CN102149507A - 用于微机加工应用的激光束的后置透镜调向 - Google Patents

Abstract

一种激光微机加工系统，其包括沿着激光束脉冲的路径定位于激光源与光束调向机构之间的简单聚焦透镜。所述聚焦透镜为简单单片球形透镜，其中所述聚焦透镜的光学轴被定位成与从所述激光源输入的激光束成直线。所述聚焦透镜被定位成比所述光束调向机构更远离工件。有源光束路径管理系统使所述简单聚焦透镜与所述光束调向机构协同地且相对于所述光束调向机构移动以在所述光束调向机构所影响的所有偏转角度下维持焦点与所述工件的表面一致。所述聚焦透镜可与所述光束调向机构协同地快速移动以维持从所述透镜输出到所述工件的恒定光束路径长度。

Description

用于微机加工应用的激光束的后置透镜调向

技术领域

本发明涉及用于微机加工应用的激光束。

背景技术

许多激光微机加工系统包括快速光束调向机构(一对检流计)以使激光束偏转以便在工作表面上快速移动光束点。在典型实施方案中，快速光束调向机构实施的光束的角度偏转经由“f-θ”透镜(也称作“远心透镜”或“扫描透镜”)转换为工作表面上的平面运动。当光束调向机构位于透镜的前焦点处且输入光束经准直时，结果是也平行于光学轴的会聚(聚焦)输出光束。在多数情形下，此布置耦合有呈现垂直于光学轴的工作表面的部件卡盘。如此，从f-θ透镜发出的(聚焦)光束以90度角度击中工件。图2中图解说明典型布置，其中激光微机加工系统10a包括激光源12a，其经定位以通过光束调向机构16a和f-θ聚焦透镜18a将激光束脉冲的路径14a指向工件20a。

发明内容

一种激光微机加工系统，其包括经定位以通过光束调向机构和聚焦透镜将激光束脉冲的路径指向工件的激光源。根据本发明的一个实施例，所述聚焦透镜为沿着所述激光束脉冲的所述路径定位于所述激光源与所述光束调向机构之间的简单聚焦透镜。在另一实施例中，所述聚焦透镜为简单单片球形透镜，其中所述聚焦透镜的光学轴被定位成与从激光源输入的激光束成直线。所述聚焦透镜经定位而比所述光束调向机构更远离所述工件，以减小所述聚焦透镜对在借助激光源的机加工操作期间所产生的碎屑所致的污染的敏感性。在另一实施例中，有源光束路径管理系统使所述简单聚焦透镜与光束调向机构协同地且相对于所述光束调向机构移动以在所述光束调向机构所影响的所有偏转角度下维持焦点与所述工件的表面一致。所述聚焦透镜可与所述光束调向机构协同地快速移动以始终维持从所述透镜输出到所述工件的恒定光束路径长度。

在本发明的一个实施例中，一种用于激光微机加工的工艺包括激光源经定位以通过光束调向机构和聚焦透镜将激光束脉冲的路径指向工件。所述工艺包括沿着所述激光束脉冲的所述路径将简单聚焦透镜定位于所述激光源与所述光束调向机构之间。在另一实施例中，所述工艺包括将简单单片球形聚焦透镜定位成其光学轴与从激光源输入的激光束成直线。所述工艺包括将所述聚焦透镜定位成比所述光束调向机构更远离工件以减小所述聚焦透镜对在借助激光源的机加工操作期间所产生的碎屑所致的污染的敏感性。在另一实施例中，所述工艺包括使所述简单聚焦透镜与所述光束调向机构协同地且相对于所述光束调向机构移动以在所述光束调向机构借助有源光束管理系统所影响的所有偏转角度下维持焦点与所述工件的表面一致。所述聚焦透镜可与所述光束调向机构协同地快速移动以始终维持从所述透镜输出到所述工件的恒定光束路径长度。

在结合附图阅读以下描述时，本发明的其它应用将对所属领域的技术人员变得显而易见。

附图说明

本文中的描述是参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件，且图式中：

图1是根据本发明的一个实施例的前面有简单聚焦透镜的光束调向布置的示意图，包括用于在光束调向机构所影响的不同偏转角度下将焦点维持于工作表面上的“有源光束路径管理”概念；以及

图2是后面有f-θ透镜的典型光束调向布置的示意图。

具体实施方式

现在参考图1，激光微机加工系统10包括经定位以通过光束调向机构16和聚焦透镜18将激光束脉冲的路径14指向工件20的激光源12。根据本发明的一个实施例的聚焦透镜可以是沿着朝向工件20的激光束脉冲的路径14定位于激光源12与光束调向机构16之间的简单聚焦透镜18。举例来说，光束调向机构16为所谓的“快速”光束调向机构，其包含由所属领域中已知的检流计控制的光束调向光学器件。按惯例，工件20支撑于一个或多个轴线性级的部件卡盘上以与其一起移动。另一选择是，工件20可以是静止的，即，安装于部件卡盘上的固定位置中。

在本发明的一个实施例中，所述聚焦透镜可以是简单单片球形透镜18。从激光源12到聚焦透镜18的至少紧紧邻近于聚焦透镜18的激光束输入或路径14始终与聚焦透镜18的光学轴22成直线。应认识到，可通过所属领域的技术人员已知的装置在激光源12与聚焦透镜18之间重新定向激光束脉冲的路径14，此后才使其与光学轴22轴向对准以便进入到聚焦透镜18中。

根据本发明的实施例，既在从激光源12到工件20的光学路径的方向上，也如通过从聚焦透镜18和光束调向机构16中的每一者到工件20的直线所测量，聚焦透镜18经定位而比光束调向机构16更远离工件20。此减小聚焦透镜18对在借助激光源12的机加工操作期间在工件20上所产生的碎屑所致的污染的敏感性。来自光束调向机构16的输出光束26的路径24可以包括除直角外的角度的角度α命中工件20的表面28，如下文更详细描述。

本发明的实施例还可包括有源光束管理系统30。一般来说，光束管理系统由知晓工件上的目标位置的计算机构成，且控制检流计和激光激发以实现目标位置处的经聚焦激光点并在实现所述定位时触发激光的激发。此处，有源光束管理系统30为优选地并入到独立计算机中的基于微处理器的控制器，其接收来自光束调向机构的输入和工件18的定位指示符(在工件18可移动时)并将输出提供到激光源12、光束调向机构17、可移动级支撑工件18(在提供时)和(任选地)聚焦透镜18。更具体来说，由有源光束管理系统30实施经编程指令以控制光束调向系统16的检流计且在一些情形下，控制聚焦透镜18的定位以实现目标位置处的经聚焦激光点并在实现每一定位时控制并激发激光源12。

如下文更详细论述，有源光束管理系统30可使简单聚焦透镜18与光束调向机构16协同地且相对于光束调向机构16移动以在光束调向机构16所影响的所有偏转角度α下维持焦点与工件20的表面28一致。聚焦透镜18可与光束调向机构16协同地快速移动以始终维持聚焦透镜18与工件20之间的恒定长度光束路径。

根据本发明的实施例，用于激光微机加工的工艺包括激光源12经定位以通过光束调向机构16和聚焦透镜18将激光束脉冲的路径14指向工件20，所述工艺包括沿着激光束脉冲的路径14将简单聚焦透镜18定位于激光源12与光束调向机构16之间。在典型配置中，聚焦透镜18a位于光束调向机构16a的下游处或在光束调向机构16a之后，如图2中的最佳所见。此布置需要f-θ透镜18a。图1中所图解说明的配置允许简单聚焦透镜18为简单单片球形透镜18。在与所述典型配置相比时，此配置大致减小聚焦透镜的成本。将聚焦透镜18定位成比光束调向机构16更远离工件(如图1中所图解说明)减小聚焦透镜18对碎屑所致的污染的敏感性，如上文所提及。

所述工艺通常包括将从激光源12输入到聚焦透镜18的激光束脉冲的路径14对准成始终与聚焦透镜18的光学轴22成直线。应认识到，可通过所属领域的技术人员已知的装置在激光源12与聚焦透镜18之间重新定向激光束脉冲的路径14，此后才使其在进入到聚焦透镜18中之前与光学轴22轴向对准。

所述工艺可包括以包括除直角(例如，90度角度)外的角度的角度α使来自光束调向机构16的输出光束26的路径24命中工件20的表面28。即，在图2的系统10a中，在光束调向机构16a与工件20a之间提供f-θ透镜18a允许光束大致平行于光学轴22a从而以大致直角接触工件20a的表面。然而，在图1的系统10中，通过有源光束管理系统30将光束调向机构16的检流计移动到工件18上的目标位置将产生具有与直角偏移角度α的路径24(离开光束调向机构16并接触表面28)的输出光束26。

因此且在不进行任何额外调整的情况下，从聚焦透镜18到表面28的整个光束路径将加长Δz。简单聚焦透镜18可与光束调向机构16协同地且相对于光束调向机构16移动以在光束调向机构16借助有源光束路径管理系统30所影响的所有偏转角度α下维持焦点与工件20的表面28一致。所述工艺可包括使聚焦透镜18与光束调向机构16协同地快速移动以始终维持聚焦透镜18与工件20之间的恒定长度光束路径。当角度α增加时，Δz增加，且聚焦透镜18经移动而靠近光束调向机构16类似量以便维持恒定长度光束路径。

在本发明的实施例中，使用用于激光微机加工系统10的光束聚焦/调向布置，其中聚焦透镜18在光束调向机构16之前。与标准配置相比，此方法提供若干益处。首先，到聚焦透镜18的输入光束可与聚焦透镜18的光学轴22始终对准。因此，在此布置中有简单单片球形透镜18就足够了。这是比图2中所图解说明的布置更有利的布置，在图2的布置中聚焦透镜18a必须为f-θ透镜18a，其明显地更复杂(即，多透镜元件)且因此更昂贵。其次，图1中所图解说明的布置还使得聚焦透镜18更远离工件20，从而减小聚焦透镜18对在机器操作期间所产生的碎屑所致的污染的敏感性。

图1中的光学配置图解说明激光微机加工系统中的光束调向/聚焦光学器件(前面有简单聚焦透镜的光束调向机构)。图1还展示聚焦透镜18可以Δz重新定位以在光束调向机构16所影响的所有偏转角度α下维持焦点与工件表面28一致。取决于应用要求和光束路径24由于光束偏转α而改变的程度Δz，有源光束路径管理系统30可以是必需的或可不是必需的。即，取决于应用和角度α，调整聚焦光束18的定位可以是必需的或可不是必需的。较小值的角度α使得Δz将大得足以有害地影响目标点处的机加工操作变得更不可能。然而，尤其在工件20为固定的系统中，在不调整聚焦透镜18的定位的情况下，角度α可变得足够大而有害地影响目标点处的机加工操作。

可辨别出，此设计具有一些缺点。首先，在图1中所图解说明的设计中，来自光束调向机构16的输出光束26将不始终以直角命中工作表面28。取决于应用要求，此可以是可容忍的或可以是不可容忍的。在其中光束调向机构16与工件20之间的距离由于光束调向而与工件20上的所要点大小移动相比时为相当长的那些情形下，此攻击角度的改变(从垂直方向)将相当小。其次，在此特定情形中，聚焦透镜18的弯曲焦面与工件20的平坦表面28的失配也是问题。图1中所图解说明的设计使得聚焦透镜18可与光束调向机构16的光束调向光学器件协同地移动Δz以始终维持从聚焦透镜18到工件20的恒定光束路径长度。注意，光束路径24的此有源管理需要使聚焦透镜18快速移动的能力。由于与图2中所图解说明的较大多元件f-θ透镜18a相反正被移动的元件为较小的单片聚焦透镜18，因此在此设计中快速移动变得可能。

要求后面有如图2中所图解说明的f-θ透镜18a的光束调向机构16a的标准光学配置是昂贵的，且在一些情形中，由于f-θ透镜18a自身的复杂性而是难以实施的解决方案。此复杂性由两个主要原因引起。首先，在透镜18a之前存在光束调向机构16a指示到透镜18a的输入光束32a未必沿着光学轴22a。到透镜18a的输入光束32a的攻击角度可能在机器操作期间实时地变化。其次，工件20往往相对平坦，而标准球形聚焦透镜的后焦面将是弯曲的。需要适应不平行于光学轴22a的输入光束32a以及将焦点维持于实质平坦工件20(或其子区域)上通常需要复杂的多透镜设计。如此，f-θ透镜18a通常包括多个透镜，这些透镜的光学性质和物理布局(在多元件结构内)经极仔细的优化以减小原本由上文列举的两个问题所导致的像差。

由于上文概述的基本设计挑战，因此f-θ透镜18a通常是复杂的，相对大的、难以制造且昂贵的。当认识到这些透镜18a往往是光学系列(optical train)中的最后组件(即，透镜18a与工件20a物理接近且因此更易于经受来自在机器操作期间所产生的碎屑所致的污染)时，成本问题变得甚至更重要。不必说，必须定期地替换此些昂贵元件对拥有系统10a的成本具有大影响。

用前置光束调向标准透镜18替换后置光束调向f-θ透镜18a直接解决第一个问题。到此透镜18的输入光束路径14为固定的且可使其与透镜18的光学轴22始终对准。此外，此透镜18将通常定位成更加远离工件20且因此将不易经受污染问题。即使透镜18受到污染，但此部件的定期替换将是可接受的维修策略，因为所述部件本身即便不能便宜更多也将比f-θ透镜18a便宜一个数量级。

至于将焦点维持于平坦工件20上，应用以下措施。如果需要经由光束调向运动扫描的工件20区与透镜18的焦距相比足够小，那么所得点大小改变可很好地忽略和/或对所讨论的应用无关紧要。否则，可使用上文概述的有源光束管理系统30减轻此问题的影响。

尽管已结合某些实施例描述了本发明，但应理解，本发明并非局限于所揭示的实施例，而是相反，其打算涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置，所述范围被给予最宽广解释以囊括法律准许的所有此些修改和等效结构。

Claims (13)

1.一种激光微机加工系统，其包括经定位以通过光束调向机构将激光束脉冲的路径指向工件的激光源，所述激光微机加工系统的特征在于：

沿着所述激光束脉冲的所述路径定位于所述激光源与所述光束调向机构之间的简单聚焦透镜。

2.根据权利要求1所述的激光微机加工系统，其进一步包含：

有源光束路径管理系统，其使所述简单聚焦透镜与所述光束调向机构协同地且相对于所述光束调向机构移动以在所述光束调向机构所影响的所有偏转角度下维持焦点与所述工件的表面一致。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的激光微机加工系统，其中所述简单聚焦透镜为简单单片球形透镜。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的激光微机加工系统，其中从所述激光源输入到所述简单聚焦透镜的所述激光束脉冲的所述路径始终与所述简单聚焦透镜的光学轴成直线。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的激光微机加工系统，其中所述简单聚焦透镜被定位成比所述光束调向机构更远离所述工件，借此减小所述简单聚焦透镜对在借助所述激光源的机加工操作期间所产生的碎屑所致的污染的敏感性。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的激光微机加工系统，其中来自所述光束调向机构的输出激光束脉冲的路径以包括除直角外的角度的角度命中所述工件的表面。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的激光微机加工系统，其中所述简单聚焦透镜可与所述光束调向机构协同地快速移动以始终维持从所述简单聚焦透镜输出到所述工件的所述激光束脉冲的路径的恒定长度。

8.一种用于对工件进行激光微机加工的方法，其包括激光源经定位以通过光束调向机构将激光束脉冲的路径指向所述工件，所述方法包含：

通过定位于所述激光源与所述光束调向机构之间的简单聚焦透镜引导所述激光束脉冲。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包含：

使所述简单聚焦透镜与所述光束调向机构协同地且相对于所述光束调向机构移动以在所述光束调向机构借助有源光束路径管理系统所影响的所有偏转角度下维持焦点与所述工件的表面一致。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中所述聚焦透镜为简单单片球形透镜。

11.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其进一步包含：

将从所述激光源输入到所述简单聚焦透镜的所述激光束脉冲的路径对准成始终与所述简单聚焦透镜的光学轴成直线。

12.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其进一步包含：

使来自所述光束调向机构的输出光束的路径以包括除直角外的角度的角度命中所述工件的表面。

13.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其进一步包含：

使所述简单聚焦透镜与所述光束调向机构协同地快速移动以始终维持从所述简单聚焦透镜输出到所述工件的所述激光束脉冲的所述路径的恒定长度。

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