TW201446374A

TW201446374A - 基於雷射放射所控制的射束定位器

Info

Publication number: TW201446374A
Application number: TW103110047A
Authority: TW
Inventors: Joseph Frankel; Bob Beauchaine; Doug Gibson
Original assignee: Electro Scient Ind Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2014-12-16
Also published as: JP6516722B2; US20140312013A1; JP2016516585A; KR102166134B1; TWI583477B; KR20150132127A; US9527159B2; CN105102174B; CN105102174A; WO2014145305A1

Abstract

一種雷射機械加工系統(20)採用了一快速定位器(68)，諸如一對電流計鏡(70)，該快速定位器與按一恒定雷射脈衝重複率自一雷射(28)發射之多個雷射脈衝中之一者一致地以一指定速度將一射束軸(24)引導至一切割路徑(92)之一開始位置，該雷射脈衝獨立於該射束軸(24)相對於工件(26)之相對位置而行進。

Description

基於雷射放射所控制的射束定位器

【相關申請案】

本申請案為2013年3月15日申請之美國臨時申請案第61/800,903號之非臨時申請案，該美國臨時申請案之內容出於所有目的以全文引用方式併入本文中。

本申請案係關於用於使射束位置與雷射擊發同步之系統及方法，且特定言之，係關於用於使工件及射束軸位置與雷射脈衝發射之定時同步的系統及方法。

雷射處理系統通常藉助於觸發信號來協調雷射脈衝至工件上之位置之擊發，該觸發信號由射束定位系統產生且作為外部輸入遞送至雷射控制電子器件。在此類方法中，由於關於何時擊發雷射之定時決策完全由射束定位系統計算且判定，故射束定位系統可被視為「主裝置」，而雷射被視為「從屬裝置」。來自射束定位系統之觸發信號使雷射控制電子器件啟動脈衝起始器件(諸如Q開關)以使得雷射脈衝被發射。

此等基於定位之機械加工系統中之一些力圖藉由「預設關閉」方法來最小化脈衝能量變化性，其中雷射脈衝僅在射束定位器到達目標位置時才被擊發。在此類系統中，低雷射功率、此過程之性質及系統架構導致雷射脈衝之相對較低的工作週期。在一些晶圓切塊雷射機械加工系統中，電流計控制器任意地向Q開關發送觸發信號，以在藉由電流計鏡引導之射束軸以已知速度到達所要位置時起始雷射脈衝發射。

上述「雷射跟隨射束定位器」情形之問題為當雷射在穩定狀態下操作時雷射表現最好且其脈衝參數更一致。此外，發送至Q開關之觸發信號脈衝串之定時的任何非恒定開始、停止或頻率改變將會在雷射輸出射束中導致非所要瞬態現象，例如初始熱脈衝、低頻率平均功率漂移以及增加之脈衝至脈衝脈寬變化性及峰值功率變化性。此等變化減弱了對施加至工作面之雷射參數的控制，藉此縮減處理窗，且可能會使雷射處理品質降級。布賴恩．貝爾德(Brian Baird)等人之美國專利第6,172,325號及凱斯.格蘭特(Keith Grant)等人之美國專利第7.61,669號描述了射束定位系統為主裝置的基於射束位置之雷射同步方法的改良。此等專利均受讓與本申請案之受讓人且均以引用方式併入本文中。

提供此概述來以簡化形式介紹對概念之選擇，該等概念在本發明之詳細描述中作進一步描述。此概述既不意欲識別所主張主題之關鍵或必要創造性概念，亦不意欲判定所主張主題之範疇。

在一些實施例中，一種用於在一恒定雷射脈衝重複率下協調射束軸位置及射束軸速度與雷射發射的方法包含：自一雷射按一恒定雷射脈衝重複率產生雷射脈衝之一射束以沿一光學路徑傳播；採用一快速定位器，該快速定位器沿該光學路徑定位且可操作以在一工件上按一移動型樣引導該光學路徑之一射束軸，其中該移動型樣包括在該工件上之非切割區域上引導該射束軸及在相對於該工件之開始位置與結束位置之間的一切割路徑上以一射束軸速度引導該射束軸，藉此按該雷射脈衝重複率及按一照射度遞送該等雷射脈衝以沿該切割路徑改變該工件之一實體特性；採用一脈衝拾取器件以允許或防止該等雷射脈衝中之選定雷射脈衝沿該光學路徑傳播至該工件，其中被允許傳播至該工件之該等雷射脈衝為工作雷射脈衝，且其中被防止傳播至該工件之該等雷射脈衝為非工作雷射脈衝；採用一控制器，該控制器可操作以接收用於改變該工件之該實體特性的雷射處理參數及將控制信號直接或間接地提供至該雷射、該射束定位系統及該脈衝拾取器件，其中該等雷射處理參數包括或判定該雷射脈衝重複率、該切割路徑、該射束軸速度及該照射度；採用一計時器件，該計時器件與該控制器通信或與該控制器相關聯，其中該計時器件可操作以使得按一恒定重複率將雷射觸發信號發送至該雷射觸發器件以使該雷射之該雷射脈衝重複率為恒定的，藉此使該等雷射脈衝之發射為恒定的，使得它們展現出穩定且可預測之脈衝特性；及採用處理電路，該處理電路與該控制器相關聯且可操作以將快速定位器控制信號提供至該快速定位器以引導該射束軸使之在該工件上沿該切割路徑移動；其中基於該雷射脈衝重複率，該處理電路可操作以使得在該等工作雷射脈衝中之一第一者撞擊該工件時該射束軸被引導至相對於該工件之該開始位置且以該射束軸速度移動；且其中經由該計時器件閘控之一或多個脈衝拾取器信號可操作以使該脈衝拾取器件防止非工作雷射脈衝在該工件之非切割區域上傳播且准許工作雷射脈衝傳播以在該切割路徑上撞擊該工件，該切割路徑包括相對於該工件之該等開始及結束位置且在該開始位置與該結束位置之間。

在一些實施例中，一種用於處理具有一表面之一工件之雷射機械加工系統包含：一雷射，該雷射包括一雷射觸發器件，該雷射觸發器件可操作以使得自該雷射按一雷射脈衝重複率發射雷射脈衝以沿一光學路徑傳播；一射束定位系統，該射束定位系統包括一快速定位器，該快速定位器沿該光學路徑定位且可操作以在一工件上按一移動型樣引導該光學路徑之一射束軸，其中該移動型樣包括在該工件上之非切割區域上引導該射束軸及在相對於該工件之開始位置與結束位置之間的一切割路徑上以一射束軸速度引導該射束軸，藉此按該雷射脈衝重複率及按一照射度遞送該等雷射脈衝以沿該切割路徑改變該工件之一實體特性；一脈衝拾取器件，該脈衝拾取器件沿該光學路徑定位且可操作以允許或防止該等雷射脈衝中之選定雷射脈衝沿該光學路徑傳播至該工件，其中被允許傳播至該工件之該等雷射脈衝為工作雷射脈衝，且其中被防止傳播至該工件之該等雷射脈衝為非工作雷射脈衝；一控制器，該控制器可操作以接收用於改變該工件之該實體特性的雷射處理參數及將控制信號直接或間接地提供至該雷射、該射束定位系統及該脈衝拾取器件，其中該等雷射處理參數包括或判定該雷射脈衝重複率、該切割路徑、該射束軸速度及該照射度；一計時器件，該計時器件與該控制器相關聯，其中該計時器件可操作以使得按一恒定重複率將雷射觸發信號發送至該雷射觸發器件以使該雷射之該雷射脈衝重複率為恒定的，藉此使該等雷射脈衝之發射為恒定的，使得它們展現出穩定且可預測之脈衝特性；及處理電路，該處理電路與該控制器相關聯且可操作以將快速定位器控制信號提供至該快速定位器以引導該射束軸使之在該工件上沿該切割路徑移動；其中基於該雷射脈衝重複率，該處理電路可操作以使得在該等工作雷射脈衝中之一第一者撞擊該工件時該射束軸被引導至相對於該工件之該開始位置且以該射束軸速度移動；且其中經由該計時器件閘控之一或多個脈衝拾取器信號可操作以使該脈衝拾取器件防止非工作雷射脈衝在該工件之非切割區域上傳播且准許工作雷射脈衝傳播以在該切割路徑上撞擊該工件，該切割路徑包括相對於該工件之該等開始及結束位置且在該開始位置與該結束位置之間。

在一些替代或額外實施例中，該處理電路可操作以考量在傳輸該脈衝拾取器信號與該第一工作雷射脈衝到達該工件之該表面之間的雷射脈衝傳播延遲。

在一些替代、額外或累積實施例中，該處理電路可操作以考量在傳輸該脈衝拾取器信號與該脈衝拾取器在操作上能夠自防止非工作雷射脈衝傳播切換至允許工作雷射脈衝在該工件上傳播之間的脈衝拾取器傳播延遲。

在一些替代、額外或累積實施例中，該處理電路可操作以考量在傳輸該等快速定位器控制信號與以該射束軸速度將該射束軸引導至相對於該工件之該開始位置之間的快速定位器延遲。

在一些替代、額外或累積實施例中，該處理電路可操作以考量在該脈衝拾取器自防止非工作雷射脈衝傳播有效地改變至允許工作雷射脈衝在該工件上傳播與該第一工作雷射脈衝傳遞通過該脈衝拾取器件之間的脈衝拾取器領先時間。

在一些替代、額外或累積實施例中，該處理電路可操作以考量在該脈衝拾取器自允許工作雷射脈衝傳播有效地改變至防止非工作雷射脈衝在該工件上傳播與撞擊該工件上之該切割路徑之該末端位置的工作雷射脈衝傳遞通過該脈衝拾取器件之間的脈衝拾取器滯後時間。

在一些替代、額外或累積實施例中，該快速定位器具有大到足以包含該移動型樣之一可用掃描場，且其中該快速定位器可操作以在該可用掃描場內對該移動型樣重複多遍。

在一些替代、額外或累積實施例中，該工件足夠大以包括該快速定位器之第一及第二相鄰可用掃描場，其中該第一掃描場中之一第一切割路徑的該結束位置鄰近於該第二切割路徑中之一第二切割路徑的該開始位置，且其中因雷射撞擊而改變之該實體特性沿該第一切割路徑、該第二切割路徑及在其連接點處為相同的。

在一些替代、額外或累積實施例中，該雷射觸發器件包含一Q開關，及/或該快速定位器包含一對電流計鏡，及/或該脈衝拾取器件包含一AOM，及/或該計時器件包含一現場可程式化閘陣列，及/或該處理電路包含一數位信號處理器，及/或該工件具有小於1mm之一厚度。

在一些替代、額外或累積實施例中，該雷射包含一鎖模雷射，及/或該雷射觸發器件包含在該雷射內之一內部時脈，及/或該快速定位器包含一對電流計鏡，及/或該脈衝拾取器件包含一AOM，及/或該計時器件包含一現場可程式化閘陣列，及/或該處理電路包含一數位信號處理器，及/或該工件具有小於1mm之一厚度。

在一些替代、額外或累積實施例中，該快速定位器在該雷射機械加工系統內具有一固定位置，且其中該工件藉由相對於該快速定位器之該固定位置移動之一台支撐。

此等實施例之許多優點之一為該等雷射脈衝具有一致、穩定、可預測之參數。

自以下對優選實施例之詳細描述中，額外態樣及優點將顯而易見，該詳細描述係參看附圖來進行。

20‧‧‧雷射機械加工系統

22‧‧‧射束定位系統

24‧‧‧射束軸

26‧‧‧工件

28‧‧‧雷射

30‧‧‧點位置

32‧‧‧雷射點

36‧‧‧表面

38‧‧‧路徑

40‧‧‧控制器

42‧‧‧Q開關

50‧‧‧光學路徑

52‧‧‧光學部件

54‧‧‧脈衝拾取器件

56‧‧‧折疊鏡

60‧‧‧聲光調變器(AOM)

68‧‧‧快速定位器

70‧‧‧電流計鏡

72‧‧‧掃描場或視場

80‧‧‧工件定位台

82‧‧‧上部台

84‧‧‧下部台

90‧‧‧移動型樣

92‧‧‧切割路徑

104‧‧‧信號路徑

106a、106b‧‧‧台信號路徑

圖1為採用射束定位系統之簡化雷射機械加工系統之示意圖。

圖2為用於達成工件上之雷射通過的雷射脈衝及各種射束傳播及定位系統部件之示例性時序圖。

圖3為對電流計鏡之掃描場上的電流計鏡路線之示例性雷射通過之模擬中的雷射脈衝及各種射束傳播及定位系統部件之時序圖。

圖4為在電流計鏡之雙軸掃描場上雷射射束軸之代表性移動型樣的俯視平面圖。

圖5為圖4之移動型樣之放大部分的俯視平面圖，其示出了在雷射通過開始時雷射脈衝之相對位置。

圖6A為用於實施一些所揭示方法之數位信號處理器中的示例性即時狀態邏輯之時序圖。

圖6B示出了在可用掃描場上的如由圖6A之時序圖表示的射束軸移動與脈衝拾取器操作之協調。

圖6C為一般流程圖，其關於圖6A之實例示出了對脈衝拾取器件之示例性指令。

下文參看附圖來描述實例性實施例。在不偏離本揭示案之精神及教示的情況下，許多不同之形式及實施例係可能的，因此，本揭示案不應被理解為限於本文中陳述之實例性實施例。而是，提供此等實例性實施例，使得本揭示案將為詳盡且完整的，且將向熟習此項技術者傳達本揭示案之範疇。在圖式中，為了清楚起見，可誇示部件之尺寸及相對尺寸。本文中使用之術語之目的僅在於描述特定實例性實施例且不意欲為限制性的。如本文中使用，除非上下文另外清楚指示，否則單數形式「一」及「該」意欲亦包括複數形式。將進一步理解，術語「包含」及/或「包含了」在本說明書中使用時指明了所陳述特徵、整體、步驟、操作、元件及/或部件之存在，但不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、部件及/或其群組之存在或添加。除非另外指定，否則在列舉出時，一数值範圍包括該範圍之上限及下限以及其間之任何子範圍。

圖1為採用射束定位系統22之簡化雷射微機械加工系統20之示意圖，該射束定位系統能夠對射束軸24在工件26上之定位實施基於雷射之控制。本文中描述之實施例將射束定位系統與雷射28之間的主/從關係反轉，使得「射束定位系統22跟隨雷射28」。代替在射束定位系統22相對於工件26以所要速度將射束軸24引導至工件26之表面36上之所要點位置 30處時自雷射28擊發雷射脈衝，可使由控制器40沿Q開關信號路徑38向雷射28之雷射空腔內之Q開關42發送的一脈衝串在雷射系統初始化之後維持在恒定頻率。可選擇Q開關命令觸發信號之脈衝串以提供一雷射重複率，該雷射重複率落入用於對工件26之給定操作的雷射處理窗之內且落入雷射28的適合於維持一致雷射輸出之指令引數之內。該等觸發信號在初始化之後不停止、不開始或不以其他方式發生頻移，使得最小化雷射空腔不穩定性。

在回應於Q開關命令觸發信號而產生雷射脈衝時，在時間及空間上對射束定位系統22之射束軸24的軌跡稍作調整以與雷射28之輸出對準，使得當所要雷射脈衝到達工件26之表面36時，射束軸24以所要速度到達所要點位置30。此外，自雷射28發射雷射脈衝之定時與射束軸24相對於工件26之位置無關。此能力採用了對由控制器40實施之組合式射束定位及雷射功率控制架構的約束且利用高速數位處理以及數位雷射控制器與射束定位控制器之間的經精確校準之定時。

使雷射脈衝保持以恒定且不中斷之速率擊發的一個優點為雷射28不會在雷射空腔中經歷瞬態現象，因此產生它所能產生的最一致之雷射脈衝。

示例性雷射脈衝參數包括雷射類型、波長、脈衝持續時間、脈衝重複率、脈衝數、脈衝能量、脈衝時間形狀、脈衝空間形狀及焦點尺寸及形狀。額外雷射脈衝參數包括指定焦點相對於工件26之表面36的位置及引導雷射脈衝相對於工件26之相對運動。

在一些實施例中，可有利地用於一些實施例之雷射參數包括使用波長為IR至UV或更特定言之約10.6微米直至約266nm的雷射28。雷射28可以2W來操作，2W處於1W至100W或更佳地1W至12W之範圍內。脈衝持續時間為1皮秒至1000ns，或更佳地約1皮秒至200ns。雷射重複率可處於1KHz至100MHz或更佳地10KHz至1MHz之範圍內。雷射能量密度可為約0.1×10^-6J/cm²至100J/cm²或更特定言之1.0×10^-2J/cm²至10J/cm²。射束軸24相對於工件26移動之速率為1mm/s至10m/s或更佳地100mm/s至1m/s。在工件26之表面36處量測的固定雷射點32(圖5)之主空間軸可為10微米至1000微米或50微米至500微米。射束軸24之速度可增加工件26上之雷射點32的有效尺寸。在一些實施例中，可認為點尺寸表示在1/e²(FWHM)情況下之雷射脈衝之射束腰。

可採用幾乎任何類型之雷射28。一些實施例採用固態二極體泵浦雷射28，其可經組態以按達5MHz之脈衝重複率發射約366nm(UV)至約1320nm(IR)之波長。然而，可藉由替換或添加適當之雷射、雷射光學器件、零件處理設備及控制軟體對此等系統進行調適以如先前所述可靠地且可重複地在工件26上產生選定雷射點32。此等修改准許雷射處理系統以所要的速率及雷射點32之間的侵蝕尺寸將具有適當雷射參數之雷射脈衝引導至適當地定位及固持之工件26上的所要位置。

在一些實施例中，可採用鎖模雷射，在此種情況中，使用內部時脈來以指定頻率觸發雷射脈衝。

在一些實施例中，雷射機械加工系統20採用在532nm、355nm或266nm下具有發射之Coherent Avia二極體泵浦、固態、Q開關雷射，其中輸出功率在532nm下高達45W。

在一些實施例中，雷射機械加工系統20採用在1064nm波長下操作之二極體泵浦Nd：YVO₄固態雷射28，諸如Lumera Laser GmbH(德國凱撒斯勞滕)製造之型號Rapid。可視情況地使用固態諧波頻率產生器使此雷射頻率加倍以將波長減少至532nm，藉此產生可見(綠色)雷射脈衝，或使此雷射頻率變三倍以將波長減少至約355nm或使此雷射頻率變四倍以將波長減少至266nm，藉此產生紫外(UV)雷射脈衝。此雷射28額定產生6瓦特之持續功率且具有1000KHz之最大脈衝重複率。此雷射28與控制器40協作產生持續時間為1皮秒至1,000奈秒之雷射脈衝。

此等雷射脈衝可為高斯脈衝或藉由雷射光學器件特別整形或裁剪以准許雷射點32具有所要特性，該雷射光學器件通常包含沿光學路徑50定位之一或多個光學部件。可使用繞射光學元件或其他射束整形部件來產生經特別整形之空間剖面。對修改雷射點32之空間照射剖面之詳細描述可見于寇里．杜恩斯基(Corey Dunsky)等人之美國專利第6,433,301號中，該案受讓與本申請案之受讓人且以引用方式併入本文中。

再次參看圖1，示例性雷射微機械加工系統20之雷射28沿一光學路徑50發射一束雷射脈衝，該光學路徑傳播通過各種光學部件52、脈衝拾取器件54、一或多個折疊鏡56且至射束定位系統22之快速定位器58，該快速定位器最終將光學路徑50之射束軸24引導至工件26之表面36上的點位置30上。光學部件52可包括定位於光學路徑50上之各個位置處的各種熟知之光學器件(諸如射束擴展器透鏡部件)、視情況選用之衰減器(諸如聲光或電光器件)及/或回饋感測器(諸如針對能量、定時或位置)。

脈衝拾取器件54充當高速快門，該高速快門阻擋或准許雷射脈衝沿光學路徑進一步傳播且判定准許哪些雷射脈衝撞擊工件26。脈衝拾取器件54可包括電光器件或聲光調變器(AOM)60。為方便起見，本文中將拿AOM 60舉例來論述脈衝拾取器54。AOM 60對自控制器40沿AOM信號路徑58遞送之AOM命令信號作出回應。AOM命令信號使AOM 60上之換能器在AOM中起始音波，該等音波使傳播通過AOM 60之射束沿與光學路徑50對準或不對準之預定出射角轉向至快速定位器68。

快速定位器68可包括具有相對較大之掃描場72(圖4)的任何高速射束定位器件。在一些實施例中，快速定位器68可包括能夠在工件26上之相對較大之視場72上快速地改變射束軸24之方向的一對電流計驅動型X軸及Y軸鏡70。在一些實施例中，可用視場72之直徑(或主軸)為10mm至100mm。在一些實施例中，可用視場72之直徑大於15mm。在一些實施例中，可用視場72之直徑為25mm至50mm。在一些實施例中，可用視場72之直徑小於75mm。在一些實施例中，可用視場72可包括歸因於掃描透鏡之邊緣效應而不可用於雷射處理之電流計移動區域，因此可用處理場可小於可用視場72。

視所要掃描場72之尺寸而定，快速定位器68可或者採用高速定位器，諸如聲光器件或可變形鏡(或其他快速轉向鏡)，儘管此等器件傾向於具有比電流計鏡70小之射束偏轉範圍。或者，除了電流計鏡70之外還可採用高速定位器，且高速定位器可與由電流計鏡70提供的對射束軸24之控制及移動整合或可疊加於由電流計鏡70提供的對射束軸24之移動上(諸如用於誤差校正)。在一些實施例中，快速定位器68支撐於工件26上之固定位置中。在其他實施例中，快速定位器68藉由可相對於工件26移動之台支撐，諸如在分開軸系統中。示例性快速定位器68具有數百千赫之頻寬且能夠達成約2m/s或3m/s至約10m/s之線速度及約1000G至2000G之加速度。自然地，線速度在此等範圍以下亦可運作。

在一些實施例中，射束定位系統22採用工件定位台80，該工件定位台較佳控制至少兩個平臺，諸如支撐工件26之上部台82及支撐上部台82之下部台84。此等上部台82及下部台84通常藉由線性馬達移動且通常被稱作X-Y台，其中上部台82可沿一個軸移動且下部台可沿另一軸移動。典型工件定位台80具有數十千赫之頻寬且能夠達成2m/sec或3m/sec之速度及1.5G或更大之加速度。當前具成本效益之平移台在約400mm/s至約1m/s之範圍內運作。自然地，它們亦可移動得更慢。工件定位台80之工作包絡面通常遠大於電流計鏡70之視場72。

在一些實施例中，雷射機械加工系統20以分步重複之方式執行雷射切塊，其中工件定位台80相對於快速定位器68及射束軸24將工件26移動至一位置，使得在藉由快速定位器68進行之切塊操作期間維持該工件位置。特定言之，工件定位台80可將工件26之特定區域定位於電流計鏡70之可用視場72內。電流計鏡70可引導射束軸24在工件26上之掃描場72內執行包括一或多個切割路徑92的一或多個移動型樣90，而工件定位台80可完全停在掃描場72上面。在一些實施例中，為了獲得所要之輸貫量，直至對給定掃描場72上之移動型樣90之所有通過完成，射束軸24才會停下來。

在射束軸24按移動型樣90進行了一或多次通過之後，工件定位台80可移動以將電流計鏡70之掃描場72定位於工件26之不同區域上，例如鄰近區域。因此，對於一些實施例，在射束軸加速時，不進行雷射處理。使用具有恒定速度移動及恒定重複率之脈衝的射束軸之優點包括穩定且可預測之雷射脈衝特性。

在一些實施例中，藉由產生一串相隔已知間距之雷射脈衝以沿工件26上之切割路徑92以已知速度之射束軸24達成所要照射來進行雷射切塊。可使用遍次間的沿切割路徑92之第一雷射脈衝之開始位置的變動偏移，將累積照射均勻地分佈于任一點位置處直至工件26已被機械加工至所要參數為止，來重複此過程。然而，既不需要脈衝間隔亦不需要遍次間隔。因此，一遍次可含有脈衝間隔小於點尺寸之重疊脈衝，且連續之脈衝遍次不需要在空間上發生偏移。

包括一些或所有前述部件且可操作以沿工件26上或內之切割路徑92(圖4)造出鋸口的一些示例性雷射處理系統為ESI 5320、MM5330、ML5900及5955微機械加工系統以及ESI 9900及9970晶圓切塊系統，該等系統皆由電子科學工業公司(俄勒岡州波特蘭，郵遞區號97229)製造。

在一些實施例中，快速定位器68及工件定位台80自控制器40接收命令。電流計鏡70可沿一或多個電流計信號路徑104自控制器40直接或間接地接收電流計命令信號。上部台82及下部台84可沿單個台路徑或獨立地沿分離之台信號路徑106a及106b自控制器直接或間接地接收工件定位台80命令信號。子控制器可按需要沿該等信號路徑中之任一者定位以改變命令信號之性質或影響其定時。舉例而言，電流計鏡可採用JANUS類比介面/驅動器模組。

在一些實施例中，為了實施本文中揭示的基於雷射之定位技術，控制器40採用主時脈或計時器件，諸如現場可程式化閘陣列(FPGA)。在一些實施例中，FPGA具有基礎時脈速率f _fgpa[Hz]，通常選擇FPGA可更新其暫存器之最快速率作為基礎時脈速率。某些其他參數(諸如中斷速率及雷射重複率)亦可為至控制器40的事先選定之外加輸入。

舉例而言，DSP中斷速率f _s[Hz]為控制器40中之數位信號處理器(DSP)執行即時執行回圈的伺服中斷速率。FPGA經由插斷要求(IRQ)輸出來產生對DSP之中斷。若該中斷並非f _fgpa[Hz]之整數倍，則該中斷歸因於FPGA中之量化效應而可能會稍有不同。對於此實例，採取此條件。

雷射重複率f _laser[Hz]等於自雷射28之雷射空腔發射之雷射脈衝的重複率。若實際重複率並非f _fgpa[Hz]之整數倍，則實際重複率歸因於FPGA中之量化效應而可能會稍有不同。對於此實例，不採取此條件。

可針對特定雷射系統部件及掃描場72上電流計鏡70之相對移動速度來校準某些參數，諸如雷射傳播延遲、AOM傳播延遲、伺服滯後時間、AOM雷射領先時間及AOM雷射滯後時間。

雷射傳播延遲T _{laser_prop}[s]為自FPGA輸出Q開關命令脈衝至雷射脈衝到達工件26之表面的估計時間。

AOM傳播延遲T _{aom_prop}[s]為自FPGA輸出AOM命令暫存器之上升/下降邊緣至其中雷射脈衝可沿退出AOM 60之所要光學路徑以所要衰減位元准傳播的完全激發AOM晶體狀態的估計時間，亦即，T _{aom_prop}[s]為AOM 60回應於AOM命令信號而「打開」或「關閉」所花之時間。在一些實施例中，退出AOM 60之所要光學路徑為一階光學路徑。

伺服滯後K _lag[s²/m]為在工件26與藉由電流計鏡70移動之射束軸24之間的恒定速度之相對移動情況下估計電流計鏡命令信號與工件26 上之位置之間的時間延遲的標度因數。

AOM雷射領先時間T _{aom_lead}[s]為在AOM打開與將沿切割路徑92經由AOM 60傳遞至工件26之表面36的第一雷射脈衝之間的指定時間。AOM雷射領先時間經選擇以小於與雷射重複率f _laser相關聯之雷射週期。

AOM雷射滯後時間T _{aom_lag}[s]為在經由AOM 60傳遞至工件26之表面36的最後一個雷射脈衝與AOM關閉之間的指定時間。此時間經選擇以小於AOM傳播延遲T _{aom_prop}與同雷射重複率f _laser相關聯之雷射週期的總和。

配方參數(諸如，切割道開始位置、切割道結束位置、標稱脈衝間隔、標稱通過速度及型態化移動時間)可由使用者選擇或藉由控制器40基於使用者輸入、位置資料、查閱資料表及/或構造軟體來判定。

切割道開始位置p ₁[μm]為在電流計鏡座標中相對於X-Y工件台82及84之當前位置的雷射切割路徑92之所要開始點。

切割道結束位置p ₂[μm]為基於配方參數的在電流計鏡座標中相對於X-Y工件台82及84之當前位置的雷射切割路徑92之所要結束點。

標稱脈衝間隔△p _pulse[μm]為撞擊工件26之表面36的雷射脈衝之間的所要距離。歸因於即時控制系統中之量化效應，可對此值稍作調整。

標稱通過速度V _pass[μm/s]為基於配方參數的在工件26之表面36處射束軸24之所要速度。歸因於即時控制系統中之量化效應，亦可對此值稍作調整。

型態化移動時間t _prof[s]為在工件26上使移動之型態化(加速度受約束)部分通向該移動之恒定速度切割路徑段所需的時間。此值可藉由控制器40或其他系統電腦中之構造軟體來計算且可被稱作移動時間計算器。

即時量測包括雷射脈衝相位偏移[s]，其為自Q開關脈衝起直至其中沿切割路徑92之切割開始之DSP中斷迴圈開始為止已消逝的時間量。此值由FPGA供應。

圖2為用於達成沿工件26上之切割路徑92的雷射通過之雷射脈衝及各種射束傳播及定位系統部件的示例性時序圖。參看圖2，在一些實施例中，目標係在兩個點之間藉由雷射沿切割路徑92切出一線，使得端點雷射脈衝正好擱在由p ₁及p ₂指定的切割路徑92之開始及結束位置上。使用具有固定重複率f _laser之雷射28，獨立地指定標稱脈衝間隔△p _pulse及通過速度V _pass，此係因為它們彼此相依。對於基於位置之配方，標稱通過速度為：V _pass=△p _pulse f _laser (1)

或者，對於基於速度之配方，標稱脈衝間隔為：△p _pulse=V _pass/f _laser (2)

在任一情況中，將沿切割路徑92鋪設之脈衝的數目為：N _pulse=(round(p ₂-p ₁)/△p _pulse))+1 (3)

其中round()函式藉由將大於0.5之小數向上舍入而產生一整數值，且加上+1則係將一額外脈衝放於切割路徑92之末尾處。

FPGA中之量化效應規定，若外部觸發之Q開關雷射藉由FPGA控制，則雷射之實際重複週期將為：T _laser=(round(T _laser/T _fpga))T _fpga (4)

其中T _laser=1/f _laser。

接著由下式計算雷射重複率之量化效應之後的實際通過速度：V _pass=(p ₂-p ₁)/((N _pulse-1)T _laser) (5)

將在移動之型態化段期間消逝的雷射脈衝之數目為：n _start=floor(t _prof/T _laser) (6)

其中floor()函式藉由丟棄該數值之小數值而產生一整數值。

在一些實施例中，可能希望的係，在最後一個雷射脈衝到達切割路徑92之末尾之後，型樣90之恒定速度段將在單個DSP中斷內結束，亦即：

其中n _irq為將在型樣90中該移動之恒定速度段期間消逝之DSP中斷的數目。若按下式來選擇n _irq，則可維持此關係：n _irq=floor((n _pulse)(T _laser/T _s)+1)) (8)

在其中移動型樣90開始之DSP中斷迴圈開始時，緊接著型態化段結束之後直至第一雷射脈衝將到達工件26之表面36為止的時間為：

其中雷射脈衝相位偏移保留於FPGA暫存器中且藉由DSP讀取。

至電流計伺服回圈之位置命令與如由電流計鏡70引導的射束軸24之實際位置之間的滯後時間可藉由下式近似：T _lag=K _lag V _pass (10)

可在通過速度範圍內獨立地表徵雷射定標K _lag。

提前將射束軸24之位置投影於工件26上(如藉由電流計鏡70引導)且考量估計之電流計滯後，對命令將到達p ₁之時間的調整則為：δ _t=t _start-t _prof+t _lag (11)

請注意，在等式(11)中，在等式之右手側加上而非減去電流計滯後時間t _lag係為了考量該滯後之時間方向。

接著藉由針對第一雷射脈衝將投影推遲來計算對型態化移動段之最終位置的調整δ _p(該調整經應用而使得第一脈衝擱在p ₁處)：δ _p=-V _pass δ _t (12)

最後，藉由下式來計算相對於型態化移動段之開始的AOM解除阻擋及阻擋時間：T _unblock=t _start-t _{aom_lead}-T _{aom_prop} (13)及T _block=t _start+((n _pulse-1)T _laser)+T _{aom_lag} (14)

AOM解除阻擋及阻擋時間可按浮點運算來計算且接著轉換成FPGA時脈迴圈之整數數目，使得：n _unblock=round(T _unblock/T _laser) (15)及n _block=round(T _block/T _laser) (16)

所得數目接著將用於FPGA計時器中，以相對於在其中讀取之迴圈對AOM命令進行閘控。

為了驗證此等實施例中之一些，進行一模擬以模仿FPGA及DSP中斷邏輯之行為。藉由接近地仿效即時控制器/電流計嵌入式軟體 (TaskProcessor、ServoThread等)，使用該模擬來捕獲QSW、IRQ、AOM脈衝串及射束軸位置與FPGA時脈頻率水準之時間的關係。

圖3說明在工件26上之掃描場72上在選定(電流計鏡引導)射束軸路線內沿切割路徑92之不同段的單次通過之模擬的時序圖。上部之三個圖意欲說明藉由100MHz下之FPGA及140kHz下之雷射脈衝產生之脈衝串；且下部之兩個圖說明在射束軸24跨越處理場前後掃描時的經電流計引導之射束軸位置(更新為20kHz)。然而，為了清楚起見，誇示上部之雷射圖中所示之雷射脈衝之間的間距。此外，Q開關觸發信號並未示出，而是出現在各雷射脈衝之間的空白區域中。然而，在一些實施例中，Q開關觸發及雷射脈衝發射在切割輪次之間可停滯，只要Q開關觸發及雷射脈衝發射在切割段之前充分地重啟動以重新建立一致且可預測之雷射脈衝參數即可。

類似地，已誇示IRQ信號之間的間距。雷射脈衝以恒定速率自主地行進，而IRQ信號具有其自己之頻率且具有不連續性。

圖4為電流計鏡70之雙軸掃描場72上雷射射束軸24之代表性移動型樣90的俯視平面圖，且圖5為圖4之移動型樣90之放大部分的俯視平面圖，其示出了在雷射通過開始時雷射脈衝之相對位置。參看圖4，切割路徑92形成了在不同方向上進行處理之四個街段(street segment)。可有利地佈署與由本文中揭示之技術提供的脈衝一致性及定位能力結合的脈衝拾取器件以防止過度處理街段之交叉點。

參看圖4及圖5，自SSC上之配方指定的標稱通過速度v _pass及雷射脈衝間隔分別為2850mm/s及20.36μm。在藉由即時軟體調整以滿足 DSP及雷射重複率之約束之後，此等值變成2852mm/s及20.00μm，且針對此特定通過對型態化移動之所得位置調整δ _p為14.89μm。

圖6A為用於實施一些所揭示方法之數位信號處理器中之示例性即時狀態邏輯的時序圖。各步驟之更簡明之處理流可包括：1)以恒定參數觸發雷射，2)計算定時偏移以進行同步，3)即時地計算δ _p及δ _t，4)關於位置及時間來調整構造命令，及5)執行。

圖6B示出了可用掃描場72上的如圖6A之時序圖表示的射束軸移動與脈衝拾取器操作之協調。圖6C為一般流程圖，其關於圖6A之實例示出了對脈衝拾取器件68之示例性指令。

將瞭解，本文中揭示之技術可用于雷射標記、雷射劃片或雷射鑽孔以及用於任何雷射切割操作。另外，本文中揭示之技術可與各種其他切割技術一起使用，諸如詹姆斯.N.奧布賴恩(James N.O’Brien)等人之美國專利第RE 43,440號中描述之分段切割技術，該案以引用方式併入本文中。

前述內容說明了本發明之實施例且不被理解為對其之限制。雖然已描述少許特定實例性實施例，但熟習此項技術者將易於瞭解在並未實質上脫離本發明之新穎教示及優點的情況下對所揭示示例性實施例之許多修改以及其他實施例為可能的。

因此，所有此類修改意欲包括在如申請專利範圍內界定的本發明之範疇內。舉例而言，熟習此項技術者將瞭解任何句子或段落之主題可與其他句子或段落中之一些或全部之主題組合，除了此類組合互斥的情況之外。

熟習此項技術者將顯而易見在不脫離本發明之基礎原理的情況下可對上述實施例之細節作出許多改變。因此，本發明之範疇將由以下申請專利範圍來判定，其中申請專利範圍之等效形式將包括於其中。