СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОВЕРХНОСТИ В ОБЛАСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR OPTICAL MONITORING OF SURFACE IN LASER IMPACT AREA AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при мониторинге поверхности в области лазерного воздействия.
Известен способ оптического мониторинга поверхности в области лазерной обработки путем измерения температуры [1], состоящий в регистрации теплового излучения поверхности в 2-х спектральных интервалах.
Недостатком данного способа является то, что его невозможно применить в системе с гальвосканером с F-teta линзой и ограниченный уровень информации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является реализованный в устройстве [2] способ оптического мониторинга поверхности в области лазерной обработки, состоящий в регистрации теплового излучения поверхности в двухспектральных интервалах.
Недостатком данного способа является то, что регистрация теплового излучения осуществляется в спектральных интервалах значительно удаленных от полосы излучения лазера, что приводит при сканировании поверхности к значительному смещению изображения поверхности в свете этих длин волн по отнощению к изображению в свете длины волны лазера вследствие аберраций промышленной F-teta линзы гальвосканера и, как следствие, к искажению результатов измерения и необходимости разработки специальной F-teta линзы, что существенно усложняет и удорожает лазерную систему.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа оптического мониторинга поверхности, позволяющего получить полный объем информации о состоянии поверхности в области лазерного воздействия путем измерения максимальной температуры поверхности в области воздействия лазерного излучения, распределения температуры в области воздействия, визуализации области воздействия с измерением ванны расплава и других структур при сканировании поверхности с помощью гальваносканера с серийно выпускаемой F-teta линзой и устройства для его осуществления.
В заявляемом способе спектральные линии регистрации теплового излучения поверхности с помощью многоканального пирометра и спектральные полосы регистрации теплового излучения поверхности видеокамерой, а также спектральные линии излучения источников подсветки поверхности располагают в полосе отражения зеркал гальвосканера по обе стороны линии лазерного излучения в ее непосредственной близости.
Сущность способа поясняется схемой фиг.1, где представлена зависимость пропускания оптической системы гальваносканера от длины волны излучения.
Длины волн излучения регистрируемого многоканальным пирометром 3 длины волн излучения источников подсветки поверхности 2 и полосы регистрации видеокамер 5; 4 располагаются в полосе максимального пропускания оптической системы гальваносканера и вблизи линии излучения лазера 1. Это обеспечивает минимальные искажения и высокую точность результатов измерений ввиду малости аберраций F-teta линзы в этой области длин волн.
Известно устройство [1], содержащее сканер и двухканальный оптический пирометр с объективом.
Данное устройство не обеспечивает точности измерения температуры в малых пятнах воздействия лазерного излучения при использовании сканера с F-teta линзой ввиду сильной хроматической аберрации F-teta линз, которые рассчитываются для использования одной длины волны и могут быть скорректированы еще только на одной длине волны.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [2] устройство, содержащее гальвосканер с F-teta линзой и двухканальный оптический пирометр с объективом, видеокамеру.
Недостатком данного устройства является то, что дихроичными поворотными зеркалами возможно выделение области спектра излучения, посылаемого на пирометр, только в области слабого отражения зеркал гальвосканера и удаленной от волны излучения лазера, что приводит к ошибкам измерения вследствие сдвига изображения, формируемого F-teta линзой и объективом пирометра на входной диафрагме пирометра и искажений изображения на видеокамере из-за сильных аберраций F-teta линзы при использовании излучения с длиной волны, удаленной от лазерной длины волны.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения температуры поверхности и ее распределения в области воздействия лазерного излучения, содержащее гальвосканер с F-teta линзой, многоканальный оптический пирометр с объективом и видеокамеру с объективом и источник подсветки поверхности.
С помощью поворотных зеркал с градиентом коэффициента отражения по плоскости зеркала осуществляют ввод лазерного излучения в гальвосканер через область зеркала с 100% или нулевым отражением, а тепловое излучение поверхности и рассеянное поверхностью излучение источников подсветки направляют на детекторы - видеокамеру и пирометр через области зеркала с максимальным пропусканием или отражением вне полосы частот лазерного излучения, но вблизи длины волны лазерного, в ее непосредственной близости.
Устройство дополнительно содержит поворотное градиентное зеркало с 100% коэффициентом отражения или 100% пропусканием его центральной части на длине волны лазера, оптически связанное с лазером, двухканальным оптическим пирометром с объективом и видеокамерой, причем пирометр регистрирует тепловое излучение поверхности в нескольких узких спектральных интервалах вблизи спектральной полосы.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом (фиг.2), где 1 - лазер, 2 - градиентное поворотное зеркало, 3 - гальваносканер, 4 - объектив 5 - обрабатываемая поверхность, 6 - F-teta линза, 7 - дихроичное зеркало, 8 - диафрагма пирометра, 9 - световод, 10 - пирометр, 11 - фильтр 12 - объектив 13 - видеокамера.
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1 проходит через центральную область поворотного зеркала и вводится на зеркала гальвосканера 3 и с помощью F-teta объектива 6 фокусируется на поверхности обработки 5. При вращении зеркал сканера фокус лазера перемещается по поверхности 5. Изображение фокальной области строится на диафрагме пирометра 8 с помощью F-teta линзы и объектива пирометра 4. Пирометр 10 регистрирует тепловое излучение нагретой поверхности в узких спектральных участках вблизи линии излучения лазера. С помощью объектива 12 и F-teta линзы изображение поверхности на длине волны, вырезаемой фильтром 11, регистрируется видеокамерой 13. У поворотного зеркала на 100% отражение работает периферия поворотного зеркала, а лазерное излучение пропускается центральной эллиптической областью с 100% коэффициентом пропускания. Так как измерения проводятся на длинах волн вблизи линии генерации лазера, то хроматические аберрации F-teta линзы будут приводить к пренебрежимо малым смещениям изображения на диафрагме пирометра при сканировании поверхности и минимальным искажениям изображения регистрируемого видеокамерой.
Изображение области поверхности с помощью F-teta линзы и объектива строится в плоскости матрицы видеокамеры. С помощью зеркал и фильтра выделяется узкая область спектра теплового излучения поверхности вблизи линии излучения лазера. Полученное изображение области лазерной обработки имеет пренебрежимо малые искажения и дает возможность построить распределение яркостной температуры поверхности в области обработки. Многоканальный пирометр при числе каналов больше двух позволяет определить излучательную способность поверхности, что позволяет получить и распределение термодинамической температуры.
В устройстве на фиг.3 градиентное зеркало имеет 100% отражение центральной области на длине волны лазера при 100% пропускании периферии зеркала в широкой области спектра.
В устройство  на фиг.4 дополнительно введен источник подсветки поверхности 16, излучение которого с помощью телескопа поворотного зеркала 18 и градиентного зеркала вводится в гальваносканер и фокусируется в области обработки. Изображение поверхности в свете этого источника строится с помощью F-teta линзы и объективов 4,12 в плоскости матрицы видеокамеры 13. Фильтрами 11 выделяется либо излучение подсветки, либо тепловое излучение поверхности.
Таким образом, заявляемый способ и устройство обеспечивают полный мониторинг поверхности в области лазерного воздействия при ее сканировании с помощью гальвосканера с F-teta линзой с минимальной погрешностью при использовании серийной оптики.
Литература
1. Патент JP №2007190576 A.
2. Чивель Ю.А., Смуров И., Лаже Б. // Патент RU 2371704, 27.10.2009.