CN102066034A - 采用弯曲轨迹的激光划线 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了使用激光器和光学装置、沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离的系统和方法。所述系统包括产生激光束的激光器，聚焦透镜，以及锥形光学部件，例如锥形透镜或锥形反射镜。所述激光器使激光束投射通过聚焦透镜和锥形透镜，形成弯曲的划线，将划线投射在玻璃片上，形成弯曲的划线，可以沿着所述划线分离玻璃片。任选地，所述激光器使激光束投射通过聚焦透镜射向锥形镜，激光束从锥形镜反射到玻璃片，形成弯曲的划线。

Description

采用弯曲轨迹的激光划线

优先权

本申请要求以下优先权：2008年4月30日提交的美国专利申请第61/125,956号，以及2008年11月26日提交的题为“采用弯曲轨迹的激光划线(Laser Scoring With Curved Trajectory)”的美国专利申请第12/324,541号。

技术领域

本发明涉及沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离的系统和方法。更具体来说，本发明提供了一些系统和方法，用来使用激光器和光学装置产生弯曲的激光束轮廓，将其投射在玻璃片上，在玻璃片上形成的弯曲的划线，沿着所述划线可以对该玻璃片进行划线和分离。

背景技术

在过去，人们采用一些不同的方法和技术来切割玻璃片。最广泛使用的方法是机械划线法，该方法使用硬质材料制成的滚轮划线，并且沿着划线折断玻璃。该机械划线和折断工艺会产生碎屑，碎屑会聚集在玻璃表面上，需要进行充分的清洁。因此，需要高玻璃质量的玻璃技术领域(例如LCD工业)无法可靠地使用机械划线技术形成玻璃片。

其它的广泛采用的方法包括用激光对玻璃片划线和/或分离。在一种技术中，使用激光束划玻璃；然后通过机械分离技术来分离玻璃。当激光束在玻璃片上移动时，它在玻璃片的表面上产生温度梯度，在激光束之后一段距离处跟随的冷却剂(例如气体或液体)提高了所述温度梯度。具体来说，激光对玻璃片的加热以及冷却剂对玻璃片的快速冷却在玻璃片中产生了拉应力。该拉应力会在玻璃表面中形成裂纹(或划痕裂口)。通过这种方式，沿着玻璃片产生了划线。然后可以通过沿着划线分离所述玻璃片，将玻璃片分成两个较小的片材。另一种技术使用第一激光束来划玻璃。使用具有不同构型的第二激光束完成激光分离。

常规的技术通常使用细长的激光束提供加快的划线速度。由于需要实现较快的划线速度而使得激光束拉长，这些技术仅限于划直线轨迹。

因此，本领域需要用来沿着弯曲轨迹切割玻璃片的系统和方法。

发明概述

本发明提供了用来沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离的系统和方法。更具体来说，本发明提供了用来分离玻璃片的方法，该方法包括提供聚焦透镜，将所述聚焦透镜设置在基本上平行于玻璃片的平面内。该方法还可以包括提供锥形透镜，将所述锥形透镜设置在聚焦透镜和玻璃片之间。可以产生激光束，使其投射通过所述聚焦透镜和锥形透镜，在玻璃片上产生形成的弯曲的激光束轮廓，由此在玻璃片上产生弯曲的划线。根据另一个方面，所述方法可以包括沿着所述弯曲的划线分离玻璃片。

本发明还提供了用来沿着至少部分弯曲的线条分离玻璃片的系统。在一个方面，一种示例性的系统可以包括构造成产生激光束的激光器、聚焦透镜和锥形透镜。所述聚焦透镜可以设置在激光器和玻璃片之间，位于基本平行于玻璃片的平面之内。所述锥形透镜可以具有平底面，以及相对的限定顶点的锥形面，可以设置在所述聚焦透镜和玻璃片之间。在一个方面，所述锥形透镜以其平底面对着聚焦透镜，其顶点对着玻璃的方式设置。所述激光器可以使激光束投射通过聚焦透镜和锥形透镜，产生形成的弯曲的激光束轮廓。可以将所述弯曲的激光束轮廓投射在玻璃片上，在玻璃片上产生弯曲的划线。

根据另一个方面，提供了一种示例性的系统，其包括构造成产生激光束的激光器，聚焦透镜，以及锥形反射镜。所述聚焦透镜可以设置在激光器和锥形反射镜之间。所述激光器可以构造成使激光束投射通过聚焦透镜，射向锥形反射镜，使得激光束从锥形镜反射到玻璃片，在玻璃片上形成弯曲的划线。

在以下详细描述、和任一权利要求中部分地提出了本发明的另外一些方面，它们部分源自详细描述，或可以通过实施本发明来了解。应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是示例和说明性的，不构成对所揭示和/或要求保护的本发明的限制。

附图简要说明

附图被结合在本说明书中，并构成说明书的部分，附图说明了本发明的一些方面，并与描述部分一起用来说明本发明的原理。

图1显示一种示例性的系统，其使用锥形透镜，沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离。

图2显示使用图1的系统在玻璃片上形成的示例性的环形光束划线。

图3显示另一种示例性的系统，其使用锥形透镜，沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离。

图4显示使用图3的系统在玻璃片上形成的示例性的弓形划线。

图5显示另一种示例性的系统，其使用锥形镜，沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离。

图6显示使用图5的系统在玻璃片上形成的示例性的弓形划线。

图7显示另一种示例性的系统，其使用锥形镜，沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离。

详述

提供以下对本发明的描述，作为按其最佳的目前已知的实施方式来揭示本发明的内容。因此，相关领域的技术人员会认识并理解，可以对本文所述的各实施方式进行许多变化，而且仍能获得本发明的有益的结果。还显而易见的是，本发明所需的有益结果中的一部分可以通过选择本发明的一些特征而不利用其他的特征来获得。因此，本领域技术人员会认识到，对本发明的许多更改和修改都是可能的，在某些情况下甚至是希望的，并且是本发明的一部分。因此，提供的以下描述作为对本发明原理的说明而不构成对本发明的限制。

如本文中所用，单数形式的“一个”，“一种”和“该”包括复数的谈到的事物，除非文本中有另外的明确表示。因此，例如，提到“激光束”包括具有两种或更多种这类激光束的实施方式，除非文本中有另外的明确表示。

在本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值。表述这样的范围时，另一实施方式包括从一个具体值和/或至另一个具体值。类似地，用先行词“约”将数值表达为近似值时，应该理解，具体值构成另一实施方式。应该进一步理解，各范围的端点不管与另一个端点相关还是与该另一个端点无关，都是有意义的。

如上文简述，本发明提供了用来沿着弯曲的轨迹对玻璃片划线和分离的系统和方法。在一个方面，所述系统100包括激光器110，聚焦透镜120和锥形透镜130。激光器构造成产生一束或多束激光束112。在一个方面，所述激光器是CO₂激光器。任选地，可以使用光纤激光器，Nd:YAG激光器或其它的激光器。因此，考虑可以使用各种激光器对玻璃片划线和分离，本发明的方面不限于任意特定的激光器或任意特定的激光波长。类似地，所述激光器产生的激光束可以为任意的各种型式轮廓，包括高斯型，D型，平顶型等。

如图1所示，所述聚焦透镜120可以设置在激光器110和玻璃片140之间，位于基本平行于玻璃片的平面之内。在一个方面，所述聚焦透镜是ZnSe聚焦透镜。从图1可以看到，根据各个方面，所述锥形透镜130具有平底面132以及具有中央顶点136的锥形面134。所述锥形透镜可以以平底面132对着聚焦透镜120，锥形面134对着玻璃片140的方式设置在聚焦透镜和玻璃片之间。根据各个方面，所述锥形透镜与玻璃片间隔预定的距离l，对该距离进行选择，以产生形成的具有预定的曲率半径的弯曲的激光束轮廓150，在下文中将更进一步进行讨论。在一个方面，所述锥形透镜130是Axicon。常规的锥形透镜130具有折射率(“n”)，以及图1中以α表示的锥形面134的几何角度。在玻璃上产生的环形激光束轮廓的锥角β可以通过以下公式确定：

nsin(α)＝sin(α+β)

形成的环形激光束轮廓的直径d可以通过锥形透镜和玻璃片140之间的距离l确定。在一个方面，直径可以通过以下公式确定：

d＝2ltan(β)。

所述激光器110可以构造成使激光束112投射通过聚焦透镜120和锥形透镜130，产生形成的弯曲的激光束轮廓150。可以将所述弯曲的激光束轮廓投射在玻璃片140上，在玻璃片上产生弯曲的划线116，如图2所示。可以通过改变以下参数中的任一个来选择弯曲的划线的宽度w：输入的激光束112的直径，聚焦透镜的焦距，以及聚焦透镜和锥形透镜之间的工作距离χ，或者可以通过改变这些参数的任意组合。在一个方面，弯曲的划线的宽度可以通过以下公式确定：

$w=\frac{\mathrm{\λf}}{\mathrm{\πW}}$

其中λ是激光束的波长，f是聚焦透镜的焦距，W是输入激光束的半径。

在一个方面，所述激光器110，聚焦透镜120和锥形透镜130沿着公共轴a共轴对准。如图1所示，所述激光器可以构造成使激光束112沿着公共轴投射，产生形成的基本环形的弯曲的激光束轮廓150。如图2所示，所述基本环形的激光束轮廓在玻璃片140上产生基本环形的划线116。

任选地，如图3所示，所述激光器110可以构造成使激光束112沿着轴b投射，所述轴平行于聚焦透镜和锥形透镜的公共轴a，并与该公共轴隔开，从而产生形成的基本弓形的弯曲激光束轮廓。或者，所述锥形透镜可以在轴向偏离所述聚焦透镜，所述激光束可以沿着聚焦透镜的轴投射，产生形成的基本弓形的弯曲激光束轮廓。如图4所示，所述基本弓形的激光束轮廓在玻璃片140上产生基本弓形的划线117。可以通过改变激光束112和公共轴a之间的偏移量，或者激光束和锥形透镜轴(图中未显示)之间的偏移量(Δ)，来选择弓形划线的长度。所述弓形划线的曲率半径可以使用上述用来确定环形激光束轮廓直径的公式来确定，其中直径等于曲率半径的两倍。弓形划线的长度η可以通过以下公式来确定：

$\mathrm{\η}=\frac{W}{\mathrm{\Δ}}2r$

其中W是输入的激光束的半径，r是弓形的划线计算的曲率半径。

在另一个方面，锥形透镜可以相对于聚焦透镜(图中未显示)倾斜，使得锥形透镜的平底面132相对于聚焦透镜120的平面成一角度。形成的弯曲的激光束轮廓基本上是椭圆形，在玻璃片上形成基本椭圆形的划线。在另一个方面，如果激光束偏离聚焦透镜和锥形透镜，则形成的弯曲的激光束轮廓将会是椭圆的片段或一部分。任选地，所述锥形透镜可以以其平底面132基本上平行于聚焦透镜的平面的方式设置。所述玻璃片可以倾斜至选定的位置，使得其位于相对于聚焦透镜的平面成一角度的平面内。通过这种方式，在玻璃片上形成的弯曲的激光束轮廓基本上是椭圆形，产生基本椭圆形的划线。

根据另一个方面，提供了一种系统200，其包括激光器110，聚焦透镜120和锥形反射镜150，如图5所示。所述锥形镜可以具有平底面152以及具有中央顶点156的锥形面154。所述锥形面的至少一部分是反射的。设置所述锥形镜，使得反射面的至少一部分对着聚焦透镜。如图5所示，所述锥形透镜120位于激光器110和锥形镜150之间。所述激光器构造成产生一束或多束激光束112，并使激光束投射通过聚焦透镜，射向锥形镜，使得激光束从反射锥形镜反射到玻璃片，在玻璃片140上形成弯曲的划线118，如图6所示。

根据另一个方面，提供了一种系统300，其包括激光器110，聚焦透镜120，锥形反射镜150，以及具有通孔166的环形平面镜160，如图7所示。例如，可以使用这样的示例性系统在玻璃片上产生环形的划线。例如，所述激光器，聚焦透镜和锥形镜可以共轴对准。所述平面镜160可以以反射面164对着锥形镜的锥形面154的方式设置在聚焦透镜和锥形镜之间。所述平面镜160可以是基本平的，可以设置成相对于锥形镜的平底面152成一角度。如图7所示，所述激光器构造成产生一束或多束激光束112，使所述激光束投射通过聚焦透镜120，通过平面镜160的通孔166，射向锥形镜154。所述光束被锥形镜的锥形反射面154反射，射向平面镜的反射面164。然后所述激光束被反射到玻璃片140，在玻璃片上形成环形划线(图中未显示)。如图7所示，所述平面镜的通孔可以具有预定的直径，该直径大得足以使得从激光束投射的激光束射到锥形镜，但是又小得足使得基本上全部的从锥形镜反射的激光束射到平面镜的反射面上，由其反射到玻璃片上。在另一个方面，限定所述通孔对于平面镜基本上是在中央的。但是，认为可以根据需要改变所述通孔的位置和尺寸，并希望它们不受到限制。

根据各个方面，示例性的系统可以进一步包括机械器件，锥形透镜或锥形镜可以安装在该机械器件上。所述机械器件可以构造成将锥形透镜或锥形镜相对于激光束移入不同的位置或移出激光束光路。因此，可以获得可弯曲的划线轨迹。

在使用中，提供了一种使用本发明所述的示例性系统对玻璃片划线和分离的方法。在一个方面，提供了一种聚焦透镜，将其置于基本平行于玻璃片的平面内，如图1和3所示。提供了一种锥形透镜，其具有平底面和相对的锥形面。所述锥形透镜，以平底面对着聚焦透镜，锥形面对着玻璃片的方式设置在聚焦透镜和玻璃片之间。产生激光束，使其投射通过聚焦透镜和锥形透镜，在玻璃片上形成合成弯曲的激光束轮廓。所述弯曲的激光束轮廓在玻璃片上形成弯曲的划线。

在一个方面，所述锥形透镜和聚焦透镜可以沿着公共轴共轴设置。激光束可以沿着该公共轴投射，产生形成的基本环形的弯曲激光束轮廓。在一个方面，可以使多束激光束沿着平行于所述公共轴并且在径向上与公共轴隔开的轴投射，产生形成的环形的激光束轮廓。任选地，可以将具有预定直径的单独的基本圆形的激光束沿着公共轴投射，产生形成的环形激光束轮廓。在另一个方面，所述激光束可以沿着平行于公共轴并且与公共轴隔开的轴(或多个轴)投射，产生基本弓形的弯曲的激光束轮廓。

根据各个方面，锥形透镜设置在与玻璃片相距预定的距离；对该预定的距离进行选择，以产生形成的具有预定的曲率半径的弯曲的激光束轮廓。例如，如图1和图2所示，所示锥形透镜可以与锥形透镜和激光束共轴对准，使得在玻璃片上形成具有预定直径的环形划线。如果锥形透镜移动靠近玻璃片，则环形划线的直径会减小；类似地，如果锥形透镜移动远离玻璃片，则环形划线的直径会增大。在图3和4所示的系统中可以获得类似的结果，该系统构造成产生具有预定曲率半径的弓形划线。

在另一个方面，弓形透镜可以相对于聚焦透镜倾斜，使得锥形透镜的平底面相对于聚焦透镜的平面成一角度。使激光束投射通过聚焦透镜和锥形透镜，产生形成的弯曲的激光束轮廓，该轮廓基本为椭圆形。在另一个方面，所述激光可以偏离倾斜的锥形透镜的轴，以产生形成椭圆的一部分的弓形激光束轮廓。可以通过调节锥形透镜相对于聚焦透镜的倾斜角来改变椭圆(或椭圆部分)的曲率。

根据另一个方面，可以提供上文所述的锥形镜来代替锥形透镜，如图5所示。所述激光器和锥形透镜可以在轴向互相偏移，锥形镜可以相对于聚焦透镜的平面成一定角度设置。激光器可以构造成产生激光束，使激光束投射通过聚焦透镜，射向锥形镜。光束可以从锥形镜的锥形反射面反射到玻璃片，产生弓形的激光束轮廓。因此，在玻璃片上形成弓形划线。

任选地，可以设置锥形镜，使得其平底面基本上平行于聚焦透镜的平面，同时锥形镜的反射面对着聚焦透镜，如图7所示。可以以平面镜的反射面对着所述锥形镜的方式在聚焦透镜和锥形镜之间设置限定中央通孔的平面镜。所述平面镜可以设置成相对于锥形镜的平底面成一定的角度，因此从锥形镜反射的激光束可以从平面镜反射，远离锥形镜。根据一个具体的方面，所述玻璃片可以设置成基本垂直于聚焦透镜的平面。在此方面中，考虑平面镜可以设置成相对于聚焦透镜的平面成大约45度的角度，以使激光束射向玻璃片。但是考虑所述玻璃片和平面镜可以以相互独立的各种角度设置，本发明所述的各方面不限于上述的角度。所述激光器构造成产生激光束，使激光束投射通过聚焦透镜，通过平面镜的通孔，射向锥形镜的锥形反射面。然后激光束从锥形镜反射，射向平面镜的反射面，然后反射到玻璃片上，产生环形激光束轮廓。因此，在玻璃片上形成环形划线。

根据各个方面，沿着激光束产生的弯曲的划线，分离玻璃片。因此，例如，如图2所示，在形成环形划线之后，可以沿着划线分离玻璃片，形成环形玻璃片。认为在形成划线之后，可以将玻璃片机械分离。任选地，可以使激光束投射在玻璃上两次或更多次，以便沿着弯曲的划线完全分离玻璃片。

最后，应理解，虽然关于本发明的一些说明性和具体的实施方式详细描述了本发明，但是不应认为本发明限于这些实施方式，因为在不偏离所附权利要求书定义的本发明的广义精神和范围的情况下，许多修改均是可能的。

Claims (16)

1.一种分离玻璃片的方法，该方法包括：

提供聚焦透镜，将聚焦透镜设置在基本上平行于所述玻璃片的平面内；

提供锥形透镜，该锥形透镜具有平底面以及限定中央顶点的相反的锥形面；

以平底面对着聚焦透镜，所述顶点对着玻璃片的方式将所述锥形透镜设置在所述聚焦透镜和玻璃片之间；

产生激光束；

使所述激光束投射通过所述聚焦透镜和锥形透镜，在玻璃片上产生形成的弯曲的激光束轮廓，其中所述弯曲的激光束轮廓在玻璃片上形成弯曲的划线；以及

沿着所述弯曲的划线分离玻璃片。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置锥形透镜的步骤包括将所述聚焦透镜和锥形透镜沿着公共轴共轴设置，所述使激光束投射的步骤包括使激光束沿着所述公共轴投射，其中所述形成的弯曲的激光束轮廓基本上是环形的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置锥形透镜的步骤包括将所述聚焦透镜和锥形透镜沿着公共轴共轴设置，所述使激光束投射的步骤包括使激光束沿着平行于所述公共轴并且与所述公共轴隔开的轴投射，其中所述形成的弯曲的激光束轮廓基本上是弓形的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置锥形透镜的步骤包括使锥形透镜相对于聚焦透镜倾斜，使得锥形透镜的平底面相对于聚焦透镜的平面成一角度，其中所述形成的弯曲的激光束轮廓基本为椭圆形。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设置锥形透镜的步骤包括将锥形透镜设置成与玻璃片相距预定的距离，对所述预定的距离进行选择，以产生具有预定曲率半径的形成的弯曲的激光束轮廓。

6.一种用来沿着至少部分弯曲的线条分离玻璃片的系统，其包括

构造成产生激光束的激光器；

聚焦透镜，其设置在所述激光器和玻璃片之间，所述聚焦透镜设置在基本平行于玻璃片的平面内；

锥形透镜，其具有平底面和相反的限定中央顶点的锥形面，所述锥形透镜以所述平底面对着所述聚焦透镜，所述顶点对着所述玻璃片的方式设置在所述聚焦透镜和玻璃片之间，

其中，所述激光器构造成使所述激光束投射通过所述聚焦透镜和锥形透镜，产生形成的弯曲的激光束轮廓，并使所述弯曲的激光束轮廓投射在玻璃片上，在玻璃片上形成弯曲的划线。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光器、聚焦透镜和锥形透镜沿着公共轴共轴对准，激光器构造成沿着所述公共轴投射激光束，所述形成的弯曲的激光束轮廓基本是环形的。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述聚焦透镜和锥形透镜沿着公共轴共轴对准，激光器构造成使激光束沿着平行于所述公共轴并且与所述公共轴隔开的轴投射，所述形成的弯曲的激光束轮廓基本是弓形的。

9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所锥形透镜相对于聚焦透镜是倾斜的，使得锥形透镜的平底面相对于聚焦透镜的平面成一角度，所述形成的弯曲的激光束轮廓基本为椭圆形。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述锥形透镜设置成与玻璃片相距预定的距离，对所述预定的距离进行选择，以产生具有预定曲率半径的形成的弯曲的激光束轮廓。

11.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述聚焦透镜是ZnSe聚焦透镜。

12.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述激光器是CO₂激光器。

13.一种用来沿着至少部分弯曲的线条分离玻璃片的系统，其包括

构造成产生激光束的激光器；

聚焦透镜；

锥形反射镜；

其中，所述聚焦透镜设置在所述激光器和锥形反射镜之间，所述激光器构造成使激光束投射通过聚焦透镜，射向所述锥形反射镜，使得激光束从锥形反射镜反射到玻璃片，在玻璃片上形成弯曲的划线。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述聚焦透镜设置在基本垂直于所述玻璃片的平面内。

15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述聚焦透镜是ZnSe聚焦透镜。

16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述激光器是CO₂激光器。

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