CN108941897A - 一种自动寻焦方法 - Google Patents

Abstract

一种自动寻焦方法，属于激光加工技术领域。所述方法通过用CCD相机接受加工路和标准路的激光，采集两路光的干涉条纹信息。通过计算机分析收集到的信息，并反馈给电机，从而找到激光加工路的焦平面位置。

Description

一种自动寻焦方法

技术领域

本发明涉及一种自动寻焦方法，具体运用在激光加工的同时判定样品是否在激光聚焦镜的焦平面上的方法，属于激光加工技术领域。

背景技术

随着电子器件的微型化和精密化，以及激光器日新月异的快速发展，激光加工技术越来越被市场所接受。因此研究激光加工技术和激光加工工艺显得十分重要。

在使用激光研究或加工的时候，最主要的就是使用聚焦镜将激光聚焦到焦平面上，使得激光的光斑质量最好，激光光斑半径最小。如果样品偏离焦平面，激光在样品上的光斑直径将明显变大，同时会因为光路中引入的各种像差，使得激光光斑变形，聚焦在样品表面上的能量分布不均，影响加工水平或实验结果。

一般寻找焦平面的方法都只是间接方法。通常是在不同加工高度，在样品上打点或者划线，通过比对点的大小或线的粗细来判断焦点位置。这种寻焦的方法既费时又费材料，且精度不高，可重复性差。

发明内容

基于上述情况，人们急需找到一种能够不损伤样品，快速和精准的自动寻焦方法，来代替原有的焦平面寻找方法。

为了满足以上所述的需要，本发明设计了一种自动寻焦方法。

一种自动寻焦方法，采用的装置，包括：平行光的入射激光(1)入射到第一反射镜(2)。入射激光(1)大部分能量经第一反射镜(2)的下表面反射到聚焦镜(3)，并被聚焦到样品(5)上；样品(5)被激光照射后，在吸收部分能量的同时，样品(5)还反射回部分激光，称为第一反射激光(4)；第一反射激光(4)经过聚焦镜(3)聚焦后回到第一反射镜(2)；同时，入射激光(1)在入射到第一反射镜(2)的下表面后，少部分能量会透过第一反射镜(2)，并入射到第二反射镜(6)，经第二反射镜(6)返回，称为第二反射激光(7)，第二反射激光(7)仍然为平行光，第二反射激光(7)与第一反射激光(4)重合在第一反射镜(2)的上表面，并一同反射进入CCD面阵相机(9)，形成干涉条纹；其中第二反射镜(6)和CCD面阵相机(9)在第一反射镜(2)的上表面侧，入射激光(1)、聚焦镜(3)、样品(5)在第一反射镜(2)的下表面侧；第一反射镜(2)为能够透射的反射镜，第一反射镜(2)上下表面平行，第二反射镜(6)为平面反射镜；

本发明上述装置实现自动寻焦的具体步骤为：

第一步、如果入射激光(1)为超短脉冲，则应调整第二反射镜(6)，使成像于CCD面阵相机(9)上的条纹对比度最高；如果激光不为超短脉冲，则可跳过第一步。

第二步、粗略调整如升或降样品(5)的位置，使CCD面阵相机(9)上逐渐出现可以分辨的条纹；

第三步、细微地继续调整如升或降样品(5)的位置，使得在CCD面阵相机(9)上的干涉条纹由圆弧形尽可能地变直条型；此时样品(5)在聚焦镜(3)的焦平面上；

第四步、继续调整如升或降样品(5)的位置，则CCD面阵相机(9)上的条纹则会变弯曲，同时条纹个数会变多；

第五步、在进行第一步至第四步的同时，计算机会记录驱动样品(5)调节的电机上升的位置以及对应的条纹状态；最后经过拟合曲线的方法，获得最佳焦点位置。

其中拟合曲线为位置关系和条纹之间的曲线。

全程由计算机自动控制样品升降，并记录CCD面阵相机呈现的干涉条纹图样；最后计算机自动判定聚焦镜焦平面位置。

本发明通过用CCD相机接受加工路和标准路的激光，采集两路光的干涉条纹信息。通过分析收集到的信息，从而找到激光加工路的焦平面位置。

附图说明

图1为方法结构概图；

图2为所测干涉条纹示意图；

a为物平面在焦平面左侧，b为物平面在焦平面右侧，c认为物平面在焦平面上。

图3为计算机拟合曲线示意图；

1入射激光、2第一反射镜、3聚焦镜、4第一反射激光、5样品、6第二反射镜、7第二反射激光、8合束光、9CCD面阵相机、10CCD面阵相机得到的图谱。

具体实施方法

为了叙述方便，以下结合图1方法结构概图进行详细说明。但是，本发明可以有许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。

近乎于平行的激光1，其波前为平面，所以在虚线方框内用互相平行的直线来表示激光的波前。激光1之后经由第一反射镜2反射，进入激光聚焦镜3。激光聚焦镜将激光聚焦到样品5，之后样品5会反射部分激光，然后再次被聚焦镜3聚焦，成为第一反射光4。根据样品相对于焦平面的位置，第一反射光4有可能为球面波(样品不在焦平面上)或平面波(样品在焦平面上)。以样品5不在焦平面位置为例，反射光4为球面波，所以在虚线框内用曲线表示波前。第一反射光4随后透过反射镜2，在合束光8中的虚线框内同样用曲线表示。

与此同时，入射激光1少部分光会透过第一反射镜2。由于第一反射镜2上下表面平行，所以不会对入射光的波前弯曲，因此透过第一反射镜2被第二反射镜返回的第二反射激光7仍为平行光。在虚线框内用直线表示。透射光入射到第二反射镜6。第二反射镜前表面为平面，但反射镜面不可能完全垂直于第一反射镜2的透射光放置，所以虽然不会弯曲激光波面，但可能使激光得波前变倾斜。之后在第一反射镜2的上表面反射后在合束光8的虚线框内用倾斜直线表示。

最后，合束光8会进入CCD面阵相机9，并产生干涉条纹。

产生干涉条纹的花样会因为样品相对于焦平面的位置而改变。如图2所示。激光在样品5发生镜面反射，所以可以认为样品5的表面为物平面。图2a可以认为物平面在焦平面左侧，图2b可以认为物平面在焦平面右侧，图2c可以认为物平面在焦平面上。根据物象的共轭关系，只有如图2c一样的情况，物平面的共轭像在聚焦镜像方无穷远处，所以此时从样品5返回的光为平面光，在经过其他光路后和由图1中的第二反射镜6返回的光在CCD面阵9表面呈现如图所示的条纹干涉图样。而如图2a和2b一样的情况，其返回光的波前经聚焦镜3后为球面，最后则在CCD面阵9表面呈现如图所示的同心圆状干涉条纹。

在寻焦过程中，全程由计算机自动控制样品升降，一边记录z轴位置，一边记录CCD面阵相机呈现的干涉条纹图样。之后计算机根据记录的干涉条纹信息，计算出该位置是焦平面的可能性评分，然后拟合出评分曲线(如图3所示)，最后自动判定评分最低位置即为焦平面位置。

Claims (3)

1.一种自动寻焦方法，其特征在于，采用的装置，包括：平行光的入射激光(1)入射到第一反射镜(2)。入射激光(1)大部分能量经第一反射镜(2)的下表面反射到聚焦镜(3)，并被聚焦到样品(5)上；样品(5)被激光照射后，在吸收部分能量的同时，样品(5)还反射回部分激光，称为第一反射激光(4)；第一反射激光(4)经过聚焦镜(3)聚焦后回到第一反射镜(2)；同时，入射激光(1)在入射到第一反射镜(2)的下表面后，少部分能量会透过第一反射镜(2)，并入射到第二反射镜(6)，经第二反射镜(6)返回，称为第二反射激光(7)，第二反射激光(7)仍然为平行光，第二反射激光(7)与第一反射激光(4)重合在第一反射镜(2)的上表面，并一同反射进入CCD面阵相机(9)，形成干涉条纹；其中第二反射镜(6)和CCD面阵相机(9)在第一反射镜(2)的上表面侧，入射激光(1)、聚焦镜(3)、样品(5)在第一反射镜(2)的下表面侧；第一反射镜(2)为能够透射的反射镜，第一反射镜(2)上下表面平行，第二反射镜(6)为平面反射镜；

实现自动寻焦的具体步骤为：

第一步、如果入射激光(1)为超短脉冲，则应调整第二反射镜(6)，使成像于CCD面阵相机(9)上的条纹对比度最高；如果激光不为超短脉冲，则可跳过第一步。

第二步、粗略调整如升或降样品(5)的位置，使CCD面阵相机(9)上逐渐出现可以分辨的条纹；

第三步、细微地继续调整如升或降样品(5)的位置，使得在CCD面阵相机(9)上的干涉条纹由圆弧形尽可能地变直条型；此时样品(5)在聚焦镜(3)的焦平面上；

第四步、继续调整如升或降样品(5)的位置，则CCD面阵相机(9)上的条纹则会变弯曲，同时条纹个数会变多；

第五步、在进行第一步至第四步的同时，计算机会记录驱动样品(5)调节的电机上升的位置以及对应的条纹状态；最后经过拟合曲线的方法，获得最佳焦点位置。

2.按照权利要求1所述的一种自动寻焦方法，其特征在于，拟合曲线为位置关系和条纹之间的曲线。

3.按照权利要求1所述的一种自动寻焦方法，其特征在于，全程由计算机自动控制样品升降，并记录CCD面阵相机呈现的干涉条纹图样；最后计算机自动判定聚焦镜焦平面位置。