CN107953037A - 一种基于扫频oct的高精度激光三维雕刻装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括：激光雕刻系统、扫频OCT系统，所述扫频OCT系统的样品检测激光的焦点与所述激光雕刻系统的雕刻激光的焦点重合，将扫频OCT成像技术应用到激光三维雕刻技术上，从而提高激光三维雕刻装置的精准度，该装置可广泛应用在激光雕刻行业。另一方面，还提供了基于本发明装置的三维雕刻方法，从而实现激光三维雕刻的高精度。

Description

一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置及方法
技术领域
本发明创造涉及激光雕刻技术领域，特别涉及一种基于扫频OCT 的激光三维雕刻装置及方法。
背景技术
硬质材料的激光三维雕刻技术首先通过对三维CAD模型进行离散分层切片，其次根据切片截面轮廓信息对模型进行三角剖分，生成扫描路径，然后由扫描装置控制激光束在基材表面进行选择性扫描刻蚀，形成该层的平面图形。工作台上升后，开始新一轮的切片与扫描；不断重复这个过程，逐层累积，直到整个模型切片完成，最后在雕刻母体上留下或阴或阳的三维图形。激光雕刻成形加工作为一种先进制造技术，目前已在许多领域得到应用。
现有激光三维雕刻技术难以实现高精度的雕刻，原因在于实际雕刻过程中无法控制激光雕刻的深度，导致雕刻过多或过少，误差大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有的激光三维雕刻装置雕刻精度低，误差大。
本发明解决其技术问题的解决方案是，一方面：一种基于扫频 OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括：激光雕刻系统，其特征在于，还包括：扫频OCT系统，所述扫频OCT系统的样品检测激光的焦点与所述激光雕刻系统的雕刻激光的焦点重合。
进一步，所述扫频OCT系统包括：扫频光源、分光器、反射镜、二维振镜装置、会聚透镜、探测装置、参考镜、计算机、Z轴步进电机，所述扫频光源用于发出扫频激光，所述分光器用于将所述扫频激光分为样品检测激光和参考激光，所述反射镜、二维振镜装置用于依次反射并将所述样品检测激光反射到所述会聚透镜中，所述会聚透镜用于将所述样品检测激光汇聚在待雕刻样品上，所述参考镜用于将所述参考激光反射，所述检测装置用于检测所述参考镜反射的参考激光和待雕刻样品反射的样品检测激光的干涉信号，并将所述干涉信号形成数字信号发送到所述计算机中，所述计算机用于根据所述数字信号控制所述Z轴步进电机。
进一步，所述分光器与所述反射镜之间设有滤波片。
进一步，所述分光器为2×2光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器分别与所述扫频光源、探测装置、滤波片、参考镜光路连接。
进一步，所述探测装置包括：平衡探测器、1×2光纤耦合器，所述1×2光纤耦合器的输入端与所述2×2光纤耦合器光路连接，所述1×2光纤耦合器的输出端分别与所述平衡探测器的正向输入端和反向输入端光路连接。
进一步，本发明创造的装置还包括防震平台，所述防震平台一侧用于放置待雕刻样品，另一侧与所述Z轴步进电机的驱动轴连接。
另一方面，一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻方法，所述方法基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括步骤：预设雕刻要求并根据要求建立三维CAD模型；根据所述三维CAD模型生成雕刻路线；根据所述雕刻路线控制二维振镜装置、Z轴步进电机移动；一旦雕刻处达到了预设的位置，立刻控制关闭激光雕刻光源，直至移至下一待雕刻处。
本发明的有益效果是：一方面，本发明的装置，包括扫频OCT 系统，所述扫频OCT系统的样品检测激光的焦点与所述激光雕刻系统的雕刻激光的焦点重合，将扫频OCT成像技术应用到激光三维雕刻技术上，从而提高激光三维雕刻装置的精准度，该装置可广泛应用在激光雕刻行业。
另一方面，本发明的方法基于本发明的装置，从而实现激光三维雕刻的高精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明创造装置的结构示意图；
图2是雕刻过程的流程图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
实施例1，参考图1，一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括：激光雕刻系统、扫频OCT系统，所述扫频OCT系统的样品检测激光的焦点与所述激光雕刻系统的雕刻激光的焦点重合。
所述激光雕刻系统包括：激光雕刻光源1、二维振镜装置11、会聚透镜12、准直镜2。所述扫频OCT系统包括：扫频光源3、分光器、准直镜5、会聚透镜6、参考镜7、反射镜10、二维振镜装置11、会聚透镜12、探测装置、计算机18、Z轴步进电机15，所述探测装置包括：平衡探测器17、1×2光纤耦合器16，所述分光器为2×2光纤耦合器4。所述激光雕刻光源1通过准直器2发出雕刻激光到二维振镜装置11上，所述二维振镜装置11将所述雕刻激光反射到会聚透镜12中，并通过会聚透镜12聚焦到待雕刻样品13上。同时扫频光源3射出极小带宽激光，进入2×2光纤耦合器4后分为样品检测激光与参考激光。样品检测激光从准直器8出射到滤光片9，经过反射镜10后到达二维振镜装置11，最后透过会聚透镜12聚焦到待雕刻样品13上。作为优化，所述待雕刻样品13放置在防震平台14上，防震平台14连接着Z轴方向步进电机15，电脑18控制Z轴方向步进电机15进行Z轴方向上的移动。所述参考激光从准直器5出射到会聚透镜6，经过反射镜7反射后，形成可逆光路。带有光程参照信息的光束返回2×2光纤耦合器4中。
所述样品检测激光被所述雕刻样品13反射，按原光路返回，进入2×2光纤耦合器4与参考激光形成干涉光。所述干涉光通过1×2 光纤耦合器16分为两路相同的干涉光，分别被平衡探测器17的正向输入端与反向输入端接收，消除掉部分的直流分量，即背景等噪声信号，最后电脑18通过DAQ数据采集卡采集干涉光信号。电脑18对所述干涉光信号进行计算，得到模拟电压，该模拟电压输出给二维振镜装置11和Z轴方向步进电机15，控制Z轴方向步进电机15进行Z 轴方向上的移动，实现雕刻激光的对焦。对焦后的雕刻激光可对雕刻样品13进行雕刻作业。
本装置通过扫频OCT系统监测雕刻处的信息，反馈控制二维振镜系统11和Z轴方向步进电机15的运作，实现了自动化的激光三维雕刻。扫频OCT成像技术的测量精准度高，本发明提供的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置的雕刻精准度可达20μm。
具体雕刻过程如下：
参考图2，首先，建立激光三维雕刻装置，并根据雕刻要求在电脑18中建立三维CAD模型，生成激光三维雕刻的路线，然后将雕刻路线转化为控制信号。将控制信号中的X和Y轴方向的信号输出到二维振镜装置11，二维振镜装置11控制样品检测激光的焦点与雕刻激光的焦点在X、Y轴平面内移动；Z轴方向的信号则输出到Z轴方向步进电机15来控制防震平台14的Z轴方向移动，整个移动过程中控制样品检测激光的焦点与激光雕刻的焦点保持重合。
一旦该雕刻处达到了预设的位置，电脑18立刻控制关闭激光雕刻光源1，直至移至下一待雕刻处。通过这一设定，避免了激光雕刻量过多或过少，实现实时的雕刻监测，减少了加工后的检测工序，大大提高了工作效率。
到达扫频OCT系统中平衡探测器17的干涉光信号遵循典型的双光束于涉规律：
式(1)；
式(1)中Δl是检测激光与参考激光之间的光程差；IS，IR分别为两束光的光强；rSR(Δl)是参考激光和检测激光的归一化复互相关函数；k0是扫频光源3的传播常量；是样品光波相对于参考激光波的初相位；扫频OCT系统测量得到的是被测物质不同深度处的值。
根据扫频OCT系统的探测原理，在电脑18中建立三维CAD模型后，电脑18计算出三维空间中，待雕刻样品13在Z轴方向上的中点，确定以中点所在的横截面作为参考面。选择中点所在的横截面作为参考面的好处在于，充分利用了扫频OCT系统的相干长度lc，如式(2) 所示，即探测范围，使实时监测始终处于最佳范围。
电脑18计算各待雕刻点到参考面的距离ΔZn，即探测激光与参考激光之间的光程差。在实时监测干涉光信号的过程中，当ΔZn＝Δl 时，电脑18判断该雕刻点已经符合预设的雕刻效果，立刻控制关闭激光雕刻光源1，直至移至下一待雕刻处，循环这一过程直到雕刻工序完成，得到激光三维雕刻加工成品。激光三维雕刻的精准度dz如式(3)所示。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括：激光雕刻系统，其特征在于，还包括：扫频OCT系统，所述扫频OCT系统的样品检测激光的焦点与所述激光雕刻系统的雕刻激光的焦点重合。
2.根据权利要求1所述的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，其特征在于：所述扫频OCT系统包括：扫频光源、分光器、反射镜、二维振镜装置、会聚透镜、探测装置、参考镜、计算机、Z轴步进电机，所述扫频光源用于发出扫频激光，所述分光器用于将所述扫频激光分为样品检测激光和参考激光，所述反射镜、二维振镜装置用于依次反射并将所述样品检测激光反射到所述会聚透镜中，所述会聚透镜用于将所述样品检测激光汇聚在待雕刻样品上，所述参考镜用于将所述参考激光反射，所述检测装置用于检测所述参考镜反射的参考激光和待雕刻样品反射的样品检测激光的干涉信号，并将所述干涉信号形成数字信号发送到所述计算机中，所述计算机用于根据所述数字信号控制所述Z轴步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，其特征在于：所述分光器与所述反射镜之间设有滤波片。
4.根据权利要求3所述的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，其特征在于：所述分光器为2×2光纤耦合器，所述2×2光纤耦合器分别与所述扫频光源、探测装置、滤波片、参考镜光路连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，其特征在于，所述探测装置包括：平衡探测器、1×2光纤耦合器，所述1×2光纤耦合器的输入端与所述2×2光纤耦合器光路连接，所述1×2光纤耦合器的输出端分别与所述平衡探测器的正向输入端和反向输入端光路连接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，其特征在于：还包括防震平台，所述防震平台一侧用于放置待雕刻样品，另一侧与所述Z轴步进电机的驱动轴连接。
7.一种基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻方法，其特征在于,所述方法基于扫频OCT的高精度激光三维雕刻装置，包括步骤：预设雕刻要求并根据要求建立三维CAD模型；根据所述三维CAD模型生成雕刻路线；根据所述雕刻路线控制二维振镜装置、Z轴步进电机移动；一旦雕刻处达到了预设的位置，立刻控制关闭激光雕刻光源，直至移至下一待雕刻处。
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