CN103506757B - 用于将激光对准于工件表面的激光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光装置，该装置包含有：i）成像设备，其具有光路，用于捕获工件表面的图像；ii）激光发射设备，其被配置来沿着激光路径将激光对准于工件表面，该激光发射设备的激光路径和成像设备的光路相分离；iii）控制器，其与成像设备和激光发射设备相连接，该控制器被配置来根据由成像设备所捕获的工件表面图像调节该激光发射设备的激光路径。本发明也公开了一种将激光对准工件表面的方法。

Description

用于将激光对准于工件表面的激光装置和方法

技术领域

本发明涉及一种激光装置，该激光装置特别地，并非唯一地完成激光打标（laser marking）以刻划或标记工件表面。本发明也涉及一种将激光对准于工件表面的方法。

背景技术

激光打标是一种传统技术，其使用激光刻划或标记工件的表面。激光器的示例包括：波长位于1064纳米至11微米之间的红外线类型的激光器，如CO₂激光器；以及波长位于400纳米至700纳米之间的可见光类型的激光器，如绿色激光器。

通常，在激光发射设备将激光对准于工件表面以在那里产生一个或多个标记以前，用于激光打标的带表面的工件首先被支撑在一平台上的预定位置处。图1表明了传统的激光打标设备100，其包含有：计算机102，用于控制激光产生器104和激光束传送系统106，以将来自激光产生器104的激光束108对准于放置在平台上的预定位置处的工件上，以便于工件表面匹配于打标平面110而进行打标。

然而，实际上，由于各种原因如不精确的工件放置或机器振动，工件可能没有被精确地放置在平台上的预定位置处。如果工件的尺寸很小（如大约0.1mm），那么工件没有精确放置在平台上的问题可能尤其明显。这是因为位置上的细小变化将会导致不同的工件之间一个或多个标记改变。

发明内容

所以，本发明的目的是寻求提供一种激光装置，以解决不精确地放置工件进行激光处理的问题。

本发明一方面提供一种激光装置，该装置包含有：成像设备，其具有光路，用于捕获工件表面的图像；激光发射设备，其被配置来沿着激光路径将激光对准于工件表面，该激光发射设备的激光路径和成像设备的光路相分离；以及控制器，其与成像设备和激光发射设备相连接，该控制器被配置来根据由成像设备所捕获的工件表面图像调节该激光发射设备的激光路径。

本发明另一方面提供一种将激光对准工件表面的方法，该方法包含有以下步骤：成像设备沿着光路捕获工件表面图像；控制器接收由成像设备所捕获的捕获后的工件表面图像，并调节激光发射设备的激光路径以将激光对准于工件表面，该激光发射设备的激光路径和成像设备的光路相分离；激光发射设备沿着调节后的激光路径将激光对准于工件表面。

本激光装置的一些优选特征/步骤在从属权利要求中得以限定。

附图说明

现在仅仅通过示例的方式，并参考附图描述本发明较佳实施例，其中。

图1所示为传统的激光打标设备。

图2a和图2b所示为根据本发明较佳实施例所述的激光装置的不同侧面示意图。

图3所示为本较佳实施例的激光装置的俯视示意图。

图4a至图4c所示比较了图1中的传统激光打标设备和本较佳实施例的激光装置的操作，其中工件表面在不进行旋转和偏移的情形下相对于打标平面被精确地放置。

图5a至图5c所示比较了图1中的传统激光打标设备和本较佳实施例的激光装置的操作，其中工件表面在进行旋转和偏移的情形下相对于打标平面没有被精确地放置。

图6所示为表明本较佳实施例的激光装置的操作的流程示意图。

具体实施方式

图2a和图2b所示为根据本发明较佳实施例所述的激光装置200的不同的侧面示意图。激光装置200包括：i）激光发射设备（所示为激光产生器204和激光束传送系统206）；ii）成像设备202，其装配在激光发射设备204、206上；以及iii）控制器208（如计算机），其和激光发射设备204、206以及成像设备202相连接。控制器208控制激光发射设备204、206，以沿着激光路径210将激光束对准于支撑在平台上的预定位置处的工件上，以便于工件表面和打标平面212匹配而进行打标。

而且，成像设备202被操作来沿着规定的光路（图2b：‘214’）捕获工件表面的图像，并将所捕获的图像送至控制器208进行处理。在激光束被引导至工件表面进行打标以前，基于这个所捕获的图像，控制器208接下来控制激光束传送系统206，以调节激光束的激光路径210。尤其是，来自激光发射设备204、206的激光束的激光路径210与成像设备202的光路214相区分和相分离。

激光束传送系统206包含有一组振镜（galvo mirrors）216a、216b，其可被控制器208控制，以围绕它们各自的旋转轴旋转，藉此引导X方向或Y方向上的激光束至打标平面212上的一位置处。激光束传送系统206也可包括：混合f-theta透镜（convergent f-theta lens）（图中未示），用于将激光束聚焦在打标平面212上；和投射箱（light box）218，用于在成像前照射工件表面。

由于振镜216a、216b被使用来反射来自激光产生器204的激光束，但并非有必要地允许来自工件表面的光线透射通过以到达成像设备202进行图像捕获，所以对于振镜216a、216b而言，不需要特别地构造（如通过特殊镀膜处理）以同时允许激光反射和光线透射。因此，振镜216a、216b不必须是，如二向色镜（dichroic mirrors），其可兼容于激光反射和光线透射。这样有利于减少构造激光束传送系统206的复杂性和成本。这也同样意味着成像设备202能够与不同类型的激光产生器204一同使用。

参考图2b所示，可以看出，成像设备202更具体地包括：i）照相机222，用于捕获图像；ii）另一个投射箱220，用于照射工件表面；iii）一组固定镜（fixed mirrors）224a、224b，其中固定镜224a被配置来将来自投射箱220的光线反射至工件表面，而固定镜224b被配置来沿着光路214将光线从工件表面反射至照相机222。

由于固定镜224a、224b被使用来反射光线，但并非有必要地允许任何激光透射通过以到达打标平面212，所以对于固定镜224a、224b而言，不需要特别地构造（如通过特殊镀膜处理）以同时允许激光反射和光线透射。因此，固定镜224a、224b不必须是，如二向色镜（dichroic mirrors），其可兼容于激光反射和光线透射。这样有利于减少构造成像设备202的复杂性和成本。这也同样意味着成像设备202能够与不同类型的激光产生器204一同使用。

由于来自激光发射设备204、206的激光束的激光路径210与成像设备202的光路214相区分和相分离，所以激光装置200在该激光装置200的配置过程中必须被校准。例如，由于打标平面212和进行打标的工件表面相匹配，所以控制器208可以确定激光束投射在打标平面212上的点的位置坐标。与此同时，控制器208也可以确定由照相机222所检测的打标平面212上相对应点的位置坐标。根据打标平面212上这些相对应点的位置坐标，控制器208确定充分考虑打标平面212上那些相对应点之间的位置偏差的补偿因子。这个补偿因子然后被预存储在控制器208中，校准处理得以被完成。

可供选择地，控制器208可以控制激光发射设备204、206，以根据激光发射设备204、206的位置座标在样本工件表面上形成图案。然后成像设备202捕获该图案的图像，并根据成像设备202的位置座标分析该图案。其后，由激光发射设备204、206所形成的图案和由成像设备202所捕获的图案的位置座标中的偏差通过控制器208计算，以导出补偿因子。然后，这个补偿因子被预存储在控制器208中，本激光装置200的校准处理得以被完成。

另外，控制器208也预存储有参考模板（reference template），该参考模板包含有相对于用于打标的工件表面的参考基准。例如，参考模板可以包含有位于预定的座标位置处的多个区别特征（如矩形的角）。在操作过程中，控制器208比较参考基准的这些预定座标位置和由照相机222所检测的工件表面上的相对应的区别特征的座标位置。工件表面相对于打标平面212的位置误差可能是因为工件基准相对于预存储参考模板的参考基准的平移误差和/或旋转误差所引起的。在工件表面相对于打标平面212出现位置误差的情形下，相应地，通过调节激光束传送系统206的振镜216a、216b经过另一个补偿因子，控制器208补偿该工件位置误差，以便于激光路径210的方向充分考虑了该工件位置误差。可以选择地，在不比较所捕获的图像和参考模板的情形下，根据本激光装置200的机器学习方法，控制器208也可以分析所捕获的工件表面的图像以导出该补偿因子。

图4a至图4c所示比较了传统激光打标设备100和本较佳实施例的激光装置200的操作，其中如图4a所示，工件400在不进行旋转和偏移的情形下精确地放置在平台上的预定位置。

图4b表明了正由传统的激光打标设备100精确地打标的工件400。工件400上的激光打标的位置精确度归因于在平台上的预定位置处工件400的精确放置，以致于工件表面和打标平面402相匹配。所以，虽然关于工件表面相对于打标平面402的位置信息，传统的激光打标设备100不存在自动调节（feedback），但是工件400仍然将会被精确地打标。

类似地，图4c表明了正由本发明的激光装置200精确地打标的工件400。除了在平台上的预定位置处工件400的精确放置之外，关于工件表面相对于打标平面402的位置信息，其以工件表面图像的形式存在，本发明的激光装置200还存在自动调节，该工件表面图像由照相机222所捕获，并被控制器208相应地分析，以确保精确地打标工件400。

图5a至图5c所示还进一步比较了传统激光打标设备100和本激光装置200的操作，其中工件400没有精确地放置在平台上的预定位置处，以致于工件表面相对于打标平面402存在旋转和偏移，如图5a所示。

图5b表明了正由传统的激光打标设备100不精确地打标的工件400。工件400上的激光打标的位置的不精确归因于在平台上的预定位置处工件400的不精确放置。由于关于工件表面相对于打标平面402的位置信息，传统的激光打标设备100不存在自动调节，所以工件400没有被精确地打标。

相反，图5c表明了正由本发明的激光装置200精确地打标的工件400。工件400上的激光打标的这种位置精确度归因于本发明的激光装置200关于工件400的位置信息的自动调节，其以工件表面图像的形式，该工件表面图像由照相机222所捕获，并被控制器208相应地分析。

图6所示为表明本激光装置200的操作的流程示意图600。

首先，本激光装置200完成校准步骤601，其中，控制器208导出第一补偿因子，该第一补偿因子充分考虑打标平面212上激光束投射的一个或多个点和打标平面212上由照相机222所检测的一个或多个相对应点之间的位置偏差。接着，本激光装置200完成图像捕获步骤602，其包括：照相机222捕获将由激光装置200打标的工件表面的图像，和控制器208或者比较捕获图像的检测基准和预储存在控制器208中的参考模板的参考基准，或者执行机器学习方法，以导出第二补偿因子，该第二补偿因子充分考虑了工件表面相对于打标平面212的位置偏差。

根据第一补偿因子和第二补偿因子，激光装置200然后调节604激光束的激光路径210，以便于激光束被准确地投射在用于打标的工件表面的期望区域。这可通过控制器208控制振镜216a、216b围绕它们各自的旋转轴旋转而得以完成。最后，激光装置从激光束传送系统206发出激光束606，以便于该激光束的激光路径210被准确地投射在用于打标的工件表面上。

由于来自激光发射设备204、206的激光束的激光路径210与成像设备202的光路214相区分和相分离，所以激光束的激光路径210与成像设备202的光路214之间不存在干扰。相应地，对于激光束传送系统206的振镜216a、216b或者成像设备202的固定镜224a、224b而言，不需要特别地涂覆以便于通过这些镜片同时进行激光反射和光线透射。而且，在选择材料构造混合透镜（如f-theta透镜）方面没有材料限制，混合透镜用于将激光束聚焦在打标平面212上，以致于混合透镜可兼容于激光反射和光线透射。所以，本激光装置200有利于减少其构造的复杂性和成本。这也同样意味着成像设备202能够与不同类型的激光产生器204一同使用。

另外，激光束传送系统206和成像设备202可以单独地对齐定位，因为本激光装置200的校准能够由控制器208通过导出补偿因子而得以完成，该补偿因子充分考虑了打标平面212上激光束投射点和打标平面212上由照相机222所检测的相对应点之间的位置偏差。

而且，本激光装置200关于工件表面相对于打标平面212的位置信息的自动调节允许控制器208导出另一个补偿因子，该另一个补偿因子充分考虑了工件表面相对于打标平面212的位置偏差，根据该补偿因子调节激光束的激光路径210，以便于激光束被准确地投射在用于打标的工件表面的期望区域。非常有益地，这意味着工件能够被本激光装置200精确地打标。

在不离开本发明的宗旨的情形下，本发明的不同实施例也能够被设想出来。例如，除了激光打标之外，本激光装置200也可以用于激光切除、激光划片或者任何其他类型的需要精确工件定位的激光处理。本激光装置200还可以内置在一种测试分类机中，该测试分类机具有至少一个成像区和一个激光打标区以便于打标电子封装件。例如，该测试分类机可以围绕旋转轴旋转，以将电子封装件从成像区转送至激光打标区。在这个实例中，在电子封装件被转送至激光打标区由激光产生器204和激光束传送系统206进行激光打标之前，成像设备202（或者更具体为照相机222）可以设置在该成像区中，以捕获电子封装件的图像。而且，虽然激光束的激光路径210的位置由振镜（galvanometer）通过使用振镜镜面216a、216b而得以控制，但是可以使用一XY平台取代。

Claims (6)

1.一种激光装置，该装置包含有：

成像设备，其用于捕获一个或多个显示了工件的位置信息的图像；

第一光源设备，其被操作用于发射光线，以照明工件表面，以致该成像设备能够捕获一个或多个图像，来确定工件的位置信息；

第一镜，其相对于第一光源设备设置，以将从第一光源设备处发射出的光线反射至工件表面，由此限定用于照明的光线路径；以及第二镜，其相对于成像设备设置，以将已被照明的工件表面的图像反射至成像设备，由此限定用于图像捕获的光路；

第二光源设备，被配置来发射照明光线直接至工件表面上，来确定工件的位置信息，其中该第二光源设备设置在第一镜和第二镜与工件之间；

激光发射设备，其被配置来沿着激光路径将激光对准于工件表面用于激光打标，该激光发射设备的激光路径与光线路径和光路相分离；

控制器，其与成像设备和激光发射设备相连接，该控制器被配置来根据由成像设备所捕获的已被照明的工件表面图像而确定的工件的位置信息，调节该激光发射设备的激光路径。

2.如权利要求1所述的激光装置，其中，该控制器被配置来比较所捕获的工件表面图像和预存储的参考模板。

3.如权利要求1所述的激光装置，其中，该成像设备被安装在激光发射设备上。

4.如权利要求3所述的激光装置，其中，该成像设备以与激光发射设备成一角度的方式被斜置。

5.一种将激光对准工件表面的方法，该方法包含有以下步骤：

第一光源设备发射光线照明工件表面，以致成像设备能够捕获该工件表面的显示了工件的位置信息的图像；

第一镜将从第一光源设备处发射出的光线反射至工件表面，由此限定用于照明的光线路径；以及第二镜将已被照明的工件表面的图像反射至成像设备，由此限定用于图像捕获的光路；

第二光源设备发射照明光线直接至工件表面上，以确定工件的位置信息，其中该第二光源设备设置在第一镜和第二镜与工件之间；

成像设备捕获已被照明的工件表面图像；

控制器接收由成像设备所捕获的捕获后的工件表面图像，并根据由成像设备所捕获的已被照明的工件表面图像确定的工件的位置信息调节激光发射设备的激光路径，以将激光对准于工件表面；

激光发射设备沿着调节后的激光路径将激光对准于工件表面，以激光标记该工件表面，该激光发射设备的激光路径与光线路径和光路相分离。

6.如权利要求5所述的方法，该调节激光发射设备的激光路径的步骤包含有：

比较所捕获的工件表面图像和预存储于控制器中的参考模板。