无需附加设备的2D振镜自动校正方法及系统

技术领域

本发明涉及激光振镜加工领域，如：激光标刻、激光清洗、FPC加工等，具体涉及一种无需附加设备的2D振镜自动校正方法及系统。

背景技术

在激光加工领域中，振镜作为一种易于控制激光光束的设备，在激光加工设备中十分常见。但振镜存在着固有扫描场的几何畸变，对于物镜后扫描方式来说，主要表现为X方向和Y方向上的枕形失真和桶形失真（如图1（a）-（b）所示）。在实际应用中,振镜扫描系统还存在着离焦、非线性、镜面偏置、电机失步等多种因素引起的误差,纯理论的校正方法难以达到较好的校正效果。

因此，为了保障振镜加工精度，需要对振镜的精度进行校正，比较常见的方式有以下两种：

①使用仪器测量(如：二次元测量仪)；

在校正板上标刻矩阵标靶后，将校正板固定在测量仪器上进行测量，由人工计算出理论与实际的相对偏差，手动将数据输入至补偿软件生成振镜校正文件再应用至振镜控制卡。此方法测量点数越多校正精度越高，但存在如下缺陷：效率低，较为费时；人为误差较大，需要专门的测量人员；测量设备昂贵，体积大，安装复杂，无法随意移动，不能满足随时随地对振镜进行校正的实际需求。

②定制标准校正板，结合CCD图像采集装置和图像处理技术进行校正（如专利：CN101513693A、CN103212873A）；

此方法需定制标准校正板，以标准校正板为基准进行。由振镜扫描模块控制激光在所述振镜校正板上形成矩阵标靶；CCD图像采集装置对所述振镜校正板上的矩阵标靶进行图像采集；图像处理模块对所述 CCD图像采集装置采集的矩阵标靶进行处理后输出振镜补偿文件对振镜进行校正。此方法的缺点为：标准校正板与实际加工材料之间存在材质与厚度的差异，用此方法完成振镜校正后，在实际产品上进行加工仍然可能存在一定偏差，且不同振镜幅面所需校正板大小不同，均需要重新定制。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种无需附加设备的2D振镜自动校正方法及系统，用以解决上述至少一个技术问题。

根据本发明说明书的一方面，提供一种无需附加设备的2D振镜自动校正方法，包括：

进行系统各模块的机械安装和调试，系统各模块包括振镜控制模块、CCD图像处理模块和运动控制平台；

将测试样品置于振镜正下方，利用振镜标刻图形，根据标刻的图形进行相机标定，并获取相机标定文件；

将新的测试样品置于振镜正下方，利用振镜标刻校正图形，利用相机采集校正图形，对采集的校正图形进行处理并生成校正文件。

上述技术方案利用目前激光加工设备中的常见模块对振镜进行自动校正，无需人为干预，无需校正标定板，可在项目现场随时随地开展振镜校正工作，配合软件可自动完成校正所有步骤，且对操作人员要求不高。

作为进一步的技术方案，相机标定进一步包括：将测试样品置于振镜正下方，记录运动控制平台此时的坐标为第一坐标；利用振镜在测试样品上标刻图形；移动运动控制平台，直至标刻图形处于相机视野中心，记录运动控制平台此时的坐标为第二坐标；根据所述第一坐标、第二坐标得到振镜中心与相机中心的偏差值。

上述技术方案利用图像处理技术进行相机标定，可将相机像素坐标统一至运动控制平台坐标系。

可选地，利用振镜在测试样品上标刻均匀分布的网格点阵列。

作为进一步的技术方案，校正文件的生成进一步包括：在新的测试样品上标刻校正图形，逐一采集校正图形上各网格点数据，对采集的各网格点数据进行处理，生成校正文件。

在标刻校正图形时，新的测试样品位于振镜正下方，在标刻完成后，控制运动控制平台的X轴、Y轴各自相对移动一定距离（该距离为相机标定时得到的坐标的偏差值），从而在相机视野正中心观察到校正图形的中心点。接着，可控制运动控制平台的X轴、Y轴移动，对校正图形的各网格点进行图像采集。

可选地，标刻的校正图形可为均匀分布的网格点阵列。标刻的校正图形的整体尺寸不得超过振镜最大幅面。

优选地，标刻的校正图形为N*N网格图，其中，N越大，测试精度越高，但耗时越长。

作为进一步的技术方案，对于任一网格点的数据处理，进一步包括：获取目标网格点相对于相机中心的偏移值；根据所述偏移值，结合此时运动控制平台的坐标值，得到目标网格点在运动控制平台下的坐标值；根据目标网格点在运动控制平台下的坐标值，得到目标网格点以振镜中心为基准的坐标值。

进一步地，由于校正图形是网格点阵列，在完成一个网格点的数据采集及处理后，可控制运动控制平台的X轴、Y轴移动到下一网格点，重复网格点的图像采集及处理步骤，直至得到所有网格点在XY平台下的坐标值。

进一步地，将振镜标刻校正图形时，运动控制平台的坐标记为XY平台下的初始坐标，在得到各网格点在XY平台下的坐标值后，结合所述初始坐标即可得到各网格点以振镜中心为基准的坐标值，该坐标值即为振镜加工后的实际坐标值。

作为进一步的技术方案，将各网格点以振镜中心为基准的坐标值与理论坐标值，按照指定格式生成校正文件，将生成的校正文件应用于振镜控制卡生效后即完成校正。

作为进一步的技术方案，重复执行校正文件的生成步骤，叠加多次校正结果以获得满足振镜定位精度误差的校正文件。在叠加2-3次后，振镜定位精度误差小于±4μm，已达到CDD图像采集模块可识别的精度极限，且能够满足激光加工需求，无需继续校正。

作为进一步的技术方案，在系统各模块的机械安装保持不变的情况下，无需重新进行相机标定，直接进入校正过程。

作为进一步的技术方案，系统各模块的机械安装和调试，进一步包括：振镜控制模块调试、CCD图像处理模块调试和运动控制平台调试，三者的调试顺序不限，且调试完成后，在校正过程中不允许二次调整。

根据本发明说明书的一方面，还提供一种无需附加设备的2D振镜自动校正系统，用于实现所述的方法，所述系统包括振镜控制模块、CCD图像处理模块和运动控制平台；所述振镜控制模块用于图形标刻；所述CCD图像处理模块用于标刻图形的采集和处理，并根据处理结果生成校正文件应用于振镜控制模块；所述运动控制平台用于控制平台X轴、Y轴的移动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明利用目前激光加工设备中的常见模块对振镜进行自动校正，无需人为干预，无需校正标定板，可在项目现场随时随地开展振镜校正工作，配合软件可自动完成校正所有步骤，且对操作人员要求不高。

（2）本发明校正精度满足要求。根据实际测试，叠加2-3次后校正后振镜定位精度最高可达±4um。

（3）本发明的校正过程可利用软件全自动完成，无需人工干预，避免人为误差。

（4）本发明无需其他附加设备，可随时随地进行振镜校正，更加贴合实际应用需求。

附图说明

图1（a）-（b）为现有技术中振镜桶形失真和枕形失真示意图。

图2为根据本发明实施例的校正方法流程示意图。

图3为根据本发明实施例的系统安装与调试示意图。

图4为根据本发明实施例的相机标定流程示意图。

图5为根据本发明实施例的相机标定图形示意图。

图6为根据本发明实施例的校正流程示意图。

图7为根据本发明实施例的校正图形示意图。

图8为根据本发明实施例的校正系统示意图。

图9为根据本发明一实施例的校正图形示意图。

图中：1、振镜；2、CCD图像处理模块；3、真空吸附装置；4、X轴；5、Y轴。

实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种校正方法及系统，用于克服现有技术存在的缺陷，如使用专用测量仪器（如二次元设备）进行测量，设备昂贵且难以移动，不便于在项目现场随时随地展开测试，测试效率低，对操作人员要求较高；又如使用校正板结合CCD设备及图像处理技术进行校正，由于校正板材质与厚度的差异，仍有极大可能存在误差，且定制校正板需要花费时间，无法重复利用。

本发明所包含的功能模块均为目前激光加工设备中的常见模块，且无需标定板，可在项目现场随时随地开展振镜校正工作，配合软件可自动完成校正所有步骤，对操作人员要求不高。

本发明的校正系统主要包含以下结构，如图8所示：

CCD图像处理模块，由CCD相机、镜头、光源、配套零部件（网线、CCD相机电源、安装固定板、高度条件结构、螺丝等）组成。

上述部件的选型可根据实际产品材质、颜色的实际情况调整，CCD图像处理模块输出的图像清晰，在CCD相机视野下观察加工图形边界清晰，对比度强即可。

振镜控制模块（待校正），由振镜、透镜、配套光路、振镜控制卡、配套零部件（电源、网口通讯接口、配套光路）组成。

上述部件根据实际工艺要求选型和设计即可。

运动控制平台，包含X、Y轴直线电机及其控制器。

真空吸附装置，为保证样品能牢固固定，其机械构造可根据实际需求调整。

以上装置在激光加工设备（如：激光标刻、激光清洗、FPC加工等）中均为必备模块，即可以利用本系统可以直接在加工设备上直接开展振镜校正流程，无需其他测量仪器，无需标准校正板。

校正方法如图2所示。

第一步：系统安装及调试

如图3所示，完成系统各模块安装并调试，需要调试的内容有：

机械安装与调试

确保各模块安装牢固、稳定；调整振镜控制模块、运动控制平台、真空吸附装置、CCD图像处理模块各平面完全水平与垂直；

2.振镜控制模块调试

调试光路：确保激光光斑与振镜零位重合，激光能量适中；

振镜调试：正确安装振镜控制模块，使用振镜出厂时设置的原始校正文件，调整振镜高度确保激光焦点符合工艺要求，调整振镜参数使振镜坐标XY方向与用户所需一致，通过刻度尺测量，粗调振镜幅面；

3.CCD图像处理模块调试

调整光源亮度和CCD图像处理模块焦点，使CCD图像处理模块图片清晰；

4.运动控制平台调试

将运动控制平台调试至最佳状态，达到该平台的精度极限，运动控制平台精度越高。

序号2-4内容可按任意顺序进行，调试完成后，在校正过程中不允许二次调整上述步骤中的任一环节，若确需重新调整，调整前的振镜校正文件无效，需重新进行振镜校正。

第二步：CCD相机标定（如图4所示）

1.绘制标定图形并加工

将测试样品平铺于吸附平台上，处于振镜正下方，此时运动平台坐标为（x1,y1），使用振镜在测试样品上标刻3*3个均匀分布的圆形阵列。如图5所示：d1、d2分别为纵向和横向两圆心之间的间距，d1=d2，圆心半径为r，D1、D2分别为图形长宽尺寸，D1=D2。d1、d2和r均可自行调整，只需确保D1和D2不超过CCD相机视野大小即可。

2.利用图像处理技术进行相机标定

移动运动平台X、Y，直至在相机视野下可以完整观察到上步中加工出的图形，图形大致处于相机视野中心，此时运动控制平台的坐标为（x2,y2），则振镜中心与相机中心的偏差值为（offsetX,offsetY）。

其中：offsetX = x2-x1,offsetY = y2-y1。

利用图像处理技术进行相机标定，此步骤可将相机像素坐标统一至运动平台坐标系下。

3.相机标定完成，输出标定文件并保存

若本系统机械安装保持不变，则步骤二无需重复执行，若调整了机械部件，则需重新进行步骤二。

第三步：开始校正

此步骤可利用软件自动完成，如图6所示。

1.标刻校正图形

将一块新的测试样品平铺于吸附平台，使其处于振镜正下方，此时运动平台坐标值为（x0,y0），标刻N*N网格图。如图7所示：为N=5时的图形，A点与B点距离为D1，B点与C点距离为D2，D1=D2，D1*D2为振镜校正的有效区域，为方便CCD图像处理模块进行视觉定位，需将每条直线外延1-2mm。图形整体尺寸不得超过振镜最大幅面。

注意：N越大，测试精度越高，耗时越长。

2.CCD图像处理模块逐一采集各点数据

使运动平台X、Y轴各相对移动（offsetX,offsetY）（该值为第二步-步骤2所得）距离，可以在CCD相机视野正中心观察到O点，X、Y轴各自相对移动D1/2，可以观察到左上角A点。

3.数据处理得到振镜加工后的实际值

上一步已将A点移动至CCD相机下方，经过图像处理技术得到A点相对于相机中心的偏移值(offsetXc11,offsetYc11)（由图像处理技术计算获得）,此时运动平台的坐标值为

。

X轴相对移动D1/(N-1)距离，至第一行第二个网格点，重复上述步骤，可以获得各网格点在XY平台下的坐标值分别为:

转为以振镜中心O点为基准的坐标值：

Xo11=Xs11-x0 Yo11=Ys11-y0，以此类推，得到：

上述坐标即为振镜加工后的实际坐标值。

4.生成校正文件

按照振镜厂家要求，将上述步骤中相对于O点的实际坐标值与理论坐标值，按指定格式生成校正文件（不同振镜厂家的格式要求不同）。将校正文件应用于振镜控制卡生效后即完成校正。

重复第三步中步骤1-4可以在第一次校正基础上叠加校正结果，根据实际测试，叠加2-3次后振镜定位精度误差小于±4μm已达到CDD图像采集模块可识别的精度极限，且能够满足激光加工需求，无需继续校正。

需要说明的是，步骤描述中“第一步：系统安装及调试”和“第二步：CCD相机标定”均为设备使用前的必要调试步骤，“第三步：开始校正”可利用软件全自动完成，无需人工干预，避免人为误差。

本发明的方法无需其他附加设备，可随时随地进行振镜校正，更加贴合实际应用需求。

作为一种实施方式，已知振镜幅面为55mm*55mm，现需校正振镜中心50mm*50mm区域，所选CCD相机视野大小为8mm*12mm，具体步骤如下：

第一步：系统安装及调试

机械安装与调试

确保各模块安装牢固、稳定；调整振镜控制模块、运动控制平台、真空吸附装置、CCD图像处理模块各平面完全水平与垂直；

2.振镜控制模块调试

调试光路：确保激光光斑与振镜零位重合，激光能量适中；

振镜调试：正确安装振镜控制模块，使用振镜出厂时设置的原始校正文件，调整振镜高度确保激光焦点符合工艺要求，调整振镜参数使振镜坐标XY方向与用户所需一致，通过刻度尺测量，粗调振镜幅面；

3.CCD图像处理模块调试

调整光源亮度和CCD图像处理模块焦点，使CCD图像处理模块图片清晰；

运动控制平台调试

将运动控制平台调试至最佳状态，达到该平台的精度极限，运动控制平台精度越高。

第二步：CCD相机标定

1.绘制标定图形并加工

绘制标定图形，如图5所示，其中，小圆半径r=0.5mm，圆心间距d1=d2=3mm，即D1=D2=7mm，小于相机视野最小边长8mm的值，复合标定要求。

使用振镜标刻上图，此时XY运动控制平台的坐标值为x1=0mm,y1=0mm，即（0,0）。

2.利用图像处理技术进行标定

移动运动平台X、Y，直至在CCD图像处理模块可以完整观察到上步中加工出的图形，此时运动控制平台的坐标为x2=50mm,y2=60mm，即（50,60）。利用图像处理技术进行相机标定，可以确定振镜中心与相机中心的偏差值：offsetX=x2-x1=50mm，offsetY=y2-y1=60mm。

3.相机标定完成，输出标定文件并保存。

第三步：开始校正

1.将一块新的测试样品平铺于吸附平台上，使其处于振镜正下方，此时运动平台坐标值为x0=0mm,y0=0mm，即(0,0)，标刻如图9所示5*5网格图形，图形尺寸为52mm*52mm（网格尺寸为50mm*50mm，延长线为2mm）。

2.CCD图像处理模块逐一采集各点数据。

3.数据处理得到振镜加工后的实际值，如表1所示。

表1 第一次校正：理论值与实际值对照表（单位：mm）

4.生成校正文件

按照振镜厂家要求，将上述步骤中相对于O点的实际坐标值与理论坐标值，按指定格式生成校正文件（不同振镜厂家的格式要求不同）。将校正文件应用于振镜控制卡生效后即完成校正。

重复第三步中步骤1-4可以在第一次校正基础上叠加校正结果，如表2所示。

表2 第二次校正：理论值与实际值对照表（单位：mm）

第二次校正后，振镜定位精度误差小于±4μm满足激光加工需求，无需继续校正。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明利用目前激光加工设备中的常见模块对振镜进行自动校正，无需人为干预，无需校正标定板，可在项目现场随时随地开展振镜校正工作，配合软件可自动完成校正所有步骤，且对操作人员要求不高。

（2）本发明校正精度满足要求。根据实际测试，叠加2-3次后校正后振镜定位精度最高可达±4um。

（3）本发明的校正过程可利用软件全自动完成，无需人工干预，避免人为误差。

（4）本发明无需其他附加设备，可随时随地进行振镜校正，更加贴合实际应用需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。