專利名稱：利用連續(xù)優(yōu)化聚焦深度的激光鉆孔系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及利用脈沖光源燒蝕材料，尤其涉及激光切削系統(tǒng)中的聚焦深度控制。
背景技術：
自從激光發(fā)明以來，一直在研究利用脈沖光源燒蝕材料。1982年利用紫外線(UV)激光輻射蝕刻聚合物的報告刺激了微加工方法的廣泛研究。從那以后，本領域中的科學和工業(yè)研究一直在不斷增加——主要是由于能夠通過使用激光器鉆、切削和復制細小零件引起的。
超快激光器產生持續(xù)時間大約為10-11秒(10皮秒)到10-14秒(10飛秒)的強烈激光脈沖。短脈沖激光器產生持續(xù)時間大約為10-10秒(100皮秒)到10-11(10皮秒)的強烈激光脈沖。超快和短脈沖激光器在醫(yī)學、化學、和通信領域中各種各樣的潛在使用價值正在開發(fā)和實現(xiàn)。這些激光器也是在各種材料中切削或鉆孔的有用工具。鉆孔的尺寸可以很容易地小至數(shù)微米，甚至達到微米級以下。它們可以在堅硬材料中鉆深寬比較高的孔，例如，蝸輪葉片中的冷卻槽，噴墨打印機中的噴嘴，或印刷電路板中的通孔。
可以設計超快和短脈沖激光系統(tǒng)，用于實現(xiàn)薄材料(50至100微米)的鉆孔和切削；但是，在激光顯微機械加工領域中，需要鉆和切削更大厚度范圍的材料。燒蝕較厚的材料存在一些特定的技術挑戰(zhàn)，包括在材料的整個厚度上保持激光器的控制，以及提供滿足客戶規(guī)定和已建立的質量標準的最終產品。
在利用脈沖光源燒蝕材料的領域中，仍然存在著幾個問題，其中一個問題涉及到激光鉆孔最終產品的質量規(guī)范控制。激光鉆孔領域中最近取得的進展在提高根據(jù)客戶要求的最終產品的質量(即，形狀、外形、和可重復性)方面發(fā)揮了作用。但是，越來越多的客戶需要提高他們產品設計的幾何復雜性。利用慣用的工業(yè)技術，很難滿足日益增加的質量市場需求。因此，需要有一種控制激光鉆孔最終產品的質量規(guī)范的方法。
利用脈沖光源燒蝕材料的領域中所存在的另一個問題涉及控制厚工件上的激光鉆孔。在典型的加工薄材料的激光鉆孔應用中，僅要在薄材料工件范圍(例如，50至100微米)上控制燒蝕。但是，隨著材料厚度的增加，必須在更大的厚度范圍和更多的燒蝕層上控制燒蝕。由于在更厚的表面上執(zhí)行鉆孔，保持激光器的參數(shù)變得越來越困難。因此，需要對所有激光參數(shù)保持更大的控制，在整個加工過程中，這些激光參數(shù)控制著燒蝕速率和孔的幾何形狀。因此，需要有一種在厚工件上激光鉆孔的控制方法。
利用脈沖光源燒蝕材料領域中所存在的另一個問題涉及在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上的恒定燒蝕速率。在激光鉆孔的一個層的燒蝕過程中，工件表面的接觸點上產生材料空隙，即激光點尺寸與材料表面相交的點上產生材料空隙。一旦在材料中產生空隙，由于材料的燒蝕，預期的接觸點不再與工件上的位置重合。由于接觸點上激光束強度和光斑尺寸的改變，燒蝕速率發(fā)生改變。因此，需要有一種在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上恒定燒蝕速率的方法。
利用脈沖光源燒蝕材料領域中存在的又一個問題涉及在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上恒定的激光束強度和恒定的光斑尺寸。激光束光斑尺寸是在聚焦激光束與工件材料表面的相交點測量的。從已知的激光束強度和已知的光斑尺寸，可以計算燒蝕速率，從而預測燒蝕速率以便滿足客戶規(guī)范。但是，在厚工件中，隨著材料層的燒蝕，工件表面不再位于激光鉆孔系統(tǒng)的聚焦平面。這意味著在燒蝕點的激光束強度和光斑尺寸不再與原來計劃的相同，因此，降低了燒蝕控制程度。需要恒定的光斑尺寸，以防止由于缺乏燒蝕控制而造成孔的幾何變形和不一致的幾何形狀。因此，需要有一種在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上恒定激光束強度和恒定光斑尺寸的方法。
發(fā)明綜述根據(jù)本發(fā)明，一種激光切削系統(tǒng)中調節(jié)聚焦深度的方法，包括產生具有聚焦平面的激光束，并將工件定位在聚焦平面中，其中工件表面在與聚焦平面相交的點暴露于激光束，以及調節(jié)工件和焦平面中的至少一個位置，從而在整個鉆孔過程中保持工件暴露表面上的恒定燒蝕速率。
從以下的詳細說明中，可以了解本發(fā)明更多的可用領域。應當知道，表述本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細說明和特定示例僅僅是為了說明的目的，而不是要限制本發(fā)明的范圍。


從詳細說明和附圖中，可以更充分地理解本發(fā)明，其中圖1是激光鉆孔系統(tǒng)中光斑尺寸對準的透視圖；圖2是激光鉆孔系統(tǒng)的簡化示意圖；圖3A-C是利用活動載物臺調節(jié)聚焦深度的放大視圖；圖4是說明激光鉆孔系統(tǒng)中調節(jié)聚焦深度的方法的流程圖。
具體實施例方式
以下的優(yōu)選實施例的說明僅僅是性質上的舉例說明，絕不是要限制本發(fā)明及其應用或用途。
本發(fā)明提供了一種利用活動工件載物臺連續(xù)地優(yōu)化激光鉆孔系統(tǒng)的聚焦深度，以便在整個切削過程中提供一致的、受控的燒蝕系統(tǒng)和方法。
參考圖1，激光鉆孔系統(tǒng)內光斑尺寸對準100的透視圖包括工件112，光束107，聚焦區(qū)的深度110，以及光軸150。聚焦區(qū)深度110是一個沿光束107的光軸150方向的區(qū)域，在這個區(qū)域中光束107的光斑尺寸保持可以量化確定的相對恒定的半徑。
對于光束107或工件112沿光束107的光軸150的光路的調節(jié)，可以將聚焦區(qū)的深度110調節(jié)到最佳點。計算光束107的光斑尺寸，以使光束107的光斑尺寸處于聚焦區(qū)深度110內的中心位置，從而將光束107對準工件112上的指定表面接觸點。
圖2示出了激光鉆孔系統(tǒng)200的簡化示意圖，包括如圖所述排列的激光器205，快門210，衰減器215，光束擴展器220，旋轉半波片225，第一反射鏡208，第二反射鏡217，第三反射鏡221，第四反射鏡222，壓電換能器(PZT)掃描鏡230，掃描透鏡240，以及活動載物臺257。盡管本發(fā)明使用了皮秒激光系統(tǒng)，但是，可以利用其它激光系統(tǒng)一般化本發(fā)明的應用，例如，準分子、CO2、銅汽化等激光系統(tǒng)。
盡管激光鉆孔系統(tǒng)200的所有元件都是常用的，但是，下面提供激光鉆孔系統(tǒng)200的操作的簡要說明。在可選實施例中，可能需要改變激光鉆孔系統(tǒng)200中的元件。本發(fā)明不限于激光鉆孔系統(tǒng)200中元件的當前選擇和布置。
在操作中，皮秒激光器205沿圖2中所示的光軸發(fā)射光束107。光束107沿光路傳播，入射到第一反射鏡208上。第一反射鏡208沿光路改變光束107的方向，使光束107入射到快門210。快門210通過打開和關閉來有選擇地照射工件材料。光束107穿過快門210，并且沿光路傳播到衰減器215。衰減器215過濾皮秒激光器205的能量，以便精確地控制燒蝕參數(shù)。光束107穿過衰減器215，并且沿光路傳播，直到它入射到第二反射鏡217。第二反射鏡217沿光路改變光束107的方向，使它入射到光束擴展器220。
光束擴展器220增大光束107的尺寸，以便匹配掃描透鏡240的光瞳尺寸。光束107穿過光束擴展器220，并且沿光路傳播，直到它入射到第三反射鏡221。第三反射鏡221沿先路改變光束107的方向，使得它入射到第四反射鏡222。第四反射鏡222沿光路改變光束107的方向，使得它入射到旋轉半波片225。旋轉半波片225改變光束107的偏振。當通過旋轉半波片225時，光束107沿光路穿過，入射到PZT掃描鏡230。PZT掃描鏡230以用鉆孔算法(未示出)預定義的圖形移動，在工件112上鉆孔。PZT掃描鏡230沿光路改變光束107的方向，使得它入射到掃描透鏡240。掃描透鏡240確定光束107在工件112上的光斑尺寸。光束107穿過掃描透鏡240，并且沿光路傳播，使得它入射到工件112上。光束107以根據(jù)預定義的鉆孔算法形成的圖形燒蝕工件。在垂直軸上調節(jié)活動載物臺257，以在燒蝕過程中保持光束107在工件112的接觸表面上的準確聚焦深度和光斑尺寸。容易理解的是，為了保持準確的聚焦深度，也可以沿垂直軸調節(jié)掃描透鏡240，從而將工件112保持在固定的位置上。
圖3A-C示出了利用活動載物臺257進行聚焦深度調節(jié)300的放大視圖，并且圖中包括一個聚焦點310和一個燒蝕區(qū)312。為了清楚起見，在圖3A-C中示出了激光鉆孔系統(tǒng)200的附加元件。
如圖3A中所示，掃描透鏡240將光束107對準工件112表面上的聚焦點310，以燒蝕材料。圖3B示出了如何通過光束107形成燒蝕區(qū)312，從而造成聚焦點310的位移等于燒蝕層的深度。在本發(fā)明中，將活動活動載物臺257的饋進距離和方向標識為ΔZ。
圖3C示出了為使光束107重新在工件112的接觸表面聚焦而進行的調節(jié)(示為ΔZ)?；顒虞d物臺257移動的距離(ΔZ)是根據(jù)計算的燒蝕速率預定的。
在操作中，聚焦設置的初始深度是為了光束107在工件112接觸表面上的聚焦點310而確定的。隨著燒蝕區(qū)312的形成，控制單元(未示出)機械地調節(jié)活動載物臺257的饋進距離ΔZ，以將光束107的聚焦點310重新對準到要燒蝕的下一層的深度。這種技術提供工件112內材料的連續(xù)燒蝕，同時在選定聚焦區(qū)110的深度范圍內給聚焦點310提供了恒定的激光強度。
圖4示出了激光鉆孔系統(tǒng)200中調節(jié)聚焦深度的方法400，現(xiàn)在參考圖1-3說明方法400的各個步驟。
在步驟410，確定希望得到的孔幾何形狀。在該步驟中，操作人員或技術人員使用諸如CAD文件之類的客戶指定的信息和技術注解，確定包括圓錐角、出口孔直徑和進入孔直徑在內的希望的孔幾何形狀。在本發(fā)明中，希望得到的形狀和尺寸是圓形孔。但是，本發(fā)明不限于指定的形狀，并且也可以用于鉆一般圖形幾何形狀，例如，直線、曲線、方形、等等。
在步驟420，激光燒蝕速率是根據(jù)經驗來確定的。在本步驟中，操作人員或技術人員利用一組給定的激光鉆孔參數(shù)確定燒蝕速率(或材料去除速率)。燒蝕速率的控制參數(shù)包括重復率，光斑尺寸和激光器功率。在切削工件112之前，進行多次試驗切削，以測量和調節(jié)影響激光鉆孔系統(tǒng)200燒蝕速率的參數(shù)。
在步驟430，設定工件孔的最終深度。在本步驟中，操作人員或技術人員利用工件112的材料厚度和從步驟410得到的希望的孔形狀來確定工件112最終希望得到的孔深度。
在步驟440，確定饋進速率。在本步驟中，操作人員、技術人員或自動工具使用從步驟410、420和430得出的計算結果確定活動載物臺257的饋進速率。對于任何特定的鉆孔應用，饋進速率等于以每單位時間燒蝕深度表示的確定的燒蝕速率。例如，如果根據(jù)一種特定材料以及一組給定激光器參數(shù)的尺寸和形狀確定了燒蝕速率為1μm/秒，那么饋進速率是1μm/秒。
在步驟450，將數(shù)據(jù)輸入到控制單元。在本步驟中，操作人員、技術人員、或自動工具將從步驟420、430、和440得到的數(shù)據(jù)輸入到控制單元，以便能夠調節(jié)活動載物臺257。
在步驟460，燒蝕工件。在本步驟中，激光鉆孔系統(tǒng)200將聚焦深度參數(shù)調節(jié)至適于工件112表面。然后，激光鉆孔系統(tǒng)200執(zhí)行切削算法，以便燒蝕工件112內的材料。工件112根據(jù)步驟420中確定的燒蝕速率，在整個燒蝕區(qū)312內進行預定燒蝕深度的燒蝕。
在步驟470，確定是否已經達到希望得到的孔深度。在這個決定步驟中，切削算法判斷是否已經達到希望得到的切削形狀。當切削算法已經完成預設的燒蝕層數(shù)，并且活動載物臺257已經達到步驟430中確定的希望得到的孔深度的預定設置點時，認為完成了切削形狀。如果是這樣，那么方法400結束。如果不是，那么方法400返回到步驟420。
本發(fā)明具有幾個優(yōu)點。本發(fā)明的第一個優(yōu)點是，提供了一種控制激光鉆孔最終產品的質量規(guī)范的方法。本發(fā)明的第二個優(yōu)點是，提供了一種在厚工件上激光鉆孔的控制方法。本發(fā)明的第三個優(yōu)點是，提供了一種在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上的恒定燒蝕速率的方法。本發(fā)明的第四個優(yōu)點是，提供了一種在整個鉆孔過程中保持厚工件表面上恒定的激光束強度和恒定光斑尺寸的方法。本發(fā)明的第五個優(yōu)點是，提供了一種僅利用一個活動元件調節(jié)聚焦深度的方法。本發(fā)明的第六個優(yōu)點是，允許加工簡單的圖形，而不必考慮材料厚度。
本發(fā)明也具有一些缺點。本發(fā)明的一個缺點是，如果活動載物臺的饋進速率太慢，那么本發(fā)明可能難于保持一致的孔幾何形狀。但是，顯微機加工領域中加工硬件、軟件、和微控制裝置的進一步發(fā)展可以很快地緩解所述的問題。
也存在另一種解決本發(fā)明提出的相同問題的方式。解決同一問題的一種其它方式是，通過人工調節(jié)各個激光系統(tǒng)元件(例如，掃描透鏡)，來調節(jié)激光鉆孔系統(tǒng)的聚焦深度。但是，這種技術要花費許多時間且十分麻煩，還可能在本激光鉆孔系統(tǒng)中引起光學對準的問題。
本發(fā)明的說明僅僅是舉例說明性質的，因此，沒有脫離本發(fā)明要旨的各種改變應包括在本發(fā)明的范圍內。這些改變不應被認為是脫離了本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于激光鉆孔系統(tǒng)的聚焦深度控制系統(tǒng)，包括一個具有一個焦平面的激光束；一個工件，其中工件的表面在與焦平面的相交點處暴露于激光束；以及一個控制模塊，可以對其進行操作以調節(jié)所述工件和焦平面中至少一個的位置，從而保持整個鉆孔過程中所述工件的暴露表面上的恒定燒蝕速率。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，包括一個可對其操作以支撐工件的活動載物臺，其中所述控制模塊可以進行操作以調節(jié)所述活動載物臺的位置。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便按照與所述激光束對應的所述工件材料的燒蝕速率函數(shù)對所述活動載物臺的位置進行調節(jié)。
4.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便按照作為鉆孔加工結果而在所述工件中形成的形狀函數(shù)對所述活動載物臺的位置進行調節(jié)。
5.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便按照鉆孔加工過程中在所述工件中形成形狀的工具路徑函數(shù)對所述活動載物臺的位置進行調節(jié)。
6.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便按照通過在鉆孔加工中使用一種工具路徑以在所述工件中形成形狀的算法函數(shù)對所述活動載物臺的位置進行調節(jié)。
7.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述模塊可以進行操作以便將所述活動載物臺的位置按照如下函數(shù)之一進行調節(jié)對應于所述激光束的所述工件材料的燒蝕速率函數(shù)；作為鉆孔加工結果在所述工件中形成的形狀函數(shù)；鉆孔加工過程中在所述工件中形成所述形狀的工具路徑函數(shù)；以及通過在鉆孔加工過程中使用所述工具路徑以在所述工件中形成所述形狀的算法函數(shù)。
8.根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其中工具路徑基于解析的希望得到的孔幾何形狀進行確定。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便將所述工件和聚焦平面中的至少一個位置按照如下函數(shù)之一進行調節(jié)與所述激光束對應的所述工件材料的燒蝕速率函數(shù)；以及作為鉆孔加工的結果在所述工件中形成的形狀函數(shù)。
10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制模塊可以進行操作以便將所述工件和聚焦平面中的至少一個位置按照如下函數(shù)之一進行調節(jié)鉆孔加工過程中在所述工件中形成所述形狀的工具路徑函數(shù)；以及在鉆孔加工過程中使用所述工具路徑以在所述工件中形成所述形狀的算法函數(shù)。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，包括一個適合于將激光束在工件表面上聚焦的活動掃描透鏡，其中所述控制模塊可以進行操作以調節(jié)掃描透鏡的位置。
12.一種調節(jié)激光切削系統(tǒng)中聚焦深度的方法，包括產生具有一個焦平面的激光束；將工件定位在焦平面中，其中工件的表面在與焦平面的相交點處暴露于激光束；以及調節(jié)工件和焦平面中的至少一個位置，從而在整個鉆孔加工過程中保持工件暴露表面上的恒定燒蝕速率。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，包括調節(jié)支撐工件的活動載物臺的位置。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，包括按照對應于激光束的工件材料的燒蝕速率函數(shù)對活動載物臺的位置進行調節(jié)。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，包括按照作為鉆孔加工的結果在工件中形成的形狀函數(shù)對活動載物臺的位置進行調節(jié)。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，包括按照鉆孔加工過程中用于在所述工件中形成形狀的工具路徑函數(shù)對活動載物臺的位置進行調節(jié)。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，包括按照通過在鉆孔加工過程中使用工具路徑以在所述工件中形成形狀的算法函數(shù)對活動載物臺的位置進行調節(jié)。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中所述控制模塊可以進行操作以便將所述活動載物臺的位置按照如下函數(shù)之一進行調節(jié)對應于激光束的工件材料的燒蝕速率函數(shù)；作為鉆孔加工的結果在工件中形成的形狀函數(shù)；鉆孔加工過程中在所述工件中形成形狀的工具路徑函數(shù)；以及通過鉆孔加工過程中使用工具路徑以在所述工件中形成形狀的算法函數(shù)。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其中工具路徑基于解析的希望得到的孔幾何形狀。
20.根據(jù)權利要求12所述的方法，包括將所述工件和焦平面中的至少一個位置按照如下函數(shù)之一調節(jié)對應于所述激光束的所述工件材料的燒蝕速率函數(shù)；以及作為鉆孔加工的結果在所述工件中形成的形狀函數(shù)。
21.根據(jù)權利要求20所述的方法，包括將所述工件和焦平面中的至少一個位置按照如下函數(shù)之一進行調節(jié)鉆孔加工過程中在所述工件中形成所述形狀的工具路徑函數(shù)；以及在鉆孔加工過程中使用所述工具路徑以在所述工件中形成所述形狀的算法函數(shù)。
22.根據(jù)權利要求12所述的方法，進一步包括使激光束穿過掃描透鏡以形成焦平面，并通過移動掃描透鏡調節(jié)焦平面的位置。
23.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中將工件進一步定義為噴墨頭的噴嘴板。
24.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中將工件進一步定義為噴墨頭的噴嘴板。
全文摘要
一種在激光切削系統(tǒng)中調節(jié)聚焦深度的方法，包括產生具有焦平面的激光束(107)，將工件(112)在焦平面中定位，從而使工件(112)的表面在與焦平面的相交點處暴露于激光束，以及調節(jié)工件和焦平面中的至少一個位置，從而在整個鉆孔加工過程中保持工件(112)暴露表面上的恒定燒蝕速率。
文檔編號B23K26/06GK1658997SQ03812690
公開日2005年8月24日 申請日期2003年2月26日 優(yōu)先權日2002年7月25日
發(fā)明者劉新兵 申請人:松下電器產業(yè)株式會社