本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工方法及裝置。

背景技術：

使用激光技術進行的檢測具有快速性、非接觸和非破壞性等特點，因此三維成像激光雷達使用在現代城市三維建模、數字水利、森林探測等領域，擴大了現代工農業生產、醫學和生命科學、海洋開發等的應用，產生了可觀的經濟效益。目前存在多種光學三維獲取技術，按照獲取的過程可將他們分為兩大類別：實體輪廓描述和光場捕獲。實體輪廓描述技術又分為脈沖飛行時間法、相位測距法、三角測量法和條紋管法等多種方法。

脈沖飛行時間法基于激光脈沖測距的方式獲取像素點距離值，通過對目標表面輪廓的橫向像素劃分進行離散采樣，分別獲取各像素的角度-角度-距離信息對其空間位置進行確定，所有測量像素點組合在一起構成的點云便可以對目標外形輪廓進行描述。

相位測距法是將距離測量方式替換為相位測距，通過將激光信號調制上連續的正弦信號進行探測，反射的回波信號根據目標距離加載上相位延遲，再經過和本地振蕩進行比對鑒相得到2π內的相位差，通過改變調制頻率多次測量，可以計算出整數相位，從而獲取目標真實位置，實現掃描式三維獲取。

三角測量法是基于三角測距的三維獲取方式，是目前近場測量中最主流的技術，也是各種技術中商用產品最成熟的一種。三角測量法的基本原理為：設A為待測物體表面，激光束照射物體后反射形成光點，通過成像光學透鏡，物體表面上的光點成像在探測器的位置B處。當物體表面在光束方向發生位置移動后，光點由A點變為A’點，它經由同一光學透鏡成像位置相應變為B’。由于這兩個變化是一一對應的，根據系統的空間幾何關系，便可以通過像點移動量計算出探測點位移量。在單點三角測距方式中，物體表面反射光斑的成像只在在探測器和光源的連線方向(軸)移動，因此只需要放置一個線陣探測器即可，但每次只能測量一個點。為了提高速度，將激光器在垂直方向擴展為線狀光源，并使用陣列探測器，可以同時測量光源上多點的距離值。

激光加工技術是激光應用最有發展前景的領域之一，國內外已開發出二十余種激光加工技術，主要包括：激光快速成形、激光焊接、激光打孔、激光切割、激光打標和激光表面處理技術等。目前，激光加工已經廣泛應用在微電子、液晶、分離膜、測量、汽車、航空、納米材料、航天等領域。

激光加工過程是激光與物質相互作用的結果，加工質量的優劣受到激光功率、掃描速度等工藝參數的影響。為了提高激光加工質量，保證激光加工的穩定性，對激光加工過程進行監測是一個行之有效的方法。通過過程監測和控制技術，可以將加工狀態信息反饋到系統控制端，并與輸入狀態信息進行對比，根據產生的偏差來調整工藝參數。目前，人們主要將激光加工過程中的光、聲、電信號作為監測信號，并通過傳感器、采集卡，輸入計算機作進一步處理。

由于光信號可直接反映激光加工的工件表面的信息，且具有可視化、直觀性強等特點，因此選取工件表面的可見光信號為監測信號，即采用CCD傳感器采集檢測信號是激光加工過程監測常用的一種方法。根據CCD傳感器與激光光束軸線的相對位置關系可將監測系統分為旁軸監測系統與同軸監測系統。旁軸監測系統的傳感器探測光路與激光光束軸線不重合甚至也不平行，其優點是傳感器的安放位置比較靈活，但從監視器上觀測到的圖像在形狀上是傾斜的，不利于圖像形狀判斷與距離測量；而同軸監測系統的傳感器探測光路與激光光束軸線重合，不僅能夠克服旁軸監測系統成像傾斜的缺點，且監測光成像部分為軸對稱系統，在光學設計時有利于系統建模、優化等過程。但傳統的同軸CCD圖像檢測方法，必須依賴計算機圖像處理來間接獲得加工位置的狀態，圖像處理慢、采集幀數低，無法精確獲知加工深度值，檢測頻率與高速激光振鏡加工存在速度不匹配、精度差等問題。

技術實現要素：

本發明針對上述現有技術的不足，提供了一種能夠實時進行加工深度檢測、精度高、速度快的同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工方法。本發明還同時提供了一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工裝置。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工方法，包括如下步驟：

步驟1：配置好波長為λ1的加工激光束L1、波長為λ2的檢測激光束L2、透反鏡M1和振鏡掃描聚焦系統的空間方位，所述檢測激光束L2與加工激光束L1垂直；λ1≠λ2；所述振鏡掃描聚焦系統包括振鏡系統M2和聚焦物鏡M3；使得由加工用激光器輸出的波長為λ1的加工激光束L1入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1，經透反鏡M1透射或反射后水平入射至振鏡掃描聚焦系統，經振鏡掃描聚焦系統反射后，垂直輸出聚焦在工件表面；同時使得由高精度激光位移傳感器輸出的波長為λ2的檢測激光束L2入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1，經透反鏡M1反射或透射后水平入射至振鏡掃描聚焦系統，經振鏡掃描聚焦系統反射后，垂直輸出聚焦在工件表面；經透反鏡M1透射或反射的加工激光束L1與經透反鏡M1反射或透射的檢測激光束L2同軸；

步驟2：將振鏡系統M2的振鏡掃描加工焦平面作為基準面，以基準面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標系；

對工件進行高度標定，通過高精度激光位移傳感器獲得工件表面振鏡掃描加工范圍內任意k個位置點的空間數據P_i(X_i，Y_i，Z_i)，i＝1～k；其中，X_i，Y_i表示工件表面上的第i個點的位置信息，Z_i表示第i個點的高度信息；

步驟3：同時打開加工激光束L1和檢測激光束L2，按照預設的激光加工工藝參數和路徑進行激光加工，當加工位置到達步驟2中的某個P_i(X_i，Y_i，Z_i)時，讀取高精度激光位移傳感器的讀數Z_i′，計算ΔZ＝Z_i-Z_i′，可知當前激光加工所產生的加工深度ΔZ；

步驟4：判斷ΔZ是否滿足加工要求，若不滿足，則實時優化調整激光加工的工藝參數，跳轉至步驟3繼續進行加工；若滿足加工要求，進入步驟5；

步驟5：判斷是否需要多遍加工，若需要，則重復執行步驟2至步驟4，直至加工完成；否則，本方法結束。

優選的，在步驟3的激光加工過程中，還可以動態調節振鏡系統M2與工件之間的Z向距離，使得加工激光束L1和檢測激光束L2保持聚焦在工件表面，設調節量為ΔZ″，那么ΔZ＝Z_i-Z_i′+ΔZ′。

優選的，加工完成后，再執行一次步驟2，即可獲得加工表面輪廓信息，用于檢測評估加工表面質量是否達標。

本發明還提供了一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工裝置，包括激光器、高精度激光位移傳感器、透反鏡M1和振鏡掃描聚焦系統，所述激光器輸出波長為λ1的加工激光束L1，所述激光位移傳感器輸出波長為λ2的檢測激光束L2，要求λ1≠λ2；所述加工激光束L1與檢測激光束L2相互垂直；所述透反鏡M1要求可以透射波長為λ1的激光，同時可以反射波長為λ2的激光；或者所述透反鏡M1可以反射波長為λ1的激光，同時可以透射波長為λ2的激光；所述振鏡掃描聚焦系統包括振鏡系統M2和聚焦物鏡M3；

波長為λ1的加工激光束L1入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1，經透反鏡M1透射或反射后水平入射至振鏡掃描聚焦系統，經振鏡掃描聚焦系統的反射，垂直聚焦在工件表面；

波長為λ2的檢測激光束L2入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1，經透反鏡M1反射或透射后水平入射至振鏡掃描聚焦系統，經振鏡掃描聚焦系統的反射，垂直聚焦在工件表面；

經透反鏡M1透射或反射后的加工激光束L1與經透反鏡M1反射或透射后的檢測激光束L2同軸。

優選的，所述振鏡系統M2是一維振鏡系統或者二維振鏡系統，要求其表面鍍有對波長為λ1、λ2均全反射的光學全反膜。

優選的，所述聚焦物鏡M3是F-theta物鏡或者遠心透鏡，要求其表面鍍有對波長為λ1、λ2均全透射的光學全透膜，并且聚焦物鏡M3結構具有相應色散補償設計，即對波長為λ1、λ2的聚焦焦距值差異小于0.01mm。

優選的，在激光器和透反鏡M1之間、高精度激光位移傳感器與透反鏡M1之間、透反鏡M1與振鏡系統M2之間還可以增加用于擴束準直或光路轉折的幾何光學變換部件K1。

優選的，在高精度激光位移傳感器與透反鏡M1之間還可以增加用于過濾特定波段的濾波片。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明所述的振鏡掃描激光加工方法實現了振鏡掃描激光加工過程的實時同軸加工深度檢測，結合實時在線調整激光加工工藝參數，解決了加工深度的智能控制技術難題。可以根據工藝質量評判標準，判斷單遍加工深度絕對值是否滿足加工要求或者多遍加工工序間的加工深度差值是否滿足加工深度重復性控制要求，若不滿足則可實時優化調整工藝參數，直至滿足加工要求為止。這對于有特殊加工深度要求的場合(如聚合物表面覆蓋金屬膜的刻蝕，要求金屬膜全部刻掉，但盡可能不傷聚合物基底)，實現了加工深度技術問題的徹底解決。

2、本發明所述的振鏡掃描激光加工方法對工件表面沒有限制，平面、曲面和復雜曲面均可兼容。

3、相比于傳統的同軸CCD圖像檢測方法存在無法精確獲知加工深度值，精度差、圖像處理慢、采集幀數低等問題，本發明所述的振鏡掃描激光加工方法精度大大提高，檢測速度大大提升。

4、對于工件有精確設計三維模型的情況下，本發明所述的振鏡掃描激光加工方法可以實現工件自身加工制造誤差(與設計模型)的實時在線測量與補償，大幅度提高了激光加工質量，對工件加工制造精度的要求也大幅提高。

5、加工完成后，可以立刻在線檢測，獲得加工工件表面深度輪廓信息，用于檢測評估加工表面質量(如三維表面粗糙度信息)是否達標。

6、本發明所述的振鏡掃描激光加工方法實現簡單、可靠，適用性廣泛。

附圖說明

圖1為本發明所述振鏡掃描激光加工裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1所示，本發明提供了一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工裝置，包括激光器、高精度激光位移傳感器、透反鏡M1、振鏡系統M2和聚焦物鏡M3，所述激光器輸出波長為λ1的加工激光束L1，所述激光位移傳感器輸出波長為λ2的檢測激光束L2(λ1≠λ2)。

波長為λ1的加工激光束L1水平入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1(L1與M1鏡片法線之間夾角為45度)，經透反鏡M1透射后水平入射至振鏡系統M2，經振鏡系統M2反射后垂直進入聚焦物鏡M3，由聚焦物鏡M3輸出后聚焦在工件表面；波長為λ2的檢測激光束L2垂直入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1(L2與M1鏡片法線之間夾角為45度)，經透反鏡M1反射后水平入射至振鏡系統M2，經振鏡系統M2反射后垂直進入聚焦物鏡M3，由聚焦物鏡M3輸出后聚焦在工件表面；經透反鏡M1透射的加工激光束L1和反射的檢測激光束L2同軸。

所述透反鏡M1要求可以透射波長為λ1的激光，同時可以反射波長為λ2的激光，可以通過在透反鏡M1對應鏡片表面分別鍍對波長為λ1的光學增透膜和對波長為λ2的光學全反膜來實現；

所述振鏡系統M2可以是目前市場上常用的一維振鏡系統或者二維振鏡系統(galvanometer scanner)，要求其表面鍍有對波長為λ1、λ2均全反射的光學全反膜；

所述聚焦物鏡M3是F-theta物鏡或者遠心透鏡，要求其表面鍍有對波長為λ1、λ2均全透射的光學全透膜，并且聚焦物鏡M3結構具有相應色散補償設計，即對波長為λ1、λ2的聚焦焦距值差異小于0.01mm。

所述高精度激光位移傳感器用于測量工件表面上特定點的相對高度值。其工作原理可以采用現有激光精密測距技術中的脈沖時間飛行法、相位測距法和三角測量法的任意一種。

加工激光束L1與檢測激光束L2的位置可以互換，只需相應調整透反鏡M1表面的光學鍍膜，使得經透反鏡M1反射的加工激光束L1和透射的檢測激光束L2同軸。

聚焦物鏡M3和振鏡系統M2之間采用前聚焦或后聚焦方式均可，聚焦物鏡M3和振鏡系統M2的位置可以互換。

優選的，在激光器和透反鏡M1之間、高精度激光位移傳感器與透反鏡M1之間、透反鏡M1與振鏡系統M2之間還可以增加用于擴束準直或光路轉折等功能的幾何光學變換部件K1。

優選的，在高精度激光位移傳感器與透反鏡M1之間還可以增加用于過濾特定波段的濾波片K2，增強對波長為λ2的檢測激光束L2的信號精度以及消除雜光干擾。

本發明還提供了一種同軸實時檢測的振鏡掃描激光加工方法，包括如下步驟：

步驟1：按照圖1配置好加工激光束L1(波長為λ1)、檢測激光束L2(波長為λ2，λ1≠λ2)、透反鏡M1、振鏡系統M2和聚焦物鏡M3的空間方位，使得由加工用激光器輸出的波長為λ1的加工激光束L1水平入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1(L1與M1鏡片法線之間夾角為45度)，經透反鏡M1透射后水平入射至振鏡系統M2，經振鏡系統M2反射后垂直進入聚焦物鏡M3，由聚焦物鏡M3聚焦后輸出輸出后聚焦在工件表面；同時使得由高精度激光位移傳感器輸出的波長為λ2的檢測激光束L2垂直入射至與其相對45度方位設置的透反鏡M1(L2與M1鏡片法線之間夾角為45度)，經透反鏡M1反射后水平入射至振鏡系統M2，經振鏡系統M2反射后垂直進入聚焦物鏡M3，由聚焦物鏡M3聚焦后輸出輸出后聚焦在工件表面；經透反鏡M1透射的加工激光束L1和反射的檢測激光束L2同軸；

所述加工激光束L1與檢測激光束L2的位置可以互換，只需相應調整透反鏡M1表面的光學鍍膜，使得經透反鏡M1反射的加工激光束L1和透射的檢測激光束L2同軸；

所述聚焦物鏡M3和振鏡系統M2之間采用前聚焦或后聚焦方式均可，聚焦物鏡M3和振鏡系統M2的位置可以互換；

步驟2：將振鏡系統M2的振鏡掃描加工焦平面作為基準面，以基準面作為XOY平面，依右手螺旋法則建立XYZ三維直角坐標系；

對工件進行高度標定，通過高精度激光位移傳感器獲得工件表面振鏡掃描加工范圍內任意k個位置點的空間數據P_i(X_i，Y_i，Z_i)，i＝1～k；其中，X_i，Y_i表示工件表面上的第i個點的位置信息，Z_i表示第i個點的高度信息；

對于多個不同的光滑平面工件，只需標定一次。對于多個不同曲面工件(曲率分布不同或者不同位置)，則每一個都要在加工前標定一次。

具體標定方法可以采用實距測定法，也可以采用理論計算法，亦可兩種都用互作參照。

實距測定法為：打開檢測激光束L2(優選的，也可以同時打開加工激光束L1的指示光功能)，在振鏡掃描加工范圍內取感興趣的位置k個，設k個位置為P_i(X_i，Y_i，Z_i)(i＝1～k)；控制振鏡系統M2運動，使檢測激光束L2偏轉定位到X_i，Y_i時，采集高精度激光位移傳感器的讀數Z_i，按此方法依次獲取所有k個點的空間數據P_i(X_i，Y_i，Z_i)。

理論計算法為：根據幾何光學原理和步驟1的光路配置參數，通過人工計算P_i(X_i，Y_i，Z_i)的理論值或者通過光學仿真軟件模擬計算出P_i(X_i，Y_i，Z_i)的數值近似值。

步驟2的標定過程完成后，對于工件有精確設計三維模型的情況下，可以立刻對比獲得工件本身的加工精度(工件實際外形尺寸與工件設計外形尺寸的誤差)，從而實現將工件由于前序制造工序加工誤差導致的變形考慮到后續的激光加工工藝規劃中去，通過后續步驟的激光加工工藝參數調整來實現誤差補償。

步驟3：同時打開加工激光束L1和檢測激光束L2，按照預設的激光加工工藝參數和路徑進行激光加工，當加工位置到達步驟2中的某個P_i(X_i，Y_i，Z_i)時，讀取高精度激光位移傳感器的讀數Z_i′，計算ΔZ＝Z_i-Z_i′，可知當前激光加工所產生的加工深度ΔZ。

在加工過程中，可以通過動態調節相對振鏡系統M2與工件之間的Z向距離，使得加工激光束L1和檢測激光束L2保持聚焦在工件表面，調節量ΔZ″計入ΔZ中，即ΔZ＝Z_i-Z_i′+ΔZ″；

優選的，還可以先打開加工激光束L1完成某個加工位置P_i(X_i，Y_i，Z_i)的激光加工動作，然后關閉加工激光束L1，再打開檢測激光束L2重復該激光加工動作，讀取高精度激光位移傳感器的讀數Z_i′，計算ΔZ＝Z_i-Z_i′，可知當前激光加工所產生的加工深度ΔZ。

步驟4：根據工藝質量評判標準，判斷ΔZ是否滿足加工要求(例如加工深度ΔZ絕對值是否達到要求或者兩遍加工的加工深度ΔZ₁和ΔZ₂差值是否滿足加工深度重復性控制要求)，若不滿足，則可實時優化調整工藝參數，跳轉至步驟3，直至滿足加工要求為止。

對于多遍加工，可以重復執行步驟2至步驟4，直至加工完成。

優選的，加工完成后，再執行一次步驟2，即可獲得加工表面輪廓信息，用于檢測評估加工表面質量(如基于P_i(X_i，Y_i，Z_i)建立的三維表面粗糙度信息)是否達標。

本發明可改變為多種方式對本領域的技術人員是顯而易見的，這樣的改變不認為脫離本發明的范圍。所有這樣的對所述領域的技術人員顯而易見的修改，將包括在本權利要求的范圍之內。