TWI607820B - 雷射加工裝置及其方法 - Google Patents

Description

雷射加工裝置及其方法

本發明係關於一種雷射加工裝置及其方法，特別是一種偵測雷射加光裝置中光結合器的漏光訊號的雷射加工裝置及其方法。

習知的雷射加工技術中，通常配合使用集光透鏡對雷射光束進行會聚，以使被會聚的雷射光對加工對象物進行加工。在進行加工的過程中，有許多製程上的因素可能造成加工錯誤，例如雷射光打的次數錯誤、控制雷射光源的訊號錯誤、雷射光源輸出的雷射光功率錯誤或其他因素。

目前習知的雷射加工技術中，偵測雷射加工錯誤的方式係對加工對象物進行影像拍攝，以比對加工對象物的影像的方式，來判斷加工對象物的加工部位是否符合預設圖形。由於雷射加工進行時，會有粉屑產生，並不容易對加工對象物進行影像拍攝。此外，以影像比對的結果，不僅無法精確地判斷加工對象物可行的修補方式，亦無法判斷雷射加工裝置發生異常的元件。

本發明在於提供一種雷射加工裝置及其方法，藉以解決習知的雷射加工技術中，無法精確地對加工對象物進行修補以及無法判斷雷射加工裝置異常元件的問題。

本發明所揭露的雷射加工裝置，具有雷射光源、雷射光源控制器及偵測控制器。雷射光源具有種子雷射光源及光結合器，種子雷射光源依據控制訊號產生種子光束，種子光束經由光傳輸路徑輸出。光結合器具有至少一個第一合光元件。第一合光元件位於光傳輸路徑上，用以耦合第一光束至光傳輸路徑上。雷射光源控制器用以產生控制訊號。偵測控制器電性連接雷射光源控制器，用以讀取控制訊號，並偵測光結合器的第一漏光訊號。第一漏光訊號關聯於第一合光元件耦合第一光束產生的漏光。偵測控制器比對控制訊號及預設訊號，並比對第一漏光訊號與第一預設訊號，據以判斷雷射加工裝置是否發生異常。

本發明所揭露的雷射加工方法，具有以雷射種子光源依據控制訊號產生種子光束。種子光束經由光傳輸路徑輸出。以光結合器的第一合光元件耦合第一光束至光傳輸路徑上。偵測光結合器的第一漏光訊號。第一漏光訊號關聯於第一合光元件耦合第一光束產生的漏光。依據控制訊號及預設訊號的比對結果和第一漏光訊號與第一預設訊號的比對結果，判斷雷射加工裝置是否發生異常。

根據上述本發明所揭露的雷射加工裝置及其方法，藉由偵測控制器在雷射加工過程中，讀取雷射光源控制器產生的控制訊號和偵測光結合器的第一漏光訊號，並透過判斷控制訊號是否符合預射訊號，判斷第一漏光訊號是否有符合預射功率，可以得知雷射加工裝置是否發生異常以及發生異常的元件。此外，當雷射加工裝置發生異常時，亦可以透過控制訊號和第一漏光訊號與預設值的差異，對加工對象物進行修補。

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。

以下在實施方式中詳細敘述本發明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相關之目的及優點。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。

請參照圖1及圖2，圖1係為根據本發明一實施例所繪示之雷射加工裝置的功能方塊圖，圖2係為根據本發明一實施例所繪示之漏光功率和雷射輸出功率對應表。如圖1所示，雷射加工裝置10具有雷射光源11、雷射光源控制器13及偵測控制器15。雷射光源11具有雷射種子光源111及光結合器112，雷射種子光源111依據雷射光源控制器13提供的控制訊號產生種子光束。種子光束例如為雷射光，且經由光傳輸路徑113輸出。光結合器112具有至少一個第一合光元件114，第一合光元件114設置於光傳輸路徑113上，用以將第一光束耦合至光傳輸路徑113上。偵測控制器15電性連接雷射光源控制器13，用以讀取控制訊號，並偵測光結合器112的第一漏光訊號。第一漏光訊號關聯於第一合光元件114耦合第一光束產生的漏光。偵測控制器15比對控制訊號及預設訊號，並比對第一漏光訊號與第一預設訊號，據以判斷雷射加工裝置10是否發生異常。

更詳細來說，雷射種子光源111例如雷射二極體、雷射半導體或其他合適的元件，雷射光源控制器13產生控制訊號例如驅動電流，用以激發雷射種子光源111產生種子光束。雷射光源控制器13藉由輸出驅動電流，來調節雷射種子光源111射出種子光束的脈衝寬度。於一個實施例中，種子光束藉由光傳輸路徑113傳輸，並經由激發增益介質產生雷射增益後，再傳遞至放大雷射掃描頭，由雷射掃描頭輸出雷射光來對加工對象物進行雷射加工。光傳輸路徑113例如以光纖實現。於其他實施例中，種子光束亦可藉由光纖放大器放大後再由雷射掃描頭輸出，本實施例不予限制。

光結合器112具有第一合光元件114，於一個實施例中，第一合光元件114具有透光基材，並於透光基材上配置一或多個反射膜。第一合光元件114具有相對的兩個平行面。種子光束入射於其中一個平行面，且折射後從另一個平行面射出。第一光束入射於第一合光元件114的另一個平行面，且透過平行面的反射，使第一光束與種子光束合束至光傳輸路徑113上。

第一光束例如增加種子光束能量的幫浦光束、用以對準加工對象物的對準光束、與種子光束不同頻率的光束或其他合適的光束，本實施例不予限制。第一光束可以由其他的雷射二極體或其他合適的光源產生，且其他的雷射二極體或其他合適的光源亦可以受控於雷射光源控制器13，但不以此為限。在實際的例子中，第一光束從其他雷射光源產生後，係透過一個光纖的傳遞再藉由第一合光元件114耦合至另一光纖中。理想上，當傳遞第一光束的光纖匹配時，第一光束會被完全地耦合至另一光纖上。然而，在實際的應用中，用以光耦合的光纖無法完全匹配，因此造成光結合器112具有漏光的情形。

於一個實施例中，偵測控制器15以光偵測器或其他合適的元件來偵測光結合器112的漏光，且偵測控制器15依據偵測到的漏光，判斷第一漏光訊號。此外，更進一步地，偵測控制器15儲存有預設訊號及預設訊號，用以判斷雷射光源控制器13產生的控制訊號是否正常或雷射光源11輸出的雷射功率是否正常。

為了方便說明，以下茲舉一個具體的實施例進行說明，惟此實施例中所採用的訊號和數據僅為方便說明之用，並非用以限制本發明。首先，偵測控制器15預儲存一筆正確的雷射加工資料來做為預設訊號及預設訊號。舉例來說，當雷射光源控制器13產生控制訊號「12345」至雷射種子光源111時，雷射種子光源111依據控制訊號「12345」產生種子光束。光結合器112合束第一光束和種子光束，並由掃描頭將合束的第一光束和種子光束對加工對象物進行雷射加工。當加工對象物加工的圖形符合預設圖形時，偵測控制器15偵測到光結合器112的第一漏光訊號為「67890」，並記錄雷射光源控制器13產生的控制訊號「12345」為預設控制訊號，記錄光結合器112的第一漏光訊號「67890」為第一預設訊號。

之後，於第一個實施例中，當偵測控制器15讀取到雷射光源控制器13產生的控制訊號為「12345」，且光結合器112的第一漏光訊號為「67890」時，偵測控制器15判斷雷射加工裝置10為正常運作。於第二個實施例中，當偵測控制器15讀取到雷射光源控制器13產生的控制訊號為「12345」，但光結合器112的第一漏光訊號為「67860」時，光結合器112的第一漏光訊號不符合「67890」，偵測控制器15判斷雷射加工裝置10為不正常運作。於第三個實施例中，當偵測控制器15讀取到雷射光源控制器13產生的控制訊號為「13345」，光結合器112的第一漏光訊號為「67890」時，由於雷射光源控制器13產生的控制訊號不符合「13345」，則偵測控制器15同樣地判斷雷射加工裝置10為不正常運作。

於前述第二個實施例中，由於雷射光源控制器13產生的控制訊號為正確的，但光結合器112的第一漏光訊號為不正確的，偵測控制器15就會依據不正確的第一漏光訊號「67860」，來判斷雷射光源11輸出的雷射功率。舉例來說，第一漏光訊號「67860」定義的資訊為光結合器112漏光的功率為4W，依據圖2所示的漏光功率和雷射輸出功率對應表可知，從橫軸表示的光結合器112漏光功率4W所對應的雷射光源輸出功率為9W。然而，雷射光源控制器13產生的控制訊號為「13345」指示雷射種子光源111輸出的雷射功率為11W，因此雷射種子光源111輸出的種子光束少了2W的功率。偵測控制器15就依據第一漏光訊號和第一預設訊號的比對結果，產生反饋訊號至雷射光源控制器13，指示雷射光源控制器13對加工對象物進行修補，例如雷射光源控制器13再產生控制訊號要求雷射種子光源111輸出2W的雷射光至加工對象物。

於其他實施例中，第一漏光訊號「67860」定義的資訊亦可以為三發雷射光，而雷射光源控制器13產生的控制訊號為「13345」係指示雷射種子光源111輸出五發雷射光，因此偵測控制器15就依據第一漏光訊號和第一預設訊號的比對結果，產生反饋訊號指示雷射光源控制器13對加工對象物修補兩發雷射光。

於前述第三個實施例中，當光結合器112的第一漏光訊號符合第一預設訊號「67890」時，雖然雷射光源控制器13產生的控制訊號不符合「13345」，偵測控制器15仍同樣地判斷雷射加工裝置為不正常運作，但由於第一漏光訊號符合，偵測控制器15不會雷射光源控制器13對加工對象物進行修補。於一個實施例中，當偵測控制器15判斷雷射加工裝置10為不正常運作時，偵測控制器15記錄雷射光源控制器13產生的控制訊號和光結合器112的第一漏光訊號。從前述的例子來說，偵測控制器15記錄控制訊號「13345」或第一漏光訊號「67860」。於其他實施例中，偵測控制器15亦可以記錄訊號所對應的訊息或比對的結果，例如記錄雷射光源輸出功率為9W或雷射光源輸出功率比預計輸出的功率少2W，本實施例不予限制。

本發明所揭露的雷射加工方法，具有以雷射光源依據控制訊號產生種子光束。種子光束經由光傳輸路徑輸出。以光結合器的第一合光元件耦合第一光束至光傳輸路徑上。偵測光結合器的第一漏光訊號。第一漏光訊號關聯於第一合光元件耦合第一光束產生的漏光。依據控制訊號及預設訊號的比對結果和第一漏光訊號與第一預設訊號的比對結果，判斷雷射加工裝置是否發生異常。

請參照圖3至圖5，圖3係為根據本發明另一實施例所繪示之雷射加工裝置的功能方塊圖，圖4係為根據本發明另一實施例所繪示之輸入電流和第二光束功率對應表，圖5係為根據本發明另一實施例所繪示之漏光功率和第二光束功率對應表。如圖所示，與前一個實施例不同的是，雷射加工裝置20除了雷射光源21光結合器212、雷射光源控制器23及偵測控制器25，更具有幫浦雷射光源27及幫浦光保護器29。幫浦雷射光源27用以產生第二光束，且第二光束通過幫浦光保護器29及光結合器212的第二合光元件215耦合至光傳輸路徑213上。第二光束例如增加種子光束能量的幫浦光束，第一光束例如用以對準加工對象物的對準光束、與種子光束不同頻率的光束或其他合適的光束。換言之，本實施例係為了解釋光結合器212耦合兩個光束至種子光束的情形，於其他實施例中，可以取消光結合器212中的第一光束和第一合光元件214，亦即以幫浦雷射光源27產生的幫浦光束做為圖1所示實施例的第一光束。

於圖3所示的實施例中，幫浦光保護器29係用以阻隔幫浦雷射光源27輸出的第二光束被反射回幫浦雷射光源27，據以避免反射的光束對幫浦雷射光源27造成熱損壞。幫浦光保護器29具有漏光的情形發生。偵測控制器25以光偵測器或其他合適的元件來偵測幫浦光保護器29的漏光，且偵測控制器25依據偵測到的漏光，判斷第二漏光訊號。偵測控制器25儲存有預設控制訊號、第一預設訊號及第二預設訊號，預設控制訊號用以判斷雷射光源控制器23產生的控制訊號是否正常，第一預設訊號用以判斷雷射光源21輸出的雷射功率是否正常，第二預設訊號用以判斷幫浦雷射光源27輸出的雷射功率是否正常。幫浦雷射光源27可以受控於雷射光源控制器23或其他控制器，本實施例不予限制。

為了清楚說明，茲以雷射種子光源211受控於雷射光源控制器23產生的第一控制訊號，幫浦雷射光源27受控於雷射光源控制器23產生的第二控制訊號為例來說，當雷射光源控制器23產生第一控制訊號「22345」至雷射種子光源211時，雷射種子光源211依據控制訊號「22345」產生種子光束，雷射光源控制器23產生第二控制訊號「32345」至幫浦雷射光源27時幫浦雷射光源27依據控制訊號「32345」產生第二光束。光結合器212合束第一光束、第二光束和種子光束，並由掃描頭將合束的第一光束、第二光束和種子光束對加工對象物進行雷射加工。當加工對象物加工的圖形符合預設圖形時，偵測控制器25將偵測到的第一漏光訊號「77890」記錄為第一預設訊號，將偵測到的第二漏光訊號「87890」記錄為第二預設訊號，將雷射光源控制器23產生的第一控制訊號「22345」記錄為第一預設控制訊號，雷射光源控制器23產生的第二控制訊號「32345」記錄為第二預設控制訊號。

同理於前述實施例，當偵測控制器25讀取到第一控制訊、第二控制訊號、第一漏光訊號和第二漏光訊號其中之任一不符合預設值時，偵測控制器25會判斷雷射加工裝置20為不正常運作並記錄第一控制訊、第二控制訊號、第一漏光訊號和第二漏光訊號，於此不再加以贅述。

前述實施例未提及的是，當雷射光源控制器23產生用以控制幫浦雷射光源27的第二控制訊號為正確，但幫浦光保護器29的第二漏光訊號為不正確的，偵測控制器25就會依據不正確的第二漏光訊號，來判斷幫浦光保護器29輸出的雷射功率。例如圖4所示的輸入電流和第二光束功率對應表可知，當第二控制訊號為4mA的電流時，幫浦光保護器29應該要輸出8W的第二光束。然而，依據圖5所示的漏光功率和第二光束功率對應表可知，從橫軸表示的光結合器212漏光功率6W所對應的第二光束功率為4W，因此實際上幫浦光保護器29輸出的第二光束只有4W，與預計的第二光束功率相差4W。偵測控制器25就依據第二漏光訊號和第二預設訊號的比對結果，產生反饋訊號至雷射光源控制器23，指示雷射光源控制器23對加工對象物進行修補。

為了解釋雷射加工方法，以下搭配本發明的雷射加工裝置一併說明，請一併參照圖1與圖6，圖6係為根據本發明一實施例所繪示之雷射加工方法的步驟流程圖。如圖所示，於步驟S301中，以雷射種子光源111依據第一控制訊號產生種子光束，於步驟S303中，以光結合器112的第一合光元件114耦合第一光束至光傳輸路徑113上。於步驟S305中，偵測光結合器112的第一漏光訊號。於步驟S307中，依據第一控制訊號及預設控制訊號的比對結果和第一漏光功率與第一預設訊號的比對結果，判斷雷射加工裝置10是否發生異常。本實施例所述之雷射加工方法實際上均已經揭露在前述記載的實施例中，本實施例在此不重複說明。

請一併參照圖3與圖7，圖7係為根據本發明另一實施例所繪示之雷射加工方法的步驟流程圖。如圖所示，於步驟S401中，以雷射種子光源211依據第一控制訊號產生種子光束。於步驟S403中，以光結合器212的第一合光元件214耦合第一光束至光傳輸路徑213上。於步驟S405中，以光結合器212的第二合光元件215耦合第二光束至光傳輸路徑213上。於步驟S407中，偵測光結合器212的第一漏光訊號。於步驟S409中，感測幫浦光保護器29的第二漏光訊號。於步驟S411中，依據第一控制訊號和預設控制訊號的比對結果、第一漏光訊號和第一預設訊號的比對結果與第二漏光訊號和第二預設訊號的比對結果，判斷雷射加工裝置20是否發生異常。本實施例所述之雷射加工方法實際上均已經揭露在前述記載的實施例中，本實施例在此不重複說明。

綜合以上所述，本發明提供一種雷射加工裝置及其方法，藉由偵測控制器在雷射加工過程中，讀取雷射光源控制器產生的控制訊號和偵測光結合器的第一漏光訊號，並透過判斷控制訊號是否符合預射訊號，判斷第一漏光訊號是否有符合預射功率，可以得知雷射加工裝置是否發生異常以及發生異常的元件。此外，當雷射加工裝置發生異常時，亦可以透過控制訊號和第一漏光訊號與預設值的差異，對加工對象物進行修補。

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。

10、20‧‧‧雷射加工裝置
11、21‧‧‧雷射光源
111、211‧‧‧雷射種子光源
112、212‧‧‧光結合器
113、213‧‧‧光傳輸路徑
114、214‧‧‧第一合光元件
215‧‧‧第二合光元件
13、23‧‧‧雷射光源控制器
15、25‧‧‧偵測控制器
27‧‧‧幫浦雷射光源
29‧‧‧幫浦光保護器

圖1係為根據本發明一實施例所繪示之雷射加工裝置的功能方塊圖。 圖2係為根據本發明一實施例所繪示之漏光功率和雷射輸出功率對應表。 圖3係為根據本發明另一實施例所繪示之雷射加工裝置的功能方塊圖。 圖4係為根據本發明另一實施例所繪示之輸入電流和第二光束功率對應表。 圖5係為根據本發明另一實施例所繪示之漏光功率和第二光束功率對應表。 圖6係為根據本發明一實施例所繪示之雷射加工方法的步驟流程圖。 圖7係為根據本發明另一實施例所繪示之雷射加工方法的步驟流程圖。

10‧‧‧雷射加工裝置

11‧‧‧雷射光源

111‧‧‧雷射種子光源

112‧‧‧光結合器

113‧‧‧光傳輸路徑

114‧‧‧第一合光元件

13‧‧‧雷射光源控制器

15‧‧‧偵測控制器

Claims (6)

1. 一種雷射加工裝置，包括：一雷射光源，具有一雷射種子光源及一光結合器，該雷射種子光源依據一控制訊號產生一種子光束，該種子光束經由一光傳輸路徑輸出，該光結合器具有一第一合光元件與一第二合光元件，該第一合光元件位於該光傳輸路徑上，用以耦合一第一光束至該光傳輸路徑上；一幫浦雷射光源，該幫浦雷射光源用以產生一第二光束，該第二光束透過該第二合光元件耦合至該光傳輸路徑上，以增加該種子光束的傳輸能量；一雷射光源控制器，用以產生該控制訊號；一偵測控制器，電性連接該雷射光源控制器，用以讀取該控制訊號，並偵測該光結合器的一第一漏光訊號，該第一漏光訊號關聯於該第一合光元件耦合該第一光束產生的漏光以及該第二合光元件耦合該第二光束產生的漏光；以及一幫浦光保護器，該幫浦光保護器位於該第二光束傳輸至該第二合光元件的路徑上，用以阻隔部分被反射的該第二光束，該偵測控制器更偵測該幫浦光保護器的一第二漏光訊號，該第二漏光訊號關聯於該第二合光元件耦合該第二光束產生的漏光，該偵測控制器比對該控制訊號及一預設控制訊號，並比對該第一漏光訊號與一第一預設訊號，且比對該第二漏光訊號與一第二預設訊號，據以判斷該雷射加工裝置是否發生異常。
2. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中當該控制訊號及該預設控制訊號的比對結果、該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果以及該第二漏光訊號與該第二預設訊號的比對結果其中之一不符合時，判斷該雷射加工裝置異常，並記錄該控制訊號、該第一漏光訊號與該第二漏光訊號。
3. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中當該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果不符合時，該偵測控制器依據該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果，產生一反饋訊號至該雷射光源控制器，該反饋訊號指示該雷射光源控制器對該待加工元件進行修補。
4. 一種雷射加工方法，包括：以一雷射種子光源依據一控制訊號產生一種子光束，該種子光束經由一光傳輸路徑輸出；以一光結合器的一第一合光元件耦合一第一光束至該光傳輸路徑上；以該光結合器的一第二合光元件耦合一第二光束至該光傳輸路徑上，該第二光束用以增加該種子光束的傳輸能量；偵測該光結合器的一第一漏光訊號，該第一漏光訊號關聯於該第一合光元件耦合該第一光束產生的漏光與該第二合光元件耦合該第二光束產生的漏光；偵測一幫浦光保護器的一第二漏光訊號，該幫浦光保護器位於該第二光束傳輸至該第二合光元件的路徑上，且用以阻隔部分被反射的該第 二光束，該第二漏光訊號關聯於該第二合光元件耦合該第二光束產生的漏光；以及依據該控制訊號及一預設控制訊號的比對結果、該第一漏光訊號與一第一預設訊號的比對結果以及該第二漏光訊號與一第二預設訊號的比對結果，判斷該雷射加工裝置是否發生異常。
5. 如請求項4所述之雷射加工方法，其中當該控制訊號及該預設控制訊號的比對結果、該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果以及該第二漏光訊號與該第二預設訊號的比對結果其中之一不符合時，判斷該雷射加工裝置異常，並記錄該控制訊號、該第一漏光訊號與該第二漏光訊號。
6. 如請求項4所述之雷射加工方法，其中當該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果不符合時，該雷射加工方法更包括依據該第一漏光訊號和該第一預設訊號的比對結果，產生一反饋訊號，該反饋訊號用以重新產生控制該雷射種子光源的該控制訊號。