光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置及方法与流程

本申请涉及激光增材制造光路检测，特别是涉及一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置及方法。

背景技术：

1、激光增材制造领域普遍采用振镜搭配场镜（f-theta透镜）的经典扫描光路，可实现大尺寸构件一体化成型，常规有效成型幅面可达300mm×500mm。在扫描过程中，需要对大幅面内不同位置的光斑进行检测，以评估光斑的位置准确度和形态失真度。

2、目前行业主流检测方式分为两类：（一）传统离线样板烧蚀检测：通过激光在样板上烧蚀出阵列斑点，取出样板后利用离线影像设备人工或辅助评估斑点质量。该方案存在明显缺陷：检测结果不直观、依赖二次设备分析；需要消耗专用样板耗材，生产成本高；检测流程繁琐、需要停机拆装取放板，检测效率极低，无法满足设备高频校准与在线监测需求。（二）商用单点扫描检测设备：以primes sfm 2d为代表，该类设备可实现在线原位检测、无耗材、速度快，但其底层原理为单通道串行探测架构，仅能逐点扫描采集信号，无法实现多光斑并行同步采集；同时仅能获取光束一维尺寸信息，无法输出单光斑完整二维形貌、能量分布、圆度畸变等关键参数，无法真实、全面反映大幅面视场下的光斑二维失真状态，对大视场像差的评估维度严重不足。

3、现有光纤阵列类检测方案通常在每个检测点位仅配置单根光纤，其功能仅限于采集该点位的光强积分值，输出一维标量信号，无法还原光斑内部的强度梯度、边缘轮廓、能量中心偏移等二维空间分布信息，无法满足大幅面激光增材制造对光斑完整二维形貌的检测需求。

4、综上，现有技术存在无法全域多点并行同步检测、无法获取光斑完整二维形态的缺陷。因此，亟需一种能够适配大幅面、多通道并行、全域同步、二维形貌全覆盖的在线光斑检测方案。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置及方法，可实现全幅面多检测点位的并行同步光斑检测，获取单点位光斑的完整二维形貌信息，提高大幅面光斑检测的效率和维度。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，包括：

4、前端光纤探测面板，所述前端光纤探测面板上均匀排布m×n个检测点位，所述检测点位的分布区域与待测激光扫描幅面对应。

5、多路柔性光纤束，每路所述柔性光纤束对应于一个所述检测点位，所述柔性光纤束由多根光纤紧密排列构成，所述多根光纤在检测端呈品字形排布，用于对所述检测点位入射的光斑进行二维空间分辨采样；所述多路光纤束并行独立传输所述检测点位采集的光信号。

6、光纤合束重组结构，用于将各路所述柔性光纤束的末端按空间映射规则合束排列，所述多根光纤在耦合端同样呈品字形排布。

7、工业相机，所述工业相机的靶面接收经所述光纤合束重组结构出射的光信号并同步成像，得到全域光斑的同一时刻同步二维成像。

8、一体化封装盒体，用于固定并封装所述前端光纤探测面板、所述多路柔性光纤束、所述光纤合束重组结构和所述工业相机。

9、可选地，所述柔性光纤束由多根光纤紧密排列构成，具体包括：

10、每路所述柔性光纤束由l×l根光纤紧密规整排布构成；其中，l≥2。

11、可选地，所述光纤为微米级变径光纤，采用光锥拉丝工艺一体成型的两端异径结构，包括所述检测端和所述耦合端；所述耦合端的孔径根据所述工业相机像素尺寸与数量确定。

12、可选地，每一所述光纤与所述工业相机的k个像素数量匹配，其中，k≥4。

13、可选地，所述工业相机的总分辨率o满足：o>a×m×n×l×l×k；其中，a为预设空间冗余系数，l×l为每路所述柔性光纤束内光纤的数量，m×n为所述检测点位的总数。

14、可选地，所述光纤的入射端面采用磨砂漫射处理工艺进行统一处理。

15、可选地，所述一体化封装盒体被构造为可直接放置于激光增材制造设备的成型粉末槽内，以实现原位在线检测。

16、第二方面，本申请提供了一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测方法，所述方法基于前文所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置实现，包括：

17、将所述装置放置于激光增材制造设备的成型粉末槽内。

18、各所述检测点位的多根光纤分别对各自对应的单点位光斑进行二维空间分辨采样，并行采集所述待测激光扫描幅面的光信号。

19、各路所述光信号分别通过对应的所述柔性光纤束并行传输至所述光纤合束重组结构，并按所述空间映射规则耦合至所述工业相机的靶面，得到合束后的光信号。

20、所述工业相机同步采集所有所述合束后的光信号并成像，得到彼此独立的多路光斑图像。

21、基于亚像素分割算法，对所述光斑图像的边缘像素进行灰度梯度分析，计算每根光纤在相邻像素间的能量权重分配系数。

22、基于所述能量权重分配系数，重构所述光斑图像的二维光场分布，并通过图像处理算法，提取所述光斑图像的二维形貌特征参数，得到全域光斑的同一时刻同步二维成像。

23、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有以下技术效果：

24、本申请提供了一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置及方法，通过在前端光纤探测面板上均匀排布m×n个检测点位，每个检测点位对应一路由多根光纤紧密排列构成的柔性光纤束，使得单个检测点位能够通过多根光纤对入射光斑进行二维空间分辨采样，解决了现有光纤阵列类方案中单点位仅配置单根光纤、只能输出一维光强积分值的问题，实现了单点位光斑二维空间分布信息的获取；通过多根光纤在检测端呈品字形排布，增大了检测端面内光纤的面积填充率，减小了采样盲区，提高了单点位光斑二维空间分辨采样的保真度；通过各路柔性光纤束并行独立传输各检测点位采集的光信号，以及光纤合束重组结构将各路柔性光纤束末端按空间映射规则合束排列后由工业相机同步成像，解决了现有单通道串行探测架构仅能逐点扫描、无法多点并行同步采集的问题，实现了全幅面m×n个检测点位光斑的同步成像；通过所述多根光纤在耦合端同样呈品字形排布，使得各光纤出射端在相机靶面上规则密排，降低了光纤耦合端与相机像素的对准精度要求，提高了装置的装配可行性和量产适应性；通过一体化封装盒体将前端光纤探测面板、多路柔性光纤束、光纤合束重组结构和工业相机集成封装于内部，实现了装置的整体小型化和原位在线检测部署能力，提高了大幅面光斑检测的效率和维度。

1.一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述柔性光纤束由多根光纤紧密排列构成，具体包括：

3.根据权利要求2所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述光纤为微米级变径光纤，采用光锥拉丝工艺一体成型的两端异径结构，包括所述检测端和所述耦合端；所述耦合端的孔径根据所述工业相机像素尺寸与数量确定。

4.根据权利要求3所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，每一所述光纤与所述工业相机的k个像素数量匹配，其中，k≥4。

5.根据权利要求4所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述工业相机的总分辨率o满足：o>a×m×n×l×l×k；其中，a为预设空间冗余系数，l×l为每路所述柔性光纤束内光纤的数量，m×n为所述检测点位的总数。

6.根据权利要求1所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述光纤的入射端面采用磨砂漫射处理工艺进行统一处理。

7.根据权利要求1所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置，其特征在于，所述一体化封装盒体被构造为可直接放置于激光增材制造设备的成型粉末槽内，以实现原位在线检测。

8.一种光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-7中任一项所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测装置实现，具体包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测方法，其特征在于，所述二维形貌特征参数包括尺寸、中心偏移量、圆度、轮廓畸变、二维能量分布。

10.根据权利要求8所述的光纤分束阵列合束成像大幅面光斑同步检测方法，其特征在于，所述方法还包括：