CN111352250A - 一种激光调焦系统 - Google Patents

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林灿炯
曹毓竣
王克
颜健锋
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Abstract

本发明公开了一种激光调焦系统，所述系统包括：激光发射器、光强调节器、电子闸门、激光聚焦器、CMOS相机和移动终端；所述激光发射器，用于发射激光；所述光强调节器，用于调节所述激光的强度；所述电子闸门，用于控制所述激光光路的开启与关闭；所述激光聚焦器，用于实现对激光的聚焦；所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；所述位移台，用于实现对所述CMOS相机进行移动；所述移动终端，用于对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。采用本发明，可以实现不需要人工调试，自动调焦。

Description

一种激光调焦系统
技术领域
本发明涉及激光领域，特别是涉及一种激光调焦系统。
背景技术
激光的单色性高，方向性好，可以与多个学科相结合,应用于诸多技术领域，例如光纤通信，激光加工，激光测量，激光手术等。而这些技术又可以分成两类：激光的能量应用和激光的信息应用。
在应用激光能量的时候，其技术核心就是激光光强和激光光斑尺寸的控制。其中，大部分应用激光能量的时候，都是要在激光聚焦的情况下的。目前，常见的激光的自动对焦技术包括基于灰度重心法的自动对焦技术、基于霍夫圆变换的自动对焦技术。
但是，在实际应用的时候，基于灰度重心法的自动对焦技术要求检测光斑不能过曝，基于霍夫圆变换的自动对焦技术需要人工调试确定一些参数值，因此，亟需一种方便快捷的激光调焦技术来实现自动调焦。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种激光调焦系统，可以实现不需要人工调试，自动调焦。
基于此，本发明提供了一种激光调焦系统，所述系统包括：
激光发射器、光强调节器、电子闸门、激光聚焦器、CMOS相机、位移台和移动终端；
所述激光发射器，用于发射激光；
所述光强调节器，用于调节所述激光的强度；
所述电子闸门，用于控制所述激光光路的开启与关闭；
所述激光聚焦器，用于实现对激光的聚焦；
所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；
所述位移台，用于实现对所述CMOS相机进行移动；
所述移动终端，用于对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
其中，对所述激光光斑图像进行处理包括：
对所述激光光斑图像采用圆拟合算法和光斑识别算法进行处理，计算获取所述激光光束的光斑半径和相对光强连续分布情况；
根据所述光斑半径和相对光强连续分布情况，分析所述激光光束的焦面位置。
其中，获取所述激光光束的焦面位置之后，若所述激光处于离焦状态时，所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光斑尺寸大小，并根据所述激光光斑尺寸大小控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
其中，所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑包括：
所述移动终端控制步进电机来带动所述CMOS相机按照预设速度行驶，所述CMOS相机捕获纵向方向上的激光光斑分布并传输至移动终端。
其中，所述光强调节器，用于调节所述激光的强度包括：
半波片和格兰棱镜；
所述激光先后经过所述半波片和格兰棱镜之后实现对所述激光强度的调节。
其中，所述激光聚焦器包括：平场半复消色差明场物镜。
其中，所述激光发射器包括氦氖激光器。
采用本发明，使用激光发射器作为光源，所述光强调节器来调节所述激光发射器发射出来激光的强度，所述激光聚焦器实现对调节光强之后的激光进行聚焦；所述CMOS相机接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动，从而实现自动对焦。本方法简单可靠，无需其他专用设备，自动对焦效率高，无需担心光斑图像过曝，无需人工调试参数，可以应用于激光微纳加工等领域，高度自动化的设计，可以提高激光加工的效率和准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例提供的激光调焦系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的激光调焦的流程图；
图3是本发明实施例提供的CMOS相机捕获到的激光光斑的示意图；
图4是本发明实施例提供的激光光斑半径的分布图。
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实施例，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。
图1是本发明实施例提供的激光调焦系统的示意图，所述系统包括：
激光发射器、光强调节器、电子闸门、激光聚焦器、CMOS相机和移动终端；
所述激光发射器，用于发射激光；
所述光强调节器，用于调节所述激光的强度；
所述电子闸门，用于控制所述激光光路的开启与关闭；
所述激光聚焦器，用于实现对激光的聚焦；
所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；
所述位移台，用于实现对所述CMOS相机进行移动；
所述移动终端，用于对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动。
所述激光发射器可以为中心波长为632.8nm的He-Ne激光发射器，所述He-Ne激光发射器用于发射氦氖激光。
所述光强调节器，用于调节所述激光的强度，可以包括：
半波片和格兰棱镜；
所述激光先后经过所述半波片和格兰棱镜之后实现对所述激光强度的调节。
所述电子关闸为光闸，可以控制所述激光光路的关断与开启，当控制所述激光光路关断时，所述电子关闸阻碍即关断所述激光光路的传输，使得所述激光光路无法被所述激光聚焦器聚焦，当控制所述激光光路开启时，所述电子关闸允许所述激光光路的传输，使得所述激光光路被所述激光聚焦器聚焦，所述电子关闸可以与所述移动终端进行通信，所述电子关闸包括收发器，所述收发器用于收发信号，所述移动终端向所述电子关闸发送关闭信号时，所述电子关闸的收发器接收到所述关闭信号时，所述电子关闸控制所述挡板遮挡所述激光光路，所述挡板采用遮挡激光的材料制成。
所述激光聚焦器包括：平场半复消色差明场物镜。所述激光聚焦器用于对所述激光光路进行聚焦。
所述CMOS相机携带位移台，所述移动终端控制步进电机来带动所述CMOS相机按照预设速度行驶，所述CMOS相机捕获纵向方向上的激光光斑分布并传输至移动终端。
所述移动终端获取所述激光光斑图像之后，对所述激光光斑图像进行处理包括：
对所述激光光斑图像采用圆拟合算法和光斑识别算法进行处理，计算获取所述激光光束的光斑半径和相对光强连续分布情况；
根据所述光斑半径和相对光强连续分布情况，分析所述激光光束的焦面位置。
获取所述激光光束的焦面位置之后，若所述激光处于离焦状态时，所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光斑尺寸大小，并根据所述激光光斑尺寸大小控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
采用本发明，使用激光发射器作为光源，所述光强调节器来调节所述激光发射器发射出来激光的强度，所述激光聚焦器实现对调节光强之后的激光进行聚焦；所述CMOS相机接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动，从而实现自动对焦。本方法简单可靠，无需其他专用设备，自动对焦效率高，无需担心光斑图像过曝，无需人工调试参数，可以应用于激光微纳加工等领域，高度自动化的设计，可以提高激光加工的效率和准确率。
图2是本发明实施例提供的激光调焦的流程图，所述调焦的流程包括：
S201、搭建光路，调试各个仪器。
激光发射器、光强调节器、电子闸门、激光聚焦器、CMOS相机可以依次在同一平面直线排布的设备，移动终端与所述电子闸门和CMOS相机及位移台连接，对上述仪器进行调试，使其处于最佳状态。
S202、开启所述激光发射器和所述电子闸门，所述CMOS相机捕获到激光光斑之后，将激光光斑图像传输给移动终端，所述移动终端控制所述位移台移动，在设定的量程内，CMOS相机采集一系列的光斑图像。
所述激光发射器发射激光，所述激光经过所述光强调节器，所述光强调节器对所述激光进行强度调节，此时，所述电子闸门是开启的，所述激光光路可以经过所述激光聚焦器，所述激光聚焦器对所述激光进行聚焦。所述CMOS相机捕获纵向方向上的激光光斑分布并传输至移动终端。
S203、所述移动终端处理所述光斑图像，分析获取焦面位置，并反馈给所述位移台。
所述移动终端获取所述激光光斑图像，图3是本发明实施例提供的CMOS相机捕获到的激光光斑的示意图。
对所述激光光斑图像进行处理包括：
对所述激光光斑图像采用圆拟合算法和光斑识别算法进行处理，计算获取所述激光光束的光斑半径和相对光强连续分布情况；
根据所述光斑半径和相对光强连续分布情况，分析所述激光光束的焦面位置。
获取所述激光光束的焦面位置之后，若所述激光处于离焦状态时，所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光斑尺寸大小，并根据所述激光光斑尺寸大小控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
S204、若获得离焦状态，根据对光斑图像处理获得的光斑尺寸大小和对应位移台的读数，让位移台位移到所需离焦量的空间位置，偏离焦平面的距离可以调过位移台的自动移动实现。
所述光斑尺寸大小对应需要所述位移台移动的距离，获取所述光斑尺寸大小之后，所述移动终端可以发送控制信号至所述位移台，所述控制信号包括需要所述位移台移动的距离，所述位移台接收到所述控制信号之后，所述位移台移动相应的距离，实现对激光的自动调焦。
图4是本发明实施例提供的激光光斑半径的分布图，横坐标是相对位移，纵坐标是光斑尺寸，单位都是微米。在测量中，每隔150微米采集一个光斑数据，用中间的25组数据来表征本技术的使用效率。可以看见光斑变化是遵循着先变小(逐渐对焦)，直到最小(对焦)，再变大(逐渐离焦)的变化规律。
该曲线的前半部分的数据拟合是y＝-0.0347x+109.2，R＝1；后半部分的数据拟合是y＝0.0347x-36.4，R＝1。这表明了本发明能高效地记录并计算出光斑的尺寸及变化规律。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光调焦系统，其特征在于，包括：
激光发射器、光强调节器、电子闸门、激光聚焦器、CMOS相机及位移台和移动终端；
所述激光发射器，用于发射激光；
所述光强调节器，用于调节所述激光的强度；
所述电子闸门，用于控制所述激光光路的开启与关闭；
所述激光聚焦器，用于实现对激光的聚焦；
所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑，并将所述激光光斑图像上传至移动终端；
所述位移台，用于实现对所述CMOS相机进行移动；
所述移动终端，用于对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光束的焦面位置并控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
2.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，对所述激光光斑图像进行处理包括：
对所述激光光斑图像采用圆拟合算法和光斑识别算法进行处理，计算获取所述激光光束的光斑半径和相对光强连续分布情况；
根据所述光斑半径和相对光强连续分布情况，分析所述激光光束的焦面位置。
3.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，获取所述激光光束的焦面位置之后，若所述激光处于离焦状态时，所述移动终端对所述激光光斑图像进行处理，获取所述激光光斑尺寸大小，并根据所述激光光斑尺寸大小控制所述CMOS相机及位移台的移动距离。
4.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，所述CMOS相机，用于接收所述移动终端的控制信号来捕捉在激光传输方向上的激光光斑包括：
所述移动终端控制步进电机来带动所述CMOS相机按照预设速度行驶，所述CMOS相机捕获纵向方向上的激光光斑分布并传输至移动终端。
5.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，所述光强调节器，用于调节所述激光的强度包括：
半波片和格兰棱镜；
所述激光先后经过所述半波片和格兰棱镜之后实现对所述激光强度的调节。
6.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，所述激光聚焦器包括：平场半复消色差明场物镜。
7.如权利要求1所述激光调焦系统，其特征在于，所述激光发射器包括氦氖激光器。
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