TW202023735A - 用於切割透明和半透明基板的基於激光的系統 - Google Patents

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Abstract

公開了一種用於高效地切割透明基板的系統。該系統包括與至少一個多焦點光學系統光通信的激光源。激光源向光學系統輸出至少一個光信號。光學系統定位在激光源與待切割的基板之間。光學系統包括可拆卸地耦接到至少一個基部構件的至少一個殼體。在其中形成有一個或多個孔口的一個或多個板構件可以耦接到殼體、基部構件中的至少一者或其二者。形成在板構件上的孔口可以被配置成允許光信號進入和離開光學系統。各種光學子組件可以被定位在光學系統內或耦接到光學系統。

Description

用於切割透明和半透明基板的基於激光的系統
所公開的主題涉及一種用於切割基板的系統，更特別地，所公開的主題涉及一種用於激光切割透明和半透明基板的系統。
透明和半透明基板諸如玻璃基板目前在大量應用中使用。例如，大部分消費者電子設備諸如移動電話、“智能”電話、平板電腦等包括玻璃和/或玻璃狀基板，用以保護顯示設備等。此外，包括觸屏技術顯示器的電子設備變得常見。另外，透明和半透明基板諸如各種玻璃常用於航空航天應用、醫療設備、製造系統等。因此，目前製造各種大小和形狀的玻璃基板，其中形成有各種幾何特徵。
目前，存在用於製造玻璃基板的許多工藝。例如，機械鑽削、切割、噴砂和表面拋光一定程度上都是用於在玻璃基板中製作各種特徵的工藝。雖然這些機械工藝經證明在過去是有些用處的，但已確定了許多缺點。例如，機械加工中使用消耗材料。這樣，取决於消耗材料的成本，加工的成本多少是可變的。此外，機械加工可能是勞動密集、耗時的工藝。
然而，越來越多地使用基於激光的光學系統加工玻璃或類似的透明或半透明基板。圖1示出了用於加工玻璃或類似的透明/半透明基板的現有技術的基於激光的光學系統的示意圖。如圖所示，基於激光的光學系統1包括被配置成輸出激光信號5的激光源3。激光信號5被至少一個光束定向器7定向至基板13，至少一個光束定向器7將激光信號5引入橫向分布設備9。橫向分配設備9被配置成形成多個橫向移位的輸出信號11a、11b、11c，多個橫向移位的輸出信號11a、11b、11c被定向至基板13。因此，橫向移位的輸出信號11a、11b、11c在基板13內形成多個橫向移位的處理區域15a、15b、15c。一旦在基板13內形成多個橫向移位的處理區域15a、15b、15c，就可以向基板13施加分離力，以沿期望的線分離基板13。與機械工藝不同，上文描述的基於激光的處理不需要使用消耗材料。另外，高質量激光加工的玻璃基板相比於機械加工需要更少的後加工（即，拋光等）。
雖然用於加工玻璃或類似的透明或半透明基板的基於激光的光學系統相對於機械玻璃切割系統提供了若干優點，但是已經確定了許多缺點。例如，在基板13內形成單行多個橫向移位的處理區域15a、15b和15c可能造成分離線與期望路徑不同。另外，在基板13內形成單行多個橫向移位的處理區域15a、15b和15c可能造成分離邊緣不太均勻，因而需要後加工。
最近，開發了在基板內形成多個軸向移位的加工區域的若干玻璃切割系統。如圖所示，在圖2a至圖2d中，用於玻璃加工的基於激光的光學系統可以被配置成在基板內形成多個軸向移位的加工區域。如圖所示，基板13經受光信號5。參照圖2a，光信號5被配置成在基板13的本體19內形成第一加工區域17a。如圖所示，第一加工區域17a可以位於本體19的第二表面23附近。然後，如圖2b所示，與第一加工區域17a軸向移位的第二加工區域17b可以形成在本體19內的中點處。如圖2c所示，與第二加工區域17b軸向移位的第三加工區域17c可以靠近本體19的第一表面21。如圖2d所示，在本體19內形成了多個軸向加工區域17a、17b、17c。因此，沿多個軸向移位的加工區域的線分離玻璃基板提供比現有技術方法較均勻的邊緣，需要較少的後加工。然而，通常該工藝方法需要使光信號5在基板13內的多個位置處連續地聚焦以形成多個加工區域，因而增加了加工時間。此外，在基板內精確且重複地定位多個軸向移位的加工區域經證明是困難的。
鑒於前文所述，目前需要有效且高效地將透明和半透明基板切割成各種期望形狀的方法和設備。
提供本發明內容是爲了介紹與用於在用戶的設備上對給用戶的通知進行優先級排列和安排的系統和方法相關的概念，這些概念在具體實施方式中進一步描述。本發明內容並不意在確定要求保護的主題的必要特徵，也不意在用於確定或限制要求保護的主題的範圍。
在一實現方式中，公開了一種用於切割基板的基於激光的系統。該系統包括被配置成輸出光信號的激光源。該系統還包括與至少一個激光源光通信的光學系統。光學系統定位在至少一個激光源與待切割的基板之間。光學系統從至少一個激光源接收光信號。至少一個激光源與光學系統之間可能放置了可以預調整或以其他方式修改光信號的至少一種光學特性的一個或多個濾光器、透鏡或其他光學元件。光學系統包括耦接到至少一個殼體的至少一個基部構件。耦接可以是可拆卸地或非可拆卸地。光學系統還包括與至少一個殼體或至少一個基部構件耦接的一個或多個板構件，其中，一個或多個板構件包括被配置成進入或離開光學系統的一個或多個孔口。光學系統還可以包括被配置成使來自至少一個激光源的光信號准直和/或擴展該光信號的直徑的至少一個光束擴展器。此外，光學系統包括被配置成生成高分辨率均勻功率分配的光信號的至少一個光束成形器、一個或多個光束定向器以及至少一個多帶透鏡組件。至少一個多帶透鏡組件被配置成使光信號聚焦到基板上的多個離散位置。
通過閱讀下文的具體實施方式，本公開內容的其他和另外的方面和特徵將變得明顯，具體實施方式意在說明而非限制本公開內容。
下文參照各圖式詳細解釋了所公開的實施方式的一些創造性方面。實施方式被描述以說明所公開的主題，並非限制所公開的主題的範圍，所公開的主題的範圍由申請專利範圍限定。所屬技術領域中具有通常知識者將辨認出下文的描述中提供的各種特徵的許多同等變型。
在本說明書通篇，提及“各實施方式”、“一些實施方式”、“一個實施方式”或“一實施方式”指結合該實施方式描述的特定特徵、結構或特性包括在至少一個實施方式中。因此，本說明書通篇各處出現的短語“在各實施方式中”、“在一些實施方式中”、“在一個實施方式中”或“在一實施方式中”不一定均指同一實施方式。此外，該特定特徵、結構或特性可以在一個或多個實施方式中以任何適合的方式組合。
本申請針對用於用激光束高效地切割透明材料從而將單片材料確定地分離成兩片或多片的系統。雖然本文包括的描述討論的是切割玻璃基板，但所屬技術領域中具有通常知識者將理解可以使用本文描述的方法和設備將各種透明和半透明基板切割成各種形狀。示例性基板材料包括但不限於：玻璃、加强玻璃、矽基材料、陶瓷聚合物、聚合材料和複合物、晶體等。此外，本文描述的工藝和設備還可以用於直線切割和曲線切割。
圖3示出了根據實施方式的方面的基於激光的系統30。示出了用於切割基板的基於激光的系統30的示意圖。根據本發明的一實施方式，基板可以是透明基板或半透明基板。
基於激光的切割系統30包括與至少一個多焦點光學系統40光通信的至少一個激光源32。光學系統40位於激光源32與基板50之間。根據本發明的一實施方式，光學系統40包括可拆卸地耦接到至少一個基部構件72的至少一個殼體70。在替代實施方式中，殼體70可以非可拆卸地耦接到基部構件72。其中形成有一個或多個孔口76的一個或多個板構件74可以耦接到殼體70、基部構件72中的至少一者或其二者。形成在板構件74上的孔口76可以被配置成允許光信號34進入光學系統40。此外，孔口76可以允許輸出信號42離開光學系統40。
根據本發明的一實施方式，激光源32包括被配置成輸出波長在約1064nm的範圍內的光信號的q開關Nd:YAG激光器。在本發明的另一實施方式中，激光源32包括脈衝超快激光系統。在本發明的另一實施方式中，激光源32包括皮秒激光源。在本發明的另一實施方式中，激光源32包括亞皮秒激光源。替代性地，在本發明的另一實施方式中，激光源32包括光纖激光器或光纖放大器。所屬技術領域中具有通常知識者將理解本系統可以使用各種激光源，包括但不限於准分子激光器、CO2 激光器、光參量振蕩器（OPA）、半導體激光器、固態激光器等。此外，在所示實施方式中，使用單個激光源。所屬技術領域中具有通常知識者將理解，可以使用任何數量的激光源。
根據本發明的又一實施方式，光信號34具有高斯光束輪廓36，這是激光系統特別是Nd:YAG激光系統的輸出特有的。光信號34被引入光學系統40。可選地，一個或多個濾光器、透鏡或其他光學元件可以預調整或以其他方式修改光信號34的至少一種光學特性。例如，可以使用一個或多個濾光器、斬波器、q開關、調製器等在光信號34進入光學系統40之前對光信號進行預調整。
此外，各種光學子組件可以根據本發明的一實施方式被定位在光學系統40內或者根據本發明的一替代實施方式耦接到光學系統，如圖3和圖4所示。例如，如圖3至圖4所示，至少一個光束擴展器組件80可以定位在光學系統40的殼體70內。在一個實施方式中，光束擴展器組件80可以被配置成使光信號34准直和/或擴展光信號的光束直徑。這樣，光束擴展器組件80可以包括各種透鏡、透鏡組件、光栅、鏡、濾光器等。例如，在一個實施方式中，光束擴展器組件80被配置成將光信號34的直徑增加至預定的光束直徑。在本發明的另一實施方式中，光束擴展器組件80被配置成選擇性地將光信號34的直徑增加至可變的光束直徑。
另外，一個或多個濾光器、透鏡或其他光學元件可以放置在激光源32與光學系統40之間，以預調整或以其他方式修改光信號34的至少一種光學特性。例如，可以使用一個或多個濾光器、斬波器、q開關、調製器等在光信號34進入光學系統40之前對光信號進行預調整。
如圖3至圖4所示，至少一個光束成形器組件82可以定位在光學系統40的殼體70內。在本發明的一個實施方式中，光束成形器組件82可以被配置成由通過激光源32生成的具有高斯輪廓36的光信號34生成具有平頂輪廓44的高分辨率均勻功率分布的光信號。這樣，光束成形器組件82可以包括各種透鏡、透鏡組件、光栅、鏡、濾光器等。
如圖3至圖4所示，光學系統40其中可以包括一個或多個光束定向器84。根據本發明的一實施方式，光束定向器84包括鏡、光栅等，但不限制本發明的範圍。除此以外，根據本發明的另一實施方式，至少一個多帶透鏡組件86可以定位在光學系統40內。在一個實施方式中，多帶透鏡組件86可以包括被配置成使光信號34聚焦至基板50的多個離散位置的一個或多個光學部件。在一個實施方式中，多帶透鏡組件86包括至少一個梯度折射率透鏡。在替代方案中，多帶透鏡組件86可以包括一個或多個附加光學元件，包括但不限於非球面透鏡、波帶片、菲涅爾透鏡和板、透鏡系統等。
根據本發明的一實施方式，如圖3所示，至少一個光學元件46可以定位在光學系統40外部。例如，光學元件46可以包括至少一個物鏡或透鏡系統。在替代方案中，光學元件46可以包括一個或多個傳感器、攝像頭、濾光器、鏡、定位系統等。
現在參照圖5a，其示出了成梯度透鏡折射率（GRIN透鏡）輪廓的多焦點透鏡。梯度折射率透鏡90可以在多帶透鏡組件86的一實施方式中使用。梯度折射率透鏡90可以被配置成使入射的光信號聚焦至第一聚焦帶92a、第二聚焦帶92b和至少第三聚焦帶92c。
現在參照圖5b，圖5b示出了成多個曲率半徑的多焦點透鏡。如圖所示，透鏡94包括被配置成使入射的光信號聚焦至第一聚焦帶96a、第二聚焦帶96b和至少第三聚焦帶96c的帶。
現在參照圖6，其示出了根據本發明的另一實施方式的用於切割基板的基於激光的切割系統110。該實施方式在描述的結構上與光學系統30的前一實施方式類似。光學系統110可以包括被配置成輸出至少一個光信號114的激光源112，至少一個光信號114被引入至少一個光學系統116。如前一實施方式一樣，如上所述，光學系統116被配置成輸出被配置成在基板124內形成多個軸向移位的加工區域的至少一個多帶光信號118（經多帶透鏡組件86）。此外，多帶光信號118可以被引入至少一個分束器或被配置成輸出多個橫向移位的輸出信號122的類似設備，每個輸出信號122被配置成在基板124內形成多個軸向移位的加工區域。
現在參照圖7，其示出了用於切割基板的基於激光的切割系統130的又一實施方式。如上所述，基板可以是透明的或半透明的。與圖3至圖4所示的光學系統40的前一實施方式類似，光學系統130包括被配置成輸出至少一個光信號134的激光源132，至少一個光信號134被引入至少一個分束器136或類似設備。分束器136被配置成輸出多個橫向移位的光信號138。多個光信號中的至少一個橫向移位的光信號138可以被引入光學系統140。光學系統140被配置成輸出被配置成在基板144內形成多個軸向移位的加工區域的至少一個多帶光信號142。
本文所用的術語僅是爲了描述特定實施方式，並不意在限制本公開內容。將理解，上文公開的特徵和功能以及其他特徵和功能中的若干特徵和功能或其替代物可以結合到其他系統或應用中。在不脫離由所附申請專利範圍涵蓋的本公開內容的範圍的情况下，所屬技術領域中具有通常知識者之後可以做出各種目前未預見或未預料的替代方案、修改、變型或改進。
申請專利範圍——如最初提出的並且可以進行修改的——涵蓋本文公開的實施方式及教導的變型、替代方案、修改、改進、等同物和實質性等同物，包括目前未預見或未預料的以及例如可以由申請人、專利權人和其他人想到的變型、替代方案、修改、改進、等同物和實質性等同物。
將理解，上文公開的特徵和功能以及其他特徵和功能的變型或其替代物可以結合到許多其他不同的系統或應用中。其中的各種目前未預見或未預料的替代方案、修改、變型或改進可以由所屬技術領域中具有通常知識者之後做出，其也意在被所附申請專利範圍涵蓋。
1:光學系統 3:激光源 5:光信號/激光信號 7:光束定向器 9:橫向分布設備 11a、11b、11c:輸出信號 13:基板 15a、15b、15c:處理區域 17a:第一加工區域 17b:第二加工區域 17c:第三加工區域 19:本體 21:第一表面 23:第二表面 30:系統 32:激光源 34:光信號 36:高斯光束輪廓 40:光學系統 42:輸出信號 44:平頂輪廓 46:光學元件 50:基板 70:殼體 72:基部構件 74:板構件 76:孔口 80:光束擴展器組件 82:光束成形器組件 84:光束定向器 86:多帶透鏡組件 90:透鏡 92a:第一聚焦帶 92b:第二聚焦帶 92c:第三聚焦帶 94:透鏡 96a:第一聚焦帶 96b:第二聚焦帶 96c:第三聚焦帶 110:系統 112:激光源 114:光信號 116:光學系統 118:多帶光信號 122:輸出信號 124:基板 130:系統 132:激光源 134:光信號 136:分束器 138:橫向移位的光信號 140:光學系統 142:多帶光信號 144:基板
通過參照圖式將最佳地理解所示出的本主題的實施方式，其中，類似的部分通篇用類似的圖式符號指示。下文的描述僅意爲示例性的，並且僅示出了與本文要求保護的主題一致的設備、系統和工藝的某些選取的實施方式。
圖1是用於加工玻璃或類似的透明/半透明基板的現有技術的基於激光的光學系統的示意圖；
圖2a至圖2c示出了用於玻璃加工的基於激光的光學系統可以被配置成在基板內形成多個軸向移位的加工區域；
圖2d示出了基板的多個軸向移位的加工區域；
圖3至圖4是用於高效地切割透明基板的光學系統的實施方式的示意圖；
圖5a示出了成GRIN透鏡輪廓的多焦點透鏡；
圖5b示出了成多個曲率半徑的多焦點透鏡；
圖6示出了根據本發明的另一實施方式的光學系統；
圖7示出了根據本發明的又一實施方式的光學系統。
30:系統
32:激光源
34:光信號
36:高斯光束輪廓
40:光學系統
42:輸出信號
44:平頂輪廓
70:殼體
76:孔口
80:光束擴展器組件
84:光束定向器

Claims (20)

  1. 一種用於切割基板的基於激光的系統，包括： 至少一個激光源，所述至少一個激光源被配置成輸出光信號； 至少一個光學系統，所述至少一個光學系統與所述至少一個激光源光通信，其中，所述至少一個光學系統被定位在所述至少一個激光源與所述基板之間，其中，所述至少一個光學系統包括： 至少一個基部構件； 至少一個殼體，所述至少一個殼體與所述至少一個基部構件耦接； 一個或多個板構件，所述一個或多個板構件與所述至少一個殼體或所述至少一個基部構件耦接，其中，所述一個或多個板構件包括一個或多個孔口，所述一個或多個孔口被配置成進入或離開所述至少一個光學系統； 至少一個光束擴展器，所述至少一個光束擴展器被配置成使所述光信號准直和/或擴展所述光信號的直徑； 至少一個光束成形器，所述至少一個光束成形器被配置成生成高分辨率均勻功率分布的光信號； 一個或多個光束定向器；以及 至少一個多帶透鏡組件，所述至少一個多帶透鏡組件被配置成使所述光信號聚焦到所述基板上的多個離散位置。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個激光源包括q開關Nd:YAG激光器。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的系統，其中，所述至少一個激光源被配置成輸出波長約1064nm的所述光信號。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個激光源還包括脈衝超快激光系統。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個激光源還包括皮秒激光源。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個激光源還包括亞皮秒激光源。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個激光源還包括光纖激光器或光纖放大器。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個殼體可拆卸地耦接到所述至少一個基部構件。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個殼體非可拆卸地耦接到所述至少一個基部構件。
  10. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個光束擴展器包括透鏡、透鏡組件、光栅、鏡和濾光器。
  11. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個光束擴展器被配置成將所述光信號的直徑增加至預定的光束直徑。
  12. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個光束擴展器被配置成選擇性地將所述光信號的直徑增加至可變的光束直徑。
  13. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述光束成形器組件被配置成生成具有平頂輪廓的高分辨率均勻功率分布的光信號。
  14. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述多帶透鏡組件包括至少一個梯度折射率透鏡。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的系統，其中，所述至少一個梯度折射率透鏡被配置成使所述光信號聚焦至第一聚焦帶、第二聚焦帶和第三聚焦帶。
  16. 根據申請專利範圍第14項所述的系統，其中，所述至少一個梯度折射率透鏡具有多個曲率半徑。
  17. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個光學系統被配置成輸出至少一個多帶光信號，所述至少一個多帶光信號被配置成在所述基板內形成多個軸向移位的處理區域。
  18. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述至少一個光學系統被配置成輸出多個橫向移位的輸出信號。
  19. 根據申請專利範圍第18項所述的系統，其中，所述多個橫向移位的輸出信號中的每個信號被配置成在所述基板內形成多個軸向移位的處理區域。
  20. 根據申請專利範圍第1項所述的系統，其中，所述基板是透明基板或半透明基板。
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