CN113579518A - 一种六振镜群孔加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六振镜群孔加工装置及加工方法，该装置包括第一振镜组、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第二振镜组及远心透镜，第一振镜组包括联动控制的X1振镜、Y1振镜、X2振镜及Y2振镜，第二振镜组包括X3振镜及Y3振镜，还包括可以调节焦距的焦点移动机构；X1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜X方向的偏移，X2振镜补偿X1振镜的偏转角度后实现光束在X方向的角度偏移，Y1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜Y方向的偏移，Y2振镜补偿Y1振镜的偏转角度后实现光束在Y方向的角度偏移。调节第二振镜组确定群孔中心位置后，再通过第一振镜组控制加工其中的一个孔，重复上述操作；该群孔加工方法可以实现各种锥度异形群孔的大幅面高速度加工。

Description

一种六振镜群孔加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，尤其涉及一种六振镜群孔加工装置及加工方法。

背景技术

微小孔主要应用在半导体行业和航空航天领域，对于孔的圆度和锥度的要求都十分的高。常用的激光打孔方法为单振镜组扫描和多光楔组合旋切打孔，通过逐层环切扫描或螺旋扫描，这两种方法的优点在于能够解决传统打孔方法中存在的问题，并且能处理微米级别的微小孔，但两者都需要通过确定每一个孔的中心位置后才能完成打孔，打孔效率低下，不适合用于生产工业产品。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种六振镜群孔加工装置，包括加工平台和用于输出激光的激光器，还包括沿激光器和加工平台之间的光路设置的第一振镜组、用于聚焦光束的透镜组件以及第二振镜组，所述第一振镜组包括联动控制的对光束进行整形的X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜，所述第二振镜组包括用于群孔定位的X3振镜、Y3振镜，所述加工平台上放置有加工件，光束经过所述透镜组件聚焦后的焦点位于加工件上，所述第一聚焦透镜的后焦点与所述第二聚焦透镜的前焦点基准位置重合，该装置还包括可使焦点在加工件上移动的焦点移动机构。

X1振镜、Y1振镜的作用是控制光束的偏移距离，X2振镜、Y2振镜是补偿光束同时控制光束的偏转角度，四个振镜中的两两振镜分别控制X方向和Y方向的光束，通过调节第一振镜组的摆放角度来调节孔的锥度和孔径，满足不同锥度和不同孔径的微孔打孔需求。

较佳地，所述透镜组件包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和远心透镜，所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜设置在所述第一振镜组和所述第二振镜组之间的光路上，所述远光透镜设置在所述第二透镜组和所述加工平台之间的光路上。

较佳地，所述焦点移动机构可使所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜或远心透镜中的一个在光路上来回移动；另一种调节焦点在加工件上移动的方法是，所述焦点移动机构可使所述加工平台沿光路来回移动。

第一聚焦透镜、第二聚焦透镜的重量轻，便于移动，且微小移动即可满足焦点在加工过程中需要移动的距离，可优选对第一聚焦透镜或者第二聚焦透镜进行调节，可使用手动调节装置，或者是振镜电机进行调节，优选高精度的振镜电机进行调节，更加精准。

光束在通过第一聚焦透镜后，第一聚焦透镜的焦点作为第二聚焦透镜的前焦点，加工件所在的位置位于远心透镜的后焦点；通过第二聚焦透镜、X3振镜、Y3振镜和远心透镜的组成完成光束在加工件上孔的定位，最后通过远心透镜完成聚焦；光束在通过第二聚焦透镜、第二振镜组、远心透镜后，其左右的方向会发生倒置，因此在打孔时需要注意左右位置的变换。

较佳地，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜由一个控制卡进行调控；可以减少外部因素对于打孔的影响。

较佳地，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜为高速度高精度小通光孔径的振镜，通光孔径为7～10mm；所述X3振镜、Y3振镜为大通光孔径的振镜，通光孔径为14～30mm。

该装置通过六个振镜对平面进行控制，第一振镜组中的每两个振镜控制一个方向，将平面分解为X方向和Y方向，在单孔的轮廓上的每一个点的位置都被分解为两个方向上的激光加工位置，通过第一振镜组中的四个振镜来控制其加工的具体位置，再通过第二振镜组中的两个振镜调整打孔的中心位置，整体控制的软件根据孔的轮廓来对振镜的偏转角度进行调整。

进一步地，在光束通过第一振镜组后被第一聚焦透镜聚焦，第一聚焦透镜焦点位于第二聚焦透镜前焦点，加工件位于远心透镜后焦点，在微孔加工时，先调节第二振镜组确定孔的中心位置，再调节第一振镜组的角度完成打孔，再循环往复直至完成群孔的加工。

通过第一振镜组的四个振镜对光束进行整形和控制光束的具体位置，让光束在微孔轮廓内部进行来回运动，将轮廓内部的材料进行镂空，光束在微孔轮廓内部来回运动，使得光束对于内部的材料作用面积加大，有助于打孔效率的提高。

完成一个微孔的加工后，通过第二振镜组完成对群孔中的空位置的整体定位，再调节第一振镜组控制光束在孔的轮廓上进行加工，完成该孔的加工后再调节第二振镜组将光束移动至下一个孔，大幅提高了打孔的效率。

另外，本发明还提供给了采用上述加工装置的群孔加工方法，包括如下过程：

S1：在光路上设置第一振镜组、透镜组件、第二振镜组及加工平台，加工平台上放置加工件，光束经过所述透镜组件聚焦后的焦点位于加工件上，焦点可通过焦点移动机构在加工件上移动；其中，第一振镜组包括联动控制的对光束进行整形的X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜，第二振镜组包括用于群孔定位的X3振镜和Y3振镜，透镜组件包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和远心透镜；

S2：通过X3振镜和Y3振镜确定群孔中心位置后，X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜通过联动控制加工其中一个微孔，在加工过程中调节焦点移动装置，同步下降焦点的位置，X1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜X方向的偏移，X2振镜补偿X1振镜的偏转角度后实现光束在X方向的角度偏移，Y1振镜偏转实现第一聚焦透镜Y方向的偏移，Y2振镜补偿Y1振镜的偏转角度后实现光束在Y方向的角度偏移，通过调节第一振镜组中四个振镜的摆放角度，从而满足微孔的位置、锥度和孔径的加工需求；

S3：完成一个微孔的加工后，关闭激光，调节X3振镜和Y3振镜定位到新的一个微孔的中心，重复打孔操作，直至完成整个大幅面孔阵的加工。

本装置及加工方法可以完成50*50～180*180mm大幅面的群孔孔阵加工。

较佳地，所述焦点移动机构可以是手动调节装置或者是由无线控制的带电源的电控系统调节装置。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明提供了一种六振镜群孔加工装置，相较于现行的打孔设备无法同时完成多个孔的一次性加工，本发明提出的装置可以在加工件上一次性完成群孔孔阵的加工，同时加工的微孔锥度可调，孔径大小可调；

2)本发明提供了一种六振镜群孔加工装置及加工方法，用于群孔定位的第二振镜组放置在第二聚焦透镜和远心透镜之间，在微孔加工前通过第二振镜组调整加工的中心位置于微孔中心，再通过第一振镜组来完成单个小孔的加工，然后确定下一个孔的位置并完成打孔，直至完成群孔加工，通过远心透镜和第二振镜组完成群孔孔阵不同孔空心位置的定位，简化了打孔的流程，提高了打孔的效率；

3)本发明提供了一种六振镜群孔加工装置，通过第二聚焦透镜、第二振镜组和远心透镜完成光束在群孔孔阵中的定位，使得第一振镜组的光束的调控可以快速完成，提高了打孔效率；

4)本发明提供了一种六振镜群孔加工装置，第一振镜组的四个振镜有一块控制卡进行控制，可以减少外部因素对于振镜的影响，使得四个振镜在打孔的过程中协同运动，改善打孔的质量；

5)本发明提供了一种六振镜群孔加工方法，通过光束对加工件上层材料的来回运动将加工件表面进行镂空，可以降低激光能量对下层材料进行照射时的损耗，同时随着表面的镂空，调节透镜组件的焦距，将焦点的位置逐渐下移，使得加工件被镂空的位置逐渐下降，最终完成打孔，优化了打孔的流程，提高打孔的效率。

附图说明

图1为本发明六振镜群孔加工装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中的装置的结构示意图；

图3为本发明实施例群孔结构示意图；

图4为本发明实施例单个微孔的具体位置关系示意图；

图5为本发明群孔加工路径示意图；

图6为本发明实施例激光束在镂空加工件表面的运动轨迹示意图；

图7为本发明实施例激光束在镂空加工件表面的运动轨迹示意图。

1-X1振镜；2-Y1振镜；3-X2振镜；4-Y2振镜；5-第一聚焦透镜；6-第二聚焦透镜；7-X3振镜；8-Y3振镜；9-远心透镜；10-加工平台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。附图中，为清晰可见，可能放大了某部分的尺寸及相对尺寸。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”应做广义解释，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分。

如说明书附图1所示，本发明提供一种六振镜群孔加工装置，包括加工平台10和用于输出激光的激光器，该装置还包括沿激光器和加工平台10之间的光路设置的第一振镜组、用于聚焦光束的透镜组件以及第二振镜组，所述第一振镜组包括联动控制的对光束进行整形的X1振镜1、Y1振镜2、X2振镜3和Y2振镜4，所述X1振镜1、Y1振镜2、X2振镜3和Y2振镜4由一个控制卡进行调控，所述第二振镜组包括用于群孔定位的X3振镜7、Y3振镜8，所述加工平台10上放置有加工件，光束经过所述透镜组件聚焦后的焦点位于加工件上，该装置还包括可使焦点在加工件上移动的焦点移动机构。

通过用于群孔定位的第二振镜组完成微孔中心的定位，再通过第一振镜组中的四个透镜分别控制光束的偏移距离和补偿光束同时控制光束的偏转角度，进而通过控制振镜的偏转角度来控制打孔的大小和锥度。

进一步地，所述透镜组件包括第一聚焦透镜5、第二聚焦透镜6和远心透镜9，所述第一聚焦透镜5和所述第二聚焦透镜6设置在所述第一振镜组和所述第二振镜组之间的光路上，所述远光透镜9设置在所述第二透镜组和所述加工平台10之间的光路上；所述第一聚焦透镜5的后焦点与所述第二聚焦透镜6的前焦点基准位置重合。

有两种调节焦点的方式，一种实施方式是焦点移动机构可使所述第一聚焦透镜5、第二聚焦透镜6或远心透镜9中的一个在光路上来回移动；另一种实施方式是所述焦点移动机构可使所述加工平台10沿光路来回移动，两者方式都可以对焦点位置进行调节，所述焦点移动机构可以是手动调节装置或者是由无线控制的带电源的电控系统调节装置，最佳的是选择高精度的振镜电机。

较佳地，所述X1振镜1、Y1振镜2、X2振镜3和Y2振镜4为高速度高精度小通光孔径的振镜，通光孔径为7～10mm；所述X3振镜7、Y3振镜8为大通光孔径的振镜，通光孔径为14～30mm。

该装置的工作原理是，光束通过第一振镜组后被第一聚焦透镜5聚焦，第一聚焦透镜5焦点位于第二聚焦透镜6的前焦面，加工件位于远心透镜9后焦面，在微孔加工时先调节第二振镜组，定位孔的中心位置，再调节第一振镜组的角度完成打孔，再循环往复直至完成群孔的加工。

为了进一步说明采用本加工装置的群孔加工方法，结合实施例进行具体阐述：

激光器为飞秒紫外激光器，按照图2的装置依次放置六个振镜及透镜组件，其中X1振镜1、Y1振镜2、X2振镜3及Y2振镜4由一块控制卡进行控制，L1为第一聚焦透镜5，L2为第二聚焦透镜6，L3为远心透镜9，通过六个振镜的配合完成群孔孔阵的加工。

通过上述装置完成图3的群孔加工，此群孔为16孔间隔均匀、大小为2a*2b的无锥度群孔孔阵，X1振镜1、Y1振镜2控制孔的锥度，X2振镜3、Y2振镜4控制光束打在孔轮廓内的位置，即控制打孔孔径，通过控制X3振镜7及Y3振镜8完成孔的中心位置的定位，图4为单个孔的位置坐标，分为X方向和Y方向。

具体的，在专门的打孔软件中输入群孔孔阵的设计细节，导入群孔所包含的特征，软件识别图案的形状特征，包括各个孔顶点的位置、间隔、孔径等关系，通过软件内置的计算振镜偏转角度的公式和振镜偏移公式将在打孔过程中每个振镜每个时间段所需要作出的动作进行计算，再导入控制卡中，再由控制卡完成对振镜的控制效果；在打孔之前先调节X3振镜7、Y3振镜8调整打孔位置于孔的中心位置，X1振镜1、Y1振镜2由于是负责光束位置的偏移的，因此光束在反射时，是以大角度将光束反射出，经过在光路上的传播，光束完成偏移；X2振镜3、Y2振镜4控制光束的偏转角度，通过透镜组件将光束所带的微小角度展示出来，完成一个微孔的加工，再通过X3振镜7、Y3振镜8按照图5途径示意图调节打孔位置，在重复上述步骤，直至群孔孔阵的加工完成；

加工过程中，激光束直接以孔轮廓进行熔蚀切割，由于激光能量无法完全穿过中间材料，因此对于下层的材料，激光的能量需要耗费更多的时间才能打穿；此装置通过对振镜控制激光束在材料表面以图6、图7的轨迹运动，将孔轨迹内部的材料全部进行熔蚀，使得更多激光束的能量能够传递；

具体的，在上述过程中，通过调节振镜X、Y的角度调节加工的位置，通过X1振镜1、Y1振镜2、X2振镜3、Y2振镜4来进行该位置微孔的加工，同时调节焦点的位置，完成单个微孔加工后再调节X3振镜、Y3振镜，调整光束的加工位置至下一个孔，继续加工，重复此过程直至完成整个群孔孔阵的加工。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神和范围。尽管已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为此实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (9)

1.一种六振镜群孔加工装置，包括加工平台和用于输出激光的激光器，其特征在于，还包括沿激光器和加工平台之间的光路设置的第一振镜组、用于聚焦光束的透镜组件以及第二振镜组，所述第一振镜组包括联动控制的对光束进行整形的X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜，所述第二振镜组包括用于群孔定位的X3振镜、Y3振镜，所述加工平台上放置有加工件，光束经过所述透镜组件聚焦后的焦点位于加工件上，所述第一聚焦透镜的后焦点与所述第二聚焦透镜的前焦点基准位置重合，该装置还包括可使焦点在加工件上移动的焦点移动机构。

2.根据权利要求1所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述透镜组件包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和远心透镜，所述第一聚焦透镜和所述第二聚焦透镜设置在所述第一振镜组和所述第二振镜组之间的光路上，所述远光透镜设置在所述第二透镜组和所述加工平台之间的光路上。

3.根据权利要求2所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述焦点移动机构可使所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜或远心透镜中的一个在光路上来回移动。

4.根据权利要求1所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述焦点移动机构可使所述加工平台沿光路来回移动。

5.根据权利要求1所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜由一个控制卡进行调控。

6.根据权利要求1所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜为高速度高精度小通光孔径的振镜，通光孔径为7～10mm。

7.根据权利要求1所述的六振镜群孔加工装置，其特征在于，所述X3振镜、Y3振镜为大通光孔径的振镜，通光孔径为14～30mm。

8.采用如权利要求1～7任一项加工装置的群孔加工方法，其特征在于，包括如下过程：

S1：在光路上设置第一振镜组、透镜组件、第二振镜组及加工平台，加工平台上放置加工件，光束经过所述透镜组件聚焦后的焦点位于加工件上，焦点可通过焦点移动机构在加工件上移动；其中，第一振镜组包括联动控制的对光束进行整形的X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜，第二振镜组包括用于群孔定位的X3振镜和Y3振镜，透镜组件包括第一聚焦透镜、第二聚焦透镜和远心透镜；

S2：通过X3振镜和Y3振镜确定群孔中心位置后，X1振镜、Y1振镜、X2振镜和Y2振镜通过联动控制加工其中一个微孔，在加工过程中调节焦点移动装置，同步下降焦点的位置，X1振镜偏转实现光束在第一聚焦透镜X方向的偏移，X2振镜补偿X1振镜的偏转角度后实现光束在X方向的角度偏移，Y1振镜偏转实现第一聚焦透镜Y方向的偏移，Y2振镜补偿Y1振镜的偏转角度后实现光束在Y方向的角度偏移，通过调节第一振镜组中四个振镜的摆放角度，从而满足微孔的位置、锥度和孔径的加工需求；

S3：完成一个微孔的加工后，关闭激光，恢复焦点的初始位置，调节X3振镜和Y3振镜定位到新的一个微孔的中心，重复打孔操作，直至完成整个孔阵的加工。

9.根据权利要求8所述的六振镜群孔加工方法，其特征在于，所述焦点移动机构可以是手动调节装置或者是由无线控制的带电源的电控系统调节装置。

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