DE112008002862T5

DE112008002862T5 - Abtastkopfkalibrierungssystem und Verfahren

Info

Publication number: DE112008002862T5
Application number: DE112008002862T
Authority: DE
Inventors: Buk Mum Fatt
Original assignee: Hypertronics Pte Ltd
Current assignee: Coherent Singapore Pte Ltd
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2008-10-17
Publication date: 2010-12-09
Also published as: CN101909827A; US20100292947A1; TW200924892A; SG152090A1; CN101909827B; TWI359715B; WO2009054811A1; KR20100106311A

Abstract

Verfahren zum Verringern eines Positionierungsfehlers in einem Laserbearbeitungssystem zur Positionierung eines Laserstrahls auf einem Werkstück, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
– Bereitstellen einer Kalibrierungsmarkierung,
– Bereitstellen einer Richtmarkierung, die einem Satz von Designdaten zugeordnet ist,
– Abgleichen einer Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung zum Bestimmen eines Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren,
– Abgleichen einer Abbildung einer Lasermarkierung mit der Richtmarkierung zum Bestimmen eines Satzes von Laserausgleichsfaktoren, und
– Ändern des Satzes von Designdaten zum Positionieren des Laserstrahls auf dem Werkstück mittels des Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren und des Satzes von Laserausgleichsfaktoren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtastkopfkalibrierungssystem und ein Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum optischen Abtasten und Aussenden eines Laserstrahls mit hoher Ortsgenauigkeit.
Hintergrund der Erfindung
Das präzise Positionieren von Lichtstrahlen, zum Beispiel sichtbarer Lichtstrahlen und/oder Laserstrahlen, ist in bestimmten industriellen Anwendungen, wie beispielsweise optischer Prüfung und Laserbearbeitung, erforderlich. Ein Beispiel ist eine Lasermarkierung zum Erstellen sichtbarer Zeichen an vorbestimmten Positionen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls. Darüber hinaus können Lasersysteme auch in anderen Anwendungen verwendet werden, wie Mikrobearbeitung, Oberflächenbearbeitung, Trimmen, Schweißen und Schneiden, etc.
Bei einem Lasermarkierungs-, Schweiß- oder Bearbeitungsverfahren werden Koordinatendaten und Parameter von vorbestimmten Positionen auf einem Werkstück, an welchem das Verfahren durchgeführt wird, in eine Steuereinheit für die Positionierung des Laserstrahls mit Bezug zu einem Koordinatensystem programmiert. Im Idealfall sollte der Laserstrahl auf Positionen auf dem Werkstück gerichtet werden, die den Koordinatendaten entsprechen, so dass das Laserverfahren an den vorbestimmten Positionen durchgeführt werden kann.
Tatsächlich wird der Laserstrahl jedoch nicht immer zu den vorbestimmten Positionen auf dem Werkstück gerichtet. Das kann an Systemfehlern und/oder Installationstoleranzen des Laserpositionierungsmechanismus liegen. Werden diese Fehler und/oder Toleranzen nicht berücksichtigt, kann der Laserstrahl an nicht beabsichtigte Positionen auf dem Werkstück gerichtet werden, was nicht akzeptabel ist. Bei Verfahren, die eine noch höhere Präzision für die Positionierung erfordern, wie beispielsweise ein Präzisionslötprozess zum Löten eines Leseschreibkopfes auf einer Aufhängung einer Festplatte, kann eine Fehlpositionierung des Laserstrahls in einem vollständigen Misslingen des Lötprozesses führen. Ähnliche Bedenken bestehen für ein optisches Prüfsystem, entweder als unabhängiges System oder in eine Laserbearbeitungsanlage eingebaut. Demzufolge ist die Positionierungsgenauigkeit von Lichtstrah len einer der Schlüsselfaktoren um die Präzision und Qualität von optischen Prüfverfahren und Laserbearbeitung zu gewährleisten.
Es ist somit wünschenswert ein Abtastkopfkalibrierungssystem und ein Verfahren zur optischen Prüfung und/oder zur Laserbearbeitung bereitzustellen, bei dem Systemfehler kompensiert oder wenigstens wesentlich verringert werden, so dass diese Verfahren mit hoher Positionierungsgenauigkeit ausgeführt werden können. Solch ein System und ein Verfahren sind zur Zeit nicht verfügbar.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung stellen Lösungen zum Verringern von Positionierungsfehlern in einem Lasersystem und zur Kalibrierung eines Abtastbildsystems, das entweder ein unabhängiges System zur optischen Detektion, optischen Prüfung und/oder Präzisionsmessung oder eine in ein Lasersystem integrierte Abtastanordnung sein kann, bereit.
Nach einer Weiterbildung wird eine Methode zum Verringern des Positionierungsfehlers in einem Laserbearbeitungssystem zur Positionierung eines Laserstrahls auf einem Werkstück bereitgestellt. Eine Kalibrierungsmarkierung wird bereitgestellt und eine Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird aufgenommen, um sie mit einer Richtmarkierung zu vergleichen. Die Position der Richtmarkierung ist einem Satz von Designdaten oder Koordinaten zugeordnet. Die Position der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird angepasst, bis die Abbildung mit der Richtmarkierung übereinstimmt. Ein Satz von optischen Ausgleichsfaktoren kann hierdurch bestimmt werden. Anschließend wird eine Abbildung einer Lasermarkierung aufgenommen und mit der Richtmarkierung abgeglichen, um einen Satz von Laserausgleichsfaktoren zu bestimmen. Der Satz von Designdaten kann dann basierend auf den optischen Ausgleichsfaktoren und den Laserausgleichsfaktoren verändert werden und zur Ausrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück verwendet werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Kalibrieren eines Abtastbildsystems bereitgestellt. Eine Kalibrierungsmarkierung wird bereitgestellt und eine Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird aufgenommen, um sie mit einer Richtmarkierung zu vergleichen. Die Position der Richtmarkierung ist einem Satz von Designdaten oder Koordinaten zugeordnet. Die Position der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird angepasst, bis die Abbildung mit der Richtmarkierung übereinstimmt. Ein Satz von optischen Ausgleichsfaktoren kann hierdurch bestimmt und zur Veränderung des Satzes von Designdaten verwendet werden, um das Abtastbildsystem zu kalibrieren.
Die Lösungen, welche durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, können Systemfehler wesentlich reduzieren und die Positionierungsgenauigkeit in Abtastbildsystemen und Laserbearbeitungssystemen wesentlich verbessern. Laserbearbeitungssysteme, welche nach den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kalibriert werden, erreichen eine hohe Präzision, um den Anforderungen von Präzisionslaserbearbeitung, wie Lasermarkierung oder Laserlöten, gerecht zu werden.
Beschreibung der Figuren
Diese und andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Einzelnen mit Bezug zu Figuren einer Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigen:
1A eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Lasermarkierung nach einer Weiterbildung der Erfindung,
1B eine schematische Darstellung der Lasermarkiervorrichtung von 1A mit einer Kalibrierungsschablone zur Kalibrierung oder einem Werkstück zur Bearbeitung,
2 eine schematische Darstellung eines Abtastbildsystems nach einer Weiterbildung der Erfindung,
3A eine schematische Darstellung eines Laserkalibrierungssystems nach einer Weiterbildung der Erfindung,
3B eine Draufsicht auf eine Kalibrierungsschablone, welche in dem Laserkalibrierungssystem von 3A verwendet wird,
3C eine schematische Darstellung eines Satzes von Richtmarkierungen und eine Abbildung der Kalibrierungsschablone von 3B,
4 eine schematische Darstellung eines Satzes von Richtmarkierungen zur Kalibrierung eines optischen Systems nach einer Weiterbildung der Erfindung,
5A eine schematische Darstellung einer Abbildung eines Satzes von Kalibrierungsmarkierungen, welche zur Kalibrierung aufgenommen wurden,
5B eine schematische Darstellung der Abbildung von 5A nachdem die optischen Ausgleichsfaktoren richtig kalibriert wurden,
5C eine schematische Darstellung der Abbildung von 5A nachdem optische Zerrfaktoren richtig kalibriert wurden,
6A eine schematische Darstellung der Abbildung von 5A für die Kalibrierung eines halben Abtastfeldes,
6B eine schematische Darstellung der Abbildung von 5A bei der die Kalibrierung des halben Abtastfeldes vergrößert dargestellt wird,
7A eine schematische Darstellung einer Abbildung einer Lasermarkierung in einem vollständigen Abtastfeld zur Kalibrierung einer Laseranordnung,
7B eine schematische Darstellung der Abbildung von 7A nachdem die Laseranordnung auf dem vollständigen Abtastfeld kalibriert wurde,
8A eine schematische Darstellung einer Abbildung einer Lasermarkierung in einem halben Abtastfeld zur Kalibrierung einer Laseranordnung, und
8B eine schematische Darstellung der Abbildung von 8A nachdem die Laseranordnung auf dem halben Abtastfeld kalibriert wurde.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Zur Veranschaulichung werden Weiterführungen der Erfindung für ein System und ein Verfahren beschrieben, die für eine Laserbearbeitung mit hoher Positionierungsgenauigkeit geeignet sind. Die Weiterführungen sind mit Bezug zu der Verringerung und/oder Verhinderung von Systemfehlern für die präzise Positionierung eines Laserstrahls auf einem Werkstück für eine Laserbearbeitung geeignet.
1A zeigt ein Laserbearbeitungssystem 100 zur Bearbeitung eines Werkstücks, beispielsweise zur Markierung des Werkstücks oder zum Löten des Werkstücks, nach einer Ausführungsform der Erfindung. 1B zeigt das System von 1A mit einer Kalibrierungsschablone zur Kalibrierung einer optischen Anordnung oder einer Werkstück zur Bearbeitung.
2 zeigt ein optisches Abtastsystem 102 nach einer Weiterbildung der Erfindung. Das optische Abtastsystem 102 kann als unabhängiges System für optische Messungen, optische Prüfungen und/oder Präzisionsmessungen verwendet werden. Alternativ kann das optische System 102 als eine optische Abtastanordnung oder ein optisches Abtastmodul, welche in ein Laserbearbeitungssystem, wie in 1 gezeigt, integriert sind, verwendet werden. Zur Veranschaulichung werden die selben Bezugszeichen in den 1A, 1B und 2 für die optische Abtastanordnung des Laserbearbeitungssystems 100 und das unabhängige optische Abtastsystem 102 verwendet. Es sollte jedoch verstanden werden, dass auch andere optische Abtastsysteme als das in 2 gezeigte als optische Abtastanordnungen oder Module in Laserbearbeitungssystemen verwendet werden können.
Wie in 1A und 1B gezeigt, hat das Laserbearbeitungssystem 100 eine Laserquelle 110, wie beispielsweise einen YAG-Laser oder einen CO₂-Laser, welche einen Laserstrahl 112 mit einer zur Bearbeitung eines Werkstücks ausreichenden Energieleistung bereitstellt. Ein erster Spiegel 120 lenkt den Laserstrahl 112 zu einem zweiten Spiegel 130. Der zweite Spiegel 130 lenkt den Laserstrahl 112 weiter zu einer optischen Führungsanordnung, wie Abtastkopf 140. Zwei elektronisch gesteuerte Spiegel 142 und 144 werden in Abtastkopf 140 bereitgestellt, um den Laserstrahl 112 zu empfangen und auf eine Platte 150 weiterzuleiten. Die Platte 150 wird bereitgestellt, um darauf ein Werkstück 200 zur Laserbearbeitung oder eine Kalibrierungsschablone 202 zur Kalibrierung zu tragen. Die Elektro-Spiegel 142 und 144 sind axial in einer orthogonalen Anordnung angeordnet. Jeder Elektro-Spiegel ist unabhängig auf einer zugeordneten drehbaren Achse befestigt. Der Abtastkopf 140 mit den zwei Elektro-Spiegeln 142 und 144, welche in der oben beschriebenen Weise angeordnet sind, kann den Laserstrahl 112 entlang einer X-Richtung und einer Y-Richtung ablenken, ausrichten und steuern, so dass der Laserstrahl 112 jede Position innerhalb der zweidimensionalen Umgebung der Platte 150 erreichen kann.
Das Laserbearbeitungssystem 100 hat einen optischen Detektor 160, wie beispielsweise eine CCD-Kamera, zum Empfangen und Erfassen von optischen Lichtstrahlen 212 von der Platte 150, dem Werkstück 200 und/oder der Kalibrierungsschablone 202. Der optische Detektor 160 ist hinter dem zweiten Spiegel 130 angeordnet. Der zweite Spiegel 130 ist ein dichromatischer Spiegel, welcher den Laserstrahl reflektiert und das sichtbare Licht passieren lässt. Der optische Detektor 160, der dichromatische Spiegel 130, die Elektro-Spiegel 142 und 144 und eine Fokussierlinse 170 bilden eine optische Abtastanordnung. Die Laserquelle 110, der Ablenkspiegel 120, der dichromatische Spiegel 130, die Elektro-Spiegel 142 und 144 und die Fokussierlinse 170 bilden eine Laseranordnung.
Die optische Achse 162 des optischen Detektor 160 ist in Übereinstimmung mit dem Weg des Laserstrahls 112 zwischen dem Elektro-Spiegel 142 und dem zweiten Spiegel 130 angeordnet. Durch diese Anordnung bewegt sich das sichtbare Licht 212 von dem Werkstück 200, der Platte 150 oder der Kalibrierungsschablone 202 zwischen dem zweiten Spiegel 130 und der Fokussierlinse 170 entlang des selben Weges wie der Laserstrahl 112. Demzufolge können die Elektro-Spiegel 142 und 144 an Positionen angeordnet werden, welche Koordinatendaten des Laserstrahls 112 zugeordnet sind, um diesen auf entsprechende Positionen auf der Platte 150, dem Werkstück 200 oder der Kalibrierungsschablone 202 zu richten oder welche Koordinatendaten des sichtbaren Lichtstrahls 212, der vom optischen Detektor 160 empfangen wird, zugeordnet sind, um diese zu entschlüsseln.
Ein Regler 180 ist an den Abtastkopf 140 und den optischen Detektor 160 angeschlossen. Ein Prozessor 190 ist an den Regler 180 angeschlossen. Der Regler 180 gibt Koordinatendaten zu dem Abtastkopf 140 aus und steuert die Rotation und die Positionierung der Elektro-Spiegel 142, 144 zum Ablenken des Laserstrahls 112 auf die Platte 150 und zur Leitung des sichtbaren Lichtstrahls 212 zurück zum optischen Detektor 160.
Wie in 2 gezeigt, hat das optische Abtastsystem 102 nach der vorliegenden Ausführungsform einen ähnlichen Aufbau wie die optische Abtastanordnung des Laserbearbeitungssystems 100 von 1A. Das Verfahren zur Bedienung und Kalibrierung der optischen Abtastanordnung des Laserbearbeitungssystems, wie es unten beschrieben wird, ist somit für die Kalibrierung des optischen Abtastsystems 102 anwendbar. Da es ein unabhängiges optisches Abtastsystem ist, empfängt der optische Detektor 160 den Lichtstrahl 212 direkt von der Platte/dem Werkstück. Ein dichromatischer Spiegel wird somit im optischen Abtastsystem 102 nicht benötigt.
Nach der vorliegenden Ausführungsform wird zuerst die optische Abtastanordnung des Laserbearbeitungssystems von 1A kalibriert, wie im Folgenden beschrieben.
3A ist eine schematische Darstellung des Lasersystems von 1, das zur Kalibrierung einer optischen Abtastanordnung nach einer Weiterführung der Erfindung konfiguriert ist. Vor dem Kalibrierungsprozess werden die Laseranordnung und die optische Abtastanordnung ausgerichtet, um die entsprechenden Laserstrahlen/sichtbaren Lichtstrahlen auf das Werkstück bzw. davon weg zu fokussieren. Die Anpassung des Systemfokus wird durch Anpassung der Höhe des Laserfokus über der Platte durchgeführt, gefolgt von einer Anpassung des Fokus der optischen Abtastanordnung in der selben Ebene auf der Platte. Sobald der Fokus festgelegt ist, wird die optische Detektorlinse gesperrt, um ein versehentliches Verändern des Fokus zu verhindern. Anschließend werden die Laseranordnung und die optische Anordnung mit Bezug zu dem Mittelpunkt des Abtastfeldes ausgerichtet. Eine Kalibrierungsschablone 202 wird dann zur Kalibrierung der optischen Anordnung auf der Platte 150 angeordnet.
Die Kalibrierungsschablone 202 ist eine Glasschablone aus optischem Glas mit präzisen lithografischen Mustern und vorbestimmten Größenverhältnissen auf der Oberfläche, wie in 3B gezeigt ist. Die Glasschablone wird mit Kalibrierungsmarkierungen 204 hergestellt, welche eine hohe Positionierungsgenauigkeit aufweisen.
Zu Beginn wird das System ausgerichtet, um den Laserstrahl senkrecht zur Platte 150 und das geometrische Zentrum der Fokussierlinse 170 passierend zu leiten. Die Fokussierlinse 170 wird mit ihrer Hauptachse parallel zu der Platte 150 ausgerichtet.
Ein Satz von Designkoordinatendaten wird dann an den Abtastkopf 140 gesendet, um die Elektro-Spiegel 142, 144 auf Anfangspositionen 142a, 144a zu setzen, an welchen die optische Anordnung entlang eines ersten Lichtwegs 146a fixiert wird. Eine Abbildung der Kalibrierungsschablone 202 wird von dem optischen Detektor 160 aufgenommen und auf einem Bildschirm 164 dargestellt, wie in 3C als vergrößerte Abbildung gezeigt wird. In 3C wird die Abbildung der Kalibrierungsschablone zur Veranschaulichung übertrieben als kurvenkantig dargestellt. Die Form der tatsächlichen Abbildungen kann variieren. Andere Figuren sind ebenfalls nicht maßstabsgerecht.
Wie in 4 im weiteren Detail gezeigt wird, wird ein Satz von Richtmarkierungen 402, 404, 406, 422, 424, 426, 442, 444 und 446, hier dargestellt als Fadenkreuze, in der optischen Anordnung bereitgestellt und auf einem Bildschirm angezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Sichtfeld in neun Segmente unterteilt, die als Fenster 412, 414, 416, 432, 434, 436, 452, 454 und 456 dargestellt werden, jedes mit einer Richtmarkierung im Zentrum des zugeordneten Segments. Die Position von jeder Richtmarkierung ist einem Satz von Design koordinatendaten zugeordnet. Die Richtmarkierungen 402, 406, 442 und 446 definieren die vier Ecken des Abtastbildfeldes. Es sind die Flachheit, Schiefe und Position der Kalibrierungsschablone anzugleichen, bis der Mittelpunkt der Glasschablone mit dem Mittelpunkt des Abtastbildfeldes der optischen Anordnung übereinstimmt, beispielsweise die zentrale Richtmarkierung 424. Es sind das Mitte-Links-Fensters 432, das Mitte-Zentrums-Fensters 434 und das Mitte-Rechts-Fensters 436 zu prüfen, ob eine horizontale Zentrumslinie 528 der Kalibrierungsmarkierung eine vertikale Richtlinie senkrecht schneidet und eine horizontale Linie für jede der Richtmarkierungen 422, 424 und 426 überlappt. Falls nicht, ist die Position der Kalibrierungsschablone entlang der Y-Richtung anzupassen, um die horizontale Zentrumslinie 528 die vertikalen Richtlinien der Richtmarkierungen 422, 424 und 426 senkrecht schneiden zu lassen. Es sind das Oben-Zentrums-Fenster 414, das Mitte-Zentrums-Fenster 434 und das Unten-Zentrums-Fenster 454 zu prüfen, ob eine vertikale Zentrumslinie 532 der Kalibrierungsmarkierung eine horizontale Richtlinie senkrecht schneidet und wesentlich eine vertikale Richtmarkierung der Richtmarkierungen 404, 424 und 444 überlappt. Falls nicht, ist die Position der Kalibrierungsschablone entlang der X-Richtung anzupassen, um die vertikale Zentrumslinie 532 die horizontalen Richtlinien senkrecht schneiden und die vertikalen Richtlinien der Führungsmarkierungen 404, 424 und 444 wesentlich überlappen zu lassen. 5A zeigt eine Abbildung der Kalibrierungsschablone nach der obigen Justierung.
Wegen Systemfehlern kann es vorkommen, dass die Kalibrierungsmarkierungen auf der Kalibrierungsschablone nicht mit den zugeordneten Richtmarkierungen in Übereinstimmung sind. Zur Kompensation oder wesentlichen Verringerung dieser Fehler wird ein Justierungsverfahren ausgeführt, um optische Ausgleichsfaktoren Xprp und Yprp für die X- und Y-Richtungen, sowie optische Zerrfaktoren (Xd1, Yd1), (Xd2, Yd2), (Xd3, Yd3) und (Xd4, Yd4) für jedes Eckfenster 412, 416, 452 und 456 zu erhalten.
In einem ersten Schritt werden Ausgleichsfaktoren für einen vollständig markierten Bereich kalibriert. Wie in 5B gezeigt, ist das Mitte-Links-Fenster 432 zu prüfen, ob die linke Ecke 522, die auf die Glasschablone lithografiert ist, mit der zugeordneten Richtmarkierung 422 übereinstimmt. Falls nicht, ist die Elektro-Spiegel-Position mit einem Satz von geänderten Koordinatendaten anzupassen, um die linke Ecke 522 in Übereinstimmung mit der zugeordneten Richtmarkierung 422 zu bringen. Ein Ausgleichsfaktor für das Mitte-Links-Fenster 432 kann hierdurch bestimmt werden, abhängig von dem Satz von Designkoordinatendaten und dem Satz von geänderten Koordinatendaten.
Ähnliche Ausgleichsoperationen werden durchgeführt, um die rechte Ecke 526, die obere Ecke 504 und die untere Ecke 544 in Übereinstimmung mit den zugeordneten Richtmarkierungen 426, 404 und 444 zu bringen. Entsprechende Ausgleichsfaktoren des Mitte-Rechts-Fensters 436, des Oben-Zentrums-Fensters 414 und des Unten-Zentrums-Fenster 454 können somit in gleicher Art und Weise bestimmt werden.
Mit den oben beschriebenen Justierungen können die Ausgleichsfaktoren Xprp und Yprp des optischen Abtastfeldes, abhängig von der Position der Elektro-Spiegel, der Designkoordinatendaten und der geänderten Koordinatendaten, in den Fenstern 432, 434, 436, 414 und 454 bestimmt werden. Die ausgerichtete Abbildung der Glasschablone, welche von der optischen Anordnung aufgenommen wurde, ist in 5B gezeigt.
In einem nächsten Schritt werden Zerrfaktoren für jedes der Eckabbildungsfenster 412, 416, 452 und 456 bestimmt. Wie in 5B am Beispiel des Oben-Links-Abbildungsfensters 412 gezeigt, wird die Justierung durch Verändern der Positionen der Elektro-Spiegel mit einem Satz von geänderten Koordinatendaten durchgeführt, um die Kalibrierungsmarkierung 502 in Übereinstimmung mit der Richtmarkierung 402 zu bringen. Ähnliche Justierungsoperationen werden für die Elektro-Spiegel, welche den Abbildungsfenstern 416, 452 und 456 zugeordnet sind, durchgeführt, um die Kalibrierungsmarkierungen 506, 542 und 546 in Übereinstimmung mit den jeweils zugeordneten Richtmarkierungen 406, 442 und 446 zu bringen.
Nach den obigen Justierungen können die Zerrfaktoren zu jedem Eckfenster in Abhängigkeit von den Designpositionskoordinatendaten der Elektro-Spiegel und den geänderten Positionskoordinatendaten bestimmt werden. 5C zeigt die Abbildung der Glasschablone, die von der optischen Anordnung aufgenommen wurde. Nach einer anderen Ausführungsform kann eine weitere Kalibrierung unter Bezug zu einem halbgroßen Abtastfeld durchgeführt werden.
Wie in 6A gezeigt, wird der Kalibrierungsprozess nach der vorangehenden Ausführungsform mit Bezug zu einem vollständigen Abtastfeld 500 (als einfach gepunktete Linie dargestellt) durchgeführt. Um den Systemfehler weiter zu verringern, wird in der folgenden Aus führungsform das System weiter kalibriert mit Bezug zu einem halben Abtastfeld 600 (als doppelt gestrichelte Linie dargestellt).
Zu Beginn werden die Abbildungsaufnahmepunkte zu den neun Steuerpunkten des halben Abtastfeldes geändert, wobei das halbe Abtastfeld 600 durch das optische Abtastsystem in dem Arbeitsfenster des Bildschirms gezeigt wird. Durch diesen Aufbau stimmen die Ecken des halben Abtastfeldes 600 mit den Richtmarkierungen 402, 404, 406, 422, 424, 426, 442, 444 und 446 überein. Der selbe Satz von Richtmarkierungen wird für die Kalibrierung des halben Abtastfeldes verwendet. Der Satz von Richtmarkierungen ist somit für die optische Kalibrierung universell für jeden Satz von Designkoordinatendaten.
Die Ausgleichsfaktoren für das Halbfeld (Xprp/2) und (Yprp/2) können mit Hilfe der 9-Fenster-Abbildung, den Richtmarkierungen und der Glasschablonenskalierung/-kalibrierung mit ähnlichen Methoden wie zuvor für das vollständige Abtastfeld beschrieben bestimmt werden. Die endgültige Anordnung ist in 6B gezeigt.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren werden X- und Y-Ausgleichsfaktoren des Abtastfeldes sowie Zerrfaktoren für jedes Eckfenster bestimmt. Diese Ausgleichsfaktoren und Zerrfaktoren werden verwendet, um die Designdaten für die Positionierung der Elektro-Spiegel in der optischen Anordnung anzupassen.
Das oben beschriebene Kalibrierungsverfahren kann verwendet werden, um entweder ein unabhängiges optisches Abtastverfahren wie in 2 gezeigt oder eine optische Anordnung/Modul eines Laserbearbeitungssystems wie in 1A gezeigt zu kalibrieren.
Im Fall eines Laserbearbeitungssystems kann mit dem obigen Verfahren eine integrierte optische Abtastanordnung/Modul kalibriert werden, um eine optische Abtastpräzision auf dem gleichen Niveau zu erhalten. Die Laseranordnung kann dann basierend auf der optischen Abtastanordnung kalibriert werden, wie im Folgenden beschrieben wird.
Die optische Abtast-Kalibrierungsglasschablone ist zu entfernen und ein Blatt lasersensitives Papier (oder ein anderes für Lasermarkierung geeignetes Material) auf der Platte anzuordnen.
Es ist sicherzustellen, dass das Papier flach ist und sich auf der gleichen Höhe wie die Kalibrierungsschablone befindet.
In einer Ausführungsform wird die Laseranordnung für das vollständige Markierungsfeld kalibriert. Die Laserleistung ist auf ein geeignetes Leistungsniveau für das lasergeeignete Papier einzustellen, dann ist ein vollständiges Markierungsfeld 700 auf dem Laserpapier zu markieren, wie in 7A gezeigt.
Die Mitte-Links- und Mitte-Rechts-Abbildungsfenster 432 und 436 des 9-Fenster-Bildschirms sind zu beobachten, um zu bestimmen, ob die Markierungsfeldkanten 732 und 736 mit der Galvanometerposition an den zugeordneten Richtmarkierungen 422 und 426 am linken und rechten Ende überschneiden.
Falls nicht, ist der Laserausgleichsfaktor X anzupassen, bis die linken und rechten Kanten des Markierungsfeldes 700 mit den zugeordneten Richtmarkierungen 422 und 426 übereinstimmen. Gleiche Schritte werden für das Oben-Zentrums- und das Unten-Zentrums-Abbildungsfenster 414 und 454 durch Anpassen des Laserausgleichsfaktors Y durchgeführt, um die obere und untere Ecke des Markierungsfeldes 700 in Übereinstimmung mit den zugeordneten Richtmarkierungen 414 und 454 zu bringen. Eine Abbildung des Markierungsfelds 700 nach der Laserkalibrierung auf dem vollständigen Feld ist in 7B gezeigt.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird eine weitere Kalibrierung mit Bezug zu dem halben Abtastfeld durchgeführt, wie in 8A und vergleichsweise in 7A gezeigt.
Eine halbe Feldmarkierung 800 wird erzeugt und der optische Detektor fokussiert, so dass die Ecken des halben Feldes 800 mit den Richtmarkierungen 402, 404, 406, 422, 424, 426, 442, 444 und 446 übereinstimmen. Der selbe Satz von Richtmarkierungen wird zur Kalibrierung der Laserausgleichsfaktoren mit dem halben Abtastfeld verwendet. Der Satz von Richtmarkierungen ist für die Laserkalibrierung universell zu jedem Satz von Designkoordinatendaten.
Die Halbfeld-Laserausgleichsfaktoren (X/2 und Y/2) können mit Hilfe der 9-Fenster-Abbildung und den Richtmarkierungen mit den gleichen Verfahren, wie zuvor für die voraus gegangenen Ausführungsformen für die Kalibrierung des vollständigen Laseranordnungsfeldes beschrieben, bestimmt werden.
Da das Abtastbild auf Glasschablonen mit +/–1 μm kalibriert ist, kann die optische Abtastanordnung eine Präzision von +/–2 μm erreichen, wobei das CCD-Kamerasystem eine Auflösung von etwa 1 μm/Pixel hat. Die Laseranordnung wird dann zu der optischen Abtastanordnung kalibriert, es wird eine Präzision von +/–5 μm erreicht. Testergebnisse auf einer 1 mm dicken Edelstahlplatte bestätigen die Kalibrierungsgenauigkeit.
Wie oben beschrieben, zeigen die Abbildungen in den 4 bis 8A die Abbildungen der Kalibrierungsmarkierungen, welche von dem optischen Abtastsystem aufgenommen und den Richtmarkierungen, die von dem optischen Abtastsystem bereitgestellt werden, zugeordnet werden, entweder im vollständigen Abtastfeldmodus oder im halben Abtastfeldmodus. Die Abbildungen werden durch den optischen Detektor während des Verfahrens des Abgleichens der Kalibrierungsmarkierungen mit den zugeordneten Richtmarkierungen dynamisch aktualisiert. Ausgleichsfaktoren für präzise optische Abtastaufnahmen und Laserpositionierungen werden somit nach dem Abschluss des Kalibrierungsprozesses erfasst.
Nach einer weiteren Ausführungsform wird eine Kalibrierung für Pixel zu Millimeter durchgeführt.
Zuerst wird dem System ein einzigartiges Musters im Zentrum des Abtastfeldes vorgegeben. Das Muster ist bevorzugt so klein wie möglich, aber immer noch erkennbar, wenn es durch die optische Anordnung beobachtet wird. Das System wird dann die Elektro-Spiegel mit einem kleinen Abstand, welcher in Millimeter berechnet wird, Schritt für Schritt vom Zentrum nach links, vom Zentrum nach rechts, vom Zentrum nach oben und vom Zentrum nach unten durch das Abtastfeld bewegen.
Zwischen jedem Schritt wird das optische System ein Abbildungsmuster erfassen und die abweichende Distanz des Musters vom Abbildungszentrum in Pixeln berechnen. Die Schrittfolge des Galvanometers wird beendet, sobald das optische System nicht mehr das vorgegebene Muster erkennt und mit einer anderen Richtung fortfährt, bis alle Richtungen vollständig durchlaufen sind. Somit kann eine Millimeter-zu-Pixel-Einheit für jede Achse berechnet werden.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung vorgestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Obwohl beispielsweise die Ausführungsformen mit Bezug zu einem zweidimensionalen Abtastfeld und mit neun Richtmarkierungen für die Kalibrierung der optischen Anordnung und der Laseranordnung beschrieben wurden, versteht der Fachmann, dass eine Kalibrierung einer optischem Anordnung und einer Laseranordnung auch mit einer anderen Anzahl von Richtmarkierungen und Kalibrierungsmarkierungen und entweder in einer eindimensionalen oder einem zweidimensionalen Umgebung durchgeführt werden kann. Obwohl ein optisches Abtastsystem oder ein Laserbearbeitungssystem mit einer Fokussierlinse, die zwischen Elektro-Anordnungen und einer Platte angeordnet ist, wie in 1A und 2 gezeigt, offenbart wird, ist klar, dass Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch in anderen optischen Abtastsystemen und Laserbearbeitungssystemen mit anderen Konfigurationen verwendet werden können. Beispielsweise kann eine Ausführungsform der Erfindung für ein optisches Abtastsystem oder ein Laserbearbeitungssystem mit einer Fokussierlinse, welche zwischen einer Elektro-Anordnung und einem optischen Detektor angeordnet ist, verwendet werden. Der Fachmann versteht, dass die vorliegende Erfindung in verschiedenen unterschiedlichen Anordnungen, Verbesserungen, Modifikationen, Alternativen und Substitutionen verwendet werden kann, ohne von dem Gedanken der Erfindung abzuweichen, wie er vorangehend beschrieben wurde und in den folgenden Ansprüchen vorgetragen wird.
Zusammenfassung
Ein Verfahren und ein System zum Verringern eines Positionierungsfehlers zur Positionierung eines Lichtstrahls entweder auf oder weg von einem Werkstück werden bereitgestellt. Eine Kalibrierungsmarkierung wird bereitgestellt und eine Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird aufgenommen, um sie mit einer Richtmarkierung zu vergleichen. Die Position der Richtmarkierung ist einem Satz von Designdaten zugeordnet. Die Position der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung wird angepasst, bis die Abbildung mit der Richtmarkierung übereinstimmt. Ein Satz von optischen Ausgleichsfaktoren kann hierdurch bestimmt werden. Danach wird eine Abbildung einer Lasermarkierung aufgenommen und zur Übereinstimmung mit der Richtmarkierung angepasst, um einen Satz von Abtastkopfausgleichsfaktoren zu bestimmen. Der Satz von Designdaten kann dann basierend auf den optischen Ausgleichsfaktoren und den Laserausgleichsfaktoren verändert und verwendet werden, um den Laserstrahl auf dem Werkstück zu positionieren oder Licht von einem Werkstück aufzunehmen, um eine Abbildung zu erzeugen.

Claims

Verfahren zum Verringern eines Positionierungsfehlers in einem Laserbearbeitungssystem zur Positionierung eines Laserstrahls auf einem Werkstück, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Kalibrierungsmarkierung, – Bereitstellen einer Richtmarkierung, die einem Satz von Designdaten zugeordnet ist, – Abgleichen einer Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung zum Bestimmen eines Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren, – Abgleichen einer Abbildung einer Lasermarkierung mit der Richtmarkierung zum Bestimmen eines Satzes von Laserausgleichsfaktoren, und – Ändern des Satzes von Designdaten zum Positionieren des Laserstrahls auf dem Werkstück mittels des Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren und des Satzes von Laserausgleichsfaktoren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abgleichen der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung die folgenden Schritte umfasst: – Befestigen einer optischen Anordnung entlang eines ersten Lichtwegs basierend auf dem Satz von Designdaten, – Erfassen der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung durch die optische Anordnung entlang des ersten Lichtwegs, – Verändern des ersten Lichtwegs zu einem zweiten Lichtweg zum Ausrichten der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung, wobei der zweite Lichtweg einem Satz von geänderten Designdaten zugeordnet ist, und – Bestimmen des Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren aus dem Satz von Designdaten und den geänderten Daten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kalibrierungsmarkierung eine erste Kalibrierungsmarkierung ist, die einer Kante eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes zugeordnet ist, und wobei mehrere Kalibrierungsmarkierungen bereitgestellt werden, die einer gegenüberliegenden Kante, benachbarten Kanten und Eckbereichen des rechteckigen Bearbeitungsfeldes zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Richtmarkierung eine erste Richtmarkierung ist, die der ersten Kalibrierungsmarkierung zugeordnet ist, und wobei mehrere Richtmarkierungen bereitgestellt werden, die jeweils einer der mehreren Kalibrierungsmarkierungen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Abgleichen jeder der mehreren Kalibrierungsmarkierungen mit einer jeweils zugeordneten Richtmarkierung an gegenüberliegenden Kanten einen ersten optischen Verhältnisfaktor entlang einer ersten Richtung und einen zweiten optischen Verhältnisfaktor entlang einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Richtung ist, bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, weiter umfassend das Bestimmen eines Zerrfaktors eines Eckbereiches aus dem Abgleich von jeder der mehreren Kalibrierungsmarkierungen in dem Eckbereich mit einer jeweils zugeordneten Richtmarkierung in dem Eckbereich.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die mehreren Richtmarkierungen über ein zweidimensionales Abtastbildfeld verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mehreren Richtmarkierungen ein vollständiges Abtastbildfeld festlegen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die mehreren Richtmarkierungen ein halbes Abtastbildfeld festlegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Abgleichen der Abbildung der Lasermarkierung mit der Richtmarkierung die folgenden Schritte umfasst: – Befestigen einer Laseranordnung entlang eines ersten Laserwegs basierend auf dem Satz von Designdaten, – Erstellen der Lasermarkierung, – Erfassen der Abbildung der Lasermarkierung entlang des ersten Laserwegs, – Verändern des ersten Laserwegs zu einem zweiten Laserweg zum Ausrichten der Abbildung der Lasermarkierung mit der Richtmarkierung, wobei der zweite Laserweg einem zweiten Satz von Daten zugeordnet ist, und – Bestimmen des Satzes von Laserausgleichsfaktoren aus dem ersten und dem zweiten Satz von Daten.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Lasermarkierung eine erste Lasermarkierung ist, die einer Kante eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes zugeordnet ist, und wobei mehrere Lasermarkierungen bereitgestellt werden, die einer gegenüberliegenden Kante und benachbarten Kanten des Bearbeitungsfeldes zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Richtmarkierung eine erste Richtmarkierung ist, die der ersten Lasermarkierung zugeordnet ist, und wobei mehrere Richtmarkierungen bereitgestellt werden, die jeweils einer der mehreren Lasermarkierungen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Abgleichen jeder der mehreren Lasermarkierungen mit einer jeweils zugeordneten Richtmarkierung an gegenüberliegenden Kanten einen ersten Laserverhältnisfaktor entlang einer ersten Richtung und einen zweiten Laserverhältnisfaktor entlang einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen orthogonal zu ersten Richtung ist, bestimmt.
Verfahren zum Führen eines Laserstrahls auf einem Werkstück an einer vorbestimmten Position mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Satzes von Designdaten, welche die vorbestimmte Position definieren, – Einbringen eines Satzes von Ausgleichsfaktoren in den Satz von Designdaten zum Erzeugen eines Satzes von geänderten Daten und – Führen des Laserstrahls auf dem Werkstück basierend auf den geänderten Daten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Satz von Ausgleichsfaktoren einen Satz von optischen Ausgleichsfaktoren und einen Satz von Laserausgleichsfaktoren enthält.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Satz von optischen Ausgleichsfaktoren durch Abgleichen einer Abbildung einer Kalibrierungsmarkierung mit einer Richtmarkierung erstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Satz von Laserausgleichsfaktoren durch Abgleichen einer Abbildung einer Laserkalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung erstellt wird.
Vorrichtung zum Verringern eines Positionierungsfehlers eines Laserbearbeitungssystems mit einer Laseranordnung und einer optischen Anordnung, mit: – einer Kalibrierungsschablone mit einer Kalibrierungsmarkierung und – einer Richtmarkierung, die in der optischen Anordnung bereitgestellt ist, wobei die optische Anordnung basierend auf einem Satz von Designkoordinatendaten entlang eines ersten Lichtwegs zum Erfassen einer Abbildung der Kalibrierungsmarkierung fixierbar ist, wobei der erste Lichtweg zum Abgleich der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung zu einem zweiten Lichtweg, basierend auf einem Satz geänderter Koordinatendaten, veränderbar ist, und wobei der Satz von Designdaten und der Satz von geänderten Daten konfiguriert sind einen optischen Ausgleichsfaktor zu bestimmen, um den Positionierungsfehler zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Kalibrierungsmarkierung eine erste Kalibrierungsmarkierung ist, die einer Kante eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes zugeordnet ist, und wobei die Kalibrierungsschablone mehrere zusätzliche Kalibrierungsmarkierungen umfasst, die einer gegenüberliegende Kante, benachbarten Kanten und Eckbereichen des Bearbeitungsfeldes zugeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Richtmarkierung eine erste Richtmarkierung ist, die der ersten Kalibrierungsmarkierung zugeordnet ist und wobei mehrere zusätzliche Richtmarkierungen jeweils einer der mehreren zusätzlichen Kalibrierungsmarkierungen zugeordnet sind.
Verfahren zur Kalibrierung eines Abtastbildsystems mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Kalibrierungsmarkierung, – Bereitstellen einer Richtmarkierung, die einem Satz von Designdaten zugeordnet ist, – Abgleichen einer Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung zum Bestimmen eines Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren, und – Ändern des Satzes von Designdaten mittels des Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren zum Kalibrieren des Abtastbildsystems.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Abgleichen der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung die folgenden Schritte umfasst: – Befestigen des Abtastbildsystems entlang eines ersten Lichtwegs basierend auf dem Satz von Designdaten, – Erfassen der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung entlang des ersten Lichtwegs, – Verändern des ersten Lichtwegs zu einem zweiten Lichtweg zum Ausrichten der Abbildung der Kalibrierungsmarkierung mit der Richtmarkierung, wobei der zweite Lichtweg einem Satz von geänderten Daten zugeordnet ist, und – Bestimmen des Satzes von optischen Ausgleichsfaktoren aus dem Satz von Designdaten und den geänderten Daten.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Kalibrierungsmarkierung eine erste Kalibrierungsmarkierung ist, die einer Kante eines rechteckigen Bearbeitungsfeldes zugeordnet ist, und wobei weiter mehrere Kalibrierungsmarkierungen bereitgestellt werden, die einer gegenüberliegenden Kante, benachbarten Kanten und Eckbereichen des Bearbeitungsfeldes zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Richtmarkierung eine erste Richtmarkierung ist, die der ersten Kalibrierungsmarkierung zugeordnet ist, und wobei mehrere Richtmarkierungen bereitgestellt werden, die jeweils einer der mehreren Kalibrierungsmarkierungen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Abgleichen jeder der mehreren Kalibrierungsmarkierungen mit einer jeweils zugeordneten Richtmarkierung an gegenüberliegenden Kanten einen ersten optischen Ausgleichsfaktor entlang einer ersten Richtung und einen zweiten optischen Ausgleichsfaktor entlang einer zweiten Richtung, die im Wesentlichen orthogonal zur ersten Richtung ist, bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Abgleichen einer der mehreren Kalibrierungsmarkierungen mit einer zugeordneten Richtmarkierung in einem Eckbereich einen Zerrfaktor des Eckbereichs bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die mehreren Richtmarkierungen über ein zweidimensionales Abtastbildfeld verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mehreren Richtmarkierungen ein vollständiges Abtastbildfeld festlegen.
Verfahren nach Anspruch 27, wobei die mehreren Richtmarkierungen ein halbes Abtastbildfeld festlegen.