CN212858217U - 一种集成同轴视觉的激光切割光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成同轴视觉的激光切割光学系统，包括激光器，所述激光器发射的激光束经由激光扩束系统、扫描振镜系统、长焦距场镜、反射镜传送至待加工幅面，所述反射镜反射的激光束的反向延长线上依次排列设置有双远心镜头和CCD相机，且所述反射镜、双远心镜头和CCD相机光学共轴。本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统可以实现大幅面的柔性材料进行精细切割，通过同轴视觉系统，能够对切割过程进行实时监测，对切割工艺进行精确控制，实现高精度和高效率激光切割的目的。

Description

一种集成同轴视觉的激光切割光学系统

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，更具体地说，涉及一种集成同轴视觉的激光切割光学系统。

背景技术

柔性材料指具备一定柔软度、柔韧性的材料，是柔性电子的核心功能部件。柔性电子是指将有机、无机器件附着于柔性基底形成电路的新兴电子技术。相较于建立在坚硬基底上的传统硅基电子技术，柔性电子在保持高效光电性能、高集成度和高可靠性的前提下具备传统硅基电子无法比拟的柔软度与延展性，并已在新一代信息显示、存储计算、数据加密、生物传感、健康医疗、可再生能源等领域显示出巨大的应用潜力，是当今世界最有发展前景的信息技术之一。超薄柔性基底是柔性电子器件的重要构成要素，也是助力其实现柔性化的关键部件。鉴于柔性基底的材料特性与超高加工精度要求，传统机械加工方式已不再适用，通常采用光刻、电子束沉积、反应离子刻蚀等微加工手段对其进行精细化加工，但这些方法存在操作复杂、成本高昂、加工幅面大小有限等方面的不足。激光剥离技术是柔性电子器件制造领域运用较为广泛的激光加工技术，但该技术着力于实现器件从刚性基底材料上剥离并向柔性基底材料转运，并无涉及柔性材料的实质性加工。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种集成同轴视觉的激光切割光学系统，解决了现有技术中针对柔性基底材料满足超高精细化加工要求的问题。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是：一种集成同轴视觉的激光切割光学系统，包括激光器，所述激光器发射的激光束经由激光扩束系统、扫描振镜系统、长焦距场镜、反射镜传送至待加工幅面，所述反射镜反射的激光束的反向延长线上依次排列设置有双远心镜头和CCD相机，且所述反射镜、双远心镜头和CCD相机光学共轴。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述激光器为飞秒激光器，且采用355nm波长，脉冲频率范围覆盖100-1000kHz。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述激光扩束系统包括凹透镜和凸透镜，所述凹透镜和所述凸透镜依次排列设置在所述激光器的出光口。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述扫描振镜系统包括依次反射激光束的X轴扫描振镜反射镜和Y轴扫描振镜反射镜、以及用于驱动所述X轴扫描振镜反射镜以第一基准位置为基础旋转的第一驱动器和用于驱动所述Y轴扫描振镜反射镜以第二基准位置为基础旋转的第二驱动器。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述第一基准位置是所述X轴扫描振镜反射镜的反射面与激光束呈45°的位置，所述第二基准位置是所述Y轴扫描振镜反射镜的反射面与激光束呈45°的位置。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述X轴扫描振镜反射镜的一端安装在所述第一驱动器的旋转轴上，所述Y轴扫描振镜反射镜的一端安装在所述第二驱动器的旋转轴上，且所述第一驱动器的旋转轴与所述第二驱动器的旋转轴相互垂直。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述长焦距场镜用于接收所述Y轴扫描振镜反射镜反射的激光束，所述长焦距场镜与所述Y轴扫描振镜反射镜反射的激光束光学共轴。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述反射镜安装在所述长焦距场镜的背离所述Y轴扫描振镜反射镜的一侧，所述反射镜的反射面与所述长焦距场镜的光轴的夹角为45°。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述X轴扫描振镜反射镜和所述Y轴扫描振镜反射镜分别是仅对入射的激光束反射的扫描振镜反射镜。

在本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统中，所述长焦距场镜的镜片采用紫外熔融石英玻璃。

实施本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统，具有以下有益效果：本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统可以实现大幅面的柔性材料进行精细切割，通过同轴视觉系统，能够对切割过程进行实时监测，对切割工艺进行精确控制，实现高精度和高效率激光切割的目的。

附图说明

图1为本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统的结构示意图；

其中，1.激光器；2.凹透镜；3.凸透镜；4.X轴扫描振镜反射镜；5.Y轴扫描振镜反射镜；6.第一驱动器；7.第二驱动器；8.长焦距场镜；9.反射镜；10.双远心镜头；11.CCD相机；12.待加工幅面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的集成同轴视觉的激光切割光学系统的结构和作用原理作进一步说明：

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型的较佳实施例提供了一种集成同轴视觉的激光切割光学系统，包括激光器1，激光器1发射的激光束经由激光扩束系统、扫描振镜系统、长焦距场镜8、反射镜9传送至待加工幅面12，其中，反射镜9反射的激光束的反向延长线上依次排列设置有双远心镜头10和CCD相机11，且反射镜9、双远心镜头10和CCD相机11光学共轴。

激光器1为飞秒激光器，且采用355nm波长，脉冲频率范围覆盖100-1000kHz。例如，飞秒激光器采用Advanced Optowave公司的产品ALTA系列激光器。ALTA系列激光器为Q开关，皮秒和飞秒脉冲超快激光器，模式为TEM00，功率可达10W。

激光扩束系统包括凹透镜2和凸透镜3，该凹透镜2和凸透镜3依次排列设置在激光器1的出光口。激光扩束系统用于将激光器1(尤其是飞秒激光器)发射的较窄激光束进行扩束，从而获得更佳的聚焦效果以获得更小的聚焦光斑，同时，受限于光学元件的低损伤阈值，通过增加输出激光束的光斑直径，能够降低激光照射到光学元件表面后的激光能量密度，从而实现保护镜片的目的。

扫描振镜系统包括依次反射激光束的X轴扫描振镜反射镜4和Y轴扫描振镜反射镜5、以及用于驱动X轴扫描振镜反射镜4以第一基准位置为基础旋转的第一驱动器6和用于驱动Y轴扫描振镜反射镜5以第二基准位置为基础旋转的第二驱动器7。其中，第一基准位置是指X轴扫描振镜反射镜4的反射面与激光束呈45°的位置，第二基准位置是指Y轴扫描振镜反射镜5的反射面与激光束呈45°的位置。这里的激光束是指入射激光束、反射激光束均可。

其中，X轴扫描振镜反射镜4的一端安装在第一驱动器6的旋转轴上，Y轴扫描振镜反射镜5的一端安装在第二驱动器7的旋转轴上，且第一驱动器的旋转轴6与第二驱动器7的旋转轴相互垂直。

X轴扫描振镜反射镜4的反射面与水平面互相垂直，X轴扫描振镜反射镜4的反射面与入射的激光束成45°夹角时，X轴扫描振镜反射镜4能够将由凸透镜3入射的激光束传播方向水平偏转90°，反射给Y轴扫描振镜反射镜5。Y轴扫描振镜反射镜5的反射面与由X轴扫描振镜反射镜4反射来的激光束成45°夹角时，能够让入射的激光束(尤其是飞秒激光束)的传播方向垂直偏转90度。

通过X轴扫描振镜反射镜4和Y轴扫描振镜反射镜5的旋转，能够使得入射的水平激光束在垂直空间内一定角度区域内实现线性扫描。

X轴扫描振镜反射镜4、Y轴扫描振镜反射镜5、第一驱动器6和第二驱动器7共同构成了扫描振镜系统，通常选用RayLase公司生产的SUPERSCAN V-15型振镜系统，其中X轴扫描振镜反射镜4和Y轴扫描振镜反射镜5的反射面所镀的反射膜优选采用适应飞秒激光的反射要求的反射膜。

其中，X轴扫描振镜反射镜4和Y轴扫描振镜反射镜5是仅对入射的激光束反射的扫描振镜反射镜，其余波长光束均能够透过X轴扫描振镜反射镜4和Y轴扫描振镜反射镜5。

长焦距场镜8用于接收Y轴扫描振镜反射镜5反射的激光束，长焦距场镜8与Y轴扫描振镜反射镜5反射的激光束光学共轴。长焦距场镜8安装在Y轴扫描振镜反射镜5的正前方。长焦距场镜8通常采用德国希尔公司生产的型号为S4LFT0508/126型场镜，其焦距为566mm，扫描角度为±23°，扫描范围可达325mm×325mm，镜片采用紫外熔融石英玻璃，所镀膜优选采用适应飞秒激光的聚焦要求。

长焦距场镜8用于将扫描振镜系统输出的激光束(尤其是飞秒激光束)进行聚焦，聚焦光斑尺寸接近光学衍射极限，能够获得亚微米级的切割线宽，且能够把不同入射角的激光束聚焦到相同的平面上，从而保证大幅面柔性材料切割过程中切割线宽的均匀性，提升加工的质量，长焦距场镜8的加工幅面可以达到300mm×300mm。

反射镜9安装在长焦距场镜8的背离Y轴扫描振镜反射镜5的一侧，反射镜9的反射面与长焦距场镜8的光轴的夹角为45°。反射镜9用于将长焦距场镜8输出的聚焦激光束(尤其是飞秒激光束)进行光路转折90°，在转折光路所在的光学轴线上，可以安装双远心镜头10和CCD相机11，从而实现同轴视觉监测的目的。即反射镜9反射的激光束(尤其是飞秒激光束)的反向延长线上，安装双远心镜头10和CCD相机11，且反射镜9、双远心镜头10和CCD相机11光学共轴。

双远心镜头10和CCD相机11共同组成了同轴在线监测系统，双远心镜头10能够对300mm×300mm区域进行成像，像方畸变小于0.1％，CCD相机11为高帧频大靶面工业相机，用于对柔性材料切割区域进行成像、测量和质量监控。双远心镜头10和CCD相机11均为现有技术中已有的产品。

激光束(尤其是飞秒激光束)经反射镜9的反射后，聚焦在待加工幅面12上，聚焦光斑的尺度为亚微米量级，从而实现精细切割的目的，通过X轴扫描振镜反射镜4、Y轴扫描振镜反射镜5的旋转作用，能够让聚焦的激光束(尤其是飞秒激光束)在待加工幅面12的表面300mm×300mm范围内进行线性扫描或任意路径扫描，从而获得期望的加工图案和形状。

参见图1，具体地，激光器1、凹透镜2、凸透镜3和X轴扫描振镜反射镜4沿第一方向在同一条直线上。X轴扫描振镜反射镜4、Y轴扫描振镜反射镜5、长焦距场镜8、反射镜9沿第二方向在同一条直线上。反射镜9、双远心镜头10、CCD相机11、待加工幅面12沿第三方向在同一条直线上。第二方向与第一方向相垂直，第三方向与第一方向相平行。

本实用新型提供了上述技术方案，在大幅面柔性材料飞秒激光切割的过程中，能够实现精细切割和工艺的在线监测，提升切割效率和质量。具体而言，本实用新型具有以下技术特点：

(1)本实用新型最突出的技术特点是可以实现对300mm×300mm幅面的柔性材料进行切割，切割线宽可达亚微米量级，切割线宽通常在600nm尺度，切割精度可达1μm；

(2)本实用新型的另一个突出的技术特点是能够对300mm×300mm幅面的柔性材料切割过程进行在线监控，从而实现对切割工艺过程的控制，实现高精度和高效率的切割；

(3)本实用新型的第三个突出的技术特点是激光切割和视觉成像系统共轴放置，实现了所见即所得的目的，具有更高的光学精度，且系统易于模块化设计和具有更紧凑的结构。

应当理解的是，对本领域技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，但这些改进或变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，包括激光器，所述激光器发射的激光束经由激光扩束系统、扫描振镜系统、长焦距场镜、反射镜传送至待加工幅面，所述反射镜反射的激光束的反向延长线上依次排列设置有双远心镜头和CCD相机，且所述反射镜、双远心镜头和CCD相机光学共轴。

2.根据权利要求1所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述激光器为飞秒激光器，且采用355nm波长，脉冲频率范围覆盖100-1000kHz。

3.根据权利要求1所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述激光扩束系统包括凹透镜和凸透镜，所述凹透镜和所述凸透镜依次排列设置在所述激光器的出光口。

4.根据权利要求1所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述扫描振镜系统包括依次反射激光束的X轴扫描振镜反射镜和Y轴扫描振镜反射镜、以及用于驱动所述X轴扫描振镜反射镜以第一基准位置为基础旋转的第一驱动器和用于驱动所述Y轴扫描振镜反射镜以第二基准位置为基础旋转的第二驱动器。

5.根据权利要求4所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述第一基准位置是所述X轴扫描振镜反射镜的反射面与激光束呈45°的位置，所述第二基准位置是所述Y轴扫描振镜反射镜的反射面与激光束呈45°的位置。

6.根据权利要求4所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述X轴扫描振镜反射镜的一端安装在所述第一驱动器的旋转轴上，所述Y轴扫描振镜反射镜的一端安装在所述第二驱动器的旋转轴上，且所述第一驱动器的旋转轴与所述第二驱动器的旋转轴相互垂直。

7.根据权利要求4所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述长焦距场镜用于接收所述Y轴扫描振镜反射镜反射的激光束，所述长焦距场镜与所述Y轴扫描振镜反射镜反射的激光束光学共轴。

8.根据权利要求7所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述反射镜安装在所述长焦距场镜的背离所述Y轴扫描振镜反射镜的一侧，所述反射镜的反射面与所述长焦距场镜的光轴的夹角为45°。

9.根据权利要求4所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述X轴扫描振镜反射镜和所述Y轴扫描振镜反射镜分别是仅对入射的激光束反射的扫描振镜反射镜。

10.根据权利要求1所述的集成同轴视觉的激光切割光学系统，其特征在于，所述长焦距场镜的镜片采用紫外熔融石英玻璃。

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