專利名稱：一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種集激光高速精細(xì)掃描與大幅面掃描于一體的激光動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)的激光加工裝置。
背景技術(shù)：
三維動態(tài)掃描聚焦系統(tǒng)一般也叫做3D動態(tài)掃描或者3維掃描系統(tǒng)。在三維動態(tài)掃描聚焦系統(tǒng)中，掃描振鏡被放置于三維動態(tài)聚焦鏡的后方，三維動態(tài)聚焦鏡系統(tǒng)一般包括可移動的一個或多個聚焦透鏡鏡片構(gòu)成的聚焦透鏡鏡片組，激光束通過聚焦透鏡鏡片組后，再經(jīng)過掃描振鏡的反射，最后才到達(dá)焦平面。利用一個傳動裝置沿光軸方向移動部分或者全部透鏡，改變透鏡鏡片之間的距離，從而可以再在二維或三維空間內(nèi)改變聚焦光點的位置，稱之為〃三維掃描"。如果動態(tài)聚焦鏡焦距固定不變，這個系統(tǒng)的聚焦面是一個曲面，根據(jù)工件平面每一點到聚焦鏡的距離，改變動態(tài)聚焦鏡的焦距，從而使聚焦后的光點全部聚到工件所在的平面內(nèi)，就是說，平場聚焦可以通過配合掃描振鏡的反射鏡的轉(zhuǎn)動并微調(diào)動態(tài)聚焦鏡系統(tǒng)內(nèi)透鏡鏡片之間的距離來實現(xiàn)。采用動態(tài)聚焦的振鏡掃描方式，由于可以將焦距拉長，從而增大了掃描面積。這種技術(shù)方案中存在的問題是，由于振鏡掃描范圍很大，激光焦點距離振鏡的距離較遠(yuǎn)，因此振鏡掃描控制激光焦點的位置精度較低，不能滿足大幅面激光掃描時局部范圍的高速高精度掃描需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種集激光高速精細(xì)掃描與大幅面掃描于一體的激光動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)的激光加工裝置，使得大幅面激光三維空間動態(tài)聚焦系統(tǒng)既可以進(jìn)行大幅面激光掃描，也可以進(jìn)行局部范圍的聞速聞精度掃描。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊，所述動態(tài)聚焦鏡包括至少兩個串聯(lián)的透鏡，所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個或至少兩個串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元用于對發(fā)射到其上的激光束進(jìn)行擺動和/或平移掃描調(diào)制，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括透射光學(xué)元件以及用于控制透射光學(xué)元件進(jìn)行擺動和/或平移運動的電機(jī)或電致伸縮元件。所述動態(tài)聚焦鏡通過動態(tài)調(diào)整內(nèi)部透鏡之間的間距，對發(fā)射到其上的入射激光束進(jìn)行動態(tài)聚焦，以形成第一光束，并將該第一光束發(fā)射到所述光束精細(xì)掃描模塊。所述光束精細(xì)掃描模塊，位于所述動態(tài)聚焦鏡輸出第一光束的一側(cè)，并對所述第一光束進(jìn)行空間運動調(diào)制，以形成發(fā)射到所述大幅面掃描模塊的第二光束。所述大幅面掃描模塊，位于所述光束精細(xì)掃描模塊輸出第二光束的一側(cè)，并對從所述光束精細(xì)掃描模塊輸出的第二光束進(jìn)行傳輸方位控制，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。
進(jìn)一步，所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡安裝在第一電機(jī)的主軸上，所述第二反射鏡安裝在第二電機(jī)的主軸上，所述第一電機(jī)主軸與所述第二電機(jī)主軸相互垂直，所述第一反射鏡用于接收并反射從所述光束精細(xì)掃描模塊發(fā)射過來的第二光束，以形成發(fā)射給所述第二反射鏡的反射光束，所述第二反射鏡接收并反射所述反射光束，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。進(jìn)一步，所述透射光學(xué)元件為透射平板光學(xué)元件或透射棱鏡光學(xué)元件。進(jìn)一步，所述電致伸縮元件為壓電陶瓷。以所述透射光學(xué)元件為透射平板光學(xué)元件為例，當(dāng)所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元時，第一光束進(jìn)入所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的透射平板光學(xué)元件，經(jīng)光學(xué)折射其傳輸方向發(fā)生改變，從透射光學(xué)元件中輸出的出射光束，也稱為第二光束，與其入射光束即第一光束平行，激光傳輸方向改變?yōu)檎凵涔馐?，繼而轉(zhuǎn)變?yōu)槌錾涔馐Ｋ銎桨骞鈱W(xué)元件可繞其旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，對應(yīng)地，折射光束和出射光束傳輸方向均有改變，第二光束的傳輸方向?qū)崟r地根據(jù)透射光學(xué)元件的運動而變化。理論上出射光束與入射光束平行，且偏移位移量與平板光學(xué)元件繞擺動主軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的度數(shù)以及平板光學(xué)元件的厚度以及平板光學(xué)元件的光學(xué)折射率有關(guān)。采用平板光學(xué)元件對激光光束進(jìn)行傳輸控制，平板光學(xué)元件表面法線與光束光軸夾角的單位角度變化導(dǎo)致的入射光束與出射光束的平行位移偏移量非常小，非常適合于高精度激光空間傳輸控制。相同的原理，只要是透射光學(xué)元件，合理控制透射光學(xué)元件的形狀、厚度、折射率等，可以獲得高速高精度控制第二光束的空間掃描控制。還是以所述透射光學(xué)元件為平板光學(xué)元件為例，當(dāng)所述光束精細(xì)掃描模塊包括兩個或兩個以上的串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元時，第一光束進(jìn)入所述光束精細(xì)掃描模塊中靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的平板光學(xué)元件，經(jīng)光學(xué)折射其傳輸方向發(fā)生改變，從透射光學(xué)元件平板光學(xué)元件中輸出的出射光束，與其入射光束即第一光束平行，所述光束精細(xì)掃描模塊中靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的平板光學(xué)元件接收從所述動態(tài)聚焦模塊發(fā)出的第一光束。為方便描述，在此也將靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元稱為第一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元。所述第一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元輸出激光束光軸相對于其入射激光的光軸進(jìn)行擺動或者平移，后一激光光束偏轉(zhuǎn)單元的輸出光束的光軸相對于前一激光光束偏轉(zhuǎn)單元的輸出的光束的光軸進(jìn)行擺動或者平移，并且相對于第一光束而言，該輸出光束運動軌跡是第一個激光光束偏轉(zhuǎn)單71:后到本激光光束偏轉(zhuǎn)單71:的所有激光光束偏轉(zhuǎn)單元對激光運動控制的運動合成軌跡。這樣可以形成非常復(fù)雜用途廣泛的激光高精度掃描運動。本發(fā)明還提供另外一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊，所述動態(tài)聚焦鏡包括至少兩個串聯(lián)的透鏡，所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個或至少兩個串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元用于對發(fā)射到其上的激光束進(jìn)行擺動和/或平移掃描調(diào)制，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括反射光學(xué)元件以及用于控制反射光學(xué)元件進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和/或平移運動的電機(jī)或電致伸縮元件。所述動態(tài)聚焦鏡通過動態(tài)調(diào)整內(nèi)部透鏡之間的間距，對發(fā)射到其上的入射激光束進(jìn)行動態(tài)聚焦，以形成第一光束，并將該第一光束發(fā)射到所述光束精細(xì)掃描模塊。所述光束精細(xì)掃描模塊，位于所述動態(tài)聚焦鏡輸出第一光束的一側(cè)，并對所述第一光束進(jìn)行空間運動調(diào)制，以形成發(fā)射到所述大幅面掃描模塊的第二光束。所述大幅面掃描模塊,位于所述光束精細(xì)掃描模塊輸出第二光束的一側(cè)，并對從所述光束精細(xì)掃描模塊輸出的第二光束進(jìn)行傳輸方位控制，以形成發(fā)射到待加工對象上的
第三光束。進(jìn)一步，所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡安裝在第一電機(jī)的主軸上，所述第二反射鏡安裝在第二電機(jī)的主軸上，所述第一電機(jī)主軸與所述第二電機(jī)主軸相互垂直，所述第一反射鏡用于接收并反射從所述光束精細(xì)掃描模塊發(fā)射過來的第二光束，以形成發(fā)射給所述第二反射鏡的反射光束，所述第二反射鏡接收并反射所述反射光束，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。進(jìn)一步，所述反射光學(xué)元件為平面反射鏡片。進(jìn)一步，所述電致伸縮元件為壓電陶瓷。所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括反射光學(xué)元件以及用于控制反射光學(xué)元件進(jìn)行偏轉(zhuǎn)或者平移的電機(jī)或電致伸縮元件。把反射光學(xué)元件，例如光學(xué)平面反射鏡，安裝于一個或者多個電致伸縮元件上，例如，光學(xué)平面反射鏡安裝在三個電致伸縮元件上，所述三個電致伸縮元件構(gòu)成伸縮支架。在電場發(fā)生變化時候，電致伸縮元件的長度會發(fā)生伸縮變化，從而驅(qū)動光學(xué)反射鏡運動(偏轉(zhuǎn)或者平移或者既偏轉(zhuǎn)又平移)。由于電致伸縮元件的高精度伸縮特性和高速伸縮響應(yīng)特性(目前最高紀(jì)錄是若干吉赫茲GHz的響應(yīng)頻率)，可以實現(xiàn)對激光光束的高速高精度的運動控制。以所述反射光學(xué)元件為平面反射鏡為例，平面反射鏡有壓電陶瓷驅(qū)動，平面反射鏡在壓電陶瓷驅(qū)動下可以進(jìn)行二維偏轉(zhuǎn)運動甚至多維運動，這里為方便描述，以平面反射鏡由壓電陶瓷驅(qū)動做一維偏轉(zhuǎn)運動為例進(jìn)行說明，當(dāng)所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元時，第一光束即入射光束到達(dá)所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的平面反射鏡時，經(jīng)光學(xué)反射后輸出的出射光束，也稱為第二光束。所述平面反射鏡在壓電陶瓷伸縮的驅(qū)動下可以進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，對應(yīng)地，反射光束傳輸方向也跟著改變，第二光束的傳輸方向?qū)崟r地根據(jù)反射鏡的運動而變化。由于壓電陶瓷伸縮精度高，伸縮重復(fù)頻率高，伸縮運動加速度高，因此反射鏡的運動精度、運動加速度和反復(fù)運動重復(fù)頻率可以很高，非常適合于高精度高速激光傳輸控制。還是以所述反射光學(xué)元件為平面反射鏡為例，且平面反射鏡在壓電陶瓷驅(qū)動下做一維偏轉(zhuǎn)運動為例，當(dāng)所述光束精細(xì)掃描模塊包括兩個或兩個以上的串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元時，第一光束到達(dá)所述光束精細(xì)掃描模塊中靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的平面反射鏡，經(jīng)光學(xué)反射其傳輸方向發(fā)生改變，所述光束精細(xì)掃描模塊中靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元中的平面反射鏡接收從所述動態(tài)聚焦模塊發(fā)出的第一光束。為方便描述，在此也將靠近所述第一光束一側(cè)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元稱為第一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元。所述第一個激光光束旋轉(zhuǎn)單元輸出激光束光軸沿著其入射激光在平面反射鏡表面反射點為原點進(jìn)行擺動，后一激光光束偏轉(zhuǎn)單兀的輸出光束沿著前一激光光束偏轉(zhuǎn)單兀的輸出光束在本單兀平面反射鏡表面的反射點為原點進(jìn)行擺動，并且相對于第一光束而言，該軌跡是第一個激光光束偏轉(zhuǎn)單元到本激光光束偏轉(zhuǎn)單元的所有激光光束偏轉(zhuǎn)單元對激光運動控制的運動合成軌跡。這樣可以形成非常復(fù)雜用途廣泛的激光空間掃描運動。本發(fā)明還提供第三種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊，所述動態(tài)聚焦鏡包括至少兩個串聯(lián)的透鏡，所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個或至少兩個串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元用于對發(fā)射到其上的激光束進(jìn)行擺動和/或平移掃描調(diào)制，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括聲光調(diào)制器，通過改變聲光調(diào)制器的驅(qū)動源的載波頻率調(diào)節(jié)其入射光束的布拉格光柵反射角，進(jìn)而改變?nèi)肷浼す鈧鬏敺较颉Ｋ鰟討B(tài)聚焦鏡通過動態(tài)調(diào)整內(nèi)部透鏡之間的間距，對發(fā)射到其上的入射激光束進(jìn)行動態(tài)聚焦，以形成第一光束，并將該第一光束發(fā)射到所述光束精細(xì)掃描模塊。所述光束精細(xì)掃描模塊，位于所述動態(tài)聚焦鏡輸出第一光束的一側(cè)，并對所述第一光束進(jìn)行空間運動調(diào)制，以形成發(fā)射到所述大幅面掃描模塊的第二光束。所述大幅面掃描模塊，位于所述光束精細(xì)掃描模塊輸出第二光束的一側(cè)，用于對從所述光束精細(xì)掃描模塊輸出的第二光束進(jìn)行傳輸方位控制，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。進(jìn)一步，所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡安裝在第一電機(jī)的主軸上，所述第二反射鏡安裝在第二電機(jī)的主軸上，所述第一電機(jī)主軸與所述第二電機(jī)主軸相互垂直，所述第一反射鏡用于接收并反射從所述光束精細(xì)掃描模塊發(fā)射過來的第二光束，以形成發(fā)射給所述第二反射鏡的反射光束，所述第二反射鏡接收并反射所述反射光束，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。本發(fā)明的工作原理如下:入射激光經(jīng)過動態(tài)聚焦鏡后，輸出激光束為聚焦激光光束，也稱為第一光束；從動態(tài)聚焦鏡發(fā)射出來的聚焦激光光束發(fā)射到光束精細(xì)掃描模塊，所述光束精細(xì)掃描模塊內(nèi)的激光光束偏轉(zhuǎn)單兀對激光光束傳輸方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)或平移調(diào)制，光束精細(xì)掃描模塊出射激光光束的掃描軌跡或者掃描填充軌跡輪廓的大小和形狀同步發(fā)生變化，從所述光束精細(xì)掃描模塊出射激光光束也稱為第二光束；通過大幅面掃描模塊對從光束精細(xì)掃描模塊輸出的第二光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)控制，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。光束精細(xì)掃描模塊，按照事先規(guī)定好的填充區(qū)域形狀，對激光光束進(jìn)行高速填充掃描控制，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)制光束精細(xì)掃描模塊出射激光光束的掃描填充軌跡輪廓的大小和形狀，這更符合實際大量加工需求，極大節(jié)省了后續(xù)大幅面掃描模塊的加工工作量并大大提高輪廓內(nèi)填充掃描效率和精度。在大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加減速運動時候，例如，激光加工起點激光焦點的運動加速，加工終點激光焦點的運動減速，激光焦點拐彎時的加減速運動等，此時光束精細(xì)掃描模塊由于具備極快的加減速能力，可以對激光束進(jìn)行輔助運動控制，大大減少大幅面掃描模塊的加減速時間。由于光束精細(xì)掃描模塊對激光光束的偏轉(zhuǎn)控制精度可以做到遠(yuǎn)比后續(xù)大幅面掃描模塊掃描精度高，可以高精度控制激光束做局部區(qū)域的激光掃描運動，加工高精度微細(xì)加工結(jié)構(gòu)。這樣，光束精細(xì)掃描模塊可以實現(xiàn)局部區(qū)域高精度激光掃描控制，而大幅面掃描模塊可以做到大幅面掃描，大幅面掃描模塊可以做到1500毫米*1500毫米區(qū)域掃描面積。綜上所述，光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊各有分工，發(fā)揮各自優(yōu)勢，實現(xiàn)激光光束的高速精細(xì)掃描與大幅面掃描完美結(jié)合。簡而言之，光束精細(xì)掃描模塊可以對大幅面掃描模塊對光束的運動控制時做輔助運動控制，或者鎖定等待；大幅面掃描模塊也可以對光束精細(xì)掃描模塊對激光光束運動控制時做輔助運動控制，或者鎖定等待，從而達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明的有益效果是:通過光束精細(xì)掃描模塊能夠自動改變或者動態(tài)改變動態(tài)聚焦鏡出射聚焦激光光束即第一光束的掃描填充軌跡的形狀和輪廓大小，極大地減輕了傳統(tǒng)的三維動態(tài)聚焦振鏡掃描系統(tǒng)利用掃描振鏡進(jìn)行填充輪廓掃描的工作量并提高了掃描精度，大大提高激光加工效率和質(zhì)量。當(dāng)激光焦點運動需要加減速的時候，由于光束精細(xì)掃描模塊具備極快的高精度加減速能力，因此光束精細(xì)掃描模塊還可以對激光束進(jìn)行輔助運動控制，當(dāng)激光焦點運動速度一定時，在加工起點處，相對于大幅面掃描模塊，所述光束精細(xì)掃描模塊以更快加速度加速，在大幅面掃描模塊掃描速度增加時，所述光束精細(xì)掃描模塊相應(yīng)地進(jìn)行減速，直到回歸初始停留狀態(tài)，以保持激光焦點運動的均勻性。當(dāng)激光加工接近終點，大幅面掃描模塊掃描速度開始減速，此時所述光束精細(xì)掃描模塊從靜態(tài)加速，以維持激光焦點運動的勻速性，直到大幅面掃描模塊掃描速度為零時，所述大幅面掃描模塊和所述光束精細(xì)掃描模塊一起反向加速，就進(jìn)入另一個激光加工起點的運動狀態(tài)；同樣，當(dāng)激光焦點拐彎運動一般需要加減速，但是，由于所述光束精細(xì)掃描模塊的配合，甚至可以保持激光焦點在拐彎時候一樣保持高速勻速狀態(tài)。這樣，兩者在對光束運動控制上相互配合，大大減少現(xiàn)有加工方式中的大幅面掃描模塊的加減速時間，并提高激光加工質(zhì)量。光束精細(xì)掃描模塊以及大幅面掃描模塊，前者負(fù)責(zé)局部區(qū)域的高速高精度激光掃描，后者負(fù)責(zé)大幅面激光光束切換控制，實現(xiàn)了高精度激光運動控制和大幅面激光運動控制的完美結(jié)合，進(jìn)一步豐富了激光束空間軌跡調(diào)制，實現(xiàn)更復(fù)雜激光加工方式。本發(fā)明采用的光束精細(xì)掃描模塊，其主要功能是控制調(diào)節(jié)激光對局部小面積進(jìn)行填充掃描加工，由于其激光光束掃描范圍小，因此光束偏轉(zhuǎn)角度精度非常高，因此具備高精度的特點。特別是采用透明光學(xué)元件或者反射光學(xué)元件且驅(qū)動元件為電致伸縮元件或者采用聲光調(diào)制器做激光光束偏移單元時，光束偏轉(zhuǎn)精度非常高，因此具備高速高精度的特點。


圖1為本發(fā)明實施例1紫外激光光固化快速成型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例2觸摸屏ITO刻膜的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。實施例1:圖1為紫外激光光固化快速成型的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示:紫外激光光固化快速成型的裝置，包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊。所述動態(tài)聚焦鏡，波長355納米，中心焦距1500mm，聚焦光斑100微米。所述光束精細(xì)掃描模塊包括兩個激光光束偏移單兀即第一激光光束偏移單兀和第二激光光束偏移單兀，第一激光光束偏移單兀包括第一平板石英玻璃214和用于驅(qū)動所述第一平板石英玻璃214的第一電機(jī),所述第一平板石英玻璃214安裝在第一電機(jī)的電機(jī)主軸215上,且第一電機(jī)的電機(jī)主軸215軸向垂直于紙面。第二激光光束偏移單兀包括第二平板石英玻璃217和用于驅(qū)動所述第二平板石英玻璃217的第二電機(jī)219，所述第二平板石英玻璃217安裝在第二電機(jī)219的電機(jī)主軸218上。所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡226,以及驅(qū)動第一反射鏡226的驅(qū)動電機(jī)228及其夾持第一反射鏡226的主軸227 ;還包括第二反射鏡223，以及驅(qū)動第二反射鏡223的驅(qū)動電機(jī)的主軸222。所述待加工工件229為紫外光固化樹脂表面。整個紫外激光光固化快速成型的裝置結(jié)構(gòu)中的光路流程如下:入射光束211經(jīng)紫外激光三維動態(tài)聚焦鏡212后,得到第一光束213,所述第一光束首先經(jīng)過第一平板石英玻璃214進(jìn)行第一次折射，形成折射光束216，從所述第一平板石英玻璃214發(fā)射出的折射光束216，再通過第二平板石英玻璃217進(jìn)行折射后輸出第二光束221，即所述第一光束依次經(jīng)過第一平板石英玻璃214和第二平板石英玻璃217的兩次折射后最終得到第二光束221。所述第二光束221經(jīng)第一反射鏡片226得到反射光束225，所述反射光束225經(jīng)第二反射鏡片223得到第三光束224，即所述第二光束通過第一反射鏡片和第二反射鏡片223的兩次反射得到第三光束224，所述第三光束224直接作用于待加工工件229上進(jìn)行激光光固化加工。所述入射光束211為直徑為0.7毫米的入射光束。入射光束211的相關(guān)參數(shù)如下:激光波長355納米，光束質(zhì)量因子小于1.2，光斑圓度大于百分之九十，平均功率I瓦，單模高斯激光(橫向場強為高斯分布)，脈沖重復(fù)頻率200千赫茲。所述第一平板石英玻璃214的折射率為1.45，厚度6毫米，其兩面均鍍355納米增透膜，可以繞軸向垂直于紙面第一電機(jī)的電機(jī)主軸215旋轉(zhuǎn)，使得所述第一平板石英玻璃214的入射表面法線與第一光束213的角度a在0 10度范圍內(nèi)變化，并使得折射光束216相對于所述第一光束213獲得相應(yīng)位移，偏移量在0 400微米范圍之間變化。所述第二平板石英玻璃217與第一平板石英玻璃214相同，但其旋轉(zhuǎn)軸(即第二電機(jī)219的電機(jī)主軸218)與第一電機(jī)的電機(jī)主軸215相互垂直,且方向平行于紙面。所述電機(jī)主軸218控制所述第二平板石英玻璃217，使得所述第二平板石英玻璃217的入射表面法線與所述折射光束216的角度a為0 10度變化，使得所述第二光束221相對于所述折射光束216獲得相應(yīng)位移，偏移量在0 400微米范圍之間變化。所述第二平板石英玻璃217與第一平板石英玻璃214的運動直接決定了所述第二光束221的運動軌跡，本實施例第二光束221的光軸運動范圍為800微米X800微米的方形區(qū)域。所述第一反射鏡片226與第二反射鏡片223相配合，可以進(jìn)行傳統(tǒng)的紫外激光光固化的激光束掃描，掃描的主要內(nèi)容是圖形輪廓線掃描和圖形輪廓內(nèi)面填充掃描。由于圖形輪廓內(nèi)面積填充掃描占據(jù)了紫外光固化加工的大部分加工時間，采用本技術(shù)方案，圖形輪廓內(nèi)面填充掃描大部分工作由所述光束精細(xì)掃描模塊完成，所述大幅面掃描模塊做輔助光束運動控制即可；在遇到一片局部區(qū)域需要精細(xì)掃描細(xì)微微結(jié)構(gòu)時，且所述大幅面掃描模塊掃描精度很難保證時，由所述光束精細(xì)掃描模塊控制激光束掃描，可以高精度高效完成各種結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)掃描；在另一些區(qū)域，有時候只需要刻劃線條，此時一般做法是光束精細(xì)掃描模塊鎖定不動，但是，如果在大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加減速運動時候，例如，激光加工起點激光焦點運動加速，加工終點激光焦點運動減速，激光焦點拐彎運動加減速等，此時所述光束精細(xì)掃描模塊可以對激光束進(jìn)行輔助運動控制，在所述大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加速運動時候，所述光束精細(xì)掃描模塊對激光束進(jìn)行更快的加速控制，一旦激光焦點速度達(dá)到預(yù)定速度后，所述光束精細(xì)掃描模塊開始減速，直到所述大幅面掃描模塊掃描速度達(dá)到預(yù)定速度后，所述光束精細(xì)掃描模塊減速到鎖定靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)激光加工接近到達(dá)終點，大幅面掃描模塊掃描速度開始減速，此時所述光束精細(xì)掃描模塊從靜態(tài)加速，以維持激光焦點運動的勻速性，直到大幅面掃描模塊掃描速度為零時，所述大幅面掃描模塊和所述光束精細(xì)掃描模塊一起反向加速，就進(jìn)入另一個激光加工起點的運動狀態(tài)；同樣，當(dāng)激光焦點拐彎運動一般需要加減速，但是，由于所述光束精細(xì)掃描模塊的配合，保持激光焦點在工件表面運動的速度均勻性，甚至可以保持激光焦點在拐彎時候一樣保持高速勻速狀態(tài)。這樣，兩者在對光束運動控制上相互配合，大大減少現(xiàn)有加工方式中的大幅面掃描模塊的加減速時間，并提高激光加工質(zhì)量。實際上通過寬范圍入射角增透膜鍍膜技術(shù)，可以使得第一平板石英玻璃214的入射表面法線與第一光束213之間的夾角角度a在0-90度范圍之間變化；第二平板石英玻璃217的入射表面法線與所述折射光束216之間的夾角角度a在0-90度范圍之間變化，這樣可以一定程度上在保證精度的同時也能加大掃描范圍。通過改變第一平板石英玻璃214、第二平板石英玻璃217的厚度或折射率，可以改變折射光束216和第二光束掃描223輪廓大小。實施例2:圖2為觸摸屏ITO刻膜的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示:觸摸屏ITO刻膜的裝置包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊。所述動態(tài)聚焦鏡，波長355nm，中心焦距1000mm。所述光束精細(xì)掃描模塊包括兩個激光光束偏移單兀即第一激光光束偏移單兀和第二激光光束偏移單兀，第一激光光束偏移單兀包括第一平面反射鏡314和用于驅(qū)動所述第一平面反射鏡314運動(擺動或者平移)的第一壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)(圖中未示出)，第二激光光束偏移單元包括第二平面反射鏡316和用于驅(qū)動所述第二平面反射鏡316運動(擺動或者平移)的第二壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)(圖中未示出)。所述大幅面掃描模塊為掃描振鏡，所述掃描振鏡包括掃描振鏡第一反射鏡326,以及驅(qū)動第一反射鏡326的驅(qū)動電機(jī)328及其夾持第一反射鏡326的主軸327 ;還包括第二反射鏡323，以及驅(qū)動第二反射鏡323的驅(qū)動電機(jī)的主軸322。 所述待加工工件329為玻璃基底透明ITO導(dǎo)電膜(氧化銦錫(Indium-TinOxide))，固定安裝在加工平臺上。該裝置結(jié)構(gòu)中的光路流程如下:初始入射光束311經(jīng)動態(tài)聚焦鏡后得到第一光束313，所述第一光束313經(jīng)第一平面反射鏡314反射得到第一平面反射鏡反射光束315，所述第一平面反射鏡反射光束315經(jīng)第二平面反射鏡316反射得到第二光束321，所述第二光束321經(jīng)掃描振鏡的第一反射鏡片326得到反射光束325,所述反射光束325經(jīng)掃描振鏡的第二反射鏡片323得到第三光束324，所述第三光束324直接作用于待加工工件329。所述初始入射光束311，波長355納米，光束的直徑0.7毫米，所在空氣折射率按I計算。所述第三光束324的相關(guān)參數(shù)如下:激光波長355納米，光束質(zhì)量因子小于1.2，光斑圓度大于百分之九十，平均功率I瓦，單模高斯激光(橫向場強為高斯分布)，脈沖重復(fù)頻率200千赫茲，聚焦光斑30微米。所述第一平面反射鏡314可以安裝在至少一個壓電元件，特別是壓電陶瓷上；壓電元件特別是壓電陶瓷元件的伸縮，使得第一反射鏡角度偏轉(zhuǎn)，使得第一平面反射鏡反射光束315的傳輸角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。目前基本的壓電陶瓷元件或者電致伸縮元件的伸縮頻率可以做到吉赫茲(GHz)以上。這里采用20KHz伸縮頻率壓電陶瓷。所述第二平面反射鏡316可以安裝在至少一個壓電伸縮元件或者電致伸縮元件上，特別是壓電陶瓷上；壓電陶瓷元件的伸縮，使得第一反射鏡角度偏轉(zhuǎn)，使得第二光束321的傳輸角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)。所述第一平面反射鏡314與第二平面反射鏡316的擺動軸線相互垂直。第一平面反射鏡314與第二平面反射鏡316的擺動控制第二光束321的運動軌跡為任意路徑的空間軌跡。如果所述大幅面掃描模塊鎖住不動，那么工件329表面就留下了在第一平面反射鏡314與第二平面反射鏡316的運動控制下的第三光束324的軌跡。如果第一平面反射鏡314與第二平面反射鏡316鎖住不動，大幅面掃描模塊對第二光束321進(jìn)行反射掃描控制，第三光束324在件329表面就留下了相應(yīng)的軌跡。所述光束精細(xì)掃描模塊主要從事局部區(qū)域的激光微加工，所述大幅面掃描模塊主要從事加工幅面內(nèi)的激光掃描加工；在遇到一片區(qū)域的ITO膜需要去除時，由所述光束精細(xì)掃描模塊精確控制激光束快速填充掃描，所述大幅面掃描模塊進(jìn)行必要的輔助控制，例如所述光束精細(xì)掃描模塊控制激光束掃描的幅面有限時，由所述大幅面掃描模塊移動激光焦點到所需掃描區(qū)域；在遇到一片ITO區(qū)域需要精細(xì)掃描細(xì)微ITO微結(jié)構(gòu)時，且所述大幅面掃描模塊掃描精度很難保證時，由所述光束精細(xì)掃描模塊控制激光束掃描，可以高精度高效完成各種形狀的微結(jié)構(gòu)掃描；在另一些區(qū)域，有時候只需要刻劃線條，此時一般做法是光束精細(xì)掃描模塊鎖定不動，但是，如果在大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加減速運動時候，例如，激光加工起點激光焦點運動加速，加工終點激光焦點運動減速，激光焦點拐彎運動加減速等，此時所述光束精細(xì)掃描模塊可以對激光束進(jìn)行輔助運動控制，在所述大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加速運動時候，所述光束精細(xì)掃描模塊對激光束進(jìn)行更快的加速控制，一旦焦點速度達(dá)到預(yù)定速度后，所述光束精細(xì)掃描模塊開始減速，直到所述大幅面掃描模塊掃描速度達(dá)到預(yù)定速度后，所述光束精細(xì)掃描模塊減速到鎖定靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)激光加工接近到達(dá)終點，大幅面掃描模塊掃描速度開始減速，此時所述光束精細(xì)掃描模塊從靜態(tài)加速，以維持激光焦點運動的勻速性，直到大幅面掃描模塊掃描速度為零時，所述大幅面掃描模塊和所述光束精細(xì)掃描模塊一起反向加速，就進(jìn)入另一個激光加工起點的運動狀態(tài)；同樣，當(dāng)激光焦點拐彎運動一般需要加減速，但是，由于所述光束精細(xì)掃描模塊的配合，保持激光焦點在工件表面運動的速度均勻性，甚至可以保持激光焦點在拐彎時候一樣保持高速勻速狀態(tài)。這樣，兩者在對光束運動控制上相互配合，大大減少現(xiàn)有加工方式中的大幅面掃描模塊的加減速時間，并提高激光加工質(zhì)量。本實施例這種加工方式的好處是，所述光束精細(xì)掃描模塊可以更高效高精度完成局部激光填充掃描，大大提高激光局部掃描精度和材料面積去除效率；在所述大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行大幅面掃描加工時，對于局部區(qū)域精細(xì)圖形結(jié)構(gòu)很難高速高精度掃描，這一工作可以交由所述光束精細(xì)掃描模塊高速高精度控制激光束掃描完成；所述光束精細(xì)掃描模塊在所述大幅面掃描模塊控制激光束進(jìn)行加減速運動時候可以輔助控制激光光束運動，大大減少因所述大幅面掃描模塊的振鏡鏡片擺動加減速所占用的加工時間，同時更好地保持激光焦點在工件表面運動的速度均勻性。上述實施例中，激光光束偏轉(zhuǎn)單元的擺動主軸相互垂直的同時，理論上也需要與光束光軸垂直，實際使用中的安裝誤差可通過控制軟件進(jìn)行校正即可。上述實施例1與實施例2只是本發(fā)明的兩個典型的應(yīng)用，實際上其原理應(yīng)用不限于上面所述情形?？傊?，本發(fā)明提出一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其重要特點是:所述動態(tài)聚焦鏡完成激光光束的動態(tài)聚焦，動態(tài)改變激光焦點到激光動態(tài)聚焦鏡的距離；所述光束精細(xì)掃描模塊，可以高速高精度完成局部區(qū)域的精細(xì)圖形結(jié)構(gòu)掃描控制，可以高速高效完成局部輪廓填充掃描，可以輔助所述大幅面掃描模塊進(jìn)行激光光束加速減速控制，大大減少因所述大幅面掃描模塊的振鏡鏡片擺動加減速所占用的時間并提高加工質(zhì)量，同時更好地保持激光焦點在工件表面運動的速度均勻性；所述大幅面掃描模塊，保留了大幅面掃描激光加工能力。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊，所述動態(tài)聚焦鏡包括至少兩個串聯(lián)的透鏡， 所述動態(tài)聚焦鏡通過動態(tài)調(diào)整內(nèi)部透鏡之間的間距，對發(fā)射到其上的入射激光束進(jìn)行動態(tài)聚焦，以形成第一光束，并將該第一光束發(fā)射到所述光束精細(xì)掃描模塊； 所述光束精細(xì)掃描模塊，位于所述動態(tài)聚焦鏡輸出第一光束的一側(cè)，并對所述第一光束進(jìn)行空間運動調(diào)制，以形成發(fā)射到所述大幅面掃描模塊的第二光束； 所述大幅面掃描模塊，位于所述光束精細(xì)掃描模塊輸出第二光束的一側(cè)，并對從所述光束精細(xì)掃描模塊輸出的第二光束進(jìn)行傳輸方位控制，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述光束精細(xì)掃描模塊包括一個或至少兩個串聯(lián)的激光光束偏轉(zhuǎn)單元，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元用于對發(fā)射到其上的激光束進(jìn)行擺動和/或平移掃描調(diào)制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括透射光學(xué)元件以及用于控制透射光學(xué)元件進(jìn)行擺動和/或平移運動的電機(jī)或電致伸縮元件；或者，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括反射光學(xué)元件以及用于控制反射光學(xué)元件進(jìn)行偏轉(zhuǎn)和/或平移運動的電機(jī)或電致伸縮元件；或者，所述激光光束偏轉(zhuǎn)單元包括聲光調(diào)制器，通過改變聲光調(diào)制器的驅(qū)動源的載波頻率調(diào)節(jié)其入射光束的布拉格光柵反射角，進(jìn)而改變?nèi)肷浼す鈧鬏敺较颉?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述透射光學(xué)元件為透射平板光學(xué)元件或透射棱鏡光學(xué)元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述反射光學(xué)元件為平面反射鏡片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5任一所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述電致伸縮元件為壓電陶瓷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡安裝在第一電機(jī)的主軸上，所述第二反射鏡安裝在第二電機(jī)的主軸上，所述第一電機(jī)主軸與所述第二電機(jī)主軸相互垂直，所述第一反射鏡用于接收并反射從所述光束精細(xì)掃描模塊發(fā)射過來的第二光束，以形成發(fā)射給所述第二反射鏡的反射光束，所述第二反射鏡接收并反射所述反射光束，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5任一所述的一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，其特征在于:所述大幅面掃描模塊包括第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡安裝在第一電機(jī)的主軸上，所述第二反射鏡安裝在第二電機(jī)的主軸上，所述第一電機(jī)主軸與所述第二電機(jī)主軸相互垂直，所述第一反射鏡用于接收并反射從所述光束精細(xì)掃描模塊發(fā)射過來的第二光束，以形成發(fā)射給所述第二反射鏡的反射光束，所述第二反射鏡接收并反射所述反射光束，以形成發(fā)射到待加工對象上的第三光束。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于動態(tài)聚焦的激光加工裝置，包括動態(tài)聚焦鏡、光束精細(xì)掃描模塊和大幅面掃描模塊，所述動態(tài)聚焦鏡完成激光光束的動態(tài)聚焦，動態(tài)改變激光焦點到激光動態(tài)聚焦鏡的距離；所述光束精細(xì)掃描模塊，可以高速高精度完成局部區(qū)域的精細(xì)圖形結(jié)構(gòu)掃描控制，可以高速高效完成局部輪廓填充掃描，可以輔助所述大幅面掃描模塊進(jìn)行激光光束加速減速控制，大大減少因所述大幅面掃描模塊的振鏡鏡片擺動加減速所占用的時間并提高加工質(zhì)量，同時更好地保持激光焦點在工件表面運動的速度均勻性；所述大幅面掃描模塊，保留了大幅面掃描激光加工能力。
文檔編號G02B7/04GK103157904SQ201310066378
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者張立國 申請人:張立國