CN112539698B - 一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法。所述方法包括：激光与材料相互作用时散射光光强的测量；激光与材料相互作用时透射光光强的探测；基于横向光电效应，利用光电探测技术将光信号转换为电信号；基于图像处理技术，将探测器的图像信号转换为光斑位置信息；利用数据采集处理模块对采集信号进行处理和分析，通过定位算法进行光斑坐标值的确定；利用光斑平面坐标值的在空间坐标系中进行光斑位置和深度信息校准，以及光斑三维坐标的构建；建立数据处理与在线传输机制，实现激光光斑三维精准位置信息的实时反馈。

Description

一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法

技术领域

本发明涉及检测技术、激光加工技术、激光医疗技术领域，尤其涉及一种激光与材料相互作用时光斑定位以及定位信息实时反馈的方法。

背景技术

激光定位技术是一种综合了激光技术、半导体技术和计算机技术的新技术，这项技术的发展一方面得益于激光具有高稳定性和高准直性的特点，另一方面得益于近些年的半导体技术和计算机技术快速发展。激光定位技术也是激光测量技术中的重要组成部分，它广泛应用于激光测量、激光通信和微观粒子测量等领域。关于激光精准定位的相关研究，目前主要有激光引导、光斑定位、内热源定位等方面的基础和应用研究。

由于激光的发散度仅0.001rad，是理想的准直测量基准线。当激光功率低于1mW时，即使裸眼直视也不会对视网膜产生伤害，因此可利用单位时间、空间内适宜能量的激光束来指示工具或器械在材料表面定位。对于激光光束或光斑本身的定位，则主要有位置传感器、电荷耦合和四象限定位技术。

PSD(Position Sensitive Detector)定位技术是一种基于横向光电效应通过将光敏面上的光点位置转化为电信号，从而确定光斑位置应用技术。PSD位置传感器又称坐标光电池，是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。具有位置分辨率高，响应速度快和处理电路简单等优点。然而，对于实现高精度实时激光探测与测量来说，PSD的灵敏度偏低、噪声较大、光敏面的边缘线性较差且只能实现激光光斑在材料表面的定位。

CCD(Charge Coupled Device)成像定位技术是一种利用CCD高分辨成像和二位图像的实时处理，从而确定光斑位置的技术。其电荷耦合器件是一种光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷；当对它施加特点时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。由于它具有几何精度高、稳定性好、噪声小和光谱响应范围宽等优点。但是由于测量周期需要对每个元素进行采样和输出，像素点尺寸的大小容易限制CCD的分辨力和图像传输速度，且CCD设备驱动电路设计较为复杂，制造成本高。

四象限探测(QD)定位技术也是一种将光敏面上接受的光信号转换为电信号的技术，光斑照射在探测器靶面上时，四个象限会产生与各象限接收到的光功率成比例的光电流，每个象限的光电流和光斑面积成正比，利用几何关系可以得到光斑的解算位置。四象限探测定位技术具有驱动电路简单、响应时间短、分辨率高、抗干扰的特点，但其线性度一般、有死区，目前四象限探测技术应用于材料或设备表面具有高精度微小位移或角度的定位与反馈，对于激光光斑在材料内部的深度信息则无法探测。

红外热成像定位技术是通过监测表面温度场分布和特定模型的传热模拟，来确定作用点内部热源位置。红外热成像技术利用红外探测器可以将目标物的温度情况以红外热像的形式反映出来，响应速度可达到微秒级，可以获取各种瞬态情况的温度变化；测温精度高，可达0.01℃。红外热成像定位的技术方案主要是利用红外热成像技术和材料温度场模拟计算的有机结合，通过对材料表面温度分布的监测，只能定性地对体内的热源进行判断，但受计算模型和约束条件的限制，还不能根据表面的温度分布判明体内病灶的位置和大小。

综上所述，这些研究和应用技术为激光光斑定位提供了丰富的定位或引导方案，促进了激光定位技术的发展和提升。然而，这些研究仅实现光斑在材料表面的定位，对于激光与材料相互作用时光斑在其内部位置和深度的探测、跟踪和反馈，未有很好的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法。基于激光透过材料内部的光信息探测，采用光斑定位探测技术对其在两组相互垂直平面的位置信息进行采集和处理，通过信号处理、定位算法和空间坐标变换方法，可实现激光光斑的三维精准定位和在线反馈，满足激光材料加工过程中对实时作用光斑的引导和反馈需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种，包括：激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法，包括：

根据激光与材料相互作用的规律，所述的激光在相互作用处发生散射，其散射光的光通过所述的光电探测器测量；

所述的激光在材料内部经吸收、反射和折射，其透过材料表面的光通过所述的光电探测器测量；

所述的散射光、透射光被所述的光电探测器件所接收，基于横向光电效应，所述的散射光、透射光的信号通过对应的光电探测器件转换为电信号或电荷信号，该信号在所述的光电探测器中以电压、电流或图像的形式显示；

在笛卡尔坐标系中，所述的光电探测器接收到散射光信号和透射光信号分别为所述的激光光斑在两个相互垂直的平面中(如X-Y平面和Y-Z平面)的二维位置信息；

根据所述的激光特征参数、所述作用材料的几何参数和位置信息，基于图像处理技术，将光斑图像信号转换为二维坐标值；

其中所述的图像处理技术具体包括图像数值化、图像变化、图像编码压缩、图像增强和复原、图像分割、图像描述和图像识别等；

根据所述的激光特征参数、所述作用材料的几何参数和位置信息、所述激光光斑能量分布特征，利用信号处理技术和光斑定位算法将所述光电探测器输出的电信号转换为二维坐标值；

其中所述的信号处理技术具体包括信号的滤波、放大和模数转换，其中所述的定位算法具体包括光斑能量均匀分布质心定位算法和光斑能量高斯分布质心定位算法；

光斑能量均匀分布质心定位算法具体为：

(x₀,y₀)为光斑质心；k＝πr/4为比例系数，r为光斑半径；U_A、U_B、U_C、U_D分别为探测器A、B、C、D象限对应的电压信号，A、B、C、D是指探测器光敏面被通过其中心点的十字线均匀分割的四个区域；

光斑能量高斯分布质心定位算法具体为：

I_(x,y)为光斑中心处光强；(x₀,y₀)为光斑质心；I₀/2πω²为光斑质心处光强；ω为光斑能量呈高斯分布的束腰半径；

对于具体的探测器，一般选择探测器光敏面直径或边长为光斑半径r的2～4倍；

根据所述的激光光斑在两个相互垂直的平面中(如X-Y平面和Y-Z平面)的二维位置信息，利用所述的光斑二维位置信息中同分量值(如X-Y平面和Y-Z平面中的Y轴)进行所述的光电探测器的校准，利用所述的校准后的光电探测器所测得的两个相互垂直的平面中(如X-Y平面和Y-Z平面)二维坐标值构建所述激光光斑的三维坐标；

利用所述的数据传输和控制模块，进行所述激光光斑精准位置数据的实时高速传输和反馈。

优选的，所述的激光与所述的材料相互作用，既有材料表面的漫反射，也有材料内部的吸收、发射和折射。

优选的，所述方法还包括：

所述材料表面的漫反射光、材料内部透射光通过所述的光电探测器将光信号转换为电信号或电荷信号，且所述的光电探测器工作时满足响应时间不大于1μs、极限分辨率不高于1μm。

优选的，所述的光电探测器，可以是基于横向光电效应的探测器件，也可以是基于光电转换或温度场探测的成像器件。

优选的，所述的反射光、透射光分别通过光电探测器测得并经所述的数据处理模块转换为两组互相垂直平面中的所述激光光斑的坐标值。

优选的，通过对比所述的两组互相垂直平面中相同分量的坐标值，进行所述光电探测器的调整和校准。

优选的，通过所述的两组互相垂直平面中的坐标值及笛卡尔坐标转换，确定所述激光光斑在所述材料中的三维位置信息。

优选的，通过所述的数据反馈和控制模块，实现所述激光光斑位置信息的实时反馈和显示，所述数据反馈和控制模块满足频率不低于1GHz，带宽不低于100MHz。

优选的，所述方法中至少包括激光器、作用材料、光电探测模块、数据采集与预处理模块、供电模块、数据后处理和显示模块和数据反馈与控制模块

本发明实施例提供的激光光斑精准三维定位和实时反馈的方法，基于激光透过材料内部的光信息探测，采用光斑定位探测技术对其在两组相互垂直平面的位置信息进行采集和处理，通过信号处理、定位算法和空间坐标变换方法，可实现激光光斑在加工对象内部三维精准定位和实时在线反馈的特点，定位方法对激光加工过程无介入、无干扰，可满足激光高精加工过程中光斑作用于材料内部的精准引导和反馈需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方案示意图。

图2为本发明实施例提供的激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的测量系统示意图。

图3为本发明实施例提供的激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈实施流程。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提出了一种采用光斑定位探测技术对其在两组相互垂直平面的位置信息进行采集和处理，通过信号处理、定位算法和空间坐标变换方法，进行激光光斑的三维精准定位和在线反馈的方法。

根据激光与材料相互作用的规律，利用激光在相互作用处发生的散射光，以及激光在材料内部经吸收、反射和折射后透过材料表面的光，该光信息通过光电探测器(图1中以PSD、CCD或QD为例)测量并将其转换为电信号或电荷信号，通过对电信号或电荷信号的分析、处理，可以分析出激光光斑在在两组相互垂直平面的位置信息。

激光光斑在两组相互垂直平面中的定位，通过数据处理和定位算法获得。以四象限探测器(QD)、光斑能量均匀分布为例，其光斑质心定位算法具体为：

其中选取的四象限探测器光敏面为圆形，其半径为R；(x₀,y₀)为光斑质心；k＝πr/4为比例系数，r＝0.5R为光斑半径；U_A、U_B、U_C、U_D分别为探测器A、B、C、D象限对应的电压信号，A、B、C、D是指探测器光敏面被通过其中心点的十字线均匀分割的四个区域。

本发明根据测得的两组相互垂直平面的位置信息可获得激光与材料相互作用时光斑位置的三维信息，并通过反馈和控制模块可实现光斑位置信息的实时反馈。

本发明实施例提供的一种采用光斑定位探测技术确定激光光斑在两组相互垂直平面的位置信息，并通过定位算法和空间坐标变换，进行激光光斑的三维精准定位和在线反馈的方法。图3中的实施例具体可以按照如下步骤执行：

步骤110，激光与材料相互作用，在光斑中心处发生短时快速热效应，同时光在材料表面发生漫反射，在材料内部发生吸收、反射、折射并透过材料表面。

步骤120，在材料表面反射的光被探测器接收并产生光电效应；探测器产生的电信号或电荷信号通过数据处理模块转换为数字信号；经数据处理模块转换后数字信号，通过光斑定位算法转换为水平面二维坐标值。

步骤130，在材料内部透射的光被探测器接收并产生光电效应；探测器产生的电信号或电荷信号通过数据处理模块转换为数字信号；经数据处理模块转换后数字信号，通过光斑定位算法转换为垂直面二维坐标值。

具体的，光电探测器工作时满足响应时间不大于1μs、极限分辨率不高于1μm，以便产生的发射光信号能够被检测到。

光斑定位算法是光电探测器的关键信号处理模块，其主要是利用光电探测器检测到的电信号或电荷信号根据光斑形状特征或能量分布特征对光斑位置信息进行近似计算。

步骤140，对两个相互垂直的平面中的二维坐标值，利用其二维信息中同分量值进行探测器的校准。

具体的，在笛卡尔坐标系中，两个相互垂直的平面，如X-Y平面和Y-Z平面，对于同一点的坐标，其在X-Y平面和Y-Z平面中应具有相同Y分量，反之，通过X-Y平面和Y-Z平面中Y分量值可以进行探测器的调整和校准。

步骤150，利用校准后的探测器所测得的两组相互垂直的平面二维坐标值构建激光光斑的三维坐标，并通过数据传输和控制模块实时显示和在线反馈给激光器。

具体的，数据反馈和控制模块满足频率不低于1GHz，带宽不低于100MHz，以便实时反馈激光光斑位置信息。

为实现上述方法，本发明提供了一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的测量系统实例和实施流程，其示意图如图2和3所示，主要包括：反射光信号探测器件2、透射光探测器件7、信号采集模块、数据处理和坐标变换处理模块(图中未示出)和反馈控制模块；

工作激光1与材料9在激光光斑10P(x_i,y_i,z_i)点相互作用，在光斑中心处发生短时快速热效应的同时，在材料表面产生漫反射光11，在材料内部发生吸收、反射、折射并透过材料表面，产生透射光8；反射光11通过探测器2检测到并转换为电信号或电荷信号，经信号采集和处理模块3将电信号或电荷信号转换为水平面的二维位置信息；透射光8通过探测器7检测到并转换为电信号或电荷信号，经信号采集和处理模块6将电信号或电荷信号转换为垂直面的二维位置信息；利用两组相互垂直的平面中的二维坐标值中同分量值进行探测器2和探测器7的调整和校准；利用校准后的探测器2和7所测得的两组相互垂直的平面二维坐标值构建激光光斑10P(x_i,y_i,z_i)的三维坐标，并通过数据传输和控制模块5实时显示和在线反馈给激光器。

图2测量系统中包含的各部件功能具体如下：

工作激光1，与材料9相互作用并实现材料9预定加工的激光，其光斑中心随着与材料9相互作用的进行而发生变化；

反射光探测器2，通过激光与材料9相互作用产生的反射光11的测量，将光信号转换为电信号或电荷信号；

反射光探测器信号采集和处理模块3，对反射光探测器2测得的电信号或电荷信号进行处理，获得激光光斑在水平面中的二维位置信息；

供电模块4，提供信号采集和处理模块3和6所需的稳压直流电；

数据传输和控制模块5，将激光光斑10P(x_i,y_i,z_i)的三维坐标实时显示和在线反馈给激光器，为测量装置的关键部件，应具有足够的带宽和相应速率，以实现激光光斑信息的实时传输和在线反馈；

透射光探测器信号采集和处理模块6，对透射光探测器7测得的电信号或电荷信号进行处理，获得激光光斑在垂直面中的二维位置信息；

透射光探测器7，通过激光与材料9相互作用产生的透射光8的测量，将光信号转换为电信号或电荷信号；

透射光8，工作激光1在材料9内部发生吸收、反射、折射并透过材料9表面，产生的透射光；

材料9，与工作激光1发生相互作用且有预定加工需求的材料或介质；

激光光斑10，工作激光1与材料9发生相互作用的中心点，P(x_i,y_i,z_i)，为本方法测量的对象；

反射光11，工作激光1在材料9表面发生漫反射产生的反射光。

本发明提出的激光在加工过程中的光斑精准定位方法，主要利用光电探测技术将光信号转换为电信号或电荷信号，通过信号处理和定位算法解析光斑在两组互相垂直平面中的位置信息，利用坐标变换实现光斑三维位置信息的获取和在线反馈。光电探测仪器的对光信号的捕获和分辨能力，决定了其转换后电信号的强弱和分辨率；由于不同激光的光斑几何特征或能量分布特征不同，光斑定位算法需要根据所选用激光光斑特征确定，且光斑定位算法作为激光光斑能量分布特征的数学近似表达，其表达式越接近光斑实际特征，解析的位置信息准确性和精度也越高，但同时其数据处理的要求也随之提高。

本发明实施例提供的激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法，采用光斑定位探测技术对其在两组相互垂直平面的位置信息进行采集和处理，通过信号处理、定位算法和空间坐标变换方法，可实现激光光斑的在加工对象内部三维精准定位和实时在线反馈的特点，定位方法对激光加工过程无介入、无干扰，可满足激光高精加工过程中光斑作用于材料内部的精准引导和反馈需求。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种激光光束作用材料内部在线跟踪与实时反馈的方法，其特征在于，包括：根据激光与材料相互作用的规律，所述的激光在材料表面相互作用处发生漫反射，其漫反射光通过反射光信号探测器件测量；

所述的激光在材料内部经吸收、反射和折射，其透过材料表面的光通过透射光探测器件测量；

所述的漫反射光、透射光被所述的反射光信号探测器件和透射光探测器件所接收，基于横向光电效应，所述的漫反射光、透射光的信号通过对应的光电探测器件转换为电信号，该电信号在所述的反射光信号探测器件和透射光探测器件中以电压、电流或图像的形式显示；

在笛卡尔坐标系中，所述的反射光信号探测器件和透射光探测器件接收到漫反射光信号和透射光信号分别为激光光斑在两个相互垂直的平面中的二维位置信息；

根据所述的激光特征参数、所述作用材料的几何参数和位置信息，基于图像处理技术，将激光光斑图像信号转换为二维坐标值；

其中所述的图像处理技术具体包括图像数值化、图像变化、图像编码压缩、图像增强和复原、图像分割、图像描述和图像识别；

根据所述的激光特征参数、所述作用材料的几何参数和位置信息、所述激光光斑能量分布特征，利用信号处理技术和光斑定位算法将所述光电探测器输出的电信号转换为二维坐标值；

其中所述的信号处理技术具体包括信号的滤波、放大和模数转换，其中所述的光斑定位算法具体包括光斑能量均匀分布质心定位算法和光斑能量高斯分布质心定位算法；

光斑能量均匀分布质心定位算法具体为：

(x₀,y₀)为光斑质心；k＝πr/4为比例系数，r为光斑半径；U_A、U_B、U_C、U_D分别为探测器A、B、C、D象限对应的电压信号，A、B、C、D是指探测器光敏面被通过其中心点的十字线均匀分割的四个区域；

光斑能量高斯分布质心定位算法具体为：

I_(x,y)为光斑中心处光强；(x₀,y₀)为光斑质心；I₀/2πω²为光斑质心处光强；ω为光斑能量呈高斯分布的束腰半径；

光电探测器选择探测器光敏面直径或边长为光斑半径r的2～4倍；

根据所述的激光光斑在两个相互垂直的平面中的二维位置信息，利用所述的光斑二维位置信息中同分量值进行所述的光电探测器的校准，利用所述的校准后的光电探测器所测得的两个相互垂直的平面中二维坐标值构建所述激光光斑的三维坐标；

利用数据传输和控制模块，进行所述激光光斑精准位置数据的实时传输和反馈。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料表面的漫反射光、材料内部透射光通过所述的光电探测器将光信号转换为电信号，且所述的光电探测器工作时满足响应时间不大于1μs、极限分辨率不高于1μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过所述的数据传输 和控制模块，实现所述激光光斑位置信息的实时反馈和显示，所述数据传输 和控制模块满足频率不低于1GHz，带宽不低于100MHz。

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