CN116372359A - 一种基于声光偏转器的激光划线系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声光偏转器的激光划线系统及控制方法，属于激光加工技术领域。基于声光偏转器的激光划线系统包括依次间隔设置的声光偏转组件、第一聚焦透镜、光阑和扩束镜；扩束镜远离光阑的一侧设有反射镜，在反射镜的反射方向上设有第二聚焦透镜；经反射镜反射的激光光束通过第二聚焦透镜后在加工平台上形成聚焦光斑。本发明提供的基于声光偏转器的激光划线系统能够实现光束在二维平面内快速扫描，配合直线电机移动划线，划线区域脉冲能量分布均匀，划线深度一致，边缘整齐，从而实现高质量高速的激光划线。

Description

一种基于声光偏转器的激光划线系统及控制方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种基于声光偏转器的激光划线系统及控制方法。

背景技术

激光划线技术应用在薄膜材料封装、FTO(Fluorine doped tin oxide)、ITO(Indium Tin Oxide)薄膜刻蚀、太阳能薄膜电池及其他多种材料划线等领域，通过激光切割头与加工平台相对运动方式进行加工，激光通过透镜聚焦到加工物体表面，瞬间高温熔化或气化被加工材料，移动一次完成一条划线，对于线宽大于光斑尺寸的划线需要切割头配合加工平台多次移动填充来实现。

目前这种通过多次划线组合成一条宽线的方式效率较低，由于直线电机速度限制，大尺寸产品的激光划线效率会比单次划线低很多倍。通过增加聚焦光斑尺寸可以相对减少划线次数，但增大光斑的同时就要求同步增加激光能量，激光光源的成本会增加很多，另外光斑增大后边缘的热融区也会增加进而影响划线效果，同时多次划线填充在线间隔之间由于激光空间能量分布不均导致线填充间隔差异影响工艺效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于声光偏转器的激光划线系统及控制方法。

本发明提供如下技术方案：一种基于声光偏转器的激光划线系统，包括依次间隔设置的声光偏转组件、第一聚焦透镜、光阑和扩束镜；

所述扩束镜远离所述光阑的一侧设有反射镜，在所述反射镜的反射方向上设有第二聚焦透镜；

通过声光偏转组件调节激光光束的偏转角度，以使激光光束中的一级衍射光束通过所述光阑；

经所述反射镜反射的激光光束通过所述第二聚焦透镜聚焦后在平台上形成聚焦光斑。

在本发明的一些实施例中，所述声光偏转组件包括依次间隔设置的第一波片、第一声光偏转器、第二波片和第二声光偏转器；

通过所述第一波片调节射入所述第一声光偏转器的激光光束的偏振方向与所述第一声光偏转器的偏振方向相同；

通过所述第二波片调节射入所述第二声光偏转器的激光光束的偏振方向与所述第二声光偏转器的偏振方向相同。

进一步地，所述第一声光偏转器能够使激光光束沿所述第一方向偏转，所述第二声光偏转器能够使激光光束沿所述第二方向偏转；

其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

进一步地，所述第一波片和所述第二波片分别为1/2波片。

进一步地，还包括射频驱动器、第一分配器和第二分配器；

所述第一声光偏转器通过所述第一分配器与所述射频驱动器连接；

所述第二声光偏转器通过所述第二分配器与所述射频驱动器连接。

进一步地，所述第一分配器设有两个第一连接端，所述第一声光偏转器设有第一射频接口和第二射频接口，所述第一分配器的其中一个第一连接端与所述第一射频接口电连接，所述第一分配器的另一个第一连接端与所述第二射频接口电连接；

所述第二分配器设有两个第二连接端，所述第二声光偏转器设有第三射频接口和第四射频接口，所述第二分配器的其中一个第二连接端与所述第三射频接口电连接，所述第二分配器的另一个第二连接端与所述第四射频接口电连接。

进一步地，所述第一聚焦透镜将由所述声光偏转组件偏转后的激光光束聚焦到所述光阑的通孔，通过所述扩束镜调节激光光束的光斑尺寸及发散角。

进一步地，所述光阑具有通孔，所述一级衍射光束能够通过所述通孔，所述光阑用于遮挡零级激光光束和其它级数的激光光束。

进一步地，将所述反射镜替换为振镜，将所述第二聚焦透镜替换为扫描透镜。

本发明的一些实施例提供一种基于声光偏转器的激光划线系统的控制方法，包括如下步骤：调节声光偏转组件，使激光光束中的一级衍射光束在平台上形成聚焦光斑；

控制声光偏转组件的射频驱动器产生不同频率的射频，使激光光束偏转不同的角度，在平台沿第一方向上形成光斑脉冲扫描轨迹，长度为L；

获取平台在第二方向的移动距离；

当平台每移动距离为L1时，声光偏转组件在平台上进行一次光斑脉冲扫描；

重复上述步骤，以在平台上实现线宽为L的连续多次划线。

本发明的实施例具有如下优点：通过声光偏转组件调节激光光束的偏转角度，以使激光光束中的一级衍射光束从所述光阑的通孔中射出，同时通过光阑对激光光束中的零级衍射光或其它级数的衍射光束形成阻挡。声光偏转组件沿第一方向完成一次扫描对应移动距离为L，平台移动距离为L1时，声光偏转组件进行下一次扫描，L1与聚焦光斑直径D相近或L1<D，使得相邻的两次光斑脉冲扫描形成的光斑线至少部分重叠，以实现划线区域脉冲能量分布均匀，划线深度一致，边缘整齐，从而实现高质量高速的激光划线。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

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示出了本发明的一些实施例提供的一种基于声光偏转器的激光划线系统的一视角的结构示意图；

图2示出了声光偏转组件的结构示意图；

图3示出了本发明的一些实施例提供的一种基于声光偏转器的激光划线系统中第二扫描方式的一视角的结构示意图；

图4示出了本发明的一些实施例提供的一种基于声光偏转器的激光划线系统的控制方法的流程图。

主要元件符号说明：

100-声光偏转组件；110-第一波片；120-第一声光偏转器；130-第二波片；140-第二声光偏转器；200-第一聚焦透镜；300-光阑；310-通孔；400-扩束镜；500-反射镜；600-第二聚焦透镜；700-平台；800-射频驱动器；900-第一分配器；1000-第二分配器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，本发明的一些实施例提供一种基于声光偏转器的激光划线系统，主要应用于薄膜材料封装、ITO薄膜刻蚀、太阳能电池及其他多种材料划线等多种领域，通过激光切割头与加工平台700相对运动方式进行加工。

其中，激光划线系统包括依次间隔设置的声光偏转组件100、第一聚焦透镜200、光阑300和扩束镜400。

需要说明的是，通过声光偏转组件100能够调节激光光束在二维平面上的偏转方向和偏转角度，以实现激光光束在一维方向和二维方向上的扫描。

光阑300是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面，限制光束或限制视场(成像范围)大小。光学系统中限制光束最多的光阑，称为孔径光阑，限制视场(大小)最多的光阑，称为视场光阑。

在本实施例中，所述光阑300为孔径光阑。

其中，扩束镜400用于改变激光光束直径和发散角的透镜组件。

需要说明的是，通过声光偏转组件100调节激光光束的偏转角度，以使激光光束中的一级衍射光束从所述光阑300的通孔310中射出，同时通过光阑300对激光光束中的零级衍射光和其它级数的衍射光束形成阻挡。这里的其它级数的衍射光束是指除零级衍射光束之外的其它级数的光束。

同时，在所述扩束镜400远离所述光阑300的一侧设有反射镜500，在所述反射镜500的反射方向上设有第二聚焦透镜600。

需要说明的是，所述反射镜500为平面反射镜500。

具体的，通过扩束镜400调节经光阑300的通孔310的激光光束的发散角，并将激光光束准直，可以理解的是，此时激光光束为一级衍射光。

经所述反射镜500反射的激光光束通过所述第二聚焦透镜600聚焦后在平台700上形成聚焦光斑，通过调节光斑的大小，以满足不同的加工需求。

如图3所示，在本实施例中，所述声光偏转组件100沿第一方向完成一次扫描时，对应的扫描距离为L；当所述平台700沿第二方向移动距离为L1，声光偏转组件进行下一次扫描。其中，第一方向和第二方向分别平行于平台700，且第一方向垂直于第二方向。

需要说明的是，所述声光偏转组件100沿第一方向和/或第二方向完成一次扫描是指经声光偏转组件100的激光光束在平台700上沿第一方向和/或第二方向形成的光斑脉冲扫描。可以理解的是，经声光偏转组件100的激光光束在平台700上沿第一方向或第二方向形成的光斑脉冲扫描。或经声光偏转组件100的激光光束在平台700上沿第一方向和第二方向形成的光斑脉冲扫描，即实现激光光束在平台700上形成二维平面的光斑脉冲扫描。

需要说明的是，所述平台700沿第二方向移动距离为L1是指当声光偏转组件100在平台700上沿第一方向进行连续多次扫描后，对应的扫描距离为L时，声光偏转组件停止运行或保持待机状态；与此同时，平台700沿第二方向移动，当平台的移动距离为L1时，此时声光偏转组件100再次运行，并控制激光光束在平台700上沿与第一方向相反的方向进行下一次光斑脉冲扫描。

在本实施例中，所述平台700设置在所述第二聚焦透镜600背离所述反射镜500的一侧。

在本实施例中，将所述平台700与驱动电机的输出轴传动连接，以通过驱动电机控制平台700沿第二方向移动，同时，在驱动电机的输出轴上设有编码器，并通过编码器获取驱动电机的输出轴的转速，从而获取平台700的移动距离。

需要说明的是，编码器(encoder)是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。

其中，该驱动电机为直线电机，以提升平台700沿第二方向移动的稳定性。

如图1和图2所示，在本发明的一些实施例中，所述声光偏转组件100包括依次间隔设置的第一波片110、第一声光偏转器120、第二波片130和第二声光偏转器140。

需要说明的是，声光偏转器(AOD，Acousto-Optic Deflectors)，是基于声光效应的一种器件，根据声光偏转原理，通过改变射频驱动信号的强度和频率来控制激光的功率和偏转角度。使用AOD可以实现光束在一维方向上和二维方向上的扫描。

在本实施例中，所述第一声光偏转器120为第一方向偏转，所述第二声光偏转器140为第二方向偏转，可以理解的是，所述第一声光偏转器120用于将激光光束沿第一方向上偏转，所述第二声光偏转器140用于将激光光束沿第二方向上偏转。

另外，所述第一波片110和所述第二波片130分别为1/2波片。需要说明的是，1/2波片能够使出射光中，o光、e光的位相差增加π，从而改变偏振光偏振方向。可以理解的是，通过波片改变激光的偏振态，使得通过所述第一波片110激光光束的偏振方向与所述第一声光偏转器120的偏转方向相同。

通过所述第二波片130调节射入所述第二声光偏转器140的激光光束的偏振态，以使该激光光束的偏振方向与所述第二声光偏转器140的偏转方向相同。

如图1至图3所示，在本发明的一些实施例中，所述第一声光偏转器120能够使激光光束沿所述第一方向上偏转，所述第二声光偏转器140能够使激光光束沿所述第二方向上偏转，其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

可以理解的是，通过第一声光偏转器120和第二声光偏转器140能够实现激光光束在一维和二维平面上的偏转，从而能够实现在平台700进行光斑脉冲扫描。

在本实施例中，第一方向是指X轴方向，第二方向是指Y轴方向。

在本实施例中，所述光斑的直径为D，满足，L1＜D。可以理解的是，当声光偏转组件100在平台700上完成一次光斑脉冲扫描后，平台700沿第二方向移动距离为L1，通过控制平台700在第二方向上移动距离，以避免相邻的两次光斑脉冲扫描后形成的两次划线之间形成间隔，提升划线质量。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，所述第一声光偏转器包括依次连接的射频驱动器800和第一分配器900，所述第一分配器900具有两个第一连接端，所述第一声光偏转器设有第一射频接口和第二射频接口，所述第一分配器900的一个第一连接端与第一射频接口电连接，所述第一分配器900的另一个第一连接端通过与第二射频接口电连接。

其中，射频驱动器800(RF driver)是采用石英晶体振荡器，能够输出高稳定性和高精确性的固定射频信号的驱动器。另外，分配器是将音视频信号分配至多个显示设备或投影显示系统上的一种信号控制设备。它是专门分配信号的接口形式的专业设备，可以将音视频信号通过普通的信号线传输到多个显示设备。

具体的，第一分配器900的一个第一连接端通过导电线与所述第一射频接口形成电连接，第一分配器900的另一个第一连接端通过延迟线与所述第二射频接口形成电连接。

需要说明的是，用于将电信号延迟一段时间的元件或器件称为延迟线。

如图2所示，在本发明的一些实施例中，所述第二声光偏转器包括依次连接的射频驱动器800和第二分配器1000，所述第二分配器1000具有两个第二连接端，所述第二声光偏转器设有第三射频接口和第四射频接口，所述第二分配器1000的一个第二连接端与第三射频接口电连接，所述第二分配器1000的另一个第二连接端通过与第四射频接口电连接。需要说明的是，第二声光偏转器的工作原理与第一声光偏转器的工作原理相同，在此不再一一赘述。

在本发明的一些实施例中，所述第一聚焦透镜将由所述声光偏转组件偏转后的激光光束聚焦到所述光阑的通孔，经第一聚焦透镜聚焦后的光束能够穿过光阑的通孔投射到所述扩束镜上，通过所述扩束镜调节激光光束的光斑尺寸及发散角。其中，光斑尺寸是指光点的理论尺寸，即光斑的大小。

另外，在本实施例中，所述通孔310的孔径为d，其中，d的取值范围是0.5mm＜d＜2mm。可以理解的是，d的取值范围是0.5mm＜d＜2mm、0.7mm＜d＜2mm、0.9mm＜d＜2mm、1.1mm＜d＜2mm、1.3mm＜d＜2mm、1.5mm＜d＜2mm、1.7mm＜d＜2mm中的任意范围。

需要说明的是，通过调节通孔310的孔径避免零级或其它级数的衍射光通过该通孔310，同时使得一级衍射光能够通过通孔310。

在本发明的一些实施例中，所述激光光束是通过激光器发射的。

如图1所示，本发明的一些实施例中，将所述反射镜500替换为振镜，将所述第二聚焦透镜600替换为扫描透镜。

如图4所示，本发明的一些实施例提供一种基于声光偏转器的激光划线系统的控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

步骤S100，调节声光偏转组件，使激光光束中的一级衍射光束在平台上形成聚焦光斑。

具体的，通过声光偏转组件100调节激光光束的偏转方向，以使得激光光束中的一级衍射光通过设置在光阑300上的通孔310，同时通过光阑300将零级衍射光束和其他级数的衍射光束阻挡，使得一级衍射光束在第二聚焦透镜600的作用下在平台700上聚焦形成光斑。

另外，在本实施例中，还可通过调节激光器发出的激光光束的方向，以使得激光光束中的一级衍射光束在平台700上形成光斑。

步骤S200，控制声光偏转组件的射频驱动器800产生不同频率的射频，使激光光束偏转不同的角度，在平台的第一方向上形成光斑脉冲扫描轨迹，该轨迹的长度为L。

具体的，通过控制声光偏转组件100中的第一声光偏转器120的射频驱动器800产生的射频和第二声光偏转器140的射频驱动器800产生的射频，使激光光束能够在一维或二维方向偏转，从而在平台700的第一方向上形成光斑脉冲扫描轨迹。

步骤S300，获取平台在第二方向的移动距离。

具体的，通过将平台700与驱动电机的输出轴传动连接，同时在驱动电机的输出轴上安装编码器，并可通过编码器获取平台700在第二方向上的移动距离。

步骤S400，当平台每移动距离为L1时，声光偏转组件在平台上进行一次光斑脉冲扫描。

如图3所示，该光斑脉冲扫描所形成的光斑线为直线。可以理解的是，通过调节声光偏转组件100中驱动信号频率或调节平台700的移动方向，从而在平台700上实现快速精确的划线。

需要说明的是，当平台700移动距离达到L1时，此时声光偏转组件100再次启动，从而在平台700上沿着与第一方向相反的方向再次进行光斑脉冲扫描，提升划线的连续性和稳定性。

具体的，再次扫描是指通过声光偏转组件100在平台700上再次扫描，且两次光斑脉冲扫描形成的两条光斑线相互平行，且至少部分重合，避免在划线的过程中，在两条光斑线之间出现间隙，提升划线质量。

步骤S500，重复上述步骤，以在平台上实现线宽为L的连续多次划线。

具体的，重复步骤S300和步骤S400，以在平台700上进行连续多次扫描，从而实现线宽为L的往复连续多次划线。

在本实施例中，当声光偏转组件100在平台700上沿第一方向完成一次光斑脉冲扫描，当光斑脉冲扫描距离为L时，声光偏转组件100停止扫描，并待平台700移动距离达到L1时，此时声光偏转组件100再次启动，从而在平台700上沿与第一方向相反的方向再次进行光斑脉冲扫描，当光斑脉冲扫描的距离为L时，则声光偏转组件100启动，以使声光偏转组件100在平台700上沿第一方向完成一次光斑脉冲扫描，依次类推，从而实现连续多次划线。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

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。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，包括依次间隔设置的声光偏转组件、第一聚焦透镜、光阑和扩束镜；

所述扩束镜远离所述光阑的一侧设有反射镜，在所述反射镜的反射方向上设有第二聚焦透镜；

通过声光偏转组件调节激光光束的偏转角度，以使激光光束中的一级衍射光束通过所述光阑；

经所述反射镜反射的激光光束通过所述第二聚焦透镜聚焦后在平台上形成聚焦光斑。

2.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述声光偏转组件包括依次间隔设置的第一波片、第一声光偏转器、第二波片和第二声光偏转器；

通过所述第一波片调节射入所述第一声光偏转器的激光光束的偏振方向与所述第一声光偏转器的偏振方向相同；

通过所述第二波片调节射入所述第二声光偏转器的激光光束的偏振方向与所述第二声光偏转器的偏振方向相同。

3.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述第一声光偏转器能够使激光光束沿第一方向偏转，所述第二声光偏转器能够使激光光束沿第二方向偏转；

其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。

4.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述第一波片和所述第二波片分别为1/2波片。

5.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，还包括射频驱动器、第一分配器和第二分配器；

所述第一声光偏转器通过所述第一分配器与所述射频驱动器连接；

所述第二声光偏转器通过所述第二分配器与所述射频驱动器连接。

6.根据权利要求5所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述第一分配器设有两个第一连接端，所述第一声光偏转器设有第一射频接口和第二射频接口，所述第一分配器的其中一个第一连接端与所述第一射频接口电连接，所述第一分配器的另一个第一连接端与所述第二射频接口电连接；

所述第二分配器设有两个第二连接端，所述第二声光偏转器设有第三射频接口和第四射频接口，所述第二分配器的其中一个第二连接端与所述第三射频接口电连接，所述第二分配器的另一个第二连接端与所述第四射频接口电连接。

7.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜将由所述声光偏转组件偏转后的激光光束聚焦到所述光阑的通孔，通过所述扩束镜调节激光光束的光斑尺寸及发散角。

8.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，所述光阑具有通孔，所述一级衍射光束能够通过所述通孔，所述光阑用于遮挡零级激光光束和其它级数的激光光束。

9.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的激光划线系统，其特征在于，将所述反射镜替换为振镜，将所述第二聚焦透镜替换为扫描透镜。

10.一种基于声光偏转器的激光划线系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：调节声光偏转组件，使激光光束中的一级衍射光束在平台上形成聚焦光斑；

控制声光偏转组件的射频驱动器产生不同频率的射频，使激光光束偏转不同的角度，在平台沿第一方向上形成光斑脉冲扫描轨迹，该轨迹的长度为L；

获取平台在第二方向的移动距离；

当平台每移动距离为L1时，声光偏转组件在平台上进行一次光斑脉冲扫描；

重复上述步骤，以在平台上实现线宽为L的连续多次划线。

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