【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光加工及光学测量领域，特别涉及一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统及方法。
技术介绍
1、目前，激光加工技术凭借其高精度、高效率和非接触性，已成为现代制造中的核心手段，广泛应用于从宏观材料加工到微细精密制造的多个领域，包括但不限于汽车制造、航空航天、电子工业、医疗设备制造等。特别是在要求极高加工质量的微纳加工、3d打印和激光雕刻等应用中，激光光斑的稳定性和光强的均匀性对加工效果具有直接影响。
2、目前，激光加工的主要难题之一在于如何在加工过程中确保激光光斑的形态和功率的稳定。材料的热膨胀和冷却、表面反射和吸收特性等因素会导致激光焦斑的偏移和光强的波动，从而影响加工精度和质量。例如，在激光3d打印中，激光通过高能量熔化材料并逐层构建目标结构，这一过程中如果光斑大小和形态不一致，便会导致打印件精度下降、表面粗糙度增加，甚至出现结构性缺陷。同样，在激光切割和打标中，光斑大小、形态和光强的精确控制对切割或打标的质量至关重要。任何形变或功率波动都可能导致加工失误，出现线条不清、边缘不齐等问题。
3、当前的激光加工设备虽然配备有基本的监控装置，但大多依赖于预先设定的静态参数，而不能实时反映动态加工环境的变化。尤其是在复杂或不规则表面进行加工时，传统监控技术难以应对材料和环境对光斑形态和光强的影响。因此，为了在各种加工环境中实现光斑和光强的实时控制，需要一种智能化、高效且灵活的激光监控系统，能够针对不同材料和加工需求，实时调整和反馈光斑和光强信息，提升激光加工的精度和一致性。此外，市场上的一些先
技术实现思路
1、本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统及方法。
2、本专利技术为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
3、一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，包括激光加工模块，还包括发射光源模块、功率监测模块、光斑监控模块及自动控制模块；
4、激光加工模块用于将激光光束照射至工件表面；
5、发射光源模块用于发射激光光束；
6、功率监测模块用于实时监控发射光源模块发射的激光功率；其包括聚焦模组及光功率计；光功率计用于测量光功率，其设有感光靶面；聚焦模组用于汇聚光束，其输入来自发射光源模块的激光光束，其将输入的激光光束汇聚至光功率计的感光靶面上；光功率计将检知的激光功率作为加工激光功率反馈信号反馈至自动控制模块；
7、光斑监控模块用于对激光光束照射到工件表面后产生的漫反射光的光斑进行监控，其包括光斑图像采集模块及图像处理模块；光斑图像采集模块用于采集工件表面漫反射的光斑图像，其包括图像传感器及成像模组；图像传感器用于将光信号转换为电信号并生成数字图像信号，其设有感光靶面；成像模组用于聚焦光束，其将来自工件表面的漫反射光聚焦至图像传感器感光靶面；图像处理模块用于对光斑监控模块采集的光斑图像进行形状、位置及尺寸分析，其将分析结果作为加工光斑反馈信号反馈至自动控制模块；
8、自动控制模块设定如下参数的参考信号：加工激光功率和加工光斑的形状、位置及尺寸；并根据参考信号及对应的反馈信号，自动对激光发射参数及激光入射工件表面参数进行调整，从而使参考信号与对应的反馈信号之间的误差在设定的精度范围内。
9、进一步地，还包括光路导向模块；光路导向模块一方面将发射光源模块输出的激光光束分成两路；其中一路输出至待加工工件表面；另一路输出至功率监测模块中的聚焦模组；光路导向模块另一方面将来自工件表面的漫反射光导向至光斑监控模块中的成像模组。
10、进一步地，光路导向模块包括光束分束器，光束分束器为非偏振分束器或偏振分束器。
11、进一步地，自动控制模块包括控制器和光束调整模块；控制器输入加工光斑反馈信号及加工激光功率反馈信号与两者对应的参考信号，输出控制信号；光束调整模块包括调焦模组；调焦模组用于对加工激光光束进行整形，其根据控制信号自动调节焦距。
12、进一步地，控制器包括pid控制器，pid控制器输入相互对应的参考信号和反馈信号的差，其输出控制信号使反馈信号的值跟踪参考信号。
13、进一步地，激光加工模块包括依次光路连接的第一振镜、第二振镜及场镜；第一振镜和第二振镜配合，控制加工激光光束在工作平面的x轴和y轴方向上的移动；场镜用于调节光斑大小，使入射工件表面的激光光束在整个激光加工的工作平面内的聚焦相同。
14、本专利技术还提供了一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦方法，设置激光加工模块，还设置发射光源模块、功率监测模块、光斑监控模块及自动控制模块；
15、激光加工模块用于将激光光束照射至工件表面；
16、发射光源模块用于发射激光光束；
17、功率监测模块用于实时监控发射光源模块发射的激光功率；其设置聚焦模组及光功率计；光功率计用于测量光功率，其设有感光靶面；聚焦模组用于汇聚光束，使其输入来自发射光源模块的激光光束，使其将输入的激光光束汇聚至光功率计的感光靶面上；使光功率计将检知的激光功率作为加工激光功率反馈信号反馈至自动控制模块；
18、光斑监控模块用于对激光光束照射到工件表面后产生的漫反射光的光斑进行监控，其设置光斑图像采集模块及图像处理模块；光斑图像采集模块用于采集工件表面漫反射的光斑图像，其设置图像传感器及成像模组；图像传感器用于将光信号转换为电信号并生成数字图像信号，其设有感光靶面；成像模组用于聚焦光束，使其将来自工件表面的漫反射光聚焦至图像传感器感光靶面；图像处理模块用于对光斑监控模块采集的光斑图像进行形状、位置及尺寸分析，使其将分析结果作为加工光斑反馈信号反馈至自动控制模块；
19、使自动控制模块设定如下参数的参考信号：加工激光功率和加工光斑的形状、位置及尺寸；并使之根据参考信号及对应的反馈信号，自动对激光发射参数及激光入射工件表面参数进行调整，从而使参考信号与对应的反馈信号之间的误差在设定的精度范围内。
20、进一步地，还设置光路导向模块；使光路导向模块一方面将发射光源模块输出的激光光束分成两路；其中一路输出至待加工工件表面；另一路输出至功率监测模块中的聚焦模组；使光路导向模块另一方面将来自工件表面的漫反射光导向至光斑监控模块中的成像模组。
21、进一步地，使图像处理模块采用边缘检测算法提取光斑的边缘，并通过计算图像的灰度梯度，确定光斑的轮廓；通过最小二乘法或ransac算法拟合光斑边缘，得到光斑的直径。
22、进一步地，自动控制模块设置控制器和光束调整模块；使控制器采用pid控制器，将加工光斑反馈信号及加工激光功率反馈信号与两者对应的参考信号的差输入pid控制器；使pid控制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，包括激光加工模块，其特征在于，还包括发射光源模块、功率监测模块、光斑监控模块及自动控制模块；
2.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，还包括光路导向模块；光路导向模块一方面将发射光源模块输出的激光光束分成两路；其中一路输出至待加工工件表面；另一路输出至功率监测模块中的聚焦模组；光路导向模块另一方面将来自工件表面的漫反射光导向至光斑监控模块中的成像模组。
3.根据权利要求2所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，光路导向模块包括光束分束器，光束分束器为非偏振分束器或偏振分束器。
4.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，自动控制模块包括控制器和光束调整模块；控制器输入加工光斑反馈信号及加工激光功率反馈信号与两者对应的参考信号，输出控制信号；光束调整模块包括调焦模组；调焦模组用于对加工激光光束进行整形，其根据控制信号自动调节焦距。
5.根据权利要求4所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统
6.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，激光加工模块包括依次光路连接的第一振镜、第二振镜及场镜；第一振镜和第二振镜配合，控制加工激光光束在工作平面的X轴和Y轴方向上的移动；场镜用于调节光斑大小，使入射工件表面的激光光束在整个激光加工的工作平面内的聚焦相同。
7.一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦方法，设置激光加工模块，其特征在于，还设置发射光源模块、功率监测模块、光斑监控模块及自动控制模块；
8.根据权利要求7所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦方法，其特征在于，还设置光路导向模块；使光路导向模块一方面将发射光源模块输出的激光光束分成两路；其中一路输出至待加工工件表面；另一路输出至功率监测模块中的聚焦模组；使光路导向模块另一方面将来自工件表面的漫反射光导向至光斑监控模块中的成像模组。
9.根据权利要求7所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦方法，其特征在于，使图像处理模块采用边缘检测算法提取光斑的边缘，并通过计算图像的灰度梯度，确定光斑的轮廓；通过最小二乘法或RANSAC算法拟合光斑边缘，得到光斑的直径。
10.根据权利要求7所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦方法，其特征在于，自动控制模块设置控制器和光束调整模块；使控制器采用PID控制器，将加工光斑反馈信号及加工激光功率反馈信号与两者对应的参考信号的差输入PID控制器；使PID控制器输出控制信号，从而使反馈信号的值跟踪对应的参考信号；光束调整模块设置调焦模组；调焦模组用于对加工激光光束进行整形，使其根据控制信号自动调节焦距。
...【技术特征摘要】
1.一种用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，包括激光加工模块，其特征在于，还包括发射光源模块、功率监测模块、光斑监控模块及自动控制模块；
2.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，还包括光路导向模块；光路导向模块一方面将发射光源模块输出的激光光束分成两路；其中一路输出至待加工工件表面；另一路输出至功率监测模块中的聚焦模组；光路导向模块另一方面将来自工件表面的漫反射光导向至光斑监控模块中的成像模组。
3.根据权利要求2所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，光路导向模块包括光束分束器，光束分束器为非偏振分束器或偏振分束器。
4.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，自动控制模块包括控制器和光束调整模块；控制器输入加工光斑反馈信号及加工激光功率反馈信号与两者对应的参考信号，输出控制信号；光束调整模块包括调焦模组；调焦模组用于对加工激光光束进行整形，其根据控制信号自动调节焦距。
5.根据权利要求4所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，控制器包括pid控制器，pid控制器输入相互对应的参考信号和反馈信号的差，其输出控制信号使反馈信号的值跟踪参考信号。
6.根据权利要求1所述的用于激光加工的光斑实时监控与反馈调焦系统，其特征在于，激光加工模块包括依次光路连接的第一振镜、第二振镜及场镜；...
【专利技术属性】
技术研发人员：张玮，徐成成，林守峰，丁广雷，凌吉武，
申请(专利权)人：福建海创光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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