CN104748674A - 焦点监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种焦点监测装置和方法，该装置包括底座、棱镜、挡光板和光电探测器，入射光入射至棱镜后被反射到挡光板上，所述挡光板上具有狭缝，使得光束到棱镜底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所述光电探测器接收从挡光板出射的光。

Description

焦点监测装置和方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术，尤其涉及激光加工中的焦点监测装置及方法。 

背景技术

随着电子计算机、微电子、航天、太阳能等领域的不断发展，对小型电子产品和微电子元器件、晶圆芯片的需求日益增长，随着激光技术和激光加工及激光热处理技术的发展，激光加工及激光热处理技术正逐步进入到加工装备业中，激光微细加工逐渐成为激光在工业应用中发展最快的应用领域之一。 

激光焦点位置的确定在激光微细加工过程中是非常重要的工作，它直接关系到加工精度和加工工件表面质量，在设备调整过程中，经常遇到精确标定激光焦点的问题。激光由于强度大，亮度高，不能直接通过观察的方法得到激光焦点的位置。 

传统的方法有：用大功率的脉冲激光在焦点附近由低到高（反之亦然）在钢板上按一定间隔烧出匙孔，比较匙孔的大小来确定激光焦点的位置； 

一种方法是利用低功率连续激光在焦点附近由低到高（反之亦然）在厚纸板或是树脂板上烧出一条连续的划痕，比较划痕粗细的变化来确定激光焦点的位置。这两种方法的缺点是重复试验多，精度低。

中国专利申请CN 1887498A中公开了解决寻找激光焦点问题的两种传统方法。 

1、斜板法（如图1所示）： 

测量过程： 在加工平面上放置一块精细加工过的斜板，打开激光器，使光束自斜板一端扫向另一端。在此过程中，激光束在斜板上留下的切痕会呈现先宽后逐渐变窄，再逐渐变宽的现象，其中宽度最小处对应高度的点就是焦点。

该方法中由于斜板要求加工精度高，要求达到相应的尺寸精度，且为非标准件。一次使用完后便作废，不可重复利用，成本较高。 

2、垂直升降烧痕法（如图2所示）： 

测量过程：将激光头升至最高位置，此时将实验用薄金属板放置于加工平面上。激光器发射一束激光后关闭，记录激光头高度后更换金属薄板。将激光头下降一微小高度，重复上述过程，激光束在每块金属板上留下相应的烧痕，烧痕直径最小者相对应高度的点即为激光束的焦点位置。

该方法须频繁更换金属薄板，操作起来比较麻烦。且由于激光束并非连续光束，因此测量精确度较差。 

中国专利CN 201371313Y中公开了一种激光加工双光束基准光装置（如图3所示），通过分光系统的控制使两束基准光束的焦点与激光焦点重合，通过观察双光束基准光在工件上的光斑状态来判断工件与激光焦点的位置关系，从而达到在激光加工过程中，只需观察双光束基准光在工件表面的光斑状态来判断激光焦点位置。 

缺点：通过分光，增加光路折弯，增加光路的复杂程度，造成加工激光的能量损失。通过观察光斑状态来判断焦点，当离焦量较大时，比较容易判断，比较接近焦点时，没有量化值，无法准确分辨光斑个数，判定焦点的精度较低。 

近期还出现了焦点在线监测的方法，所用光路复杂，设备对硬件软件都提出了较高的要求。 

由于缺少快速有效检测焦点的设备和方法，大大延长了激光为细加工的准备时间。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种焦点监测装置及方法，其中通过等光程反射，把不容易测量的位置转移到容易测量的地方，利用焦点处光斑最小，透过槽的能量最多，透过槽后的光电探测器（PD）读数最大时即为焦点位置，快速实现精确定位激光焦点位置。本发明采用离线监测，可以把本测量装置做成工装工具，适用于多种工作场景，定位焦点快速、精确。 

本发明提出了一种焦点监测装置，其特征在于，包括可被固定于工件台上的底座、棱镜、挡光板、光电探测器，入射光入射至棱镜后部分被反射到挡光板上，所述挡光板上具有孔或狭缝，使光束到棱镜底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所述光电探测器接收从挡光板出射的光。 

本发明通过改变聚焦前的近平行光的发散角来改变焦点位置，在加工平台的上下移动时，光斑大小也随之改变，而通过等光程反射，把不容易测量的位置转移到容易测量的地方，利用焦点处光斑最小，能最大程度地通过槽，在槽后测到的功率也最大的方法，快速标定激光焦点，即快速实现激光焦点落在加工平台上。从而克服了传统方法不能直接通过观察的方法得到激光焦点的位置且重复试验多，精度低的问题。 

其中，所述棱镜为等腰直角体。 

其中，所述光电探测器为CCD。 

其中，所述光电探测器为光电二级管PD。 

其中，所述挡光板和光电探测器之间还设置有衰减器件或聚焦镜。 

其中，所述挡光板上具有尺寸与焦点尺寸相等的孔或狭缝。 

当激光强度较高时，衰减器件可用于把从板上尺寸与激光聚焦后焦点尺寸相当的槽透出的光变成强度较弱、较均匀的光。当激光强度较弱时，聚焦镜能使光强聚集，使得光电探测器易于采集到入射光。 

其中，还包括支撑衰减器件或聚焦镜的垂向可调节的支撑杆。 

其中，所述等腰直角体的斜边镀有反射膜。 

其中，所述孔或狭缝的大小可调，从而适应用于多种尺寸的焦点监测。 

其中，还包括支撑杆，所述支撑杆垂向可调节，用于支撑光电探测器。 

本发明还公开了利用上述焦点监测装置监测焦点的方法，从光源发出的光束经过待测聚焦镜后进入置于工件台上的监测装置，棱镜将进入监测装置的光束反射至挡光板，光电探测器接收从挡光板出射的光束，当调节焦点位置时，若根据光电探测器测得的能量判断，则光电探测器的读数会经历逐渐变大，数值保持不变，再逐渐变小的过程，其中读数到最大值时，即为焦点位置，读数停留在最大值保持不变的区域为光束焦深范围；若根据光电探测器上的光斑大小判断，则光斑尺寸会经历逐渐变小，保持不变，再逐渐变大的过程，其中光斑最小时，即为焦点位置，光斑尺寸在最小值保持不变的区域为光束焦深范围。 

本发明采用光电二极管来探测功率变化，二极管的精度高，能定量地准确标定焦点位置。本发明的装置结构简单，取材方便，成本低廉，操作简单易行。本发明还可以在快速定位激光焦点的同时测量焦点光斑尺寸，光束轮廓，能量分布和焦深。 

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为现有技术中的斜板法测定焦点的示意图； 

图2所示为现有技术中的垂直烧痕法测定焦点的示意图；

图3所示为现有技术中的激光加工双光束基准光装置的示意图；

图4所示为根据本发明的第一实施例的焦点监测装置的结构示意图；

图5所示为根据本发明的第一实施例中所使用的带有细槽的挡光板的结构示意图；

图6所示为根据本发明的第二实施例的焦点监测装置的结构示意图；

图7所示为根据本发明的第三实施例的焦点监测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。 

第一实施例 

图4所示为根据本发明的第一实施例的焦点监测装置的结构示意图，该装置及相应的方法适用于较强激光场景。光束1经过聚焦镜2，随着传输距离的增加光束逐渐会聚，进入焦点监测装置3，焦点监测装置3放置在工件台上。该焦点监测装置包括底座31；棱镜32，该棱镜为一等腰直角体，其斜边镀反射膜，等腰直角体下表面到底板下表面的厚度等于加工工件厚度或为标准厚度；挡光板33，该挡光板上具有尺寸与焦点尺寸相等的狭缝（其结构如图5所示），紧贴着等腰直角体垂直放置，光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等；衰减器件34，用于匀化光束；第一支撑杆35，该支撑杆为垂向可调节的支撑杆，用于支撑衰减器件34；光电探测器36；以及第二支撑杆37，该支撑杆为垂向可调节的支撑杆，用于支撑光电探测器36。

利用该焦点监测装置进行测量时把焦点监测装置的底座固定在工件台上，光束照射到等腰直角体的斜面上，光束发生反射，因为光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所以光束到等腰直角三角体底面，即加工工件表面的光斑大小等于挡光板上的光斑大小。光束从挡光板的狭缝透过，调节垂向可调节的支撑杆35，使衰减器件（本例中为毛玻璃）34的高度与透射光斑高度相等，毛玻璃可用于匀化透射光斑，把较强的光变弱，调节垂向可调节的支撑杆37，使光电探测器36与光斑中心位置高度相等，可以探测到透射光束的能量。以上装置调节好之后，固定下来，在调节焦点的时候不做任何调整。焦点位置垂向的变化可以通过调节入射光束1的发散角实现聚焦光斑焦点在垂向的变化，也可以通过调节聚焦镜2的垂向位置来调节聚焦光斑焦点在垂向的变化，还可以通过调节工件台的垂向高度来实现聚焦光斑焦点在垂向的变化。激光光斑在焦点处尺寸最小，调节焦点位置时，光斑越来越小，透过狭缝的能量越来越多，在调节焦点位置的过程中，光电探测器的读数会经历逐渐变大，数值保持不变，再逐渐变小的过程，其中读数到最大值时，即为焦点位置，读数停留在最大值保持不变的区域为光束焦深范围。这样就可以准确地测量出激光的焦点位置和焦深调节范围，通过移动工件台垂向高度来调节焦点位置的调节方式还可以准确测量出激光焦点的焦深长度。 

在本实施例中采用毛玻璃作为衰减器件来减弱光强，匀化光束，也可以采用其他能量衰减器件，例如衰减片等。 

第二实施例 

图6所示为根据本发明的第二实施例的焦点监测装置的结构示意图，该装置及相应的方法适用于较弱激光场景，采用聚焦透镜收集光束，把微弱的光收集起来。光束1’经过聚焦镜2’，随着传输距离的增加光束逐渐会聚，进入焦点监测装置3’，焦点监测装置3’放置在工件台上。该焦点监测装置包括底座31’；棱镜32’，该棱镜为一等腰直角体，其斜边镀反射膜，等腰直角体下表面到底板下表面的厚度等于加工工件厚度或为标准厚度；挡光板33’，该挡光板上具有尺寸与焦点尺寸相等的狭缝，紧贴着等腰直角体垂直放置，光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等；聚焦镜38’，用于收集光斑；第一支撑杆35’，该支撑杆为垂向可调节的支撑杆，用于支撑聚焦镜38’；光电探测器36’；以及第二支撑杆37’，该支撑杆为垂向可调节的支撑杆，用于支撑光电探测器36’。

利用该焦点监测装置进行测量时把焦点监测装置的底座固定在工件台上，光束照射到等腰直角体的斜面上，光束发生反射，因为光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所以光束到等腰直角三角体底面，即加工工件表面的光斑大小等于挡光板上的光斑大小。光束从挡光板的狭缝透过，调节垂向可调节的支撑杆35’，使聚焦镜38’的高度与透射光斑高度相等，聚焦镜收集透射光斑，调节调节垂向可调节的支撑杆36’，使光电探测器36’与光斑中心位置高度相等，可以探测到透射光束的能量。以上装置调节好之后，固定下来，在调节焦点的时候不做任何调整。焦点位置垂向的变化可以通过调节入射光束1的发散角实现聚焦光斑焦点在垂向的变化，也可以通过调节聚焦镜2的垂向位置来调节聚焦光斑焦点在垂向的变化，还可以通过调节工件台的垂向高度来实现聚焦光斑焦点在垂向的变化。激光光斑在焦点处尺寸最小，调节焦点位置时，光斑越来越小，透过狭缝的能量越来越多，在调节焦点位置的过程中，光电探测器的读数会经历逐渐变大，数值保持不变，再逐渐变小的过程，其中读数到最大值时，即为焦点位置，读数停留在最大值保持不变的区域为光束焦深范围。可以准确地测量出激光的焦点位置和焦深调节范围，通过移动工件台垂向高度来调节焦点位置的调节方式还可以准确测量出激光焦点的焦深长度。 

第三实施例 

图7所示为根据本发明的第三实施例的焦点监测装置的结构示意图，该装置既可以检测到焦点的位置，同时还可以测量焦点光斑的尺寸，光束轮廓分布。光束1’’经过聚焦镜2’’，随着传输距离的增加光束逐渐会聚，进入焦点监测装置3’’，焦点监测装置3’’放置在工件台上。该焦点监测装置包括底座31’’；棱镜32’’，该棱镜为一等腰直角体，其斜边镀反射膜，等腰直角体下表面到底板下表面的厚度等于加工工件厚度或为标准厚度；挡光板33’’，该挡光板上具有尺寸与焦点尺寸相等的狭缝，紧贴着等腰直角体垂直放置，光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等；CCD39’’，用于拍摄光斑图，CCD沿挡光板的狭缝方向固定，可垂向调节，CCD的探测面与挡板的狭缝处于同一个平面。

利用该焦点监测装置进行测量时把焦点监测装置的底座固定在工件台上，光束照射到等腰直角体的斜面上，光束发生反射，因为光束到等腰直角三角体底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所以光束到等腰直角三角体底面，即加工工件表面的光斑大小等于挡光板上的光斑大小，也等于CCD探测面上的光斑大小。调节CCD垂向接收到光斑。以上装置调节好之后，固定下来，在调节焦点的时候不做任何调整。焦点位置垂向的变化可以通过调节入射光束1的发散角实现聚焦光斑焦点在垂向的变化，也可以通过调节聚焦镜2的垂向位置来调节聚焦光斑焦点在垂向的变化，还可以通过调节工件台的垂向高度来实现聚焦光斑焦点在垂向的变化。激光光斑在焦点处尺寸最小，调节焦点位置时，CCD探测面上拍摄到光斑尺寸会经历逐渐变小，保持不变，再逐渐变大的过程，其中光斑最小时，即为焦点位置，光斑尺寸在最小值保持不变的区域为光束焦深范围。这样就可以准确地测量出激光的焦点位置和焦深调节范围，拍摄到焦点处光斑的尺寸和轮廓，通过移动工件台垂向高度来调节焦点位置的调节方式还可以准确测量出激光焦点的焦深长度。 

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。 

  

Claims (11)

1.一种焦点监测装置，其特征在于，包括可被固定于工件台上的底座、棱镜、挡光板、光电探测器，入射光入射至棱镜后被反射到挡光板上，所述挡光板上具有孔或狭缝，使光束到棱镜底面的距离与反射到挡光板的距离相等，所述光电探测器接收从挡光板出射的光。

2.根据权利要求1所述的焦点监测装置，其特征在于，所述棱镜为等腰直角体。

3.根据权利要求1或2所述的焦点监测装置，其特征在于，所述光电探测器为CCD。

4.根据权利要求1所述的焦点监测装置，其特征在于，所述光电探测器为光电二级管PD。

5.根据权利要求1或2所述的焦点监测装置，其特征在于，所述挡光板和光电探测器之间还设置有衰减器件或聚焦镜。

6.根据权利要求5所述的焦点监测装置，其特征在于，还包括支撑衰减器件或聚焦镜的垂向可调节的支撑杆。

7.根据权利要求2所述的焦点监测装置，其特征在于，所述等腰直角体的斜边镀有反射膜。

8.根据权利要求1或2所述的焦点监测装置，其特征在于，所述挡光板上的孔或狭缝的尺寸与焦点尺寸相等。

9.根据权利要求8中所述的焦点监测装置，其特征在于，所述孔或狭缝的大小可调。

10.根据权利要求1中所述的焦点监测装置，其特征在于，还包括支撑杆，所述支撑杆垂向可调节，用于支撑光电探测器。

11.利用根据权利要求1-10中任意一个所述的焦点监测装置监测焦点的方法，其特征在于，从光源发出的光束经过待测聚焦镜后进入置于工件台上的监测装置，棱镜将进入监测装置的光束反射至挡光板，光电探测器接收从挡光板出射的光束，当调节焦点位置时，若根据光电探测器测得的能量判断，则光电探测器的读数会经历逐渐变大，数值保持不变，再逐渐变小的过程，其中读数到最大值时，即为焦点位置，读数停留在最大值保持不变的区域为光束焦深范围；若根据光电探测器上的光斑大小判断，则光斑尺寸会经历逐渐变小，保持不变，再逐渐变大的过程，其中光斑最小时，即为焦点位置，光斑尺寸在最小值保持不变的区域为光束焦深范围。