對柔性玻璃基板的反饋控制激光切割的制作方法
本申請根據35u.s.c.§119要求于2014年11月20日提交的美國臨時申請序列號62/082383的優先權權益，所述美國臨時申請的內容被用作依據并且通過引用以其全文結合在此。
背景技術：
本發明總體上涉及對脆性材料進行切割，并且更具體地涉及利用用于監測和/或控制裂紋尖端位置的反饋回路來分離薄玻璃基板。
技術背景
雖然對相對較厚玻璃片的激光切割是眾所周知的并且對其進行了研究，但是對非常薄的玻璃片的處理主要由于在玻璃片被加熱(例如，使用激光器)時穿過玻璃片的厚度發生的快速熱平衡而提出了新挑戰。在對厚度等于或大于例如0.7mm的玻璃片應用的典型激光切割操作中，激光束用于沿著預定路徑對玻璃進行加熱。對加熱的路徑施加冷卻流體，并且所產生的應力場可以使預先存在的瑕疵(諸如小裂紋)在玻璃上延伸并傳播。通常，這種工藝用于產生裂紋，所述裂紋由于通過入射激光束產生的熱量(以及隨后的冷卻)不能在入射表面下面充分延伸以便以感興趣的速度建立對于工業應用必要的拉伸應力場而僅部分地延伸穿過玻璃基板工藝。結果是刻劃線，所述刻劃線是延伸橫跨表面的至少一個主要部分而不穿過玻璃的厚度的裂紋。通過垂直于刻劃線而施加拉伸應力(比如，通過彎曲)來執行最終分離。所產生的拉伸應力驅動部分裂紋穿過玻璃厚度的剩余部分，從而完全地分離玻璃。
在切割操作期間，因為加熱以及隨后的冷卻快速地延伸穿過玻璃基板的厚度，由此需要不同的技術來為通過裂紋傳播產生的新形成的邊緣表面產生鏡子似的光潔度，所以厚度等于或小于約0.3毫米(mm)的薄玻璃片(例如，基板)以不同方式表現。重要地，在0.1米/秒及以上的裂紋傳播速度下，速度與應力強度之間的關系具有約40的斜率，從而使得1x應力強度變化相當于40x裂紋速度變化。
因此，對于邊緣質量和分離而言重要的是確保裂紋尖端速度得到控制。
技術實現要素：
本公開描述了一種用于對薄的柔性玻璃基板(例如，厚度等于或小于約0.3毫米的玻璃基板)進行切割的激光切割裝置以及一種使用所述裝置的方法。所述裝置采用反饋回路，所述反饋回路基于相對于通過入射在玻璃基板的主表面上的激光束產生的照射區域的裂紋尖端位置。快速圖像采集裝置對裂紋尖端相對于通過入射激光束產生的照射區域的位置實時地進行成像并將所述信息饋送給工藝控制器。在工藝控制器(例如，計算機或其他合適的數據處理設備)中對數字圖像進行處理。可替代地，例如，可以在獲得圖像的位置處使用可重新組態的現場可編程門陣列技術來對圖像進行處理。根據相對于照射區域的裂紋尖端位置，工藝控制器可以向激光器發送控制信號并且向激光束轉向設備發送位置信號。控制信號可以例如通過改變到激光器的控制電壓來調制激光功率，從而使裂紋尖端能夠在照射區域橫穿玻璃基板上的預定切割路徑時在距離照射區域基本上恒定的距離處傳播。這種技術可以產生展現出最小至無強度限制性裂紋不規則性的激光切割邊緣。
在一個實施例中，公開了一種對脆性材料(諸如玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷材料)進行切割的方法，所述方法包括：使用激光束沿著預定切割路徑對所述脆性材料進行加熱，所述激光束在所述脆性材料的表面上形成照射區域，其中，在所述照射區域處對所述脆性材料進行加熱；在所述加熱之后，使用冷卻流體沿著所述預定切割路徑對所述脆性材料進行冷卻，從而使裂紋沿著所述切割路徑傳播；檢測所述裂紋的前尖端相對于所述照射區域的參考位置的位置并計算所述裂紋尖端位置與所述參考位置之間的距離；將所計算的距離與預定設定距離進行比較；以及響應于所計算的距離與所述預定設定距離之間的差異而修改以下各項中的至少一項：所述激光束的功率、所述照射區域的橫向速度或所述冷卻流體的橫向速度。所述脆性材料的厚度可以等于或小于約0.3毫米。例如，脆性材料的厚度t可以在從約0.3毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.25毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.2毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.15毫米到約0.05毫米的范圍內、或在從約0.05毫米的范圍內(包括其間所有的范圍和子范圍)。在一個示例中，參考位置為照射區域的中點。然而，在其他示例中，參考位置可以為照射區域的前尖端、照射區域的后尖端或其間的任何點。預定設定距離可以在從約0毫米到約50毫米的范圍內(例如，在從約0毫米到約45毫米、從約0.05毫米到約40毫米、從約0.05毫米到約30毫米、約0.05毫米到約25毫米的范圍內)，包括其間的所有范圍和子范圍。
所述檢測裂紋尖端的步驟可以包括使用照明源來照亮裂紋。在某些示例中，照明源使用暗場照明來照亮裂紋。照明源可以使用線照明來照亮裂紋。
所述檢測裂紋尖端的步驟可以包括使用成像裝置來對所述裂紋進行成像。
在另一個實施例中，描述了一種對脆性材料進行切割的方法，所述方法包括：使用入射在脆性材料的表面上的激光束沿著所述脆性材料的所述表面上的預定切割路徑對所述脆性材料進行加熱。所述脆性材料可以為玻璃基板、玻璃陶瓷基板或陶瓷基板。所述脆性材料的厚度等于或小于約0.3毫米，例如，所述脆性材料的厚度可以在從約0.3毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.25毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.2毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.15毫米到約0.05毫米的范圍內、或在從約0.05毫米的范圍內，包括其間的所有范圍和子范圍。所述激光束在所述脆性材料的所述表面上形成行進照射區域，其中，在所述照射區域處對所述脆性材料進行加熱。所述方法可以進一步包括：使用入射在所述脆性材料的所述表面上的冷卻流體沿著所述切割路徑對所述脆性材料進行冷卻，所述冷卻流體產生落后于所述行進照射區域的冷卻區域并且使裂紋沿著所述切割路徑傳播；檢測所述裂紋的前尖端相對于所述行進照射區域的參考位置的位置；以及計算所述裂紋尖端位置與所述參考位置之間的距離。所述方法可以進一步包括：將所計算的距離與預定設定距離進行比較；以及響應于所計算的距離與所述預定設定距離之間的差異而修改以下各項中的至少一項：所述激光束的功率、所述照射區域相對于所述玻璃基板的所述表面的橫向速度或所述冷卻流體的橫向速度。所述參考位置可以為所述照射區域的中點。然而，在其他示例中，參考位置可以為照射區域的前尖端、照射區域的后尖端或其間的任何點。預定設定距離可以在從約0毫米到約50毫米的范圍內(例如，在從約0毫米到約45毫米、從約0.05毫米到約40毫米、從約0.05毫米到約30毫米、約0.05毫米到約25毫米的范圍內)，包括其間的所有范圍和子范圍。
所述檢測所述裂紋尖端的步驟可以包括使用暗場照明，并且可以包括使用線照明來照亮所述裂紋以及檢測照明從裂紋尖端進行的反射。
在仍另一個實施例中，公開了對一種對玻璃基板進行切割的方法，所述方法包括：使用激光束沿著預定切割路徑對所述脆性材料進行加熱，所述激光束在所述脆性材料的表面上產生行進照射區域，其中，在所述照射區域處對所述脆性材料進行加熱。所述方法可以進一步包括：在所述加熱之后，使用冷卻流體沿著所述預定切割路徑對所述脆性材料進行冷卻，從而使裂紋沿著所述切割路徑傳播；檢測所述裂紋的前尖端相對于所述行進照射區域的參考位置的位置并計算所述裂紋尖端位置與所述參考位置之間的距離；將所計算的距離與預定設定距離進行比較；以及響應于所計算的距離與所述預定設定距離之間的差異而修改以下各項中的至少一項：所述激光束的功率、所述激光束的橫向速度或所述冷卻流體的橫向速度。
所述脆性材料的厚度等于或小于約0.3毫米，例如，所述脆性材料的厚度可以在從約0.3毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.25毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.2毫米到約0.05毫米的范圍內、在從約0.15毫米到約0.05毫米的范圍內、或在從約0.05毫米的范圍內，包括其間的所有范圍和子范圍。
在示例中，所述檢測所述裂紋尖端位置的步驟可以包括使用線激光器來照亮所述裂紋以及檢測所述裂紋尖端處的分叉。
在下面的具體實施方式中將闡述本文公開的實施例的其他特征和優點，它們對本領域的技術人員來說部分地可從所述描述中變得顯而易見，或可通過實踐本文中所描述的實施例(包括下面的具體實施方式、權利要求書以及附圖)而被認識。
應理解的是，前面的總體描述和以下的具體實施方式兩者都呈現了旨在提供用于理解所要求保護的發明的本質和特性的概述或框架的實施例。附圖被包括以提供進一步理解，且附圖并入本說明書中并構成本說明書的一部分。附圖展示了本公開的各個實施例，并與本說明書一起用于解釋本公開的原理和操作。
附圖說明
圖1是根據示例實施例的激光切割裝置的透視圖；
圖2是通過常規激光切割工藝產生的新形成的邊緣的照片，展示了斷裂表面中的強度降低異常(箭頭)；
圖3是根據本公開的實施例的用于對傳播裂紋進行成像的示例成像系統的示意圖；
圖4是根據本公開的實施例的用于對傳播裂紋進行成像的另一個示例成像系統的示意圖；
圖5是根據本公開的實施例的用于對傳播裂紋進行成像的仍另一個示例成像系統的示意圖；
圖6是根據本公開的實施例的示例反饋回路；
圖7是繪圖，示出了傳播裂紋的尖端與照射區域的參考位置之間的距離(垂直軸)以及用于沒有反饋控制的切割工藝的裂紋的傳播距離(水平軸)；
圖8是圖7的繪圖的一小部分的特寫圖，示出了短距離內的變化裂紋尖端間距；
圖9是繪圖，示出了傳播裂紋的尖端與照射區域的參考位置之間的距離(垂直軸)以及在針對各種編程間距用于具有反饋控制的切割工藝的裂紋的傳播距離(水平軸)；
圖10是作為與照射區域中的參考位置的裂紋尖端間距的函數的激光器控制電壓的繪圖；
圖11是作為失效強度的函數的失效概率的繪圖(威布爾(weibull)繪圖)，示出了反饋控制的激光切割工藝在玻璃邊緣強度方面的益處。
具體實施方式
現將詳細地參照本公開的實施例，在附圖中展示了所述實施例的示例。只要可能，將貫穿附圖使用相同參考數字來指代相同或相似的部分。
雖然以下公開描述了對玻璃基板的切割，但是將認識到，本文所描述的方法更廣泛地適用于對脆性材料的切割，并且不應該限制于對玻璃材料的切割。
可以使用激光刻劃和折斷工藝來對厚度大于約0.3毫米的玻璃基板進行激光切割。在這種工藝中，激光用于沿著預定切割路徑對玻璃基板進行加熱，隨后沿著經加熱的切割路徑進行隨后的流體淬火。流體淬火之前的加熱在基板中引起超過基板的斷裂強度的拉伸應力，從而沿著切割路徑傳播裂紋。在激光加熱和流體淬火用于對玻璃基板進行刻劃的實例中，所產生的裂紋僅部分地延伸穿過玻璃基板的整個厚度，從而產生刻劃線。這至少部分地歸因于通過激光在玻璃基板的表面處引入的熱量經由傳導而行進穿過玻璃的厚度所需的時間。對于相對較厚的玻璃，在玻璃基板的表面處引起的應力可能不會充分地延伸穿過基板的厚度。通常，首先使用激光來對玻璃進行刻劃，并且然后用手或通過其他機械裝置在玻璃基板上施加引起垂直于刻劃的拉伸應力的彎曲力矩而使玻璃折斷。拉伸應力使裂紋傳播穿過基板厚度的剩余部分，從而將玻璃基板分離成離散的片。
當玻璃基板厚度減小(例如減小到等于或小于約0.3毫米)時，基板在加熱條件下的行為顯著地不同于更厚玻璃的行為。例如，玻璃剛度與玻璃厚度的三次冪(厚度3)成比例，并且屈曲與玻璃厚度的平方(厚度2)成比例，并且因此，在激光加熱的情況下，屈曲隨厚度變化，并且因此，所需的激光束平均功率以及功率調制將隨厚度變化。此外，通過激光引入的熱量可能由于減小的熱傳導時間而快速地平衡穿過玻璃厚度。也就是說，玻璃厚度的減小導致玻璃表面體積比(surfacetovolumeratio)的降低，以及在基板的表面處的熱量傳導穿過基板的厚度所花費的時間減少到足以促進溫度快速地平衡穿過玻璃的厚度的程度。穿過玻璃的快速熱平衡和由玻璃引起的快速輻射熱損失的組合導致通體裂紋(full-bodycrack)傳播。如在本文中所使用的，通體裂紋傳播是指延伸穿過玻璃基板的總厚度的裂紋并且所述裂紋傳播橫跨玻璃基板。橫跨玻璃基板的整個主表面的通體裂紋導致玻璃基板的完全分離。例如，在首次通體切割之后，單個玻璃基板變成兩個玻璃基板。
理想地，隨著激光束和淬火流體橫跨玻璃基板，通體裂紋與激光束沿著切割路徑的相對運動以及入射到其上的淬火(冷卻)流體的運動同步地平穩前進。然而，前進裂紋由于至少幾個原因而在對如本文中所描述的薄的柔性玻璃的激光切割期間很少以恒定的速度傳播，所述原因包括1)因為薄的柔性玻璃容易變形，所以在激光加熱工藝期間生成的瞬態應力可以創建屈曲；2)屈曲更改激光束和裂紋尖端周圍的應力分布；以及3)因為玻璃很薄并且在裂紋尖端處應力集中系數很高，所以裂紋尖端周圍的外部應力場變化可以容易地使所述裂紋尖端處的拉伸應力扭曲。此外，在玻璃基板的任一側(例如，支撐構件)上的玻璃切割位置處的熱接觸可以改變裂紋尖端處的拉伸應力的大小以及因此切割速度。
由于激光功率的失配而導致的不穩定裂紋傳播、如冷卻流體一致性等冷卻工藝參數的變化(有效冷卻依賴于穩定均勻冷卻)、激光切割速度以及其他因素可以單獨地或組合地導致裂紋傳播的裂紋滯止或停頓(切割工藝)。在裂紋前緣前進至通常位于激光加熱點之內的壓縮應力區域時發生裂紋滯止。隨著裂紋尖端前進至通過激光束創建的壓縮區域時，裂紋尖端由于激光加熱點周圍的應力場的復雜形狀而停止、停頓或可能稍微偏離切割方向。這可以在切割邊緣上生成裂紋滯止。隨著激光束和淬火流體移動遠離裂紋停頓或滯止位置，在裂紋滯止處形成拉伸應力并且裂紋傳播從其滯止位置重新開始。
裂紋滯止以及通過所述裂紋滯止在新形成的邊緣表面上形成的相關聯梳紋和分叉可以降低激光切割邊緣的邊緣強度。與裂紋滯止類似，在不存在垂直于裂紋的充足張力以便傳播裂紋時，發生裂紋停頓，并且其效應與裂紋滯止的效應類似。如此，期望消除或減小這種強度限制性缺陷的發生，以使分離的基板片的邊緣強度最大化。
為了阻止裂紋停頓或裂紋滯止，以下描述了一種包括反饋回路的方法，所述反饋回路被配置成用于監測裂紋尖端的位置，并且用于監測前進裂紋尖端與通過入射在玻璃基板上的激光束產生的照射區域之間的距離。然后，通過實際距離與存儲在工藝控制器的存儲器中的預定距離之間的差異產生的誤差信號可以用于控制以下各項中的至少一項：激光功率(例如，通過控制激光驅動電壓)、通過玻璃基板表面上方的激光束產生的照射區域的橫向速度以及在玻璃基板的經加熱的切割路徑上方的冷卻流體噴射的橫向速度。另外地或可替代地，控制器可以控制照射區域的長度、激光束的強度輪廓、激光束的方向或影響切割的質量的任何其他合適并且可控的工藝參數。強度輪廓意指激光束的作為在垂直于激光束的縱軸的方向上橫跨激光束的距離的函數的強度。例如，對于具有垂直于激光束的縱軸的圓形橫截面的激光束，強度輪廓為作為橫跨圓形橫截面的直徑的距離的函數的強度。通常，激光功率為最容易控制的參數。
現在參照圖1，示出了裝置10，所述裝置包括激光器12，所述激光器用于產生引導至玻璃基板16的激光束14；(可選地)激光束轉向裝置18和/或激光束修改器20；噴嘴組件22，所述噴嘴組件用于發射由冷卻流體供應(未示出)供應的冷卻流體24；工藝控制器26；光源28，所述光源被配置成用于照亮沿著預定切割路徑32在玻璃基板中傳播的裂紋30；以及成像裝置34。裝置10還可以包括玻璃基板運送設備(未示出)，所述基板運送設備用于相對于激光束14而移動玻璃基板16并且形成激光束14與玻璃基板16之間的相對運動。
在一些實施例中，本文中所描述的玻璃切割方法可以應用于薄玻璃帶，或者是在玻璃拉制操中拉制帶時，或者在將軸串玻璃帶從一個線軸(例如，供應線軸)輸送到另一個線軸(例如，接納線軸)時。例如，可以在拉制操作或軸串操作期間移除玻璃帶的邊緣部分。相應地，本文中所描述的玻璃切割方法能夠具有至少在從約84毫米/秒到約250毫米/秒的范圍內的切割速度。
激光器12適合于通過將激光束14引導到玻璃基板的主表面38上來在玻璃基板16上產生照射區域36。由激光器12產生的激光應具有被玻璃充分地吸收以加熱所述玻璃的波長。對于基于硅石的玻璃，盡管其他激光源和波長是可能的，但是合適的激光器為產生10.6微米標稱波長的co2激光器。射頻激發co2激光器的典型上升和下降時間為約100微秒(μs)，或0.1微秒(ms)，從而促進輸出功率的快速變化(例如，在約1毫秒內)。
激光束轉向裝置18可以為例如一個或多個檢流計控制鏡、聲光調制器或偏轉器(aom/aod)、或安裝在壓電致動器上的反射鏡或其組合。激光束轉向裝置18可以用于在玻璃基板16的表面上方轉向激光束14，從而創建玻璃基板上通過激光束產生的照射區域與玻璃基板之間的相對運動，而無需產生激光器12的移動。例如，在下文更全面地描述的某些實施例中，玻璃基板16可以是靜止的并且可以使用轉向裝置18來轉向激光束14以便使激光束橫跨玻璃基板的主表面。照射區域對應于入射在玻璃基板表面上的激光束的足跡。激光束轉向裝置應能夠具有至少每秒一弧度或更快的相應時間。在給定約半米的激光束路徑長度的情況下，所產生的線性轉向速度為約數米每秒。由于激光切割速度通常小于一米每秒，所以可以通過可商購獲得的設備很容易地滿足這種需要。
在一些實施例中，可能更實際的是，采用輸送設備(諸如空氣軸承、裝輥臺等)來移動玻璃基板并產生玻璃與靜止照射區域之間的相對運動。可以例如在平坦的支撐表面(諸如空氣軸承臺)上方平移玻璃基板。支撐平面可以包括通道，其中，玻璃基板被定位成使得切割路徑32位于通道上方。在這種安排中，在玻璃基板移動的同時，激光束可以保持固定。可以在例如玻璃基板為連續移動的條帶的工藝中使用如這種安排等安排。在示例中，可以在玻璃帶相對于激光束橫跨時移除玻璃帶的邊緣部分。例如，拉制玻璃帶可以包括在拉制工藝期間通過玻璃的收縮形成的加厚邊緣部分。可以移除被稱為卷邊的這種加厚邊緣部分。
在仍另一個實施例中，玻璃基板和激光器可以是靜止的，但是激光束被引導至轉向裝置18，所述轉向裝置包括沿著軌道或類似裝置(未示出)在玻璃基板的表面上方穿梭的行進頭。激光束可以被配置成用于或者直接地或者通過一個或多個反射鏡將激光束引導至行進頭，并且然后，行進頭上的反射鏡將激光束重新引導到玻璃基板上。相應地，激光束與玻璃基板之間的相對運動通過行進頭產生。產生激光束與玻璃基板之間的相對運動的這種方法在本領域中是公知的并且進一步描述是不必要的。
激光束修改器20可以用于將激光束的通常圓形橫截面輪廓修改為細長的橫截面輪廓，以在玻璃基板16上產生細長的照射區域。激光束修改器20可以包括例如一個或多個透鏡(諸如柱面透鏡)，所述一個或多個透鏡被配置成用于在玻璃基板上產生細長的激光束橫截面和細長的照射區域，其中，照射區域的長軸與切割路徑32平行。作為示例，平凹透鏡可以用于在一個軸上對激光束進行擴展，而具有與平凹透鏡正交的光軸的另一個柱面透鏡可以用于在第二垂直軸上對所述激光束進行聚焦。通常，入射在玻璃基板(以及所產生的照射區域)上的激光束的長度為幾十毫米并且寬度小于約2毫米。可以使用商業激光束剖析設備或使用激光校準紙(例如，來自
隨著激光束14沿著切割路徑32橫跨玻璃基板，玻璃基板16在通過激光束14在玻璃基板表面38上產生的照射區域36內被快速地加熱。在照射區域中產生的加熱引起玻璃基板在照射區域內膨脹。噴嘴組件22相對于在切割路徑上方的橫跨方向而跟隨在照射區域后面，并且冷卻流體24沿著切割路徑對準經加熱的玻璃。冷卻流體可以為氣體、液體或兩者的組合(例如，霧或氣溶膠)。通過冷卻流體產生的快速冷卻在玻璃基板內創建拉伸應力。如果在玻璃中的預先存在的瑕疵(例如，故意引入的小裂紋)的位置處開始加熱和冷卻，則通過加熱和冷卻產生的拉伸應力使裂紋尖端處的預先存在的瑕疵沿著激光束和冷卻流體之前的切割路徑前進。
不幸的是，至少由于上文所描述的理由，可能發生裂紋停頓和/或裂紋滯止，并且當裂紋前緣沿著切割路徑進行橫跨時，在所述裂紋前緣的進展中的這些偏差可能產生玻璃的新形成的邊緣表面的不規則性。圖2是玻璃基板16的切割邊緣的照片，展示了通過裂紋滯止產生的不規則性40。玻璃基板包括基于硅石的玻璃并且具有100微米的厚度以及約35×10-7/℃的cte。尺寸為38毫米長和1.5毫米寬的co2激光器用于在表面38(圖1)處對玻璃基板進行加熱，并且水霧用于沿著經加熱的切割路徑對玻璃基板進行冷卻。霧噴射與尾(后)邊緣之間的距離為約5毫米。在所述工藝中使用約40瓦的激光功率和280毫米每秒的激光切割速度。不規則性40表示在滯止時的裂紋前緣形狀。這種不規則性可能減小通過切割操作產生的單獨玻璃片的強度，從而使得如果所產生的單獨玻璃基板的新形成的邊緣表面承受拉力(諸如通過彎曲)，則裂紋可能源自不規則性并且玻璃基板可能折斷。不規則性可以包括裂紋前緣的分叉。因此，如果這種弱化邊緣并入下游產品(特別是玻璃基板可能經受彎曲的下游產品)，則所述弱化邊緣是不利因素。
如本文中所描述的，可以通過在切割工藝中采用基于裂紋尖端相對于通過激光束在玻璃基板的表面上產生的照射區域的位置的反饋控制回路來最小化或消除裂紋滯止和裂紋停頓效應。可以通過對在裂紋尖端附近取得的視頻圖像進行實時處理來確定裂紋尖端的位置。相應地，裝置10進一步包括光源28，所述光源被配置成用于充分地照亮前進裂紋以便成像裝置34對裂紋尖端進行成像。光源28可以為例如與激光器12分離的激光器，其中，來自光源28的光已經被拉長成在與切割路徑平行的方向上延伸的線。來自光源28的細長光41可以對準切割路徑32并且可以與co2激光束重疊。來自光源28的光將被前進的裂紋反射，從而允許成像設備34對裂紋進行成像。如圖3中所示出的，光源28可以使光以相對于玻璃基板表面38的某個角度對準切割路徑。在圖4中所示出的另一個實施例中，來自光源28的光可以從裂紋30反射并入射在投影屏幕42上，其中，成像裝置34從投影屏幕對裂紋進行成像。成像裝置34可以包括成像傳感器，其中，所述成像傳感器被定位在切割路徑的與光源相反的側。也就是說，在垂直于基板表面38而延伸的平面44的相反側，所述基板表面平行并且相交于裂紋30。在圖5中所示出的仍另一個實施例中，光源28和成像裝置34(例如，成像傳感器)可以處于如圖5中所示出的切割路徑32的同一側(平面44的同一側)，從而使得切割路徑被暗場照明照亮。如在本文中所使用的，在沒有異常(諸如裂紋或表面缺陷)的情況下，當從玻璃基板的表面38反射的來自光源的光將以不允許反射光進入成像裝置的聚焦透鏡的角度從表面38反射時，發生暗場照明。也就是說，成像裝置“看到”黑暗。然而，異常使所述光以與正常反射角度(沒有異常情況下的反射角度)不同的其他角度進行反射(例如，散射)，從而使得通過成像裝置觀察到散射光。led線光源例如可以用于在裂紋尖端處并且沿著切割方向產生矩形區域的暗場照明。也就是說，使用線光來照亮裂紋的光源來自一個或多個led源。然后，成像系統僅接收由裂紋30反射的光。在仍另一個實施例中，可以使用沿著切割路徑排列的一個或多個聲學檢測器來確定裂紋尖端位置和沿著切割路徑的進展。
在激光切割期間檢測相對于照射區域36的裂紋尖端位置需要足夠的圖像采集和處理能力。例如，在400毫米/秒的切割速度下，1毫米的裂紋尖端移動將需要反饋回路在約2毫秒(ms)或更短的時間內作出響應。這進而需要例如在約1毫秒內的圖像采集和激光響應。實時發生對裂紋尖端的成像，從而使得可以確定裂紋尖端的進展。例如，可以高頻率地形成裂紋尖端的連續圖像，從而產生對裂紋尖端位置的相對較高的空間分辨率跟蹤。當前最先進的圖像處理單元能夠高達1百萬幀每秒。一毫秒的時間延遲將需要圖像處理單元在當前圖像采集和處理技術的范圍內每秒很好地采集并處理1000個圖像幀。
成像裝置還可以用于定位照射區域的位置，并且更具體地，定位照射區域內的參考位置。例如，可以使用激光束轉向裝置上的位置傳感器來確定照射區域的位置。通過將玻璃基板上的照射區域的位置與來自激光束轉向裝置的信息關聯，可以確定照射區域或其任何部分。類似地，如果使用輸送設備來移動玻璃基板，則可以從被定位在輸送設備上或中的位置傳感器導出位置信息。
在通過激光束產生的照射區域是靜止的并且玻璃基板相對于靜止激光束移動的情況下，可以使用先前描述的激光對準紙來確定照射區域的位置，并且更具體地，確定照射區域內的參考位置的位置。在這種配置中，參考位置是已知位置，不移動，并且僅需要監測裂紋尖端位置。
一旦通過成像裝置34采集到裂紋尖端，就可以通過在工藝控制器26處對成像裝置的輸出進行濾波來檢測裂紋尖端的位置，從而產生所采集圖像的強度圖并將閾值檢測濾波器應用于所述輸出。例如，可以將圖像強度輸出與輸入到(例如，存儲在)工藝控制器26中的預定閾值進行比較。然后，可以使用超過存儲在工藝控制器的存儲器中的預定閾值強度值的圖像強度來指定裂紋尖端的位置。
可以將與照射區域位置相關的位置信息和與裂紋尖端位置相關的位置信息兩者提供給工藝控制器26。然后，工藝控制器26可以使用所存儲的指令集來計算照射區域的選定部分(例如，參考位置)與裂紋尖端之間的距離d，并將所計算的距離與諸如通過輸入通道提供給工藝控制器的或在工藝控制器存儲器內維持的預定距離設定點進行比較。雖然照射區域內的任何參考位置可以用于確定裂紋尖端與照射區域(例如，照射區域的前緣、照射區域的后緣或其間的任何點)之間的距離，但是可能最容易將照射區域的中點一致地確定為并用作參考位置。
一旦已經計算了裂紋尖端與照射區域參考位置之間的距離，工藝控制器26就產生與所計算的實際距離與設定點距離之差成比例的誤差信號，并且使用誤差信號來控制激光功率、激光束的橫向速度或冷卻流體的橫向速度中的至少一者。例如，參照圖1，可以由工藝控制器26通過控制線50來控制激光器12；可以通過控制線52來控制激光束轉向裝置18；可以通過控制線54來控制激光束大小和/或形狀，所述控制線例如可以用于改變用于調整激光束形狀的透鏡的取向；并且可以通過控制線56來控制冷卻流體24，所述控制線可以用于例如控制噴嘴組件22的橫向速度。另外地或可替代地，噴嘴組件22可以安裝成使得可以改變冷卻流體與照射區域之間的相對位置。例如，在激光束是靜止的并且脆性材料相對于激光束移動的實施例中，噴嘴組件22可以是可移動的，從而使得可以通過工藝控制器26來改變照射區域與冷卻流體之間在沿著切割路徑的方向上的距離。可以通過工藝控制器26控制的其他工藝參數可以包括激光束和/或玻璃基板的通過這些或其他控制線功能的轉向方向。
圖6中示出了使用相對于照射區域的裂紋尖端位置的示例反饋回路。在反饋回路接合之前預先設定激光功率、冷卻和激光切割速度以及其他工藝條件。一旦切割工藝開始，就使用成像裝置34來檢測裂紋尖端的位置并且通過低通濾波器來將圖像數據提供給工藝控制器。工藝控制器26可以為計算機或獨立的控制接口，并且將裂紋尖端的位置與已經輸入到工藝控制器的預定和期望的裂紋尖端位置進行比較。比例積分微分(pid)控制器可以與本文中描述的實施例一起使用。工藝控制器26可以生成并提供，例如：1)信號給激光器，以在必要時調整激光束功率，和/或2)信號給激光束轉向單元，所述激光束轉向單元在必要時使激光束移動遠離或向后朝向裂紋尖端。如果裂紋尖端落后于激光束太遠，則可以將激光功率調整得更高和/或可以轉向激光束向后朝向裂紋尖端。另一方面，如果裂紋尖端太接近于激光束的后(尾)邊緣，則可以減小激光功率和/或可以轉向所述激光束遠離裂紋尖端。可以使用冷卻噴嘴和冷卻流體在脆性材料的表面上的入射區域來執行類似的運動。
示例
圖7是作為沿著沒有反饋控制的切割裝置中的切割路徑的距離的函數的相對于加熱激光束(即，激光束14)的參考位置(照射區域中間)的裂紋尖端位置的繪圖。所述繪圖示出了當裂紋沿著切割路徑進展時，裂紋尖端與參考位置之間的距離的顯著變化。圖8是圖7的一部分的高分辨率繪圖，示出了在僅2毫米的傳播距離(例如，在水平x軸上的208毫米與210毫米之間)內的高達6毫米的裂紋尖端間距變化。在示例中使用了厚度為100微米的重拉制鋁硼硅酸鹽玻璃。使用了由synrad制造的型號為firestart-100的100wco2激光器。激光輸出功率為40瓦并且切割速度為60毫米/秒。如使用來自primes的beammonitorhq來測量的，激光束在玻璃上具有38毫米長×1.5毫米寬的細長形狀。長尺寸與切割路徑平行。在示例中并未應用冷卻流體。
圖9是作為從反饋開始時刻(水平x軸上的0位置)的裂紋尖端進展的函數的相對于照射區域參考位置(照射區域的中間)的裂紋尖端位置的繪圖。數據示出了在裂紋尖端的約50毫米傳播之后的一致的裂紋尖端到參考位置間距。數據還從下而上示出了(參照繪圖的右側的曲線)從零毫米間距到16毫米的間距。通過改變提供給co2激光器的控制電壓并且由此改變激光束的輸出功率來執行此示例中的反饋控制。在示例中使用了厚度為100微米的重拉制鋁硼硅酸鹽玻璃。使用了由synrad制造的型號為firestart-100的100瓦特co2激光器。切割速度為40毫米/秒。如使用來自primes的beammonitorhq來測量的，激光束在玻璃上具有38毫米×1.5毫米的細長形狀。使用如在圖5中所示出的暗場照明技術來執行了對裂紋尖端位置的成像。使用基于以太網的區域掃描攝像機(dalsageniehm640)以1000hz的幀速率來執行了視頻圖像采集。在示例中并未應用冷卻流體。
圖10是作為輸入到工藝控制器中的裂紋尖端間距設置的函數的激光器控制電壓的繪圖。數據示出了裂紋尖端位置設置(從裂紋尖端到基準位置的距離)與維持所述相對位置所必要的電壓之間的大致上線性關系。
在另一個示例中，使用反饋控制的切割方式的co2激光切割系統用于對尺寸為20毫米×100毫米并且厚度為130微米的
圖11是沒有對裂紋尖端位置的反饋控制的情況下以及在反饋控制的情況下切割的玻璃基板的樣本的以兆帕為單位的失效邊緣強度的威布爾(weibull)繪圖。對在沒有反饋控制的情況下切割的總共33個樣本(正方形，左邊)進行測試，并且對從反饋控制的切割方式中獲得的50個樣本(菱形，右邊)進行測試。這些樣本被測試至在兩點彎曲測試中失效，其中，樣本被分別手動粘附至兩個平行板，長邊緣(100毫米的邊緣)被安排成垂直于所述板。然后，減小了平行板之間的距離，由此減小每個樣本沿著100毫米邊緣的彎曲半徑，直到發生樣本失效。從彎曲半徑信息中計算失效應力。與在沒有反饋控制的情況下進行切割相比，數據顯示出幾乎400％的邊緣強度增大。例如，在沒有反饋控制的情況下進行切割產生了失效概率為10％的約260兆帕(mpa)的邊緣強度，而如使用在本文中所描述的反饋控制進行切割產生了具有相同失效概率的約1000兆帕的邊緣強度。
對于本領域的技術人員顯而易見的是，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下，可以對本公開的實施例進行各種修改和改變。因此，本公開旨在涵蓋這種修改和改變，前提是它們落入所附權利要求書及其等效物的范圍內。
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