一种分束式自动对焦系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种分束式自动对焦系统，其特征在于，包括图像拟合计算机、运动执行机构以及沿反射光路依次设置的物方聚焦镜、光栅分束器、像方聚焦镜和CCD相机，所述光栅分束器的中心、像方聚焦镜的中心和CCD相机的光接受面中心三点共线，所述CCD相机的光接受面与像方聚焦镜之间存在夹角；所述图像拟合计算机与所述CCD相机电连接；所述运动执行机构通过光斑直径变化曲线的最小点和中心点的重合情况可选择的带动样品或者物方聚焦镜移动，其可以实现激光加工过程中快速精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理，本申请还提供了一种分束式自动对焦方法。供了一种分束式自动对焦方法。供了一种分束式自动对焦方法。

【技术实现步骤摘要】
一种分束式自动对焦系统及方法


[0001]本专利技术涉及光学检测
，具体涉及一种分束式自动对焦系统及方 法。

技术介绍

[0002]激光具有亮度高、方向性强、能量高并且分布密集等特点，当其照射到 材料表面后，材料可在短时间内吸收大量光子能量而升温，达到融化甚至是 气化状态，因此激光可以实现加工材料的功能。近年来，由于激光加工的非 接触性、高效灵活、热作用小、精度高等巨大的优势，激光加工开始渗入众 多的行业，可以实现包括焊接、切割、打孔、刻蚀、抛光、快速成型等加工 操作，大有将传统的一些加工技术取而代之的趋势。
[0003]然而，激光加工一般需要在聚焦状态下，这样激光的能量密度可以大幅 上升，不仅可以降低激光作用所需的能量，而且由于聚焦光斑尺寸小的特点 可以实现精确精密加工。而在离焦状态下，会由于能量密度降低而影响加工 质量，甚至是无法加工。尤其是在超快激光应用的领域，只有将激光聚焦才 能实现极高的峰值功率密度，才能在焦点处产生非线性效应从而得到极端的 加工效果。可见，要实现高质量高精密的激光加工效果，精确控制焦点位置 是十分必要的。
[0004]目前，激光对焦方法主要可分为传感器式和CCD式。传感器式对焦是 在聚焦光路的旁轴上安装高度传感器，通过高度传感器返回的数值与标定焦 点位置的偏差，来反馈给执行机构实现焦点的对位。然而，这种方式的最大 问题在于不是实时控制的。由于激光聚焦光路与高度传感器不同轴，高度传 感器所探测的高度值并不是焦点所在位置的高度值，若以此数据直接反馈， 会导致焦点对位的滞后或超前。因此这种方法往往需要对加工样品表面进行 一遍预扫，得到样品表面高度值的二维分布，然后再在加工的过程中进行相 应的焦点对位。显然，这种方法的精度取决于高度传感器取值的精度，未取 值的位置是无法进行焦点对位的，而且预扫增加了加工的步骤，增加了加工 时间。
[0005]CCD式对焦是一种利用光反射原理的自动对焦方式，直接采用CCD在 同轴光路上接收反射光，然后通过计算机处理识别当前焦点位置状态，反馈 给执行机构进行对位操作，循环往复直到对焦完成，具有实时控制的优点。 显然，这种方法想要获得精确对位，对CCD的像素和计算机处理有较高的 要求，增加了成本。为了降低这方面的要求，可以通过一定的光学设计，使 CCD接受到的焦点位置的光斑与非焦点位置的光斑具有一定的差别，这样 就能增加焦点识别的灵敏度，降低对CCD和计算机处理的要求。
[0006]比如，目前已公开的专利(CN 102122055 A)提出了一种在光路中添加 光栅镜片的对焦装置，可实现焦点位置的光斑是正圆，离焦状态的光斑是半 圆的功能，这样可以快速判断出离焦状态，单方向控制电机，减少了处理大 量图像信息的工作。然而这种方法对光栅镜片的位置有比较严格的要求，要 能滤去一半的激光光束，增加了实际操作的难度。还有公开的专利(CN 110530291A)采用光栅投影法来建立样品表面的三维轮廓形貌，同样也对 计算机处理提出了较高的要求。

技术实现思路

[0007]基于上述表述，本专利技术提供了一种分束式自动对焦系统，以实现激光加 工过程中快速精确的实时自动对焦，无需复杂的光路和高难度的计算机处理。
[0008]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0009]一种分束式自动对焦系统，包括图像拟合计算机、运动执行机构以及沿 反射光路依次设置的物方聚焦镜、光栅分束器、像方聚焦镜和CCD相机， 所述光栅分束器的中心、像方聚焦镜的中心和CCD相机的光接受面中心三 点共线；
[0010]所述物方聚焦镜用于将经样品表面反射的反射激光准直；
[0011]所述光栅分束器用于将准直后的反射激光分束成至少3束分光光束；
[0012]所述像方聚焦镜用于将光栅分束器分束而成的所有分光光束聚焦；
[0013]所述CCD相机用于接收聚焦后的分光光束的光斑图像，所述CCD相机 的光接受面与像方聚焦镜之间存在夹角；
[0014]所述图像拟合计算机与所述CCD相机电连接，用于对所述CCD相机获 取的光斑图像进行图像拟合并得到光斑直径变化曲线；
[0015]所述运动执行机构通过光斑直径变化曲线的最小点和中心点的重合情 况可选择的带动样品或者物方聚焦镜移动，直至最小点和中心点重合。
[0016]与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
[0017]本申请提供的分束式自动对焦系统，由于像方聚焦镜与CCD相机的光 接受面存在夹角，各分光光束形成的焦平面与CCD相机的光接受面也就存 在一个夹角，因此，CCD相机所检测到的一串光斑会有大小差异，而图像 拟合计算机得到的光斑直径变化曲线必存在一个最小值，亦必存在一个中心 点，若此时激光焦点正位于样品表面，拟合得到的光斑直径变化曲线应为完 全对称的状态，光斑直径变化曲线的最小值与中心点重合。若激光焦点处于 离焦状态，拟合得到的光斑直径变化曲线则为非对称状态，光斑直径变化曲 线的最小值与中心点不重合，通过上述原理通过运动执行机构带动样品或者 物方聚焦镜移动就能实现自动对焦，由于光斑直径变化曲线是对对称离焦状 态拟合得到的，因此用其最小值的位置来标定焦点位置精度很高，而且并不 复杂，可以得到快速的响应，实现高精度实时自动对焦。
[0018]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0019]在其中一种方案中，所述光栅分束器与所述像方聚焦镜平行设置。
[0020]在另一种方案中，所述CCD相机的光接受面与所述光栅分束器平行设 置。
[0021]进一步的，还包括导光镜，所述导光镜设置于物方聚焦镜和光栅分束器 之间，用于将准直后的反射激光引导至所述光栅分束器分束。
[0022]本申请还提供了一种分束式自动对焦方法，其包括如下步骤：
[0023]S1、将物方聚焦镜、光栅分束器、像方聚焦镜和CCD相机沿反射光路 依次布置，其中，CCD相机的光接受面与像方聚焦镜之间存在夹角，所述 光栅分束器的中心、像方聚焦镜的中心和CCD相机的光接受面中心三点共 线；
[0024]S2、通过物方聚焦镜将经样品表面反射的反射激光准直；
[0025]S3、通过光栅分束器将准直后的反射激光分束成至少三束分光光束；
[0026]S4、通过像方聚焦镜将光栅分束器分束而成的所有分光光束聚焦；
[0027]S5、通过CCD相机接收聚焦后的分光光束的光斑图像；
[0028]S6、通过图像拟合计算机对所述CCD相机获取的光斑图像进行图像拟 合并得到光斑直径变化曲线，判断光斑直径变化曲线的最小点和中心点是否 重合，若是则结束对焦工作；若否，则进行步骤S7；
[0029]S7、通过运动执行机构带动样品或者物方聚焦镜移动，并重复步骤 S2～S6。
[0030]进一步的，所述光栅分束器与所述像方聚焦镜平行设置。
[0031]进一步的，所述CCD相机的光接受面与所述光栅分束器平行设置。
[0032]进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分束式自动对焦系统，其特征在于，包括图像拟合计算机、运动执行机构以及沿反射光路依次设置的物方聚焦镜、光栅分束器、像方聚焦镜和CCD相机，所述光栅分束器的中心、像方聚焦镜的中心和CCD相机的光接受面中心三点共线；所述物方聚焦镜用于将经样品表面反射的反射激光准直；所述光栅分束器用于将准直后的反射激光分束成至少3束分光光束；所述像方聚焦镜用于将光栅分束器分束而成的所有分光光束聚焦；所述CCD相机用于接收聚焦后的分光光束的光斑图像，所述CCD相机的光接受面与像方聚焦镜之间存在夹角；所述图像拟合计算机与所述CCD相机电连接，用于对所述CCD相机获取的光斑图像进行图像拟合并得到光斑直径变化曲线；所述运动执行机构通过光斑直径变化曲线的最小点和中心点的重合情况可选择的带动样品或者物方聚焦镜移动，直至最小点和中心点重合。2.根据权利要求1所述的分束式自动对焦系统，其特征在于，所述光栅分束器与所述像方聚焦镜平行设置。3.根据权利要求1所述的分束式自动对焦系统，其特征在于，所述CCD相机的光接受面与所述光栅分束器平行设置。4.一种分束式自动对焦系统，其特征在于，还包括导光镜，所述导光镜设置于物方聚焦镜和光栅分束器之间，用于将准直后的反射激光引导至所述光栅分束器分束。5.一种分束式自动对焦方法，其包括如下步骤：S1、将物...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖向荣，王雪辉，
申请(专利权)人：武汉松盛光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：