CN111761203B - 一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置 - Google Patents

一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，包括：用于控制激光的激光控制模块及成像模块；激光控制模块包括间隔设置的第一调整架和第二调整架及设置在第一调整架和第二调整架之间的第三调整架，第一调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的长焦聚焦镜，第二调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的短焦聚焦镜，第三调整架上设有双色镜；成像模块包括光源及半透半反镜；第一成像镜和第二成像镜，第一成像镜和第二成像镜间隔设置；图像传感器。本发明能够同时实现高放大倍率和实时成像，提高激光加工过程中在线监测的质量，提高激光加工的准确性和质量。

Description

一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置
技术领域
本发明涉及激光加工设备技术领域，具体涉及一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置。
背景技术
激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等领域，激光加工在线实时成像装置是激光加工系统的重要组成部分之一，在线实时成像放大倍率以及成像质量直接决定了激光加工过程中在线监测或在线检测的技术水准。
相关技术中，激光加工系统中采用的成像方法有两种，一种是成像模块与激光光束控制模块共用一个透镜，该透镜既做激光聚焦镜又做成像镜，虽然该方法能够实现激光加工在线实时成像，但因受共用透镜限制导致成像放大倍率较低和成像质量差。另一种方法是成像模块与激光光束分别使用不同的透镜，虽然成像放大倍率和成像质量不受聚焦镜的限制，但是难以同时实现在高放大倍率下进行实时成像。
发明内容
本发明实施例提供了一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，在激光加工的过程中能够同时实现高放大倍率和实时成像，提高激光加工过程中在线监测的质量，提高激光加工的准确性和质量。
本发明的实施例提出了一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，包括：用于控制激光的激光控制模块及成像模块；
所述的激光控制模块包括间隔设置的第一调整架和第二调整架及设置在第一调整架和第二调整架之间的第三调整架，所述第一调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的长焦聚焦镜，所述第二调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的短焦聚焦镜，所述第三调整架上设有用于反射光线的双色镜；
所述成像模块包括用于产生照明光线的光源及用于反射和传播光线的半透半反镜，照明光线经过半透半反镜的反射产生用于观测加工过程的反射光线；
第一成像镜和第二成像镜，所述第一成像镜和第二成像镜间隔设置，所述第一成像镜的方向与反射光线的方向相垂直，所述第二成像镜的方向与反射光线的方向可垂直或可平行；
图像传感器，用于实现加工过程的图像的获取、存储、传输、处理和复现。。
优选地，成像装置还包括第一平移机构，第一平移机构用于调整第一成像镜和图像传感器在沿所述反射光线方向上的位置，所述第一成像镜与图像传感器均与第一平移机构连接。
优选地，成像装置还包括用于调节第二成像镜角度的旋转机构，所述第二成像镜与旋转机构连接。
优选地，成像装置还包括第二平移机构，第二平移机构用于调整第二成像镜在沿所述反射光线方向上的位置，所述第二平移机构与旋转机构固定连接。
优选地，所述旋转机构的旋转角度为0°～90°。
优选地，所述第一调整架和第二调整架均为五维调整架，所述第三调整架为二维调整架。
优选地，所述第一调整架和第二调整架方向均与激光光束传导方向相垂直。
优选地，所述双色镜与反射光线和激光光束之间的角度均为75°。
优选地，所述所述长焦聚焦镜，焦距大于50mm，所述短焦聚焦镜，焦距小于等于50mm。
优选地，所述半透半反镜对反射光线的透射率和反射率均为50％。
综上，本发明通过设置独立的激光控制模块及成像模块，能够在激光加工的过程中能够同时实现高放大倍率和实时成像，提高激光加工过程中在线监测的质量，提高激光加工的准确性和质量；长焦聚焦镜和短焦聚焦镜可拆卸的连接，能够灵活更换不同规格的聚焦镜，提高了装置的适用性；通过设置第一平移机构和第二平移机构，便于调节成像镜的位置，以满足不同放大倍率的实时成像需求；通过设置旋转机构，能够对第二成像镜的角度进行调节，便于切换不同的成像模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明提出的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置结构示意图；
图2是本发明采用长焦聚焦镜工作时的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置结构示意图；
图3是本发明采用短焦聚焦镜工作时的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置结构示意图。
图中：
1、图像传感器，2、第一成像镜，3、第二成像镜，4、半透半反镜，5、照明光线，6、光源，7、激光光束，8、长焦聚焦镜，9、第一调整架，10、第三调整架，11、第二调整架，12、短焦聚焦镜，13、待加工物体，14、双色镜，15、反射光线，16、第二平移机构，17、旋转机构，18、第一平移机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1至图3所示是本发明实施例一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，包括：用于控制激光的激光控制模块及成像模块。
激光控制模块包括间隔设置的第一调整架9和第二调整架11及设置在第一调整架9和第二调整架11之间的第三调整架10，如图1所示，第一调整架9设在第三调整架10上方，第二调整架11设在第三调整架10下方，并且第一调整架9和第二调整架11均为水平设置，第一调整架9上可拆卸的设有用于激光聚焦的长焦聚焦镜8，第二调整架11上可拆卸的设有用于激光聚焦的短焦聚焦镜12，长焦聚焦镜8和短焦聚焦镜12均与激光光束7垂直设置且激光光束7可以穿过两个聚焦镜的中心，第三调整架10上设有用于反射光线15的双色镜14，双色镜14能够使激光光束7通过，对照明光线5进行反射，如图1所示，双色镜14能够使激光光束7通过，对反射光线15进行反射。
优选地，双色镜14与反射光线15和激光光束7之间的角度均为75°。
成像模块包括用于产生照明光线5的光源6及用于反射和传播光线的半透半反镜4，所谓的半透半反镜4对照明光线5的透射率和反射率均为50％，照明光线5经过半透半反镜4的反射产生用于观测加工过程的反射光线15。
第一成像镜2和第二成像镜3，第一成像镜2和第二成像镜3间隔设置，第一成像镜2的方向与反射光线15的方向相垂直，第二成像镜3的方向与反射光线15的方向可垂直或可平行。
图像传感器1，用于显示观测到的加工过程的图像，图像传感器1的设置方向与反射光线15的方向相垂直。
优选地，图像传感器1可采用CCD相机，但并不限于此。
本发明通过设置独立的激光控制模块及成像模块，能够在激光加工的过程中能够同时实现高放大倍率和实时成像，提高激光加工过程中在线监测的质量，提高激光加工的准确性和质量；长焦聚焦镜8和短焦聚焦镜12可拆卸的连接，能够灵活更换不同规格的聚焦镜，提高了装置的适用性。
优选地，成像装置还包括第一平移机构18，第一平移机构18用于调整第一成像镜2和图像传感器1在沿反射光线15方向上的位置，第一成像镜2与图像传感器1均与第一平移机构18连接，如图1所示，第一平移机构18用于调整第一成像镜2与图像传感器1沿左右方向的位置，第一平移机构18可采用现有的直线平移机构，例如直线滑轨机构或直线液压伸缩机构，但不限于此，只要能够实现第一成像镜2与图像传感器1沿左右方向平移即可。
优选地，成像装置还包括用于调节第二成像镜3角度的旋转机构17，第二成像镜3与旋转机构17连接，旋转机构17能够调整第二成像镜3的角度，使第二成像镜3的角度与反射光线15相垂直或平行，从而调整不同的成像模式，优选地，旋转机构17的旋转角度为0°～90°。
优选地，成像装置还包括第二平移机构16，第二平移机构16用于调整第二成像镜3在沿反射光线15方向上的位置，第二平移机构16与旋转机构17固定连接，如图1所示，第二平移机构16与第一平移机构18的结构相同，并且第二平移机构16用于调整第二成像镜3沿左右方向的位置。
优选地，第一调整架9和第二调整架11均为五维调整架，第三调整架10为二维调整架，但并不限于此。
优选地，第一调整架9和第二调整架11方向均与激光光束7传导方向相垂直，如图1所示，第一调整架9和第二调整架11均水平设置并与激光光束7的方向相互垂直。
优选地，长焦聚焦镜8，焦距大于50mm，短焦聚焦镜12，焦距小于等于50mm，但不限于此，可根据不同的成像要求更换不同规格的聚焦镜，提高了装置的适用性。
下面参照图1至图3描述本发明实施例一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置的运行过程。
由于本发明根据激光加工及成像要求不同，可分为长焦聚焦镜8加工成像模式及短焦聚焦镜12加工成像模式。
参照图2描述本发明实施例采用长焦聚焦镜8工作时运行过程。
当长焦聚焦镜8工作时，在第一调整架9上安装长焦聚焦镜8，并将第二调整架11上的短焦聚焦镜12拆除或者通过第二调整架11调整短焦聚焦镜12的位置使激光光束7仅通过长焦聚焦镜8，通过长焦聚焦镜8的聚焦后的激光光束7传导至待加工物体13上进行激光加工作业，启动光源6，光源6产生照明光线5，照明光线5通过半透半反镜4将照明光线5反射成为反射光线15，反射光线15通过双色镜14的反射传导至待加工物体13表面从而观测待加工物体13，待加工物体13的光学影像通过双色镜14、半透半反镜4、第二成像镜3和第一成像镜2后进入图像传感器1即CCD相机，在长焦聚焦镜8工作时，旋转机构17控制第二成像镜3与反射光线15的方向相垂直，CCD相机将待加工物体13的光学影像转换为数字信号，并在显示屏上实现成像，通过第一平移机构18和第二平移机构16调整第一成像镜2、第二成像镜3和CCD相机的位置，使成像清晰点与激光聚焦的焦点重合，从而同时实现高放大倍率的实时成像，通过调节第三调整架10，调节光学影像在CCD中的位置，实现激光聚焦的焦点在CCD相机中的成像视场。
参照图3描述本发明实施例采用短焦聚焦镜12工作时运行过程。
当短焦聚焦镜12工作时，在第二调整架11上安装短焦聚焦镜12，并将第一调整架9上的长焦聚焦镜8拆除或者通过第一调整架9调整长焦聚焦镜8的位置使激光光束7仅通过短焦聚焦镜12，通过短焦聚焦镜12的聚焦后的激光光束7传导至待加工物体13上进行激光加工作业，启动光源6，光源6产生照明光线5，照明光线5通过半透半反镜4将照明光线5反射成为反射光线15，反射光线15通过双色镜14的反射传导至待加工物体13表面从而观测待加工物体13，待加工物体13的光学影像通过双色镜14、半透半反镜4和第一成像镜2后进入图像传感器1即CCD相机，当采用短焦聚焦镜12工作时，旋转机构17控制第二成像镜3与反射光线15的方向相平行，换言之，当采用短焦聚焦镜12工作时，反射光线15和待加工物体13的光学影像均不通过第二成像镜3，CCD相机将待加工物体13的光学影像转换为数字信号，并在显示屏上实现成像，通过第一平移机构18调整第一成像镜2和CCD相机的位置，使成像清晰点与激光聚焦的焦点重合，从而同时实现高放大倍率的实时成像，通过调节第三调整架10，调节光学影像在CCD中的位置，实现激光聚焦的焦点在CCD相机中的成像视场。
本发明一些具体示例的用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置。
如图2所示，本实施例提供一种采用长焦聚焦镜8工作时实现激光加工高放大倍率的在线实时成像装置，长焦聚焦镜8的焦距f为150mm。
将长焦聚焦镜8(f＝150mm)安装在双色镜14上方的第一调整架9上，第一调整架9使长焦聚焦镜8中心轴线与激光光束7重合；
安装在旋转机构17的第二成像镜3与反射光线15呈垂直状态，第二成像镜3与第一成像镜2、CCD相机、光源6和半透半反镜4组成独立的成像模块。光源6产生照明光光线利用半透半反镜4反射成反射光线15，通过第三调整架10控制反射光线15的方向；
通过调节第一平移机构18和第二平移支架，使成像清晰点与激光聚焦焦点重合，从而同时实现高放大倍率的实时成像；
通过调节第三调整架10，调节光学影像在CCD中的位置，从而实现激光聚焦的焦点在CCD相机中的成像视场。
如图3所示，本实施例提供一种采用短焦聚焦镜12工作时实现激光加工高放大倍率的成像装置，短焦聚焦镜12的焦距f为30mm
将短焦距聚焦镜(f＝30mm)安装在双色镜14下方的第二调整架11上，调节第二调整架11使短焦聚焦镜12中心轴线与激光光束7重合；
调节旋转机构17使第二成像镜3与反射光线15呈平行状态，短焦聚焦镜12与第一成像镜2、CCD相机、光源6和半透半反镜4组成成像模块，短焦聚焦镜12和第一成像镜2共同决定了成像放大倍率；
通过调节第一平移机构18，实现高放大倍率的实时成像；
通过调节第三调整架10，调节节光学影像在CCD中的位置，从而实现实现激光聚焦的焦点在CCD相机中的成像视场。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，包括：用于控制激光的激光控制模块及成像模块；
所述的激光控制模块包括间隔设置的第一调整架和第二调整架及设置在第一调整架和第二调整架之间的第三调整架，所述第一调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的长焦聚焦镜，所述第二调整架上可拆卸的设有用于激光聚焦的短焦聚焦镜，所述第三调整架上设有用于反射光线的双色镜；
所述成像模块包括用于产生照明光线的光源及用于反射和传播光线的半透半反镜，照明光线经过半透半反镜的反射产生用于观测加工过程的反射光线；
第一成像镜和第二成像镜，所述第一成像镜和第二成像镜间隔设置，所述第一成像镜的方向与反射光线的方向相垂直，所述第二成像镜的方向与反射光线的方向可垂直或可平行；
图像传感器，用于实现加工过程的图像的获取、存储、传输、处理和复现；
还包括用于调节第二成像镜角度的旋转机构，所述第二成像镜与旋转机构连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，还包括第一平移机构，第一平移机构用于调整第一成像镜和图像传感器在沿所述反射光线方向上的位置，所述第一成像镜与图像传感器均与第一平移机构连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，还包括第二平移机构，第二平移机构用于调整第二成像镜在沿所述反射光线方向上的位置，所述第二平移机构与旋转机构固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述旋转机构的旋转角度为0°～90°。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述第一调整架和第二调整架均为五维调整架，所述第三调整架为二维调整架。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述第一调整架和第二调整架方向均与激光光束传导方向相垂直。
7.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述双色镜与反射光线和激光光束之间的角度均为45°。
8.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述长焦聚焦镜，焦距大于50mm，所述短焦聚焦镜，焦距小于等于50mm。
9.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于激光加工的高放大倍率在线实时成像装置，其特征在于，所述半透半反镜对反射光线的透射率和反射率均为50%。
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