基于内同轴视觉的自动对焦装置
技术领域
本实用新型属于激光加工技术领域，具体是一种基于内同轴视觉的自动对焦装置。
背景技术
激光加工设备中，激光加工后产品的一致性一直是设备提高产品附加值的关键所在。对激光加工比较敏感的材料及尺寸较差的产品，如何快速并准确的查找到当前加工产品的激光焦点显得尤其重要。此次设计的新型的基于内同轴视觉的自动对焦装置，新增激光加工产品前实时自动对焦的功能，提升了激光加工后产品的一致性，并且能够提高设备的稳定性能，增加设备的产品附加值。
激光微加工技术已经被广泛的应用于材料微纳加工领域。在加工过程中如何保持焦点始终位于材料表面一直是个难题。这个问题直接影响到激光微加工的精度。
传统的自动调焦方式是基于测距原理，利用激光测距、超声波测距的方式计算物体与镜头之间的距离，从而驱动电机调整镜头的位置，还有电容感应调焦，这种方法测量激光头部与金属板材之间的电容大小，从而测出焦距。此外，还有一些场合根据特定的加工工艺，设计出专用的机械结构来实现调焦。随着CCD/CMOS技术发展，以图像处理为基础的自动调焦技术开始发展，这种方法是直接根据图像清晰度来判别离焦程度，比传统测距方法更加直接有效，广泛的应用于单反相机上。
公开号为CN208289218U的专利公开了一种基于图像处理的激光微加工自动调焦装置，包括控制模块、标准图像采集机构及激光加工平台；激光加工平台包括校对图像机构和激光加工机构，校对图像机构和激光加工机构共用调焦机构；标准图像采集机构包括成像设备、光源、双色镜、调焦平台和聚焦物镜；光源的光线经聚焦物镜聚焦后，对加工对象表面进行照射；成像设备经双色镜采集加工对象表面的反射光，并通过调焦平台调节聚焦物镜相对加工对象表面的距离以生成加工对象表面最优清晰度数码图像；控制模块根据最优图像生成清晰度标准值；当进行调焦时，校对图像机构采集加工部位表面图像，并根据控制模块提供的清晰度标准值进行调焦；本产品可以在加工对象表面稳定地维持激光焦点。
该专利中的激光光源同时用作加工和指示，一部分激光用于对工件进行加工，一部分激光用于获取工件表面图像，这样不免会浪费掉加工激光一部分的功率，即加工激光的功率不能全部用于对工件进行加工，从而造成激光器的功率浪费。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于内同轴视觉的自动对焦装置，通过内同轴视觉自动对焦及软件算法补偿，使激光加工产品的焦点处于加工焦点的范围内，提高激光加工后产品的一致性，从而使设备一直处于良好的加工状态，降低设备加工产品的不良率，提高设备的稼动率。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种基于内同轴视觉的自动对焦装置，包括控制器、与所述控制器连接的相机和调焦平台、指示光源、激光光源、合束镜、振镜、场镜以及工件台；所述振镜、场镜安装在调焦平台上；所述合束镜安装在指示光源和激光光源的出射路径上，用于将激光光源和指示光源产生的光脉冲进行合束；所述激光光源用于产生加工激光，所述指示光源用于产生指示激光；所述对焦装置的光路为：激光光源和指示光源产生的光脉冲经过合束镜合束后，依次经过振镜调节、场镜聚焦，作用在工件台上的工件表面上，指示激光在工件表面反射后依次经过场镜、振镜、合束镜后，进入相机，所述相机用于获取工件台上工件表面的图像信息，所述控制器用于对所述图像信息进行处理，并用于根据处理结果控制调焦平台的高度，从而调节加工激光的焦距位置，使加工激光的焦距始终位于工件待加工表面。
具体地，所述合束镜包括第一合束镜和第二合束镜，所述第一合束镜位于激光光源与指示光源之间，用于将激光光源产生的加工激光和指示光源产生的指示激光进行合束；所述第二合束镜位于相机与振镜之间，用于反射合束后的光脉冲以及透射指示激光。
进一步地，所述第一合束镜透射加工激光、反射指示激光；所述第二合束镜反射加工激光和指示激光、透射指示激光。
具体地，所述第一合束镜与指示光源出射的指示激光的夹角为45°，所述第一合束镜与激光光源出射的加工激光的夹角为45°。
具体地，所述第一合束镜与第二合束镜平行或垂直。
具体地，所述相机为CCD数码相机。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型通过合束镜将加工激光和指示激光合束后形成同轴光对工件进行加工，并通过相机获取工件表面的图像，通过分析图像的反差度值，计算加工激光的焦点范围，从而实现激光加工的动态调焦，使加工激光的焦点始终位于工件表面，提高激光加工后产品的一致性，从而使设备一直处于良好的加工状态，降低设备加工产品的不良率，提高设备的稼动率；(2)本实用新型通过设置两个合束镜，并将激光光源和指示光源分开设置，可以最大限度地利用激光光源对工件进行加工，指示光源仅用于相机获取工件表面的图像，激光光源仅用于对工件进行加工，保证了激光光源与指示光源同轴的同时，最大限度地利用了激光光源，提高了激光器功率的利用率。
附图说明
图1为本实用新型一种基于内同轴视觉的自动对焦装置的光路结构示意图；
图2为本实用新型实施例中工件图像的像素坐标系示意图；
图中：1、控制器；2、相机；3、调焦平台；4、指示光源；5、激光光源；6、振镜；7、场镜；8、工件台；9、第一合束镜；10、第二合束镜。
具体实施方式
下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实施例提供了一种基于内同轴视觉的自动对焦装置，包括控制器1、与所述控制器1连接的相机2和调焦平台3、指示光源4、激光光源5、合束镜、振镜6、场镜7以及工件台8；所述振镜6、场镜7安装在调焦平台3上；所述合束镜安装在指示光源4和激光光源5的出射路径上，用于将激光光源5和指示光源4产生的光脉冲进行合束；所述激光光源5用于产生加工激光，所述指示光源4用于产生指示激光；所述对焦装置的光路为：激光光源5和指示光源4产生的光脉冲经过合束镜合束后，依次经过振镜6调节、场镜7聚焦，作用在工件台8上的工件表面上，指示激光在工件表面反射后依次经过场镜7、振镜6、合束镜后，进入相机2，所述相机2用于获取工件台8上工件表面的图像信息，所述控制器1用于对所述图像信息进行处理，计算出图像的反差度值，并用于根据反差度值控制调焦平台3的高度，从而调节加工激光的焦距位置，使加工激光的焦距始终位于工件待加工表面。
具体地，如图2所示，本实施例中，所述图像的反差度值计算方法为：依次计算相邻两个像素的亮度差值，然后把所有差值求和，取倒数，即得反差度值；图像越接近合焦处局部反差越大，相邻两个像素数值差值越大，分母越大公式计算结果越小；通过设定一个数值范围，若反差度值小于或等于该数值范围，则认为是焦点处；若反差度大于该数值范围，则认为不是焦点处；反差度值的计算公式如下：
其中，X、Y为相机2获取的工件表面图像的像素坐标系的横轴和纵轴，m表示横轴方向最大坐标值，n表示纵轴方向最大坐标值；i表示横轴方向的坐标值，j表示纵轴方向的坐标值；XiYj表示像素坐标系中横轴为i，纵轴为j的坐标位置的亮度值。
具体地，所述合束镜包括第一合束镜9和第二合束镜10，所述第一合束镜9位于激光光源5与指示光源4之间，用于将激光光源5产生的加工激光和指示光源4产生的指示激光进行合束；所述第二合束镜10位于相机2与振镜6之间，用于反射合束后的光脉冲以及透射指示激光。
进一步地，所述第一合束镜9透射加工激光、反射指示激光；所述第二合束镜10反射加工激光和指示激光、透射指示激光。
具体地，所述第一合束镜9与指示光源4出射的指示激光的夹角为45°，所述第一合束镜9与激光光源5出射的加工激光的夹角为45°。
具体地，所述第一合束镜9与第二合束镜10平行。
具体地，所述相机2为CCD数码相机。
本实施例的自动对焦装置在使用时，首先，通过第一合束镜9、第二合束镜10使激光加工光路与相机2成像光路同轴，同轴光通过振镜6、场镜7透射到放有工件的工件台8上；再通过相机2获取工件表面的图像，通控制器1分析出图片的反差度值；当控制器1执行自动对焦时，控制调焦平台3运动，控制器1分析相机2实时获取的工件表面图像，分析出对应的反差度值，的那个实时获取分析得到的反差度值小于预先设定的数值范围时，自动对焦完成；最后将当前图像的反差度值与对应加工的产品数据保存在本地存储器上。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
