CN1522187A - 用于电路基板加工的激光机光学系统校准方法 - Google Patents

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Abstract

为了校准具有激光源(1)，偏转单元(4)和成像单元(5)的激光机光学系统，首先在成像单元的焦平面(Z1)上安排第一样板，其中，通过激光束(2)对预定的网格点加标记。此后，加标记的点通过摄像机(6)进行量测，并且对其位置值与预先确定的目标点的位置值进行比较，以便由此导出和储存第一修正值。之后，把第二样板安排在离开该焦平面一定距离的一第二校准平面(Z2)，也通过激光束对准，并配备标记。该第二样板也通过摄像机(6)测量，并且把测量的标记位置与目标点位置加以比较，以便导出和储存第二修正值。从储存的两个平面的第一和第二修正值通过内插补求出对处于焦平面(Z1)和第二校准平面(Z2)之间空间区域的任一目标点的修正值，并用于控制偏转单元(4)。

Description

用于电路基板加工的激光机光学系统校准方法
本发明涉及一种用于电路基板加工的激光机光学系统校准方法，其中，激光源的激光束经偏转单元和成像单元指向加工面的目标点上，其中，借助于摄像机控制和测量在加工面上的标记位置。
为了加工电路基板，例如印刷电路板，在必须以较大速度对极精细结构加工时，越来越广泛地使用激光。此外，例如涉及用于印刷电路板不同层之间接触通孔的通孔或盲孔的钻孔，涉及导电或者非导电层，阻焊漆层，抗蚀层等的结构化。此外，例如按照多步骤钻盲孔，其中，为了例如有效地引入各种不同的能量密度，实际的加工面能以不同高度处于光学系统的焦平面上。
当激光束只偏转在小加工面上时，则可以达到良好的定位精度，因为在这种情况下，只利用了为激光束聚焦必须的远心透镜的中间部分。因为在F-θ物镜的光轴附近永远很好地满足远心条件，如果在焦平面之外钻孔或结构化也不会产生任何问题。
然而，为了提高加工速度和充分利用激光束，越来越产生希望复盖更大的加工区域，其中的确也必须利用远心透镜的边缘区域。因为该透镜随着接近边缘区域，其角度误差增加，所以光束越远离光轴使用，则定位误差越大。
通过人们使用摄像机，测量具有精确预定的标记标准板，由此导出修正值，并且在控制偏转系统时考虑该值，可以达到一定的改善。然而实际表明，加工面越处于焦平面之外，则为了准确定位，这样的修正值越不能满足使用。
本发明的目的是提供激光机光学系统的一种校准方法，用于本文开始所述的方式的电路基板加工，该方法可以用激光器实现对尽可能大的区域加工，并且在这种情况下，在整个加工区域并在相对焦平面不同的作业高度，以极高的精度对激光束定位。
根据本发明这种方法具有以下步骤，即：
—具有预定加工面的第一样板安排在成像单元的、作为第一校准面的焦平面上，之后，在该样板上用激光束指向复盖加工面的网格(Raster)内预定的目标点，并且配备标记，
—借助于摄像机量测第一样板标记的位置，并与预定目标点的位置加以比较，其中根据偏差，每次把第一修正值储存在第一校准表内，
—把具有预定加工面的第二样板安排在与焦平面平行，并且以离开焦平面预定距离的第二校准面处，以后在该第二样板上如第一样板的情况也用激光束指向同样的网格内的目标点，并配备标记，
—也测量第二样板标记的位置，并与预定目标点的位置加以比较，其中根据偏差，每次把第二修正值并储存在第二校准表内，以及
—把从第一和第二校准表的修正值输入到控制单元，该控制单元按照需要对于处在焦平面和第二校准面之间的任一加工面上的每一目标点，通过第一和第二修正值的内插补求出那时实际上的修正值，并且用于控制偏转单元。
因此，根据本发明的方法，在至少两个不同平面，即在加工面的两个极端位置进行校准。这时求出在两个平面内远心透镜的枕形失真，桶形失真以及角误差，并在实际上转换为三维校准表。按照这种方式，不仅在两个为了校准而测量的平面内求出修正值的水平内插补是可能的，而且也可以在其间的任一加工高度进行内插补。因此除了焦平面之外可以利用更大的扫描区域(Schreibfeld)，例如50mm×50mm，其中，速度优势随着加工时始终保持不变的精度而出现。
在一激光打孔机有利的结构中，以众知的方式预先规定，摄像机光程经过如激光束相同的光程。在这种情况下，由于用于摄像机图像的照明具有与激光束不同的波长而出现附加的光学误差。在这种情况下，在本发明扩展中预先规定，在照射第一样板之前，将具有对应于预定的目标点的、高准确度加标记的网格点的标准样板(测绘片)安排在焦平面上，随后借助于摄像机测量网格点的位置，并且将网格点测量的位置与网格点预定位置的偏差储存在摄像机校准表内，并且在求出用于控制偏转单元的修正值时加以考虑。
对于特殊的情况，工作面不仅放在焦平面一侧，而且也放在焦平面另一侧，这些也可以是符合期望的，对于这些情况，在本发明的扩展中规定了以下附加的步骤：
—具有预定加工面的第三样板安排在与焦平面平行的第三校准面上，并且离该焦平面一预定的间距，然而，相对于焦平面它位于第二校准面的对面，
—之后，如在第一和第二样板的情况在该样板上也用激光束指向同样的网格内的目标点，并配备标记，
—借助于摄像机测量第三样板标记的位置，并且与预定的目标点的位置加以比较，其中，根据偏差每次得到第三修正值，并且储存在第三校准表内，以及
—把从第一和第三校准表的修正值输入控制单元，该控制单元根据需要，对处于焦平面和第三校准面之间的任一加工面上的每一目标点，通过第一和第三修正值的内插补求出修正值，并且用于控制偏转单元。
在其它的扩展中，在需要超出用于校准的第二和也许第三校准面区域的状况下，应用加工面也是可能的，其中，那时也使用从第一和第二或第三校准表的修正值，以便对通过焦平面和第二或第三校准面给出的区域之外的目标点通过内插补求出修正值。
本发明通过实施例借助于附图详细说明如下。
唯一的附图示出与激光加工装置的方框图相结合的各种校准面的示意图。
该图以方框图形式示出激光加工机的基本部分。主要部分是激光源，激光源之激光束2，经二向分色镜3偏转，并且输入到检流计镜偏转单元4。这个偏转单元具有两个围绕彼此垂直的轴可动的镜，应用这两只镜可以使光束偏转到加工区的每一点。为了聚焦，在偏转系统4和实际的加工区之间插入远心透镜5，使光束聚焦到所希望的平面上。在本例中，聚焦面用Z1表示。比较理想的方式复盖具有边长L的区域。但是因为透镜5具有随着接近其边缘区偏转误差增加的特性，此外偏转系统4也是带有误差的，实际上从激光束到达的区域大体存在枕形变形或桶形变形，所以例如在焦平面Z1的加工区的边缘区域偏转误差f1和f2超出边长L外，但是在从焦平面离开的加工面Z2，在加工面的边缘区出现还要大的偏转误差f3，f4。这种偏离通常也并不对称，而是从各个方向具有不同大小。
加工面通过摄像机6测量，该摄像机经过激光束的光程，即经过透镜5和偏转单元4以及经过二向分光镜3得到光束7。该光束经另一反射镜导入摄像机内。控制单元9用于控制激光源1和偏转单元4，该控制单元9通常是一台计算机10的一部分。此外配备了可存储编程的控制装置11，用于既控制摄像机，也控制用于使加工面移动的自动控制机12(roboter)。
为了校准系统，首先在焦平面Z1之上安排标准样板，其上由高精度安排的标记点绘制复盖全部加工面的网格。这些网格点借助未示出的包含例如波长800nm的发光二极管照明装置照明，并且借助摄像机量测。从每一单个标记点得到的坐标与其已知的位置值进行比较；把偏差储存在摄像机校准表KTK内，主要储存在计算机10的存储器13内。
在用于偏转激光束的第一主要校准步骤中，此刻把第一样板安排在焦平面Z1上。这时涉及例如涂有白色漆层的玻璃片。现在在该第一样板上用激光束指向预定的加工区的作为目标点的所有的网格点，并且例如通过以激光束烧上十字形的方式加标记。紧接着用摄像机6对标记加以扫描和量测，其中，测定的坐标与各网格点的目标坐标加以比较。把偏差以修正值的的形式输入到存储器13内的第1校准表KT1。
此刻在另一校准步骤中，重新把空的第2样板安排在第二加工面Z2上，该加工面离开焦平面Z1一个预定量。正如在先前的校准步骤所示，这一次也用激光束指向加工区域的每一网格点，并且烧上标记形状。此后通过摄像机6重新对所有标记加以扫描和量测；对目标点的位置数据的偏差作为第二修正值存储在存储器13内的第二校准表KT2。
用如此得到和储存的修正值现在可以对焦平面Z1和第二校准面Z2之间空间区域内的任一平面Zi的每个目标点通过从两个校准表KT1和KT2的内插补导出一修正值。因此可以例如以±5μm的精度对钻孔定位。

Claims (4)

1.用于电路基板加工的激光机光学系统校准方法，其中，激光源(1)的激光束(2)经过偏转单元(4)和成像单元(5)指向加工面的目标点并且其中借助于摄像机(6)控制和测量在加工面上的标记位置，该方法具有以下步骤：
-具有预定加工面的第一样板安排在第一校准平面的成像单元的焦平面(Z1)上，
-此后，在该样板上用激光束(2)指向包含加工面的网格(Raster)内的预定的目标点，并配备标记，
-借助于摄像机(6)测量第一样板标记的位置，并且与预定的目标点的位置加以比较，其中，根据偏差每次把第1修正值储存到第一校准表(KT1)内，
-把具有预定加工面的第二样板安排在与焦平面平行并以离开焦平面(Z1)一定距离的第二校准面(Z2)处，此后在该第二样板上如第一样板的状况也用激光束(2)指向同样的网格内的目标点，并配备标记，
-也量测第二样板标记的位置，并与预定目标点的位置加以比较，其中，根据偏差各求出第二修正值，并且储存在第二校准表(KT2)内，
-从第一和第二校准表(KT1，KT2)来的修正值输入到控制单元(9)，并且按照需要对处在焦平面(Z1)和第二校准平面(Z2)之间的任一加工面(Z3)的每一目标点，通过从第一和第二修正值的内插补求出修正值，并且用于控制偏转单元(4)。
2、根据权利要求1所述的方法，其中摄像机(6)的光程经过如激光束(2)同一光程，该方法具有如下附加步骤：
-在照射第一样板之前，将具有对应于预定的目标点的、高准确度加标记的网格点的标准板(Mapping-platte)安排在焦平面(Z1)上，并且借助于摄像机(6)测量网格点的位置，其中，把量测位置对网格点预定位置的偏离放入摄像机校正表(KTK)内，并且在求出用于控制偏转单元的修正值时加以考虑。
3、根据权利要求1或2所述的方法，该方法具有以下附加步骤：
-具有预定加工面的第三样板安排在与焦平面(Z1)平行的第三校准面上，并且离该焦平面一预定间距，然而相对于焦平面它位于第二校准面(Z2)的对面，
-此后，如在第一和第二样板的情况在该样板上也用激光束指向同样的网格内的目标点扫描，并配备标记，
-借助于摄像机测量第三样板标记的位置，并且与预定目标点的位置加以比较，其中，根据偏差每次得到第三修正值，并且储存在第三校准表内，以及
-把从第一和第三校准表的修正值输入控制单元(9)，该控制单元根据需要，对处于焦平面和第三校准面之间的任一加工面上的每一目标点，通过第一和第三修正值的内插补求出修正值，并且用于控制偏转单元(4)。
4、根据权利1到3之一所述的方法，该方法具有如下的附加步骤：
-为了给通过焦平面和第二或第三校准面给出的区域之外的目标点通过内插补求出修正值将应用第一和第二或第三校准表的修正值。
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