用于激光加工的曝光開關(guān)與曝光強(qiáng)度控制裝置、激光加工設(shè)備、激光加工控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例屬于激光加工領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于激光直寫加工的曝光開關(guān)與曝光強(qiáng)度控制裝置、一種激光加工設(shè)備、一種激光加工控制方法。
技術(shù)背景
[0002]激光直寫加工技術(shù)是一種數(shù)字化的加工技術(shù)，其通過計算機(jī)程序控制，可依據(jù)計算機(jī)定義的加工結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動加工，無需人的干預(yù)，加工效率高，加工質(zhì)量可靠；加工材料廣譜，可對例如藍(lán)寶石、金剛石等利用機(jī)械難以加工的硬質(zhì)脆性材料進(jìn)行有效加工；加工通過激光聚焦焦點(diǎn)作用于材料，作用區(qū)域小，并且不存在加工刀具磨損問題，加工精度尚O
[0003]激光直寫的加工質(zhì)量不僅取決于運(yùn)動系統(tǒng)的定位精度，激光曝光開關(guān)與掃描位置的同步及激光曝光強(qiáng)度的控制對加工質(zhì)量也有很大的影響。目前在激光直寫過程中，對于曝光的開關(guān)控制通常根據(jù)計算機(jī)查詢位移臺運(yùn)動控制器中運(yùn)動就位狀態(tài)位或根據(jù)掃描速度計算運(yùn)動到指定位置的時間來實(shí)現(xiàn)。前者的問題在于運(yùn)動控制器判定到達(dá)指定誤差范圍內(nèi)的運(yùn)動就位需要時間，將造成端點(diǎn)的過曝光，并且運(yùn)動就位前出現(xiàn)過沖時未關(guān)閉曝光也對加工產(chǎn)生不利的影響；后者的問題在于掃描速度出現(xiàn)誤差將對曝光關(guān)閉時位置產(chǎn)生誤差，影響加工精度。高質(zhì)量的激光直寫對激光曝光開關(guān)與掃描位置的同步性要求較高，根據(jù)位移臺位置反饋器件的反饋硬件觸發(fā)曝光的開關(guān)則能夠很好解決上述問題。對于曝光的強(qiáng)度控制通常利用計算機(jī)控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓信號通過內(nèi)部或外部調(diào)制來調(diào)控激光功率實(shí)現(xiàn)，激光曝光的控制信號需要將控制曝光開關(guān)的數(shù)字信號與控制曝光強(qiáng)度的模擬信號進(jìn)行耦合，而計算機(jī)通常安裝Windows非實(shí)時操作系統(tǒng)，計算機(jī)通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器直接輸出耦合了曝光開關(guān)的模擬信號很難保證對曝光開關(guān)實(shí)時性的要求。將控制曝光開關(guān)的數(shù)字信號單獨(dú)驅(qū)動另一部調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)曝光與掃描位置的高度同步，但另加調(diào)制器會增加系統(tǒng)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種用于激光加工的曝光開關(guān)與曝光強(qiáng)度控制裝置、一種激光加工設(shè)備和一種激光加工控制方法，利用一部激光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)與掃描位置高度同步的曝光開關(guān)，進(jìn)一步地，還可以隨掃描速度實(shí)現(xiàn)變化的曝光強(qiáng)度控制。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個方面，提出了一種用于激光加工的曝光開關(guān)和曝光強(qiáng)度控制裝置，包括:曝光強(qiáng)度輸出部，輸出調(diào)控激光曝光強(qiáng)弱的信號；硬件計數(shù)部，包括硬件計數(shù)器和位置反饋器，位置反饋器構(gòu)造成提供關(guān)于位移臺的位置的反饋信號，加工件固定在位移臺上；單刀雙擲式模擬開關(guān)芯片，具有常通端、常斷端、公共端和控制端，其中:常通端接地，常斷端與曝光強(qiáng)度輸入部連接，控制端與硬件計數(shù)器連接以控制公共端與常通端連通還是與常斷端連通，公共端構(gòu)造成與激光調(diào)制器連接；硬件計數(shù)器接收位置反饋器所反饋的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，在計數(shù)開始時輸出開啟激光曝光的第一電平值，且在計數(shù)達(dá)到閾值時輸出關(guān)閉激光曝光的第二電平值，控制端基于接收到的第一電平值控制公共端與常斷端連通，控制端基于接收到的第二電平值控制公共端與常通端連通。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面，提出了一種激光加工設(shè)備，包括:激光源；激光路徑，設(shè)置有激光調(diào)制器和物鏡，來自激光源的激光束被激光調(diào)制器調(diào)制后經(jīng)由物鏡入射到加工件上；位移臺，加工件固定于位移臺上；和上述的用于激光加工的曝光開關(guān)和曝光強(qiáng)度控制裝置。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的再一方面，提出了一種激光加工控制方法，包括步驟:提供上述的用于激光加工的曝光開關(guān)和曝光強(qiáng)度控制裝置；對位置反饋器所反饋的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，在計數(shù)開始時輸出開啟激光曝光的第一電平值，且在計數(shù)達(dá)到閾值時輸出關(guān)閉激光曝光的第二電平值。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的還一方面，提出了一種激光加工控制方法，包括步驟:利用硬件計數(shù)器獲取位移臺的位置反饋脈沖信號，加工件設(shè)置在位移臺上；對脈沖信號開始計數(shù)，同時開啟激光曝光；和在對脈沖信號的計數(shù)達(dá)到閾值時關(guān)閉激光曝光。
【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例的用于激光加工的曝光開關(guān)與曝光強(qiáng)度控制裝置示意圖。
[0010]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例的模擬開關(guān)連線示意圖。
[0011]圖3是加工的樣品結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖4是加工所用運(yùn)動系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號指示相同或相似的底部件。下述參照附圖對本發(fā)明實(shí)施方式的說明旨在對本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的一種限制。
[0014]如圖1所知，激光器I發(fā)出的激光首先由線性漸變中性密度濾光片2進(jìn)行功率衰減，然后經(jīng)過激光調(diào)制器(例如聲光調(diào)制器)3進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，由反射鏡4反射后，經(jīng)顯微物鏡5聚焦在加工件6上。加工件6固定于位移臺7上。位移臺7配備的位置反饋裝置輸出方波脈沖信號，通過可編程硬件計數(shù)器8計數(shù)并產(chǎn)生控制激光曝光開關(guān)的數(shù)字信號。計算機(jī)10通過數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器9輸出控制激光曝光強(qiáng)弱的模擬信號。上述控制曝光開關(guān)與曝光強(qiáng)度的信號通過模擬開關(guān)11耦合，耦合得到的信號調(diào)制激光調(diào)制器3實(shí)現(xiàn)激光曝光開關(guān)與強(qiáng)度的控制。
[0015]所述的線性漸變中性密度濾光片2將激光器發(fā)出的激光功率衰減至加工中所需的最大功率，使通過激光調(diào)制器對激光曝光強(qiáng)度的控制精度得到相應(yīng)提高。
[0016]在一個具體的實(shí)施例中，作為所述激光調(diào)制器3的聲光調(diào)制器固定于二維傾斜光學(xué)調(diào)整架上，傾斜方向沿與激光傳輸方向相正交的兩軸。調(diào)節(jié)激光調(diào)制器的傾角至調(diào)制器輸出的一級衍射光最強(qiáng)。光闌選擇通過激光調(diào)制器調(diào)制輸出的一級衍射光作為激光曝光光源，遮擋零級光及其它級次衍射光。調(diào)制器調(diào)制信號輸入方式為模擬電壓信號輸入，根據(jù)輸入的模擬電壓信號大小調(diào)控激光曝光強(qiáng)度。
[0017]需要說明的是，激光調(diào)制器不限于聲光調(diào)制器，也可以使用電光調(diào)制器。
[0018]所述的位移臺7為平移臺或旋轉(zhuǎn)臺，由計算機(jī)通過運(yùn)動控制器控制位移臺運(yùn)動。位移臺配有光柵尺或編碼器等位置反饋裝置，位置反饋輸出方波脈沖信號，當(dāng)然也可以是其他形式的脈沖信號，只要可以實(shí)現(xiàn)計數(shù)即可。
[0019]所述的可編程硬件計數(shù)器8的計數(shù)閾值可編程，對位移臺反饋的方波脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)開始觸發(fā)輸出開激光曝光的高電平值，計數(shù)到達(dá)閾值后觸發(fā)輸出關(guān)激光曝光的低電平值。純硬件處理曝光開關(guān)信號的時間延遲可在微秒量級以下，而通過計算機(jī)輸出信號的時間不確定性可達(dá)毫秒量級?？删幊逃布嫈?shù)器可通過例如意法半導(dǎo)體公司的STM32等微控制器實(shí)現(xiàn)，微控制器的定時計數(shù)器外設(shè)工作于計數(shù)器模式，將方波脈沖信號作為計數(shù)器輸入時鐘，計數(shù)開始前將運(yùn)動位移變化值對應(yīng)的脈沖信號數(shù)值通過計算機(jī)向微控制器的通用異步收發(fā)傳輸器(UART)外設(shè)發(fā)送，數(shù)值記錄于定時計數(shù)器的比較寄存器(Capture/compare register)中，計數(shù)開始定時，計數(shù)器相應(yīng)引腳輸出高電平，計數(shù)到達(dá)比較寄存器設(shè)定數(shù)值，引腳輸出低電平。需要指出的是，也可以使用計數(shù)閾值不能改變的硬件計數(shù)器。
[0020]所述的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器9由計算機(jī)10控制，輸出調(diào)控激光曝光強(qiáng)弱的模擬電壓值。由于一般數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸出電流不足以驅(qū)動聲光調(diào)制驅(qū)動器的50 Ω輸入阻抗，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸出通常由運(yùn)算放大器搭建的電壓跟隨器作為緩沖以提高帶載能力。
[0021]所述的模擬開關(guān)11為半導(dǎo)體芯片，開關(guān)形式為單刀雙擲式?？刹捎美绲轮輧x器公司的TS5A3159A芯片或性能接近的芯片，TS5A3159A的導(dǎo)通電阻為1.1 Ω，導(dǎo)通與關(guān)斷響應(yīng)時間分別為20ns與15ns。
[0022]如圖2，模擬開關(guān)11常通端111接地，常斷端112接數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓信號，開關(guān)選擇控制端113接可編程硬件計數(shù)器輸出的數(shù)字開關(guān)信號，公共端114接激光調(diào)制器調(diào)制信號輸入端。
[0023]下面具體描述激光加工一特定工件的過程。
[0024]如圖3所示，通過樣品回轉(zhuǎn)掃描方式加工半徑由ΙΟμπι至ΙΟΟμ??，變化步長為10 μ m的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0025]如圖4所示，位移臺7采用X-Y-C軸由下至上依次疊置的三軸電控位移臺。C軸旋轉(zhuǎn)臺703用于樣品的切向回轉(zhuǎn)掃描，其最高轉(zhuǎn)速為每分鐘300轉(zhuǎn)，可編程硬件計數(shù)器8對其角度編碼器輸出的方波脈沖信號計數(shù)“軸平移臺702用于樣品的徑向步進(jìn)位移及激光光軸與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的對準(zhǔn)；X軸701也用于激光光軸與轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸的對準(zhǔn)。其中加工件6固定在C軸轉(zhuǎn)臺的臺面中心附近。加工開始前將激光直寫的光軸與C軸旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行對準(zhǔn)。顯微物鏡5通過精密升降臺控制激光焦點(diǎn)聚焦于樣品6表面。
[0026]實(shí)例中樣品為以4000轉(zhuǎn)每秒旋涂在玻璃平片上的AZ926