專利名稱：激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光束檢測系統(tǒng)，尤其涉及一種激光光束聚焦焦斑的位置及變化的檢測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,LASER)^ 現(xiàn)代新光源，因具有擴(kuò)散角小、亮度高、單色性好、可長距離傳播等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用，如激光測距、激光鉆孔和切割、地震監(jiān)測、激光手術(shù)、激光唱頭等。同時，激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)、形狀、尺寸和加工環(huán)境的自由度均很大，適用于自動化加工，激光加工系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)相結(jié)合可構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，已成為企業(yè)實(shí)行適時生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，為優(yōu)質(zhì)、高效和低成本的加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。在激光應(yīng)用中，特別是激光加工中，通常需要將激光光束聚焦到工藝所要求的位置。聚焦位置的變化超過允許的偏差，將影響加工質(zhì)量。因此，為檢測激光光束聚焦變化情況，多種檢測系統(tǒng)和裝置被應(yīng)用于監(jiān)測光束聚焦位置變化，其中一種方案是借助電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)相機(jī)，通過照明系統(tǒng)照射激光加工部位，進(jìn)而將激光光束在該部位的加工情況成像在監(jiān)視器上，實(shí)現(xiàn)激光光束聚焦加工的實(shí)時監(jiān)控，另一種方案是借助四象限光電探測器或光電二極管，通過檢測照射在其上的光信號，利用信號處理模塊，實(shí)現(xiàn)焦距的定量測量，有些系統(tǒng)配有伺服驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)焦。然而，上述第一種方案系統(tǒng)雖然可以直觀地實(shí)時監(jiān)控激光加工過程，但無法顯示出光束聚焦焦斑的位置變化，第二中方案系統(tǒng)雖然可利于信號處理模塊和可編程運(yùn)算器， 定量檢測出聚焦焦斑的位置變化量，從而驅(qū)動伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動調(diào)焦，但不能將聚焦焦斑的位置變化直觀地顯示在監(jiān)視器上。因此，急需一種操作簡便、調(diào)整精度高且能將激光光束聚焦焦斑的位置變化直觀地顯示的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)來滿足需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理、操作簡便、調(diào)整精度高且能將激光光束聚焦焦斑的位置變化直觀地顯示的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為提供一種激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，用于檢測激光光束通過光學(xué)機(jī)構(gòu)后在工件上的聚焦變化，其包括擋板、平凸柱面透鏡、相機(jī)、 監(jiān)視器及依次排列并相互平行設(shè)置的線性偏振激光器、偏振分光棱鏡、四分之一波片、對物透鏡，所述線性偏振激光器、偏振分光棱鏡、四分之一波片及對物透鏡的中心位于同一直線上形成第一光軸，所述線性偏振激光器產(chǎn)生平行的線性偏振激光光束，所述線性偏振激光光束呈圓形，所述擋板設(shè)于所述偏振分光棱鏡與所述激光器之間并將所述圓形的線性偏振激光光束阻擋成為半圓形的線性偏振激光光束，所述對物透鏡正對所述工件，所述相機(jī)具有鏡面，所述偏振分光棱鏡、平凸柱面透鏡及相機(jī)的鏡面依次排列并相互平行設(shè)置，所述偏振分光棱鏡、平凸柱面透鏡及相機(jī)的鏡面的中心位于同一直線上形成第二光軸，所述第一光軸與第二光軸正交，所述平凸柱面透鏡的凸面正對所述相機(jī)的鏡面，所述監(jiān)視器與所述相機(jī)連接并顯示圖像。較佳地，所述線性偏振激光器與所述偏振分光棱鏡之間還設(shè)有用于對線性偏振激光光束進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束器，所述擋板位于所述擴(kuò)束器與所述偏振分光棱鏡之間，所述擴(kuò)束器的中心位于所述第一光軸上。從線性偏振激光器發(fā)出的線性偏振激光，通過擴(kuò)束器后成為擴(kuò)束的平行光，擴(kuò)大了激光光束的橫截面面積。較佳地，所述偏振分光棱鏡與所述平凸柱面透鏡之間設(shè)有凸透鏡，所述凸透鏡的中心位于第二光軸上。通過所述凸透鏡的設(shè)置，將從工件上反射回來的激光光束會聚，提高通過平凸柱面透鏡的激光光束在相機(jī)上成像時的圖像亮度，進(jìn)一步提高圖像分辨能力和檢測精度。較佳地，所述偏振分光棱鏡由兩等邊直角三棱鏡合成并呈正方體形，所述偏振分光棱鏡的對角面設(shè)有偏振分光膜片，所述四分之一波片、對物透鏡、工件、平凸柱面透鏡、相機(jī)及監(jiān)視器均位于所述偏振分光棱鏡的對角面的同一側(cè)。所述偏振分光棱鏡能使P線性偏振光能完全通過，而S線性偏振光不能通過，只能在偏振分光棱鏡的對角面上被反射，從棱鏡的一個側(cè)面出射到另一種媒質(zhì)中。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)由線性偏振激光器發(fā)出線性偏振激光，圓形的線性偏振激光光束通過擋板后，變?yōu)榘雸A形的線性偏振激光光束，然后經(jīng)過偏振分光棱鏡、四分之一波片，線性偏振激光的偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，所述平行的圓偏振光經(jīng)過對物透鏡聚焦到工件的表面上，再反射回來，通過四分之一波片時， 偏振方向再次被旋轉(zhuǎn)45度，在偏振分光棱鏡處被反射后，入射到平凸柱面透鏡上，最后成像在相機(jī)上，通過與相機(jī)相連的監(jiān)視器可直觀觀察出激光光束聚焦焦斑是否位于工件的表面上。本發(fā)明利用線性偏振激光兩次通過四分之一波片后偏振方向發(fā)生90度旋轉(zhuǎn)改變偏振方向，再經(jīng)偏振分光棱鏡反射、平凸柱面透鏡聚焦后，成像于相機(jī)上的方式，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)視器上直觀顯示出激光光束聚焦焦斑的位置變化，并根據(jù)其變化對聚焦焦斑位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而使聚焦焦斑位于工藝所要求的位置處，調(diào)整精度高，操作簡便。


圖1-3是本發(fā)明實(shí)施例的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)的原理示意圖。圖4a4c是本發(fā)明實(shí)施例的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)的監(jiān)視器上的成像示意圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中類似的元件標(biāo)號代表類似的元件。如上所述，為了檢測激光光束通過光學(xué)機(jī)構(gòu)后在工件上的聚焦變化，本發(fā)明的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)采用了 CCD相機(jī)，并在光路中引入一擋板，將圓形光斑變?yōu)榘雸A形光斑，經(jīng)光學(xué)機(jī)構(gòu)后，將激光光束聚焦焦斑的位置變化直觀地顯示在監(jiān)視器上，通過調(diào)整對物透鏡將焦斑位置調(diào)整到所要求的位置處，調(diào)整精度高，操作簡便。具體地，參考圖1至圖3，本發(fā)明實(shí)施例的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)包括擋板 3、平凸柱面透鏡9、相機(jī)10、監(jiān)視器11及依次排列并相互平行設(shè)置的線性偏振激光器1、偏振分光棱鏡4、四分之一波片5、對物透鏡6，所述線性偏振激光器1、偏振分光棱鏡4、四分之一波片5及對物透鏡6的中心均位于同一直線上形成第一光軸Cl，所述線性偏振激光器1 產(chǎn)生P線性偏振激光光束，所述P線性偏振激光光束呈圓形，所述擋板3設(shè)于所述偏振分光棱鏡4與所述線性偏振激光器1之間并將圓形的P線性偏振激光光束阻擋成為半圓形的P 線性偏振激光光束，所述對物透鏡6正對工件7，所述對物透鏡6為凸透鏡，具有聚焦作用， 將激光光束聚焦在工件7的表面上。所述偏振分光棱鏡4的作用是使P線性偏振光能完全通過，而S線性偏振光不能通過，只能在偏振分光棱鏡4的對角面上被反射，從棱鏡的一個側(cè)面出射到另一種媒質(zhì)中，在本發(fā)明實(shí)施中，所述偏振分光棱鏡4呈正方體形并由兩等邊直角三棱鏡合成，其合成的位置形成偏振分光棱鏡4的對角面41，該對角面41處設(shè)有偏振分光膜，所述四分之一波片5、對物透鏡6、工件7、平凸柱面透鏡9及相機(jī)10均位于所述偏振分光棱鏡4的對角面41的同一側(cè)。所述偏振分光棱鏡4的偏振分光原理為本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，故此不多詳述。所述相機(jī)10具有鏡面，所述偏振分光棱鏡4、平凸柱面透鏡9與所述相機(jī)10的鏡面依次排列并相互平行設(shè)置，所述偏振分光棱鏡4、平凸柱面透鏡9及相機(jī) 10的鏡面的中心位于同一直線上形成第二光軸C2，所述第一光軸Cl與第二光軸C2正交， 所述平凸柱面透鏡9的凸面91正對所述相機(jī)10的鏡面，所述監(jiān)視器11與所述相機(jī)10連接并顯示圖像。所述平凸柱面透鏡9的作用是使半圓形的光束成長條狀像，從而在監(jiān)視器 11上能更清晰地觀察焦斑位置的變化情況，提高圖像分辨能力和焦斑位置檢測精度。較佳地，所述線性偏振激光器1與所述偏振分光棱鏡4之間還設(shè)有用于對線性偏振激光光束進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束器2，所述擋板3位于所述擴(kuò)束器2與所述偏振分光棱鏡4之間，所述擴(kuò)束器2的中心位于所述第一光軸Cl上。從線性偏振激光器1發(fā)出的線性偏振激光，通過擴(kuò)束器2后成為擴(kuò)束的平行光，擴(kuò)大了線性偏振激光光束的橫截面面積。較佳地，所述偏振分光棱鏡4與所述平凸柱面透鏡9之間設(shè)有凸透鏡8，所述凸透鏡8的中心位于第二光軸C2上。通過所述凸透鏡8的設(shè)置，將從工件7上反射回來的激光光束會聚，提高通過平凸柱面透鏡9的激光光束在相機(jī)10上成像時的圖像亮度，進(jìn)一步提高圖像分辨能力和檢測精度。結(jié)合圖^_4c，本發(fā)明實(shí)施例的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)的工作原理如下所述 如圖1中的箭頭所示，從線性偏振激光器1發(fā)出的呈圓形狀的P線性偏振激光光束，通過擴(kuò)束器2，成為擴(kuò)束的平行光，圓形的P線性偏振激光光束通過擋板3后，變?yōu)榘雸A形的P線性偏振激光光束，然后經(jīng)過偏振分光棱鏡4、四分之一波片5，P線性偏振激光光束全透射過偏振分光棱鏡4，通過四分之一波片5時，P線性偏振激光的偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，這束平行的圓偏振光經(jīng)過對物透鏡6聚焦到工件7的表面上，再反射回來，通過對物透鏡6及四分之一波片5，通過四分之一波片5時，偏振方向再次被旋轉(zhuǎn)45度，成為S線性偏振光，由于S線性偏振光在偏振分光棱鏡4中無法通過，只能在對角面41處被全反射，再入射到凸透鏡8、平凸柱面透鏡9上，最后成像在CXD相機(jī)10上。如圖1中所示，如果激光光束聚焦焦斑位于工件7的表面上，即對物透鏡6與工件7的表面之間的距離等于對物透鏡6的焦距，所述工件7位于對物透鏡6的像方焦平面L上，對物透鏡6和四分之一波片5 的表面反射回來的激光光束在CCD相機(jī)10上所成的像0與工件7的表面反射回來的激光光束在CXD相機(jī)106上所成的像P重合，在監(jiān)視器7上可直觀觀察到如圖如所示形狀的圖像。
具體地，當(dāng)對物透鏡6與工件表面之間的距離小于對物透鏡6的焦距時，如圖2所示，圖中工件7附近的虛線表示對物透鏡6的像方焦平面L，工件7的表面反射回來的激光光束通過對物透鏡6、四分之一波片5、偏振分光棱鏡4以及凸透鏡8和平凸柱面透鏡9后， 在CXD相機(jī)10上所成的像P將不再與對物透鏡6和四分之一波片5的表面反射回來的激光光束在CXD相機(jī)10上所成的像0重合，而是位于像0的左側(cè)(從激光光束入射進(jìn)CXD相機(jī)10的方向觀察)，從而在監(jiān)視器11上可直觀觀察到如圖4b所示形狀的圖像。具體地，如圖3所示，如果對物透鏡6與工件7的表面之間的距離大于對物透鏡6 的焦距，工件7的表面反射回來的激光光束通過對物透鏡6、四分之一波片5、偏振分光棱鏡 4以及凸透鏡8和平凸柱面透鏡9后，在CXD相機(jī)10上所成的像P將不再與對物透鏡6和四分之一波片5的表面反射回來的激光光束在CXD相機(jī)10上所成的像0重合，而是位于像 0的右側(cè)(從激光光束入射進(jìn)CCD相機(jī)10的方向觀察)，從而在監(jiān)視器11上可直觀觀察到如圖如所示形狀的圖像。通過觀察監(jiān)視器11上像0與像P的相對位置，可以判斷出激光光束經(jīng)對物透鏡 6后是否聚焦在工件7表面以及聚焦焦斑相對于工件7表面的位置變化，并且可通過調(diào)節(jié)對物透鏡6的位置，使激光光束聚焦在工件7表面上。由于引入了擋板3以及凸透鏡8，使圖像亮度得到了極大提高，即使工件7表面不光滑或者工件7在亮處和暗處呈現(xiàn)明顯的差異，反射的激光光束也可以在CCD相機(jī)10上獲得足夠亮度的成像。本發(fā)明可直觀地檢測出激光光束聚焦焦斑位置變化，操作方便，焦斑位置校準(zhǔn)精度高等優(yōu)點(diǎn)。若將CCD相機(jī)10改為光電探測器并加裝信號處理模塊和對物透鏡6驅(qū)動機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)激光加工過程的自動調(diào)焦，使激光光束經(jīng)對物透鏡6后能始終聚焦在工件7表面上。可以理解地，本發(fā)明的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)也可以用線性偏振激光器1產(chǎn)生S線性偏振激光光束，并將線性偏光棱鏡4設(shè)計(jì)為只能讓S線性偏振激光通過而P線性偏振激光不能通過，其原理與上述實(shí)施例類似，同樣能達(dá)到在監(jiān)視器11上直觀顯示出激光光束聚焦焦斑的位置變化的目的。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)由線性偏振激光器1發(fā)出平行的線性偏振激光，圓形的線性激光光束通過擋板3后，變?yōu)榘雸A形的線性偏振激光光束，然后經(jīng)過偏振分光棱鏡4、四分之一波片5，P線性偏振激光的偏振方向?qū)⑿D(zhuǎn)45度，變?yōu)閳A偏光，所述平行的圓偏振光經(jīng)過對物透鏡6聚焦到工件7的表面上，再反射回來，通過四分之一波片5時，偏振方向再次被旋轉(zhuǎn)45度，在偏振分光棱鏡4處被反射后，入射到平凸柱面透鏡9上，最后成像在相機(jī)10上，通過與相機(jī)10相連的監(jiān)視器11可直觀觀察出激光光束聚焦焦斑是否位于工件7的表面上。本發(fā)明利用了線性偏振激光兩次通過四分之一波片5后偏振方向發(fā)生90度旋轉(zhuǎn)改變偏振方向，再經(jīng)偏振分光棱鏡4反射、平凸柱面透鏡9 聚焦后，成像于相機(jī)10上的方式，實(shí)現(xiàn)了在監(jiān)視器11上直觀顯示出激光光束聚焦焦斑的位置變化，并根據(jù)其變化對聚焦焦斑位置進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而使聚焦焦斑位于工藝所要求的位置處，成像清晰，調(diào)整精度高，操作簡便。以上所揭露的僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
權(quán)利要求
1.一種激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，用于檢測激光光束通過光學(xué)機(jī)構(gòu)后在工件上的聚焦變化，其特征在于，包括擋板、平凸柱面透鏡、相機(jī)、監(jiān)視器及依次排列并相互平行設(shè)置的線性偏振激光器、偏振分光棱鏡、四分之一波片、對物透鏡，所述線性偏振激光器、偏振分光棱鏡、四分之一波片及對物透鏡的中心位于同一直線上形成第一光軸，所述線性偏振激光器產(chǎn)生平行的線性偏振激光光束，所述線性偏振激光光束呈圓形，所述擋板設(shè)于所述偏振分光棱鏡與所述激光器之間并將所述圓形的線性偏振激光光束阻擋成為半圓形的線性偏振激光光束，所述對物透鏡正對所述工件，所述相機(jī)具有鏡面，所述偏振分光棱鏡、平凸柱面透鏡及相機(jī)的鏡面依次排列并相互平行設(shè)置，所述偏振分光棱鏡、平凸柱面透鏡及相機(jī)的鏡面的中心位于同一直線上形成第二光軸，所述第一光軸與第二光軸正交，所述平凸柱面透鏡的凸面正對所述相機(jī)的鏡面，所述監(jiān)視器與所述相機(jī)連接并顯示圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，其特征在于所述線性偏振激光器與所述偏振分光棱鏡之間還設(shè)有用于對線性偏振激光光束進(jìn)行擴(kuò)束的擴(kuò)束器，所述擋板位于所述擴(kuò)束器與所述偏振分光棱鏡之間，所述擴(kuò)束器的中心位于所述第一光軸上。
3.如權(quán)利要求1所述的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，其特征在于所述偏振分光棱鏡與所述平凸柱面透鏡之間設(shè)有凸透鏡，所述凸透鏡的中心位于第二光軸上。
4.如權(quán)利要求1所述的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，其特征在于所述偏振分光棱鏡由兩等邊直角三棱鏡合成并呈正方體形，所述偏振分光棱鏡的對角面設(shè)有偏振分光膜片， 所述四分之一波片、對物透鏡、工件、平凸柱面透鏡、相機(jī)及監(jiān)視器均位于所述偏振分光棱鏡的對角面的同一側(cè)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)，用于檢測激光光束通過光學(xué)機(jī)構(gòu)后在工件上的聚焦變化，其包括擋板、平凸柱面透鏡、相機(jī)、監(jiān)視器及依次排列且中心均位于第一光軸上的激光器、偏振分光棱鏡、四分之一波片、對物透鏡，擋板設(shè)于偏振分光棱鏡與激光器之間并將圓形的線性偏振激光光束阻擋成為半圓形的線性偏振激光光束，對物透鏡正對工件，偏振分光棱鏡、平凸柱面透鏡與相機(jī)的鏡面的中心均位于與第一光軸正交的第二光軸上，平凸柱面透鏡的凸面正對相機(jī)的鏡面，監(jiān)視器與相機(jī)連接并顯示圖像。本發(fā)明的激光光束聚焦焦斑檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、操作簡便、精度高、成像清晰且能將激光焦斑的位置變化直觀地顯示。
文檔編號G02B27/28GK102175153SQ201110054469
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月8日
發(fā)明者葉健, 楊明生, 肖光輝 申請人:東莞宏威數(shù)碼機(jī)械有限公司