CN114054941A - 振镜校准板及装置和振镜校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种振镜校准板及装置和振镜校准方法，该振镜校准板包括校准单元，校准单元包括基板，基板上设置有贯穿孔；基板的上表面设置有激光反射区，激光反射区环绕设置在贯穿孔周围。本发明提供了一种校准时间短以及动化程度高的振镜校准板及装置和振镜校准方法。

Description

振镜校准板及装置和振镜校准方法

技术领域

本发明涉及3D打印领域，尤其涉及一种振镜校准板及装置和振镜校准方法。

背景技术

在激光加工工艺中，振镜式扫描系统由于其操作简单，精度高而被广泛应用，以激光3D打印SLM为例，不论是单振镜设备还是多振镜设备，设备的震动、振镜老化、工作环境温度的改变等原因都会导致振镜精度不良，因此SLM设备需要频繁的校正振镜的精度，目前振镜校准主要是通过“十”字测量法，即通过在白贴纸或其他平板上扫描出“十”字等间距阵列，通过如2次元、扫描仪、CCD相机等测量工具测出“十”字阵列的实际位置，然后和理论位置对比，得出各“十”字点的位置偏差，生成校准文件，迭代2～3次，完成振镜的校准。其他的方法也大多是在此方法上的改进。现有的校正方式大多存在以下不足：

1)耗时长：“十”字测量法的校准精度由测量仪器决定，而高精度的测量仪器如光学影像测量仪，测量一版4振镜的“十”字阵列需要半小时左右，总体测量时间接近一小时以上。且测量耗时随着振镜数量与幅面的扩大近指数的增加，显然不满足如今大设备的校准效率。

2)自动化难度高：“十”字测量法需要大量的人工的参与，自动化难度大，测量仪器成本较高，不适宜自动化程度要求高的使用场景。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种校准时间短以及动化程度高的振镜校准板及装置和振镜校准方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种振镜校准板，其特征在于：所述振镜校准板包括校准单元，所述校准单元包括基板，所述基板上设置有贯穿孔；所述基板的上表面设置有激光反射区，所述激光反射区环绕设置在贯穿孔周围。

上述激光反射区的中心点与贯穿孔的圆心相同。

上述激光反射区是由抗激光损伤材料制备而成的漫反射器件。

上述激光反射区是银片、铝片、铝箔纸或锡箔纸。

上述校准单元还包括激光吸收层；所述激光吸收层填充在贯穿孔内，或者，所述激光吸收层设置在基板底部并覆盖在贯穿孔上；所述激光吸收层是由激光吸收材料制备而成，或涂覆有激光吸收材料的器件。

上述校准单元是多个，多个校准单元矩阵式排列。

一种振镜校准装置，其特征在于：所述振镜校准装置包括激光发生器、探测器以及如前所述的振镜校准板；所述激光发生器产生的激光经待校准振镜后入射至振镜校准板的各校准单元上并形成反射激光及透射激光；所述探测器置于反射激光所在光路上。

一种振镜校准方法，其特征在于：所述振镜校准方法包括以下步骤：

1)制作如前所述的振镜校准板；

2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，在振镜坐标系中将振镜校准板上各个贯穿孔的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A；

3)以圆心坐标阵列A为基础，开启如前所述的振镜校准装置，同时控制振镜对振镜校准板进行扫描，拟合后得到中心坐标阵列B；

4)获取圆心坐标阵列A和中心坐标阵列B之间的偏差矩阵C，所述C＝B-A；

5)基于偏差矩阵C对振镜进行校准。

上述步骤2)具体包括：

2.1)获取振镜校准板上相邻两个校准单元之间的距离d，获取每个校准单元上贯穿孔的孔内径D1；

2.2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，将振镜校准板上任一贯穿孔的圆心作为振镜坐标系的原点；

2.3)根据相邻两个校准单元之间的距离d获得振镜校准板上剩余贯穿孔的圆心坐标；

2.4)将各个贯穿孔的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A。

上述步骤3)具体包括：

3.1)开启如前所述的振镜校准装置并产生激光；

3.2)控制振镜分别以所述各个贯穿孔的圆心为扫描圆心、以D2为扫描半径进行扫描；所述D2＞D1，优选的，所述扫描是直线型扫描或Z字形扫描；

3.3)激光分别入射至振镜校准板上每个校准单元，形成反射激光及透射激光；

3.4)根据反射激光及透射激光的类型形成由数字0和数字1组成的01扫描图；所述01扫描图中的数字0是由透光激光产生；所述01扫描图中的数字1是反射激光入射至探测器后所产生；

3.5)对01扫描图进行拟合得到以数字0组成的区域的中心，将这些中心的坐标阵列记为中心坐标阵列B，优选的，所述拟合方式包括最小二乘法、多项式拟合以及对数曲线拟合。

本发明的优点是：

本发明提供了一种振镜校准板及装置和振镜校准方法，其中，振镜校准板包括校准单元，校准单元包括基板，基板上设置有贯穿孔；基板的上表面设置有激光反射区，激光反射区环绕设置在贯穿孔周围；通过校准单元上的贯穿孔获得圆心坐标阵列A，以圆心坐标阵列A为基础，通过扫描及拟合的方式，得到实际扫描后所产生的中心坐标阵列B，最后通过B-A得到偏差矩阵C，基于偏差矩阵C进行振镜校准。本发明是制作标准校正版，能快速有效校正振镜坐标，并且不需要额外昂贵的测量仪器，得出的偏差值可以通过软件系统直接反馈至振镜校正单元，与其他振镜校正方法相比能节省大量人力物力。

附图说明

图1是本发明所提供的振镜校准装置的原理示意图；

图2是本发明所采用的校准板的结构示意图；

图3是本发明所采用的校准单元的俯视结构示意图；

图4是本发明所采用的校准单元的正视剖视结构示意图；

图5是基于本发明的校准单元所得到的激光扫描穿孔辐射信号图；

图6是本发明对校准板的扫描图；

图7是本发明所提供的振镜校准方法的流程图；

其中：

1-振镜校准板；2-校准单元；21-贯穿孔；22-激光反射区；23-激光吸收层；24-基板；3-激光；4-场镜；5-探测器；6-打印焦平面。

具体实施方式

参见图3以及图4，本发明提供了一种振镜校准板，振镜校准板包括校准单元2，校准单元2包括基板24，基板24上设置有贯穿孔21；基板24的上表面设置有激光反射区22，激光反射区22环绕设置在贯穿孔21周围；激光反射区22的中心点与贯穿孔21圆心相同；激光反射区22是由抗激光损伤材料制备而成的漫反射器件；激光反射区22是银片、铝片、铝箔纸或锡箔纸，示例性的，本发明优先采用铝片。参见图3以及图4，校准单元2还包括设置在基板24底部并覆盖贯穿孔21的激光吸收层23；激光吸收层23填充在贯穿孔内，或者，激光吸收层23设置在基板底部并覆盖在贯穿孔上；激光吸收层23是由激光吸收材料或可吸收激光的物质制备而成，或涂覆有激光吸收材料的器件。校准单元2是多个，多个校准单元2矩阵式排列。

如图1所示，在振镜校准时，将较低功率且稳定输出的激光在校准单元2内扫描，贯穿孔21的形状规则且边缘锐利。校准单元2上的贯穿孔21周围的区域是由抗激光损伤材料(例如银、铝等)制成的漫反射器件。如图5所示，当扫描至贯穿孔21时，激光3透过贯穿孔21后，被基板24底部的激光吸收层23(例如黑色的碳等激光吸收剂)吸收后不产生反射，探测器5几乎接收不到辐射激光，此时，将扫描反馈信号记为“0”；当激光3扫描激光反射区22时，激光3照射在激光反射区22的反射物质上，探测器5接收到较多辐射激光，此时，将扫描反馈信号记为“1”。当然，激光3本身会产生衍射，因此扫描至贯穿孔21边缘处也会有部分衍射激光反射，探测器5也会接收到部分反射光，前期试验阶段测试出衍射分量的影响，得到判断阈值，接收器5接收大于此阈值时，将扫描反馈信号记为“1”，小于此阈值时，将扫描反馈信号记为“0”。

参见图1和图2，本发明还提供了一种基于如前所记载的振镜校准板而形成的振镜校准装置，振镜校准装置包括激光发生器、探测器5以及振镜校准板1；激光发生器产生的激光3经待校准振镜后入射至振镜校准板1的各校准单元2上并形成反射激光及透射激光；探测器5置于反射激光所在光路上。激光发生器是低功率激光发生器。振镜校准装置还包括设置在待校准振镜和振镜校准板1之间的场镜4。

如图7所示，本发明还提供了一种基于如前所记载的振镜校准装置对振镜进行的振镜校准方法，以贯穿孔21和激光反射区22均为圆形为例(当然贯穿孔21和激光反射区22可以是其他任意形状，只要激光反射区22的中心点与贯穿孔21圆心相同即可)，对本发明所提供的振镜校准方法进行详细说明，该方法包括以下步骤：

1)根据如上所记载的内容制作振镜校准板1；振镜校准板1包括多个以阵列排布的校准单元2，每个校准单元2的结构及尺寸均是相同的或是不同的；

2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，在振镜坐标系中将振镜校准板1上各个贯穿孔21的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A，具体包括如下内容：

2.1)获取振镜校准板1上相邻两个校准单元2之间的距离d，获取每个校准单元2上贯穿孔21的孔内径D1；

2.2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，将振镜校准板1上任一贯穿孔21的圆心作为振镜坐标系的原点；

2.3)根据相邻两个校准单元2之间的距离d获得振镜校准板1上剩余贯穿孔21的圆心坐标；

2.4)将各个贯穿孔21的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A，其中；圆心坐标阵列A的表达式是：

3)以圆心坐标阵列A为基础，开启如图1所展示的振镜校准装置，同时控制振镜对振镜校准板1进行扫描，拟合后得到中心坐标阵列B，具体包括如下内容：

3.1)开启如前所记载的振镜校准装置，并产生激光3；

3.2)控制振镜分别以各个贯穿孔21的圆心为扫描圆心、以D2为扫描半径进行扫描；其中，D2＞D1，优选的，扫描是直线型扫描或Z字形扫描；

3.3)激光分别入射至振镜校准板1上每个校准单元2，形成反射激光及透射激光；

3.4)根据反射激光及透射激光的类型形成由数字0和数字1组成的01扫描图；01扫描图中的数字0是由透光激光产生(当激光3扫描并穿过贯穿孔21时，探测器5输出扫描反馈信号为“0”)；01扫描图中的数字1是反射激光入射至探测器后所产生(当激光3扫描至激光反射区22时，探测器5输出扫描反馈信号是“1”)；

3.5)对01扫描图进行拟合得到以数字0组成的区域的中心，将这些中心的坐标阵列记为中心坐标阵列B，优选的，拟合方式包括最小二乘法、多项式拟合以及对数曲线拟合，其中，中心坐标阵列B的表达式是：

4)获取圆心坐标阵列A和中心坐标阵列B之间的偏差矩阵C，C＝B-A，偏差矩阵C的表达式是：

5)基于偏差矩阵C对振镜进行校准，具体是：判断偏差矩阵C与预设值的关系，若偏差矩阵C大于预设值，则将偏差矩阵C反馈只振镜控制系统中对振镜进行校准；若偏差矩阵C不大于预设值，则结束对振镜的校准。

在本申请实施例中，基于偏差矩阵C可生成校准文件，使得振镜控制模块基于校准文件对振镜进行校准。

示例性的，如图6所示，是一版3×3的振镜校准板1及扫描结果，其中实线圆为振镜校准板1上等间距(间距是d)排布的贯穿孔21(孔半径是D1)，虚线圆(半径是D2)为激光扫描圆形区域阵列。在具体实施时，首先基于振镜坐标建立的振镜坐标系，振镜校准板1的中心贯穿孔21的圆心与振镜坐标系的原点一致。根据相邻实线圆之间的d，可以得到其余8个贯穿孔21的圆心坐标，在振镜坐标系中各个贯穿孔21的圆心坐标阵列记为A；以上面各个圆心坐标为圆心，分别扫描9个半径为D2的圆形区域(如图6所示的虚线圆)，D2＞D1，各个虚线圆中可以按照直线型或Z字形扫描，此时探测器基于接收到的激光反馈0或1，根据生成的01图拟合(例如最小二乘法、多项式拟合、对数曲线拟合等方法)得到0组成的区域的中心，将这些中心的坐标阵列记为B；最后通过B-A得到偏差矩阵C，基于偏差矩阵C进行振镜校准。

当然，本发明所提供的校准方法中，还可以将振镜校准装置替换为动态聚焦控制激光，将校准文件反馈给动态聚焦透镜的控制卡；或者还可以通过空间光调制器控制激光，这种情况下，将校准文件反馈给控制空间光调制器的FPGA单元，使得FPGA单元基于校准文件对空间光调制器进行校准。

此外，由于激光3经反射物质(例如本方案中的激光反射区22)反射回探测器5需要一定时间，探测器5接收到反射光反馈出输出扫描反馈信号也有一定的时延，针对不同的设备要提前实验验证这套系统的时延，输出扫描反馈信号集时应补偿整体的时延量，减小误差。

Claims (10)

1.一种振镜校准板，其特征在于：所述振镜校准板包括校准单元(2)，所述校准单元(2)包括基板(24)，所述基板(24)上设置有贯穿孔(21)；所述基板(24)的上表面设置有激光反射区(22)，所述激光反射区(22)环绕设置在贯穿孔(21)周围。

2.根据权利要求1所述的振镜校准板，其特征在于：所述激光反射区(22)的中心点与贯穿孔(21)的圆心相同。

3.根据权利要求2所述的振镜校准板，其特征在于：所述激光反射区(22)是由抗激光损伤材料制备而成的漫反射器件。

4.根据权利要求3所述的振镜校准板，其特征在于：所述激光反射区(22)是银片、铝片、铝箔纸或锡箔纸。

5.根据权利要求1-4任一项所述的振镜校准板，其特征在于：所述校准单元(2)还包括激光吸收层(23)；所述激光吸收层(23)填充在贯穿孔(21)内，或者，所述激光吸收层(23)设置在基板(24)底部并覆盖在贯穿孔(21)上；所述激光吸收层(23)是由激光吸收材料制备而成，或涂覆有激光吸收材料的器件。

6.根据权利要求5所述的振镜校准板，其特征在于：所述校准单元(2)是多个，多个校准单元(2)矩阵式排列。

7.一种振镜校准装置，其特征在于：所述振镜校准装置包括激光发生器、探测器(5)以及如权利要求1-6任一项所述的振镜校准板(1)；所述激光发生器产生的激光(3)经待校准振镜后入射至振镜校准板(1)的各校准单元(2)上并形成反射激光及透射激光；所述探测器(5)置于反射激光所在光路上。

8.一种振镜校准方法，其特征在于：所述振镜校准方法包括以下步骤：

1)制作如权利要求6所述的振镜校准板(1)；

2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，在振镜坐标系中将振镜校准板(1)上各个贯穿孔(21)的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A；

3)以圆心坐标阵列A为基础，开启如权利要求7所述的振镜校准装置，同时控制振镜对振镜校准板(1)进行扫描，拟合后得到中心坐标阵列B；

4)获取圆心坐标阵列A和中心坐标阵列B之间的偏差矩阵C，所述C＝B-A；

5)基于偏差矩阵C对振镜进行校准。

9.根据权利要求8所述的振镜校准方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括：

2.1)获取振镜校准板(1)上相邻两个校准单元(2)之间的距离d，获取每个校准单元(2)上贯穿孔(21)的孔内径D1；

2.2)基于振镜坐标建立振镜坐标系，将振镜校准板(1)上任一贯穿孔(21)的圆心作为振镜坐标系的原点；

2.3)根据相邻两个校准单元(2)之间的距离d获得振镜校准板(1)上剩余贯穿孔(21)的圆心坐标；

2.4)将各个贯穿孔(21)的圆心坐标阵列记为圆心坐标阵列A。

10.根据权利要求9所述的振镜校准方法，其特征在于：所述步骤3)具体包括：

3.1)开启如权利要求7所述的振镜校准装置并产生激光；

3.2)控制振镜分别以所述各个贯穿孔(21)的圆心为扫描圆心、以D2为扫描半径进行扫描；所述D2＞D1，优选的，所述扫描是直线型扫描或Z字形扫描；

3.3)激光分别入射至振镜校准板(1)上每个校准单元(2)，形成反射激光及透射激光；

3.4)根据反射激光及透射激光的类型形成由数字0和数字1组成的01扫描图；所述01扫描图中的数字0是由透光激光产生；所述01扫描图中的数字1是反射激光入射至探测器后所产生；

3.5)对01扫描图进行拟合得到以数字0组成的区域的中心，将这些中心的坐标阵列记为中心坐标阵列B，优选的，所述拟合方式包括最小二乘法、多项式拟合以及对数曲线拟合。

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