基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法，包括激光器、X軸振鏡、Y軸振鏡，動態聚焦鏡組、振鏡控制單元及參數調整單元，動態聚焦鏡組包括Z軸振鏡及兩片聚焦鏡，Z軸振鏡、兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡順序設置于激光器發出的激光光路上；參數調整單元，依據不同的標刻位置，根據激光光束的光腰直徑、發散角參數，獲得Z軸振鏡的調整位置，并將Z軸振鏡的調整位置發送至振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制Z軸振鏡運動至調整位置。本發明有效提高了動態聚焦系統的光學透過率和焦平面內不同位置的光斑一致性，同時無需設置擴束鏡，可降低光源的能量損耗、降低系統制造成本，提高加工效率和加工精度。
【專利說明】基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法，屬于激光標刻【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著激光標刻技術的發展，振鏡式三維動態聚焦標刻系統已經廣泛應用于高端工業制造、電子、醫療和工藝品等領域的大幅面標刻和三維曲面標刻中。
[0003]現有的振鏡式三維動態聚焦標刻系統一般包括激光器、擴束鏡、動態聚焦鏡組、X軸振鏡及Y軸振鏡，激光器發出的光束經擴束鏡擴束準直后調整為平行光束，平行光束經動態聚焦鏡組、X軸振鏡及Y軸振鏡處理后聚焦于工件表面，再通過控制單元調整動態聚焦鏡組的位置，可使光束聚焦于工件表面的不同位置上，理想狀態下實現標刻位置的光斑直徑小且一致的效果。
[0004]由于激光器輸出的光束需先經擴束鏡擴束準直形成平行光束，光束能量存在一定的損耗，且準直后的平行光束不是完全理想的平行光，發射光會導致光斑直徑不一致的問題，另外，光束傳輸過程中存在的光壓，會使聚焦鏡的曲率發生變化；上述因素均會影響激光聚焦的效果，進而影響標刻的效果。可見，現有的振鏡式三維動態聚焦標刻系統存在加工效率較低、不同位置的光斑一致性差、加工精度較低的問題。
【發明內容】
[0005]鑒于上述原因，本發明的目的在于提供一種基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法，根據激光光束的光腰直徑、發散角等參數調整動態聚焦鏡組的位置，無需設置擴束鏡進行準直，不僅可降低光源的能量損耗，提高加工效率，且可保證不同標刻位置的光斑一致性，進而提高標刻的精細度。
[0006]為實現上述目的，本發明采用以下技術方案:
[0007]—種基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統，包括激光器、X軸振鏡、Y軸振鏡，其特征在于，還包括:動態聚焦鏡組、振鏡控制單元及參數調整單元，
[0008]該動態聚焦鏡組包括Z軸振鏡及兩片聚焦鏡，該Z軸振鏡及兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡順序設置于激光器發出的激光光路上，
[0009]該參數調整單元，依據不同的標刻位置，根據激光光束的光腰直徑、發散角參數，獲得該Z軸振鏡的調整位置，并將該Z軸振鏡的調整位置發送至該振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制該Z軸振鏡運動至該調整位置。
[0010]進一步的，
[0011]所述參數調整單元根據不同的標刻位置獲得光斑直徑，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，再根據光腰直徑、發散角參數及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
[0012]系統還包括:光壓補償單元，用于通過曲線擬合生成修正后的鏡片焦距f'，所述參數調整單元根據獲得的光斑直徑及該修正后的鏡片焦距f'，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，再根據發散角、光束直徑D'及光腰直徑，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
[0013]所述參數調整單元依據公式(4)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D',
,A/.M'f kD'1…
[0014]d =-—+~—(4)
πΟ' /
[0015]其中，d為激光光束聚焦后的光斑直徑，λ為激光光束的波長，M為激光光束的質量，f為Z軸振鏡的鏡片焦距，k為Z軸振鏡鏡片的影響因子，
[0016]依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑D、發散角α及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡的鏡片的距離L，
[0017]a(3)
π?'
[0018]D' = D+2L (tan α ) (5)
[0019]所述參數調整單元依據公式(6)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D',
,4/t/V/V' kD'2…
[0020]d =-—+—-τ-(6)./v
[0021]基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統實現的三維動態聚焦標刻方法，包括如下步驟:
[0022]所述激光器的輸出光束經所述Z軸振鏡、兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡在工件表面形成光斑，
[0023]依據不同的標刻位置，獲得入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D' ；
[0024]根據光束的光腰直徑、發散角參數以及光束直徑D'確定Z軸振鏡的調整位置，
[0025]所述振鏡控制單元根據該Z軸振鏡的調整位置，控制所述Z軸振鏡動作至該調整位置。
[0026]進一步的，
[0027]該方法還包括:
[0028]利用曲線擬合算法生成修正后的鏡片焦距；
[0029]依據不同的標刻位置及修正后的鏡片焦距，獲得入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'。
[0030]其中，確定Z軸振鏡的調整位置的方法是:
[0031]依據公式(4)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，
[0032]依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑、發散角及該光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
[0033]確定Z軸振鏡的調整位置的方法是:
[0034]依據公式(6)所示，根據獲得的光斑直徑及所述修正后的鏡片焦距，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，
[0035]依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑、發散角及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡的鏡片的距離。
[0036]本發明的優點在于:
[0037]1.、無需設置擴束鏡，簡化了系統結構，降低了制造成本，同時降低了激光的能量損耗，大大提高了加工效率；
[0038]2.、根據激光光束的光腰直徑和發散角參數調整Z軸振鏡的位置，大大提高了實際加工焦平面上不同位置的光斑一致性，提高了加工精度；
[0039]3、通過曲線擬合算法減小光壓誤差，大大提高了聚焦光斑的一致性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明的系統組成示意圖。
[0041]圖2是激光器輸出光束的分布特征圖。
[0042]圖3是本發明的激光光束通過動態聚焦鏡組進行聚焦的光路圖。
[0043]圖4是本發明的方法流程圖。
[0044]圖5是本發明的優選實施例的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0045]以下結合附圖和實施例對本發明進行進一步的詳細描述。
[0046]圖1是本發明的系統組成示意圖。如圖所示，本發明公開的基于激光器輸出光束的二維動態聚焦標刻系統，包括激光器1、動態聚焦鏡組、X軸振鏡3、Y軸振鏡4、振鏡控制單元及參數調整單元；動態聚焦鏡組包括Z軸振鏡21、兩片聚焦鏡22、23 ；
[0047]Z軸振鏡21、兩片聚焦鏡22，23、X軸振鏡3、Y軸振鏡4順序設置于激光器I發出的激光光路上；振鏡控制單兀分別與X軸振鏡3、Y軸振鏡4、Z軸振鏡21的伺服電機相連接，用于通過控制伺服電機動作而調整X軸振鏡3、Y軸振鏡4及Z軸振鏡21的鏡片的位置，使得激光光束聚焦于工件表面的不同位置上。
[0048]參數調整單元，依據工件上不同的標刻位置，根據激光光束的光腰直徑、發散角參數，獲得Z軸振鏡21的調整位置，并將Z軸振鏡21的調整位置發送至振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制Z軸振鏡21運動至該調整位置。具體的說，
[0049]如圖2所示，激光器的輸出光束近似為高斯光束，其特性是，光束在一定距離之內近似為平行光，隨著傳輸距離的增大，受到發散角α的作用，光斑逐漸發散；其中，發散角α與光腰直徑D的關系為:
2λ.
[0050]a =——CI;
πΟ
[0051]在現有的光學聚焦設計過程中，計算聚焦光斑大小的公式是:
,4AMzf kD~
[0052]d =-— + ~—(2
兀DJ-
[0053]其中，d為激光光束聚焦后的光斑直徑，λ為激光光束的波長，M為激光光束的質量，f為聚焦鏡組的鏡片焦距，K為鏡片的影響因子，D為激光光束經擴束調整后的平行光直徑；
[0054]如圖3所示，本發明的三維動態聚焦標刻系統中，由于未設置擴束鏡，激光器的輸出光束直接入射于Z軸振鏡,受發散角α的影響,入射于Z軸振鏡處的光束直徑實際上為D'，為使聚焦光斑直徑更接近于實際的聚焦效果，將公式(I)修正為:
[0055]a =(, 3)
πΟ'
[0056]并將公式⑵修正為:
,kD'2
[0057]d = -^ + ―⑷
J ~
[0058]結合公式(4)，在激光打標技術中，聚焦于工件表面不同位置的光斑直徑越小，且光斑直徑越近似，標刻的效果越精細美觀。
[0059]在動態打標的過程中，為保證不同標刻位置激光最終聚焦光斑直徑的一致性，基于經典的光學成像原理，參數調整單元根據不同的標刻位置獲得最終的光斑直徑，根據獲得的光斑直徑，得到入射于Z軸振鏡21的鏡片處的光束直徑D' ,根據發散角α、光束直徑D'及光腰直徑D，利用直角三角形幾何原理(公式(5))，獲得激光器I到Z軸振鏡21的鏡片的距離L，將距離L輸出至振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制Z軸振鏡21的鏡片運動至距離激光器為L的調整位置。
[0060]D' = D+2L (tan α ) (5)
[0061]考慮到光學鏡片在實際使用過程中，其表面會因附著微塵而產生光壓誤差，造成鏡片的曲率發生變化，影響聚焦效果，本發明的三維動態聚焦標刻系統還包括光壓補償單元，該光壓補償單元用于通過曲線擬合生成修正后的鏡片焦距(Z軸振鏡的鏡片焦距)f'，根據修正后的鏡片焦距f'，公式(4)進一步修正為:
,4λΜ2 f' kD'2
[0062]d =-— + ^— {6)
πΟ' /'-
[0063]在公式(6)的基礎上，參數調整單元根據不同的標刻位置獲得光斑直徑d，根據獲得的光斑直徑d以及修正后的鏡片焦距f'，得到入射于Z軸振鏡21鏡片處的光束直徑D'，再根據發散角α、光束直徑D'及光腰直徑D，利用直角三角形幾何原理，獲得激光器I到Z軸振鏡21的鏡片的距離L'，將距離L'輸出至振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制Z軸振鏡21的鏡片運動至距離激光器為L'的調整位置。
[0064]圖4是本發明的方法流程圖。如圖所示，本發明還提供一種三維動態聚焦標刻方法，該方法包括:
[0065]S1:激光器的輸出光束經Z軸振鏡、兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡在工件表面形成光斑，
[0066]S2:依據不同的標刻位置，獲得入射于Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D' ；
[0067]S3:根據光束的光腰直徑、發散角參數以及光束直徑D'確定Z軸振鏡的調整位置，
[0068]S4:振鏡控制單元根據該Z軸振鏡的調整位置，控制Z軸振鏡動作至該調整位置。
[0069]為減小光壓誤差對聚焦效果的影響，如圖5所示，步驟S2還包括:
[0070]S21:利用曲線擬合算法生成修正后的鏡片焦距；
[0071]S22:依據不同的標刻位置及修正后的鏡片焦距，獲得入射于Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'。
[0072]所述Z軸振鏡21的鏡片為負焦距透鏡(凹透鏡)，聚焦鏡22、23為非球面鏡，且焦距為正。通過兩片聚焦鏡22、23的組合使用，能夠縮減球差的影響，使得聚焦光斑更小。
[0073]所述激光器包括C02、半導體、光纖激光器等。
[0074]本發明的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統及方法，激光器的輸出光束無需經過擴束鏡準直，直接入射至Z軸振鏡，為保證光斑的一致性，依據工件上不同的標刻位置，根據光束的光腰直徑和發散角參數對Z軸振鏡的位置進行調整，使得聚焦光斑直徑更接近于實際的聚焦效果，且光斑的均勻度遠大于以平行光為模型的實際聚焦效果。本發明可降低光源的能量損耗，同時可提高加工效率和加工精度。
[0075]以上所述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和范圍的情況下，任何基于本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬于本發明保護范圍之內。
【權利要求】
1.基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統，包括激光器、X軸振鏡、Y軸振鏡，其特征在于，還包括:動態聚焦鏡組、振鏡控制單元及參數調整單元， 該動態聚焦鏡組包括Z軸振鏡及兩片聚焦鏡，該Z軸振鏡及兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡順序設置于激光器發出的激光光路上， 該參數調整單元，依據不同的標刻位置，根據激光光束的光腰直徑、發散角參數，獲得該Z軸振鏡的調整位置，并將該Z軸振鏡的調整位置發送至該振鏡控制單元，由振鏡控制單元控制該Z軸振鏡運動至該調整位置。
2.如權利要求1所述的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統，其特征在于，所述參數調整單元根據不同的標刻位置獲得光斑直徑，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，再根據光腰直徑、發散角參數及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
3.如權利要求2所述的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統,其特征在于，還包括:光壓補償單元，用于通過曲線擬合生成修正后的鏡片焦距f'，所述參數調整單元根據獲得的光斑直徑及該修正后的鏡片焦距f'，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'，再根據發散角、光束直徑D'及光腰直徑，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
4.如權利要求2所述的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統,其特征在于，所述參數調整單元依據公式(4)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'， T VaM1 f kD'2 d =-- + ^— ⑷
πΟ' f 其中，d為激光光束聚焦后的光斑直徑，λ為激光光束的波長，M為激光光束的質量，f為Z軸振鏡的鏡片焦距，k為Z軸振鏡鏡片的影響因子， 依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑D、發散角α及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡的鏡片的距離L，a =--)
πΟ'
D' = D+2L (tan α ) (5)
5.如權利要求3所述的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統,其特征在于，所述參數調整單元依據公式(6)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'， ,4λΜ2Γ kD'1 d =-—+~— (6)
π。' Γ2
6.基于權利要求5所述的基于激光器輸出光束的三維動態聚焦標刻系統實現的三維動態聚焦標刻方法，其特征在于，包括如下步驟: 所述激光器的輸出光束經所述Z軸振鏡、兩片聚焦鏡、X軸振鏡、Y軸振鏡在工件表面形成光斑， 依據不同的標刻位置，獲得入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D' ； 根據光束的光腰直徑、發散角參數以及光束直徑D'確定Z軸振鏡的調整位置， 所述振鏡控制單元根據該Z軸振鏡的調整位置，控制所述Z軸振鏡動作至該調整位置。
7.如權利要求6所述的三維動態聚焦標刻方法，其特征在于，該方法還包括: 利用曲線擬合算法生成修正后的鏡片焦距； 依據不同的標刻位置及修正后的鏡片焦距，獲得入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'。
8.如權利要求6所述的三維動態聚焦標刻方法，其特征在于，確定Z軸振鏡的調整位置的方法是: 依據公式(4)所示，根據獲得的光斑直徑，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'， 依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑、發散角及該光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡鏡片的距離。
9.如權利要求7所述的三維動態聚焦標刻方法，其特征在于，確定Z軸振鏡的調整位置的方法是: 依據公式(6)所示，根據獲得的光斑直徑及所述修正后的鏡片焦距，得到入射于所述Z軸振鏡鏡片處的光束直徑D'， 依據公式(3)及(5)，根據光腰直徑、發散角及光束直徑D'，獲得所述激光器到所述Z軸振鏡的鏡片的距離。
【文檔編號】B23K26/352GK104191089SQ201410460960
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月11日 優先權日:2014年9月11日
【發明者】楊海青 申請人:蘇州菲鐳泰克激光技術有限公司