CN109991754B

CN109991754B - 出光方法及出光装置

Info

Publication number: CN109991754B
Application number: CN201810001009.2A
Authority: CN
Inventors: 胡平浩; 吕绍铨; 李炫璋; 周柏寰; 李闵凯
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2038-01-02
Also published as: CN109991754A

Abstract

本发明公开一种出光方法及出光装置。该出光方法用于将一激光光束依序通过至少一偏移组件与一聚焦组件，且通过调控机构作动该偏移组件，令该激光光束产生偏移，以于钻孔制作工艺中，该激光光束能依需求快速产生可控制及任意形状的开孔。

Description

出光方法及出光装置

技术领域

本发明涉及一种出光方法及其装置，尤其是涉及一种出光路径的调整方法及其装置。

背景技术

激光微孔加工技术目前已广泛应用于许多产业，如半导体制作工艺检测用的探针卡、透明硬脆材料、引擎喷油孔、金属切孔等制作工艺。目前激光加工设备所制作出的微孔为锥形圆孔，故需配合钻孔模块，以具备可控制锥角(taper angle)的能力而产生不同需求的微孔形状，如探针卡的矩形微孔加工、强化玻璃的直孔、引擎喷嘴的锥孔等。

然而，激光加工设备往往受限于激光光束绕射特性，而无法任意调整微孔锥角，致使该钻孔模块不具备灵活的锥孔加工能力，因而无法满足单一激光钻孔制作工艺中需局部调变成直通孔或锥孔的需求，例如，在矩形孔洞的边缘侧的倾斜度与转角处的倾斜度不同时的状况。

再者，在现有技术中，是将玻璃平板或棱镜式绕圆模块(Trepan)通过中空马达带动旋转，但仅能完成圆形路径偏移，且该中空马达的转速过低(小于4,000rpm)，致使产能过低，故不仅无法满足矩形锥孔或其它孔形制作工艺所需的高速且可调控的偏移路径的条件，且其钻孔尺寸也受限，例如，无法制作直径小于50微米(μm)的孔洞。

因此，如何克服现有技术的种种缺点，实为目前各界亟欲解决的技术问题。

发明内容

鉴于上述现有技术的种种缺失，本发明公开一种出光方法及出光装置，能依需求快速产生可控制及任意形状的开孔。

本发明的出光方法，包括：将一光束依序通过至少一偏移组件与一聚焦组件；以及通过调控机构作动该偏移组件，以令该光束产生偏移，其中，该调控机构通过可编程逻辑控制器规划该偏移组件的位移路径，以带动该偏移组件位移，并调控该光束的偏移路径。

本发明还公开一种出光装置，包括：偏移组件，其供一光束通过；聚焦组件，其接收来自该偏移组件的光束；以及调控机构，其作动该偏移组件，以令该光束产生偏移，其中，该调控机构通过可编程逻辑控制器规划该偏移组件的位移路径，以带动该偏移组件位移，并调控该光束的偏移路径。

前述的出光方法中，该偏移组件的位移路径为移动距离变化或角度偏转变化。

前述的出光方法及出光装置中，该出光装置为激光装置，且该光束为激光。

前述的出光方法及出光装置中，该光束的偏移为平行位移。

前述的出光方法及出光装置中，该光束用以形成开孔。例如，该可编程逻辑控制器依据光束移动距离与该开孔壁面倾斜角度规划该偏移组件的位移路径。

前述的出光方法及出光装置中，该偏移组件包括：分光镜；波片，其设于该分光镜上方；以及反射镜，其设于该波片上方，使该光束从该分光镜入射，经该分光镜反射后，经过该波片，再经由该反射镜反射而再次穿过该波片，的后由该分光镜反射而出。

前述的出光方法及该出光装置中，该调控机构具有振镜马达，以偏转该偏移组件于一偏转角度，且该光束的偏移距离与该偏转角度两者之间为相互关联。

前述的出光方法及出光装置中，该光束经过两组该偏移组件，且其中一组该偏移组件用以令该光束于X方向上产生偏移，而另一组该偏移组件用以令该光束于Y方向上产生偏移，其中，该X方向与该Y方向为相互垂直。

前述的出光方法及出光装置中，还包括将通过该偏移组件的光束通过扫描组件导引至该聚焦组件。例如，该扫描组件与该可编程逻辑控制器用以调控该光束的偏移路径，其可为圆形、方形、三角形、多角形或曲折的路径，以应用于复杂元件的激光制作工艺。

由上可知，本发明的出光方法及出光装置中，主要通过该调控机构与该偏移组件的配置，以调控该光束的路径，故应用于激光加工的钻孔制作工艺中，不仅能依需求快速地产生可控制及任意形状的锥形孔或直通孔，且能制作尺寸小尺寸的孔洞。

附图说明

图1为本发明的出光装置的第一实施例的示意图；

图1A及图1B为图1的光束路径规划的其它实施例的示意图；

图1C及图1D为图1的开孔形状的其它实施例的示意图；

图2A为本发明的出光装置的第二实施例的局部示意图；

图2B为图2A的光束偏移状态示意图；

图2C为2B的光束于目标物上的结果示意图；以及

图3为本发明的出光装置的第三实施例的示意图。

符号说明

1,3 出光装置

10 光源

11,21,31x,31y 偏移组件

12 调控机构

13 聚焦组件

20,310 偏振分光镜

20a 第一表面

20b 第二表面

21a,21b,311 1/4波片

22a,22b,312 反射镜

32 扫描组件

320 导引镜

8 目标物

80 圆形锥孔

81 圆形倒锥孔

82 星形开孔

83 交叉状开孔

9 探针卡

90 开孔

a 原点

b 偏移点

D 平行位移距离

e 倾斜度

W 长边

L,L1,L2,L3,L4,L,L6,L7,L9 光束

R1 矩形路径

R2 圆形路径

R3 偏移路径

θ 偏转角度。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

需知，本说明书所附的附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士的了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如「上」、「下」、「第一」、「第二」及「一」等的用语，也仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当也视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，其为本发明的出光装置1的第一实施例的示意图。如图1所示，该出光装置1为模块化，其包括一偏移组件11、一调控机构12以及一聚焦组件13。

所述的偏移组件11包含分光镜。

所述的调控机构12用于作动该偏移组件11，且包含振镜马达(Galvo motor)，以通过可编程逻辑控制器(programmable logic controller，简称PLC)规划该偏移组件11的位移路径(如图1所示的矩形路径R1)，使该振镜马达带动该偏移组件位移，其中，该可编程逻辑控制器的规划方式是依据光束移动距离(如探针卡9导引探针用的开孔90的长边W的尺寸)与光束开孔壁面倾斜角度(即该开孔90的锥面倾斜度e)，也就是该可编程逻辑控制器的规划方式为光束移动距离与光束开孔壁面倾斜角度的关联方程式。

所述的聚焦组件13包含聚焦镜片。

在操作时，由一光源10产生如激光的光束L，该光束L经由该偏移组件11，再经由该聚焦组件13，以将该光束L聚焦于目标物(如该探针卡9的开孔90处)上，且通过该调控机构12位移该偏移组件11(如沿着图1所示的矩形路径R1)，以调控该光束L的偏移路径(依不同偏移路径而成为光束L或光束L9)。

因此，本发明的出光装置1通过该调控机构12的振镜马达与可编程逻辑控制器的设计，以调控该偏移组件11的偏移，使该光束L的路径(如图1所示的矩形路径R1或图1A及图1B所示的圆形路径R2)可依需求规划，故该出光装置1能任意调整开孔锥角(如该矩形开孔90的长边W的倾斜度e与转角处的倾斜度e不同)，因而能应用于各种孔形的制作，如图1A及图1B所示的目标物8的圆形锥孔80及圆形倒锥孔81、图1C所示的目标物8的星形开孔82及交叉状开孔83、或如图1D所示的探针卡9的具倒角的矩形开孔90，尤其是可制作直径小于50微米(μm)的孔洞(如该探针卡9的矩形开孔90)。

请参阅图2A及图2B，为本发明的出光装置的第二实施例的局部示意图。本实施例与第一实施例的差异在于偏移组件的构件，其它配置大致相同，故以下不再赘述相同处。

如图2A所示，该偏移组件21包含一偏振分光镜(Polarizing beam splitter，简称PBS)20、两1/4波片(wave plate)21a,21b与两反射镜(mirror)22a,22b。

在本实施例中，该偏振分光镜20具有相对的第一表面20a与第二表面20b，且该两1/4波片21a,21b分别设于该第一表面20a与第二表面20b之侧，而该两反射镜22a,22b分别设于该两1/4波片21a,21b之侧。

在使用时，该光源10的光束L1为S偏振光，其从该偏振分光镜20的第一表面20a入射，经该偏振分光镜20的第一表面20a反射后，经过该第一表面20a之侧的1/4波片21a，再经由其上的反射镜22a反射而再次穿过该第一表面20a上的1/4波片21a，此时光束L2变成P偏振光，故会穿过该偏振分光镜20的第一表面20a与第二表面20b。之后，该光束L2(P偏振光)穿过该偏振分光镜20并经过该第二表面20b上的1/4波片21b，再经由其上的反射镜22b反射而再次穿过该第二表面20b之侧的1/4波片21b，此时光束L3会变回S偏振光，故会由该偏振分光镜20的第二表面20b反射而出光。

因此，利用该偏振分光镜20对S偏振光具备高反射特性及P偏振光具备高穿透特性，以调整该光束L1的偏振特性，使该光束L3在该偏振分光镜20的第二表面20b反射出光，即可产生可控制且任意的偏移位置。

再者，如图2B所示，利用该调控机构12的振镜马达(Galvo motor)朝顺时针偏转调整该偏振分光镜20的角度，使该光束L3产生平行的位移(如位移后的光束L4)，且可达到高速调控(例如，马达每分钟转速大于20,000rpm)。具体地，该偏振分光镜20的初始位置如虚线位置(或如图2A所示)，且该振镜马达朝顺时针或逆时针偏转该偏振分光镜20的偏转角度为±θ，故可推得该光束L3的平行位移距离D为2(D1+D2)tan(2θ)，其中，D1表示该第一表面20a上的反射镜22a至该偏振分光镜20的距离，且D2表示该第二表面20b上的反射镜22b至该偏振分光镜20的距离。例如，当该偏振分光镜20的偏转角度θ为1度且该偏移组件21的长度为86㎜(即D1与D2视为43㎜)时，则D＝2(43+43)tan(2·1)＝6.006㎜，使该光束L3的平行位移6.006㎜而成为图2B所示的下方光束L4，也就是如图2C所示的由原点a(位移前的光束L3于聚焦后的目标物8上的开孔处)位移至偏移点b(位移后的光束L4于聚焦后的目标物8上的开孔处)。应可理解地，若该振镜马达朝逆时针偏转该偏振分光镜20，则位移前的光束L3会向上偏移成另一光束L5。

又，依据上述公式可知，该平行位移距离D与该偏振分光镜20的偏转角度θ两者之间相关联，故于实际运作(如钻孔制作工艺)中，通过该调控机构12的可编程逻辑控制器(PLC)的规划方式，即光束移动距离(如该平行位移距离D)与开孔壁面倾斜角度(即孔锥度)的相关联方程式，因而只要输入所欲位移的数值(平行位移距离D)即可推算出所需的偏转角度θ，进而令该可编程逻辑控制器(PLC)操控该振镜马达偏转该偏振分光镜20。

本发明通过该偏移组件21配合该调控机构12的设计，不仅可调控该光束L3的偏移，且调控速度高，故该出光装置能任意调整开孔锥角，因而能应用于各种孔形的制作。

再者，该偏移组件21的体积小，故该出光装置的模块空间也得小型化。

图3为本发明的出光装置3的第三实施例的示意图。本实施例与第一实施例的差异在于偏移组件的布设，其它配置大致相同，故以下不再赘述相同处。

如图3所示，该出光装置3包括至少两组偏移组件31x,31y及扫描组件32。

所述的偏移组件31x,31y可采用如第二实施例所示的偏移组件21，其包含一偏振分光镜310、两1/4波片311与两反射镜312，以利用调控机构12的振镜马达调整该偏振分光镜310的偏转角度，其中，一组偏移组件31y用以令光束于Y轴方向产生偏移，而另一组偏移组件31x用以令光束于X轴方向产生偏移。

所述的扫描组件32为振镜式，例如有限状态机(finite-state machine，简称FSM)扫描器(scanner)或XY扫描器等二维扫描器，其具有两垂直排设的导引镜320。有关扫描组件32的种类繁多，并不限于上述型式，例如可为一维扫描器。

在使用时，该光源10的光束L6先后经过该两偏移组件31x,31y，再经由该扫描组件32的导引镜320反射导引至该聚焦组件13，以将该光束聚焦于目标物上。若应用于钻孔制作工艺中，通过该两偏移组件31x,31y可调整开孔的锥面倾斜度(即孔锥度，相关说明可参考第二实施例，如图3所示的虚线所表示的调整后的光束L7)，且通过该扫描组件32与该可编程逻辑控制器(PLC)以调控该光束L6的偏移路径R3，其图示为圆形路径，但于其它实施例中，该偏移路径R3可为任意路径，如方形、三角形、多角形或曲折等路径，以应用于复杂元件的激光制作工艺。

本发明以两组独立的偏移组件31x,31y，分别使该光束L6于X、Y方向产生偏移，且通过该扫描组件32在XY平面与聚焦光轴上产生可控制且任意的锥角。

综上所述，本发明的出光方法及其出光装置，通过该调控机构与该偏移组件的配置，以调控光束的路径，故应用于激光加工的钻孔制作工艺中，不仅能依需求快速地产生可控制及任意形状的锥形孔或直通孔，且能制作尺寸大于、等于或小于50微米的孔洞。

另外，该调控机构12的振镜马达可由音圈马达或转矩马达取代，并无特别限制。

上述实施例仅用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种出光方法，其特征为，该出光方法包括：

将用以形成开孔的一光束依序通过至少一偏移组件与一聚焦组件，其中，该偏移组件包括：

分光镜；

波片，其设于该分光镜上方；以及

反射镜，其设于该波片上方，使该光束入射该分光镜，经该分光镜反射，经过该波片，再经由该反射镜反射而再次穿过该波片，之后由该分光镜反射而出；以及

通过调控机构作动该偏移组件的该分光镜的角度，以令该光束产生偏移，其中，该调控机构通过可编程逻辑控制器依据光束移动距离与该开孔壁面倾斜角度规划该偏移组件的位移路径，以带动该偏移组件位移，并调控该光束的偏移路径。

2.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该光束为激光。

3.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该光束的偏移为平行位移。

4.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该偏移组件的位移路径为移动距离变化或角度偏转变化。

5.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该调控机构具有振镜马达以偏转该偏移组件于一偏转角度，且该光束的偏移距离与该偏转角度相关联。

6.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该光束经过两组该偏移组件，且其中一组该偏移组件用以令该光束于X方向上产生偏移，而另一组该偏移组件用以令该光束于Y方向上产生偏移，其中，该X方向与该Y方向为相互垂直。

7.根据权利要求1所述的出光方法，其特征为，该出光方法还包括将通过该偏移组件的光束通过扫描组件导引至该聚焦组件。

8.一种出光装置，其特征为，该出光装置包括：

偏移组件，其供用以形成开孔的一光束通过，其中，该偏移组件包括：

分光镜；

波片，其设于该分光镜上方；以及

反射镜，其设于该波片上方，使该光束入射该分光镜，经该分光镜反射，经过该波片，再经由该反射镜反射而再次穿过该波片，之后由该分光镜反射而出；

聚焦组件，其接收来自该偏移组件的光束；以及

调控机构，其作动该偏移组件的该分光镜的角度，以令该光束产生偏移，其中，该调控机构通过可编程逻辑控制器依据光束移动距离与该开孔壁面倾斜角度规划该偏移组件的位移路径，以带动该偏移组件位移，并调控该光束的偏移路径。

9.根据权利要求8所述的出光装置，其特征为，该光束为激光。

10.根据权利要求8所述的出光装置，其特征为，该光束的偏移为平行位移。

11.根据权利要求8所述的出光装置，其特征为，该调控机构具有振镜马达，以偏转该偏移组件于一偏转角度，且该光束的偏移距离与该偏转角度相关联。

12.根据权利要求8所述的出光装置，其特征为，该光束经过两组该偏移组件，且其中一组该偏移组件用以令该光束于X方向上产生偏移，而另一组该偏移组件用以令该光束于Y方向上产生偏移，其中，该X方向与该Y方向为相互垂直。

13.根据权利要求8所述的出光装置，其特征为，该出光装置还包括扫描组件，其设于该偏移组件与该聚焦组件之间，以将通过该偏移组件的光束导引至该聚焦组件。

14.根据权利要求13所述的出光装置，其特征为，该扫描组件与该可编程逻辑控制器用以调控该光束的偏移路径。

15.根据权利要求14所述的出光装置，其特征为，该偏移路径为曲折的路径，以应用于复杂元件的激光制作工艺。

16.根据权利要求15所述的出光装置，其特征为，该曲折的路径为圆形或多角形的路径。

17.根据权利要求16所述的出光装置，其特征为，该多角形的路径为方形或三角形的路径。