CN109530912B - 基于内同轴的对焦装置及基于内同轴的对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于内同轴的对焦装置及基于内同轴的对焦方法，属于激光加工技术领域。该装置包括光源、振镜聚焦系统、分光镜、激光器、摄像镜头和传感器。光源用于向工件输出光束，光束照射到工件表面后形成光束状态，光束状态的影像信息经过振镜聚焦系统传递到分光镜，影像信息透过分光镜再依次传递到摄像镜头和传感器。摄像镜头用于将影像信息传输至传感器中，传感器接收影像信息并经过软件处理和分析得到光束的质心位置。激光器用于输出激光，激光经过分光镜反射至振镜聚焦系统，激光通过振镜聚焦系统并聚焦到工件。该对焦装置能够消除对焦效率低及一致性差的问题，提高激光加工的效率。一种基于内同轴的对焦方法，使用上述提到的装置。

Description

基于内同轴的对焦装置及基于内同轴的对焦方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体而言，涉及一种基于内同轴的对焦装置及基于内同轴的对焦方法。

背景技术

激光加工已经广泛应用于现代制造中，特别是在精密加工、微加工领域，包括切割、标刻、喷印、钻孔、雕刻、扫描等，随着现代精密制造对激光加工的形位精度、柔性适应性、智能化和效率要求越来越高。而现有激光加工应用中的对焦方式通常采用手动目测加物理检测方法，但在面对复杂外形的工件时，采用点到点的手动对焦方式，不仅效率极低且一致性差，加工的效率难以跟上生产要求。

发明人在研究中发现，现有的相关技术中至少存在以下缺点：

采用点到点的手动对焦方式，加工效率低，且对焦的位置一致性差。

发明内容

本发明提供了一种基于内同轴的对焦装置，改善现有技术的不足，其能够无需预先获知工件尺寸及高度，采用传感器接收光束影像，并通过分析影像信息确定工件偏离焦平面的高度及方向，提高对焦效率和对焦一致性，从而提高激光加工的效率，该结构设计合理，实用性强。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明的实施例提供了一种基于内同轴的对焦装置，其包括光源、振镜聚焦系统、分光镜、激光器、摄像镜头和传感器；

所述光源被设置用于向工件输出光束，所述光束照射到工件表面后形成光束状态，所述光束状态的影像信息经过所述振镜聚焦系统传递到所述分光镜，所述影像信息透过所述分光镜传递到所述摄像镜头；

所述摄像镜头被设置用于将所述影像信息传输至所述传感器中，所述传感器接收所述影像信息并经过软件处理和分析得到所述光束的质心位置，通过分析所述影像信息确定工件偏离的高度及方向；

所述激光器被设置用于输出激光，所述激光经过所述分光镜反射至所述振镜聚焦系统，所述激光通过所述振镜聚焦系统并聚焦到工件。

具体的，该基于内同轴的对焦装置能够无需预先获知工件尺寸及高度，采用传感器接收光束影像，并通过分析影像信息确定工件偏离焦平面的高度及方向，提高对焦效率和对焦一致性，从而提高激光加工的效率，该结构设计合理，实用性强。

可选的，所述光束与所述振镜聚焦系统的主光轴的角度为θ，10°≤θ≤80°。

可选的，所述振镜聚焦系统包括场镜和振镜，所述场镜和所述振镜相互配合，所述场镜设置于靠近工件的一侧且位于工件的正上方，所述光束的影像信息依次经过所述场镜和所述振镜。

可选的，所述激光经过所述分光镜反射至所述振镜，所述激光依次通过所述振镜和所述场镜聚焦到工件。

可选的，所述激光的波长为266nm或355nm或450nm或532nm或850nm或1030nm或1064nm；

所述光源的中心波长为400nm或485nm或587nm或630nm或850nm或905nm。

可选的，所述光束状态为细光束状态或点线型光束状态或单线光束状态或十字形光束状态或多线型光束状态或环状型光束状态；

所述细光束状态的直径为0.2～5mm，所述单线光束状态的长度为3mm～80mm。

可选的，所述传感器为一维相机器件或二维相机器件或一维PSD光电位置传感器件或二维PSD光电位置传感器件或PLN光传感器件。

可选的，所述基于内同轴的对焦装置还包括移动机构，所述移动机构和所述振镜聚焦系统连接，所述移动机构被设置用于调整所述振镜聚焦系统和工件的距离从而实现对焦。

可选的，所述移动机构包括Z轴移动平台和电机，所述电机和所述Z轴移动平台电连接。

一种基于内同轴的对焦方法，使用上述提到的基于内同轴的对焦装置，所述方法包括：

预先调节所述振镜聚焦系统与工件的距离，找到激光焦平面，打开所述光源向工件输出与所述振镜聚焦系统的主光轴的角度成θ的所述光束，所述光束的影像信息依次经过所述场镜、所述振镜，并透过所述分光镜，再经所述摄像镜头到达所述传感器内，通过软件定位，把所述光束在所述传感器上的影像位置记录为焦点基准位置；

当工件处于离焦位置时，假设激光离焦量为A，当前离焦平面上横向偏移量为B，所述场镜的焦距为F₁，所述摄像镜头的焦距为F₂，在所述传感器上的离焦时影像的偏移量为C，此时所述激光焦平面上的偏移值为D；依据内同轴系统的放大倍率计算公式，可以得出式1：C/D＝F₂/F₁；

焦平面100上偏移值D、离焦平面横向偏移量B值以及当前位置的孔径角U值关系可以表示为式2：D＝B*k(u)，其中k(u)是一个孔径角U值的非线性系数；

根据三角关系，可以得出式3：tanθ＝B/A；

根据所述式1、式2和式3，可以得出式4：A＝C*F₁/(k(u)*tanθ*F₂)；

根据所述式4，激光离焦量A与离焦时影像的偏移量C存在关系，通过所述偏移量C的大小和方向计算出当前所述激光离焦量A的大小和方向，从而通过所述移动机构调节所述振镜聚焦系统高度，使其完成对焦操作。

与现有的技术相比，本发明实施例的有益效果包括，例如：

该基于内同轴的对焦装置能够无需预先获知工件尺寸及高度，采用传感器接收光束影像，并通过分析影像信息确定工件偏离焦平面的高度及方向，提高对焦效率和对焦一致性，从而提高激光加工的效率，该结构设计合理，实用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置的另一种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置的传感器上的影像信息的示意图；

图4为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置的激光离焦量的示意图；

图5为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置的激光离焦量和影像信息的偏移量的关系图。

图标：1-基于内同轴的对焦装置；11-光源；20-振镜聚焦系统；201-场镜；202-振镜；12-分光镜；13-摄像镜头；14-传感器；100-激光焦平面；101-离焦平面；140-焦点基准位置；141-离焦时光束位置；111-光束状态；30-激光器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置1的一种结构示意图。

请参照图1，本实施例提供了一种基于内同轴的对焦装置1，该装置包括光源11、振镜聚焦系统20、分光镜12、激光器30、摄像镜头13和传感器14；

光源11被设置用于向工件输出光束，光束照射到工件表面后形成光束状态111，光束状态111的影像信息经过振镜聚焦系统20传递到分光镜12，影像信息透过分光镜12传递到摄像镜头13和传感器14；

摄像镜头13被设置用于将光束的影像信息传输至传感器14中，传感器14接收影像信息并经过软件处理和分析得到光束的质心位置，通过分析影像信息确定工件偏离的高度及方向；

激光器30被设置用于输出激光，激光经过分光镜12反射至振镜聚焦系统20，激光通过振镜聚焦系统20并聚焦形到工件。

值得说明的是，光束照射到工件表面上，根据实际工件的材料以及表面的状态，选择不同的工件上光束状态111，其中工件上光束状态111可以是细光束状态、其直径在0.2～5mm之间；可以是点线型光束状态；也可以是单线光束，其长度在3mm～80mm之间；可以是十字型光束状态，也可以是多线型光束状态，还可以是环状型等多种光束状态。

还值得说明的是，该基于内同轴的对焦装置1能够无需预先获知工件尺寸及高度，采用传感器14接收光束的影像信息，并通过分析影像信息确定工件偏离焦平面101的高度及方向，提高对焦效率和对焦一致性，从而提高激光加工的效率，该结构设计合理，实用性强。

请再次参照图1，光束与振镜聚焦系统20的主光轴的角度为θ，10°≤θ≤80°。

值得说明的是，光源11的选择可以是常用的任何照明光源11波长，如400nm、485nm、587nm、630nm、850nm、905nm等波段。激光光束可以是常用的任何波长的激光，如266nm，355nm，450nm，532nm，850nm，1030nm及1064nm等波段，可以理解的是，以上仅是对光源11和激光的具体类型的举例说明，本实施例并不构成对光源11和激光的具体类型的限定。

振镜聚焦系统20包括场镜201和振镜202，场镜201和振镜202相互配合，场镜201设置于靠近工件的一侧且位于工件的正上方，光束的影像信息依次经过场镜201和振镜202。激光经过分光镜12反射至振镜202，激光依次通过振镜202和场镜201聚焦到工件。

传感器14为一维相机器件或二维相机器件或一维PSD光电位置传感器件或二维PSD光电位置传感器件或PLN光传感器件。

基于内同轴的对焦装置1还包括移动机构，移动机构和振镜聚焦系统20连接，移动机构被设置用于调整振镜聚焦系统20和工件的距离从而实现对焦。

值得说明的是，在本实施例中，移动机构包括Z轴移动平台和电机，电机和Z轴移动平台电连接，可以理解的是，根据具体实施环境移动机构也可以为别的结构类型。

图2为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置1的另一种结构示意图。

请参照图2，当工件处于离焦位置时，假设激光离焦量为A，当前离焦平面101上横向偏移量为B

图3为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置1的传感器14上的影像信息的示意图。

请参照图3，在传感器14上的离焦时影像的偏移量为C，即焦点基准位置140和离焦时光束位置141的相对位置的偏移量为C。

图4为本发明实施例提供的基于内同轴的对焦装置1的激光离焦量的示意图。

请参照图4，激光焦平面100和离焦平面101的相对位置的偏移量为激光离焦量A。

实施例2

本实施例也提供了一种基于内同轴的对焦方法，使用上述提到的基于内同轴的对焦装置1，基于内同轴的对焦装置1的结构可以参考实施例1，该基于内同轴的对焦方法具有基于内同轴的对焦装置1的所有功能。

方法包括预先调节振镜聚焦系统20与工件的距离，找到激光焦平面100，打开光源11向工件输出与振镜聚焦系统20的主光轴的角度成θ的光束，光束的影像信息依次经过场镜201、振镜202，并透过分光镜12，再经摄像镜头13到达传感器14内，通过软件定位，把光束在传感器14上的影像位置记录为焦点基准位置140；

当工件处于离焦位置时，假设激光离焦量为A，当前离焦平面101上横向偏移量为B，场镜201的焦距为F₁，摄像镜头13的焦距为F₂，在传感器14上的离焦时影像的偏移量为C，此时激光焦平面100上的偏移值为D；依据内同轴系统的放大倍率计算公式，可以得出式1：C/D＝F₂/F₁；

焦平面100上偏移值D、离焦平面101横向偏移量B值以及当前位置的孔径角U值关系可以表示为式2：D＝B*k(u)，其中k(u)是一个孔径角U值的非线性系数；

根据三角关系，可以得出式3：tanθ＝B/A；

根据式1、式2和式3，可以得出式4：A＝C*F₁/(k(u)*tanθ*F₂)；

根据式4，激光离焦量A与离焦时影像的偏移量C存在关系，通过偏移量C的大小和方向计算出当前激光离焦量A的大小和方向，从而通过移动机构调节振镜聚焦系统20高度，使其完成对焦操作。

在具体实施时，取场镜201的焦距F₁＝100mm，摄像镜头13的焦距F₂＝100mm，θ取45°，测定的一组C值和激光离焦量A值的对应关系如下表格数据。

A值与C值的关系如图5所示。

综上所述，本发明提供了一种基于内同轴的对焦装置1，该基于内同轴的对焦装置1包括光源11、振镜聚焦系统20、分光镜12、激光器30、摄像镜头13和传感器14。光源11被设置用于向工件输出光束，光束照射到工件表面后经过振镜聚焦系统20传递到分光镜12，光束透过分光镜12再依次经过摄像镜头13和传感器14。摄像镜头13被设置用于将光束的影像信息传输至传感器14中，传感器14接收影像信息并经过软件处理和分析得到光束的质心位置。激光器30被设置用于输出激光，激光经过分光镜12反射至振镜聚焦系统20，激光通过振镜聚焦系统20并聚焦到工件。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于内同轴的对焦方法，其特征在于，应用于基于内同轴的对焦装置，所述基于内同轴的对焦装置包括光源、振镜聚焦系统、分光镜、激光器、摄像镜头和传感器；所述光源被设置用于向工件输出光束，所述光束照射到工件表面后形成光束状态，所述光束状态的影像信息经过所述振镜聚焦系统传递到所述分光镜，所述影像信息透过所述分光镜再依次传递到所述摄像镜头；所述摄像镜头被设置用于将所述影像信息传输至所述传感器中，所述传感器接收所述影像信息并经过软件处理和分析得到所述光束的质心位置；所述激光器被设置用于输出激光，所述激光经过所述分光镜反射至所述振镜聚焦系统，所述激光通过所述振镜聚焦系统并聚焦到工件；所述基于内同轴的对焦装置还包括移动机构，所述移动机构和所述振镜聚焦系统连接，所述移动机构被设置用于调整所述振镜聚焦系统和工件的距离从而实现对焦；其中，所述振镜聚焦系统包括场镜和振镜，所述场镜和所述振镜相互配合，所述场镜设置于靠近工件的一侧且位于工件的正上方；所述方法包括：

预先调节所述振镜聚焦系统与工件的距离，找到激光焦平面，打开所述光源向工件输出与所述振镜聚焦系统的主光轴的角度成θ的所述光束，所述光束的影像信息依次经过场镜、所述振镜，并透过所述分光镜，再经所述摄像镜头到达所述传感器内，通过软件定位，把所述光束在所述传感器上的影像位置记录为焦点基准位置；

当工件处于离焦位置时，假设激光离焦量为A，当前离焦平面上横向偏移量为B，所述场镜的焦距为F₁，所述摄像镜头的焦距为F₂，在所述传感器上的离焦时影像的偏移量为C，此时所述激光焦平面上的偏移值为D；依据内同轴系统的放大倍率计算公式，可以得出式1：C/D=F₂/F₁；

焦平面100上偏移值D、离焦平面横向偏移量B值以及当前位置的孔径角U值关系可以表示为式2：D=B*K(u)，其中K(u)是一个孔径角U值的非线性系数；

根据三角关系，可以得出式3：tanθ=B/A；

根据所述式1、所述式2和所述式3，可以得出式4：A=C*F₁/(K(u)*tanθ*F₂)；

根据所述式4，激光离焦量A与离焦时影像的偏移量C存在关系，通过所述偏移量C的大小和方向计算出当前所述激光离焦量A的大小和方向，从而通过移动机构调节所述振镜聚焦系统高度，使其完成对焦操作。

2.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述光束与所述振镜聚焦系统的主光轴的角度为θ，10°≤θ≤80°。

3.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述激光经过所述分光镜反射至所述振镜，所述激光依次通过所述振镜和所述场镜聚焦到工件。

4.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述激光的波长为266nm或355nm或450nm或532nm或850nm或1030nm或1064nm；所述光源的中心波长为400nm或485nm或587nm或630nm或850nm或905nm。

5.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述光束状态为细光束状态或点线型光束状态或单线光束状态或十字形光束状态或多线型光束状态或环状型光束状态；

所述细光束状态的直径为0.2~5mm，所述单线光束状态的长度为3mm~80mm。

6.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述传感器为一维相机器件或二维相机器件或一维PSD光电位置传感器件或二维PSD光电位置传感器件或PLN光传感器件。

7.根据权利要求1所述的基于内同轴的对焦方法，其特征在于，所述移动机构包括Z轴移动平台和电机，所述电机和所述Z轴移动平台电连接。

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