TW202311710A - 包括射束分析系統的雷射加工設備以及射束特性的測量和控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種雷射加工設備之許多具體實例。在一個具體實例中，該雷射加工設備包括：一雷射源，其可操作以產生一雷射能量射束；一聲光偏轉器（AOD），其配置於該射束路徑內；一控制器，其耦接至該AOD；及一射束分析系統，其可操作以測量該雷射能量射束之一或多個特性、產生代表所測得的射束特性之測量資料，並將所述測量資料傳輸至可操作以基於所述測量資料來控制該AOD之操作之一控制器。在另一具體實例中，該雷射加工設備包括用於一電流計鏡之橫軸擺動之特徵界定的一系統，其包含：一參考雷射源，其經配置以發射一參考雷射射束；一反射表面，其形成於該電流計鏡上且經配置以將該參考雷射射束反射為一經反射射束；及一輔助感測器，其經配置以在一參考光點處接收該經反射射束，並將代表該參考光點之位置之一信號輸出至一控制器。

Description

包括射束分析系統的雷射加工設備以及射束特性的測量和控制方法

本文描述之具體實例大體上係關於雷射加工設備，更特定言之，係關於聲光偏轉器（acousto-optic deflector；AOD）、其組件以及用於操作其以加工工件之技術。 [相關申請案之交叉引用]

本申請案主張2021年6月21日申請之美國臨時申請案第63/213,075號之權益，該臨時申請案之內容以全文引用之方式併入本文。

雷射加工系統或設備用於廣泛多種應用，包括印刷電路板（printed circuit board；PCB）機械加工、積層製造及類似者。為了加工PCB，當例如使用雷射加工在其中形成孔或通孔時，需要精確控制PCB材料（例如，用於形成通孔之金屬、絕緣體等）之消熔。在一些應用中，在加工工件時控制用於繞射雷射加工射束之AOD之操作可能具有挑戰性。具體而言，藉由啁啾（chirping）AOD改變雷射光點大小可能難以控制，加工射束之特徵界定可能耗時並且可能無法提供所需之精確控制。確保適當/正確之AOD啁啾需要雷射脈衝及聲波前穿過AOD時對其之精確定時。AOD及雷射源之控制命令之間的定時不正確會導致光點位置位移差及光點品質不良，從而降低整體系統準確性及特徵品質。此定時之閉合迴路控制可以改良整體系統效能，包括輸送量及良率。開發本文所論述之具體實例以認識到本發明人發現之此等及其他問題。

本發明之一個具體實例之特徵可界定為一種雷射加工設備，其包括：一雷射源，其可操作以產生可沿著一射束路徑傳播之一雷射能量射束；一聲光偏轉器（acousto-optic deflector；AOD），其配置於該射束路徑內且可操作以繞射該雷射能量射束；一控制器，其耦接至該AOD；及一射束分析系統，其可操作以測量該雷射能量射束之一或多個特性、產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料，並將所述測量資料傳輸至該控制器，其中該控制器可操作以至少部分地基於所述測量資料來控制該AOD之一操作。

本發明之另一具體實例係一種控制雷射射束特性之方法，其包含：產生一雷射能量射束；（使用一AOD）將該雷射能量射束沿著一射束路徑引導至一射束分析系統；（使用該射束分析系統）測量該雷射能量射束之一或多個特性；產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料；將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至一控制器；及至少部分地基於所述測量資料，將控制命令自該控制器輸出至該AOD。

在另一具體實例中，一種控制雷射射束特性之方法包含：產生一雷射能量射束；使用自一第一AOD及一第二AOD組成之群中選擇之至少一者將該雷射能量射束沿著一射束路徑引導至一射束分析系統；（使用該射束分析系統）測量該雷射能量射束之一或多個特性；產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料；將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至一控制器；及至少部分地基於所述測量資料，將控制命令自該控制器輸出至該第一AOD及該第二AOD中之至少一者。

在另一具體實例中，一種控制雷射射束特性之方法包含：產生一雷射能量射束；（使用一AOD）將該雷射能量射束沿著一射束路徑引導至一射束分析系統，其中該AOD可操作以改變該雷射能量射束之一第一特性，藉此改變該雷射能量射束之一第二特性；接著使用該射束分析系統測量第二射束特性；接著產生代表所測得的第二射束特性之測量資料；將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至一控制器；接著至少部分地基於所述測量資料將控制命令自該控制器輸出至該AOD，其中該AOD可操作以減少該第二射束特性之該改變之幅度。

本發明之另一具體實例係一種方法，其包含：在一測量步驟期間：基於自一控制器發送至一雷射源之一控制命令產生複數個雷射脈衝；基於自該控制器發送至AOD之一AOD控制命令，在該AOD內產生一聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該複數個雷射脈衝中之至少一個雷射脈衝；測量該複數個經繞射雷射脈衝之至少一個特性，其中在該測量期間，調整該控制命令與該AOD控制命令之間的一定時偏移；產生代表各個經繞射雷射脈衝之至少一個測得的特性之測量資料；及將所述測量資料中之至少一個測量資料與和各個經繞射雷射脈衝相關聯之該定時偏移相關聯；隨後在一工件加工步驟期間：產生一雷射脈衝；在一AOD內產生一聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該複數個雷射脈衝中之至少一個雷射脈衝；及將該至少一個經繞射雷射脈衝引導至一工件，其中該雷射控制命令與該AOD控制命令之間的該定時偏移對應於與該測量步驟中之所述測量資料相關的一定時偏移，該定時偏移與一參考特性具有一預定關係。

本發明之另一具體實例係一種方法，其包含：在一測量步驟期間：產生一雷射能量射束；在一AOD內產生一聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該雷射能量射束；測量經繞射雷射能量射束之至少一個特性；產生代表該經繞射雷射能量射束之至少一個測得的特性之測量資料；將所述測量資料中之至少一個測量資料與和該經繞射雷射能量射束相關聯之一或多個系統操作參數之一參考值相關聯；接著在一工件加工步驟期間：在該AOD內產生一聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該雷射能量射束；及將該雷射能量射束引導至一工件，其中該雷射能量射束之該特性對應於與該測量步驟中之所述測量資料相關的所述系統操作參數中之至少一者之一參考值，該參考值與該雷射能量射束的該特性具有一預定關係。

本發明之另一具體實例係一種校正雷射射束像散（astigmatism）之方法，其包含：產生一雷射能量射束；使用一第一AOD將該雷射能量射束沿著一射束路徑引導至一射束分析系統；使用該射束分析系統測量該雷射能量射束之一射束像散；使用該射束分析系統產生代表該雷射能量射束之測得的射束像散之測量資料；將所述測量資料傳輸至一控制器；將控制命令自該控制器輸出至一第二AOD，該控制命令可操作以操作該第二AOD校正該測得的射束像散。

本發明之另一具體實例係一種用於一電流計鏡之橫軸擺動之特徵界定的系統，其包含：一參考雷射源，其經配置以發射一參考雷射射束；一反射表面，其形成於該電流計鏡上且經配置以將該參考雷射射束反射為一經反射射束；及一輔助感測器，其經配置以在一參考光點處接收該經反射射束，並將代表該參考光點之位置之一信號輸出至一控制器。

本發明之另一具體實例係一種校正一電流計鏡之橫軸擺動之方法，其包含：自一參考雷射源發射一參考雷射射束，其中該參考雷射射束入射在形成於該電流計鏡上之一反射表面上；使用經配置以在一參考光點處接收一經反射雷射射束之一輔助感測器感測該經反射雷射射束，並將代表該參考光點之位置之一信號輸出至一控制器，其中該控制器接收代表該參考光點之該位置之該信號，計算該橫軸擺動之一補償，並將命令輸出至一AOD系統以操作該AOD系統來校正該橫軸擺動。

本發明之另一具體實例係一種射束分析系統，其包含：一標記物（token），其具有形成於其上之一反射表面，其中該反射表面經配置以反射沿著一射束路徑傳播之一入射一階射束之至少一部分；複數個孔徑，其形成於該反射表面中，其中該標記物由相比該反射表面更能透射一雷射能量射束之一材料形成；及一光偵測器總成，其以光學方式配置於該標記物下游。

本發明之另一具體實例係一種雷射加工設備，其包含：一雷射源，其可操作以產生一雷射能量射束，其中該雷射能量射束可沿著一射束路徑傳播；配置於該射束路徑內之一聲光偏轉器（acousto-optic deflector；AOD），其中該AOD可操作以使該射束路徑沿著一第一方向偏轉；一電流計鏡，其可操作以使該射束路徑沿著不同於該第一方向之一第二方向偏轉；及耦接至該AOD及該電流計鏡之一控制器，該控制器可操作以控制該電流計鏡之一操作，以誘導該電流計鏡中之橫軸擺動並控制該AOD之一操作以校正該橫軸擺動。

本文中參看隨附圖式來描述實例具體實例。除非另外明確地陳述，否則在圖式中，組件、特徵、元件等之大小、位置等以及其間之任何距離未必按比例，而是出於清楚之目的而放大。在圖式中，相同編號通篇指相同元件。因此，可能在參看其他圖式時描述相同或類似編號，即使所述編號在對應圖式中未提及亦未描述。又，即使未經參考數字指示之元件亦可參考其他圖式加以描述。

本文中所使用之術語僅出於描述特定實例具體實例之目的，且並不意欲為限制性的。除非另外定義，否則本文中所使用之所有術語（包括技術及科學術語）皆具有與所屬技術領域中具有通常知識者所理解之含義相同的含義。如本文中所使用，除非上下文另外明確地指示，否則單數形式「一（a/an）」及「該」意欲亦包括複數形式。應認識到，術語「包含（comprises及/或comprising）」在用於本說明書中時指定所陳述之特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。除非另外說明，否則在敍述值範圍時，值範圍包括該範圍之上限與下限以及在其間之任何子範圍。除非另外指示，否則諸如「第一」、「第二」等術語僅用於區別一個元件與另一元件。舉例而言，一個節點可稱為「第一節點」，且類似地，另一節點可稱為「第二節點」，或反之亦然。

除非另外指示，否則術語「約」、「大約」等意謂量、大小、配方、參數及其他量及特性並非且不必為精確的，而視需要可為大致的及/或更大或更小，從而反映容限、轉換因素、捨入、測量誤差及其類似者，以及所屬技術領域中具有通常知識者已知之其他因素。空間相對術語，諸如「以下」、「下方」、「下部」、「以上」及「上部」等等可在本文中用於描述如在圖式中所說明的一個元件或特徵與其他元件或特徵之關係。應認識到，除圖式中所描繪之位向外，空間相對術語意欲涵蓋不同位向。舉例而言，若圖式中之物件翻轉，則描述為「在其他元件或特徵下方」或「在其他元件或特徵底下」的元件將定向「在其他元件或特徵上方」。因此，示例性術語「以下」可涵蓋以上及以下兩者之位向。物件可以其他方式定向（例如，旋轉90度或處於其他位向），且本文中所使用之空間相對描述詞相應地進行解釋。

本文中所使用之章節標題僅用於組織目的，且除非另外明確地陳述，否則所述章節標題不應被理解為限制所描述之主題。將瞭解，許多不同形式、具體實例及組合係可能的，而不會背離本發明之精神及教示，且因此，本發明不應被視為限於本文中所闡述之實例具體實例。確切而言，提供此等實例及具體實例，使得本發明將為透徹且完整的，且將向所屬技術領域中具有通常知識者傳達本發明之範圍。 I.   系統概述

圖1示意性地說明根據本發明之一個具體實例之雷射加工設備。

參考圖1中所展示之具體實例，用於加工工件102之雷射加工設備100（在本文中亦簡單地被稱作「設備」）之特徵可界定為包括用於產生雷射能量射束之雷射源104、一或多個定位器（例如，第一定位器106、第二定位器108、第三定位器110或其任何組合）及掃描透鏡112。掃描透鏡112及第二定位器108可整合至掃描頭120中，下文將進一步詳細描述。

沿著射束路徑114傳輸通過掃描透鏡112之雷射能量沿著射束軸118傳播以便遞送至工件102。沿著射束軸118傳播之雷射能量之特徵可界定為具有高斯類型空間強度剖面或非高斯類型（亦即，「經塑形」）空間強度剖面（例如，「頂帽型」空間強度剖面）。不管空間強度剖面之類型如何，空間強度剖面之特徵亦可界定為沿著射束軸118（或射束路徑114）傳播之雷射能量射束之形狀（亦即，橫截面形狀，在本文中亦被稱作「光點形狀」），該形狀可為圓形、橢圓形、正方形、矩形、三角形、六邊形、環形等，或任意形狀。如本文中所使用，術語「光點大小（spot size）」係指在射束軸118與工件102之將由經遞送雷射能量射束至少部分地加工之區相交的位置處遞送之雷射能量射束的直徑或最大空間寬度（亦被稱作「製程光點（process spot）」、「光點位置（spot location）」，或簡稱為「光點（spot）」）。本文中出於論述之目的，將光點大小測量為自射束軸118至射束軸118處之光學強度下降至光學強度的至少1/e ²之位置處的徑向或橫向距離。一般而言，雷射能量射束之光點大小將在射束腰處達到最小值。

一般而言，前述定位器（例如，第一定位器106，第二定位器108及第三定位器110）經配置以改變光點與工件102之間的相對位置。鑒於以下描述，應認識到，包括第二定位器108為視情況選用的，其限制條件為設備100包括第一定位器106且視情況包括第三定位器110。同樣地，應認識到，包括第三定位器110為視情況選用的，其限制條件為設備100包括第一定位器106且視情況包括第二定位器108。 A.  雷射源

在一個具體實例中，雷射源104可操作以產生雷射脈衝。因而，雷射源104可包括脈衝雷射源、CW雷射源、QCW雷射源、突發模式雷射或類似者或其任何組合。在雷射源104包括QCW或CW雷射源之情況下，雷射源104可在脈衝模式下操作，或可在非脈衝模式中操作但進一步包括脈衝閘控單元（例如，聲光調變器（acousto-optic modulator；AOM）、射束斬波器等）以在時間上調變自QCW或CW雷射源輸出之雷射輻射射束。雷射源104可在「突發模式」下操作，其中多個個別的之脈衝可在突發包絡內分組。在脈衝包絡內，各個脈衝之功率及各個脈衝之間的時間可根據特定雷射加工要求進行調適。因此，雷射源104之特徵可廣泛地界定為可操作以產生雷射能量射束，該雷射能量射束可體現為一系列雷射脈衝或者連續或準連續雷射射束，該雷射能量射束此後可沿著射束路徑114傳播。儘管本文中所論述之一些具體實例係關於雷射脈衝，但應認識到，在適當或需要之情況下，可替代地或另外採用連續或準連續射束。

除波長、平均功率以及當雷射能量射束表現為一系列雷射脈衝時之脈衝持續時間及脈衝重複率之外，遞送至工件102之雷射能量射束之特徵可界定為諸如脈衝能量、峰值功率等一或多個其他特性，所述特性可經選擇（例如，視情況基於諸如波長、脈衝持續時間、平均功率及脈衝重複率等一或多個其他特性）而以足以加工工件102（例如，形成一或多個特徵）之光學強度（以W/cm ²測量）、通量（以J/cm ²測量）等輻照製程光點處的工件102。 B.  第一定位器

第一定位器106經配置、定位或以其他方式安置於射束路徑114中且經操作以對由雷射源104產生之雷射脈衝進行繞射、反射、折射或類似者或其任何組合，以便偏轉或賦予射束路徑114（例如，相對於掃描透鏡112）之移動且因此偏轉或賦予射束軸118相對於工件102之移動。一般而言，第一定位器106經操作以賦予射束軸118相對於工件102沿著X軸（或方向）、Y軸（或方向）或其組合之移動。儘管未說明，但X軸（或X方向）應理解為指正交於所說明之Y及Z軸（或方向）之軸（或方向）。

在本文揭示之具體實例中，第一定位器106作為一或多個聲光偏轉器（acousto-optic deflector；AOD）系統提供，其可操作以藉由繞射入射雷射射束來偏轉射束路徑114。使入射雷射射束繞射形成繞射圖案，其典型地包括零階及一階繞射峰，且亦可包括高階繞射峰（例如二階、三階等）。在所屬技術領域內，通常將經繞射雷射射束在零階繞射峰中之部分稱為「零階」射束，將經繞射雷射射束在一階繞射峰之部分稱為「一階」射束，等等。一般而言，零階射束及其他經繞射階射束（例如，一階射束等）在退出AOD系統時沿著不同射束路徑傳播。零階射束（以及除一階射束以外之任何其他高階射束）中之雷射能量可以任何合適或所要方式在一或多個射束集堆（圖中未示）處被吸收，而一階射束中之雷射能量允許沿著射束路徑114傳播。AOD系統之AOD大體包括由諸如以下之材料形成之AOD晶體：結晶鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）、鉬鉛礦（PbMoO ₄）、二氧化碲（TeO ₂）、結晶石英、玻璃態SiO ₂、三硫化砷（As ₂S ₃）、鈮酸鋰（LiNbO ₃）或類似者或其任何組合。 C.  第二定位器

第二定位器108經安置於射束路徑114中且經操作以對由雷射源104產生且由第一定位器106傳遞之雷射脈衝進行繞射、反射、折射或類似者或其任何組合，以便偏轉或賦予射束路徑114（例如，相對於掃描透鏡112）之移動且因此偏轉或賦予射束軸118相對於工件102之移動。一般而言，第二定位器108經操作以賦予射束軸118相對於工件102沿著X軸（或方向）、Y軸（或方向）或其組合之移動。鑒於以上內容，應瞭解，第二定位器108可提供為AOD系統、電流計鏡掃描系統、旋轉多邊形鏡系統、可變形鏡、微機電系統（micro electro-mechanical system；MEMS）反射器或類似者或其任何組合。 D.  第三定位器

在所說明之具體實例中，第三定位器110包括一或多個線性載物台（例如，各個線性載物台能夠賦予工件102沿著X、Y及/或Z方向之平移移動）、一或多個旋轉載物台（例如，各個旋轉載物台能夠賦予工件102圍繞平行於X、Y及/或Z方向之軸的旋轉移動）或類似者或其任何組合，所述載物台經配置且經配置以賦予工件102與掃描透鏡112之間的相對移動，且因此賦予工件102與射束軸118之間的相對移動。根據本文所描述之具體實例，且儘管未說明，但第三定位器110包括經配置以且適於賦予掃描透鏡112與第一定位器106之間的相對移動之一或多個載物台。

鑒於本文中所描述之配置，應認識到，製程光點相對於工件102之移動（例如，如由第一定位器106及/或第二定位器108賦予）可與如由第三定位器110賦予的工件102或掃描透鏡112之移動重疊。

在所說明的具體實例中，第三定位器110經操作以移動工件102。然而，在另一具體實例中，第三定位器110經配置且可操作以移動掃描頭120，且視情況，諸如第一定位器106及工件102之一或多個組件可保持靜止。

在第三定位器110包括Z載物台之一個具體實例中，Z載物台可經配置且經配置以使工件102沿著Z方向移動。在此狀況下，Z載物台可由其他前述載物台中之一或多者承載以用於移動或定位工件102，可承載其他前述載物台中之一或多者承載以用於移動或定位工件102，或其任何組合。在第三定位器110包括Z載物台之另一具體實例中，Z載物台可經配置且經配置以沿著Z方向移動掃描頭。沿著Z方向移動工件102或掃描頭可引起工件102處之光點大小的改變。 E.  掃描透鏡

掃描透鏡112（例如，提供為單透鏡或化合物透鏡）大體上經配置以聚焦沿著射束路徑引導之雷射能量射束，典型地以便產生可定位於所要製程光點處或附近的射束腰。掃描透鏡112可提供為非遠心f-θ透鏡（如所展示）、遠心f-θ透鏡、軸錐透鏡（在此情況下，產生一系列射束腰，從而得到沿著射束軸118彼此移位之複數個製程光點），或類似者或其任何組合。

在一個具體實例中，掃描透鏡112經提供作為固定焦距透鏡，且耦接至可操作以移動掃描透鏡112（例如，以便改變射束腰沿射束軸118之位置）之掃描透鏡定位器（例如，透鏡致動器，圖中未示）。舉例而言，透鏡致動器可提供為可操作以使掃描透鏡112沿著Z方向線性地平移之音圈。在此情況下，透鏡致動器在此處可被視為前述第三定位器110之組件。改變射束腰沿著射束軸118之位置可導致工件102處之光點大小改變。

如上文所描述，在一個具體實例中，掃描透鏡112及第二定位器108整合於共同掃描頭120中。因此，在設備100包括透鏡致動器之具體實例中，透鏡致動器可耦接至掃描透鏡112（例如，以便實現掃描透鏡112相對於第二定位器108在掃描頭120內之移動）。替代地，透鏡致動器可耦接至掃描頭120且可操作以實現掃描頭自身之移動，在此情況下，掃描透鏡112及第二定位器108將一起移動）。在任一情況下，透鏡致動器在此處可被視為前述第三定位器110之組件。在另一具體實例中，掃描透鏡112及第二定位器108整合至不同外殼中（例如，使得整合有掃描透鏡112之外殼可相對於整合有第二定位器108之外殼移動）。 F.   控制器

一般而言，設備100包括一或多個控制器，諸如控制器122，以控制或促進控制設備100之操作。在一個具體實例中，控制器122（例如，經由一或多個有線或無線通訊鏈路）以通訊方式耦接至設備100之一或多個組件，諸如雷射源104、第一定位器106、第二定位器108、第三定位器110、透鏡致動器、掃描透鏡112（當提供為可變焦距透鏡時）、夾具等，該一或多個組件因此可回應於由控制器122輸出之一或多個控制信號而操作。

舉例而言，控制器122可控制第一定位器106、第二定位器108或第三定位器110或其任何組合之操作，以賦予射束軸118與工件102之間的相對移動，以便引起製程光點與工件102之間沿著工件102內之路徑或軌跡（在本文中亦被稱作「製程軌跡（process trajectory）」）的相對移動。將瞭解，可控制此等定位器中之任兩者或此等定位器中之全部三者，使得兩個定位器（例如，第一定位器106及第二定位器108、第一定位器106及第三定位器110，或第二定位器108及第三定位器110）或全部三個定位器同時賦予製程光點與工件102之間的相對移動（從而賦予射束軸與工件之間的「化合物相對移動（compound relative movement）」）。 G.  射束分析系統

設備100可包括射束分析系統130，其可操作以測量雷射能量射束之一或多個特性。可使用射束分析系統130測量各種射束特性，包括射束直徑、光點大小、光點位置、射束圓度（circularity）、射束像散、聚焦高度、射束腰大小、射束腰位置（例如，沿著X、Y或Z方向）、射束軸位置、空間能量分佈、脈衝重複率、平均功率、峰值功率，或類似者或其任何組合。控制器122可使用上文所列之射束特性之測量來計算雷射射束參數，諸如射束像散及聚焦高度（例如，相對於已知基準之射束腰高度）。射束分析系統130可產生代表此等測得的射束特性之測量資料，並將測量資料（例如，作為一或多個測量信號）傳輸至控制器122。在一些具體實例中，傳輸至控制器122之測量資料代表雷射源104發射之脈衝之定時或脈衝之數目。控制器122接著可解釋，應用或以其他方式處理測量資料，以控制一或多個定位器（例如，第一定位器106、第二定位器108、第三定位器110或其任何組合）之操作。

射束分析系統130可安裝至第三定位器110（圖1中所展示），或者根據需要或有益之情況安裝至多種其他結構或載物台中之任一者。舉例而言，第三定位器110可包括一或多個線性載物台（例如，如上文所描述），並且射束分析系統130可以安裝至同一線性載物台（例如，在其側面）或安裝至耦接至第三定位器110之任何夾具。在一個具體實例中，射束分析系統130作為基於攝影機之射束輪廓儀提供，其經配置以測量自雷射能量射束瑞利散射至光偵測器上之光。在另一具體實例中，射束分析系統130作為刀口特徵提供，其安裝在光偵測器之光學上游，以便可測量經過刀口並入射於光偵測器上之光功率量，並將其與刀口在一或多個軸或方向上之已知位置相關聯。在另一具體實例中，射束分析系統130作為基於攝影機之射束輪廓儀提供，其經配置以直接或藉由衰減濾波器將射束聚焦至沿著射束軸118直接定位之光偵測器上。在另一具體實例中，射束分析系統130作為旋轉狹縫射束輪廓儀提供。在射束分析系統130之此等配置中之每一者中，在光偵測器之平面（亦即，偵測器平面132，圖2中所展示）處測量射束。 II.  啁啾AOD，綜述

一般而言，控制器122可控制第一定位器106之一或多個AOD之操作，以改變藉由沿著射束軸118傳播之雷射能量照射在工件102上之光點之形狀（亦即「光點形狀」），以改變光點之大小（亦即「光點大小」）或類似者，藉由向AOD之一或多個超音波換能器元件施加啁啾RF信號。當施加於AOD時，啁啾RF信號具有產生在AOD晶體中傳播之啁啾聲響波形之效果（亦即，具有隨時間改變之瞬時頻率之聲響波形，亦被稱作「啁啾聲響信號」）。相比之下，「非啁啾」聲響波形或「非啁啾聲響信號」係指具有實質上不變瞬時頻率之聲響波形。由啁啾聲響信號繞射之一階射束可被稱作「啁啾射束」、「啁啾一階射束」或類似者。RF信號頻率改變之速率被稱作「啁啾率」（例如，以MHz/µs為單位測量）。所施加之RF信號可以線性地或非線性地啁啾，或者以任何其他所要或適合方式啁啾。在AOD晶體內，啁啾聲響波形之瞬時頻率之改變具有將單軸（像散）聚焦條件（或圓筒形透鏡效果）應用於一階射束之效果，從而改變射出AOD之一階射束之準直（亦即，取決於啁啾率相對於入射射束之正負號而發散或收斂）。 III. 關於具有射束分析系統之雷射加工設備之具體實例

如上文所描述，射束分析系統130可併入至雷射加工設備100中，以實現各種射束特性之測量。射束分析系統130產生之測量資料可以作為回饋提供至系統控制器122。控制器122可以處理回饋以修改發送至第一定位器106及/或雷射源104之一或多個AOD之控制命令。舉例而言，當驅動AOD（例如，第一AOD）以產生啁啾一階射束，藉此改變入射射束之一個射束特性（例如，相對於入射射束增加一階射束之光點大小）時，入射射束之其他射束特性（例如，光點定位、射束像散等）可能因此不當地改變。射束分析系統130用於測量此等射束特性中之一或多者，並向控制器122提供測量資料，以便控制器122可以驅動第一AOD或第二AOD來校正、補償或以其他方式最小化射束特性之此類改變。另外，自射束分析系統130發送至控制器122之測量資料可用於最佳化或調適一階射束之特定射束特性，以實現各種工件加工功能。下面討論使用射束分析系統130執行第一定位器106之此閉合迴路之系統及方法的示例性具體實例。 A.  經配置用於AOD系統控制之射束分析系統之具體實例

圖2說明控制示意圖，該示意圖展示上文關於圖1所描述之控制器122、雷射源104、第一定位器106之AOD系統140及射束分析系統130之間的功能關係之具體實例。在此具體實例中，AOD系統140包括超音波換能器142、AOD晶體144及RF源146。

RF源146經配置以產生RF信號170（例如，回應於自控制器122輸出之一或多個控制命令164）並傳輸該RF信號。RF信號170被傳輸至超音波換能器142，該超音波換能器經配置以回應於所施加之RF信號170產生可傳播穿過AOD晶體144之一或多個聲波或聲響波形148（亦即，聲響信號148）。聲響信號148繞射（例如，回應於經由通訊鏈路166自控制器122輸出之控制或觸發命令168，自雷射源104輸出之）入射射束150，從而產生一階射束152，其繞射至射束分析系統130之偵測器平面132（例如，按角度θ）。射束分析系統130經操作以測量一階射束152之至少一個射束特性，並且產生對應測量資料160並將其經由通訊鏈路162傳輸至控制器122。然後，控制器122可至少部分地基於此測量資料控制一或多個定位器（例如，第一定位器106、第二定位器108及第三定位器110（圖1中所展示）或其任何組合）之操作。

在所說明之具體實例中，第一定位器106僅包括一個AOD系統140，其能夠沿著單軸誘導像散或圓柱形透鏡效果以產生啁啾一階射束152。然而，在另一具體實例中，第一定位器106包括多個AOD系統140，其經配置以沿著不同（例如，相互正交）軸繞射入射射束150，並且因此能夠沿著多個軸誘導像散或圓柱形透鏡效果以產生啁啾一階射束152。

無論第一定位器106之配置如何，射束分析系統130都可用於特徵界定所產生之啁啾一階射束152之任何像散。例如，參見下文關於圖3及圖4的討論，所述圖分別展示沿著射束軸118傳播穿過掃描透鏡112並入射於射束分析系統130之偵測器平面132之啁啾一階射束152在X方向及Y方向上之橫截面視圖。在圖3及圖4所展示之實例中，一階射束152已在X方向上而非在Y方向上啁啾。然而，應瞭解，一階射束152可已在Y方向上而非在X方向上啁啾，或者可以任何方式在X及Y方向上啁啾。

因此，啁啾一階射束152之射束腰250沿著Z方向（例如，以距離ΔZ）遠離偵測器平面132（例如，偵測器平面132上方或下方）偏移。射束分析系統130可經操作以測量偵測器平面132處在X及Y方向上之光點大小，然後可使用射束分析系統130產生之測量資料判定距離ΔZ。在一個實例具體實例中，為了測量射束腰250之ΔZ，可以將射束分析系統130安裝在（例如，第三定位器110之）Z軸載物台上，以便在射束分析系統130進行光點大小測量時可在±Z方向上移動射束分析系統130（及偵測器平面132）。在另一實例具體實例中，掃描頭120（圖1中所展示）安裝在（例如，第三定位器110之）Z軸載物台上，以便在射束分析系統130進行光點大小讀取時可在±Z方向上移動射束腰。代表光點大小之資料藉由射束分析系統130發送至控制器122，其中藉由所屬技術領域中已知之任何合適技術計算射束腰250之ΔZ。藉由沿著X及Y方向測量光點大小以及射束腰250及260之距離ΔZ，射束分析系統130可以向控制器122產生代表射束像散之測量資料160（圖2中所展示）。

如上文所描述，AOD系統140基於傳播穿過AOD晶體144之聲響信號148之頻率繞射入射射束150。當聲響信號148具有如上文所描述之啁啾波形時，AOD系統140可繞射入射射束150，以產生入射於射束分析系統130之偵測器平面132上之啁啾一階射束152。發送至AOD系統140之控制命令164之輸出與發送至雷射源104之控制命令168之間的時間關係（以下被稱作為「定時偏移」）對於需要AOD晶體144中之雷射脈衝（或多個脈衝）與聲響信號之間的精確同步的各種雷射加工應用可為重要的。

在第一定位器106作為如上文所描述之多軸AOD系統提供之具體實例中，控制器122可以獨立地控制一對AOD中之各個AOD之RF信號之啁啾。在此情況下，第一方向（例如，X方向）上之光點大小或形狀可能不同於第二方向（例如，Y方向）上之光點大小或形狀。基於來自射束分析系統130之光點大小之特性之測量資料160，控制器122可以控制第一AOD及第二AOD系統140之操作，以根據藉由雷射加工設備100執行之加工的要求改變在X及Y方向中之一或兩者上工件102之像散度且藉此改變射束圓度及光點大小。 i.    關於藉由系統操作員或自動控制改變射束特性之具體實例

如上文所描述，將射束分析系統130併入雷射加工設備100中可以實現控制射束特性之多種方法。在一個具體實例中，若雷射加工設備100之操作員想要用具有特定射束直徑或光點大小之雷射能量射束照射工件102（例如，在印刷電路板基板中形成通孔），則使用射束分析系統130測量射束直徑，並將代表射束直徑之測量資料傳輸至控制器122。系統操作員可以查看控制器122接收之測量資料160（例如，在軟體圖形用戶界面上）且決定是否應進行改變。若系統操作員希望基於測量資料160改變光點大小，則他們可程式化控制器122，輸出RF源146將啁啾RF信號170施加至超音波換能器142之經更新控制命令164，藉此在AOD晶體144內產生啁啾聲響信號148，以產生入射於工件102上具有特定光點大小之一階射束152。

在另一具體實例中，當雷射加工設備100在自動模式下操作時（例如，基於系統操作員程式化之自動常式或子常式），控制器122可自射束分析系統130接收測量資料160，並且基於此類程式化，輸出RF源146將啁啾RF信號170施加至超音波換能器142之經更新控制命令164，藉此在AOD晶體144內產生啁啾聲響信號148，以產生入射於工件102上具有特定光點大小之一階射束152。 ii.   關於補償射束特性改變之方法之具體實例

在一個具體實例中，射束分析系統130被用作雷射加工設備100之一部分，以補償各種射束特性之改變，或將一個射束特性（例如，「第一」射束特性）之改變對另一射束特性（例如，「第二」射束特性）之影響降至最低。舉例而言，當AOD系統140經操作以改變入射射束相對於一階射束之第一射束特性（例如，光點大小）時，此改變可能導致一階射束之第二射束特性（例如，光點定位、射束像散等）之改變。為了校正或減少第二射束特性改變之影響，射束分析系統130可測量第二射束特性並產生代表第二射束特性之測量資料160。射束分析系統130接著可將所述測量資料160傳輸至控制器122，其中控制器122可以至少部分地基於測量資料160計算經更新控制命令164並將其輸出至AOD系統140，以便AOD系統140可減小第二射束特性之改變幅度。

在一個具體實例中，為了在工件處實現所要光點大小，AOD系統140經操作以基於第一啁啾聲響信號148產生啁啾一階射束152。第一啁啾聲響信號148之中心頻率可能導致光點位置誤差（所要光點位置與實際光點位置之間的差）。射束分析系統130可測量啁啾一階射束152之光點位置，並將代表測得的光點位置之測量資料160傳輸至控制器122。在接收到測量資料160後，控制器122可計算光點位置誤差並校正光點位置誤差，可將經更新控制命令164傳輸至AOD系統140以產生第二啁啾聲響信號148，該第二啁啾聲響信號具有與第一聲響信號相同的啁啾率但具有不同中心頻率，藉此減少或消除光點位置誤差。

在另一具體實例中，控制命令164可經操作以校正一階射束152之射束像散。如上文所描述，啁啾聲響信號具有將單軸聚焦條件（single-axis focusing term）應用於一階射束152之效果。這可能導致射束像散（被定義為在正交軸上具有不同焦點之射束）。射束分析系統130藉由測量焦點（或射束腰）與偵測器平面132之間在X方向上以及焦點（或射束腰）與偵測器平面132之間在Y方向上之高度ΔZ差來測量射束像散（上文所描述）。當AOD系統140作為多軸AOD系統提供時，控制器122可操作一個AOD（例如，第二AOD）來產生啁啾聲響信號，該啁啾聲響信號將單軸散焦項應用於射束以校正由啁啾第一AOD引起之像散。 iii.  關於校正雷射源與AOD系統之間的定時誤差之具體實例

參考圖2，在一些雷射加工應用中（例如，在工件102上形成一或多個特徵），入射射束150（例如，一個雷射脈衝或一組雷射脈衝）可意欲通過與AOD晶體144中之特定啁啾聲響信號148（例如，具有特定啁啾率以實現特定光點大小，及/或具有特定中心頻率以實現工件102處之特定光點位置）重合之AOD系統140。因為若雷射脈衝未通過與預期或所要啁啾聲響信號148重疊之AOD晶體144，則由AOD系統140賦予之繞射角θ對應於AOD晶體144內雷射脈衝橫向尺寸上啁啾聲響信號之中心頻率，因此雷射脈衝將被遞送至工件102上與所要光點位置不同之光點位置。可使用控制迴路調整發送至雷射源104之控制命令168與發送至RF源146之控制命令164之間的定時偏移，以校正定時誤差，從而確保定時保真度並防止此類光點位置誤差。

在一些具體實例中，定時誤差導致雷射脈衝通過與第二啁啾信號（具有第二啁啾率）重合之AOD晶體144，而非通過與第一啁啾信號（具有第一啁啾率）重合之AOD結晶144，其中第一啁啾信號及第二啁啾信號為離散的、時間上分離的啁啾信號。在其他具體實例中，定時誤差導致雷射脈衝通過與不同（非預期）頻帶之相對較長（例如，長於脈衝穿過AOD晶體144之通過時間）、連續啁啾信號（亦即，具有恆定啁啾率）重合之AOD晶體144，其中各個頻帶具有不同中心頻率。在另外其他具體實例中，定時誤差導致雷射脈衝在沒有聲響波形之區通過AOD系統140。

在一個具體實例中，定時誤差導致雷射脈衝通過與第二啁啾信號（具有第二啁啾率）重合之AOD晶體144，而非通過與第一啁啾信號（具有第一啁啾率）重合之AOD結晶144，其中第一啁啾信號及第二啁啾信號在時間上分離。在此具體實例中，用於校正由此等定時誤差引起之光點位置誤差之示例性方法首先涉及測量步驟，該測量步驟可操作以在參考射束特性（例如，光點位置）與定時偏移之間建立相關性。此相關性用於應用該相關性之後續工件加工步驟，其中定時偏移與該參考射束特性（光點位置）具有預定關係，藉此使雷射加工設備100能夠避免、校正或減少光點位置誤差。在測量步驟中，射束分析系統130測量雷射光點位置，並產生代表各個雷射脈衝之測得的光點位置之測量資料160。當此測量資料160被發送至控制器122時，控制器122在測得的光點位置與定時偏移之間建立相關性（例如，自動或藉由系統操作員程式化）。舉例而言，控制器122將控制命令164發送至AOD系統140，以便RF源146產生第一啁啾RF信號，從而在AOD晶體144中產生第一啁啾聲響信號（例如，具有5 MHz/µs之啁啾率及30 MHz之中心頻率）。控制器122亦將控制命令168發送至雷射源104，以發射意欲與第一啁啾聲響信號重疊之第一雷射脈衝，從而預期AOD系統140將該脈衝繞射至射束分析系統130之所要光點位置。一般而言，控制命令164及168彼此在時間上偏移（例如，偏移了定時偏移T ₀），以確保啁啾雷射脈衝經繞射至所要光點位置。然而，舉例而言，第一雷射脈衝可能會錯過第一啁啾聲響信號，且實情為，與在時間上與第一啁啾信號分離之第二啁啾聲響信號（例如，具有5 MHz/µs之相同啁啾率，但具有26 MHz之中心頻率）重疊，從而導致光點位置誤差（例如，1 µm）。射束分析系統130測量光點位置，並將代表該第一雷射脈衝之測得的光點位置之測量資料160傳輸至控制器122。然後，控制器122計算與該第一雷射器脈衝之定時偏移T ₀相關之光點位置誤差（例如，E ₀）。藉由在調整定時偏移（例如，T ₁、T ₂、T ₃、T ₄等）及計算所得光點位置誤差（例如，E ₁、E ₂、E ₃、E ₄等）時重複光點位置測量，控制器122在定時偏移與光點位置誤差之間建立相關性，該相關性界定了定時偏移與光點位置誤差之間的關係特徵。然後，控制器122在後續工件加工步驟期間對定時偏移應用校正，以減少或消除光點位置誤差。在該工件加工步驟期間，控制器122將控制命令164發送至AOD 140以在AOD晶體144內產生啁啾聲響信號148，並將控制命令168發送至雷射源104以發射將藉由預期啁啾信號繞射至工件102之雷射脈衝。由於在測量步驟期間定時偏移與測得的射束特性（光點位置）相關，因此定時偏移與參考特性（光點位置）具有預定關係。控制器122使用此預定關係來改良AOD控制命令164與控制命令168之間的定時保真度，從而減少或消除光點位置誤差。

在另一具體實例中，示例性方法可以校正由於定時誤差而同時出現的兩個誤差（例如，在一或多個方向上之光點大小誤差及光點位置誤差）。在上文所描述之實例工件加工場景中，在消熔印刷電路板之金屬層（使用非啁啾射束）與消熔底層層壓板材料（使用啁啾射束）之間可能需要一階射束152之通量之改變。為達成此情形，AOD晶體144中將入射射束150繞射為聚焦一階射束152之非啁啾聲響信號將繼之以將入射射束150繞射為散焦一階射束152（亦即，具有較低雷射通量）至同一加工光點之啁啾聲響信號。若意欲消熔金屬層之雷射脈衝（例如，需要非啁啾聲響信號）通過與啁啾聲響信號重疊之AOD晶體144，則可能產生兩個問題。首先，雷射脈衝可能藉由啁啾聲響信號散焦至使其不具有消熔金屬層所需之通量的點。其次，若雷射脈衝上啁啾聲響信號之中心頻率不等於雷射脈衝上非啁啾聲響信號之頻率，則將產生光點位置誤差。藉由應用與上文所描述之方法類似的方法，涉及用於將定時偏移與參考射束特性（例如，光點大小及光點位置）關聯之測量步驟，繼之以基於定時偏移與射束特性之預定關係使用經更新定時偏移之工件加工步驟，最小化、校正或避免了光點位置及光點大小之誤差。

在此實例中，在測量步驟期間，射束分析系統130可以測量光點位置及光點大小，產生代表各個雷射脈衝之兩個測得的特性之測量資料160，並且將測量資料160傳輸至控制器122。然後，控制器122在測得的光點位置、測得的光點大小及定時偏移之間建立相關性。舉例而言，控制器122可將控制命令164發送至AOD系統140，以便RF源146產生非啁啾聲響信號（例如，具有30 MHz之頻率），繼之以AOD晶體144中之啁啾聲響信號（例如，具有5 MHz/µs之啁啾率及32 MHz之中心頻率）。控制器122接著可將控制命令168（例如，相對於發送至AOD系統140之控制命令164具有定時偏移T ₀）發送至雷射源104，以發射意欲與非啁啾聲響信號重疊之第一雷射脈衝，從而預期AOD系統140將脈衝繞射至射束分析系統130，以達到具有所要光點大小之所要光點位置。然而，舉例而言，脈衝可能遺漏非啁啾聲響信號，且替代地與具有32 MHz之中心頻率的啁啾聲響信號之一部分重疊，從而產生非所要光點位置及非所要光點大小。射束分析系統130測量光點位置及光點大小，並將代表該雷射脈衝之測得的光點位置及測得的光點大小之測量資料160傳輸至控制器122，從而允許控制器122計算光點位置誤差（例如ESP ₀，相對於預期光點位置之測得的光點位置）及光點大小誤差（例如ESS ₀，相對於預期光點大小之測得的光點大小），這兩個誤差均與該雷射脈衝之定時偏移T ₀相關。藉由在調整定時偏移（例如，T ₁、T ₂、T ₃、T ₄等）時重複光點位置及光點大小測量並計算所得光點位置及光點大小誤差（例如，ESP ₁、ESS ₁、ESP ₂、ESS ₂、ESP ₃、ESS ₃等），控制器122在定時偏移T _x、光點位置誤差ESP _x及光點大小誤差ESS _x之間建立相關性，該相關性界定定時偏移、光點位置誤差及光點大小誤差之間的關係特徵。因為在測量步驟期間雷射脈衝、非啁啾聲響信號及啁啾聲響信號之間的定時偏移與測得的射束特性（光點位置及光點大小）相關，所以定時偏移與兩個參考特性（光點位置及光點大小）都有預定關係。控制器122使用此等關係來改良AOD控制命令164與雷射控制命令168之間的定時保真度，以減少或消除工件加工步驟期間的光點位置及光點大小誤差。 iii.  關於系統操作參數之控制之具體實例

上文關於使用來自射束分析系統130之測量資料進行系統效能之其他閉環控制所描述之方法可更廣泛地應用於各種系統操作參數（例如，RF信號頻率、RF信號啁啾率、聲響信號啁啾率、AOD溫度、雷射脈衝突發包絡、脈衝重複率、脈衝能量或類似者或其任何組合），所述系統操作參數可經控制以補償雷射加工設備100之各種組件之效能改變。隨著雷射加工設備100老化，各種光學元件（例如，增益晶體、增益纖維、諧波產生晶體、光學光柵、稜鏡、中繼光學件、繞射元件、射束遞送光學件、AOD、透鏡或類似者或其任何組合）將劣化並改變標稱光點大小。以下係使用射束分析系統130來補償此類劣化對標稱光點大小之影響之具體實例的討論。

在一個具體實例中，舉例而言，系統操作參數可為RF源146（例如，回應於來自控制器122之控制命令164）施加至超音波換能器142之RF信號170之啁啾率C。在此具體實例中，隨著掃描透鏡112老化，雷射加工期間碎屑之淤積可能導致雷射能量射束之吸收增加，從而導致控制器122及系統操作員可能不知曉的掃描透鏡112之較高操作溫度以及改變標稱光點大小之熱透鏡。利用射束分析系統130測量射束特性可用於偵測此類誤差並對其進行補償。在此具體實例中，實施這一點之示例性方法包括在整個系統操作之各種時間執行的測量步驟，其中射束特性（例如，光點大小）經選擇為參考特性。若回應於相關系統操作參數之參考射束特性之特定測量（例如，藉由射束分析系統130）偏離預期值（例如超出預期公差或控制極限），控制器122將使用來自射束分析系統130之測量資料160（例如，上文關於圖2所描述）來調整系統操作參數。在此具體實例中，待測量之參考射束特性係RF源146施加至超音波換能器142之RF信號170的與系統操作參數相對應之光點大小S、啁啾率C。在系統年齡A ₁（例如，當光點大小S ₁為100 µm時）使用之RF信號啁啾率C ₁（例如，5 MHz/µS）係RF信號啁啾率之參考值。射束分析系統130接著產生作為系統年齡A（時間）之函數之光點大小S的測量資料，並將S與控制器122中之啁啾率C及年齡A相關聯。隨著系統老化至例如年齡A ₂，由RF信號啁啾率C ₁之參考值（例如，在年齡A ₁應用之5 MHz/µS）產生的光點大小S ₂可變為S ₂=120 µm。藉由使用來自射束分析系統130之測量資料將光點大小（S ₂）與RF信號啁啾率（C ₁）及系統年齡（A ₂）之參考值進行比較，控制器122使用系統操作參數與參考特性之間的關係來計算經更新RF信號啁啾率C ₂（例如，6 MHz/µs），此驅動AOD系統140以實現所要光點大小，S ₁=100 µm。此方法可用於測量啁啾光點大小並修改啁啾率，以確保在系統壽命期間保持工作表面之光點大小。此確保長期一致的雷射加工品質。 B.  關於射束分析系統之信雜比之具體實例

在一些具體實例中，當將射束分析系統130與高功率射束遞送系統一起使用時，由射束路徑中之光學元件產生之散射強度可能與由光偵測器偵測到之加工射束之強度具有類似的幅度，尤其係當需要一階射束152之任何衰減以避免損壞射束分析系統130之組件時（例如，當測量具有非常高雷射通量之10-20 µm光點大小時）。此可導致難以自散射產生之雜訊中辨別一階射束152之信號，從而導致降低射束分析資料之保真度的低信雜比。為了準確測量此範圍內之光點大小，重要的係藉由減少到達光偵測器之散射量來改良信雜比。以下係對產生改良之信雜比效能之射束分析系統130的示例性具體實例的討論。

圖5及圖6展示圖1中所展示之射束分析系統130的示例性具體實例的各種視圖。參見圖5及圖6，射束分析系統130包括安裝或定位於光偵測器總成上之標記物310。標記物310包括具有材料層312（例如：由金屬、陶瓷、光學塗層等形成）之基板311（例如，由玻璃、石英或其他光學透射材料形成），該材料層經配置以防止入射一階射束152之至少一部分到達光偵測器總成。在此具體實例中，材料層312作為高反射鉻（在本文中亦被稱作「HR鉻」）提供，其經配置以反射入射於其上之一階射束152之部分。在另一具體實例中，材料層312作為抗反射鉻（在本文中亦被稱作「AR鉻」）提供。相比於HR鉻藉助於其對入射光之反射而導致的較高雷射誘導損傷臨限值（laser-induced damage threshold；LIDT），AR鉻之材料層312由於其對入射光之吸收而可比HR鉻具有更低之LIDT。藉助於HR鉻之較高LIDT，需要更少一階射束152衰減，藉此改良信雜比。可在材料層312中形成一或多個孔徑（例如，一或多個孔徑314及/或316）。孔徑314及316經配置以允許一階射束152之一部分（亦即，經透射部分154）穿過基板311。射束分析系統130可進一步包括蓋（圖中未示），該蓋經配置以選擇性地定位於標記物310上方（例如，當射束分析系統130未使用時）以防止碎屑或其他污染物在孔徑314及316或材料層312上淤積。在此具體實例中，光偵測器總成包括積分球320及光偵測器326。光偵測器總成經配置以測量入射一階射束152之一部分之光功率或能量，該入射一階射束具有射束軸118並且當在標記物上方（例如，沿著X軸或Y軸）掃描射束軸時沿著射束路徑114傳播穿過掃描透鏡112。

如所屬技術領域中已知的，積分球320為包括中空球形（或至少實質上球形）空腔之光學組件，該空腔之內表面塗佈有擴散反射塗層。積分球320包括收集孔道322及偵測孔道324，且經配置以使得沿著射束路徑114傳播之光可藉由收集孔道322進入積分球320之空腔。入射於空腔之內表面上之任何點處的光經散射，且最終在偵測孔道324處射出積分球320，以便入射於光偵測器326上。標記物310位於積分球320之收集孔道322上或其附近。由安裝在偵測器孔道324中之光偵測器326測量一階射束152之經透射部分154之功率或能量。光偵測器326經配置以吸收進入偵測器孔道324之光，並將對應測量資料（例如，上文所描述）傳輸至控制器122。

圖6展示圖5中所展示之標記物310之具體實例之平面圖。參考圖6，孔徑314及316（各自一般被稱作「孔徑」）之大小、形狀、位向或其他配置可按需要或有益之任何方式提供。在此具體實例中，提供了具有定向X軸及Y軸（例如，自X軸測量為0度及90度）之側面的一或多個方形孔徑（例如，在314處識別）。在材料層312中亦形成具有自X軸及Y軸偏移（例如，自X軸測量為45度及135度）之側面的一或多個菱形孔徑（例如，在316處識別）。鄰近孔徑之邊緣之間的最小距離（亦即，孔徑陣列之「螺距」）經選擇以最小化光學元件串上游（例如，在轉動鏡、透鏡及其他光學元件時）產生之散射傳輸穿過鄰近孔徑（亦即，一階射束152未被引導至的孔徑）進入積分球320並到達光偵測器326。另外，孔徑陣列之螺距可經選擇以避免或最小化由材料層312之HR鉻反射之光向其他系統組件之散射以及被此等系統組件反射並進入鄰近孔徑。舉例而言，在一個具體實例中，孔徑陣列之螺距經選擇以使得鄰近孔徑相對於其大小（例如，孔徑大小為250 µm，孔徑之間的空間約為1-2 mm）彼此距離足夠遠，從而材料層312（例如，由HR鉻製成）覆蓋標記物310面積之95%以上。如此配置，入射於光偵測器326上之散射光量被最小化或以其他方式減少。使用積分球320之另一優點為減少了孔徑位置對光偵測器測量之影響。若光偵測器直接置放於標記物310下方，則對於位於標記物310上不同位置之孔徑，自一階射束152到達該光偵測器之光量可能不同（例如，由於一階射束152相對於標記物之平面以一角度入射於孔徑邊緣上）。使用積分球320可降低此位置靈敏度。

參考圖5，在操作期間，為了測量一階射束152之特性，在至少一個孔徑之一或多個邊緣上掃描射束軸118，而一階射束152之經透射部分154之光功率藉由光偵測器326感測。孔徑邊緣之作用類似於各種射束輪廓儀（例如，掃描狹縫輪廓儀或類似者）中使用之刀口。在一個實例中，射束特徵界定工具130可用於測量一階射束152之一或多個特性，並產生代表到達光偵測器326之射束功率之對應測量資料，所述測量資料可傳輸至控制器122並由該控制器處理（例如，用於上述任何目的）。 IV. 關於射束穩定性之具體實例

在一些情況下，在雷射加工設備100之操作期間，當電流計鏡在其相應效能極限下或接近其相應效能極限下被驅動時，可能由於電流計鏡或軸之微小不平衡引起相對於（例如，藉由電流計馬達）所施加之扭矩之寄生力。此等效果之組合可能激發鏡之橫軸角運動（例如，與旋轉主軸正交之運動）（在本文中亦被稱作「橫軸擺動」），從而導致電流計鏡之角度位置的誤差。此橫軸擺動典型地不會被電流計定位系統感測到，並且電流計鏡之角度位置誤差會在工件102之表面產生雷射光點位置誤差（例如，在經繞射一階射束穿過掃描透鏡聚焦後）。若可以測量橫軸擺動之程度，則調整位於電流計光學上游之AOD系統之操作可預補償橫軸擺動，從而減少或避免定位誤差。以下是對能夠偵測及預補償橫軸擺動之具體實例之討論。 A.  使用射束分析系統測量橫軸擺動

在包括第一定位器106（例如，AOD系統）及第二定位器108（例如，一或多個電流計）之雷射加工設備100中，射束軸118經定位使得一半光點（或約一半光點）傳輸至光偵測器326（例如，圖5中展示）。接著，電流計中之一者未被驅動接近其效能極限以在平行於刀口（例如，孔徑314或316之一者的邊緣）之方向上掃描射束軸118。來自此掃描之測量資料發送至控制器122，並且控制器122儲存此資料（例如，作為基線測量）以與電流計在其效能極限或接近其效能極限之操作進行比較。

若由於電流計在其效能極限或接近其效能極限之操作因而電流計未展現橫軸擺動，則射束分析系統130之測量將不會改變（例如，與上文所描述之基線測量相比）。若電流計展現橫軸擺動，則與基線測量相比，射束分析系統130之測量將發生改變。測量資料由控制器122處理成誤差校正信號，該信號被饋送至AOD系統140以校正橫軸擺動。控制器122可藉由濾除各種頻率、補償感測延遲（例如，由於感測器介面電子器件）、補償處理延遲（例如，由於資料傳輸、縮放、濾波及AOD命令資料傳輸）及AOD延遲（例如，AOD驅動器及AOD晶體中之傳播延遲）來處理測量資料。控制器122可幾何地映射測量資料，以將擺動角度轉換為由於電流計鏡及掃描透鏡之幾何形狀而產生之工作表面位移。在另一實例中，可使用射束分析系統130對橫軸擺動之測量來感測橫軸擺動幅度之增加，該幅度增加可指示電流計系統之一或多個部分之損壞。

如上文所描述進行構造，射束分析系統130亦可用於測量干擾對雷射加工設備100之影響，此等干擾要麼影響操作參數（例如，光點大小、光點位置或類似者或其任何組合），要麼阻止射束分析系統130本身提供準確測量。藉由將一階射束152之射束軸118直接定位在一或多個孔徑314之邊緣上且觀察由光偵測器326測量之光功率之波動，射束分析系統130可偵測且量化此干擾。舉例而言，在一個具體實例中，當接合碎屑排放系統時，射束分析系統130所獲取之測量資料可能展現不可接受之信雜比。若將當接合碎屑排放系統時射束分析系統130所獲取之測量與脫離碎屑排放系統時所獲取之測量進行比較，則可判定不穩定之原因。 B.  使用橫軸擺動校正系統進行預補償

圖7展示在雷射加工設備100之操作期間可操作以測量電流計鏡之橫軸擺動之設備（例如，橫軸擺動校正系統520）的具體實例的視圖。一階射束152入射於第一電流計鏡（例如，由電流計馬達500驅動之X軸電流計鏡502）及第二電流計鏡（例如，由電流計馬達506驅動之Y軸電流計鏡508）上，將一階射束152穿過掃描透鏡112引導至工件102。擺動校正系統520包括參考雷射源522，其可操作以將入射參考雷射射束524引導至形成於X軸電流計鏡502背面之反射表面504。入射參考雷射射束524作為在輔助感測器600上之參考光點528處入射的經反射射束526自表面504反射。在另一具體實例中，可使用LED光源（圖中未示）向反射表面504發射入射參考射束。

圖8展示輔助感測器600之具體實例的視圖。在此具體實例中，輔助感測器600作為四單元多區段光電二極體提供，其具有形成於基板602上之四個區段604、606、608及610。當參考光點528入射於光電二極體上時，被照射之各個區段產生之光電流與入射於該區段上之光功率成比例。區段光電流之間的差代表參考光點528之位置。因而，輔助感測器600經配置以感測參考光點528之位置，並且將代表參考光點528位置之測量資料傳輸至控制器122。控制器122接著使用此測量資料計算校正或補償因數並且將控制命令發送至第一定位器106（亦即，X AOD及Y AOD），以便它們能夠校正或補償橫軸擺動510，藉此確保橫軸擺動510不會導致工件102處加工光點之定位誤差。

在此具體實例中，在橫軸擺動校正系統520之操作期間，當X軸電流計鏡在±X方向上掃描一階射束152時，參考光點528在輔助感測器600上在±X方向上移動。舉例而言，若發生橫軸擺動510（例如，在Y方向上），除了±X方向外，參考光點528亦可以在±Y方向上移動，從而導致上部區段604及606吸收之光量相對於下部區段608及610吸收之光發生改變。代表參考光點528之此差分吸收之測量資料自輔助感測器600發送至控制器122。控制器122然後計算補償因數並輸出控制命令（例如，輸出至第一定位器106之Y軸AOD）以補償（且藉此校正）Y方向擺動，藉此防止工件102處加工光點之定位誤差。

在另一具體實例中，輔助感測器600作為雙單元多區段光電二極體（圖中未示）提供，其具有（例如，在Y方向上）配置於間隙對置側（例如，定向於X方向上）上之兩個區段。此雙單元配置可避免由光電二極體信號之非線性引起的誤差（例如，當參考光點528穿過區段606、608與區段604、610之間定向於Y方向上之間隙時來自四單元輔助感測器600之誤差）。在另一具體實例中，輔助感測器600提供作為連續位置感測光電二極體（position-sensing photodiode；PSD）。在其他具體實例中，輔助感測器600可提供作為電容性位移感測器、渦流感測器或電感性感測器。

在另一具體實例中，射束分析系統130（如上文關於圖5及圖6所描述）用作輔助感測器600。舉例而言，可將經反射射束526引導至標記物310，並且沿著孔徑314中之一或多者的邊緣沿著X方向掃描經反射射束526之軸。若發生橫軸擺動510（例如，在Y方向上，圖7中所展示），則經反射射束526之軸可跨孔徑314之邊緣前後移動，從而導致進入積分球320之雷射能量之量發生改變。由光偵測器326測量之代表雷射能量之量的改變的測量資料發送至控制器122，由此控制器122計算校正或補償因數，並且輸出控制命令（例如，輸出至第一定位器106之Y軸AOD）以校正或預補償（且藉此校正）Y方向擺動。

在另一具體實例中，射束分析系統130可用於藉由基於射束分析系統130進行之測量產生擺動頻率回應來建立橫軸擺動之預補償，該擺動頻率回應經定義為軸上位置（由於電流計軸旋轉）與橫軸擺動運動（垂直於軸上運動）之間的增益及相位。可自此測量資料推導出擺動頻率回應之動態模型，並且此模型可用於在加工工件102期間實時預測及預補償擺動（使用模型化之擺動資料）。

雖然上文所描述之具體實例係關於用於校正X軸電流計鏡502之橫軸擺動510之橫軸擺動校正系統520，但也可使用類似或相同擺動校正系統（圖中未示）測量及校正Y軸電流計鏡508之橫軸擺動（例如，沿著X方向）。在其他具體實例中，使用諸如快速轉向鏡（fast steering mirror；FSM）之獨立射束轉向裝置亦可以補償橫軸擺動。 V.  結論

前述內容說明本發明之具體實例及實例，且不應解釋為對其之限制。雖然已參看圖式描述幾個特定具體實例及實例，但所屬技術領域中具有通常知識者將易於瞭解，對所揭示具體實例及實例以及其他具體實例的諸多修改在不顯著背離本發明之新穎教示及優點的情況下為可能的。相應地，所有此等修改意欲包括於如申請專利範圍中所界定的本發明之範圍內。舉例而言，所屬領域中具通常知識者將瞭解，任何句子、段落、實例或具體實例之主題可與其他句子、段落、實例或具體實例中之一些或全部的主題組合，除非此等組合彼此互斥。本發明之範圍因此應由以下申請專利範圍判定，且所述技術方案之等效物包括於本發明之範圍中。

100:雷射加工設備 102:工件 104:雷射源 106:第一定位器 108:第二定位器 110:第三定位器 112:掃描透鏡 114:射束路徑 118:射束軸 120:掃描頭 122:控制器 130:射束分析系統 132:偵測器平面 140:聲光偏轉器（AOD）系統 142:超音波換能器 144:AOD晶體 146:RF源 148:聲波/聲響波形/聲響信號 150:入射射束 152:一階射束 154:經透射部分 160:測量資料 162:通訊鏈路 164:控制命令 166:通訊鏈路 168:控制命令/觸發命令 170:RF信號 250:射束腰 260:射束腰 310:標記物 311:基板 312:材料層 314:孔徑 316:孔徑 320:積分球 322:收集孔道 324:偵測器孔道/偵測孔道 326:光偵測器 500:電流計馬達 502:X軸電流計鏡 504:反射表面 506:電流計馬達 508:Y軸電流計鏡 510:橫軸擺動 520:橫軸擺動校正系統 522:參考雷射源 524:入射參考雷射射束 526:經反射射束 528:參考光點 600:輔助感測器 602:基板 604:區段 606:區段 608:區段 610:區段 X:軸/方向 Y:軸/方向 Z:軸/方向

[圖1]示意性地說明根據一個具體實例之雷射加工設備。 [圖2]示意性地說明根據一個具體實例之聲光偏轉器控制圖。 [圖3]及[圖4]示意性地說明根據一個具體實例之使用射束分析系統之雷射能量射束之示例性特徵界定。 [圖5]示意性地說明根據一個具體實例之示例性射束特徵界定工具。 [圖6]展示與圖5所展示之射束特徵界定工具之具體實例一起使用的標記物之平面圖。 [圖7]示意性地說明根據一個具體實例之用於測量電流計軸之振動模式的示例性設備。 [圖8]展示根據一個具體實例之經配置以測量經反射雷射能量射束之光電二極體之視圖。

104:雷射源

122:控制器

130:射束分析系統

132:偵測器平面

140:聲光偏轉器(AOD)系統

142:超音波換能器

144:AOD晶體

146:RF源

148:聲波/聲響波形/聲響信號

150:入射射束

152:一階射束

160:測量資料

162:通訊鏈路

164:控制命令

166:通訊鏈路

168:控制命令/觸發命令

170:RF信號

Claims (40)

1. 一種雷射加工設備，其包含： 雷射源，其可操作以產生雷射能量射束，其中該雷射能量射束可沿著射束路徑傳播； 聲光偏轉器（AOD），其配置於該射束路徑內，其中該AOD可操作以繞射該雷射能量射束； 控制器，其耦接至該AOD；及 射束分析系統，其可操作以測量該雷射能量射束之一或多個特性、產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料，並將所述測量資料傳輸至該控制器， 其中該控制器可操作以至少部分地基於所述測量資料來控制該AOD之操作。
2. 如請求項1之雷射加工設備，其中該雷射能量射束之該特性為脈衝重複率、射束直徑、光點大小、圓度、射束像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
3. 如請求項1之雷射加工設備，其中該AOD包括可操作以分別在第一方向及第二方向上繞射該射束路徑之一對AOD。
4. 如請求項1之雷射加工設備，其中該射束分析系統包括基於攝影機之射束輪廓儀。
5. 如請求項1之雷射加工設備，其中該射束分析系統包括瑞利散射射束輪廓儀。
6. 如請求項1之雷射加工設備，其中該射束分析系統包括旋轉狹縫射束輪廓儀。
7. 如請求項1之雷射加工設備，其中該控制器可操作以控制該AOD之操作，以改變該雷射能量射束之射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
8. 一種控制雷射射束特性之方法，其包含： 產生雷射能量射束； 使用AOD將該雷射能量射束沿著射束路徑引導至射束分析系統； 使用該射束分析系統測量該雷射能量射束之一或多個特性； 產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料； 將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至一控制器；及 至少部分地基於所述測量資料，將控制命令自該控制器輸出至該AOD。
9. 如請求項8之方法，其中該射束特性為脈衝重複率、射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
10. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之射束直徑。
11. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之光點大小。
12. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之光點位置。
13. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之圓度。
14. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之像散。
15. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之聚焦高度。
16. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之射束腰。
17. 如請求項8之方法，其中該AOD基於所述測量資料可操作以改變該雷射能量射束之射束軸位置。
18. 一種控制雷射射束特性之方法，其包含： 產生雷射能量射束； 使用從第一AOD及第二AOD所組成之群中選擇至少一者來將該雷射能量射束沿著射束路徑引導至射束分析系統； 使用該射束分析系統測量該雷射能量射束之一或多個特性； 產生代表所測得的射束特性中之一或多者之測量資料； 將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至控制器；及 至少部分地基於所述測量資料，將控制命令自該控制器輸出至該第一AOD及該第二AOD中之至少一者。
19. 如請求項18之方法，其中該射束特性為脈衝重複率、射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰及射束軸位置中之至少一者。
20. 如請求項18之方法，其中自該控制器輸出至該第二AOD之所述控制命令基於所述測量資料可操作以校正由該第一AOD引起之射束像散。
21. 一種控制雷射射束特性之方法，其包含： 產生雷射能量射束； 使用AOD將該雷射能量射束沿著射束路徑引導至射束分析系統，其中該AOD可操作以改變該雷射能量射束之第一特性，藉此改變該雷射能量射束之第二特性； 使用該射束分析系統測量該第二射束特性； 產生代表所測得的該第二射束特性之測量資料； 將所述測量資料自該射束分析系統傳輸至控制器；及 至少部分地基於所述測量資料將控制命令自該控制器輸出至該AOD，其中該AOD可操作以減少該第二射束特性之該改變之幅度。
22. 如請求項21之方法，其中該AOD包括一對AOD。
23. 如請求項21之方法，其中該第一射束特性及該第二射束特性為射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
24. 一種方法，其包含： 在測量步驟期間： 基於自控制器發送至雷射源之控制命令產生複數個雷射脈衝； 基於自該控制器發送至AOD之AOD控制命令，在該AOD內產生聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該複數個雷射脈衝中之至少一個雷射脈衝； 測量經繞射的該複數個雷射脈衝之至少一個特性，其中在該測量期間，調整該控制命令與該AOD控制命令之間的定時偏移； 產生代表各個經繞射雷射脈衝之至少一個測得的特性之測量資料；及 將所述測量資料中之至少一個測量資料與和各個經繞射雷射脈衝相關聯之該定時偏移相關聯； 在工件加工步驟期間： 產生雷射脈衝； 在AOD內產生聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該複數個雷射脈衝中之至少一個雷射脈衝；及 將該至少一個經繞射雷射脈衝引導至工件， 其中該雷射控制命令與該AOD控制命令之間的該定時偏移對應於與該測量步驟中之所述測量資料相關的定時偏移，該定時偏移與參考特性具有預定關係。
25. 如請求項24之方法，其中該聲響信號為啁啾聲響信號。
26. 如請求項24之方法，其中該聲響信號為非啁啾聲響信號。
27. 如請求項24之方法，其中該複數個經繞射雷射脈衝之該特性為脈衝重複率、射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
28. 一種方法，其包含： 在測量步驟期間： 產生雷射能量射束； 在AOD內產生聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該雷射能量射束； 測量經繞射的該雷射能量射束之至少一個特性； 產生代表經繞射的該雷射能量射束之至少一個測得的特性之測量資料； 將所述測量資料中之至少一個測量資料與和經繞射的該雷射能量射束相關聯之一或多個系統操作參數之一參考值相關聯； 在工件加工步驟期間： 在該AOD內產生聲響信號，其中該聲響信號經配置以繞射該雷射能量射束；及 將該雷射能量射束引導至工件， 其中該雷射能量射束之該特性對應於與該測量步驟中之所述測量資料相關的所述系統操作參數中之至少一者之一參考值，該參考值與該雷射能量射束的該特性具有預定關係。
29. 如請求項28之方法，其中該雷射能量射束之該特性為脈衝重複率、射束直徑、光點大小、圓度、像散、聚焦高度、射束腰或射束軸位置中之至少一者。
30. 如請求項28之方法，其中該系統操作參數為RF信號啁啾率、聲響信號啁啾率及脈衝重複率中之至少一者。
31. 一種校正雷射射束像散之方法，其包含： 產生雷射能量射束； 使用第一AOD將該雷射能量射束沿著射束路徑引導至射束分析系統； 使用該射束分析系統測量該雷射能量射束之射束像散； 使用該射束分析系統產生代表該雷射能量射束之測得的射束像散之測量資料； 將所述測量資料傳輸至控制器；及 將控制命令自該控制器輸出至第二AOD，該控制命令可操作以操作該第二AOD校正該測得的射束像散。
32. 如請求項31之方法，其中該第二AOD將單軸聚焦條件應用於該雷射能量射束，以校正該測得的射束像散。
33. 一種用於電流計鏡之橫軸擺動之特徵界定的系統，其包含： 參考雷射源，其經配置以發射參考雷射射束； 反射表面，其形成於該電流計鏡上且經配置以將該參考雷射射束反射為經反射射束；及 輔助感測器，其經配置以在參考光點處接收該經反射射束，並將代表該參考光點之位置之信號輸出至控制器。
34. 如請求項33之系統，其中該輔助感測器選自由四單元光偵測器、雙單元光偵測器及連續位置感測偵測器以及射束分析系統組成之一群。
35. 一種校正電流計鏡之橫軸擺動之方法，其包含： 從參考雷射源發射參考雷射射束， 其中該參考雷射射束入射在形成於該電流計鏡上之反射表面上；及 使用經配置以在參考光點處接收經反射雷射射束之輔助感測器感測該經反射雷射射束，並將代表該參考光點之位置之信號輸出至控制器， 其中該控制器接收代表該參考光點之該位置之該信號，計算該橫軸擺動之補償，並將命令輸出至AOD系統以操作該AOD系統來校正該橫軸擺動。
36. 如請求項35之方法，其中該輔助感測器選自由四單元光偵測器、雙單元光偵測器及連續位置感測偵測器組成之一群。
37. 如請求項35之方法，其中該輔助感測器為射束分析系統，其包含： 一標記物，其具有形成於其上之一反射表面，其中該反射表面經配置以反射沿著一射束路徑傳播之一入射一階射束之至少一部分； 複數個孔徑，其形成於該反射表面中， 其中該標記物由相比該反射表面更能透射一雷射能量射束之一材料形成；及 一光偵測器總成，其以光學方式配置於該標記物下游。
38. 一種射束分析系統，其包含：  一標記物，其具有形成於其上之一反射表面，其中該反射表面經配置以反射沿著一射束路徑傳播之一入射一階射束之至少一部分； 複數個孔徑，其形成於該反射表面中， 其中該標記物由相比該反射表面更能透射一雷射能量射束之一材料形成；及 一光偵測器總成，其以光學方式配置於該標記物下游。
39. 如請求項38之射束分析系統，其中所述孔徑以彼此隔開之一足夠距離配置於所述反射表面中，以最小化可能傳播至該光偵測器總成之系統散射之收集。
40. 一種雷射加工設備，其包含： 一雷射源，其可操作以產生一雷射能量射束，其中該雷射能量射束可沿著一射束路徑傳播； 一聲光偏轉器（AOD），其配置於該射束路徑內，其中該AOD可操作以使該射束路徑沿著一第一方向偏轉； 一電流計鏡，其可操作以使該射束路徑沿著不同於該第一方向之一第二方向偏轉； 耦接至該AOD及該電流計鏡之一控制器，該控制器可操作以控制該電流計鏡之一操作，以誘導該電流計鏡中之橫軸擺動並控制該AOD之一操作以校正該橫軸擺動。

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