CN208680763U - 用于激光加工的多功能监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于激光加工的多功能监测系统，解决现有激光加工方式数据处理速度慢、成本高、体积大和集成难度高等问题。该系统包括分光模块、监测镜头、成像组件、运动模块和计算机；分光模块安装在激光加工光路中，激光光束经分光模块分为两路，其中一路被分光模块折转90°进入监测镜头，另一路穿过分光模块实现激光加工；监测镜头、成像组件设置在分光模块的反射光路上；运动模块实现成像组件的移动；监测镜头包括光学系统；成像组件包括探测器和成像电路板；计算机与探测器连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光加工技术领域，特别涉及一些对激光功率、能量分布及光束指向要求高的激光加工领域，具体涉及一种用于激光加工的多功能监测系统。
背景技术
激光加工具有加工精度高、质量好、柔性化等特点，因此在钢铁、机械、汽车和半导体等工业领域得到了广泛应用。对于激光加工设备，其可靠性取决于激光加工光路的稳定性，激光加工过程是激光与物质相互作用的结果，加工质量的优劣受到激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数的影响。只有达到有效的工艺参数，才能够保证实现最佳的加工质量。
随着激光加工技术逐渐自动化、智能化，激光加工监测装置已成为国内外激光技术领域研究的热点。将监测装置引入激光加工设备中，在设备工作过程中对加工光束功率、能量分布和光束指向进行监测，可有效的提高激光加工的可控性，改善加工质量。
目前，在激光加工设备中，要实现激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数测量，需要至少三种监测装置，此种方式导致数据处理速度慢，难于集成，同时引入多个监测装置，带来了成本高、体积大和集成难度高等问题。有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述技术问题的监测装置，用于对激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数监测的装置。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有激光加工监测装置数据处理速度慢、成本高、体积大和集成难度高等技术问题，提供一种用于激光加工的多功能监测系统，可实现对激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数测量的多功能监测。
本实用新型的技术方案是：
一种用于激光加工的多功能监测系统，包括分光模块、监测镜头、成像组件、运动模块和计算机；所述分光模块安装在激光加工光路中，激光光束经分光模块分为两路，其中一路被分光模块折转90°进入监测镜头，另一路穿过分光模块实现激光加工；所述监测镜头和成像组件设置在分光模块的反射光路上；所述运动模块实现成像组件的移动；所述监测镜头包括光学系统；所述成像组件包括探测器和成像电路板；所述计算机与探测器连接，用于对采集到的图像进行分析，得到激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数，及时反馈给数控系统。
进一步地，所述光学系统为远心平场镜头，包括从物面到像面依次设置的光阑、第一正透镜、第一负透镜和第二正透镜。
进一步地，所述第一正透镜的折射率nd>1.75、色散系数vd<50；所述第一负透镜的折射率nd<1.65、色散系数vd>30；所述第二正透镜的折射率nd>1.75、色散系数vd<50。
进一步地，所述第一正透镜的厚度为3.109mm，入光面的曲率半径为11.969mm，半口径为5.03mm，出光面的曲率半径为19.639mm，半口径为4.47mm；所述第一负透镜的厚度为4mm，入光面的曲率半径为-6.789mm，半口径为2.73mm，出光面的曲率半径为-13.119mm，半口径为3.28mm；所述第二正透镜的厚度为3.151mm，入光面的曲率半径为33.207mm，半口径为3.35mm，出光面的曲率半径为-35.899mm，半口径为3.24mm；所述第一正透镜与第一负透镜的距离是12.59mm，所述第一负透镜和第二正透镜的距离是3.114mm；所述第二正透镜与像面的距离为12mm。
进一步地，所述分光模块包括分光平板，为严格控制反射率和透过率，所述分光平板表面镀制增透膜和抗损伤阈值膜。
进一步地，为避免其它波长杂光到达探测器影响测量精度，所述监测镜头和成像组件之间还设置有滤光片，滤光片为窄带滤光片，为避免强光对探测器的损伤，所述监测镜头和成像组件之间还设置有挡板。
进一步地，所述运动模块包括丝杠和导轨，所述成像组件设置在丝杠的螺母上，保证成像组件移动过程中的同轴度要求。
基于上述用于激光加工的多功能监测系统实现对激光功率、能量分布等工艺参数测量的多功能监测，具体如下：
1)激光束经分光模块折转90°成像；
2)根据采集的图像读出每个像素的灰度值，将整个光斑灰度值进行统计，计算出激光光束的照度值E；
其中，F：光学系统相对孔径倒数；
U：探测器饱和电压；
η：探测器转换因子；
τ：光学系统透过率；
t：曝光时间；
R:响应度；
DN:灰度值；
3)对E求积分，得到能量I；
其中，S为光斑面积。
利用上述系统实现激光的光束指向，具体如下：
1)测量离轴量；
分别在焦平面、与焦平面平行的位置1和位置2捕获光斑质心坐标，其中焦平面质心坐标用于标定光轴，记为(0，0)，位置1和位置2距离为D，位置1和位置2质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，离轴情况下x2＝x1，故离轴量其中：f′为焦距；
2)测量倾斜角；
分别在焦平面，与焦平面平行的位置1和位置2捕获光斑质心坐标，其中焦平面质心坐标用于标定光轴，记为(x0,y0)，焦平面和位置2距离为D2，位置1和位置2距离为D1，位置1和位置2质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，倾斜情况下x0＝x2＝x1，故倾斜角度为
进一步地，步骤1)中，还包括以下步骤，多次测量得到多组离轴量值，求得多组离轴量值的平均值；步骤2)中，还包括以下步骤，多次测量得到多组倾斜角，求得多组倾斜角的平均值。
本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本实用新型只通过一路监测系统，即可实现激光功率、能量分布和光束指向等多个工艺参数的测量，具有成本低、体积小、结构简单便于集成等优点。
2.本实用新型通过一路监测系统对图像进行采集，经信号处理即可实现多个参数测量。
3.本实用新型提供一种用于激光加工的多功能监测系统实现激光的位置指向方法，根据三种位置光斑的变化得到光束的离轴量和倾斜角度，指导加工激光头的安装，提高激光的加工精度。
4.本实用新型监测镜头通光口径远远大于目前激光器束腰尺寸，通用性强，兼容绝大多数激光设备，监测镜头属于小像差系统，成像性能高，光学传递函数基本接近衍射极限，消除了光学系统对测量结果的影响。
5.本实用新型分光模块属于透过率较高模块，保证加工光路中能量的充分利用，通过对未利用的光进行监测，对加工光路无影响。
附图说明
图1为本实用新型多功能监测系统结构示意图；
图2为本实用新型监测镜头光学系统结构示意图；
图3为本实用新型监测镜头点列图；
图4为本实用新型离轴量测量原理图；
图5为本实用新型倾斜角度测量原理图。
附图标记：1-分光模块，2-监测镜头，3-滤光片，4-挡板，5-成像组件，6-运动模块，7-计算机，21-光阑，22-第一正透镜，23-第一负透镜，24-第二正透镜，25-像面。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述：
如图1所示为本实用新型提供的用于激光加工的多功能监测系统，该系统具有监测激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数的功能，系统包括分光模块1、监测镜头2、滤光片3、挡板4、成像组件5、运动模块6和计算机7。
分光模块1安装在激光加工光路中，激光光束经分光模块1分为两路光，其中一路被分光模块1折转90°进入监测镜头2，另一路穿过分光模块1进入加工头实现激光加工，分光模块1内部装有分光平板，分光平板表面镀制增透膜和抗损伤阈值膜，严格控制反射率和透过率。监测镜头2、滤光片3、挡板4、成像组件5设置在分光模块1的反射光路上，在实际安装中，监测镜头2、成像组件5、运动模块6和计算机7集成为一体可通过螺钉固定在分光模块1上。成像组件5包括高灵敏度的CCD或CMOS探测器和成像电路板。运动模块6实现成像组件5的移动，其包括丝杠和导轨，丝杠包括螺杆和螺母，成像组件5固定设置在螺母上，导轨对螺母的平移起导向作用，保证成像组件5移动过程中的同轴度要求；监测镜头2包括光学系统和固定光学系统的机械结构，机械结构采用透镜入框结构和镜筒留有注胶孔方式，此种安装方式具有良好的抗振和防尘优点。计算机7与探测器连接，用于对采集到的图像进行分析，得到激光功率、能量分布和光束指向等工艺参数，及时反馈给数控系统。
如图2所示为本实用新型监测镜头的光学系统结构示意图，该光学系统包括三片透镜，光学系统从物面到像面25依次包括有光阑21、第一正透镜22、第一负透镜23和第二正透镜24。光焦度以正负正形式排列，无特殊玻璃、复杂面型和胶合镜，有利于加工和装配。该光学系统有八个自由度，除满足光焦度要求外，还可校正全部初级像差，它属于薄透镜组分离结构，利用正负光焦度分离校正了场曲，是一种对称型物镜。该光学系统属于新型三片式结构，传统光学系统的光阑位于负透镜后，光阑设置在第一正透镜后，对光阑像差校正能力有限，为实现监测镜头2的像方远心，故本实用新型光阑移至第一正透镜22之前。
监测激光束沿着反射镜折转至探测器方向，激光束依次经过监测镜头2、滤光片3、挡板4和探测器。其中，监测镜头2用于将激光光束反射的光成像于探测器处，其必须采用远心设计，以保证功率测量的精度；分光平板置于加工光路中加工聚焦镜上方，加工光透过该平板和聚焦镜聚焦于加工件进行制孔，分光平板在监测光路中用于光束的折转，该平板镀膜必须严格要求，以保证反射光和透过光的准确对应关系；滤光片3为窄带滤光片3，与激光波长和谱宽对应，避免其它波长杂光到达探测器影响测量精度；挡板4用于标定时，避免强光对探测器的损伤；探测器用于对光斑的接收以对光束特性的分析。
本实用新型实例中的监测镜头2光学系统各透镜组件的具体参数和材料如表1所示。
表1(表中单位：mm)
三组折射镜组的光焦度分别为Φ1，Φ2，Φ3；归一化取值为Φ1＝0.36，Φ2＝-1.2，Φ3＝1。
该系统实现方式为：激光束经分光平板折转90°，再通过远心平场镜头成像在探测器上，基于图像像清晰度进行对焦，根据灰度值测出光束能量分布和激光功率，然后移动探测器至两处离焦位置，根据三种位置光斑的变化得到光束的离轴量和倾斜角度，指导激光头的装配。
基于上述用于激光加工的多功能监测系统可实现对激光功率、能量分布等工艺参数测量的多功能监测，具体过程如下：
1)激光束经分光模块1折转90°，成像在成像组件5上；
2)如图3所示，为本实用新型提供的监测镜头2点列图，弥散斑远远小于探测器像元尺寸，成像质量基本达到衍射极限。该光学系统采用远心设计，各个视场光线出射度小于1°，光斑大小基本相等和保持良好圆度，大大降低了能量分布和能量的测量误差。其具体测量方法为:根据采集图像可直接读出每个像素的灰度值，将整个光斑灰度值进行统计，通过下面公式可计算出激光光束的照度值E(即激光功率)；
其中，F：光学系统F数，也就是光学系统相对孔径倒数；
U：CCD饱和电压；
η：CCD转换因子；
τ：光学系统透过率；
t：曝光时间；
R:响应度；
DN:灰度值。
3)对E求积分即得能量I；
其中，S为光斑面积。
基于上述用于激光加工的多功能监测系统可实现对光束指向等工艺参数测量的多功能监测，具体过程如下：
1)如图4所示，本发明提供的离轴量测量原理图，激光光束经光学镜头聚焦于探测器处，也就是焦平面。其中实线表示理想光线，虚线表示离轴光线，激光光束离轴后，聚焦光斑质心连线不再与光轴重合，改变了会聚光束的锥度，最终导致激光加工质量的下降，比如切割端面的不齐整、制孔的圆柱度降低。分别在焦平面，位置1和位置2三处位置捕获光斑质心坐标，其中焦平面质心坐标用于标定光轴(基准轴)以作为参考轴，记为(0，0)，位置1和位置2距离为D，位置1和位置2质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，离轴情况下x2＝x1，故离轴量为测量离轴量更精确，可多选几种位置，求平均值，其中：f′为焦距；
2)如图5所示，为本发明提供的倾斜角度测量原理图；其中实线表示理想光线，虚线表示离轴光线，激光光束倾斜后，聚焦光斑质心连线不再与光轴重合，改变了光束的会聚位置，最终导致激光加工定位精度和加工尺寸精度的下降。分别在焦平面，位置1和位置2三处位置捕获光斑质心坐标，其中焦平面质心坐标用于标定光轴(基准轴)以作为参考轴，记为(x0,y0)，焦平面和位置2距离为D2，位置1和位置2距离为D1，位置1和位置2质心坐标分别为(x1,y1)和(x2,y2)，倾斜情况下x0＝x2＝x1，故倾斜角度量 为测量倾斜角度更精确，可多选几种位置，求平均值。
将上述得到的倾斜角和离轴量用于加工激光指向调整，指导加工激光头的安装。
Claims (8)
1.一种用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：包括分光模块(1)、监测镜头(2)、成像组件(5)、运动模块(6)和计算机(7)；
所述分光模块(1)安装在激光加工光路中，激光光束经分光模块(1)分为两路，其中一路被分光模块(1)折转90°进入监测镜头(2)，另一路穿过分光模块(1)实现激光加工；
所述监测镜头(2)和成像组件(5)设置在分光模块(1)的反射光路上；
所述运动模块(6)实现成像组件(5)的移动；
所述监测镜头(2)包括光学系统；所述成像组件(5)包括探测器和成像电路板；
所述计算机(7)与探测器连接，用于对采集到的图像进行分析。
2.根据权利要求1所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述光学系统为远心平场镜头，包括从物面到像面(25)依次设置的光阑(21)、第一正透镜(22)、第一负透镜(23)和第二正透镜(24)。
3.根据权利要求2所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述第一正透镜(22)的折射率nd>1.75、色散系数vd<50；所述第一负透镜(23)的折射率nd<1.65、色散系数vd>30；所述第二正透镜(24)的折射率nd>1.75、色散系数vd<50。
4.根据权利要求3所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述第一正透镜(22)的厚度为3.109mm，入光面的曲率半径为11.969mm，半口径为5.03mm，出光面的曲率半径为19.639mm，半口径为4.47mm；
所述第一负透镜(23)的厚度为4mm，入光面的曲率半径为-6.789mm，半口径为2.73mm，出光面的曲率半径为-13.119mm，半口径为3.28mm；
所述第二正透镜(24)的厚度为3.151mm，入光面的曲率半径为33.207mm，半口径为3.35mm，出光面的曲率半径为-35.899mm，半口径为3.24mm；
所述第一正透镜(22)与第一负透镜(23)的距离是12.59mm，所述第一负透镜(23)和第二正透镜(24)的距离是3.114mm；所述第二正透镜(24)与像面的距离为12mm。
5.根据权利要求4所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述分光模块(1)包括分光平板，所述分光平板表面镀制增透膜和抗损伤阈值膜。
6.根据权利要求1至5任一所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述监测镜头(2)和成像组件(5)之间还设置有滤光片(3)，所述滤光片(3)为窄带滤光片。
7.根据权利要求6所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述监测镜头(2)和成像组件(5)之间还设置挡板(4)。
8.根据权利要求7所述的用于激光加工的多功能监测系统，其特征在于：所述运动模块(6)包括丝杠和导轨，所述成像组件(5)设置在丝杠的螺母上。
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|---|---|---|---|
| CN201821194463.6U CN208680763U (zh) | 2018-07-26 | 2018-07-26 | 用于激光加工的多功能监测系统 |
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| CN201821194463.6U CN208680763U (zh) | 2018-07-26 | 2018-07-26 | 用于激光加工的多功能监测系统 |
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| CN201821194463.6U Active CN208680763U (zh) | 2018-07-26 | 2018-07-26 | 用于激光加工的多功能监测系统 |
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| CN (1) | CN208680763U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108747001A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-11-06 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于激光加工的多功能监测系统及监测方法、指向方法 |
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2018
- 2018-07-26 CN CN201821194463.6U patent/CN208680763U/zh active Active
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| CN108747001A (zh) * | 2018-07-26 | 2018-11-06 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 用于激光加工的多功能监测系统及监测方法、指向方法 |
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