一种将材料表面自动定位到激光焦点处的方法与流程

本发明涉及一种将待加工材料表面自动定位到激光焦点处的方法，属于激光加工技术领域。

背景技术：

激光加工已成为材料加工的主要方法之一，在加工过程中通常需要将材料定位在激光焦点位置，因为焦点处激光光斑最小光强最大。将材料定位在焦点处可以提高加工精度，同时最大程度利用激光能量。通常提到的激光焦点指光束传输方向上的光束截面积最小点，而根据光学原理，聚焦点是一个三维区域，在该区域范围内光斑直径沿着光束传播方向的变化最为平缓，这一方面增加了精准对焦的难度，同时也对自动对焦方法提出了更高的要求。

光学图像测量技术广泛应用于机器视觉以及工业自动化，是自动化设备非接触式获取目标信息的主要手段之一。通过对图像中目标特征的提取，并根据标定得到实际空间距离，是图像测量常用的手段。通过对连续视频图像的实时运算，可以解算出运动目标的位移、轨迹等参数，再反馈到运动控制系统，即可实现移动、定位等操作过程的自动化。

对光滑表面的材料如光学玻璃、晶体以及金属的精密刻蚀加工过程中，通过图像测量辅助手段将材料表面准确定位在激光焦点处可提升设备的工作效率以及操作的规范性。已有的手动对焦方法不利于设备自动化运行，存在对焦不够准确，对操作人员依赖性强以及耗时较长等缺点。在此基础上改进的对焦方法比如EP 1078710A2所述，利用光学相机拍摄聚焦处激光产生的离子体亮点以及材料表面的图像，当两者重合时，即对焦完成。该方法也可以实现自动化，但是通常等离子体亮点和材料表面的亮度差别较大，不利于图像处理，即使如文件中所述采取额外的照明措施也会因材料表面状态不同而需要不同的照明方式和光照强度，这些不利于设备的自动化运行。另外，通过观察激光经材料表面反射的光斑大小的方式也可实现对焦，具体是当观察到聚焦光斑最小时，认为对焦完成，此方法要求较高的光路校准，同时也存在对焦过程需要控制材料表面在焦点前后反复移动优化的过程，该过程无法实现一次到位，在此基础上实现自动控制的难度也更大。

在高精密激光刻蚀加工特别是微米级甚至亚微米级激光加工中，激光焦点尺寸也在微米或者亚微米量级，要求更高的对焦精度。另外，在先进激光精密加工设备中，对设备自动化的要求较高，其中就包括对焦自动化。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，基于镜面成像原理，利用光学图像测量技术获得激光焦点距离材料表面的距离，并将该距离反馈给控制系统实现自动定位。

图1为激光焦点自动定位系统结构示意图，包括激光束1、聚焦透镜2、激光焦点处等离子体亮点3、亮点镜像4、待加工材料5、材料夹具6、电动平移台7、光学相机8、显微镜头9、控制电脑10，图2为相机拍摄激光焦点与镜像的初始位置及图像处理中的亮点定位示意图，包括初始位置激光焦点处等离子体亮点11、初始位置激光焦点处等离子体亮点亮点镜像12、材料表面散射激光图像13。图3为材料向焦点位置移动一段已知的距离后，相机拍摄激光焦点与镜像及图像处理中亮点捕捉过程示意图，包括新位置激光焦点处等离子体亮点14；新位置激光焦点处等离子体亮点亮点镜像15。

本发明的技术方案是：一种将材料表面自动定位到激光焦点处的方法，该方法适应于如下所述的激光焦点自动定位系统，包括聚焦透镜2、待加工材料5、材料夹具6、电动平移台7、光学相机8、显微镜头9、控制电脑10，经过以下步骤实现：

1)通过配备显微镜头9的光学相机8拍摄激光焦点处的等离子体亮点3以及该亮点通过光滑材料表面形成的镜像4，得到初始位置激光焦点处等离子体亮点11、初始位置激光焦点处等离子体亮点镜像12；

2)利用图像处理技术(《数字图像处理技术及应用》，张丰收，中国水利水电出版社，2015)得出初始位置激光焦点处等离子体亮点11、初始位置激光焦点处等离子体亮点镜像12中心间的像素距离N₁，进一步通过控制电脑10控制电动平移台7精确移动待加工材料5靠近激光焦点，得到待加工材料5实际移动距离S₁(此时待加工材料5尚未到达焦点)，待加工材料5移动精度由控制材料移动的电动平移台7决定，通常优于10μm。再次经过图像处理，得到新位置激光焦点处等离子体亮点14和新位置激光焦点处等离子体亮点镜像15中心间的像素距离N₂，根据镜面成像原理，以及由像素距离的改变和实际材料位移之间的线性关系可以计算出每个像素对应的实际距离S₀，以及移动后材料表面距离准确的激光焦点位置S，分别为：

3)根据公式(2)计算出待加工材料5需要移动的准确距离S，关闭激光，再通过控制电脑10控制电动平移台7移动待加工材料5到激光焦点位置处开始加工操作。

步骤1)中，所述光学相机8拍摄激光焦点等离子亮点3和亮点镜像4过程中，优选调整这两个亮点位于光学相机8视场的中心位置，并且这两点之间的距离小于相机所拍摄图像大小的一半。

步骤1)和步骤2)利用相机拍摄激光焦点等离子亮点(3)和亮点镜像(4)过程中，优选遮蔽环境自然光照明，在暗背景下操作以提高光学相机(8)所拍摄图像的对比度。步骤1)中，优选将激光器功率调整到满足出现空气击穿形成相机可拍摄的等离子体亮点即可，不需要更高功率，功率越大形成的等离子体亮点越大，不利于相机图像处理得出更精确的焦点位置。

步骤2)中，为提高测量精度，优选进行以下操作：通过控制电脑10控制电动平移台7向同一方向分多次移动待加工材料5，得到多个位移S1和图像像素距离N1数据，从而根据式(1)计算出多个结果S₀，再求所述多个S0的平均值，再将此平均值代入式(2)计算待加工材料5表面到焦点的距离S，可进一步提升测量精度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的技术方案利用图像测量反馈控制的方法实现自动对焦，图像处理的对象为激光焦点处的等离子体亮点及其通过光滑材料表面形成的镜像，在暗背景下，该处理目标简单，主要计算其质心位置，不需要光照措施，不用关心材料类别。

(2)该方案中相机从侧面拍摄激光焦点，最终对准焦点中心进行定位，从激光传输轴向上看，该方案从原理上保证了对焦位置处于焦点三维区域的中心位置。

(3)该方案中控制系统一边进行材料步进控制，一边实时图像处理，最后根据计算的准确距离，使材料定位在激光焦点，避免了传统方法中需要材料在焦点前后来回运动寻找最佳位置的措施，节省时间，提高了自动化程度。

(4)材料根据计算的位置寻找焦点，此时激光可以关闭输出，避免材料定位时始终参考激光焦点，容易造成对焦阶段材料的激光损伤，不利于高精度加工操作。

总的来说，本发明的自动定位系统具有自动化程度高、自动化过程容易实现、定位精度高、材料类别对定位精度影响小等特点，本发明的技术方案对光学材料如玻璃、晶体、薄膜等表面高精度加工具有重要意义。

附图说明

图1激光焦点自动定位系统结构及原理示意图；

图2激光焦点与镜像的初始位置及图像处理中的亮点定位示意图；

图3材料移动后新位置处激光焦点与镜像及图像处理中的亮点定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明具体实施方式：

1)光路搭建：本发明所述方法适用于如图1所示激光焦点自动定位系统，包括激光束1、聚焦透镜2、待加工材料5、材料夹具6、电动平移台7、光学相机8、显微镜头9、控制电脑10，待加工材料5夹持在材料夹具6上，使加工材料5表面正对经聚焦透镜2聚焦的激光束1，材料夹具6和待加工材料5装在电动平移台7上，光学相机8和电动平移台7连接上控制电脑10并由控制电脑10上安装的控制程序控制，所述控制程序主要包括光学相机8图像采集和处理功能以及电动平移台7在光轴方向的前后移动控制功能，光学相机8安装有显微镜头9，所述显微镜头9倾斜对准激光焦点和焦点经材料表面形成的镜像，倾斜角度优选45度，同时保证镜头不遮挡激光束，为保证焦点处形成稳定的等离子体亮点，激光在焦点处的强度应处于10¹²W/m²量级。

2)驱动电动平移台7使待加工材料5表面靠近激光焦点，调整光学相机8和电动平移台7，使光学相机8拍摄图像中出现焦点处等离子体亮点以及亮点镜像，保证二者位于相机视场中心，间距约为视场(拍摄图像大小)的一半。

3)根据图像测量得到离焦距离：在暗背景下采集图像，为保证离焦距离测量的准确性，应调整激光功率使焦点处刚好稳定出现亮点为宜，提取两个亮点质心的图像坐标，得到其像素距离，再控制材料以已知步长靠近激光焦点，该步长应小于材料达到实际焦点的距离，再次图像处理得到两个亮点的像素距离。结合实际材料移动的距离，根据上文式(1)和式(2)计算材料表面距离激光焦点的准确距离。

4)材料定位：计算得到材料表面距离激光焦点的距离后，关闭激光，避免材料移动过程中发生激光损伤，由控制程序控制电动平移台7使材料表面达到激光焦点，开始加工操作。