TW201710007A - 聚光點檢測裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種聚光點檢測裝置。所述裝置包括：光源，經設置以射出加工束；第一分束器，設置至光源與對上述加工束進行聚光的聚光光學系統之間，且經設置以反射自加工對象物反射的反射束中的至少一部分；第一透鏡部，經設置以對自上述第一分束器反射的上述反射束進行聚焦；及第一光感測器，自上述透鏡部設置於上述反射束聚焦的方向上，經設置以對藉由上述第一透鏡部而聚焦的上述反射束的能量密度進行測定。

Description

對焦點偵測裝置

本發明揭示一種聚光點檢測裝置，且揭示一種對雷射束聚焦至加工物的位置進行調節的技術。

通常，雷射加工製程是指向加工對象物的表面掃描雷射束而對加工對象物表面的形狀或物理性質等進行加工的製程。加工對象物可有多個例，且其形狀可為二維平面形狀。作為雷射加工的例，可包括雷射標記、雷射切割及雷射刻槽（grooving）製程等。

為了提高雷射加工的精確度，重要的是良好地調節自光源出射的雷射束的聚光點的位置。另外，為了調節雷射束的聚光點位置，應測定雷射束的聚焦點形成至加工物上的哪一位置。

於先前的雷射加工裝置中，為了間接地獲知雷射束的聚光點，與將雷射光聚光的聚光透鏡並列設置有用以測定加工對象物的表面高度的測定部。此種雷射加工裝置一面對加工對象物的表面進行掃描，一面藉由測定部對加工對象物的表面高度進行測定，根據以此方式測定到的表面高度而以聚光透鏡與加工對象物表面的距離變得固定的方式驅動聚光透鏡。藉此，即便加工對象物的表面凹凸不平，亦可始終使雷射光的聚光點位於加工對象物的表面而執行雷射加工作業。

然而，於如上所述的先前的雷射加工裝置中，聚光透鏡與測定部彼此相隔固定距離而設置，故而會因載置加工對象物的平台振動等而加工對象物的實際表面高度與藉由測定部測定到的表面高度之間產生誤差，因此雷射光的聚光點位置會脫離所意欲的位置。

作為其他示例，亦有追蹤加工束於加工物反射的反射束的路徑而倒推加工束的聚光點位置的方法。然而，於該情形時，會因加工物的厚度變化、位於雷射束路徑上的掃描儀或透鏡等驅動光學系統的誤差而無法獲知聚光點位置，或即便獲知聚光點位置，可靠性亦降低。

[發明欲解決的課題] 根據例示性的實施例，提供一種檢測雷射加工束的聚光點位置的聚光點檢測裝置。 [解決課題的手段]

於一觀點中，提供一種聚光點檢測裝置，其檢測雷射加工束的聚光點位置，上述聚光點檢測裝置包括： 第一分束器，設置至出射上述加工束的光源與對上述加工束進行聚光的聚光光學系統之間，反射自上述加工對象物反射的反射束中的至少一部分； 第一透鏡部，對自上述第一分束器反射的上述反射束進行聚焦；及 第一光感測器，自上述第一透鏡部設置於上述反射束聚焦的方向上，對藉由上述第一透鏡部聚焦的上述反射束的能量密度進行測定。

可根據由上述第一光感測器測定到的上述反射束的能量密度而確定上述聚光光學系統的位置。

上述聚光點檢測裝置可更包括第二分束器，上述第二分束器將自第一分束器反射的反射束分割成第一反射束及第二反射束。

上述第一反射束入射至上述第一透鏡部， 上述聚光點檢測裝置可包括：第二透鏡部，供上述第二反射束入射；及第二光感測器，自上述第二透鏡部設置於上述第二反射束聚焦的方向上，對藉由上述第二透鏡部聚焦的上述第二反射束的能量密度進行測定。

可根據由上述第一光感測器測定到的上述第一反射束的能量密度、及由上述第二光感測器測定到的上述第二反射束的能量密度而確定上述聚光光學系統的位置。

可根據上述第一反射束的能量密度與上述第二反射束的能量密度的差值確定上述聚光光學系統的位置。

上述第一光感測器能夠以較上述第一透鏡部的焦距遠離上述第一透鏡部的方式設置， 上述第二光感測器以較上述第二透鏡部的焦距接近上述第二透鏡部的方式設置。

上述第一光感測器能夠以較上述第一透鏡部的焦距接近上述第一透鏡部的方式設置， 上述第二光感測器以較上述第二透鏡部的焦距遠離上述第二透鏡部的方式設置。

上述聚光點檢測裝置可更包括：第三分束器，變更由上述第二分束器分割所得的第二反射束的行進方向；及 測定用光源，向上述第三分束器出射測定用光束。

上述第一分束器可反射上述測定用光束於上述加工對象物反射的反射束中的至少一部分。

自上述測定用光源出射的測定用光束的波長與自上述雷射光源出射的光的波長不同， 上述第一分束器可使自上述雷射光源出射的光透射，且使自上述測定用光源出射的測定用光束反射。

上述聚光點檢測裝置可更包括第二分束器，上述第二分束器將藉由上述第一透鏡部聚焦的上述反射束分割成第一反射束及第二反射束。

上述第一光感測器設置至上述第一反射束的行進路徑，可對上述第一反射束的能量密度進行測定。

上述聚光點檢測裝置可更包括第二光感測器，上述第二光感測器設置至上述第二反射束的行進路徑，對上述第二反射束的能量密度進行測定。

可根據由上述第一光感測器測定到的上述第一反射束的能量密度、及由上述第二光感測器測定到的上述第二反射束的能量密度確定上述聚光光學系統的位置。 [發明效果]

根據實施例，提供一種即便發生聚光光學系統的變動、加工物的厚度變化，亦可精確且穩定地檢測加工束的聚光點位置的聚光點檢測裝置。

於以下圖式中，相同的參照符號代表相同的構成要素，且於圖式中，為了說明的明確性及便利性，可誇張地表示各構成要素的尺寸。另一方面，以下所說明的實施例僅為示例，可根據這些實施例實現各種變形。

第一、第二等用語可用於說明各種構成要素，但構成要素不應受用語的限定。用語僅以自其他構成要素區分一個構成要素為目的而使用。

只要未於文中明確地表示其他含義，則單數的表達包括複數的表達。並且，於記載為某個部分“包括”某個構成要素時，只要無特別相反的記載，則意味著可更包括其他構成要素，而並非是指排除其他構成要素。

並且，說明書中所記載的“…部”、“模組”等用語是指對至少一個功能或動作進行處理的單位。

圖1是概略性地表示例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖1，自光源10出射的加工束L1可經由聚光光學系統20照射至加工物30。聚光光學系統20可對加工束L1進行聚光。於圖1中，例示性地表示聚光光學系統20包括一個透鏡，但並不限制於此。聚光光學系統20只要變更加工束L1的光路徑而將加工束L1聚光即可，亦可包括多個光學要素。並且，於圖1中，表示加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面的例，但加工束L1的聚光點位置可根據雷射加工特性而改變。

實施例的聚光點檢測裝置可檢測通過聚光光學系統20的加工束L1的聚光點距加工物30的表面的距離。若聚光點檢測裝置向使用者提供與加工束L1的聚光點距加工物30表面的距離相關的資訊，則使用者可基於上述聚光點位置資訊而變更聚光光學系統20的設置。可手動實現聚光光學系統20的設置變更，亦可藉由實施例的聚光點檢測裝置而自動實現。雖未圖示，但於自動調節聚光光學系統20的位置的情形時，聚光點檢測裝置亦可包括對聚光光學系統的位置進行調節的驅動裝置。

為了檢測加工束L1的聚光點位置，聚光點檢測裝置對自加工物30反射的反射束L2進行測定。聚光點檢測裝置可包括反射上述反射束L2中的至少一部分的第一分束器110。第一分束器110可將自加工物30反射的反射束L2全部反射，亦可僅反射一部分。並且，入射至第一分束器110的加工束L1可全部透射第一分束器110，亦可為一部分透射而入射至加工物30、另一部分反射。若自光源10出射的加工束L1與自加工物反射的反射束L2的波長不同，則第一分束器110亦可為僅針對反射束L2的波長反射光束，針對加工束L1的波長而使光束透射。於該情形時，能夠以反射特定波長的光束、使其他波長的光束透射的方式塗覆處理第一分束器110的表面。

聚光點檢測裝置可包括第一透鏡部132，上述第一透鏡部132將路徑因第一分束器110而變更的反射束L2聚焦（focusing）。第一透鏡部132可為可將反射束L2聚焦的光學元件。於圖1中，將第一透鏡部132表示為半凸透鏡，但實施例並不限制於此。第一透鏡部132只要可將反射束L2聚焦即可，可不同地變更第一透鏡部132所包括的透鏡形狀。並且，於圖1中，表示第一透鏡部132包括一個透鏡的例，但實施例並不限制於此。例如，第一透鏡部132可包括多個透鏡。不僅如此，如下所述，包括於第一透鏡部132的透鏡並不限定於凸透鏡，亦可包括凹透鏡。其中，第一透鏡部132可包括至少一個聚光透鏡，以便將通過第一透鏡部132的光束聚焦。

聚光點檢測裝置可包括對藉由第一透鏡部132而聚焦的反射束L2的能量密度進行測定的第一光感測器142。第一光感測器142可自第一透鏡部132設置於反射束L2聚焦的方向上。於圖1中，例示性地表示如下情形：第一光感測器142較第一透鏡部132的焦距f進一步遠離第一透鏡部132距離d0。然而，圖1所示的第一光感測器142的位置僅為示例，並不限制於此。例如，第一光感測器142亦可較第一透鏡部132的焦距f更小地遠離第一透鏡部132。

第一光感測器142可對通過第一透鏡部132的反射束L2的能量密度進行測定。此處，所謂反射束L2的能量密度是指自反射束L2的入射面傳遞的單位面積能量。於反射束L2的聚光區域較窄的區域中，反射束L2的能量密度相對較大，於反射束L2的入射面積較大的區域中，反射束L2的能量密度會相對較小。即，若第一光感測器142的位置接近通過第一透鏡部132的反射束L2的聚光點，則由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度較大。相反地，若第一光感測器142的位置遠離通過第一透鏡部132的反射束L2的聚光點，則由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會較小。

圖2是表示圖1所示的聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化的例的圖。

參照圖2，加工物30與聚光光學系統20之間的距離變得大於圖1所示的距離。因此，通過聚光光學系統20的加工束L1的聚光點可形成至加工物30的表面上。因加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面上而自加工物30的表面反射的反射束L2入射至聚光光學系統20的角度會發生變化。另外，因入射至聚光光學系統20的反射束L2的角度發生變化而反射束L2入射至第一分束器110的角度亦會發生變化。如圖2所示，若加工束L1的聚光點位於加工物30的表面上，則與圖1的情形不同，自第一分束器110反射的反射束L2的光束尺寸會逐漸變小。另外，因此而通過第一透鏡部132的反射束L2的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f'會變得小於第一透鏡部132的焦距f。

因反射束L2的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f'變小而第一光感測器142與反射束L2的聚光點之間的距離d1會變得大於圖1所示的距離d0。因此，由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會減少。即，若於如圖1般配置第一光感測器142的狀態下，如圖2所示般進一步遠離聚光光學系統20的方式配置加工物30的位置，則由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會減少。

圖3是表示圖1所示的聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化的另一例的圖。

參照圖3，加工物30與聚光光學系統20之間的距離變得小於圖1所示的距離。因此，通過聚光光學系統20的加工束L1於形成聚光點前，會於加工物30的表面反射。因此，於加工物30的表面反射的反射束L2入射至聚光光學系統20的角度會發生變化。另外，因入射至聚光光學系統20的反射束L2的角度發生變化而反射束L2入射至第一分束器110的角度亦會發生變化。如圖3所示，若於形成加工束L1的聚光點前，加工束L1於加工物30的表面反射，則於第一分束器110反射的反射束L2的光束尺寸會逐漸變大。另外，因此而通過第一透鏡部132的反射束L2的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f''會變得大於第一透鏡部132的焦距f。

因反射束L2的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f''變大而第一光感測器142與反射束L2的聚光點之間的距離d2會變得小於圖1所示的距離d0。因此，由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會增加。即，若於如圖1般配置第一光感測器142的狀態下，加工物30與聚光光學系統20之間的距離變大，則由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會增加。

如參照圖1至圖3進行的說明，因聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化而由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會發生變化。即，可根據由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度而確定聚光光學系統20的位置。因此，根據由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度可知加工束L1的聚光點是否準確地形成於加工物30的表面、是否形成於高於加工物30的表面的位置、或加工束L1於形成聚光點前是否於加工物30反射。

於圖1中，表示較第一透鏡部132的焦距更遠地設定第一光感測器142的位置距第一透鏡部132的距離的情形，但實施例並不限制於此。

例如，第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離可小於第一透鏡部132的焦距。即，於加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面的狀態下，通過第一透鏡部132的反射束L2的聚光點可較第一透鏡部132更遠離第一光感測器142。於該情形時，與圖1不同，若反射束L2的聚光點接近第一透鏡部132，則由第一光感測器142測定到的能量密度會變大。並且，若反射束L2的聚光點遠離第一透鏡部132，則由第一光感測器142測定到的能量密度會變小。即，若加工物30遠離聚光光學系統20，則由第一光感測器142測定到的能量密度會增加，若加工物30接近聚光光學系統20，則由第一光感測器142測定到的能量密度會減少。因此，可根據由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度而確定聚光光學系統的位置。

於圖1至圖3中，利用於加工物30的上部表面反射的反射光檢測聚光點的位置，但實施例並不限制於此。圖4是表示圖1所示的實施例的變形例的圖。

參照圖4，第一透鏡部132可將於加工物30的下表面Sd反射的反射光L2聚光。於加工物30的上表面Su的透光率較高的情形時，在加工物30的上表面Su反射的反射光Lu的強度較弱而難以用於檢測聚光點。並且，若於加工物30的上表面Su反射的反射光Lu通過第一分束器110而擴散，則難以於第一透鏡部132聚光。於該情形時，藉由第一透鏡部132將如圖4所示般透射至加工物30的內部而於加工物30的下表面Sd反射的反射光L2聚光，藉此聚光點檢測裝置可檢測聚光光學系統20的聚光點。

圖5是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖5，聚光點檢測裝置可更包括將反射束L2分割成第一反射束L21與第二反射束L22的第二分束器120。如參照圖1至圖4進行的說明，由第二分束器120分割所得的光束中的第一反射束L21可入射至第一透鏡部132。聚光點檢測裝置可包括：第二透鏡部134，供第二反射束L22入射；及第二光感測器144，對藉由第二透鏡部而聚焦的第二反射光的能量密度進行測定。

如圖5，若第二分束器120分割反射束L2，則隨著加工物30與聚光光學系統20之間的距離發生變化而由第一光感測器142測定到的第一反射束的能量密度、及由第二光感測器144測定到的第二反射束的能量密度會一同發生變化。第一光感測器142較第一透鏡部132的焦距更遠離第一透鏡部132。相反地，第二光感測器144能夠以較第二透鏡部134的焦距更接近第二透鏡部134的方式設置。如上所述，若確定第一光感測器及第二光感測器144的位置，則與聚光光學系統20與加工物30之間的距離變化對應地由第一光感測器及第二光感測器144測定到的能量密度的變化感度會變高。因聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化而由第一光感測器142與第二光感測器144測定到的光束的能量密度朝不同方向發生變化，故而可容易地觀察到第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值之間的差異變化。於圖5中，表示第一光感測器142較第一透鏡部132的焦距更遠離第一透鏡部132，且第二光感測器144較第二透鏡部134的焦距更接近第二透鏡部134的情形，但實施例亦包括相反的情形。

圖6是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖6，聚光點檢測裝置可更包括變更第二反射束L22的路徑的鏡面122。如圖6所示，若改變第二反射束L22的路徑，則可將第一透鏡部132及第二透鏡部134構成至相同方向。另外，因第一反射束L21及第二反射束L22沿相同方向行進而可進一步縮小聚光點檢測裝置的設置空間。如圖6，若設置兩個以上的光感測器142、144，則可藉由對由光感測器142、144測定到的光能量密度進行比較而抵消除聚光光學系統20與加工物30之間的距離變化以外因雜訊等其他原因引起的測定值變化。

與圖5不同，於圖6中表示第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離l1大於第一透鏡部132的焦距f1，且第二光感測器144與第二透鏡部134之間的距離l2亦大於第二透鏡部134的焦距f2的情形，但實施例亦可包括其他例。例如，可為第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離l1小於第一透鏡部132的焦距f1，且第二光感測器144與第二透鏡部134之間的距離l2亦小於第二透鏡部134的焦距f2。另外，作為其他例，亦可為第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離l1大於第一透鏡部132的焦距f1，相反地，第二光感測器144與第二透鏡部134之間的距離l2小於第二透鏡部134的焦距f2。作為其他例，亦可為第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離l1小於第一透鏡部132的焦距f1，相反地，第二光感測器144與第二透鏡部134之間的距離l2大於第二透鏡部134的焦距f2。

圖7是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖7，與圖5相同，可為第一光感測器142與第一透鏡部132之間的距離l1大於第一透鏡部132的焦距f1，第二光感測器144與第二透鏡部134之間的距離l2小於第二透鏡部134的焦距f2。如上所述，若距離l1與焦距f1之間的關係、與距離l2與焦距f2之間的關係彼此相反，則隨著聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化而由第一光感測器142及第二光感測器144測定到的測定值會朝向不同方向發生變化。藉此，如下所述，可進一步明確地確認由第一光感測器142及第二光感測器144測定到的測定值的差異。

圖8是表示圖7所示的聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化的例的圖。

參照圖8，加工物30與聚光光學系統20之間的距離變得大於圖7所示的距離。因此，通過聚光光學系統20的加工束L1的聚光點可形成至加工物30的表面上。因加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面上而於加工物30的表面反射的反射束L2入射至聚光光學系統20的角度會發生變化。另外，因入射至聚光光學系統20的反射束L2的角度發生變化而反射束L2入射至第一分束器110的角度亦會發生變化。並且，反射束L2入射至第二分束器120的角度亦會發生變化。如圖7所示，若加工束L1的聚光點位於加工物30的表面上，則與圖7的情形不同，由第二分束器110分割所得的第一反射束L21與第二反射束L22的光束尺寸會逐漸變小。另外，因此而第一反射束L21的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f1'會變得小於第一透鏡部132的焦距f1。並且，第二反射束L22的聚光點與第二透鏡部134之間的距離f2'會變得小於第二透鏡部134的焦距f2。

第一反射束L21的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f1'、第一光感測器142與第一反射束L21的聚光點之間的距離t1'可變得大於圖7所示的距離t1。相反地，第二光感測器144與第二反射束L22的聚光點之間的距離t2'可變得小於圖7所示的距離t2。因此，若加工物30與聚光光學系統20之間的距離變小，則由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度變少，相反地，由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度會變大。

圖9是表示圖7所示的聚光光學系統20與加工物30之間的距離發生變化的另一例的圖。

參照圖9，加工物30與聚光光學系統20之間的距離變得小於圖7所示的距離。因此，通過聚光光學系統20的加工束L1於形成聚光點前，會於加工物30的表面反射。加工束L1於形成聚光點前在加工物30的表面反射而於加工物30的表面反射的反射束L2入射至聚光光學系統20的角度會發生變化。另外，因入射至聚光光學系統20的反射束L2的角度發生變化而反射束L2入射至第一分束器110的角度亦會發生變化。並且，反射束L2入射至第二分束器120的角度亦會發生變化。如圖8所示，若加工束L1於形成聚光點前在加工物30的表面反射，則與圖7的情形不同，由第二分束器110分割所得的第一反射束L21與第二反射束L22的光束尺寸會逐漸變大。另外，因此而第一反射束L21的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f1'會變得大於第一透鏡部132的焦距f1。並且，第二反射束L22的聚光點與第二透鏡部134之間的距離f2'會變得大於第二透鏡部134的焦距f2。

第一反射束L21的聚光點與第一透鏡部132之間的距離f1'、第一光感測器142與第一反射束L21的聚光點之間的距離t1''可變得小於圖7所示的距離t1。相反地，第二光感測器144與第二反射束L22的聚光點之間的距離t2''可變得大於圖7所示的距離t2。因此，若加工物30與聚光光學系統20之間的距離變大，則由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度變大，相反地，由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度會變小。

圖10是表示由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度及第二反射束L22的能量密度的變化的曲線圖。於圖10中，橫軸表示聚光光學系統20與加工物30之間的距離變化。於橫軸上，0點表示加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面的時點。於橫軸上，“-”值是指聚光光學系統20與加工物30之間的距離變得小於0點位置，“+”值是指聚光光學系統20與加工物30之間的距離變得大於0點位置。並且，縱軸表示光束的能量密度。於圖9中，S1曲線圖表示由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度，S2曲線圖表示由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度。並且，S1－S2表示第一光感測器142的測定值與第二光感測器的測定值之間的差。

參照圖10，隨著聚光光學系統20與加工物30之間的距離變小而由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度變小，相反地，由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度會變大。並且，隨著聚光光學系統20與加工物30之間的距離變大，由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度變大，相反地，由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度會變小。如圖9所示，由第一光感測器142及第二光感測器144測定到的第一反射束L21及第二反射束L22的能量密度依存於聚光光學系統20與加工物30之間的距離。因此，可根據第一反射束L21及第二反射束L22的能量密度測定值而確定聚光光學系統20相對於加工物30的相對位置。

例示性地，為了確定聚光光學系統20的位置，可觀察第一反射束L21的能量密度測定值與第二反射束L22的能量密度測定值之間的差。觀察曲線圖S1-S2可知，隨著橫軸值自橫軸的0點發生變化而縱軸值敏感地發生變化。其原因在於，曲線圖S1及曲線圖S2分別相對於橫軸朝向不同方向發生變化。即，如圖7至圖9所示，若不同地配置第一光感測器142與第二光感測器144的位置，則隨著加工物30與聚光光學系統20之間的距離發生變化而第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值朝向不同方向發生變化，故而可容易地確認第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值之間的差值。

於圖10中，例示性地表示第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值的曲線圖S1-S2，但實施例並不限制於此。例如，亦可根據第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值之間的比率而確定聚光光學系統20的位置。除此之外，對第一光感測器142的測定值與第二光感測器144的測定值進行比較的方法可於對業者而言較為容易的水準下實現各種變更。

如圖5至圖9所示，若聚光點檢測裝置將反射束分割成兩個以上，則於檢測加工束的聚光點時，可除聚光光學系統20與加工物30之間的距離以外排除其他雜訊因素。例如，如圖1至圖4所示，於聚光點檢測裝置僅包括第一光感測器142的情形時，由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度除聚光光學系統20與加工物30之間的距離以外，亦會因其他雜訊因素而發生變化。例如，由第一光感測器142測定到的反射束L2的能量密度會因由光源10出射的加工束L1的強度變化、雷射束行進路徑上的異物、加工物30的反射度差異等而發生變化。然而，如圖5至圖8所示，將反射束L2分割成兩個以上而觀察由第一光感測器142測定到的第一反射束L21的能量密度、與由第二光感測器144測定到的第二反射束L22的能量密度的差異可知，可抵消上述雜訊因素。

圖11及圖12是表示圖5所示的聚光光學系統20的變形例的圖。

參照圖11，聚光光學系統20可包括多個透鏡22、24、26。於圖11中，表示聚光光學系統20包括兩個凸透鏡24、26及一個凹透鏡22的情形，但實施例並不限制於此。可變更可包括於聚光光學系統20的透鏡種類及個數。並且，參照圖12，聚光光學系統20亦可包括變更加工束L1的路徑與尺寸的掃描儀21、23、及改變加工束L1的尺寸的透鏡25。如圖12所示，聚光光學系統20可不將加工束L1聚光至加工物30，進一步增大加工束L1的尺寸而形成平行光來發射。於該情形時，實施例的聚光點檢測裝置可用於診斷入射至加工物30的加工束L1的尺寸及加工束L1是否成為平行光等。

圖13是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖13，聚光點檢測裝置可更包括：第三分束器123，變更第二反射束L22的行進方向；及測定用光源150，向第三分束器123出射測定用光束L3。於圖5所示的實施例中，利用加工束L1於加工物30反射的情形，於圖13中，可加強該情形而由測定用光源150連同加工束L1一併出射入射至加工物30的測定用光束L3。於該情形時，若不同地設定測定用光束L3的波長與加工束L1的波長，則可更有效地構成第一分束器110。第一分束器110以使加工束L1全部透射而僅選擇性地反射測定用光束L3的方式構成，可提高出射加工束L1的光源10的能量效率。第一分束器110可將測定用光束L3全部反射，亦可僅反射測定用光束L3的一部分而使剩餘光束透射。

於圖5至圖9中，由第二分束器120分割所得的第一反射束L21與第二反射束L22分別於第一透鏡部132及第二透鏡部134聚焦。然而，於將反射束L2分割成兩個的情形時，聚光點檢測裝置亦可僅包括一個透鏡部。

圖14是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。

參照圖14，第一透鏡部132可設置至第一分束器110與第二分束器120之間。另外，第二分束器120可將由第一透鏡部132聚焦的反射束L2分割成第一反射束L21與第二反射束L22。並且，聚光點檢測裝置可包括轉換第二反射束L22的方向的鏡面122。雖未圖示，但亦可省略鏡面122的構成。如圖14所示，若將第一透鏡部132設置至第一分束器110與第二分束器120之間，則無需為了聚焦第二反射束L22而另外包括第二透鏡部134。因此，聚光點檢測裝置的構成會進一步變簡單。

以上，對例示性的實施例的聚光點檢測裝置進行了說明。以下，對包括聚光點檢測裝置的雷射加工裝置進行說明。如圖1至圖14所示，雷射加工裝置能夠以包括聚光點檢測裝置、光源10及聚光光學系統20的方式構成。可根據由光感測器測定到的反射束的能量密度確定聚光光學系統20的位置。聚光光學系統20的位置可手動調節，亦可藉由聚光點檢測裝置而自動調節。於自動調節聚光光學系統20的位置的情形時，圖1至圖14所示的聚光點檢測裝置可作為自動聚焦單元而作動。

於圖1至圖14中，表示將加工束L1的聚光點形成至加工物30的表面的對準（targeting）情況，但實施例並不限制於此。實施例的雷射加工裝置亦可利用聚光點檢測裝置於加工物30的內部形成加工束L1的聚光點。

圖15是表示例示性的實施例的雷射加工裝置於加工物30內部形成加工束L1的聚光點的例的圖。

參照圖15，實施例的雷射加工裝置可包括：光源10，向加工物30出射用於雷射加工的加工束L1；聚光光學系統20，對加工束L1進行聚光；及自動聚焦單元，對上述聚光光學系統的位置進行調節，以使加工束L1的聚光點形成至上述加工物的內部。上述自動聚焦單元可如上述聚光點檢測裝置般實現。於圖15中，作為自動聚焦單元的實施例而表示圖7至圖9所示的聚光點檢測裝置，但實施例並不限制於此。可包括於雷射加工裝置的自動聚焦單元可應用參照圖1至圖14而進行說明的所有實施例。

通過聚光光學系統20的加工束L1中的至少一部分可行進至加工物30的內部。另外，加工束L1中的其他部分可於加工物30的表面反射。為了使加工束L1於加工物30的內部形成聚光點P，聚光光學系統20與加工物30之間的距離可小於圖5所示的距離。自動聚焦單元的第一光感測器142及第二光感測器144可分別測定第一反射束L21及第二反射束L22的能量密度。自動聚焦單元基於由第一光感測器142及第二光感測器144測定到的能量密度而對聚光光學系統20的位置進行調節，以使加工束L1的聚光點P形成至加工物30的內部。

圖16是放大表示於圖15所示的加工物30內部形成加工束L1的聚光點P的圖。

參照圖16，入射於加工物30的加工束L1的一部分被反射而作為反射束L2返回，其他部分成為向加工物30的內部行進的透射束L1'而可於加工物30的內部形成聚光點P。此時，反射束L2形成聚光點的高度d1與於加工物的內部形成聚光點P的深度d2之間可滿足如下式。

[式1] d2＝n×d1

此處，n表示加工物30內部的折射率。並且，加工物30外部的折射率假設為空氣的折射率即1。因此，上述式1僅為示例，實施例並非必須限制於此。由於加工物30與加工物30外部的折射率不同，故而根據斯奈爾定律，反射束L2的反射角與透射束L1'的透射角會發生變化。因此，反射束L2於加工物的內部形成聚光點P的深度d2會大於形成聚光點的高度d1。

實際上，由自動聚焦裝置的光感測器142、144檢測到的能量密度與反射束L2對應。因此，由自動聚焦裝置的光感測器142、144檢測到的能量密度值會依存於反射束L2的聚光點高度d1。然而，反射束L2的聚光點高度d1與於加工物的內部形成聚光點P的深度d2之間可滿足如上所述的式1。因此，實施例的雷射加工裝置為了於加工物30的內部形成加工束L1的聚光點，不僅考慮由自動聚焦單元的光感測器142、144測定到的能量密度，而且亦可一同考慮折射率。即，可根據由第一光感測器142及第二光感測器144測定到的第一反射束L21及第二反射束L22的能量密度、與加工物30的折射率而確定聚光光學系統20的位置。

以上，參照圖1至圖16，對例示性的實施例的聚光點檢測裝置進行了說明。根據上述實施例，對自加工物30反射的反射束L2進行聚焦，測定聚焦的反射束L2的能量密度，藉此可檢測加工束L1形成聚光點的位置。於該情形時，並非測定反射束L2的路徑本身，而是測定聚焦的反射束L2的能量密度，故而即便發生聚光光學系統20的應變、加工物30的位置變動等，亦可穩定地檢測加工束L1的聚光點位置。並且，若藉由第二分束器110將反射束L2分割成第一反射束L21及第二反射束L22，則除加工物30與聚光光學系統20之間的距離變化以外，可抵消其他雜訊因素。並且，藉由適當地調節第一光感測器142與第二光感測器144的位置，可使由第一光感測器142測定到的測定值與由第二光感測器144測定到的測定值的差異隨聚光光學系統20與加工物30之間的距離變化敏感地改變。

於以上說明中，具體地記載有多個事項，但這些事項並不限定發明的範圍，而應解釋為較佳的實施例的示例。因此，本發明的範圍不應由所說明的實施例界定，而應由申請專利範圍中所記載的技術思想界定。

10‧‧‧光源
20‧‧‧聚光光學系統
21、23‧‧‧掃描儀
22‧‧‧凹透鏡
24、26‧‧‧凸透鏡
25‧‧‧透鏡
30‧‧‧加工物
110‧‧‧第一分束器
120‧‧‧第二分束器
122‧‧‧鏡面
123‧‧‧第三分束器
132‧‧‧第一透鏡部
134‧‧‧第二透鏡部
142‧‧‧第一光感測器
144‧‧‧第二光感測器
150‧‧‧測定用光源
d0、f'、f''、f1'、f2'、l1、l2、t1、t1'、t1''、t2、t2'、t2''‧‧‧距離
d1‧‧‧距離/高度
d2‧‧‧距離/深度
f、f1、f2‧‧‧焦距
f1''‧‧‧距離
f2''‧‧‧距離
L1‧‧‧加工束
L1'‧‧‧透射束
L2‧‧‧反射束
L3‧‧‧測定用光束
L21‧‧‧第一反射束
L22‧‧‧第二反射束
Lu‧‧‧反射光
P‧‧‧聚光點
Sd‧‧‧下表面
Su‧‧‧上表面

圖1是概略性地表示例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖2是表示圖1所示的聚光光學系統與加工物之間的距離發生變化的例的圖。 圖3是表示圖1所示的聚光光學系統與加工物之間的距離發生變化的另一例的圖。 圖4是表示圖1所示的實施例的變形例的圖。 圖5是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖6是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖7是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖8是表示圖7所示的聚光光學系統與加工物之間的距離發生變化的例的圖。 圖9是表示圖7所示的聚光光學系統與加工物之間的距離發生變化的另一例的圖。 圖10是表示由第一光感測器測定到的第一反射束的能量密度及第二反射束的能量密度的變化的曲線圖。 圖11及圖12是表示圖7所示的聚光光學系統的變形例的圖。 圖13是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖14是概略性地表示另一例示性的實施例的聚光點檢測裝置的圖。 圖15是表示例示性的實施例的雷射加工裝置於加工物的內部形成加工束L1的聚光點的例的圖。 圖16是放大表示於圖15所示的加工物的內部形成加工束的聚光點的圖。

10‧‧‧光源

20‧‧‧聚光光學系統

30‧‧‧加工物

110‧‧‧第一分束器

132‧‧‧第一透鏡部

142‧‧‧第一光感測器

d0‧‧‧距離

f‧‧‧焦距

L1‧‧‧加工束

L2‧‧‧反射束

Claims (15)

1. 一種聚光點檢測裝置，其檢測雷射加工束的聚光點位置，所述聚光點檢測裝置包括： 第一分束器，設置至出射所述加工束的光源與對所述加工束進行聚光的聚光光學系統之間，反射自加工對象物反射的反射束中的至少一部分； 第一透鏡部，對自所述第一分束器反射的所述反射束進行聚焦；以及 第一光感測器，自所述第一透鏡部設置於所述反射束聚焦的方向上，對藉由所述第一透鏡部聚焦的所述反射束的能量密度進行測定。
2. 如申請專利範圍第1項所述的聚光點檢測裝置，其中根據由所述第一光感測器測定到的所述反射束的能量密度而測定所述聚光光學系統的位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述的聚光點檢測裝置，其更包括第二分束器，所述第二分束器將自所述第一分束器反射的反射束分割成第一反射束及第二反射束。
4. 如申請專利範圍第3項所述的聚光點檢測裝置，其中所述第一反射束入射至所述第一透鏡部， 所述聚光點檢測裝置包括：第二透鏡部，供所述第二反射束入射；及第二光感測器，自所述第二透鏡部設置於所述第二反射束聚焦的方向上，對藉由所述第二透鏡部聚焦的所述第二反射束之能量密度進行測定。
5. 如申請專利範圍第4項所述的聚光點檢測裝置，其中根據由所述第一光感測器測定到的所述第一反射束的能量密度、及由所述第二光感測器測定到的所述第二反射束的能量密度而測定所述聚光光學系統的位置。
6. 如申請專利範圍第5項所述的聚光點檢測裝置，其中根據所述第一反射束的能量密度與所述第二反射束的能量密度的差值測定所述聚光光學系統的位置。
7. 如申請專利範圍第4項所述的聚光點檢測裝置，其中所述第一光感測器以較所述第一透鏡部的焦距遠離所述第一透鏡部的方式設置， 所述第二光感測器以較所述第二透鏡部的焦距接近所述第二透鏡部的方式設置。
8. 如申請專利範圍第4項所述的聚光點檢測裝置，其中所述第一光感測器以較所述第一透鏡部的焦距接近所述第一透鏡部的方式設置， 所述第二光感測器以較所述第二透鏡部的焦距遠離所述第二透鏡部的方式設置。
9. 如申請專利範圍第4項所述的聚光點檢測裝置，其更包括：第三分束器，變更由所述第二分束器分割所得的所述第二反射束的行進方向；以及 測定用光源，向所述第三分束器出射測定用光束。
10. 如申請專利範圍第9項所述的聚光點檢測裝置，其中所述第一分束器反射所述測定用光束於所述加工對象物反射的反射束中的至少一部分。
11. 如申請專利範圍第9項所述的聚光點檢測裝置，其中自所述測定用光源出射的測定用光束的波長與自所述雷射光源出射的光的波長不同， 所述第一分束器使自所述雷射光源出射的光透射，且使自所述測定用光源出射的測定用光束反射。
12. 如申請專利範圍第1項所述的聚光點檢測裝置，其更包括第二分束器，所述第二分束器將藉由所述第一透鏡部而聚焦的所述反射束分割成第一反射束及第二反射束。
13. 如申請專利範圍第12項所述的聚光點檢測裝置，其中所述第一光感測器設置至所述第一反射束的行進路徑，對所述第一反射束的能量密度進行測定。
14. 如申請專利範圍第13項所述的聚光點檢測裝置，其更包括第二光感測器，所述第二光感測器設置至所述第二反射束的行進路徑，對所述第二反射束的能量密度進行測定。
15. 如申請專利範圍第14項所述的聚光點檢測裝置，其中根據由所述第一光感測器測定到的所述第一反射束的能量密度、及由所述第二光感測器測定到的所述第二反射束的能量密度而測定所述聚光光學系統的位置。