TW201545608A - 用於不同波長帶及像素尺寸之最佳功率輸出之可切換雷射及基於光纖之燈箱 - Google Patents

Abstract

本發明揭示用於提供雷射持續之電漿光源之系統及方法。與其中在燈箱中使用一個光纖尺寸及一個波長組合來產生不同帶及像素尺寸之光之習用雷射持續之電漿光源不同，提供可切換光纖尺寸及波長組合用於不同波長帶及像素尺寸之最佳功率輸出。更具體而言，提供其中具有較高泵激功率之較大光纖用於較大像素尺寸及較高波長帶而較小光纖用於較小像素尺寸及較短波長帶的可切換光纖組態。此外及/或另一選擇係，提供其中接近於氣體填充之吸收峰值之泵激波長用於較大像素尺寸而遠離該氣體填充吸收峰值之泵激波長用於較小像素尺寸的泵激方案。

Description

用於不同波長帶及像素尺寸之最佳功率輸出之可切換雷射及基於光纖之燈箱 相關申請案之交叉參考

本申請案依據35 U.S.C.§ 119(e)主張於2014年3月18日提出申請之第61/954,996號美國臨時申請案之權益，該第61/954,996號美國臨時申請案特此藉由全文引用之方式併入本文中。

本發明一般而言係關於檢驗工具之領域，特定而言係關於利用雷射持續之電漿光源之檢驗工具。

雷射持續之電漿光源可用於各種應用。舉例而言，某些檢驗工具可使用雷射持續之電漿光源來進行產品檢驗。在此等工具中，來自一個多千瓦二極體雷射之光用於通常使電漿在一習用氙或汞氙弧燈中持續。各種其他類型之介質亦可用來使電漿持續。

本發明針對一種用於控制一基於光纖之照明系統之方法。該方法包含：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自一光源遞送至該照明系 統之一燈箱。

本發明之又一實施例針對一種照明系統。該照明系統包含至少一個光源、一燈箱、複數個可用光纖輸入及一控制器。該控制器經組態以：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自該至少一個光源遞送至該燈箱。

本發明之一額外實施例亦針對一種照明系統。該照明系統包含至少一個光源、一燈箱及裝納於一光纖切換機構中之複數個可用光纖輸入。該光纖切換機構經組態以利用對應於該複數個可用光纖輸入之鏡在該複數個可用光纖輸入之間切換。該照明系統亦包含一控制器，該控制器經組態以：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自該至少一個光源遞送至該燈箱。

應理解，前述一般說明及以下詳細說明兩者皆僅係例示性及闡釋性的且不必限制本發明。併入說明書中且構成說明書之一部分之隨附圖式圖解說明本發明之標的物。說明與圖式一起用於闡釋本發明之原理。

100‧‧‧光纖切換機構

102‧‧‧燈箱

104‧‧‧光纖/光纖輸入

104a‧‧‧光纖輸入1/輸入1/光纖輸入

104c‧‧‧光纖輸入3

104d‧‧‧輸入4/特定光纖輸入

106‧‧‧鏡/翻轉鏡

106b‧‧‧鏡2

106c‧‧‧鏡/鏡3

108‧‧‧束集堆

110‧‧‧輔助雷射輸入

112‧‧‧二向色濾光器

114‧‧‧雷射源

114a‧‧‧共用雷射源1

114b‧‧‧光纖雷射源2

116‧‧‧控制器

300‧‧‧例示性光纖束/束/光纖束

302‧‧‧光纖

308‧‧‧光纖

310‧‧‧冷卻限制

熟習此項技術者可藉由參考附圖而較佳地理解本發明之眾多優點，在附圖中：圖1係繪示一光纖切換機構之一圖解說明；圖2係繪示具有一輔助輸入之一光纖切換機構之一圖解說明；圖3係一光纖束之一剖面圖；及圖4係圖解說明用於提供及控制用於最佳功率輸出之一可切換 雷射及基於光纖之燈箱之一方法之流程圖。

現在將詳細參考圖解說明於隨附圖式中之所揭示之標的物。

利用雷射持續之電漿光源之工具通常受益於來自此等光源之經增加輸出功率。為了滿足對可收集功率之日益增長之需要，必須增加雷射泵激功率。隨著雷射泵激功率增加，電漿開始在尺寸上增長且在中心之亮度上飽和。由於光源僅自電漿之中心收集光，因此使泵激功率增加至一特定位凖以上不導致可用功率之一對應增加。

為了有效地增加可收集輸出功率，可使多個雷射參數變化以減輕電漿亮度飽和度且最佳化可收集功率。舉例而言，雷射泵激波長係用於達成較高可收集功率之一關鍵參數，此乃因電漿尺寸依據雷射泵激波長而變化。在所選擇之氣體介質之強烈吸收之波長下，可以較低雷射強度使電漿持續。因此，電漿可自雷射之絕對焦點延伸更遠，從而導致電漿之尺寸上之一增長。因此，選擇的泵激波長應遠離氣體介質之任一吸收峰值。

電漿亮度亦依據所選擇之遞送光纖尺寸而變化。一較小光纖尺寸將在電漿位置處具有一較緊密焦點，此導致緊密且明亮電漿。然而，可以一給定波長耦合至一光纖中之最大雷射功率受限於該光纖之尺寸。 為了增加泵激功率，可耦合多個波長，但此耦合使得難以最佳化用於較小光纖尺寸之泵激波長。針對較大光纖尺寸，可使用較少波長來達成相同泵激功率，但此等光纖之焦點並不同樣緊密。用以克服此限制之一項技術係使用內在地具有一較佳光束品質之光纖雷射(其中增益介質係一光學光纖而非一個二極體)。此等雷射可以僅一個波長將功率類似於或高於二極體雷射之光耦合於一小得多之光纖(幾十微米至幾百微米)中。然而，此等雷射比二極體雷射昂貴。出於說明性目的，下表概述某些不同光纖尺寸之優點及缺點：

基於雷射路線圖，需要一較大光纖尺寸或者將更多波長耦合至光纖中來增加輸出功率。當在具有較高泵激功率之情況下增加光纖尺寸時，儘管將存在針對較大像素尺寸之可收集輸出功率之一增加，但電漿將在尺寸上增長且變得愈來愈暗淡。此將導致針對較小像素之可收集輸出功率之一減少。即使針對較大像素，較大光纖可導致針對較短波長之可收集功率之一減少，此乃因此等波長大部分在電漿之中心處產生且使用一較大光纖導致電漿在中心之亮度之一減少。

本發明針對用於提供不具有上述缺點之雷射持續之電漿光源之系統及方法。與其中在燈箱中使用一個光纖尺寸及一個波長組合來產生不同帶及像素尺寸之光之習用雷射持續之電漿光源不同，提供可切換光纖尺寸及波長組合用於不同波長帶及像素尺寸之最佳功率輸出。更具體而言，在根據本發明之某些實施例中，提供其中具有較高泵激功率之較大光纖用於較大像素尺寸及較高波長帶而較小光纖用於較小像素尺寸及較短波長帶的可切換光纖組態。此外及/或另一選擇係，提供其中接近於氣體填充之吸收峰值之泵激波長用於較大像素尺寸而遠離該氣體填充吸收峰值之泵激波長用於較小像素尺寸的泵激方案。

現在參考圖1，展示根據本發明之一項實施例之燈箱102上之一光纖切換機構100之一廣義實施方案之一示意圖。如此圖中所繪示， 若干個(n個)光纖104連接至光纖切換機構100以提供燈箱102之照明。此等n個光纖104可在尺寸上不同且可選擇性地/有條件地經嚙合或解嚙合。複數個翻轉鏡106亦定位於光纖切換機構100中。藉由引入一適合翻轉鏡106，來自一特定光纖104之光可光學地耦合至燈箱102中。舉例而言，所有鏡106可自光纖輸入1(104A)與燈箱102之間的光學路徑經移除以將光纖輸入1(104A)光學地耦合至燈箱102中。在另一實例中，鏡3至鏡n-1可自鏡2(106B)與燈箱102之間的光學路徑經移除以將光纖輸入3(104C)光學地耦合至燈箱102。應理解，可以類似於上文所闡述之方式達成其他光纖輸入與燈箱102之間的耦合。

預期僅出於說明性目的而將提供於光纖切換機構100中之鏡106繪示為翻轉鏡。此等鏡不需要翻轉入及翻轉出光學路徑且可實施其他類型之實體移動(例如，滑動或諸如此類)以相應地定位該等鏡。

亦預期可不必實體上移動鏡106以完成光纖切換。舉例而言，可實施波長耦合技術，其中對應於一特定光纖輸入(例如，輸入4，104D)之一鏡(例如，鏡3，106C)經組態以僅朝向燈箱102反射彼特定光纖輸入104D之波長，且彼鏡106C可不對任何其他光纖輸入(例如，輸入1，104A)產生任何光學影響，即使彼鏡106C實體上定位於光纖輸入104A與燈箱102之間的光學路徑上。類似地，可實施偏振耦合技術，其中對應於一特定光纖輸入之一鏡經組態以僅反射具有一匹配偏振之輸入。預期其他耦合技術(諸如空間耦合或諸如此類)亦可用來完成光纖切換。

根據本發明，不同光纖輸入104可自一單個雷射或不同雷射傳出。在一項例示性實施方案中，利用四個不同光纖尺寸(0.2mm、0.6mm、1mm及2mm)，其中三個較大光纖尺寸遞送來自一共用雷射源1(114A)之光而最小光纖遞送來自一光纖雷射源2(114B)之光。在另 一實例中，為了減少成本，不需要0.2mm光纖且所有光纖輸入皆來自一共用雷射源(例如，一個二極體雷射)。該共用雷射源可裝備有光束切換器以用作不同光纖之照明源。一般而言，較大光纖尺寸可在工具經組態以用於較大像素尺寸或較長波長時使用。光纖可在工具經組態以用於較小像素尺寸或較短波長/寬頻帶光時切換至一較小尺寸。 應理解，此等實施方案僅係例示性的；可利用來自各種雷射源114之各種光纖尺寸，而未不背離本發明之精神及範疇。

亦應理解，在切換過程期間使電漿持續係重要的。為了完成此，在特定實施例中，在當前所使用之光纖停止之前於接下來將使用之光纖中發送泵激雷射光。舉例而言，若當前正使用光纖輸入1(104A)且光纖切換機構100需要將輸入切換至光纖輸入3(104C)，則應在將光纖輸入1解嚙合之前嚙合光纖輸入3。若光纖輸入1及光纖輸入3共用相同泵激雷射源，則可在兩個光纖之間相等地劃分總功率。一旦光開始自兩個光纖傳出，其對應鏡便可定位於如上文所闡述之適當位置中。若利用翻轉鏡，則該等翻轉鏡可經組態以在兩側上係反射的，使得在切換過程期間過量泵激雷射光可經引導朝向束集堆108。隨後，在完成切換過程之後，可停止最初所使用之光纖(以上實例中之光纖輸入1)中之光且可通過新光纖(以上實例中之光纖輸入3)遞送用於燈箱之全部雷射泵激光。

另一選擇係，獨立於其餘切換機構之一輔助雷射輸入可用來在切換過程期間使電漿持續。參考圖2，繪示亦稱作電漿持續型雷射輸入之輔助雷射輸入110。此輔助雷射輸入110提供來自一電漿持續型雷射之一光纖。在一項實施例中，僅在光纖切換時接通電漿持續型雷射。此雷射可以不同於其餘雷射之一波長操作，使得可在不影響其餘光纖輸入之操作之情況下使用一個二向色濾光器112將光發送至燈箱102中。應理解，圖2中所展示之輔助雷射輸入110僅係例示性的。 在不背離本發明之精神及範疇之情況下，定位於一或多個不同位置處之一或多個輔助雷射輸入源可用來使電漿持續。

此外，應注意，每一光纖輸入104不需要限制於一固定光纖尺寸。亦即，一光纖輸入104可以允許特定光纖輸入104在不同尺寸之間切換之一可調整方式經組態。在一項實施例中，多個光纖集束在一起以通過同一光纖輸入將光遞送出。圖3係圖解說明一例示性光纖束300之一剖面圖。

如圖3中所繪示，多個光纖302至光纖308沿相同方向經定向且儘可能靠近地定位，彼此分開僅其冷卻限制310(例如，約5mm)。儘管四個光纖302至光纖308繪示於此實例中，但應理解，在不背離本發明之精神及範疇之情況下待集束之光纖之具體數目及其特定尺寸可取決於具體應用而變化。

束300之剖面與其對應雷射/照明源之間的相對位置係可調整的。此允許束300內之不同光纖用作遞送光纖。為了在此一束300內之光纖之間進行一切換，功率自傳出遞送光纖逐漸分佈至傳入遞送光纖。一旦傳入遞送光纖移動至適當位置中，全功率便自傳入遞送光纖傳出。

應注意，在此切換過程期間，傳出遞送光纖及傳入遞送光纖兩者皆可遞送雷射功率，即使雷射功率可以次最佳位凖經遞送。因此，電漿位置及形狀亦可係次最佳的。然而，由於此切換過程極其短暫，因此不利影響係可忽略的。更重要的係，由於傳出遞送光纖及傳入遞送光纖兩者皆在此切換過程期間遞送雷射功率，因此電漿可仍然持續且維持在大約相同溫度。因此，不需要重新啟動燈且不需要調整冷卻。

預期如上文所闡述之光纖束300可由一或多個光纖輸入104利用。以此方式，一束300內之光纖切換可與不同光纖輸入104當中之光纖切換一起使用。另一選擇係，在不具有光纖切換機構100之情況下，一光纖束300可獨立地用於提供一燈箱之照明且仍然提供在不同 光纖之間切換之能力。

應重申，提供在不同光纖之間切換之能力係有益的，此乃因其允許在工具於不同光學狀態下操作時最佳化燈箱功率輸出。舉例而言，當一使用者或一檢驗工具選擇一特定光學狀態時，照明系統之控制器116可針對此使用情形自動選擇最佳光纖尺寸，使得來自選定光纖之光經引導朝向燈箱。一般而言，一較大光纖允許泵激適合用於產生針對較大像素尺寸及較大波長之較高原始功率的較高雷射功率。另一方面，一較小光纖導致一較緊密且較明亮電漿，其導致較小像素及波長之經改良效能。

現在參考圖4，展示繪示用於提供及控制用於最佳功率輸出之一可切換雷射及基於光纖之燈箱之一方法400之一流程圖。可切換雷射及基於光纖之燈箱可由一控制器(例如，一電腦處理器或諸如此類)控制。如圖4中所繪示，在接收到一當前光學狀態及/或要求之後，控制器旋即可在步驟402中判定用於此特定光學狀態及/或要求之一最佳光纖尺寸。該控制器可接著在步驟404中基於所判定之最佳光纖尺寸而在複數個不同可用光纖當中選擇一或多個光纖以將光遞送至燈箱。 隨後，在步驟406中由控制器選擇之一或多個光纖可切換至其對應經嚙合位置中且用來將光遞送至燈箱。

預期可利用先前所闡述之各種切換技術將一或多個選定光纖切換至其對應經嚙合位置中。此外，可在利用某些切換技術時配備一或多個輔助電漿持續型雷射輸入。亦預期如上文所闡述之可切換雷射及基於光纖之照明系統及方法並不限於提供檢驗工具之照明。在不背離本發明之精神及範疇之情況下，根據本發明之實施例之照明系統可用於各種不同應用中。

應理解，可以一硬體/軟體/韌體封裝之形式實施本發明。此一封裝可係採用一電腦可讀儲存媒體/裝置之一電腦程式產品，該電腦可 讀儲存媒體/裝置包含用於程式化一電腦以執行本發明之所揭示功能及過程之所儲存電腦碼。該電腦可讀媒體可包含但並不限於任一類型之習用軟碟、光碟、CD-ROM、磁碟、硬碟機、磁光碟、ROM、RAM、EPROM、EEPROM、磁或光學卡或用於儲存電子指令之任何其他適合媒體。

所揭示之方法可透過一單個生產裝置及/或透過多個生產裝置實施為指令集。進一步地，應理解，所揭示之方法中之具體步驟次序或層次係例示性方法之實例。基於設計偏好，應理解該方法中之具體步驟次序或層次可在保持於本發明之範疇及精神內時經重新配置。隨附方法請求項以一樣本次序呈現各種步驟之元素，而未必意欲限制於所呈現之具體次序或層次。

據信，藉由前述說明將理解本發明之系統及方法及其諸多隨附優點，且將明瞭可在不背離所揭示之標的物或不犧牲所有其材料優點之情況下在組件之形式、構造及配置方面作出各種改變。所闡述之形式僅係闡釋性的。

Claims (20)

1. 一種用於控制一基於光纖之照明系統之方法，該方法包括：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自一光源遞送至該照明系統之一燈箱。
2. 如請求項1之方法，其進一步包括：判定適合用於一第二照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之用於該第二照明要求之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入以將光自該光源遞送至該照明系統之該燈箱。
3. 如請求項2之方法，其中利用對應於該第一次提及之至少一個光纖輸入及該第二次提及之至少一個光纖輸入之鏡完成該將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入。
4. 如請求項2之方法，其中將該第一次提及之至少一個光纖輸入及該第二次提及之至少一個光纖輸入集束於一光纖束內，且其中藉由該光纖束內之光纖切換完成該將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入。
5. 如請求項2之方法，其進一步包括：在該替換期間利用一輔助輸入將光遞送至該照明系統之該燈箱。
6. 如請求項1之方法，其中該複數個可用光纖輸入中之至少兩者 在尺寸上不同。
7. 如請求項1之方法，其中該判定一最佳光纖尺寸係基於以下各項中之至少一者：一像素尺寸要求及一波長要求。
8. 如請求項1之方法，其中該基於光纖之照明系統係一雷射持續之電漿照明系統。
9. 一種照明系統，其包括：至少一個光源；一燈箱；複數個可用光纖輸入；及一控制器，其經組態以：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自該至少一個光源遞送至該燈箱。
10. 如請求項9之照明系統，其中該控制器進一步經組態以：判定適合用於一第二照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之用於該第二照明要求之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入以將光自該至少一個光源遞送至該燈箱。
11. 如請求項10之照明系統，其中該複數個可用光纖輸入裝納於一光纖切換機構中，且其中該光纖切換機構經組態以利用對應於該第一次提及之至少一個光纖輸入及該第二次提及之至少一個光纖輸入之鏡而將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入。
12. 如請求項10之照明系統，其中該複數個可用光纖輸入集束於一光纖束內，且其中該控制器經組態以藉由該光纖束內之光纖切換而將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入。
13. 如請求項10之照明系統，其進一步包括：一輔助輸入，該輔助輸入經組態以在將該第一次提及之至少一個光纖輸入替換為該第二次提及之至少一個光纖輸入時將光遞送至該燈箱。
14. 如請求項9之照明系統，其中該複數個可用光纖輸入中之至少兩者在尺寸上不同。
15. 如請求項9之照明系統，其中該控制器經組態以基於以下各項中之至少一者而判定該最佳光纖尺寸：一像素尺寸要求及一波長要求。
16. 如請求項9之照明系統，其中該照明系統係一雷射持續之電漿照明系統。
17. 一種照明系統，其包括：至少一個光源；一燈箱；裝納於一光纖切換機構中之複數個可用光纖輸入，其中該光纖切換機構經組態以利用對應於該複數個可用光纖輸入之鏡而在該複數個可用光纖輸入之間切換；及一控制器，其經組態以：判定適合用於一給定照明要求之一最佳光纖尺寸；基於該所判定之最佳光纖尺寸而在該複數個可用光纖輸入當中選擇至少一個光纖輸入；及利用該選定至少一個光纖輸入將光自該至少一個光源遞送 至該燈箱。
18. 如請求項17之照明系統，其進一步包括：一輔助輸入，該輔助輸入經組態以在該光纖切換機構於該複數個可用光纖輸入之間切換時將光遞送至該燈箱。
19. 如請求項17之照明系統，其中該控制器經組態以基於以下各項中之至少一者而判定該最佳光纖尺寸：一像素尺寸要求及一波長要求。
20. 如請求項17之照明系統，其中該照明系統係一雷射持續之電漿照明系統。