一种激光制造自动聚焦系统技术方案

本发明专利技术提供一种激光制造自动聚焦系统，包括安装平台、光学模块、图像采集模块、精密位置调整模块、图像处理模块、通讯模块和运动控制模块。图像采集系统对激光在加工表面的光斑图像进行采集，经由图像处理模块进行处理，通过运动控制模块完成激光自动聚焦。精密位置调整模块可对图像采集模块进行位置微调，便于在视野中捕获光斑；通过光学模块的合理设计，可以在加工进行的同时，实现激光光斑的自动聚焦与实时监测。本发明专利技术可实现桌面级高精度激光微纳制造装置在加工面处的自动聚焦，具有低成本、运动精度高、调整范围大、灵活度高、模块化结构、适用范围广等特点，具有较高的应用价值，可广泛应用于激光制造中的聚焦过程。

【技术实现步骤摘要】
一种激光制造自动聚焦系统
本专利技术属于光学显微成像领域，涉及一种显微自动聚焦装置和方法，尤其涉及一种基于计算机视觉的激光制造自动聚焦系统。
技术介绍
目前，显微光学成像与自动聚焦系统的研究逐渐兴起，具有广泛的应用前景，如激光直写、激光扫描振镜、零件检测、IC装备和生物医学等领域。一般的自动聚焦系统具有以下特点：非接触式测量；通过图像的清晰度来判定是否已经聚焦；使用压电陶瓷进行驱动；自带光学系统和控制系统；具有一定的聚焦精度。现有的自动聚焦系统包括自动聚焦光源、光学组件、聚焦透镜、自动聚焦检测器和自动聚焦处理组件。连续监测光学仪器的焦点，并且沿光轴调整在光学仪器内的距离，以便将精确和稳定的光学仪器焦点保持在样本上、之内或附近的特定点或表面处。该自动聚焦系统对于光学仪器的其他组件和子系统的操作异步地操作，该其他组件和子系统嵌入光学仪器中。上述自动聚焦系统存在以下缺陷：1)系统结构复杂，需要大量的光学元件搭建所需光路；2)主要采用光电传感器，难以在制造过程中直观地观测聚焦情况；3)该装置的自动聚焦检测器未提供相关可移动支架，不能够很好地进行位置微调。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种低成本、运动精度高、调整范围大、灵活度高、模块化结构、适用范围广的自动聚焦系统。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种激光制造自动聚焦系统，包括安装平台、光学模块、图像采集模块、精密位置调整模块、图像处理模块、运动控制模块和通讯模块；所述安装平台包括基座和运动平台，所述运动平台的第一端与所述基座固定连接；所述光学模块包括激光光源、透镜、分束镜和光源支架，所述激光光源的第一端通过光源支架与所述运动平台的第二端固定连接；所述激光光源的第二端出射的激光通过所述透镜及所述分束镜的第一面进行加工；所述图像采集模块包括像机和镜头，所述像机与所述镜头的第一端固定连接，所述镜头的第二端接收所述分束镜的第二面反射的激光；所述精密位置调整模块包括柔性解耦支架和微调机构，所述精密位置调整模块的第一端与所述基座固定连接，所述精密位置调整模块的第二端与所述图像采集模块固定连接。其中，所述运动控制模块包括位移台、驱动器、微控制单元与连接支架；所述位移台的第一端通过连接支架与基座固定连接，所述位移台的第二端通过支架与被加工件连接；所述驱动器与所述位移台电气连接，用于驱动位移台上下移动；所述微控制单元对与所述驱动器电气连接，对驱动器发出运动命令。其中，所述图像处理模块包括计算机和图像处理算法，所述图像处理算法根据采集到的光斑进行最小外接圆和/或明亮像素点个数和/或清晰度指标综合决策。其中，所述通讯模块包括USB模块、蓝牙模块和/或WiFi模块，所述像机通过所述USB模块与所述计算机进行通讯，将采集到的图像传输到计算机；所述计算机通过USB模块和/或蓝牙模块和/或WiFi模块与微控制单元进行通讯，将算法处理结果传输到微控制单元。其中，根据权利要求1所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述精密位置调整模块包括m个微调机构和柔性解耦支架；所述柔性解耦支架与所述调整机构固定连接。其中，根据权利要求1所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述像机采用高分辨CMOS像机，所述镜头采用高分辨率连续变焦显微镜头，所述分束镜为双面半透半反分束镜。其中，根据权利要求1所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述微调机构为XYZ精密运动滑台。其中，根据权利要求2所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述位移台为单轴精密运动滑台。其中，m为2。其中，根据权利要求1-9任一项所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，还包括预先采集到聚焦处的光斑参数，所述光斑参数被保存在所述计算机中。(三)有益效果与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术提供一种激光制造自动聚焦系统，可以在加工进行的同时，实现激光光斑的自动聚焦与实时监测，并将激光光斑始终聚焦在被加工表面位置。本专利技术可实现桌面级高精度激光微纳制造装置在加工面处的自动聚焦，具有低成本、运动精度高、调整范围大、灵活度高、模块化结构、适用范围广等特点，具有较高的应用价值，可广泛应用于激光制造中的聚焦过程。附图说明为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。图1为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的结构示意图；图2为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的安装平台、部分光学模块和运动控制模块的结构示意图；图3为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的精密位置调整模块和图像采集模块的结构示意图；图4为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的光路原理图；图5为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的一种基于光斑最小外接圆的图像处理算法；图6为本专利技术一种激光制造自动聚焦系统的一种基于明亮像素点个数的图像处理算法；附图标记说明1-基座；2-运动平台；3-激光光源；4-光源支架；5-微调机构；6-柔性解耦支架；7-像机；8-镜头；9-位移台；10-连接支架；11-透镜；12-分束镜。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。实施例1：本专利技术提供一种激光制造自动聚焦系统，包括安装平台、光学模块、图像采集模块、精密位置调整模块、图像处理模块、通讯模块和运动控制模块。图像采集系统对激光在加工表面的光斑图像进行采集，经由图像处理模块进行处理，通过运动控制模块完成激光自动聚焦。精密位置调整模块可对图像采集模块进行位置微调，便于在视野中捕获光斑；通过光学模块的合理设计，可以在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光制造自动聚焦系统，其特征在于，包括安装平台、光学模块、图像采集模块、精密位置调整模块、图像处理模块、运动控制模块和通讯模块；所述安装平台包括基座和运动平台，所述运动平台的第一端与所述基座固定连接；所述光学模块包括激光光源、透镜、分束镜和光源支架，所述激光光源的第一端通过光源支架与所述运动平台的第二端固定连接；所述激光光源的第二端出射的激光通过所述透镜及所述分束镜的第一面进行加工；所述图像采集模块包括像机和镜头，所述像机与所述镜头的第一端固定连接，所述镜头的第二端接收所述分束镜的第二面反射的激光；所述精密位置调整模块包括柔性解耦支架和微调机构，所述精密位置调整模块的第一端与所述基座固定连接，所述精密位置调整模块的第二端与所述图像采集模块固定连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光制造自动聚焦系统，其特征在于，包括安装平台、光学模块、图像采集模块、精密位置调整模块、图像处理模块、运动控制模块和通讯模块；所述安装平台包括基座和运动平台，所述运动平台的第一端与所述基座固定连接；所述光学模块包括激光光源、透镜、分束镜和光源支架，所述激光光源的第一端通过光源支架与所述运动平台的第二端固定连接；所述激光光源的第二端出射的激光通过所述透镜及所述分束镜的第一面进行加工；所述图像采集模块包括像机和镜头，所述像机与所述镜头的第一端固定连接，所述镜头的第二端接收所述分束镜的第二面反射的激光；所述精密位置调整模块包括柔性解耦支架和微调机构，所述精密位置调整模块的第一端与所述基座固定连接，所述精密位置调整模块的第二端与所述图像采集模块固定连接。


2.根据权利要求1所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述运动控制模块包括位移台、驱动器、微控制单元与连接支架；所述位移台的第一端通过连接支架与基座固定连接，所述位移台的第二端通过支架与被加工件连接；所述驱动器与所述位移台电气连接，用于驱动位移台上下移动；所述微控制单元对与所述驱动器电气连接，对驱动器发出运动命令。


3.根据权利要求1所述的激光制造自动聚焦系统，其特征在于，所述图像处理模块包括计算机和图像处理算法，所述图像处理算法根据采集到的光斑进行最小外接圆和/或明亮像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：张震，刘义杰，余良，曹宇轩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11