一种激光监控仪器的使用方法与流程

本发明涉及一种激光监控设备使用方法，具体涉及一种应用于激光加工过程的激光监控仪器在出厂前的标定与使用前的光路校准方法。

背景技术：

1、激光过程指的是应用激光进行的加工过程，包含但不限于激光焊接，激光切割，激光粉末床熔融，水导激光切割、增材制造等。在激光过程中，影响激光加工的质量有多种原因，如果激光未按照原定程序、工艺、参数实施焊接、切割、增材制造等过程，将导致废件次件等情况，严重影响产品质量和生产效率，加工成本也相应大大增加。如何利用激光过程中的特性，实现激光加工过程的有效监控，减少废件次件率、提高生产效率是激光加工领域的重要课题。

2、在现有技术中，已经有利用激光在加工过程中被吸收和反馈的光学特性，对激光加工过程是否正常进行监控的相应设备与方法。以3d打印为例，在激光过程中，入射激光到达待加工位置后，未被待加工材料、3d打印粉末、熔池等吸收的激光将从构件表面反射或散射，由于待加工材料、熔池状态、加工状态不同，对激光波段的吸收和反馈亦不同，因此，通过监测激光加工过程中所反馈的光的波长，将能够判断包括但不限于评估熔池尺寸、温度和稳定性、材料热历史、工艺变化等对于最终加工质量有关键影响的参数，从而监控和判断激光加工过程的稳定性和准确性，提高加工效率，降低加工损耗。

3、目前，对激光过程的激光监控仪器主要采用空间集成的单通道探测器，如光电二极管、高温计和光电倍增管已在广泛应用中。这些方法的优点和缺点是将来自视场的信号降低到单个数字，即对应于照射检测器的光量的电压。低成本、高灵敏度、鲁棒性和快速数据采集速率（通常为50 khz）使这些设备对激光加工过程监控工作非常有吸引力，然而，这些类型的传感器通常仅在有限的波长范围内敏感。例如，硅光电二极管通常用于紫外和可见光波长，而锗和ingaas光电二极管优选用于可见光到红外光检测。大多数激光加工监测工作集中在有限的波长范围内，通过选择传感器和光谱滤波器来实现其监测，例如，来自熔池的热辐射通常在可见光至红外范围（通常为900至2300nm），而等离子体发射在近紫外或可见光波长（通常为400至650nm），还需要考虑激光的后向反射，则发生在激光波长（通常为1060–1080 nm）范围内。由于技术的限制，现有技术中的监测仪器往往只能针对不同波长范围选择某一种传感器和滤波器对其进行监测，但由于激光加工过程中未被待加工材料、3d打印粉末、熔池、等吸收的激光将从构件表面反射或散射，待加工材料、熔池状态、加工状态不同，对激光波段的吸收和反馈亦不同，仅仅监测某一段有限波长范围内的激光无法准确地监测激光加工过程中出现的各种复杂的情况，其监测功能单一、适用范围窄，或者针对不同的情况需要加载多种不同的监测仪器，不仅无法实现实时、准确的监测，且造成监测成本的负担，时效性差、成本高、效率低。

4、因此，发明一种能够覆盖激光加工过程中较长监测范围，实现实时、准确、快捷的激光加工监测仪器的标定及光路校准方法，对于进一步提高激光监控的精度、准确度及便捷性，对于拓展激光加工监测仪器的适用范围，以及对激光加工领域具有重要的应用意义。

技术实现思路

1、为克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种激光监控仪器的使用方法，具体包括出厂前的标定及光路调节方法以及使用前的光路校准方法，所述激光监控仪器通过对光学原理及机械原理的应用，设置了相匹配的光学耦合模块、光学聚焦模块、传感器模块及标定模块，并通过利用这些模块之间的光学关系、机械关系提供了一种能够简单、快捷地对激光监控仪器进行出厂前的标定、光路调整的方法，使得激光监控仪器在出厂前将多个光学传感器的调整全部复合、集中到光学聚焦模块的聚焦镜片调节上，在使用时可以实现便捷、准确地实现对各个光学传感器的光路调整，不再需要逐个调节；同时提供了一种使用前的光路标准方法，实现使用前各个光路的标准和同轴监测的校准，进一步增加了监测的便捷性及准确性。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种激光监控仪器的使用方法，包括激光监控仪器的标定方法，包括以下步骤：

4、步骤1：进行激光监测仪器出厂前的标定：

5、所适用的激光监控仪器设置有光学聚焦模块和传感器模块；其中所述的光学聚焦模块包括聚焦镜片（8），聚焦镜片（8）与入射光光轴垂直，可以沿入射光光轴方向调整位置；所述的传感器模块包括多组由分光镜片、滤光镜片及光学传感器组成可以对所选择的不同波长范围的入射光进行测量的测量组件；所述的分光镜片与穿过聚焦镜片（8）的入射光光轴呈一定角度设置，将入射光分成透射光路和反射光路，由于分光镜将入射光分成透射光路和反射光路效果最好的角度一般为入射角45度-60度左右（根据市面上可采购的分光镜片产品的参数选择），实际使用中一般在45-60度左右选择。在透射光路和反射光路上分别设置可以选择性过滤特定波长范围入射光的滤光镜片，在滤光镜片后分别设置适用于经过滤后的特定波长入射光的光学传感器，光学传感器可以沿入射光的光轴方向及垂直入射光的光轴方向移动位置；所述的传感器模块还包括一组标定模块，所述的标定模块包括安装在分光镜分光后的其中一个光路上的图像传感器（25），分光后的入射光进入标定模块的图像传感器（25）中；所述的图像传感器（25）可以沿入射光的光轴方向移动位置；

6、所述的传感器模块中的分光镜为多个，在每一个分光之后的透射光路和反射光路上均可以再次设置分光镜进行再次分光，在所分出的每个光路的最后一次分光后的透射光路和反射光路上分别设置可以选择性过滤特定波长范围入射光的滤光镜，将入射光过滤为待测波长的光束，在滤光镜片后分别设置针对不同波长入射光的光学传感器及信号处理电路。从光学聚焦模块的聚焦镜中透过的光经过分光镜分光后分别到达对应的滤光镜片，经滤光镜片过滤后得到不同波长范围的光，获取精确的监测波段，将不同波段的光投射到光学传感器的感光面后通过信号处理电路对待测光进行测量。

7、实际使用时，使用者可以根据其将入射光分成到多少个不同波长的待测激光的实际需要，设置对应的多个分光镜和可以过滤相应波长区间的滤光镜，实现多个不同波长的待测激光的测量和监控。

8、在进行激光监控仪器出厂前标定时，在所述的光学聚焦模块之前安装带有标定用聚焦镜片的标定工具，标定用聚焦镜片为固定焦距；将所述的激光监控仪器固定在平台上，使标定用聚焦镜片到平台底部的距离等于标定用聚焦镜片的固定焦距；将光学聚焦模块的聚焦镜片调节移至某一位置；打开标定模块的图像传感器并打开图像传感器中心的对准十字线，调节曝光时间，获得明亮的图像；移动图像传感器获得清晰的固定激光监控仪器的平台的表面图像，并锁死图像传感器；

9、步骤2：进行激光监控仪器出厂前的光学传感器光路调节：

10、步骤2.1 将所有滤光镜片更换为同等厚度的透明镜片，并拆除所有的光学传感器，更换为具有自发光功能的自发光标定工具；点亮自发光标定工具，观察图像传感器中出现明亮光斑，将光学传感器沿自发光的光轴方向上进行移动，在图像传感器中观察到光斑最为清晰明亮时，停止移动并将光学传感器在沿光轴方向上锁死；将光学传感器沿自发光的光轴的垂直方向上移动，将图像传感器中观察到的光斑中心与图像传感器中心的对准十字线重合，停止移动并将光学传感器在沿光轴垂直方向上锁死；

11、步骤2.2：在多个光学传感器上重复2.1步骤，完成所有光学传感器的光路调节；

12、步骤2.3：完成标定，拆除标定方法中安装的工具，将所述的激光监控仪器部件复原。

13、进一步地，还包括步骤3：所述的激光监控仪器使用前的光路校准方法：

14、将所述的激光监控仪器安装到激光加工仪器上，打开传感器模块上安装的标定模块的图像传感器，调节曝光时间直至出现明亮图像；将激光加工仪器的激光加工头移动至加工位置后，调节光学聚焦模块的聚焦镜片，前后移动聚焦镜片，同时从图像传感器中观察图像，当获取到最清晰的图像时停止调节，锁紧聚焦镜片。

15、进一步地，所述的激光监控仪器还包括安装在光学聚焦模块之前的光学耦合模块，光学耦合模块包括反射镜模块，反射镜模块包括反射镜片，反射镜模块中的反射镜片与入射光光轴呈一定角度设置；所述的“一定角度”是指该角度大于零，反射镜的镜面与激光入射通道非平行，即反射镜片与入射激光的光轴非平行，入射激光通过激光入射通道以一定角度，即入射角，照射到反射镜的镜面上，通过反射镜片以相同的角度，即反射角，反射出去；待测激光从入射通道射入后到达反射镜，反射镜将入射激光反射至光学聚焦模块的聚焦镜中，实现激光入射光的同轴监测；反射镜片可以调整位置以改变反射镜片与入射光之间的角度，以实现入射激光的同轴度的精确调整，以获得最强的待测光，增强测量信号。

16、进一步地，在所述的步骤1在所述的光学聚焦模块之前安装带有标定用聚焦镜片的标定工具时，先拆除安装在光学聚焦模块之前的光学耦合模块；

17、进一步地，在所述的步骤3激光监控仪器使用前的光路校准方法之后还包括步骤4：激光监控仪器使用前的光路同轴监测校准方法：打开标定模块的图像传感器中心的对准十字线，调节光学耦合模块的反射镜片，使图像传感器中的十字线中心与激光光束将作用的位置加工痕迹的中心完全对准，完成所述的激光监控仪器的光路校准。

18、完成激光监控仪器的标定和光路校准后，即可开始对待测激光进行监测。

19、本发明具有以下有益的技术效果：

20、本发明所提供的激光监控仪器的标定和校准方法在监控仪器出厂之前对仪器进行标定，将所有进入传感器的待测光路预先设置到同轴，将所有光路的校准对应复合统一到光学聚焦模块的聚焦镜片的移动上，使得在后续的实际使用中任何一个光路均可代表所有的光路，不必对每一个光路逐个进行调节，只需调节聚焦镜片的前后位置即可便捷、快速、准确地完成所有待测光路的校准；本发明所提供的激光监控仪器在出厂后实际使用之前的光路校准方法，在实施了前述的标定方法的基础上，仅用聚焦镜片的前后移动即完成了所有光路的校准，且利用独特设计的可调节的反射镜片，通过微调完成了同轴监测，进一步提高了采用本发明所提供的激光监测仪器在使用时的精确性、便捷性。