CN113433631B - 一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，1，校准垂直相机坐标系；2，校准水平相机坐标系；3，对两个坐标系进行对准；4，测量激光器的光功率，形成标准光功率值表；5，测量积分球转换的电流值，形成测量电流值表；6，拟合测量电流值表与标准功率值表的线性关系，并存储；7，确定激光器出光口的中心位置；8，调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置，完成耦合过程。在激光器光纤耦合的过程中，实现光纤和激光器相对位置的自行调节，以保证光纤可以顺利的与激光器内的发光中心对位，进行高精度的耦合，避免光纤与激光器碰撞，有效避免大功率下直接大范围耦合，损毁光纤，提高耦合效率，且降低成本。

Description

一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法
技术领域
本发明涉及光纤激光器耦合封装技术领域，具体涉及一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法。
背景技术
随着激光切割和高速光模块等产品的广泛应用，高功率激光器得到了巨大的发展。高功率的光纤耦合技术，通常使用多光源阵列和空间合束技术，将多个光源耦合进入一根光纤中。目前的耦合技术多采用有源光纤对准方式，在光纤出光端链接功率计进行检测，通过手动调节六维光学平台，将激光光源与光纤进行耦合。由于汇聚光斑位置不定，光纤端面仅有62.5微米直径的有效接收面积以及0.22数值孔径，将激光光束耦合进光纤的过程中寻找耦合点存在极大的困难。目前无有效工具可以直接观察汇聚点所在位置以调节光纤进行耦合。传统的高功率激光器多采用人工耦合的方式，多个电流点耦合结束，常常需要耗费大量的时间，劳动强度大，耦合的良品率也很难保证。同时，由于激光器发射端出光功率很高，光纤位置略有不准，极易被击穿烧毁。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提出一种耦合精度高及耦合速度快的基于视觉引导与有源模式相结合的渐进式模式搜索耦合方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，应用于光纤耦合装置，所述光纤耦合装置包括激光器、用于固定激光器的固定底座、位于固定底座上方的垂直相机、光纤、光纤夹持组件以及位于光纤夹持组件处的水平相机，所述方法的步骤为，
步骤1，通过垂直相机对固定底座拍照，校准固定底座与垂直相机的相对位置，形成垂直相机坐标系；
步骤2，通过水平相机对固定底座标定板拍照，并利用图像处理标定技术进行水平相机标定，形成水平相机坐标系；
步骤3，对所述激光器所在的垂直相机坐标系与所述光纤夹持组件所在的水平相机坐标系进行对准；
步骤4，利用标准光功率计测量所述激光器的光功率，并记录形成标准光功率值表；
步骤5，利用积分球将激光器发出的光束转换为电流值，并记录形成测量电流值表；
步骤6，利用最小二乘法拟合所述测量电流值表与标准功率值表的线性关系，将得到的拟合参数预存至耦合控制软件中；
步骤7，通过水平相机对激光器的出光口进行拍照，确定激光器出光口的中心位置；
步骤8，将光纤的入光端接入激光器的出光口，将光纤的出光端接入积分球的入光口，调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置，完成耦合过程。
进一步具体的，在步骤1中所述固定底座上设置有标定线，所述垂直相机对标定线进行拍照定位，对所述垂直相机坐标系进行标定。
进一步具体的，在步骤2中所述固定底板上设置有标定板，所述光纤夹持组件上设置标定针，所述水平相机进行拍照标定板定位，标定针与标定板精确对位，计算标定板与标定针的相对位置，对所述水平相机坐标系进行标定。
进一步具体的，步骤S3中对准方法为，
固定激光器使其出光口朝向所述光纤夹持组件方向；
调整光纤夹持组件使得光纤的入光端对准激光器的出光口，获取所述光纤与激光器出光口中心的相对位置；
记录此时所述光纤夹持组件的位置，并将该位置作为步骤8中耦合的初始位置。
进一步具体的，步骤4中将激光器固定于固定底座上并通电，利用标准光功率计测量所述激光器的光功率，控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值所对应激光器的光功率并将该光功率设为标准光功率值，并记录形成标准光功率值表。
进一步具体的，步骤5中利用积分球接收激光器所发射的光束，并将积分球发出的光束通过光电转换的方式转换为电流值，控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值对应积分球发出光束转换为的电流值并将该电流值设为测量电流值，并记录形成测量电流值表。
进一步具体的，步骤S7中首先确定实际物理坐标系，之后对水平相机拍照所获取的图像进行处理，确定激光器出光口中心位置在水平相机坐标系内的坐标，将中心位置从水平相机坐标系向实际物理坐标系进行转换，确定该中心位置的实际物理坐标。
进一步具体的，步骤8中“调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置”的方法为，
首先确定以X、Y、Z为轴的实际物理坐标系；
设置第一测量电流值，并以该电流值为最小电流值；
以试探法粗调所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找Y轴最大耦合效率点范围；
以Y轴最大耦合效率点范围为基础在X轴、Z轴上以模式搜索法分别粗调所述光纤的坐标位置，寻找到实际物理坐标系的最大耦合效率点范围；
以实际物理坐标系的最大耦合效率点范围为基础，以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到Y轴、Z轴的最大耦合效率点位置；
以Y轴、Z轴的最大耦合效率点位置为基础，以试探法微调所述光纤X轴的坐标位置，寻找到第一测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置；
依序设置第二测量电流值至最大测量电流值，循环执行以下操作，
以上一个测量电流值获得的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置为基础，以试探法微调所述光纤在X轴的坐标位置，寻找到X轴的最大耦合效率点的坐标位置；
以X轴的最大耦合效率点的坐标位置为基础，以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到此次测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置；
根据最大测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的耦合效率，确定最佳耦合位置，所述光纤组件移动至最佳耦合位置完成耦合。
进一步具体的，所述“根据最大测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的耦合效率，确定最佳耦合位置”的方法为，
以最大测量电流值对应的实际物理坐标位置为基础，以试探法调整所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找到Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率；
以Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置为基础，以模式搜索法调整所述光纤在X轴、Z轴的坐标位置，寻找到X轴、Z轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率Pxyz；
根据公式计算耦合效率，公式为
Figure BDA0003176876660000041
其中，Pt为最大测量电流值对应的标准光功率值；
判断耦合效率η是否大于预设耦合效率阈值，若是则该处坐标位置为最佳耦合位置，若否则耦合失败继续以上述方式再次寻找。
本发明的有益效果是：利用固定底座上方垂直相机系统与光纤夹持组件水平相机系统的配合，以及积分球测量系统的使用，在激光器光纤耦合的过程中，实现光纤和激光器相对位置的自行调节，保证光纤可以高效高精度的对准激光器出光口的中心，以保证光纤可以顺利的与激光器内的发光中心对位，然后进行高精度的耦合，有效地避免在耦合过程中光纤与激光器碰撞，有效避免大功率下直接大范围耦合，损毁光纤，提高耦合效率，且降低成本。
附图说明
图1是本发明针对激光器与光纤校准的流程图；
图2是本发明耦合方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1与图2所示一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，应用于光纤耦合装置，所述光纤耦合装置包括激光器、用于固定激光器的固定底座、位于固定底座上方的垂直相机、光纤、光纤夹持组件以及位于光纤夹持组件处的水平相机，所述方法的步骤为，
步骤1，通过垂直相机对固定底座拍照，校准固定底座与垂直相机的相对位置，形成垂直相机坐标系；通过垂直相机拍摄固定底座的标定刻度线，对垂直相机坐标系进行校准。
步骤2，通过水平相机对固定底座拍照，并利用图像处理标定技术进行水平相机标定，形成水平相机坐标系；在固定底座上设置标定板，在光纤夹持组件上设置标定针，水平相机拍照记录标定板位置，标定板与标定针精确对位，计算标定针与标定板的相对位置。
上述步骤1与步骤2在耦合开始前对耦合装置进行标定校准。
步骤3，对所述激光器所在的垂直相机坐标系与所述光纤夹持组件所在的水平相机坐标系进行对准，以保证光纤与激光器出光口的中心位置精准对位。
步骤4，将激光器固定于固定底座上并通电，利用标准光功率计测量所述激光器出光口的光功率，控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值(此处为激光器通电的电流值)所对应激光器的光功率并将该光功率设为标准光功率值，并记录形成标准光功率值表。
步骤5，利用积分球接收激光器所发射的光速，同时在积分球出光口设置光电转换接口，可以直接通过该光电转换接口读取转换后的电流值；
控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值(此处为激光器通电的电流值)对应积分球发出光束转换为的电流值并将该电流值设为测量电流值，并记录形成测量电流值表。
步骤6，利用最小二乘法拟合所述测量电流值表与标准功率值表的线性关系，将得到的拟合参数预存至耦合控制软件中。
步骤7，首先确定实际物理坐标系，之后对水平相机拍照所获取的图像进行处理，确定激光器出光口中心位置在水平相机坐标系内的坐标，将中心位置从水平相机坐标系向实际物理坐标系进行转换，确定该中心位置的实际物理坐标。
步骤8，将光纤的入光端接入激光器的出光口，将光纤的出光端接入积分球的入光口，调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置，完成耦合过程。
如图2所示基于上述方法，进一步在步骤S3中调整垂直相机坐标系与水平相机坐标系对准的方法为，
第一、将激光器固定在固定底座上，使激光器的出光口朝向所述光纤夹持组件方向；
第二、调整光纤夹持组件的位置使得光纤的入光端对准激光器的出光口，获取所述光纤与激光器出光口中心的相对位置；
第三、记录此时所述光纤夹持组件的位置，并将该位置作为步骤8中耦合的初始位置。
在步骤8中“调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置”的方法为，
第一、首先确定以X、Y、Z为轴的实际物理坐标系；
第二、设置第一测量电流值，并以该电流值为最小电流值，此处的第一测量电流值仅为积分球输出的电流值，该电流值可以任意选取，但需要保证该电流值处于工作电流范围内；
第三、以试探法粗调所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找到Y轴最大耦合效率点范围作为第一范围，此处通过调节光纤夹持组件对光纤的坐标进行调节，下述调节光纤坐标位置均荣国光纤夹持组件进行；
第四、以第一范围为基础，在该第一范围内在X轴、Z轴上以模式搜索法分别粗调所述光纤的坐标位置，寻找到实际物理坐标系的最大耦合效率点范围作为第一最大范围；
第五、以第一最大范围为基础，在第一最大范围内以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到Y轴、Z轴的最大耦合效率点位置作为第一效率点位置；
第六、以第一效率点位置为基础，在第一效率点位置附近以试探法微调所述光纤X轴的坐标位置，寻找到第一测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置作为第一最大效率点位置；
第七、设置第二测量电流值；
第八、以第一最大效率点位置为基础，在第一最大效率点位置附近以试探法微调所述光纤在X轴的坐标位置，寻找到X轴的最大耦合效率点的坐标位置作为第二效率点位置；
第九、以第二效率点位置为基础，在第二效率点位置附近以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置作为第二最大效率点位置；
设置第三测量电流值，之后重复第八-第九步骤，获得第三最大效率点位置；
依次设置直至设置最大测量电流值，得到第N最大效率点位置；
根据第N最大效率点位置的耦合效率，确定最佳耦合位置，所述光纤组件移动至最佳耦合位置完成耦合。
上述中“根据第N最大效率点位置的耦合效率，确定最佳耦合位置”的方法为，
第一、以第N最大效率点位置为基础，在第N最大效率点位置附近以试探法调整所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找到Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率Py；
第二、以Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置为基础，在该坐标位置附近以模式搜索法调整所述光纤在X轴、Z轴的坐标位置，寻找到X轴、Z轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率Pxyz；
第三、根据公式计算耦合效率，公式为
Figure BDA0003176876660000081
其中，Pt为最大测量电流值对应的标准光功率值，此处通过上述的步骤6中的线性关系而得；
第四、判断耦合效率η是否大于预设耦合效率阈值，若是则该处坐标位置为最佳耦合位置，若否则耦合失败，可以再次继续以上述方式寻找。
在耦合成功之后，对激光器与光纤上电、焊接和加热固定，固化结束后，完成激光器与光纤的耦合过程；上述方法中确定最佳耦合位置主要通过光纤夹持组件将光纤移动到初始耦合位置后，激光器通电，根据设置的测量电流值读取光纤捕获的光功率值P，与对应的标准光功率至Pt进行比较，获得耦合效率η。
在该耦合方法，通过光纤夹持组件与激光器组件的配合，在激光器耦合的过程中，实现光纤和激光器盒体相对位置的自行调节，保证光纤可以高效高精度的对准激光器的出光口的中心，以保证光纤可以顺利的与发光中心对位，然后进行高精度的耦合，有效地避免在耦合过程中光纤与激光器碰撞。同时，耦合过程中，光纤在X、Y、Z三个方向上进行微量精度移动，可快速寻找最佳耦合位置。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，应用于光纤耦合装置，所述光纤耦合装置包括激光器、用于固定激光器的固定底座、位于固定底座上方的垂直相机、光纤、光纤夹持组件以及位于光纤夹持组件处的水平相机，其特征在于，所述方法的步骤为，
步骤1，通过垂直相机对固定底座拍照，校准固定底座与垂直相机的相对位置，形成垂直相机坐标系；
步骤2，通过水平相机对固定底座标定板拍照，并利用图像处理标定技术进行水平相机标定，形成水平相机坐标系；
步骤3，对所述激光器所在的垂直相机坐标系与所述光纤夹持组件所在的水平相机坐标系进行对准；
步骤4，利用标准光功率计测量所述激光器的光功率，并记录形成标准光功率值表；
步骤5，利用积分球将激光器发出的光束转换为电流值，并记录形成测量电流值表；
步骤6，利用最小二乘法拟合所述测量电流值表与标准功率值表的线性关系，将得到的拟合参数预存至耦合控制软件中；
步骤7，通过水平相机对激光器的出光口进行拍照，确定激光器出光口的中心位置；
步骤8，将光纤的入光端接入激光器的出光口，将光纤的出光端接入积分球的入光口，调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置，完成耦合过程。
2.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，在步骤1中所述固定底座上设置有标定线，所述垂直相机对标定线进行拍照定位，对所述垂直相机坐标系进行标定。
3.根据权利要求2所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，在步骤2中所述固定底座 上设置有标定板，所述光纤夹持组件上设置标定针，所述水平相机进行拍照标定板定位，标定针与标定板精确对位，计算标定板与标定针的相对位置，对所述水平相机坐标系进行标定。
4.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，步骤S3中对准方法为，
固定激光器使其出光口朝向所述光纤夹持组件方向；
调整光纤夹持组件使得光纤的入光端对准激光器的出光口，获取所述光纤与激光器出光口中心的相对位置；
记录此时所述光纤夹持组件的位置，并将该位置作为步骤8中耦合的初始位置。
5.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，步骤4中将激光器固定于固定底座上并通电，利用标准光功率计测量所述激光器的光功率，控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值所对应激光器的光功率并将该光功率设为标准光功率值，并记录形成标准光功率值表。
6.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，步骤5中利用积分球接收激光器所发射的光束，并将积分球发出的光束通过光电转换的方式转换为电流值，控制激光器的电流值从小到大变化，分别采集至少3个不同电流值对应积分球发出光束转换为的电流值并将该电流值设为测量电流值，并记录形成测量电流值表。
7.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，步骤S7中首先确定实际物理坐标系，之后对水平相机拍照所获取的图像进行处理，确定激光器出光口中心位置在水平相机坐标系内的坐标，将中心位置从水平相机坐标系向实际物理坐标系进行转换，确定该中心位置的实际物理坐标。
8.根据权利要求1所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，步骤8中“调整光纤的位置并获取最大测量电流值处光纤所处的位置”的方法为，
首先确定以X、Y、Z为轴的实际物理坐标系；
设置第一测量电流值，并以该电流值为最小电流值；
以试探法粗调所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找Y轴最大耦合效率点范围；
以Y轴最大耦合效率点范围为基础在X轴、Z轴上以模式搜索法分别粗调所述光纤的坐标位置，寻找到实际物理坐标系的最大耦合效率点范围；
以实际物理坐标系的最大耦合效率点范围为基础，以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到Y轴、Z轴的最大耦合效率点位置；
以Y轴、Z轴的最大耦合效率点位置为基础，以试探法微调所述光纤X轴的坐标位置，寻找到第一测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置；
依序设置第二测量电流值至最大测量电流值，循环执行以下操作，
以上一个测量电流值获得的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置为基础，以试探法微调所述光纤在X轴的坐标位置，寻找到X轴的最大耦合效率点的坐标位置；
以X轴的最大耦合效率点的坐标位置为基础，以模式搜索法分别微调所述光纤在Y轴、Z轴的坐标位置，寻找到此次测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的坐标位置；
根据最大测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的耦合效率，确定最佳耦合位置，所述光纤组件移动至最佳耦合位置完成耦合。
9.根据权利要求8所述的基于视觉引导与有源模式的渐进式模式搜索耦合方法，其特征在于，所述“根据最大测量电流值对应的实际物理坐标系的最大耦合效率点的耦合效率，确定最佳耦合位置”的方法为，
以最大测量电流值对应的实际物理坐标位置为基础，以试探法调整所述光纤在Y轴的坐标位置，寻找到Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率；
以Y轴方向上的最大光功率值的坐标位置为基础，以模式搜索法调整所述光纤在X轴、Z轴的坐标位置，寻找到X轴、Z轴方向上的最大光功率值的坐标位置与光功率Pxyz；
根据公式计算耦合效率，公式为
Figure FDA0003176876650000041
其中，Pt为最大测量电流值对应的标准光功率值；
判断耦合效率η是否大于预设耦合效率阈值，若是则该处坐标位置为最佳耦合位置，若否则耦合失败继续以上述方式再次寻找。
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