專利名稱：不平坦材料的刻劃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所述的實(shí)施方式涉及不平坦材料的刻劃，更具體來說涉及大型不平坦玻璃 的激光刻劃。
背景技術(shù)：
在過去，人們采用一些不同的方法和技術(shù)來分離玻璃板。廣泛采用的方法包括使 用激光來刻劃和/或分離玻璃板。激光束在玻璃板上移動(dòng)，在玻璃板的表面上產(chǎn)生溫度梯 度，在激光束之后一段距離處跟隨的冷卻劑(例如氣體或液體)提高了所述溫度梯度。具 體來說，激光對(duì)玻璃板的加熱以及冷卻劑對(duì)玻璃板的冷卻在玻璃板中產(chǎn)生了應(yīng)力。通過這 種方式，沿著玻璃板產(chǎn)生了刻劃線。然后可以通過沿著刻劃線分離所述玻璃板，將玻璃板分 成兩個(gè)較小的片材。人們進(jìn)行了很多的努力，力求開發(fā)出一種用激光對(duì)玻璃板進(jìn)行刻劃的系統(tǒng)和方 法，特別是用于制造平板顯示器(例如LCD)的玻璃板。一般來說，用于玻璃的激光刻劃工 藝使用波長約為10. 6微米的(X)2激光輻射對(duì)玻璃進(jìn)行加熱，然后快速冷卻，通過熱沖擊形 成短暫的抗張應(yīng)力，但是也可以使用其它的激光器。為了進(jìn)行恒定的激光刻劃，激光束應(yīng)當(dāng) 具有一定的形狀，可以在玻璃表面上進(jìn)行聚焦或者散焦，以便為玻璃輸送恒定的激光功率， 盡可能減小變化。在整個(gè)刻劃工藝過程中，沿著刻劃線，激光束在玻璃表面上的尺寸(長度 和寬度)、形狀以及相應(yīng)的功率密度應(yīng)當(dāng)是基本上恒定的。需要對(duì)以上的特性，即通常是玻 璃表面和激光形狀調(diào)節(jié)透鏡之間的距離加以精確地保持，或者換句話說，對(duì)于用來進(jìn)行玻 璃刻劃目的的常規(guī)光學(xué)元件來說，玻璃板設(shè)置的范圍應(yīng)當(dāng)盡可能短至大約1毫米。另外，當(dāng) 使用飛行的光學(xué)部件進(jìn)行刻劃的時(shí)候(當(dāng)光學(xué)部件相對(duì)于玻璃移動(dòng)的時(shí)候)，在整個(gè)刻劃 長度上，玻璃上的光束點(diǎn)尺寸應(yīng)當(dāng)基本上不變。之前用來解決這些問題的嘗試包括使得玻璃板平坦化，例如通過將其放置在平坦 的水平臺(tái)子上(或者使其在平坦的水平臺(tái)子上移動(dòng))，將光學(xué)部件(有時(shí)包括激光器)固定 在玻璃上方特定的恒定距離，或者在該玻璃上方特定的恒定距離移動(dòng)。盡管此種做法提供 了一種刻劃玻璃的方案，但是存在其它的問題。例如玻璃板可能具有天然的形狀，可能是 不平坦的；移動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)可能無法提供足夠的精密度，以保持玻璃和光學(xué)部件之間 所需的距離；或者系統(tǒng)可能受到振動(dòng)的影響，特別是如果機(jī)械結(jié)構(gòu)剛性不足，或者不夠重的 話，并且玻璃上的光束點(diǎn)尺寸可能隨著飛行距離而發(fā)生顯著變化。對(duì)于大型的玻璃尺寸，所 有這些問題都變得更為嚴(yán)重。另外，在刻劃過程中，試圖保持光束點(diǎn)尺寸的時(shí)候可能出現(xiàn)其 它的困難，例如，拉制的時(shí)候，玻璃板是垂直設(shè)置的，具有弓形(例如5-20毫米)，厚度會(huì)發(fā)生變化，或者在拉制過程中，會(huì)相對(duì)于光學(xué)部件，從其垂直位置隨機(jī)移動(dòng)。一種可能的方案 是使用帶控制的適應(yīng)性光學(xué)部件，其測(cè)量與玻璃之間的距離，使得光學(xué)部件相應(yīng)地朝向靠 近或遠(yuǎn)離玻璃的方向移動(dòng)，以保持所需的距離。但是，此種方法在技術(shù)上很復(fù)雜，而且成本高。因此，人們需要能夠克服上述一部分本領(lǐng)域的問題的方法和系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述了一些用于不平坦材料的刻劃系統(tǒng)的實(shí)施方式，其由激光器和光學(xué)系 統(tǒng)組成，本發(fā)明還描述了所述刻劃系統(tǒng)的使用方法。本發(fā)明描述了光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施方式，該系統(tǒng)可以用來對(duì)具有不同形狀或者變化的 厚度的不平坦的玻璃板進(jìn)行刻劃，能夠容忍玻璃表面和光束形狀調(diào)節(jié)透鏡之間的顯著的距 離變化。在一個(gè)實(shí)施方式中，所述光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了具有幾乎恒定的功率密度的延伸的焦深 (即相對(duì)于光束腰的中心約大于+/-5毫米)的激光束，由此使得激光刻劃工藝對(duì)于玻璃板 相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的位置的敏感性低得多。另一個(gè)方面采用光束傳輸系統(tǒng)，其包括飛行光學(xué)頭，在玻璃上獲得延長的飛行距 離，同時(shí)除了刻劃不平坦玻璃的能力不會(huì)發(fā)生顯著變化以外，玻璃上的光束尺寸、和相應(yīng)的 功率密度也不會(huì)發(fā)生顯著的變化。例如，在一個(gè)方面，可以實(shí)現(xiàn)最高達(dá)6米的延長的飛行距 離，同時(shí)不會(huì)造成光束尺寸、形狀和相應(yīng)的功率密度的顯著變化。在各種方面，本發(fā)明描述的實(shí)施方式可以用于拉制中激光刻劃工藝；對(duì)具有弓形 或其它形狀的不平坦玻璃進(jìn)行刻劃；在無需使用適應(yīng)性光學(xué)部件的前提下，對(duì)移動(dòng)的玻璃 進(jìn)行刻劃，所述移動(dòng)的玻璃與光學(xué)系統(tǒng)之間的距離發(fā)生變化；實(shí)現(xiàn)對(duì)于玻璃表面相對(duì)于光 束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件的確切位置敏感性較低的激光刻劃；對(duì)簡化機(jī)械部件(例如機(jī)械框 架，線性劃片和致動(dòng)器)的對(duì)齊容許偏差和精確度的要求，由此也可以降低系統(tǒng)的總體成 本；對(duì)垂直設(shè)置的玻璃板進(jìn)行激光刻劃；對(duì)具有各種厚度的玻璃進(jìn)行刻劃，以及其它的應(yīng) 用。在以下詳細(xì)描述和任意權(quán)利要求中部分地提出了本發(fā)明的另外一些實(shí)施方式，它 們部分源自詳細(xì)描述，或可以通過實(shí)施本發(fā)明來了解。應(yīng)理解，前面的一般性描述和以下的 詳細(xì)描述都只是示例和說明性的，不構(gòu)成對(duì)所揭示和/或所要求權(quán)利的本發(fā)明的限制。


以下的附圖結(jié)合在說明書中，構(gòu)成說明書的一部分，附圖和說明書一起舉例說明 了本發(fā)明的一些實(shí)施方式，用來對(duì)所述的方法和系統(tǒng)的原理進(jìn)行解釋圖1是用來刻劃和分離玻璃的工藝的示例性示意圖；圖2是用于激光刻劃的系統(tǒng)的示例性示意圖；圖3是示例性的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖4是另一種示例性的光學(xué)系統(tǒng)的示意圖；圖5是可以用圖3和圖4所述的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的示例性的伸長的激光束的長度的 示意圖；圖6是可以用圖3和圖4所述的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的示例性的伸長的激光束的寬度的示意圖；圖7是對(duì)于具有14毫米直徑光束腰的激光束，激光束直徑隨著與光束擴(kuò)展器之間 的距離變化的計(jì)算圖；圖8是對(duì)于具有20毫米直徑光束腰的激光束，激光束直徑隨著與光束擴(kuò)展器之間 的距離變化的計(jì)算圖，圖中顯示即使在6米的飛行距離上，光束尺寸變化也約小于3% ；圖9是對(duì)于光束寬度為1毫米的示例性的伸長的光束，光束寬度變化隨著玻璃表 面偏離光束腰中點(diǎn)的距離變化的關(guān)系圖；圖10是對(duì)于光束寬度為1. 5毫米的示例性的伸長的光束，光束寬度變化隨著玻璃 表面偏離光束腰中點(diǎn)的距離變化的關(guān)系圖；圖11是對(duì)于例如圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)，玻璃表面上的光束尺寸(寬度)隨著玻璃 和透鏡4之間的距離d3W改變(例如由于玻璃呈弓形，玻璃厚度變化，或者通過例如成形過 程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)造成玻璃相對(duì)于光學(xué)部件移動(dòng)偏離玻璃的標(biāo)稱目標(biāo)位置)變化以及 隨著飛行距離(d2)變化的計(jì)算圖，C^w初始設(shè)定在約為1200毫米；圖12是對(duì)于例如圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)，玻璃表面上的光束尺寸(長度)隨著玻璃 和透鏡f31之間的距離d31改變(例如由于玻璃呈弓形，玻璃厚度變化，或者通過例如成形過 程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)造成玻璃相對(duì)于光學(xué)部件移動(dòng)偏離玻璃的標(biāo)稱目標(biāo)位置)變化以及 隨著飛行距離(業(yè))變化的計(jì)算圖，d31初始設(shè)定在約為1000毫米；圖13是對(duì)于例如圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)，玻璃表面上的光束尺寸(寬度)隨著玻璃 和透鏡4之間的距離d3W改變(例如由于玻璃呈弓形，玻璃厚度變化，或者通過例如成形過 程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)造成玻璃相對(duì)于光學(xué)部件移動(dòng)偏離玻璃的標(biāo)稱目標(biāo)位置)變化以及 隨著飛行距離(d2)變化的關(guān)系圖，乜初始設(shè)定在約為800毫米；圖14是對(duì)于例如圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)，玻璃表面上的光束尺寸(長度)隨著玻璃 和透鏡f31之間的距離d31改變(例如由于玻璃呈弓形，玻璃厚度變化，或者通過例如成形過 程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)造成玻璃相對(duì)于光學(xué)部件移動(dòng)偏離玻璃的標(biāo)稱目標(biāo)位置)變化以及 隨著飛行距離(d2)變化的關(guān)系圖，d31初始設(shè)定在約為1000毫米；圖15是結(jié)合在示例性的玻璃制造工藝中的激光刻劃系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式的示意 圖。發(fā)明詳述提供以下對(duì)本發(fā)明的描述，作為按其最佳已知實(shí)施方式來揭示本發(fā)明內(nèi)容。因此， 相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)并理解，可以對(duì)本文所述的本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行許多 變化，而且仍能獲得本發(fā)明的有益的結(jié)果。還顯而易見的是，本發(fā)明所需的有益結(jié)果中的一 部分可以通過選擇本發(fā)明的一些特征而不利用其他的特征來獲得。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，對(duì)本發(fā)明的許多更改和修改都是可能的，在某些情況下甚至是希望的，并且 是本發(fā)明的一部分。因此，提供的以下描述作為對(duì)本發(fā)明原理的說明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限 制。如本文中所用，單數(shù)形式的“一個(gè)”、“一種”和“該”包括復(fù)數(shù)指代形式，除非文中 另有明確說明。因此，例如，提到玻璃板包括具有兩種或更多種這類玻璃板的方面，除非文 本中有另外的明確表示。在本文中，范圍可以表示為從“約” 一個(gè)具體值和/或到“約”另一個(gè)具體值。表述這樣的范圍時(shí)，另一種實(shí)施方式包括從一個(gè)具體值始和/或至另一個(gè)具體值。類似地，用 先行詞“約”將數(shù)值表達(dá)為近似值時(shí)，應(yīng)該理解，具體值構(gòu)成另一種實(shí)施方式。應(yīng)該進(jìn)一步 理解，范圍的各端點(diǎn)不管與另一個(gè)端點(diǎn)相關(guān)還是獨(dú)立于該另一個(gè)端點(diǎn)，都是有意義的。在本文中，“示例性的”表示其“一個(gè)例子”，并不意味著表示理想的或優(yōu)選的實(shí)施 方式。本發(fā)明描述了激光刻劃系統(tǒng)的實(shí)施方式，所述系統(tǒng)包括激光器、可調(diào)節(jié)的光束擴(kuò) 展器以及光學(xué)頭。所述光學(xué)頭設(shè)計(jì)用來接收來自激光器和光束擴(kuò)展器的輸出，將所述輸出 聚焦成伸長的激光束，所述激光束具有光束腰以及相對(duì)于光束腰的延伸的焦深，其功率密 度足以對(duì)其一部分位于所述延伸的焦深內(nèi)的材料進(jìn)行刻劃。在一個(gè)方面，被刻劃的材料是 玻璃，玻璃的刻劃是通過移動(dòng)的激光束以及隨后的局部冷卻產(chǎn)生的熱沖擊破壞分子鍵，造 成部分裂紋，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。在刻劃工藝之后可以進(jìn)行機(jī)械分離或者其 它的分離材料的方式，例如可以在激光刻劃工藝之后，使用具有不同構(gòu)型的另外的激光束 進(jìn)行分離。圖1顯示了用來刻劃和分離玻璃1000的方法的示例性的示意圖。在圖1中，可以 通過不同的方法引發(fā)裂紋1002，例如使用激光脈沖或者使用例如劃線器、刻劃輪、刻壓頭以 機(jī)械的方式在玻璃1000中形成初始的瑕疵(缺陷)。通過將伸長的激光束1004投射在玻 璃表面上的，隨后進(jìn)行局部冷卻1006，從而進(jìn)行玻璃1000的刻劃。所述激光束1004在玻璃 表面上的初始瑕疵(缺陷)1002上通過，由此沿著伸長的激光束1004通過的方向形成部分 的開口，并且使得所述部分的開口在玻璃1000上傳播?？梢酝ㄟ^使用第二激光束進(jìn)行玻璃 1000的裂紋擴(kuò)展或整體分離的過程，或者可以使用機(jī)械分離來分離玻璃1000?？梢酝ㄟ^以 下方式來對(duì)玻璃1000進(jìn)行刻劃和分離使得玻璃1000相對(duì)于刻劃/分離裝置移動(dòng)，使得刻 劃/分離裝置相對(duì)于玻璃1000移動(dòng)，或者使得玻璃1000和刻劃/分離裝置都發(fā)生移動(dòng)。如本文的實(shí)施方式所述，將圖1所示的激光束1004投射在玻璃之類的材料的表面 上。所述激光束1004具有基本恒定的尺寸和形狀，并不取決于光學(xué)頭相對(duì)于靜止的激光器 以及靜止的光束擴(kuò)展器的飛行距離，對(duì)玻璃和光束形狀調(diào)節(jié)透鏡之間的相對(duì)距離并不十分 敏感。所述光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施方式由于以下性能，能夠?qū)Υ蟪叽绲牟ＡнM(jìn)行激光處理在光束 擴(kuò)展器之后，提供的(光學(xué)頭的)飛行距離最高為6米或更高；可以通過光束擴(kuò)展器來調(diào)節(jié) 飛行距離的中點(diǎn)(或者換句話說，可以調(diào)節(jié)光束擴(kuò)展器之后的圓形光束的光束腰的位置)。 另外，如本文所述，所述光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施方式產(chǎn)生的激光束輸出本身基本上對(duì)玻璃表面相 對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的位置變化不敏感，設(shè)置成對(duì)無論何種玻璃形狀的玻璃表面都傳輸基本恒定 的光束能量。在一個(gè)方面，所述光學(xué)設(shè)計(jì)在玻璃表面上提供基本恒定的伸長的光束尺寸， 所述光束尺寸包括長度和寬度，光束寬度的變化小于飛行的光學(xué)頭的飛行距離的+/-5%以 內(nèi)，所述飛行距離最高為4米，而且不會(huì)受到玻璃呈弓形、玻璃厚度變化、或者玻璃相對(duì)于 飛行的光學(xué)頭的光學(xué)部件移動(dòng)離開玻璃的垂直目標(biāo)位置的移動(dòng)的影響，所述移動(dòng)是以下的 方式，例如形成工藝過程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)，幅度最高至少為20毫米。圖2是用來進(jìn)行激光刻劃的系統(tǒng)的示例性實(shí)施方式，該系統(tǒng)可以用來產(chǎn)生如圖1 所示的刻劃光束1004。如圖2的實(shí)施方式所示，示例性的系統(tǒng)包括激光器102，其具有光束 擴(kuò)展器104和光學(xué)頭。在此情況下，激光器102和光束擴(kuò)展器104固定在靜止的位置，光學(xué) 頭是飛行的光學(xué)頭106，相對(duì)于固定的激光器102或光束擴(kuò)展器104移動(dòng)。所述飛行的光學(xué)頭106可以相對(duì)于固定的激光器102或光束擴(kuò)展器104移動(dòng)的距離即為飛行距離108。所 述飛行的光學(xué)頭106由光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件110組成，還可以包括轉(zhuǎn)向鏡112，所述轉(zhuǎn)向 鏡用來將光束射向被刻劃的表面。所述系統(tǒng)可以沿垂直或水平取向加工玻璃板114(或其 它的材料)。所述刻劃光束具有光束腰和延伸的焦深116，以及圍繞光束腰的功率密度，使 得基本上在整個(gè)焦深116上，刻劃光束都可以刻劃玻璃114。在一個(gè)方面，所述延伸的焦深 116可以對(duì)不平坦材料(例如玻璃)進(jìn)行刻劃，對(duì)于不平坦材料，材料114表面和飛行的光 學(xué)頭106之間的距離是變化的。所述變化可能是由于以下原因造成的材料呈弓形、變化的 厚度以及/或者材料的移動(dòng)。例如，在一個(gè)方面，所述具有足以刻劃玻璃的功率密度的延伸 的焦深可以大于光束腰中心周圍的+/-5毫米。在另一個(gè)方面，所述具有足以刻劃玻璃的功 率密度的延伸的焦深可以大于光束腰中心周圍的+/-10毫米，+/-25毫米，+/-50毫米，或更 大。在整個(gè)焦深上的功率密度是相對(duì)于所用激光器的種類以及激光刻劃系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)而 言的。功率密度相對(duì)于刻劃光束的橫截面面積成反比；因此隨著與刻劃光束的光束腰中點(diǎn) 的距離的增大，功率密度會(huì)減小。要對(duì)不同的材料(包括不同種類的玻璃)進(jìn)行刻劃，需要 不同的功率密度。在一個(gè)示例性的應(yīng)用中，通過光束傳播分析建立了光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方式，假 定使用二氧化碳(CO2)激光器，工作波長為10. 6微米，但是本文所述的原理可以擴(kuò)展應(yīng)用 于使用不同種類的激光器的應(yīng)用，所述不同種類的激光器包括CO和Nd: YAG激光器，這是本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。在一個(gè)方面，可以在薄透鏡近似條件下，基于近軸的高斯光束傳 播對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，由此可以獲得設(shè)計(jì)的折衷和限制?？梢允褂霉鈱W(xué)設(shè)計(jì)軟件，例如 ZEMAX(美國華盛頓的貝爾維尤的澤麥克斯開發(fā)公司(ZEMAX Development Corporation, Bellevue, Washington))對(duì)用于薄透鏡模型中的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步限定，由此可以獲得 透鏡的規(guī)則?？梢栽O(shè)計(jì)透鏡組件，產(chǎn)生不同的光束尺寸，由此可以對(duì)于不同的玻璃種類以及 不同的刻劃速度提供恒定的激光刻劃方法。圖2顯示了光束傳輸系統(tǒng)的靜止部分，包括激光器102和光束擴(kuò)展器104，其設(shè)計(jì) 成在光束進(jìn)入飛行的光學(xué)頭106之前的整個(gè)飛行距離108上，保持基本恒定的激光束特征。 一般來說，可以通過主動(dòng)補(bǔ)償或者被動(dòng)光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施方式中，可以通過主動(dòng)補(bǔ)償在整個(gè)飛行距離上保持基本恒定的激光束 特征。主動(dòng)補(bǔ)償也被稱為“長號(hào)型”滑動(dòng)光學(xué)部件，其中與飛行的光學(xué)頭106的移動(dòng)相同步 的光學(xué)延遲線被引入激光器102和飛行的光學(xué)頭106之間，使得從激光器102到飛行的光 學(xué)頭106的光路在動(dòng)態(tài)上保持恒定。所述長號(hào)型滑動(dòng)件的移動(dòng)范圍最長與飛行距離相等。 或者，可以對(duì)光束擴(kuò)展器104進(jìn)行主動(dòng)控制，用來跟蹤飛行的光學(xué)部件的運(yùn)動(dòng)，這要求較小 的運(yùn)動(dòng)范圍。在另一個(gè)方面，可以在飛行的光學(xué)部件移動(dòng)的時(shí)候?qū)す夤β蔬M(jìn)行調(diào)節(jié)，從 而在被刻劃的材料上保持恒定的功率密度，即使在激光束的尺寸可以變化的情況下也是如 此。任意的這些方法可以與下文所述的被動(dòng)光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合利用，以擴(kuò)展飛行距離。另一種方法包括被動(dòng)光學(xué)設(shè)計(jì)，其本身對(duì)飛行的光學(xué)頭106的運(yùn)動(dòng)不敏感。為了 在飛行距離上獲得均一的光束尺寸，從激光器102投射出激光束，射向光束擴(kuò)展器104，射 向飛行的光學(xué)頭106。在一個(gè)方面，從光束擴(kuò)展器104投射到飛行的光學(xué)頭106的激光束 118是高斯光束，激光束的光束腰的中點(diǎn)近似投射在飛行的光學(xué)頭106的飛行距離108的中 點(diǎn)。高斯光束或D模式光束的光束腰的范圍沿著光束軸(沿著飛行距離)，是光點(diǎn)尺寸為最小值的位置。如果飛行距離遠(yuǎn)小于瑞利距離(Rayleigh distance)(這是本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員已知的距離)，則在飛行距離上，光束點(diǎn)尺寸相對(duì)不變。因此，原則上來說，可以通過將 激光束擴(kuò)展到足夠大的尺寸，并且將光束腰的中點(diǎn)近似設(shè)置在飛行距離的中點(diǎn)，從而適應(yīng) 任何的飛行距離。盡管大的光束尺寸能夠改進(jìn)準(zhǔn)直距離，但是也會(huì)使得光束的傳輸分量更 松散，會(huì)影響光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件。因此，設(shè)計(jì)考慮的因素包括飛行距離中實(shí)際上可用的 光束尺寸的選擇。另外，如果需要較長的飛行距離，可以將對(duì)激光功率的主動(dòng)調(diào)節(jié)與被動(dòng)光 學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合。如圖2所示，飛行的光學(xué)頭106可以容納一個(gè)或多個(gè)透鏡110，改變所述飛行的光 學(xué)頭106接收的激光束118的形狀。所述飛行的光學(xué)頭106內(nèi)的光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件 110將激光束從大體圓形轉(zhuǎn)變?yōu)樯扉L的形狀，例如光束在待刻劃的材料表面上為橢圓形，同 時(shí)保持伸長的激光束的尺寸和形狀基本恒定，無論飛行距離以及飛行的光學(xué)頭106的光束 形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件110和玻璃之間的距離為何，光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件110和玻璃之間的 距離的變化是由于以下原因造成的，例如玻璃呈弓形，玻璃厚度的變化，或者由于例如玻璃 成形過程中玻璃的隨機(jī)移動(dòng)，使得玻璃相對(duì)于光學(xué)部件移動(dòng)離開其名義上的目標(biāo)位置。圖3和圖4是示例性的光學(xué)系統(tǒng)，圖5和圖6顯示了可以由圖3和圖4顯示的光學(xué) 系統(tǒng)產(chǎn)生的示例性的伸長的激光束的圖。在這些示例性的實(shí)施方式中，所述光束形狀調(diào)節(jié) 光學(xué)部件110包括位于飛行的光學(xué)頭106之內(nèi)的兩個(gè)圓柱形透鏡，但是在其它的實(shí)施方式 中也可以使用更多或者更少的透鏡。在此實(shí)施例中，每個(gè)透鏡僅用于所得的伸長的光束的 一個(gè)主軸上的尺寸(即長度、寬度)?；蛘呖梢詢H使用一個(gè)透鏡，該透鏡同時(shí)用來調(diào)節(jié)兩個(gè) 方向(長度和寬度)上的光束形狀，可以提供更緊湊的光學(xué)頭。另一方面，雙透鏡或多透鏡 的設(shè)計(jì)增加了復(fù)雜程度，可以對(duì)光束的長度和寬度進(jìn)行獨(dú)立的控制。用于光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué) 部件的選擇取決于具體的應(yīng)用條件和要求。對(duì)于激光刻劃工藝優(yōu)選的橢圓形光束的主軸， 光束長度通常可以約為60-300毫米，光束寬度通常可以約為1-3. 0毫米，但是本發(fā)明所述 的實(shí)施方式也可以考慮其它的光束長度和寬度。光束長度通常與本發(fā)明所述激光系統(tǒng)的實(shí) 施方式中能夠?qū)ΣＡе惖牟牧线M(jìn)行刻劃的刻劃速度相關(guān)。一般來說，光束的長度越小，則 刻劃速度越慢。相反地，光束的長度越大，則刻劃速度越快。光束寬度通常與刻劃的直線性 相關(guān)，光束越寬，則越難獲得直的刻劃線。圖3是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)例子(由透鏡和f2組成的光束擴(kuò)展器104，以及飛行光 學(xué)頭106中的由透鏡f31和f3W組成的光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件110)。在一個(gè)方面，圖3的光 學(xué)系統(tǒng)可以產(chǎn)生具有圖5和圖6所示長度和寬度的伸長的激光束。在圖3中，和f2是光 束擴(kuò)展透鏡，對(duì)應(yīng)于光束擴(kuò)展器104，其從激光器接收激光束200 ；f31和f3W是光束形狀調(diào)節(jié) 圓柱形透鏡，其與飛行的光學(xué)頭106中的光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件110相對(duì)應(yīng)，用于控制圖5 和圖6所示的所得光束的長度(1)和寬度(w) ；Cltl是從激光器射出的光束腰中點(diǎn)到光束擴(kuò) 展器的透鏡的距離汍是透鏡和f2之間的可以調(diào)節(jié)的距離；d2是飛行距離，對(duì)應(yīng)于飛 行距離108 ；d31，d3ff是透鏡f31和f3W到玻璃208的有效距離。可以對(duì)透鏡和f2的相對(duì)位 置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制沿著光束擴(kuò)展器104和飛行的光學(xué)頭106之間的飛行距離d2上，光束腰 的中點(diǎn)的位置。圖4是一種光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)例子，其中透鏡和f31的相對(duì)位置發(fā)生改 變，導(dǎo)致不同的光束寬度。如圖5和6所示，所得的伸長的激光束的長度(1)基本上由透鏡 f31決定，寬度(w)基本上由透鏡f3w決定。應(yīng)當(dāng)注意，圖3和圖4是用來研究物理光束傳播的展開的光路的光學(xué)示意圖；這些圖沒有顯示飛行距離相對(duì)于玻璃208的實(shí)際取向。下表1提供了用于目標(biāo)光束尺寸的光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)作為一個(gè)例子。在表1中，&和 f3w的列給出了這些透鏡的焦距。另外，知和d3w的列顯示了透鏡f31和f3w與玻璃的初始的 或標(biāo)稱目標(biāo)位置之間的距離。在激光刻劃系統(tǒng)的操作過程中，d31和Clat的距離可以變化。光 束尺寸以及長度/寬度比的具體選擇由工藝需求所定義，其包括但不限于刻劃速度，切割 邊緣的直線性，玻璃呈弓形的幅度，玻璃厚度的變化，或者例如通過在成形過程中玻璃的隨 機(jī)移動(dòng)造成的玻璃相對(duì)于飛行的光學(xué)頭的光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件移動(dòng)離開玻璃的標(biāo)稱目 標(biāo)位置，飛行距離(或者玻璃尺寸)，可接受的殘余應(yīng)力水平，可用的激光功率，激光模式的 質(zhì)量和種類。表 權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括光學(xué)頭，其具有入口，用來接收來自激光器的輸出，具有光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件，用來 將所述輸出聚焦成具有光束腰的伸長的激光束，所述光束腰具有中點(diǎn)，所述伸長的激光束 具有相對(duì)于光束腰的中點(diǎn)約大于+/-5毫米的延伸的焦深，所述伸長的激光束在所述延伸 的焦深中具有足夠的功率密度，所述功率密度足以對(duì)其一部分位于所述延伸的焦深內(nèi)的材 料進(jìn)行刻劃。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括激光器，所述激光器與所述 光學(xué)頭偶連，用來為所述光學(xué)頭提供輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括設(shè)置在所述激光器和光學(xué) 頭之間的光束擴(kuò)展器，所述光束擴(kuò)展器從激光器接收輸出，將來自激光器的輸出擴(kuò)展為擴(kuò) 展的激光束，并將所述擴(kuò)展的激光束傳輸?shù)焦鈱W(xué)頭。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束擴(kuò)展器處于固定的位置，所述光學(xué) 頭是飛行光學(xué)頭，相對(duì)于光束擴(kuò)展器移動(dòng)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述飛行光學(xué)頭的飛行距離約為0.5-6米， 所述擴(kuò)展的光束具有包括中點(diǎn)的光束腰，所述光束擴(kuò)展器設(shè)計(jì)成將擴(kuò)展的激光束的光束腰 的中點(diǎn)近似投射在飛行距離的中點(diǎn)。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述延伸的焦深最高約為+/-20毫米，所 述伸長的激光束具有光束長度和光束寬度，在延伸的焦深范圍內(nèi)，所述光束寬度變化小于 +/-5 %，光束長度變化小于+/-2 %。
7.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述伸長的激光束還包括以下性質(zhì)光束長 度約為60-300毫米，光束寬度約為1-3毫米，延伸的焦深約大于或等于+/-10毫米。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述延伸的焦深上，功率密度變化約小于 或等于5%。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述伸長的激光束還包括以下性質(zhì)約200 毫米的長度，寬度約為1. 5毫米，延伸的焦深約為+/-25毫米。
10.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述伸長的激光束還包括以下性質(zhì)約200 毫米的長度，寬度約為ι. O毫米，延伸的焦深約為+/-20毫米。
11.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件包括一個(gè)或多 個(gè)透鏡。
12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束形狀調(diào)節(jié)光學(xué)部件包括兩個(gè)透 鏡，所述兩個(gè)透鏡設(shè)計(jì)和設(shè)置成使得每個(gè)透鏡獨(dú)立地對(duì)所得光束一個(gè)軸上的形狀進(jìn)行調(diào) 節(jié)。
13.—種制造玻璃平板的方法，該方法包括使用玻璃制造設(shè)備制造玻璃；和通過對(duì)所述玻璃進(jìn)行刻劃，然后分離玻璃平板，從而由所述玻璃分離玻璃平板，所述刻 劃是通過以下方式進(jìn)行的用刻劃設(shè)備產(chǎn)生的激光束進(jìn)行刻劃，所述刻劃設(shè)備設(shè)定位置，用 來在制造玻璃的同時(shí)進(jìn)行刻劃，所述刻劃設(shè)備包括激光器；光束擴(kuò)展器，其位置設(shè)定用來接收來自激光器的激光束，將激光束擴(kuò)展為擴(kuò)展的激光束，所述擴(kuò)展的激光束包括具有中點(diǎn)的光束腰；以及飛行光學(xué)頭，其設(shè)定位置用來接收擴(kuò)展的激光束，所述飛行光學(xué)頭能夠在飛行距離上 相對(duì)于光束擴(kuò)展器移動(dòng)，所述飛行距離具有中點(diǎn)，所述光束擴(kuò)展器形成擴(kuò)展的激光束，使得擴(kuò)展的激光束的光束腰的中點(diǎn)近似位于飛行 距離的中點(diǎn)，其中所述飛行光學(xué)頭設(shè)計(jì)用來將擴(kuò)展的激光束改變?yōu)榫哂泄馐纳扉L的激光束，所 述光束腰具有中點(diǎn)，所述伸長的激光束相對(duì)于伸長的激光束的光束腰的中點(diǎn)具有大于+/-5 毫米的延伸的焦深，所述伸長的激光束在所述延伸的焦深中具有足以刻劃玻璃的功率密 度，其中所述玻璃制造設(shè)備和刻劃設(shè)備相對(duì)于彼此設(shè)置，使得通過玻璃制造設(shè)備制造的玻 璃的一部分設(shè)置在延伸的焦深之內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述伸長的激光束具有瑞利范圍，所述玻 璃與飛行光學(xué)頭之間的距離小于所述瑞利范圍。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，隨著玻璃和飛行光學(xué)頭相對(duì)于彼此移動(dòng)， 從玻璃到飛行光學(xué)頭的距離發(fā)生變化。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，在所述延伸的焦深上，功率密度變化約小 于或等于5%。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述用來制造玻璃的玻璃制造設(shè)備包括 下拉玻璃制造設(shè)備，所述刻劃設(shè)備設(shè)置的位置使得當(dāng)玻璃的溫度約為25-600°C時(shí)、將伸長 的激光束聚焦在玻璃上。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述延伸的焦深最高約為+/-20毫米，所 述伸長的激光束具有光束長度和光束寬度，在延伸的焦深范圍內(nèi)，所述光束寬度變化小于 +/-5 %，光束長度變化小于+/-2 %。
19.一種激光刻劃系統(tǒng)，其包括激光器；相對(duì)于激光器固定就位的光束擴(kuò)展器，所述光束擴(kuò)展器從激光器接收激光束，將激光 束擴(kuò)展為具有光束腰的擴(kuò)展的激光束，所述光束腰具有中點(diǎn)；以及飛行光學(xué)頭，其設(shè)定位置，用來接收擴(kuò)展的激光束，將擴(kuò)展的激光束改變?yōu)榫哂泄馐?的伸長的激光束，所述伸長的激光束的光束腰具有中點(diǎn)，所述伸長的激光束具有相對(duì)于伸 長的激光束的光束腰中點(diǎn)延伸的焦深，所述飛行光學(xué)頭能夠在大約0. 5-6米的飛行距離上 移動(dòng)，所述擴(kuò)展的激光束設(shè)定位置，使得擴(kuò)展的激光束的光束腰的中點(diǎn)近似位于飛行距離的 中點(diǎn)，其中所述伸長的激光束在延伸的焦深內(nèi)的功率密度足以對(duì)其一部分位于所述延伸的 焦深內(nèi)的材料進(jìn)行刻劃，所述伸長的激光束的長度約為60-300毫米，寬度約為1-3毫米，延伸的焦深約為+/-5 毫米至+/-50毫米。
20.如權(quán)利要求19所述的激光刻劃系統(tǒng)，其特征在于，所述伸長的激光束的長度約為 100-200毫米，光束寬度約為1-1. 5毫米。
全文摘要
本發(fā)明描述了用來刻劃包括不平坦的玻璃板(1000)的不平坦材料的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施方式中，描述了一種激光刻劃系統(tǒng)。所述激光刻劃系統(tǒng)包括激光器(102)和光學(xué)頭(106)。所述光學(xué)頭設(shè)計(jì)用來接收來自激光器的輸出，將所述輸出聚焦成伸長的激光束，所述激光束具有光束腰以及相對(duì)于光束腰中點(diǎn)大于+/-5毫米的延伸的焦深，其功率密度足以對(duì)至少一部分位于所述延伸的焦深內(nèi)的材料進(jìn)行刻劃。在一個(gè)方面，所述系統(tǒng)可以包括光束擴(kuò)展器(104)。所述光束擴(kuò)展器從激光器接收輸出，將來自激光器的輸出擴(kuò)展為擴(kuò)展的激光束，然后將擴(kuò)展的激光束傳輸?shù)焦鈱W(xué)頭。
文檔編號(hào)C03B33/09GK102046545SQ200980120192
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者A·A·阿布拉莫夫, L·烏克蘭采克, 周乃越, 鄔起 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司