CN112888526B - 用于激光束的机器内分布的系统、方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种激光器系统包括：包括处理器和非瞬态机器可读存储器的控制器、被配置为输出激光束的激光头、被定位为与该激光头相对的工作床、以及通信地耦合到该电子控制单元并集成在该工作床内的功率计。该激光器系统进一步包括位于该功率计和该激光头之间的刀刃板、以及存储在该非瞬态机器可读存储器中的机器可读指令集，当该机器可读指令集由该处理器执行时使得该激光器系统至少执行以下操作：将该激光头定位在距离该功率计一距离处，使得该激光头输出该激光束，将该激光头平移跨过该功率计，在该激光束平移跨过该功率计时从该功率计接收功率信号；以及基于该功率信号来计算光斑尺寸。
Description
本申请要求于2018年8月9日提交的美国临时申请序列号62/716589的优先权的权益，本申请依据该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本说明书大体涉及用于确定和控制激光束的轮廓的系统和方法，更具体地，涉及自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离(laser-head-to-work-bed distance)相关联的机器内系统和方法。
背景技术
激光切割系统利用激光局部加热材料，以在基板中诱导热应力并分离基板材料。一些系统利用皮秒激光穿透基板材料，因而产生损伤轨迹。这些系统随后可以利用CO2激光沿着损伤轨迹诱导热应力以分离基板材料。然而，为了有效切割基板材料或分离具有损伤轨迹的基板材料，激光加工头应当被定位为使得最佳光斑尺寸入射到基板的表面上以在基板内诱导热应力。
因此，需要将切割激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的替代系统和方法。
发明内容
在实施例中，一种激光器系统可以包括：电子控制单元，该电子控制单元包括处理器和非瞬态机器可读存储器；可操纵支撑架，该可操纵支撑架通信地耦合到该电子控制单元，使得由该电子控制单元生成的控制信号控制该可操纵支撑架的移动；激光头，该激光头被配置为输出激光束；工作床，该工作床被定位为与该激光头相对，使得由该激光头输出的该激光束被引导到该工作床上；功率计，该功率计通信地耦合到该电子控制单元并集成在该工作床内；刀刃板，该刀刃板位于该功率计和该激光头之间，其中该刀刃板形成由刀刃延伸跨过该功率计所定义的阻挡部分和传输部分；以及机器可读指令集，该机器可读指令集存储在该非瞬态机器可读存储器中。当该机器可读指令集由该处理器执行时，可以使得该激光器系统至少执行以下操作：将该激光头定位在距离该功率计第一距离处；使得该激光头输出该激光束；将该激光头平移跨过该功率计，其中该激光束从该阻挡部分跨过该刀刃平移到该传输部分中，或该激光束从该传输部分跨过该刀刃平移到该阻挡部分中；在该激光束平移跨过该功率计时，从该功率计接收功率信号；以及基于从该功率计接收到的该功率信号来计算该激光束的光斑尺寸。
在实施例中，一种用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的该光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的方法可以包括：将该激光头定位在距离工作床第一距离处，其中该工作床可以包括集成在该工作床内的功率计；使得该激光头输出该激光束；将该激光头平移跨过该功率计，其中该激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分中，或该激光束从该传输部分跨过该刀刃平移到该阻挡部分中；在该激光束平移跨过该功率计时，从该功率计接收功率信号；以及基于从该功率计接收到的该功率信号来计算该激光束的光斑尺寸。
在实施例中，一种激光切割装置可以包括：可操纵支撑架；激光头，该激光头耦合到该可操纵支撑架并且被配置为输出激光束；工作床，该工作床被定位为与该激光头相对，使得由该激光头输出的该激光束被引导到该工作床上；功率计，该功率计集成在该工作床内；以及刀刃板，该刀刃板位于该功率计和该激光头之间，其中该刀刃板形成由刀刃延伸跨过该功率计所定义的阻挡部分和传输部分。
鉴于下面的详细描述，将结合附图更充分地理解本文所描述的实施例提供的这些和其他特征。
附图说明
在附图中阐述的实施例在性质上为说明性和示例性的，并不意图限制权利要求所定义的主题。当结合以下附图阅读时，可以理解对说明性实施例的以下详细描述，其中，用类似的附图标记指示类似的结构，并且其中：
图1示意性地描绘了根据本文示出和描绘的一个或多个实施例的用于切割基板的激光机器；
图2示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的示例系统；
图3A示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在距离激光机器的工作床第一距离处的激光头的横截面视图；
图3B示意性地描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在距离激光机器的工作床第二距离处的激光头的横截面视图；
图4描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的示例方法的流程图；
图5描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的另一个示例方法的流程图；
图6描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的从由功率计测量到的功率值确定光斑尺寸的说明性示例；
图7A描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分中时，位于阻挡部分上的激光束的说明性示例；
图7B描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分中时，位于刀刃上的激光束的说明性示例；
图7C描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的在激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分中时，位于传输部分上的激光束的说明性示例；以及
图8描绘了根据本文示出和描述的一个或多个实施例的光斑尺寸与激光头到工作床距离之间的相关性的说明性表示。
具体实施方式
本公开的实施例涉及用于确定和控制激光束的轮廓的系统和方法，更具体地，涉及自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离(laser-head-to-work-bed distance)相关联的机器内系统和方法。用于切割基板的激光可以包括若干可调整参数，诸如波长、功率、光斑尺寸等，这些参数可以被优化以在基板内诱导吸收和/或热应力。例如，一些切割系统利用CO2激光局部加热基板，以引入热应力并分离基板材料。取决于切割所期望的尺寸和深度、材料的类型等，激光束可以被配置为在基板的表面上生成特定的光斑尺寸。激光束的光斑尺寸通常与激光束在其内引入热应力的基板的表面积相对应。例如，基板上的CO2激光光斑尺寸可能在1mm到10mm的直径范围内变化，这取决于被切割的基板。
可以通过控制激光头与基板之间的距离(本文也称为“激光头到工作床距离”)来调整激光束的光斑尺寸。本文描述的实施例涉及用于自动确定激光切割机器内激光头到工作床距离的系统和方法。附加地，系统和方法生成用于激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离的一个或多个相关因子。本文描述的系统和方法消除了在运行切割操作之前通常需要的繁琐和耗时的校准和设置程序。附加地，系统和方法允许操作员自动初始化激光切割机器以确定一个或多个相关因子，使得为处理基板而开发的计算机数控(CNC)代码可以在机器之间自由传输。也就是说，一个或多个相关因子使光斑尺寸参数成为可以在机器之间直接可比较和可传输的参数。例如，代替于定义从激光头到用于切割操作的基板的距离的CNC代码，CNC代码可以定义期望的光斑尺寸，并且装载CNC代码的特定激光切割机器可以在内部确定从激光头到基板的必要距离以生成期望的光斑尺寸。
总体上，本文描述的系统和方法利用具有集成功率计和刀刃板的激光切割机器，该刀刃板形成跨过功率计的一部分的刀刃。由控制器执行的预先配置的初始化过程可以使激光切割机器激活激光器并平移激光头，使得从激光头输出的激光束从刀刃板跨过刀刃移动到功率计的感测区域。功率计可以生成与入射到该功率计的感测区域上的激光束相对应的一个或多个信号。在激光束平移跨过刀刃时，由功率计生成的信号可以用于计算激光束的光斑尺寸。随后可以将光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联。激光头到工作床距离可以通过几种方法中的一种来确定。例如，激光机器可以相对于激光机器的工作床调零。在一些实施例中，测距设备可以被包括在激光机器中，并且提供从激光头到工作床的距离测量。通过将激光束平移跨过刀刃来确定光斑尺寸的过程可以在不同的距离上重复，以确定在激光机器工作范围内光斑尺寸与激光头到工作床距离之间的相关性。
下面具体参考附图进一步详细描述用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的各种实施例。
现在参考图1，图1示意性地描绘了根据本文示出和描绘的一个或多个实施例的用于切割基板的激光机器。如所描绘的，激光机器100包括耦合到可操纵支撑架105的激光头110。可操纵支撑架105可以是台架式系统、机器人臂等。可操纵支撑架105可以为激光头110提供支撑和具有一个或多个自由度的受控移动。例如，如所描绘的，可操纵支撑架105包括在第一端处耦合到激光头110的水平构件120和在与第一端相对的第二端处的垂直构件130。附加地，垂直构件130耦合到支撑结构140，该支撑结构140可以横跨(span)激光机器100的工作床160的宽度或长度。水平构件120可以耦合到垂直构件130，使得水平构件120可以沿着垂直构件130的长度在+Z和–Z方向上移动。例如，在实施例中，驱动螺旋齿轮等的步进电机可以在朝上的方向上(即，箭头A所指示的方向)或朝下的方向上(即，箭头B所指示的方向)驱动水平构件120，以调整激光头到工作床距离d。附加地，垂直构件130可以可移动地耦合到支撑结构140，使得垂直构件130沿着支撑结构140的长度在+X和–X方向上移动。例如，在实施例中，步进电机等可以在朝左的方向上(即，箭头C所指示的方向)或朝右的方向上(即，箭头D所指示的方向)驱动垂直构件130，使激光头平移跨过刀刃185和功率计170，该功率计170集成在激光机器的工作床160(本文将进一步详细描述)内。
激光头110可以包括用于生成和输出能够切割基板的激光束150的激光器和光学器件。由激光头110输出的激光束150包括激光束光斑155，该激光束光斑155的尺寸可以依据激光头到工作床距离d而变化。激光器可以包括CO2激光器、Nd激光器、Nd:YAG激光器、高功率二极管激光器等，这取决于预期的基板加工，例如，切割、雕刻、焊接等。
如本文所述，激光机器100包括具有集成在工作床160内的功率计170的工作床160。功率计170可以是能够接收激光束并响应于由该激光束输出的激光能量和/或激光功率而生成一个或多个信号的任何传感器或传感器系统。例如，功率计可以包括光电二极管、热电堆功率传感器等。在切割应用期间，工作床可以支撑基板(未示出)，诸如玻璃板、玻璃陶瓷板等。刀刃板180也可以支撑在工作床160的表面上，并且被定位为覆盖功率计170的一部分，使得刀刃185可以横跨功率计170形成。也就是说，刀刃板180阻挡功率计170的一部分，因而定义沿着刀刃185划分的阻挡部分172和传输部分174。刀刃185可以由诸如刀片的边缘来定义。
在一些实施例中，激光机器100可以包括测距设备115。测距设备115可以耦合到激光机器100并且被配置为确定激光头到工作床距离d的距离。例如，测距设备115可以耦合到激光头110并且朝向工作床160定向，以生成与激光头到工作床距离d相对应的信号。尽管测距设备115如图1所描绘，一些激光机器100可以利用其他装置来确定激光头到工作床距离d。例如，激光机器100可以实现激光头110相对于工作床160调零的校准步骤。一旦调零，激光机器100可以基于步进电机的旋转度来确定激光头到工作床距离d，该步进电机沿着垂直构件130的长度来控制水平构件120和激光器110的位置。也就是说，步进电机的旋转度可以与水平构件120相对于垂直构件130在+Z和–Z方向上的预定线性位移相对应。
现在参考图2，描绘了根据一个或多个实施例的用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的示例系统。系统200总体上包括激光机器100和计算设备210。参考图1和图2，激光机器包括通信路径220、具有处理器232和非瞬态计算机可读存储器234的电子控制单元230、可操纵支撑架105、网络接口硬件210、激光器212、测距设备115、以及功率计170。激光机器100可以借助于网络接口硬件210通信地耦合到网络205。系统200的部件可以被包含在激光机器100内，或通过网络205彼此互连。系统200的各种部件及其交互将会在下文中进行描述。
通信路径220可以由能够传输信号的任何介质形成，诸如例如，导线、导电迹线、光波导等。通信路径220还可以是指电磁辐射及其相对应的电磁波横穿的范围。此外，通信路径220可以由能够传输信号的介质的组合形成。在一个实施例中，通信路径220包括导电迹线、导线、连接器和总线的组合，其协同以允许将电数据信号传输到诸如处理器、存储器、传感器、输入设备、输出设备和通信设备的部件。因此，通信路径220可以包括总线。此外，应当注意术语“信号”是指能够跨过介质行进的波形(例如，电波形、光波形、磁波形、机械波形或电磁波形)，诸如DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等。通信路径220将系统200的各种部件通信地耦合。如本文所用，术语“通信地耦合”是指耦合的部件能够与彼此交换信号，诸如例如，经由导体介质的电信号、经由空气的电磁信号、经由光波导的光信号等。
仍然参考图1和图2，电子控制单元230可以是包括处理器232和非瞬态计算机可读存储器234的任何设备或部件的组合。系统200的处理器232可以是能够执行存储在非瞬态计算机可读存储器234中的机器可读指令集的任何设备。因此，处理器232可以是电控制器、集成电路、微芯片、计算机、或任何其他计算设备。处理器232可以通过通信路径220通信地耦合到系统200的其他部件。因此，通信路径220可以将任意数量的处理器232彼此通信地耦合，并且允许耦合到通信路径220的部件在分布式计算环境中操作。具体地，部件中的每一个都可以作为可以发送和/或接收数据的节点来操作。尽管图2中描绘的实施例包括单个处理器232，其他实施例可以包括多于一个处理器232。
系统200的非瞬态计算机可读存储器234可以耦合到通信路径220并且通信地耦合到处理器232。非瞬态计算机可读存储器234可以包括RAM、ROM、闪存存储器、硬盘驱动器或能够存储机器可读指令的任何非瞬态存储器设备，使得可以由处理器232访问并执行机器可读指令。机器可读指令集可以包括以任何世代(例如，1GL、2GL、3GL、4GL或5GL)的任何编程语言编写的(多个)逻辑或算法，诸如例如，可以由处理器232直接执行的机器语言、或汇编语言、面向对象编程(OOP)、脚本语言、微代码等，其可以被编译或汇编成机器可读指令并存储在非瞬态计算机可读存储器234中。替代地，机器可读指令集可以以硬件描述语言(HDL)(诸如经由现场可编程门阵列(FPGA)配置或专用集成电路(ASIC)或其等效物来实现的逻辑)编写。因此，本文描述的功能可以以任何常规计算机编程语言，作为预编程硬件元件，或作为硬件和软件部件的组合来实现。尽管图2中描绘的实施例包括单个非瞬态计算机可读存储器234，其他实施例可以包括多于一个存储器模块。
可操纵支撑架105可以经由通信路径220通信地耦合到电子控制单元230。如上文所讨论的，可操纵支撑架105支撑并控制激光头110的移动。可操纵支撑架105可以是台架式系统、机器人臂等。可操纵支撑架105可以包括一个或多个步进电机等，以在一个或多个自由度内控制激光头110的移动。一个或多个步进电机可以通信地耦合到电子控制单元230，使得电子控制单元230向一个或多个步进电机传输控制信号，用于控制可操纵支撑架105的移动。应当理解的是，尽管图1和图2参考台架式结构描绘和描述了可操纵支撑架105，可以实现其他结构以实现激光头110的支撑和受控运动。
仍然参考图1和图2，激光器212任选地容纳在激光头110内并且通信地耦合到电子控制单元230。激光器212可以是CO2激光器、Nd激光器、Nd:YAG激光器、高功率二极管激光器等。激光器的类型取决于要实现的激光加工。例如，对于切割玻璃基板，可以选择CO2激光器。电子控制单元230可以生成控制信号以控制激光器212。例如，控制信号可以激活或停用激光器212、调整激光器的功率输出等。
激光机器100可以包括测距设备115。测距设备115可以是能够确定到对象或表面的距离的任何设备。例如，测距设备115可以实现主动测距方法，诸如激光、雷达、声纳、LIDAR和/或超声波测距。在实施例中，测距设备115可以包括用于输出激光发射的激光器(例如，激光测距仪)和用于检测激光发射从对象或表面的反射的激光检测器。对于本文描述的系统和方法，测距设备115可以耦合到激光头110并且被定位为响应于确定到激光机器100的工作床160的距离而生成信号。
系统200进一步包括如上文相对于图1所讨论的功率计170。功率计170可以通信地耦合到电子控制单元230，使得由功率计170生成的与检测到的激光束150的功率相对应的信号被传输到电子控制单元230。功率计170可以是能够检测激光束150并生成与激光束150的功率相对应的电子信号的任何设备，激光束150入射到功率计170的传感器上。例如，功率计170可以包括CCD阵列、光电二极管、热电堆功率传感器等，以测量通过传输部分174传输的激光束150。在一些实施例中，功率计170可以是束分布(beam-profiling)传感器或能量传感器。
如参考图1所描述的，功率计170可以集成在激光机器100的工作床160内，使得从激光头110输出的激光束150可以聚焦在功率计170上。此类配置允许在其操作配置中测量由激光束生成的激光束光斑155的光斑尺寸。也就是说，当基板要进行激光加工时，该基板可以被放置在工作床160上。因此，通过考虑基板的厚度，与激光头到工作床距离d相关的光斑尺寸在相对于工作床160和基板的所测量的光斑尺寸之间可平移。
网络接口硬件210可以耦合到通信路径220并且通信地耦合到处理器232。网络接口硬件210可以是能够经由网络205传输和/或接收数据的任何设备。因此，网络接口硬件210可以包括用于发送和/或接收任何有线通信或无线通信的通信收发器。例如，网络接口硬件210可以包括天线、调制解调器、LAN端口、Wi-Fi卡、WiMax卡、移动通信硬件、近场通信硬件、卫星通信硬件和/或用于与其他网络和/或设备通信的任何有线硬件或无线硬件。在一个实施例中，网络接口硬件210包括被配置为根据蓝牙无线通信协议操作的硬件。在另一个实施例中，网络接口硬件210可以包括用于向网络205发送蓝牙通信和/或从网络205接收蓝牙通信的蓝牙发送/接收模块。
在一些实施例中，系统200可以经由网络205通信地耦合到计算设备201。在一些实施例中，网络205可以是利用蓝牙技术来通信地耦合系统200和计算设备201的个人域网。网络205可以包括一个或多个计算机网络(例如，个人域网、局域网、或广域网)、蜂窝网络、卫星网络和/或全球定位系统和它们的组合。因此，系统200可以经由有线、经由广域网、经由局域网、经由个人域网、经由蜂窝网络、经由卫星网络等通信地耦合到网络205。合适的局域网可包括有线以太网和/或无线技术，诸如，例如无线保真(Wi-Fi)。合适的个人域网可以包括无线技术，诸如例如，IrDA、蓝牙、无线USB、Z-Wave、ZigBee和/或其他近场通信协议。合适的个人局域网可以类似地包括有线计算机总线，诸如例如，USB和火线(FireWire)。合适的蜂窝网络包括但不限于诸如LTE、WiMAX、UMTS、CDMA和GSM等技术。
仍然参考图2，如上所述，网络205可以用于通信地耦合系统200，更具体地，将激光机器100与计算设备201通信地耦合。计算设备201可以包括处理单元202、输入设备203和显示器204，其中的每一个可以通信地耦合到一起和/或耦合到网络205。计算设备201可以用于与激光机器100对接。例如，用户可以使用计算设备201选择并加载用于利用激光机器100加工基板的CNC代码。计算设备201还可以接收来自功率计170的信号，以自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联。计算设备201还可以用于控制激光机器100，并以其他方式监视系统200的功能。
计算设备201可以包括处理单元202、输入设备203和显示器204，该处理单元202具有处理器和存储器。存储器可以是机器可读存储器(也可以被称为非瞬态处理器可读存储器)。存储器可以被配置为易失性和/或非易失性存储器并且因此可以包括随机存取存储器(包括SRAM、DRAM和/或其他类型的随机存取存储器)、闪存存储器、寄存器、光盘(CD)、数字多功能盘(DVD)和/或其他类型的存储部件。附加地，存储器可以被配置为存储CNC代码、用于激光机器的相关因子、以及操作逻辑，如本文更详细地描述的。
处理器可以包括被配置为接收和执行编程指令(诸如来自数据存储部件和/或存储器)的任何(多个)处理部件。指令可以是存储在数据存储部件和/或存储器中的机器可读指令集的形式。输入设备203可以包括键盘、鼠标、照相机、麦克风、扬声器和/或用于接收数据的其他设备。计算设备201还可以包括网络接口硬件，该网络接口硬件包括用于实现与网络205和激光机器100的通信的硬件。
应当理解的是，尽管计算设备201被描绘为个人计算机，这些仅为示例。更具体地，在一些实施例中，任何类型的计算设备(例如，移动计算设备、个人计算机、服务器等)可以用于计算设备201。附加地，尽管计算设备201在图2中被示出为单件硬件，但这也是示例。更具体地，计算设备201可以表示多个计算机、服务器、数据库等。
以下各节现在将描述系统200的操作的实施例，该系统200用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联。
参考图3A和图3B，根据本文描述的一个或多个实施例描绘了距离激光机器100的工作床160的各种距离(d1、d2)处的激光头110的示意性横截面视图。图3A和图3B描绘了输出激光束150的激光头110。激光束150入射到工作床160的表面上以在其上形成激光光斑。如图3A所描绘的，当激光头110位于距离工作床160的第一距离d1处时，具有第一光斑尺寸的光斑155a可以由具有第一宽度w1的激光束150形成。类似的，如图3B所描绘的，当激光头110位于距离工作床160的第二距离d2处时，具有第二光斑尺寸的光斑155b可以由具有第二宽度w2的激光束150形成。因此，在一些实施例中，随着激光头110与工作床160(或在激光加工操作期间的情况下的基板)之间的距离(d1、d2)增大，光斑尺寸(w1、w2)可能减小。在一些实施例中，尽管没有描绘，但是随着激光头110与工作床160(或在激光加工操作期间的情况下的基板)之间的距离(d1、d2)减小，光斑尺寸(w1、w2)可能增大。在一些实施例中，尽管没有描绘，但是随着激光头110和工作床160之间的距离(d1、d2)增大，光斑尺寸(w1、w2)也可能增大。在又进一步的实施例中，随着激光头110和工作床160之间的距离(d1、d2)减小，光斑尺寸(w1、w2)也可能减小。
为了测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联，激光机器100可以被配置为在预定义距离d处(图1)完成一个或多个功率分布测量。此外，为了在激光机器的整个工作范围内表征该激光机器，可以利用至少两个不同的距离(d1、d2)来完成两个或多个功率分布测量。
现在将详细描述通过利用一个或多个功率分布测量来自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离d相关联的方法。通常，为了确定入射到工作床160和/或功率计170上的光斑尺寸(即，束宽度)，激光束150可以被移动到刀刃185上，使得可以从由功率计170生成的功率信号来创建功率分布。可以从功率分布来计算激光束150的光斑尺寸(即，束宽度)。
现在参考图4，描绘了根据一个或多个实施例的用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的示例方法的流程图。该方法的步骤可以在存储在电子控制单元或计算设备的存储器中的一组机器可读指令中定义，使得处理器可以访问和执行这些步骤。在步骤402处，激光头可以位于距离功率计距离d处。这可以通过控制水平构件的朝上和/或朝下移动来实现，从而调整激光头到工作床的距离。如上文所讨论的，可以基于步进电机从调零位置的旋转度或通过利用测距设备来确认距离，该测距设备可以提供与激光头到工作床距离d(例如，功率计可以集成在工作床内的功率计)相对应的信号。在步骤404处，电子控制单元可以使激光束从激光头输出。在步骤406处，激光头可以平移跨过功率计，使得激光束可以从阻挡部分跨过刀刃平移到功率计的传输部分中。在一些实施例中，在步骤406处，激光头可以平移跨过功率计，使得激光束可以从功率计的传输部分跨过刀刃平移到功率计的阻挡部分中。也就是说，系统和/或装置可以被配置为在被阻挡部分和传输部分之间平移激光头跨过刀刃，以生成通过激光头输出的激光束的轮廓。大致回到图1，例如，可操纵支撑架的垂直构件可以由步进电机等沿着支撑结构在+X和-X方向上自动移动，使得激光头和从该激光头输出的激光束平移跨过与工作床集成的功率计和刀刃。在步骤408处，在激光束平移跨过功率计时，功率计生成与激光束的功率值相对应的功率信号。由功率计生成的每一个功率信号与激光束中的移位(例如，测微计步骤)相对应(例如，在–X方向上，图1)。电子控制单元和/或计算设备可以接收功率信号。在步骤410处，电子控制单元和/或计算设备可以基于从功率计接收到的功率信号来计算激光束的光斑尺寸(也可以被称为束宽度)。将参考图5更详细地描述用于计算激光束的光斑尺寸的方法。
在步骤412处，所计算的光斑尺寸和相对应的激光头到功率计距离d可以存储在电子控制单元和/或计算设备的存储器或数据存储设备中。所计算的光斑尺寸随后可以被用于生成与特定激光机器的光斑尺寸与距离相关性相对应的线性回归模型和函数。如果在特定机器的可工作范围内需要光斑尺寸和从激光头到工作床的距离之间的相关性，而不是仅仅针对单个距离，则该方法可以在步骤414进行。在步骤414处，可以确定对于一组激光头到工作床距离是否有足够数量的光斑尺寸测量，以生成激光机器工作范围的线性回归。例如，可能需要两个或更多个光斑尺寸和距离测量来计算线性回归。线性回归将提供所有光斑尺寸和激光机器的工作范围内的距离的相关性。在一些实施例中，可使用至少3个或至少4个不同距离的至少3个或至少4个光斑尺寸测量值来建立激光机器整个工作范围内的激光头到工作床距离与激光束的光斑尺寸之间的相关性。如本文所使用的，“工作范围”是指特定的激光机器的激光头可能的+Z和–Z位移。
如果对于不同的激光头到工作床距离有足够的光斑尺寸测量，则在步骤416处计算光斑尺寸与距离的关系的线性回归。如果用于特定激光机器的电子控制单元和/或计算设备中存储的针对不同距离的光斑尺寸测量的数量不足，则在步骤418处，可以确定另一个激光头到工作床距离d，并且过程返回到步骤402以获得针对第二激光头到工作床距离d的另一个光斑尺寸测量。
在一些实施例中，系统可以被预配置为自动从多个距离依次执行激光束功率的平移和测量。例如，在切割加工之前初始化激光机器时，可以执行这些步骤，并计算出相关性(即，表示激光机器的工作范围内激光头到工作床的所有距离与针对每一个距离所生成的光斑尺寸之间的关系的线性或多项式函数)。基于线性回归计算的所计算的相关性可以呈现线性函数，该线性函数可以与较旧的相关性进行比较或存储在激光器系统中以在随后的切割加工中使用。如果新的相关性和较旧的相关性不同，则可以计算第三相关性以确定是否应丢弃较旧的相关性或者新的相关性或激光器设置是否存在问题。
现在参考图5，描绘了根据一个或多个实施例的用于自动测量激光束的光斑尺寸并将该激光束的光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的示例方法的流程图。特别地，流程图中描绘的方法提供了根据从功率计接收到的功率信号来计算激光束的光斑尺寸的更详细的示例。在步骤502处，电子控制单元和/或计算设备可以根据从功率计接收到的功率信号来确定功率值。在步骤504处，从所收集的功率值中提取功率值的选择区间，这些功率值是从激光束的任何部分跨过刀刃平移到激光束完全在功率计的传输部分内的点之前收集的(即，由功率计正在感测的最大功率量)。在一些实施例中，在由最大测量功率的第一百分比和最大测量功率的第二百分比定义的区间内收集功率值。例如，第一百分比可以是从最大测量功率的0％到最大测量功率的100％的任何值，第二百分比可以是从最大测量功率的0％到最大测量功率的100％的任何值，使得第一和第二比值不同。更具体地，第一百分比可以是最大测量功率的约5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％或20％。在实施例中，第一百分比可以是最大测量功率的约15.0％、15.1％、15.2％、15.3％、15.4％、15.5％、15.6％、15.7％、15.8％、15.9％或16.0％，或任选地15.87％。第二百分比可以是最大测量功率的约75％、76％、77％、78％、79％、80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％或95％。在一些实施例中，第二百分比可以是最大测量功率的约84.0％、84.1％、84.2％、84.3％、84.4％、84.5％、84.6％、84.7％、84.8％、84.9％、85.0％或任选地84.14％。
在步骤506处，功率值可以拟合到误差函数或多项式以确定光斑尺寸。更具体地，一旦功率值拟合到误差函数或多项式，则可以由激光束从与第一百分比值相关联的功率值到与第二百分比值相关联的功率值的移位(例如，x移位，参考图1)的绝对值来确定光斑尺寸。误差函数可以由以下等式1定义。
在一些实施例中，可以通过利用以下等式2取两个相邻数据点的导数来确定光斑尺寸的宽度。
等式2给出了光束中特定点x处的功率。计算该类型的导数时，可以留下两个选择来计算1/e2半径r。第一，可以用导数图中的最大值除以e2，然后通过点之间的线性外推找到相对应的r值来进行估计。第二选择，将高斯函数拟合到数据中。这允许评估与拟合相关的实验误差。
图6通过图示在不同激光头到工作床距离处生成的功率分布曲线(即，使用误差函数拟合的功率值)的图形来说明过程，来提供确定光斑尺寸的更全面的说明。附加地，图7A、图7B和图7C(随后将被描述)提供了在激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分时该激光束的说明性示例。图7A、图7B和图7C中的每一个都与图6中所描绘的说明性图形上所示的位置A、B和C相对应。参考图6，说明形图形包括针对四个不同的激光头到工作床距离(d1、d2、d3、d4)的四个功率分布曲线。为了确定光斑尺寸(例如，光斑尺寸的宽度和/或直径)，确定最大功率值的第一百分比和第二百分比的功率值。例如，假设18W为最大功率值，第一百分比为15.87％，则第一功率值为2.856W。为了说明性的目的，在由15.87％指示的图形上，以第一功率值2.856W绘制水平线。接下来，第二百分比84.14％定义了第二功率值15.14W。再次为了说明性的目的，在第二功率值15.14W处绘制与功率分布曲线相交的线(即，由84.14％指示)。通过取最大功率的第一百分比和第二百分比与针对激光头在相应距离(d1、d2、d3、d4)处输出的每一个激光束的功率分布曲线的交点，可以确定相对应的激光光斑尺寸。也就是说，当激光头位于距离d1处时，激光束具有光斑尺寸w1；当激光头位于距离d2处时，激光束具有光斑尺寸w2；当激光头位于距离d3处时，激光束具有光斑尺寸w3；当激光头位于距离d4处时，激光束具有光斑尺寸w4。
光斑尺寸(w1、w2、w3、w4)可以根据激光束的位移来确定，该位移与激光头沿着X轴的横向运动相对应(例如，图1所描绘的)，该横向运动为从功率计测量第一功率值的第一X轴值到功率计测量第二功率值的第二X轴值。如本文所述，第二X轴值和第一X轴值之间的差被称为“X移位”举例来说，以距离d1处激光束的功率分布曲线为例，第一功率值处的第一X轴值为约2.7，第二功率值处的第二X轴值为约3.8。因此，可以通过从第一X轴值(即，2.7)减去第二X轴值(即，3.8)来确定X移位，其结果为1.1。距离d1处激光束的光斑尺寸为1.1个单位。注意，图6不包括测量单位，因为该图仅仅是用于确定光斑尺寸的说明性示例。然而，X移位可以是指微米、毫米、厘米等量级的距离测量单位，这取决于被测量的激光的类型和聚焦光学器件。
如上所述，图7A、图7B和图7C描绘了在激光束从阻挡部分跨过刀刃平移到传输部分时该激光束的说明性示例。图7A、图7B和图7C中的每一个都与图6中所描绘的说明性图形上所示的位置A、B和C相对应。图7A与图6的图形上的位置A相对应，该位置A指示零功率值，因为激光束150完全位于刀刃板180的阻挡部分172上方。刀刃板180阻挡激光束传输到功率计170。图7B与图6的图形上的位置B相对应，该位置B表示激光束的一半在阻挡部分172内并且另一半已经经过刀刃185进入传输部分174的点。传输部分174允许激光束传输到功率计170，因此该图型描绘了约9W的功率值(即，最大功率值的约1/2)。图7C与图6的图形上的位置C相对应，该位置C表示激光束完全在传输部分174内且功率计正在检测最大功率水平。
简单地参考图8，描绘了光斑尺寸与激光头到工作床距离之间的相关性的说明性表示。特别地，确定线性回归710并以图形方式示出。现在，对于每一个激光头到工作床距离，可以确定相对应的光斑尺寸，即使光斑尺寸的实际测量可能不存在。
在一些实施例中，一旦可以确定特定机器的激光头到工作床距离和激光束的光斑尺寸之间的相关性，就可以将该相关性存储在电子控制单元的存储器内，并且在加工基板时使用。例如，CNC代码可以被上传激光机器上的激光切割过程。CNC代码可以指定激光切割过程期间使用的一个或多个光斑尺寸，以及用于执行切割操作的X轴和Y轴平移步骤。当激光机器的电子控制单元执行CNC代码时，激光机器可以利用为激光机器确定的相关因子或等式来设置激光头的Z轴位置(即，激光头到工作床距离)，以生成激光束所需的光斑尺寸。
如上所述，通过将光斑尺寸作为参数与Z轴定位一起使用或使用光斑尺寸作为参数代替Z轴定位，可以在各种激光机器上容易实现CNC代码，这些机器可能需要不同的激光头到工作床距离，以利用激光器生成特定的光斑尺寸。例如，第一激光机器可以要求将Z轴位置设置在第一距离处以生成具有宽度W的激光束光斑尺寸，而第二激光机器可要求将Z轴位置设置在第二距离处以生成具有相同宽度W的激光束光斑尺寸。通常，需要专门为每一个激光机器编写CNC代码，或在上传到激光机器中的每一个时手动更新和/或校准CNC代码。然而，使用本文描述的系统和方法，相同的CNC代码可以被上传到各种激光机器，而无需附加的校准或裁剪步骤。
借助于进一步的示例，当初始化激光机器以处理基板时，该机器可以在激光头与工作床处于不同距离的情况下，在刀刃和功率计上方自动执行两次或更多次激光移动。激光机器的电子控制单元可以接收来自功率计的功率信号，并确定初始化过程期间运行的距离中的每一个的光斑尺寸。然后，可以确定激光头到工作床距离与距离中的每一个的光斑尺寸之间的相关性，并将该相关性存储在电子控制单元的存储器中。具有预定厚度的基板可以定位在工作床上，并且用于基板的期望处理的CNC代码被加载到电子控制单元中。当电子控制单元执行CNC代码并加工基板时，电子控制单元可以访问相关性(例如，因子或等式)，以确定必要的激光头到工作床距离(例如，Z轴位置)，以生成CNC代码中所定义的激光束光斑尺寸以用于加工基板。在这种情况下，激光头到工作床距离可以偏移基板的预定厚度，以便将激光束光斑尺寸从工作床表面平移(即，沿着Z轴)到基板的表面，因为可以在刀刃和功率计所集成的工作床的表面确定相关性。
应当理解的是，通过将激光束从阻挡部分172跨过刀刃平移到传输部分174，可以针对该激光束生成功率分布。根据功率分布，可以根据特定的激光头到工作床距离来确定激光束的光斑尺寸(即，宽度或直径)。这些数据点可以存储在电子控制单元和/或计算设备的存储器内以供以后查找或分析。数据点的分析可以包括确定一组数据点的线性回归，从而生成激光机器工作范围内的距离值和光斑尺寸之间的相关性。该相关性可以允许用于加工(例如，切割)基板的CNC代码从一个激光机器自由地传输到另一个激光机器。也就是说，光斑尺寸可以与特定机器的相对应的激光头到工作床距离相关。例如，在实施例中，一个机器可以使用第一距离生成光斑尺寸，而第二激光机器可以使用第二距离生成相同的光斑尺寸。通过使用相关性(例如，表示激光头到工作床距离与光斑尺寸之间的所计算的关系的线性或多项式函数)，可以由各种激光机器生成期望的光斑尺寸，而不需要改变用于每一个特定激光机器的CNC代码。
要注意的是，可以利用术语“基本上”和“大约”来表示可归因于任何定量比较、数值、度量，或其它表示的固有不确定度。这些术语还在本文用来表明数量表示可以与所陈述的引用不同的程度，而不会导致所讨论的主题的基本功能的改变。
尽管本文示出和描述了特定实施例，但应理解可作出其他变更和修改而不偏离所要求保护主题的精神和范围。此外，虽然本文中已经描述了所要求保护的主题的各个方面，但不需要以组合的方式来利用这些方面。因此，所附权利要求旨在涵盖所要求保护的主题的范围内的所有此类变更和修改。
Claims (13)
1.一种激光器系统(100)，包括：
电子控制单元(230)，所述电子控制单元(230)包括处理器(232)和非瞬态机器可读存储器(234)；
可操纵支撑架(105)，所述可操纵支撑架(105)通信地耦合到所述电子控制单元(230)，使得由所述电子控制单元(230)生成的控制信号控制所述可操纵支撑架(105)的移动；
激光头(110)，所述激光头(110)被配置为输出激光束(150)；
工作床(160)，所述工作床(160)被定位为与所述激光头(110)相对，使得由所述激光头(110)输出的所述激光束(150)被引导到所述工作床(160)上；
功率计(170)，所述功率计(170)通信地耦合到所述电子控制单元(230)并集成在所述工作床(160)内；
测距设备(115)，所述测距设备(115)被配置为生成与从所述激光头(110)到所述工作床(160)的第一距离相对应的距离信号；
刀刃板(180)，所述刀刃板(180)位于所述功率计(170)和所述激光头(110)之间，其中所述刀刃板(180)形成由刀刃(185)延伸跨过所述功率计(170)所定义的阻挡部分(172)和传输部分(174)；以及
机器可读指令集，所述机器可读指令集存储在所述非瞬态机器可读存储器(234)中，当所述机器可读指令集由所述处理器(232)执行时，使得所述激光器系统(100)至少执行以下操作：
基于来自所述测距设备(115)的所述距离信号，将所述激光头(110)定位在距离所述功率计(170)所述第一距离处；
使得所述激光头(110)输出所述激光束(150)；
将所述激光头(110)平移跨过所述功率计(170)，其中所述激光束(150)从所述阻挡部分(172)跨过所述刀刃(185)平移到所述传输部分(174)中，或所述激光束(150)从所述传输部分(174)跨过所述刀刃(185)平移到所述阻挡部分(172)中；
在所述激光束(150)平移跨过所述功率计(170)时，从所述功率计(170)接收功率信号；以及
基于从所述功率计(170)接收到的所述功率信号来计算所述激光束(150)的光斑尺寸。
2.如权利要求1所述的激光器系统(100)，其特征在于，所述机器可读指令集在被执行时，进一步使得所述处理器(232)：
将所述激光头(110)定位在距离所述功率计(170)第二距离处；
使得所述激光头(110)输出所述激光束(150)；
将所述激光头(110)平移跨过所述功率计(170)，其中所述激光束(150)从所述阻挡部分(172)跨过所述刀刃(185)平移到所述传输部分(174)中，或所述激光束(150)从所述传输部分(174)跨过所述刀刃(185)平移到所述阻挡部分(172)中；
在所述激光束(150)平移跨过所述功率计(170)时，从所述功率计(170)接收所述功率信号；
基于从所述功率计(170)接收到的所述功率信号来计算所述激光束(150)的第二光斑尺寸；以及
将所述第二光斑尺寸和所述第一距离存储在所述非瞬态机器可读存储器(234)中。
3.如权利要求2所述的激光器系统(100)，其特征在于，所述机器可读指令集在被执行时，进一步使得所述处理器(232)：
检取与所述光斑尺寸、所述第一距离、所述第二光斑尺寸、所述第二距离相对应的数据点；以及
计算所述数据点之间的线性回归，其中所述线性回归定义所述光斑尺寸与从所述激光头(110)到所述工作床(160)所定义的距离的相关因子。
4.如权利要求1所述的激光器系统(100)，其特征在于，所述机器可读指令集在被执行时，进一步使得所述处理器(232)：
根据从所述功率计(170)接收到的所述功率信号确定功率值；
确定在最大功率值的第一百分比处出现的第一功率值和在所述最大功率值的第二百分比处出现的第二功率值；以及
在从所述第一功率值到所述第二功率值的平移期间，基于所述激光束(150)的位移来确定所述光斑尺寸。
5.如权利要求4所述的激光器系统(100)，其特征在于，所述机器可读指令集在被执行时，进一步使得所述处理器(232)：
将来自所述功率信号的所述功率值拟合到误差函数中。
6.一种用于自动测量激光束(150)的光斑尺寸并将所述激光束(150)的所述光斑尺寸与激光头到工作床距离相关联的方法，所述方法包括：
基于来自测距设备(115)的距离信号将激光头(110)定位在距离工作床(160)第一距离处，所述测距设备(115)被配置为生成与从所述激光头(110)到所述工作床(160)的所述第一距离相对应的所述距离信号，其中所述工作床(160)包括集成在所述工作床(160)内的功率计(170)；
使得所述激光头(110)输出所述激光束(150)；
将所述激光头(110)平移跨过所述功率计(170)，其中所述激光束(150)从阻挡部分(172)跨过刀刃(185)平移到传输部分(174)中，或所述激光束(150)从所述传输部分(174)跨过所述刀刃(185)平移到所述阻挡部分(172)中；
在所述激光束(150)平移跨过所述功率计(170)时，从所述功率计(170)接收功率信号；以及
基于从所述功率计(170)接收到的所述功率信号来计算所述激光束(150)的光斑尺寸。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括将所述光斑尺寸和所述第一距离存储在非瞬态机器可读存储器中。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
将所述激光头(110)定位在距离所述功率计(170)第二距离处；
使得所述激光头(110)输出所述激光束(150)；
将所述激光头(110)平移跨过所述功率计(170)，其中所述激光束(150)从所述阻挡部分(172)跨过所述刀刃(185)平移到所述传输部分(174)中，或所述激光束(150)从所述传输部分(174)跨过所述刀刃(185)平移到所述阻挡部分(172)中；
在所述激光束(150)平移跨过所述功率计(170)时，从所述功率计(170)接收所述功率信号；
基于从所述功率计(170)接收到的所述功率信号来计算所述激光束(150)的第二光斑尺寸；
将所述光斑尺寸和所述第一距离存储在所述非瞬态机器可读存储器中；以及
将所述第二光斑尺寸和所述第一距离存储在非瞬态机器可读存储器(234)中。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：
检取与所述光斑尺寸、所述第一距离、所述第二光斑尺寸、所述第二距离相对应的数据点；以及
计算所述数据点之间的线性回归，其中所述线性回归定义所述光斑尺寸与从所述激光头(110)到所述工作床(160)的距离的相关因子。
10.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
根据从所述功率计(170)接收到的所述功率信号确定功率值；
确定在最大功率值的第一百分比处出现的第一功率值和在所述最大功率值的第二百分比处出现的第二功率值；以及
在从所述第一功率值到所述第二功率值的平移期间，基于所述激光束(150)的位移来确定所述光斑尺寸。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括：
将来自所述功率信号的所述功率值拟合到误差函数中。
12.一种激光切割装置，包括：
可操纵支撑架(105)；
激光头(110)，所述激光头(110)耦合到所述可操纵支撑架(105)并且被配置为输出激光束(150)；
工作床(160)，所述工作床(160)被定位为与所述激光头(110)相对，使得由所述激光头(110)输出的所述激光束(150)被引导到所述工作床(160)上；
功率计(170)，所述功率计(170)集成在所述工作床(160)内；
测距设备(115)，所述测距设备(115)被配置为生成与从所述激光头(110)到所述工作床(160)的第一距离相对应的距离信号；以及
刀刃板(180)，所述刀刃板(180)位于所述功率计(170)和所述激光头(110)之间，其中所述刀刃板(180)形成由刀刃(185)延伸跨过所述功率计(170)所定义的阻挡部分(172)和传输部分(174)，
其中，基于来自所述测距设备(115)的距离信号将所述激光头(110)定位在距离所述工作床(160)所述第一距离处。
13.如权利要求12所述的激光切割装置，其特征在于：
所述激光头(110)输出所述激光束(150)，
所述可操纵支撑架(105)被配置为自动将所述激光头(110)平移跨过所述功率计(170)，使得所述激光束(150)从所述阻挡部分(172)跨过所述刀刃(185)平移到所述传输部分(174)中，或所述激光束(150)从所述传输部分(174)跨过所述刀刃(185)平移到所述阻挡部分(172)中，并且
在所述激光束(150)从所述阻挡部分(172)跨过所述刀刃(185)平移到所述传输部分(174)中时，所述功率计(170)生成与所述激光束(150)相对应的功率信号。
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