CN111390377A - 一种用于激光加工的表面自动聚焦方法及系统、存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光加工技术领域，公开了一种用于激光加工的表面自动聚焦方法及系统、存储介质。所述方法包括：在预设行程范围内，沿光轴方向调整显微镜头与待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集待加工件的图像并根据图像实时检测反射光或者荧光的强度；根据反射光或者荧光的强度检测数据确定反射光最强位置或者荧光起始位置。本发明通过扫描反射光或者荧光的强度，实现了将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的，有效提升了加工成功率、加工品质和加工精度，且实现方案经济高效。

Description

一种用于激光加工的表面自动聚焦方法及系统、存储介质
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种用于激光加工的表面自动聚焦方法及系统、存储介质。
背景技术
激光纳米加工，又称为激光纳米三维打印技术，具有加工设备简单、无需复杂制备工艺并且可以进行三维加工等优势，已经成为新兴的最重要的精密制造技术之一。
激光纳米三维打印技术，通过使用高数值孔径的显微镜头将激光聚焦在需要加工的位置，利用实现在焦点处的高光强，在不同介质(包括聚合物、玻璃、金属以及新型二维材料等)内改变材料性质，以加工形成纳米级精度的结构。
通过飞秒激光三维纳米打印技术，可以加工出具有不同功能的结构，包括聚合物光子晶体结构、超薄微透镜、微型光波导及光纤光栅；而且，其加工精度高，影响区域小(空间分辨率高)，可实现纳米级的精度控制。所以在一些需要超高精度的微加工方面引起了广泛关注。
由于其三维高精度的特点，在激光纳米加工过程中，控制激光焦点与所需要加工的样品的相对位置尤为关键。然而，通常情况下，在激光加工开始环节，使用者需要凭借其加工经验来寻找加工样品的表面位置，同时对于不同的加工样品需要按照不完全相同的依据来寻找表面位置。因此，对于没有经验或者经验不足的使用者而言，这个寻找加工样品表面的操作过程存在较高风险。如果使用者在寻找加工样品表面时让显微镜头不断趋近加工样品，有可能直接使显微镜头撞击到加工样品，这样会损坏加工样品和显微镜头，同时导致加工失败。因此，亟需一种能够自动聚焦至加工样品表面的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于激光加工的表面自动聚焦方法及系统、存储介质，解决现有技术存在的无法自动寻找待加工表面的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于激光加工的表面自动聚焦方法，包括：
在预设行程范围内，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集所述待加工件的图像，并根据图像实时检测反射光的强度；
根据所述反射光的强度检测数据，确定反射光最强位置；所述反射光最强位置，即在检测到反射光的强度达到最大值的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
可选的，所述表面自动聚焦方法还包括：
获得多个反射光最强位置；各个反射光最强位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
根据所述多个反射光最强位置，计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度。
可选的，所述表面自动聚焦方法还包括：
获得多个反射光最强位置；各个反射光最强位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
计算得到所述多个反射光最强位置的平均位置；
按照所述平均位置，调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置后，进行激光加工。
可选的，所述根据图像实时检测反射光的强度，包括：
先计算所述图像中反射光照射区域的灰度值，再对所述灰度值进行转换计算得到所述反射光的强度。
一种用于激光加工的表面自动聚焦方法，包括：
在预设行程范围内，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集所述待加工件的图像，并根据图像实时检测是否有产生荧光；
根据荧光检测结果，确定荧光始发位置；所述荧光始发位置，即在检测到荧光由无切换为有的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
可选的，所述表面自动聚焦方法，还包括：
获得多个荧光始发位置；各个荧光始发位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
根据所述多个荧光始发位置，计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度。
可选的，所述表面自动聚焦方法，还包括：
获得多个荧光始发位置；各个荧光始发位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
计算得到所述多个荧光始发位置的平均位置；
按照所述平均位置，调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置后，进行激光加工。
一种用于激光加工的表面自动聚焦系统，包括用于对激光束进行聚焦的显微镜头；还包括：图像传感器、驱动器、检测器和控制器；
所述图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像；
所述检测器，用于根据所述图像实时检测反射光的强度；
所述控制器，用于在预设行程范围内，通过所述驱动器，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；还用于根据所述检测器的检测数据确定反射光最强位置；所述反射光最强位置，即在检测到反射光的强度达到最大值的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
可选的，所述控制器，还用于获得多个反射光最强位置，各个反射光最强位置分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定，根据所述多个反射光最强位置计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度，和/或，计算所述多个反射光最强位置的平均位置，按照所述平均位置调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置，以进行激光加工。
一种用于激光加工的表面自动聚焦系统，包括用于对激光束进行聚焦的显微镜头；还包括：图像传感器、驱动器、检测器和控制器；
所述图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像；
所述检测器，用于根据所述图像实时检测是否有产生荧光；
所述控制器，用于在预设行程范围内，通过所述驱动器，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；还用于根据荧光检测结果确定荧光始发位置，所述荧光始发位置，即在检测到荧光由无切换为有的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
可选的，所述控制器，还用于获得多个荧光始发位置，各个荧光始发位置分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定，根据所述多个荧光始发位置计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度，和/或，还用于计算所述多个荧光始发位置的平均位置，按照所述平均位置调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置，以进行激光加工。
一种存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行如上任一项所述的表面自动聚焦方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例通过扫描反射光的强度或者荧光，来确定激光焦点到达待加工表面时显微镜头与待加工件对的相对位置，从而实现了将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的，有效提升了加工成功率、加工品质和加工精度；
同时，由于本发明实施例主要采用软件实现，硬件部仅需要使用低成本的图像传感器，对现有的激光加工系统无需重大改动，因此整个解决方案经济高效。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一提供的表面自动聚焦方法流程图；
图2至图4为本发明实施例一提供的表面自动聚焦的实现原理图；
图5为本发明实施例二提供的表面自动聚焦方法流程图；
图6至图7为本发明实施例二提供的表面自动聚焦的实现原理图；
图8为基于扫描反射光强度方法实现的扫描结果图；
图9为基于荧光扫描实现的扫描结果图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例方案，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实施例一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中的实施例，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他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例可应用于激光加工系统，该激光加工系统主要包括：激光器和显微镜头。其中，激光器用于形成激光束；显微镜头用于对激光束进行聚焦，激光束经聚焦后投射至待加工件的待加工表面。
为了能够将激光束准确聚焦于加工表面，以利用激光焦点处的高光强对加工样品实现高效准确的激光加工操作，本发明提供了一种自动聚焦表面的解决方案，根据激光的反射光强或者根据激光激发的荧光，来快速准确地将激光焦点的位置调整至待加工件的待加工表面，从而有效保证加工精度，提高加工品质和成功率。
实施例一
通常，在激光加工时，显微镜头与待加工件之间会形成一介质层，激光束由显微镜头聚焦后经过介质层投射至待加工件的待加工表面。
该介质层，具体可以选择空气、与所需折射率差相匹配的油或者其他类型的材料。实际应用中，若显微镜头为空气显微镜，则介质层为空气；若显微镜头为油镜，则介质层为折射率匹配油。
由于介质层与待加工件具有一定的折射率差，射入的激光将会在介质层与待加工件的交界面(即待加工表面)形成反射，反射光的强度取决于介质层与待加工件的折射率差。
请参阅图1，本发明实施例提供一种表面自动聚焦方法，基于扫描反射光的强度实现，包括步骤：
步骤101、在预设行程范围内，沿光轴方向调整显微镜头与待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集待加工件的图像并根据图像实时检测反射光的强度。
本步骤中，随着显微镜头与待加工件的相对位置的调整，激光焦点与待加工表面的相对位置会相应改变。而在调整过程中，请参阅图2，激光焦点与待加工表面的相对位置，有以下三种情况：(1)激光焦点位于待加工表面的上方位置，即激光焦点的位置过浅；(2)激光焦点位于待加工表面；(3)激光焦点位于待加工表面的下方位置，即激光焦点的位置过深。
在激光焦点与待加工表面的相对位置的调整过程中，反射光的强度也相应改变。请参阅图2至图4，这三种情况相比较，在激光焦点移动至待加工表面时，反射光的强度达到最大；在激光焦点由待加工表面开始向上或者向下移动时，反射光的强度均会逐渐缩小。因此，反推之，在反射光的强度达到最大时，即可认定激光焦点落在待加工表面。
针对反射光的强度，具体可以按照以下方法计算：先计算图像中反射光照射区域的灰度值，再对灰度值进行转换计算，即可得到反射光照射区域的反射光的强度。
步骤102、根据反射光的强度检测数据，确定反射光最强位置。
反射光最强位置，指的是：在检测到反射光的强度达到最大值的时刻，显微镜头与待加工件的相对位置。
步骤103、调整显微镜头与待加工件的相对位置至反射光最强位置，至此即可使得激光焦点调整至待加工表面。
上述方法中，在预设行程范围内进行位置调整的过程中，调整速度没有要求。实际操作时，使用者可以将激光束的光轴对准待加工平面的不同照射区域，反复运行步骤101至步骤102，获得每个照射区域对应的反射光最强位置，之后可将这些反射光最强位置进行平均来确认最理想的加工位置，也可根据这些反射光最强位置来计算得出待加工表面相对于显微镜头的倾斜角度，并进行校正。
综上，本实施例利用介质层与待加工件具有折射率差、且待加工表面具有反射性能的特性来获得激光的反射光，进而根据反射光的强度来识别出反射光最强位置，从而实现了将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的。因此，本实施例适用于任意种类的待加工件，尤其适用于其待加工表面具有明显反射效果的待加工件，如二维材料表面或者金属镀膜表面。
实施例二
本发明实施例提供了另一种表面自动跟踪方法，基于荧光扫描实现。
需要说明的是，介质层、待加工件需要满足以下要求：前者在激光照射时不能产生荧光；后者在激光聚焦于其内部时能够被激发产生荧光，否则不能产生荧光。为此，与实施例一中的激光光强相比，本实施例二需要设置较强的激光光强，以保证能够激发出足够用于探测的荧光。
该介质层，具体为空气、油或者其他类型的材料。实际应用中，若显微镜头为空气显微镜，则介质层为空气；若显微镜头为油镜，则介质层为油。
请参阅图5，本发明实施例的表面自动跟踪方法，包括：
步骤201、在预设行程范围内，沿光轴方向调整显微镜头与待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集待加工件的图像并根据图像检测是否出现荧光。
本步骤中，随着显微镜头与待加工件的相对位置的调整，激光焦点与待加工件的相对位置会相应改变。而在调整过程中，请参阅图4，激光焦点与待加工件的相对位置，包括以下两种情况：(1)激光焦点未到达待加工件；(2)激光焦点到达待加工件内部。
在激光焦点与待加工件的相对位置的调整过程中，荧光现象会发生改变。这两种情况相比较，请参阅图6至图7，在激光焦点未到达待加工件内部时，不会出现荧光；在激光到达待加工件内部时，则会出现荧光。因此，反推之，在荧光刚开始出现时，即可认定激光焦点到达待加工件的待加工表面。
步骤202、根据荧光检测结果，确定荧光始发位置。
荧光始发位置，指的是：在检测到荧光由无切换为有的时刻，显微镜头与待加工件的相对位置。
步骤203、调整显微镜头与待加工件的相对位置至荧光始发位置，至此即可使得激光焦点调整至待加工表面。
与实施例一相同，本实施例在预设行程范围内进行位置调整的过程中，调整速度没有要求。实际操作时，使用者可以将激光束的光轴对准待加工平面的不同照射区域，反复运行步骤201至步骤202，获得每个照射区域对应的荧光始发位置，之后可将这些荧光始发位置进行平均来确认最理想的加工位置，也可根据这些荧光始发位置来计算得出待加工表面相对于显微镜头的倾斜角度，并进行校正。
综上，本实施例利用介质层未能产生荧光、待加工件在激光聚焦于其内部时能够产生荧光的特性，通过检测荧光现象的变化来识别出荧光始发位置，从而实现了将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的。因此，本实施例适用于能够产生荧光的待加工件。
图8展示了一个基于扫描反射光强度方法实现的扫描结果图。图9展示了一个基于荧光扫描实现的扫描结果图。图中横坐标是沿光轴方向的空间坐标，纵坐标是归一化的光强。这两种方法对于激光光强的绝对值并无要求，其空间坐标位置是通过光强的相对值计算的。另外，由于可以产生荧光的加工件大部分适用于三维加工，因此只需要激光焦点能深入到加工件内部，在此基础上百纳米精度即可满足要求。
实施例三
本实施例提供了一种表面自动聚焦系统，包括：显微镜头、图像传感器、驱动器、检测器和控制器。
显微镜头，用于将激光束聚焦于所需要的位置，同时用于显微成像；
图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像。该图像传感器，具体可以为CCD相机，也可以采用其他具有图像或视频采集功能的器件，具体不限。
检测器，用于根据图像实时检测反射光的强度。
控制器，用于在预设行程范围内，通过驱动器沿光轴方向调整显微镜头与待加工件的相对位置；还用于根据检测器的检测数据确定反射光最强位置，反射光最强位置，即在检测到反射光的强度达到最大值的时刻显微镜头与待加工件的相对位置。
此外，控制器，还可用于获得在激光束投射至待加工表面的不同指定区域时确定的多个反射光最强位置，根据多个反射光最强位置计算得到待加工表面相对于显微镜头的倾斜角度，和/或，计算多个反射光最强位置的平均位置，按照平均位置调整显微镜头与待加工件的相对位置，以进行激光加工。
本实施例的表面自动聚焦系统，通过扫描反射光的强度来识别出反射光最强位置，从而实现将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的。因此，本实施例适用于任意种类的待加工件，尤其适用于其待加工表面具有明显反射效果的待加工件，如二维材料表面或者金属镀膜表面。
另外，由于本实施例主要通过软件实现，硬件仅需要配备低成本的图像传感器，对现有的激光加工系统无需作重大改动，因而整个解决方案经济高效。
实施例四
本实施例提供了另一种表面自动聚焦系统，包括：显微镜头、图像传感器、驱动器、检测器和控制器。
显微镜头，用于将激光束聚焦于所需要的位置，同时用于显微成像；
图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像；
检测器，用于根据图像实时检测是否有产生荧光；
控制器，用于在预设行程范围内，通过驱动器沿光轴方向调整显微镜头与待加工件的相对位置；还用于根据荧光检测结果确定荧光始发位置，该荧光始发位置，即在检测到荧光由无切换为有的时刻显微镜头与待加工件的相对位置。
此外，控制器，还用于获得在激光束投射至待加工表面的不同指定区域时确定的多个荧光始发位置，根据多个荧光始发位置计算得到待加工表面相对于显微镜头的倾斜角度，和/或，还用于计算多个荧光始发位置的平均位置，按照平均位置调整显微镜头与待加工件的相对位置，以进行激光加工。
本实施例的表面自动聚焦系统，通过扫描荧光来识别出荧光始发位置，从而实现将激光焦点快速及准确地调整至待加工表面的目的。因此，本实施例适用于能够产生荧光的待加工件。
实施例五
本领域普通技术人员可以理解，上述表面自动跟踪方法中的全部或部分步骤可以通过指令来完成，或通过指令控制相关的硬件来完成，该指令可以存储于一计算机可读存储介质中，并由处理器进行加载和执行。
为此，本发明实施例还提供一种存储介质，其中存储有多条指令，该指令能够被处理器进行加载，以执行本发明实施例所提供的表面自动聚焦方法中的步骤。
其中，该存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取记忆体(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种用于激光加工的表面自动聚焦方法，其特征在于，包括：
在预设行程范围内，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集所述待加工件的图像，并根据图像实时检测反射光的强度；
根据所述反射光的强度检测数据，确定反射光最强位置；所述反射光最强位置，即在检测到反射光的强度达到最大值的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
2.根据权利要求1所述的表面自动聚焦方法，其特征在于，所述表面自动聚焦方法还包括：
获得多个反射光最强位置；各个反射光最强位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
根据所述多个反射光最强位置，计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的表面自动聚焦方法，其特征在于，所述表面自动聚焦方法还包括：
获得多个反射光最强位置；各个反射光最强位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
计算得到所述多个反射光最强位置的平均位置；
按照所述平均位置，调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置后，进行激光加工。
4.根据权利要求1所述的表面自动聚焦方法，其特征在于，所述根据图像实时检测反射光的强度，包括：
先计算所述图像中反射光照射区域的灰度值，再对所述灰度值进行转换计算得到所述反射光的强度。
5.一种用于激光加工的表面自动聚焦方法，其特征在于，包括：
在预设行程范围内，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；在调整过程中，实时采集所述待加工件的图像，并根据图像实时检测是否有产生荧光；
根据荧光检测结果，确定荧光始发位置；所述荧光始发位置，即在检测到荧光由无切换为有的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
6.根据权利要求4所述的表面自动聚焦方法，其特征在于，所述表面自动聚焦方法，还包括：
获得多个荧光始发位置；各个荧光始发位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
根据所述多个荧光始发位置，计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度。
7.根据权利要求5所述的表面自动聚焦方法，其特征在于，所述表面自动聚焦方法，还包括：
获得多个荧光始发位置；各个荧光始发位置，分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定；
计算得到所述多个荧光始发位置的平均位置；
按照所述平均位置，调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置后，进行激光加工。
8.一种用于激光加工的表面自动聚焦系统，包括用于对激光束进行聚焦的显微镜头；其特征在于，还包括：图像传感器、驱动器、检测器和控制器；
所述图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像；
所述检测器，用于根据所述图像实时检测反射光的强度；
所述控制器，用于在预设行程范围内，通过所述驱动器，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；还用于根据所述检测器的检测数据确定反射光最强位置；所述反射光最强位置，即在检测到反射光的强度达到最大值的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
9.根据权利要求8所述的表面自动聚焦系统，其特征在于，所述控制器，还用于获得多个反射光最强位置，各个反射光最强位置分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定，根据所述多个反射光最强位置计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度，和/或，计算所述多个反射光最强位置的平均位置，按照所述平均位置调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置，以进行激光加工。
10.一种用于激光加工的表面自动聚焦系统，包括用于对激光束进行聚焦的显微镜头；其特征在于，还包括：图像传感器、驱动器、检测器和控制器；
所述图像传感器，用于在位置调整过程中实时拍摄待加工件的图像；
所述检测器，用于根据所述图像实时检测是否有产生荧光；
所述控制器，用于在预设行程范围内，通过所述驱动器，沿光轴方向调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置；还用于根据荧光检测结果确定荧光始发位置，所述荧光始发位置，即在检测到荧光由无切换为有的时刻，所述显微镜头与所述待加工件的相对位置。
11.根据权利要求10所述的表面自动聚焦系统，其特征在于，所述控制器，还用于获得多个荧光始发位置，各个荧光始发位置分别由所述激光束聚焦至所述待加工表面的不同指定区域时确定，根据所述多个荧光始发位置计算得到所述待加工表面相对于所述显微镜头的倾斜角度，和/或，还用于计算所述多个荧光始发位置的平均位置，按照所述平均位置调整所述显微镜头与所述待加工件的相对位置，以进行激光加工。
12.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有多条指令，所述指令适于处理器进行加载，以执行权利要求1至7任一项所述的表面自动聚焦方法中的步骤。
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