[发明专利]一种将材料表面自动定位到激光焦点处的方法

说明书

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。本方法基于镜面成像原理和光学图像测量技术，准确计算出材料表面距离激光焦点区域中心的距离，自动控制将材料表面准确定位到激光焦点区域的中心。本发明具有全自动、图像处理目标简单易实现、定位精度高以及定位阶段材料不会被激光损伤等优点。

技术领域

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。

发明内容

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的待加工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；