CN220178394U - 调焦装置 - Google Patents
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Abstract
一种调焦装置，包括激光光源、第一分光元件、第二分光元件、聚焦透镜、成像透镜和检测模块；其中：激光光源：用于输出检测光束，该检测光束经第一分光元件后入射到第二分光元件；第二分光元件：一面用于接收激光加工光束并透射到下方，并通过聚焦透镜将激光加工光束汇聚于激光加工表面；另一面用于接收检测光束，并通过聚焦透镜将检测光束汇聚于激光加工表面；其中通过聚焦透镜汇聚于激光加工表面的激光加工光束和检测光束光路同轴；第一分光元件，用于收集激光加工表面的、经过聚焦透镜和第二分光元件后，同光路返回的汇聚点辐射光，并通过成像透镜成像在检测模块上；检测模块：用于识别成像透镜进来的汇聚点辐射光的像素位置，根据所识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光光路的光路调焦技术，具体涉及一种调焦装置。
背景技术
近年来，激光加工被越来越多的加工企业使用，已成为一种制造工件中的标准方法。基于激光共焦测量方法由于高精度、高分辨率等优势在激光加工离焦探测中得到广泛应用。三角法激光测距是光电检测技术的一种，该方法测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便，广泛应用于工业的长度、距离测量等检测领域。
传统调焦光路，如图1所示，图中，A为CCD相机，B为带通滤光片，C为第一偏振分束器，D为物镜，E为聚焦镜，F为1/4波片，G为红外截止滤光片，H为第二偏振分束器，I为激光发射器。
激光发射器I发射激光光束，经过红外截止滤光片G后被截掉上半部，下半部先后通过第二偏振分束器H和1/4波片F后，光束经过聚焦镜E后变为平行光，该平行光经在主光轴中的第一偏振分束器C作用下发生转向，最后透过物镜D在焦平面聚焦。由于被检测物体表面的反射作用，激光光束经过反射后再次通过聚焦镜E返回到光路中，并通过一系列的光学器件最终在聚焦镜E和第二偏振分束器H的作用下投射到CCD相机A的检测屏上。如果被检测物体处于激光光束的焦平面处，则反射光束刚好在相机屏处聚焦。忽略波长的影响，可见光与激光光束在物镜D作用下近似共焦，当反射光束刚好在CCD相机A屏处聚焦，表明被检测物体处于物镜D焦平面处，系统调焦完成；当物镜D与被检测距离发生变化，系统发生离焦，此时投射到CCD相机A屏上的是一个半圆光斑。当检测到的是一个下半圆时，表明物镜D与被检测物体的距离增大，发生下离焦；当检测到上半圆光斑时，表明物镜D与被检测物体的距离减小，发生上离焦；检测到的光斑半径越大，表明系统的离焦量越大。系统调焦过程是通过分析CCD相机A检测到的上半圆或下半圆来辨别离焦方向的，根据检测到的半圆半径分析出离焦量大小。运动执行器根据激光三角法建立检测到的光斑信息与离焦方向和距离之间的数学关系，快速控制压电陶瓷(PZT)向焦平面移动直至调焦完成，从而实现自动化调焦。
传统调焦光路中，工件(传感器)的移动、测量和焊接，这三者额外的时间窗口都是测量误差的来源。而且每次只能在工件的某一个位置测量，如需检测另一个位置，则需要额外的移动(额外的轴)。器件的移动将导致测量时间的增加，而且光学干涉也影响限制了安装空间。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种调焦装置，安装方便，调节简单。
本实用新型解决上述技术问题的方案如下：
一种调焦装置，包括激光光源、第一分光元件、第二分光元件、聚焦透镜、成像透镜和检测模块；其中：
所述激光光源：用于输出检测光束，该检查光束经第一分光元件后入射到第二分光元件；
所述第二分光元件：一面用于接收激光加工光束并透射到下方，并通过聚焦透镜将激光加工光束汇聚于激光加工表面；另一面用于接收检测光束，并通过聚焦透镜将检测光束汇聚于激光加工表面；其中通过聚焦透镜汇聚于激光加工表面的激光加工光束和检测光束光路同轴；
所述第一分光元件；还用于收集激光加工表面的、经过聚焦透镜和第二分光元件后，同光路返回的汇聚点辐射光，并通过成像透镜成像在检测模块上；
所述检测模块：用于识别成像透镜进来的汇聚点辐射光的像素位置，根据所识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
作为进一步的限定和优化，所述识别的像素位置和预设的标准像素位置为检测模块成像几何或亮度中心位置，检测模块根据所识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置平面坐标，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
作为进一步的限定和优化，所述检测模块所识别的像素位置平面坐标为(a，b)，预设的标准像素位置平面坐标为(0，0)，聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化d为：
作为进一步的限定和优化，所述第一分光元件安装在使激光加工光束和检测光束光路同轴的俯仰偏转调节机构之上，通过俯仰偏转调节机构调整使得激光加工光束和检测光束光路同轴。
作为进一步的限定和优化，所述激光光源安装在使激光加工光束和检测光束光路同轴的水平位移调节机构之上，通过水平位移调节机构调整使得激光加工光束和检测光束光路同轴。
作为进一步的限定和优化，所述检测模块还用于判断检测光束通过聚焦透镜汇聚到激光加工点的激光加工面移动方向；其中，焦点移动方向以预设的标准像素位置平面坐标为中心参考点，通过识别像素位置平面坐标为(a，b)的取值范围，确定聚焦透镜汇聚到激光加工表面的相对移动方向。
作为进一步的限定和优化，所述检测模块包括窄带滤光片、CCD成像模组和计算单元，通过窄带滤光片滤除进入CCD成像模组的检测光束以外的杂散光；计算单元用于根据CCD成像模组识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置平面坐标，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
作为进一步的限定和优化，所述窄带滤光片的中心波长与激光光源的波长相同。
作为进一步的限定和优化，所述第一分光元件为二向色分束镜或中性分束镜。
作为进一步的限定和优化，所述第二分光元件为激光焊接加工头的分光镜，聚焦透镜为激光焊接加工头的聚焦镜。
本实用新型相对于现有技术具有如下的优点：
1、本调焦装置通过第二分光元件共轴激光加工光束和接收检测光束，根据识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜与汇聚点辐射光的距离，有效保证了检测模块通过检测光束获得的像素位置，反映聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
2、调焦装置通过平面坐标位置来限定激光加工表面光强中心，进一步提高了聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离的变化精度。
3、调焦装置通过设定预设的标准像素位置平面坐标为(0，0)，进一步简化了聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化确定复杂度。
4、俯仰偏转调节机构、水平位移调节机构，更好的保证了激光加工光束和检测光束的光路一致性，提高了调焦装置的应用普适性。
5、通过CCD成像模组识别的像素位置平面坐标相对于标准像素位置平面坐标的位置变化，反应了激光加工表面的移动方向，方便调焦装置判断激光加工表面的位移变化方向。
6、通过窄带滤光片的应用，提高了检测光束光路纯度，减少了外界杂散光对光路的影响，提高了调焦装置的精度。
7、第一分光元件可以通过分光比为5:5或者其他分光比的分束镜实现，进而使得第一分光元件引导激光加工光束和接收返回回来的辐射光光束，使得调焦装置结构简单。
8、将第二分光元件与外部激光焊接头的光学元件进行复用，简化了调焦装置应用环境，提高了产品通用性。
附图说明
图1是现有技术的调焦系统原理图。
图2是本实用新型的调焦装置的结构示意图。
图3是实施例中，调焦装置调焦过程的光斑图示意图。
图4是俯仰偏转调节机构的结构示意图。
图5是水平平移调节机构的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。本申请实施例涉及的“多个”，是指大于或者等于两个。
实施例1：
请参阅图2，本申请实施例提供一种调焦装置，包括检测模块、成像透镜5、第一分光元件3、第二分光元件2、聚焦透镜1和激光光源7；其中：激光光源7用于输出检测光束12，该检测光束12经第一分光元件3后入射到第二分光元件2；第二分光元件2：一面用于接收激光加工光束11并透射到下方，并通过聚焦透镜1将激光加工光束11汇聚于激光加工表面9；另一面用于接收检测光束12，并通过聚焦透镜1将检测光束12汇聚于激光加工表面9；其中通过聚焦透镜1汇聚于激光加工表面9的激光加工光束11和检测光束12光路同轴；第一分光元件3，用于收集激光加工表面9的、经过聚焦透镜1和第二分光元件2后，同光路返回的汇聚点辐射光，并通过成像透镜5成像在检测模块上；检测模块用于识别成像透镜5进来的辐射光的像素位置，根据识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化。
采用该实施例，调焦装置通过第二分光元件2共轴激光加工光束11和接收检测光束12，根据识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化，检测模块通过检测光束12获得的像素位置变化，反映聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离的变化。
可以理解，本实施例中，预设的标准像素位置可以为调焦装置预标定，本实施例将激光加工表面9的激光加工光束11和检测光束12光路同轴辐射光辐射到检测模块的像素位置点作为预设的标准像素位置点。其中，所识别的像素位置和预设的标准像素位置为检测模块成像几何或亮度中心位置，检测模块根据所识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置的平面坐标，确定聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化。具体的，在检测模块成像平面建立坐标，将聚焦透镜1与激光加工表面9的距离与检测模块像素平面坐标建立映射关系。在实际应用时，可以预设标准像素位置平面坐标对应聚焦透镜1与该聚焦透镜1焦点平面的距离，及此时激光加工表面9移动到第二截面21处。另外预设标准像素位置平面坐标为确定值。可以理解，当激光加工表面9位置改变时，即聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化时，比如激光加工表面9移动到第一截面20处时，此时检测模块成像焦点对应的平面坐标发生改变。进而通过预先映射关系查表或者通过合适算法，即可得到聚焦透镜1与激光加工表面9垂直距离变化值，也就是第一截面20与第二截面21之间的距离。采用该实施例，调焦装置通过检测模块成像平面坐标位置来确定激光加工表面9光强中心(几何中心或光强中心像素值)，进一步提高了聚焦透镜1与激光加工表面9距离的变化精度。
进一步的，请参阅图3，检测模块预设的标准像素位置平面坐标为(0，0)，则表明该预设平面坐标(0，0)对应激光加工表面9为聚焦透镜1的焦平面-第二截面21。当识别的像素位置平面坐标变化为(a，b)时，对应的激光加工表面9移动到第一截面20处。此时聚焦透镜1与第一截面20汇聚点坐标为(a1，b1)。进而，聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化d为：可以理解这里的d也为第一截面20与第二截面21之间的垂直距离。调焦装置设置检测模块接收到的激光加工表面9光强中心值为坐标值，进一步提高了聚焦透镜1与激光加工表面9距离变化精度。可以理解，调焦装置通过设定预设的标准像素位置平面坐标为(0，0)，进一步简化了聚焦透镜1与汇聚点辐射光的距离确定复杂度。
在一些实施例中，第一分光元件3还进一步安装有俯仰偏转调节机构15，通过俯仰偏转调节机构15调整使得第一分光元件3的表面俯仰角度进行改变，进而保持激光加工光束11和检测光束12光路同轴。通过俯仰偏转调节机构15的设置，调焦装置更好的保证了激光加工光束11和检测光束12的光路一致性，提高了调焦装置的应用普适性。
在一些实施例中，激光光源7安装有水平位移调节机构14，通过水平位移调节机构14调整检测光束12入射方向，使得激光加工光束11和检测光束12光路同轴。通过水平位移调节机构14的设置，调焦装置更好的保证了激光加工光束11和检测光束12的光路一致性，提高了调焦装置的应用普适性。
进一步的，检测模块还用于判断检测光束12通过聚焦透镜1汇聚到激光加工点的焦点移动方向；其中，焦点移动方向以预设的标准像素位置平面坐标(0，0)为中心参考点，通过识别的像素位置平面坐标为(a，b)的取值范围，确定聚焦透镜1汇聚到激光加工点的激光加工表面9相对移动方向。比如通过识别检测模块的像素位置平面坐标为(a，b)相对预设的标准像素位置(0，0)的位置关系，反映第一截面20是处于第二截面21的上方或下方。
在一些实施例中，检测模块还进一步包括窄带滤光片6、CCD成像模组(图未示)和计算单元(图未示)，通过窄带滤光片6滤除进入CCD成像模组的检测光束12以外的杂散光；计算单元用于根据CCD成像模组识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置平面坐标，确定聚焦透镜1与激光加工表面9的垂直距离变化。通过CCD成像模组识别的像素位置平面坐标相对于标准像素位置平面坐标的位置变化，反应了激光加工点的激光加工表面9移动方向，方便调焦装置判断激光加工光束11的位移变化方向。
可以理解，窄带滤光片6的中心波长与激光光源7的波长相同。通过窄带滤光片6的应用，提高了检测光束12光路纯度，减少了外界杂散光对光路的影响，提高了调焦装置的精度。
在一些实施例中，第一分光元件3为二向色分束镜或中性分束镜。比如第一分光元件3可以通过分光比为5:5或者其他分光比的分束镜实现，进而使得第一分光元件3引导激光加工光束11和接收返回回来的辐射光光束，使得调焦装置结构简单。
在一些实施例中，第二分光元件2为激光焊接加工头的分光镜，聚焦透镜1为激光焊接加工头的聚焦镜。采用该实施例，将第二分光元件2与外部激光焊接头的光学元件进行复用，简化了调焦装置应用环境，提高了产品通用性。
实施例2：
如图2、4、5所示，本申请实施例的调焦装置，包括分体式的光源7和准直元件4、第一分光元件3、第二分光元件2、聚焦透镜1和检测模块，检测模块为带有窄带滤光片6和成像透镜5的CCD相机镜头组8。
光源7，输出检测光束12经过准直元件4之后到达第一分光元件3；
第一分光元件3，先接收和反射检测光束12至第二分光元件2，后接收和透射检测光束12至窄带滤光片6、成像透镜5、CCD相机镜头组8；
第二分光元件2，透射加工光束11，接收和反射检测光束12至激光加工表面9，激光加工表面9反射之后的检测光束12，到达第二分光元件2并反射至第一分光元件3；
聚焦透镜1，聚焦激光加工光束11，聚焦和准直检测光束12；
CCD相机镜头组8，接收检测光束12。
光源7安装在水平平移调节机构14上。图5仅展示一种水平平移调节机构14，其他结构的、现有技术中的其他能实现XY方向平移调节的器件，均可实现相同功能。
第一分光元件3安装在俯仰偏转调节机构15上。图4仅展示一种俯仰偏转调节机构15，其他结构的、现有技术中的其他能实现俯仰偏转调节的器件，均可实现相同功能。
本实施例中，光源7为单色激光光源。第一分光元件3为二向色分束镜。第二分光元件2为激光焊接加工头的分光镜，聚焦透镜1为激光焊接加工头的聚焦镜。窄带滤光片6的中心波长与光源7的波长相同，本实施例所选光源7为520nm激光光源。
本调焦装置的调焦过程如下：
1、在激光加工光束11的聚焦段，平行选取两个截面，第一截面20、第二截面21；
2、调节俯仰偏转调节机构，使检测光束12的圆形光斑(直径小)与加工光束11的圆形光斑(直径大)在第二截面21处重合且不同圆心；
3、调节水平平移调节机构，使检测光束12的圆形光斑(直径小)与加工光束11的圆形光斑(直径大)在第一截面20处重合；
4、重复步骤2和步骤3，直至检测光束12与激光加工光束11在第一截面20和第二截面21都重合，说明此时检测光束12与激光加工光束11完全重合，调节水平平移调节机构，使检测光束12与激光加工光束11平行且不同轴。
进一步，我们还提供一种位移约束条件的计算方法，该方法为：
其中，f1为准直元件4的焦距，f2为成像透镜5的焦距，p为CCD相机镜头组8的像素尺寸，β为该调焦装置的分辨率，sp为检测光束12与激光加工光束11的中心偏移量，且sp的约束范围为sp≥2mm。
上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种调焦装置，其特征在于：包括激光光源、第一分光元件、第二分光元件、聚焦透镜、成像透镜和检测模块；其中：
所述激光光源：用于输出检测光束，该检测光束经第一分光元件后入射到第二分光元件；
所述第二分光元件：一面用于接收激光加工光束并透射到下方，并通过聚焦透镜将激光加工光束汇聚于激光加工表面；另一面用于接收检测光束，并通过聚焦透镜将检测光束汇聚于激光加工表面；其中通过聚焦透镜汇聚于激光加工表面的激光加工光束和检测光束光路同轴；
所述第一分光元件；还用于收集激光加工表面的、经过聚焦透镜和第二分光元件后，同光路返回的汇聚点辐射光，并通过成像透镜成像在检测模块上；
所述检测模块：用于识别成像透镜进来的汇聚点辐射光的像素位置，根据所识别的像素位置和预设的标准像素位置，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
2.根据权利要求1所述的调焦装置，其特征在于：所述识别的像素位置和预设的标准像素位置为检测模块成像几何或亮度中心位置，检测模块根据所识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置平面坐标，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
3.根据权利要求2所述的调焦装置，其特征在于：所述检测模块所识别的像素位置平面坐标为(a，b)，预设的标准像素位置平面坐标为(0，0)，聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化d为：
4.根据权利要求1所述的调焦装置，其特征在于：所述第一分光元件安装在使激光加工光束和检测光束光路同轴的俯仰偏转调节机构之上。
5.根据权利要求1所述的调焦装置，其特征在于：所述激光光源安装在使激光加工光束和检测光束光路同轴的水平位移调节机构之上。
6.根据权利要求3所述的调焦装置，其特征在于：所述检测模块还用于判断检测光束通过聚焦透镜汇聚到激光加工点的激光加工面移动方向；其中，焦点移动方向以预设的标准像素位置平面坐标为中心参考点，通过识别像素位置平面坐标为(a，b)的取值范围，确定聚焦透镜汇聚到激光加工表面的相对移动方向。
7.根据权利要求6所述的调焦装置，其特征在于：所述检测模块包括窄带滤光片、CCD成像模组和计算单元，通过窄带滤光片滤除进入CCD成像模组的检测光束以外的杂散光；计算单元用于根据CCD成像模组识别的像素位置平面坐标和预设的标准像素位置平面坐标，确定聚焦透镜与激光加工表面的垂直距离变化。
8.根据权利要求7所述的调焦装置，其特征在于：所述窄带滤光片的中心波长与激光光源的波长相同。
9.根据权利要求1所述的调焦装置，其特征在于：所述第一分光元件为二向色分束镜或中性分束镜。
10.根据权利要求1所述的调焦装置，其特征在于：所述第二分光元件为激光焊接加工头的分光镜，聚焦透镜为激光焊接加工头的聚焦镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |