[发明专利]一种基于脉冲交替法的激光加工实时成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于脉冲交替法的激光加工实时成像装置，包括激光加工单元、照明单元、实时显微成像单元和控制单元，其中，所述激光加工单元用于发射激光脉冲，并在激光脉冲高电平时利用激光对工件进行加工；所述照明单元用于产生照明光，并对工件加工区域进行照射；所述控制单元连接所述激光加工单元和所述实时显微成像单元，用于在所述激光加工单元的激光脉冲处于低电平时向所述实时显微成像单元发射图像采集信号；所述实时显微成像单元用于在所述图像采集信号的控制下对工件加工区域进行实时显微成像，并将采集的图像发送至所述控制单元。本发明使激光脉冲作用和图像曝光采用交替方式进行，有效避免了相机受到加工激光的干扰。

技术领域

本发明属于成像技术领域，具体涉及一种基于脉冲交替法的激光加工实时成像装置及方法。

背景技术

激光具有单色性好、方向性好、能量高等显著优势，近几十年来被广泛应用于各种精密机械与材料的加工和制造领域。目前主要的激光加工方式主要包括激光微焊接、激光精密切割以及激光冷加工。

激光微焊接技术是一种多功能的柔性加工工艺，具有热影响区小，快速升温、快速冷却，节能环保等众多优势。其中采用CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)相机实时监视系统可以实现对微焊接位置的准确定位。通过CCD相机实时监视系统能将焊件的微小局部放大几十倍，并在监视器上显示，便于对微小部件或局部部件的微小部分进行定位，也可以实时地对焊接的过程和结构进行观察，这为微小部件实施精准的激光微焊接创造了条件。

激光精密切割技术具有操作时间短、精度高、成品质量高等优点，已经成为工业中广泛使用的激光加工技术。在激光切割加工过程中，激光作用于被切割材料，会产生剧烈的物理与化学反应，伴随产生的各种声光信号将直接或间接反映激光切割质量。可以通过采集并分析切割过程中的信号特征从而实现对激光切割质量的实时检测与评估。

激光冷加工技术利用超快激光具有极短的脉冲宽度和很高的瞬时功率的特点，可以使用超快激光冷加工处材料的温度快速升高，材料瞬间被气化以实现样品的加工，因为相互作用时间很短，产生的热量来不及传导至材料周边以至于造成热影响。譬如对于高精密的制孔工件而言，孔的加工质量是至关重要的，重铸层的产生极易导致孔裂。然而，事后评测工件质量的常规监测显然不利于大规模的工业生产。因此，在实际工业生产中，实时检测激光制孔过程对于打孔质量具有重要意义。CCD相机也常被用于激光冷加工系统中，用于实现对制孔过程的实时成像监测，通过实时监测加工结果，有助于提高制孔质量，及时发现加工缺陷以及动态研究加工激光与样品材料的作用机理。

综上所述，为了提高激光加工效率与加工精密程度，在加工过程中对样品进行实时成像检测已经成为高精度、数字化激光加工系统中不可或缺的一个重要组成部分。

CCD作为一种成像探测的电荷耦合器件，具有像元尺寸小、动态范围宽、几何精度高以及在可见光范围内具有良好的光谱特性等优点，被广泛地应用在各类激光加工的成像检测系统上。CCD在接收到光信号后，通过光电转换以视觉图像形式显示。然而，由于CCD器件自身的光学增益较高且具有极高的灵敏度，其内部的光学结构极其容易受到外界激光的干扰和损伤。当CCD作为光电探测器在进行光学信号采集接收时，一旦受到外界强光照射，电荷不能按照一定方向转移，CCD的视频或图像输出信号便会受到干扰，产生不同效果的干扰条纹，严重者甚至使整个探测器处于饱和状态，即产生“光饱和串音”现象。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于脉冲交替法的激光加工实时成像装置及方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明的一个方面提供了一种基于脉冲交替法的激光加工实时成像装置，包括激光加工单元、照明单元、实时显微成像单元和控制单元，其中，

所述激光加工单元用于发射激光脉冲，并在激光脉冲高电平时利用激光对工件进行加工；

所述照明单元用于产生照明光，并对工件加工区域进行照射；