CN117170093B - 一种面式扫描的光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面式扫描的光路系统，光源用于发射激光；分光模块，激光经分光模块后至少分光为第一光路，第二光路和第三光路，分别形成第一工作光、第二工作光、基准光平面，同时第一工作光和第二工作光的光强度高于基准光平面；聚焦模块至少包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；反射采样模块，至少两个反射采样模块设置于第一聚焦透镜和第二聚焦透镜的一侧；扫描采样模块；数据处理模块，接收来自光电转换模块的电信号；控制模块，被配置为与激光和各模块电连接，接收来自各模块的控制信号并发送控制指令。本发明实现了构建光度值不同的反射图像，以面为基准值进行扫描，同时获取基准面中的光加工信息，对平面进行处理，检测增材过程中的缺陷。

Description

一种面式扫描的光路系统

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种面式扫描的光路系统。

背景技术

激光增材制造技术是近20年来信息技术、新材料技术和制造技术多学科融合发展的先进制造技术，增材制造依据CAD数据逐层累加材料的方法制造实体零件，其制造原理是材料逐点累积形成面，逐面累积成为体，这一成形原理给制造业从传统的宏观外形制造向宏微结构一体化制造发展提供了新契机。

激光增材制造的产品和零件可以不受形状、结构复杂程度及尺寸大小的限制。摆脱了传统“去除”加工法的局限性，可以生产传统方法难以加工或不能加工的形状复杂的零件。可成形材料有碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金、铜合金、复合陶瓷等。可广泛应用于航空航天、人工假体、国防工业和机械工业产品的制造。

现有技术中对于特定粒度的金属增材制造的主要技术热点集中于控制光斑大小和激光功率对特定粒度的金属粉末熔融后以提高制造的良品率和效率，如专利公开号CN116618681A公开的一种宽粒径SLM金属增材制造方法及制造设备中提供了特定光斑大小和激光功率下对特定金属粒度加工的方法，但是其无法通过加工过程中的光图像检测实时加工面的加工缺陷。

鉴于此，提出一种面式扫描的光路系统，用于激光增材制造中的加工面缺陷检测。

发明内容

本发明提供一种面式扫描的光路系统，通过面扫描后进行点的转换实现对增材区域的缺陷检测。

本发明提供一种面式扫描的光路系统，包括用于发射激光的光源，还包括：

分光模块，激光经所述分光模块后至少分光为第一光路、第二光路和第三光路，且激光经所述第一光路、第二光路分别形成第一工作光和第二工作光，激光经所述第三光路形成基准光平面，且所述第一工作光和所述第二工作光均位于所述基准光平面内，同时所述第一工作光和所述第二工作光的光强度均高于所述基准光平面；

聚焦模块，至少包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，且两者分别对应设置于所述第一光路和所述第二光路；

反射采样模块，至少两个所述反射采样模块设置于所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜的一侧，采样基准光平面经所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜的反射光；

扫描采样模块，至少两个扫描采样模块对应设置于所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜，且分别随所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜移动，

且所述扫描采样模块至少包括点采样单元和光电转换器，所述点采样单元用于获取预设光强度值以下的点集合，所述光电转换器适于将光信号转换为电信号；

数据处理模块，接收来自所述光电转换器的电信号，预处理所述反射采样模块接收到的反射光图像，同时预处理所述扫描采样模块的电信号值；

控制模块，被配置为与光源和各模块电连接，响应于各模块并发送控制信号至各模块。

进一步的，所述分光模块至少包括分光器和分光透镜组；

所述分光透镜组包括散射透镜组、第一聚焦透镜组和第二聚焦透镜组；

所述分光器的入光端连接至所述光源，且所述分光器至少具有第一出口、第二出口和第三出口；

所述激光经所述第三出口后经过散射透镜组形成基准光平面；

所述激光经所述第一出口后经过第一聚焦透镜组、第一聚焦透镜至所述基准光平面；

所述激光经所述第二出口后经过第二聚焦透镜组、第二聚焦透镜至所述基准光平面。

进一步的，还包括连接至所述第一聚焦透镜组的第一伺服系统，所述第一伺服系统用于调整所述第一聚焦透镜组的位置以调整所述第一工作光在基准光平面的位置；

连接至所述第二聚焦透镜组的第二伺服系统，所述第二伺服系统用于调整所述第二聚焦透镜组的位置以调整所述第二工作光在基准光平面的位置；

还包括设置于所述散射透镜组出光侧的光圈，所述光圈用于调节所述基准光平面的平面大小。

进一步的，还包括设置于所述第一聚焦透镜组和所述第二聚焦透镜组的第一成像脉冲控制器和与所述第一成像脉冲控制器连接的第一快门；

设置于所述散射透镜组的第二成像脉冲控制器，与所述第二成像脉冲控制器连接的第二快门。

进一步的，所述控制模块，

被配置为向所述第一成像脉冲控制器、所述第二成像脉冲控制器发送脉冲控制信号；

同时被配置为向所述光圈发送光圈调整信号；

同时被配置为向所述第一伺服系统、所述第二伺服系统发送伺服运动信号；

同时被配置为向所述反射采样模块和所述扫描采样模块发送采样信号。

进一步的，所述数据处理模块被配置为执行如下步骤：

获取基准光平面的第一反射光图像，以预设的网格尺寸将反射光图像划分为多个网格区域；

获取各区域中的平均光度值，获取光度值在第一阈值叠加第二阈值范围内的范围内的第一光度变换边界；

获取扫描采样模块的第二反射光图像，得到第二反射光图像与第一光度变换边界的拟合，所述第二反射光图像基于所述第一工作光、所述第二工作光在预设扫描采样间隔内的反射成像；

根据光度变换边界在网格区域内占比标记基准区域和缺陷区域；

所述基准区域为反射光图像中第一光度变换边界占比在第三阈值内，且拟合度在第四阈值内的区域为基准区域，其余为缺陷区域；

所述第一阈值为预设光度值，所述第二阈值为差值光度值。

进一步的，所述数据处理模块还被配置为执行如下步骤：

获取扫描采样模块的点数据；

根据预设的材料粒度，设置点的大小，从所述缺陷区域中得到点数据中的粒度间隔区域，标记粒度间隔区域大于材料粒度的图像数据；

得到关于材料粒度的精确外边界。

本发明相对现有技术具有如下优点：

本发明通过构建光度值不同的反射图像，以面为基准值进行扫描，同时获取基准面中的光加工信息，对平面进行处理，检测增材过程中的缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例提供的系统的模块连接示意图；

图2是本发明实施例提供的光路示意图。

其中，1、光源；2、激光；3、分光器；4、第一光路；5、第二光路；6、第三光路；7、基准光平面；8、第一工作光；9、第二工作光；10、第一聚焦透镜；11、第二聚焦透镜；12、反射采样模块；13、扫描采样模块；14、散射透镜组；15、第一聚焦透镜组；16、第二聚焦透镜组；17、光圈；18、第一伺服系统；19、第二伺服系统；20、第三伺服系统。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

如图1所示的模块连接示意图，本公开实施例提供一种面式扫描的光路系统，包括用于发射激光2的光源1。

又如图2所示的光路示意图，激光2经光源1发射后经过分光模块至少形成第一光路4、第二光路5和第三光路6，且激光2经过第一光路4、第二光路5分别形成第一工作光8和第二工作光9，激光2经第三光路6形成基准光平面7，且第一工作光8和第二工作光9均位于基准光平面7内部，同时第一工作光8和第二工作光9的光强度高于基准光平面7。

以及聚焦模块，包括第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜11，第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜11分别对应设置在第一光路4和第二光路5上，激光2通过第一聚焦透镜10形成第一工作光8，通过第二聚焦透镜11形成第二工作光9，第一工作光8和第二工作光9均为激光光斑以适应于加工不同粒度的金属粉末，值得说明的是在本公开实施例中第一聚焦透镜10和第二聚焦透镜11均是可替换地，以适应性改变激光光斑的大小适于加工不同粒度的金属粉末。

本公开实施例中的分光模块还包括散射透镜组14、第一聚焦透镜组15和第二聚焦透镜组16。

其中，所述分光器3的入光端连接至所述光源1，且所述分光器3至少具有第一出口、第二出口和第三出口；所述激光2经所述第三出口后经过散射透镜组14形成基准光平面7；所述激光2经所述第一出口后经过第一聚焦透镜组15、第一聚焦透镜10至所述基准光平面7；所述激光2经所述第二出口后经过第二聚焦透镜组16、第二聚焦透镜11至所述基准光平面7。

还包括连接至所述第一聚焦透镜组15的第一伺服系统18，所述第一伺服系统18用于调整所述第一聚焦透镜组15的位置以调整所述第一工作光8在基准光平面7的位置；连接至所述第二聚焦透镜组16的第二伺服系统19，所述第二伺服系统19用于调整所述第二聚焦透镜组16的位置以调整所述第二工作光9在基准光平面7的位置；还包括设置于所述散射透镜组14出光侧的光圈17，所述光圈17用于调节所述基准光平面7的平面大小。

作为本公开实施例的一种优选方式，还包括第三伺服系统20，第三伺服系统20连接至本公开实施例中的系统本体，用于调节系统本体的整体位置，需要说明的是在本公开实施例中对于第一、第二和第三伺服系统20的选择基于本领域中常见的伺服驱动系统，在此不再赘述。

还包括设置于所述第一聚焦透镜组15和所述第二聚焦透镜组16的第一成像脉冲控制器和与所述第一成像脉冲控制器连接的第一快门；设置于所述散射透镜组14的第二成像脉冲控制器，与所述第二成像脉冲控制器连接的第二快门。在本公开实施例中，第一快门和第二快门用于短暂地关闭第一工作光8和第二工作光9，以方便反射采样模块12和扫描采样模块13的工作，由于第一工作光8和第二工作光9具有较高的光度值，通过脉冲控制信号控制对应的快门分别短暂关闭第一工作光8、第二工作光9和基准光平面7，以得到其中任意一个的精准反射光图像，以减少光的干扰，快门的设置位于对应的聚焦透镜组的光路出口处（图中未示出）。

反射采样模块12，至少两个所述反射采样模块12设置于所述第一聚焦透镜10和所述第二聚焦透镜11的一侧，采样基准光平面7经所述第一聚焦透镜10和所述第二聚焦透镜11的反射光，在本公开实施例中，反射采样模块12至少包括反射透镜和信号接收器，反射透镜设置在聚焦透镜组的一侧，接收来自基准光平面7上的第一工作光8、第二工作光9以及基准光平面7自身的光反射并且经过第一聚焦透镜组15、第二聚焦透镜组16聚焦后的反射光，信号接收器接收反射光的数据。作为本公开实施例中可选的方式，反射采样模块12可以设置为采集经过第一聚焦透镜10、第二聚焦透镜11聚焦后的反射光，并对应调整反射采样模块12的设置位置。

需要说明的是，在本公开实施例中反射采样模块12中的反射透镜至少具有供第一工作光8和第二工作光9通过的光通道。

同时还需要说明的是，在本公开实施例中还包括用于采样基准光平面7的反射采样模块12，该反射采样模块12设置在第三光路6上，且具有光通道供基准光平面7的形成（图中未示出）。

扫描采样模块13，至少两个扫描采样模块13对应设置于所述第一聚焦透镜10和所述第二聚焦透镜11，具体地说，在本公开实施例中扫描采样模块13设置于第一聚焦透镜10和第一聚焦透镜组15之间，且分别随所述第一聚焦透镜组15和所述第二聚焦透镜组16移动，作为本公开实施例中可选的方式，扫描采样模块13可以设置为随第一聚焦透镜10、第二聚焦透镜11移动。

且所述扫描采样模块13至少包括点采样单元和光电转换器，所述点采样单元用于获取预设光强度值以下的点集合，所述光电转换器适于将所述光信号转换为电信号，在本公开实施例中点采样单元包括微波点云采样模块，在本领域中可采用微型IMU和微波雷达结合的方式向基准光平面7发送特定波长的采样光，通过采样光的反射得到基准光平面7所对应的工件加工区域的点的图像数据。

数据处理模块，接收来自所述光电转换器的电信号，预处理所述反射采样模块12接收到的反射光图像，同时预处理所述扫描采样模块13的电信号值。

控制模块被配置为与光源1和各模块电连接，响应于各模块并发送控制信号至各模块，具体被配置为向所述第一成像脉冲控制器、所述第二成像脉冲控制器发送脉冲控制信号；同时被配置为向所述光圈17发送光圈调整信号；同时被配置为向所述第一伺服系统、所述第二伺服系统发送伺服运动信号；同时被配置为向所述反射采样模块12和所述扫描采样模块13发送采样信号。

作为本公开实施例的一种优选方式，所述数据处理模块被配置为执行如下步骤：

获取基准光平面7的第一反射光图像，以预设的网格尺寸将反射光图像划分为多个网格区域；

获取各区域中的平均光度值，获取光度值在第一阈值叠加第二阈值范围内的范围内的第一光度变换边界；

获取扫描采样模块13的第二反射光图像，得到第二反射光图像与第一光度变换边界的拟合，所述第二反射光图像基于所述第一工作光8、所述第二工作光9在预设扫描采样间隔内的反射成像；

根据光度变换边界在网格区域内占比标记基准区域和缺陷区域；

所述基准区域为反射光图像中第一光度变换边界占比在第三阈值内，且拟合度在第四阈值内的区域为基准区域，其余为缺陷区域；

所述第一阈值为预设光度值，所述第二阈值为差值光度值。

进一步的，所述数据处理模块还被配置为执行如下步骤：

获取扫描采样模块13的点数据；

根据预设的材料粒度，设置点的大小，从所述缺陷区域中得到点数据中的粒度间隔区域，标记粒度间隔区域大于材料粒度的图像数据；

得到关于材料粒度的精确外边界。

本公开实施例通过反射采样模块12采样预定时间间隔内基准光平面7、第一工作光8、第二工作光9的反射图像，获得反射图像数据将反射图像数据切分为网格区域，对各网格区域内的平均光度值进行计算后，然后通过在设置的预设光度值下由反射得到的差值光度值，并得到关于差值光度值的光度变化边界，并且设置了占比的阈值和拟合度的阈值。

其中拟合度的计算通过扫描采样模块13根据材料粒度确定的点的边界得到关于点的第二光度变换边界，通过对不同区域的激光熔融导致的粒度变化得到精确的粒度边界，然后通过反射光图像得到的第一光度变换边界，得到关于加工边界的拟合程度，拟合程度越高加工融合程度越高，则标记为基准区域，否则则为缺陷区域。

之后本公开实施方式根据预设的材料粒度，设置点的大小，从所述缺陷区域中得到点数据中的粒度间隔区域，标记粒度间隔区域大于材料粒度的图像数据；得到关于材料粒度的精确外边界和缺陷区域的具体位置。

本公开实施例中对于第三阈值的设置根据当前网格区域的加工时间设置，加工时间越长光度变换边界占比越高，根据该区域的加工时间设置第三阈值后，若占比明显高于第三阈值则证明加工边界出现了过熔融状态，导致第一光度变换边界占比变大，因此需要控制占比在第三阈值内。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和作用是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”（a）、“一个”（an）和“所述”（the）旨在同样包括复数形式。类似地，如在本申请中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本申请中时，术语“包括”（comprise）及其变型“包括”（comprises）和/或包括（comprising）等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。

Claims (6)

1.一种面式扫描的光路系统，包括用于发射激光的光源，其特征在于，还包括：

分光模块，激光经所述分光模块后至少分光为第一光路、第二光路和第三光路，且激光经所述第一光路、第二光路分别形成第一工作光和第二工作光，激光经所述第三光路形成基准光平面，且所述第一工作光和所述第二工作光均位于所述基准光平面内，同时所述第一工作光和所述第二工作光的光强度均高于所述基准光平面；

聚焦模块，至少包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，且两者分别对应设置于所述第一光路和所述第二光路；

反射采样模块，至少两个所述反射采样模块设置于所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜的一侧，采样基准光平面经所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜的反射光；

扫描采样模块，至少两个扫描采样模块对应设置于所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜，且分别随所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜移动，

且所述扫描采样模块至少包括点采样单元和光电转换器，所述点采样单元用于获取预设光强度值以下的点集合，所述光电转换器适于将光信号转换为电信号；

数据处理模块，接收来自所述光电转换器的电信号，预处理所述反射采样模块接收到的反射光图像，同时预处理所述扫描采样模块的电信号值；

所述数据处理模块被配置为执行如下步骤：

获取基准光平面的第一反射光图像，以预设的网格尺寸将反射光图像划分为多个网格区域；

获取各区域中的平均光度值，获取光度值在第一阈值叠加第二阈值范围内的范围内的第一光度变换边界；

获取扫描采样模块的第二反射光图像，得到第二反射光图像与第一光度变换边界的拟合，所述第二反射光图像基于所述第一工作光、所述第二工作光在预设扫描采样间隔内的反射成像；

根据光度变换边界在网格区域内占比标记基准区域和缺陷区域；

所述基准区域为反射光图像中第一光度变换边界占比在第三阈值内，且拟合度在第四阈值外的区域为基准区域，其余为缺陷区域；

所述第一阈值为预设光度值，所述第二阈值为差值光度值；

控制模块，被配置为与光源和各模块电连接，响应于各模块并发送控制信号至各模块。

2.根据权利要求1所述的面式扫描的光路系统，其特征在于，所述分光模块至少包括分光器和分光透镜组；

所述分光透镜组包括散射透镜组、第一聚焦透镜组和第二聚焦透镜组；

所述分光器的入光端连接至所述光源，且所述分光器至少具有第一出口、第二出口和第三出口；

所述激光经所述第三出口后经过散射透镜组形成基准光平面；

所述激光经所述第一出口后经过第一聚焦透镜组、第一聚焦透镜至所述基准光平面；

所述激光经所述第二出口后经过第二聚焦透镜组、第二聚焦透镜至所述基准光平面。

3.根据权利要求2所述的面式扫描的光路系统，其特征在于，还包括连接至所述第一聚焦透镜组的第一伺服系统，所述第一伺服系统用于调整所述第一聚焦透镜组的位置以调整所述第一工作光在基准光平面的位置；

连接至所述第二聚焦透镜组的第二伺服系统，所述第二伺服系统用于调整所述第二聚焦透镜组的位置以调整所述第二工作光在基准光平面的位置；

还包括设置于所述散射透镜组出光侧的光圈，所述光圈用于调节所述基准光平面的平面大小。

4.根据权利要求3所述的面式扫描的光路系统，其特征在于，还包括设置于所述第一聚焦透镜组和所述第二聚焦透镜组的第一成像脉冲控制器和与所述第一成像脉冲控制器连接的第一快门；

设置于所述散射透镜组的第二成像脉冲控制器，与所述第二成像脉冲控制器连接的第二快门。

5.根据权利要求4所述的面式扫描的光路系统，其特征在于，所述控制模块，

被配置为向所述第一成像脉冲控制器、所述第二成像脉冲控制器发送脉冲控制信号；

同时被配置为向所述光圈发送光圈调整信号；

同时被配置为向所述第一伺服系统、所述第二伺服系统发送伺服运动信号；

同时被配置为向所述反射采样模块和所述扫描采样模块发送采样信号。

6.根据权利要求1所述的面式扫描的光路系统，其特征在于，所述数据处理模块还被配置为执行如下步骤：

获取扫描采样模块的点数据；

根据预设的材料粒度，设置点的大小，从所述缺陷区域中得到点数据中的粒度间隔区域，标记粒度间隔区域大于材料粒度的图像数据；

得到关于材料粒度的精确外边界。