阅读说明：本技术 一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置 (Laser processing method, system and device suitable for uneven surface ) 是由 何煦 马云灿 李军 于 2020-05-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置,该方法包括以下步骤：在待加工样品表面划分一个或多个区域；在区域内建立空间直角坐标系,其中,x轴和y轴平行于放置待加工样品的水平面；并在区域内选取至少3个采样点,并根据采样点拟合一个试验平面；根据试验平面调节加工点的z坐标；根据调节后的加工点坐标调节激光的聚焦位置,进行激光加工。本发明的目的在于提供一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置,使用该方法和系统时,激光加工前的测量工作量小、效率高,可有效减小由于样品表面不平整造成的激光聚焦位置误差,提高表面处理或切割加工时的加工质量和加工精度。(The invention discloses a laser processing method, a system and a device suitable for uneven surfaces, wherein the method comprises the following steps: dividing one or more areas on the surface of a sample to be processed; establishing a spatial rectangular coordinate system in the region, wherein the x axis and the y axis are parallel to a horizontal plane for placing a sample to be processed; selecting at least 3 sampling points in the region, and fitting a test plane according to the sampling points; adjusting the z coordinate of the processing point according to the test plane; and adjusting the focusing position of the laser according to the adjusted machining point coordinates, and performing laser machining. The invention aims to provide a laser processing method, a system and a device suitable for an uneven surface.)

一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置。

背景技术

激光加工是材料加工中的一种重要的加工方法。在加工过程中，通常先将激光束进行聚焦，使用焦点处的光斑烧蚀去除材料。由于焦点处光斑最小且激光能量密度最高，相对于离焦位置的光斑，其加工精度最高，去除材料的能力最强。

当材料表面不平整或者柔性材料在固定装夹过程中出现不可避免的翘曲时，如果不进行焦点位置的校正，加工时实际聚焦位置与需要去除的材料表面存在偏差，会造成表面处理得到的结构、组织、成分不均匀，或切割加工尺寸出现偏差。

对于表面起伏变化较平缓的材料，比如表面经抛光处理的块体材料、薄膜材料、薄片材料等，现有加工方式中：有一些不做焦点位置的校正，将这些材料的加工面默认为与加工激光束方向垂直的理想平面，造成的结果是加工不均匀、尺寸出现偏差；另一些做焦点位置的校正，常用的方法是在加工前先测量加工路径上所有点的z坐标，再把z坐标添加到加工路径中进行加工，这种方法能做到精确加工，但前期测量工作量大，耗费时间，效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置，使用该方法和系统时，激光加工前的测量工作量小、效率高，可有效减小由于样品表面不平整造成的激光聚焦位置误差，提高表面处理或切割加工时的加工质量和加工精度；使用该装置时，该装置易于搭建，使用方便，节省大量搭建时间，提高工作效率。

本发明通过下述技术方案实现：

一种适用于不平整表面的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：在待加工样品表面划分一个或多个区域；其中，加工点位于所述区域内；

S2：在所述区域内建立空间直角坐标系，其中，x轴和y轴平行于放置所述待加工样品的水平面；并在所述区域内选取至少3个采样点，并根据所述采样点拟合一个试验平面；

S3：根据所述试验平面调节所述加工点的z坐标；

S4：根据调节后的加工点坐标调节激光的聚焦位置，进行激光加工。

进一步地，所述S3包括以下子步骤：

S31：获取所述加工点在所述试验平面与加工原点水平面的z坐标差值；其中，所述加工原点水平面为垂直于z轴的平面；

S32：用所述z坐标差值补偿所述加工点的z坐标，得到调节后的加工点坐标。

进一步地，所述步骤S3之前还包括以下步骤：

对所述采样点与所述试验平面的偏差进行拟合程度评估；如果所述采样点与所述试验平面的偏差过大，则将所述区域划分为多个子区域，并重复步骤S2。

在激光加工过程中，由于材料表面的不平整或者柔性材料在固定装夹过程中出现翘曲，加工时实际聚焦位置与需要去除的材料表面存在偏差，会造成表面处理得到的结构、组织、成分不均匀，或切割加工尺寸出现偏差，从而影响使用。

因此，在本申请中，提供了一种适用于不平整表面的激光加工方法，通过对待加工样品的表面进行区域划分，将待加工材料表面弯曲的部位划分至不同的区域内，从而使得位于相同区域内的待加工样品表面的弯曲度降低，通过在每个区域内拟合一个试验平面，并根据试验平面调整加工路径的位置坐标，使加工路径的z轴坐标可以跟随拟合试验平面的起伏进行调整。

另外，在本方案中，通过对试验平面的拟合程度进行评估，使得试验平面与待加工样品表面的偏差程度小，从而使得在激光加工过程中，激光聚焦位置可以跟随待加工样品的表面运动，从而提高加工质量和加工精度。

一种适用于不平整表面的激光加工系统，包括划分模块、处理模块和加工模块；

所述划分模块，用于将待加工样品表面划分为一个或多个区域；其中，加工点位于所述区域内；

所述处理模块，用于根据所述区域拟合一个试验平面，并根据所述试验平面调节所述加工点坐标；

所述加工模块，用于根据调节后的加工点坐标调节激光的聚焦位置，进行激光加工。

进一步地，所述处理模块包括构造模块、计算模块以及补偿模块；

所述构造模块，用于在所述区域内建立空间直角坐标系，其中，x轴和y轴平行于放置所述待加工样品的水平面；并在所述区域内选取至少3个采样点，并根据所述采样点拟合一个试验平面；

所述计算模块，用于计算所述加工点在所述试验平面与加工原点水平面的z坐标差值；其中，所述加工原点水平面为垂直于z轴的平面；

所述补偿模块，用于将所述z坐标差值补偿所述加工点的z坐标，得到调节后的加工点坐标。

进一步地，所述处理模块还包括评估模块，所述评估模块用于对所述采样点与所述试验平面的偏差进行拟合程度评估；如果所述采样点与所述试验平面偏差过大，则将所述区域划分为多个子区域，并返回至所述构造模块。

本方案提供的激光加工系统，通过拟合试验平面，使加工路径的z轴坐标跟随拟合试验平面的起伏进行调整；同时还对试验平面的拟合程度进行评估，可以将待加工样品表面细分，使得试验平面与待加工样品表面的偏差程度小，从而使得在激光加工过程中，激光聚焦位置可以跟随待加工样品的表面运动，从而提高加工质量和加工精度。

一种不平整表面的激光加工装置，包括三维电动平移台、z轴测距单元和光束聚焦单元；

所述三维电动平移台，用于承载所述待加工样品；

所述z轴测距单元，用于测量所述待加工样品表面在z轴方向的高度；

所述光束聚焦单元，用于将激光束聚焦后对所述待加工样品加工。

进一步地，所述z轴测距单元为激光位移传感器或同轴监测系统；所述同轴监测系统包括显微成像系统和CCD。

进一步地，当所述z轴测距单元为所述同轴监测系统时，所述激光加工装置包括三维电动平移台、显微物镜、半透反射镜以及所述CCD；所述CCD、所述半透反射镜、所述显微物镜以及所述三维电动平台从上至下依次设置；

工作时，所述待加工样品放置于所述三维电动平台上，激光光束经所述半透反射镜反射后，所述激光光束传输至所述显微物镜，并通过所述显微物镜聚焦到所述待加工样品上；通过移动所述三维电动平移台，使得所述待加工样品在所述CCD中形成清晰的像，同时使得所述待加工样品与所述激光光束焦点的相对运动，从而实现加工。

进一步地，当所述z轴测距单元为所述激光位移传感器时，所述激光加工装置包括三维电动平移台、动态聚焦镜、扫描振镜、聚焦透镜以及所述激光位移传感器；

工作时，所述待加工样品放置于所述三维电动平台上，激光光束依次通过所述动态聚焦镜和所述扫描振镜后，所述聚焦透镜将所述激光光束聚焦到所述待加工样品上；通过调节所述动态聚焦镜和所述扫描振镜对所述激光光束的发散角和所述激光光束的方向进行调整，实现聚焦焦点相对于所述待加工样品的三维运动，从而实现加工；所述激光位移传感器用于测量所述待加工样品表面在z轴方向上的距离。

本方案提供的激光加工装置，三维电动平移台可以对待加工样品的水平位置(前后左右)进行调节，从而获取加工点在x轴和y轴上的位置坐标；利用z轴测距单元可以测量待加工样品在z轴的距离，从而获取加工点在z轴的位置坐标；光束聚焦单元用于将激光光束聚焦到加工点，保证激光在待加工工件表面精确聚焦，提高激光加工的加工品质。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本方案提供了一种适用于不平整表面的激光加工方法、系统以及装置，使用该方法和系统时，激光加工前的测量工作量小、效率高，可有效减小由于样品表面不平整造成的激光聚焦位置误差，提高表面处理或切割加工时的加工质量和加工精度；使用该装置时，该装置易于搭建，使用方便，节省大量搭建时间，提供工作效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种适用于不平整表面的激光加工装置的示意图；

图2为本发明实施例提供的加工区域划分及采样点选取示意图；

图3为本发明实施例提供的加工实物效果图；

图4为本发明实施例提供的一种适用于不平整表面的激光加工装置的示意图；

图5为本发明实施例提供的加工区域划分及采样点选取示意图；

图6为本发明实施例提供的加工区域划分示意图；

图7为本发明实施例提供的拟合得到的试验平面示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1、三维电动平移台；2、显微物镜；3、半透反射镜；4、CCD；5、待加工样品；6、区域A；7、动态聚焦镜；8、扫描振镜；9、聚焦透镜；10、激光位移传感器；11、区域B；12、区域C。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

一种适用于不平整表面的激光加工方法，包括以下步骤：

S1：在待加工样品5表面划分一个或多个区域；其中，加工点位于划分的区域内；

S2：在区域内建立空间直角坐标系，其中，x轴和y轴平行于放置待加工样品5的水平面；并在区域内选取至少3个采样点，并根据采样点拟合一个试验平面；

S3：根据试验平面调节加工点的z坐标；

S4：根据调节后的加工点坐标调节激光的聚焦位置，进行激光加工。

进一步地，在本实施例中，S3包括以下子步骤：

S31：获取加工点在试验平面与加工原点水平面的z坐标差值；其中，加工原点水平面为垂直于z轴的平面；

S32：用z坐标差值补偿加工点的z坐标，得到调节后的加工点坐标。

进一步地，在本实施例中，步骤S3之前还包括以下步骤：

对采样点与试验平面的偏差进行拟合程度评估；如果采样点与试验平面的偏差过大，则将区域划分为多个子区域，并重复步骤S2，具体如下：

在划分的区域内选取不少于4个采样点，用其中任意的三个采样点拟合一个试验平面；

判断其余的采样点是否位于拟合的试验平面内；

如果其余的采样点位于拟合的试验平面内，或是其余的采样点虽然不在拟合的试验平面内，但是与拟合的试验平面的偏差非常小，则认为拟合的试验平面可用；

否则，则对该区域进行划分，得到更多的子区域，并在每个子区域内均拟合一个试验平面，直至试验平面可用。

在本实施例中，通过拟合试验平面，使加工路径的z轴坐标跟随拟合试验平面的起伏进行调整；同时进行拟合程度评估，使得试验平面与待加工样品5表面的偏差程度小，从而使得在激光加工过程中，激光聚焦位置可以跟随待加工样品5的表面运动，从而提高加工质量和加工精度。

一种适用于不平整表面的激光加工系统，包括划分模块、处理模块和加工模块；

划分模块，用于将待加工样品5表面划分为一个或多个区域；其中，加工点位于划分的区域内；

处理模块，用于根据划分的区域拟合一个试验平面，并根据试验平面调节加工点坐标；

加工模块，用于根据调节后的加工点坐标调节激光的聚焦位置，进行激光加工。

进一步地，处理模块包括构造模块、计算模块以及补偿模块；

构造模块，用于在区域内建立空间直角坐标系，其中，x轴和y轴平行于放置待加工样品5的水平面；并在区域内选取至少3个采样点，并根据采样点拟合一个试验平面；

计算模块，用于计算加工点在试验平面与加工原点水平面的z坐标差值；其中，加工原点水平面为垂直于z轴的平面；

补偿模块，用于将z坐标差值补偿加工点的z坐标，得到调节后的加工点坐标。

进一步地，处理模块还包括评估模块，评估模块用于对采样点与试验平面的偏差进行拟合程度评估；如果采样点与试验平面偏差过大，则将区域划分为多个子区域，并返回至构造模块。

一种不平整表面的激光加工装置，包括三维电动平移台1、z轴测距单元和光束聚焦单元；

三维电动平移台1，用于承载待加工样品5；

z轴测距单元，用于测量待加工样品5表面在z轴方向的高度；

光束聚焦单元，用于将激光束聚焦后对待加工样品5加工。

其中，z轴测距单元可以是激光位移传感器10，也可以同轴监测系统。

当z轴测距单元为同轴监测系统时，激光加工装置包括三维电动平移台1、显微物镜2、半透反射镜3以及CCD4；CCD4、半透反射镜3、显微物镜2以及三维电动平台从上至下依次设置；

工作时，待加工样品5放置于三维电动平台上，激光光束经半透反射镜3反射后，激光光束传输至显微物镜2，并通过显微物镜2聚焦到待加工样品5上；通过移动三维电动平移台1，实现待加工样品5在CCD4中形成清晰的像，同时实现待加工样品5与激光光束焦点的相对运动，从而实现加工。

当z轴测距单元为激光位移传感器10时，激光加工装置包括三维电动平移台1、动态聚焦镜7、扫描振镜8、聚焦透镜9以及激光位移传感器10；

工作时，待加工样品5放置于三维电动平台上，激光光束依次通过动态聚焦镜7和扫描振镜8后，聚焦透镜9将激光光束聚焦到待加工样品5上；通过调节动态聚焦镜7和扫描振镜8对激光光束的发散角和激光光束的方向进行调整，实现聚焦焦点相对于待加工样品5的三维运动，从而实现加工；激光位移传感器10用于测量待加工样品5表面在z轴方向上的距离。

本方案提供的激光加工装置，三维电动平移台1可以对待加工样品5的水平位置(前后左右)进行调节，从而获取加工点在x轴和y轴上的位置坐标；利用z轴测距单元可以测量待加工样品5在z轴的距离，从而获取加工点在z轴的位置坐标；光束聚焦单元用于将激光光束聚焦到加工点，保证激光在待加工工件表面精确聚焦，提高激光加工的加工品质。

以下，通过具体的实施例对本方案进行说明：

实施例1

本实施例中提供的激光加工装置如图1所示，包括：三维电动平移台1、显微物镜2、半透反射镜3以及CCD4，其中，半透反射镜3、显微物镜2以及三维电动平台1从上至下依次设置。

加工时，将待加工样品5放置在三维电动平移台1上，激光光束经半透反射镜3反射后，通过显微物镜2聚焦到待加工样品5上。通过控制三维电动平移台1的运动，实现待加工样品5与激光焦点的相对运动，从而实现加工。待样品表面通过显微物镜2成像的光线由CCD4接收。

在本实施例中，提供的激光加工方法如下：

如图2所示，首先将待加工样品5表面待加工的部分划分为一个区域A6，并在该区域A6内设定P1、P2、P3、P4、P5五个采样位置。通过控制三维电动平移台1的x轴和y轴运动，从而分别将待加工样品5上的五个采样位置移动到CCD4视场中心，同时通过调节三维电动平移台1的z轴运动使待加工样品5的5个采样位置在CCD4中成像达到最清晰，并记录三维电动平移台1的x轴、y轴以及z轴的坐标。

例如五个采样位置的坐标分别为：P1(0,0,0)、P2(-5000,0,-20)、P3(5000,0,22)、P4(0,-5000,-35)和P5(0,5000,32)。利用这5个采样位置的坐标进行拟合得到一个试验平面，该试验平面的平面方程为z＝0.0042x+0.0067y-0.25。根据该平面方程和采样点的位置坐标可知，该试验平面与待加工样品5的实际表面在五个采样位置的z坐标偏差分别为-0.25、-1.25、-1.25、1.25、1.25。以上数据单位均为μm。以飞秒激光加工为例，激光焦点尺寸在10μm量级，可认为上述偏差很小，不影响加工效果，此时认为该划分区域方式及平面拟合结果符合加工要求。

在激光加工中，上述类型的采样结果常见于表面经过磨光、抛光处理的样品，由于磨光、抛光平面与样品底面不完全平行，使样品底面放置在三维电动平移台1上后，样品上表面近似为一个相对x-y平面略微倾斜的平面。

对该待加工样品5进行表面矩形区域激光扫描加工。默认的加工路径假定样品表面与x-y平面平行，加工路径为一系列的坐标点M_i(x_i,y_i,0)。经上述步骤进行平面拟合后，新的加工路径为M_i(x_i,y_i,z_i)，其中z_i＝0.0042x_i+0.0067y_i-0.25。使用新的加工路径进行加工，就能有效减少激光焦点与样品表面在z轴方向上的偏离，提高加工质量。

采用本实施例的方法进行样品的表面加工，与现有技术中未对样品表面起伏进行校正直接加工的方法相比，具有表面加工得到的结构形貌、组织成分等分布均匀的优势，比如：

如图3所示，在两块25mm×25mm×2mm的铜片上25mm×15mm的矩形区域进行逐行扫描加工，以得到光学高吸收的表面。在加工前，两块铜片的表面经相同的抛光处理至镜面，表面起伏均存在±30μm的误差。其中图3(左)样品采用本实施例的方法进行加工，图3(右)样品省略对样品表面起伏进行校正的步骤直接加工，可以看出图3(左)样品经处理的表面均匀性明显好于图3(右)样品。

实施例2

本实施例提供的激光加工装置如图4所示，包括：三维电动平移台1、动态聚焦镜7、扫描振镜8、聚焦透镜9、激光位移传感器10。待加工样品5放置在三维电动平移台1上，激光光束依次通过动态聚焦镜7和扫描振镜8，再由聚焦透镜9聚焦到待加工样品5上。通过动态聚焦镜7对激光光束发散角的调整以及扫描振镜8对激光光束方向的调整，可以实现聚焦焦点相对于待加工样品5的三维运动，从而实现加工。激光位移传感器10用于测量其与样品表面在z轴方向上的相对距离。

本实施例提供的激光加工方法是：

如图5所示，首先将待加工样品5表面待加工的部分划分为一个区域B11，在该区域B11内设定P1、P2、P3、P4、P5五个采样位置，控制三维电动平移台1的x、y轴运动，分别将样品上五个采样位置移动到激光位移传感器10的测量点，此时记录三维电动平移台1的x轴和y轴的坐标(x,y)以及激光位移传感器10的测量值D。为方便表示，将激光位移传感器10的测量值D的负值加上一个固定值s，作为采样点的z坐标，即z＝-D+s。

例如五个采样位置的坐标分别为：P1(0,0,45)、P2(-5000,0,5)、P3(5000,0,5)、P4(0,-5000,5)、P5(0,5000,5)。利用这5个采样位置的坐标进行拟合得到一个试验平面，该试验平面的平面方程为z＝25，该试验平面与待加工样品5的实际表面在五个采样位置的z坐标偏差分别为-20，20，20，20，20。以上数据单位为μm。以飞秒激光加工为例，激光焦点尺寸在10μm量级，可认为上述偏差较大，影响加工效果，将待加工样品5的表面区域划分为一个区域B11并进行平面拟合不可行，因此需要重新划分。

如图6所示，将待加工样品5表面待加工的部分重新划分为九个区域C12，对于每个区域C12分别采用上述方式进行拟合，得到九个区域内的九个平面方程，如图7所示，拟合后z坐标偏差小于±5μm，此时认为该划分区域方式及平面拟合结果符合加工要求。

在激光加工中，上述类型的采样结果常见于较薄的柔性样品在固定后呈现的四周固定、中央隆起的情况。

对该待加工样品5进行激光切割加工。默认的加工路径假定样品表面与x-y平面平行，加工路径为一系列的坐标点M_i(x_i,y_i,0)。经上述步骤进行平面拟合后，新的加工路径为M_i(x_i,y_i,z_i)，其中z_i根据所在不同区域内的平面方程进行计算。使用新的加工路径进行加工，就能有效减少激光焦点与样品表面在z轴方向上的偏离，提高加工质量。

采用本实施例的方法进行薄样品的切割加工，与现有技术中未对样品表面起伏进行校正直接加工的方法相比，具有加工效率高、尺寸精确的优势，比如：

对厚度50μm，表面起伏存在±25μm的误差的钽金属箔进行切割，加工时间缩短50％，切割1000μm的尺寸精度由1000±20μm提高到1000±2μm。

本发明中对样品局部表面z轴方向上的相对距离测量的精度与使用的测距方式有关：

通过调节三维电动平移台1的z轴使样品通过显微物镜2在CCD4上成像清晰的z轴测距方式，其测距精度与显微物镜2景深有关，一般而言，使用5X镜头的精度约10μm，10X镜头约5μm，20X镜头约2.5μm，50X镜头约1μm。当三维电动平移台1z轴的最小步进距离大于显微镜头景深决定的精度时，该方式的测距精度为该最小步进距离。

使用激光位移传感器10的z轴测距方式，根据常见的该类设备，其测距精度为0.05μm至50μm不等。

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。