CN108817656A - 一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统 - Google Patents

一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统 Download PDF

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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Abstract

本发明公开了一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，包括连续光谱光源、光谱检测分析处理系统、色散准直光路、反射镜、分光镜、合束镜、共用聚焦镜。连续光谱光源经色散准直物镜后，不同波长的光以不同的发散角度出射，经合束镜后和激光传输与聚焦束光路中的激光束同轴入射至共用聚焦镜，且在聚焦镜的另一端同轴聚焦。光谱检测分析处理系统通过对色散光路返回光谱的检测分析处理获得位移量。本发明的系统能够实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测，适用于不同的被加工或者被测量表面。本发明利用光谱共焦原理检测激光聚焦焦点位置，以及同轴实现加工后的加工量检测功能，极大地提高了设备的精度和智能化水平。

Description

一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统
技术领域
本发明涉及一种激光聚焦系统，特别涉及一种能够实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，属于机械制造及激光微加工领域。本发明适用于智能化的激光精密微加工、精密微检测领域，尤其适用于激光微加工过程中的离焦量数值化的精确控制，焦点位置数值化跟踪，加工深度的数值化测量，加工位置的数值化定位。
背景技术
激光加工是一种高效、清洁的加工方式，广泛应用于焊接、切割、钻孔、标刻、划线等领域。针对不同的应用工艺，为保证加工质量，通常需要对聚焦光斑的位置以及离焦量进行精确的数值化控制，尤其是对于加工表面为曲面，或者加工表面的法线与光轴存在一定倾斜角度的情况。对于金属的加工，通常采用电容传感器进行焦点位置的跟踪以及离焦量的控制。对于非金属材料等或者需要精密微加工的场合，焦点位置检测以及离焦量的精确控制一直是一个难题。尤其是同轴数值化检测、加工表面为曲面等不同情况。
公布号为CN 104976953 A的中国发明专利公开了一种激光聚焦偏离检测装置，采用的像散检测方法，对于不同的曲面或者不同的倾斜角度平面无法准确检测偏移量，通用性较差。
公布号为CN 105855696 A的中国发明专利公开了一种激光聚焦光斑定位方法及装置，采用的CCD图像传感器，通过上下移动聚焦光斑的位置来确定焦点的位置，无法做到同轴检测，且针对曲面等无法检测或者检测精度降低。
公布号为CN 106181026 A的中国发明专利公开了一种激光加工中的焦点位置确定设备、方法及装置，采用的多路激光指示发生器，让环形多路指示激光的聚焦点与工作激光的聚焦点位置重合，通过同轴CCD图像传感器，观察多路指示激光的重叠程度，来推测焦点偏移量，此方法在曲面情况上无法实现功能或者检测精度降低，同时针对加工后的深度无法检测。
另外，在光谱共焦在位移量或者三维形貌的测量方面，早在上世纪七十年代，学者Courtney Pratt等人提出一种可以使用显微镜物镜的色差进行表面形貌检测的技术；之后Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于光谱共焦原理的表面轮廓仪；Boyde.A等人将其推广应用到了给显微镜领域带来革命性变化的共焦显微镜技术中去。此后，国外很多学者都对基于光谱共焦原理的测量技术进行了深入研究，并在测量领域衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量，微纳米量级精细结构的测量，半导体工业和汽车制造业中的位移测量，光学玻璃及生物薄膜的厚度测量，油漆与印刷行业的颜色测量等。目前，发达国家对该技术的掌握已十分成熟，市场上已有工业级的光谱共焦相关产品出现，工作频响达千赫兹以上。
我国在该领域的起步较晚，国内相关领域研究成果的报道也较少。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的朱万彬等人设计了光谱编码传感器的专用色散物镜，使用486nm～656nm的工作波段达到了一定的轴向色散范围。长春理工大学的乔杨等人，基于光谱编码原理设计了一套透镜厚度测量系统，使用600nm～900nm的工作波段达到了23.4mm的测量范围。中国工程物理研究院激光聚变研究中心的马小军等人，应用光谱共焦原理对金属薄膜进行了精确测量，表明该测量原理基本满足惯性约束聚变参数测量所需的稳定性及非破坏性要求。
光谱共焦位移传感器是基于共焦原理采用宽谱光源的非接触式传感器，其最高精度可以到纳米级别，几乎可以测量所有材质表面，由于其非接触、高精度的特点所以应用广泛。公布号为CN 104238077 A的中国发明专利公开了一种线性色散物镜，此物镜系统为独立系统，单独使用，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。公布号为CN102650515 A的中国发明专利公开了一种带扩展的测量范围的彩色共焦点传感器光笔，也是与自身的聚焦元件集成后来拓展测量范围，无法与市场上现有聚焦物镜组合成同轴测量系统。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统。
本发明的技术方案如下：
一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，包括激光传输与聚焦光路、成像光路和基于光谱共焦原理的位移检测光路，三光路共用聚焦物镜。其中成像光路非本发明必需光路。基于光谱共焦原理的位移检测光路包括：连续光谱光源、光谱检测分析处理系统、色散准直光路、反射镜、分光镜、合束镜、共用聚焦镜。所述连续光谱光源经所述色散准直物镜不同波长的光以不同大发散角度出射，经合束镜后和激光传输与聚焦束光路中的激光束同轴入射至共用聚焦镜，且在聚焦镜的另一端同轴聚焦。光谱检测分析处理系统通过对色散光路返回光谱的检测分析处理获得位移量。
作为本发明的进一步改进，该系统还包括同轴监测光路，被检测或者被加工表面反射的光波由聚焦镜接收后通过筒镜聚焦于图像传感器上成像。
作为本发明的进一步改进，所述色散光路中包括色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，所述连续光谱光源的发光点经过所述色散物镜后不同波长的光以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。
作为本发明的进一步改进，所述色散物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足
使得：
且：
其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散物镜的中心波段焦距；λn为色散物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
作为本发明的进一步改进，所述色散物镜与所述聚焦镜组合后完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。
作为本发明的进一步改进，所述激光束经合束镜后，与色散准直物镜的出射光共同从所述聚焦镜的一侧同轴入射。
作为本发明的进一步改进，所述色散光路的出射光经45度分光镜后，与激光束共同从所述聚焦镜的一侧同轴入射。
作为本发明的进一步改进，所述色散光路的出射光经45度反射镜和/或所述激光束经45度反射镜后，色散光路的出射光与激光束共同从所述聚焦镜的一侧同轴入射。
作为本发明的进一步改进，所述光谱检测分析处理系统连接有光纤，所述连续光谱光源通过耦合系统耦合至所述光纤上，所述光纤的出光端为系统的出光点。
本发明的有益效果如下：
采用本发明的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，能够实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本发明利用光谱共焦原理检测激光聚焦焦点位置，以及同轴实现加工后的加工量检测功能(例如加工深度、加工宽度等)，极大地提高了设备的精度和智能化水平。本发明有效解决了焦点位置的精确数值化追踪、适用于不同的被加工或者被测量表面：曲面、镜面、非金属面、金属面等。
附图说明
图1为本发明实施例一的总体结构原理图。
图2为本发明实施例一的总体结构平面图。
图3为本发明实施例一的总体结构立体图。
图4为本发明实施例一的总体结构剖视图。
图5为本发明实施例二的总体结构原理图。
图6为本发明实施例三的总体结构原理图。
图7为本发明实施例四的总体结构原理图。
图8为本发明实施例五的总体结构原理图。
图9为本发明实施例六的总体结构原理图。
图10为本发明实施例七的总体结构原理图。
图中标记：101-光纤出光端；102-色散准直物镜；103-第一反射镜；104-45度分光镜；105-合束镜片；106-聚焦镜；107-第二反射镜；108-筒镜；109-图像检测传感器；110-同轴光谱共焦检测系统；1101-信号处理系统；1102-光谱分析系统；1103-光源与耦合系统；201-短波长聚焦位置；202-激光束聚焦位置；203-长波长聚焦位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。
本实施例的实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统包括：用于测量目的的连续光谱光源、把光源传输到色散物镜102以及接收从色散物镜102传输回来的光的Y型光纤、对Y型光纤传输回来的光进行解谱和查表计算的光谱检测分析处理系统(包括光谱分析系统1102和信号处理系统1101，其中，电成像转换器件采用CCD或者CMOS)、将连续光谱光源调制为近似准直光并以不同出射角度出射的色散物镜102、改变近似准直光传输方向的第一反射镜103、改变激光传输方向的第二反射镜107、对被加工或者被检测表面反射光进行分光(一部分光到CCD一部分光到Y型光纤)的分光镜104、对加工用激光和检测用连续光谱光束进行合束的合束镜105、对加工用激光和检测用连续光谱光束进行同轴聚焦的聚焦镜106、以及置于图像检测传感器109前端用于成像的筒镜108。
其中，同轴光谱共焦检测系统110、光纤、色散物镜102、第一反射镜103、分光镜104、合束镜105以及聚焦镜106组成了基于光谱共焦系统的位移测量系统。
其中，图像检测传感器109、筒镜108、分光镜104、合束镜105、聚焦镜106构成了同轴的图像采集系统。
其中，第二反射镜107、合束镜105、聚焦镜106组成了激光聚焦系统。
其中，色散准直物镜102包括若干个单透镜，连续光谱光源的发光点经过色散准直物镜102后以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。色散物镜102的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足：
即可使得色散物镜的焦距变化量为单调递增，即对任意工作波段内：
同时保证色散物镜在工作波段范围内有足够的色散范围。通常色散准直的出射光束的发散角度不超过52mrad，即色散物镜工作范围内的准直光束发散角范围满足该色散物镜与理想聚焦透镜组合后能够完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。
其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散物镜的中心波段焦距；λn为色散物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
本实施例的工作原理如下：
连续光谱的光源首先经过耦合系统(光源和耦合系统共同构成光源与耦合系统1103，光谱检测分析处理系统和光源与耦合系统1103共同构成同轴光谱共焦检测系统110)耦合进Y型光纤，光纤出光端101位于色散物镜102的设计工作位置，光纤出光端101即是出光端也是反射光的入光端，同时充当共焦小孔的作用。连续光谱经过Y型光纤(单模或者多模光纤)的一个光纤分支传输后在色散准直物镜102的物方位置作为近似点光源，经过色散准直物镜102后形成不同发散角度的近似准直光出射。近似准直光经过45度的第一反射镜103后光路折转90度，再经过45度的分光镜104，再次折转90度，折转90度的光线经过合束镜105和聚焦镜106后沿光轴方向被共用聚焦镜106聚焦。不同波长光的汇聚点沿光轴方向展开。同时激光微加工用激光束经过第二反射镜107之后折转90度角，也射向合束镜105，并被共用聚焦镜106聚焦。不同发散角度的连续光谱的光以及被合束镜105折转90度的激光束，同轴经过聚焦镜106后被同轴聚焦。其中连续光谱短波长的短波长聚焦位置201、长波长聚焦位置203、以及激光束聚焦位置202如图1所示，其中激光束聚焦位置202位于短波长聚焦位置201和长波长聚焦位置203之间，三者均位于聚焦物镜的光轴上，即聚焦焦点位置位于连续光谱的轴向色散范围以内。
当有物体出现在色散聚焦范围内(即，在短波长聚焦位置201和长波长聚焦位置203之间存在被加工或者被检测表面)时，依据光谱共焦的原理，只有焦点位于被加工或者被检测表面所对应的波长的光会被最大能量的反射回原光路：即反射光经过聚焦镜106、穿过合束镜105到达分光镜104，反射光束到达分光镜104之后，部分光束被分光镜104反射到达第一反射镜103，并被第一反射镜103全部反射后折转90度，到达色散准直物镜102，色散准直物镜102聚焦后进入Y型光纤，从Y型光纤的另外一个光纤分支进入光谱分析系统1102，光谱分析系统1102中含有衍射分光光栅或者棱镜分光系统，不同波长的光束被聚焦在CMOS或者CCD阵列的不同位置，感光元件的信号进入信号处理系统1101，经过去噪、滤波、寻峰等一系列处理后，找到对应波长，从而通过查表的方式获得位移量，即可完成位移检测。这样，出现在色散聚焦范围内的物体上形成表面反射(或者散射)后，反射光(或者散射光)沿原光路传输至光纤出光端101，通过Y型光纤的另外一个光纤分支传导至光谱检测分析处理系统，由光谱分析仪解谱出对应的反射峰所对应的波长，并进行查表计算，即可计算出当前反射面的相对位移量。
在系统标定过程中令激光束聚焦位置202对应为Z轴的坐标零点，则短波长聚焦位置201为负偏移位置，长波长聚焦位置203为正偏移位置。激光束沿着光轴方向从上而下向第二反射镜107入射(第二反射镜107位于合束镜105的右侧，第二反射镜107表面对激光束全反射)之后折转90度，射向合束镜105，合束镜105朝向第二反射镜107的表面对激光束全反射，对连续光谱波段的光束全透过。激光束经过合束镜105的反射后光束折转90度，与聚焦镜106共光轴。激光束被聚焦镜106完善聚焦。
同时，被检测或者被加工表面反射的光波被聚焦镜106接收后，穿透过合束镜105和分光镜104，被筒镜108聚焦，即可在图像检测传感器109的表面成像，也就实现了对被加工或者被检测表面的同轴视频监控。当本发明的系统中加入同轴视频监控系统时，分光镜105为必需元件。
本实施例的装置结构如图2-4所示。
实施例二
如图5所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统中不包含改变光束传播方向的第一反射镜103，其余相同之处不再赘述。
实施例三
如图6所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统位于聚焦镜106的正上方，而图像采集系统位于侧面，其余相同之处不再赘述。
实施例四
如图7所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统位于聚焦镜106的正上方，且整个激光聚焦系统不包含图像采集系统，其余相同之处不再赘述。
实施例五
如图8所示，一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统位于聚焦镜106的正上方，且图像采集系统中使用了改变光路的反射镜，其余相同之处不再赘述。
实施例六
如图9所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统位于聚焦镜106的正上方，而图像采集系统位于侧面，且图像采集系统中使用了改变光路的反射镜，其余相同之处不再赘述。
实施例七
如图9所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述激光聚焦系统中未采用改变光路传输方向的第二反射镜107，激光束从侧面直接入射，其余相同之处不再赘述。
实施例八
如图10所示，本实施例提供一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，从而实现激光聚焦系统的焦点位置、离焦量的同轴数值化精确跟踪与数值化检测。本实施例的结构及原理与实施例一基本相同，本实施例的不同之处在于，所述位移测量系统和所述激光聚焦系统位于成像光束的同侧，其余相同之处不再赘述。
综上所述，本发明一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，连续光谱的光源的发光点经过色散物镜后以不同的发散角度出射，经过合束镜后与激光加工光束共光轴，并同时被聚焦物镜共轴聚焦。连续光谱色散共焦光路在被聚焦透镜聚焦前在整个传输光路中无实焦点。同时实现色散物镜镜组功能与激光聚焦物镜功能，二系统共用聚焦物镜、共光轴。加工用激光的聚焦焦点位置位于连续光谱光源发出的光沿轴向的色散聚焦的范围以内。本发明采用色散光谱共焦系统测量位移量，测量结果可以数值化。基于本发明的系统也可同时集成同轴视频监控系统。本发明特别适用于智能化的激光精密微加工、精密微检测设备，尤其适用于激光精密微加工过程中的离焦量精确控制、焦点位置的数值化跟踪、加工深度的测量、加工位置的数值化定位等等。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。例如：1)图像采集系统不包含在本发明的激光聚焦系统中时，不影响本发明目的的实现；2)各个单镜片(例如色散物镜102、筒镜108、反射镜等)的空间排布方式具有多样性，不同的空间排布均可以实现本发明的目的，本发明所列举的上述实施例仅为原理性示例，不应当作为空间排布的限制；3)第一反射镜103、第二反射镜107在本实施例中仅为折转光路所用，非必需元件。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：包括连续光谱光源、光谱检测分析处理系统、色散准直物镜、合束镜、共用聚焦镜，所述连续光谱光源经所述色散准直物镜不同波长的光以不同大发散角度出射，经合束镜后和激光传输与聚焦束光路中的激光束同轴入射至共用聚焦镜，且在聚焦镜的另一端同轴聚焦，所述光谱检测分析处理系统通过对色散光路返回光谱的检测分析处理获得位移量。
2.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：还包括同轴监测光路，被检测或者被加工表面反射的光波由聚焦镜接收后通过筒镜聚焦于图像传感器上成像。
3.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述色散光路中包括色散准直物镜，所述色散准直物镜包括若干个单透镜，所述连续光谱光源的发光点经过所述色散准直物镜后以不同的发散角度出射，通过调整发光点的位置，若使得位于设计波长段范围内存在一个波长光束的发散角度接近零度，则小于该波长的光束的发散角度为负值，大于该波长的发散角度为正值。
4.根据权利要求3所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述色散准直物镜的工作波段从短波长至长波长段范围内，透镜组满足
使得：
且：
其中：1～n为从发光点开始至出光端的单镜片的序列号；D为第i个单透镜的有效通光直径；为第i个单透镜的光焦度；vi为第i个单透镜的阿贝数；f为整个色散物镜的中心波段焦距；λn为色散物镜设计工作波段范围内的任意波长，且λn∈[λa，λb]，λa为色散物镜设计工作波段范围内的短波波长，λb为色散物镜设计工作波段范围内的长波波长；为色散物镜设计工作波段范围内的波长为λn所对应的发散角度。
5.根据权利要求3所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统统，其特征在于：所述色散准直物镜与所述聚焦镜组合后完善聚焦且焦点位置沿Z轴展开。
6.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述激光束经合束镜后，与色散光路的出射光共同从所述聚焦镜的一端同轴入射。
7.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述色散光路的出射光经分光镜后，与激光束共同从所述聚焦镜的一侧同轴入射。
8.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述色散光路的出射光经反射镜和/或所述激光束经反射镜后，色散光路的出射光与激光束共同从所述聚焦镜的一侧同轴入射。
9.根据权利要求1所述的一种实现同轴位移测量功能的激光聚焦系统，其特征在于：所述光谱检测分析处理系统连接有光纤，所述连续光谱光源通过耦合系统耦合至所述光纤上，所述光纤的出光端为系统的出光点。
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