CN101641178B

CN101641178B - 通过激光束加工材料的装置

Info

Publication number: CN101641178B
Application number: CN2007800466870A
Authority: CN
Inventors: 朴喜载; 金兑昱; 申兴铉
Original assignee: SNU Precision Co Ltd
Current assignee: SNU Precision Co Ltd
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: CN101641178A; US20100006549A1; JP2010513028A; TW200836866A; JP5358846B2; KR100761238B1; WO2008111705A1; TWI320007B

Abstract

本发明涉及一种通过使用激光束来加工工件表面的激光加工装置。该激光加工装置包括：用于发射激光束的激光束发生单元；以及具有多个微镜的微镜器件，这些微镜被配置成以将所述工件的表面加工成所需形状的模式，将从所述激光束发生单元发射的激光束中的至少一部分激光束反射和传递到工件的表面。其中，所述微镜器件的微镜能够有选择地转换由所述激光束发生单元发射的激光束的光路。根据本发明，可用激光束将工件表面加工成二维或三维的所需形状。

Description

通过激光束加工材料的装置

技术领域

本发明涉及一种利用激光束来加工工件表面的激光加工装置，尤其涉及一种通过使用具备多个微镜的微镜器件(micromirror device)来将工件加工成所需形状的激光加工装置。

背景技术

一般地，为了去除或加工平面显示器基板等器件上的杂质或不良区域，通常使用激光，而在此时可通过调整激光束发生装置所发射的激光束的强度及模式(pattern)，将工件中所要加工的部分加工成所需形状。

图1和图2表示利用如此激光束来去除或加工工件表面上的杂质或不良区域的方法。其中，图1是根据现有技术用激光束加工工件的激光加工装置的剖面图，图2是根据现有技术的辅助光束发生装置的剖面图。

如图1所示，常规的激光加工装置包括狭缝100和分色镜(dichroicmirror)200。由激光束发生装置发射的激光束L经由分色镜200后透过狭缝100，而透过狭缝100的激光束L1到达工件A表面。这样，可以根据透过狭缝100的激光束所形成的模式来加工工件A。此时，为了在工件表面上形成所需加工形状，可使用多个狭缝100或改变狭缝100的模式。

然而，当所述工件需要加工成简单的形状时，虽然可以在激光束的光路上配置具有对应于激光束路径中的形状的加工模式的狭缝100来加工工件，但如果需要加工复杂或曲线形状的工件时，依靠现有激光加工装置，配置所需加工模式的狭缝100来加工工件存在一些难度。

也就是说，要把工件加工成曲线而非直线，或者将其加工成复杂形状时，难以加工成所需形状。虽然也可将复杂的形状分成若干小的区域后逐次进行加工，但这需要过多的时间，增加加工费用。

此外，现有激光加工装置没有可调节光束L的强度的装置，因此很难控制工件的加工深度。

另一方面，如图2所示，为了在加工前预先观察工件A的加工形状，可使用分色镜200来将辅助光束M射向狭缝100，并根据到达工件A的辅助光束M1来预先观察。然而在此时，如果工件的形状复杂或者具有弯曲的形状时，同样很难准确地观察工件的加工形状。

发明内容

本发明是鉴于现有技术中的上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够在较短的时间内精确地加工具有复杂或曲线形状的工件表面的激光加工装置。

本发明的目的还在于提供一种能够通过控制激光束的功率来控制工件加工深度的激光加工装置。

本发明的另一目的在于提供一种在利用激光束加工工件时，可通过辅助光束来观察加工形状的激光加工装置。

为了达到上述目的，本发明提供一种用于利用激光束来加工工件表面的激光加工装置，包括如下结构：用于发射激光束的激光束发生单元；具有多个微镜的微镜器件，所述微镜被配置成以将所述工件的表面加工成所需形状的模式，将从激光束发生单元发射的激光束中的至少一部分激光束反射和传递到工件表面，其中，所述微镜器件中的每个微镜能够根据需要在两个光路之间有选择地转换光路。

优选地，可在所述微镜器件的微镜两端中的一端上施加电压，从而在所述微镜所能处的两个位置中选择一个位置，以使得所述微镜可以在两个光路之间有选择地转换光路。

所述微镜器件可以是数字微镜器件，其通过半导体开关电路来选择激光束的光路。

另外，所述微镜器件可通过转换与要被加工的工件表面的区域相对应的微镜中的部分微镜的光路，来控制照射到需要加工的工件表面的区域的激光束的功率。

此外，所述微镜器件可通过控制所述微镜的光路转换时间来控制由一个微镜所照射的激光束的功率。

可替换地，所述微镜器件通过控制单位时间内的微镜光路转换次数来控制要被加工的工件表面的加工深度。

本发明的激光加工装置还可进一步包括辅助光束发生单元，该辅助光束发生单元与所述激光束发生单元的光路分离地设置以用于产生辅助光束，从而能够观察需要被加工的工件表面。

优选地，本发明的激光加工装置还可进一步包括分色镜，使得由所述辅助光束发生单元发射的辅助光束的光路与由所述激光束发生单元发射的激光束的光路相同。

采用本发明的激光加工装置，可在较短的时间内精确地加工具有复杂或曲线形状的工件，这是现有技术所没有的优点。

本发明还可通过控制激光束的功率，来控制工件上的加工区域的深度，并将其加工成三维形状。

另外，也可通过控制激光束的功率来控制工件上的加工深度。

此外，本发明在利用激光束加工工件时，可一边利用辅助光束来观察加工形状，一边加工工件。

附图说明

根据结合附图的下面的详细描述，本发明的上述以及其它目标、特征和优点将变得更明显，其中：

图1是根据现有技术的常规的激光加工装置的剖面图；

图2是根据现有技术的常规的辅助光束发生装置的剖面图；

图3是本发明的激光加工装置的剖面图；

图4是用来说明微镜在本发明的激光加工装置中改变位置的实施例的剖面图；

图5是用来说明怎样用本发明的激光加工装置来加工工件的示意图；

图6至图10是用来说明怎样通过在本发明的激光加工装置中移动微镜来改变激光束的功率的示意图；

图11是本发明的激光加工装置中的辅助光束发生单元的一个实施例的剖面图；以及

图12是本发明的激光加工装置中的辅助光束发生单元的另一个实施例的剖面图。

具体实施方式

下面参照附图进一步详细说明本发明的优选实施例。

图3是本发明的激光加工装置的剖面图，图4是用来说明微镜在本发明的激光加工装置中改变位置的实施例的剖面图。如图中所示，本发明的激光加工装置包括激光束发生单元30和微镜器件40。

激光束发生单元30是用来向微镜器件40发射激光束的装置，其与微镜器件40隔离设置。

微镜器件40可以有选择地将从激光束发生单元30发射过来的激光束中的部分激光束传输到工件A的表面。即，由激光束发生单元30射入微镜器件40的激光束L中的一部分激光束将被传递到工件A。为此，微镜器件40具有多个微镜。

所述微镜是非常小的镜片，微镜器件40内设置有多个微镜，而所述微镜可通过预定方式分别驱动。分别驱动微镜的方式包括：在微镜两端中的一端施加电压，使得微镜左右移动；以及在微镜中心施加电压，使得微镜变形，从而转换微镜的光路。

例如，采用前述第一种方式时，可通过在微镜两端中的一端上施加电压，在其在所能处的两个位置中选择一个位置。

例如，所述微镜器件40可使用美国德克萨斯仪器公司(TEXASINSTRUMENTS，TI)开发的数字微镜器件(digital micromirror device)。所述数字微镜器件包括由数个到数十万个微小驱动微镜(单元)以平板状集成的半导体晶片。即每一个单元具有微米级大小，因此非常小。通常，数字微镜器件40在工作时将计算机或VCR等AV仪器所提供的图像信号放大和投射。另外，由于微镜器件由数十万个微镜构成，而所述微镜每秒钟可转换(SWITCH)数次到数十万次光路，因此每一个微镜可分别以数字方式控制所聚集的光束。通常，数字微镜器件的每一个微镜可通过电压来左右转动，并由此而处于所需位置。

接着说明用于选择微镜器件所反射的激光束的结构。微镜器件40中的每个微镜通常可选择两个位置中的一个位置。即，每个微镜受到控制而有选择地位于两个光路位置中的一个位置，这通过在入射到微镜的激光束L之间使激光束L1到达工件而不使激光束L2到达工件来形成。如上所述，微镜器件40中的每个微镜转换光路后，从所选的微镜反射过来的激光束L1到达加工区域，并加工工件的表面。

通过上述操作，微镜器件40中的每个微镜将处于所需位置，并由此而选择两个光路中的一个光路，而照射工件的激光束L1的模式则取决于位于能够使得光束射入工件A的位置上的微镜(图3中的由c和e表示的微镜)。因此，可以确定工件上要被加工的形状。即，因为微镜是微小驱动镜，位于对应于要被加工的形状的区域的微镜以对应于要被加工的形状的模式来反射激光束L1，而位于其它区域的微镜(图3中由a、b、d和f表示的微镜)反射指向其它光路而不入射到工件的激光束L2，从而可在工件上加工相应的形状。

另一方面，如图4所示，当需要将朝其它方向反射的激光束L2转向射入工件时，可通过改变对应于激光束L2的微镜(图3和图4中的由d表示的微镜)的方向，来改变激光束的光路以指向工件。

因此，根据微镜的方向，可改变射入工件A的激光束L1的光路，进而改变工件A的加工区域。由此，所照射的激光束L1可到达工件A表面上的加工区域X，从而加工工件A(如图5所示)。如上所述，每一个微镜具有微米级大小，非常小。因此，即使所要加工的形状复杂，也可按照所需形状照射激光束来容易地加工工件。图5是用来说明通过本发明的激光加工装置来加工具有复杂形状工件的方法的示意图。

下面说明用来控制到达加工区域X的激光束的功率的方法。

图6至图10是用来说明激光束的功率根据本发明的激光加工装置中的微镜的移动而发生变化的示意图。下面结合附图说明，通过控制确定到达工件A加工区域X的激光束L1的方向的每个微镜，来控制激光束L1的功率，从而控制加工区域X的形状和深度D1的方法。

首先如图6所示，如果到达加工区域X的所有微镜的光路指向工件A，则到达工件A的激光束L1的功率保持不变。同时，如果到达加工区域X的微镜中的部分微镜的光路指向工件A，到达工件A的激光束L1的功率将会相应地减少，此时减少量取决于使光路改变为不指向加工区域X的激光束的量。例如，如果1/4微镜的光路指向工件A上的加工区域X，到达工件A上的加工区域X的激光束的功率将会减少至1/4。

通过上述方式，可根据加工区域控制到达加工区域X的激光束的功率，以控制加工区域X的深度。即，由于当对应于加工区域的所有微镜41指向工件时(如图8所示)与当部分微镜41指向工件时(如图9所示)相比，前者所施加的激光束L1的功率更大，因此前者的加工深度D1比后者的加工深度D2深。因此可通过根据加工区域控制激光束来实施如图10所示的三维加工过程。

接着描述了通过控制微镜器件中微镜的转换时间来控制到达加工区域的激光束的功率的方法。

一般来说，每个微镜每秒钟可改变数次到数千次方向。因此，可通过控制微镜的转换时间来控制激光束的功率。

例如，为了将工件的加工表面中部分区域(第一区域)加工成其具有较其它区域(第二区域)更深的加工深度，可让将激光束反射到第一区域的微镜，比将激光束反射到第二区域的微镜，维持更长的转换时间，从而使得第一区域与第二区域相比，被激光束照射的时间长。

因此，第一区域可以比第二区域加工得更深。例如，就每次转换时间为1/300秒的微镜来说，如果微镜以上述方式转换，激光束可以每秒被照射到第一区域90次(意思是激光束被照射到该区域的时间为90/300秒)，并且激光束可以每秒被照射到第二区域30次(意思是激光束被照射到第二区域的时间为30/300秒)，这样，可使照射第一区域的激光束的功率是照射第二区域的激光束的功率的三倍。由此可获得不同的加工深度，进而对加工表面施以立体加工。

此外，可通过控制单位时间内的微镜转换次数来控制最小加工单位。即，利用每转换一次微镜时，根据转换时间的不同而激光束对工件的照射时间不同的原理，例如将微镜的每次转换时间控制在1/300秒或1/200秒。因此，可通过控制每次的微镜转换时间来控制照射一次激光束时的加工深度。

即，对于一次转换周期来说，每秒钟可转换300次的微镜所照射的激光束，与每秒钟可转换200次的微镜所照射的激光束相比，前者的照射时间为后者的2/3左右，因此前者每一次照射所能加工的量也就比后者小。所以，可通过控制每单位时间的微镜转换次数以及微镜转换时间来进行三维形状的精细加工。

如果同时控制允许激光束到达对应区域加工表面的微镜数量、微镜转换时间以及单位时间内的微镜转换次数，则可以获得更加精确及不同的激光束的功率，因此可实现更加精密的表面加工。

其次，参照图11及图12描述本发明的激光加工装置的辅助光束发生单元。图11是所述辅助光束发生单元的一个实施例的剖面图，图8是所述辅助光束发生单元的另一个实施例的剖面图。

如图11所示，本发明的激光加工装置可进一步包括辅助光束发生单元35。辅助光束发生单元35可配置在相异于激光束发生单元(如图3所示)的光路的另一位置上，由辅助光束发生单元35产生的辅助光束M被微镜反射，而被反射的辅助光束中只有被选定的辅助光束M1才能射入工件A，从而可以用辅助光束M1来仔细观察需要加工的工件表面。

此时，可通过使用相同的微镜器件40来进行基于辅助光束的工件观察和基于激光束的工件加工两种操作。因此，可通过把利用激光束进行加工时和利用辅助光束进行观察时所被选择的微镜器件40中每一微镜的位置设成不同的位置，来对同一个加工区域进行加工及观察。

也就是说，利用辅助光束来观察工件和利用激光束来加工工件两种操作不能同时进行，而根据微镜的转换位置来进行利用辅助光束的工件观察及利用激光束的工件加工中的一种操作。

与此相反，如图12所示，可通过使用分色镜20(dichroic mirror)，来同时进行基于辅助光束的工件观察及基于激光束的工件加工。分色镜20在光束中只反射所选择的波长的光束，而透射其它波长的光束，其用来使激光束无波长损失地全部透过。

如图12所示，本发明的激光加工装置可进一步包括分色镜20，分色镜20可使从辅助光束发生单元35发射的辅助光束M的光路与激光束发生单元30所发射的激光束L的光路相同。

通过使用分色镜20，可透射全部激光束L，而辅助光束M中只有一部分光才被透射，其余均被反射。由此，由分色镜20反射的辅助光束M可在与激光束L保持相同光路的状态下射入每一个微镜。

在微镜处反射的激光束L1及辅助光束M1沿着相同的光路射入工件A。因此，在采用激光束来加工工件时，可同时观察工件。与此相反，也可把基于激光束的工件加工和基于辅助光束的工件观察分开进行。另外，在上述实施例中，除分色镜外，也可使用分束器来达到相同的目的和效果。

本发明的保护范围并不限于上述实施例，也可在权利要求书所述的范围内实现多种实施方式。在不脱离本发明的技术思想的范围内，本领域技术人员所做的各种变更及修改均属于仅由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的保护范围。

工业适用性

根据如上述配置的本发明的激光加工装置，与现有技术不同，可以在短时间内精细地加工具有复杂形状或曲线形状的工件。

通过控制激光束的功率，可以控制加工区域的深度以及以三维形状对加工区域进行加工。

另外，通过控制激光束的功率，可以控制在工件上加工的深度。

此外，通过在用激光束加工工件时使用辅助光束，可以在观察加工形状的同时加工工件。

Claims

1.一种利用激光束加工工件的表面的激光加工装置，该激光加工装置包括：

用于发射激光束的激光束发生单元；以及

具有多个微镜的微镜器件，所述多个微镜被配置成以将所述工件的表面加工成所需形状的模式，将从所述激光束发生单元发射的激光束中的至少一部分激光束反射和传递到所述工件的表面，

其中，所述微镜器件中的每个微镜有选择地转换由所述激光束发生单元发射的激光束的光路，

所述微镜器件通过转换与要被加工的工件表面的区域相对应的微镜中的部分微镜的光路，来控制照射到需要加工的工件表面的区域的激光束的功率。

2.一种利用激光束加工工件的表面的激光加工装置，该激光加工装置包括：

用于发射激光束的激光束发生单元；以及

其中，所述微镜有选择地转换由所述激光束发生单元发射的激光束的光路，

所述微镜器件通过控制所述微镜的光路转换时间的长度来控制由一个微镜所照射的激光束的功率。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，对所述微镜器件中的微镜的一端上施加电压，从而在所述微镜所能处的两个位置中选择一个位置，以使得所述微镜在两个光路之间有选择地转换所需要的光路。

4.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其中，所述微镜器件是数字微镜器件，所述微镜器件通过半导体开关电路来选择所需要的光路。

5.根据权利要求2所述的激光加工装置，其中，所述微镜器件通过控制单位时间内的微镜的光路转换次数来控制要被加工的工件表面的加工深度。

6.根据权利要求1到2中的任何一项权利要求所述的激光加工装置，该激光加工装置进一步包括辅助光束发生单元，该辅助光束发生单元与所述激光束发生单元的光路分离地设置以用于产生辅助光束，从而能够观察需要被加工的工件表面。

7.根据权利要求6所述的激光加工装置，该激光加工装置进一步包括分色镜，用于使由所述辅助光束发生单元发射的辅助光束的光路与由所述激光束发生单元发射的激光束的光路相同。