CN113146060A - 多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置及方法，包括间隔并列平行设置的多个光束系统，每一光束系统沿光路方向依次包含：激光器，产生激光脉冲；扩束镜，用于光束扩大和滤波；上反射镜，用于改变光束方向；下反射镜，用于改变光束方向；振镜扫描系统，用于控制光束偏转；聚焦场镜，用于光束聚焦；每一光束系统的激光器、扩束镜和上反射镜均安装于光学平台架上，每一光束系统的下反射镜、振镜扫描系统和聚焦场镜安装于Z轴运动单元上，Z轴运动单元连接于光学平台架上；聚焦场镜下方设有Y轴运动单元，吸附平台置于Y轴运动单元上。根据需求自由选择光束数量，固定式拼接方式，效率、精度和稳定性较优。
Description
技术领域
本发明涉及一种多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置及其方法。
背景技术
在触摸屏、光电、显示屏等技术领域，导电膜主要采用金属化合物或氧化物，如银浆(Ag)、铜浆(Cu)、氧化铟锡(ITO)、纳米银线(SNW)等导电材料。导电材料先印刷或喷涂在PET膜材或Glass玻璃基底上，再使用化学蚀刻或激光蚀刻的方式加工图案。从制备工艺上，化学蚀刻的制程复杂且制作成本高昂，激光刻蚀的方式具有无接触、无污染、高精度、高质量等优点，应用越来越广泛。
激光刻蚀的方式是将从激光器发射出的激光，经光路系统、振镜扫描系统聚焦成高功率密度的激光束，激光束照射到工件表面，根据事先设定好的图案，振镜扫描一个区域，聚焦后的激光束使工件达到熔点或沸点，同时与集尘系统将熔化或气化粉尘吸走，随着振镜扫描系统与工件相对位置的移动，逐步完成剩余区域的图案加工，最终使工件导电薄膜形成完整的所需图案，从而达到刻蚀的目的。目前的激光刻蚀方式仍然存在着许多不足之处，现有的激光薄膜刻蚀机都是一台设备配备单光束加工方式，单光束激光薄膜刻蚀设备工作效率低下，生产制备的成本较高，且占地面积大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，特点是：包括间隔并列平行设置的三个及三个以上的光束系统，每一光束系统沿光路传输方向均依次包含：激光器，产生激光脉冲；扩束镜，用于光束扩大和滤波；上反射镜，用于改变光束方向；下反射镜，用于改变光束方向；振镜扫描系统，用于控制光束偏转；聚焦场镜，用于光束聚焦；
每一光束系统的激光器、扩束镜和上反射镜均安装于光学平台架上，每一光束系统的下反射镜、振镜扫描系统和聚焦场镜均安装于Z轴运动单元上，Z轴运动单元连接于光学平台架上；
聚焦场镜的下方设有Y轴运动单元，用于吸附加工工件导电薄膜的吸附平台置于Y轴运动单元上。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，Y轴运动单元上方设有X轴运动单元，X轴运动单元上设有用于观察校准的高倍视觉系统以及用于作业对位的低倍视觉系统。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，所述高倍视觉系统和低倍视觉系统连接至控制系统，控制系统与每一光束系统的激光器、每一光束系统的振镜扫描系统以及X轴运动单元、Z轴运动单元以及Y轴运动单元控制连接。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，所述高倍视觉系统包含CCD相机、影像镜头、照明点光源，影像镜头安装于X轴运动单元上，正对于吸附平台上的加工工件导电薄膜，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源；
低倍视觉系统包含CCD相机、影像镜头、照明点光源、UV紫外光源，影像镜头安装于X轴运动单元上，正对于吸附平台上的加工工件导电薄膜，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源，下方安装UV紫外光源。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，光束系统按照等间距并列平行安装。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，X轴运动单元与光学平台架呈间隔平行设置。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，每一光束系统的激光器均为1064nm纳秒红外光纤激光器。
进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其中，聚焦场镜与加工工件导电薄膜之间设有用于收集加工过程中粉尘和废气的集尘系统。
本发明多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工方法，每一光束系统的激光器输出高频脉冲光束，入射到扩束镜，扩束镜将高频脉冲光束扩束后，射入上反射镜改变光束指向，改变后的光束以45°入射到下反射镜再次改变光束指向，再次改变后的光束以45°入射到振镜扫描系统，通过振镜扫描系统对光束进行偏转后，射入聚焦场镜，聚焦场镜将光束聚焦成加工光斑，对置于吸附平台上的加工工件导电薄膜的相应区域进行刻蚀加工；不同光束系统的加工光斑加工不同的区域。
更进一步地，上述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工方法，安装于X轴运动单元上的用于观察校准的高倍视觉系统和用于作业对位的低倍视觉系统连接至控制系统，低倍视觉系统对加工工件导电薄膜进行定位，获得加工工件导电薄膜的位置坐标信息，并将位置坐标信息传输反馈给控制系统，控制系统根据位置信息分别控制相应的光束系统加工对应的区域，多个光束系统分别完成不同区域不同图案的加工，Y轴运动单元带动加工工件导电薄膜沿Y向定距离移动，进行多光束、高精度、高速度的扫描加工。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明提供多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置和方法，根据需求可以自由选择光束数量，N光束对同一个工件不同区域分别进行高精度高效率刻蚀加工；扫描速度快，固定式拼接方式，其效率、精度和稳定性均较优；
②多个激光头联动，拼接跟随激光头数量定制，将产品分割为多个加工区域加工，减少左右移动拼接次数，Y向不限制拼接次数，满足一定范围内不同产品尺寸最高效率的加工需求；
③性能极为稳定，集成度高，结构紧凑，布局合理，成本更加低廉，适合工业化生产应用。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，方位术语和次序术语等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，包括等间距并列平行设置的三个光束系统，第一光束系统沿光路传输方向依次包含：第一激光器10，产生激光脉冲；第一扩束镜11，用于光束扩大和滤波；第一上反射镜12，用于改变光束方向；第一下反射镜13，用于改变光束方向；第一振镜扫描系统14，用于控制光束偏转；第一聚焦场镜15，用于光束聚焦；第一激光器10、第一扩束镜11和第一上反射镜12安装于光学平台架70上，第一下反射镜13、第一振镜扫描系统14和第一聚焦场镜15安装于Z轴运动单元36上，Z轴运动单元36连接于光学平台架70上；
第二光束系统沿光路传输方向依次包含：第二激光器20，产生激光脉冲；第二扩束镜21，用于光束扩大和滤波；第二上反射镜22，用于改变光束方向；第二下反射镜23，用于改变光束方向；第二振镜扫描系统24，用于控制光束偏转；第二聚焦场镜25，用于光束聚焦；第二激光器20、第二扩束镜21和第二上反射镜22均安装于光学平台架70上，第二下反射镜23、第二振镜扫描系统24和第二聚焦场镜25安装于Z轴运动单元36上；Z轴运动单元36连接于光学平台架70上；
第三光束系统沿光路传输方向依次包含：第三激光器30，产生激光脉冲；第三扩束镜31，用于光束扩大和滤波；第三上反射镜32，用于改变光束方向；第三下反射镜33，用于改变光束方向；第三振镜扫描系统34，用于控制光束偏转；第三聚焦场镜35，用于光束聚焦；第三激光器30、第三扩束镜31和第三上反射镜32均安装于光学平台架70上，第三下反射镜33、第三振镜扫描系统34和第三聚焦场镜35安装于Z轴运动单元36上；Z轴运动单元36连接于光学平台架70上；
第一聚焦场镜15、第二聚焦场镜25、第三聚焦场镜35的下方设有Y轴运动单元38，用于吸附加工工件导电薄膜40的吸附平台50置于Y轴运动单元38上。
Y轴运动单元38上方设有X轴运动单元37，X轴运动单元37与光学平台架70呈间隔平行设置，X轴运动单元37上安装有用于观察校准的高倍视觉系统60以及用于作业对位的低倍视觉系统61。高倍视觉系统60和低倍视觉系统61连接至控制系统，控制系统与每一光束系统的激光器、每一光束系统的振镜扫描系统以及X轴运动单元37、Z轴运动单元36以及Y轴运动单元38控制连接。
高倍视觉系统60包含CCD相机、影像镜头、照明点光源，影像镜头安装于X轴运动单元37上，正对于吸附平台50上的加工工件导电薄膜40，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源；
低倍视觉系统61包含CCD相机、影像镜头、照明点光源、UV紫外光源，影像镜头安装于X轴运动单元37上，正对于吸附平台50上的加工工件导电薄膜40，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源，下方安装UV紫外光源。
第一激光器10、第二激光器20、第三激光器30均为1064nm纳秒红外光纤激光器。
三聚焦场镜与加工工件导电薄膜40之间设有用于收集加工过程中粉尘和废气的集尘系统。
一光学平台架70用于安装激光器、扩束镜、上反射镜；
一X轴运动单元37，用于高倍视觉系统60和低倍视觉系统61的X轴向的移动控制；
一垂直平移的Z轴运动单元36，用于多光束整体的聚焦和离焦控制；
一Y轴运动单元38，用于加工工件导电薄膜40的Y轴向移动控制。
多光束可以加工A、B、N(三个及三个以上数量)的区域。
具体应用时，第一激光器10输出高频脉冲光束，入射到第一扩束镜11，第一扩束镜11将高频脉冲光束扩束后，射入第一上反射镜12改变光束指向，改变后的光束以45°入射到第一下反射镜13再次改变光束指向，再次改变后的光束以45°入射到第一振镜扫描系统14，通过第一振镜扫描系统14对光束进行偏转后，射入第一聚焦场镜15，第一聚焦场镜15将光束聚焦成第一加工光斑，对放置于吸附平台50上的加工工件导电薄膜40的一区域(A区域)进行刻蚀加工；集尘系统收集加工过程中产生的粉尘及废气；
第二激光器20输出高频脉冲光束，入射到第二扩束镜21，第二扩束镜21将高频脉冲光束扩束后，射入第二上反射镜22改变光束指向，改变后的光束以45°入射到第二下反射镜23再次改变光束指向，再次改变后的光束以45°入射到第二振镜扫描系统24，第二振镜扫描系统24对光束进行偏转后，射入第二聚焦场镜25，第二聚焦场镜25将光束聚焦成第二加工光斑，第二加工光斑对放置于吸附平台50上的加工工件导电薄膜40的另一区域(B区域)进行刻蚀加工；集尘系统收集加工过程中产生的粉尘及废气。
第三激光器30输出高频脉冲光束，入射到第三扩束镜31，第三扩束镜31将高频脉冲光束扩束后，射入第三上反射镜32改变光束指向，改变后的光束以45°入射到第三下反射镜33再次改变光束指向，再次改变后的光束以45°入射到第三振镜扫描系统34，第三振镜扫描系统34对光束进行偏转后，射入第三聚焦场镜35，第三聚焦场镜35将光束聚焦成第三加工光斑，第三加工光斑对放置于吸附平台50上的加工工件导电薄膜40的另一区域(C区域)进行刻蚀加工；集尘系统收集加工过程中产生的粉尘及废气。
安装于X轴运动单元37上的用于观察校准的高倍视觉系统60和用于作业对位的低倍视觉系统61连接至控制系统，低倍视觉系统61对加工工件导电薄膜40进行定位，获得加工工件导电薄膜40的位置坐标信息，并将位置坐标信息传输反馈给控制系统，控制系统根据位置信息分别控制相应的光束系统加工对应的区域，多个光束系统分别完成不同区域不同图案的加工，Y轴运动单元38带动加工工件导电薄膜40沿Y向定距离移动，进行多光束、高精度、高速度的扫描加工。
综上所述，本发明提供多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置和方法，根据需求可以自由选择光束数量，N光束(三个及以上数量，N为正整数)对同一个工件不同区域分别进行高精度高效率刻蚀加工，性能极为稳定，振镜扫描系统有效提升加工精度及效率，且集成度高，结构紧凑，布局合理，成本更加低廉，适合工业化生产应用。
多个激光头联动，拼接跟随激光头数量定制，将产品分割为多个加工区域加工，减少左右移动拼接次数，Y向不限制拼接次数，满足一定范围内不同产品尺寸最高效率的加工需求。扫描速度快，固定式拼接方式，其效率、精度和稳定性均较优。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：包括间隔并列平行设置的三个及三个以上的光束系统，每一光束系统沿光路传输方向均依次包含：激光器，产生激光脉冲；扩束镜，用于光束扩大和滤波；上反射镜，用于改变光束方向；下反射镜，用于改变光束方向；振镜扫描系统，用于控制光束偏转；聚焦场镜，用于光束聚焦；
每一光束系统的激光器、扩束镜和上反射镜均安装于光学平台架(70)上，每一光束系统的下反射镜、振镜扫描系统和聚焦场镜均安装于Z轴运动单元(36)上，Z轴运动单元(36)连接于光学平台架(70)上；
聚焦场镜的下方设有Y轴运动单元(38)，用于吸附加工工件导电薄膜(40)的吸附平台(50)置于Y轴运动单元(38)上。
2.根据权利要求1所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：Y轴运动单元(38)上方设有X轴运动单元(37)，X轴运动单元(37)上设有用于观察校准的高倍视觉系统(60)以及用于作业对位的低倍视觉系统(61)。
3.根据权利要求2所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：所述高倍视觉系统(60)和低倍视觉系统(61)连接至控制系统，控制系统与每一光束系统的激光器、每一光束系统的振镜扫描系统以及X轴运动单元(37)、Z轴运动单元(36)以及Y轴运动单元(38)控制连接。
4.根据权利要求2所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：所述高倍视觉系统(60)包含CCD相机、影像镜头、照明点光源，影像镜头安装于X轴运动单元(37)上，正对于吸附平台(50)上的加工工件导电薄膜(40)，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源；
低倍视觉系统(61)包含CCD相机、影像镜头、照明点光源、UV紫外光源，影像镜头安装于X轴运动单元(37)上，正对于吸附平台(50)上的加工工件导电薄膜(40)，影像镜头上方安装CCD相机，侧方安装照明点光源，下方安装UV紫外光源。
5.根据权利要求1所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：光束系统按照等间距并列平行安装。
6.根据权利要求1所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：X轴运动单元(37)与光学平台架(70)呈间隔平行设置。
7.根据权利要求1所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：每一光束系统的激光器均为1064nm纳秒红外光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工装置，其特征在于：聚焦场镜与加工工件导电薄膜(40)之间设有用于收集加工过程中粉尘和废气的集尘系统。
9.利用权利要求1所述的装置实现多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工方法，其特征在于：每一光束系统的激光器输出高频脉冲光束，入射到扩束镜，扩束镜将高频脉冲光束扩束后，射入上反射镜改变光束指向，改变后的光束以45°入射到下反射镜再次改变光束指向，再次改变后的光束以45°入射到振镜扫描系统，通过振镜扫描系统对光束进行偏转后，射入聚焦场镜，聚焦场镜将光束聚焦成加工光斑，对置于吸附平台(50)上的加工工件导电薄膜(40)的相应区域进行刻蚀加工；不同光束系统的加工光斑加工不同的区域。
10.根据权利要求9所述的多光束快速蚀刻大幅面导电薄膜的激光加工方法，其特征在于：安装于X轴运动单元(37)上的用于观察校准的高倍视觉系统(60)和用于作业对位的低倍视觉系统(61)连接至控制系统，低倍视觉系统(61)对加工工件导电薄膜(40)进行定位，获得加工工件导电薄膜(40)的位置坐标信息，并将位置坐标信息传输反馈给控制系统，控制系统根据位置信息分别控制相应的光束系统加工对应的区域，多个光束系统分别完成不同区域不同图案的加工，Y轴运动单元(38)带动加工工件导电薄膜(40)沿Y向定距离移动，进行多光束扫描加工。
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