TW202326233A - 貝塞爾光束的產生裝置與產生方法 - Google Patents

貝塞爾光束的產生裝置與產生方法 Download PDF

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Abstract

一種貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，該方法包括下列步驟：由一光源產生一入射光射入一相位調變模組；由相位調變模組將入射光整形為環形光並將環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光，而後射入一掃描鏡組；由掃描鏡組補償非對稱相位之準直環形光，將非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描，而後分別射入一聚焦元件；由聚焦元件將非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。

Description

貝塞爾光束的產生裝置與產生方法
本案係有關於一種貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，特別是一種以相位調變模組將環形光之相位調變為非對稱，再由掃描鏡組將非對稱相位之環形光進行不同角度掃描之貝塞爾光束的產生裝置與產生方法。
為達到更輕薄短小的3C裝置與高頻通訊、4K攝影等高容量訊號傳輸需求，玻璃穿孔(TGV，Through Glass Via)技術被普遍應用於相關技術領域業者。
關於玻璃穿孔技術，簡言之，是以雷射光束於玻璃材質的載板上鑽孔，且該雷射光束為貝賽爾光束(Bessel Beam)。以尺寸為515毫米(mm)X510毫米(mm)、厚度為50至700微米(μm)的玻璃載板而言，需要鑽孔的數量可高達80萬個，若鑽孔孔徑為10微米、孔距為50微米，加工平台的行進速度為500毫米/秒，每秒可鑽孔5000個，一塊玻璃載板需耗時約170分鐘方能完成鑽孔作業，影響產能。
習知玻璃穿孔技術鑽孔速度緩慢的主要原因在於，雷射光束的行進屬「直寫式」。雷射光束裝置按設定的孔距沿著某一線性路徑移動，於移動過程中，雷射光束必須先定位，而後鑽孔，一次鑽一個孔。當雷射光束完成某一行的鑽孔後，再移動到另一行繼續鑽孔。
據此，如何發展出一種「貝塞爾光束的產生裝置與產生方法」，以相位調變模組將環形光之相位調變為非對稱，再由掃描鏡組將非對稱相位之環形光進行不同角度掃描，以提高玻璃穿孔的效率，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本案提出一種貝塞爾光束的產生裝置，其包含： 一光源，用以產生一入射光； 一相位調變模組，用以將入射光整形為環形光並將環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光； 一掃描鏡組，用以補償非對稱相位之準直環形光，將非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描；以及 一聚焦元件，用以將非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。
於一實施例中，本案提出一種貝塞爾光束的產生方法，包含以下步驟： 由一光源產生一入射光射入一相位調變模組； 由相位調變模組將入射光整形為環形光並將環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光，而後射入一掃描鏡組； 由掃描鏡組補償非對稱相位之準直環形光，將非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描，而後分別射入一聚焦元件；以及 由聚焦元件將非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。
請參閱圖1所示實施例，本案所提供之一種貝塞爾光束的產生裝置100，其包含一光源10、一相位調變模組20、一掃描鏡組30與一聚焦元件40。
光源10用以產生一入射光L10。光源10可為雷射光源或具同調性之光源。
相位調變模組20用以將入射光L10整形為環形光並將環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光L20。
於圖1實施例中，相位調變模組20包含一錐狀鏡21、一準直元件22與一相位元件23。入射光L1依序通過錐狀鏡21、準直元件22與相位元件23。
入射光L10通過錐狀鏡21後，可由錐狀鏡21將入射光L10整形為一發散環形光L21。錐狀鏡21可為折射式或繞射式。
準直元件22用以將發散環形光L21調整成一準直環形光L22。準直元件22可為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
相位元件23用以將準直環形光L22之相位調變為非對稱，使形成非對稱相位之準直環形光L20。
掃描鏡組30例如為單軸或雙軸振鏡掃描裝置。於圖1實施例中，掃描鏡組30為由一第一掃描鏡31構成之單軸架構之掃描鏡組。藉由第一掃描鏡31的轉動以補償非對稱相位之準直環形光L20，將非對稱相位之準直環形光L20進行不同角度之掃描。
相位調變模組20被驅動以非對稱相位之準直環形光L20之光軸C20為軸心旋轉，更明確地，相位調變模組20的相位元件23被驅動以非對稱相位之準直環形光L20之光軸C20為軸心旋轉，如此，可使相位調變模組20形成之非對稱相位之準直環形光L20之非對稱角度配合掃描鏡組30欲掃描之位置，亦即，相位元件23的旋轉方向可對應不同的掃描鏡組30補償方向，當相位元件23旋轉時，可對應不同的掃瞄範圍。
聚焦元件40用以將非對稱相位之準直環形光L20聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束L30。聚焦元件40可為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
請參閱圖1所示，就單軸架構之掃描鏡組30而言，準直元件22與第一掃描鏡31之間具有一第一間距F1，第一掃描鏡31與聚焦元件40之間具有一第二間距F2。
為使掃描面維持統一平面，可將第一掃描鏡31置於聚焦元件40之前焦平面，亦即，聚焦元件40之前焦位置位於第一掃描鏡31上，非對稱相位之準直環形光L20通過聚焦元件40後可具有遠心特性。
此外，為使非對稱相位之準直環形光L20通過聚焦元件40後維持平行光環出射，可將非對稱相位之準直環形光L20的焦點置於第二間距F2之前焦平面。亦即，通過準直元件22後之準直環形光L22之焦點、第一掃描鏡31及第二間距F2之前焦平面位於同一位置上。
請參閱圖1所示，貝塞爾光束的產生裝置100更包括一控制器50。控制器50連接光源10、相位調變模組20與掃描鏡組30，以控制光源10、相位調變模組20與掃描鏡組30的作動。控制器50可為電腦或微處理器等具有可程式化及運算能力之裝置或元件。
請參閱圖2A及圖2B所示，說明圖1所示貝塞爾光束的產生裝置100之相位元件23於不同的相位調變角度搭配單軸架構之掃描鏡組30補償掃描的光束路徑示意。
請參閱圖2A所示，當相位元件23指向0度時，配合掃描鏡組30的補償角度θ1，掃描補償區域為A1，亦即貝塞爾光束L30的加工範圍。請參閱圖2B所示，當相位元件23指向180度時，配合掃描鏡組30的補償角度θ2，掃描補償區域為A2，亦即貝塞爾光束L30的加工範圍。
比對圖2A與圖2B，相位元件23分別指向0度與180度時，二者所形成的光型對稱，圖2A與圖2B示意為上下對稱，但不限於此，亦可為左右對稱。
當相位元件23旋轉一圈360度時，貝塞爾光束L30加工範圍為掃描補償區域A1、A2之掃描補償區域總和TA。至於傳統加工系統之加工範圍則侷限於掃描補償區域A1或A2其中之一之加工範圍。其原因在於傳統加工系統不具有如本案之相位元件23。換言之，本案所提供之單軸架構之掃描鏡組30之貝塞爾光束的產生裝置100，由於具有相位元件23，其加工範圍至少為傳統加工系統的兩倍。
請參閱圖3所示實施例，本案所提供之一種貝塞爾光束的產生裝置100A，其包含一光源10、一相位調變模組20、一掃描鏡組30A與一聚焦元件40。相位調變模組20包含一錐狀鏡21、一準直元件22與一相位元件23。
圖3實施例與圖1實施例之主要差異在於，圖3之掃描鏡組30a為雙軸之掃描鏡組。於圖3實施例中，掃描鏡組30A為一第一掃描鏡31與一第二掃描鏡32構成之雙軸架構之掃描鏡組。藉由第一掃描鏡31與第二掃描鏡32的轉動以補償非對稱相位之準直環形光L20，將非對稱相位之準直環形光L20進行不同角度之掃描。
就雙軸架構之掃描鏡組30A而言，第一掃描鏡31與一第二掃描鏡32之間具有一距離D，準直元件22與第一掃描鏡31之間具有一第一間距F1A-D/2，第二掃描鏡32與聚焦元件40之間具有一第二間距F2A-D/2。
第一掃描鏡31與第二掃描鏡32間之中央位置(亦即D/2處)位於準直元件22之焦點處。
聚焦元件40之前焦位置位於第一掃描鏡31與第二掃描鏡32間之中央位置(亦即D/2處)。
為修正通過準直元件22後之準直環形光L22之相位，將相位元件23置放於準直元件22後、掃描鏡組30A前。
請參閱圖4A至圖4D所示，說明圖3所示貝塞爾光束的產生裝置100A之相位元件23於不同的相位調變角度搭配雙軸架構之掃描鏡組30A補償掃描的光束路徑示意。
請參閱圖3及圖4A所示，當相位元件23指向45度時(如圖4A中的箭頭指示方向)，配合掃描鏡組30A的掃描補償區域(亦即貝塞爾光束L30的加工範圍)為A1A。
請參閱圖3及圖4B所示，當相位元件23指向135度時(如圖4B中的箭頭指示方向)，配合掃描鏡組30A的掃描補償區域(亦即貝塞爾光束L30的加工範圍)為A2A。
請參閱圖3及圖4C所示，當相位元件23指向225度時(如圖4C中的箭頭指示方向)，配合掃描鏡組30A的掃描補償區域(亦即貝塞爾光束L30的加工範圍)為A3A。
請參閱圖3及圖4D所示，當相位元件23指向315度時(如圖4D中的箭頭指示方向)，配合掃描鏡組30A的掃描補償區域(亦即貝塞爾光束L30的加工範圍)為A4A。
當相位元件23旋轉一圈360度時，加工範圍為掃描補償區域A1A~A4A之掃描補償區域總和TAA。至於傳統加工系統之加工範圍則侷限於掃描補償區域A1A~A4A其中之一之加工範圍。其原因在於傳統加工系統不具有如本案之相位元件23。換言之，本案所提供之雙軸架構之掃描鏡組30A之貝塞爾光束的產生裝置100A，由於具有相位元件23，其加工範圍至少為傳統加工系統的四倍。
圖1及圖3實施例所揭露之相位調變模組20包含一錐狀鏡21、一準直元件22與一相位元件23，入射光L1依序通過錐狀鏡21、準直元件22與相位元件23，亦即，入射光L1通過錐狀鏡21後成為環形光，先經由準直元件22整形為準直，而後再由相位元件23調變相位。然除此之外，亦可將準直元件22與相位元件23的位置對調，先調變環形光的相位，再整形為準直，其所能達成的效果相同。
請參閱圖5所示，本案所提供之一種貝塞爾光束的產生裝置100B，其包含一光源10、一相位調變模組20、一掃描鏡組30與一聚焦元件40。相位調變模組20包含一錐狀鏡21、一準直元件22與一相位元件23。
入射光L10通過錐狀鏡21後，可由錐狀鏡21將入射光L10整形為一發散環形光L21。
再由相位元件23用以將發散環形光L21之相位調變為非對稱，使形成非對稱相位之發散環形光L21A。
再由準直元件22將非對稱相位之發散環形光L21A調整成非對稱相位之準直環形光L20。
準直元件22與第一掃描鏡31之間具有一第一間距F1，第一掃描鏡31與聚焦元件40之間具有一第二間距F2。聚焦元件40之前焦位置位於第一掃描鏡31上，非對稱相位之準直環形光L20的焦點置於第二間距F2之前焦平面。
圖5所示實施例亦可將單軸架構之掃描鏡組30置換為圖3所示雙軸架構之掃描鏡組30A。
圖5所示實施例中，可將錐狀鏡21與相位元件23整合為一，以一多光束分光繞射光學元件(Diffraction Optical Element, DOE)取代。
請參閱圖6所示，利用本案所提供之貝塞爾光束的產生裝置，可歸納出貝塞爾光束的產生方法之流程200，其包含下列步驟：
步驟202：由一光源產生一入射光射入一相位調變模組。
步驟204：由相位調變模組將入射光整形為環形光並將環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光，而後射入一掃描鏡組。 步驟206：由掃描鏡組補償非對稱相位之準直環形光，將非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描，而後分別射入一聚焦元件。 步驟208：由聚焦元件將非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。
綜上所述，本案所提供之貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，以相位調變模組將環形光之相位調變為非對稱，再由掃描鏡組將非對稱相位之環形光進行不同角度掃描，因此能提高玻璃穿孔加工的效率。
經實驗驗證，利用本案所提供之貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，以尺寸為515毫米(mm)X510毫米(mm)、厚度為50至700微米(μm)的玻璃載板而言，需要鑽孔的數量80萬個，若鑽孔孔徑為10微米、孔距為50微米，加工平台的行進速度為300毫米/秒，相位調變模組與掃描鏡組的行進速度為2500毫米/秒，每秒可鑽孔10000個，相較於習知直寫式鑽孔，本案提供之掃描式鑽孔的加工速度為直寫式鑽孔速度的兩倍，加工一塊玻璃載板僅耗時85分鐘即可完成鑽孔作業。
於另一實驗中，就傳統直寫式加工，於以下條件： Y軸次數:500毫米/0.1毫米=5,000次；Y軸時間:0.5秒*5000次=2500秒；X軸次數:500毫米/0.1毫米=5,000次；X軸時間:1.5秒*5000次=7,500秒；加工總時間=10,000秒。
本案所提供之貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，於以下條件： Y軸次數:500毫米/0.1毫米=5,000次；Y軸時間:0.013秒*5000次=65秒；X軸次數:500毫米/0.1毫米=5,000次；X軸時間:1.5秒*5000次=7,500秒；加工總時間=7,565秒。
本案相較於傳統直寫式加工，產速提升： (10,000-7,565)/10,000=24.35%。
本案所提供之貝塞爾光束的產生裝置與產生方法，其所提供之飛雕模式(marking on the fly)使平台和相位調變模組與掃描鏡組的運動實現高速相對運動，從而能夠在整個伺服行程上快速定位，消除振鏡視野上的限制。此外，掃描位置同步輸出(Scan Position Synchronized Output, Scan PSO)，可將雷射脈衝與相位調變模組與掃描鏡組位置直接連結，能夠準確觸發雷射，避免補償因掃描鏡組運動而引起的回應時間上的延遲。
雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本案的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本案的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100,100A,100B:貝塞爾光束的產生裝置 10:光源 20:相位調變模組 21:錐狀鏡 22:準直元件 23:相位元件 30,30A:掃描鏡組 31:第一掃描鏡 32:第二掃描鏡 40:聚焦元件 50:控制器 200:貝塞爾光束的產生方法之流程 202~208:貝塞爾光束的產生方法之流程之步驟 A1,A2,A1A,A2A,A3A,A4A:掃描補償區域 C20:光軸 D:距離 F1:第一間距 F2:第二間距 L10:入射光 L20:非對稱相位之準直環形光 L21:發散環形光 L21A:非對稱相位之發散環形光 L22:準直環形光 L30:貝塞爾光束 TA,TAA:掃描補償區域總和 θ1,θ2:補償角度
圖1為本案貝塞爾光束的產生裝置之一實施例之架構示意圖。 圖2A及圖2B為圖1所示貝塞爾光束的產生裝置之相位元件於不同的相位調變角度搭配單軸架構之掃描鏡組補償掃描的光束路徑示意。 圖3為本案貝塞爾光束的產生裝置另一實施例之架構示意圖。 圖4A至圖4D為圖3所示貝塞爾光束的產生裝置之相位元件於不同的相位調變角度搭配雙軸架構之掃描鏡組補償掃描的光束路徑示意。 圖5為本案貝塞爾光束的產生裝置又一實施例之架構示意圖。 圖6為本案貝塞爾光束的產生方法之流程圖。
100:貝塞爾光束的產生裝置
10:光源
20:相位調變模組
21:錐狀鏡
22:準直元件
23:相位元件
30:掃描鏡組
31:第一掃描鏡
40:聚焦元件
50:控制器
C20:光軸
F1:第一間距
F2:第二間距
L10:入射光
L20:非對稱相位之準直環形光
L21:發散環形光
L22:準直環形光
L30:貝塞爾光束

Claims (26)

  1. 一種貝塞爾光束的產生裝置，其包含： 一光源，用以產生一入射光； 一相位調變模組，用以將該入射光整形為環形光並將該環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光； 一掃描鏡組，用以補償該非對稱相位之準直環形光，將該非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描；以及 一聚焦元件，用以將該非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。
  2. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該光源為雷射光源或具同調性之光源。
  3. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該相位調變模組包含： 一錐狀鏡，用以將該入射光整形為一發散環形光； 一準直元件，用以將該發散環形光調整成一準直環形光；以及 一相位元件，用以將該準直環形光之相位調變為非對稱，使形成該非對稱相位之準直環形光。
  4. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該相位調變模組包含： 一錐狀鏡，用以將該入射光整形為一發散環形光； 一相位元件，用以將該發散環形光之相位調變為非對稱，使形成非對稱相位之發散環形光；以及 一準直元件，用以將該非對稱相位之發散環形光調整成該非對稱相位之準直環形光。
  5. 如請求項3或4所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該錐狀鏡為折射式或繞射式。
  6. 如請求項3或4所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該準直元件為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
  7. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該相位調變模組被驅動以該非對稱相位之準直環形光之光軸為軸心旋轉，使該相位調變模組形成之該非對稱相位之準直環形光之非對稱角度係配合該掃描鏡組欲掃描之位置。
  8. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該掃描鏡組為單軸或雙軸之掃描鏡組。
  9. 如請求項8所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該單軸掃描鏡組具有一第一掃描鏡，該第一掃描鏡之位置位於該準直元件之焦點處。
  10. 如請求項9所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該聚焦元件之前焦位置位於該第一掃描鏡上。
  11. 如請求項8所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該雙軸掃描鏡組具有一第一掃描鏡與一第二掃描鏡，該第一掃描鏡與該第二掃描鏡間之中央位置位於該準直元件之焦點處。
  12. 如請求項11所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該聚焦元件之前焦位置位於該第一掃描鏡與該第二掃描鏡間之中央位置。
  13. 如請求項1所述之貝塞爾光束的產生裝置，其中該聚焦元件為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
  14. 一種貝塞爾光束的產生方法，其包含下列步驟： 由一光源產生一入射光射入一相位調變模組； 由該相位調變模組將該入射光整形為環形光並將該環形光之相位調變為非對稱，使形成一非對稱相位之準直環形光，而後射入一掃描鏡組； 由該掃描鏡組補償該非對稱相位之準直環形光，將該非對稱相位之準直環形光進行不同角度之掃描，而後分別射入一聚焦元件；以及 由該聚焦元件將該非對稱相位之準直環形光聚焦並干涉形成加工用之貝塞爾光束。
  15. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該光源為雷射光源或具同調性之光源。
  16. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該相位調變模組包含： 一錐狀鏡，用以將該入射光整形為一發散環形光； 一準直元件，用以將該發散環形光調整成一準直環形光；以及 一相位元件，用以將該準直環形光之相位調變為非對稱，使形成該非對稱相位之準直環形光。
  17. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該相位調變模組包含： 一錐狀鏡，用以將該入射光整形為一發散環形光； 一相位元件，用以將該發散環形光之相位調變為非對稱，使形成非對稱相位之發散環形光；以及 一準直元件，用以將該非對稱相位之發散環形光調整成該非對稱相位之準直環形光。
  18. 如請求項16或17所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該錐狀鏡為折射式或繞射式。
  19. 如請求項16或17所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該準直元件為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
  20. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該相位調變模組被驅動以該非對稱相位之準直環形光之光軸為軸心旋轉，使該相位調變模組形成之該非對稱相位之準直環形光之非對稱角度係配合該掃描鏡組欲掃描之位置。
  21. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該掃描鏡組為單軸或雙軸之掃描鏡組。
  22. 如請求項21所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該單軸掃描鏡組具有一第一掃描鏡，該第一掃描鏡之位置位於該準直元件之焦點處。
  23. 如請求項22所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該聚焦元件之前焦位置位於該第一掃描鏡上。
  24. 如請求項21所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該雙軸掃描鏡組具有一第一掃描鏡與一第二掃描鏡，該第一掃描鏡與該第二掃描鏡間之中央位置位於該準直元件之焦點處。
  25. 如請求項24所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該聚焦元件之前焦位置位於該第一掃描鏡與該第二掃描鏡間之中央位置。
  26. 如請求項14所述之貝塞爾光束的產生方法，其中該聚焦元件為平凸或雙凸球面鏡，單片式或多片式，折射式或繞射式。
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