CN1842728A - 用于激光系统中偏转单元的包括金刚石基底的反射镜、用于制造该反射镜的方法及用于激光系统的偏转单元 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于激光系统中的电流偏转单元(3，4)的反射镜(42)。所述反射镜(42)包含一个由金刚石材料制成的反射镜基底(10)，该反射镜基底也可以由较小的金刚石部分结合而成。根据本发明的金刚石基底(10)与常规的反射镜基底(32)相比具有较高的刚性和较小的厚度(d2)，因此在激光系统中可以有较高的工作速度。

Description

用于激光系统中偏转单元的包括金刚石基底的反射镜、 用于制造该反射镜的方法及用于激光系统的偏转单元
本发明涉及一种用于激光系统中偏转单元的反射镜，它由一个在至少一侧上包含反射面的平的反射镜基底组成。此外，本发明涉及一种用于制造这种反射镜的方法，以及一种包含该反射镜的偏转单元。
偏转单元用于借助激光来加工工件，特别是用于钻孔和构造电路基底，目的是通过至少一个、最好是两个可移动反射镜使激光束在两维内偏转，并且由此可以使激光束指向预先确定的加工区的任一点。通常，电流电动机被用来使反射镜偏转，它使得可以非常快速准确地运动。然而，关于运动速度和精确性的要求是越来越高。另一方面，光学系统要求的反射镜越大，例如要钻的孔的直径就越小，以便在使光学器件聚焦(F-θ)之后获得相应小的光点直径。然而，反射镜的惯性质量随着它们的尺寸的增大而增大，这意味着可实现的速度减小。
然而，除了惯性质量外，可实现的速度的决定参数还有该反射镜的刚性。通常刚性不是惯性，而是极限参数。如果要设法使反射镜变薄而面积尺寸是预先确定的以减少惯性质量，那么反射镜的刚性也将降低，即在每次跳跃运动时将产生反冲，使得必须等待停机，直到激光束可以被接通以进行加工。在较高的运动速度情况下对反射镜的刚性的要求也将提高。通常，刚性是由弹性模量和反射镜基底密度或质量之间的比率确定的。
目前，在偏转单元中，优选使用由玻璃或硅制成的反射镜，在特定的情况下也可以由铍制成。然而，其它的材料也一定是可以的。所述的材料在一定的情况下密度(或在反射镜的规定尺寸的情况下质量)降低。然而，在所有这些材料中，弹性模量都很小，以致限制了当前使用的反射镜尺寸的刚性和所使用的速度。如果在偏转单元中使用例如不同尺寸的两个反射镜，由于设置在光程中的第一个反射镜仅仅需要在一点上使激光束偏转，然而当它撞击到第二反射镜上时该激光束已经在一维内散开，可能发生的是，较小的第一反射镜仍然需要符合刚性的要求，而较大的第二反射镜不再满足这些要求并且不允许所要求的工作速度。
因此，本发明的目的是提供一种用于激光偏转单元的反射镜和一种用于制造该反射镜的方法，借助它能够实现较小的惯性力矩，同时反射镜尺寸和反射镜表面分别保持相同，而刚性仍然保持很高或增加。
按照本发明，该目的通过开头所述类型的反射镜来实现，其中反射镜基底由金刚石制成。
金刚石在所有材料中具有最大的弹性模量并且这也导致了它具有较高的刚性，这允许用类似的电流电动机实现较高的工作速度，或者甚至可以使用较小的电动机而反射镜尺寸保持相同，这反过来必须移动较小的质量，例如轴可以更轻。由于天然金刚石太昂贵，对于本发明优选使用人造的HOD(高定向的金刚石)，其特性在于，它们可以与天然金刚石相比。这种金刚石通过高压/高温合成或者以低压合成下而制成。在该过程中，金刚石薄膜分别被用于异质基底，例如硅。淀积可以通过例如微波能量或通过激光辐射从气相中产生；该方法被称为CVP(化学气相淀积)。
相应地，用于制造反射镜的本发明所述方法包括：来自气相的多个薄的金刚石层通过气相淀积被淀积在承载基底上，例如通过蚀刻分离出各自的反射镜基底或由此从金刚石板上产生所要求尺寸的金刚石部分，以及将反射层涂覆到各自的反射镜基底表面上。
在一个优选的实施例中，制造金刚石所需的承载基底可以完全或部分地被去除，例如被蚀刻掉，以使反射镜保持小的惯性质量。也可以通过局部蚀刻掉承载基底而留下支杆和肋条的框架，然后它可以有助于附加地加固反射镜。此外，可以分别在相应的支杆和肋条中进行蚀刻，也可以蚀刻到金刚石层本身中，从背面来进一步减少质量。
当金刚石层在承载基底的两侧上淀积时，承载基底可以保留在反射镜内部用作支杆。
在反射镜基底作为人造金刚石(HOD)的制造过程中，仅仅可以达到一定程度的平整性。该可达到的平整性取决于反射镜基底的尺寸。与最佳均匀性不可避免的偏离由制造过程中产生的基底内应力所导致。为了提高较大反射镜的平整性，本发明有利的改进提供了由在一个表面上相邻设置的多个金刚石部分形成的金刚石基底。这些金刚石部分分别具有例如10×10mm范围内的面积，每个金刚石部分的平面的平整性都大于例如50mm边长的金刚石板的平整性。
各金刚石部分可以通过各种方式被连接以形成较大的反射镜。因此，在没有承载基底的情况下，可以在一个平面中连接各金刚石部分并且使它们粘合或粘结在一起。然而，也可以使它们连接或在两层上侧向交错地重叠，并由此使它们彼此连接。
如果使用承载基底，金刚石部分可以分别地被粘合或粘结到承载基底的一侧或两侧上，并且能够有利地侧向交替地设置相对的金刚石部分。
在下面基于附图通过实施例详细地描述本发明，其中
图1示出了包含两个电流反射镜的激光加工装置，
图2用透视图示出了本发明反射镜的一个实例，
图3示出了本发明反射镜从背面看的另一实施例，
图4和5示出了图3所示反射镜的两个可能的截面轮廓，
图6到10分别以侧视图示出了由多个金刚石部分组成的本发明反射镜的其它实施例。
图1用示意图示出了用于通过激光束来加工例如钻孔或构造电路板的装置，其中按照本发明的反射镜被用在偏转单元中。在该装置中，由激光器1发射的激光束2通过由两个电流偏转元件3和4组成的偏转单元、然后通过成像单元5(最好是F-θ透镜)被指向将被加工的基底，例如被设置在支载台7上的电路板6，该电路板可以通过支承台至少在两个水平方向上移动，最好也可以在垂直方向上移动。
偏转单元3包括电流电动机31组成，它驱动反射镜32并且使反射镜围绕与双箭头34对应的轴33旋转。相应地，偏转元件4包括电流电动机41和反射镜42，它围绕与双箭头44对应的轴43旋转。由于第一反射镜32的旋转运动，激光束2被射向第二反射镜42中的线45上的所需的任一点上，并且由于反射镜42的旋转运动，激光束可以指向通过电路板6的区域61内的任一点，例如用于在那里钻孔或构造电路层。
为了可以达到激光加工所需的高速度，偏转单元的反射镜需要具有尽可能小的惯性质量，亦即尽可能薄的厚度。然而，同时它们也需要高刚性，以便它们不需要反冲时间或者需要尽可能少的反冲时间直到停机。反射镜面积越大，要满足这些要求就越困难。
在偏转系统中所使用的反射镜不必具有相同的尺寸。例如从图1中可以看出，只在光程中的点35上，激光束2理想地碰撞在第一反射镜3上，同时由于第一反射镜的旋转运动，该激光束可以在线45上的任一点碰撞在第二反射镜上。因此，第二反射镜42一定要比第一反射镜32大。这意味着，第一反射镜可以满足例如常规基底所要求的低惯性质量和高刚性，该基底例如由玻璃或硅制成并具有基底厚度d1，而可以为仅仅具有较薄厚度d2的第二反射镜42得到相同的工作速度。按照本发明，在这种情况下，第二反射镜42具有由金刚石制成的反射镜基底，它能保证具有较低厚度d2的所需要的刚性。当然两个反射镜32和42都可以由金刚石制成。
图2用透视图示出了本发明的金刚石反射镜，其中可以是任何其它可想象的形状而不限定为这里所示出的八角形状。具有厚度d的反射镜基底10设置在其具有反射涂层11的正面上，这个反射涂层最好适应于特别是所使用的激光的波长。金刚石反射镜基底的厚度d可以在0.2到0.5mm数量级的范围内，例如，同时在由玻璃或硅制成的并另外具有同样反射镜尺寸的常规反射镜基底情况下，该厚度d可以接近为1到2mm。因此，由于金刚石较高的弹性模量和由此导致金刚石较高的刚性，本发明的反射镜可以相当薄，以使其具有较小的质量且允许较高的工作速度。
此外，图2示出了承载基底12，它首先用作为用于制造金刚石基底10的底座，然后可以完全或部分地移走，以减少反射镜基底的厚度和质量。图3到5示出了承载基底12的质量是如何可以降低的例子，但仍然可以用来附加地加固反射镜。图3示出了从背面看的反射镜基底10。在此，肋条14和支杆15通过凹槽13暴露出来，它们只轻微地增加所完成的反射镜基底的质量，但是相当大地增强了反射镜基底10的刚性。图4和5示出了承载基底形状的两个不同的实例。
如前所述，仅仅在一定程度上取决于反射镜基底尺寸的平整性可以在由人造金刚石制成的反射镜基底的制造中获得。为了使用较大的反射镜，例如具有边长超过25mm的反射镜，已经提供了本发明的改进，其中反射镜基底由多个金刚石部分结合而得到。图6到10分别示出了这样结合的反射镜基底的实例的侧视图。在此，首先生产第一金刚石部分21，它们由于其例如10×10mm的小面积而具有高的平整性。这些金刚石部分例如通过蚀刻工艺从金刚石板上分离出来。由此所产生的金刚石部分21被结合、粘合和或粘结在一起，从而得到具有所要求的较大面积的反射镜基底20。如图6所示，各个金刚石部分21可以无须附加承载基底地在一个平面上结合。如图7所示，这样的金刚石部分也可以被结合或在两个水平面上交替地侧向重叠。
此外，图8到10示出了可以使用的附加承载基底22，金刚石部分21分别与其结合或粘合，或者如图8所示在一个面上或者如图9所示在两个面上。在这种情况下，相对的金刚石部分也可以侧向地交错，如图10所示。此外，在这种情况下，支杆或特定的栅格，例如如图3到5所示，可以结合到承载基底22中，它又可以减少质量和增加刚性。
在任何情况下，所连接的反射镜基底20的表面是抛光的，并且最好配置有反射涂层11。

Claims (21)

1.一种用于激光系统中偏转单元的反射镜，包括一个至少在一侧上包含反射表面(11)的平的反射镜基底(10；20)，其特征在于，所述的反射镜基底(10；20)是由金刚石制成的。
2.如权利要求1所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石是人造HOD金刚石(高定向的金刚石)。
3.如权利要求2所述的反射镜，其特征在于，所述的反射镜基底(10；20)以多个金刚石薄膜的形状在一承载基底(12)上形成。
4.如权利要求2或3所述的反射镜，其特征在于，所述的承载基底(12)由硅制成。
5.如权利要求2到4之一所述的反射镜，其特征在于，所述的反射镜基底(10；20)由金刚石在承载框架上制成，该承载框架由肋条(14)和支杆(15)构成。
6.如权利要求1到3所述之一的反射镜，其特征在于，所述的反射镜基底(10；20)包含一个由在背离反射表面(11)的侧面上的凹槽形成的加固框架。
7.如权利要求2到4之一所述的反射镜，其特征在于，反射镜基底(10；20)分别设置在所述承载基底(22)的两侧上。
8.如权利要求1到7之一所述的反射镜，其特征在于，所述的反射镜基底(20)由多个相邻设置的金刚石部分(21)形成。
9.如权利要求8所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)在至少两个平面上交替地侧向设置并且彼此连接。
10.如权利要求8所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)被设置在一承载基底(22)的一个表面的至少一侧上。
11.如权利要求11所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)被设置在承载基底(22)的两个相对的表面上。
12.如权利要求12所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)交替地侧向设置在承载基底(22)的两个相对的表面上。
13.如权利要求8到13之一所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)粘合在一起和/或与一承载基底(22)粘合。
14.如权利要求8到13之一所述的反射镜，其特征在于，所述的金刚石部分(21)彼此粘结和/或与一承载基底(22)彼此粘结。
15.一种用于制造如权利要求1到15之一所述的反射镜的方法，其中将来自气相的多个金刚石层通过气相淀积(CVP)淀积在承载基底(12)上，从由此产生的金刚石板中分离出各个反射镜基底(10)或所要求尺寸的金刚石部分(21)，以及在各个反射镜基底(10)的表面上淀积一反射层(11)。
16.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述的承载基底(12)完全或部分地从背离金刚石层的一侧上被蚀刻掉。
17.如权利要求16到17之一所述的方法，其特征在于，从所述的金刚石板上特别是通过蚀刻分离出具有预先确定的形状和尺寸的金刚石部分(21)，并且多个金刚石部分(21)被结合以形成较大的反射镜基底(20)。
18.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的金刚石部分(21)在其边缘处被粘合或粘结在一起。
19.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述的金刚石部分(21)被粘合或粘结到一承载基底(22)上。
20.一种在激光系统中的偏转单元，其中激光束(2)通过至少一个设置在光程中并经由旋转驱动装置(31，41)旋转的反射镜(32，42)偏转到工件(6)上，其特征在于，至少一个所述反射镜(42)由如权利要求1到14所述的用金刚石制成的反射镜基底(10)构成。
21.如权利要求21所述的偏转单元，其特征在于，设置在所述激光束(1)的光程中的两个反射镜(32，42)中，在光程中处于下游方向的所述反射镜(42)与所述上游方向的反射镜(32)相比具有较大的面积和较小的厚度(d2)，并且至少一个所述下游方向的反射镜(42)由用金刚石制成的反射镜基底(10)构成。
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