CN100544877C - 活动扫描场 - Google Patents

Abstract

一种能量束加工系统，包括发射能量束的发射器和将系统的瞳孔尺寸调节为多个值的波束调节光学器件，例如缩放望远镜。瞳孔尺寸的调节可以自动、半自动或者手动进行。在手动模式中，可以提供说明给操作员(例如通过监视器或者预先编程的语音说明)以表明如何调节瞳孔尺寸。聚焦透镜将沿着各个路径导引调节后的波束聚焦到所述聚焦透镜的视场包含的扫描场内的不同焦点。波束导引光学器件配置为支持所述聚焦透镜的视场内的多种扫描场。

Description

活动扫描场

相关申请

本申请要求在2003年10月17提交的美国临时申请No.60/512,043的优先权，其公开内容作为引用而完整结合于此。

技术领域

本发明涉及一种能量束扫描，并且尤其涉及对于可应用到加工操作的激光束特性进行优化。

背景技术

能量束例如激光束等在各种不同类型的加工操作中广泛使用，包括通常所称的微加工操作。在传统的微加工操作中，使用激光束在基底上加工部件，例如印刷电路板和面板。一种典型的微加工操作包括对基底上印制的电阻和电容进行激光切割。

图1显示了用于电阻切割类型的传统激光束微加工系统10。系统10包括在系统控制器55的控制下工作的激光束发射器15。发射的激光束20穿过固定的波束放大器25到达扫描子系统30。

如图所示，扫描子系统30包括波束导引光学器件35和聚焦透镜40。扫描子系统30也在系统控制器55的控制下工作。波束20由波束导引光学器件35导引通过聚焦透镜40。波束导引光学器件35包括一对电流驱动反射镜(galvo driven mirrors)。聚焦透镜40具有一定视场并且对波束20进行聚焦从而波束20冲击基底50上的电阻45上的点22，由此进行切割操作。X-Y平台在两个轴的方向上移动基底50，从而将电阻定位在透镜40的视场下。导引波束的焦点22冲击基底50，从而执行切割操作。

固定的波束放大器25设置进入扫描系统30的波束的尺寸(有效入口瞳孔)。如图1所示，使用固定波束放大器25使得具有对应于焦平面上焦点22处的波束光点尺寸B’的瞳孔尺寸B的准直波束进入扫描子系统。因此，如果需要更大或者更小的光点尺寸，必须使用具有适当波束放大率的其他的波束放大器替代固定波束放大器25以得到所需的光点尺寸。

通常的，如果在焦点22处需要更大的光点尺寸，则必须使用能够使得进入扫描子系统的波束的有效入口瞳孔尺寸小于B的固定波束放大器替代固定波束放大器25。另一方面，如果在在焦点22处需要更小的光点尺寸，则必须使用能够使得进入扫描子系统的波束的有效入口瞳孔尺寸大于B的固定波束放大器替代固定波束放大器25。在这些情况下，必须更换波束放大器。

并且，近来越来越需要如图1所示的装置用于加工具有各种尺寸和/或各种形状的基底上的部件。改变基底的尺寸和/或形状导致需要改变必须由具有所需光点尺寸的聚焦波束覆盖的扫面场的尺寸。X-Y平台移动的步长可能也必须作相应的改变。波束方位的精确度和聚焦远心(telecentricity)度也可能随着场大小的改变而变化。

传统的激光加工系统中的视场内可实现的光点尺寸受到多种因素的制约，包括瞳孔尺寸和聚焦透镜特性。相关的聚焦透镜特性包括透镜焦距，透镜在大角度下的性能下降，聚焦透镜的聚焦远心，以及聚焦透镜的复杂度和成本。

对于性能下降而言，可以理解，在需要较小光点时，通过聚焦透镜的外侧区域将波束聚焦通常会导致性能下降。并且，当场大小增加时，波束方位精度在焦平面的周边附近可能下降。而且，在非远心系统中，聚焦远心可能在场大小增加时在焦平面的周边附近下降。

为了解决较大的扫描场，必须使用具有很大视场和长焦距的聚焦透镜。在不增加波束瞳孔尺寸时，这会导致焦平面处波束的光点尺寸很大。然而，如果增加了瞳孔尺寸，则反射镜或者其他波束导引部件的尺寸也必须增加，从而降低了动态性能。为了实现焦平面处更小的波束光点尺寸而不增加焦距，必须增加波束导引光学器件处的波束瞳孔尺寸。

对于某些扫描场应用场合，需要具有很高的聚焦远心度的聚焦透镜。然而，如果待加工的部件的组装密度很高，导致在焦平面处需要很小的波束光点尺寸，则设计并且制造这种聚焦透镜的复杂度和成本会非常高。

因此，在具有不同尺寸和/或形状的基底上加工各种组装密度的部件的传统方法是利用单独的系统，具有固定的场大小和X-Y平台步长，对各个特定加工应用按照需要进行优化。需要针对不同场的单独的聚焦透镜。不同的聚焦透镜在开始对特定工作加工部件之前需要在扫描子部件中手动安装和卸载。这导致了制造成本增加。

因此，需要能够在具有不同尺寸和/或形状的基底上加工各种组装密度的部件而不需要借助于不同系统或者手动改变扫描子部件中的聚焦透镜的加工系统。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种灵活优化的材料加工系统。所述系统包括配置为发射激光波束的激光发射器。具有一定波束放大率的波束调节光学器件配置为通过调节波束放大率而调节所发射的激光波束。波束导引光学器件配置为提供与调节后的激光波束相对应的可变有效瞳孔。所述波束导引光学器件进一步配置为将调节后的波束导引到扫描场内的一个或多个目标。具有至少包含所述扫描场的视场的透镜配置为将导引的激光波束聚焦到扫描场内的一个或多个目标上。控制处理器配置为接收与材料加工参数相对应的输入，并且基于至少一个所述材料加工参数而发出至少一个优化控制信号。所述波束调节光学器件例如可以为缩放(zoom)望远镜。所述波束导引光学器件例如可以为一个或多个电流反射扫描器(galvanometer mirrorscanner)。所述系统可以进一步包括运动系统，配置为相对于所述扫描场移动包含至少一个目标的工件，并且将至少一个目标定位在扫描场内以进行加工(例如电路部件的激光切割或者存储器阵列中的链接吹净(linkblasting))。

在一个实施例中，所述优化控制信号为与扫描场大小相对应的波束导引光学器件的最优有效瞳孔。在另一个实施例中，所述优化控制信号为对应于波束导引光学器件的有效瞳孔、聚焦的激光波束光点尺寸、定位精度、扫描速度、运动系统的材料处理步长以及聚焦远心值中一者的最优扫描场大小。在另一个实施例中，所述优化控制信号为对应于扫描场大小、运动系统的步进周期、基底尺寸以及基底选定区域的尺寸中一者的最优材料处理步长。注意，所述波束调节光学器件可以自动或者手动操作以根据由所述控制器确定的最优波束放大率而调节波束放大率。

所述材料加工参数例如可以为光点尺寸、基底尺寸、基底选定区域的尺寸、基底选定区域的方向、组装密度、运动系统的步进时间、运动系统的步长、运动系统的步进次数、扫描速度、定位精度、聚焦远点值以及所需光点质量中的任何一者。所述控制器可以配置为基于所述材料加工参数而确定波束放大率、扫描场尺寸以及运动系统的材料处理步长中的至少一个优化值。

在一种特定情况中，波束放大率为第一值，并且扫描场为第一扫描场。此处，所述波束调节光学器件进一步配置为再次将波束放大率从所述第一值调节到第二值，并且所述波束导引光学器件进一步配置为将再次调节后的波束导引到第二扫描场内的目标。在一个实施例中，第一扫描场具有第一尺寸并且第二扫描场具有第二尺寸。在另一个实施例中，第一扫描场具有第一形状并且第二扫描场具有第二形状。在另一种特定情况中，所述透镜的视场至少包含第一扫描场和第二扫描场，并且进一步配置为将具有第一有效瞳孔尺寸的第一导引激光波束聚焦到第一扫描场内的一个或多个目标，并且将具有第二有效瞳孔尺寸的第二导引激光波束聚焦到第二扫描场内的一个或多个目标，其中至少一个扫描场尺寸受到视场上的光点尺寸下降的限制。

所述系统可以包括控制处理器，该控制处理器配置为接收标识扫描场的输入，并且基于所接收到的输入而发出扫描控制信号。此处，所述波束导引光学器件进一步配置为根据所发出的扫描控制信号而导引调节后的波束。所述系统可以包括控制处理器，该控制处理器配置为接收对应于聚焦波束的光点尺寸的输入，并且基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号。此处，所述波束调节光学器件进一步配置为根据所发出的光点尺寸控制信号调节波束放大率。所述系统可以包括控制处理器，该控制处理器配置为接收对应于波束光点尺寸的输入，并且基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号。此处，显示器可以配置为显示根据所发出的光点尺寸控制信号手动操作所述波束调节光学器件以调节波束放大率的参数。所述系统可以包括控制处理器，该控制处理器配置为接收标识扫描场的输入，并且基于所接收到的输入而发出运动控制信号。此处，运动系统配置为根据所发出的运动控制信号相对于所述扫描场移动工件。

本发明的另一个实施例提供了一种灵活优化材料加工的方法。所述方法包括接收与以激光束冲击工件相关的至少一个材料加工参数。接下来所述方法基于至少一个所述材料加工参数而发出至少一个优化控制信号。所述方法进一步包括根据至少一个所述优化控制信号而将激光束调节至第一调节波束，并且将调节后的激光束导引到第一扫描场内的一个或多个目标。接着所述方法将导引的波束聚焦到第一扫描场内的一个或多个目标上。应当注意的是，将所述激光束调节到第一调节波束可以包括自动或者手动地将波束放大率调节到第一优化值。

在一个实施例中，发出至少一个优化控制信号包括发出对应于扫描场尺寸的最优有效瞳孔。在另一个实施例中，发出至少一个优化控制信号包括发出对应于有效瞳孔、加工波束光点尺寸、定位精度、扫描速度、材料处理步长以及聚焦远心值中一者的最优扫描场大小。在另一个实施例中，发出至少一个优化控制信号包括发出对应于扫描场大小、运动系统的步进周期、基底尺寸以及基底选定区域的尺寸中一者的最优材料处理步长。在另一个实施例中，发出至少一个优化控制信号包括基于所述加工参数，发出波束放大率、扫描场尺寸以及材料处理步长中的至少一个优化值。所接收到的至少一个材料加工参数例如可以为光点尺寸、基底尺寸、基底选定区域的尺寸、基底选定区域的方向、组装密度、运动系统的步进时间、运动系统的步长、运动系统的步进次数、扫描速度、定位精度、聚焦远点以及光点质量中的任何一者。

在一种特定情况中，将激光束调节为第一调节波束包括将波束放大率调节为第一值。此处，所述方法进一步包括将所述波束放大率调节到第二值，并且将进一步调节后的波束导引到第二扫描场内的一个或多个目标。在一种情况中，第一扫描场具有第一尺寸并且第二扫描场具有第二尺寸。在另一种情况下，第一扫描场具有第一形状并且第二扫描场具有第二形状。调节所述激光束例如可以使用缩放望远镜进行。导引所述调节后的激光束例如可以使用一个或多个电流反射扫描器进行。在另一种特定情况中，将所述激光束调节到第一调节波束包括将波束放大率调节为第一值，其中所述方法进一步包括将波束放大率调节到第二值以提供第二调节波束，将第二调节波束导引到第二扫描场内的一个或多个目标，并且将第二调节波束聚焦到第二扫描场内的一个或多个目标上。此处，至少一个扫描场尺寸受到视场上的光点尺寸下降的限制。在另一种特定情况种中，第一扫描场大小受到视场上第一有效瞳孔尺寸处光点尺寸下降的限制，并且第二扫描场大小受到视场上第二有效瞳孔尺寸处光点尺寸下降的限制。

所述方法可以包括接收标识扫描场尺寸的输入，基于所接收到的输入而发出扫描控制信号，并且根据所发出的扫描控制信号而导引调节后的波束。所述方法可以包括接收标识聚焦波束光点尺寸的输入，基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号，并且根据所发出的光点尺寸控制信号调节波束放大率。所述方法可以包括接收标识聚焦波束光点尺寸的输入，基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号，并且显示根据所发出的光点尺寸控制信号用于手动调节波束放大率的参数。所述方法可以包括接收标识扫描场尺寸的输入，并且基于所接收到的输入而发出运动控制信号，从而根据所发出的运动控制信号相对于所述扫描场移动工件。

本发明的另一个实施例提供了一种材料加工系统。所述系统包括配置为发射激光波束的发射器，配置为发出最优控制信号的控制处理器，以及配置为根据至少一个所述最优控制信号调节所发射的激光波束的波束调节光学器件。具有一定视场的透镜配置为将所述调节后的波束聚焦到视场包含的扫描场内的一个或多个目标上。波束导引光学器件配置为将所述调节后的波束导引到扫描场内的一个或多个目标中的至少一者。在一种情况下，所述扫描场为第一扫描场。此处，所述波束调节光学器件进一步配置为再次调节所发射的激光波束，并且所述透镜进一步配置为将再次调节的波束聚焦到视场包含的第二扫描场内的一个或多个目标上。并且，所述波束导引光学器件进一步配置为将再次调节的波束导引到第二扫描场内。所述波束导引光学器件可以进一步配置为根据至少一个最优控制信号而导引调节后的波束。所述系统可以进一步包括运动系统，配置为根据至少一个控制信号相对于扫描场移动工件。

在此描述的特性和优点并不是全面的，特别的，本发明的很多其他特性和优点对于本领域技术人员通过附图、说明书以及权利要求书可以很容易的理解。而且，应当注意，本说明书中使用的语言主要按照易读性和说明性而选择，并且限制本发明的实质范围。

附图说明

图1显示了传统的微加工系统；

图2显示了根据本发明一个实施例配置的微加工系统；

图3A显示了使用图2中的微加工系统在焦点处能够实现的示例激光波束光点；

图3B显示了图3A中的示例激光波束光点与扫描场的关系；

图4显示了图2中的微加工系统可以容许的扫描场的示例变化；

图5为根据本发明一个实施例配置的微加工系统控制器的详细显示；以及

图6显示了根据本发明一个实施例的用于控制图2所示的微加工系统的查找表。

具体实施方式

本发明的实施例可以应用于加工具有不同尺寸和/或形状的工件上的各种尺寸和/或组装密度的部件。这种加工可以不必使用不同系统而实现，在扫描子部件中也不必手动安装和卸载不同的聚焦透镜而实现。各种材料加工参数例如场大小、精确度、聚焦远心、步长和/或光点尺寸可以针对特定应用灵活优化。

概述

图2显示了根据本发明一个实施例配置的微加工系统110。所述系统可以用于各种类型的加工操作，例如对于PCB板或者其他面板以及其他类型的基底上形成的未加工电路元件(例如薄膜电阻、电容以及电感)等的切割操作。应当注意，系统110可以应用于其他应用(例如钻孔，标记，微穿刺)，并且可以包括图2中没有显示的各种其他元件和支持功能，这通过本公开文件是显见的。

对于切割操作，基底通常包括一个或多个未加工的电路元件，例如与构成基底的绝缘或者传导层中的至少一者邻近形成的电阻、电容和/或电感。注意所述未加工元件还可以包括绝缘层的局部或者传导层的局部，如同对于未加工的嵌入电容一样。基底还可以包括其他电路和连接线(印刷或者安装)。

对于其他操作，例如标记、钻孔以及穿刺，基底可以包括任何与该基底特定功能相关的组件或部件，可以为电学、机械、化学、织物或者自然可见物。不管基底的拓扑和功能如何，对于各种目的，本发明的原理可以应用于选择性的并且精确的导引能量波束到基底。

所述基底可以用于形成多个以重复图案形成的完全相同的电路，或者形成单个电路(例如计算机主板)。另一方面，所述基底可以用于形成一个图案中的多个不同电路。所述基底可以具有与从其制造完成的电路板相同的尺寸，或者可以顺次切割以形成多个更小尺寸的成品电路板。

系统结构

如图2所示，系统110包括在系统控制器155的控制下工作的激光束发射器115。系统控制器155可以包括一个或多个控制器(例如配置了一个或多个处理器、I/O能力、存储器以及大量编码程序以实现所需功能的可编程微控制器)用于控制加工期间和系统没有进行加工操作期间的位置、速度和聚焦激光束的功率输出以及基底的运动。波束发射器115例如可以包括激光束发生器，例如固态或者气态激光，但是也可以为简单的发射装置，例如发射在系统外产生的激光束的光纤。

尽管激光束发射器115可以为任何类型，但激光束发射器115发出与正在进行的加工相配合的波长的能量束。例如，如果正在加工的主要为绝缘材料，则可以使用波长大约为10um的CO₂激光。如果正在切割传导层，则可以使用波长大约为1.06um的固态激光(例如激光二极管)。如果切割为光化学过程，则激光波长可以为可见光或者紫外线，例如波长大约为533nm或者更低的光线。

所发射的激光束120穿过可调节的波束放大器125(例如缩放望远镜)到达扫描子系统130。对波束放大器125的调节可以手动控制或者通过如图2所示的系统控制器155进行控制，这将在此进行描述。扫描子系统130同样在系统控制器155的控制下工作。

扫描子系统130包括波束导引光学器件135和聚焦透镜140。波束导引光学器件135设置在波束放大器125和聚焦透镜140之间，并且能够导引激光束到基底150(或者其他工件)的选定区域上。所述选定区域在此也称为选定扫描场。聚焦透镜140用于将导引的激光束以所需尺寸和能量密度聚焦到焦点122。

波束导引光学器件135可以通过传统技术实现，并且能够在一个或更多方向上扫描激光束。在图2所示的实施例中，使用一对正交安装的电流反射扫描器(仅显示了一个)作为波束导引光学器件135。每个电流反射扫描器(有时称为电流驱动反射镜或者电流反射镜)包括角位置传感器用于追踪反射镜的角位置，以及伺服驱动器用于控制每个偏斜的反射镜的角度旋转从而沿着到达所需位置的路径导引激光束。

在图2的实施例中，系统控制器155包括激光束发射器115和波束导引光学器件135的所有驱动控制。然而，这些控制在需要时可以与系统控制器155分离而结合在一个或多个子系统控制器内。

对于电阻切割操作，透镜140的直径例如可以在大约1.0英寸至大约8英寸的范围内，并且具有允许激光束被导引到大约2至4英寸的方形区域或者扫描场上的视场。在一个特定实施例中，聚焦透镜140在工件150上产生3.5英寸的方形扫描场。然而应当注意的是，透镜直径和视场可以根据不同实施例而改变，并且本发明并不限于任何一个实施例。

在任何情况下，扫描子系统130的最大扫描场受到聚焦透镜140的视场的限制，并且允许聚焦波束到达视场内的选定位置。当扫描子系统130为基于电流的具有两个反射镜的扫描子系统时，在中间的扫描场上，反射镜的有效瞳孔可以增加而不必由于需要在最大的扫描场上保持较大的瞳孔而增加反射镜尺寸。

通常的，透镜140的视场一般小于工件150的尺寸。典型的，在透镜140的视场包含的扫描场内的所有加工不必移动工件150即可进行。然后，工件150移动到工件150的下一个目标部分以在透镜140的视场中进行加工。调节X-Y平台152以移动或者步进工件150，从而将工件150的下一个目标部分定位在透镜140的视场中。

X-Y平台152例如可以在系统控制器155的控制下工作。可替换的，X-Y平台152在手动控制下(例如手动操作千分尺)工作，或者在与系统控制器155不同的专用控制器模块的控制下工作。在一个实施例中，透镜140为聚焦远心透镜并且波束导引光学器件135基本定位于透镜140的焦平面处，从而激光束大致正交或者垂直地冲击目标表面。

扫描子系统130发射大致在工件150的特征145例如电阻或者工件150自身表面处聚焦的波束，并且具有足够功率以可控方式精确去除或者加工或者处理所述特征或者工件材料。激光束发射器115发射的激光束120的位置可以通过扫描子系统130的波束导引光学器件135进行导引，从而冲击透镜140的视场内的焦平面。

激光束的功率和调制例如可以通过由控制器155发出到发射器115的激光控制信号而控制。同样的，所需的激光束120的定位和运动特性可以通过由系统控制器155发出到扫描子系统130的扫描控制信号而控制。图2所示实施例的系统控制器155通常被编程过或者配置为控制整个加工系统的操作。然而，通过本公开文件的启发，很显然可以应用大量其他控制方案。

聚焦透镜140对波束进行聚焦使得波束冲击工件150的特征145(或者工件自身)上的焦点122，从而进行所需加工。在一个特定实施例中，特征145为薄膜电阻并且工件150为基底，所述薄膜电阻在其上形成。所导引的波束冲击在电阻上以进行激光切割操作，这通常会将电阻的阻值增加到某个目标值。然而如果应用操作需要在工件150上钻孔或者开口，则特征145可以为工件150表面上的目标点，激光束将聚焦在其上并且冲击在该目标点上。

如上所述，可调节的波束放大器125可以为缩放望远镜。在该实施例中，缩放望远镜改变进入扫描子系统130的波束的瞳孔尺寸。因此，通过控制缩放望远镜的操作，进入扫描子系统130的波束的有效入口瞳孔可以根据需要而调节。例如，使用如图2所示的缩放望远镜，进入扫描子系统130的波束可以具有从尺寸A至尺寸C范围内的瞳孔尺寸，并且聚焦波束在点122可以具有对应的从A’至C’的范围内的光点尺寸，如图3A所示。因此，通过控制缩放望远镜的操作，光点尺寸可以被调节得更加适合所需加工。

波束放大器125可以由操作员手动控制或者通过系统控制器155(或者其他控制环境)自动控制，从而基于所需的光点尺寸而调节进入扫描子系统130的波束的瞳孔尺寸。还可以配置手动和自动模式的结合(即半自动)，其中操作员需要更低的参与度。应当注意的是，所述系统可以配置为使得操作员可以相对不熟练，即可以提供快速说明给操作员(例如通过监视器或者预先编程的语音说明)，以表明如何调节、控制或者操作波束放大器125提供所需瞳孔尺寸。

可调节的瞳孔尺寸

因此，波束放大器125可以被操作以将进入扫描子系统130的波束的瞳孔尺寸从瞳孔尺寸A改变为瞳孔尺寸B、瞳孔尺寸C，从而导致点122处的光点尺寸从光点尺寸A’分别改变为光点尺寸B’、光点尺寸C’。如图3B所示，最小的瞳孔尺寸A产生聚焦光点尺寸A’，这是优化为最大的，并且在聚焦透镜140的最大扫描场310上基本没有下降。瞳孔尺寸B产生优化的中间光点尺寸B’而在中间的扫描场320上基本没有下降。瞳孔尺寸C为最大的瞳孔尺寸，并且产生最小的光点尺寸C’，而在最小的优化扫描场330内基本没有下降。在任何扫描场内，光点尺寸可以通过减小激光束的波束放大率而增加。应当注意，当扫描场受到下降限制时，除非扫描场减小，否则波束不能放大。

可调节的扫描场

图4显示了透镜视场450内的各种形状的扫描场410、420、430以及440，这是通过将波束导引光学器件135控制为对应于优化的扫描场(例如通过来自系统控制器155的信号)而实现的。通过控制可调节的波束放大器125或者修改波束瞳孔，可以如图4所示实现光点尺寸A’、B’、C’和扫描场尺寸410、420、430和440的优化组合。

优化的光点尺寸和扫描场尺寸是通过控制入口瞳孔以改变光点尺寸并且通过控制扫描子系统130以及特别是波束导引光学器件135以改变扫描场尺寸而实现的。所述控制可以为自动的(例如通过控制器155执行)或者半自动的(例如部分通过控制器155以及部分通过操作员执行)或者手动的(例如通过操作员执行)。

优化扫描场可以结合X-Y平台152的运动而在视场内确定。工件150的不同区域可以使用平台152步进以进一步加工扫描场内的元件。如果工件150具有相邻分段的拼接加工表面，则X-Y平台152的运动可以基于扫描场形状属性而确定。例如，控制器155可以按照与扫描场430的X-Y尺寸成比例的增量控制平台152。扫描场可以具有确定为优化X-Y平台152的扫描速度的比例。

参考图3B，扫描场310可以包含一定的精确度要求。小于310的扫描场320由于其扫描场尺寸减小可以具有增加的精确度。最小的扫描场330由于其最小的场尺寸可以具有最高的精确度。由于扫描场从310、320至330减小，非聚焦远心成像系统的非聚焦远心误差将从最大的扫描场310至320到最小的扫描场330顺次减小。

系统控制

图5显示了根据本发明一个实施例配置的控制器155的结构图。如图所示，控制器155包括具有互连的处理器512和存储器514的控制处理器510。注意，存储器514可以为多个存储器设备，例如包括随机存取存储器，只读存储器，软盘存储器，硬盘存储器和/或其他类型的存储器。处理器512与存储器514进行交互以根据存储器514上存储的编程指令工作并且存储或者访问存储器514中的数据。

控制处理器510与显示监视器520互连，并且控制对系统操作员的相关信息的显示。同时，提供了包括键盘530和鼠标540在内的输入设备。这些设备可以通过操作员使用以输入数据到控制处理器510。同时设置到通信网络的连接以允许从远程位置进行输入和系统编程。控制处理器510还连接到激光束发射器115和扫描子系统130。控制处理器510可以选择性的连接到可调节的波束放大器125。

在工作中，控制处理器单元510通过键盘530、鼠标540、数据端口(例如X-Y平台数据端口和RS232数据端口)或者通信网络接收操作员输入。控制处理器510根据存储器514中存储的编程指令在处理器512中处理这些输入，从而产生对于激光发射器115、扫描子系统130以及可选择的波束放大器125的控制信号。

图6显示了可以存储在控制处理器510的存储器514中的查找表，所述查找表由处理器512使用以产生对于激光发射器115、扫描子系统130、波束放大器125和/或显示监视器520的控制信号。

如图6所示，所述查找表的一部分包括具有各个扫描场尺寸的列。与各个扫描场尺寸相关的行具有一系列参数用于在选定的场尺寸/形状上扫描电流反射镜。因此，操作员可以输入扫描场尺寸，例如对应于图4所示的典型的方形扫描场410的扫描场尺寸610，并且处理器512通过访问存储器514中图6所示的查找表而处理输入的扫描场尺寸610，从而确定电流反射镜必须旋转以对应到610’。然后处理器512产生扫描控制信号并且该扫描控制信号被发送到扫描子系统130。根据所接收到的扫描控制信号，电流驱动反射镜(波束导引光学器件135)被操作以对应于610’，从而建立所需的扫描场。

操作员还可以输入特征尺寸、特征密度，或者光点尺寸，处理器512通过访问存储器514中的图6所示的查找表可以进行处理，从而确定对于可应用的场尺寸的适当的缩放望远镜(波束放大器125)操作。例如，如果所需的光点尺寸为中等光点尺寸(例如35微米)，则处理器512可以确定所述缩放望远镜必须被操作以对应于b’，如图6中查找表中的第四列所示。

因此，处理器512将产生对应于所确定的缩放望远镜调节的控制信号，并且发送控制信号到缩放望远镜使得所述调节自动进行或者发送到显示监视器520。如果所述控制信号被发送到显示监视器520，则显示监视器将对系统操作员显示适当说明以手动调节缩放望远镜使其对应于b’。缩放望远镜的调节将导致进入扫描子系统130的波束的瞳孔尺寸B和对应的焦点122处波束的光点尺寸B’。

尽管在图6中仅显示了一个对于图4所示的扫描场的各个扫描场尺寸的列表，但是通过本公开文件可以理解，扫描场尺寸列可以包括对于相同尺寸和形状的扫描场的多个条目，从而在所述查找表中包含了各种可能的扫描场尺寸和形状以及光点尺寸的组合。进一步可以理解，除了所述查找表之外，存储器514中存储的编程指令可以包括对应的算法，这些算法由处理器512执行以产生所需的控制信号。并且，可以使用除了查找表之外的存储结构例如链接列表和简单索引数据文件以存储相关控制信息。

图6在标记为X-Y步进尺寸的列中显示了对于不同的场尺寸和形状，X-Y步进参数(例如步进时间、步进尺寸、步进数)可以改变，例如从b”至a”。注意所述步进尺寸可以对X或者Y方向或者二者同时调整。同样的，标记为校正的列显示了场校正可以随着场尺寸和形状而改变，例如b”’和a”’。

上述本发明的实施例的说明仅具有示例和描述目的。本说明书并不是全面彻底的，并不将本发明限制于所公开的具体形式。通过本公开文件可以作出各种修改和变化。本发明的范围不受本说明书的限制，而是受所附权利要求书的限制。

Claims (34)

1.一种灵活优化的材料加工系统，包括：

激光发射器，配置为发射激光波束；

波束调节光学器件，具有可调节的波束放大率，并且配置为通过调节波束放大率而调节所发射的激光波束；

波束导引光学器件，配置为提供与调节后的激光波束相对应的可变有效瞳孔，所述波束导引光学器件进一步配置为将调节后的波束导引到扫描场内的一个或多个目标，该扫描场对应于基底的至少一个选定区域；

透镜，具有至少包含所述扫描场的视场，配置为将导引的激光波束聚焦到所述扫描场内的一个或多个目标上；以及

控制处理器，配置为接收与材料加工参数相对应的输入，并且基于至少一个所述材料加工参数而发出对应于所述输入的至少一个优化控制信号，其中所述至少一个优化控制信号是对应于包括所述波束导引光学器件的有效瞳孔大小、聚焦的激光波束光点尺寸、定位精度、扫描速度、运动系统的材料处理步长以及聚焦远心值的一组值中的一者的最优扫描场值。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个优化控制信号为对应于包括扫描场大小、运动系统的步进周期、基底尺寸以及基底选定区域的尺寸的一组值中的一者的最优材料处理步长。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述材料加工参数为包括光点尺寸、基底尺寸、基底选定区域的尺寸、基底选定区域的方向、组装密度、运动系统的步进时间、运动系统的步长、运动系统的步进次数、扫描速度、定位精度、聚焦远点值以及所需光点质量的一组参数中的一者。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制处理器配置为基于所述材料加工参数而确定包括波束放大率的优化值、扫描场尺寸的优化值以及运动系统的材料处理步长的优化值的一组值中的至少一者。

5.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述波束放大率为第一值，并且扫描场为第一扫描场；

所述波束调节光学器件进一步配置为再次将波束放大率从所述第一值调节到第二值；以及

所述波束导引光学器件进一步配置为将再次调节后的波束导引到第二扫描场内的目标。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一扫描场具有第一尺寸并且所述第二扫描场具有第二尺寸。

7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一扫描场具有第一形状并且所述第二扫描场具有第二形状。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述波束调节光学器件被手动操作以根据由所述控制处理器确定的最优波束放大率而调节波束放大率。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制处理器进一步配置为接收标识所述扫描场的输入，并且基于所接收到的输入而发出扫描控制信号，其中所述波束导引光学器件进一步配置为根据所发出的扫描控制信号导引调节后的波束。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制处理器进一步配置为接收对应于聚焦波束的光点尺寸的输入，并且基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号，其中所述波束调节光学器件进一步配置为根据所发出的光点尺寸控制信号调节波束放大率。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制处理器进一步配置为接收对应于波束光点尺寸的输入，并且基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号；并且所述系统进一步包括显示监视器，配置为显示根据所发出的光点尺寸控制信号手动操作所述波束调节光学器件以调节波束放大率的参数。

12.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述波束调节光学器件包括缩放望远镜；以及

所述波束导引光学器件包括一个或多个电流反射扫描器。

13.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述控制处理器进一步配置为接收标识扫描场的输入，并且基于所接收到的输入而发出运动控制信号；

并且所述系统进一步包括所述运动系统，该运动系统配置为根据所发出的运动控制信号相对于所述扫描场移动工件。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述透镜的视场至少包括第一扫描场和第二扫描场，并且进一步配置为将具有第一有效瞳孔尺寸的第一导引激光束聚焦到所述第一扫描场中的一个或多个目标上，并且将具有第二有效瞳孔尺寸的第二导引激光束聚焦到所述第二扫描场中的一个或多个目标上，其中至少一个扫描场尺寸受到视场上光点尺寸下降的限制。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统进一步包括所述运动系统，该运动系统配置为相对于所述扫描场而移动包含至少一个目标的工件，并且将所述至少一个目标定位在所述扫描场内以进行加工。

16.一种灵活优化材料加工的方法，包括：

接收与以激光束冲击工件相关的至少一个材料加工参数；

基于所述至少一个材料加工参数而发出对应于所述至少一个材料加工参数的至少一个优化控制信号，其中所述至少一个优化控制信号是对应于包括所述波束导引光学器件的有效瞳孔大小、聚焦的激光波束光点尺寸、定位精度、扫描速度、运动系统的材料处理步长以及聚焦远心值的一组值中的一者的最优扫描场值；

根据至少一个所述优化控制信号而将激光束调节至第一调节波束；

将调节后的激光束导引到第一扫描场内的一个或多个目标；以及

将导引的波束聚焦到第一扫描场内的一个或多个目标上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中发出所述至少一个优化控制信号包括发出对应于包括扫描场大小、运动系统的步进周期、基底尺寸以及基底选定区域的尺寸的一组值中的一者的最优材料处理步长。

18.根据权利要求16所述的方法，其中接收到的所述至少一个材料加工参数为包括光点尺寸、基底尺寸、基底选定区域的尺寸、基底选定区域的方向、组装密度、运动系统的步进时间、运动系统的步长、运动系统的步进次数、扫描速度、定位精度、聚焦远点值以及所需光点质量的一组参数中的一者。

19.根据权利要求16所述的方法，其中发出所述至少一个优化控制信号包括发出包括所述加工参数，发出波束放大率、扫描场尺寸以及材料处理步长的一组值中的至少一者的优化值。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述将激光束调节为第一调节波束包括将波束放大率调节到第一值，所述方法进一步包括：

将所述波束放大率进一步调节到第二值；以及

将进一步调节后的波束导引到第二扫描场内的一个或多个目标。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一扫描场具有第一尺寸并且所述第二扫描场具有第二尺寸。

22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一扫描场具有第一形状并且所述第二扫描场具有第二形状。

23.根据权利要求16所述的方法，其中所述将激光束调节为第一调节波束包括将波束放大率手动调节到第一优化值。

24.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

接收标识扫描场尺寸的输入；

基于所接收到的输入而发出扫描控制信号；以及

根据所发出的扫描控制信号而导引调节后的波束。

25.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

接收标识聚焦波束光点尺寸的输入；

基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号；以及

根据所发出的光点尺寸控制信号调节波束放大率。

26.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

接收标识聚焦波束光点尺寸的输入；

基于所接收到的输入发出光点尺寸控制信号；以及

显示根据所发出的光点尺寸控制信号用于手动调节波束放大率的参数。

27.根据权利要求16所述的方法，其中调节所述激光束使用缩放望远镜进行，并且导引调节后的所述激光束使用一个或多个电流反射扫描器进行。

28.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

接收标识扫描场尺寸的输入；以及

基于所接收到的输入而发出运动控制信号，从而根据所发出的运动控制信号相对于所述扫描场移动工件。

29.根据权利要求16所述的方法，其中所述将激光束调节到第一调节波束包括将波束放大率调节为第一值，所述方法进一步包括：

将波束放大率调节到第二值以提供第二调节波束；

将第二调节波束导引到第二扫描场内的一个或多个目标；以及

将第二调节波束聚焦到第二扫描场内的一个或多个目标上；

其中至少一个所述扫描场尺寸受到视场上的光点尺寸下降的限制。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述第一扫描场受到视场上第一有效瞳孔尺寸处光点尺寸下降的限制，并且第二扫描场受到视场上第二有效瞳孔尺寸处光点尺寸下降的限制。

31.一种材料加工系统，包括：

发射器，配置为发射激光波束；

控制处理器，配置为接收与材料加工参数相对应的输入，并且基于至少一个所述材料加工参数而发出对应于所述输入的至少一个优化控制信号，其中所述至少一个优化控制信号是对应于包括所述波束导引光学器件的有效瞳孔大小、聚焦的激光波束光点尺寸、定位精度、扫描速度、运动系统的材料处理步长以及聚焦远心值的一组值中的一者的最优扫描场值；

波束放大率调节光学器件，配置为根据所述至少一个优化控制信号调节所发射的激光波束；

透镜，具有一定视场，配置为将所述调节后的波束聚焦到扫描场内的一个或多个目标上，所述扫描场是基底的被选择区域且被视场包含；以及

波束导引光学器件，配置为将所述调节后的波束导引到所述扫描场内的一个或多个目标中的至少一者。

32.根据权利要求31所述的系统，其中：

所述扫描场为第一扫描场；

所述波束放大率调节光学器件进一步配置为再次调节所发射的激光波束；

所述透镜进一步配置为将再次调节的波束聚焦到视场包含的第二扫描场内的一个或多个目标上；以及

所述波束导引光学器件进一步配置为将再次调节的波束导引到所述第二扫描场内。

33.根据权利要求31所述的系统，其中所述波束导引光学器件进一步配置为根据至少一个优化控制信号而导引调节后的波束。

34.根据权利要求31所述的系统，其进一步包括：

运动系统，配置为根据至少一个优化控制信号相对于扫描场移动工件。

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