CN110672011A - 一种基于激光自混合干涉的校准装置和自动化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光自混合干涉的校准装置和自动化系统，该校准装置包括：承载单元，其预设定位区域用于承载并初步定位待定位物体，待定位物体朝向自混合干涉单元的一侧贴合设置反射片；自混合干涉单元：包括半导体激光器，发出初始光束，初始光束照射至反射片上，并被反射片反射形成反射光束，反射光束沿初始光束的反方向传输至半导体激光器，并与初始光束发生自混合干涉，形成反馈光束；光电接收器，接收反馈光束，并将反馈光束转换为电信号；信号放大单元接收并放大电信号；数据处理单元接收并处理被放大后的电信号，确定干涉条纹的数量，并在干涉条纹的数量小于或等于预设值时，确定待定位物体定位准确。如此，结构简单，定位准确。

Description

一种基于激光自混合干涉的校准装置和自动化系统

技术领域

本发明实施例涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种基于激光自混合干涉的校准装置和自动化系统。

背景技术

随着刻字技术的发展，从最初的在朽木上刻雕文，到石头上刻字，再到如今在金属表面刻字或者标志；其中，部分刻字操作是为了美观，部分刻字操作是为了使待定位物体具有较高的辨识度，如此，需要在待定位物体表面刻上一些专属标志。在对任何一种材质的待定位物体进行刻字操作时，对待定位物体的定位是极其重要的，待定位物体的位置准确且固定的情况下，可保证不会刻偏，从而使物体外观更加美观。

利用激光技术测量位移的装置包括激光干涉仪，激光干涉仪基于光学干涉的方法，以光波长作为测尺，是目前科学工程和工业领域中精密位移测量的重要工具。但是，市场上的激光干涉仪通常结构复杂；将其应用于刻字过程中的定位操作时，导致刻字装置整体结构复杂。

发明内容

本发明实施例提供一种基于激光自混合干涉的校准装置和自动化系统，以对待定位物体准确定位，且装置结构简单。

第一方面，本发明实施例提出一种基于激光自混合干涉的校准装置，该校准装置包括：承载单元、自混合干涉单元、信号放大单元以及数据处理单元；

所述承载单元的预设定位区域用于承载并初步定位待定位物体，所述待定位物体朝向所述自混合干涉单元的一侧贴合设置反射片；

所述自混合干涉单元包括半导体激光器和光电接收器；所述半导体激光器发出初始光束，所述初始光束照射至所述反射片上，并被所述反射片反射形成反射光束，所述反射光束沿所述初始光束的反方向传输至所述半导体激光器，并与所述初始光束发生自混合干涉，形成反馈光束；所述光电接收器位于所述半导体激光器的后向输出光路上，所述光电接收器接收所述反馈光束，并将所述反馈光束转换为电信号；

所述信号放大单元用于接收并放大所述电信号；

所述数据处理单元用于接收并处理被所述信号放大单元放大后的所述电信号，根据放大后的所述电信号确定干涉条纹的数量，并在干涉条纹的数量小于或等于预设值时，确定所述待定位物体定位准确。

在一实施例中，所述自混合干涉单元还包括微透镜，所述微透镜位于所述半导体激光器的前向输出光路上。

在一实施例中，该校准装置还包括温度监控器和电流控制器；

所述温度监控器用于监测并控制所述半导体激光器的工作温度在预设工作温度范围内；

所述电流控制器用于根据所述半导体激光器的工作温度确定所述半导体激光器的工作电流。

在一实施例中，所述自混合干涉单元的数量为两个或三个；

各不同所述自混合干涉单元的照射到所述反射片上的所述初始光束的方向相互垂直。

在一实施例中，该校准装置还包括三维位移平台，所述三维位移平台可在三维立体空间内沿任意方向平移；

所述自混合干涉单元与所述三维位移平台一一对应固定。

在一实施例中，所述信号放大单元包括信号放大电路，所述数据处理单元包括数据采集卡。

在一实施例中，所述数据处理单元采用集合经验模态分解方式对放大后的所述电信号进行去噪处理。

在一实施例中，该校准装置还包括机械臂；

所述机械臂用于将所述待定位物体放置于所述承载单元的预设定位区域。

在一实施例中，该校准装置还包括报警单元，所述报警单元与所述数据处理单元电连接，或者所述报警单元内嵌于所述数据处理单元中；

所述报警单元用于在所述数据处理单元确定所述干涉条纹的数量大于所述预设值时，发出警报。

在一实施例中，所述警报的形式包括发出声音、发出光线或者显示画面中的至少一种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种自动化系统，该自动化系统包括第一方面提供的任一种基于激光自混合干涉的校准装置。

本发明实施例提供的基于激光自混合干涉的校准装置，通过利用激光自混合干涉原理对待定位物体的位置进行定位和校准，能精准的定位待定位物体，定位误差小，装置结构简单；在待定位物体的刻字过程中，可实时监测待定位物体的位置，当待定位物体的实时位置与其预定位置存在偏差时，可立即报警，以免后续在偏差位置继续刻字而导致造成更多的损失。如此，该校准装置既保证了定位准确性，也保证较好的刻字完成质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于激光自混合干涉的校准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于激光自混合干涉的校准装置的一种立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种基于激光自混合干涉的校准装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种基于激光自混合干涉的校准装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于紫光自混合干涉的校准装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

参照图1和图2，该基于激光自混合干涉的校准装置10(本文中也简称为“校准装置10”)包括：承载单元110、自混合干涉单元120、信号放大单元130以及数据处理单元140；承载单元110的预设定位区域用于承载并初步定位待定位物体20，待定位物体20朝向自混合干涉单元120的一侧贴合设置反射片210；自混合干涉单元120包括半导体激光器121和光电接收器122；半导体激光器121发出初始光束301，初始光束301照射至反射片210上，并被反射片210反射形成反射光束302，反射光束302沿初始光束301的反方向传输至半导体激光器121，并与初始光束301发生自混合干涉，形成反馈光束303；光电接收器122位于半导体激光器121的后向输出光路上，光电接收器122接收反馈光束303，并将反馈光束303转换为电信号；信号放大单元130用于接收并放大电信号；数据处理单元140用于接收并处理被信号放大单元放大后的电信号，根据放大后的电信号确定干涉条纹的数量，并在干涉条纹的数量小于或等于预设值时，确定待定位物体20定位准确。

其中，承载单元110可为一操作平台，待后续待定位物体20定位准确后，即可对待定位物体20进行刻字操作。

示例性的，操作平台表面可设置一与待定位物体20的形状相适应的凹坑，该凹坑对应的区域即为预设定位区域，用以放置待定位物体20。该凹坑在操作平台表面的面积大小可略大于待定位物体20，从而方便将待定位物体20放置于该预设定位区域中，完成其初步定位。

其中，待定位物体20表面所贴的反射片210的反射率可根据实际需求设置，具有反射激光光束的功能即可；反射片210可为全反射片，或为半反射片，或为其他反射率取值的反射片，本发明实施例对此不作限定。

其中，激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后,部分光反馈回激光器内,与激光腔内光相混合后,引起激光器输出功率发生变化的现象,也可称为光回馈，自混合干涉只有一个光学通道，对比于传统激光干涉，具有结构简单、易准直等优点。

基于此，该校准装置10的工作原理为：半导体激光器121发出初始光束301，照射至反射片210上，并被反射形成反射光束302；反射光束302与初始光束301在一条直线上，反射光束302包括反射光和散射光；反射光束302回到半导体激光器121的光学腔内，形成光反馈效应，这种效应引起激光器半导体121的输出功率以及输出光功率的变化，发生半导体激光自混合干涉现象，形成反馈光束303。利用光电接收器122接收反馈光束303，并将光信号转换为电信号，后续经过信号放大单元130件供电信号放大，再通过数据处理单元140接收放大后的电信号并进行数据分析，利用条纹计数法计数，可得到反馈光束303中的干涉条纹的数量，根据反射条纹的数量可确定待定位物体20的位置是否准确。对于此，设定预设值，当干涉条纹数量小于或等于预设值时，则认为待定位物体20的位置准确；当干涉条纹的数量大于预设值时，则认为待定位物体20的偏差较大，需调整后再开始进行刻字操作。

示例性的，预设值可为2。则当计数数值小于或等于2时，视为没有问题，即待定位物体20的位置在可接受的误差范围内；当计数数值大于2时，说明待定位物体20的位置不准确，可进行报警，提示操作人员需要重新调整待定位物体20的位置，否则刻字定位会出现偏差，影响美观。

在其他实施方式中，预设值可根据校准装置10的实际需求设置，例如可为1、3或其他数值，本发明实施例对此不作限定。

示例性的，光电接收器122可为光电二极管(Photo-Diode，PD)，也可为本领域技术人员可知的其他光电转换电路元器件，本发明实施例对此不作限定。

示例性的，本发明实施例中，通过设置自混合干涉单元120包括半导体激光器(Laser Diode，LD)121，有利于减小整体体积，降低成本，延长寿命。

在其他实施方式中，激光器还可选用其他类型的激光器，可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

需要说明的是，由于初始光束301和反射光束302在一条直线上，图1中仅以带双箭头的实线同时示出了初始光束301和反射光束302，而仅利用箭头指向对两者进行了区分。

本发明实施例提供的基于激光自混合干涉的校准装置10，通过利用激光自混合干涉原理对待定位物体20的位置进行定位和校准，能精准的定位待定位物体20，定位误差小，装置结构简单；在待定位物体20的刻字过程中，可实时监测待定位物体20的位置，当待定位物体20的实时位置与其预定位置存在偏差时，可立即报警，以免后续在偏差位置继续刻字而导致造成更多的损失。如此，该校准装置10既保证了定位准确性，也保证较好的刻字完成质量。

参照图3，在一实施例中，自混合干涉单元120还包括微透镜123，微透镜123位于半导体激光器121的前向输出光路上。

其中，微透镜123可为汇聚透镜，用于将由反射片210反射或散射的光线中的尽量多的光线汇聚到半导体激光器121中，从而有利于提高信噪比，进而有利于提高待定位物体20的定位准确性。

示例性的，微透镜123可为单个的光学透镜，也可为多个透镜组成的透镜组，可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

在一实施例中，微透镜123、光电接收器122以及半导体激光器121还可集成设置，以减少校准装置10中的元部件数量。

继续参照图3，在一实施例中，校准装置10还包括温度监控器124和电流控制器125；温度监控器124用于监测并控制半导体激光器121的工作温度在预设工作温度范围内；电流控制器125用于根据半导体激光器121的工作温度确定半导体激光器121的工作电流。

其中，半导体激光器121采用电流控制器125进行电流驱动，以发出初始(激光)光束301。其工作过程中会产生热量，随着热量的积累，半导体激光器121的温度升高；而半导体激光器121的温度影响初始光束301的出射波长，进而导致测量偏差。本实施例中，通过设置温度监控器124和电流控制器125，可确保半导体激光器121正常驱动，避免其自身波长变化对测量结果带来的影响，从而有利于却道待定位物体20的定位精度较高。

示例性的，预设工作温度范围可为25℃-28℃，或为本领域技术人员可知的其他可选温度范围，可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

继续参照图2，在一实施例中，自混合干涉单元120的数量为两个；两个自混合干涉单元120的照射到反射片上的初始光束301的方向相互垂直。

示例性的，待定位物体20的形状为长方体，通过在该待定位物体20的相邻两侧面(均为侧面)贴附反射片210，并利用自混合干涉单元120对相互垂直的两个方向上的待定位物体20的位置进行测量，可得到该待定位物体20在二维平面内的位置，实现二维空间内的位置测量。

在一实施例中，自混合干涉单元120的数量为三个(图中未示出)；三个自混合干涉单元120的照射到反射片上的初始光束301的方向两两相互垂直。

示例性的，待定位物体20的形状为长方体，通过在该待定位物体20的共顶点的三个侧面(包括一顶面和两侧面)贴附反射片210，并利用自混合干涉单元120对两两相互垂直的三个方向上的待定位物体20的位置进行测量，可得到该待定位物体20在三维立体空间内的位置，实现三维空间内的位置测量。

在其他实施方式中，待定位物体20的形状还可为圆柱、棱柱、棱台或本领域技术人员可知的其他立体形状，本发明实施例对此不作限定。

在其他实施方式中，当自混合干涉单元120的数量为两个或三个时，各不同自混合干涉单元120的照射到反射片上的初始光束301的方向可不垂直相交，可限定出二维平面或三维立体空间即可，相交具体角度值可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

继续参照图2和图3，在一实施例中，该校准装置10还包括三维位移平台150，三维位移平台150可在三维立体空间内沿任意方向平移；自混合干涉单元120与三维位移平台150一一对应固定。

其中，三维位移平台150可在三维立体空间内沿任一方向运动，以调整自混合干涉单元120相对于待定位物体20的高低、远近等，从而使得初始光束301可垂直入射至反射片210的表面，以使得反射光束302余入射光束301在一条直线上，从而有利于满足自混合干涉原理测量位移的条件。

示例性的，图2中以底座支架151代表了三维位移平台150的位置，三维位移平台150的形态可为本领域技术人员可知的任一种形态，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

继续参照图3，在一实施例中，信号放大单元130包括信号放大电路，数据处理单元140包括数据采集卡141。

其中，信号放大电路用于将微小的电信号放大，以便于后续数据处理，有利于提高测量精度。

示例性的，信号放大电路可设置于一印刷电路板(Printed circuit boards，PCB)中。

其中，数据处理单元140还包括计算机142，数据采集卡141采集数据，并传输至计算机142进行数据处理。

示例性的，利用采集卡采集信号时，若信号有干扰，可以利用三维位移平台150调节初始光束301照射在反射片210上的位置，来调节反馈信号，最后将数据传到PC端(即计算机142)进行处理。

示例性的，数据采集卡141可为NI系列采集卡，NI系列采集卡携带方便，使用简单，免驱安装，采集分辨率可调，容易采集，结合Labview使用可以使采集精度较高，从而有利于提高测量精度。

在其他实施方式中，数据采集卡141还可为本领域技术人员可知的其他类型的数据采集卡，可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

其中，PC端利用NI采集卡采集到的数据进行处理时，首先进行去噪预处理，然后再通过条纹计数法进行位移测量。

在一实施例中，PC端142采用集合经验模态分解(Ensemble Empirical ModeDecomposition，EEMD)方式对放大后的电信号进行去噪处理，得到纯净的自混合干涉信号，后再进行条纹计数法计算干涉条纹的数量。

在其他实施方式中，还可采用本领域技术人员可知的其他方式扣除环境背景噪声，可根据校准装置10的实际需求设置，本发明实施例对此不作限定。

继续参照图2，在一实施例中，该校准装置10还包括机械臂160；机械臂160用于将待定位物体20放置于承载单元110的预设定位区域。

如此设置，可利用机械臂160完成待定位物体20的放置于取出，减少了人为参与，提高了自动化程度。

参照图4，在一实施例中，该校准装置10还包括报警单元170，报警单元170与数据处理单元150电连接，或者报警单元170内嵌于数据处理单元150中；报警单元170用于在数据处理单元150确定干涉条纹的数量大于预设值时，发出警报。

其中，预设值也可理解为允许误差范围。

如此设置，在刻字过程中，校准装置10可实时监测待定位物体20的位置，当待定位物体20的位置超出允许误差范围的最大值时，则警报单元170立即报警，以免后续造成更多的损失。这样，既保证了定位准确，也保证了较高的刻字质量。

在一实施例中，警报的形式包括发出声音、发出光线或者显示画面中的至少一种。

示例性的，声音可为蜂鸣声、滴滴声，光线可为黄光、红光，画面可为带叹号的红色警示画面；或者警报形式可为本领域技术人员可知的其他形式。

如此，警报的形式可根据校准装置10的需求灵活设置。

在上述实施方式的基础上，可参照图5，该校准装置10可划分为刻字装置和校准位置装置，基于此，校准装置10的工作流程可包括：

S510、在待定位物体的两侧贴上反射片。

S520、利用机械臂将待定位物体移动到操作平台上。

S530、将待定位物体进行初步定位。

S540、开启校准位置装置。

其后，校准装置执行S541、S542以及S543。

S541、将PD接收的数据输入到PCB放大。

S542、利用NI采集卡采集数据。

S543、在电脑端利用条纹计数法计数实现对位置的实时检测与校准。

S550、开启刻字装置。

其中，校准位置装置还工作于刻字装置的完整工作过程中，以在刻字过程中实时监测并校准待定位物体的位置。

需要说明的是，S520也可先于S510执行，本发明实施例对此不限定。

示例性的，本发明实施例提供的校准装置和校准方法可应用于手机刻字工艺的校准步骤中，也可应用于本领域技术人员可知的其他校准工艺中，本发明实施例对此不作限定。

本发明实施例提供的基于激光自混合干涉的校准装置10，通过利用激光自混合干涉原理对待定位物体20的位置进行定位和校准，能精准的定位待定位物体20，定位误差小，装置结构简单；在待定位物体20的刻字过程中，可实时监测待定位物体的位置，当待定位物体的实时位置与其预定位置存在偏差时，可立即报警，以免后续在偏差位置继续刻字而导致造成更多的损失。如此，该校准装置10既保证了定位准确性，也保证较好的刻字完成质量。

在上述实施方式的基础上，本发明实施例还提供了一种自动化系统，该自动化系统包括上述实施方式提供的任一种基于激光自混合干涉的校准装置。因此，该自动化系统也具有上述实施方式提供的校准装置所具有的技术效果，可参照上文中对校准装置的解释说明进行理解，在此不再赘述。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，包括：承载单元、自混合干涉单元、信号放大单元以及数据处理单元；

所述承载单元的预设定位区域用于承载并初步定位待定位物体，所述待定位物体朝向所述自混合干涉单元的一侧贴合设置反射片；

所述自混合干涉单元包括半导体激光器和光电接收器；所述半导体激光器发出初始光束，所述初始光束照射至所述反射片上，并被所述反射片反射形成反射光束，所述反射光束沿所述初始光束的反方向传输至所述半导体激光器，并与所述初始光束发生自混合干涉，形成反馈光束；所述光电接收器位于所述半导体激光器的后向输出光路上，所述光电接收器接收所述反馈光束，并将所述反馈光束转换为电信号；

所述信号放大单元用于接收并放大所述电信号；

所述数据处理单元用于接收并处理被所述信号放大单元放大后的所述电信号，根据放大后的所述电信号确定干涉条纹的数量，并在干涉条纹的数量小于或等于预设值时，确定所述待定位物体定位准确。

2.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于：所述自混合干涉单元还包括微透镜，所述微透镜位于所述半导体激光器的前向输出光路上。

3.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，还包括温度监控器和电流控制器；

所述温度监控器用于监测并控制所述半导体激光器的工作温度在预设工作温度范围内；

所述电流控制器用于根据所述半导体激光器的工作温度确定所述半导体激光器的工作电流。

4.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，所述自混合干涉单元的数量为两个或三个；

各不同所述自混合干涉单元的照射到所述反射片上的所述初始光束的方向相互垂直。

5.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，还包括三维位移平台，所述三维位移平台可在三维立体空间内沿任意方向平移；

所述自混合干涉单元与所述三维位移平台一一对应固定。

6.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，所述信号放大单元包括信号放大电路，所述数据处理单元包括数据采集卡。

7.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，所述数据处理单元采用集合经验模态分解方式对放大后的所述电信号进行去噪处理。

8.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，还包括机械臂；

所述机械臂用于将所述待定位物体放置于所述承载单元的预设定位区域。

9.根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的校准装置，其特征在于，还包括报警单元，所述报警单元与所述数据处理单元电连接，或者所述报警单元内嵌于所述数据处理单元中；

所述报警单元用于在所述数据处理单元确定所述干涉条纹的数量大于所述预设值时，发出警报。

10.一种自动化系统，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的基于激光自混合干涉的校准装置。

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