CN103869474A - 光束产生装置 - Google Patents

Abstract

一种光束产生装置，包括激光光源、散斑抑制模块、光均匀化模块以及驱动单元。激光光源输出激光束。散斑抑制模块包括第一柱状透镜、扩散器以及第二柱状透镜，其中扩散器位于激光束在第一柱状透镜与第二柱状透镜之间的传递路径上。光均匀化模块配置于来自第二柱状透镜的激光束的传递路径上。驱动单元驱使扩散器相对激光束运动，以使从第二柱状透镜出射的激光束在第一方向上的光束参数乘积比值相对于在第二方向上的光束参数乘积比值的比值大于2，其中第一方向实际上垂直于第二方向。

Description

光束产生装置

技术领域

本发明是有关于一种光束产生装置。

背景技术

激光束具有良好的准直性、高的功率以及光强度，因此激光束产生装置在现代工业上有着很广泛的应用，例如实验室用的高准直光源、汇报时所用的激光笔、读取或刻录光盘时所采用的激光光源、激光鼠标所采用的激光光源、各种测量仪器的激光光源、显示领域的激光光源、光纤通信中的激光源、甚至是生物医学领域的仪器的激光光源等。

由于激光光源所发出的激光束具有高同调性，因此当激光束照射不平滑的物体表面(例如透镜、反射器等)时，来自物体表面的激光束产生干涉(interference)，而在被照射面上产生散斑(speckle)。散斑是一种不规则的噪声状图案(例如是不规则的亮暗杂点)，其会导致被照射面上的照度不均匀，造成应用此激光光源的装置的光学质量下降。

发明内容

本发明的一实施例提供了一种光束产生装置，包括激光光源、散斑抑制模块、光均匀化模块以及驱动单元。激光光源输出激光束。散斑抑制模块包括第一柱状透镜、扩散器以及第二柱状透镜。第一柱状透镜配置于激光束的传递路径上。扩散器配置于来自第一柱状透镜的激光束的传递路径上。第二柱状透镜配置于来自扩散器的激光束的传递路径上。光均匀化模块配置于来自第二柱状透镜的激光束的传递路径上。驱动单元驱使扩散器相对激光束运动，以使从第二柱状透镜出射的激光束在第一方向上的光束参数乘积比值相对于在第二方向上的光束参数乘积比值的比值大于2，其中第一方向实际上垂直于第二方向。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明一实施例的光束产生装置的上视示意图。

图1B为图1A的光束产生装置的侧面示意图。

图2A为图1A中散斑抑制模块的放大示意图。

图2B为图1B中散斑抑制模块的放大示意图。

图3A绘示图2A及图2B的扩散器的上视示意图。

图3B及图3C绘示扩散器的微结构的其他实施形式。

图4A及图4B为扩散器在未相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的激光束强度-与激光束中心轴的位置的曲线。

图5为扩散器相对激光束运动下，在第一方向上的激光束强度-与激光束中心轴的位置的曲线。

图6A及图6B绘示扩散器在未相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的线型光斑强度-与线型光斑中心轴的位置的曲线。

图7A及图7B绘示扩散器在相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的线型光斑强度-与线型光斑中心轴的位置的曲线。

【主要元件符号说明】

100：光束产生装置；

110：激光光源；

120：散斑抑制模块；

122：第一柱状透镜；

124：扩散器；

124a、124b、124c：微结构；

126：第二柱状透镜；

130：光均匀化模块；

132：第一柱状透镜阵列；

132a：第一微柱状透镜；

134：第二柱状透镜阵列；

134a：第二微柱状透镜；

140：驱动单元；

150：扩束单元；

160：聚光透镜；

170：第三柱状透镜；

180：被照射物；

190：控制单元；

10：线型光斑；

A：光束腰；

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、B9：激光束；

d：距离；

p：节距；

O：中心轴；

D：作用宽度；

L：长轴长度；

W：短轴长度；

X：第一方向；

Y：第二方向。

具体实施方式

图1A为本发明一实施例的光束产生装置的上视示意图。图1B为图1A的光束产生装置的侧面示意图。请参照图1A及图1B，本实施例的光束产生装置100包括激光光源110、散斑抑制模块120、光均匀化模块130以及驱动单元140。激光光源110输出激光束B1。在本实施例中，激光束B1例如是脉冲激光束。

本实施例的光束产生装置100还可包括扩束单元150配置于激光束B1的传递路径上，且位于激光光源110与散斑抑制模块120之间，其中通过扩束单元150后的激光束B2的直径例如是在10至20毫米之间。此外，本实施例的激光束B1的波长例如是落在100纳米至1000微米的范围内。然而，本实施例不用以限定激光束B1的波长范围或是激光束B2的直径范围。

散斑抑制模块120主要功能是将入射的激光束B2进行能量的重新分布。散斑抑制模块120包括第一柱状透镜122、扩散器124以及第二柱状透镜126。第一柱状透镜122配置于激光束B2的传递路径上，激光束B2经过第一柱状透镜122后，形成激光束B3。扩散器124配置于来自第一柱状透镜122的激光束B3的传递路径上，激光束B3经过扩散器124后，形成激光束B4。第二柱状透镜126配置于来自扩散器124的激光束B4的传递路径上，激光束B4经过第二柱状透镜126后，形成激光束B5。

光均匀化模块130配置于来自第二柱状透镜126的激光束B5的传递路径上。驱动单元140耦接至扩散器124，并驱使扩散器124相对激光束B3运动，以调变从第二柱状透镜126出射的激光束B5在不同方向上的光束参数乘积比值(M square，M²)。在本实施例中，驱动单元140为致动器，例如为马达或其他适当的致动器，其可驱使扩散器124运动。

所述光束参数乘积比值是指：实际的激光束的光束参数乘积(BeamParameter Product，BPP)与在相同波长下的理想的高斯光束(ideal Gaussianbeam)的光束参数乘积的比值。光束参数乘积比值(M²)的定义如下：

$M^2=\frac{2W_m\·2{\mathrm{\θ}}_m}{4\mathrm{\λ}/\mathrm{\π}}$

其中W_m为激光束的光束腰(指激光束的最窄处)的半径，而θ_m为激光束的发散角(半角)。理想的高斯光束的光束参数乘积比值为1。也就是，当一激光光源的光束参数乘积比值(M²)越接近1时，则代表实际的激光束的能量分布越接近理想的高斯光束的能量分布。换句话说，此时的激光束具有良好的质量以及高同调性。

以下将以图2A及图2B做进一步的说明。图2A为图1A中散斑抑制模块120的放大示意图，而图2B为图1B中散斑抑制模块120的放大示意图。请同时参照图2A及图2B，第一柱状透镜122的曲面以及第二柱状透镜126的曲面在第一方向X上不弯曲(绘示于图2A)，且在第二方向Y上弯曲(绘示于图2B)。在本实施例中，第一方向X例如是实际上垂直于第二方向Y。

此外，本实施例的第一柱状透镜122的曲面例如是朝向该激光光源110(绘示于图1B)，且第二柱状透镜126的曲面例如是朝向光均匀化模块130(绘示于图1B)。进一步来说，第一柱状透镜122的曲面与第二柱状透镜126的曲面在第二方向Y上系为对称设置，但并不以此为限。

请参照图2B，通过第一柱状透镜122的激光束B3在第一柱状透镜122与第二柱状透镜126之间具有光束腰A(即激光束B3的最窄处)，且在本实施例中，扩散器124位于光束腰A与第二柱状透镜126之间。此外，在光束腰A处的激光束B3的截面为线型截面，且此线型截面沿着第一方向X延伸。

详细来讲，扩散器124例如是具有面向第一柱状透镜122的多个微结构124a，且这些微结构124a的顶部与光束腰A相隔距离d。图3A绘示图2A及图2B的扩散器124的上视示意图。请参照图3A，本实施例的扩散器的微结构124a例如是呈周期性排列的一维结构，其中微结构124a例如是沿第二方向Y延伸，且沿第一方向X排列。当然，本发明的微结构124a的实施形式并不限于此。图3B及图3C绘示扩散器的微结构的其他实施形式。请参照图3B，扩散器的微结构124b也可以是呈周期性排列的二维结构，其中微结构124b例如是阵列分布。图3C为扩散器的侧视示意图。请参照图3C，扩散器的微结构124c还可以是呈不规则排列的二维结构。或者，图3A中的微结构124a与图3B中的微结构124b也可以是呈现随机排列。

在本实施例中，通过散斑抑制模块120的扩散器124相对激光束B3运动，可调变从第二柱状透镜126出射的激光束B5在不同方向上的光束参数乘积比值。借此改善散斑现象，而具有亮度均匀的线型光斑10。以下将以图1B及图2B进行更详细的说明。

请参照图1B及图2B，驱动单元140驱使扩散器124相对激光束B3运动。具体而言，扩散器124可以是旋转或是来回平移振动。在本实施例中，使用如图3A所示的扩散器124，且扩散器124例如是沿第一方向X来回平移振动，但本发明不限于此。在另一实施例中，扩散器124也可以是沿其他方向来回平移振动或旋转。举例而言，使用如图3B的扩散器124，扩散器124可以是以一旋转轴(未绘示)为轴来旋转，而此旋转轴例如是平行于激光束B3的中心轴O。另外，使用如图3C所示的扩散器124，扩散器124沿第一方向X来回平移振动也可达到与上述实施例相似的效果。又或者，扩散器124可以在光束腰A与第二柱状透镜126之间沿激光束B3的传递方向来回前后振动。此外，图3C中的扩散器124还可以是以一旋转轴(未绘示)为轴来旋转，而此旋转轴例如是平行于激光束B3的中心轴O。

在本实施例中，在作用时间t内激光束B3的中心轴O扫过的微结构124a的数量为M，且扩散器124的平均运动速率v如下式所示：

$v=\frac{M\×p}{t}$

扩散器124的平均运动速率v正比于数量M与节距p的乘积除以作用时间t。在本实施例中，激光束B3的脉冲重复频率与扩散器124被激光束B3照射处的平均运动速率的比值例如是小于或等于500。详细来讲，本实施例的光束产生装置100还可包括控制单元190电性连接至激光光源110与驱动单元140，以使激光束B3的脉冲重复频率与扩散器124被激光束B3照射处的平均运动速率相搭配。如此，可确保每一个脉冲皆与扩散器124充分作用，而得以调变从第二柱状透镜126出射的激光束B5在不同方向上的光束参数乘积比值。在另一实施例中，激光光源110也可以是连续波式(continuous wave)的激光光源。如此，则没有激光束B3的脉冲重复频率与扩散器124被激光束B3照射处的平均运动速率相搭配的问题。

进一步而言，本实施例从第二柱状透镜126出射的激光束B5在第一方向X上的光束参数乘积比值M_x ²相对于在第二方向Y上的光束参数乘积比值M_y ²的比值M_x ²/M_y ²例如是大于2。举例而言，本实施例的激光束B5在第一方向X上的光束参数乘积比值M_x ²例如是大于10，且激光束B5在第二方向Y上的光束参数乘积比值M_y ²例如是小于2。

图4A及图4B为扩散器在未相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的激光束强度相对于激光束中心轴的位置的曲线。图5为扩散器相对激光束运动下，在第一方向上的激光束强度相对于激光束中心轴的位置的曲线。

请参照图4A及图4B，在扩散器未相对激光束运动下，激光束在第一方向上的光束参数乘积比值相似于激光束在第二方向上的光束参数乘积比值。也就是，激光束在第一方向上以及在第二方向上具有相似的光强度相对于位置关系，且此光强度相对于位置关系例如接近于高斯分布。

请参照图5，在扩散器相对激光束运动下，激光束在第一方向上的光束参数乘积比值有了改变。特别是图5的激光束的光强度在大于50％时，比图4A的激光束的光强度相对于位置的波峰平坦，且图5的激光束的光强度半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)也比图4A的激光束的光强度半高宽来的大。此外，在第二方向上，扩散器相对激光束运动的情形下，仍旧能维持接近于如图4B的高斯分布。换句话说，本实施例可通过扩散器相对激光束运动来改变激光束在第一方向上的光束参数乘积比值，借此使通过散斑抑制模块的激光束在第一方向上的光强度分布更为均匀。

请再次参照图1A及图1B，本实施例的激光束B2在经过散斑抑制模块120后所产生的激光束B5，其均匀度U例如是如下式所示：

$U=k_1\underset{\mathrm{pulse}=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{\mathrm{pulse}}\·v$

其中，k₁为比例常数，N为脉冲的数量。激光束B5的均匀度U正比于激光束B3照射在扩散器124上之作用宽度D与扩散器124的平均运动速率v的乘积。也就是说，通过适量地增加扩散器124的平均运动速率v或是增加激光束B3照射在扩散器124上的作用宽度D，本实施例的激光束B5的均匀度U可得以提升，进而使线型光斑10的散斑现象获得改善。

光均匀化模块130主要将入射的激光束B5改变形状为线型。本实施例的光均匀化模块130包括第一柱状透镜阵列132以及第二柱状透镜阵列134。第一柱状透镜阵列132配置于来自第二柱状透镜126的激光束B5的传递路径上，激光束B5经过第一柱状透镜阵列132后，形成激光束B6。第二柱状透镜阵列134配置于来自第一柱状透镜阵列132的激光束B6的传递路径上。

详细来讲，第一柱状透镜阵列132包括多个第一微柱状透镜132a，每一第一微柱状透镜132a沿着第二方向Y延伸，且这些第一微柱状透镜132a沿着第一方向X排列。第二柱状透镜阵列134包括多个第二微柱状透镜134a，每一第二微柱状透镜134a沿着第二方向Y延伸，且这些第二微柱状透镜134a沿着第一方向X排列。在本实施例中，第一微柱状透镜132a的曲面以及第二微柱状透镜134a的曲面例如是朝向散斑抑制模块120。

另外，本实施例的光束产生装置100还可包括聚光透镜160以及第三柱状透镜170。聚光透镜160配置于来自光均匀化模块130的激光束B7的传递路径上，且位于光均匀化模块130与第三柱状透镜170之间。在本实施例中，聚光透镜160可以是柱状透镜。此外，聚光透镜160的曲面在第一方向X上弯曲(请参照图1A)，且在第二方向Y上不弯曲(请参照图1B)。第三柱状透镜170配置于来自聚光透镜160的激光束B8的传递路径上。在本实施例中，第三柱状透镜170的曲面在第一方向X上不弯曲(请参照图1A)，且在第二方向Y上弯曲(请参照图1B)。在本实施例中，聚光透镜160用以将激光束B7在第一方向X迭加为长轴L的光斑，第三柱状透镜170用以将激光束B8在第二方向Y上缩小为短轴W的光斑。

此外，在本实施例中，第三柱状透镜170的曲面朝向散斑抑制模块120。然而，在其他实施例中，第三柱状透镜170的曲面也可以是背对散斑抑制模块120。第三柱状透镜170汇聚来自聚光透镜160的激光束B8，以输出激光束B9，并于被照射物180(或是欲加工的对象)上形成线型光斑10。换句话说，光束产生装置100例如为线型光束产生装置100。

激光束B5入射于光均匀化模块130、聚光透镜160以及第三柱状透镜170，藉以进一步提升其均匀度或改变长短轴的比值L/W，以产生线型光斑10。其中，线型光斑10的长轴长度为L，且线型光斑10的短轴长度为W，其中L/W满足下式：

L/W＝k₂p/d

其中，k₂为比例常数。L/W正比于p/d。换句话说，线型光斑10的长短轴的比值L/W会随着增加这些微结构124a的节距p或是缩减这些微结构124a的顶部与光束腰A相隔的距离d而增加。当线型光斑10的长短轴的比值L/W增加时，例如是线型光斑10的长轴长度L不变，而线型光斑10的短轴长度W减少。如此，可提升线型光斑10单位面积下的能量。又或者，当线型光斑10的长短轴的比值L/W增加时，例如是在线型光斑10的短轴长度W不变下，长轴长度L增加。如此，可提升线型光斑10的照射长度，进而增加光束产生装置100的应用范畴。

举例而言，光束产生装置100可应用于铟锡氧化物的改质。目前市售的电容式触控面板的感测电极的材料多是以铟锡氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)为主，其中铟锡氧化物的耐久性、耐候性以及阻值的稳定性会影响电容式触控面板的质量甚巨。由于结晶型的铟锡氧化物具有良好的耐久性、耐候性以及阻值的稳定性，因此一般工业及计算机或较高阶的电子产品会选用结晶型的铟锡氧化物作为感测电极的材料。然而，全结晶的铟锡氧化物薄膜价格相对昂贵，因此若直接购置全结晶的铟锡氧化物薄膜来制作感测电极会增加制作触控面板的成本，而不利于商业上的竞争。

利用本实施例的光束产生装置100所产生的线型光斑10照射非结晶的铟锡氧化物，可将非结晶的铟锡氧化物结晶化(crystallize)。如此，除了可提升触控面板的耐久性，也可避免购置全结晶的铟锡氧化物薄膜而造成制作触控面板的成本的增加。此外，通过调变微结构124a的节距p或是缩减微结构124a的顶部与光束腰相隔的距离d，本实施例的线型光斑10在单位面积下可具有相对高的能量或是具有相对长的照射长度。因此，应用本实施例的光束产生装置100所产生的线型光斑10来晶化铟锡氧化物薄膜，可提升铟锡氧化物薄膜单位面积下的晶化程度，或者是可提升单位时间下铟锡氧化物薄膜的晶化面积。当利用光束产生装置100所产生的线型光斑10来对铟锡氧化物薄膜进行改良时，线型光斑10的长轴长度L可以是大于或等于铟锡氧化物薄膜的宽度，且铟锡氧化物薄膜可以沿着实际上垂直于线型光斑10的长轴的方向移动而通过线型光斑10。当铟锡氧化物薄膜通过线型光斑10且经冷却后，即可完成改质。

另外，本实施例通过适量地增加扩散器124的平均运动速率或是增加激光束B3照射在扩散器124上的作用宽度D，可使光束产生装置100所产生的线型光斑10的散斑现象获得改善，进而使线型光斑10的亮度更为均匀。因此，应用本实施例的光束产生装置100所产生的线型光斑10来晶化铟锡氧化物薄膜，可使得铟锡氧化物薄膜被结晶化地更为均匀，进而可提升触控面板总体的稳定性。

图6A及图6B绘示扩散器在未相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的线型光斑的强度相对于线型光斑中心轴上的位置的曲线。图7A及图7B绘示扩散器在相对激光束运动下，在第一方向上及第二方向上的线型光斑的强度相对于线型光斑中心轴上的位置的曲线。

从图6A及图6B可知，扩散器在未相对激光束运动下，呈现于被照射物上的线型光斑在第一方向上以及第二方向上的强度是杂乱的。也就是，图6A及图6B实施例的线型光斑受到散斑现象的干扰而导致呈现于屏幕上的影像画面的亮度不均。相较之下，如图7A及图7B所示，扩散器在相对激光束运动下，在第一方向上的线型光斑强度较为均匀，且在第二方向上的线型光斑强度较为集中。也就是说，通过散斑抑制模块的扩散器相对激光束运动，可调变从第二柱状透镜出射的激光束在不同方向上的光束参数乘积比值。借此改善线型光斑的散斑现象，而形成亮度均匀的线型光斑。

综上所述，本发明的实施例将散斑抑制模块配置于激光光源与光均匀化模块之间，并使散斑抑制模块的扩散器相对激光束运动，借此提升在第一方向上的光束参数乘积比值相对于在第二方向上的光束参数乘积比值的比值。如此，可使散斑现象获得改善，进而使光束产生装置所产生的线型光斑的强度较为均匀。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作部分的更改与修饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种光束产生装置，其特征在于，包括：

激光光源，输出激光束；

散斑抑制模块，包括：

第一柱状透镜，配置于该激光束的传递路径上；

扩散器，配置于来自该第一柱状透镜的该激光束的传递路径上；以及

第二柱状透镜，配置于来自该扩散器的该激光束的传递路径上；

光均匀化模块，配置于来自该第二柱状透镜的该激光束的传递路径上；以及

驱动单元，驱使该扩散器相对该激光束运动，以使从该第二柱状透镜出射的该激光束在第一方向上的光束参数乘积比值相对于在第二方向上的光束参数乘积比值的比值大于2，其中该第一方向垂直于该第二方向。

2.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该第一柱状透镜的曲面以及该第二柱状透镜的曲面在该第一方向上不弯曲，且在该第二方向上弯曲。

3.根据权利要求2所述的光束产生装置，其特征在于，该第一柱状透镜的曲面朝向该激光光源，且该第二柱状透镜的曲面朝向该光均匀化模块。

4.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该激光束为一脉冲激光束，且该激光束的脉冲重复频率与该扩散器被该激光束照射处的平均运动速率的比值小于或等于500。

5.根据权利要求4所述的光束产生装置，其特征在于，还包括控制单元，电性连接至该激光光源与该驱动单元。

6.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该激光束的波长是落在100纳米至1000微米的范围内。

7.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该驱动单元驱使该扩散器旋转。

8.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该驱动单元驱使该扩散器来回平移振动。

9.根据权利要求8所述的光束产生装置，其特征在于，该扩散器沿该第一方向来回平移振动。

10.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该光均匀化模块包括：

第一柱状透镜阵列，配置于来自该第二柱状透镜的该激光束的传递路径上；

第二柱状透镜阵列，配置于来自该第一柱状透镜阵列的该激光束的传递路径上。

11.根据权利要求10所述的光束产生装置，其特征在于，该第一柱状透镜阵列包括多个第一微柱状透镜，每一该第一微柱状透镜沿着该第二方向延伸，该多个第一微柱状透镜沿着该第一方向排列，该第二柱状透镜阵列包括多个第二微柱状透镜，每一该第二微柱状透镜沿着该第二方向延伸，且该多个第二微柱状透镜沿着该第一方向排列。

12.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该光束产生装置还包括聚光透镜与第三柱状透镜，该聚光透镜配置于该激光束的传递路径上，且位于该光均匀化模块与该第三柱状透镜之间。

13.根据权利要求12所述的光束产生装置，其特征在于，该激光束在经过该光均匀化模块、该聚光透镜与该第三柱状透镜后产生出一线型光斑，该线型光斑的长轴长度为L，且该线型光斑的短轴长度为W，且该扩散器具有呈周期性排列的多个微结构，该激光束在该第一柱状透镜与该第二柱状透镜之间具有一光束腰，该扩散器位于该光束腰与该第二柱状透镜之间，该多个微结构的顶部与该光束腰相隔一距离d，该多个微结构的节距为p，其中L/W正比于p/d。

14.根据权利要求12所述的光束产生装置，其特征在于，该第三柱状透镜的曲面朝向该散斑抑制模块。

15.根据权利要求12所述的光束产生装置，其特征在于，该第三柱状透镜阵列的曲面在该第一方向上不弯曲，且在该第二方向上弯曲。

16.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，还包括：

扩束单元，配置于该激光束的传递路径上，且位于该激光光源与该散斑抑制模块之间。

17.根据权利要求1所述的光束产生装置，其特征在于，该激光光源为连续波式激光光源。

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