TWI592239B - 用於將鐳射對準於工作表面的鐳射裝置和方法 - Google Patents

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Description

用於將鐳射對準於工作表面的鐳射裝置和方法
本發明涉及一種鐳射裝置，該鐳射裝置特別地，並非唯一地完成鐳射打標(laser marking)以刻劃或標記工件表面。本發明也涉及一種將鐳射對準於工件表面的方法。
鐳射打標是一種傳統技術，其使用鐳射刻劃或標記工件的表面。雷射器的示例包括：波長位於1064納米至11微米之間的紅外線類型的雷射器，如CO2雷射器；以及波長位於400納米至700納米之間的可見光類型的雷射器，如綠色雷射器。
通常，在鐳射發射設備將鐳射對準於工件表面以在那裡產生一個或多個標記以前，用於鐳射打標的帶表面的工件首先被支撐在一平臺上的預定位置處。圖1表明了傳統的鐳射打標設備100，其包含有：電腦102，用於控制鐳射產生器104和雷射光束傳送系統106，以將來自鐳射產生器104的雷射光束108對準於放置在平臺上的預定位置處的工件上，以便於工件表面匹配於打標平面110而進行打標。
然而，實際上，由於各種原因如不精確的工件放置或機器振動，工件可能沒有被精確地放置在平臺上的預定位置處。如果工件的尺寸很小(如大約0.1mm)，那麼工件沒有精確放置在平臺上的問題可能尤其明顯。這是因為位置上的細小變化將會導致不同的工件之間一個或多個標記改變。
所以，本發明的目的是尋求提供一種鐳射裝置，以解決不精 確地放置工件進行鐳射處理的問題。
本發明一方面提供一種鐳射裝置，該裝置包含有：成像設備，其具有光路，用於捕獲工件表面的圖像；鐳射發射設備，其被配置來沿著鐳射路徑將鐳射對準於工件表面，該鐳射發射設備的鐳射路徑和成像設備的光路相分離；以及控制器，其與成像設備和鐳射發射設備相連接，該控制器被配置來根據由成像設備所捕獲的工件表面圖像調節該鐳射發射設備的鐳射路徑。
本發明另一方面提供一種將鐳射對準工件表面的方法，該方法包含有以下步驟：成像設備沿著光路捕獲工件表面圖像；控制器接收由成像設備所捕獲的捕獲後的工件表面圖像，並調節鐳射發射設備的鐳射路徑以將鐳射對準於工件表面，該鐳射發射設備的鐳射路徑和成像設備的光路相分離；鐳射發射設備沿著調節後的鐳射路徑將鐳射對準於工件表面。
本鐳射裝置的一些優選特徵/步驟在從屬要求項中得以限定。
100‧‧‧鐳射打標設備
102‧‧‧電腦
104‧‧‧鐳射產生器
106‧‧‧雷射光束傳送系統
108‧‧‧雷射光束
110‧‧‧打標平面
200‧‧‧鐳射裝置
202‧‧‧成像設備
204、206‧‧‧鐳射發射設備
208‧‧‧控制器
210‧‧‧鐳射路徑
214‧‧‧光路
212‧‧‧打標平面
216a、216b‧‧‧振鏡鏡面
218‧‧‧投射箱(light box)
220‧‧‧投射箱
222‧‧‧照相機
224a、224b‧‧‧固定鏡
400‧‧‧工件
402‧‧‧打標平面
600‧‧‧流程示意圖
601‧‧‧校準步驟
602‧‧‧圖像捕獲步驟
604‧‧‧調節
606‧‧‧雷射光束
現在僅僅通過示例的方式，並參考附圖描述本發明較佳實施例，其中：
圖1所示為傳統的鐳射打標設備。
圖2a和圖2b所示為根據本發明較佳實施例所述的鐳射裝置的不同側面示意圖。
圖3所示為本較佳實施例的鐳射裝置的俯視示意圖。
圖4a至圖4c所示比較了圖1中的傳統鐳射打標設備和本較佳實施例的鐳射裝置的操作，其中工件表面在不進行旋轉和偏移的情形下相對於打標平面被精確地放置。
圖5a至圖5c所示比較了圖1中的傳統鐳射打標設備和本較佳實施例的鐳射裝置的操作，其中工件表面在進行旋轉和偏移的情形下相對於打標平面沒有被精確地放置。
圖6所示為表明本較佳實施例的鐳射裝置的操作的流程示意圖。
圖2a和圖2b所示為根據本發明較佳實施例所述的鐳射裝置200的不同的側面示意圖。鐳射裝置200包括：i)鐳射發射設備(所示為鐳射產生器204和雷射光束傳送系統206)；ii)成像設備202，其裝配在鐳射發射設備204、206上；以及iii)控制器208(如電腦)，其和鐳射發射設備204、206以及成像設備202相連接。控制器208控制鐳射發射設備204、206，以沿著鐳射路徑210將雷射光束對準於支撐在平臺上的預定位置處的工件上，以便於工件表面和打標平面212匹配而進行打標。
而且，成像設備202被操作來沿著規定的光路(圖2b：‘214’)捕獲工件表面的圖像，並將所捕獲的圖像送至控制器208進行處理。在雷射光束被引導至工件表面進行打標以前，基於這個所捕獲的圖像，控制器208接下來控制雷射光束傳送系統206，以調節雷射光束的鐳射路徑210。尤其是，來自鐳射發射設備204、206的雷射光束的鐳射路徑210與成像設備202的光路214相區分和相分離。
雷射光束傳送系統206包含有一組振鏡(galvo mirrors)216a、216b，其可被控制器208控制，以圍繞它們各自的旋轉軸旋轉，藉此引導X方向或Y方向上的雷射光束至打標平面212上的一位置處。雷射光束傳送系統206也可包括：混合f-theta透鏡(convergent f-theta lens)(圖中未示)，用於將雷射光束聚焦在打標平面212上；和投射箱(light box)218，用於在成像前照射工件表面。
由於振鏡216a、216b被使用來反射來自鐳射產生器204的雷射光束，但並非有必要地允許來自工件表面的光線透射通過以到達成像設備202進行圖像捕獲，所以對於振鏡216a、216b而言，不需要特別地構造(如通過特殊鍍膜處理)以同時允許鐳射反射和光線透射。因此，振鏡216a、216b不必須是，如二向色鏡(dichroic mirrors)，其可相容於鐳射反射和光線透射。這樣有利於減少構造雷射光束傳送系統206的複雜性和成本。這也同樣意味著成像設備202能夠與不同類型的鐳射產生器204一同使用。
參考圖2b所示，可以看出，成像設備202更具體地包括：i)照相機222，用於捕獲圖像；ii)另一個投射箱220，用於照射工件表面；iii)一組固定鏡(fixed mirrors)224a、224b，其中固定鏡224a被配置來將來自 投射箱220的光線反射至工件表面，而固定鏡224b被配置來沿著光路214將光線從工件表面反射至照相機222。
由於固定鏡224a、224b被使用來反射光線，但並非有必要地允許任何鐳射透射通過以到達打標平面212，所以對於固定鏡224a、224b而言，不需要特別地構造(如通過特殊鍍膜處理)以同時允許鐳射反射和光線透射。因此，固定鏡224a、224b不必須是，如二向色鏡(dichroic mirrors)，其可相容於鐳射反射和光線透射。這樣有利於減少構造成像設備202的複雜性和成本。這也同樣意味著成像設備202能夠與不同類型的鐳射產生器204一同使用。
由於來自鐳射發射設備204、206的雷射光束的鐳射路徑210與成像設備202的光路214相區分和相分離，所以鐳射裝置200在該鐳射裝置200的配置過程中必須被校準。例如，由於打標平面212和進行打標的工件表面相匹配，所以控制器208可以確定雷射光束投射在打標平面212上的點的位置座標。與此同時，控制器208也可以確定由照相機222所檢測的打標平面212上相對應點的位置座標。根據打標平面212上這些相對應點的位置座標，控制器208確定充分考慮打標平面212上那些相對應點之間的位置偏差的補償因數。這個補償因數然後被預存儲在控制器208中，校準處理得以被完成。
可供選擇地，控制器208可以控制鐳射發射設備204、206，以根據鐳射發射設備204、206的位置座標在樣本工件表面上形成圖案。然後成像設備202捕獲該圖案的圖像，並根據成像設備202的位置座標分析該圖案。其後，由鐳射發射設備204、206所形成的圖案和由成像設備202所捕獲的圖案的位置座標中的偏差通過控制器208計算，以匯出補償因數。然後，這個補償因數被預存儲在控制器208中，本鐳射裝置200的校準處理得以被完成。
另外，控制器208也預存儲有參考範本(reference template)，該參考範本包含有相對於用於打標的工件表面的參考基準。例如，參考範本可以包含有位於預定的座標位置處的多個區別特徵(如矩形的角)。在操作過程中，控制器208比較參考基準的這些預定座標位置和由照相機222所檢測的工件表面上的相對應的區別特徵的座標位置。工件表面相對於打標 平面212的位置誤差可能是因為工件基準相對於預存儲參考範本的參考基準的平移誤差和/或旋轉誤差所引起的。在工件表面相對於打標平面212出現位置誤差的情形下，相應地，通過調節雷射光束傳送系統206的振鏡216a、216b經過另一個補償因數，控制器208補償該工件位置誤差，以便於鐳射路徑210的方向充分考慮了該工件位置誤差。可以選擇地，在不比較所捕獲的圖像和參考範本的情形下，根據本鐳射裝置200的機器學習方法，控制器208也可以分析所捕獲的工件表面的圖像以匯出該補償因數。
圖4a至圖4c所示比較了傳統鐳射打標設備100和本較佳實施例的鐳射裝置200的操作，其中如圖4a所示，工件400在不進行旋轉和偏移的情形下精確地放置在平臺上的預定位置。
圖4b表明了正由傳統的鐳射打標設備100精確地打標的工件400。工件400上的鐳射打標的位置精確度歸因於在平臺上的預定位置處工件400的精確放置，以致於工件表面和打標平面402相匹配。所以，雖然關於工件表面相對於打標平面402的位置資訊，傳統的鐳射打標設備100不存在自動調節(feedback)，但是工件400仍然將會被精確地打標。
類似地，圖4c表明了正由本發明的鐳射裝置200精確地打標的工件400。除了在平臺上的預定位置處工件400的精確放置之外，關於工件表面相對於打標平面402的位置資訊，其以工件表面圖像的形式存在，本發明的鐳射裝置200還存在自動調節，該工件表面圖像由照相機222所捕獲，並被控制器208相應地分析，以確保精確地打標工件400。
圖5a至圖5c所示還進一步比較了傳統鐳射打標設備100和本鐳射裝置200的操作，其中工件400沒有精確地放置在平臺上的預定位置處，以致於工件表面相對於打標平面402存在旋轉和偏移，如圖5a所示。
圖5b表明了正由傳統的鐳射打標設備100不精確地打標的工件400。工件400上的鐳射打標的位置的不精確歸因於在平臺上的預定位置處工件400的不精確放置。由於關於工件表面相對於打標平面402的位置資訊，傳統的鐳射打標設備100不存在自動調節，所以工件400沒有被精確地打標。
相反，圖5c表明了正由本發明的鐳射裝置200精確地打標的工件400。工件400上的鐳射打標的這種位置精確度歸因於本發明的鐳射裝置200關於工件400的位置資訊的自動調節，其以工件表面圖像的形式，該工 件表面圖像由照相機222所捕獲，並被控制器208相應地分析。
圖6所示為表明本鐳射裝置200的操作的流程示意圖600。
首先，本鐳射裝置200完成校準步驟601，其中，控制器208匯出第一補償因數，該第一補償因數充分考慮打標平面212上雷射光束投射的一個或多個點和打標平面212上由照相機222所檢測的一個或多個相對應點之間的位置偏差。接著，本鐳射裝置200完成圖像捕獲步驟602，其包括：照相機222捕獲將由鐳射裝置200打標的工件表面的圖像，和控制器208或者比較捕獲圖像的檢測基準和預儲存在控制器208中的參考範本的參考基準，或者執行機器學習方法，以匯出第二補償因數，該第二補償因數充分考慮了工件表面相對於打標平面212的位置偏差。
根據第一補償因數和第二補償因數，鐳射裝置200然後調節604雷射光束的鐳射路徑210，以便於雷射光束被準確地投射在用於打標的工件表面的期望區域。這可通過控制器208控制振鏡216a、216b圍繞它們各自的旋轉軸旋轉而得以完成。最後，鐳射裝置從雷射光束傳送系統206發出雷射光束606，以便於該雷射光束的鐳射路徑210被準確地投射在用於打標的工件表面上。
由於來自鐳射發射設備204、206的雷射光束的鐳射路徑210與成像設備202的光路214相區分和相分離，所以雷射光束的鐳射路徑210與成像設備202的光路214之間不存在干擾。相應地，對於雷射光束傳送系統206的振鏡216a、216b或者成像設備202的固定鏡224a、224b而言，不需要特別地塗覆以便於通過這些鏡片同時進行鐳射反射和光線透射。而且，在選擇材料構造混合透鏡(如f-theta透鏡)方面沒有材料限制，混合透鏡用於將雷射光束聚焦在打標平面212上，以致於混合透鏡可相容於鐳射反射和光線透射。所以，本鐳射裝置200有利於減少其構造的複雜性和成本。這也同樣意味著成像設備202能夠與不同類型的鐳射產生器204一同使用。
另外，雷射光束傳送系統206和成像設備202可以單獨地對齊定位，因為本鐳射裝置200的校準能夠由控制器208通過匯出補償因數而得以完成，該補償因數充分考慮了打標平面212上雷射光束投射點和打標平面212上由照相機222所檢測的相對應點之間的位置偏差。
而且，本鐳射裝置200關於工件表面相對於打標平面212的位 置資訊的自動調節允許控制器208匯出另一個補償因數，該另一個補償因數充分考慮了工件表面相對於打標平面212的位置偏差，根據該補償因數調節雷射光束的鐳射路徑210，以便於雷射光束被準確地投射在用於打標的工件表面的期望區域。非常有益地，這意味著工件能夠被本鐳射裝置200精確地打標。
在不離開本發明的宗旨的情形下，本發明的不同實施例也能夠被設想出來。例如，除了鐳射打標之外，本鐳射裝置200也可以用於鐳射切除、鐳射劃片或者任何其他類型的需要精確工件定位的鐳射處理。本鐳射裝置200還可以內置在一種測試分類機中，該測試分類機具有至少一個成像區和一個鐳射打標區以便於打標電子封裝件。例如，該測試分類機可以圍繞旋轉軸旋轉，以將電子封裝件從成像區轉送至鐳射打標區。在這個實例中，在電子封裝件被轉送至鐳射打標區由鐳射產生器204和雷射光束傳送系統206進行鐳射打標之前，成像設備202(或者更具體為照相機222)可以設置在該成像區中，以捕獲電子封裝件的圖像。而且，雖然雷射光束的鐳射路徑210的位置由振鏡(galvanometer)通過使用振鏡鏡面216a、216b而得以控制，但是可以使用一XY平臺取代。
200‧‧‧鐳射裝置
202‧‧‧成像設備
204、206‧‧‧鐳射發射設備
210‧‧‧鐳射路徑
214‧‧‧光路
212‧‧‧打標平面
218‧‧‧投射箱(light box)
220‧‧‧投射箱
222‧‧‧照相機
224a、224b‧‧‧固定鏡

Claims (6)

  1. 一種鐳射裝置，該裝置包含有：成像設備，用於捕獲一或多個圖像，以呈現一工件之位置資訊；一第一發光元件，被操作發射光線以照射該工件表面以便能夠讓該成像設備捕獲一或多個圖像以決定該工件之位置資訊；一第一鏡體，其與該第一發光元件相對地設置，以將該第一發光元件所發射之光線反射朝向一工件表面，藉此定義用來照明的一光線路徑，及一第二鏡體，其與該成像設備相對地設置，以將一受照明的工件表面圖像反射朝向該成像設備，藉此定義用來擷取圖像的一光路，其中光線路徑和光路相分離；一第二發光元件，用以直接地發射一照明光線至該工件表面以決定該工件之位置資訊，其中該第二發光元件設於該些鏡體與該工件表面之間；鐳射發射設備，其被配置來沿著鐳射路徑將鐳射對準於工件表面用以鐳射打標，該鐳射發射設備的鐳射路徑和該光線路徑及該光路相分離；控制器，其與成像設備和鐳射發射設備相連接，該控制器被配置來根據由成像設備所捕獲的該受照明的工件表面圖像所決定之該工件位置資訊調節該鐳射發射設備的鐳射路徑。
  2. 如請求項1所述的鐳射裝置，其中，該控制器被配置來比較所捕獲的工件表面圖像和預存儲的參考範本。
  3. 如請求項1所述的鐳射裝置，其中，該成像設備被安裝在鐳射發射設備上。
  4. 如請求項3所述的鐳射裝置，其中，該成像設備以與鐳射發射設備成一角度的方式被斜置。
  5. 一種將鐳射對準工件表面的方法，該方法包含有以下步驟： 第一發光元件發射光線以照射該工件表面以便能夠讓一成像設備捕獲該工件表面的一圖像，以呈現一工件之位置資訊；第一鏡體將該第一發光元件所發射之光線反射朝向一工件表面，藉此定義用來照明的一光線路徑，及第二鏡體將一受照明的工件表面圖像反射朝向該成像設備，藉此定義用來擷取圖像的一光路，其中光線路徑和光路相分離；由第二發光元件直接發射一照明光線至該工件表面以決定該工件之位置資訊，其中該第二發光元件設於該些鏡體與該工件表面之間；成像設備捕獲該受照明的工件表面圖像；控制器接收由成像設備所捕獲的捕獲後的工件表面圖像，並基於如該成像設備所捕獲的該受照明的工件表面圖像所決定之該工件位置資訊來調節鐳射發射設備的鐳射路徑以將鐳射對準於工件表面；鐳射發射設備沿著調節後的鐳射路徑將鐳射對準於工件表面以鐳射打標，該鐳射發射設備的鐳射路徑和該光線路徑及該光路相分離。
  6. 如請求項5所述的方法，該調節鐳射發射設備的鐳射路徑的步驟包含有：比較所捕獲的工件表面圖像和預存儲於控制器中的參考範本。
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