一種將材料表面自動定位到激光焦點處的方法與流程

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。

技術實現要素：

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，該方法適應于如下所述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；

2)利用圖像處理技術(《數字圖像處理技術及應用》，張豐收，中國水利水電出版社，2015)得出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中心間的像素距離N₁，進一步通過控制電腦10控制電動平移臺7精確移動待加工材料5靠近激光焦點，得到待加工材料5實際移動距離S₁(此時待加工材料5尚未到達焦點)，待加工材料5移動精度由控制材料移動的電動平移臺7決定，通常優于10μm。再次經過圖像處理，得到新位置激光焦點處等離子體亮點14和新位置激光焦點處等離子體亮點鏡像15中心間的像素距離N₂，根據鏡面成像原理，以及由像素距離的改變和實際材料位移之間的線性關系可以計算出每個像素對應的實際距離S₀，以及移動后材料表面距離準確的激光焦點位置S，分別為：

3)根據公式(2)計算出待加工材料5需要移動的準確距離S，關閉激光，再通過控制電腦10控制電動平移臺7移動待加工材料5到激光焦點位置處開始加工操作。

步驟1)中，所述光學相機8拍攝激光焦點等離子亮點3和亮點鏡像4過程中，優選調整這兩個亮點位于光學相機8視場的中心位置，并且這兩點之間的距離小于相機所拍攝圖像大小的一半。

步驟1)和步驟2)利用相機拍攝激光焦點等離子亮點(3)和亮點鏡像(4)過程中，優選遮蔽環境自然光照明，在暗背景下操作以提高光學相機(8)所拍攝圖像的對比度。步驟1)中，優選將激光器功率調整到滿足出現空氣擊穿形成相機可拍攝的等離子體亮點即可，不需要更高功率，功率越大形成的等離子體亮點越大，不利于相機圖像處理得出更精確的焦點位置。

步驟2)中，為提高測量精度，優選進行以下操作：通過控制電腦10控制電動平移臺7向同一方向分多次移動待加工材料5，得到多個位移S1和圖像像素距離N1數據，從而根據式(1)計算出多個結果S₀，再求所述多個S0的平均值，再將此平均值代入式(2)計算待加工材料5表面到焦點的距離S，可進一步提升測量精度。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

(1)本發明的技術方案利用圖像測量反饋控制的方法實現自動對焦，圖像處理的對象為激光焦點處的等離子體亮點及其通過光滑材料表面形成的鏡像，在暗背景下，該處理目標簡單，主要計算其質心位置，不需要光照措施，不用關心材料類別。

(2)該方案中相機從側面拍攝激光焦點，最終對準焦點中心進行定位，從激光傳輸軸向上看，該方案從原理上保證了對焦位置處于焦點三維區域的中心位置。

(3)該方案中控制系統一邊進行材料步進控制，一邊實時圖像處理，最后根據計算的準確距離，使材料定位在激光焦點，避免了傳統方法中需要材料在焦點前后來回運動尋找最佳位置的措施，節省時間，提高了自動化程度。

(4)材料根據計算的位置尋找焦點，此時激光可以關閉輸出，避免材料定位時始終參考激光焦點，容易造成對焦階段材料的激光損傷，不利于高精度加工操作。

總的來說，本發明的自動定位系統具有自動化程度高、自動化過程容易實現、定位精度高、材料類別對定位精度影響小等特點，本發明的技術方案對光學材料如玻璃、晶體、薄膜等表面高精度加工具有重要意義。

附圖說明

圖1激光焦點自動定位系統結構及原理示意圖；

圖2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；

圖3材料移動后新位置處激光焦點與鏡像及圖像處理中的亮點定位示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。

本發明具體實施方式：

1)光路搭建：本發明所述方法適用于如圖1所示激光焦點自動定位系統，包括激光束1、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，待加工材料5夾持在材料夾具6上，使加工材料5表面正對經聚焦透鏡2聚焦的激光束1，材料夾具6和待加工材料5裝在電動平移臺7上，光學相機8和電動平移臺7連接上控制電腦10并由控制電腦10上安裝的控制程序控制，所述控制程序主要包括光學相機8圖像采集和處理功能以及電動平移臺7在光軸方向的前后移動控制功能，光學相機8安裝有顯微鏡頭9，所述顯微鏡頭9傾斜對準激光焦點和焦點經材料表面形成的鏡像，傾斜角度優選45度，同時保證鏡頭不遮擋激光束，為保證焦點處形成穩定的等離子體亮點，激光在焦點處的強度應處于10¹²W/m²量級。

2)驅動電動平移臺7使待加工材料5表面靠近激光焦點，調整光學相機8和電動平移臺7，使光學相機8拍攝圖像中出現焦點處等離子體亮點以及亮點鏡像，保證二者位于相機視場中心，間距約為視場(拍攝圖像大小)的一半。

3)根據圖像測量得到離焦距離：在暗背景下采集圖像，為保證離焦距離測量的準確性，應調整激光功率使焦點處剛好穩定出現亮點為宜，提取兩個亮點質心的圖像坐標，得到其像素距離，再控制材料以已知步長靠近激光焦點，該步長應小于材料達到實際焦點的距離，再次圖像處理得到兩個亮點的像素距離。結合實際材料移動的距離，根據上文式(1)和式(2)計算材料表面距離激光焦點的準確距離。

4)材料定位：計算得到材料表面距離激光焦點的距離后，關閉激光，避免材料移動過程中發生激光損傷，由控制程序控制電動平移臺7使材料表面達到激光焦點，開始加工操作。