在于：包括激光发生装置、成像装置及探测器；
激光发生装置用于发出雕刻用激光束并投射在被雕刻物体表面上；
成像装置用于收集激光束照射在物体表面上后的一部分散射光及反射光汇聚于探测器。
6.根据权利要求5所述的可实现上述雕刻方法的装置，其特征在于：探测器与激光发生装置之间通过信号处理系统连接；
信号处理系统接受探测器上探测到的信号并处理，将处理后的信号实时传递给激光发生装置, 激光发生装置根据收到的信号动作。
7.根据权利要求5所述的可实现上述雕刻方法的装置，其特征在于：所述激光发生装置包括激光器，激光器上连接有具有光束整形功能的激光头，激光发生装置还包括用于控制激光器启停及激光头移动位置的控制系统。
8.根据权利要求5所述的可实现上述雕刻方法的装置，其特征在于：所述成像装置包括会聚透镜及衰减片，衰减片设置在会聚透镜的会聚端。
9.根据权利要求5所述的可实现上述雕刻方法的装置，其特征在于：所述探测器为CCD或PSD。
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