一種雷射焦點與微孔同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法

2023-05-26 14:33:36

專利名稱：一種雷射焦點與微孔同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法
技術領域：
本發明屬於雷射光斑檢測領域，具體涉及微納製造中的雷射焦點與微孔的同軸共
面性檢測調整裝置及檢測方法。
背景技術：
雷射焦點與微孔同軸共面處理在眾多領域中均有應用，由於雷射光源、微納孔徑 及材料各有差異，同時雷射光斑和微孔均在微納米級別，為高精度的檢測及調整帶來了很 大的難度。如果雷射焦點與微孔有明顯偏心，可能會導致雷射光束不能按預定方向傳播， 造成誤差。對某些材料來說，如果對準失敗，雷射會照射到微孔邊緣，能量稍大就會毀蝕微 孔，使工作前功盡棄，後續工作無法進行，甚至有時會因此損壞設備其他部件，導致嚴重的 後果。所以本項發明具有更為廣泛的意義。

發明內容
由於孔徑微小的特殊性為雷射束焦點的同軸共面對準提出了很高的精度要求，本 發明設計了一種雷射焦點與微孔同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法，更好的解決了同軸 共面對準的問題。 雷射束焦點與微細小孔對準檢測的原理是首先通過檢測光路系統採集雷射照射 到帶微孔薄片上表面的焦點光斑輪廓圖像，得到雷射焦點光斑中心；再依據雷射特徵檢測 微孔邊緣，憑四點法算出微孔中心，通過裝置機構實現光斑輪廓中心與微孔中心重合，從而 實現雷射焦點與微孔的同軸共面對準。 本發明的雷射焦點與微孔的同軸共面性檢測調整裝置，包括雷射器12以及在激 光器12同側依次同水平布置的衰減器11、分束鏡9、可見光透射雷射反射鏡3，在所述分束 鏡9垂直下方依次布置聚焦鏡8、特定波段專用CCD攝像機7、所述特定波段專用CCD攝像 機7與工控機10相連，在所述可見光透射雷射反射鏡3垂直上方依次布置有安全濾光鏡4、 圖像接收鏡5、普通CCD攝像機6，在所述可見光透射雷射反射鏡3垂直下方布置有聚焦鏡 2，在聚焦鏡2下方放置帶微孔薄片1。本發明的裝置還具有對所述微孔薄片1進行裝夾位 置精度調整的裝置，所述裝置可進行XYZ三個方向的直線移動，以及繞X、 Y軸方向轉動。
本發明還涉及雷射焦點與微孔的同軸共面性檢測方法，首先在雷射器12出光光 路對雷射進行衰減，經過衰減器11後的雷射光照射在薄片1上表面非微孔位置時，薄片上 面的光斑反射光經過反射鏡3與分束鏡9將光斑輪廓的光信號傳給專用CCD攝像機7，由工 控機IO採集圖像並經過圖像軟體處理得到有足夠放大倍率和清晰度的檢測圖像。焦點光 斑中心即為CCD圖像光斑擬合輪廓的十字交點；再使用該CCD依據檢測光信號特徵，得到噴 嘴孔在水平面上X方向和Y方向的四個邊緣點，應用四點法算出噴嘴孔中心位置。
針對於某些精確度要求不高的場合，同軸共面對準的檢測也可以用如下方法先 在薄片上表面非孔位置用微小雷射能量打出燒斑，依據燒斑輪廓用人眼目測估計燒斑中心 近似的認作為雷射光斑中心，目測調整微孔XY方向，與雷射束燒斑中心的對準。
在檢測調整之前對微孔薄片1的裝夾位置精度的保證也必不可少，首先需要保證 XYZ三個方向的直線移動要求，另外為了確保薄片1的平行度，該裝置設計了繞X、Y軸方向 轉動機構，從而形成了五個自由度的調節機構。
本發明具有如下優點 1、採用專用CCD攝像機進行耦合對準檢測，能對不可見波段的雷射能夠清晰的描 繪輪廓，代替人眼的視覺檢測，提高了耦合對準檢測的精度。 2、自行開發圖像分析軟體，通過圖像採集能得到所需的各項調整參數，能對光斑 中心進行擬合，更便於微細操作，提高精度和可靠性能。 3、帶微孔薄片的裝夾和調整的五自由度機構的設計更便於操作，該機構有自由度 多、精度高、剛度好的特點使操作變得更靈活更可靠。


圖1為本發明雷射束焦點與微孔同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法的示意圖。
圖面說明如下 1——帶微孔的薄片，2——聚焦鏡，3——可見光透射、雷射反射鏡，4——安全濾 光鏡，5——圖像接收鏡，6——普通CCD攝像機，7——特定波段專用CCD攝像機，8——聚焦 鏡，9——分束鏡，10——工控機，11——衰減器，12——雷射器
具體實施例方式
鑑於雷射光束焦點與微孔同軸共面對準的技術應用於不同領域不同場合，該檢測 調整裝置及檢測方法設計了兩種不同的方案。以下結合實施方法和附圖對本發明作進一步 說明 參照圖1。本發明的雷射焦點與微孔的同軸共面性檢測調整裝置，包括雷射器12 以及在雷射器12同側依次同水平布置的衰減器11、分束鏡9、可見光透射雷射反射鏡3，在 所述分束鏡9垂直下方依次布置聚焦鏡8、特定波段專用CCD攝像機7、所述特定波段專用 CCD攝像機7與工控機10相連，在所述可見光透射雷射反射鏡3垂直上方依次布置有安全 濾光鏡4、圖像接收鏡5、普通CCD攝像機6，在所述可見光透射雷射反射鏡3垂直下方布置 有聚焦鏡2，在聚焦鏡2下方放置帶微孔薄片1。本發明的裝置還具有對所述微孔薄片1進 行裝夾位置精度調整的裝置，所述裝置可進行XYZ三個方向的直線移動，以及繞X、Y軸方向 轉動。 本發明的雷射焦點與微孔的同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法可實現針對激 光焦點與微孔同軸共面對準精確度要求高的場合以及針對雷射焦點與微孔同軸共面對準 可粗略調整的場合。 本發明還涉及雷射焦點與微孔的同軸共面性檢測和調整方法。
方案1 :針對雷射焦點與微孔同軸共面對準精確度要求高的場合。參照圖l，首先 在雷射器12出光光路中插入衰減器ll，雷射經過衰減後先後經過分束鏡9，雷射反射鏡3， 聚焦鏡2照射在薄片1上表面非微孔位置時，薄片上面的光斑反射光經過反射鏡3與分束 鏡9以及聚焦鏡8將光斑輪廓的光信號傳給可接收雷射波長專用CCD攝像機7，由工控機 IO採集圖像並經過圖像軟體處理得到有足夠放大倍率和清晰度的檢測圖像，上下方向(Z方向)調整雷射焦點和薄片1的距離，當發現CCD顯示屏上的光斑輪廓最小，可以認定為激 光焦點位置。焦點光斑中心即為CCD圖像光斑擬合輪廓的十字交點；再使用該CCD依據檢 測光信號特徵，得到微細孔在水平面上X方向和Y方向的四個邊緣點，應用四點法算出微孔 中心位置。然後在X、Y方向調整薄片1使光斑中心與微孔中心重合。 方案2 :針對雷射焦點與微孔同軸共面對準可粗略調整的場合。參照圖l，微孔薄 片反射可見光經過聚焦鏡2、可見光透射鏡雷射反射鏡3、安全過濾鏡4、圖像接收鏡5傳到 普通CCD攝像機6。首先調整Z方向旋鈕通過普通CCD攝像機6觀察目標清晰度來判斷焦 點位置，然後在薄片1上表面非微細孔位置用小雷射能量打出輕微燒斑(不允許打穿薄片 1)，通過CCD攝像機6可直接觀察燒斑輪廓，用人眼目測估計燒斑中心，目測調整微孔XY方 向，與雷射束光斑中心的對準。
權利要求
一種雷射束焦點與微孔同軸共面對準檢測調整裝置，其特徵在於包括雷射器(12)以及在雷射器(12)同側依次同水平布置的衰減器(11)、分束鏡(9)、可見光透射雷射反射鏡(3)，在所述分束鏡(9)垂直下方依次布置聚焦鏡(8)、特定波段專用CCD攝像機(7)、所述特定波段專用CCD攝像機(7)與工控機(10)相連，在所述可見光透射雷射反射鏡(3)垂直上方依次布置有安全濾光鏡(4)、圖像接收鏡(5)、普通CCD攝像機(6)，在所述可見光透射雷射反射鏡(3)垂直下方布置有聚焦鏡(2)，在聚焦鏡(2)下方放置帶微孔薄片(1)。
2. 根據權利要求1所述的雷射束焦點與微孔同軸共面對準檢測調整裝置，其特徵在 於還具有對所述微孔薄片(1)進行裝夾位置精度調整的裝置，所述裝置可進行XYZ三個方 向的直線移動，以及繞X、Y軸方向轉動。
3. —種根據權利要求1所述的雷射束焦點與微孔同軸共面對準檢測調整裝置來實現 雷射束焦點與微孔同軸共面對準的檢測方法，所述方法包括以下步驟首先在雷射器(12) 出光光路中插入衰減器(ll)，雷射經過衰減後先後經過分束鏡(9)，可見光透射雷射反射 鏡(3)，聚焦鏡(2)照射在帶微孔薄片(1)上表面非微孔位置時，薄片上面的光斑反射光經 過光透射雷射反射鏡(3)與分束鏡(9)以及聚焦鏡(8)將光斑輪廓的光信號傳給可接收激 光波長專用CCD攝像機(7)，由工控機(10)採集圖像並經過圖像軟體處理得到有足夠放大 倍率和清晰度的檢測圖像，Z方向調整雷射焦點和帶微孔薄片(1)的距離，當發現CCD顯示 屏上的光斑輪廓最小，可以認定為雷射焦點位置；再使用該CCD依據檢測光信號特徵，得到 微細孔在水平面上X方向和Y方向的四個邊緣點，應用四點法算出微孔中心位置，然後在X、 Y方向調整帶微孔薄片(1)使光斑中心與微孔中心重合。
4. 一種根據權利要求1所述的雷射束焦點與微孔同軸共面對準檢測調整裝置來實現 雷射束焦點與微孔同軸共面對準的檢測方法，所述方法包括以下步驟帶微孔薄片(1)反 射可見光經過聚焦鏡(2)、可見光透射鏡雷射反射鏡(3)、安全過濾鏡(4)、圖像接收鏡(5) 傳到普通CCD攝像機6 ;首先調整Z方向旋鈕通過普通CCD攝像機(6)觀察目標清晰度來 判斷焦點位置，然後在帶微孔薄片(1)上表面非微細孔位置用小雷射能量打出輕微燒斑， 通過CCD攝像機(6)直接觀察燒斑輪廓，用人眼目測估計燒斑中心，目測調整微孔XY方向， 與雷射束光斑中心的對準。
5. 根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於還包括調整帶微孔薄片(1)位置的步 驟通過X、 Y方向微調旋鈕負責將微孔中心移動到焦點光斑中心位置；X軸旋轉方向、Y軸 旋轉方向負責裝夾時垂直調整依，Z向的調節機構集成到了聚焦透鏡保持架中，調整機構具 有足夠的剛度和可靠性。
全文摘要
一種雷射束焦點與微孔同軸共面性檢測調整裝置及檢測方法，其特徵在於通過專用CCD攝像機對微納級雷射焦點光斑進行採集圖像，經過圖像分析軟體對光斑進行分析處理，得到光斑輪廓線、光斑中心位置及其他所需參數，再經該CCD檢測微孔邊緣，得到微孔中心，由專用調整裝置實現高精度的同軸共面調整。
文檔編號G01B11/00GK101769718SQ20101010204
公開日2010年7月7日 申請日期2010年1月28日 優先權日2010年1月28日
發明者張宏志, 李春奇, 楊立軍, 王揚 申請人:哈爾濱工業大學