CN115229330A - 一种激光加工的自动对焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光加工的自动对焦装置及方法。其装置中，激光加工组件包括导光镜和物方聚焦镜，入射激光经导光镜反射至物方聚焦镜聚焦后射向样品表面；激光对焦组件包括分光调制器、像方聚焦镜、CCD相机和计算机，分光调制器用于将样品表面的反射光分成N束，形成分光光束，像方聚焦镜用于对分光光束进行聚焦，CCD相机用于接收由像方聚焦镜聚焦后的分光光束，获取光斑图像，计算机用于对CCD相机所获取的光斑图像进行拟合，形成光斑直径变化曲线；位移台用于搭载样品；执行机构用于驱动控制位移台移动。本发明可以在激光加工过程中对入射激光进行快速、精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理。

Description

一种激光加工的自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种激光加工的自动对焦装置及方法。

背景技术

激光具有亮度高、方向性强、能量高并且分布密集等特点，当其照射到材料表面后，材料可在短时间内吸收大量光子能量而升温，达到融化甚至是气化状态，因此激光可以实现加工材料的功能。近年来，由于激光加工的非接触性、高效灵活、热作用小、精度高等巨大的优势，激光加工开始渗入众多的行业，可以实现包括焊接、切割、打孔、刻蚀、抛光、快速成型等加工操作，大有将传统的一些加工技术取而代之的趋势。

然而，激光加工一般需要在聚焦状态下，这样激光的能量密度可以大幅上升，不仅可以降低激光作用所需的能量，而且由于聚焦光斑尺寸小的特点可以实现精确精密加工。而在离焦状态下，会由于能量密度降低而影响加工质量，甚至是无法加工。尤其是在超快激光应用的领域，只有将激光聚焦才能实现极高的峰值功率密度，才能在焦点处产生非线性效应从而得到极端的加工效果。可见，要实现高质量高精密的激光加工效果，精确控制焦点位置是十分必要的。

目前，激光对焦方法主要可分为传感器式和CCD式。传感器式对焦是在聚焦光路的旁轴上安装高度传感器，通过高度传感器返回的数值与标定焦点位置的偏差，来反馈给执行机构实现焦点的对位。然而，这种方式的最大问题在于不是实时控制的。由于激光聚焦光路与高度传感器不同轴，高度传感器所探测的高度值并不是焦点所在位置的高度值，若以此数据直接反馈，会导致焦点对位的滞后或超前。因此这种方法往往需要对加工样品表面进行一遍预扫，得到样品表面高度值的二维分布，然后再在加工的过程中进行相应的焦点对位。显然，这种方法的精度取决于高度传感器取值的精度，未取值的位置是无法进行焦点对位的，而且预扫增加了加工的步骤，增加了加工时间。

CCD式对焦是一种利用光反射原理的自动对焦方式，直接采用CCD在同轴光路上接收反射光，然后通过计算机处理识别当前焦点位置状态，反馈给执行机构进行对位操作，循环往复直到对焦完成，具有实时控制的优点。显然，这种方法想要获得精确对位，对CCD的像素和计算机处理有较高的要求，增加了成本。为了降低这方面的要求，可以通过一定的光学设计，使CCD接受到的焦点位置的光斑与非焦点位置的光斑具有一定的差别，这样就能增加焦点识别的灵敏度，降低对CCD和计算机处理的要求。

比如，目前已公开的专利（CN102122055A）提出了一种在光路中添加光栅镜片的对焦装置，可实现焦点位置的光斑是正圆，离焦状态的光斑是半圆的功能，这样可以快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大量图像信息的工作。然而这种方法对光栅镜片的位置有比较严格的要求，要能滤去一半的激光光束，增加了实际操作的难度。还有公开的专利（CN110530291A）采用光栅投影法来建立样品表面的三维轮廓形貌，同样也对计算机处理提出了较高的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种激光加工的自动对焦装置及方法，可以实现在激光加工过程中快速、精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光加工的自动对焦装置，包括激光加工组件、激光对焦组件以及位移台和执行机构；

所述激光加工组件包括导光镜和物方聚焦镜，入射激光经导光镜反射至物方聚焦镜聚焦后射向样品表面；

所述激光对焦组件包括分光调制器、像方聚焦镜、CCD相机和计算机；

所述分光调制器用于将样品表面的反射光分成N束，形成分光光束，N≥3；

所述像方聚焦镜用于对分光光束进行聚焦；

所述CCD相机用于接收像方聚焦镜聚焦后的分光光束，获取光斑图像，且CCD相机的感光接收面与像方聚焦镜的主平面非平行，同时，当入射激光的焦点位于样品表面时，CCD相机所获取光斑图像的中心光斑与CCD相机的感光接收面的中心点重合；

所述计算机用于对CCD相机所获取的光斑图像进行拟合，形成光斑直径变化曲线，并判断光斑直径变化曲线的最小值与其中间点是否重合，反馈信息至执行机构；

所述位移台用于搭载样品；

所述执行机构用于驱动控制位移台移动。

进一步的，所述CCD相机的感光接收面与分光调制器的分光平面平行。

进一步的，所述像方聚焦镜的主平面与分光调制器的分光平面平行。

进一步的，所述分光调制器为光栅分束器。

一种激光加工的自动对焦方法，包括以下步骤：

S1、使入射激光经导光镜反射至物方聚焦镜聚焦后射向样品表面；

入射激光作用于样品表面产生的反射光经由物方聚焦镜准直，再经过导光镜到达分光调制器，被分成分光光束，分光光束经像方聚焦镜聚焦，由CCD相机接收，获取光斑图像；

S2、使入射激光的焦点位于样品表面，再调节像方聚焦镜与CCD相机的相对位置，使光斑图像的中心光斑与CCD相机的感光接收面的中心点重合；

S3、开展激光加工作业，实时将CCD相机获取的光斑图像传输至计算机拟合形成光斑直径变化曲线，并判断光斑直径变化曲线的最小点与其中间点是否重合，若重合，自动对焦完成，若不重合，则反馈信息至执行机构使其驱动位移台移动，并持续判断光斑直径变化曲线的最小点与中间点的重合情况，直至两者完全重合。

本发明的有益效果为：

本发明通过分光调制器、像方聚焦镜、CCD相机和计算机组成的激光对焦组件，将样品表面的反射光分束后进行聚焦成像，再获取光斑图像，并拟合为光斑直径变化曲线，并判断光斑直径变化曲线的最小点与其中间点是否重合，从而在激光加工过程中对入射激光进行快速、精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理。

附图说明

图1为本发明自动对焦装置之一的示意图；

图2为本发明自动对焦装置之二的示意图；

图3为本发明自动对焦装置之一的光斑聚焦情况示意图；

图4为本发明自动对焦装置之二的光斑聚焦情况示意图；

图5为本发明计算机拟合形成光斑直径变化曲线的示意图。

标注说明：1、入射激光，2、导光镜，3、物方聚焦镜，4、分光调制器，5、分光光束，6、像方聚焦镜，7、CCD相机，8、光斑图像，9、光斑直径变化曲线。

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实例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

请参阅图1-5所示，一种激光加工的自动对焦装置，包括激光加工组件、激光对焦组件以及位移台和执行机构，位移台用于搭载样品，执行机构用于驱动控制位移台移动。

激光加工组件包括导光镜2和物方聚焦镜3，入射激光1经导光镜2反射至物方聚焦镜3聚焦后射向样品表面。

激光对焦组件包括分光调制器4、像方聚焦镜6、CCD相机7和计算机。

分光调制器4用于将样品表面的反射光分成N束，形成分光光束5，N≥3。

可选的是，分光调制器4为光栅分束器。需要说明的是，分光调制器4还可以选用空间光调制器或DOE等器件。

像方聚焦镜6用于对分光光束5进行聚焦。

CCD相机7用于接收像方聚焦镜6聚焦后的分光光束5，获取光斑图像8，且CCD相机7的感光接收面与像方聚焦镜6的主平面非平行，即CCD相机7的感光接收面与像方聚焦镜6的主平面之间存在夹角。

在一些实施例中， CCD相机7的感光接收面与分光调制器4的分光平面平行；在另一些实施例中，像方聚焦镜6的主平面与分光调制器4的分光平面平行。

基于上述设计， CCD相机7所检测到的一串光斑图像8会有大小差异。

开展激光加工作业前，需要先对入射激光1进行标定（采用实际加工法），以调节激光对焦组件。具体的，使入射激光1的焦点位于样品表面，再调节像方聚焦镜6与CCD相机7的相对位置，使光斑图像8的中心光斑与CCD相机7的感光接收面的中心点重合，此时其余光斑图像8所对应分光光束5以此处为中点呈对称离焦分布，一侧为正离焦，另一侧为负离焦，离焦状态取决于CCD相机7的感光接收面与像方聚焦镜6的主平面之间夹角的情况。

计算机用于对CCD相机7所获取的光斑图像8进行拟合，形成光斑直径变化曲线9（请参阅图5所示，光斑直径变化曲线9必存在一个最小值，亦必存在一个中间点），并判断光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点是否重合，反馈信息至执行机构。计算机进行图像拟合以及指令控制为成熟现有技术，此处不再赘述。

开展激光加工作业后，若入射激光1的焦点正位于样品表面，拟合得到的光斑直径变化曲线9应为完全对称的状态，光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点重合；若入射激光1的焦点处于离焦状态，拟合得到的光斑直径变化曲线9则为非对称状态，光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点不重合。

根据上述判断结果，当光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点不重合时，反馈信息至执行机构使其驱动位移台移动，并持续判断光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点的重合情况，直到完全重合。

当然，也可以通过对应机构驱动控制像方聚焦镜6移动，使光斑直径变化曲线9的最小值与其中间点的重合。

由于光斑直径变化曲线9是在对称离焦状态下拟合得到的，因此用其最小值的位置来标定入射激光1焦点的位置是精度很高的，而且并不复杂，可以得到快速的响应，实现高精度实时自动对焦。

实施例2：

请参阅图1-5所示，一种激光加工的自动对焦方法，采用上述一种激光加工的自动对焦装置，包括以下步骤：

S1、使入射激光1经导光镜2反射至物方聚焦镜3聚焦后射向样品表面；

入射激光1作用于样品表面产生的反射光经由物方聚焦镜3准直，再经过导光镜2到达分光调制器4，被分成分光光束5，分光光束5经像方聚焦镜6聚焦，由CCD相机7接收，获取光斑图像8；

S2、使入射激光1的焦点位于样品表面，再调节像方聚焦镜6与CCD相机7的相对位置，常规做法是调节像方聚焦镜6的位置，使光斑图像8的中心光斑与CCD相机7的感光接收面的中心点重合；

S3、开展激光加工作业，实时将CCD相机7获取的光斑图像8传输至计算机拟合形成光斑直径变化曲线9，并判断光斑直径变化曲线9的最小点与其中间点是否重合，若重合，自动对焦完成，若不重合，则反馈信息至执行机构使其驱动位移台移动，并持续判断光斑直径变化曲线9的最小点与中间点的重合情况，直至两者完全重合。

总的来说，本发明通过分光调制器4、像方聚焦镜6、CCD相机7和计算机组成的激光对焦组件，将样品表面的反射光分束后进行聚焦成像，再获取光斑图像8，并拟合为光斑直径变化曲线9，并判断光斑直径变化曲线9的最小点与其中间点是否重合，从而在激光加工过程中对入射激光1进行快速、精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种激光加工的自动对焦装置，其特征在于：包括激光加工组件、激光对焦组件以及位移台和执行机构；

所述激光加工组件包括导光镜和物方聚焦镜，入射激光经导光镜反射至物方聚焦镜聚焦后射向样品表面；

所述激光对焦组件包括分光调制器、像方聚焦镜、CCD相机和计算机；

所述分光调制器用于将样品表面的反射光分成N束，形成分光光束，N≥3；

所述像方聚焦镜用于对分光光束进行聚焦；

所述CCD相机用于接收像方聚焦镜聚焦后的分光光束，获取光斑图像，且CCD相机的感光接收面与像方聚焦镜的主平面非平行，同时，当入射激光的焦点位于样品表面时，CCD相机所获取光斑图像的中心光斑与CCD相机的感光接收面的中心点重合；

所述计算机用于对CCD相机所获取的光斑图像进行拟合，形成光斑直径变化曲线，并判断光斑直径变化曲线的最小值与其中间点是否重合，反馈信息至执行机构；

所述位移台用于搭载样品；

所述执行机构用于驱动控制位移台移动。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工的自动对焦装置，其特征在于：所述CCD相机的感光接收面与分光调制器的分光平面平行。

3.根据权利要求1所述的一种激光加工的自动对焦装置，其特征在于：所述像方聚焦镜的主平面与分光调制器的分光平面平行。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种激光加工的自动对焦装置，其特征在于：所述分光调制器为光栅分束器。

5.一种激光加工的自动对焦方法，采用权利要求1-4所述的一种激光加工的自动对焦装置，其特征在于：包括以下步骤：

S1、使入射激光经导光镜反射至物方聚焦镜聚焦后射向样品表面；

入射激光作用于样品表面产生的反射光经由物方聚焦镜准直，再经过导光镜到达分光调制器，被分成分光光束，分光光束经像方聚焦镜聚焦，由CCD相机接收，获取光斑图像；

S2、使入射激光的焦点位于样品表面，再调节像方聚焦镜与CCD相机的相对位置，使光斑图像的中心光斑与CCD相机的感光接收面的中心点重合；

S3、开展激光加工作业，实时将CCD相机获取的光斑图像传输至计算机拟合形成光斑直径变化曲线，并判断光斑直径变化曲线的最小点与其中间点是否重合，若重合，自动对焦完成，若不重合，则反馈信息至执行机构使其驱动位移台移动，并持续判断光斑直径变化曲线的最小点与中间点的重合情况，直至两者完全重合。

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