一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置及方法与流程

1.本发明涉及激光加工探测技术领域，尤其涉及一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置及方法。


背景技术：

2.激光加工技术是近几十年内发展起来的新型加工技术，由于激光束具有高能量的特点，可使材料在短时间内达到很高的温度，从而通过融化或气化效应实施材料的加工。此外，激光为无接触式的加工方式，不会对材料产生机械冲击、无机械磨损，因而热影响区小。并且，由于激光束可以聚焦到很小的尺寸，因而可对各类材料进行高质量的精密加工，已在各类工业和科研领域得到了广泛应用。
3.然而，在激光加工过程中，由于各种因素的影响，如工件表面的光洁度、尺寸偏差、热变形等，会导致加工质量不稳定。因此，在激光加工过程中，需要对加工对象进行实时监测，以确保加工质量和稳定性。视觉监测是一种有效的方法，主要通过工业相机或各类传感器等设备对加工对象进行拍摄，并将图像传输到计算机进行处理分析。通过分析图像中的信息，可以实现对加工对象的尺寸、位置、形状、能量分布等关键参数的实时监测，以便及时调整加工参数，达到最佳加工效果。总而言之，视觉监测可以有效提高加工精度和质量，提高加工效率，同时，还可以为自动化加工提供重要支持，促进激光加工技术的发展。
4.由于视觉监测所采用探测光源的波长一般无法与加工光源的波长相匹配，而且在多参量探测情况下，各探测器的感应波长也互不相同。比如：图像监测一般采用可见光波段进行检测，温度监测一般采用红外波段进行检测，其中，不同温度范围的检测波长也不相同。而作为加工光源的激光，其波长一般以355nm、532nm和1064nm这三类为主，与探测光源的波长几乎都不同，这就导致加工光源和探测光源在通过同一套光学系统时由于色散效应的存在而无法聚焦到同一位置，造成位置偏差，致使监测不精准，甚至无法监测。
5.另外，由于加工光源与探测光源的波长不匹配，会造成像差，导致成像失真。尤其是在扫描加工系统中，由于振镜为两轴扫描系统，其在x轴和y轴两个方向上扫描时，扫描角起始点分别在振镜内两个不同的反射镜上，因而第一个反射镜会在第二个反射镜的偏转关系中引入一个偏转角，导致加工点的坐标在扫描面上x轴与y轴以外区域的取值相互关联，进而形成枕形失真或桶形失真。表现在视觉成像上，就是探测图像与实际图像存在形状偏差。
6.此外，探测视觉成像会受聚焦光束的角度影响而导致反光量的差异。探测范围的中间区域由于聚焦光束角度小，反射率相对较大，而随着远离探测范围的中间区域，聚焦光束相对光轴的角度增大，反射率也会逐渐减小。即使采用远心镜头，理论上探测区域的聚焦光束都垂直于样品表面，但由于镜片光传播衰减差异的影响，探测范围的中间区域与周围区域仍然会存在能量偏差。
7.针对以上激光加工系统中探测视觉存在的位置偏差、形状偏差以及能量偏差问题，目前尚无有效的、统一的解决方法，亟待开发实现。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置及方法，基于探测光源在加工平面上的光场分布，对探测视觉的位置偏差、形状偏差以及能量偏差进行识别和校正，不但保证了加工系统的加工质量和精度，而且响应速度快，成本低。
9.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，包括加工系统、探测系统、合束器和控制系统；
11.所述加工系统包括加工光源以及沿加工光源的出射光路依次设置在扩束准直镜、第一聚焦镜；
12.所述探测系统包括探测光源以及沿探测光源的出射光路依次设置的探测器、三维扫描装置，三维扫描装置包括二维扫描装置和一维扫描装置，二维扫描装置使探测光源的出射光路在垂直于其光轴的平面上扫描，一维扫描装置使探测光源的出射光路沿其光轴方向扫描；
13.所述合束器设置在加工系统中加工光源的出射光路上，且其处于扩束准直镜与聚焦镜之间，同时合束器设置在探测系统中探测光源的出射光路上，且其处于三维扫描装置之后，合束器将加工光源的出射光路与探测光源的出射光路合束至第一聚焦镜；
14.所述控制系统与加工光源、探测光源、探测器和三维扫描装置均相连。
15.进一步的，开展图像监测时，探测器采用ccd相机，开展温度监测时，探测器采用热电偶或红外测温仪。
16.进一步的，开展图像监测时，探测光源采用波长为480nm或650nm或850nm的光源，开展温度监测时，若温度低于50℃，探测光源采用波长为10μm的红外光源，若温度高于1800℃，探测光源采用波长为1.0μm红外光源，若温度为50～1800℃，探测光源采用波长为1.6μm或2.2μm或3.9μm的红外光源。
17.进一步的，所述第一聚焦镜为振镜扫描式或物镜式。
18.进一步的，所述二维扫描装置为振镜或压电扫描器或声光调制器。
19.进一步的，所述一维扫描装置包括第二聚焦镜和驱动器，第二聚焦镜设置在驱动器上，驱动器驱动第二聚焦镜沿探测光源的出射光路的光轴平移。
20.一种基于光场分布的探测视觉偏差校正方法，使用上述基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，包括以下步骤：
21.s1、探测器获取探测光源在加工平面上的光场分布，得到监测视场，对监测视场进行反射能量分析，找到加工光源的作用区；
22.s2、调整二维扫描装置，将加工光源的作用区移到监测视场的中心位置，使两者中心重合，完成探测视觉的位置偏差校正和形状偏差校正；
23.s3、调节第二聚焦镜，使加工光源的作用区内的特征点达到对焦预设指标；
24.s4、探测器重新获取探测光源在加工平面上的光场分布，得到新的监测视场；
25.s5、对新的监测视场进行反射能量分析，提取其中的能量分布，并根据其中的能量分布，对其进行不同比例的增强，使整个监测视场的反射能量强度保持一致，完成探测视觉的能量偏差校正。
26.进一步的，步骤s1中，当加工光源的作用区不在监测视场内时，通过二维扫描装置使探测光源在加工平面上进行扫描，逐渐增大监测视场，直至找到加工光源的作用区。
27.进一步的，步骤s5中，对新的监测视场进行不同比例的增强，步骤如下：对新的监测视场，根据其中的能量分布，调节监测视场内不同区域的曝光量。
28.本发明的有益效果为：
29.本发明基于探测光源在加工平面上的光场分布，对探测视觉的位置偏差、形状偏差以及能量偏差进行识别和校正，不但保证了加工系统的加工质量和精度，而且响应速度快，成本低，具有很强的工程实用性。
附图说明
30.图1为本发明基于光场分布的探测视觉偏差校正装置的结构示意图。
31.标注说明：1、加工系统，11、加工光源，12、扩束准直镜，13、第一聚焦镜，2、探测系统，21、探测光源，22、探测器，23、一维扫描装置，24、二维扫描装置，3、合束器，4、控制系统，5、反射镜。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
33.请参阅图1所示，一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，包括加工系统1、探测系统2、合束器3和控制系统4。
34.加工系统1包括加工光源11以及沿加工光源11的出射光路依次设置在扩束准直镜12、第一聚焦镜13。
35.其中，加工光源11为超快激光器或非超快激光器，其波长为紫外波段或可见光波段或红外波段；第一聚焦镜13为振镜扫描式或物镜式。
36.探测系统2包括探测光源21以及沿探测光源21的出射光路依次设置的探测器22、三维扫描装置，三维扫描装置包括二维扫描装置24和一维扫描装置23，二维扫描装置24使探测光源21的出射光路在垂直于其光轴的平面上扫描，一维扫描装置23使探测光源21的出射光路沿其光轴方向扫描。
37.其中，二维扫描装置24为振镜或压电扫描器或声光调制器，区别如下：振镜为双轴式扫描器件，速度快，可实现微秒级响应；压电扫描器虽然比振镜稍慢，但仍然可满足视觉等一类静态探测的需求，而且配置简单，系统灵活多变，价格经济；声光调制器的响应速度达纳秒级别，可实现高速实时监测的需求。
38.其中，一维扫描装置23包括第二聚焦镜和驱动器，第二聚焦镜设置在驱动器上，驱动器驱动第二聚焦镜沿探测光源21的出射光路的光轴平移。
39.加工系统1和探测系统2中还可以按需增设若干用于导光的反射镜5。
40.合束器3设置在加工光源11的出射光路上，且其处于扩束准直镜12与聚焦镜13之间，同时合束器3设置在探测光源21的出射光路上，且其处于三维扫描装置之后，合束器3将加工光源11的出射光路与探测光源21的出射光路合束至第一聚焦镜13。
41.控制系统4与加工光源11、探测光源21、探测器22和三维扫描装置均相连。具体的，控制系统4由工控机、控制卡、控制软件及各类控制线组成，与加工光源11、探测光源21、探测器22和三维扫描装置进行通讯，用于进行发出指令、接收信号、处理信号等操作。
42.作为应用，探测器22和探测光源21选型如下：
43.开展图像监测时，探测器22采用ccd相机，开展温度监测时，探测器22采用热电偶或红外测温仪；
44.开展图像监测时，探测光源21采用波长为480nm或650nm或850nm的光源，开展温度监测时，若温度低于50℃，探测光源21采用波长为10μm的红外光源，若温度高于1800℃，探测光源21采用波长为1.0μm红外光源，若温度为50～1800℃，探测光源21采用波长为1.6μm或2.2μm或3.9μm的红外光源。
45.该装置中，光路走向如下：
46.加工光源11发出的加工光束经过扩束准直镜12放大和准直，最终由第一聚焦镜13聚焦至待加工产品表面，形成加工光源11的作用区；
47.探测光源21发出的探测光束先依次经过探测器22和三维扫描装置，再由合束器3使其与加工光束合束至第一聚焦镜13，并由第一聚焦镜13聚焦至待加工产品表面，探测光束在待加工产品表面产生反射，最终被探测器22接收并提取其光场分布，形成监测视场。
48.请参阅图1所示，一种基于光场分布的探测视觉偏差校正方法，使用上述基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，包括以下步骤：
49.s1、探测器22获取探测光源21在加工平面上的光场分布，得到监测视场，对监测视场进行反射能量分析，找到加工光源11的作用区(加工光源11的作用区由于材料去除、改性、温度变化等结果，其反射率与周围区域存在突变)；
50.其中，当加工光源11的作用区不在监测视场内时，通过二维扫描装置24使探测光源21在加工平面上进行扫描，逐渐增大监测视场，直至找到加工光源11的作用区；
51.s2、调整二维扫描装置24，将加工光源11的作用区移到监测视场的中心位置，使两者中心重合，完成探测视觉的位置偏差校正和形状偏差校正。具体的，使加工光源11的作用区与监测视场中心重合后，可以保证加工点与探测点的一致性，从而实现位置偏差校正，同时，位置偏差校正使得视觉成像位于探测范围中心区域，避免由于扫描区域偏离x轴和y轴以外区域而引入图像形状失真的问题，从而实现形状偏差校正；
52.s3、调节第二聚焦镜，使加工光源11的作用区内的特征点达到对焦预设指标，也就是使加工光源11的焦平面与加工平面重合。对焦预设指标根据加工实况进行选择，例如：特征点的面积最小；
53.s4、探测器22重新获取探测光源21在加工平面上的光场分布，得到新的监测视场；
54.s5、对新的监测视场进行反射能量分析，提取其中的能量分布，并根据其中的能量分布，对其进行不同比例的增强，使整个监测视场的反射能量强度保持一致，完成探测视觉的能量偏差校正。
55.步骤s5中，对新的监测视场进行不同比例的增强，步骤如下：对新的监测视场，根据其中的能量分布，调节监测视场内不同区域的曝光量。
56.具体的，由于探测范围内不同区域的光路损耗存在差异，此外，若使用非远心镜头，光束聚焦角度也存在差异，这些因素都会造成探测范围内四周反射光的能量低于中心
区域，进而导致成像结果四周较暗。因此，对能量分布较低的区域进行不同比例的增强，使得整个探测范围内反射光的能量强度保持一致，从而实现能量偏差校正。
57.总的来说，本发明基于探测光源21在加工平面上的光场分布，对探测视觉的位置偏差、形状偏差以及能量偏差进行识别和校正，不但保证了加工系统1的加工质量和精度，而且响应速度快，成本低，具有很强的工程实用性。
58.本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：包括加工系统、探测系统、合束器和控制系统；所述加工系统包括加工光源以及沿加工光源的出射光路依次设置在扩束准直镜、第一聚焦镜；所述探测系统包括探测光源以及沿探测光源的出射光路依次设置的探测器、三维扫描装置，三维扫描装置包括二维扫描装置和一维扫描装置，二维扫描装置使探测光源的出射光路在垂直于其光轴的平面上扫描，一维扫描装置使探测光源的出射光路沿其光轴方向扫描；所述合束器设置在加工系统中加工光源的出射光路上，且其处于扩束准直镜与聚焦镜之间，同时合束器设置在探测系统中探测光源的出射光路上，且其处于三维扫描装置之后，合束器将加工光源的出射光路与探测光源的出射光路合束至第一聚焦镜；所述控制系统与加工光源、探测光源、探测器和三维扫描装置均相连。2.根据权利要求1所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：开展图像监测时，探测器采用ccd相机，开展温度监测时，探测器采用热电偶或红外测温仪。3.根据权利要求1所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：开展图像监测时，探测光源采用波长为480nm或650nm或850nm的光源，开展温度监测时，若温度低于50℃，探测光源采用波长为10μm的红外光源，若温度高于1800℃，探测光源采用波长为1.0μm红外光源，若温度为50～1800℃，探测光源采用波长为1.6μm或2.2μm或3.9μm的红外光源。4.根据权利要求1所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：所述第一聚焦镜为振镜扫描式或物镜式。5.根据权利要求1所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：所述二维扫描装置为振镜或压电扫描器或声光调制器。6.根据权利要求1所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：所述一维扫描装置包括第二聚焦镜和驱动器，第二聚焦镜设置在驱动器上，驱动器驱动第二聚焦镜沿探测光源的出射光路的光轴平移。7.一种基于光场分布的探测视觉偏差校正方法，使用权利要求1至6任意一项所述的基于光场分布的探测视觉偏差校正装置，其特征在于：包括以下步骤：s1、探测器获取探测光源在加工平面上的光场分布，得到监测视场，对监测视场进行反射能量分析，找到加工光源的作用区；s2、调整二维扫描装置，将加工光源的作用区移到监测视场的中心位置，使两者中心重合，完成探测视觉的位置偏差校正和形状偏差校正；s3、调节第二聚焦镜，使加工光源的作用区内的特征点达到对焦预设指标；s4、探测器重新获取探测光源在加工平面上的光场分布，得到新的监测视场；s5、对新的监测视场进行反射能量分析，提取其中的能量分布，并根据其中的能量分布，对其进行不同比例的增强，使整个监测视场的反射能量强度保持一致，完成探测视觉的能量偏差校正。8.根据权利要求7所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正方法，其特征在于：步骤s1中，当加工光源的作用区不在监测视场内时，通过二维扫描装置使探测光源在加工平
面上进行扫描，逐渐增大监测视场，直至找到加工光源的作用区。9.根据权利要求7所述的一种基于光场分布的探测视觉偏差校正方法，其特征在于：步骤s5中，对新的监测视场进行不同比例的增强，步骤如下：对新的监测视场，根据其中的能量分布，调节监测视场内不同区域的曝光量。

技术总结
本发明公开一种基于光场分布的探测视觉偏差校正装置及方法。其中，基于光场分布的探测视觉偏差校正装置包括加工系统、探测系统、合束器和控制系统，具体结构如下：加工系统包括加工光源以及沿加工光源的出射光路依次设置在扩束准直镜、第一聚焦镜；探测系统包括探测光源以及沿探测光源的出射光路依次设置的探测器、三维扫描装置；合束器将加工光源的出射光路与探测光源的出射光路合束至第一聚焦镜；控制系统与加工光源、探测光源、探测器和三维扫描装置均相连。本发明基于探测光源在加工平面上的光场分布，对探测视觉的位置偏差、形状偏差以及能量偏差进行识别和校正，不但保证了加工系统的加工质量和精度，而且响应速度快，成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：曾密宗 王雪辉
受保护的技术使用者：武汉引领光学技术有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/15