CN108463928A - 系统隔离和光学隔间密封 - Google Patents

Abstract

本案揭示一种镭射处理系统，该镭射处理系统包括：系统框架；处理框架，其由该系统框架可移动地支撑；光学器件壁，其耦接至该处理框架；处理护罩，其耦接至该系统框架且在该光学器件壁的上部周边区域及横向周边区域上方且并排地延伸；以及光学器件护罩，其耦接至该处理护罩。该处理框架经组配来支撑镭射源、工件定位系统及射束输送系统。该处理框架可相对于该处理护罩移动，且该处理框架可相对于该光学器件护罩移动。该处理护罩、该光学器件壁及该处理框架围封用于工件的镭射处理的第一空间。该光学器件护罩、该光学器件壁及该处理框架围封用于收容该镭射源的第二空间。

Description

系统隔离和光学隔间密封

相关申请案的交互参照

本申请案主张于2016年1月30日申请的美国临时申请案第62/289,205号的权利，且该申请案以全文引用方式并入本文中。

背景

1、技术领域

本文中所揭示的实施例大体而言是关于镭射处理系统，且更特定而言，是关于用于提供振动隔离及环境密封的配置。

2、背景技术

镭射处理系统通常包括多个组件，诸如镭射源、用于调节(例如，扩展、准直、过滤、极化、聚焦、衰减、反射等)由镭射源产生的镭射能量的镭射光学器件、用于将经调节的镭射能量引导至工件的射束输送系统，以及用于在镭射处理系统内移动或以其他方式定位工件的工件定位系统。工件定位系统通常包括一或多个运动平台(例如，线性平台、旋转平台或类似平台或其任何组合)，以便在镭射处理系统内移动工件。射束输送系统可包括扫描透镜、射束定位系统(例如，一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等)或类似物或其任何组合。镭射处理系统有时可包括台架，该台架用于将射束输送系统的一或多个组件(例如，扫描透镜、一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等)支撑于工件上方。当包括台架时，射束输送系统可进一步包括一或多个运动平台(例如，线性平台、旋转平台或类似平台或其任何组合)，以便使扫描透镜、一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等相对于台架移动。

只要任何前述组件影响镭射处理系统将镭射能量准确且可靠地输送至工件内或工件上的特定位置(或输送至特定位置的范围内)的能力，则在本文中将此类组件统称为「处理组件」。为确保准确且可靠的镭射处理，通常需要将处理组件与外部振动(亦即，存在于镭射处理系统周围环境中的振动)至少部分地隔离。外部振动的实例包括由支撑镭射处理系统的底板或接触镭射处理系统的外部的其他(数个)结构所传输的振动。隔离处理组件的一种习知方法涉及将处理组件耦接至共同框架(本文中亦被称为「处理框架」)，以及将处理框架安装于振动隔离基座上(本文中亦被称为「处理基座」)，该振动隔离基座通常提供为相对重的花岗岩块、辉绿岩块或类似物。处理基座通常安置于系统框架内，且搁置于由弹性体材料制成的一组支座上。尽管使用此振动隔离方案，但当一或多个平台(例如，工件定位系统中、射束输送系统中等)相对于系统框架加速、减速或以其他方式移动时，处理组件仍然可以低频率(例如，3Hz至12Hz)振荡。

镭射源及镭射光学器件中的一些或全部通常容纳于箱型护罩(亦即，「光学器件护罩」)内，该箱型护罩固定地耦接至处理框架(例如，以使得光学器件护罩及处理框架的相对位置可保持固定，或至少大体上固定)。亦可对光学器件护罩所围封的空间加正压以防止颗粒物质(例如，在工件之镭射处理期间产生之蒸气、碎屑等)聚积在镭射源及镭射光学器件的光学表面上。同样，射束输送系统及工件定位系统容纳于箱型护罩(亦即，「处理护罩」)内，该箱型护罩固定地耦接至处理框架(例如，以使得处理护罩及处理框架的相对位置可保持固定，或至少大体上固定)。因此，当固定地耦接至处理框架时，光学器件护罩及处理护罩不会(或大体上不会)经历相对于彼此移动。处理护罩可经密封以防止在工件镭射处理期间产生的颗粒物质扩散至镭射处理系统周围外部环境中或将此扩散减至最低，该颗粒物质可能对人体健康有害。

若使处理基座或处理护罩曝露于外部环境，则可能减弱处理组件之间的对准(例如，在处理基座、光学器件护罩或处理护罩受到某种外力冲击或推动的情况下)。为减轻此类外力引起可能有害的效应，常常提供系统护罩(例如，由金属片形成)来围封光学器件护罩及处理护罩两者。系统护罩固定地耦接至系统框架(例如，以使得系统护罩及系统框架的相对位置可保持固定，或至少大体上固定)。然而，因为处理基座可相对于系统框架移动，所以若系统护罩受到外力冲击，则系统护罩可相对于光学器件护罩及处理护罩移动。同样，当一或多个运动平台相对于系统框架等加速、减速或以其他方式移动时，光学器件护罩及处理护罩可相对于系统护罩移动。如同处理护罩的情况一样，系统护罩可经密封以防止在工件镭射处理期间产生的颗粒物质扩散至镭射处理系统周围外部环境中或将此扩散减至最低。虽然诸如上述护罩的习知系统护罩是有用的，但它们亦为镭射处理系统的相对昂贵的组件。

发明内容

本发明的一个实施例可表征为镭射处理系统，该镭射处理系统包括：系统框架；处理框架，其由系统框架支撑且可相对于系统框架移动，其中处理框架经组配来支撑镭射源、工件定位系统及射束输送系统；光学器件壁，其耦接至处理框架；处理护罩，其耦接至系统框架且在光学器件壁的上部周边区域及横向周边区域上方且并排地延伸，其中处理护罩、光学器件壁及处理框架围封用于工件的镭射处理的第一空间，并且其中处理框架可相对于处理护罩移动；以及光学器件护罩，其耦接至处理护罩，其中光学器件护罩、光学器件壁及处理框架围封用于收容镭射源的第二空间，并且其中处理框架可相对于光学器件护罩移动。

本发明的另一实施例可表征为镭射处理系统，该镭射处理系统包括：系统框架；光学器件隔间，其由系统框架支撑且由光学器件护罩部分地界定，其中光学器件隔间经组配来容纳镭射源；以及处理隔间，其由系统框架支撑且由处理护罩部分地界定，其中处理隔间与光学器件隔间光学连通且经组配来容纳射束输送系统及工件定位系统，其中光学器件护罩及处理护罩中的每一者部分地界定镭射处理系统的外表面。

附图说明

图1为示意性地例示根据本发明实施例的镭射处理系统的透视图。

图2为示意性地例示图1中所展示的光学器件壁的光学器件侧面的平面图。

图3A及图3B为分别沿着图2中所展示的线IIIA-IIIA’及IIIB-IIIB’所截取的横截面视图，这些横截面视图示意性地例示在图1中所展示的处理护罩及光学器件壁之间所提供的柔性密封材料的例示性配置。

具体实施方式

本文中参考随附图式描述示例性实施例。除非另外明确说明，否则在图式中，组件、特征、组件等的尺寸、位置等，以及其间的任何距离不一定按比例，而是为清晰起见加以夸示。

本文所使用的的术语仅出于描述特定示例性实施例的目的且不欲为限制性的。如本文中所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式「一」及「该」意欲亦包括复数形式。应意识到，术语「包含」在本说明书中使用时，指定所叙述的特征、整数、步骤、操作、组件及/或组件的存在，而并不排除一或多个其他特征、整数、步骤、操作、组件、组件及/或其群组的存在或添加。除非另外指出，否则值的范围在被陈述时包括该范围的上限及下限以及上限与下限之间的任何子范围。除非另外指示，否则诸如「第一」、「第二」等术语仅用来区分一个组件与另一个组件。例如，一个节点可被称为「第一节点」，且类似地，另一节点可被称为「第二节点」，或反之亦然。本文中所使用的章节标题仅出于组织目的且不应解释为限制所描述的目标物。

除非另外指示，否则术语「约」、「大约」等意谓量、尺寸、配方、参数及其他数量及特性并非且不需要为确切的，而是可按需要为近似的及/或更大或更小，从而反映容限、转换因子、舍位、量测误差等等，及熟习此项技术者已知的其他因素。

为便于描述，本文中可使用诸如「下方」、「之下」、「下部」、「上方」及「上部」等等空间相对术语来描述一个组件或特征与另一组件或特征的关系，如图中所例示。应意识到，空间相对术语意欲涵盖除图中所描绘的定向的外的不同定向。例如，若翻转图中的对象，则被描述为「在其他组件下方」或「在其他组件之下」的组件或特征于是将被定向为「在其他组件或特征上方」。因此，示例性术语「下方」可涵盖上方及下方两种定向。对象可以其他方式定向(例如，旋转90度或处于其他定向)，且可相应地解释本文中所使用的空间相对描述符。

相同数字在全篇中指代相同组件。因此，可参考其他图式来描述相同或相似数字，即使在对应图式中既没有提及也没有描述这些数字。此外，甚至可参考其他图式来描述并未由参考数字表示的组件。

应了解，诸多不同形式及实施例在不背离本揭示案的精神及教示的情况下系可能的，且因此本揭示案不应被视为限于本文中所阐明的示例性实施例。实情为，提供此等实例及实施例以使得本揭示案系全面且完整的，并且将揭示内容的范畴传达给熟习此项技术者。

参考图1，经组配来处理可由卡盘或夹具102固定、固持、保持或以其他方式支撑的工件(未展示)的镭射处理系统100可包括多个组件，诸如用于产生镭射能量的镭射源104(例如，表现为一或多个激光脉冲、镭射能量的连续射束或其组合)、用于调节(例如，扩展、准直、过滤、极化、聚焦、衰减、反射等)由镭射源104产生的镭射能量的镭射光学器件(任选的，且未展示)、用于将(任选地，经调节的)镭射能量引导至工件的射束输送系统106，以及用于在镭射处理系统100内移动或以其他方式定位夹具102的工件定位系统108。

工件定位系统108可包括一或多个运动平台(例如，线性平台、旋转平台或类似平台或其任何组合)，以便在镭射处理系统100内移动夹具102。例如，工件定位系统108可包括一或多个运动平台，以便沿着X轴、沿着Y轴、沿着Z轴、绕X轴、绕Y轴、绕Z轴或类似者或其任何组合移动夹具102。

射束输送系统106可包括扫描透镜、射束定位系统(例如，一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等)或类似物或其任何组合。在所例示的实施例中，处理系统100包括台架110，该台架用于将射束输送系统106的一或多个组件(例如，扫描透镜、一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等)支撑于夹具102上方。虽然未展示，但射束输送系统106可进一步包括一或多个运动平台(例如，线性平台、旋转平台或类似平台或其任何组合)，以便相对于台架110(例如，沿着X轴、沿着Y轴、沿着Z轴、绕X轴、绕Y轴、绕Z轴或类似者或其任何组合)移动扫描透镜、一或多个电流计驱动镜、一或多个快速转向镜等。

只要任何前述组件影响镭射处理系统100将镭射能量准确且可靠地输送至工件内或工件上的特定位置(或输送至特定位置的附近内)的能力，在本文中将此类组件统称为「处理组件」。为确保准确且可靠的镭射处理，将处理组件与外部振动至少部分地隔离，将处理组件耦接至共同框架(本文中亦被称为「处理框架」)112，该共同框架随后安装于振动隔离基座(本文中亦被称为「处理基座」)114(例如，相对重的花岗岩块、辉绿岩块或类似物或其任何组合)上。处理基座114安置于系统框架116上或系统框架116内，且搁置于一组支座118(例如，由弹性体材料制成)上。系统框架116可任选地由诸如工业脚轮117的一或多个支撑件支撑(例如，支撑于地板上)。尽管使用此振动隔离方案，但当一或多个运动平台(例如，工件定位系统108中、射束输送系统106中等)相对于系统框架116加速、减速或以其他方式移动时，处理组件仍然可以低频率(例如，3Hz至12Hz)振荡。此振荡可导致处理框架112及处理基座114(相对于系统框架116)的运动，运动的幅度为约4mm至8mm。

镭射处理系统100进一步包括耦接至处理框架112的光学器件壁120。例如，光学器件壁120固定地耦接至处理框架112，以使得光学器件壁及处理框架112的相对位置在工件的镭射处理期间可保持固定，或至少大体上固定。在所例示的实施例中，光学器件壁120在诸如镭射源104的组件与诸如台架110之组件之间延伸。光学器件壁120可提供为实心壁，但可包括延伸穿过该光学器件壁的开口或埠(例如，射束埠122)，以准许由镭射源104产生(且任选地，由镭射光学器件调节)的镭射能量(例如，经由包括一或多个透镜、镜子等的自由空间射束传输系统，经由诸如包括一或多个光纤、输入/输出耦合光学器件、光纤末端连接件等的光纤射束输送系统的非自由空间射束传输系统，或类似系统或其任何组合)传输至射束输送系统106，如此项技术中已知的。

镭射处理系统100可包括图1中用124展示的箱型护罩(亦即，「处理护罩」)，该箱型护罩耦接至系统框架116且紧邻光学器件壁120(但与之隔开)，以界定处理隔间126。在一个实施例中，处理护罩124固定地耦接至系统框架116，以使得处理护罩124及系统框架116的相对位置在工件的镭射处理期间可保持固定，或至少大体上固定。然而，因为处理框架112可相对于系统框架116移动，且由于处理护罩124与光学器件壁120的光学器件侧面120b之间存在间隙，所以处理护罩124及处理框架116的相对位置在工件的镭射处理期间可改变。不同于习知的镭射处理系统，处理护罩124界定镭射处理系统100的外部的一部分。相应地，在一个实施例中，处理护罩124紧密地耦接至系统框架116(或以其他方式配备有一或多个密封件或以其他方式适当地组配)，以防止(或至少大体上防止)在工件的镭射处理期间产生的颗粒物质在处理护罩124与系统框架116之间离开处理隔间126。

处理护罩124在光学器件壁的顶部部分120a上方延伸，且与光学器件壁120的面朝镭射源104的侧面(本文中被称为光学器件壁120的「光学器件侧面」120b)的上部周边区域及横向周边区域并排地向下延伸。例如参见图2，其中用200a识别光学器件壁120区域的光学器件侧面120b的上部周边区域，且用200b识别光学器件壁120区域的光学器件侧面120b的横向周边区域。此外，处理护罩124与光学器件壁120隔开，从而界定处理护罩124与光学器件壁120的光学器件侧面120b之间的间隙。因此，返回参考图1，处理护罩124的一部分插入镭射源104与光学器件壁120之间。卡盘或夹具102(及固持至该卡盘或夹具的任何工件)、射束输送系统106及工件定位系统108可因此围封于处理隔间126内。

在一个实施例中，诸如泡沫的柔性密封材料设置于光学器件壁120与处理护罩124之间的间隙内。例如，且参考图3A及图3B，可提供柔性密封材料300以填充光学器件壁120的光学器件侧面120b的上部周边区域200a与处理护罩124之间的空间(例如参见图3A)，且亦可提供柔性密封材料300以填充光学器件壁120的光学器件侧面120b的横向周边区域200b与处理护罩124之间的空间(例如参见图3B)。柔性密封材料300可黏附至光学器件壁120的光学器件侧面120b。柔性密封材料300经组配来防止在工件的镭射处理期间产生的颗粒物质在光学器件壁120与处理护罩124之间离开处理隔间126(或至少降低其可能性)。柔性密封材料300的厚度经选择以使得其在处理护罩124如以上所论述耦接至系统框架116时被压缩。例如，柔性密封材料300在未压缩时可具有13mm(或约13mm，例如，12.7mm)的厚度。当处理护罩124耦接至系统框架116时，柔性密封材料可被压缩约4mm至5mm，从而造成处理框架112(及处理基座114)相对于系统框架116及处理护罩124之间的至多约±4mm的可用运动。亦即，当柔性密封材料300如以上所论述被压缩时，处理框架112(及处理基座114)可相对于系统框架116或处理护罩124移动至多4mm(或约4mm)的距离。

返回参考图1，镭射处理系统100可包括耦接至处理护罩124的箱型护罩(亦即，「光学器件护罩」)128。例如，光学器件护罩128固定地耦接至处理护罩124，以使得光学器件护罩128及处理护罩124的相对位置在工件的镭射处理期间可保持固定，或至少大体上固定。光学器件护罩128紧邻处理框架112、处理基座114及系统框架116(但与之隔开)，从而界定光学器件护罩128与诸如处理框架112、处理基座114及系统框架116的各种结构之间的间隙，并且从而界定光学器件隔间130。镭射源104及镭射光学器件中的一些或全部可围封于光学器件隔间130内。任选地，光学器件护罩128固定地耦接至处理框架116(例如，使用一或多个螺钉、铆钉、螺栓、夹子等)。不同于习知的镭射处理系统，光学器件护罩128界定镭射处理系统100的外部的一部分。

镭射处理系统100亦可包括设置于光学器件隔间130内的泵(例如，与镭射处理系统外部的环境流体连通、与加压冲洗气体源等流体连通的泵132)，以便对光学器件隔间130加正压(例如，以便防止诸如在工件的镭射处理期间产生的蒸气、碎屑等的颗粒物质聚积在镭射源104及镭射光学器件的光学表面上)。在一个实施例中，光学器件护罩128紧密地耦接至处理护罩124(或以其他方式配备有一或多个密封件或以其他方式适当地组配)，以防止(或至少大体上防止)气体自光学器件隔间130逸散至镭射处理设备100外部的环境中。在此情况下，处理护罩124的一部分位于光学器件护罩128与前述柔性密封材料300之间(亦即，其中柔性密封材料300位于处理护罩124与光学器件壁120之间，如以上所论述)。

虽然未展示，但诸如泡沫的柔性密封材料可设置于光学器件护罩128与诸如处理框架112、处理基座114及系统框架116的一或多个(或所有)结构之间的间隙内。例如，可提供柔性密封材料以填充光学器件护罩128与诸如处理框架112、处理基座114及系统框架116的一或多个(或所有)结构之间的空间。柔性密封材料可黏附至光学器件护罩128、处理框架112、处理基座114、系统框架116或其任何组合。柔性密封材料经组配来防止泵送至光学器件隔间130中的气体进入镭射处理系统100周围的外部环境中(或至少降低其可能性)。柔性密封材料的厚度经选择以使得其在光学器件护罩128如以上所论述耦接至处理护罩124时被压缩。例如，柔性密封材料在未压缩时可具有13mm(或约13mm，例如，12.7mm)的厚度。当光学器件护罩128耦接至处理护罩124时(且当处理护罩124随后耦接至系统框架116时)，黏附至光学器件护罩128之柔性密封材料可被压缩约4mm至5mm，从而造成处理框架112相对于系统框架116及光学器件护罩128之间的至多约±4mm的可用运动。亦即，当柔性密封材料如以上所论述被压缩时，处理框架112可相对于系统框架116或光学器件护罩128移动至多4mm(或约4mm)的距离。

任选地，处理护罩124及光学器件护罩128中的至少一者进一步包括配置在其下部分处、靠近光学器件壁120的横向周边区域200b的至少一个凸缘，诸如凸缘128a。在一个实施例中，包括两个此类凸缘128a的集合，其中这些凸缘128a配置在光学器件壁120的相反的横向周边区域200b处。每一凸缘128a朝处理框架112、处理基座114及系统框架116中的至少一者延伸。若凸缘128a自处理护罩124延伸，则诸如泡沫的柔性密封材料(未展示)可设置在凸缘128a与光学器件护罩128之间。同样，若凸缘128a自光学器件护罩128延伸，则诸如泡沫的柔性密封材料(未展示)可设置在凸缘128a与处理护罩124之间。柔性密封材料经组配来防止(或至少大体上防止)在工件的镭射处理期间产生的颗粒物质离开处理隔间126。

前文是对本发明的实施例及实例的说明且不应被理解为对本发明的限制。虽然已参考图式来描述数个特定实施例及实例，但熟习此项技术者将容易了解，在不实质上脱离本发明的新颖性教示及优点的情况下，对所揭示的实施例及实例以及其他实施例的诸多修改是可能的。因此，所有此类修改意欲包括于如权利要求书中所界定的本发明的范畴内。例如，技艺人士将了解，任何句子、段落、实例或实施例的目标可与一些或所有其他句子、段落、实例或实施例的目标组合，除此类组合互斥的情况外。因此，本发明的范畴应由以下权利要求书以及包括在其中的权利要求书的等效物来判定。

Claims (21)

1.一种镭射处理系统，其包含：

系统框架；

处理框架，其由该系统框架支撑且可相对于该系统框架移动，其中该处理框架经组配来支撑镭射源、工件定位系统及射束输送系统；

光学器件壁，其耦接至该处理框架；

处理护罩，其耦接至该系统框架且在该光学器件壁的上部周边区域及横向周边区域上方且并排地延伸，其中该处理护罩、该光学器件壁及该处理框架围封用于工件的镭射处理的第一空间，并且其中该处理框架可相对于该处理护罩移动；以及

光学器件护罩，其耦接至该处理护罩，其中该光学器件护罩、该光学器件壁及该处理框架围封用于容纳该镭射源的第二空间，并且其中该处理框架可相对于该光学器件护罩移动。

2.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含柔性密封材料，该柔性密封材料设置在该处理护罩与该光学器件壁之间。

3.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含柔性密封材料，该柔性密封材料设置在该光学器件护罩与选自由该处理框架及该系统框架集成的组的至少一者之间。

4.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含：

处理基座，其支撑该处理框架；以及

支座，其将该处理基座支撑于该系统框架上。

5.如权利要求4所述的镭射处理系统，其中该处理基座包括花岗岩块。

6.如权利要求4所述的镭射处理系统，其中该支座包括弹性体材料。

7.如权利要求1所述的镭射处理系统，其中该光学器件壁包括界定于其中的射束埠，其中该射束埠经组配来传输可由该镭射源产生的镭射能量。

8.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含该镭射源，其中该镭射源安装于该处理框架上。

9.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含该镭射源，其中该镭射源配置于该第二空间内。

10.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含该工件定位系统，其中该工件定位系统安装于该处理框架上且配置于该第一空间内。

11.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含该射束输送系统，其中该射束输送系统配置于该第一空间内。

12.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含一台架，该台架安装于该处理框架上且配置于该第一空间内。

13.如权利要求12所述的镭射处理系统，其进一步包含该射束输送系统，其中该射束输送系统安装至该台架。

14.如权利要求1所述的镭射处理系统，其进一步包含泵，该泵配置于该第二空间内，其中该泵经组配来对该第二空间加正压。

15.一种镭射处理系统，其包含：

系统框架；

光学器件隔间，其由该系统框架支撑且由光学器件护罩部分地界定，其中该光学器件隔间经组配来容纳镭射源；以及

处理隔间，其由该系统框架支撑且由一处理护罩部分地界定，其中该处理隔间与该光学器件隔间光学连通且经组配来容纳射束输送系统及工件定位系统，

其中该光学器件护罩及该处理护罩中的每一者部分地界定该镭射处理系统的外表面。

16.如权利要求15所述的镭射处理系统，其进一步包含该镭射源，其中该镭射源经组配来产生镭射能量且配置于该光学器件隔间内。

17.如权利要求15所述的镭射处理系统，其进一步包含该工件定位系统，其中该工件定位系统经组配来移动工件且配置于该处理隔间内。

18.如权利要求15所述的镭射处理系统，其进一步包含该射束输送系统，其中该射束输送系统经组配来引导可由该镭射源产生的镭射能量且配置于该处理隔间内。

19.如权利要求15所述的镭射处理系统，其进一步包含台架，该台架配置于该第一空间内。

20.如权利要求19所述的镭射处理系统，其进一步包含该射束输送系统，其中该射束输送系统安装至该台架。

21.如权利要求15所述的镭射处理系统，其进一步包含自由空间射束传输系统，其中该处理隔间与该光学器件隔间光学连通。