CN107335912B - 同轴随形聚焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可以始终确保最佳聚焦状态、无需前期建模、闭环跟踪控制、响应速度快的同轴随形聚焦系统，包括扩束装置、分束器、聚束装置、光电探测器、伺服机构以及闭环控制电路。且聚束装置与扩束装置同轴设置。伺服机构带动扩束装置、分束器、光电探测器沿扩束装置和聚束装置的轴线方向往复运动进行聚焦状态误差值补偿。本发明提供的同轴随形聚焦系统，通过同轴设置的扩束装置和聚束装置汇聚光线于工件表面，工件表面产生反向传输的散射光，散射光经过聚束装置汇聚，并被分束器反射于光电探测器上。闭环控制电路根据光电探测器接收到的光强确定工件表面的汇聚光束的聚焦状态，并驱动伺服机构往复运动来补偿聚焦状态误差值，直到误差值为零。

Description

同轴随形聚焦系统

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种同轴随形聚焦系统。

背景技术

随着激光技术的空前发展，激光已广泛应用于加工领域，例如激光切割、焊接、打标、清洗等。在实际应用中，通常使用聚焦系统对激光束进行聚焦以提高单位面积上的光强，从而更有效的对工件进行加工。

但是，聚焦焦点与被加工工件表面的相对位置直接影响着最终的加工效果，因此，通常需要工件表面尽量平整才适合激光加工。

往往多数工件表面是无法确保绝对平整的，因此，本领域技术人员针对这一问题采取了多种解决方案：

一、固定聚焦系统与被加工工件表面的相对位置。此种方案中要求被加工工件具有尽量凭证的表面以保证聚焦焦点始终保持与工件的相对位置关系。激光打标就是应用这种方案。

二、通过测量聚焦系统与被加工工件的相对距离并通过计算补偿量来控制聚焦焦点从而使聚焦焦点与被加工工件保持准确的相对位置。此种方案也是需要被加工工件表面尽量平整，但优于第一种方案。激光切割就是应用了这种方案。

三、通过增加变焦系统，主动控制聚焦焦点的位置。此种方案可以应对更复杂的被加工工件面型，但是需要前期对面型进行建模工作。三维打标应用此种方案。

综上所述，方案一和方案二要求被加工工件表面面型平整，仅适用于特定加工场景，对于复杂面型的工件就无能为力。方案三虽然适用范围广，但是需要前期建模工作，且加工过程处于一种开环控制状态，对聚焦状态无反馈过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以始终确保最佳聚焦状态、无需前期建模、闭环跟踪控制、响应速度快的同轴随形聚焦系统。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开的同轴随形聚焦系统，其特征在于，包括：

扩束装置，平行入射光束由所述扩束装置的入光端进入所述扩束装置，并产生发散光束；

分束器，所述分束器置于所述扩束装置的出光端，所述发散光束穿过所述分束器；

聚束装置，所述聚束装置置于所述分束器的出光端，且所述聚束装置与所述扩束装置同轴设置，所述发散光束由所述聚束装置的入光端进入所述聚束装置，并产生汇聚光束，所述汇聚光束的焦点处于工件表面前后，被所述汇聚光束照亮的所述工件表面产生反向传输的散射光，所述光电探测器接收被所述分束器反射的所述散射光；

伺服机构，所述扩束装置、所述分束器和所述光电探测器固定于所述伺服机构上，且所述伺服机构受控于所述闭环控制电路；

闭环控制电路，所述光电探测器接收到的所述散射光的光强信号送至所述闭环控制电路，所述闭环控制电路根据所述光强信号解算出聚焦状态误差值，并驱动所述伺服机构补偿聚焦状态误差值。

所述伺服机构带动所述扩束装置、分束器、光电探测器沿所述扩束装置和聚束装置的轴线方向往复运动。

进一步的，所述散射光穿过所述聚束装置，并通过所述分束器部分反射于所述光电探测器表面，所述闭环控制电路根据所述光电探测器接收的散射光的光强信号驱动所述伺服机构补偿聚焦状态偏离的误差值。

进一步的，所述光电探测器接收散射光的一面至少设置有两个光敏面，且相邻两个所述光敏面之间具有缝隙。

进一步的，所述伺服机构使用伺服电机或步进电机或音圈电机作为动作器。

进一步的，所述伺服机构上安装有位置传感器。

进一步的，所述光电探测器为CCD或PIN光电探测器或硅光电池或PSD或光电二极管。

在上述技术方案中，本发明提供的同轴随形聚焦系统，通过同轴设置的扩束装置和聚束装置，再利用分束器将部分散射光反射于光电探测器上，通过光电探测器的输出信号确定汇聚光束在工件表面的聚焦状态，如果聚焦不理想，闭环控制电路将驱动伺服机构往复运动来补偿聚焦状态误差值，直到误差值为零。

同时，本发明的同轴随形聚焦系统是针对照射到工件表面的汇聚光束进行聚焦状态检测，并根据检测结果控制伺服机构移动，并最终达到理想聚焦状态，完成系统的闭环反馈过程，且响应速度快。由于始终保证聚焦状态的稳定，系统并不需要初始建模工作，适用于任意面型的工件。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的同轴随形聚焦系统的结构示意图；

图2为图1所示的同轴随形聚焦系统的闭环控制电路的原理框图；

图3为图1所示的同轴随形聚焦系统的光敏面的分布示意图。

附图标记说明：

1、扩束装置；2、聚束装置；3、分束器；4、伺服机构；5、汇聚光束；6、散射光；7、工件；8、光电探测器；9、闭环控制电路；10、光敏面。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

参见图1-3所示；

本发明的同轴随形聚焦系统，其特征在于，包括：

扩束装置1，平行入射光束由扩束装置1的入光端进入扩束装置1，并产生发散光束；

分束器3，分束器3置于扩束装置1的出光端，发散光束穿过分束器3；

聚束装置2，聚束装置2置于分束器3的出光端，且聚束装置2与扩束装置1同轴设置，发散光束由聚束装置2的入光端进入聚束装置2，并产生汇聚光束，汇聚光束的焦点处于工件7表面前后，被汇聚光束5照亮的工件7表面产生反向传输的散射光6，散射光6最终被光电探测器8接收，用以评价聚焦状态；

伺服机构4，扩束装置1、分束器3和光电探测器8固定于伺服机构4上，且伺服机构4受控于闭环控制电路9；其中，伺服机构4带动扩束装置1、分束器3、光电探测器8沿扩束装置1和聚束装置2的轴线方向往复运动；

具体的，本实施例公开的一种同轴随形聚焦系统，其中，同轴即为通过同轴设置的扩束装置1和聚束装置2，一方面平行入射光通过扩束装置1和聚束装置2形成汇聚光束5，汇聚光束5聚焦于工件7表面进行加工。另一方面工件7表面的反向散射光6通过所述聚束装置2和分束器3将部分散射光6反射于光电探测器8上，这样随着工件7表面高低不平的变化，光电探测器8接收到的散射光6的光强会产生变化，因此，根据光强的变化，闭环控制电路9会计算出当前聚焦状态并与预设聚焦状态比较，形成误差值，根据误差值大小通过PID电路和伺服驱动电路驱动伺服机构4，以调整扩束装置1和聚束装置2之间的距离，实现改变汇聚光束5的焦点，并最终实现对照射到工件7表面汇聚光束5的聚焦状态的调整。

更具体的实施方式为：

本实施例中的工件7的表面被汇聚光束5照亮，并产生反向传输的散射光6，散射光6穿过聚束装置2，并通过分束器3部分反射于光电探测器8表面，光电探测器8将接收的散射光6的光强信号通过闭环控制电路9进行转换得到当前聚焦状态，并与聚焦状态预设值比较后得到误差值，根据误差值大小通过PID电路和伺服驱动电路驱动伺服机构4。具体的，平行入射光(本发明中为入射激光)经过上述的扩束装置1，其出射角增加，扩束后的光束通过聚束装置2进行汇聚，得到的汇聚光束5照射在工件7表面，同时，表面上产生的散射光6(反向散射光)被聚束装置2接收，并传输至分束器3，散射光6被分束器3反射至光电探测器8上，光电探测器8形成聚焦状态的实时信息发送到闭环控制电路9，该闭环控制电路9根据聚焦状态实时信息解算出误差值，并根据误差值大小通过PID电路运算出补偿量大小，最后依据补偿量大小来控制伺服驱动电路驱动伺服机构4进行实时补偿，直至整个环路中误差值为零。其中，本实施例中的光电探测器8至少设置有两个光敏面10，且相邻两个光敏面10之间具有缝隙。现以该光电探测器8具有两个相邻并排设置的光敏面10为例进行阐述：假设聚焦状态预设值为精确聚焦状态。光电探测器8的两个光敏面10接收了散射光6后，当两个光敏面10上的光强相等时，证明工件7上聚焦精确，无需进行补偿；当两个光敏面10上的光强不等时，证明工件7上聚焦不精确，或称为离焦状态，这时，闭环控制电路9根据光电探测器8发送的实时信息进行解算，确定控制伺服机构4前移或后移来补偿误差值。在工件7不断的移动过程中，闭环控制电路9总是根据光电探测器8输出的实时信息驱动伺服机构4进行补偿，聚焦焦点将跟随被加工工件7表面移动，从而实现了聚焦焦点实时跟踪工件7表面面型，即为本发明中阐述的随形聚焦。

另外，本发明的同轴随形聚焦系统不限于上述一种结构，并且还可以根据上述的方案和原理对入射光进行结构化处理，例如，使用条纹光束作为入射光等。因此，只要是基于本发明公开的技术的简单的变形，都属于本发明的保护范围。

优选的，本实施例中相邻两个光敏面10采用矩形光敏面，其缝隙的缝宽最优选为1um。

优选的，本实施例中扩束装置1为凹透镜。另外，扩束装置1还可以是透镜组、梯度透镜、菲涅尔透镜等。

优选的，本实施例中聚束装置2为凸透镜。另外，聚束装置2还可以是透镜组、梯度透镜、菲涅尔透镜等。

优选的，本实施例中伺服机构4使用伺服电机或步进电机或音圈电机作为动作器。不同电机的选取是根据响应速度及实际情况来确定。

更优选的，本实施例中伺服机构4上安装有位置传感器，可用于工件表面面型的测量。

优选的，本实施例中光电探测器8为为CCD或PIN光电探测器或硅光电池或PSD或光电二极管。

在上述技术方案中，本发明提供的同轴随形聚焦系统，汇聚光束5与散射光6均通过同轴设置的扩束装置1和聚束装置2，再利用分束器3将部分散射光6反射于光电探测器8上，通过光电探测器8对散射光6探测，确定工件7表面聚焦状态，如果聚焦状态与预设值不符就控制闭环控制电路9驱动伺服机构4的移动来补偿误差值，直到实现误差值为零。

同时，本发明的同轴随形聚焦系统是针对工件7表面的散射光6进行聚焦状态检测，能够确保工件7表面聚焦理想，响应速度快。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (4)

1.同轴随形聚焦系统，其特征在于，包括：

扩束装置(1)，平行入射光束由所述扩束装置(1)的入光端进入所述扩束装置(1)，并产生发散光束；

分束器(3)，所述分束器(3)置于所述扩束装置(1)的出光端，所述发散光束穿过所述分束器(3)；

聚束装置(2)，所述聚束装置(2)置于所述分束器(3)的出光端，且所述聚束装置(2)与所述扩束装置(1)同轴设置，所述发散光束由所述聚束装置(2)的入光端进入所述聚束装置(2)，并产生汇聚光束(5)，所述汇聚光束(5)的焦点处于工件(7)表面前后，被所述汇聚光束(5)照亮的所述工件(7)表面产生反向传输的散射光(6)，光电探测器(8)接收被所述分束器(3)反射的所述散射光(6)；

伺服机构(4)，所述扩束装置(1)、所述分束器(3)和所述光电探测器(8)固定于所述伺服机构(4)上，且所述伺服机构(4)受控于闭环控制电路(9)；

闭环控制电路(9)，所述光电探测器(8)接收到的所述散射光(6)的光强信号送至所述闭环控制电路(9)，所述闭环控制电路(9)根据所述光强信号解算出聚焦状态误差值，并驱动所述伺服机构(4)补偿聚焦状态误差值；

所述伺服机构(4)带动所述扩束装置(1)、分束器(3)、光电探测器(8)沿所述扩束装置(1)和聚束装置(2)的轴线方向往复运动；

所述散射光(6)穿过所述聚束装置(2)，并通过所述分束器(3)部分反射于所述光电探测器(8)表面，所述闭环控制电路(9)根据所述光电探测器(8)接收的散射光(6)的光强信号驱动所述伺服机构(4)补偿聚焦状态偏离的误差值；

所述光电探测器(8)接收散射光(6)的一面至少设置有两个光敏面(10)，且相邻两个所述光敏面(10)之间具有缝隙。

2.根据权利要求1所述的同轴随形聚焦系统，其特征在于，所述伺服机构(4)使用伺服电机或步进电机或音圈电机作为动作器。

3.根据权利要求2所述的同轴随形聚焦系统，其特征在于，所述伺服机构(4)上安装有位置传感器。

4.根据权利要求1所述的同轴随形聚焦系统，其特征在于，所述光电探测器(8)为CCD或PIN光电探测器或硅光电池或PSD或光电二极管。