TWI558489B - 應用熱輻射影像的雷射加工系統與其方法 - Google Patents

Description

應用熱輻射影像的雷射加工系統與其方法

本發明係關於一種雷射加工系統及其方法，特別是一種應用熱輻射影像資料以進行控制的雷射加工系統及其方法。

近年來隨著雷射技術的蓬勃發展，許多產品製造原本使用傳統機械加工方法，皆開始導入雷射加工技術，例如焊接、表面淬火、退火等熱處理技術，實際應用的領域，如手機有機發光顯示器(OLED,organic light-emitting diode)的玻璃封裝技術、金屬表面硬化處理、金屬焊接、半導體退火雜質擴散或結晶技術等，都極具市場發展潛力。而上述之雷射技術對於產品成效優劣的關鍵是材料受雷射照射後的溫度因子，如溫度高低、溫度梯度、溫度分布、持溫時間等參數，因此準確掌控溫度相關參數，對於雷射加工技術是很重要的。

此外，在雷射加工技術日益追求精細準確的趨勢下，所需光斑的尺寸越來越小，而伴隨的問題是景深範圍越來越小，加工工件的不平整有可能會造成離焦(defocus)的問 題，因此雷射加工系統除了需要一即時監控溫度的測溫機制之外，還需額外加入測距功能以改善離焦造成加工區溫度變化的問題。

有鑑於以上的問題，本發明提出一種雷射加工系統及其方法。在不同於雷射出光路徑的一個偵測路徑上設置一個陣列式光偵測裝置，以偵測待加工物上被雷射加工而散發的熱幅射，以擷取一個對應的熱輻射影像。並依據此熱輻射影像來同時估計待加工物上一個加工區域的溫度以及待加工物的距離。

依據本發明一實施例的一種雷射加工系統，包含雷射產生裝置、陣列式光偵測裝置、處理裝置與定位裝置。雷射產生裝置以第一光徑發射雷射光至待加工物。陣列式光偵測裝置，用以從第二光徑偵測待加工物被雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取熱輻射影像，其中第二光徑不同於第一光徑。處理裝置電性連接至雷射產生裝置與陣列式光偵測裝置，用以計算熱輻射影像的溫度中心座標，並依據溫度中心座標產生距離控制訊號。定位裝置電性連接至處理裝置，用以受控於距離控制訊號，而使雷射加工系統與待加工物間的當前距離等於加工距離。

依據本發明一實施例的一種雷射加工方法包含以第一光徑發射雷射光至待加工物。並從第二光徑偵測待加 工物被雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取對應的熱輻射影像，其中第二光徑不同於第一光徑。並計算熱輻射影像的溫度中心座標，以依據溫度中心座標，使雷射加工系統與待加工物間的當前距離等於加工距離。

以上之關於本發明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發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧雷射加工系統

101‧‧‧第一光徑

102‧‧‧第二光徑

11‧‧‧雷射產生裝置

13‧‧‧陣列式光偵測裝置

131‧‧‧陣列式光偵測模組

135‧‧‧濾波鏡

15‧‧‧處理裝置

151‧‧‧溫度計算模組

153‧‧‧中心座標運算模組

155‧‧‧校正模組

157‧‧‧儲存模組

158‧‧‧功率控制模組

159‧‧‧加工區域運算模組

17‧‧‧定位裝置

19‧‧‧聚焦鏡

20‧‧‧待加工物

d₀‧‧‧加工距離

d₁、d₂‧‧‧當前距離

P₀‧‧‧校準座標

P₁、P₂‧‧‧溫度中心座標

R_T‧‧‧等溫線

θ‧‧‧路徑角

第1圖，係依據本發明一實施例的雷射加工系統功能方塊圖。

第2A圖，係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一正常操作示意圖。

第2B圖，係第2A圖中陣列式光偵測模組所偵測熱輻射影像。

第2C圖，係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一異常操作示意圖。

第2D圖，係第2C圖中陣列式光偵測模組所偵測熱輻射影像。

第2E圖，係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一異常操作示意圖。

第2F圖，係第2E圖中陣列式光偵測模組所偵測熱輻射影 像。

第3A圖，係依據本發明一實施例中熱輻射影像等溫線示意圖。

第3B圖，係相對於第3A圖的一溫度分布示意圖。

第3C圖，係依據本發明一實施例中對應於第3A圖的高溫區域示意圖。

第4A圖，係本發明一實施例的雷射加工方法流程圖。

第4B圖，係本發明一實施例中第4A圖的步驟S43方法流程圖。

第4C圖，係本發明一實施例中第4A圖的步驟S44方法流程圖。

第4D圖，係本發明一實施例中第4A圖的步驟S45方法流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明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發明。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

關於本發明一實施例中的雷射加工系統，請一併參照第1圖與第2A圖，第1圖係依據本發明一實施例的雷射 加工系統功能方塊圖，第2A圖係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一正常操作示意圖。如第1圖所示，雷射加工系統1可以包含雷射產生裝置11、陣列式光偵測裝置13、處理裝置15與定位裝置17。其中處理裝置15分別電性連接至雷射產生裝置11、陣列式光偵測裝置13與定位裝置17。

雷射產生裝置11用以受控於處理裝置15而以第一光徑101發射雷射光至待加工物20。在雷射加工的領域中，雷射產生裝置11用來發射雷射以對待加工物20進行焊接、表面淬火、退火等熱處理。舉例來說，雷射產生裝置11可以包含二氧化碳雷射器、一氧化碳雷射器、金屬蒸氣雷射器、金屬鹵化物雷射器、鹽酸雷射器、碘雷射器、釹-雅各雷射、摻鐿光纖雷射、半導體雷射或其他可以產生單色光或高功率光波的裝置，本發明不以此為限。

陣列式光偵測裝置13用以從第二光徑102偵測待加工物20被該雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取熱輻射影像。如第2A圖所示，第二光徑102不同於該第一光徑101，如此一來第一光徑101軸線上每一點在陣列式光偵測裝置13的偵測平面上會對應在不同的位置，因此可以用陣列式光偵測裝置13來偵測待加工物20與雷射加工系統1的距離。於一個實施例中，第一光徑101與第二光徑102之間的路徑角θ大於0度。於進一步的實施例中，路徑角介於0度與60度之間。依據本實施例，陣列式光偵測裝置13可以是一維或二 維的感光耦合元件式影像感測器(Charge-Coupled Device Image Sensor)、一維或二維的金屬氧化物半導體場效電晶體影像感測器(Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Image Sensor)、光電二極體陣列(photodiode array)、位置感測器(position sensing detector,PSD)或其他適於擷取熱輻射影像的裝置，本發明不以此為限。

更明確的說，可以用陣列式光偵測裝置13來偵測待加工物20是否位於雷射加工系統1的雷射焦平面上。舉例來說，請一併參照第1圖、第2A圖與第2B圖，其中第2B圖係第2A圖中陣列式光偵測裝置所偵測熱輻射影像。第2A圖所示者係雷射加工系統1與待測物20的當前距離(更精確地說，是雷射加工系統1中的聚焦鏡19到待測物20的距離)等於加工距離d₀，此時雷射加工系統1可以精確地對待加工物20進行各種雷射熱處理。如第2B圖所示，此時陣列式光偵測裝置13上的熱輻射影像有一個溫度中心座標。由於當前距離等於加工距離d₀時，熱輻射影像中的溫度中心座標是固定的，因此可以把這個溫度中心座標設定為校準座標P₀。

於某些操作狀態下，如果雷射加工系統1與待加工物20間的距離太近，則請一併參照第2C圖與第2D圖，第2C圖係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一異常操作示意圖，第2D圖係第2C圖中陣列式光偵測模組所偵測熱輻射影像。如第2D圖所示，當雷射加工系統1中的聚焦鏡19到 待測物20的當前距離d₁小於加工距離d₀時，熱輻射影像中的溫度中心座標P₁就偏離了校準座標P₀。

於某些操作狀態下，如果雷射加工系統1與待加工物20間的距離太遠，則請一併參照第2E圖與第2F圖，第2E圖係依據本發明一實施例中的雷射加工系統一異常操作示意圖，第2F圖係第2E圖中陣列式光偵測模組所偵測熱輻射影像。如第2F圖所示，當雷射加工系統1中的聚焦鏡19到待測物20的當前距離d₂大於加工距離d₀時，熱輻射影像中的溫度中心座標P₂就偏離了校準座標P₀。由於只要當前距離不等於加工距離d₀，熱輻射影像中的溫度中心座標就會不等於校準座標P₀。因此於一實施例中，本發明中的處理裝置15可以依據溫度中心座標來決定當前距離是否等於加工距離d₀。

處理裝置15用以計算熱輻射影像的溫度中心座標，並依據溫度中心座標產生距離控制訊號。舉例來說，處理裝置15中可以包含溫度計算模組151、中心座標運算模組153、校正模組155與功率控制模組158。其中溫度計算模組151電性連接至陣列式光偵測裝置13。中心座標運算模組153電性連接至溫度計算模組151。校正模組155電性連接至中心座標運算模組153與定位裝置17。而功率控制模組158電性連接至溫度計算模組151。實作上，處理裝置15及其中的多個模組可以由特殊應用積體電路(application-specific integrated circuit,ASIC)、進階精簡指令集機器(advanced RISC machine,ARM)、中央處理單元(central processing unit,CPU)、單晶片控制器或其他適於執行運算及控制指令的設備來實現，本發明在此不加以限制。

溫度計算模組151可用以依據熱輻射影像中多個像素中每個像素的灰階值，計算此像素所對應的溫度值。舉例來說，溫度計算模組151依據每個像素的灰階值可以計算出此像素所接收的能量值。其方法可以參考一般的「數位類比轉換」或是「二進位十進位轉換」的方法，於此不再贅述。而後依據維恩分配定律(Wien’s distribution law)或是普朗克黑體輻射定律(Plank’s law)來計算此像素所對應的待加工物20上的區塊的溫度值。

舉普朗克黑體輻射定律的計算方法為例，已知其強度、溫度與光波長的關係式如下： 方程式(1)中I是強度，也就是能量值。h是普朗克常數，c是光速，λ是光波長，k是波茲曼常數而T是絕對溫度。於一個實施例中，在前述陣列式光偵測裝置13中可以包含陣列式光偵測模組131與配置於第二光徑102上的濾波鏡135。則由於濾波鏡135可以過濾熱輻射，使陣列式光偵測模組131所接收到的光都屬於特定頻段(例如近紅外線頻段，或是不包含雷 射光的頻率)。假設僅有波長700奈米至波長1000奈米的近紅外線可以通過濾波鏡而被陣列式光偵測模組131所接收，則熱輻射影像中的每個像素所接收的能量值就是波長介於700奈米與1000奈米間所有的紅外線的能量。更明確的說可以用下列方程式來依據能量值E(T)反推溫度值T： 上述方程式(2)係將方程式(1)對波長進行積分而得到的結果。由於除了溫度T以外的數值都已知(波長λ的範圍也已知)，因此方程式(2)實質上是一個能量與溫度的關係方程式。而可以利用方程式(2)或類似的方程式以一個像素所接收的能量值去估算此像素所對應的溫度值。

中心座標運算模組153可用以依據前述多個像素中每個像素的座標與每個像素所對應的溫度值，計算溫度中心座標。舉例來說，由於已經有每個像素的座標與對應的溫度值了，而多個像素中的第i個像素的座標可以用(x_i,y_i)表示，且其溫度可以用T_i來表示，其中x₁表示第i個像素的水平座標值，而y_i表示第i個像素的鉛直座標值。假設第i個像素位在熱輻射影像中的第20行第15列(也就是第15列的第20個像素)，則其座標可以用(20,15)表示。可以選擇熱幅射影像中的所有像素來做運算，也可以選擇熱輻射影像中，溫度高於一定值的像素來做運算，舉例來說，可以選擇溫度高於 攝氏100度的像素來做運算。運算方法如下列方程式。

以上述方程式(3)及方程式(4)可以計算求得(X_M,Y_M)，用來作為溫度中心座標。

校正模組155可用以依據溫度中心座標產生距離控制訊號。更明確的說，校正模組可以依據溫度中心座標，來判斷當前距離是否等於加工距離d₀，以產生位置控制訊號。於一個實施例中，請回到第1圖，處理裝置15可以更包含一個儲存模組157，電性連接至校正模組155。儲存模組157中可以儲存依個座標距離對照表，因此校正模組155可以依據先前得到的溫度中心座標以及座標距離對照表，來決定當前距離以產生位置控制訊號。當得到當前距離後，可以將當前距離與加工距離d₀相減來得到一個位移值。理想上假如座標距離對照表正確無誤，則依據這個位移值調整雷射加工系統1與待加工物20的當前距離後，雷射加工系統1與待加工物20之間被調整的當前距離會等於加工距離d₀。

於本發明另一實施例中，儲存模組157可以儲存一個灰階值溫度轉換模型，並且溫度計算模組151依據熱輻 射影像中每個像素的灰階值以及儲存模組157中所儲存的灰階值溫度轉換模型，找出每個像素所對應待加工物20上的區塊的溫度值。其中，灰階值溫度轉換模型係經過多次實驗與量測所收集的資訊而得到的。前述灰階值溫度轉換模型可以用一個灰階值溫度對照表來呈現，也可以用一個溫度對灰階值的函數來呈現。而溫度對灰階值的函數可以由前述多次實驗與量測所收集的資訊經過曲線擬合(curve fitting)而得到。

然而，於某些實施例中，由於雷射加工系統1可能被不當地操作或因為外在環境變異(例如環境溫度改變或是地震導致陣列式光偵測裝置13與雷射產生裝置11的相對位置改變)，座標距離對照表可能不再準確。則被調整後的當前距離不會等於加工距離d₀，而有一個距離差值。校正模組155可以依據這個距離差值計算一個校正參數，來更新座標距離對照表。

於另一實施例中，儲存模組157可以儲存校準座標P₀。由本發明前述說明可以知道如果當前距離不等於加工距離d₀，則溫度中心座標不會等於校準座標P₀。因此校正模組155可以直接比較溫度中心座標與校準座標P₀，來決定當前距離是否等於加工距離d₀，以產生位置控制訊號。並且，於此實施例中，校正模組155直接控制定位裝置17使溫度中心座標等於校準座標P₀，則可以使雷射加工系統1與待加工物20的當前距離等於加工距離d₀。

而功率控制模組158可用以控制雷射產生裝置11發射雷射。於一實施例中功率控制模組158更可用以產生功率控制訊號控制雷射光的雷射功率。更明確的來說，功率控制模組158產生功率控制訊號來控制雷射產生裝置11增加或降低雷射功率，以調整待加工物20上的受加工區域中的最高溫以及受加工區域尺寸。

於一實施例中，處理裝置15可以更包含一個加工區域運算模組159，電性連接於溫度計算模組151與功率控制模組158之間。加工區域運算模組159可用以依據熱輻射影像中的多個像素中每個像素的座標與每個像素所對應的溫度值，計算待加工物20上的受加工區域尺寸。具體而言，受加工區域尺寸係依據系統設定及/或待加工物20的材料特性來計算。舉例來說，於一個加工程序中，需要將待加工物20的溫度提高到攝氏500度，則所謂的受加工區域就是指待加工物20的表面上溫度大於等於攝氏500度的區域。因此，受加工區域運算模組159可以依據熱輻射影像，找出待加工物20上所有溫度大於等於攝氏500度的區域，並估算其尺寸。

於此實施例中，功率控制模組158可以依據前述受加工區域尺寸與一個預設加工尺寸，來產生功率控制訊號。舉例來說，當前述受加工區域尺寸小於預設加工尺寸，則可以產生一個功率控制訊號來提高雷射功率。藉此，受加工區域的最高溫度以及尺寸都會增加。反之，當前述受加工 區域尺寸大於預設加工尺寸，則可以產生一個功率控制訊號來降低雷射功率。藉此，受加工區域的最高溫度以及尺寸都會降低。

於一實施例中，請參照第3A圖與第3B圖，第3A圖係依據本發明一實施例中熱輻射影像等溫線示意圖，第3B圖係相對於第3A圖的一溫度分布示意圖。如第3B圖所示，加工區域運算模組159從這些像素中選擇多個高溫像素，並依據高溫像素的分布來計算該受加工區域尺寸。其中所謂高溫像素表示其所對應的溫度值大於門檻溫度值，也就是第3A圖中的等溫線R_T所環繞的區域。因此加工區域運算模組159會把等溫線R_T所環繞的區域辨識為受加工區域。而後計算這個受加工區域的半徑等尺寸。

應用前述設定溫度值的概念，於本發明另一實施例中，中心座標運算模組153可以先以一個設定溫度值分析熱輻射影像，以得到一個包含多個高溫像素的高溫區域，請參照第3C圖，其係依據本發明一實施例中對應於第3A圖的高溫區域示意圖。如第3C圖所示，中心座標運算模組153將圖中被等溫線R_T所環繞的區域辨識為高溫區域。並且中心座標運算模組153計算此高溫區域的幾何中心的座標，並將高溫區域的幾何中心的座標作為溫度中心座標。

定位裝置17可用以受控於距離控制訊號，而使雷射加工系統1與待加工物20間的當前距離等於加工距離 d₀。於一個實施例中，若待加工物20非常龐大(例如為汽車骨架)，待加工物20固定不動，定位裝置17控制雷射加工系統1移動。於另一個實施例中，若待加工物20相對於雷射加工系統1十分輕巧(例如為小型金屬板)，雷射加工系統1固定不動，定位裝置17控制待加工物20移動。依據本實施例，定位裝置17可以是線性手臂、選擇性合規關節型機器手臂(Selective Compliance Articulated Robot Arm,SCARA)、關節多軸機械手臂或其他適於控制雷射系統1與待加工物20之間的距離的裝置，本發明在此不加限制。

綜上所述，依據本發明一實施例的雷射加工方法可以參照第4A圖，其係本發明一實施例的雷射加工方法流程圖。如步驟S41所示，以第一光徑發射雷射光至待加工物。如步驟S42所示，從第二光徑偵測待加工物被雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取熱輻射影像。其中第二光徑與第一光徑不同。並且第二光徑與第一光徑之間所夾的路徑角可以大於0度，同時可以小於60度。如步驟S43所示，計算熱輻射影像的溫度中心座標。如步驟S44所示，依據溫度中心座標控制雷射加工系統，使雷射加工系統與待加工物間的當前距離等於加工距離。

於本發明一實施例中，前述步驟S43中的流程，請參照第4B圖，其係本發明一實施例中第4A圖的步驟S43方法流程圖。如步驟S431所示，依據熱輻射影像中多個像素 中每一像素的灰階值，計算此像素所對應的溫度值。如步驟S432所示，依據前述多個像素中每個像素的座標與每個像素所對應的溫度值，計算溫度中心座標。

於本發明一實施例中，在前述步驟S431中，依據熱輻射影像中多個像素中每一像素的灰階值，計算此像素所對應的溫度值時，可以對每一個像素，依據其灰階值計算此像素所接收的能量值。而後依據這個能量值，以維恩分配定律(Wien’s distribution law)或普朗克黑體輻射定律(Plank’s law)計算此像素對應的溫度值。

於本發明一實施例中，在前述步驟S432中，依據前述多個像素中每個像素的座標與每個像素所對應的溫度值，計算溫度中心座標時，由於已經有每個像素的座標與對應的溫度值了。舉例來說，多個像素中的第i個像素的座標可以用(x_i,y_i)表示，且其溫度可以用T_i來表示，其中x_i表示第i個像素的水平座標值，而y_i表示第i個像素的鉛直座標值。假設第i個像素位在熱輻射影像中的第20行第15列(也就是第15列的第20個像素)，則其座標可以用(20,15)表示。可以選擇熱幅射影像中的所有像素來做運算，也可以選擇熱輻射影像中，溫度高於一個設定溫度值的像素來做運算，舉例來說，可以選擇溫度高於攝氏100度的像素來做運算。運算方法如之前的方程式(3)及方程式(4)，於此不再贅述。以方程式(3)及方程式(4)計算求得(X_M,Y_M)可以用來作為溫度中心座 標。也可以直接計算溫度高於設定溫度值得所有像素的幾何中心的座標，並將此幾何中心的座標作為溫度中心座標。

於本發明一實施例中，前述步驟S44中的流程，請參照第4C圖，其係本發明一實施例中第4A圖的步驟S44方法流程圖。如步驟S441所示，依據溫度中心座標，判斷當前距離是否等於加工距離。若當前距離不等於加工距離，如步驟S442所示，調整當前距離，使被調整的當前距離等於加工距離。

依據本發明一實施例，在步驟S441中，依據溫度中心座標，判斷當前距離是否等於加工距離時，可以依據溫度中心座標與一個座標距離對照表來決定當前距離。將當前距離與加工距離相減，以計算得到一個位移值。依據位移值來移動雷射加工系統或待加工物，來調整當前距離。調整之後，可以比較被調整的當前距離與加工距離，來決定兩者是否相等。若不相等，取被調整的當前距離與加工距離的差值來當作一個校正參數。並以此校正參數更新座標距離對照表。

依據本發明另一實施例，在步驟S441中，依據溫度中心座標，判斷當前距離是否等於加工距離時，也可以將溫度中心座標與一個校準座標做比較。此校準座標就是當前距離等於加工距離時的溫度中心座標。藉此可以依據比較結果決定當前距離是否等於加工距離。而後控制雷射加工系 統來調整當前距離，使溫度中心座標等於校準座標。當溫度中心座標等於校準座標時，表示當前距離等於加工距離。

依據本發明另一實施例的雷射加工方法，請回到第4A圖，此雷射加工方法可以更包含步驟S45，依據熱幅射影像控制雷射光的雷射功率。詳細來說，請參照第4D圖，其係本發明一實施例中第4A圖的步驟S45方法流程圖。如步驟S451所示，依據熱幅射影像，計算待加工物上受加工區域尺寸。如步驟S452所示，依據受加工區域尺寸與預設加工尺寸，調整雷射功率。

於本發明一實施例中，在前述步驟S451中，依據熱幅射影像，計算待加工物上受加工區域尺寸時，會依據熱輻射影像中多個像素中每個像素的灰階值，計算其所對應的溫度值。並且依據一個設定溫度值，將前述多個像素中，溫度值大於門檻溫度值的一個或多個像素選擇為高溫像素。再依據高溫像素的分布來計算受加工區域尺寸。

於本發明一實施例中，在前述步驟S452中，在依據受加工區域尺寸與預設加工尺寸，調整雷射功率時，會比較加工區域尺寸與預設加工尺寸，如果加工區域尺寸小於預設加工尺寸，則增加雷射功率，藉此，待加工物上溫度值高於設定溫度值的區域(加工區域)會擴大。反之，如果加工區域尺寸大於預設加工尺寸，則降低雷射功率，以使加工物上溫度值高於設定溫度值的區域(加工區域)縮小。

依據本發明一個或多個實施例中的雷射加工系統，應用黑體輻射定律，並使發射雷射光的第一光徑與偵測熱輻射影像的第二光徑不重疊，藉此可以用單一裝置(陣列式光偵測裝置)來同時偵測待加工物表面的溫度分部以及待加工物與雷射加工系統的當前距離。並可以依據所量測到的溫度與距離來控制雷射加工系統。因此，本發明中的雷射加工系統相較於一般雷射加工系統無需有更複雜的系統架構也無需用太複雜的偵測手段及控制方法，即可同時達成對於待加工物上加工區域尺寸的控制及距離的控制。

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

1‧‧‧雷射加工系統

101‧‧‧第一光徑

102‧‧‧第二光徑

11‧‧‧雷射產生裝置

13‧‧‧陣列式光偵測裝置

131‧‧‧陣列式光偵測模組

135‧‧‧濾波鏡

19‧‧‧聚焦鏡

20‧‧‧待加工物

θ‧‧‧路徑角

d₀‧‧‧加工距離

d₁‧‧‧當前距離

P₀‧‧‧校準座標

P₁‧‧‧溫度中心座標

Claims (34)

1. 一種應用熱輻射影像的雷射加工方法，適於一雷射加工系統，該方法包含有下列步驟：以一第一光徑發射一雷射光至一待加工物；從一第二光徑偵測該待加工物被該雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取一熱輻射影像，該第二光徑不同於該第一光徑；計算該熱輻射影像的一溫度中心座標，包含：依據該熱輻射影像中多個像素中每一該像素的灰階值，計算該像素所對應的一溫度值；以及依據該些像素中每一該像素的一座標與每一該像素所對應的該溫度值，計算該溫度中心座標；以及依據該溫度中心座標，使該雷射加工系統與該待加工物間的一當前距離等於一加工距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該熱輻射影像中多個像素中每一該像素的灰階值，計算該像素所對應的該溫度值的步驟中包含有：依據該像素的灰階值計算該像素所接收的一能量值；以及依據該能量值，以維恩分配定律(Wien’s distribution law)計算該像素所對應的該溫度值。
3. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該熱輻射影像中多個像素中每一該像素的灰階值，計算該像素所對應的該溫度值的步驟中包含有：依據該像素的灰階值計算該像素所接收的一能量值；以及依據該能量值，以普朗克黑體輻射定律(Plank’s law)計算該像素所對應的該溫度值。
4. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該些像素在該熱輻射影像中的位置與該些像素所對應的該些溫度值，計算該溫度中心座標的步驟中，係以下列方程式計算： 其中X_M係該溫度中心座標的水平座標值，Y_M係該溫度中心座標的鉛直座標值，n係該些像素的總數，x_i與y_i分別係該些像素中第i個像素的水平座標值與鉛直座標值，T_i係該些像素中第i個像素所對應的該溫度值。
5. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該些像素在該熱輻射影像中的位置與該些像素所對應的該些溫度值，計算該溫度中心座標的步驟中，包含有：從該些像素中選擇多個高溫像素，每一該高溫像素對應的該溫度值大於一設定溫度值；以及計算該些高溫像素的幾何中心座標，以作為該溫度中心座標。
6. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，更包含依據該熱幅射影像控制該雷射光的一雷射功率。
7. 如申請專利範圍第6項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該熱幅射影像控制該雷射光的該雷射功率的步驟中，包含有：依據該熱幅射影像，計算該待加工物上一受加工區域尺寸；以及依據該受加工區域尺寸與一預設加工尺寸，調整該雷射功率。
8. 如申請專利範圍第7項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該熱幅射影像，計算該待加工物上該受加工區域尺寸的步驟中，包含有： 依據該熱輻射影像中多個像素中每一該像素的灰階值，計算該像素所對應的一溫度值；從該些像素中選擇一個或多個高溫像素，該高溫像素所對應的該溫度值大於一設定溫度值；以及依據該些高溫像素，計算該受加工區域尺寸。
9. 如申請專利範圍第7項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該受加工區域尺寸與該預設加工尺寸，調整該雷射功率的步驟中，包含有：比較該加工區域尺寸與該預設加工尺寸；若該加工區域尺寸小於該預設加工尺寸，增加該雷射功率；以及若該加工區域尺寸大於該預設加工尺寸，降低該雷射功率。
10. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該溫度中心座標，使該當前距離等於該加工距離的步驟中，包含有：依據該溫度中心座標，判斷該當前距離是否等於該加工距離；以及若該當前距離不等於該加工距離，調整該當前距離使被調整的該當前距離等於該加工距離。
11. 如申請專利範圍第10項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該溫度中心座標，判斷該當前距離 是否等於該加工距離的步驟中，包含依據該溫度中心座標與一座標距離對照表，決定該當前距離。
12. 如申請專利範圍第11項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在調整該當前距離使被調整的該當前距離等於該加工距離的步驟中，包含有：將該當前距離與該加工距離相減以計算一位移值；以及依據該位移值移動該雷射加工系統或該待加工物，以調整該當前距離。
13. 如申請專利範圍第12項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，更包含有：比較被調整的該當前距離與該加工距離，以決定被調整的該當前距離是否等於該加工距離；若被調整的該當前距離不等於該加工距離，依據被調整的該當前距離與該加工距離計算一校正參數；以及依據該校正參數更新該座標距離對照表。
14. 如申請專利範圍第10項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在依據該溫度中心座標，判斷該當前距離是否等於該加工距離的步驟中，係藉由比較該溫度中心座標與一校準座標，以決定該當前距離是否等於該加工距離。
15. 如申請專利範圍第14項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在調整該當前距離使被調整的該當前距離等於該加工距離的步驟中，係藉由調整該當前距離，以使該溫度中心座標等於該校準座標。
16. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，在從該第二光徑偵測該待加工物被該雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取該熱輻射影像的步驟中，包含有：以一濾波鏡過濾該熱輻射，以得到具有一特定頻段的一出射光；以及依據該出射光得到該熱輻射影像。
17. 如申請專利範圍第1項所述的應用熱輻射影像的雷射加工方法，其中，該第二光徑與該第一光徑間的一路徑角大於0度，且該路徑角不大於60度。
18. 一種應用熱輻射影像的雷射加工系統，其包含有：一雷射產生裝置，以一第一光徑發射一雷射光至一待加工物；一陣列式光偵測裝置，用以從一第二光徑偵測該待加工物被該雷射光照射而產生的熱輻射，以擷取一熱輻射影像，該第二光徑不同於該第一光徑；一處理裝置，電性連接至該雷射產生裝置與該陣列式光偵測裝置，用以計算該熱輻射影像的一溫度中心座標， 並依據該溫度中心座標產生一距離控制訊號，該處理裝置包含：一溫度計算模組，電性連接至該陣列式光偵測裝置，用以依據該熱輻射影像中多個像素中每一該像素的灰階值，計算該像素所對應的一溫度值；一中心座標運算模組，電性連接至該溫度運算模組，用以依據該些像素中每一該像素的一座標與每一該像素所對應的該溫度值，計算該溫度中心座標；以及一校正模組，電性連接至該中心座標運算模組與該定位裝置，用以依據該溫度中心座標產生該距離控制訊號；以及一定位裝置，電性連接至該處理裝置，用以受控於該距離控制訊號，而使該雷射加工系統與該待加工物間的一當前距離等於一加工距離。
19. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該溫度運算模組係依據該像素的灰階值計算該像素所接收的一能量值，並依據該能量值，以維恩分配定律(Wien’s distribution law)計算該像素所對應的該溫度值。
20. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該溫度計算模組係依據該像素的灰階值計 算該像素所接收的一能量值，並依據該能量值，以普朗克黑體輻射定律(Plank’s law)計算該像素所對應的該溫度值。
21. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該中心座標運算模組係以下列方程式計算該溫度中心座標： 其中X_M係該溫度中心座標的水平座標值，Y_M係該溫度中心座標的鉛直座標值，n係該些像素的總數，x_i與y_i分別係該些像素中第i個像素的水平座標值與鉛直座標值，T_i係該些像素中第i個像素所對應的該溫度值。
22. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中該中心座標運算模組依據一設定溫度值，從該些像素中選擇多個高溫像素，並計算對應於該些高溫像素的幾何中心座標以作為該溫度中心座標，其中，該些高溫像素所對應的溫度值大於該設定溫度值。
23. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該處理裝置更依據該熱幅射影像以產生一 功率控制訊號，並且該雷射產生裝置依據該功率控制訊號控制該雷射光的一雷射功率。
24. 如申請專利範圍第23項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該處理裝置更包含有：一加工區域運算模組，電性連接至該溫度計算模組，用以依據該些像素中每一該像素的一座標與每一該像素所對應的該溫度值，計算該待加工物上一受加工區域尺寸；以及一功率控制模組，電性連接至該加工區域運算模組與該雷射產生裝置，用以依據該受加工區域尺寸與一預設加工尺寸，產生該功率控制訊號。
25. 如申請專利範圍第24項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該加工區域運算模組從該些像素中選擇多個高溫像素，並依據該些高溫像素計算該受加工區域尺寸，其中每一該高溫像素所對應的該溫度值大於一門檻溫度值。
26. 如申請專利範圍第24項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該功率控制模組比較該加工區域尺寸與該預設加工尺寸以產生該功率控制訊號。
27. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該校正模組係依據該溫度中心座標，判斷該當前距離是否等於該加工距離以產生該距離控制訊號。
28. 如申請專利範圍第27項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該處理裝置更包含有一儲存模組，電性連接至該校正模組，用以儲存一座標距離對照表，並且該校正模組依據該溫度中心座標與該座標距離對照表，決定該當前距離以產生該距離控制訊號。
29. 如申請專利範圍第28項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中該校正模組將該當前距離與該加工距離相減得到一位移值，以產生該距離控制訊號，並且該定位裝置依據該距離控制訊號移動該雷射加工系統或該待加工物，以調整該當前距離。
30. 如申請專利範圍第29項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該校正模組更比較被調整的該當前距離與該加工距離，以決定被調整的該當前距離是否等於該加工距離，若被調整的該當前距離不等於該加工距離，該校正模組更依據被調整的該當前距離與該加工距離計算一校正參數，並依據該校正參數更新該座標距離對照表。
31. 如申請專利範圍第27項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該處理裝置更包含一儲存模組，電性連接至該校正模組，用以儲存一校準座標，並且該校正模組比較該溫度中心座標與該校準座標決定該當前距離是否等於該加工距離，以產生該距離控制訊號。
32. 如申請專利範圍第31項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該定位裝置係依據該距離控制訊號調整該當前距離，以使該溫度中心座標等於該校準座標。
33. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該陣列式光偵測裝置包含有：一濾波鏡，配置於該第二光徑，用以過濾該熱輻射，以得到具有一特定頻段的一出射光；以及一陣列式光偵測模組，配置於該第二光徑並且電性連接至該處理裝置，用以依據該出射光得到該熱輻射影像。
34. 如申請專利範圍第18項所述的應用熱輻射影像的雷射加工系統，其中，該第二光徑與該第一光徑間的一路徑角大於0度，且該路徑角不大於60度。