CN107030401A - 微孔加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微孔加工装置，用于在一工件上加工出多个微孔，其包括激光准直模块、激光扩束模块、激光整形模块和激光聚焦模板。激光准直模块用于对一激光进行准直调整；激光扩束模块用于对入射的直径较小的激光束扩束形成直径较大的激光束；激光整形模块设置于激光扩束模块的出光侧，用于调整入射光的光强分布；激光聚焦模板设置于激光整形模块的出光侧，包括一板体和设置于板体上的多个微透镜，其中板体阻挡入射光透过，微透镜能透过并聚焦入射光，且入射光经多个微透镜聚焦后的多个焦点所在的面与工件的待加工面的形状一致。使用本发明微孔加工装置能一次性加工多个微孔，从而大幅度提高了激光微孔加工的加工效率。

Description

微孔加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种利用激光加工微孔的微孔加工装置。

背景技术

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工等的一门技术。其中，激光打孔技术具有精度高、通用性强、效率高、成本低和综合技术经济效益显著等优点，已成为现代制造领域的关键技术之一。激光经聚焦后作为高强度热源对材料进行加热，使激光作用区内材料融化或气化继而蒸发，而形成孔洞的激光加工过程。

由于激光束可以被聚焦得很小，最小可以达到几微米。因此，用激光打孔技术可以很方便地加工出直径在微米级的微孔，而这用传统的机械加工方法是无法做到的。然而传统的激光加工技术，每次打孔通常只能加工一个孔，工作效率低下，已经无法满足许多工业应用领域的需要，例如生物领域使用的抗体筛选微孔板，其上面的微孔数量巨大，用传统的激光加工方式加工需要很长时间，而且质量也难以控制。

在背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

为解决以上现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种加工效率高的微孔加工装置。

根据本发明的一个方面，一种微孔加工装置，用于在一工件上加工出多个微孔。微孔加工装置包括激光准直模块、激光扩束模块、激光整形模块和激光聚焦模板。激光准直模块用于对一激光进行准直调整；激光扩束模块设置于所述激光准直模块的出光侧，用于对入射的直径较小的激光束扩束形成直径较大的激光束；激光整形模块设置于所述激光扩束模块的出光侧，用于调整入射光的光强分布；激光聚焦模板设置于所述激光整形模块的出光侧，包括一板体和设置于所述板体上的多个微透镜，其中所述板体阻挡入射光透过，所述微透镜能透过并聚焦所述入射光，且所述入射光经多个所述微透镜聚焦后的多个焦点所在的面与所述工件的待加工面的形状一致。

根据本发明的一实施方式，所述板体上设置有遮光膜，以阻挡激光透过所述板体。

根据本发明的一实施方式，所述板体表面为粗糙表面，以使入射光在所述粗糙表面散射而不能透过所述板体。

根据本发明的一实施方式，所述激光聚焦模块的多个微透镜形成微透镜阵列。

根据本发明的一实施方式，所述微透镜阵列中的各个微透镜相互连接。

根据本发明的一实施方式，所述激光整形模块将入射光的光强分布调整为均匀分布。

根据本发明的一实施方式，所述激光聚焦模板的板体呈平板状或曲面板状。

根据本发明的一实施方式，所述激光准直模块、所述激光扩束模块、所述激光整形模块和所述激光聚焦模板之间的相对位置关系是固定的。

根据本发明的一实施方式，其中还包括工件平台，其设置于所述激光聚焦模板的出光侧，所述工件安装于所述工件平台上。

根据本发明的一实施方式，所述工件平台是三维数控位移平台。

由上述技术方案可知，本发明的优点和有益技术效果在于：本发明微孔加工装置包括能将一束直径较小的激光束扩束为直径较大的激光束的激光扩束模块，以及包含有板体、多个微透镜的激光聚焦模板，微透镜的数量和在板体上的布置形式与加工完成的产品或该产品的一个单元的数量及布置形式一致，并且板体不透光，微透镜能够使入射光分束并聚焦，聚焦的多束光束能对工件进行加工，因此使用本发明微孔加工装置能生产合格的产品，且能一次加工多个微孔，从而大幅度提高了激光微孔加工的加工效率。

本发明中通过以下参照附图对优选实施例的说明，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是本发明微孔加工装置一实施方式的示意图；

图2是图1所示的的微孔加工装置中的一平板状的激光聚焦模板的结构示意图。

图中：100、工件；1、激光准直模块；2、激光扩束模块；3、激光整形模块；4、激光聚焦模板；41、板体；42、微透镜；5、工件平台；10、第一激光束；20、第二激光束；30、第三激光束；40、第四激光束。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参见图1，图1是本发明微孔加工装置一实施方式的示意图。如图1所示，本发明微孔加工装置一实施方式，用于在一工件100上加工出多个微孔，其中所述的微孔可以是通孔，也可以是盲孔，微孔直径可以在1-1000微米范围内，例如微孔直径为1微米、10微米、20微米、50微米、100微米、500微米、800微米、900微米等。该微孔加工装置包括激光准直模块1、激光扩束模块2、激光整形模块3和激光聚焦模板4。

激光准直模块1用于对一激光进行准直调整，输出平行光。激光准直模块1可以采用现有的结构。

激光扩束模块2设置于激光准直模块1的出光侧，用于对入射的激光束进行扩束，使直径较小的激光束扩大成直径较小的激光束，通常可以形成指定光斑大小的激光束。激光扩束模块2可以采用现有的结构。

激光整形模块3设置于激光扩束模块2的出光侧，用于调整入射光的光强分布。激光整形模块3包括一光束整形器，该光束整形器可以采用现有的结构，光束整形器能将入射的能量分布不均匀的激光束调整成能量分布均匀的激光束，例如，将光强为高斯分布的入射激光束调整至光强平均分布的激光束。

参见图1和图2，图2是本发明的微孔加工装置中的一平板状的激光聚焦模板4的结构示意图，其包括一平板状的板体41，该板体41上设置有由多个微透镜42组成的微透镜阵列。

激光聚焦模板4设置于激光整形模块3的出光侧，包括一板体41和设置于板体41上的多个微透镜42，在图2所示的实施方式中，多个微透镜42形成微透镜阵列。进一步地，该微透镜阵列中的各个微透镜42相互连接，即在前后左右任意方向上相邻的微透镜连接在一起，这样使得激光聚焦模板4中微透镜42为集中设置在一个区域，而其他区域(即板体41)不设置微透镜。在其他实施方式中不限于此，多个微透镜42可以形成陈列排列，也可以是非阵列排列，相邻的微透镜之间可以相互连接，也可以相互间隔一定距离。总之激光聚焦模板4中多个微透镜的数量以及排列方式视具体待加工工件的设计要求确定。

板体41能阻挡激光透过，微透镜42能透过并聚焦入射光，且直径较大的激光束经多个微透镜聚焦后的多个焦点所在的面与工件100的待加工面的形状一致例如在一平面上或者在一曲面上，加工时，将待加工工件100放置到多个焦点所在的面上。

激光聚焦模板4整体可以由能透过激光的材料例如光学玻璃、塑料等制成；然后装激光聚焦模板4的板体41(激光聚焦模板4的除去微透镜阵列42的其他部分)可以处理成不透光的结构，从而避免或尽量减少由板体41穿过的光量。

激光聚焦模板4的板体41的形状可以与待加工工件的形状一致，特别是与待加工工件的待加工面的形状一致，例如当待加工工件或其待加工面是平面形状时，则板体41可以是平板状；当待加工工件或其待加工面是曲面形状时，则板体41可以是曲面板状。当然本发明并不以此为限。

本发明中，可以通过多种方式使得激光聚焦模板4的板体41阻挡激光透过，在一实施方式中，可以在板体41上设置遮光膜，例如，可以在板体41上镀一层由金制成的金膜，以阻挡激光透过板体41。在另一实施方式中，将板体41表面处理为粗糙表面，例如粗糙度值在1～10微米之间，以使激光在入射到板体41粗糙表面时发生散射而不能透过板体41。应当理解，防止或减少板体41透光方案并不限于上面所述的两种具体方式，现有的其他能遮光、避光的设计方式也可应用于本发明中。当激光聚焦模板4中的多个微透镜42形成微透镜阵列，特别是当相邻的微透镜阵列彼此连接时，由于微透镜排列较集中，则将板体41处理成不透光板体更为方便。

在一实施方式中，激光准直模块1、激光扩束模块2、激光整形模块3和激光聚焦模板4之间的相对位置关系是固定的，例如将激光准直模块1、激光扩束模块2、激光整形模块3和激光聚焦模板4固定安装于同一个支架(图中未出)上。这样，一次调试完成之后在加工过程中就不需要再频繁进行调整，而只需要移动待加工工件即可，因此使用操作更简便，运行更可靠。

在其他实施方式中，激光准直模块1、激光扩束模块2、激光整形模块3和激光聚焦模板4中也可以只有部分部件之间的相对位置关系是固定的，而其他部件之间的相对位置关系是可调的，例如激光整形模块3和激光聚焦模板4之间的相对位置关系是固定的，而激光准直模块1、激光扩束模块2和激光整形模块3可以是沿着光轴方向移动而形成可调的位置；甚至在某些实施方式中，所有部件之间的相对位置都是可调节的。

在一些实施方式中，本发明的微孔加工装置还包括工件平台5，其设置于激光聚焦模板4的出光侧，待工加的工件100安装于工件平台5上。进一步地，工件100平台可以是三维数控位移平台，三维数控位移平台可由计算机控制在X、Y、Z三个方向上移动，甚至还可以在各个方向转动一角度，因此随着三维数控位移平台动作，待工加的工件100能精确地设置于各个焦点所在的面上，从而实现微孔的自动化高效数控加工。

本发明的微孔加工装置可以同时加工多个微孔，其中一次性能加工的微孔数量与激光聚焦模板4的微透镜42数量相同，并且所加工的多个微孔的排布方式也与多个微透镜42在板体41上的排布方式相吻合。因此，激光聚焦模板4的多个微透镜42的数量和排布形式可以是根据需要设计的，具体而言，视待加工工件所需要的微孔数量和排布方式而定。详细来说，当需要在一待加工工件上加工出多个微孔，可以先通过超精密加工技术加工出一个激光聚焦模板4，即在一板体41上加工出多个微透镜42，这些微透镜42的数量和在板体41的布置形式与待加工工件上设计的微孔的数量和在工件上的布置形式完全一致，也就是与已加工完成的最终产品上的微孔的数量和布置形式完全一致，那么，使用该微透镜镜片(激光聚焦模板4)能够快速地加工出合格的产品。

在一些实施方式中，本发明的微孔加工装置还包括用于产生激光的激光器(图未示)，其可以是连续激光器或脉冲激光器等。

参见图1，下面以在一平板状的待加工工件100上加工出微孔阵列为例，说明本发明的微孔加工装置的加工过程：

激光器发出一第一激光束10，该第一激光束10作为入射光入射到激光准直模块1，经激光准直模块1准直后输出第二激光束20，该第二激光束20作为入射光入射到激光扩束模块2，经激光扩束模块2扩束后形成直径较大的第三激光束30，例如第三激光束30的直径为第二激光束20的2-10倍，第三激光束30作为入射光入射到激光整形模块3，如图1所示，激光整形模块3将能量分布为高斯分布的第三激光束30整形成为能量均匀分布的平顶光束即第四激光束40；然后该第四激光束40入射到激光聚焦模板4，激光聚焦模板4的微透镜阵列将第四激光束40分束聚焦，由于微透镜阵列的各个微透镜42的焦距相同，所以第四激光束40聚焦后的多个焦点在同一焦点平面上；将待加工工件100设置于该焦点平面，例如通过移动工件平台5，由工件平台5带动待加工工件100运动至该焦点平面，则这些聚焦的激光束即可在待加工工件100上加工出微孔阵列。

本发明的微孔加工装置，经激光聚焦模板4对激光束进行分束并分别聚焦后，能一次性加工出多个微孔，因此使用本发明微孔加工装置能大幅度提高了激光微孔加工的加工效率。

本发明的微孔加工装置可广泛应用于航空、生物、微机械制造等领域，例如用于生物领域的带有微孔阵列的功能性膜材料如抗体筛选微孔板；或者应用于

航空领域提高空气动力性能的微孔阵列如飞机机翼上的微孔阵列；或者应用于微机械和微流体领域的微孔阵列过滤板。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本权利要求书中，用语“一个”、“一”、“”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种微孔加工装置，用于在一工件上加工出多个微孔，其特征在于，微孔加工装置包括：

激光准直模块，其用于对一激光进行准直调整；

激光扩束模块，其设置于所述激光准直模块的出光侧，用于对入射的直径较小的激光束扩束形成直径较大的激光束；

激光整形模块，其设置于所述激光扩束模块的出光侧，用于调整入射光的光强分布；

激光聚焦模板，其设置于所述激光整形模块的出光侧，包括一板体和设置于所述板体上的多个微透镜，其中所述板体阻挡入射光透过，所述微透镜能透过并聚焦所述入射光，且所述入射光经多个所述微透镜聚焦后的多个焦点所在的面与所述工件的待加工面的形状一致。

2.如权利要求1所述的微孔加工装置，其特征在于，所述板体上设置有遮光膜，以阻挡激光透过所述板体。

3.如权利要求1所述的微孔加工装置，其特征在于，所述板体表面为粗糙表面，以使入射光在所述粗糙表面散射而不能透过所述板体。

4.如权利要求1所述的微孔加工装置，其特征在于，所述激光聚焦模块的多个微透镜形成微透镜阵列。

5.如权利要求4所述的微孔加工装置，其特征在于，所述微透镜阵列中的各个微透镜相互连接。

6.如权利要求1所述的微孔加工装置，其特征在于，所述激光整形模块将入射光的光强分布调整为均匀分布。

7.如权利要求1所述的微孔加工装置，其特征在于，所述激光聚焦模板的板体呈平板状或曲面板状。

8.如权利要求3所述的微孔加工装置，其特征在于，所述激光准直模块、所述激光扩束模块、所述激光整形模块和所述激光聚焦模板之间的相对位置关系是固定的。

9.如权利要求1-8任一项所述的微孔加工装置，其特征在于，还包括：

工件平台，其设置于所述激光聚焦模板的出光侧，所述工件安装于所述工件平台上。

10.如权利要求9所述的微孔加工装置，其特征在于，所述工件平台是三维数控位移平台。