CN101508054A - 大幅面无缝拼接精密激光打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，包括激光器、扩束镜、振镜及聚焦镜，激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端设置有振镜，振镜的输出端连接有聚焦镜；激光器发出的光束射入扩束镜，扩束镜输出平行光束，振镜对平行光束进行全反射，由聚焦镜聚焦，其焦点分布在真空吸附平台的加工工件上。该装置的打孔幅面可达20英寸，孔个数为500万个，在钢板或模具钢上加工直径30～120um、深度0～80um群孔，孔的位置排序可以是无规则的，可在几小时内完成高效高精度的激光打孔；对于大幅面的打孔加工，光学效果检测不出拼接缝隙。

Description

大幅面无缝拼接精密激光打孔装置

技术领域

本发明涉及一种激光打孔设备，尤其涉及一种大幅面无缝拼接精密激光打孔装置。

背景技术

目前，用于模具打孔的方法有以下几种

1)化学蚀刻方法：先用图出一张菲林，根据模具材料配好化学腐蚀药品，然后进行几天的腐蚀，形成圆柱孔；再进行多工序的清洗后用设备烘干。工艺比较成熟，但工序多，设计周期长，需处理产生的腐蚀性液体，产品不具有再现性。

2)机械钻孔方法：用金刚石球形关或钻头在数控钻床或加工中心上压孔或钻孔。钻头易坏，中途损坏后不能更换，导致整个产品报废，接触加工，易伤材料。

3)激光熔刻方法：利用激光的高密度能量，使材料表面熔化、并汽化，照射中心的熔化物均匀向四周溢出。由于激光能量分布是高斯圆形分布，所以照射一定时间(1ms)移开冷却后就形成一个圆球坑。整个设计周期短，工艺还不够成熟，工艺参数比较多。

可见，设计一种点阵打孔设备，是急需解决的重大技术课题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种大幅面无缝拼接精密激光打孔装置。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，包括激光器、扩束镜、振镜及聚焦镜，特点是：激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端设置有振镜，振镜的输出端连接有聚焦镜；激光器发出的光束射入扩束镜，扩束镜输出平行光束，振镜对平行光束进行全反射，由聚焦镜聚焦，其焦点分布在真空吸附平台的加工工件上。

进一步地，上述的大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，所述激光器的输出波长为1064nm，激光功率为10W，光束直径在0.8mm。

更进一步地，上述的大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，扩束镜为7倍扩束镜

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

本发明设计新颖，该装置的打孔幅面可达20英寸，孔个数为500万个，在钢板或模具钢上加工直径30～120um、深度0～80um群孔，孔的位置排序可以是无规则的，可在几小时内完成高效高精度的激光打孔。对于大幅面的打孔加工，光学效果检测不出拼接缝隙。适用于液晶显示器行业的加工(起主导作用的背光板模具制造)，如手机行业的小尺寸，掌上电脑的中尺寸，笔记本显示器的中、大尺寸，以及液晶电视的大尺寸。为一实用的新设计，应用前景广阔。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明装置的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

 

附图标记	含义	附图标记	含义	附图标记	含义
						1	激光器	2	扩束镜	3	振镜
4	聚焦镜	5	加工工件

具体实施方式

激光打孔属于材料去除加工范畴，利用激光功率密度高的特点，将其聚焦，使加工的材料瞬间加热熔化、汽化，熔化物质被蒸气的剩余压力排挤出来，形成孔洞。即利用激光的光斑形状在相同位置进行重复打孔，激光器出来的光经过扩束整形成平行光(以利于聚焦更细)，然后经过两个方向的转动反射镜面形成平面扫描。再经过适当聚焦镜聚焦在焦平面(工件的表面)。有图形的地方激光Q开关打开以高频(20KHz)的重复频率进行出光打孔。

如图1所示，大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，包括激光器1、扩束镜2、振镜3及聚焦镜4，激光器1的输出端设置有扩束镜2，扩束镜2的输出端设置有振镜3，振镜3的输出端连接有聚焦镜4；激光器1发出的光束射入扩束镜2，扩束镜2输出平行光束，振镜3对平行光束进行全反射，由聚焦镜4聚焦，其焦点分布在真空吸附平台的加工工件5上。其中，加工时，通过软件控制图形分块和控制XY平台系统来进行定位和无缝拼接。通过真空吸附平台系统来固定工件(板材)，通过计算机系统协调控制。设备控制软件有识别DXF、BMP、GBR等格式的文件及图形格式转换，图形编辑，图形的工艺参数精确控制等功能，对光学图纸进行分析，当加工的实际幅面超过60mm×60mm时进行图形分块。对多块图形进行分层打孔加工，令实际拼接的点不在同一直线式，从光学视觉上避免出现拼接缝。激光器1波长为1064nm(模具钢及不锈钢板对此波长的激光有很好的吸收率)，M²<1.1，激光功率为10W，电光调Q(峰值功率达几十KW)；全风冷，全封闭，模块化设计；整个激光器电功率为200W，工作频率在10～100KHz，光束直径0.8mm。激光传输系统采用7倍扩束镜2对光进行准直，以减小发散角，扩束后光斑直径约为6mm。采用高精度调整度扫描振镜3，每秒可达1000字符(1mm高)，通光孔径及镜片7mm，镜片镀膜为1064nm全反，重复精度<2.2um，为抗干扰强的数字信号传输式振镜。光学聚焦采用远心聚焦镜4，使整个工作范围内光垂直入射到工件表面，不会产生斜孔。工作距离为F＝100，此配置下使小孔直径控制在50～65um，适合市场需求，整个光路采用全封闭防尘，大大减少了激光器的损坏。整个XY滑台系统采用直线马达传输，并带光栅尺反馈功能。保证了重复精度在1um，定位精度在2um，最大速度可达1000mm/s，提高了工作效率。为使工作面每次精确处于正焦的地方，采用CCD激光位移传感器来进行测距，重复精度可以精确到1um，对焦调节系统采用电动控制Z轴平移台，移动速度可以随时调节，当差距大时加大速度运动，快运动到焦距位置时停下更换为低度速运动进行微调。计算机控制软件还对XY滑台功能进行精密控制，进行自动图形分割及拼接，使拼接精度在10um，还有图形的分层等功能。

振镜扫描：振镜即振动镜，其原理类似于检流计，在接到电信号后，转动轴带动振动镜片(反射镜片)发生偏转，如果接收到交变电信号，则镜片发生振动，使光线扫描出一条直线，两个垂直安装的镜片组成则形成XY方向的扫描，这与电视机成像原理相同。

光学聚焦：激光是方向性最好的光源，但是它仍然有一定的发散角；也是光强度和光功率密度最高的光源，必须通过光学聚焦系统将激光束聚焦在很小的区域(几十微米)，其中有一种F-θ聚焦镜，起到了平场作用(使焦距处于同一水平面)，但会带来图形的失真，这一点可以通过软件进行校正。这样就将高能高密度的激光聚焦到需的的区域(光斑大小)。使得能量更高，密度更高，聚焦处于同一平面。

图形分块：当一个图形文件很大，超过一定参数范围时，控制软件不能对其进行操作，打不开图形，或者打开后不能进行其它的操作，或者显示内存不够。此时就要把一个图形文件分成几个小的图形文件，分几次加工，这样就解决了图形文件过大的问题。

图形拼接：当一个图形文件的幅面过大时由于激光扫描幅度不够，所以这时要把一个大图通过软件的方法分割成为几块小幅面的图形，然后通过一定的XY平台依次移动来把每块按时进行顺序加工拼接成一幅图。

具体应用时，一个大幅面的图形文件导入设备操作软件，若加工尺寸超过60mm×60mm，计算机控制系统将对其图形文件进行分块。把加工工件放置在真空吸附平台上，设置好加工的起止坐标以及焦距，计算机控制系统发出相应的指令，使真空吸附平台系统移动到位，激光测距对焦系统运作后，振镜扫描系统的Z轴升降到位。XY振镜进行扫描运动，运动到图形指定的孔的位置，等几微秒时间使振镜停稳之后，此时计算机根据要求(每个孔刻蚀的时间，如1ms，激光频率如：20KHz)发出激光信号给激光器1，激光器1以要求的频率发出激光脉冲序列，激光器1发出的光束射入扩束镜2，形成平行光束，再通过振镜3进行全反射，聚焦镜4聚焦，其焦点在真空吸附平台的加工工件上，打一个孔。完成一个孔之后计算机再接着控制振镜3以一定的速度(4000mm/s)扫描移至图形中下一个孔位置重复上述过程，直到完成要求的幅面大小(如10mm正方形)内的全部孔。此时计算机控制系统发出指令，使真空吸附平台系统向一个方向移动相应大小(10mm)再开始重复上面的工作。完成一行的移动之后移动一列，这样两个方向的移动形成了一个大面积的加工。以上所有机械的运动与指令传输由电气控制系统完成。加工完成一个文件之后平台移回初始位置再加工下一个文件的图形(下一个图形的拼接位置要和上一个错位一定距离进行拼接)；直至加工完一个完整的大幅面图形为止。

打孔幅面可达20英寸，孔个数为500万个，在钢板或模具钢上加工直径30～120um、深度0～80um群孔，孔的位置排序可以是无规则的，在几小时内完成高效高精度的激光打孔。对于大幅面的打孔加工，光学效果检测不出拼接缝隙。适用于液晶显示器行业的加工(起主导作用的背光板模具制造)，如手机行业的小尺寸，掌上电脑的中尺寸，笔记本显示器的中、大尺寸，以及液晶电视的大尺寸。

需要理解到的是：上述说明并非是对本发明的限制，在本发明构思范围内，所进行的添加、变换、替换等，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，包括激光器、扩束镜、振镜及聚焦镜，其特征在于：激光器的输出端设置有扩束镜，扩束镜的输出端设置有振镜，振镜的输出端连接有聚焦镜；激光器发出的光束射入扩束镜，扩束镜输出平行光束，振镜对平行光束进行全反射，由聚焦镜聚焦，其焦点分布在真空吸附平台的加工工件上。

2.根据权利要求1所述的大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，其特征在于：所述激光器的输出波长为1064nm，激光功率为10W，光束直径在0.8mm。

3.根据权利要求1所述的大幅面无缝拼接精密激光打孔装置，其特征在于：扩束镜为7倍扩束镜。

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