[發明專利]一種將材料表面自動定位到激光焦點處的方法

有效

• 申請號: 201611106945.7
• 申請日: 2016-12-06
• 公開（公告）號: CN106735863B
• 公開（公告）日: 2019-03-26
• 發明（設計）人: 朱志武
• 申請（專利權）人: 湖南七迪視覺科技有限公司
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B23K26/60;B23K26/70
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 陳立新

本發明涉及一種將待加工材料表面自動定位到激光焦點處的方法，屬于激光加工技術領域。本方法基于鏡面成像原理和光學圖像測量技術，準確計算出材料表面距離激光焦點區域中心的距離，自動控制將材料表面準確定位到激光焦點區域的中心。本發明具有全自動、圖像處理目標簡單易實現、定位精度高以及定位階段材料不會被激光損傷等優點。

技術領域

本發明涉及一種將待加工材料表面自動定位到激光焦點處的方法，屬于激光加工技術領域。

背景技術

激光加工已成為材料加工的主要方法之一，在加工過程中通常需要將材料定位在激光焦點位置，因為焦點處激光光斑最小光強最大。將材料定位在焦點處可以提高加工精度，同時最大程度利用激光能量。通常提到的激光焦點指光束傳輸方向上的光束截面積最小點，而根據光學原理，聚焦點是一個三維區域，在該區域范圍內光斑直徑沿著光束傳播方向的變化最為平緩，這一方面增加了精準對焦的難度，同時也對自動對焦方法提出了更高的要求。

光學圖像測量技術廣泛應用于機器視覺以及工業自動化，是自動化設備非接觸式獲取目標信息的主要手段之一。通過對圖像中目標特征的提取，并根據標定得到實際空間距離，是圖像測量常用的手段。通過對連續視頻圖像的實時運算，可以解算出運動目標的位移、軌跡等參數，再反饋到運動控制系統，即可實現移動、定位等操作過程的自動化。

對光滑表面的材料如光學玻璃、晶體以及金屬的精密刻蝕加工過程中，通過圖像測量輔助手段將材料表面準確定位在激光焦點處可提升設備的工作效率以及操作的規范性。已有的手動對焦方法不利于設備自動化運行，存在對焦不夠準確，對操作人員依賴性強以及耗時較長等缺點。在此基礎上改進的對焦方法比如EP 1078710A2所述，利用光學相機拍攝聚焦處激光產生的離子體亮點以及材料表面的圖像，當兩者重合時，即對焦完成。該方法也可以實現自動化，但是通常等離子體亮點和材料表面的亮度差別較大，不利于圖像處理，即使如文件中所述采取額外的照明措施也會因材料表面狀態不同而需要不同的照明方式和光照強度，這些不利于設備的自動化運行。另外，通過觀察激光經材料表面反射的光斑大小的方式也可實現對焦，具體是當觀察到聚焦光斑最小時，認為對焦完成，此方法要求較高的光路校準，同時也存在對焦過程需要控制材料表面在焦點前后反復移動優化的過程，該過程無法實現一次到位，在此基礎上實現自動控制的難度也更大。

在高精密激光刻蝕加工特別是微米級甚至亞微米級激光加工中，激光焦點尺寸也在微米或者亞微米量級，要求更高的對焦精度。另外，在先進激光精密加工設備中，對設備自動化的要求較高，其中就包括對焦自動化。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，基于鏡面成像原理，利用光學圖像測量技術獲得激光焦點距離材料表面的距離，并將該距離反饋給控制系統實現自動定位。

圖1為激光焦點自動定位系統結構示意圖，包括激光束1、聚焦透鏡2、激光焦點處等離子體亮點3、亮點鏡像4、待加工材料5、材料夾具6、電動平移臺7、光學相機8、顯微鏡頭9、控制電腦10，圖2為相機拍攝激光焦點與鏡像的初始位置及圖像處理中的亮點定位示意圖，包括初始位置激光焦點處等離子體亮點11、初始位置激光焦點處等離子體亮點亮點鏡像12、材料表面散射激光圖像13。圖3為材料向焦點位置移動一段已知的距離后，相機拍攝激光焦點與鏡像及圖像處理中亮點捕捉過程示意圖，包括新位置激光焦點處等離子體亮點14；新位置激光焦點處等離子體亮點亮點鏡像15。

本發明的技術方案是：一種將材料表面自動定位到激光焦點處的方法，該方法適應的激光焦點自動定位系統，包括聚焦透鏡2、待加工材料5、材料夾具6、電動平移臺7、光學相機8、顯微鏡頭9、控制電腦10，經過以下步驟實現：

1)通過配備顯微鏡頭9的光學相機8拍攝激光焦點處的等離子體亮點3以及該亮點通過光滑的待加工材料表面形成的鏡像4，得到初始位置激光焦點處等離子體亮點11、初始位置激光焦點處等離子體亮點鏡像12；