CN113927174A - 一种激光定点去除的金刚石平面加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光定点去除的金刚石平面加工方法及系统，包括由水平滑台电机驱动的水平单轴位移滑台、线型激光位移传感器、激光去除装置、载物平台和控制装置；首先，本发明利用实时检测金刚石表面高点区域和激光定点加工去除的方式，实现金刚石表面的精准高效非接触式加工，为金刚石表面平坦化加工提供了新方法和新装置，解决了目前行业内金刚石平面加工效率低、易损伤的难题；其次，本发明不受金刚石形状尺寸、材质类别等限制，通用性强，应用范围广；进一步的，本发明可精准控制激光加工的区域和次数，避免产生无效加工和过量加工，不仅大大提高加工效率，还可以有效降低加工成本。

Description

一种激光定点去除的金刚石平面加工方法及系统

技术领域

本发明涉及金刚石加工技术领域，尤其涉及一种激光定点去除的金刚石平面加工方法及系统。

背景技术

金刚石是集众多优异性能于一身的先进功能材料，被称为“极端材料”、“材料之王”，除具有最高的硬度外，还拥有超高热导率、极优异的化学稳定性、高光学透过性、极宽的禁带宽度、载流子迁移率大、负的电子亲合性、高绝缘性、抗辐射、击穿电压高等特殊力、热、光、电和化学等性能，是宽禁带半导体、传感器、光学窗口、高性能电极、精密加工、污水处理等众多产业急需的关键基础材料，附加值非常高，被视为21世纪最有发展前途的工程材料，在高科技领域具有广泛的应用前景。

人工合成金刚石与天然金刚石性能接近，具有极大的市场价值。金刚石在沉积过程中由于晶体沿着某些晶面择优长大，导致其生长表面凹凸不平，晶粒大小不等，而且往往还存在翘曲现象，必须进行平面加工，使表面平坦化，达到一定的面型精度，才能投入使用。单晶金刚石无不规则晶界、无脆性解离面、具有各向同性，但切割加工后表面精度差，不经加工也无法直接应用。

金刚石属于典型的难反应-难加工材料，目前应用最多的机械接触式平面加工方法，效率极低，且容易产生划痕、破碎、残余应力高等缺陷，对于未来的大尺寸金刚石片加工更是极端挑战。因此，金刚石材料的高效平坦化平面加工技术已成为阻碍其广泛应用的关键技术难题。

激光非接触式加工技术具有可加工材料广、变质影响区域小、加工精度可控性强等优越性，被广泛应用于多种材料的切割、打孔、表面改性等方面。在金刚石加工领域，激光加工技术目前多应用于切割、开槽或辅助加工，如申请号CN201910847236.1的专利，公开了一种激光原位辅助单晶金刚石典型晶面的研磨方法，利用激光法辅助机械研磨法，实现高效研磨，但该方法本质上仍是机械接触式加工，无法完全克服划痕、破碎、应力等缺陷，而且无法只利用激光加工实现表面的平坦化。

目前，行业内未见有利用激光定点去除方式来实现金刚石表面平坦化的平面加工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光定点去除的金刚石平面加工方法及系统，能够实时检测金刚石表面高点区域，利用激光对高点区域进行定点去除，实现金刚石表面高效率、高质量的非接触式平坦化加工，解决目前行业内金刚石平面加工效率低、易损伤的难题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种激光定点去除的金刚石平面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用线型激光位移传感器匀速扫描金刚石表面，获取金刚石表面数据；

步骤2：处理金刚石表面数据，获取金刚石表面初始高点区域；

步骤3：计算金刚石表面初始高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为初始高点区域的初始高度指标值；

步骤4：利用激光去除装置对步骤2中所述的金刚石表面初始高点区域进行定点烧蚀加工，其中激光去除装置的加工参数和加工次数为初始设定；

步骤5：再次利用线型激光位移传感器匀速扫描金刚石表面，并获取初加工后的金刚石表面初加工高点区域，并计算金刚石表面初加工高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为金刚石表面初加工高点区域的初加工高度指标值；

步骤6：根据初始高度指标值与初加工高度指标值之差，计算在初始设定的加工参数下，激光去除装置每次加工的去除量；进而根据金刚石表面初加工高点区域的位移高度值，计算激光去除装置的加工次数，并利用激光去除装置以此加工次数对初加工后的金刚石表面初加工高点区域进行再加工；

步骤7：重复步骤5至步骤6，直至金刚石表面平面度符合要求。

步骤2中所述的处理金刚石表面数据，获取金刚石表面初始高点区域的方法为：

步骤2.1：利用线型激光位移传感器的运动速率v、采样频率f和直线点间隔r的参数信息绘制金刚石表面的三维形貌图，具体的：

金刚石表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)为：x_i＝r·i，

z_i＝z_i；其中，z_i为线型激光位移传感器采集到的金刚石表面i点的高度信息；根据金刚石表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)构建金刚石表面的三维形貌图的图像矩阵；

步骤2.2：利用频率分布分析法对图像矩阵按z_i均等区间分组，选择z_i最大的分组，并获取该分组内的所有数据点；

步骤2.3：针对分组筛选出的数据点，计算所有筛选出的数据点的坐标的均值，定义为均值坐标，然后计算筛选出的每个数据点坐标与均值坐标的距离，并计算筛选出的数据点中相邻数据点构成的各块连通区域的面积，所述的相邻数据点为坐标相邻的数据点，设定与均值坐标距离值阈值以及连通面积阈值，将与均值坐标距离值大于均值坐标距离值阈值和连通面积小于连通面积阈值的离散数据点筛除；

步骤2.4：针对筛除过离散数据点后剩余的数据点进行边界搜索，获取金刚石表面初始高点的边界点，由边界点围合成的区域即为金刚石表面初始高点区域；具体的：

步骤2.4.1：对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析，找到每行坐标y值最大、最小的两个点，定义为x方向边界点，若x方向边界点能构成闭合区域，则进入进入空洞边界点搜索，若x方向边界点不能构成闭合区域，则进入步骤2.4.2；

步骤2.4.2：对剩余的数据点沿坐标y方向进行逐列分析，找到每列坐标x值最大、最小的两个点，定义为y方向边界点；

步骤2.4.3：去除x方向边界点和y方向边界点中重合的边界点，由剩余边界点围合而成的区域即为金刚石表面初始高点区域。

所述的步骤2.1与步骤2.2之间还包括以下步骤：

对步骤2.1中所述的图像矩阵进行预处理，剔除图像矩阵中z_i的异常噪点数据并进行插值替代，具体的：

设定滑动窗口和极值差阈值，利用双向滑动限幅滤波算法对图像矩阵中的z_i进行逐行、逐列的滤波，去除窗口内z_i数据极差值超过极值差阈值的z_i的异常噪点数据，对去除的z_i的异常噪点数据进行插值替代，插值算法采用线性插值算法。

所述的步骤2.4.2和步骤2.4.3之间还存在以下步骤：

如果剩余的数据点分布范围内存在空洞区域，则在步骤2.4.2之后，还需要对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析或沿坐标y方向进行逐列分析，找到每行或者每列坐标不连续的两个点，定义为空洞边界点，空洞边界点围合而成的区域即为空洞区域。

一种激光定点去除的金刚石平面加工系统，包括:

由水平滑台电机驱动的水平单轴位移滑台，所述的水平单轴位移滑台用于固定线型激光位移传感器和激光去除装置，并使线型激光位移传感器和激光去除装置在其轴上水平滑动；

线型激光位移传感器，所述的线型激光位移传感器用于扫描金刚石表面，并获取金刚石表面数据；

激光去除装置，所述的激光去除装置用于烧蚀加工金刚石表面；

载物平台，所述的载物平台用于承载金刚石；

控制装置，所述的控制装置用于控制水平单轴位移滑台、线型激光位移传感器和激光去除装置动作。

所述的激光去除装置包括第一激光组件单元和第二激光组件单元，所述的第一激光组件单元、线型激光位移传感器和第二激光组件单元由左至右依次固定在所述的水平单轴位移滑台的轴上；所述的线型激光位移传感器向左方运动扫描金刚石表面后，利用所述的第二激光组件单元烧蚀加工金刚石表面，所述的线型激光位移传感器向右方运动扫描金刚石表面后，利用所述的第一激光组件单元烧蚀加工金刚石表面。

还包括由竖直滑台电机驱动的竖直单轴位移滑台，所述的竖直单轴位移滑台用于驱动所述的载物平台在竖直方向运动。

所述的第一激光组件单元和第二激光组件单元相同；均包括激光器、扩束镜、反射棱镜、振镜和聚焦透镜。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

首先，本发明利用实时检测金刚石表面高点区域和激光定点加工去除的方式，实现金刚石表面的精准高效非接触式加工，为金刚石表面平坦化加工提供了新方法和新装置，解决了目前行业内金刚石平面加工效率低、易损伤的难题；

其次，本发明不受金刚石形状尺寸、材质类别等限制，通用性强，应用范围广；

进一步的，本发明可精准控制激光加工的区域和次数，避免产生无效加工和过量加工，不仅大大提高加工效率，还可以有效降低加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明的方法流程图；

图2为本发明的结构示意图。

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。

如图1所示：本发明所述的一种激光定点去除的金刚石9平面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用线型激光位移传感器2匀速扫描金刚石9表面，获取金刚石9表面数据；

步骤2：处理金刚石9表面数据，获取金刚石9表面初始高点区域；具体包括以下步骤：

步骤2.1：利用线型激光位移传感器2的运动速率v、采样频率f和直线点间隔r的参数信息绘制金刚石9表面的三维形貌图，具体的：

金刚石9表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)为：x_i＝r·i，

z_i＝z_i；其中，z_i为线型激光位移传感器2采集到的金刚石9表面i点的高度信息；根据金刚石9表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)构建金刚石9表面的三维形貌图的图像矩阵；

对步骤2.1中所述的图像矩阵进行预处理，剔除图像矩阵中z_i的异常噪点数据并进行插值替代，具体的：

设定滑动窗口和极值差阈值，利用双向滑动限幅滤波算法对图像矩阵中的z_i进行逐行、逐列的滤波，去除窗口内z_i数据极差值超过极值差阈值的z_i的异常噪点数据，对去除的z_i的异常噪点数据进行插值替代，插值算法采用线性插值算法；

步骤2.2：利用频率分布分析法对图像矩阵按z_i均等区间分组，选择z_i最大的分组，并获取该分组内的所有数据点，z_i最大的分组所构成的区域即为金刚石9表面较高的区域，当然的，金刚石9表面可能存在多个高点，金刚石9表面较高的区域可能为多个区域；

步骤2.3：针对分组筛选出的数据点，计算所有筛选出的数据点的坐标的均值，定义为均值坐标，然后计算筛选出的每个数据点坐标与均值坐标的距离，并计算筛选出的数据点中相邻数据点构成的各块连通区域的面积，所述的相邻数据点为坐标相邻的数据点，设定与均值坐标距离值阈值以及连通面积阈值，将与均值坐标距离值大于均值坐标距离值阈值和连通面积小于连通面积阈值的离散数据点筛除；

步骤2.4：针对筛除过离散数据点后剩余的数据点进行边界搜索，获取金刚石9表面初始高点的边界点，由边界点围合成的区域即为金刚石9表面初始高点区域；具体的：

步骤2.4.1：对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析，找到每行坐标y值最大、最小的两个点，定义为x方向边界点，若x方向边界点能构成闭合区域，则进入空洞边界点搜索，若x方向边界点不能构成闭合区域，则进入步骤2.4.2；

步骤2.4.2：对剩余的数据点沿坐标y方向进行逐列分析，找到每列坐标x值最大、最小的两个点，定义为y方向边界点；

进一步的，如果剩余的数据点分布范围内存在空洞区域，比如金刚石9表面较高的区域中有凹陷部位，则在步骤2.4.2之后，还需要对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析或沿坐标y方向进行逐列分析，找到每行或者每列坐标不连续的两个点，即凹陷区域的边界点，定义为空洞边界点，空洞边界点围合而成的区域即为空洞区域；

步骤2.4.3：去除x方向边界点和y方向边界点中重合的边界点，由剩余边界点围合而成的区域即为金刚石9表面初始高点区域；其中，由于空洞边界点的存在，剩余边界点围合而成的金刚石9表面初始高点区域将自动剔除空洞区域，保证金刚石9表面初始高点区域的准确性；

步骤3：计算金刚石9表面初始高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为初始高点区域的初始高度指标值；

步骤4：利用激光去除装置对步骤2中所述的金刚石9表面初始高点区域进行定点烧蚀加工，其中激光去除装置的加工参数和加工次数为初始设定，初始设定时，加工参数可根据经验值设定，加工次数可设置较少的次数，防止去除量过多；

步骤5：再次利用线型激光位移传感器2匀速扫描金刚石9表面，并获取初加工后的金刚石9表面初加工高点区域，具体的，获取初加工后的金刚石9表面初加工高点区域的方法可采用步骤2的方法，并计算金刚石9表面初加工高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为金刚石9表面初加工高点区域的初加工高度指标值；

步骤6：根据初始高度指标值与初加工高度指标值之差，计算在初始设定的加工参数下，激光去除装置每次加工的去除量；进而根据金刚石9表面初加工高点区域的位移高度值，计算激光去除装置的加工次数，并利用激光去除装置以此加工次数对初加工后的金刚石9表面初加工高点区域进行再加工；

步骤7：重复步骤5至步骤6，直至金刚石9表面平面度符合要求。

如图2所示：本发明所述的一种激光定点去除的金刚石9平面加工系统，包括:

由水平滑台电机5驱动的水平单轴位移滑台4，所述的水平单轴位移滑台4用于固定线型激光位移传感器2和激光去除装置，并使线型激光位移传感器2和激光去除装置在其轴上水平滑动；

线型激光位移传感器2，所述的线型激光位移传感器2用于扫描金刚石9表面，并获取金刚石9表面数据；

激光去除装置，所述的激光去除装置用于烧蚀加工金刚石9表面；

载物平台6，所述的载物平台6用于承载金刚石9；

控制装置，所述的控制装置用于控制水平单轴位移滑台4、线型激光位移传感器2和激光去除装置动作。

优选的：所述的激光去除装置包括第一激光组件单元1和第二激光组件单元3，所述的第一激光组件单元1、线型激光位移传感器2和第二激光组件单元3由左至右依次固定在所述的水平单轴位移滑台4的轴上；所述的线型激光位移传感器2向左方运动扫描金刚石9表面后，利用所述的第二激光组件单元3烧蚀加工金刚石9表面，所述的线型激光位移传感器2向右方运动扫描金刚石9表面后，利用所述的第一激光组件单元1烧蚀加工金刚石9表面。

优选的：还包括由竖直滑台电机8驱动的竖直单轴位移滑台7，所述的竖直单轴位移滑台7用于驱动所述的载物平台6在竖直方向运动。

优选的：所述的第一激光组件单元1和第二激光组件单元3相同；均包括激光器11、扩束镜12、反射棱镜13、振镜14和聚焦透镜15。

利用本发明所述的一种激光定点去除的金刚石9平面加工系统进行本发明所述的一种激光定点去除的金刚石9平面加工方法时，首先通过控制装置设置水平单轴位移滑台4的运动速率以及第一激光组件单元1和第二激光组件单元3的加工参数，初始位置可为第一激光组件单元1位于金刚石9正上方，然后控制竖直单轴位移滑台7带动载物平台6和金刚石9运动，使第一激光组件系统1发射的激光束聚焦在金刚石9表面，进行步骤1时，可控制水平单轴位移滑台4使线型激光位移传感器2向左运动扫描金刚石9表面，扫描完毕后第二激光组件单元3位于金刚石9正上方，然后利用第二激光组件单元3对金刚石9表面进行初加工；进一步的，步骤5时，可控制水平单轴位移滑台4使线型激光位移传感器2向右运动扫描金刚石9表面，扫描完毕后第一激光组件单元3位于金刚石9正上方，然后利用第一激光组件单元1对金刚石9表面进行再加工，有效的提高了加工速率。

本发明的有益效果为：

首先，本发明利用实时检测金刚石9表面高点区域和激光定点加工去除的方式，实现金刚石9表面的精准高效非接触式加工，为金刚石9表面平坦化加工提供了新方法和新装置，解决了目前行业内金刚石9平面加工效率低、易损伤的难题；

其次，本发明不受金刚石9形状尺寸、材质类别等限制，通用性强，应用范围广；

进一步的，本发明可精准控制激光加工的区域和次数，避免产生无效加工和过量加工，不仅大大提高加工效率，还可以有效降低加工成本。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种激光定点去除的金刚石平面加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：利用线型激光位移传感器匀速扫描金刚石表面，获取金刚石表面数据；

步骤2：处理金刚石表面数据，获取金刚石表面初始高点区域；

步骤3：计算金刚石表面初始高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为初始高点区域的初始高度指标值；

步骤4：利用激光去除装置对步骤2中所述的金刚石表面初始高点区域进行定点烧蚀加工，其中激光去除装置的加工参数和加工次数为初始设定；

步骤5：再次利用线型激光位移传感器匀速扫描金刚石表面，并获取初加工后的金刚石表面初加工高点区域，并计算金刚石表面初加工高点区域内所有数据点的位移高度值的平均值，作为金刚石表面初加工高点区域的初加工高度指标值；

步骤6：根据初始高度指标值与初加工高度指标值之差，计算在初始设定的加工参数下，激光去除装置每次加工的去除量；进而根据金刚石表面初加工高点区域的位移高度值，计算激光去除装置的加工次数，并利用激光去除装置以此加工次数对初加工后的金刚石表面初加工高点区域进行再加工；

步骤7：重复步骤5至步骤6，其中，计算上次检测的高度指标值与本次检测的高度指标值之差作为下次加工参考量，直至金刚石表面平面度符合要求。

2.根据权利要求1所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工方法，其特征在于：步骤2中所述的处理金刚石表面数据，获取金刚石表面初始高点区域的方法为：

步骤2.1：利用线型激光位移传感器的运动速率v、采样频率f和直线点间隔r的参数信息绘制金刚石表面的三维形貌图，具体的：

金刚石表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)为：x_i＝r·i，

z_i＝z_i；其中，z_i为线型激光位移传感器采集到的金刚石表面i点的高度信息；根据金刚石表面的任一点i的三维坐标信息(x_i，y_i，z_i)构建金刚石表面的三维形貌图的图像矩阵；

步骤2.2：利用频率分布分析法对图像矩阵按z_i均等区间分组，选择z_i最大的分组，并获取该分组内的所有数据点；

步骤2.3：针对分组筛选出的数据点，计算所有筛选出的数据点的坐标的均值，定义为均值坐标，然后计算筛选出的每个数据点坐标与均值坐标的距离，并计算筛选出的数据点中相邻数据点构成的各块连通区域的面积，所述的相邻数据点为坐标相邻的数据点，设定与均值坐标距离值阈值以及连通面积阈值，将与均值坐标距离值大于均值坐标距离值阈值和连通面积小于连通面积阈值的离散数据点筛除；

步骤2.4：针对筛除过离散数据点后剩余的数据点进行边界搜索，获取金刚石表面初始高点的边界点，由边界点围合成的区域即为金刚石表面初始高点区域；具体的：

步骤2.4.1：对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析，找到每行坐标y值最大、最小的两个点，定义为x方向边界点，若x方向边界点能构成闭合区域，则进入空洞边界点搜索，若x方向边界点不能构成闭合区域，则进入步骤2.4.2；

步骤2.4.2：对剩余的数据点沿坐标y方向进行逐列分析，找到每列坐标x值最大、最小的两个点，定义为y方向边界点；

步骤2.4.3：去除x方向边界点和y方向边界点中重合的边界点，由剩余边界点围合而成的区域即为金刚石表面初始高点区域。

3.根据权利要求2所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工方法，其特征在于：所述的步骤2.1与步骤2.2之间还包括以下步骤：

对步骤2.1中所述的图像矩阵进行预处理，剔除图像矩阵中z_i的异常噪点数据并进行插值替代，具体的：

设定滑动窗口和极值差阈值，利用双向滑动限幅滤波算法对图像矩阵中的z_i进行逐行、逐列的滤波，去除窗口内z_i数据极差值超过极值差阈值的z_i的异常噪点数据，对去除的z_i的异常噪点数据进行插值替代，插值算法采用线性插值算法。

4.根据权利要求3所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工方法，其特征在于：所述的步骤2.4.2和步骤2.4.3之间还存在以下步骤：

如果剩余的数据点分布范围内存在空洞区域，则在步骤2.4.2之后，还需要对剩余的数据点沿坐标x方向进行逐行分析或沿坐标y方向进行逐列分析，找到每行或者每列坐标不连续的两个点，定义为空洞边界点，空洞边界点围合而成的区域即为空洞区域。

5.一种激光定点去除的金刚石平面加工系统，其特征在于,包括:

由水平滑台电机驱动的水平单轴位移滑台，所述的水平单轴位移滑台用于固定线型激光位移传感器和激光去除装置，并使线型激光位移传感器和激光去除装置在其轴上水平滑动；

线型激光位移传感器，所述的线型激光位移传感器用于扫描金刚石表面，并获取金刚石表面数据；

激光去除装置，所述的激光去除装置用于烧蚀加工金刚石表面；

载物平台，所述的载物平台用于承载金刚石；

控制装置，所述的控制装置用于控制水平单轴位移滑台、线型激光位移传感器和激光去除装置动作。

6.根据权利要求5所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工系统，其特征在于：所述的激光去除装置包括第一激光组件单元和第二激光组件单元，所述的第一激光组件单元、线型激光位移传感器和第二激光组件单元由左至右依次固定在所述的水平单轴位移滑台的轴上；所述的线型激光位移传感器向左方运动扫描金刚石表面后，利用所述的第二激光组件单元烧蚀加工金刚石表面，所述的线型激光位移传感器向右方运动扫描金刚石表面后，利用所述的第一激光组件单元烧蚀加工金刚石表面。

7.根据权利要求6所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工系统，其特征在于：还包括由竖直滑台电机驱动的竖直单轴位移滑台，所述的竖直单轴位移滑台用于驱动所述的载物平台在竖直方向运动。

8.根据权利要求7所述的一种激光定点去除的金刚石平面加工系统，其特征在于：所述的第一激光组件单元和第二激光组件单元相同；均包括激光器、扩束镜、反射棱镜、振镜和聚焦透镜。

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