DE60019573T2

DE60019573T2 - Laserkalibrierungsvorrichtung und -verfahren

Info

Publication number: DE60019573T2
Application number: DE60019573T
Authority: DE
Inventors: Theodore Anton KITAI; James Ian MILLER; Glenn Robert PARKER
Original assignee: GSI Lumonics Inc Canada
Current assignee: GSI Lumonics Inc Canada
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: WO2000064622A1; AU4280700A; CA2370813A1; KR100600921B1; US6501061B1; JP2002542042A; KR20010112950A; CA2370813C; EP1173302A1; DE60019573D1; EP1173302B1

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserkalibrierung und insbesondere Systeme zum Positionieren eines fokussierten Laserstrahls über einem Bearbeitungsbereich mit hoher Präzision.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Bei vielen Materialbearbeitungsanwendungen ist es erforderlich, einen fokussierten Laserstrahl mit sehr hoher Präzision über einem Bearbeitungsbereich zu positionieren. Es sind viele Verfahren nach dem Stand der Technik vorgeschlagen worden, um die Position eines beweglichen Laserstrahls zu bestimmen.
Bei einem Verfahren wird eine Kamera mit einem ladungsgekoppelten Bauelement (CCD) und ein kleiner Abschnitt des Bearbeitungsstrahls dazu verwendet, Änderungen bei der Strahlposition indirekt zu messen. Dieser Ansatz funktioniert nur gut als eine Korrektur für geringfügige Änderungen an einem im wesentlichen statischen Strahl, da der abgetrennte Teil des Strahls durch eine andere Linse als die fokussiert wird, die für die Bearbeitung verwendet wird.
Bei einem anderen Verfahren wird gestreutes Licht von dem Werkstück mit einer CCD-Kamera überwacht, um die Ist-Position des Strahls zu bestimmen.
Noch ein weiteres Verfahren bearbeitet ein Testteil mit einem Array von Merkmalen, mißt das bearbeitete Teil und vergleicht die Merkmalsistpositionen mit den geplanten Stellen und verwendet die Differenz zum Berechnen einer Tabelle von Korrekturfaktoren.
Zudem verwenden Strahlprofilierer oftmals eine bewegliche Blende-Detektor-Baugruppe, um die Form eines Laserstrahls zu bestimmen, doch beschäfti gen sich diese Einrichtungen nicht mit dem Referenzieren der Strahlform auf das Koordinatensystem einer Materialbearbeitungsmaschine (als Beispiel).
Das am 6. September 1998 erteilte US-Patent Nr. 4,769,523 beschäftigt sich mit einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten von auf einem Halbleiterwafer ausgebildeten Schaltkreismustern, wobei ein Laserstrahlflecks auf einen Abschnitt eines Schaltungsmusters zum Schneiden der Zuleitung oder Tempern eines ausgewählten Bereichs projiziert wird. Die in USP'523 verwendete Vorrichtung enthält ein getrenntes optisches Ausrichtungssystem, das eine komplexe Anordnung von Ausrichtmikroskopen, Fotodetektoren und Ausrichtungsmarken umfaßt, um ein von einem bearbeiteten den Laser erzeugtes Bild an die korrekte Stelle auf einem Wafer zu projizieren (siehe 7). Durch die Verwendung von getrennten optischen Ausrichtsystemen wird die Laserbearbeitungsvorrichtung unnötig komplex.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Verbesserung von Laserstrahlpositionskalibrierungsverfahren und -systemen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines automatischen und gleichbleibenden Laserstrahlpositionskalibrierungsverfahrens und -systems.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und Systems zum Bestimmen von Scannerkoordinaten zum Positionieren eines Laserstrahls.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Korrelieren von Scannerpositionskoordinaten eines Laserscanners mit Strahlpositionskoordinaten eines fokussierten Laserstrahls zum Verbessern der Positionsgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls, wobei das Verfahren folgendes beinhaltet: Scannen des fokussierten Laserstrahls über ein interessierendes Gebiet auf einer Arbeitsfläche; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Detektieren des fokussierten Laserstrahls, der an einem Fotodetektor empfangen wird, der mit der Arbeitsfläche zusammenhängt, wobei ein Ort des detektierten fokussierten Laserstrahls Strahlpositionskoordinaten erzeugt; und Bilden von Scannerpositionsdaten als Funktion von Strahlpositionsdaten durch Erzeugen von Assoziationen zwischen Strahlpositionskoordinaten und Scannerpositionskoordinaten entsprechend der Position des Laserscanners, wenn der fokussierte Laserstrahl detektiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt zum Korrelieren von Scannerpositionskoordinaten eines Laserscanners mit Strahlpositionskoordinaten eines fokussierten Laserstrahls zum Verbessern der Positionsplazierungsgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls, wobei die Vorrichtung einen Laserscanner mit Scannerpositionskoordinaten beinhaltet zum Scannen des fokussieren Laserstrahls über ein interessierendes Gebiet auf einer Arbeitsfläche; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: einen Fotodetektor, der mit der Arbeitsfläche zusammenhängt, zum Detektieren, wann der fokussierte Laserstrahl an der Arbeitsfläche empfangen wird, wobei ein Ort des detektierten fokussierten Laserstrahls Strahlpositionskoordinaten erzeugt; und ein Datenbildungsmittel zum Bilden von Scannerpositionsdaten als Funktion von Strahlpositionsdaten durch Erzeugen von Assoziationen zwischen Strahlpositionskoordinaten und Scannerpositionskoordinaten entsprechend der Position des Laserscanners, wenn der fokussierte Laserstrahl detektiert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Materialbearbeitungsvorrichtung, in die das Laserkalibrierungssystem der vorliegenden Erfindung integriert ist;
2A eine vergrößerte Ansicht der in 1 gezeigten Blende-Detektor-Konfiguration;
2B eine Draufsicht auf die Blende auf dem Tisch von 2A;
2C eine Draufsicht auf das in dem Laserkalibrierungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendete Gitterlayout;
3A eine schematische Darstellung des Dämpfungsglieds von 1;
3B eine graphische Darstellung einer Technik, die dazu verwendet wird, die Mittenposition einer Blende zu finden;
4A eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Arraydetektors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4B eine schematische Darstellung eines zweidimensionalen Arraydetektors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
4C eine schematische Darstellung eines linearen Arraydetektors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 ist ein Beispiel für eine allgemeine Materialbearbeitungsvorrichtung 10 dargestellt, in die die Laserkalibrierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung integriert ist. Vorrichtung 10 enthält einen Quellaser 12 zum Erzeugen eines einzigen Laserstrahls. Der Strahl 14 wird zu einem Dämpfungsglied 16 geschickt, um die Energiedichte des Strahls 14 zu reduzieren, damit ein gedämpfter Strahl 17 erzeugt wird. Der gedämpfte Strahl 17 läuft zu einem Teiler 18, damit der Strahl 17 in zwei Komponenten 20a, 20b geteilt wird. Der Strahl 20a läuft zu einem ersten Scanpositionierungssystem wie etwa einem Galvanometerpaar 22, um einen Strahl 26 zu erzeugen, und Strahl 20b läuft zu einem zweiten Scanpositionierungssystem wie etwa einem Galvanometerpaar 24, um den Strahl 28 zu erzeugen. Die Galvanometer 22 und 24 sind Mehrfachreflektoreinrichtungen, mit denen der Winkel der Ausgangsstrahlen 26 und 28 justiert wird.
Die Strahlen 26 und 28 werden durch eine Scanlinse 30 geschickt, um ein Paar Ausgangsstrahlen 32a, b zu erzeugen. Die Ausgangsstrahlen 32a, b werden auf eine Blende 34 in einem X-Y-Tisch 36 gelenkt. Ein Detektor 38 ist in direkter Linie und in der Nähe der Blende 34 in einem X-Y-Tisch 36 montiert. Über ein Steuermodul 40 wird der Betrieb des Detektors 38, des Lasers 12, des Dämpfungsglieds 16, des Teilers 18 und der Galvanometerpaare 22 und 24 gesteuert. Der Fachmann versteht, daß das gleiche Verfahren gleichermaßen für einen einzelnen Strahl oder mehr als zwei Strahlen gelten würde.
Eine vergrößerte Ansicht der Blende 34 und des Detektors 38 ist in den 2A und 2B dargestellt. Das Kalibrierungsverfahren der vorliegenden Erfindung detektiert die Position des beweglichen fokussierten Laserstrahls 32a, b relativ zu der bekannten Position der Blende 34 unter Verwendung des Detektors 38 mit der darüber plazierten Blende 34.
Der Strahl 32a oder b wird über die Blende 34 gescannt, während das Steuermodul 40 den Detektor 38 überwacht. Mit vom Detektor 38 zum Steuermodul 40 geschickten Signalen wird der Strahl 32a oder b gesteuert, indem ein Profil des Detektorsignals als Funktion der Scannerposition bestimmt wird. Indem eine Scanposition aufgezeichnet wird, die mit dem Rand der Blende 34 zusammenfällt und die einem benutzerdefinierten Schwellwertpegel am Detektor 38 entspricht, kann die einer Mitte 60 der Blende 34 entsprechende Scanposition als in der Mitte zwischen den Scanpositionen befindlich bestimmt werden, wo ein Schwellwertpegel detektiert wird. Beispielsweise ist: x-Mitte 60 = (X-Position-linker Schwellwert + X-Position-rechter Schwellwert)/2 Eine graphische Darstellung einer typischen Implementierung dieser Prozedur ist in 3B gezeigt.
Mit dem Fachmann wohlbekannten anderen Formeln kann die x-Mitte 60 berechnet werden, um Ungleichförmigkeiten in der Form der Strahlen 32a, b zu kompensieren oder das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Ein zweiter Scan des Laserstrahls 32a oder 32b über die Blende 34 erfolgt in einer senkrechten Richtung, um die Scanposition zu bestimmen, die der y-Mitte der Blende 34 entspricht. Aus diesen beiden senkrechten Scans des Laserstrahls 32a oder 32b werden die x- und y-Scannerkoordinaten zum präzisen Plazieren des Strahls 32a oder 32b an der bekannten Stelle der Mitte 60 der Blende 34 berechnet. Indem Koordinaten für Galvanometerpaa re 22 oder 24 auf diese berechneten Koordinaten eingestellt werden, kann der Laserstrahl 32a, b an der gleichen Position plaziert werden, an der sich die Blende während der ursprünglichen Scans befand.
Ein alternatives Verfahren zum Finden der Mitte der Blende besteht darin, den Strahl 32a, b über die Blende 34 zu scannen, um mehrere Punkte (Scanner-X-, Y-Koordinaten werden für jeden Punkt aufgezeichnet) auf dem Umfang der Blende 34 oder entlang dem Umkreis der Blende 34, wenn die Blende 34 nicht kreisförmig ist, zu finden und dann dem Fachmann wohlbekannte Formeln zu verwenden, um die Mitte 60 der Blende 34 zu berechnen.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der zwei Galvanometerspiegel dazu verwendet werden, den Laserstrahl 32a oder 32b zu scannen, würden die Scannerkoordinaten dem Winkel der beiden Galvanometerspiegel in den Galvanometern 22, 24 entsprechen. Um die Laserstrahlen 20a, b durch die Scanlinse 30 zu lenken, kann jedoch jedes Strahlscanverfahren (z. B. Polygon, akusto-optisch) verwendet werden.
Nach dem Finden der Scanposition, die der Mitte 60 der Blende 34 entspricht, wird die Blende 34 an eine andere Stelle innerhalb eines Arbeitsfelds 62 der Scanlinse 30 bewegt. In der Regel wird die Blende 34 durch einen Präzisionsbewegungstisch mit einer Auflösung in der Größenordnung von 1 μm bewegt. Bei der neuen Blendenposition wird der (oben erörterte) Blendenfindungsprozeß wiederholt, um die Position der Galvanometer 22, 24 zu bestimmen, die der neuen Stelle entspricht. Über eine Reihe von Zyklen werden die Scannerkoordinaten bestimmt, die einem Gitter 64 von Blendenpositionen (siehe 2C) entsprechen. Anhand des Gitters 64 können die Scannerkoordinaten für jeden Punkt innerhalb des Felds 62 unter Verwendung wohlbekannter Interpolations- oder Extrapolationsverfahren berechnet werden. Die Auflösung und Genauigkeit der Technik ist nur durch die Auflösung des Scanmechanismus und des Blendenpositioniergeräts begrenzt.
Mit dem Dämpfungsglied 16 wird die Intensität (ohne Abweichung) des Laserstrahls 14 reduziert. Ein Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, ein Shuttle 80 mit einer kleinen Blende 82 im wesentlichen in der Mitte des Laserstrahls 14 vor einer Fokussierlinse 84 während des oben erwähnten Blendenbearbeitungsverfahrens zu plazieren.
Durch das Plazieren der Blende 82 vor der Linse 84 wird sichergestellt, daß die Intensität am Linsenbrennpunkt signifikant niedriger ist, wodurch das Problem einer Beschädigung am Detektor 38 oder der Blende 34 reduziert oder eliminiert wird. Die Blende 82 reduziert die Intensität auf einem beliebigen Werkstück (auf dem X-Y-Tisch 36 positioniert) über zwei Mechanismen. Zuerst ist die Blende 82 kleiner als der Laserstrahl 14, was die Energiemenge senkt, die von der Linse 84 fokussiert wird. Zweitens reduziert die Blende 82 die Größe des Laserstrahls 14 an der Fokussierlinse 84. Dieser Effekt erhöht die Größe des Laserstrahls 14 am Laserbrennpunkt (wie in 3A dargestellt).
Ein Beispiel ist unten angegeben:
Fleckdurchmesser am Brennpunkt:
≈ 2,44·(Brennweite)·(Wellenlänge)/(Fleckdurchmesser bei der Linse).
Sogar bei nicht idealen Lasern und Linsen gilt die obige Formel im wesentlichen. Wenn beispielsweise die in Strahl 14 vor der Fokussierlinse 84 plazierte Blende 82 einen Durchmesser aufweist, der gleich 10% des Strahldurchmessers an diesem Punkt ist, wird die Intensität (W/cm²) des Strahls 32a, b in der Werkebene um einen Faktor von etwa 10.000 reduziert. Weil das von der Blende 82 durchgelassene Licht vollständig unabgelenkt ist, entspricht die Mitte des fokussierten Strahls im wesentlichen der Mitte des Strahls, der von der vor der Linse befindlichen Blende nicht gedämpft ist.
Ein alternatives Verfahren zum Dämpfen des Laserstrahls 14 besteht darin, eine teildurchlässige Optik oder eine Serie von teildurchlässigen Optiken in dem Strahl vor der Linse anzuordnen. Um effektiv zu sein, darf das teildurchlässige Element nicht den Winkel oder die Position des durchgelassenen Strahls verändern. Ein weiteres alternatives Verfahren besteht darin, die Laserleistung auf einen ausreichend niedrigen Pegel herunterzudrehen, um zu verhindern, daß die Zielblende nach der Linse beschädigt wird, doch ist dies oftmals aufgrund des eingeschränkten Dynamikarbeitsbereichs von typischen erhältlichen Lasern nicht möglich.
Als weitere Alternative wird anstelle eines einzelnen Detektors 38 ein Array von Fotodetektoren 100 (z.B. eine CCD) verwendet, um den Laserstrahl 14 zu detektieren, ohne die Blende 34 zu verwenden, wie in 4A gezeigt. Die in 4A gezeigte Anordnung liefert eine präzise fokussierte Strahlposition, ohne daß der Laserstrahl 14 gescannt werden muß. Die Mittenposition des fokussierten Laserstrahls kann bestimmt werden, indem der Schwerpunkt der beleuchteten Pixel bestimmt und die Intensität in jedem Pixel gewichtet wird. Die Berechnung kann in periodischen Intervallen (der Zeit oder Inkrementen der Bewegung) oder mit voreingestellten Scannerkoordinaten durchgeführt werden.
Alternativ kann die Blende 34 mit einem Mehrfachelementdetektor 100 (z.B. zweidimensionalen Arraydetektor) verwendet werden, wie in 4B gezeigt. In diesem Fall könnte die Blende 34 als eine Referenzmarke zum Bestimmen der Position des fokussierten Strahls verwendet werden. Die Signale von dem Mehrfachelementdetektor 100 können entweder summiert und mit einem Referenzschwellwert verglichen oder individuell untersucht und direkt zum Berechnen des Strahlschwerpunkts verwendet werden.
Die Verwendung eines linearen Arraydetektors 120 oder eines zweidimensionalen Arrays 100 ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Scannerkoordinaten für zwei Scanner, wie in 4C gezeigt. Jeder Scanner lenkt einen Strahl zu geringfügig versetzten Positionen, so daß sich auf dem Detektor 120 zwei getrennte fokussierte Flecken befinden. Das Steuermodul 40 bestimmt die Mittenposition jedes Strahls und speichert die Scannerkoordinaten, die den Laserstrahl zu der gemessenen Stelle bewegen. Bei der Anordnung von 4C befinden sich die kalibrierten Punkte in dem Linsenfeld für verschiedene Scanner nicht notwendigerweise auf dem gleichen regelmäßigen Gitter. Die Interpolations- und Extrapolationsroutinen, die zum Berechnen von Scannerpositionen benötigt werden, um jeden Strahl zu Bearbeitungsstellen zu lenken, werden infolgedessen geringfügig differieren.
Unter Bezugnahme auf 1 der vorliegenden Anmeldung bohren die Strahlen 32a, b Löcher (oder nichtdurchgehende Kontaktlöcher) in eine an dem X-Y-Tisch 36 befestigten Platte. Die Strahlen 32a, b werden durch mindestens eine Scanlinse 30, die über der Platte montiert ist, in Felder auf der Platte fokussiert. Durch eine einzelne Scanlinse 30 kann mehr als ein Strahl fokussiert werden. Paare von Galvanometern 22, 24, die über der Scanlinse 30 befestigt sind, scannen die Laserstrahlen 32a, b durch die Linsen und erzeugen Felder (eine typische Größe würde beispielsweise 2'' × 2'' sein) auf der Platte darunter (d.h. auf dem Tisch 36 ruhend).
Die Position der Galvanometer 22, 24 wird durch ein Steuersignal vom Steuermodul 40 befohlen. Das Steuermodul 40 ist verantwortlich für das Bewegen der Platte in der X-Y-Ebene (unter Verwendung des Tischs 36), für das Steuern der Höhe der Scanlinse 30 in der Z-Achse (zum Justieren des Laserstrahlbrennpunkts auf der Platte), für das Ansteuern der Galvanometer 22, 24, die die Laserstrahlen 32a, b in der X-Y-Ebene positionieren, und das jeweilige Ein- und Ausschalten des Lasers 12 während des Bohrens. Fehler in den Linsen, ein Toleranzaufbau bei allen optischen Komponenten und Nichtlinearitäten der Galvanometersteuersignale erzeugen Verzerrungen in dem Feld, weshalb ein Mittel zum präzisen Kalibrieren des Systems erforderlich ist.
Bei einer Ausführungsform stellen die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen automatisierten Prozeß zum präzisen und automatischen Kalibrieren der Position der Laserstrahlen in den X-Y-Feldern bereit.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird verwendet zum Kalibrieren von Strahlen entweder unabhängig oder simultan. Das System kann die Kalibrierung des/der Strahlen automatisch testen, um zu bestimmen, ob eine Kalibrierung erforderlich ist, und gegebenenfalls die Kalibrierung an einem spezifischen Strahl vornehmen, oder es kann die Kalibrierung in vorbestimmten Intervallen vornehmen. Das System gestattet außerdem, daß Bediener gegebenenfalls die Einleitung einer automatischen Kalibrierung oder eines automatischen Tests anfordern.
Das Kalibrierungsverfahren verwendet den Detektor 38, um den Laserstrahl 32a, b zu lokalisieren, während er in dem X-Y-Feld 62 gescannt wird (beispielsweise ein Feld aus 2'' × 2''). Das Feld 62 ist eine Ebene, die auf der Oberfläche der Platte liegt, wo Löcher gebohrt werden. Pro Scanlinse 30 gibt es ein Feld 62. Der Detektor 38 ist an dem X-Y-Tisch 36 befestigt und kann präzise Positionsinformationen durch eine Rückkopplung an das Steuermodul 40 immer dann liefem, wenn der Laserstrahl 32a, b erfaßt wird.
Die über dem Detektor 38 positionierte Blende 34 wird dazu verwendet, die präzise Ortsreferenz des Detektors 38 zu definieren. Der Durchmesser der Blende 34 könnte größer oder kleiner sein als der Durchmesser des Laserstrahls 32a, b. Es sind die Ränder der Blende 34, die gefunden werden, wenn der Laserstrahl 32a, b im Feld 62 gescannt wird. Die Z-Achse wird dazu verwendet, diese Scanlinse 30 zu bewegen, um den Brennpunkt des Laserstrahls 32a, b auf oder in der Nähe der Oberfläche der Blende 34 zu positionieren. Der Kalibrierungsprozeß beginnt damit, daß das Steuermodul 40 den X-Y-Tisch 36 bewegt, um die Fotosensor-Blende-Kombination in dem zu kalibrierenden Feld 62 zu positionieren.
Das Steuermodul 40 schaltet dann den Laser 12 ein und befiehlt den Galvanometern 22, 24, den Laserstrahl 32a, b im Feld 62 zu scannen. Wenn der Laserstrahl 32a, b vom Detektor 38 erfaßt wird, verwendet das Steuermodul 40 einen Suchalgorithmus (beispielsweise siehe 3B), um die Ränder der Blende 34 zu finden. Wenn jeder Rand gefunden ist, zeichnet das Steuermodul 40 die befohlene Galvanometerposition und die Tischposition auf und berechnet mit diesen Informationen Scannerkoordinaten für diese Stelle im Feld 62. Das Steuermodul 40 bewegt dann den X-Y-Tisch 36 zu einer anderen Stelle im Feld 62 und wiederholt den Prozeß, um die Blendenränder zu finden.
Dieser Prozeß wird gegebenenfalls an vielen Stellen im Feld 62 (beispielsweise 25 Positionen in einem 2'' × 2''-Bereich – siehe 2C) wiederholt, um eine genaue Abbildung des Felds 62 in Scannerkoordinaten zu erzeugen. Das Steuermodul 40 verarbeitet anhand eines Steueralgorithmus, der mindestens ein Polynom erster Ordnung enthält, die gesammelten Positionsinformationen, um eine Koordinatenkarte des Felds 62 zu interpolieren. Mit der Koordinatenkarte können dann Feldverzerrungen korrigiert werden, indem neue, dem Galvanometer befohlene Positionen für die angestrebten Positionen aus den Scannerkoordinaten für die gemessenen Positionen extrapoliert werden.
Das Verfahren zum Kalibrieren des Lasers 12 derart, daß eine Korrelation zwischen der Position des Laserstrahls 32a, b und der Position des Laserscanners 22, 24 hergestellt wird, kann wie folgt zusammengefaßt werden. Der Laserstrahl 14 wird gedämpft, um die Energiedichte zu reduzieren, damit eine Beschädigung am Fotodetektor 38 vermieden wird. Der Laserstrahl 32a, b wird über die Werkoberfläche 36 gescannt, wo er detektiert wird. Die Position des Laserstrahls 32a, b, wenn er vom Fotodetektor detektiert wird, wird mit der Position des Laserscanners 22, 24 korreliert, wenn der Laserstrahl 32a, b detektiert wird. Mit diesen korrelierten Daten wird die Mitte der Blende 34 auf der Werkoberfläche 36 oder die Scannerpositionskoordinaten, die einer Sollposition des Laserstrahls 32a, b entsprechen, bestimmt.
Der Kalibrierungsprozeß kann auf einen einzelnen Strahl oder auf mehrere Strahlen angewendet werden, die durch eine einzelne Scanlinse hindurchtreten. Ein einzelner Sensor kann verwendet werden, um mehrere Felder zu kalibrieren, bei denen mehrere Laserstrahlen durch jede Scanlinse hindurchtreten. Es können mehrere Sensoren verwendet werden, um mehrere Strahlen gleichzeitig und um mehrere Strahlen, die durch mehrere Scanlinsen hindurchtreten und mehrere Felder ausmachen, zu kalibrieren. Diese Optionen weisen die folgenden Vorzüge auf: Durch den Einsatz von weniger Sensoren werden die Kosten reduziert, bei Einsatz von mehreren Sensoren werden die Kalibrierungszeit und die Testzeit reduziert.
Durch die Verwendung von verschiedenen Arten von Sensoren können Laser mit verschiedenen Wellenlängen (IR-, UV-, sichtbarer Bereich) kalibriert werden. Durch das Kalibrieren von verschiedenen Laserwellenlängen kann das System verschiedene Arten von Materialien bearbeiten.
Eine der Fotosensorblenden (über den Sensoren angeordnete Blenden) können von einem Bilderkennungssystem verwendet werden, um Laserstrahlen präzise auf eine an dem X-Y-Tisch 36 befestigte Platte auszurichten. Der Vorzug der Verwendung dieser Blende, um das Bilderkennungssystem bezüglich der Laserstrahlen zu finden, besteht darin, daß ein zusätzlicher Toleranzaufbau eliminiert wird, weil die Laserstrahlen präzise auf die Ränder der Blende kalibriert werden.
Wenn ein weiteres Merkmal auf dem X-Y-Tisch 36 für die Ausrichtung verwendet würde, dann würden Änderungen an der Fotosensorblende 34, die möglicherweise Positionsfehler verursachen könnten, möglicherweise nicht detektiert. Diese Änderungen könnten das Ergebnis von Staub oder Beschädigung an der Blende 34 sein. Ein weiterer Vorzug besteht darin, daß es unnötig wird, Löcher in Platten zu bohren, mit denen dann das Bilderkennungssystem ausgerichtet würde. Dies reduziert die Kosten der Bilderkennungsausrichtung, weil es den Einsatz von Verbrauchsmaterialien (Testplatten) und Bedienerzeit zum manuellen Installieren der Testplatten eliminiert.
Da der Laserstrahl 32a, b in der Lage ist, den Fotosensor und die Fotosensorblende zu beschädigen, ist ein Mittel zu ihrem Schutz erforderlich. Es wurden zwei Verfahren entdeckt, die die Energiedichte des Laserstrahls auf einen Pegel reduzieren, der den Detektor 38 nicht sättigt und die Blende 34 nicht beschädigt. Außerdem führen diese Verfahren nicht zu Änderungen an der Zeigestabilität der Laserstrahlen, was zu Kalibrierungsfehlern führen könnte. Die beiden Verfahren beinhalteten das automatische Bewegen einer optisch dämpfenden Optik oder einer kreisförmigen Blende in den Laserstrahlweg vor der Kalibrierung (siehe 3A).
Es wurde ein Prozeß zum Testen der Kalibrierung der Laserstrahlen entwickelt, der schneller ist als der Kalibrierungsprozeß. Anstatt Kalibrierungsinformationen über alle Punkte (25) in dem Feld zu sammeln, wird zu Testzwecken eine Teilmenge von Punkten (beispielsweise 9) gesammelt. Die während des Tests gesammelten Daten werden mit Kalibrierungsdaten verglichen und Testdaten werden erstellt. Durch Reduzierungen bei der Testzeit wird ein Beitrag zu der Geschwindigkeitserhöhung insgesamt des vollautomatisierten Prozesses geliefert.
Zusammengefaßt stellt das Kalibrierungsverfahren/-system der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile bereit:

(1) Das System kann periodisch und automatisch ohne Bedienereingriff arbeiten;
(2) Es wird Zeit eingespart, da kein Bediener erforderlich ist, um eine Kalibrierungsvorrichtung zu installieren;
(3) Die Konstanz und Wiederholbarkeit der Kalibrierung ist verbessert, weil der Prozeß automatisiert ist.
(4) Kalibrierungsdaten können zur statistischen Untersuchung gesammelt und protokolliert werden;
(5) Kalibrierungsdaten können an andere Prozesse weitergegeben werden, die die Informationen in ihrem Prozeß verwenden könnten, wie etwa für die Planung von Wartung; und
(6) Die Gesamtkosten für das Bohren von Löchern in Tafeln wird reduziert, weil die Kalibrierungsgeschwindigkeit zunimmt, es gibt weniger Tafelausschuß wegen der erhöhten Konstanz, und für die Kalibrierung wird kein Verbrauchsmaterial (Testplatten) benötigt.

Claims

Verfahren zum Korrelieren von Scannerpositionskoordinaten eines Laserscanners (22, 24) mit Strahlpositionskoordinaten eines fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) zum Verbessern der Positionsplazierungsgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b), wobei das Verfahren folgendes beinhaltet: Scannen des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) über ein interessierendes Gebiet auf einer Arbeitsfläche (36); wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Detektieren des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b), der an einem Fotodetektor (38) empfangen wird, der mit der Arbeitsfläche (36) zusammenhängt, wobei ein Ort des detektierten fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) Strahlpositionskoordinaten erzeugt; und Bilden von Scannerpositionsdaten als Funktion von Strahlpositionsdaten durch Erzeugen von Assoziationen zwischen Strahlpositionskoordinaten und Scannerpositionskoordinaten entsprechend der Position des Laserscanners (22, 24), wenn der fokussierte Laserstrahl (32a, 32b) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Scannens des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) den Schritt des Verwendens von vorbestimmten Scannerpositionskoordinaten zum Scannen und Detektieren des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der fokussierte Laserstrahl (32a, 32b) zu vorbestimmten Intervallen von dem Fotodetektor (38) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmten Intervalle Zeitintervalle sind.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vorbestimmten Intervalle Raumintervalle sind.
Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin den Schritt des Senkens der Energiedichte des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) vor dem Scannen des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) beinhaltet.
Vorrichtung (10) zum Korrelieren von Scannerpositionskoordinaten eines Laserscanners (22, 24) mit Strahlpositionskoordinaten eines fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) zum Verbessern der Positionsplazierungsgenauigkeit des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b), wobei die Vorrichtung (140) einen Laserscanner (22, 24) mit Scannerpositionskoordinaten beinhaltet zum Scannen des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) über ein interessierendes Gebiet auf einer Arbeitsfläche (36); wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: einen Fotodetektor (38), der mit der Arbeitsfläche zusammenhängt, zum Detektieren, wann der fokussierte Laserstrahl (32a, 32b) an der Arbeitsfläche (36) empfangen wird, wobei ein Ort des detektierten fokussierten Laserstrahls (32a, 32b) Strahlpositionskoordinaten erzeugt; und ein Datenbildungsmittel zum Bilden von Scannerpositionsdaten als Funktion von Strahlpositionsdaten durch Erzeugen von Assoziationen zwischen Strahlpositionskoordinaten und Scanner positionskoordinaten entsprechend der Position des Laserscanners (22, 24), wenn der fokussierte Laserstrahl (32a, 32b) detektiert wird.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Fotodetektor (38) zum Detektieren des fokussierten Laserstrahls ein Array von Fotodetektoren (100) ist, wobei jeder Fotodetektor mehrere Pixel aufweist und das Positionsbestimmungsmittel folgendes umfaßt: Mittel zum Berechnen eines intensitätsgewichteten Schwerpunkts von Pixeln in den von dem fokussierten Laserstrahl (32a, 32b) beleuchteten Fotodetektoren und Verwenden des intensitätsgewichteten Schwerpunkts als die Scannerpositionskoordinaten, wenn die Scannerpositionsdaten als Funktion der Strahlpositionsdaten gebildet werden.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, weiterhin mit einem Laserstrahldämpfungsglied (16) zum Reduzieren der Energiedichte des fokussierten Laserstrahls (32a, 32b).