本發(fā)明涉及激光加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種同軸隨形聚焦系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著激光技術(shù)的空前發(fā)展，激光已廣泛應(yīng)用于加工領(lǐng)域，例如激光切割、焊接、打標(biāo)、清洗等。在實(shí)際應(yīng)用中，通常使用聚焦系統(tǒng)對激光束進(jìn)行聚焦以提高單位面積上的光強(qiáng)，從而更有效的對工件進(jìn)行加工。

但是，聚焦焦點(diǎn)與被加工工件表面的相對位置直接影響著最終的加工效果，因此，通常需要工件表面盡量平整才適合激光加工。

往往多數(shù)工件表面是無法確保絕對平整的，因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員針對這一問題采取了多種解決方案：

一、固定聚焦系統(tǒng)與被加工工件表面的相對位置。此種方案中要求被加工工件具有盡量憑證的表面以保證聚焦焦點(diǎn)始終保持與工件的相對位置關(guān)系。激光打標(biāo)就是應(yīng)用這種方案。

二、通過測量聚焦系統(tǒng)與被加工工件的相對距離并通過計(jì)算補(bǔ)償量來控制聚焦焦點(diǎn)從而使聚焦焦點(diǎn)與被加工工件保持準(zhǔn)確的相對位置。此種方案也是需要被加工工件表面盡量平整，但優(yōu)于第一種方案。激光切割就是應(yīng)用了這種方案。

三、通過增加變焦系統(tǒng)，主動控制聚焦焦點(diǎn)的位置。此種方案可以應(yīng)對更復(fù)雜的被加工工件面型，但是需要前期對面型進(jìn)行建模工作。三維打標(biāo)應(yīng)用此種方案。

綜上所述，方案一和方案二要求被加工工件表面面型平整，僅適用于特定加工場景，對于復(fù)雜面型的工件就無能為力。方案三雖然適用范圍廣，但是需要前期建模工作，且加工過程處于一種開環(huán)控制狀態(tài)，對聚焦?fàn)顟B(tài)無反饋過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可以始終確保最佳聚焦?fàn)顟B(tài)、無需前期建模、閉環(huán)跟蹤控制、響應(yīng)速度快的同軸隨形聚焦系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

本發(fā)明公開的同軸隨形聚焦系統(tǒng)，其特征在于，包括：

擴(kuò)束裝置，平行入射光束由所述擴(kuò)束裝置的入光端進(jìn)入所述擴(kuò)束裝置，并產(chǎn)生發(fā)散光束；

分束器，所述分束器置于所述擴(kuò)束裝置的出光端，所述發(fā)散光束穿過所述分束器；

聚束裝置，所述聚束裝置置于所述分束器的出光端，且所述聚束裝置與所述擴(kuò)束裝置同軸設(shè)置，所述發(fā)散光束由所述聚束裝置的入光端進(jìn)入所述聚束裝置，并產(chǎn)生匯聚光束，所述匯聚光束的焦點(diǎn)處于工件表面前后，被所述匯聚光束照亮的所述工件表面產(chǎn)生反向傳輸?shù)纳⑸涔猓龉怆娞綔y器接收被所述分束器反射的所述散射光；

伺服機(jī)構(gòu)，所述擴(kuò)束裝置、所述分束器和所述光電探測器固定于所述伺服機(jī)構(gòu)上，且所述伺服機(jī)構(gòu)受控于所述閉環(huán)控制電路；

閉環(huán)控制電路，所述光電探測器接收到的所述散射光的光強(qiáng)信號送至所述閉環(huán)控制電路，所述閉環(huán)控制電路根據(jù)所述光強(qiáng)信號解算出聚焦?fàn)顟B(tài)誤差值，并驅(qū)動所述伺服機(jī)構(gòu)補(bǔ)償聚焦?fàn)顟B(tài)誤差值。

所述伺服機(jī)構(gòu)帶動所述擴(kuò)束裝置、分束器、光電探測器沿所述擴(kuò)束裝置和聚束裝置的軸線方向往復(fù)運(yùn)動。

進(jìn)一步的，所述散射光穿過所述聚束裝置，并通過所述分束器部分反射于所述光電探測器表面，所述閉環(huán)控制電路根據(jù)所述光電探測器接收的散射光的光強(qiáng)信號驅(qū)動所述伺服機(jī)構(gòu)補(bǔ)償聚焦?fàn)顟B(tài)偏離的誤差值。

進(jìn)一步的，所述光電探測器接收散射光的一面至少設(shè)置有兩個(gè)光敏面，且相鄰兩個(gè)所述光敏面之間具有縫隙。

進(jìn)一步的，所述伺服機(jī)構(gòu)使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)或音圈電機(jī)作為動作器。

進(jìn)一步的，所述伺服機(jī)構(gòu)上安裝有位置傳感器。

進(jìn)一步的，所述光電探測器為ccd或pin光電探測器或硅光電池或psd或光電二極管。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的同軸隨形聚焦系統(tǒng)，通過同軸設(shè)置的擴(kuò)束裝置和聚束裝置，再利用分束器將部分散射光反射于光電探測器上，通過光電探測器的輸出信號確定匯聚光束在工件表面的聚焦?fàn)顟B(tài)，如果聚焦不理想，閉環(huán)控制電路將驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動來補(bǔ)償聚焦?fàn)顟B(tài)誤差值，直到誤差值為零。

同時(shí)，本發(fā)明的同軸隨形聚焦系統(tǒng)是針對照射到工件表面的匯聚光束進(jìn)行聚焦?fàn)顟B(tài)檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果控制伺服機(jī)構(gòu)移動，并最終達(dá)到理想聚焦?fàn)顟B(tài)，完成系統(tǒng)的閉環(huán)反饋過程，且響應(yīng)速度快。由于始終保證聚焦?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)定，系統(tǒng)并不需要初始建模工作，適用于任意面型的工件。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明中記載的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的同軸隨形聚焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示的同軸隨形聚焦系統(tǒng)的閉環(huán)控制電路的原理框圖；

圖3為圖1所示的同軸隨形聚焦系統(tǒng)的光敏面的分布示意圖。

附圖標(biāo)記說明：

1、擴(kuò)束裝置；2、聚束裝置；3、分束器；4、伺服機(jī)構(gòu)；5、匯聚光束；6、散射光；7、工件；8、光電探測器；9、閉環(huán)控制電路；10、光敏面。

具體實(shí)施方式

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。

參見圖1-3所示；

本發(fā)明的同軸隨形聚焦系統(tǒng)，其特征在于，包括：

擴(kuò)束裝置1，平行入射光束由擴(kuò)束裝置1的入光端進(jìn)入擴(kuò)束裝置1，并產(chǎn)生發(fā)散光束；

分束器3，分束器3置于擴(kuò)束裝置1的出光端，發(fā)散光束穿過分束器3；

聚束裝置2，聚束裝置2置于分束器3的出光端，且聚束裝置2與擴(kuò)束裝置1同軸設(shè)置，發(fā)散光束由聚束裝置2的入光端進(jìn)入聚束裝置2，并產(chǎn)生匯聚光束，匯聚光束的焦點(diǎn)處于工件7表面前后，被匯聚光束5照亮的工件7表面產(chǎn)生反向傳輸?shù)纳⑸涔?，散射光6最終被光電探測器8接收，用以評價(jià)聚焦?fàn)顟B(tài)；

伺服機(jī)構(gòu)4，擴(kuò)束裝置1、分束器3和光電探測器8固定于伺服機(jī)構(gòu)4上，且伺服機(jī)構(gòu)4受控于閉環(huán)控制電路9；其中，伺服機(jī)構(gòu)4帶動擴(kuò)束裝置1、分束器3、光電探測器8沿?cái)U(kuò)束裝置1和聚束裝置2的軸線方向往復(fù)運(yùn)動；

具體的，本實(shí)施例公開的一種同軸隨形聚焦系統(tǒng)，其中，同軸即為通過同軸設(shè)置的擴(kuò)束裝置1和聚束裝置2，一方面平行入射光通過擴(kuò)束裝置1和聚束裝置2形成匯聚光束5，匯聚光束5聚焦于工件7表面進(jìn)行加工。另一方面工件7表面的反向散射光6通過所述聚束裝置2和分束器3將部分散射光6反射于光電探測器8上，這樣隨著工件7表面高低不平的變化，光電探測器8接收到的散射光6的光強(qiáng)會產(chǎn)生變化，因此，根據(jù)光強(qiáng)的變化，閉環(huán)控制電路9會計(jì)算出當(dāng)前聚焦?fàn)顟B(tài)并與預(yù)設(shè)聚焦?fàn)顟B(tài)比較，形成誤差值，根據(jù)誤差值大小通過pid電路和伺服驅(qū)動電路驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)4，以調(diào)整擴(kuò)束裝置1和聚束裝置2之間的距離，實(shí)現(xiàn)改變匯聚光束5的焦點(diǎn)，并最終實(shí)現(xiàn)對照射到工件7表面匯聚光束5的聚焦?fàn)顟B(tài)的調(diào)整。

更具體的實(shí)施方式為：

本實(shí)施例中的工件7的表面被匯聚光束5照亮，并產(chǎn)生反向傳輸?shù)纳⑸涔?，散射光6穿過聚束裝置2，并通過分束器3部分反射于光電探測器8表面，光電探測器8將接收的散射光6的光強(qiáng)信號通過閉環(huán)控制電路9進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到當(dāng)前聚焦?fàn)顟B(tài)，并與聚焦?fàn)顟B(tài)預(yù)設(shè)值比較后得到誤差值，根據(jù)誤差值大小通過pid電路和伺服驅(qū)動電路驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)4。具體的，平行入射光(本發(fā)明中為入射激光)經(jīng)過上述的擴(kuò)束裝置1，其出射角增加，擴(kuò)束后的光束通過聚束裝置2進(jìn)行匯聚，得到的匯聚光束5照射在工件7表面，同時(shí)，表面上產(chǎn)生的散射光6(反向散射光)被聚束裝置2接收，并傳輸至分束器3，散射光6被分束器3反射至光電探測器8上，光電探測器8形成聚焦?fàn)顟B(tài)的實(shí)時(shí)信息發(fā)送到閉環(huán)控制電路9，該閉環(huán)控制電路9根據(jù)聚焦?fàn)顟B(tài)實(shí)時(shí)信息解算出誤差值，并根據(jù)誤差值大小通過pid電路運(yùn)算出補(bǔ)償量大小，最后依據(jù)補(bǔ)償量大小來控制伺服驅(qū)動電路驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)4進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，直至整個(gè)環(huán)路中誤差值為零。其中，本實(shí)施例中的光電探測器8至少設(shè)置有兩個(gè)光敏面10，且相鄰兩個(gè)光敏面10之間具有縫隙?，F(xiàn)以該光電探測器8具有兩個(gè)相鄰并排設(shè)置的光敏面10為例進(jìn)行闡述：假設(shè)聚焦?fàn)顟B(tài)預(yù)設(shè)值為精確聚焦?fàn)顟B(tài)。光電探測器8的兩個(gè)光敏面10接收了散射光6后，當(dāng)兩個(gè)光敏面10上的光強(qiáng)相等時(shí)，證明工件7上聚焦精確，無需進(jìn)行補(bǔ)償；當(dāng)兩個(gè)光敏面10上的光強(qiáng)不等時(shí)，證明工件7上聚焦不精確，或稱為離焦?fàn)顟B(tài)，這時(shí)，閉環(huán)控制電路9根據(jù)光電探測器8發(fā)送的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行解算，確定控制伺服機(jī)構(gòu)4前移或后移來補(bǔ)償誤差值。在工件7不斷的移動過程中，閉環(huán)控制電路9總是根據(jù)光電探測器8輸出的實(shí)時(shí)信息驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)4進(jìn)行補(bǔ)償，聚焦焦點(diǎn)將跟隨被加工工件7表面移動，從而實(shí)現(xiàn)了聚焦焦點(diǎn)實(shí)時(shí)跟蹤工件7表面面型，即為本發(fā)明中闡述的隨形聚焦。

另外，本發(fā)明的同軸隨形聚焦系統(tǒng)不限于上述一種結(jié)構(gòu)，并且還可以根據(jù)上述的方案和原理對入射光進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，例如，使用條紋光束作為入射光等。因此，只要是基于本發(fā)明公開的技術(shù)的簡單的變形，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

優(yōu)選的，本實(shí)施例中相鄰兩個(gè)光敏面10采用矩形光敏面，其縫隙的縫寬最優(yōu)選為1um。

優(yōu)選的，本實(shí)施例中擴(kuò)束裝置1為凹透鏡。另外，擴(kuò)束裝置1還可以是透鏡組、梯度透鏡、菲涅爾透鏡等。

優(yōu)選的，本實(shí)施例中聚束裝置2為凸透鏡。另外，聚束裝置2還可以是透鏡組、梯度透鏡、菲涅爾透鏡等。

優(yōu)選的，本實(shí)施例中伺服機(jī)構(gòu)4使用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)或音圈電機(jī)作為動作器。不同電機(jī)的選取是根據(jù)響應(yīng)速度及實(shí)際情況來確定。

更優(yōu)選的，本實(shí)施例中伺服機(jī)構(gòu)4上安裝有位置傳感器，可用于工件表面面型的測量。

優(yōu)選的，本實(shí)施例中光電探測器8為為ccd或pin光電探測器或硅光電池或psd或光電二極管。

在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明提供的同軸隨形聚焦系統(tǒng)，匯聚光束5與散射光6均通過同軸設(shè)置的擴(kuò)束裝置1和聚束裝置2，再利用分束器3將部分散射光6反射于光電探測器8上，通過光電探測器8對散射光6探測，確定工件7表面聚焦?fàn)顟B(tài)，如果聚焦?fàn)顟B(tài)與預(yù)設(shè)值不符就控制閉環(huán)控制電路9驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)4的移動來補(bǔ)償誤差值，直到實(shí)現(xiàn)誤差值為零。

同時(shí)，本發(fā)明的同軸隨形聚焦系統(tǒng)是針對工件7表面的散射光6進(jìn)行聚焦?fàn)顟B(tài)檢測，能夠確保工件7表面聚焦理想，響應(yīng)速度快。

以上只通過說明的方式描述了本發(fā)明的某些示范性實(shí)施例，毋庸置疑，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式對所描述的實(shí)施例進(jìn)行修正。因此，上述附圖和描述在本質(zhì)上是說明性的，不應(yīng)理解為對本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。