本發(fā)明涉及一種將待加工材料表面自動(dòng)定位到激光焦點(diǎn)處的方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

激光加工已成為材料加工的主要方法之一，在加工過(guò)程中通常需要將材料定位在激光焦點(diǎn)位置，因?yàn)榻裹c(diǎn)處激光光斑最小光強(qiáng)最大。將材料定位在焦點(diǎn)處可以提高加工精度，同時(shí)最大程度利用激光能量。通常提到的激光焦點(diǎn)指光束傳輸方向上的光束截面積最小點(diǎn)，而根據(jù)光學(xué)原理，聚焦點(diǎn)是一個(gè)三維區(qū)域，在該區(qū)域范圍內(nèi)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(zhǔn)對(duì)焦的難度，同時(shí)也對(duì)自動(dòng)對(duì)焦方法提出了更高的要求。

光學(xué)圖像測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)以及工業(yè)自動(dòng)化，是自動(dòng)化設(shè)備非接觸式獲取目標(biāo)信息的主要手段之一。通過(guò)對(duì)圖像中目標(biāo)特征的提取，并根據(jù)標(biāo)定得到實(shí)際空間距離，是圖像測(cè)量常用的手段。通過(guò)對(duì)連續(xù)視頻圖像的實(shí)時(shí)運(yùn)算，可以解算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位移、軌跡等參數(shù)，再反饋到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、定位等操作過(guò)程的自動(dòng)化。

對(duì)光滑表面的材料如光學(xué)玻璃、晶體以及金屬的精密刻蝕加工過(guò)程中，通過(guò)圖像測(cè)量輔助手段將材料表面準(zhǔn)確定位在激光焦點(diǎn)處可提升設(shè)備的工作效率以及操作的規(guī)范性。已有的手動(dòng)對(duì)焦方法不利于設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行，存在對(duì)焦不夠準(zhǔn)確，對(duì)操作人員依賴性強(qiáng)以及耗時(shí)較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的對(duì)焦方法比如EP 1078710A2所述，利用光學(xué)相機(jī)拍攝聚焦處激光產(chǎn)生的離子體亮點(diǎn)以及材料表面的圖像，當(dāng)兩者重合時(shí)，即對(duì)焦完成。該方法也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是通常等離子體亮點(diǎn)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(huì)因材料表面狀態(tài)不同而需要不同的照明方式和光照強(qiáng)度，這些不利于設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行。另外，通過(guò)觀察激光經(jīng)材料表面反射的光斑大小的方式也可實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，具體是當(dāng)觀察到聚焦光斑最小時(shí)，認(rèn)為對(duì)焦完成，此方法要求較高的光路校準(zhǔn)，同時(shí)也存在對(duì)焦過(guò)程需要控制材料表面在焦點(diǎn)前后反復(fù)移動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程，該過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)一次到位，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的難度也更大。

在高精密激光刻蝕加工特別是微米級(jí)甚至亞微米級(jí)激光加工中，激光焦點(diǎn)尺寸也在微米或者亞微米量級(jí)，要求更高的對(duì)焦精度。另外，在先進(jìn)激光精密加工設(shè)備中，對(duì)設(shè)備自動(dòng)化的要求較高，其中就包括對(duì)焦自動(dòng)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于鏡面成像原理，利用光學(xué)圖像測(cè)量技術(shù)獲得激光焦點(diǎn)距離材料表面的距離，并將該距離反饋給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位。

圖1為激光焦點(diǎn)自動(dòng)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括激光束1、聚焦透鏡2、激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)3、亮點(diǎn)鏡像4、待加工材料5、材料夾具6、電動(dòng)平移臺(tái)7、光學(xué)相機(jī)8、顯微鏡頭9、控制電腦10，圖2為相機(jī)拍攝激光焦點(diǎn)與鏡像的初始位置及圖像處理中的亮點(diǎn)定位示意圖，包括初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)11、初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)亮點(diǎn)鏡像12、材料表面散射激光圖像13。圖3為材料向焦點(diǎn)位置移動(dòng)一段已知的距離后，相機(jī)拍攝激光焦點(diǎn)與鏡像及圖像處理中亮點(diǎn)捕捉過(guò)程示意圖，包括新位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)14；新位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)亮點(diǎn)鏡像15。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種將材料表面自動(dòng)定位到激光焦點(diǎn)處的方法，該方法適應(yīng)于如下所述的激光焦點(diǎn)自動(dòng)定位系統(tǒng)，包括聚焦透鏡2、待加工材料5、材料夾具6、電動(dòng)平移臺(tái)7、光學(xué)相機(jī)8、顯微鏡頭9、控制電腦10，經(jīng)過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1)通過(guò)配備顯微鏡頭9的光學(xué)相機(jī)8拍攝激光焦點(diǎn)處的等離子體亮點(diǎn)3以及該亮點(diǎn)通過(guò)光滑材料表面形成的鏡像4，得到初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)11、初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)鏡像12；

2)利用圖像處理技術(shù)(《數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用》，張豐收，中國(guó)水利水電出版社，2015)得出初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)11、初始位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)鏡像12中心間的像素距離N₁，進(jìn)一步通過(guò)控制電腦10控制電動(dòng)平移臺(tái)7精確移動(dòng)待加工材料5靠近激光焦點(diǎn)，得到待加工材料5實(shí)際移動(dòng)距離S₁(此時(shí)待加工材料5尚未到達(dá)焦點(diǎn))，待加工材料5移動(dòng)精度由控制材料移動(dòng)的電動(dòng)平移臺(tái)7決定，通常優(yōu)于10μm。再次經(jīng)過(guò)圖像處理，得到新位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)14和新位置激光焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)鏡像15中心間的像素距離N₂，根據(jù)鏡面成像原理，以及由像素距離的改變和實(shí)際材料位移之間的線性關(guān)系可以計(jì)算出每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離S₀，以及移動(dòng)后材料表面距離準(zhǔn)確的激光焦點(diǎn)位置S，分別為：

3)根據(jù)公式(2)計(jì)算出待加工材料5需要移動(dòng)的準(zhǔn)確距離S，關(guān)閉激光，再通過(guò)控制電腦10控制電動(dòng)平移臺(tái)7移動(dòng)待加工材料5到激光焦點(diǎn)位置處開(kāi)始加工操作。

步驟1)中，所述光學(xué)相機(jī)8拍攝激光焦點(diǎn)等離子亮點(diǎn)3和亮點(diǎn)鏡像4過(guò)程中，優(yōu)選調(diào)整這兩個(gè)亮點(diǎn)位于光學(xué)相機(jī)8視場(chǎng)的中心位置，并且這兩點(diǎn)之間的距離小于相機(jī)所拍攝圖像大小的一半。

步驟1)和步驟2)利用相機(jī)拍攝激光焦點(diǎn)等離子亮點(diǎn)(3)和亮點(diǎn)鏡像(4)過(guò)程中，優(yōu)選遮蔽環(huán)境自然光照明，在暗背景下操作以提高光學(xué)相機(jī)(8)所拍攝圖像的對(duì)比度。步驟1)中，優(yōu)選將激光器功率調(diào)整到滿足出現(xiàn)空氣擊穿形成相機(jī)可拍攝的等離子體亮點(diǎn)即可，不需要更高功率，功率越大形成的等離子體亮點(diǎn)越大，不利于相機(jī)圖像處理得出更精確的焦點(diǎn)位置。

步驟2)中，為提高測(cè)量精度，優(yōu)選進(jìn)行以下操作：通過(guò)控制電腦10控制電動(dòng)平移臺(tái)7向同一方向分多次移動(dòng)待加工材料5，得到多個(gè)位移S1和圖像像素距離N1數(shù)據(jù)，從而根據(jù)式(1)計(jì)算出多個(gè)結(jié)果S₀，再求所述多個(gè)S0的平均值，再將此平均值代入式(2)計(jì)算待加工材料5表面到焦點(diǎn)的距離S，可進(jìn)一步提升測(cè)量精度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明的技術(shù)方案利用圖像測(cè)量反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，圖像處理的對(duì)象為激光焦點(diǎn)處的等離子體亮點(diǎn)及其通過(guò)光滑材料表面形成的鏡像，在暗背景下，該處理目標(biāo)簡(jiǎn)單，主要計(jì)算其質(zhì)心位置，不需要光照措施，不用關(guān)心材料類別。

(2)該方案中相機(jī)從側(cè)面拍攝激光焦點(diǎn)，最終對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)中心進(jìn)行定位，從激光傳輸軸向上看，該方案從原理上保證了對(duì)焦位置處于焦點(diǎn)三維區(qū)域的中心位置。

(3)該方案中控制系統(tǒng)一邊進(jìn)行材料步進(jìn)控制，一邊實(shí)時(shí)圖像處理，最后根據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確距離，使材料定位在激光焦點(diǎn)，避免了傳統(tǒng)方法中需要材料在焦點(diǎn)前后來(lái)回運(yùn)動(dòng)尋找最佳位置的措施，節(jié)省時(shí)間，提高了自動(dòng)化程度。

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

總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明的自動(dòng)定位系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、自動(dòng)化過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)、定位精度高、材料類別對(duì)定位精度影響小等特點(diǎn)，本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)光學(xué)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(shuō)明

圖1激光焦點(diǎn)自動(dòng)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理示意圖；

圖2激光焦點(diǎn)與鏡像的初始位置及圖像處理中的亮點(diǎn)定位示意圖；

圖3材料移動(dòng)后新位置處激光焦點(diǎn)與鏡像及圖像處理中的亮點(diǎn)定位示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明具體實(shí)施方式：

1)光路搭建：本發(fā)明所述方法適用于如圖1所示激光焦點(diǎn)自動(dòng)定位系統(tǒng)，包括激光束1、聚焦透鏡2、待加工材料5、材料夾具6、電動(dòng)平移臺(tái)7、光學(xué)相機(jī)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(duì)經(jīng)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(dòng)平移臺(tái)7上，光學(xué)相機(jī)8和電動(dòng)平移臺(tái)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(xué)相機(jī)8圖像采集和處理功能以及電動(dòng)平移臺(tái)7在光軸方向的前后移動(dòng)控制功能，光學(xué)相機(jī)8安裝有顯微鏡頭9，所述顯微鏡頭9傾斜對(duì)準(zhǔn)激光焦點(diǎn)和焦點(diǎn)經(jīng)材料表面形成的鏡像，傾斜角度優(yōu)選45度，同時(shí)保證鏡頭不遮擋激光束，為保證焦點(diǎn)處形成穩(wěn)定的等離子體亮點(diǎn)，激光在焦點(diǎn)處的強(qiáng)度應(yīng)處于10¹²W/m²量級(jí)。

2)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)平移臺(tái)7使待加工材料5表面靠近激光焦點(diǎn)，調(diào)整光學(xué)相機(jī)8和電動(dòng)平移臺(tái)7，使光學(xué)相機(jī)8拍攝圖像中出現(xiàn)焦點(diǎn)處等離子體亮點(diǎn)以及亮點(diǎn)鏡像，保證二者位于相機(jī)視場(chǎng)中心，間距約為視場(chǎng)(拍攝圖像大小)的一半。

3)根據(jù)圖像測(cè)量得到離焦距離：在暗背景下采集圖像，為保證離焦距離測(cè)量的準(zhǔn)確性，應(yīng)調(diào)整激光功率使焦點(diǎn)處剛好穩(wěn)定出現(xiàn)亮點(diǎn)為宜，提取兩個(gè)亮點(diǎn)質(zhì)心的圖像坐標(biāo)，得到其像素距離，再控制材料以已知步長(zhǎng)靠近激光焦點(diǎn)，該步長(zhǎng)應(yīng)小于材料達(dá)到實(shí)際焦點(diǎn)的距離，再次圖像處理得到兩個(gè)亮點(diǎn)的像素距離。結(jié)合實(shí)際材料移動(dòng)的距離，根據(jù)上文式(1)和式(2)計(jì)算材料表面距離激光焦點(diǎn)的準(zhǔn)確距離。

4)材料定位：計(jì)算得到材料表面距離激光焦點(diǎn)的距離后，關(guān)閉激光，避免材料移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生激光損傷，由控制程序控制電動(dòng)平移臺(tái)7使材料表面達(dá)到激光焦點(diǎn)，開(kāi)始加工操作。