CN109822213A - 一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法，装置包括光源、场镜、振镜系统、光阑部件、分光镜、摄像镜头、图像传感器和激光器组件，所述光源用于照射待加工工件表面，工件表面反射的成像系统光束依次经场镜、振镜系统、光阑部件和分光镜入射到摄像镜头，并通过图像传感器接收；激光器组件发射的激光光束依次经分光镜、光阑部件、振镜系统、场镜照射至待加工工件表面。本发明可大幅提升振镜同轴视觉幅面，在激光加工中，直接采用振镜同轴视觉完成大样品的视觉定位功能，并克服了激光加工系统中振镜系统温漂造成的定位偏差。

Description

一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法

技术领域

本发明振镜同轴视觉成像领域，具体涉及一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法。

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，所以带有视觉定位及检测的激光加工系统越来越普及，带有视觉定位的激光加工系统一般有俩种方式，一种为旁轴视觉，是机械视觉成像镜头相对于激光加工头侧面放置，视觉系统和激光加工系统相互独立；一种为同轴视觉，是视觉定位系统通过激光加工头光路，共用大部分光路系统，同轴视觉可以克服激光加工系统中聚焦系统漂移造成的定位偏差。但现有的激光同轴定位和检测的视觉幅面均比较小，一般最大兼容1/2英寸的图像传感器，配合F170的场镜图像传感器视觉幅面短边在12mm左右，无法一次性拍摄较大样品，无法完成视觉定位功能，现有一种方法是采用俩个视觉系统，视觉幅面小的系统进行位置补偿，视觉幅面大的系统进行定位(引用专利：CN105598579A，20160525，基于两个同轴进行视觉定位的激光加工装置及方法)，该方案一方面增加了成本以及调试的繁琐，另一方面系统和俩个图像传感器的稳定性以及配合度要求非常高，使用时并不灵活和方便。

发明内容

为解决现有技术中的激光同轴定位和检测的视觉幅面均比较小，一般最大兼容1/2英寸的图像传感器，短边视野只有12mm左右，无法满足现有较大样品的定位和检测的视野需求，本发明提供一种大视场振镜同轴视觉成像装置及方法，本发明的技术方案如下：

作为本发明的第一方面，提供一种大视场振镜同轴视觉成像装置，所述装置包括光源、场镜、振镜系统、光阑部件、分光镜、摄像镜头、图像传感器、激光器组件，所述光源用于照射待加工工件表面，所述待加工工件表面的成像系统光束依次经所述场镜、所述振镜系统、所述光阑部件、所述分光镜入射到摄像镜头，并通过图像传感器接收；所述激光器组件发射的激光光束依次经所述分光镜、所述光阑部件、所述振镜系统、所述场镜聚集至所述待加工工件表面。

进一步地，所述激光器组件包括激光器和激光全反镜，所述激光器发射的激光光束经激光全反镜反射后射入到所述分光镜。

进一步地，成像系统的照明光，其光源的波长是常用照明光源，具体为白光、红光(610nm～650nm)、蓝光(400nm～580nm)、红外光(820nm～960nm)等。

进一步地，激光光束是由激光器发出，激光光束的波长为常用的激光加工波长，具体为266nm、355nm、450nm、532nm、850nm、950nm或1064nm等。

作为本发明的另一方面，提供一种大视场振镜同轴视觉成像方法，所述方法包括：

待加工工件表面反射的成像系统光束依次经场镜、振镜系统、光阑部件、分光镜入射到摄像镜头，并通过图像传感器接收；

激光器发射的激光光束依次经过激光全反镜、分光镜和光阑部件到达振镜系统内，并通过场镜聚焦到待测工件表面上。

进一步地，所述图像传感器为二维面阵CCD或者COMS图像传感器，或者为一维的线阵CCD或者COMS图像传感器，再或者为可接收和处理图像信息的其他图像传感器；

进一步地，所述摄像镜头的镜头焦距在30mm～200mm之间，摄像镜头的光阑在摄像镜头的外部，同时摄像镜头在不同的视场角的聚焦光斑的RMS应小于1.2倍的艾利光斑。

进一步地，振镜系统的振镜电机镜片包括振镜电机镜片一和振镜电机镜片二，所述振镜电机镜片的外形尺寸根据光路模拟定制，且需符合光路设计；振镜电机镜片的外形尺寸在设计时不仅需要考虑激光光束在振镜系统内部扫描，还需考虑振镜电机镜片作为振镜同轴视觉系统的视场光阑的外形尺寸，振镜电机镜片的镀膜在设计时不仅要考虑激光光束的反射，还需要考虑成像系统光束的反射。

进一步地，振镜电机镜片一和振镜电机镜片二的背面均进行了毛化处理，从而防止振镜电机镜片的背面对成像系统光束的多次反射而引入散光的情况。

进一步地，所述分光镜对成像系统光束在大角度或宽光谱下的透过率或反射率均匀。

进一步地，所述分光镜透射成像系统光束且反射激光光束；或者所述分光镜透射激光光束且反射成像系统光束。

进一步地，所述光阑部件处于振镜系统和摄像镜头之间，所述光阑部件作为大视场振镜同轴成像系统的孔径光阑；当需要增大振镜系统的视场角时，可以通过减小光阑部件的孔径尺寸，或者减小光阑部件与振镜系统的镜片的间距，再或者增大振镜系统的振镜电机镜片的尺寸。

进一步地，所述光阑部件为固定孔径尺寸或电动切换孔径尺寸的光阑部件；

其中，电动切换孔径尺寸的光阑部件，其电动切换的方式为电动光圈式切换、电动平动式切换或摆动式切换；

其中，摆动式切换为来回摆动式切换或同一方向摆动式切换。

进一步地，场镜在选择或者设计时不仅要考虑激光光束的聚焦，而且还需要考虑成像系统光束光谱的聚焦。

进一步地，场镜中心聚焦光斑的RMS需满足：在成像系统光束光谱下，场镜中心聚焦光斑的RMS应小于1.2倍的艾利光斑；在系统的最大视场角下，场镜中心聚焦光斑的RMS应小于等于2.4倍的艾利光斑。

本发明的有益效果：

本发明可以大幅提升振镜同轴视觉幅面，在激光加工中，直接采用振镜同轴视觉完成大样品的视觉定位功能，并克服了激光加工系统中振镜系统温漂造成的定位偏差，以解决现有技术的缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种大视场振镜同轴视觉成像装置结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种大视场振镜同轴视觉成像方法流程图；

图3为本发明实施例提供的孔径光阑切换方式图；

图4为发明实施例提供的振镜系统的XZ平面视图；

图5为本发明实施例提供的振镜系统的YZ平面视图；

图6为本发明实施例提供的场镜的聚焦光斑RMS大小与其艾利光斑的比值与实际成像效果参考图；

附图标记说明：01、图像传感器，02、摄像镜头，03、分光镜，04、激光全反镜，05、激光器，06、振镜系统，07、场镜，08、工件表面，09、光阑部件，10、光源，11、成像系统光束，061、振镜电机镜片一，062、振镜电机镜片二，21、激光光束。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，作为本发明的第一方面，提供一种大视场振镜同轴视觉成像装置，所述装置包括光源10、场镜07、振镜系统06、光阑部件09、分光镜03、摄像镜头02、图像传感器01、激光器组件，所述图像传感器01、摄像镜头02、光阑部件09和振镜系统06依次间隔排列且处于同一水平轴心线上，所述激光器组件位于分光镜03上方且与分光镜03处于同一垂直轴心线上，所述场镜07位于振镜系统06下方且与振镜系统06的中心线处于同一垂直轴心线上，待加工工件位于场镜07下方，所述光源10位于待加工工件上方，用于照射待加工工件表面08，所述激光器组件发射的激光光束21依次经所述分光镜03、所述光阑部件09、所述振镜系统06、所述场镜07照射至所述待加工工件表面08；所述待加工工件表面08反射的成像系统光束11依次经所述场镜07、所述振镜系统06、所述光阑部件09、所述分光镜03入射到摄像镜头02，并通过图像传感器01接收。

其中，所述激光器组件包括激光器05和激光全反镜04，所述激光全反镜04位于所述分光镜03上方且与所述分光镜03处于同一垂直轴心线上，所述激光器05位于所述激光全反镜04的侧方且与所述激光全反镜04处于同一水平轴心线上，所述激光器05发射的激光光束21经激光全反镜04反射后射入到所述分光镜03。

如图2所示，作为本发明的另一方面，提供一种大视场振镜同轴视觉成像方法，所述方法包括：

待加工工件表面反射的成像系统光束11依次经场镜07、振镜系统06、光阑部件09、分光镜03入射到摄像镜头02，并通过图像传感器01接收，再通过定位软件的处理，得到待测工件特征点的位置信息，并将特征点位置信息传输至激光标刻软件中，控制激光器发射的激光光束；

激光器05发射的激光光束依次经过激光全反镜04、分光镜03和光阑部件09到达振镜系统06内，并通过场镜07聚焦到待测工件表面08上，通过振镜系统06的电机的运动完成激光光束21对待测工件的指定位置的加工，实现视觉定位的激光加工功能。

其中，控制振镜系统06的电机的运动采用现有的激光振镜运动控制技术，本发明对此不做改进。

其中，光阑部件09是大视场振镜同轴成像系统的孔径光阑，处于振镜系统06和摄像镜头02之间，可以通过减小光阑部件09的光阑直径，或者减小光阑部件09与振镜的间距，又或者增大振镜镜片尺寸，从而大幅增大振镜的视场角，光阑部件09可以是固定孔径尺寸，也可以是采用电动切换孔径尺寸，电动切换孔径尺寸的光阑部件，其电动切换的方式可以是电动光圈式切换，可以是平动式切换，也可以是摆动式切换，摆动式切换可以来回摆动式切换，也可以同一方向摆动式的方式切换，如图3所示。

令图像传感器靶面长度为A，在待测工件上实际视觉幅面为B，经过光阑部件09的成像系统光束视场角为θ，摄像镜头02的焦距为F1，场镜07的焦距为F2；根据图像传感器靶面上与工件表面08上是一对共轭面；采用系统的垂轴放大倍率公式可以得到：

A/B＝F1/F2 (1)

根据场镜像高的计算公式，可以得到：

B＝F2*θ (2)

根据式(1)和(2)，可以得到：

B＝A*F2/F1 (3)

θ＝B/F2＝A/F1 (4)

由式(3)可以得出，实际视觉幅面B值与图像传感器的靶面A值，摄像镜头02的焦距F1以及场镜07焦距F2值有关，针对激光加工，场镜07焦距F2一般为一确定的定值，我们可以通过增大图像传感器靶面A值，或者减小镜头焦距F1，来提升实际视觉幅面B值；

由式(4)可以得出，无论是采取增大图像传感器靶面A值，还是减小摄像镜头02焦距F1，均可提升实际视觉幅面B值,但是导致了成像系统光束的视场角θ值增大，可以改变摄像镜头02的口径用于接收成像系统光束，场镜07配合振镜扫描使用，一般其视场角非常大(理论上可达50°)，而振镜系统06包含振镜电机镜片一061和振镜电机镜片二062，其中，图像传感器01若为二维的靶面，其一边对应的是X平面，其长度为Ax，另一边对应的为Y平面，其长度为Ay。如图4、图5所示，振镜系统存在一个孔径光阑，其大小为d；孔径光阑与振镜电机镜片一061组成XZ平面，并且间距为L1值，XZ平面上的视场光阑一；孔径光阑与振镜电机镜片二062组成YZ平面，并且间距为L2值，YZ平面上的视场光阑二；经过孔径光阑最外边的成像系统光束，由振镜电机镜片接收，而在XZ平面内，在正好满足图像的相对照度的情况下，在XZ平面的视场光阑一处的孔径为D1值，此时XZ平面可以达到最大视场角θx(max)；同理，经过孔径光阑最外边的成像系统光束，由振镜电机镜片接收，而在YZ平面内，在正好满足图像的相对照度的情况下，在YZ平面的视场光阑二处的孔径为D2值，此时YZ平面可以达到最大视场角θy(max)；

由几何公式可以得到：

θx(max)＝2*arctan((D1-d)/2L1) (5)

θy(max)＝2*arctan((D2-d)/2L2) (6)

无论是采取增大图像传感器靶面A值，还是减小摄像镜头02焦距F1，均增大了成像系统光束的视场角θ值，而振镜系统是限制成像系统光束的视场角θ的关键因素，由式(5)、(6)可以得知，要增大成像系统光束的视场角θ值，既可以减小振镜系统的孔径光阑的直径,，也可以减小振镜系统的孔径光阑与视场光阑的间距，还可以增大视场光阑的直径；

通过公式(5)、(6)，得到上表数据，一般的通光为10mm振镜系统，其θx(max)为7.5°，θy(max)为7.7°；通过减少振镜系统的孔径光阑直径到5mm，可以增大振镜的视场角到θx(max)为19.7°，θy(max)为15.4°；将振镜的孔径光阑与视场光阑的间距减小10mm，可以增大振镜的视场角到θx(max)为13.2°，θy(max)为10.6°；增大振镜视场光阑的直径，即增大振镜电机镜片的尺寸，可以增大振镜的视场角到θx(max)为17.1°，θy(max)为17.7°；通过三种方法的任意一种或者同时采用俩种或者三种，均可以增大振镜视场角，达到增大振镜内同轴视觉幅面的目的。

例如d＝8mm，L1＝15mm，D1＝16.9mm,L2＝29mm,D2＝21.5mm,此时可以得到θx(max)为33.1°，θy(max)为26.2°，在F170场镜下，由公式(4)可以得出，实际视觉幅面Bx＝98mm，By＝77mm；由现有的12mm增大到77mm，大大增大了振镜内同轴的视觉幅面。

由于振镜系统是激光光束21和成像系统光束共用的光学部件，增大振镜系统视场光阑直径和减小振镜系统的孔径光阑和视场光阑的间距均不会对激光光束21产生较大的影响，而减小振镜系统的孔径光阑的直径，会影响到对激光光束21的通光产生较大的影响，我们在振镜系统06和摄像镜头02中增加一个光阑部件09，若激光光束21的直径比光阑部件09的孔径小或者一致，则光阑部件09为固定孔径尺寸，此时振镜同轴视觉系统与振镜激光加工系统共用同一个光阑部件09；若激光光束21的直径比光阑部件09的孔径大，则光阑部件09采用电动切换孔径尺寸方式，当光阑部件09处于小孔径时，此时光阑部件09属于振镜同轴视觉系统的一部分；当光阑部件09处于大孔径或者移走光阑时，此时光阑部件09属于振镜激光加工系统的一部分。

振镜内同轴视觉成像系统作为视觉成像的一种，图像的清晰度以及照度均匀性会严重影响视觉定位的精度，在振镜同轴视觉成像系统中，特别是大视场的振镜同轴视觉成像系统中，各个部件均对图像的清晰度以及照度均匀性产生不同的影响，摄像镜头02的光阑大小及位置，摄像镜头02的光阑大小应大于振镜的孔径光阑，位置应距摄像镜头02远，同时在不同的视场角的聚焦光斑的RMS在1.2倍艾利光斑范围内；分光镜03对照明光源10在大角度下或者宽光谱的透过率均匀性；振镜的振镜电机镜片一061和振镜电机镜片二062的外形尺寸以及镀膜，振镜电机镜片的外形尺寸在设计时不仅只考虑激光光束21在振镜系统内部扫描，而且还需考虑振镜电机镜片作为振镜同轴视觉系统的视场光阑的外形尺寸；振镜电机镜片的镀膜在设计时不仅要考虑激光光束21的反射，而且还需要考虑成像系统光束的反射，并且振镜电机镜片的背面进行毛化处理，以防止振镜电机镜片的背面对成像系统光束的多次反射，引入散光情况；振镜内同轴视觉系统的场镜07在选择或者设计时不仅要考虑激光光束21的聚焦，而且还需要考虑成像系统光束11光谱的聚焦，经过多次验证后，成像系统光束11光谱下，应选择场镜07中心聚焦光斑的RMS在艾利光斑的1.2倍内，系统的最大视场角下的聚焦光斑的RMS在艾利光斑的2.4倍内，场镜07的聚焦光斑RMS大小与其艾利光斑的比值与实际成像效果如图6所示；采用该判别方法，也可以通过场镜系统07选择照明光源10的中心波长和光谱带宽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种大视场振镜同轴视觉成像装置，其特征在于，所述装置包括光源、场镜、振镜系统、光阑部件、分光镜、摄像镜头、图像传感器、激光器组件，所述光源用于照射待加工工件表面，所述待加工工件表面的成像系统光束依次经所述场镜、所述振镜系统、所述光阑部件、所述分光镜入射到摄像镜头，并通过图像传感器接收；所述激光器组件发射的激光光束依次经所述分光镜、所述光阑部件、所述振镜系统、所述场镜聚集至所述待加工工件表面。

2.一种大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述方法包括：

待加工工件表面反射的成像系统光束依次经场镜、振镜系统、光阑部件、分光镜入射到摄像镜头，并通过图像传感器接收；

激光器发射的激光光束依次经过激光全反镜、分光镜和光阑部件到达振镜系统内，并通过场镜聚焦到待测工件表面上。

3.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述摄像镜头的镜头焦距在30mm～200mm之间，摄像镜头的光阑在摄像镜头的外部，同时摄像镜头在不同的视场角的聚焦光斑的RMS应小于1.2倍的艾利光斑。

4.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述振镜系统的振镜电机镜片包括振镜电机镜片一和振镜电机镜片二，所述振镜电机镜片一和振镜电机镜片二的背面均进行了毛化处理。

5.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述图像传感器为二维面阵CCD或者COMS图像传感器，或者为一维的线阵CCD或者COMS图像传感器，再或者为可接收和处理图像信息的其他图像传感器。

6.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述分光镜透射成像系统光束且反射激光光束；或者所述分光镜透射激光光束且反射成像系统光束。

7.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述光阑部件处于振镜系统和摄像镜头之间，作为大视场振镜同轴成像系统的孔径光阑；可以通过减小光阑部件的孔径尺寸，或者减小光阑部件与振镜系统的镜片的间距，再或者增大振镜系统的振镜电机镜片的尺寸，增大振镜系统有效视场角。

8.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述光阑部件为固定孔径尺寸或电动切换孔径尺寸的光阑部件；

其中，电动切换孔径尺寸的光阑部件，其电动切换的方式为电动光圈式切换、电动平动式切换或摆动式切换；

其中，摆动式切换为来回摆动式切换或同一方向摆动式切换。

9.根据权利要求2所述的大视场振镜同轴视觉成像方法，其特征在于，所述场镜中心聚焦光斑的RMS需满足：在成像系统光束光谱下，场镜中心聚焦光斑的RMS应小于1.2倍的艾利光斑；在系统的最大视场角下，场镜中心聚焦光斑的RMS应小于等于2.4倍的艾利光斑。