CN112518104A - 一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，包括激光系统、视觉系统和背部光源装置；激光系统，用于发出激光，并在工作台上方形成一个焦平面；视觉系统，用于在所述焦平面内形成一个视场，所述视场包含于所述焦平面；所述背部光源装置，安装于所述工作台的下方，并且位于所述视场的正下方，其中所述工作台为镂空结构，所述背部光源装置包括可见光光源发光体、激光全反射镜、镜隔离片、耐高温玻璃、镜片固定框、光源固定座；激光全反射镜反射激光，并透射可见光，大大的缩小背部光源的安装空间，而不至于让可见光光源发光体受损，耐高温玻璃能够透射激光和可见光，并且防止高温的残渣或粉尘损坏激光全反射镜。

Description

一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备。
背景技术
在半导体行业，激光设备是一种常见的加工设备。激光设备有非常多的用途，如激光打标、激光切割、激光焊接等。无论用于哪种用途，我们都无法避开对目标元器件的坐标定位。坐标定位的方式也非常多，如：一些位置相对比较固定的静态打标机设备可以使用夹具手动定位；对于一些运动轨迹相对比较固定的设备可以使用（伺服或步进）电动机的脉冲定位。但对于一些目标元器件的机械位置相对于激光设备有一定变动的，这时更适合使用视觉定位。
常用的视觉定位系统中，光源是一个非重要的部件。根据光源的安装位置不同，通常可以分为正面光源和背部光源。正面光源通常做成环形结构,安装在目标元器件的正面，光源的光正面照射元器件，再通过目标元器件将光射给视觉系统；背部光源主要用目标元器件为镂空的情景，安装在目标元器件的背面，光线可以直接照射到视觉系统。根据目标器件的材质，几何特点，表面特点等因素的不同，正面光源的使用范围将受限。而传统的背部光源，存在极易被激光或被激光击落的高温残渣损的缺陷。传统的解决办法是尽可能的加大偏焦距离，但在安装空间受限的情况，这种方法将无法施展，从而使得这种传统光源无法使用。
发明内容
本发明提供一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
第一方面，本发明实施例提供了一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，包括激光系统、视觉系统和背部光源装置；
激光系统，用于发出激光，并在工作台上方形成一个焦平面；
视觉系统，用于在所述焦平面内形成一个视场，所述视场包含于所述焦平面；
所述背部光源装置，安装于所述工作台的下方，并且位于所述视场的正下方，其中所述工作台为镂空结构，所述背部光源装置包括可见光光源发光体、激光全反射镜、镜隔离片、耐高温玻璃、镜片固定框、光源固定座；
所述可见光光源发光体，用于发出可见光，固定在所述光源固定座上；
所述激光全反射镜，用于反射激光，并透射可见光；
所述耐高温玻璃，用于透射激光和可见光，并隔离粉尘及残渣；
所述镜隔离片，为中空的框形结构，用于设置在所述激光全反射镜和所述耐高温玻璃之间；
所述镜片固定框，用于将所述镜隔离片固定在光源固定座上；
其中，所述可见光源发光体发出的可见光依次经过所述激光全反射镜、所述镜隔离片、所述耐高温玻璃、所述工作台的镂空结构到达视觉系统，所述激光系统发出的激光通过焦平面聚焦到工作台上的目标样品，以对所述目标样品加工作业，经过所述工作台的镂空结构的激光依次经过所述耐高温玻璃、所述镜隔离片后抵达所述激光全反射镜，由所述激光全反射镜对抵达的激光反射。
进一步，所述激光系统包括激光发生器、振镜扫描系统和聚焦透镜，聚焦透镜在工作台上方形成所述焦平面，所述激光发生器发出激光，经过振镜扫描系统扫描后再经过聚焦透镜聚焦，以使所述激光聚焦所述焦平面。
进一步，所述振镜扫描系统包括X扫描电机、Y扫描电机、X反射镜和Y反射镜，X反射镜通过X扫描电机轴与X扫描电机相连，并可绕X扫描电机轴摆动，Y反射镜通过Y扫描电机轴与Y扫描电机相连，并可绕Y扫描电机轴摆动，激光通过振镜扫描系统的X反射镜和Y反射镜进行扫描，从而实现激光的偏转，使激光聚通过聚焦透镜聚焦在目标样品上。
进一步，所述背部光源装置中的各光学元器件的损坏阈值大于激光在所述背部光源装置中的各光学元器件处的功率密度，具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 877931DEST_PATH_IMAGE002
为横截面N所处位置的激光功率密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为激光发生器发出的激光束的 横截面M的半径，
Figure 82254DEST_PATH_IMAGE004
为激光在横截面M的功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为横截面N与焦平面的距离，H指所述聚焦 透镜的焦距， K为激光所经过的每个光学器件的反射率或透射率的乘积，
Figure 401108DEST_PATH_IMAGE006
为横截面N所 处位置的光学器件的损伤阈值。
进一步，所述激光全反射镜包括上表面和下表面，激光全反射镜的下表面为朝向所述可见光光源发光体的一面，包括激光反射膜，激光全反射镜的上表面为朝向所述耐高温玻璃的一面，所述耐高温玻璃包括上表面，耐高温玻璃的上表面为耐高温玻璃朝向工作台的一面；
所述激光反射膜的损伤阈值大于激光在所述激光反射膜处的功率密度，激光反射镜的基板材料的损伤阈值大于激光在激光反射镜的上表面的功率密度，耐高温玻璃基板材料的损伤阈值大于激光在耐高温玻璃的上表面的功率密度。
进一步，功率密度包括平均功率密度和峰值功率密度，激光在耐高温玻璃的上表 面的平均功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 959391DEST_PATH_IMAGE008
；
激光在耐高温玻璃的上表面的峰值功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 772626DEST_PATH_IMAGE010
；
激光在激光反射镜的上表面的平均功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 864079DEST_PATH_IMAGE012
；
激光在激光反射镜的上表面的峰值功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为：
Figure 592650DEST_PATH_IMAGE014
；
激光在激光反射膜的平均功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为：
Figure 402343DEST_PATH_IMAGE016
；
激光在激光反射膜的峰值功率密度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 910947DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为脉冲激光器的单脉能量，f为脉冲激光器的使用频率，t为脉宽所占用 时间，
Figure 653644DEST_PATH_IMAGE020
为X反射镜的反射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为Y反射镜的反射率，
Figure 2717DEST_PATH_IMAGE022
为聚焦透镜103的透射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为耐高 温玻璃的透射率，
Figure 329400DEST_PATH_IMAGE024
为激光全反射镜朝向耐高温玻璃的一面的透射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为耐高温玻 璃的上表面与焦平面的距离，
Figure 733705DEST_PATH_IMAGE026
为激光全反射镜的上表面与焦平面的距离，D为激光反 射膜与焦平面的距离，H指所述聚焦透镜的焦距，
Figure 81641DEST_PATH_IMAGE003
为激光发生器发出的激光束的横截面M 的半径。
进一步，所述集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备包括激光防护组件，用于防止从所述激光全反射镜反射的激光向激光防护组件外扩散。
进一步，激光防护组件为经过发黑处理的钢或铝合金，用于减少激光的反射。
进一步，所述视觉系统包括工业相机、相机镜头、可见光反射镜，所述工业相机通过相机镜头及可见光反射镜在所述焦平面内形成所述视场。
进一步，所述镜隔离片为耐高温阻燃型麦拉片。
进一步，所述耐高温玻璃为石英玻璃。
本发明实施例的一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，至少具有以下有益效果：在可见光光源发光体上面增加一片激光全反射镜，激光全反射镜反射激光，并透射可见光，可以防止激光直接照射光源发光体，大大的缩小背部光源的安装空间，而不至于让可见光光源发光体受损，另外，在激光全反射镜的上方设置一片价格更经济，耐高温性能更好的耐高温玻璃，耐高温玻璃能够透射激光和可见光，并且防止高温的残渣或粉尘损坏激光全反射镜，此外，在耐高温玻璃及激光全反射镜之间设置一片镜隔离片，为中空的框形结构，不影响通光，并且防止因频繁更换耐高温玻璃损伤激光全反射镜，影响拍摄效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种背部光源装置的原理图；
图3是本发明实施例提供的一种背部光源装置的结构图；
图4是本发明实施例提供的一种激光在集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备的光路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，虽然在系统示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于系统中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1是本发明实施例提供的一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，包括：激光系统100、视觉系统200和背部光源装置300；激光系统100，用于发出激光，并在工作台501上方的A处形成一个焦平面B；视觉系统200，用于在所述焦平面B内形成一个视场C，所述视场C包含于所述焦平面B。背部光源装置300，安装于所述工作台501的下方，并且位于所述视场C的正下方，工作台501上放置目标样品，目标样品为镂空结构，其中所述工作台501为镂空结构，背部光源装置300发出的可见光通过工作台501的镂空结构照射到目标样品。激光系统100发出的激光通过焦平面B聚焦到工作台501上的目标样品，以对所述目标样品加工作业。
激光系统100包括激光发生器101、振镜扫描系统102、聚焦透镜103，振镜扫描系统102包括X扫描电机、Y扫描电机、X反射镜和Y反射镜，X反射镜通过X扫描电机轴与X扫描电机相连，并可绕X扫描电机轴摆动，Y反射镜通过Y扫描电机轴与Y扫描电机相连，并可绕Y扫描电机轴摆动。
具体地，激光发生器101发出激光，经过振镜扫描系统102扫描后再经过聚焦透镜103聚焦，焦透镜聚103在工作台501上方形成所述焦平面B，激光通过振镜扫描系统102的X反射镜和Y反射镜进行扫描，从而达到激光束的偏转，使具有一定功率密度的激光通过聚焦透镜103焦点在目标样品上按所需的要求运动，从而实现对目标样品的加工。
如图2和图3所示，背部光源装置300包括可见光光源发光体301、激光全反射镜302、镜隔离片303、耐高温玻璃304、镜片固定框305、光源固定座306；背部光源装置300通过光源固定座306固定在工作台501的视场C区域的正下方，例如，可在工作台上设置4个圆孔，从工作台的上方通过螺钉穿过四个圆孔，将光源固定座的四个角固定在工作台下方，从而固定光源固定座306。
所述激光全反射镜302厚度为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，激光全反射镜302的下表面记为下表面3021，激 光全反射镜302的上表面记为第一上表面3022，下表面3021有镀膜，第一上表面3022需要抛 光处理；所述镜隔离片303厚度为
Figure 414665DEST_PATH_IMAGE028
；所述耐高温玻璃304厚度为
Figure 543158DEST_PATH_IMAGE029
，耐高温玻璃304的上 表面记为第二上表面3041。
从工作台501往下依次为耐高温玻璃304、镜隔离片303、激光全反射镜302和可见光光源发光体301；镜片固定框305，用于固定镜隔离片303，激光系统100发出的激光1011对目标样品进行加工时，经过工作台501的镂空结构的激光1011依次经过耐高温玻璃304、镜隔离片303后抵达激光全反射镜302，由激光全反射镜302对抵达的激光1011反射。
可见光光源发光体301，用于发出可见光3011，安装在光源固定座306上，可见光源发光体301通过螺钉安装在光源固定座306的上方。
激光全反射镜302，用于反射激光，并透射可见光。激光全反射镜302为可见光高透 射，激光全反射，激光全发射镜302朝向可见光光源发光体301的一面为下表面3021，镀有激 光反射膜，其作用是截止激光，使得激光不会损坏可见光光源发光体301，在下表面3021设 置激光反射膜，则离焦平面B更远一些，能够更好地保护激光全发射镜302。激光反射膜所在 的下表面3021与焦平面B的距离为偏焦距离D，D越大，则激光对激光反射膜的损伤越小。激 光全反射镜302的第一上表面3022与焦平面B的距离为
Figure 157679DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 688017DEST_PATH_IMAGE030
越大对激光全反射镜 302的基板的损伤越小。耐高温玻璃304的第二上表面3041距离焦平面B的距离为
Figure 237947DEST_PATH_IMAGE025
，
Figure 166038DEST_PATH_IMAGE025
越大对耐高温玻璃的损伤越小。
其中:
Figure 334982DEST_PATH_IMAGE031
;
Figure 969095DEST_PATH_IMAGE032
。
在一实施例中，激光反射膜的损伤阈值大于激光在所述激光反射膜处的功率密 度，以避免激光损坏激光反射膜；激光全反射镜302的第一上表面3022处激光的功率密度小 于激光全反射镜302基板材料的损伤阈值；耐高温玻璃304的第二上表面3041处激光的功率 密度小于耐高温玻璃基板材料的损伤阈值。因此在使用激光设备之前，计算该激光在D，
Figure 689926DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 793011DEST_PATH_IMAGE025
各处的功率密度，选取各光学元器件的损伤阈值大于对应位置的功率密度， 避免激光全反射镜的激光反射膜被击穿，否则会导致激光损坏可见光光源发光体，同时要 避免损坏激光全反射镜的基板及上表面，耐高温玻璃的基板及上表面，否则会影响相机的 拍摄效果。在背部光源装置300中，可见光光源发光体301的价值>激光全反射镜302的价值> 耐高温玻璃304的价值。因此，优先保证可见光光源发光体301及激光全反射镜302不被激光 损坏，而耐高温玻璃的价值远低于其它两项，因此在保证可见光光源发光体301及激光全反 射镜302不被激光损坏的前提下，再尽可能的延长耐高温玻璃304的使用寿命。
激光光路如图4所示，激光发生器101发出的激光束的横截面为M，其半径为
Figure 250800DEST_PATH_IMAGE034
，可 以求得横截面M面积
Figure 490151DEST_PATH_IMAGE035
:
Figure 381884DEST_PATH_IMAGE036
；
由图4容易得知：
Figure 955953DEST_PATH_IMAGE037
;
其中，
Figure 466700DEST_PATH_IMAGE038
为横截面N与焦平面B的距离。
因此可以求得横截面N的面积
Figure 573940DEST_PATH_IMAGE039
:
Figure 636574DEST_PATH_IMAGE040
；
背部光源装置300中的各光学元器件的损坏阈值大于激光在所述背部光源装置中的各光学元器件处的功率密度，具体为：
Figure 448672DEST_PATH_IMAGE041
；
其中，
Figure 746799DEST_PATH_IMAGE002
为横截面N所处位置的激光功率密度，
Figure 695163DEST_PATH_IMAGE003
为激光发生器发出的激光束的 横截面M的半径，
Figure 617114DEST_PATH_IMAGE042
为激光在横截面M的功率，H指所述聚焦透镜的焦距，
Figure 978825DEST_PATH_IMAGE005
为横截面N到焦 平面的距离，K为激光所经过的每个光学器件的反射率或透射率的乘积，
Figure 893691DEST_PATH_IMAGE043
为横截面N所 处位置的光学器件的损伤阈值。
在一实施例中，激光器选取脉冲激光器。对于脉冲激光器，因为脉冲激光器主要利 用的是峰值进行加工，因此，除了计算脉冲激光器的平均功率
Figure 414671DEST_PATH_IMAGE044
外，还应该计算激光器的 峰值功率
Figure 287949DEST_PATH_IMAGE045
。
激光器的平均功率
Figure 500406DEST_PATH_IMAGE046
；
激光器的峰值功率
Figure 218963DEST_PATH_IMAGE047
;
其中
Figure 469816DEST_PATH_IMAGE048
为脉冲激光器的单脉能量(J)，f为脉冲激光器的使用频率(Hz)，t为脉宽 (s)，
Figure 232104DEST_PATH_IMAGE044
为脉冲激光器的平均功率(W)，
Figure 178195DEST_PATH_IMAGE045
为脉冲激光器的峰值功率(W)。
脉冲激光器发出的激光分别经过X反射镜、Y反射镜、聚焦透镜103、耐高温玻璃 304、激光全反射镜302到达激光反射膜，激光在X反射镜、Y反射镜中反射以及在耐高温玻璃 304、激光全反射镜302中透射会导致功率损失，因此，激光在截面N处的功率
Figure 185596DEST_PATH_IMAGE049
与激光所经 过的光学器件的数量、反射率和透射率相关。
横截面N的平均功率
Figure 556535DEST_PATH_IMAGE050
；
横截面N的峰值功率
Figure 178140DEST_PATH_IMAGE051
;
其中，K为所经过的每个光学器件的反射率或透射率的乘积。
则横截面N的平均功率密度
Figure 188690DEST_PATH_IMAGE052
；
横截面N的峰值功率密度
Figure 45788DEST_PATH_IMAGE053
；
当横截面N的位置在耐高温玻璃304的第二上表面3041时，则激光经过横截面M后 依次经过振镜扫描系统102的X反射镜、Y反射镜、聚焦透镜103、焦平面B、到达耐高温玻璃 304的第二上表面3041，
Figure 208916DEST_PATH_IMAGE054
，
Figure 749225DEST_PATH_IMAGE055
；
当横截面N的位置在激光全反射镜302的第一上表面3022处时，则激光经过横截面 M后依次经过振镜扫描系统102的X反射镜、Y反射镜、聚焦透镜103、焦平面B、耐高温玻璃 304，到达激光全反射镜302的第一上表面3022，
Figure 732225DEST_PATH_IMAGE056
，
Figure 393013DEST_PATH_IMAGE057
；
当横截面N的位置在激光全反射镜302的下表面3021处时，则激光经过横截面M后 依次经过振镜扫描系统102的X反射镜、Y反射镜、聚焦透镜103、焦平面B、耐高温玻璃304，激 光全反射镜302基板，到达激光全反射镜302的激光反射膜，
Figure 863178DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 522524DEST_PATH_IMAGE059
；
当横截面N的位置在耐高温玻璃304的第二上表面3041时，则第二上表面3041处平 均功率密度
Figure 976508DEST_PATH_IMAGE060
为：
Figure 113091DEST_PATH_IMAGE061
；
第二上表面3041处峰值功率密度
Figure 735964DEST_PATH_IMAGE062
为：
Figure 870274DEST_PATH_IMAGE063
；
当横截面N的位置在激光全反射镜302的第一上表面3022处时，则第一上表面3022 处平均功率密度
Figure 811554DEST_PATH_IMAGE064
为：
Figure 17407DEST_PATH_IMAGE065
；
第一上表面3022处峰值功率密度
Figure 806372DEST_PATH_IMAGE066
为：
Figure 921702DEST_PATH_IMAGE067
；
当横截面N的位置在激光全反射镜302的下表面3021处时，则下表面3021处平均功 率密度
Figure 304273DEST_PATH_IMAGE068
为：
Figure 297505DEST_PATH_IMAGE069
；
下表面3021处峰值功率密度
Figure 940976DEST_PATH_IMAGE070
为：
Figure 744984DEST_PATH_IMAGE071
；
其中，
Figure 100004DEST_PATH_IMAGE020
为X反射镜的反射率，
Figure 975557DEST_PATH_IMAGE072
为Y反射镜的反射率，
Figure 145638DEST_PATH_IMAGE022
为聚焦透镜103的透射率，
Figure 369815DEST_PATH_IMAGE023
为耐高温玻璃的透射率，
Figure 726978DEST_PATH_IMAGE024
为激光全反射镜302基板的透射率；
Figure 875062DEST_PATH_IMAGE060
为激光在耐高温玻 璃304的第二上表面3041处的平均功率密度，
Figure 918892DEST_PATH_IMAGE073
为激光在耐高温玻璃304的第二上表面 3041处的峰值功率密度，
Figure 64702DEST_PATH_IMAGE074
为激光在激光全反射镜302的第一上表面3022处的平均功 率密度，
Figure 892850DEST_PATH_IMAGE066
为激光全反射镜302的第一上表面3022处的峰值功率密度，
Figure 782308DEST_PATH_IMAGE068
为激光在 激光全反射镜302的下表面3021处的平均功率密度，
Figure 254878DEST_PATH_IMAGE070
为激光在激光全反射镜302的下 表面3021处的峰值功率密度，
Figure 322322DEST_PATH_IMAGE027
为激光全反射镜302的厚度，
Figure 388498DEST_PATH_IMAGE075
为隔离片303的厚度；
Figure 65336DEST_PATH_IMAGE076
为 耐高温玻璃304的厚度。
为保证背部光源装置内各光学元器件不被激光损坏，延长背部光源的使用寿命，需要满足以下条件：
Figure 657992DEST_PATH_IMAGE077
其中：
Figure 880026DEST_PATH_IMAGE078
为激光全反射镜的激光反射膜的损伤阈值，
Figure 181300DEST_PATH_IMAGE079
为激光全反射镜 基板材料的损伤阈值，
Figure 412562DEST_PATH_IMAGE080
为耐高温玻璃基板材料的损伤阈值。
耐高温玻璃304，用于透射激光和可见光；其作用是防止激光击落下来的高温粉尘或残渣损坏激光全反射镜302，另外，耐高温玻璃304相比激光全反射镜302价格便宜，当耐高温玻璃304损坏时，方便更换，降低成本。在一实施例中，耐高温玻璃304为石英玻璃。
镜隔离片303，为中空的框形结构，用于设置在激光全反射镜302和耐高温玻璃304之间；镜隔离片303的材料是耐高温阻燃型麦拉片，作用是减小激光全反射镜302与耐高温玻璃304的接触面积，从而减小热传导，进一步保护激光全反射镜302。另外，镜隔离片303采用中空的框形结构，可以传输激光和可见光。
集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备还包括激光防护组件400，用于防止从激光全反射镜302反射的激光向激光防护组件400外扩散，以造成损坏。激光全反射镜302反射的激光依次经过镜片隔离片303、耐高温玻璃304、工作台501的镂空结构达到工作台上方，由于激光再次传播到工作台上方时，激光偏离焦点已经较远，因此，激光会发散，激光防护组件400能够阻止激光向激光防护组件400外扩散，另外，在误操作的情况下使激光超过设定的工作区域时，激光防护组件400能够对超过设定的工作区域的激光进行阻挡，以避免造成损伤。
进一步，激光防护组件400为经过发黑处理的钢或铝合金，例如，普通碳钢Q235，发黑处理是化学表面处理的一种常用手段，原理是金属表面产生一层氧化膜，其作用在于减少激光的反射。
视觉系统包括工业相机201、相机镜头202、可见光反射镜203，工业相机201通过相机镜头202及可见光反射镜203在所述焦平面B内形成所述视场C。对目标样品进行加工时，背部光源装置300发出的可见光通过目标样本到达可见光反射镜203，相机镜头202和工业相机201位于可见光反射镜203的输出光路上，可见光反射镜203将可见光反射到相机镜头202，然后进入工业相机201，从而获得目标样品的视觉图像，可通过软件算法实现校正畸变实现精确加工。
进一步，激光使用的波段和可见光使用的波段不同。激光使用的波段为10.5μm、532nm、1064nm中的任一项，也可以使用其他激光波段。当激光使用1064nm时，激光全反射镜302朝向可见光光源发光体301的一面为1064nm激光反射膜。
集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备的工作原理如下：可见光源发光体301发出的可见光依次经过激光全反射镜302、镜隔离片303、耐高温玻璃304、工作台501的中空结构达到目标样品，经过目标样品的可见光到达可见光反射镜203，可见光反射镜203将可见光反射到相机镜头202，然后进入工业相机201，从而获得目标样品的视觉图像，激光发生器101发出激光，激光光束经过振镜扫描系统102进行二维扫描后到达聚焦透镜103，聚焦透镜103输出的激光通过焦平面B聚焦到工作台501上的目标样品，以对目标样品加工作业，经过工作台501的镂空结构的激光依次经过耐高温玻璃304、镜隔离片303后抵达激光全反射镜301，由于激光全反射镜301的损坏阈值大于激光能量密度，因此由激光全反射镜301对抵达的激光反射，从激光全反射镜301反射的激光再次依次经过镜隔离片303、耐高温玻璃304、工作台501的镂空结构往工作台501上方传输，激光防护组件400防止激光向激光防护组件400外扩展。
在一实施例中，目标样品为铜线，将0.11m的铜线进行切割，铜的物理性质：熔点1083.4℃，汽化热在300.4KJ/mol，熔化热在13.26KJ/mol。
由此我们布置环境如下，使用脉冲光纤激光器，单脉冲能量QS=1.5mJ，脉宽t=10ns,使用频率f=20kHz,激光光束半径RM=3mm，波长为1064nm的脉冲激光器。
X反射镜的反射率R1=99.5%， Y反射镜的反射率R2=99.5%，聚焦透镜103的透射率T1=99.8%，焦距H=210mm。
耐高温玻璃304基板材质为石英玻璃，厚度
Figure 859724DEST_PATH_IMAGE081
，透射率T2=99%，功率密度损 伤阈值
Figure 767506DEST_PATH_IMAGE082
；镜隔离片材料为耐高温阻燃型麦拉片，厚度
Figure 542695DEST_PATH_IMAGE083
；激 光全反射镜302的基板材质为石英玻璃，厚度
Figure 62800DEST_PATH_IMAGE084
，朝向耐高温玻璃的一面的透射率T3 =99%，激光全反射镜302基板材料的功率密度损伤阈值
Figure 630048DEST_PATH_IMAGE085
，激光全反射 镜302的激光反射膜的功率密度损伤阈值
Figure 459463DEST_PATH_IMAGE086
。
石英玻璃线膨胀系数极小，是普通玻璃的1/10~1/20倍，耐热性极好，在超过1100℃时可以正常使用，极限可以达到1400℃。同时在可视波长区及本案的1064nm波段都有较高的透过率。硬度非常高，不易划伤，易维护，是制作耐高温玻璃、激光反射镜理想的基板材料。
因为是脉冲激光器，激光对各光学元器件的损坏需要用激光的平均功率及峰值功 率分析计算。根据下式分别计算
Figure 971216DEST_PATH_IMAGE087
时的激光在耐高温玻璃304的第二 上表面3041，激光全反射镜302的第一上表面3022，激光全反射镜302的下表面3021处的功 率密度。
横截面N的平均功率密度
Figure 544280DEST_PATH_IMAGE088
：
Figure 966034DEST_PATH_IMAGE089
；
横截面N的峰值功率密度
Figure 731732DEST_PATH_IMAGE090
：
Figure 481513DEST_PATH_IMAGE091
当
Figure 841956DEST_PATH_IMAGE092
时：激光在耐高温玻璃304的第二上表面3041，激光全反射镜302的第 一上表面3022，激光全反射镜302的下表面3021处的平均功率密度
Figure 790321DEST_PATH_IMAGE088
及峰值功率密度
Figure 23856DEST_PATH_IMAGE090
如下：
Figure 73983DEST_PATH_IMAGE093
当
Figure 926532DEST_PATH_IMAGE094
时，激光在耐高温玻璃304的第二上表面3041，激光全反射镜302的第一上表面 3022，激光全反射镜302的下表面3021处的平均功率密度
Figure 978671DEST_PATH_IMAGE088
及峰值功率密度
Figure 960271DEST_PATH_IMAGE090
如下：
Figure 730650DEST_PATH_IMAGE095
当
Figure 449207DEST_PATH_IMAGE096
时：激光在耐高温玻璃304的第二上表面3041，激光全反射镜302的第 一上表面3022，激光全反射镜302的下表面3021处的平均功率密度
Figure 860246DEST_PATH_IMAGE088
及峰值功率密度
Figure 310950DEST_PATH_IMAGE090
如下：
Figure 834204DEST_PATH_IMAGE097
以上计算数据与
Figure 153190DEST_PATH_IMAGE098
、
Figure 196233DEST_PATH_IMAGE099
、
Figure 264509DEST_PATH_IMAGE100
进行比较会有如下结果：
当
Figure 9480DEST_PATH_IMAGE101
时；
Figure 866577DEST_PATH_IMAGE102
说明在此位置的激光全反射镜302的基板，激光全反射镜302的激光反射膜及耐高温玻璃304很容易损坏，所以背部光源在此位置不合理。
当
Figure 764126DEST_PATH_IMAGE103
时；
Figure 384330DEST_PATH_IMAGE104
说明在此位置的激光全反射镜302的基板，激光全反射镜302的激光反射膜可以满足使用要求，但耐高温玻璃304很容易损坏，所以背部光源在此位置也不合理。
当
Figure 305013DEST_PATH_IMAGE105
时；
Figure 152752DEST_PATH_IMAGE106
说明在此位置的激光全反射镜302的基板，激光全反射镜302的激光反射膜，耐高温玻璃304都可以满足使用要求，所以背部光源在此位置合理。
在一实施例中，在
Figure 904808DEST_PATH_IMAGE087
进行如下使用寿命实验：
当
Figure 992849DEST_PATH_IMAGE092
时，使用激光切割一次铜线，普通光源的上表面便会损坏。而使用本 发明实施例实验次数在10-20范围内会在耐高温玻璃，激光全反射镜的基板上表面、激光反 射膜上及发光体的上表面出现损坏痕迹。
当
Figure 948298DEST_PATH_IMAGE107
时，使用激光切割一次铜线，普通光源的上表面便会损坏。而使用本发 明实施例实验50000次激光全反射镜的基板上表面、激光反射膜上及发光体的上表面未出 现损坏，而耐高温玻璃出现了严重的损坏。
当
Figure 350461DEST_PATH_IMAGE105
时，使用激光切割一次铜线，普通光源的上表面便会损坏。而使用本 发明实施例实验1000000次还未出现损坏。
通过上述计算及实验证明，安装本发明的背部光源装置使得
Figure 409552DEST_PATH_IMAGE105
有效且可 靠。另外普通光源在继续加大安装距离到
Figure 606178DEST_PATH_IMAGE108
时还是会被激光、高温粉尘及残渣损坏, 同时当
Figure 45994DEST_PATH_IMAGE109
时，背部光源已经影响相机的拍摄效果了。
在同等条激光照射条件下，本发明实施例的光源的使用寿命是普通光源无法比的。而普通光源需经要经常更换，不仅累计维修光源的成本高，更重要的是还影响生产效率。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，包括激光系统、视觉系统和背部光源装置；
激光系统，用于发出激光，并在工作台上方形成一个焦平面；
视觉系统，用于在所述焦平面内形成一个视场，所述视场包含于所述焦平面；
所述背部光源装置，安装于所述工作台的下方，并且位于所述视场的正下方，其中所述工作台为镂空结构，所述背部光源装置包括可见光光源发光体、激光全反射镜、镜隔离片、耐高温玻璃、镜片固定框、光源固定座；
所述可见光光源发光体，用于发出可见光，固定在所述光源固定座上；
所述激光全反射镜，用于反射激光，并透射可见光；
所述耐高温玻璃，用于透射激光和可见光，并隔离粉尘及残渣；
所述镜隔离片，为中空的框形结构，用于设置在所述激光全反射镜和所述耐高温玻璃之间；
所述镜片固定框，用于将所述镜隔离片固定在光源固定座上；
其中，所述可见光源发光体发出的可见光依次经过所述激光全反射镜、所述镜隔离片、所述耐高温玻璃、所述工作台的镂空结构到达视觉系统，所述激光系统发出的激光通过焦平面聚焦到工作台上的目标样品，以对所述目标样品加工作业，经过所述工作台的镂空结构的激光依次经过所述耐高温玻璃、所述镜隔离片后抵达所述激光全反射镜，由所述激光全反射镜对抵达的激光反射。
2.根据权利要求1所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述激光系统包括激光发生器、振镜扫描系统和聚焦透镜，聚焦透镜在工作台上方形成所述焦平面，所述激光发生器发出激光，经过振镜扫描系统扫描后再经过聚焦透镜聚焦，以使所述激光聚焦所述焦平面。
3.根据权利要求2所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述振镜扫描系统包括X扫描电机、Y扫描电机、X反射镜和Y反射镜，X反射镜通过X扫描电机轴与X扫描电机相连，并可绕X扫描电机轴摆动，Y反射镜通过Y扫描电机轴与Y扫描电机相连，并可绕Y扫描电机轴摆动，激光通过振镜扫描系统的X反射镜和Y反射镜进行扫描，从而实现激光的偏转，使激光聚通过聚焦透镜聚焦在目标样品上。
4.根据权利要求3所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述背部光源装置中的各光学元器件的损坏阈值大于激光在所述背部光源装置中的各光学元器件处的功率密度，具体为：
Figure 67973DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 393781DEST_PATH_IMAGE002
为横截面N所处位置的激光功率密度，
Figure 383733DEST_PATH_IMAGE003
为激光发生器发出的激光束的横截 面M的半径，
Figure 318935DEST_PATH_IMAGE004
为激光在横截面M的功率，
Figure 507471DEST_PATH_IMAGE005
为横截面N与焦平面的距离，H指所述聚焦透镜 的焦距，K为激光所经过的每个光学器件的反射率或透射率的乘积，
Figure 82809DEST_PATH_IMAGE006
为横截面N所处位 置的光学器件的损伤阈值。
5.根据权利要求4所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述激光全反射镜包括上表面和下表面，激光全反射镜的下表面为朝向所述可见光光源发光体的一面，包括激光反射膜，激光全反射镜的上表面为朝向所述耐高温玻璃的一面，所述耐高温玻璃包括上表面，耐高温玻璃的上表面为耐高温玻璃朝向工作台的一面；
所述激光反射膜的损伤阈值大于激光在所述激光反射膜处的功率密度，激光反射镜的基板材料的损伤阈值大于激光在激光反射镜的上表面的功率密度，耐高温玻璃基板材料的损伤阈值大于激光在耐高温玻璃的上表面的功率密度。
6.根据权利要求5所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，功 率密度包括平均功率密度和峰值功率密度，激光在耐高温玻璃的上表面的平均功率密度
Figure 809325DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 800415DEST_PATH_IMAGE008
；
激光在耐高温玻璃的上表面的峰值功率密度
Figure 594190DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 340429DEST_PATH_IMAGE010
；
激光在激光反射镜的上表面的平均功率密度
Figure 836132DEST_PATH_IMAGE011
为：
Figure 83443DEST_PATH_IMAGE012
；
激光在激光反射镜的上表面的峰值功率密度
Figure 980992DEST_PATH_IMAGE013
为：
Figure 898132DEST_PATH_IMAGE014
；
激光在激光反射膜的平均功率密度
Figure 888654DEST_PATH_IMAGE015
为：
Figure 424809DEST_PATH_IMAGE016
；
激光在激光反射膜的峰值功率密度
Figure 426132DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 779753DEST_PATH_IMAGE018
；
其中，
Figure 250048DEST_PATH_IMAGE019
为脉冲激光器的单脉能量，f为脉冲激光器的使用频率，t为脉宽所占用时间，
Figure 543889DEST_PATH_IMAGE020
为X反射镜的反射率，
Figure 399718DEST_PATH_IMAGE021
为Y反射镜的反射率，
Figure 861923DEST_PATH_IMAGE022
为聚焦透镜的透射率，
Figure 239422DEST_PATH_IMAGE023
为耐高温玻璃的 透射率，
Figure 445275DEST_PATH_IMAGE024
为激光全反射镜朝向耐高温玻璃的一面的透射率，
Figure 234240DEST_PATH_IMAGE025
为耐高温玻璃的上表 面与焦平面的距离，
Figure 54297DEST_PATH_IMAGE026
为激光全反射镜的上表面与焦平面的距离，D为激光反射膜与焦 平面的距离，H指所述聚焦透镜的焦距，
Figure 233605DEST_PATH_IMAGE003
为激光发生器发出的激光束的横截面M的半径。
7.根据权利要求1所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备包括激光防护组件，用于防止从所述激光全反射镜反射的激光向激光防护组件外扩散。
8.根据权利要求7所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，激光防护组件为经过发黑处理的钢或铝合金，用于减少激光的反射。
9.根据权利要求1所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述视觉系统包括工业相机、相机镜头、可见光反射镜，所述工业相机通过相机镜头及可见光反射镜在所述焦平面内形成所述视场。
10.根据权利要求1所述的集成视觉系统和防背部光源损坏的激光设备，其特征在于，所述耐高温玻璃为石英玻璃。
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