專利名稱：工件激光加工裝置的校準方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工件激光加工裝置的校準方法和裝置。
在微型加工領域中，例如在激光直接結構化、激光鉆孔、激光熔化、激光焊接、激光標記、激光切割中，激光加工的意義越來越重大。在激光鉆孔和電路元件結構化(導電板和多芯片模塊)中，可以生產(chǎn)出結構尺寸小于50微米的孔和導體結構。具有20微米導線軌結構的樣品已經(jīng)得到了證明。在這種結構件中，精度扮演著很重要的角色。目標設定值小于10微米。在連續(xù)加工步驟如在預制注塑件或基板上鉆孔和結構化時，還要明顯減小誤差。因而，誤差在很大程度上決定了可獲得的結構尺寸，例如為了可靠地分開平行導線軌，必須考慮相應大的尺寸公差，這種尺寸公差導致了大的導線軌間距及結構尺寸。
DE4437284公開了一種激光束偏轉控制裝置的校準方法，其中用激光束照射光敏介質(zhì)的預定位置以產(chǎn)生測試圖，隨后在一個獨立裝置中產(chǎn)生由測試圖局部圖象構成的數(shù)字化單象測圖并由此算出控制修正數(shù)據(jù)以便引導激光束。分頭測量測試圖是費時的，它需要單獨的測量裝置。此外，只能用這種方法校準整個激光束的分布情況，而某些部分的細微校準是不可能實現(xiàn)的。
US4,584,455公開了一種用激光束加工工件的裝置，除了加工激光束外，它還產(chǎn)生一股與所述加工激光束重合的且在可見光范圍內(nèi)的激光束，借助攝象機來確定所述激光束在工件上的位置。把測定位置與理論位置進行比較并且如此控制加工激光束，即，要考慮理論位置與測定位置之差。此外，攝象機只具有測控工件局部的視野，因而不可能顧及到在工件其它部分內(nèi)反射的偏差。
因此，本發(fā)明的任務是提供一種用于激光加工裝置校準的、快速且可重現(xiàn)的方法和裝置，它確保了在整個工件范圍內(nèi)進行非常精確的工件加工。
根據(jù)本發(fā)明，通過權利要求1所述的方法和權利要求6所述的裝置而完成了本發(fā)明任務。
在本發(fā)明方法中，通過前后兩個分開的步驟表現(xiàn)出光學圖象的特點。在這里，首先，通過代替工件地在物鏡前設置一個校準板來測量激光束偏轉器和物鏡，由攝象機測量由物鏡和偏轉器產(chǎn)生的校準板圖象。此外，攝象機的視野由偏轉器控制地移動到校準板上。由此，校準了可接收一個工件的整個區(qū)域。由于偏轉器和物鏡總是都留在光路中，所以可以在攝象機中分析并存儲通過這兩個部件引起的圖象偏差，并且在隨后加工工件時予以考慮。在第二步驟中表示出產(chǎn)生激光束的部件的特性。為此，由激光源產(chǎn)生的并由一個形成激光束的裝置形成的激光束通過偏轉器而把預定圖形(校準標記)描摹到樣板上。隨后可測量校準標記并在考慮了已測出的偏轉器和物鏡的圖象偏差的情況下而推斷出光偏差，所述光偏差是由激光源和形成激光束的裝置引起的。另外，光偏差是校準標記的預定理想位置與實際位置之間的差。還存儲這種光偏差并在隨后加工工件時予以考慮。當攝象機如在權利要求2中有利地提出的那樣通過物鏡和偏轉器測量樣板時，該方法無需特殊的校準標記測量裝置就能實現(xiàn)。
如權利要求3所述，當校準板圖象通過一個設置在形成激光束的裝置與偏轉器之間的光路中的且對激光是透明的并反射攝象機拍攝校準板所用的光的鏡子被轉向攝象機時，該方法的光學結構設計得特別有利。
在有利的實施例中，通過權利要求4所述的改進方式而考慮到了工件對光學圖象的影響。為此，用攝象機拍攝一個位于要加工工件上的基準點，在控制裝置中，考慮圖象偏差和光偏差地確定工件對圖象的影響并且在加工工件時予以考慮。
尤其是當如權利要求5所述的方法被用于工件非平面的結構化時，通過已準備出的數(shù)據(jù)來消除不平整度，從而可以用激光加工裝置描摹例如隆起的基板。
權利要求6所述的裝置用于有利地實現(xiàn)上述之一的方法，在所述裝置中包括實現(xiàn)該方法所需的器件。
如權利要求7所述的裝置被有利地設計用于加工隆起工件，其中通過一個調(diào)制光路的調(diào)制器，經(jīng)過物鏡的圖象焦點適應于工件的相應隆起。
根據(jù)附圖并結合實施例來詳細描述本發(fā)明，其中

圖1表示在工件或樣板的結構化和/或測量時的激光加工裝置的示意結構；圖2表示校準板測量時的激光加工裝置的示意結構；圖3表示工件結構化時的激光加工裝置的示意結構。
圖中畫出了激光加工裝置1，其中借助激光束2把一種結構描摹到工件14中。所述結構可以通過鉆孔、熔化、釬焊或切割形成。激光源4產(chǎn)生激光束2并且通過激光束2擴展裝置5來擴展激光束。為了調(diào)制激光束2的光路，還在光路中設置了一個調(diào)制器6，隨后通過偏轉器7和物鏡8把激光束偏轉向工件14(在比實施例中是隆起的)。在偏轉器7中，例如還設置了兩個相互垂直的未示出的鏡子，所述鏡子使激光束移到工件14的面上，從而可以通過偏轉激光束來加工整個工件14的面。激光束擴展裝置5和激光束2的光路調(diào)制器6形成了形成激光束2的裝置。通過一個控制裝置13來控制激光束2光路調(diào)制器6。由此，激光束2在物鏡8后的焦點沿z向移動，即，沿激光束2的擴展方向移動。通過這種控制，激光束2的焦點可以適應于工件14的隆起結構。為了測量偏轉器7和物鏡8的圖象偏差，在光路調(diào)制器6與偏轉器7之間的光路中，設置了可部分透光的鏡子10。鏡子10例如對激光束2是透明的并且可以將穿過物鏡8和偏轉器7的來自工件14的光反射到攝象機11中，攝象機11同樣與控制裝置13相連以便進行分析。沒有畫出同樣可行的實施例，鏡子對于來自工件14的光是透明的，并且把激光束2反射向工件14。
激光加工裝置1的校準方法可以這樣進行。如圖2所示，校準板3首先利用在校準板3上的圖形(如有預定間隔的網(wǎng)格)并通過物鏡8和偏轉器7以及鏡子10在攝象機11上描摹出圖象?？刂蒲b置13如此控制偏轉器7，即，校準板3圖象的光路12移向整個校準板。根據(jù)校準板3的標記，可以表示出光路和物鏡8、偏轉器7、鏡子10及攝象機11的圖象偏差的特性。所掌握的圖象偏差被存儲在控制裝置13中并且在隨后加工工件14時得到抵消。
在方法的第二步驟中，把一個樣板15如鋁板設置在物鏡前代替校準板3。激光束2通過對偏轉器7的預定控制而把預定圖形(校準標記)描繪到樣板15上。校準標記的位置通過校準板圖象的光路而相應地通過鏡子10描繪在攝象機11中。在控制裝置13中，在考慮到已測出的圖象偏差的情況下，測算并存儲在校準標記結構化時出現(xiàn)的光偏差并在裝備工件時予以考慮。
為了加工如隆起的工件14，如圖3所示，還要測量對幾何形狀的影響和/或工件14的光圖特性。為此，通過物鏡8、偏轉器7以及鏡子10在攝象機11上形成已位于工件14上的基準點。在控制裝置13中，根據(jù)已測出的圖象偏差和光偏差而測算出對工件的影響。隨后，該方法可以被用于同類工件，以便如此控制光路調(diào)制器6，即激光束2的焦點最佳地定位于工件14的表面上。
此外，通過該方法和裝置來消除由控制偏轉器7鏡子的電動機而引起的誤差。
權利要求
1.一種利用激光源(4)、形成激光束(2)的裝置(5，6)和激光束(2)偏轉器(7)和物鏡(8)來加工工件(14)的激光加工裝置(1)的校準方法，其中一個樣板(15)代替工件(14)位于物鏡(8)前面，借助對偏轉器(7)的預定控制而通過激光束(2)把校準標記描繪到樣板(15)上，測量校準標記的位置，其特征在于，代替要加工工件(14)地把一塊校準板(3)定位在物鏡(8)的前面，一個攝象機(11)記錄下由物鏡(8)和偏轉器(7)產(chǎn)生的校準板(3)的圖象，其中攝象機(11)的視野通過偏轉器(7)來控制地移到校準板(3)上，在一個連接在攝象機(11)后面的控制裝置(13)中根據(jù)圖象確定由偏轉器(7)、物鏡(8)和攝象機(11)引起的圖象偏差，在考慮了圖象偏差的情況下，根據(jù)校準標記的測量位置確定光源(4)和形成激光束(2)的裝置(5，6)的光偏差，存儲光偏差和圖象偏差并且在加工工件(14)時進行補償。
2.如權利要求1所述的激光加工裝置(1)的校準方法，其特征在于，攝象機(11)的視野通過偏轉器(7)移向樣板(15)并且測量校準標記的位置。
3.如權利要求1或2所述的激光加工裝置(1)的校準方法，其特征在于，校準板(3)的圖象通過一個設置在形成激光束(2)的裝置(5，6)與偏轉器(7)之間光路中的且對激光是透明的并反射攝象機(11)拍攝校準板(3)所用的光的鏡子(10)被轉向攝象機(11)。
4.如權利要求1、2或3所述的激光加工裝置(1)的校準方法，其特征在于，用攝象機(11)拍攝一個位于要加工工件(14)上的基準點，在控制裝置(13)中，考慮圖象偏差和光偏差來確定對圖象的工件影響并且在加工工件(14)時予以考慮。
5.利用如權利要求4所述的方法來準備用于結構化工件(14)的非平面的數(shù)據(jù)，其特征在于，通過一個由控制裝置(13)控制的光路調(diào)制器來改變激光束(2)的光路，即圖象焦點通過物鏡(8)而相應地適應于工件(14)的幾何形狀。
6.一種尤其是實施如權利要求1-5之一所述方法的工件(14)激光加工裝置(1)的校準裝置，它包括一個光源(4)、一個形成激光束(2)的裝置(5，6)、一個激光束(2)偏轉裝置(7)、一個用于可視監(jiān)測工件(14)的攝象機(11)、一個用于偏轉裝置(7)、攝象機(11)和激光束形成裝置(6)的控制裝置(13)、一個把偏轉激光束(2)集束到工件(14)上的物鏡(8)、一個在光路中的且把激光束轉向工件(14)并把來自工件(14)的光轉向管內(nèi)攝象機(11)的部分透光的鏡子(10)，其特征在于，部分透光的鏡子(10)設置在激光束(2)形成裝置(5，6)和偏轉裝置(7)之間。
7.如權利要求6所述的激光加工裝置的校準裝置，其特征在于，形成激光束(2)的裝置(5，6)包括一個擴展激光束(2)的裝置(5)和一個用于調(diào)制激光束(2)光路的調(diào)制器(6)。
全文摘要
對于用激光束(2)進行工件(14)結構化來說,需要很高精度,這是因為否則的話要出現(xiàn)很大的預定結構的尺寸公差。在本發(fā)明方法中,測量一個位于物鏡(8)前面的校準板(3),其中校準板(3)的圖象通過物鏡(8)、偏轉裝置(7)和鏡子(10)而被描繪到攝象機(11)上。鏡子(10)對激光束(2)是透明的?？刂蒲b置(13)測量并存儲圖象偏差。隨后,激光束(2)把校準標記描繪到一個位于物鏡(8)前的樣板(15)上。校準標記同樣通過以下光路即物鏡(8)、偏轉裝置(7)和鏡子(10)而描繪到攝象機(11)上。根據(jù)校準標記的測定位置并考慮所測圖象偏差地,測量并存儲由光源(4)和激光束形成裝置(5,6)引起的光偏差并且在加工工件時予以考慮。
文檔編號H01S3/101GK1333713SQ99807074
公開日2002年1月30日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權日1998年7月13日
發(fā)明者L·米勒, M·波爾加, H·德斯托伊爾, M·范比森, F·羅斯 申請人:西門子公司