CN111168234A - 一种光束整形系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光束整形系统及方法，包括激光器且激光器的一侧有第一楔形镜片和第二楔形镜片，第一楔形镜片和第二楔形镜片的一侧有第三楔形镜片和第四楔形镜片，第三楔形镜片和第四楔形镜片安装于第一安装装置和第二安装装置上；第二安装装置的一侧设置有CCD相机，安装仓内设置有透光反射镜片，其中，透光反射镜片的上方设置有隔离镜片。本发明解决了传统激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等；解决了薄壁金属材料加工热效应大问题，解决了切割金银薄片边缘毛刺现象；可以利用聚焦光束进行控制深度方向的内部加工；解决了传统激光难以实现微小工件的精细加工，尤其是种类多数量少的微小工件，无需工装夹具。

Description

一种光束整形系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光束加工设备，特别涉及一种光束整形系统及方法。

背景技术

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

目前市面上透明材料(玻璃、石英)，高熔点材料(天然钻石、PCD、蓝宝石)、受热易变形材料(PET、PVC)使用常规纳秒激光加工后，如果激光功率过小难以加工，相反使用的激光功率过大，加工后的材料容易出现裂纹和烧焦痕迹。遇到微小工件激光加工无法精确定位，通常需要使用工装夹具，遇到种类多但数量少的工件常规激光设备则需要准备种类繁多的工装夹具，这种方式明显提高了生产成本。市面上常规的纳秒激光设备加工材料时，由于激光器脉宽是纳秒量级，很难提升激光器的峰值功率，激光停留在工件表面时间过长，导致加工过程中材料热效应大，薄壁材料切割过程中很容易产生毛刺，边缘不光滑，加工精密零件精度无法保证，此时就需要寻求新的加工工艺及设备和加工方法以满足新产品的加工要求。市面上常规激光设备采用聚焦场镜仅仅针对小范围标刻(400mm以下)，遇到大范围则无法实现，且仅仅局限于二维平面加工，遇到三维立体效果则无法实现。正是因为市面上常规双轴振镜式激光定位和聚焦大部分使用双轴带载镜片的的电流计扫描振镜，这意味着对于远离激光中心焦点的位置，激光到达该位置的距离越远，激光可会呈现不均匀，以至于同样的激光功率输出作用到工件上，激光加工后的工件表面呈现明显的色差，这种色差从振镜中心往四周发散，加工后往往呈现中间强，四周弱，越往边缘这种现象愈发明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种光束整形系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种光束整形系统及方法，包括激光器且所述激光器的一侧有第一楔形镜片和第二楔形镜片，所述第一楔形镜片和所述第二楔形镜片的一侧有第三楔形镜片和第四楔形镜片，其中，所述第三楔形镜片和所述第四楔形镜片安装于第一安装装置和第二安装装置上；所述第二安装装置的一侧设置有CCD相机，所述CCD相机的底端连接有安装仓，所述安装仓内设置有透光反射镜片，其中，所述透光反射镜片的上方设置有隔离镜片；所述安装仓的一侧为能量反馈装置；所述第三楔形镜片通过移动滑台安装于所述第一安装装置和所述第二安装装置，其中，所述第三楔形镜片与所述第四楔形镜片的间距通过所述移动滑台调整。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第三楔形镜片与所述第四楔形镜片之间有虚拟焦点；所述安装仓的一侧设置有能量反馈装置，其中，所述能量反馈装置的一侧设置有第一反射镜片和第二反射镜片。

作为本发明的一种优选技术方案，所述CCD相机的一端部连接有相机调节镜头，其中，所述隔离镜片设置于所述相机调节镜头内；所述安装仓的两端分别安装有第一法兰和第二法兰。

作为本发明的一种优选技术方案，所述移动滑台用于调整所述第三楔形镜片的位置；所述第一安装装置和所述第二安装装置的顶部设置有电控系统；所述安装仓的底部安装有第一调节旋钮、第二调节旋钮和第三调节旋钮。

进一步的，适用于本发明的一种光束整形系统的使用方法，步骤如下，S1：第一楔形镜

片和第二楔形镜片构成可调扩束镜，第三楔形镜和第四楔形镜组成动态聚焦镜片组，激

光经过动态聚焦镜片组后输出到透光反射镜片；

S2：45°的透光反射镜片保证激光顺利通过的同时CCD相机需要的视觉光源；

S3：激光经过透光反射镜片后到达能量反馈装置；

S4：能量反馈装置实时监测激光输出功率并反馈给控制软件，软件同步处理保证激光输出稳定性；

S5：激光再到达第一反射镜片和第二反射镜片并作用在工件表面。

本发明所达到的有益效果是：本发明解决了传统激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等；解决了薄壁金属材料加工热效应大问题，解决了切割金银薄片边缘毛刺现象；可以利用聚焦光束进行控制深度方向的内部加工；解决了传统激光难以实现微小工件的精细加工，尤其是种类多数量少的微小工件，无需工装夹具；采用的飞秒激光器可以输出极短的脉宽提供极高的峰值功率，能提供常规纳秒激光106倍峰值功率，极大的峰值功率可以保证加工的极小热效应，常规纳秒激光加工使得工件首先产生电子振动，然后因其声耦合而变为晶格振动，并对周围传热，使周围物质加热、熔化、蒸发，采用纳秒激光器可进行钻孔和切割加工，但是遇到明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料就是其加工瓶颈，目前技术上难以突破。飞秒激光器因光脉冲的持续时间为飞秒级，因此在声振动转换为晶格振动之前便结束能量供给，当脉冲能量低于加工阈值时，电子振动停止。若高于某阈值以上，其强大的振动引起电离，剥离耦合电子，引起物质的烧蚀。也就是说，飞秒激光器可实现不经过热过程的加工，只用透镜聚焦光束进行控制深度方向的三维加工，可加工常规激光纳米激光难以加工的透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等。该发明采用同轴CCD相机加工方式可以同步捕捉微小工件，无需设计过多的工装夹具，可极大保证加工精度并提供生产效率，降低生产成本。采用动态组调节机构，实现激光前聚焦方式，实时调整光学系统焦距的变化并配套三维软件来实现实时改变激光焦点的难题，可一次性加工最大高度差60mm工件。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的CCD相机的结构示意图之一；

图3是本发明的CCD相机的结构示意图之二；

图4是本发明的第一安装装置的结构示意图；

图5是本发明的电控系统的结构示意图；

图6是本发明的视觉光源类型的示意图；

图中：1、激光器；2、第一楔形镜片；3、第二楔形镜片；4、第三楔形镜片；5、第四楔形镜片；6、透光反射镜片；7、隔离镜片；8、CCD相机；801、相机调节镜头；802、安装仓；80201、第一调节旋钮；80202、第二调节旋钮；80203、第三调节旋钮；9、能量反馈装置；10、第一反射镜片；11、第二反射镜片；12、输出激光；13、第一法兰；14、第二法兰；15、激光照射方向；16、第一安装装置；17、第二安装装置；18、移动滑台；19、虚拟焦点；20、电控系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1-6所示，本发明提供一种光束整形系统及方法，包括激光器1且激光器1的一侧有第一楔形镜片2和第二楔形镜片3，第一楔形镜片2和第二楔形镜片3的一侧有第三楔形镜片4和第四楔形镜片5，其中，第三楔形镜片4和第四楔形镜片5安装于第一安装装置16和第二安装装置17上；第二安装装置17的一侧设置有CCD相机8，CCD相机8的底端连接有安装仓802，安装仓802内设置有透光反射镜片6，其中，透光反射镜片6的上方设置有隔离镜片7；安装仓802的一侧为能量反馈装置；第三楔形镜片4通过移动滑台18安装于第一安装装置16和第二安装装置17，其中，第三楔形镜片4与第四楔形镜片5的间距通过移动滑台18调整。

第三楔形镜片4与第四楔形镜片5之间有虚拟焦点19；安装仓802的一侧设置有能量反馈装置9，其中，能量反馈装置9的一侧设置有第一反射镜片10和第二反射镜片11。CCD相机8的一端部连接有相机调节镜头801，其中，隔离镜片7设置于相机调节镜头801内；安装仓802的两端分别安装有第一法兰13和第二法兰14，激光照射方向为15。

移动滑台18用于调整第三楔形镜片4的位置；第一安装装置16和第二安装装置17的顶部设置有电控系统20；安装仓802的底部安装有第一调节旋钮80201、第二调节旋钮80202和第三调节旋钮80203。使用方法和步骤如下，S1：第一楔形镜片2和第二楔形镜片3构成可调扩束镜，第三楔形镜4和第四楔形镜5组成动态聚焦镜片组，激光经过动态聚焦镜片组后输出到透光反射镜片6；S2：45°的透光反射镜片6保证激光顺利通过的同时CCD相机8需要的视觉光源；S3：激光经过透光反射镜片6后到达能量反馈装置9；S4：能量反馈装置9实时监测激光输出功率并反馈给控制软件，软件同步处理保证激光输出稳定性；S5：激光再到达第一反射镜片10和第二反射镜片11并作用在工件表面。

一般来说，光束质量越好的激光器，其发散角越小，理论上M2因子为1时激光器的发散角就为0，不过这种属于理想状态，是不存在的，所以说激光器输出的激光都是有一定发散角，带有发散角的激光经过长距离输出后影响激光加工特性。本发明采用飞秒光束整形系统，首先是将带有发散角的激光光束经过可调发散角的扩束镜后可将其变成平行光，具体方法是带有一定发散角的激光束首先到达第一楔形镜片2，通过第一楔形镜片2后到达第二楔形镜片3上，第二楔形镜片3位置相对设备(即第一安装装置16和第二安装装置17)本身是固定的，第一楔形镜片2相对第二楔形镜片3位置可以调节，调节两者之间的相对距离可以改变激光束发散角以实现平行光输出，该组镜片(第一楔形镜片2相对第二楔形镜片3)还有一个重要作用就是能改变激光输出光斑大小，激光光斑直径输出倍速＝ΔY0/ΔX0，通过改变其中一组镜片的相对位置，影响到激光输出光斑直径倍率的变化。相同直径的激光光斑经过不同倍率的扩束后，一般是较大的激光光斑通过振镜聚焦后会有更小的聚焦光斑，更小的聚焦光斑能提高激光单位能量密度，使得激光聚焦光斑更小，在激光切割中更加容易穿透金属材料，加工热效应小，切割缝隙小。焊接过程中更容易熔融材料，能够加工厚度更厚，熔点更高的材料，提高不同材料的焊接质量。而有些激光加工则需要最终聚焦大一些的激光光斑，如激光熔覆，所以根据实际生产，需要调节可调扩束镜倍率组来最终决定作用在工件上的聚焦光斑。

经过可调扩束镜输出平行光的激光光束会到达第三楔形镜片4和第四楔形镜片5构成的动态组镜片上，第三楔形镜片4被安装在可以移动且精度很高的直线电机上，该部分是全闭环伺服运动控制系统，为达到高精度和高速一贯性，采用分辨率高达0.002mm进口的RENISHAW光栅线性刻度，同时采用分辨率高达0.2μm,一致性增量达±1μm动态线性驱动器，保证运动精度，使用的动态线性驱动器具备对外部扰动和系统参数变化不敏感等优点，该移动单元具备自动纠偏能力。第三楔形镜片4和第四楔形镜片5通过第一安装装置16和第二安装装置17将其固定在设备上，第三楔形镜片4安装在移动滑台18上，移动滑台18带动第三楔形镜片4根据加工产品图案实时动态改变第三楔形镜片4和第四楔形镜片5之间的相对距离，激光光束经过第三楔形镜片4后会先聚焦在扩束，第三楔形镜片4和第四楔形镜片5之间有个虚拟光学焦点19，该位置(虚拟光学焦点19)到第三楔形镜片4的距离为ΔX，到楔形镜片4的距离为ΔY。通过电控系统20和软件相互配合控制全闭环伺服系统改变动态组第三楔形镜片4和第四楔形镜片5之间的相对距离，进而改变激光输出光斑并最终影响到聚焦光斑和聚焦高度，激光光斑改变倍率＝ΔY/ΔX，软件事先导入加工物体的三维模型，通过软件和动态组镜片相互协作，可以加工三维立体工件，通过电学控制系统实现以下功能：①激光的焦距变化是伺服控制的；②可以在三维物体表面聚焦激光产生立体打标效果；③较少的光学元件和防反射涂层，动态聚焦系统比F-theta镜头产生更少的不必要的热量，本身自带有温漂校正功能；④从聚焦伺服反馈来获得加工过程的可追溯性；⑤三维动态扫描系统可以通过图形优化补偿二维扫描振镜激光偏移振镜中心后激光不均匀的难题。

输出后的平行光到达CCD相机8，该连接装置处安装了45°的透光反射镜片6，该镜片采用石英材料，石英材料相对玻璃材料具备更多优点：具有极低的热膨胀系数，很高的耐温性，可以经受剧烈的温差骤变，极好的化学稳定性，优良的光学特性，低而稳定的超声延迟性能，最佳的透紫外光谱性能以及透可见光及近红外光谱性能，有着高于普通玻璃的机械性能。即使是长时间工作或激光高温照射后产生了热膨胀，如果是玻璃材质则会产生局部变形，进而导致激光经过该镜片后作用到工件表面焦点发生改变，影响激光加工特性。而石英材质因为热膨胀系数极小，即使发生热变形也是整体变形，不会产生玻璃材质镜片的局部变形进而导致的激光焦点改变情况。

通过调节该位置(CCD相机8和相机调节镜头801)可以保证激光加工的焦点和相机拍摄平面在最清晰的位置；透光反射镜片6是过滤激光加工过程中的反射、折射光，45度的透光反射镜片6镀有双层膜层，镀有增透膜是保证激光最大比例透过率，另一膜层保证激光加工过程中相机拍摄工件所需光源，保证激光加工过程中CCD相机8能够很好捕捉工件特性，采用CCD相机8捕捉的最大优点是能够极大保证加工精度。针对加工材料、表面和尺寸不同，采用视觉识别的外部光源和相机安装方式和灯光照射方式都会影响视觉识别效果，选择适当的光源照明设计，使图像的目标信息与背景信息得到最佳的分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使得系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统的设计的成败是决定系统成败的首要因素。具体来说，该发明的视觉光源可细分三类(如图6)：①环形灯光源有称“前光源”，是将灯源置于被测物与相机之前，这种是最常使用的照明方式，优点是可以很好识别被加工件表面特性，通过改变前景光的光源亮度(光源亮暗)、颜色(白、红、蓝等色)、照明方式(环形照明、条状照明、侧方打光、正向打光等)，缺点是难以定位高反材料；②背光源和“前光源”安装方式正好相反，是将加工工件置于相机与光源之间，主要针对激光加工中常见的高反材料如金、银等，其主要特点是背光照明使被加工工件产生了很强的对比度，便于相机识别，缺点是不能识别物体表面特征；③同轴光法：将灯源置于被加工物体与相机之间。同轴照明使用一种特殊的半反射镜面反射光源到摄像头的透镜轴方向，半反射镜面只让从物体表面反射垂直于透镜的光源通过，同轴照明优点是易于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外此技术还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头镜头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗，这种照明方式可以达到170立体角范围的均匀照明，对于长条状物体非常有用。以上三种光源方法充分考虑工件尺寸、表面特性等众多产品相机捕捉方案。经过CCD相机8后的激光束输出到安装有激光能量实时监测装置，在实际生产过程中遇到激光输出功率不稳定导致加工工件一致性有差异。考虑在振镜前段增加能量反馈单元，原理是在激光器的输出端增加一个能量检测装置，用来检测出激光能量的大小，并将该信号实时反馈到控制端，与设定的能量进行比较，形成一个闭环控制系统，保证激光在加工过程中功率稳定性。换句话说，有能量反馈的能量更稳定，有良好的重复性，激光输出稳定性更高，保证加工一致性。该发明采用的飞秒光束整形系统的激光束最后输出的到达振镜的第一反射镜片10和第二反射镜片11后成为输出激光12，该未采用市面上常用的聚焦场镜，采用动态组前聚焦形式，在动态组输出后激光束输出方式就已经发送改变，这种设计方式可以规避聚焦场镜加工范围的限制，可以实现三维立体大范围激光加工。

具体的，本发明解决了传统激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等；解决了薄壁金属材料加工热效应大问题，解决了切割金银薄片边缘毛刺现象；可以利用聚焦光束进行控制深度方向的内部加工；解决了传统激光难以实现微小工件的精细加工，尤其是种类多数量少的微小工件，无需工装夹具；采用的飞秒激光器可以输出极短的脉宽提供极高的峰值功率，能提供常规纳秒激光106倍峰值功率，极大的峰值功率可以保证加工的极小热效应，常规纳秒激光加工使得工件首先产生电子振动，然后因其声耦合而变为晶格振动，并对周围传热，使周围物质加热、熔化、蒸发，采用纳秒激光器可进行钻孔和切割加工，但是遇到明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料就是其加工瓶颈，目前技术上难以突破。飞秒激光器因光脉冲的持续时间为飞秒级，因此在声振动转换为晶格振动之前便结束能量供给，当脉冲能量低于加工阈值时，电子振动停止。若高于某阈值以上，其强大的振动引起电离，剥离耦合电子，引起物质的烧蚀。也就是说，飞秒激光器可实现不经过热过程的加工，只用透镜聚焦光束进行控制深度方向的三维加工，可加工常规激光纳米激光难以加工的透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等。该发明采用同轴CCD相机加工方式可以同步捕捉微小工件，无需设计过多的工装夹具，可极大保证加工精度并提供生产效率，降低生产成本。采用动态组调节机构，实现激光前聚焦方式，实时调整光学系统焦距的变化并配套三维软件来实现实时改变激光焦点的难题，可一次性加工最大高度差60mm工件。

最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (5)

1.一种光束整形系统，其特征在于，包括激光器(1)且所述激光器(1)的一侧有第一楔形镜片(2)和第二楔形镜片(3)，所述第一楔形镜片(2)和所述第二楔形镜片(3)的一侧有第三楔形镜片(4)和第四楔形镜片(5)，其中，所述第三楔形镜片(4)和所述第四楔形镜片(5)安装于第一安装装置(16)和第二安装装置(17)上；所述第二安装装置(17)的一侧设置有CCD相机(8)，所述CCD相机(8)的底端连接有安装仓(802)，所述安装仓(802)内设置有透光反射镜片(6)，其中，所述透光反射镜片(6)的上方设置有隔离镜片(7)；所述安装仓(802)的一侧为能量反馈装置；所述第三楔形镜片(4)通过移动滑台(18)安装于所述第一安装装置(16)和所述第二安装装置(17)，其中，所述第三楔形镜片(4)与所述第四楔形镜片(5)的间距通过所述移动滑台(18)调整。

2.根据权利要求1所述的一种光束整形系统，其特征在于，所述第三楔形镜片(4)与所述第四楔形镜片(5)之间有虚拟焦点(19)；所述安装仓(802)的一侧设置有能量反馈装置(9)，其中，所述能量反馈装置(9)的一侧设置有第一反射镜片(10)和第二反射镜片(11)。

3.根据权利要求2所述的一种光束整形系统，其特征在于，所述CCD相机(8)的一端部连接有相机调节镜头(801)，其中，所述隔离镜片(7)设置于所述相机调节镜头(801)内；所述安装仓(802)的两端分别安装有第一法兰(13)和第二法兰(14)。

4.根据权利要求2或3所述的一种光束整形系统，其特征在于，所述移动滑台(18)用于调整所述第三楔形镜片(4)的位置；所述第一安装装置(16)和所述第二安装装置(17)的顶部设置有电控系统(20)；所述安装仓(802)的底部安装有第一调节旋钮(80201)、第二调节旋钮(80202)和第三调节旋钮(80203)。

5.根据权利要求1-4所述的任一种光束整形系统的使用方法，其特征在于，步骤如下，

S1：第一楔形镜片(2)和第二楔形镜片(3)构成可调扩束镜，第三楔形镜(4)和第四楔形镜(5)组成动态聚焦镜片组，激光经过动态聚焦镜片组后输出到透光反射镜片(6)；

S2：45°的透光反射镜片(6)保证激光顺利通过的同时CCD相机(8)需要的视觉光源；

S3：激光经过透光反射镜片(6)后到达能量反馈装置(9)；

S4：能量反馈装置(9)实时监测激光输出功率并反馈给控制软件，软件同步处理保证激光输出稳定性；

S5：激光再到达第一反射镜片(10)和第二反射镜片(11)并作用在工件表面。

Images