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用于丝化非面平行形状的工件的方法和装置以及通过丝化产生的工件与流程

用于丝化非面平行形状的工件的方法和装置以及通过丝化产生的工件
1.本技术是2016年10月4日提交的专利申请201680058621.2、发明名称为“用于丝化非面平行形状的工件的方法和装置以及通过丝化产生的工件”的分案申请。
技术领域
2.本发明涉及一种用于丝化(filamentierung)、尤其用于切割非传导性的工件的方法，其中，所述工件的形状与预定的额定轮廓不同，以及涉及一种具有特别成形的边沿的非传导性的工件。

背景技术：

3.用于通过激光辐射的作用分开非传导性的工件、例如晶片的方法，已经成为现有技术很多年。近年来，丝化技术已经发展，其中，具有在待分开的工件的透明范围中的波长的激光器作用到工件上。激光器的作用借助于脉冲式的、超短激光辐射实施，其中，脉冲不仅可以单个的脉冲而且以所谓的连发脉冲模式、也就是说以离散包的形式实施。以这种方式，例如可以在非传导性的工件例如玻璃中产生所谓的丝。在工件中长形的结构称为丝，其中，在该结构的区域中工件的特性已经改变。例如在丝的区域中导致产生微裂纹和/或结构改变，例如以结晶的形式，或者构成新的相。在工件中这样构成的缺陷沿着预定的破损线布置并因此用作工件之后沿着该线分开的初始点。这样的方法例如在de102012110971a1说明。
4.此外，在国际专利申请文件wo2014/111385a1中公开了一种用于基于激光地加工扁平基体的方法以及装置。在此，基体、例如晶片或者玻璃元件，沿着多个切割线分开，其中，在工件中产生线焦点并导致诱导吸收，通过所述诱导吸收在基体的材料中诱发形成裂纹。在此，该丝从丝构成的开始点至工件的至少一个表面作为连续的、也就是说不中断的结构。
5.ep2781296a1此外说明一种两级的方法，其中，首先借助于激光器引起沿着之前确定的走向线的丝，也就是说破坏区，并且在另一步骤中实施材料去除步骤和/或变形步骤，例如借助于c02激光器，从而可以沿着走向线将工件分开。
6.国际专利申请文件wo2012/006736a2说明了一种处理透明基板以准备分离步骤的方法。在此，借助于激光器在基体的内部中产生丝，其中，在基体的至少一个表面上构造沟状凹部也是可行的。丝在此根据激光参数的精确调整由于激光光束的自聚焦在基体的内部中产生，其中，彼此相继地在基体中构造多个丝也是可行的。沿着这样产生的缺陷线，在其他步骤中实现基体的分开。
7.然而在下面的情况下列出的方法则达到其极限：应该被分开的工件不是平或者扁平的、例如呈片或者带的形式构造，所述带由在一般制造技术公差的框架中面平行的表面限定。
8.因此，例如很久以来已知片例如玻璃片翘曲的问题。此外这样的片经常也具有一
定的波动或者一般在其走向上具有厚度变化，从而一般存在与平的形状的偏差。因为丝相对于表面确定的定位用于诱导损伤的良好再现性，以便这样能够实现尽可能无差错和无损的分开，在这样的非最优构造的工件中导致增多的损失。此外，通过之前公开的方法丝化或者分开如下工件根本不可行，所述工件具有与扁平的、平的形状严重不同的形状或者具有特别大的厚度。
9.因此，产生对用于丝化或者分开工件的方法的需求，所述工件具有与扁平形状不同的、例如楔形的形状和/具有大的厚度或者例如特征是具有弯曲的边界面。

技术实现要素：

10.本发明任务在于，提供一种方法，在所述方法中能够分开具有大的厚度和与扁平的形状不同的形状的工件，以及提供一种这样制造的工件，尤其具有根据所述方法成形的边沿。
11.本发明令人惊讶地简单通过根据权利要求1的方法以及根据权利要求20的工件解决。在相应的从属权利要求中给出优选的实施形式。
12.根据本发明的用于丝化非传导性的工件的方法，所述工件的厚度优选在0.5和20mm之间，该厚度在空间上变化和/或限定该工件的边界面(11)和(12)中的至少一个具有至少一个曲率半径在0.1μm和10m之间的曲率，该方法包括下列步骤:
13.a)首先提供非传导性的工件。
14.本发明的该非传导性的工件可以例如是晶片或者玻璃元件，其中，其具有与片状形状或者带状形状不同的空间结构。
15.本发明的工件可以例如具有楔形形状。但是也可行的是，工件呈翘曲的片的形式或者特征在于所谓的细波纹。更通常的是，与片形形状或者带形形状的不同相对弱地显现。但是也可行的是，工件以三维成形体的形式、例如作为呈安瓿或管的形式的空心体构造。
16.b)第二步骤包括预先确定工件中的包含丝的区域的走向线，所述区域也称为丝区，因此即预先确定之后的工件边沿。
17.c)然后在第三步骤中提供激光加工装置，其中，激光构型为短脉冲或者超短脉冲激光和发出如下激光辐射，所述激光辐射具有在工件的透明范围中的波长。
18.此外，激光加工装置具有光束成形器用于光束成形，尤其用于聚焦激光辐射。
19.d)在第四步骤中提供一装置，所述装置用于确定工件的厚度和/或确定工件的表面轮廓和/或确定在工件中的散射中心。
20.优选该装置也可以用于控制激光加工头和工件的面向激光加工头的表面之间的间距。
21.e)第五步骤包括通过光学测量、例如共焦测量确定工件的表面轮廓和/或厚度和/或在工件中的散射中心。
22.f)在第六步骤中激光辐射以激光脉冲的形式或者以连发脉冲的方式这样作用到工件上，使得激光脉冲在工件中产生丝。
23.在本发明的框架内产生由激光辐射引起的结构作为丝，所述结构仅仅具有几微米范围内的非常小的直径，但是具有在毫米范围中的长度。
24.该结构特征在于，在该区域中工件原本的特性改变。
25.例如可以产生具有与原本的工件相比提高的密度的新的相。至少在丝的部分中，结晶也是可行的。
26.此外在丝区中典型地构成裂缝，尤其微裂缝。
27.丝因此通常是工件中的结构，所述结构同样意味着其削弱，从而沿着丝的走向线可以实现工件的分开。
28.优选丝构造为空腔。
29.g)第七步骤包括，然后根据在第二步骤、即步骤b)中确定的走向线的走向进行激光辐射相对于工件的运动。
30.h)此外重复步骤f)和g)，从而在丝区中产生具有定义的开始点和终点的丝、优选空腔。
31.在根据本发明的方法中，工件中的丝的开始点的空间定位优选相对于限定工件的表面根据在步骤e)中实现的确定工件的表面轮廓和/或厚度定义，和/或也可以优选在确定工件中的散射中心之后在工件的内部中相对于确定的散射中心定义。
32.优选算出在激光光束的射入点处的局部的曲率或者局部的切线并且基于此求取表面法线向量的方向。
33.通过确定在表面的剖面点(profile point)处在原本的、也就是说未修正的激光光束方向和表面的法线方向之间的差，所述差由相应的剖面点的轮廓数据和任选地邻近的剖面点的轮廓数据算出，在三维成形体中(即这样的体，在所述体中限定该体的表面大体上地非面平行地延伸)得出修正角，以便实现垂直射入，即能够实现激光光束在表面的任意位置上垂直入射。在此，在工件的多个表面中的一个上的点理解为剖面点。
34.根据本发明的方法，开始点的定位可以例如这样进行，使得开始点相对于工件的表面设置。
35.则例如可行的是，在步骤e)中尤其对于表面的多个剖面点而言确定工件的表面轮廓，和然后根据表面轮廓的走向分别以与工件的表面中的一个的确定的间距确定丝的开始点。
36.例如可行的是，在确定工件的表面轮廓之后，所有丝开始点以距离工件的背离激光加工装置的表面(即工件的下侧)分别0.5mm的间距布置到工件中。
37.但是也可行的是，给所有丝开始点分别分配自己的开始值，即例如丝1以距离工件的下侧0.2mm间距布置，丝2以0.5mm间距以及丝3以1mm间距布置。
38.可行的是，工件的厚度这样选择，使得工件不能由单个丝单独完全地在其整个厚度上贯通。在这样的情况下，有利地彼此上下地产生多个丝。在这样的情况下，已经证明也特别有利的是，新的丝的开始点同时是上一个产生的丝的终点。在这样的情况下，丝的开始点的确定优选这样进行，使得其基于工件中散射中心的确定进行。
39.因此工件中的丝的产生导致材料中呈内部损伤形式的材料改变，所述材料改变可以从材料的在该点上改变散射的行为来光学地确定。
40.以这种方式特别有利地可行的是，产生长的、连续的丝，所述丝由不同的丝部分组成。从上表面看的、即工件的面向激光加工装置的表面的最低处的丝的开始点，即首先产生的丝的开始点可以在此基于工件的表面轮廓和/或厚度的确定和/或散射中心的确定而位于工件中。
41.随后的部分丝的开始点在之后的各个加工步骤中通过散射中心的确定来确定，所述散射中心由分别之前产生的部分丝的终点构成。因此产生长的、连续的丝，其中，部分丝的开始点分别由之前形成的部分丝的终点限定。
42.也可行的是，以这种方式彼此上下地产生多个丝，所述丝非连续地构造，而是其中，例如在首先产生的丝的终点和之后产生的丝的开始点之间存在一定的、由加工者确定的间距。
43.尤其考虑所谓的短脉冲激光器作为激光器。为了产生长的丝，以所谓的连发脉冲模式运行超短脉冲激光器是特别有利的。在此，激光脉冲不是作为单脉冲输出，而是由多个短的前后相继地输出的脉冲、所谓的连发脉冲构成。
44.根据本发明的合适的激光源是具有1064纳米波长的钕掺杂钇铝石榴石激光器。该激光源尤其以这样的重复率工作，所述重复率在10khz和120khz之间，优选在30khz和110khz之间和非常特别优选在35khz和105khz之间。扫描速度可以优选这样选择，使得根据重复率，邻近的丝形损伤的间距在从4微米至10微米的范围中。
45.在此，激光脉冲的合适的脉冲持续时间在小于100皮秒的范围内，优选小于10皮秒。脉冲持续时间也可以小于1皮秒。激光源(下面也称为激光器)的典型的功率，在此特别有利地在40至100瓦的范围内。为了实现丝形的损伤，根据本发明的一个有利的扩展方案，使用一连发脉冲中大于200微焦耳的脉冲能量，此外优选总的连发脉冲能量大于500微焦耳。
46.在连发脉冲模式中运行超短脉冲激光器的情况下，重复率是连发脉冲输出的重复率。脉冲持续时间基本上与激光器是否以单脉冲或者以连发脉冲模式运行无关。连发脉冲内的脉冲典型地具有与单脉冲运行中的脉冲类似的脉冲长度。
47.此外可行的是，通过频率翻倍或者增为三倍获得在不同波长范围例如红外线(1064nm)，vis(532nm)或者uv(355nm)内的高能超短脉冲，从而用于丝化的基本条件中的一个，和因此丝化，即存在对于所使用的激光辐射透明的介质，不仅对于在光谱的光学范围中透明介质例如玻璃，而且对于在红外线中透明介质例如硅被满足。多级丝化的工艺因此也能够使用作为硅晶片的分离制备。
48.工件的表面轮廓的确定可以例如以穿越测量的形式进行，也就是说如下的测量，其中，测量头在工件的表面上、例如平行于两个正交空间方向运动。
49.在此，通过测量最大的、在每个测量位置存在的散射强度求取工件的两个表面的关于用于聚焦光学器件的预定的参考点的位置。
50.通过这样的方法能够以点云形式求取脆性材料的表面的实际形状。表面的实际的局部曲率可以通过工件表面的内插法与随后的微分来描述。在测量头和(一个或多个)工件表面之间的间距的变化表示与具有彼此面平行地取向的表面的平的工件的理想形状的形状偏差并且能用这种方法检测。
51.由求取得到的轮廓数据能够通过微分法也求取表面的局部的曲率，从而可以获得工件表面的模型。用于共焦间距测量的该程序例如在de10325942b4，de10317826b4以及de102006017400b4中说明。在ep2044387b1中说明了共焦传感技术在玻璃制造中的工业应用。
52.但是替代地，除了共焦间距测量，也可以使用其他用于轮廓检测的方法，例如激光
器三角测量法，光线截面法或者还有玻璃上的二维干涉测量方法。
53.对于成丝或者丝化的工艺，使用计算机辅助的工件表面的包括多个剖面点的表面模型和通过合适的聚焦光学器件，例如马达驱动的望远镜或者马达驱动的聚焦透镜，使焦点的位置变化，进而调整丝化在玻璃厚度的方向上的开始点或者产生的丝结构在玻璃厚度的方向上的位置。在工件表面局部弯曲的情况下，可以通过合适的措施在聚焦的光束路径中修正激光光束到工件上的射入角度。
54.在给定材料以及激光器和光学参数的情况下，丝结构的形状可重复定义，从而不仅丝的开始点的位置，而且其在玻璃厚度的方向上的位置能够限定地调整。尤其丝结构的终点的距离能够被调节。
55.如果工件的厚度这么大，使得不可能在单一激光处理步骤中产生单一的用于工件的随后分离的足够长度的丝，那么根据本发明的一个实施形式，在工件的不同高度段中产生丝。在此，彼此上下地产生的丝在射入的激光辐射的方向上精确地彼此上下布置，也就是说，它们空间的定位仅仅在工件中它们的高度方面不同，但是不是在横向方向上。
56.在本发明的另一实施形式中，首先产生靠近工件的背离用于产生激光辐射的装置的表面的丝。在此，在工件中从“下”到“上”的工序是必要的，以便一方面保证激光光束的可聚焦性以及另一方面保证内部损伤的可检测性。实际上，已经产生的丝，即呈材料变化形式的内部损伤，影响激光光束在丝“后面”的可聚焦性，即在背离激光器的侧上；光学测量仪器同样也可以仅仅探测丝的开始，但是经常不能穿过丝检测其他的散射中心。
57.优选首先产生的丝的开始点是后产生的丝的终点，从而作为结果获得尽可能连续的、长的丝。
58.在本发明的一个优选的实施形式中，丝这样构型，使得其穿过工件的整个厚度。
59.在本发明的另一实施形式中，丝构造为管状的空腔。在此，空腔特征在于，其长度大于其直径，其中，非传导性的材料的包围丝的区域至少在部分区域中具有比位于丝区之外的区域更大的密度。
60.在本发明的另一实施形式中，进行激光辐射与工件的非线性光学相互作用，其具有如下结果，在工件中实现完全的等离子体形成和/或等离子体爆炸，从而在等离子体形成实现之后在工件中存在空腔。
61.在本发明的一个实施形式中，聚焦装置或者光束成形器这样调整，使得在激光脉冲期间激光辐射以线聚焦的形式聚焦，其中，线聚焦特征在于高光线强度的通道，所述通道具有10mm或者更小的长度以及10μm或者更小的直径。
62.光束成形装置或者聚焦装置根据本发明的另一实施形式包括会聚透镜，优选具有增加的球面像差，和/或轴棱镜和/或光栅(由圆形同心线构成)，和/或衍射光学元件和/或计算机产生的全息图。
63.此外根据本发明的又一实施形式，激光光束可以由机器人借助于光纤和/或镜组合这样被引导，使得在考虑到步骤e)中求取得到的工件表面轮廓的情况下以75和105
°
之间的角度、优选以90
°
角度进而沿着表面法线方向提供到面向激光辐射的表面上。在此，术语表面法线向量与术语表面的法线向量或者表面的法线方向同义地使用。尤其关于激光辐射，术语表面法线方向应该是指到工件中的方向，即激光加工装置的光束路径的光线的扩展方向。
64.在本发明的另一实施形式中，在工件的表面轮廓的确定之后，创建其表面模型，所述表面模型优选包括多个剖面点。
65.在本发明的另一实施形式中，根据该模型沿着工件中分开线实现计算机辅助地控制丝开始点，所述分开线对应于工件中丝区的限定的走向线。
66.在实施根据本发明的用于丝化非传导性的工件的方法之后，工件通过由丝限定的分开线或者走向线分成不同的区域。该工件因此不被分开，而是仅仅在由丝限定的分开线上变弱。
67.在此，根据本发明的另一实施形式可行的是，在各个丝之间产生小的裂缝，或者例如通过随后的分开步骤或切割步骤特意导致小的裂缝。
68.在切割步骤的情况下，由于诱导的热机械应力，裂纹沿着朝该沿着分开线或者走向线延伸的预损伤线被引导。这例如可以通过用红外线激光器照射实现、例如co
2-激光器(具有或者没有随后的冷却)。
69.如果分开线是线性的或者弯曲的线，工件可以现在被分开。但是如果由丝限定的预损伤线作为闭合线存在，根据本发明的另一实施形式，然后进行另一分离步骤。
70.这样的分离可以例如通过将应力引入到工件中产生。优选应力的引入在此通过选择性加热而进行，使得仅仅由预损伤线定义的部分区域被加热，但是其他的部分区域保持低的温度，从而在这些区域之间这样产生机械应力，使得沿着分开线进行所述分离。
71.本发明的非传导性的工件优选由玻璃或者玻璃陶瓷制成。在本说明书的上下文中以及对于所附权利要求的含义而言，术语玻璃用作玻璃以及玻璃陶瓷的的通称，因为玻璃陶瓷也包含玻璃。优选玻璃为铝硅酸盐玻璃或者硼硅酸盐玻璃。
72.通过根据本发明的方法，获得非传导性的工件，所述工件优选具有在至少0.5mm以及最高20mm之间的厚度，并且此外该厚度在空间上变化和/或限定工件的边界面中的至少一个具有至少一个具有在0.1μm和10m之间的曲率半径的曲率，其中，此外工件的至少一个边沿具有1至5μm的粗糙度rms，其中，该粗糙度通过用原子力显微镜和/或白光线干涉仪的粗糙度测量确定，并且其中，在该区域中工件的材料在其特性方面至少部分地与工件的其余区域不同，例如在相含量、折射率和/或密度方面。
73.一种设备，其尤其用于实施所公开的用于丝化非传导性的工件的方法，以及优选用于制造非传导性的工件，优选地，其包括:
[0074]-光源，尤其激光光源，
[0075]-用于提供工件的装置，
[0076]-用于使光源的光束路径相对于工件相对运动的装置，
[0077]-用于控制光源的光束路径相对于工件的相对运动的装置，
[0078]-用于确定工件的表面轮廓和/或厚度和/或在工件中散射中心的装置，优选通过光学测量确定。
[0079]
特别优选，用于提供工件的装置包括可倾斜的工作台，所述可倾斜的工作台构造为能够优选在三个正交空间方向平移地(translatorisch)运动和优选能够围绕两个正交空间方向摆动。当可倾斜的工作台构造为能够相对地围绕空间上位置固定的点，优选围绕在可倾斜的工作台上提供的工件的剖面点摆动时，因此可以通过可倾斜的工作台的摆动在表面法线向量的方向上调整光源的光束路径的方向，尤其激光光源的主光束的方向。
[0080]
在一个优选的实施形式中，用于确定工件的表面轮廓和/或厚度和/或在工件中散射中心的装置优选包括能够相对于工件优选在两个正交空间方向平移地运动的测量头，所述测量头具有多光源和高度分散的光学器件，所述高度分散的光学器件聚焦光线，其中，不同波长以不同的焦距聚焦，并且用于确定工件的表面轮廓和/或厚度和/或在工件中散射中心的装置包括光谱仪，在所述光谱仪中被反射回的光线，尤其由工件1被反射回的光线，能够被光谱分析。
[0081]
优选，用于使光源的光束路径相对于工件相对运动的装置具有机器人手臂以及传送器(translatoren)，其用于使可倾斜的工作台在三个正交空间方向平移运动和用于使倾斜工作台围绕两个正交空间方向摆动。
附图说明
[0082]
下面根据优选实施形式并且参考附图详细地说明本发明，所述附图为了清楚起见和为了更好理解未按比例示出。
[0083]
其示出：
[0084]
图1是具有在工件的不同高度上的丝的工件的示意截面，
[0085]
图2是用于确定具有不具有面平行的表面的工件的表面轮廓的共焦测量原理的示意图，
[0086]
图3是在工件的不同深度产生丝的示意图，所述工件具有理想面平行的表面，
[0087]
图4是通过光学测量确定限定工件的表面以及散射中心在工件中的位置的示意图，
[0088]
图5和6是具有分别非面平行的表面的工件以及求取表面法线向量的示意图，
[0089]
图7是工件的示意俯视图，将丝区引入所述工件中，以及
[0090]
图8是通过根据本发明的方法沿着丝区分开的工件的示意俯视图，
[0091]
图9是在工件的不同深度产生丝的示意图，所述工件具有非理想面平行的表面，其中，使用机器人手臂，该机器人手臂具有布置在其中可运动的镜子以及沿着x和y方向横向可移动的可倾斜的工作台，所述可倾斜的工作台能够围绕x和y方向摆动地构造，
[0092]
图10是在工件的不同深度中产生丝的示意图，所述工件具有非理想面平行的表面，其中，使用机器人手臂，所述机器人手臂具有布置在其中的光导，
[0093]
图11是在工件的不同深度中产生丝的示意图，所述工件具有非理想面平行延伸的表面，其中，使用机器人手臂，所述机器人手臂具有用于引导光线的内镜化的壁。
具体实施方式
[0094]
在优选实施形式的下面的说明中，相同的或者功能相同的元件和特征用相同的附图标记标示。
[0095]
图1以示意性和非按比例的视图示出非传导性的工件1的截面。该工件1与理想的平面形状不同，两个限定其的表面11和12非理想的彼此平行地构造，而是相反导致工件1的厚度不规则地增大。
[0096]
此外，示出不同丝3的构造，为了更清晰，不是所有所述丝都设有自己的附图标记。
[0097]
因此，工件1的厚度(所述工件由彼此非面平行地布置的表面11和12限定)沿着工
件1的走向变化；此外表面11和12具有曲率。本发明的工件一般这样构造，使得限定其的表面的横向扩展比其厚度大至少一个数量级。
[0098]
一般而言，不限于所示的实施例，工件1可以这样构造，使得其特征在于下面特征中的至少一个:
[0099]-工件1的表面11和12彼此非面平行地构造，相反其导致工件的厚度在其横向延伸上变化。例如工件1可以作为片的形式，其中，在表面，例如表面1上，故意引入一种结构，以便优化工件1的反射特性，即例如金字塔结构。
[0100]
但是此外，工件1也可以呈简单的楔子的形式存在，或者
[0101]-表面11和12中的至少一个具有曲率，其中，该曲率特征在于这样的半径，所述半径在0.1μm至10m的范围中。也就是说，工件1与理想的片状的偏差，也可以是非常小的偏差，所述偏差例如在片中存在翘曲(弯曲)或者所谓的波纹或者细波纹。
[0102]
工件1的厚度在至少0.5mm至最高20mm范围中。在这样的厚度中，一般不可能的是，通过在工件的厚度上的仅仅一个丝3而在该同一个工件中引起对于以后的干净分离而言足够的预损伤。相反，在这样厚的工件中必须在工件的不同高度区域中前后相继地产生多个丝3。
[0103]
在本实施例中，首先产生一下排丝3，其中该下排丝靠近工件1的背离激光器的表面12布置。然后在第二步骤中，在工件1的更高的区域中产生其他的丝3，其中，这些丝3在空间上优选精确地在首先产生的丝3上方。
[0104]
图2示出用于求取工件1的表面轮廓的共焦测量原理的示意图，所述工件具有非面平行构造的表面11，12，其中，在这里构造的工件1中平面度的偏差仅仅非常小。该测量原理例如也在国际专利申请wo2008/009472a1中说明和如下解释:
[0105]
用于确定工件1的表面轮廓和/或厚度和/或在工件1中的散射中心的装置的测量头5包括多光源51，所述多光源例如可以构造成卤素灯或者二极管。为了光线的优选点状的焦点，光源51的光线首先通过光圈52并且随后射到高度分散的光学器件54上，所述光学器件使光线聚焦，其中，不同波长以不同的焦距聚焦。
[0106]
示例地示出三个不同波长λ1，λ2，λ3的光线的光锥。在此，具有波长λ1的光线已经在工件1前聚焦。具有波长λ2的光线的焦点在工件的表面11上，所述表面面向测量头以及激光器；具有波长λ3的光线的焦点在工件1的表面12上。波长λ2和λ3的光线在此部分地在表面11和12上向回反射到光学器件54中和通过半透明的镜子53聚焦到光谱仪55的进入光圈上和在光谱仪中被分析。具有在λ2和λ3之间波长的光线相反仅仅很小程度地反射回到光学器件中。示例的光谱56示出两个峰57和58，所述峰相应于两个波长λ2和λ3。
[0107]
两个峰之间的间距δλ是工件的厚度的量度和用于测量工件的厚度。光谱的间距δλ可以通过归一化转换成工件的厚度d。此外，也可以在连接到测量头5上的计算机69中存储表，所述计算机存储对于光谱的间距δλ的分别不同值的相应的厚度值。当使用具有不同的折射率的工件时，这样的表然后可以是有利的。在这样的情况下，对于相应的工件的材料在计算机69中可以存储自己的表。
[0108]
前面段落中描述的该装置因此构成用于确定工件1的表面轮廓和/或厚度和/或工件1中的散射中心的装置的光学测量系统并且在此包括相对于工件优选在两个正交的空间方向上可平移地运动的测量头5，其中，这些正交的空间方向沿着例如在图9，10和11中示出
的x和y方向延伸。
[0109]
测量头5在此包括，多光源51和高度分散的光学器件54，所述光学器件聚焦光线，其中，不同波长以不同的焦距聚焦，并且测量头包括光谱仪56，在所述光谱仪中，能够光谱分析向回散射的和/或反射的光线，优选由工件1向回散射和/或向回反射的光线。
[0110]
如果参考面34(工件1提供在所述参考面上)、参见例如图5和6、在光学测量系统的测量头5的测量区域中，所述测量头也称为共焦传感器，并且工件1的弯曲的表面12在所述参考面上，那么根据参考面34的材料特性显示三个峰，以及工件1的翘曲可以确定为在工件1的表面12上的点之间的最大高度差或者也相对于工件的表面11上的剖面点21的和所述参考面34的点之间的最大高度差。根据工件1的厚度波动，在此也可以获得表面11和表面12的局部翘曲的彼此不同的值。
[0111]
图3以示意图示出理想的非传导性的工件1，即非传导性的工件1，其中，两个表面11和12彼此面平行地构造。
[0112]
激光加工装置35在此仅仅示意地由高度分散的光学器件54、例如轴棱镜或者具有球面像差的聚光透镜，以及激光加工装置35的示出为点划线的光束路径64表示。
[0113]
在图3的左侧上，用相应的箭头旁边的字母x，y和z表示三个正交空间方向，所述三个正交空间方向构成笛卡尔坐标系并且在以下附图的描述中也将参考该所述三个正交空间方向。空间方向z在理想面平行成形的工件1中垂直于两个表面11，12延伸并且空间方向x和y平行于表面11，12延伸。
[0114]
在图3以及后面的附图中，空间方向y从视图的观察者向“后”延伸，即延伸到图3的视图中。
[0115]
在图3中仅仅示意示出的激光加工装置35和因此高度分散的光学器件54可以以驱动方式，例如在用字母x，y和z标示的双箭头的方向上进而沿着三个正交空间方向x，y和z平移地移动，如以下将参照图9还更详细描述。
[0116]
通过激光加工装置34在厚度d的工件1中可行的是，以简单的方式优选计算机辅助地在工件1的不同深度产生长度l的丝3。
[0117]
为了清楚起见，不是所有丝3都设有自己的附图标记。
[0118]
在图4中示出具有测量头5的光学测量系统，所述光学测量系统包括上述共焦测量系统，借助于所述光学测量系统，工件1的表面11，12在其彼此相对的位置方面、优选对于许多剖面点21能够被确定，所述剖面点布置在表面11上和参考图5和6还更详细描述。
[0119]
通过该具有测量头5的光学测量系统，可以确定散射中心的位置，所述散射中心例如在工件1内在丝3的终点处产生。这些散射中心也经常作为光谱56的图像中在两个峰57和58之间的也通常较低的峰59出现，所述两个峰对应于两个波长λ2和λ3，并且能够以这种方式通过其在光谱56的图像中的位置给出散射中心的深度，尤其在表面11的剖面点21之下的深度。
[0120]
例如以这种方式也可行的是，限定地在不同的深度产生丝，即例如产生从表面12到工件1的内部中的丝31，和产生连续地连接于其上的丝32以及又连续地连接于丝32上的丝33。
[0121]
此外一般，不限于这里示出的光学确定表面轮廓或者厚度的实施例，也可行的是，使用不同于光学测量方法的方法。
[0122]
例如也可以通过借助于机械扫描方法扫描表面11来实现确定表面轮廓。厚度或者表面轮廓也可以借助于电容测量或者通过用原子力显微镜扫描确定。
[0123]
作为其他光学测量方法，本身对于本领域专业技术人员而言已知的干涉测量也可以，例如呈光学相干断层扫描(oct)的形式。
[0124]
图5示意地示出工件1，其中，表面11，12彼此非面平行地构造。
[0125]
具有测量头5的共焦测量系统检测表面11上的多个剖面点21的位置，其中，为了清楚起见不是所有剖面点21都设有自己的附图标记。
[0126]
确定表面11上的多个剖面点21的位置之后，由此在计算机69中得出表面11的表面轮廓的图像。现在可以同样例如借助于计算机69由这些轮廓数据通过差异化或者求取局部的切线算出表面11在激光光束的射入位置上、例如在剖面点21的位置上的局部的曲率。
[0127]
与此相应地，求取表面法线向量63的方向，所述表面法线向量在图5中示出为对于切线60而言，所述切线延伸穿过剖面点21和在x方向上错开的剖面点21x。该切线60可以用于求取在x方向上的修正角62，其方式是，求取其相对于x方向的倾斜度。该切线60在剖面点21的位置上相对于x方向的倾斜度对应于法线向量63在x方向上(相对于z轴线)的倾斜度，并因此该倾斜角62精确对应于这样的角度，激光加工装置35的用于丝化的光束路径的主光束65必须在x方向上倾斜所述角度，以便垂直地射到表面11上。
[0128]
图6示出在y方向上与剖面点21错开的剖面点21y，借助于所述剖面点如上所述对于x方向，可以求取在y方向上的修正角。
[0129]
该修正角可以分配到每个剖面点21和分别包括如下角度，所述角度示出在y方向上表面法线向量63相对于z方向的倾斜度和在x方向上表面法线向量63相对于z方向的倾斜度。
[0130]
在计算机69中可以存储每个剖面点21的倾斜角并且随后在丝化中用于修正激光加工装置35的光束路径64的倾斜度。
[0131]
尤其通过这些修正角也可以保证，对于来自多个剖面点的每个剖面点21，在相应的法线向量63的方向上光束路径64垂直入射到表面11上，其方式是，光束路径64的主光束65倾斜该修正角以及入射到与这些修正角相关的相应剖面点21上。
[0132]
在本发明的公开的实施形式中典型采用的、剖面点21相对于剖面点21x和剖面点21y的间距为约3至5μm，所述间距同样相应于表面11上的多个剖面点21的光栅间距。
[0133]
通过计算上述的在原本的、即未修正的光束方向61和法线方向63之间的差，因此得出在x和y方向上的修正角，激光光束的垂直入射在观察的表面(这里表面11)的确定的位置上尤其如上述那样必须被修正所述修正角，以便确保激光光束对于每个剖面点21垂直入射到表面11上。
[0134]
如果激光加工装置的光束路径64的激光光束不仅仅包括平行延伸的光线，激光光束的激光传播的最高强度的方向也适合作为光束路径的方向，其通常对应于光束路径64的主光束并且在图3中具有附图标记65。
[0135]
在一个优选的实施形式中，工件1的在剖面点21的位置上的局部厚度也可以通过表面11上的剖面点21到表面12的间距，优选用测量头5确定，并且丝3可以根据该局部厚度引入工件1中。
[0136]
在另一优选的实施形式中，散射中心在工件1中的位置也可以在剖面点21的位置
上通过表面11上剖面点21至散射中心的间距，优选通过测量头5确定，并且丝3可以根据散射中心，尤其散射中心的位置引入工件1中。在此，散射中心不必位于每个剖面点之下，其可以从如下事实看出，在这种情况下对于该剖面点能够确定散射中心59没有其他更低的峰。
[0137]
图6示出工件1的另一视图，所述工件特征在于非面平行的表面11，12。所述工件在这里构造为弯曲的或者翘曲的片。
[0138]
优选如上所述求取两个表面11，12的轮廓数据，以便以这种方式获得工件1的表面轮廓的模型，所述模型以相应的剖面点21的相应的位置坐标保存在计算机69中，所述位置坐标分别与表面11和12相关。
[0139]
优选这通过沿着平行的测量路径的测量实现，所述测量路径优选沿着x和/或y方向紧邻地延伸，这允许计算在x和y方向上，即沿着扫描线和横向于扫描线的差或者微分法。
[0140]
在下一步中，借助于计算机69优选如上所述地实现确定相应的倾斜度，以便确定在相应的局部的表面法线向量方向上的修正的方向。
[0141]
借助于上述在法线向量和未修正的光束方向之间的差的计算，所述未修正的光束方向平行于z方向延伸的光束方向，该差对应于上述切线的倾斜度，获得与相应的剖面点21相关的局部的修正角并且如上所述存储在计算机69中。
[0142]
借助于相应的修正角，可以对于每个分别的局部剖面点21保证在剖面点21上激光光束垂直入射到分别观察的表面11，12上。
[0143]
在本发明的框架中，上述的修正角以及工件1的厚度也仅仅对于剖面点21确定，所述剖面点位于丝区的延伸线或走向线的限定的线上。
[0144]
图7示出待分离的工件1的示意图。丝3(不是所有的丝都设有自己的附图标记)位于丝区2中。丝区2表示线的走向，丝沿着所述线布置。
[0145]
区域14环绕该丝区，所述区域由于产生丝3在其特性方面至少部分地与工件1的其余区域13不同，所述其余区域不受形成丝3的影响或者被其改变。例如在区域14内材料的折射率相对于区域13可以变化，或者至少部分地导致密度或者相含量的变化。
[0146]
沿着丝区2工件1可以分离以获得两个新的工件。
[0147]
在图7中示出的轮廓例如是矩形。但是，边缘在此一般不构成理想的锐边，而是具有有限半径，所述半径可以例如在毫米范围内。
[0148]
此外通常，不限于所示的实施例，圆的或者椭圆的内轮廓以及具有倒圆的边缘的角形状也是可行的。
[0149]
尽管未示出，但是此外构造简单的直的或者弯曲的线同样是可行的，工件可以沿着所述线分开成两个部分。
[0150]
图8示出这样由工件1产生的新工件4的示意的、非按比例的视图。该工件4具有边沿41，所述边沿沿着原本的工件1的丝区2产生。相应地，边沿41特征在于，在该区域中工件4的材料在其特性方面至少部分地与工件4的其余的区域42不同，例如在相含量，折射率和/或密度方面。图9(下面参考所述图9)示出在工件1的不同的深度产生丝的示意图，所述工件具有非理想面平行的表面11，12。
[0151]
在图9中示出机器人手臂90，所述机器人手臂具有布置在其中的可运动的、尤其能选择性地倾斜的镜子80，81，所述镜子由计算机69控制以占据定义的倾斜位置并且由此控制激光加工装置的光束路径64的传播方向。对此，镜子80，81借助于连接线82与计算机69连
接。
[0152]
优选布置在机器人手臂90中或者与机器人手臂90固定连接地布置的激光器87同样由计算机69控制，用于输出限定的单脉冲或者连发脉冲(bursts)。
[0153]
同样通过连接线82，高度分散的光学器件54或者作为光束成形器的部件的轴棱镜与计算机69连接。为了聚焦激光，分散的光学器件54或者轴棱镜可以被控制以在纵向方向上移动，如通过双箭头所表示的。
[0154]
这允许限定的焦点在工件1内，优选在限定的剖面点21下方地以能够预定的深度在工件1中产生。
[0155]
因为机器人手臂90被构造成在三个空间方向x，y和z上能以受控的方式平移地运动并且也在至少两个空间方向上能以受控的方式摆动，由此不仅仅焦点的精确的位置，而且光束路径的方向进而激光加工装置的主光束65的方向可以以限定的方式调整。
[0156]
通过使用上述的方法，在此，主光束65可以调整为垂直地射入表面11的相应的剖面点21处的表面上。
[0157]
此外，通过镜子80定义的倾斜也可以调整如下位置，在所述位置上主光束65射到高度分散的光学器件54上。如果主光束65不射入到光学器件54的中心中，而是相对于中心侧向偏移，由此同样可以影响主光束65的方向，主光束在所述方向上从光学器件54射出。在此，分散的光学器件54可以为了小的倾斜度保持静止并且光束的焦点以及因此主光束65的方向通过在侧面使用透镜被倾斜。典型地，能够以这种的方式产生高达大约3.6
°
的倾斜角。
[0158]
此外，图9示出可倾斜的工作台91，所述可倾斜的工作台可以沿着x和y方向横向地移动以及可以构造成围绕x和y方向摆动。
[0159]
为了使可倾斜的工作台91的上部分92相对于其下部分93在x方向上平移地移动，设置传送器94，所述传送器同样通过连接线82与计算机69连接。
[0160]
图9中未示出的其他的传送器以相同的方式产生上部分92相对于下部分93在y方向上的平移移动。
[0161]
可倾斜的工作台可以通过同样通过连接线82由计算机69控制的传送器95，96和97不仅仅在其位置中关于z方向移动，而且可以以限定的方式倾斜。为此，传送器97相对于传送器95和96在y方向上错开地安装在可倾斜的工作台1上，由此，得到三点支承，所述三点支承不仅能够实现可倾斜的工作台在z方向上的定义的移动，而且也能实现可倾斜的工作台围绕y轴线和x轴线的定义的摆动。
[0162]
尤其由此也可行的是，对分散光学器件的运动代替地或者附加地，使可倾斜的工作台运动，以便在工件1中产生丝3。
[0163]
因此在该优选的实施方式中，为了沿着走向线的限定的走向产生激光光束的射入点，能够使激光光束尤其以其主光束65运动和/或使工件1运动。
[0164]
在一个特别优选的实施方式中，在此可倾斜的工作台1被构造成围绕空间中的固定点，优选围绕在可倾斜的工作台上提供的工件1的剖面点21可摆动并且可以以这种方式独立地提供用于沿着丝区2产生丝3所有需要的运动过程。
[0165]
图10示出激光加工装置35的机器人手臂90的另一实施形式，所述实施形式与图9中示出的机器人手臂90的实施形式的不同仅仅在于，代替用于引导激光器87的光线的镜子80和81，使用光导88，例如呈光子晶体光纤形式(即微结构空芯纤维)的光导，所述光导适合
于能持久地运行，尤其对于所使用的超短脉冲激光器87的光线，并且将该光线引导到高度分散的光学器件54或者轴棱镜中。
[0166]
图11高度示意地示出激光加工装置35的机器人手臂90的又一实施形式，所述实施形式与图9中示出的机器人手臂90的实施形式的不同仅仅在于，代替用于引导激光器87的光线的镜子80和81，使用内部镜化的机器人手臂35，所述机器人手臂尤其适合于能持久地运行，尤其对于所使用的超短脉冲激光器87的光线，并且通过仅仅在图9中高度简化示出的在其内侧89上的向回反射而将该光线引导到高度分散的光学器件54或者轴棱镜中。
[0167]
上述的装置，尤其用于实施上述的方法的装置，以及优选用于制造非传导性的工件及用于其分开的装置，因此分别包括：
[0168]
光源，尤其激光光源87，
[0169]
用于提供工件1的装置，例如例如可倾斜的工作台91的形式，以及用于使光源87的光束路径64相对于工件1相对运动的装置，所述装置包括上述的传送器94，95，96和图9中未示出的、用于使可倾斜的工作台91的上部分92在y方向上运动的传送器，以及机器人手臂90，
[0170]
用于控制光源的光束路径64相对于工件1的相对运动的装置，所述装置以计算机69的形式提供，以及
[0171]
用于确定(优选通过光学测量)工件1的表面轮廓和/或厚度和/或在工件1中的散射中心的装置，所述装置包括可平移地运动的测量头5作为共焦光学传感器。在所有上述的计算机辅助的过程中，可以使用该计算机69或者使用多个优选一起工作的计算机。
[0172]
同样在本发明的框架中，不是所有的方法步骤都如上所述地前后相继实施，而是也可以通过共焦光学测量或者通过激光三角测量、光线截面法或者平面干涉测量方法首先独立地实施确定表面轮廓、厚度或者散射中心，并且接下来在之后的时间点才基于求得的数据下面实施丝化。
[0173]
附图标记列表
[0174]
1工件
[0175]
11工件的面向激光器的表面
[0176]
12工件的背离激光器的表面
[0177]
13工件的在丝区外的区域
[0178]
14工件的在丝区内的区域
[0179]
2丝区
[0180]
3丝
[0181]
4由于丝化产生的工件
[0182]
5测量头
[0183]
21剖面点
[0184]
31在工件的不同深度的丝
[0185]
32在工件的不同深度的丝
[0186]
33在工件的不同深度的丝
[0187]
34参考面，在所述参考面上提供工件1
[0188]
35激光加工装置
[0189]
41由于丝化产生的边沿
[0190]
42工件的在边沿区域外的区域
[0191]
51多光源
[0192]
52光圈
[0193]
53半透明镜子
[0194]
54高度分散的光学器件或者作为光束成形器的一部分的轴棱镜
[0195]
55光谱仪
[0196]
56光谱
[0197]
57峰
[0198]
58峰
[0199]
59散射中心的较低的峰
[0200]
60到工件表面上的切线
[0201]
61未修正的光束方向
[0202]
62修正角
[0203]
63表面法线向量的方向
[0204]
64激光加工装置的光束路径
[0205]
65激光加工装置的光束路径的主光束
[0206]
69计算机
[0207]
80能选择性倾斜的镜子
[0208]
81能选择性倾斜的镜子
[0209]
82连接线
[0210]
87激光器
[0211]
88光导
[0212]
89机器人手臂90的内侧
[0213]
90机器人手臂
[0214]
91可倾斜的工作台
[0215]
92可倾斜的工作台的上部分
[0216]
93可倾斜的工作台的下部分
[0217]
94传送器
[0218]
95传送器
[0219]
96传送器
[0220]
l丝的长度
[0221]
d工件厚度
[0222]
x，y，z空间方向

技术特征：

1.一种用于丝化非传导性工件的方法，该工件具有在空间上变化的厚度和/或具有边界面，该边界面具有半径在0.1μm和10m之间的曲率，该方法包括以下步骤：提供所述非传导性工件；预定义所述工件中的丝区的走向线；提供具有激光的激光加工装置，所述激光构造为短脉冲或者超短脉冲激光，并且发出波长在所述工件的透明范围中的激光辐射；确定所述工件的特征,所述特征选自由厚度、表面轮廓、散射中心及其组合组成的组；使激光辐射以作为单脉冲的激光脉冲的形式或者以连发脉冲的形式作用到所述工件上，使得所述激光脉冲在所述工件中产生丝；沿着所述走向线，使所述激光辐射与所述工件相对于彼此运动；以及重复作用和运动步骤，使得在所述丝区中产生具有定义的开始点和终点的丝，在所述丝的终点处确定散射中心的位置：在所述工件的不同高度段中产生丝，使得所述丝在激光辐射的方向上彼此上下布置，并且其中，所述确定步骤包括计算出在激光光束的射入点处的局部的曲率或者局部的切线，并且基于此确定表面法线向量的方向。2.根据权利要求1中所述的方法，其中所述工件的厚度在0.5mm与20mm之间。3.根据权利要求1中所述的方法，其中所述确定步骤包括使用选自由共焦光学测量、激光三角测量、光线截面方法、光学相干断层扫描和平面干涉测量方法组成的组中的技术来确定所述表面轮廓。4.根据权利要求1中所述的方法，其中所述运动步骤包括使所述激光光束的射入点运动和/或使所述工件运动。5.根据权利要求1中所述的方法，其中首先产生更靠近所述工件的背离所述激光辐射的所述边界面的丝。6.一种用于丝化非传导性工件的方法，该工件具有在空间上变化的厚度和/或具有边界面，该边界面具有半径在0.1μm和10m之间的曲率，该方法包括以下步骤：提供所述非传导性工件；预定义所述工件中的丝区的走向线；提供具有激光的激光加工装置，所述激光构造为短脉冲或者超短脉冲激光，并且发出波长在所述工件的透明范围中的激光辐射；确定所述工件的特征,所述特征是散射中心；使激光辐射以作为单脉冲的激光脉冲的形式或者以连发脉冲的形式作用到所述工件上，使得所述激光脉冲在所述工件中产生丝；沿着所述走向线，使所述激光辐射与所述工件相对于彼此运动；以及重复作用和运动步骤，使得在所述丝区中产生具有定义的开始点和终点的丝，其中关于相对于所述特征的位置和取向来定义每个开始点，其中在所述工件的不同高度段中产生丝，使得所述丝在激光辐射的方向上彼此上下布置，并且其中首先产生的丝的一个开始点是后产生的丝的一个终点。
7.根据权利要求1中所述的方法，还包括重复作用和运动步骤，使得所述丝从一个边界面延伸到对置的一个边界面，以便穿透所述工件以及制造带有孔的表面。8.根据权利要求1中所述的方法，其中所述丝形成为管状空腔，使得所述管状空腔的长度大于所述管状空腔的直径，并且其中所述工件在所述丝区中的、包围所述丝的区域具有比位于所述丝区之外的区域更大的密度。9.根据权利要求1中所述的方法，其中所述作用步骤包括在所述工件中由所述工件中的完全的等离子体的形成和/或等离子体爆炸形成空腔。10.根据权利要求1中所述的方法，还包括调整所述激光光束的形状，使得在所述激光脉冲期间所述激光辐射以线聚焦的形式被聚焦，其中所述线聚焦的特征在于高光线强度的通道，所述通道具有10mm或者更小的长度以及10μm或者更小的直径。11.根据权利要求10中所述的方法，其中所述调整步骤包括使用会聚透镜和/或轴棱镜和/或衍射光学元件和/或由圆形同心线构成的衍射光栅和/或计算机产生的全息图来调整所述形状。12.根据权利要求1中所述的方法，其中所述运动步骤包括由机器人借助于光纤和/或镜子来引导所述激光光束，使得在考虑所述工件的所述表面轮廓的情况下，以75与105
°
之间的角度将所述激光光束引导到面向所述激光辐射的一个边界面上，从而所述激光辐射沿着表面法线的方向。13.根据权利要求1中所述的方法，还包括根据所述工件的所述表面轮廓来获得所述工件的表面模型。14.根据权利要求1中所述的方法，其中在完成所述重复步骤之后，所述工件沿着所述丝区变弱。15.根据权利要求1中所述的方法，还包括在所述丝之间产生裂缝。16.根据权利要求15中所述的方法，其中所述产生步骤包括沿着所述丝区诱导热机械应力。17.根据权利要求1中所述的方法，其中所述工件是玻璃。18.根据权利要求1中所述的方法，还包括确定所述工件的顶表面相对于底表面的相对位置，来确定厚度、曲率或者散射中心。19.根据权利要求1中所述的方法，其中确定在所述丝的终点处的所述散射中心的位置包括确定作为对应于波长的峰之间的光谱的图像中的较低的峰的所述丝的终点处的所述散射中心的位置的每个位置。

技术总结

本发明涉及一种用于丝化非传导性的工件(1)的方法和装置，其中，所述工件具有在0.5mm和20mm之间的厚度并且此外该厚度在空间上变化和/或限定所述工件的边界面(11、12)中的至少一个具有曲率半径在0.1μm至10m之间的至少一个曲率，以及此外涉及一种具有特别构造的边沿(41)的非传导性的工件(1)。沿(41)的非传导性的工件(1)。沿(41)的非传导性的工件(1)。