CN114985908A - 一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法，系统包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。所述飞秒激光器配合光路模块可实现对微型器件的高精度加工；所述多轴运动平台可承载样品与激光焦点作相对运动，实现复杂轮廓形状的三维加工；所述微调装置可实现微型回转式谐振结构在两个水平方向的距离微调，配合视觉成像模块可实现样品精准定位。本发明也公开了一种微型回转式谐振结构的高精度加工方法，在上述系统的基础上，通过将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，实现样品与飞秒激光焦点的精准定位，结合自动控制程序为微型回转式谐振结构的高精度加工提供方法，保证了谐振结构加工后的高度三维对称性，具有操作简单，自动化程度高等特点。

Description

一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法

技术领域

本发明涉及微机械加工制造领域，尤其涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。

背景技术

陀螺仪是惯性导航系统中的核心传感器之一，适用于海陆空天等诸多领域，可在卫星拒止情况下为运载体测量角速度或姿态角，配合加速计等器件和子系统使用可提供高精度定位和导航信息。微机械振动陀螺作为陀螺仪的一个重要分支，随着惯性传感技术和微加工技术的进步，其也得到极大的发展，主要由微机械谐振结构和测控电路组成，相较于其它类型的陀螺具有精度高、结构简单、体积小、功耗小、制造成本低，且便于集成化和批量化等特点，在实际场景中已有广泛的应用基础。

微机械振动陀螺的工作原理是基于微谐振结构的科里奥利效应。现有的高性能陀螺采用的材料多为熔融石英、多晶硅、多晶金刚石等各项同性材料，且多为回转式谐振结构，具有高度的物理参数和几何结构的对称性，其对称精度直接决定陀螺的性能上限。微型回转式的谐振结构的加工制造的相关研究受到国内外科研机构的重点关注，常见的结构为圆盘式环状结构、微半球式结构等等。由于微谐振结构尺寸小、结构复杂、材料多为硬脆性透明介质，传统的机械加工方式大多并不适用，对其实现高精度的加工制造具有一定的难度。

针对圆盘式环状结构的硅谐振陀螺，如嵌套环式MEMS陀螺，采用的加工工艺为深反应离子刻蚀技术，然而该技术需要使用掩膜，对样品加工深度有一定的限制，且随着硅片厚度的增加，加工样品的深宽比不能保证，严重影响加工精度，不利于陀螺性能的提升；针对性能较高的微半球式石英谐振陀螺，其具有灵敏度放大结构，多呈现在边缘部分的圆周阵列的若干小结构，如T型块、矩形块等等，故对于初步整体成形后的谐振结构需要进一步加工，现有研究多采用加工精度高的飞秒激光技术，可实现“冷加工”。而为了按照预设轮廓形状对谐振结构进行切割释放，较多方案是将飞秒激光器与振镜系统配合使用来实现对微机械陀螺进行切割，但该系统成本较高，且常见的是实现二维加工，样品厚度方向的加工质量较难保证。且现有加工系统和方法采用的飞秒激光多为不可见光，对于确定激光焦点位置，以及对回转式的微谐振结构的装夹、定位精度并不能严格保证，会大大降低微谐振结构在加工后的三维结构对称性。若将视觉传感器、高倍物镜、高精度运动平台等功能模块，结合飞秒激光器应用于微谐振结构的加工系统中，利用飞秒激光焦点具有高空间分辨率，激光通量可控等特点，并通过机器视觉技术对激光焦点、微谐振结构精准定位，基于编写的程序控制运动平台相对激光焦点按照预设轨迹进行运动，可实现对样品的高精度加工，并保证加工质量的一致性和加工工艺的可重复性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统和方法。本发明针对现有利用飞秒激光对微型回转式谐振结构的加工过程中，激光焦点不易确定，较难保证样品的装夹、定位精度和高度三维对称性等问题，基于多轴运动平台等硬件装置，提出将机器视觉高倍成像模块与图像处理技术应用于飞秒激光加工系统，为实现微型回转谐振结构的高精度装夹、定位和加工提供方法。

(二)技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统，整个系统布置于特定实验环境中，避免一定的环境污染等影响系统的正常工作。该系统包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。

所述飞秒激光器，可发出飞秒级超短脉冲激光。将激光器连接到上位机控制模块，具有激光能量等参数可调的功能。配备有专门的制冷系统和除湿系统，使得飞秒激光器工作在一定温度和湿度条件下，保证激光系统可以长期稳定运行。

所述光路模块，布置于光学试验平台，主要包括镜架、光阑、反光镜、电控光门(配置有通讯接口)、高倍物镜。用于调整、设置和控制飞秒激光的光路，以及将飞秒激光的光束进行聚焦，方便后续对样品进行加工。

所述多轴运动平台，以光学试验平台为基准，载物台上有用于装夹样品的定位卡槽，以载物台平面及中心为参考建立空间直角坐标系(X-Y轴与载物台平面重合，Z轴垂直于载物台平面且过面中心点)，主体包括三个自动直线运动滑台，组成XYZ三轴正交的运动系统，分别控制载物台沿X轴、Y轴以及Z轴做正交直线运动；一个自动旋转滑台，控制载物台绕Z轴旋转运动；两个方向的角度翻转滑台，可承载载物台分别绕X轴和Y轴翻转一定角度。以上多个滑台组装成一个六自由度的多轴运动平台，配置有通讯接口。

所述微调装置，安装于旋转滑台和载物台之间，仍以上述X-Y-Z笛卡尔坐标系为参考，可控制载物台沿着X、Y轴两个方向做微小距离运动，实现两自由度的微调。

所述机器视觉高倍成像模块，包括两个工业CCD相机，分别用于采集微型回转式谐振结构的俯视图像和正视图像，配套有高倍物镜和标准镜头，调整光源、主光轴方向、视场以及焦距等得到清晰的图像。应用专门的固定夹具将CCD相机、物镜以及光源等安装在光学试验平台。两个工业CCD相机配置有通讯接口。

所述图像处理程序，对机器视觉传感器采集到的谐振结构局部图像进行处理，主要包括图像预处理、标记点设定、目标边缘识别和检测等，用来确定微型回转式谐振结构的偏心距离。核心程序集成在上位机中，可进行人机交互操作。

所述加工路径规划模块，配置有与上述多轴运动平台、光门以及相机等装置的通讯、控制及驱动程序，可编程实现将谐振结构的轮廓形状转化为多轴运动平台的运动轨迹，将程序编译后执行，即可进行微型回转式谐振结构的加工。

一种利用上述微型回转式谐振结构加工系统进行谐振结构高精度加工的方法，主要方式：在对样品加工时保持飞秒激光光路和焦点不动，通过多轴运动平台带动样品移动，与固定激光焦点相互作用的方式进行加工。包括步骤如下：

步骤1：完成加工系统的搭建，进行硬件和软件安装。

步骤1.1：通过调控制冷系统和除湿系统，设置飞秒激光器工作环境的温度和湿度。将飞秒激光器与上位机进行通讯连接，实现控制。通过上位机中的软件即可完成飞秒激光器开启，设置激光重复频率、激光能量参数等。

步骤1.2：对飞秒激光光路进行搭建。根据试验台布局规划，将飞秒激光器发出的激光光束依次经过用镜架装夹固定的光阑、反光镜、光门等，按照预设路径最后经过物镜垂直聚焦在样品上。

步骤1.3：组装多轴运动平台。将三个直线运动滑台、一个旋转滑台、两个角度翻转滑台按照实际需求装配起来，旋转平台旋转轴与Z轴平行，将微调装置加装在旋转平台上，最后将载物台安装在微调平台上，可将样品装夹在载物台上。通过各个滑台配置的通讯接口与上位机进行连接，实现数据交互和程序控制。

步骤1.4：根据飞秒激光光路、多轴运动平台上载物台中心位置、以及高倍物镜的轴心线位置，将俯视方向的工业CCD安装在物镜正上方的合适位置，此时高倍物镜既起到聚焦激光的作用，又配合相机起到成像的作用；由微型回转式谐振结构在载物台上的装夹位置，以及在笛卡尔坐标系中的运动范围，将正视方向的工业CCD相机装配上标准镜头安装在载物台正前方。将两相机与上位机通过数据线连接建立通讯后，调整两相机的角度、光照条件、焦距等，保证采集到清晰的微型回转式谐振结构的图像。

步骤1.5：软件程序的配置。在上述激光器、运动滑台、光门以及工业CCD相机与上位机建立通讯的基础上，基于高级编程语言在上位机中设计并运行人机交互软件，将图像处理程序、运动滑台和光门的控制程序以及加工路径规划程序集成在该软件中，从而实现上位机和各子功能模块的数据交互和自动控制。

步骤2：将载物台调水平。多轴运动平台和载物台的水平精度主要靠螺栓连接和定位孔保证，应用微型水平仪进行检验，根据观察水平仪倾斜的角度确定调整方向，通过两个角度翻转滑台进行微调，对载物台的水平度进行校准。样品可由载物台上的圆形定位卡槽进行初步定位装夹。

步骤3：飞秒激光光路准直。基于上述搭建的光路，在飞秒激光光束经过物镜聚焦在感光片上后，调整光阑孔径的大小使得该光斑为合适尺寸，适度转动反光镜镜架上的微调旋钮调整该光斑为一个完整而均匀的圆形，即可保证投射在载物台平面上的激光光束是准直的。

步骤4：对工业CCD相机进行标定。即应用合适的标定方法，确定相机采集到的图像的像素坐标系中尺寸与实际空间坐标系中尺寸之间的比例关系。

步骤5：在以上多轴运动平台和工业CCD相机装配和标定完成后，基于高级编程语言在上位机中应用图像处理方法，根据俯视相机采集的微型回转式谐振结构图像，确定谐振结构偏移旋转滑台旋转中心的方向和距离，调整微调装置实现谐振结构的高精度定位；通过俯视相机采集的激光焦点光斑图像，以及微型回转式谐振结构边缘图像，通过目标检测算法，可以确定激光焦点与样品中心的偏移方向和距离；根据正视相机采集的微型回转式谐振结构和激光焦点光斑的图像，确定激光焦点的坐标位置，方便后续激光加工路径的规划。

步骤6：根据微型回转式谐振结构的轮廓形状，使用高级编程语言编辑加工路径程序，并集成在人机交互软件中，在建立的通讯和配置的控制驱动的基础上，对多轴运动平台进行程序控制，实现对样品的自动化加工。

具体为在完成飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置以及工业CCD相机等硬件系统的搭建后，在人机交互软件系统中，通过图像处理模块的解算，控制多轴运动平台和微调装置做相应操作，可实现激光焦点、微型回转式谐振结构中心与旋转平台中心的重合，即确定飞秒激光加工起始点，再编译和执行设计的加工路径程序，即可实现对微型回转式谐振结构的高精度加工。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

(1)本发明采用工业CCD相机采集微型回转式谐振结构图像，通过应用图像处理算法对目标图像进行处理，用微调装置实现样品的高精度定位，有助于实现飞秒激光对样品的高质量加工。

(2)本发明针对微型回转式谐振结构，将飞秒激光加工技术、多轴运动平台、机器视觉技术等进行综合应用，通过控制飞秒激光的相关参数，并实现对样品的高精度定位装夹，使得该系统和方法可适用于不同材料、具有较复杂轮廓形状的小尺寸谐振结构，并能保证加工样品的高度三维对称性。

(3)本发明针对微型回转式谐振结构的加工系统和方法，建立了上位机和多个下位机的通讯连接，可对下位机进行编程控制，实现了人机软件交互和加工路径程序化，提高了整个系统和加工方法的自动化程度和操作便捷性，具有一定的可控性和可重复性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中提供的加工系统示意图。

图2为本发明实施例中操作流程图：整个系统的使用方法说明。

图3为本发明实施例中提供的熔融石英微半球谐振结构示意图。

图4为本发明实施例中提供的正视方向相机采集的，飞秒激光空气电离点及标记后的图像。

图5为本发明实施例中提供的微半球谐振结构装夹后，俯视方向相机采集到的谐振结构局部放大图像。

图6为本发明实施例中提供，微半球谐振结构中心与旋转平台旋转中心调整成同轴的过程示意图。

图7为本发明实施例中提供，微半球谐振结构中心与激光焦点调整成同轴的过程示意图。

图例说明：

1：飞秒激光器；2：上位机：3：通讯控制线；4：反光镜；5：俯视方向工业CCD相机；6：固定支架；7：电控光门；8：物镜；9：微半球谐振结构；10：载物台；11：微调装置；12：Z轴自动直线运动滑台；13：自动旋转滑台；14：绕Y轴角度翻转滑台；15：绕X轴角度翻转滑台；16：Y轴自动直线运动滑台；17：X轴自动直线运动滑台；18：正视方向工业CCD相机；19：光阑；20：控制器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明涉及一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统，该系统在超净实验室中搭建，防止灰尘等漂浮物干扰激光光束、污染光学器件，影响系统对样品的高精度加工。该系统中包括：飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。这里将微半球谐振结构作为加工的对象，其材料为熔融石英。

所述飞秒激光器采用高重频飞秒激光器，激光波长为1030nm，重复频率1kHz～1MHz可调，脉宽为235fs，本发明使用重复频率10kHz下最大的输出功率为2.06W的激光光束。激光光束呈现高斯分布，具有空间分辨率高、激光通量的可控等特点，可实现对透明介质材料的高精度改性加工和烧蚀加工。激光器通过控制器上的接口与上位机控制模块实现连接，建立通讯和控制，可用上位机中的软件对飞秒激光的重复频率、激光能量等参数进行定量调整。且飞秒激光器配备有专门的制冷设备和除湿器，保证其工作环境的温度和湿度控制在一定数值下，可保证激光系统的长期稳定运行。

所述光路模块，如图1所示，根据激光器的摆放位置和出光口方位，布置于光学试验平台，光路主要包括光阑、镜架、反光镜、光门以及高倍物镜。其中镜架起到支撑光学元件的作用，且高度可调；光阑、反光镜用于调整光路使其准直；光门配有专门的控制器，可通过程序控制激光光路的通断；高倍物镜，选用10X(NA＝0.25)物镜，既用于聚焦飞秒激光光束，又用于俯视方向的工业CCD相机高倍成像。

所述多轴运动平台，如图1所示，搭建在光学试验台上，由三个自动直线运动滑台，一个自动旋转滑台，以及两个角度翻转滑台组成，为一个六自由度的多轴运动平台。该多轴运动平台以载物台上平面为X-Y坐标平面，以中心为原点建立空间直角坐标系X-Y-Z，可控制载物台沿X轴、Y轴以及Z轴做直线运动，绕着Z轴做360°旋转运动，并可绕X轴和Y轴做±10°及以内角度的翻转运动，其中直线运动滑台重复定位精度可达±0.5μm，旋转平台重复定位精度±0.01°，角度翻转滑台最小角位移0.05°。各个运动滑台连接端面粗糙度均可达到定位精度要求。其中三个直线运动滑台和一个旋转滑台配置有专门的通讯接口，可通过控制器上的接口，与上位机建立串口通信，并可在上位机中编程控制以上自动滑台的运动，实现自动化。

所述微调装置，如图1所示，以上述载物台上的空间直角坐标系X-Y-Z为参考，安装于载物台和旋转滑台之间，上下连接端面粗糙度均能达到定位精度要求。可控制载物台实现X、Y两自由度的微调，沿着两个方向做微小距离运动，用于将谐振结构的旋转中心调整到与下面旋转平台中心在同一旋转轴。

所述机器视觉高倍成像模块，主要由如图1所示的两个工业CCD相机、高倍物镜和标准镜头组成，使用专用夹具按照预先设计的布局安装在光学试验台上，并提供充足的照明，并调整视场和焦距保证能采集到清晰的图像。其中，垂直方向的工业CCD相机配合高倍物镜使用，可采集到微半球谐振结构的俯视局部放大图像，水平方向的工业CCD相机配合标准镜头使用，可采集到微半球谐振结构的正视的清晰图像。两个相机均通过专门的数据线直接与上位机建立通讯，可进行数据交互，并可在上位机中进行编程控制。

所述图像处理程序，整个程序流程主要包括对微半球谐振结构图像的采集；图像的预处理，即在图像中设置标记点，并对原始图像进行灰度化；灰度图像的滤波操作，去除噪声干扰；对滤波后图像进行、目标提取、边缘检测、曲线拟合等等；求解标记点相对于谐振结构边缘曲线的相对位置。基于上位机的Windows系统，在Visual Studio 2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现上述程序，并结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，方便操作，可提高工作效率。

所述加工路径规划模块，是在多轴运动平台中三个自动直线运动滑台、一个自动旋转滑台以及电控光门与上位机建立通讯，并配置驱动文件完成后，可在上位机的Windows系统中，在Visual Studio 2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现对以上四个运动滑台和光门的程序化控制，主要是将样品灵敏度放大结构的轮廓形状转化为四个运动平台的运动轨迹，并通过程序控制光门开关来实现飞秒激光的通断，从而实现样品与飞秒激光焦点的相对移动和作用。将编写的程序结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，经过编译和运行后即可实现飞秒激光加工的自动化。

本发明采用的加工方式主要是，将飞秒激光经过搭建完成的光路聚焦在预设初始位置，保持激光焦点不动，应用机器视觉技术和图像处理方法对样品进行定位，通过程序控制多轴运动平台按照规划的加工路径运行，带着装夹在载物台上的样品随之运动，使样品与飞秒激光焦点进行相互作用，进而实现对样品的轮廓形状加工。下面结合附图和实施例进一步说明利用上述微型回转式谐振结构的高精度加工系统进行微半球谐振结构的方法，操作流程如图2所示，主要包括步骤如下：

步骤1：根据设计搭建针对微型回转式谐振结构的加工系统，完成系统中各个硬件部分的装配和对应的软件安装。如图1所示，对于硬件部分，主要是将飞秒激光器、光路模块(包括镜架、光阑、反光镜、光门)、多轴运动平台、微调装置、微半球谐振结构(如图3所示)、两个工业CCD相机及配套光源等按照设计使用专门的夹具进行组装完成整个系统的搭建；对于软件部分，将图像处理程序和加工路径规划模块集成在基于MFC的人机交互软件中。

步骤2：将载物台调平：对于硬件部分的装配，多轴运动平台与载物台之间的连接主要采用螺栓和定位孔实现，能够保证一定的水平精度，再将微型水平仪放置于载物台上，观察水平仪倾斜角度确定需要调整的方向，通过微调两个角度翻转滑台的对应旋钮，进行载物台的水平校准。并将微半球谐振结构放置于载物台上的圆形定位卡槽内进行粘接，实现样品的初步定位装夹。

步骤3：飞秒激光光路准直。基于上述搭建的光路，使用电控光门可程序控制实现激光光路的通断，高倍物镜可实现飞秒激光焦点聚焦。在飞秒激光光束经过高倍物镜聚焦在感光片上后，拨动光阑拨片调整孔径的大小使得该光斑为合适尺寸，适度转动反光镜镜架上的微调旋钮调整该光斑为一个完整而均匀的圆形，即可保证投射在载物台平面上的激光光束是准直的。

步骤4：对工业CCD相机进行标定。将棋盘格标定板放置于相机视场范围内，通过对采集不同角度的标定板图像，应用配置OpenCV计算机视觉库的C++程序，结合其内置的标定算法，对工业CCD相机的相关参数进行标定，通过算法解算即求得图像的二维像素尺寸与实际空间坐标系中的尺寸之间的比例关系，可用于后续微半球谐振结构中心距离旋转平台旋转中心偏移量的求解，以及激光焦点的实际坐标位置的确定。

步骤5：图像处理，目标定位。对两个工业CCD相机采集的图像分别进行处理，实现目标边缘检测等操作，确定微半球谐振结构中心、激光焦点的坐标位置。结合多轴运动平台、微调装置等，将微半球谐振结构中心、旋转平台旋转中心以及激光焦点光斑中心调整在同一轴线上，实现三心同轴。

步骤5.1：通过调大飞秒激光器能量参数，使得俯视方向相机、正视方向相机采集到的图像中，均可显示出激光焦点与空气相互作用形成的空气电离点，通过调整焦距、相机视场角度，使得图像中的空气电离点呈现完整的明亮圆形光斑。

步骤5.2：对上一步骤中采集到的空气电离点光斑图像进行处理。经过图像灰度化、双边滤波后的图像进行二值化操作，可对光斑目标区域进一步提取，剔除噪声干扰，即可确定圆形光斑区域，对该区域采用Canny算子进行边缘检测，基于提取的圆形光斑区域边缘像素坐标，应用最小二乘法对该圆形拟合，即可确定该圆方程参数，即圆心坐标和半径，圆心坐标就是激光焦点的像素坐标。将俯视图像中激光光斑像素坐标标记为Mark1，正视图像中激光光斑像素坐标标记为Mark2，如图4所示，因为相机位置、激光焦点均已确定，故标记点在对应图像中的位置保持不变，在将激光能量调小或关闭后，电离点不存在的情况下亦可确定激光焦点位置。

步骤5.3：俯视图像处理，实现“三心”同轴。主要分为两个步骤，第一步是通过对俯视图像进行圆弧曲线的图像识别和检测，配合多轴运动平台与微调装置的使用实现谐振结构中心与旋转平台旋转中心的同轴；第二步是在对俯视图像中的圆弧曲线进行识别和检测后，通过控制多轴运动平台中X、Y两个方向的运动，即可实现谐振结构和激光焦点的同轴。最终实现“三心”同轴。

步骤5.3.1：由于俯视方向工业CCD相机配套使用高倍物镜，故采集到的图像为微半球谐振结构局部放大图像，如图5所示，仅为部分圆环。对采集到的图像灰度化后进行双边滤波，再对其进行二值化，提取到目标区域后应用Canny算子对该区域进行边缘检测，根据目标分布，将内圈部分的圆弧曲线作为目标曲线，统计该曲线上的像素坐标，并任意取三个点的像素坐标值，读取上述标记点Mark1像素坐标，根据步骤4中相机标定后得到的比例系数，即可计算出标记点Mark1分别到三个点的方向和距离，反馈给上位机，可控制X、Y两轴直线运动平台运动将Mark1分别与三个点重合，分别记下三次点重合时两轴运动平台对应显示坐标值a(x_a，y_a)，b(x_b，y_b)，c(x_c，y_c)，即可将图像坐标系中微半球谐振结构边缘曲线上的点，转化到多轴运动平台的空间直角坐标系中。

步骤5.3.2：实质上，使得谐振结构中心与旋转平台旋转中心的同轴，即是将如图6所示的谐振结构绕旋转中心旋转过程中的偏心圆半径e₁消除。由上一步得到的坐标值a(x_a，y_a)，b(x_b，y_b)，c(x_c，y_c)，再根据三点定圆，即可求得谐振结构的中心坐标p(x_p，y_p)以及曲面壳体边缘半径R，其计算公式如下所示：

(x_a-x_p)²+(y_a-y_p)²＝R²

(x_b-x_p)²+(y_b-y_p)²＝R²

(x_c-x_p)²+(y_c-y_p)²＝R²

令：

A＝2x_c-2x_b；B＝2y_c-2y_b；

E＝2x_b-2x_a；F＝2y_b-2y_a；

解得谐振结构中心的坐标和半径为：

x_p＝(GB-CF)/(EB-AF)

y_p＝(AG-CE)/(AF-BE)

步骤5.3.3：将谐振结构绕旋转中心任意旋转两个角度后，再重复步骤5.3.2，可以计算得到旋转后谐振结构的中心坐标

和

得到偏心圆上三点的坐标，利用三点求圆心法计算旋转平台旋转中心的坐标o(x_o，y_o)以及偏心距离e₁。此时通过微调对心装置分别沿X轴、Y轴方向移动m，n即可使谐振结构中心与旋转中心同轴，m，n的计算式如下：

步骤5.3.4：实现谐振结构与激光焦点的同轴仅需通过控制X、Y两个方向的运动平台，如图7所示。实质上标记点Mark1即为激光焦点，移动X轴方向运动平台使激光焦点到达1点位置，记录1点的坐标(x₁，y₁)，然后再次移动X轴方向运动平台使激光焦点到达3点位置，记录3点的坐标(x₃，y₃)，此时，y₁＝y₃并且谐振结构的中心位于线段1-3的垂直平分线上，接下来可以在线段1-3的垂直平分线上通过移动Y轴方向的运动平台使激光焦点到达2点(x₂，y₂)和4点(x₄，y₄)，通过计算即可得到谐振结构的中心坐标5(x₅，y₅)。在得到谐振结构的中心坐标后，仅需通过移动X、Y方向的运动平台即可实现谐振结构中心、旋转平台旋转中心与激光焦点的“三心”同轴。

步骤5.4：正视图像处理，确定微半球谐振结构与激光焦点在Z轴方向的相对位置，如图4所示，再通过对谐振结构下边缘进行目标检测，主要步骤包括对图像灰度化、双边滤波、再对其二值化进行目标区域提取，使用Canny算子对目标区域边缘检测和提取，统计下边缘像素坐标，与上述标记点Mark2像素坐标值进行比较，控制多轴运动平台中的Z轴直线滑台使得该标记点落在谐振结构下边缘以下。通过后续自下而上的飞秒激光进给方式，即可使得激光焦点在样品厚度方向能够充分加工，从而保证Z轴方向的加工精度。

步骤5.5：将上述步骤中图像处理程序嵌套到MFC软件平台中，可实现激光焦点定位、“三心”同轴功能的集成化，也方便进行人机交互操作，提高工作效率和便捷性。

步骤6：实现飞秒激光焦点对微半球谐振结构的相对移动和作用。基于C++高级编程语言对加工路径进行程序化，具体包括对光门开关的控制，以及将图3所示样品的轮廓形状转化为四个运动平台的运动轨迹，即对飞秒激光扫描速度、方向以及位移量、激光焦点进给方式、进给速度、方向以及位移量等参数的设置。在微半球谐振结构装夹定位完成，飞秒激光焦点位置确定后，按照设计的激光加工工艺参数，即可执行加工程序对微半球谐振结构进行加工。

本发明针对熔融石英微半球谐振结构的加工中的三维精度不易保证、难以确定飞秒激光焦点以及样品定位不准等问题，通过控制飞秒激光能量结合高倍物镜形成聚焦的空气电离点，并结合工业CCD相机采集的放大图像，提出应用图像处理方法，结合多轴运动平台以及微调装置，实现了将谐振结构中心、旋转平台旋转中心以及激光焦点的“三心”同轴，以及确定了样品与飞秒激光焦点在Z轴方向的相对位置。同时将飞秒激光对样品的加工路径转化为多轴平台的运动轨迹，应用高级编程语言实现了程序化加工。该方法操作步骤简单，实现了一定的自动化，具有三维加工精度高等优势，为下一步工作建立基础。

应当理解的是，上述针对本发明实施的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (11)

1.一种微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于整个系统布置于特定实验环境中，避免一定的环境污染等影响系统的正常工作。系统包括飞秒激光器、光路模块、多轴运动平台、微调装置、机器视觉高倍成像模块、图像处理程序、加工路径规划模块。

所述飞秒激光器，可发出飞秒级超短脉冲激光。将激光器连接到上位机控制模块，具有激光能量等参数可调的功能。

所述光路模块，布置于光学试验平台，主要包括镜架、光阑、反光镜、电控光门(配置有通讯接口)、高倍物镜。

所述多轴运动平台，包括三个自动直线运动滑台，组成XYZ三轴正交的运动系统，一个自动旋转滑台，两个方向的角度翻转滑台。自动滑台均配置有通讯接口，可与上位机建立通讯，实现程序控制。

所述微调装置，安装于旋转滑台和载物台之间，可控制载物台沿着X、Y轴两个方向做微小距离运动，实现两自由度的微调。

所述机器视觉高倍成像模块，包括两个工业CCD相机，配套有高倍物镜和标准镜头，应用专门的固定夹具将CCD相机、物镜以及光源等安装在光学试验平台。两个工业CCD相机配置有通讯接口。

所述图像处理程序，对机器视觉成像模块采集到的谐振结构局部图像进行处理，主要包括图像预处理、标记点设定、目标边缘识别和检测等，用来确定微型回转式谐振结构的偏心距离。核心程序集成在上位机中，可进行人机交互操作。

所述加工路径规划模块，配置有与上述多轴运动平台、光门以及相机等装置的通讯、控制及驱动程序，可编程实现将谐振结构的轮廓形状转化为多轴运动平台的运动轨迹，将程序编译后执行，可进行微型回转式谐振结构的加工。

2.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于所述光路模块，光路主要包括光阑、镜架、反光镜、光门以及高倍物镜。其中镜架起到支撑光学元件的作用，且高度可调；光阑、反光镜用于调整光路使其准直；光门配有专门的控制器，可通过程序控制激光光路的通断；高倍物镜，选用10X(NA＝0.25)物镜，既用于聚焦飞秒激光光束，又用于俯视方向的工业CCD相机高倍成像。

3.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于，所述图像处理程序，整个程序流程主要包括对微半球谐振结构图像的采集；图像的预处理，即在图像中设置标记点，并对原始图像进行灰度化；灰度图像的滤波操作，去除噪声干扰；对滤波后图像进行、目标提取、边缘检测、曲线拟合等等；求解标记点相对于谐振结构边缘曲线的相对位置。基于上位机的Windows系统，在Visual Studio 2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现上述程序，并结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，方便操作，可提高工作效率。

4.如权利要求1所述的微型回转式谐振结构的高精度加工系统，其特征在于所述加工路径规划模块，是在多轴运动平台中三个自动直线运动滑台、一个自动旋转滑台以及电控光门与上位机建立通讯，并配置驱动文件完成后，可在上位机的Windows系统中，在VisualStudio2018集成开发环境下，采用C++高级编程语言实现对以上四个运动滑台和光门的程序化控制，主要是将样品灵敏度放大结构的轮廓形状转化为四个运动平台的运动轨迹，并通过程序控制光门开关来实现飞秒激光的通断，从而实现样品与飞秒激光焦点的相对移动和作用。将编写的程序结合微软基础类库MFC将该程序集成到设计的人机交互软件中，经过编译和运行后即可实现飞秒激光加工的自动化。

5.一种利用上述微型回转式谐振结构加工系统进行谐振结构高精度加工的方法，其特征在于，主要方式：在对样品加工时保持飞秒激光光路和焦点不动，通过多轴运动平台带动样品移动，与固定激光焦点相互作用的方式进行加工。包括步骤如下：

步骤1：完成加工系统的搭建，进行硬件和软件安装。

步骤1.1：通过调控制冷系统和除湿系统，设置飞秒激光器工作环境的温度和湿度。将飞秒激光器与上位机进行通讯连接，实现控制。通过上位机中的软件即可完成飞秒激光器开启，设置激光重复频率、激光能量参数等。

步骤1.2：对飞秒激光光路进行搭建。根据试验台布局规划，将飞秒激光器发出的激光光束依次经过用镜架装夹固定的光阑、反光镜、光门等，按照预设路径最后经过物镜垂直聚焦在样品上。

步骤1.3：组装多轴运动平台。将三个直线运动滑台、一个旋转滑台、两个角度翻转滑台按照实际需求装配起来，旋转平台旋转轴与Z轴平行，将微调装置加装在旋转平台上，最后将载物台安装在微调平台上，可将样品装夹在载物台上。通过各个滑台配置的通讯接口与上位机进行连接，实现数据交互和程序控制。

步骤1.4：根据飞秒激光光路、多轴运动平台上载物台中心位置、以及高倍物镜的轴心线位置，将俯视方向的工业CCD安装在物镜正上方的合适位置，此时高倍物镜既起到聚焦激光的作用，又配合相机起到成像的作用；由微型回转式谐振结构在载物台上的装夹位置，以及在笛卡尔坐标系中的运动范围，将正视方向的工业CCD相机装配上标准镜头安装在载物台正前方。将两相机与上位机通过数据线连接建立通讯后，调整两相机的角度、光照条件、焦距等，保证采集到清晰的微型回转式谐振结构的图像。

步骤1.5：软件程序的配置。在上述激光器、运动滑台、光门以及工业CCD相机与上位机建立通讯的基础上，基于高级编程语言在上位机中设计并运行人机交互软件，将图像处理程序、运动滑台和光门的控制程序以及加工路径规划程序集成在该软件中，从而实现上位机和各子功能模块的数据交互和自动控制。

步骤2：将载物台调水平。多轴运动平台和载物台的水平精度主要靠螺栓连接和定位孔保证，应用微型水平仪进行检验，根据观察水平仪倾斜的角度确定调整方向，通过两个角度翻转滑台进行微调，对载物台的水平度进行校准。样品可由载物台上的圆形定位卡槽进行初步定位装夹。

步骤3：飞秒激光光路准直。基于上述搭建的光路，在飞秒激光光束经过物镜聚焦在感光片上后，调整光阑孔径的大小使得该光斑为合适尺寸，适度转动反光镜镜架上的微调旋钮调整该光斑为一个完整而均匀的圆形，即可保证投射在载物台平面上的激光光束是准直的。

步骤4：对工业CCD相机进行标定。即应用合适的标定方法，确定相机采集到的图像的像素坐标系中尺寸与实际空间坐标系中尺寸之间的比例关系。

步骤5：在以上多轴运动平台和工业CCD相机装配和标定完成后，基于高级编程语言在上位机中应用图像处理方法，根据俯视相机采集的微型回转式谐振结构图像，确定谐振结构偏移旋转滑台旋转中心的方向和距离，调整微调装置实现谐振结构的高精度定位；通过俯视相机采集的激光焦点光斑图像，以及微型回转式谐振结构边缘图像，通过目标检测算法，可以确定激光焦点与样品中心的偏移方向和距离；根据正视相机采集的微型回转式谐振结构和激光焦点光斑的图像，确定激光焦点的坐标位置，方便后续激光加工路径的规划。

步骤6：根据微型回转式谐振结构的轮廓形状，使用C++高级编程语言编辑加工路径程序，并集成在人机交互软件中，在建立的通讯和配置的控制驱动的基础上，对多轴运动平台进行程序控制，实现对样品的自动化加工。

6.如权利要求5所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于对两个工业CCD相机采集的图像分别进行处理，实现目标边缘检测等操作，确定微半球谐振结构中心、激光焦点的坐标位置。结合多轴运动平台、微调装置等，将微半球谐振结构中心、旋转平台旋转中心以及激光焦点光斑中心调整在同一轴线上，实现三心同轴。

7.如权利要求5和6所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于对采集到的空气电离点光斑图像进行处理。经过图像灰度化、双边滤波后的图像进行二值化操作，可对光斑目标区域进一步提取，剔除噪声干扰，即可确定圆形光斑区域，对该区域采用Canny算子进行边缘检测，基于提取的圆形光斑区域边缘像素坐标，应用最小二乘法对该圆形拟合，即可确定该圆方程参数，即圆心坐标和半径，圆心坐标就是激光焦点的像素坐标。将俯视图像中激光光斑像素坐标标记为Mark1，正视图像中激光光斑像素坐标标记Mark2。

8.如权利要求5、6和7所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于对俯视方向工业CCD相机配套使用高倍物镜采集到的微半球谐振结构局部放大图像，进行目标曲线边缘检测后，统计该曲线上的像素坐标，并任意取三个点的像素坐标值，读取上述标记点Mark1像素坐标，计算出标记点Mark1分别到三个点的方向和距离，反馈给上位机，可控制X、Y两轴直线运动平台运动将Mark1分别与三个点重合，分别记下三次点重合时两轴运动平台对应显示坐标值。将谐振结构绕旋转中心任意旋转两个角度后，重复之前步骤，得到偏心圆上三点的坐标，利用三点求圆心法计算旋转平台旋转中心的坐标和偏心距离，通过微调对心装置分别沿X轴、Y轴方向移动对应距离使得谐振结构中心与旋转中心同轴。

9.如权利要求5、6和7所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于，实现谐振结构与激光焦点的同轴需通过控制X、Y两个方向的运动平台，通过控制标记点Mark1分别落在微型回转式谐振结构边缘的三个点上，通过三点定圆的方法，计算出谐振结构中心坐标，控制直线运动滑台将Mark1点运动至该点即可实现样品中心与激光焦点同轴。

10.如权利要求5、6和7所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于，通过对正视方向相机采集的图像处理，确定微半球谐振结构与激光焦点在Z轴方向的相对位置，对谐振结构下边缘进行目标检测，主要包括对图像灰度化、双边滤波、再对其二值化进行目标区域提取，使用Canny算子对目标区域边缘检测和提取，统计下边缘像素坐标，与上述标记点Mark2像素坐标值进行比较，控制多轴运动平台中的Z轴直线运动滑台使得该标记点落在谐振结构下边缘以下。

11.如权利要求5所述的微型回转式谐振结构的高精度加工方法，其特征在于，在上位机的Windows系统中，在Visual Studio 2018集成开发环境下，使用C++高级编程语言对加工路径进行程序化，并集成于基于MFC库的人机交互软件中，具体包括对光门开关的控制，以及将样品的轮廓形状转化为四个运动平台的运动轨迹，即对飞秒激光扫描速度、方向以及位移量、激光焦点进给方式、进给速度、方向以及位移量等参数的设置。在谐振结构装夹定位完成，飞秒激光焦点位置确定后，按照设计的激光加工工艺参数，即可执行加工程序对微半球谐振结构进行加工。

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