TWI532558B - 光束追跡裝置 - Google Patents

Description

光束追跡裝置

本揭露係關於一種光束追跡裝置，特別是一種可有效對任意曲線的軌跡進行雷射加工並提升雷射加工品質的光束追跡裝置。

這些年來，隨著電子科技的進步，人們對於電子相關的產品的需求也日益增高。為了因應電腦、通訊、及消費性電子產業的不斷發展，實現這些電子產品的高精密度加工亦顯得更加重要，也因而促進了雷射加工的出現。

舉例來說，雷射加工是利用雷射器產生雷射光束，經由定焦匯聚透鏡匯聚形成聚焦光斑，使聚焦光斑照射於待加工件的目標加工位置，並水平移動待加工件，以使聚焦光斑照射處的待加工件材料於吸收熱量後可迅速地局部熔化。並且，隨著待加工件或是聚焦光斑的不斷移動，即可達到加工的目的。此雷射加工可避免原物料的浪費，亦具有速度快與深度/寬度比值高等優點。

雷射加工於焊接或是封裝等製程上，除了以主聚焦光斑作為加工之外，亦藉由次聚焦光斑以作為輔助加工處理。亦即，透過主聚焦光斑與次聚焦光斑形成雙光斑以進行雷射加工。然而，在這些雷射加工製程當中，雙光斑的移動軌跡僅限於單一直線的方向，無法使雙光斑的移動軌跡滿足任意曲線的方向。另一方面，直線段上的雙光斑之光型不同於轉 角處的雙光斑之光型，也使得雷射加工製程的品質受到影響。

一般而言，應用於習知技術中的雙光斑雷射加工，大多不具有可任意移動軌跡的曲線加工功能，使得加工的精密度與範圍受到限制，亦降低了雷射加工的品質。

本揭露提供一種光束追跡裝置，藉以有效對任意曲線的軌跡進行雷射加工，並提升雷射加工的品質。

根據本揭露之一實施例，一種光束追跡裝置包括一光源模組、一追跡模組、及一光斑產生模組。光源模組用以產生一第一光束與一第二光束。追跡模組包括一光學旋轉單元以及一控制模組。光學旋轉單元用以導引第一光束。控制模組包括一切線產生單元、一旋轉補正單元、及一驅動單元。切線產生單元依據一加工軌跡產生一切線角訊號。旋轉補正單元依據切線角訊號與一查找表產生一驅動訊號。驅動單元依據驅動訊號旋轉光學旋轉單元。光斑產生模組用以對被導引的第一光束及第二光束聚焦。

本揭露所提供的光束追跡裝置，藉由切線產生單元依據加工軌跡以產生切線角訊號，並使旋轉補正單元依據切線角訊號與查找表以產生驅動訊號，以致使驅動單元依據驅動訊號以旋轉光學旋轉單元。再藉由光學旋轉單元以導引第一光束，並透過光斑產生模組以對被導引的第一光束及第二光束聚焦，以使被聚焦的第一光束動態追隨被聚焦的第二光束。如此一來，可有效對任意曲線的軌跡進行雷射加工，並提升雷射加工的品質。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

10‧‧‧光束追跡裝置

100‧‧‧光源模組

101‧‧‧加工軌跡

110‧‧‧光源單元

112‧‧‧光束

114‧‧‧第一光束

116‧‧‧第二光束

120‧‧‧分光單元

130‧‧‧第一鏡組

132‧‧‧第一反射鏡

134‧‧‧第一光衰減器

136‧‧‧第一擴縮束鏡

138‧‧‧第二反射鏡

140‧‧‧第二鏡組

142‧‧‧第二光衰減器

144‧‧‧第二擴縮束鏡

200‧‧‧追跡模組

210‧‧‧光學旋轉單元

212‧‧‧楔形光學元件

220‧‧‧控制模組

222‧‧‧路徑輸入單元

224‧‧‧切線產生單元

226‧‧‧旋轉補正單元

228‧‧‧驅動單元

300‧‧‧光斑產生模組

310‧‧‧第一鏡

320‧‧‧聚焦透鏡

A‧‧‧切線角

B‧‧‧偏轉角

第1圖為本揭露之光束追跡裝置的示意圖。

第2A圖為本揭露之加工軌跡的切線角示意圖。

第2B圖為本揭露之第一光束行經楔形光學元件的偏轉角示意圖。

第3圖為本揭露之光束追跡裝置之另一實施例的示意圖。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請參照『第1圖』，其為本揭露之光束追跡裝置的示意圖。本實施例之光束追跡裝置10適於雷射加工。亦即，使用者可透過此光束追跡裝置10來追蹤任意曲線的加工軌跡101，以於待加工件完成對應的加工製程。在本實施例中，加工軌跡101例如可為一電腦輔助設計(Computer Aided Design,CAD)圖檔加工軌跡、一預設固定路徑加工軌跡、或一即時偵測加工軌跡。但本實施例不限於此，加工軌跡101亦可使用其他類似圖檔的元件來實施。光束追跡裝置10包括一光源模組100、一追跡模組200、及 一光斑產生模組300。

光源模組100用以產生一第一光束114與一第二光束116。 進一步來說，光源模組100包括一光源單元110、一分光單元120、一第一鏡組130、及一第二鏡組140。光源單元110用以產生一光束112。分光單元120依據光束112，以產生第一光束114與第二光束116。在本實施例中，光源單元110例如可為一雷射輻射源或一燈源放射線源，而分光單元120例如可為一偏振分光鏡。但本實施例不限於此，光源單元110與分光單元120亦可使用其他類似的元件來實施。

第一鏡組130用以反射第一光束114，且第一鏡組130包括一第一反射鏡132、一第一光衰減器134、一第一擴縮束鏡136、及一第二反射鏡138。第一反射鏡132用以反射第一光束114，第一光衰減器134用以對第一光束114進行一能量調整，第一擴縮束鏡136用以對第一光束114進行一尺寸調整，而第二反射鏡138用以反射被第一反射鏡132所反射的第一光束114。

第二鏡組140用以使第二光束116穿透，且第二鏡組140包括一第二光衰減器142以及一第二擴縮束鏡144。第二光衰減器142用以對第二光束116進行一能量調整，而第二擴縮束鏡144用以對第二光束116進行一尺寸調整。

追跡模組200包括一光學旋轉單元210及一控制模組220。 光學旋轉單元210用以導引第一光束114，而控制模組220耦接光學旋轉單元210。其中，被光學旋轉單元210導引後的第一光束114不同於被光學旋轉單元210導引前的第一光束114。亦即，被光學旋轉單元210導引後的第 一光束114有經過追跡模組200的追跡處理。

光學旋轉單元210包括至少二楔形(Wedge)光學元件212。 此至少二楔形光學元件212具有一相對旋轉角度差值，且至少二楔形光學元件212依據此相對旋轉角度差值產生一偏轉角，以使被聚焦的第一光束114與被聚焦的第二光束116產生一光斑間距。其中，被聚焦的第一光束114與被聚焦的第二光束116兩者的定義，容後說明。在本實施例中，此光斑間距例如介於1μm~200mm。

控制模組220包括一切線產生單元224、一旋轉補正單元226、及一驅動單元228。切線產生單元224依據前述的加工軌跡101以產生一切線角訊號。進一步來說，切線產生單元224包括一路徑輸入單元222。此路徑輸入單元222用以輸入前述的加工軌跡101給切線產生單元224。其中，加工軌跡101例如可為電腦輔助設計圖檔加工軌跡、預設固定路徑加工軌跡、或即時偵測加工軌跡。

旋轉補正單元226耦接切線產生單元224，且旋轉補正單元226具有一查找表，此旋轉補正單元226用以依據切線角訊號與查找表，以產生一驅動訊號。其中，查找表包括複數個補正角度，這些補正角度用以指示切線角訊號與光學旋轉單元210如何導引第一光束114之間的對應關係。在本實施例中，這些補正角度例如介於0~360度，而查找表可為一二維資料表格。但本實施例不限於此，查找表亦可使用其他類似表格的元件來實施。

驅動單元228耦接旋轉補正單元226，且此驅動單元228用以依據驅動訊號，以旋轉前述的光學旋轉單元210。在本實施例中，驅動單 元228例如可為一步進馬達、一伺服馬達、或其組合。但本實施例不限於此，驅動單元228亦可使用其他類似的元件來實施。

光斑產生模組300用以對被導引的第一光束114及第二光束116聚焦，以產生前述之被聚焦的第一光束114與被聚焦的第二光束116。 在本實施例中，被聚焦的第一光束114於加工軌跡101具有一第一位置，被聚焦的第二光束116於加工軌跡101具有一第二位置，且第一位置例如可超前於第二位置，或是第一位置可落後於第二位置。其中，第一位置超前於或落後於第二位置可透過雷射加工製程的行進方向而加以定義。

進一步來說，光斑產生模組300包括一第一鏡310及一聚焦透鏡320。第一鏡310用以使第二光束116穿透，並用以反射被導引的第一光束114。聚焦透鏡320用以對被導引的第一光束114及第二光束116聚焦。

舉例來說，當路徑輸入單元222輸入例如電腦輔助設計圖檔或預設固定路徑的加工軌跡101時，會使得切線產生單元224產生切線角訊號給旋轉補正單元226。其中，切線角訊號例如用以指示一切線角A的角度值，如『第2A圖』所示。『第2A圖』為本揭露之加工軌跡的切線角示意圖。

接著，旋轉補正單元226會依據切線角訊號與查找表，以產生驅動訊號給驅動單元228。據此，驅動單元228可旋轉光學旋轉單元210，且光學旋轉單元210是以第一光束114進入光學旋轉單元210的方向為軸向，而被驅動單元228所旋轉。也就是說，光學旋轉單元210所做的是整體旋轉，並依據旋轉補正單元226進行非線性補償的計算，於查找表中找出對應此切線角A的補正角度，以使驅動單元228對應旋轉光學旋轉單 元210，以完成追跡模組200的追跡處理(即追跡模組200產生一追跡角以對應切線角A)。

同時，藉由至少二楔形光學元件212的相對旋轉角度差值，可使被導引的第一光束114對應做一偏轉角B的角度偏移，以調整被聚焦的第一光束114與被聚焦的第二光束116兩者之間的光斑間距，如『第2B圖』所示。『第2B圖』為本揭露之第一光束行經楔形光學元件的偏轉角示意圖。其中，相對旋轉角度差值不等於偏轉角B的角度值。

接著，光斑產生模組300會對被導引的第一光束114聚焦，以對應產生第一光斑於加工軌跡101。並且，光斑產生模組300也會對來自於光源模組100的第二光束116聚焦，以對應產生第二光斑於加工軌跡101。

進一步來說，藉由以上所述的光束追跡裝置10，可得知當追跡模組200接收到任意曲線的加工軌跡101圖檔時，追跡模組200會進行追跡處理，以使位於加工軌跡101上的第一光斑可動態追隨位於加工軌跡101上的第二光斑。也就是說，此光束追跡裝置10可追蹤任意曲線的加工軌跡101，以於待加工件完成對應的加工製程，並可提升雷射加工的品質。

前述實施例中之光源單元110的數量是以1個為例來說明，但此光源單元110的數量包括至少1個。於其他實施例中，光源單元110的數量亦可為2個或是2個以上。舉例來說，若光源單元110的數量為2個時，可參照如『第3圖』所示。『第3圖』為本揭露之光束追跡裝置之另一實施例的示意圖。在本實施例中，前述的分光單元120與第一反射鏡132則可不必使用。亦即，第二光束116可直接行經第二光衰減器142以及第二擴縮束鏡144，而第一光束114可直接行經第一光衰減器134、第一擴 縮束鏡136、及第二反射鏡138。藉由2個光源單元110的配置，亦可達到與『第1圖』之實施例相同的效果，故在此不再贅述。

綜上所述，本揭露之實施例所揭露的光束追跡裝置，藉由切線產生單元依據加工軌跡以產生切線角訊號，並使旋轉補正單元依據切線角訊號與查找表以產生驅動訊號，以致使驅動單元依據驅動訊號以旋轉光學旋轉單元。再藉由光學旋轉單元以導引第一光束，並透過光斑產生模組以對被導引的第一光束及第二光束聚焦，以使被聚焦的第一光束動態追隨被聚焦的第二光束。如此一來，可有效對任意曲線的軌跡進行雷射加工，並提升雷射加工的品質。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧光束追跡裝置

100‧‧‧光源模組

101‧‧‧加工軌跡

110‧‧‧光源單元

112‧‧‧光束

114‧‧‧第一光束

116‧‧‧第二光束

120‧‧‧分光單元

130‧‧‧第一鏡組

132‧‧‧第一反射鏡

134‧‧‧第一光衰減器

136‧‧‧第一擴縮束鏡

138‧‧‧第二反射鏡

140‧‧‧第二鏡組

142‧‧‧第二光衰減器

144‧‧‧第二擴縮束鏡

200‧‧‧追跡模組

210‧‧‧光學旋轉單元

212‧‧‧楔形光學元件

220‧‧‧控制模組

222‧‧‧路徑輸入單元

224‧‧‧切線產生單元

226‧‧‧旋轉補正單元

228‧‧‧驅動單元

300‧‧‧光斑產生模組

310‧‧‧第一鏡

320‧‧‧聚焦透鏡

Claims (15)

1. 一種光束追跡裝置，包括：一光源模組，用以產生一第一光束與一第二光束；一追跡模組，包括：一光學旋轉單元，用以導引該第一光束；以及一控制模組，包括：一切線產生單元，依據一加工軌跡產生一切線角訊號；一旋轉補正單元，依據該切線角訊號與一查找表產生一驅動訊號，該旋轉補正單元具有該查找表，且該查找表包括複數個補正角度；以及一驅動單元，依據該驅動訊號旋轉該光學旋轉單元；以及一光斑產生模組，用以對該被導引的第一光束及該第二光束聚焦。
2. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該光源模組包括：一光源單元，用以產生一光束；一分光單元，依據該光束以產生該第一光束與該第二光束；一第一鏡組，用以反射該第一光束；以及一第二鏡組，用以使該第二光束穿透。
3. 如請求項2所述之光束追跡裝置，其中該第一鏡組包括：一第一反射鏡，用以反射該第一光束；一第一光衰減器，用以對該第一光束進行一能量調整；一第一擴縮束鏡，用以對該第一光束進行一尺寸調整；以及一第二反射鏡，用以反射該被第一反射鏡所反射的第一光束。
4. 如請求項2所述之光束追跡裝置，其中該第二鏡組包括：一第二光衰減器，用以對該第二光束進行一能量調整；以及一第二擴縮束鏡，用以對該第二光束進行一尺寸調整。
5. 如請求項2所述之光束追跡裝置，其中該光源單元的數量包括至少一個。
6. 如請求項2所述之光束追跡裝置，其中該光源單元為一雷射輻射源或一燈源放射線源。
7. 如請求項2所述之光束追跡裝置，其中該分光單元為一偏振分光鏡。
8. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該光斑產生模組包括：一第一鏡，用以使該第二光束穿透，並用以反射該被導引的第一光束；以及一聚焦透鏡，用以對該被導引的第一光束及該第二光束聚焦。
9. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該光學旋轉單元包括：至少二楔形光學元件，具有一相對旋轉角度差值，並依據該相對旋轉角度差值產生一偏轉角，以使該被聚焦的第一光束與該被聚焦的第二光束產生一光斑間距。
10. 如請求項9所述之光束追跡裝置，其中該光斑間距介於1μm~200mm。
11. 如請求項9所述之光束追跡裝置，其中該被聚焦的第一光束於該加工軌跡具有一第一位置，該被聚焦的第二光束於該加工軌跡具有一第二位置，該第一位置超前於該第二位置，或是該第一位置落後於該第二位置。
12. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該切線產生單元包括： 一路徑輸入單元，用以輸入該加工軌跡給該切線產生單元。
13. 如請求項12所述之光束追跡裝置，其中該加工軌跡為一電腦輔助設計圖檔加工軌跡、一預設固定路徑加工軌跡、或一即時偵測加工軌跡。
14. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該些補正角度介於0~360度。
15. 如請求項1所述之光束追跡裝置，其中該驅動單元為一步進馬達、一伺服馬達、或其組合。