CN1333713A - 工件激光加工装置的校准方法和装置 - Google Patents

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Abstract

对于用激光束(2)进行工件(14)结构化来说,需要很高精度,这是因为否则的话要出现很大的预定结构的尺寸公差。在本发明方法中,测量一个位于物镜(8)前面的校准板(3),其中校准板(3)的图象通过物镜(8)、偏转装置(7)和镜子(10)而被描绘到摄象机(11)上。镜子(10)对激光束(2)是透明的。控制装置(13)测量并存储图象偏差。随后,激光束(2)把校准标记描绘到一个位于物镜(8)前的样板(15)上。校准标记同样通过以下光路即物镜(8)、偏转装置(7)和镜子(10)而描绘到摄象机(11)上。根据校准标记的测定位置并考虑所测图象偏差地,测量并存储由光源(4)和激光束形成装置(5,6)引起的光偏差并且在加工工件时予以考虑。

Description

工件激光加工装置的校准方法和装置
本发明涉及工件激光加工装置的校准方法和装置。
在微型加工领域中，例如在激光直接结构化、激光钻孔、激光熔化、激光焊接、激光标记、激光切割中，激光加工的意义越来越重大。在激光钻孔和电路元件结构化(导电板和多芯片模块)中，可以生产出结构尺寸小于50微米的孔和导体结构。具有20微米导线轨结构的样品已经得到了证明。在这种结构件中，精度扮演着很重要的角色。目标设定值小于10微米。在连续加工步骤如在预制注塑件或基板上钻孔和结构化时，还要明显减小误差。因而，误差在很大程度上决定了可获得的结构尺寸，例如为了可靠地分开平行导线轨，必须考虑相应大的尺寸公差，这种尺寸公差导致了大的导线轨间距及结构尺寸。
DE4437284公开了一种激光束偏转控制装置的校准方法，其中用激光束照射光敏介质的预定位置以产生测试图，随后在一个独立装置中产生由测试图局部图象构成的数字化单象测图并由此算出控制修正数据以便引导激光束。分头测量测试图是费时的，它需要单独的测量装置。此外，只能用这种方法校准整个激光束的分布情况，而某些部分的细微校准是不可能实现的。
US4,584,455公开了一种用激光束加工工件的装置，除了加工激光束外，它还产生一股与所述加工激光束重合的且在可见光范围内的激光束，借助摄象机来确定所述激光束在工件上的位置。把测定位置与理论位置进行比较并且如此控制加工激光束，即，要考虑理论位置与测定位置之差。此外，摄象机只具有测控工件局部的视野，因而不可能顾及到在工件其它部分内反射的偏差。
因此，本发明的任务是提供一种用于激光加工装置校准的、快速且可重现的方法和装置，它确保了在整个工件范围内进行非常精确的工件加工。
根据本发明，通过权利要求1所述的方法和权利要求6所述的装置而完成了本发明任务。
在本发明方法中，通过前后两个分开的步骤表现出光学图象的特点。在这里，首先，通过代替工件地在物镜前设置一个校准板来测量激光束偏转器和物镜，由摄象机测量由物镜和偏转器产生的校准板图象。此外，摄象机的视野由偏转器控制地移动到校准板上。由此，校准了可接收一个工件的整个区域。由于偏转器和物镜总是都留在光路中，所以可以在摄象机中分析并存储通过这两个部件引起的图象偏差，并且在随后加工工件时予以考虑。在第二步骤中表示出产生激光束的部件的特性。为此，由激光源产生的并由一个形成激光束的装置形成的激光束通过偏转器而把预定图形(校准标记)描摹到样板上。随后可测量校准标记并在考虑了已测出的偏转器和物镜的图象偏差的情况下而推断出光偏差，所述光偏差是由激光源和形成激光束的装置引起的。另外，光偏差是校准标记的预定理想位置与实际位置之间的差。还存储这种光偏差并在随后加工工件时予以考虑。当摄象机如在权利要求2中有利地提出的那样通过物镜和偏转器测量样板时，该方法无需特殊的校准标记测量装置就能实现。
如权利要求3所述，当校准板图象通过一个设置在形成激光束的装置与偏转器之间的光路中的且对激光是透明的并反射摄象机拍摄校准板所用的光的镜子被转向摄象机时，该方法的光学结构设计得特别有利。
在有利的实施例中，通过权利要求4所述的改进方式而考虑到了工件对光学图象的影响。为此，用摄象机拍摄一个位于要加工工件上的基准点，在控制装置中，考虑图象偏差和光偏差地确定工件对图象的影响并且在加工工件时予以考虑。
尤其是当如权利要求5所述的方法被用于工件非平面的结构化时，通过已准备出的数据来消除不平整度，从而可以用激光加工装置描摹例如隆起的基板。
权利要求6所述的装置用于有利地实现上述之一的方法，在所述装置中包括实现该方法所需的器件。
如权利要求7所述的装置被有利地设计用于加工隆起工件，其中通过一个调制光路的调制器，经过物镜的图象焦点适应于工件的相应隆起。
根据附图并结合实施例来详细描述本发明，其中：
图1表示在工件或样板的结构化和/或测量时的激光加工装置的示意结构；
图2表示校准板测量时的激光加工装置的示意结构；
图3表示工件结构化时的激光加工装置的示意结构。
图中画出了激光加工装置1，其中借助激光束2把一种结构描摹到工件14中。所述结构可以通过钻孔、熔化、钎焊或切割形成。激光源4产生激光束2并且通过激光束2扩展装置5来扩展激光束。为了调制激光束2的光路，还在光路中设置了一个调制器6，随后通过偏转器7和物镜8把激光束偏转向工件14(在比实施例中是隆起的)。在偏转器7中，例如还设置了两个相互垂直的未示出的镜子，所述镜子使激光束移到工件14的面上，从而可以通过偏转激光束来加工整个工件14的面。激光束扩展装置5和激光束2的光路调制器6形成了形成激光束2的装置。通过一个控制装置13来控制激光束2光路调制器6。由此，激光束2在物镜8后的焦点沿z向移动，即，沿激光束2的扩展方向移动。通过这种控制，激光束2的焦点可以适应于工件14的隆起结构。为了测量偏转器7和物镜8的图象偏差，在光路调制器6与偏转器7之间的光路中，设置了可部分透光的镜子10。镜子10例如对激光束2是透明的并且可以将穿过物镜8和偏转器7的来自工件14的光反射到摄象机11中，摄象机11同样与控制装置13相连以便进行分析。没有画出同样可行的实施例，镜子对于来自工件14的光是透明的，并且把激光束2反射向工件14。
激光加工装置1的校准方法可以这样进行。如图2所示，校准板3首先利用在校准板3上的图形(如有预定间隔的网格)并通过物镜8和偏转器7以及镜子10在摄象机11上描摹出图象。控制装置13如此控制偏转器7，即，校准板3图象的光路12移向整个校准板。根据校准板3的标记，可以表示出光路和物镜8、偏转器7、镜子10及摄象机11的图象偏差的特性。所掌握的图象偏差被存储在控制装置13中并且在随后加工工件14时得到抵消。
在方法的第二步骤中，把一个样板15如铝板设置在物镜前代替校准板3。激光束2通过对偏转器7的预定控制而把预定图形(校准标记)描绘到样板15上。校准标记的位置通过校准板图象的光路而相应地通过镜子10描绘在摄象机11中。在控制装置13中，在考虑到已测出的图象偏差的情况下，测算并存储在校准标记结构化时出现的光偏差并在装备工件时予以考虑。
为了加工如隆起的工件14，如图3所示，还要测量对几何形状的影响和/或工件14的光图特性。为此，通过物镜8、偏转器7以及镜子10在摄象机11上形成已位于工件14上的基准点。在控制装置13中，根据已测出的图象偏差和光偏差而测算出对工件的影响。随后，该方法可以被用于同类工件，以便如此控制光路调制器6，即激光束2的焦点最佳地定位于工件14的表面上。
此外，通过该方法和装置来消除由控制偏转器7镜子的电动机而引起的误差。

Claims (7)

1.一种利用激光源(4)、形成激光束(2)的装置(5，6)和激光束(2)偏转器(7)和物镜(8)来加工工件(14)的激光加工装置(1)的校准方法，其中一个样板(15)代替工件(14)位于物镜(8)前面，借助对偏转器(7)的预定控制而通过激光束(2)把校准标记描绘到样板(15)上，测量校准标记的位置，其特征在于，代替要加工工件(14)地把一块校准板(3)定位在物镜(8)的前面，一个摄象机(11)记录下由物镜(8)和偏转器(7)产生的校准板(3)的图象，其中摄象机(11)的视野通过偏转器(7)来控制地移到校准板(3)上，在一个连接在摄象机(11)后面的控制装置(13)中根据图象确定由偏转器(7)、物镜(8)和摄象机(11)引起的图象偏差，在考虑了图象偏差的情况下，根据校准标记的测量位置确定光源(4)和形成激光束(2)的装置(5，6)的光偏差，存储光偏差和图象偏差并且在加工工件(14)时进行补偿。
2.如权利要求1所述的激光加工装置(1)的校准方法，其特征在于，摄象机(11)的视野通过偏转器(7)移向样板(15)并且测量校准标记的位置。
3.如权利要求1或2所述的激光加工装置(1)的校准方法，其特征在于，校准板(3)的图象通过一个设置在形成激光束(2)的装置(5，6)与偏转器(7)之间光路中的且对激光是透明的并反射摄象机(11)拍摄校准板(3)所用的光的镜子(10)被转向摄象机(11)。
4.如权利要求1、2或3所述的激光加工装置(1)的校准方法，其特征在于，用摄象机(11)拍摄一个位于要加工工件(14)上的基准点，在控制装置(13)中，考虑图象偏差和光偏差来确定对图象的工件影响并且在加工工件(14)时予以考虑。
5.利用如权利要求4所述的方法来准备用于结构化工件(14)的非平面的数据，其特征在于，通过一个由控制装置(13)控制的光路调制器来改变激光束(2)的光路，即图象焦点通过物镜(8)而相应地适应于工件(14)的几何形状。
6.一种尤其是实施如权利要求1-5之一所述方法的工件(14)激光加工装置(1)的校准装置，它包括一个光源(4)、一个形成激光束(2)的装置(5，6)、一个激光束(2)偏转装置(7)、一个用于可视监测工件(14)的摄象机(11)、一个用于偏转装置(7)、摄象机(11)和激光束形成装置(6)的控制装置(13)、一个把偏转激光束(2)集束到工件(14)上的物镜(8)、一个在光路中的且把激光束转向工件(14)并把来自工件(14)的光转向管内摄象机(11)的部分透光的镜子(10)，其特征在于，部分透光的镜子(10)设置在激光束(2)形成装置(5，6)和偏转装置(7)之间。
7.如权利要求6所述的激光加工装置的校准装置，其特征在于，形成激光束(2)的装置(5，6)包括一个扩展激光束(2)的装置(5)和一个用于调制激光束(2)光路的调制器(6)。
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