TWI623367B - 雷射加工系統及即時確認加工量的方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工系統，其包括雷射加工光源、光導引模組、 第一透鏡、探測光源、第二透鏡、遮光元件、移動平台以及光偵測器。雷射加工光源提供雷射光束。探測光源提供探測光束。雷射光束以及探測光束藉由光導引模組以及第一透鏡傳遞至樣品的表面。被樣品的表面反射的探測光束依序經由第一透鏡、光導引模組、第二透鏡以及遮光元件的微孔而傳遞至光偵測器。另提供一種即時確認加工量的方法。

Description

雷射加工系統及即時確認加工量的方法

本發明是有關於一種加工系統及確認加工量的方法，且特別是有關於一種雷射加工系統及即時確認加工量的方法。

一般而言，加工技術主要分成接觸式以及非接觸式加工方式。接觸式加工方式主要是利用刀具切削樣品，以改變樣品的形狀或結構。因此，加工刀具的硬度及精度容易限縮樣品材料的選用範圍。此外，接觸式加工方式容易造成待加工位置周圍材料的受損，或加工尺寸誤差等問題。因此，接觸式加工方式往往需要額外進行尺寸量測與尺寸修補等再加工步驟。

雷射加工為常見之非接觸式加工方式之一，其主要是藉由將雷射匯聚於樣品的待加工位置，以利用熱效應來對樣品進行加工，如切割、鑽孔或表面改質等。由於雷射光束的焦點遠小於傳統加工刀具，因此能將加工精度提升至百個奈米等級。然而，由於雷射加工光源的加工量會因樣品之材質的不同而有所差異，且高功率雷射本身有能量不穩定的問題，因此，現階段的雷射加 工無法預估加工量，而亦有再加工之需求。是以，如何能有效且即時確認雷射加工的加工量，實為目前研發人員亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種雷射加工系統，其可在雷射加工的過程中，即時確認加工量。

本發明提供一種即時確認加工量的方法，其可即時確認加工量。

本發明的一種雷射加工系統，其包括雷射加工光源、光導引模組、第一透鏡、探測光源、第二透鏡、遮光元件、移動平台以及光偵測器。雷射加工光源提供雷射光束。探測光源提供探測光束。光導引模組配置在雷射光束以及探測光束的傳遞路徑上且將雷射光束以及探測光束傳遞至第一透鏡。第一透鏡將雷射光束以及探測光束匯聚於樣品的表面。樣品的表面反射探測光束。被反射的探測光束通過第一透鏡且經由光導引模組傳遞至第二透鏡。遮光元件配置在移動平台上且具有微孔。第二透鏡將探測光束匯聚於微孔中，且光偵測器接收通過微孔的探測光束。

在本發明的一實施例中，上述的光導引模組包括鏡片組、至少一光纖或兩者的組合。

在本發明的一實施例中，上述的光導引模組包括第一反射鏡、第一分光鏡、第二分光鏡以及第二反射鏡。來自雷射加工 光源的雷射光束經由第二反射鏡傳遞至第二分光鏡，且來自探測光源的探測光束依序經由第一反射鏡以及第一分光鏡傳遞至第二分光鏡。第二分光鏡合併雷射光束以及探測光束且將雷射光束以及探測光束傳遞至第一透鏡。被樣品的表面反射的探測光束依序經由第一透鏡、第二分光鏡以及第一分光鏡傳遞至第二透鏡。

在本發明的一實施例中，上述來自雷射加工光源的雷射光束被第二反射鏡反射再依序通過第二分光鏡以及第一透鏡而傳遞至樣品的表面。來自探測光源的探測光束依序被第一反射鏡、第一分光鏡以及第二分光鏡反射再通過第一透鏡而傳遞至樣品的表面。探測光束被樣品的表面反射後依序穿透第一透鏡、被第二分光鏡反射以及穿透第一分光鏡而傳遞至第二透鏡。

在本發明的一實施例中，上述第一透鏡與第二分光鏡之間的距離以及第二透鏡與第一分光鏡之間的距離為定值。

在本發明的一實施例中，上述的探測光源為雷射光源。

在本發明的一實施例中，上述的微孔的尺寸為微米等級或次微米等級。

在本發明的一實施例中，上述的光偵測器為光電倍增管、光電二極體或雪崩二極體。

在本發明的一實施例中，上述的雷射加工系統更包括第三透鏡。第三透鏡配置在移動平台上且位於遮光元件與光偵測器之間，其中第三透鏡與遮光元件之間的距離以及第三透鏡與光偵測器之間的距離為定值。

本發明的一種即時確認加工量的方法，包括以下步驟：提供雷射加工系統，其包括雷射加工光源、光導引模組、第一透鏡、探測光源、第二透鏡、遮光元件、移動平台以及光偵測器，其中遮光元件配置在移動平台上且具有微孔；使雷射加工光源提供雷射光束，且使探測光源提供探測光束，其中雷射光束以及探測光束經由光導引模組而傳遞至第一透鏡，且第一透鏡將雷射光束以及探測光束共同匯聚於樣品的表面，其中樣品的表面反射探測光束，被反射的探測光束通過第一透鏡且經由光導引模組傳遞至第二透鏡，第二透鏡將探測光束匯聚於微孔中，且光偵測器接收通過微孔的探測光束；移動移動平台，使遮光元件位於光偵測器測得最大光強度的位置；以及測量遮光元件的位移量。

基於上述，本發明的即時確認加工量的方法藉由移動平台帶動遮光元件，使光偵測器對應遮光元件的位移量測得一光強度變化。由於光偵測器測得最大光強度時，遮光元件的所在位置(平面)與樣品之焦平面互為共軛，因此透過測量遮光元件的位移量即可確認樣品之表面的高度變化，從而確認雷射光束的加工量。是以，本發明的即時確認加工量的方法可即時確認加工量，且雷射加工系統可在雷射加工樣品的過程中，即時確認加工量。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、200‧‧‧雷射加工系統

110‧‧‧雷射加工光源

120‧‧‧光導引模組

122‧‧‧第一反射鏡

124‧‧‧第一分光鏡

126‧‧‧第二分光鏡

128‧‧‧第二反射鏡

130‧‧‧第一透鏡

140‧‧‧探測光源

150‧‧‧第二透鏡

160‧‧‧遮光元件

170‧‧‧移動平台

180‧‧‧光偵測器

210‧‧‧第三透鏡

220‧‧‧訊號產生裝置

230‧‧‧示波器

240‧‧‧訊號處理裝置

B1‧‧‧雷射光束

B2‧‧‧探測光束

F‧‧‧焦平面

O‧‧‧微孔

S1、S2、S3、S4‧‧‧步驟

S‧‧‧表面

SP‧‧‧樣品

圖1是依照本發明的一實施例的一種雷射加工系統的示意圖。

圖2是依照本發明的一實施例的一種即時確認加工量的方法的流程圖。

圖3A及圖3B分別是圖1的雷射加工系統的局部放大示意圖。

圖3C是圖1的遮光元件的位移量與光偵測器測得之光強度的關係圖。

圖4A是雷射加工光源的脈衝數量與量測深度的關係圖。

圖4B是設定深度與雷射加工光源的脈衝數量的關係圖。

圖4C是設定深度與量測深度的關係圖。

圖5是依照本發明的另一實施例的一種雷射加工系統的示意圖。

圖1是依照本發明的一實施例的一種雷射加工系統的示意圖。請參照圖1，雷射加工系統100適於加工樣品SP。所述加工可包括對樣品SP進行鑽孔、切割、焊接或修補等動作，但不以此為限。樣品SP可以是任何待加工的物件。舉例而言，樣品SP可以是由單一材料構成或由不同材料構成的複合結構。

雷射加工系統100包括雷射加工光源110、光導引模組 120、第一透鏡130、探測光源140、第二透鏡150、遮光元件160、移動平台170以及光偵測器180。

雷射加工光源110適於提供加工用的雷射光束B1。舉例而言，雷射加工光源110可選擇能在瞬間釋放巨大能量的脈衝雷射(Pulse Laser)，以達到加工樣品SP之目的。

探測光源140適於提供探測加工量用的探測光束B2。舉例而言，探測光源140可選擇能量相對低的連續波雷射(Continuous Wave Laser,CW Laser)，以在不影響加工量的情況下達到探測加工量之目的。惟探測光源140的種類不限於雷射光源。

光導引模組120配置在雷射光束B1以及探測光束B2的傳遞路徑上，且將雷射光束B1以及探測光束B2傳遞至第一透鏡130。光導引模組120可包括鏡片組、至少一光纖或兩者的組合。

在本實施例中，光導引模組120可包括第一反射鏡122、第一分光鏡124、第二分光鏡126以及第二反射鏡128，其中來自雷射加工光源110的雷射光束B1經由第二反射鏡128傳遞至第二分光鏡126，且來自探測光源140的探測光束B2依序經由第一反射鏡122以及第一分光鏡124傳遞至第二分光鏡126。第二分光鏡126將雷射光束B1以及探測光束B2合併且將雷射光束B1以及探測光束B2傳遞至第一透鏡130。第一透鏡130再將雷射光束B1以及探測光束B2匯聚於樣品SP的表面S。

進一步而言，來自雷射加工光源110的雷射光束B1被第二反射鏡128反射再依序通過(或穿透)第二分光鏡126以及第一透 鏡130而傳遞至樣品SP的表面S。來自探測光源140的探測光束B2依序被第一反射鏡122、第一分光鏡124以及第二分光鏡126反射再通過第一透鏡130而傳遞至樣品SP的表面S。

樣品SP的表面S反射探測光束B2。被反射的探測光束B2通過第一透鏡130且經由光導引模組120傳遞至第二透鏡150。在本實施例中，被樣品SP的表面S反射的探測光束B2依序經由第一透鏡130、第二分光鏡126以及第一分光鏡124傳遞至第二透鏡150。進一步而言，探測光束B2被樣品SP的表面S反射後依序穿透第一透鏡130、被第二分光鏡126反射以及穿透第一分光鏡124而傳遞至第二透鏡150。

應說明的是，光導引模組120中各元件(包括第一反射鏡122、第一分光鏡124、第二分光鏡126以及第二反射鏡128)之間的距離(未標示)為定值。此外，第一透鏡130與第二分光鏡126之間的距離(未標示)以及第二透鏡150與第一分光鏡124之間的距離(未標示)亦為定值。

在雷射加工時，部分雷射光束B1也會被樣品SP的表面S反射。惟透過適當選擇雷射光束B1的波長、探測光束B2的波長以及第二分光鏡126的截止波長(Cut-off Wavelength)，則可避免被反射的雷射光束B1傳遞至第二透鏡150。舉例而言，若雷射光束B1的波長大於600奈米(nm)，而探測光束B2的波長小於600nm，則可選擇截止波長為600nm的第二分光鏡126。在這樣的設計下，第二分光鏡126讓雷射光束B1穿透，且將探測光束B2 反射。如此，被反射的雷射光束B1會穿透第二分光鏡126，並朝第二反射鏡128的方向傳遞，從而可避免被反射的雷射光束B1傳遞至第二透鏡150。

遮光元件160配置在移動平台170上，且遮光元件160的位置隨移動平台170的移動而改變。具體地，移動平台170與遮光元件160的相對位置是固定的，且移動平台170可帶動遮光元件160。在一實施方式中，移動平台170包含伺服馬達、滾珠螺桿以及線性滑軌。遮光元件160配置在來自第二透鏡150的探測光束B2的傳遞路徑上，用以遮蔽離焦的探測光束B2。此外，遮光元件160具有微孔O，用以讓來自焦平面F(指樣品SP被雷射光束B1以及探測光束B2匯聚之位置的所在平面)的探測光束B2通過。在本實施例中，微孔O的尺寸可為微米等級或次微米等級。

第二透鏡150將探測光束B2匯聚於微孔O中，且光偵測器180接收通過微孔O的探測光束B2。光偵測器180可為光電倍增管、光電二極體或雪崩二極體等光學偵測器。

以下搭配圖2以及圖3A至圖3C說明即時確認加工量的方法。圖2是依照本發明的一實施例的一種即時確認加工量的方法的流程圖。圖3A及圖3B分別是圖1的雷射加工系統的局部放大示意圖，其中圖3A省略移動平台170，而圖3B省略樣品SP。圖3C是圖1的遮光元件的位移量與光偵測器測得之光強度的關係圖。請先參照圖1及圖2，即時確認加工量的方法可包括以下步驟。首先，提供雷射加工系統，如圖1的雷射加工系統100(步驟 S1)，其中雷射加工系統100的架構可參照前述，於此不再贅述。

其次，使雷射加工光源110提供雷射光束B1，且使探測光源140提供探測光束B2，其中雷射光束B1以及探測光束B2經由光導引模組120而傳遞至第一透鏡130，且第一透鏡130將雷射光束B1以及探測光束B2共同匯聚於樣品SP的表面S，其中樣品SP的表面S反射探測光束B2，被反射的探測光束B2通過第一透鏡130且經由光導引模組120傳遞至第二透鏡150，第二透鏡150將探測光束B2匯聚於微孔O中，且光偵測器180接收通過微孔O的探測光束B2(步驟S2)。

接著，移動移動平台170，並使遮光元件160位於光偵測器180測得最大光強度的位置(步驟S3)。在步驟S3中，移動平台170移動於第二透鏡150與光偵測器180之間，且其移動方向平行於第二透鏡150、遮光元件160以及光偵測器180的排列方向。移動平台170移動時會帶動遮光元件160。在遮光元件160平移的過程中，光偵測器180會對應測得一光強度變化(如圖3C所示)，其中光偵測器180測得最大光強度時，遮光元件160的所在位置(平面)與樣品SP的焦平面F互為共軛。因此，本實施例可藉由追蹤最大光強度的位置，來確認樣品SP之表面S的高度變化，從而確認加工量。

由於遮光元件160的位移量與樣品SP之表面S的高度變化(即雷射的加工量)的比值為定值，因此，藉由測量遮光元件160的位移量(步驟S4)，即可確認雷射光束B1的加工量。在步驟S4 中，遮光元件160的位移量是指遮光元件160平移之前的位置與遮光元件160移動至光偵測器180測得最大光強度的位置之間的差異。

舉例而言，如圖3B所示，若雷射加工(如鑽孔)使得圖1的焦平面F由高度為0變成高度為-Z時，來自焦平面F的探測光束B23的光強度會大於離焦的探測光束B21、B22的光強度，因此當圖3A的遮光元件160朝第二透鏡150的方向平移至-Z’的位置時，光偵測器180可測得最大光強度。(如圖3C之最左側的光強度曲線)。由於遮光元件160的位移量(-z’)與雷射的加工量(-z)的比值為定值，因此，藉由測量遮光元件160的位移量，即可確認雷射的加工量。

應說明的是，遮光元件160的位移量與雷射的加工量的比值會與第一透鏡130的焦距以及第二透鏡150的焦距相關，因此藉由調變第一透鏡130的焦距以及第二透鏡150的焦距，可有效提升本實施例之即時確認加工量的方法的精確度。惟遮光元件160的位移量與雷射的加工量的比值可端視實際設計需求而定，本發明不用以限定所述比值。

利用本實施例之即時確認加工量的方法，雷射加工系統100在加工樣品SP的過程中，可即時確認加工量，因此有助於提升加工的精度、穩定度與再現性，從而能夠擴展雷射加工系統100的應用範圍，並大幅提高產值、有效節省加工時間與人力成本。

圖4A是雷射加工光源的脈衝數量與量測深度的關係 圖。圖4B是設定深度與雷射加工光源的脈衝數量的關係圖。圖4C是設定深度與量測深度的關係圖。圖4A至圖4C以雷射鑽孔舉例說明，其中圖4A及圖4C中的量測深度是指樣品之表面高度因鑽孔而實際造成的高度變化。量測深度越深，代表加工量越大。另外，圖4B及圖4C中的設定深度是系統設定的加工量，而非實際的加工量。由圖4A至圖4C可證，本實施例之即時確認加工量的方法可將加工量之誤差降低至5%以內，從而可有效地提升加工的精度。經實驗證明，對於直徑約為100微米，深度約為數十微米的孔洞而言，本實施例之即時確認加工量的方法有優於95%的準確度。

圖5是依照本發明的另一實施例的一種雷射加工系統的示意圖。請參照圖5，雷射加工系統200大致相似於雷射加工系統100，且相似的元件以相同的標號表示，於此不再贅述。雷射加工系統200與雷射加工系統100的主要差異在於，雷射加工系統200進一步包括第三透鏡210，以將通過微孔O的探測光束B2匯聚至光偵測器180。第三透鏡210配置在移動平台170上且位於遮光元件160與光偵測器180之間，其中第三透鏡210與遮光元件160之間的距離(未標示)以及第三透鏡210與光偵測器180之間的距離(未標示)為定值。換句話說，移動平台170移動時亦會帶動第三透鏡210。

此外，雷射加工系統200還可包括訊號產生裝置220、示波器230以及訊號處理裝置240。訊號產生裝置220耦接於移動平 台170以及示波器230，且訊號產生裝置220適於控制移動平台170的移動方向及距離，並將對應的控制資訊輸入至示波器230。示波器230耦接於光偵測器180、訊號產生裝置220以及訊號處理裝置240，用以接收來自光偵測器180以及訊號產生裝置220的訊號，且將收集到的訊號傳遞至訊號處理裝置240。訊號處理裝置240耦接於雷射加工光源110，其中訊號處理裝置240接收來自示波器230的訊號並加以分析，以確認加工量。並且，依據所述加工量以及預計的加工量，訊號處理裝置240可進一步輸出控制訊號，來控制雷射加工光源110的作動，例如控制雷射加工光源110是否繼續輸出雷射光束B1或是控制雷射加工光源110接續輸出的脈衝數量等。

另外，依據不同的設計需求，雷射加工系統200可進一步配置其他元件。舉例而言，雷射加工光源110(或探測光源140)的前方可配置改變雷射光束B1(或探測光束B2)之偏振方向的光學元件，如二分之一波片(Half Wave Plate,HWP)及偏振片等。或者，也可在光偵測器180的入光側配置濾光元件，如窄帶寬濾波器(Narrow Bandwidth Filter,NBF)，以濾除背景雜散光。

綜上所述，本發明的即時確認加工量的方法藉由移動平台帶動遮光元件，使光偵測器對應遮光元件的位移量測得一光強度變化。由於光偵測器測得最大光強度時，遮光元件的所在位置(平面)與樣品之焦平面互為共軛，因此透過測量遮光元件的位移量即可確認樣品之表面的高度變化，從而確認雷射光束的加工量。 是以，本發明的即時確認加工量的方法可即時確認加工量，且雷射加工系統可在雷射加工樣品的過程中，即時確認加工量。由於雷射加工系統可在雷射加工樣品的過程中，即時確認加工量，因此有助於提升加工的精度、穩定度與再現性，從而能夠擴展雷射加工系統的應用範圍，並大幅提高產值、有效節省加工時間與人力成本。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

Claims (9)

1. 一種雷射加工系統，包括：一雷射加工光源；一光導引模組；一第一透鏡；一探測光源；一第二透鏡；一遮光元件；一移動平台；以及一光偵測器，其中該雷射加工光源提供一雷射光束，該探測光源提供一探測光束，該光導引模組配置在該雷射光束以及該探測光束的傳遞路徑上且將該雷射光束以及該探測光束傳遞至該第一透鏡，該第一透鏡將該雷射光束以及該探測光束匯聚於一樣品的表面，該樣品的表面反射該探測光束，被反射的該探測光束通過該第一透鏡且經由該光導引模組傳遞至該第二透鏡，該遮光元件配置在該移動平台上且具有一微孔，該第二透鏡將該探測光束匯聚於該微孔中，且該光偵測器接收通過該微孔的該探測光束。
2. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工系統，其中該光導引模組包括一第一反射鏡、一第一分光鏡、一第二分光鏡以及一第二反射鏡，來自該雷射加工光源的該雷射光束經由該第二反射鏡傳遞至該第二分光鏡，且來自該探測光源的該探測光束依序經由該第一反射鏡以及該第一分光鏡傳遞至該第二分光鏡，該第二分光鏡合併該雷射光束以及該探測光束且將該雷射光束以及該探測光束傳遞至該第一透鏡，被該樣品的表面反射的該探測光束依序經由該第一透鏡、該第二分光鏡以及該第一分光鏡傳遞至該第二透鏡。
3. 如申請專利範圍第2項所述的雷射加工系統，其中來自該雷射加工光源的該雷射光束被該第二反射鏡反射再依序通過該第二分光鏡以及該第一透鏡而傳遞至該樣品的表面，來自該探測光源的該探測光束依序被該第一反射鏡、該第一分光鏡以及該第二分光鏡反射再通過該第一透鏡而傳遞至該樣品的表面，該探測光束被該樣品的表面反射後依序穿透該第一透鏡、被該第二分光鏡反射以及穿透該第一分光鏡而傳遞至該第二透鏡。
4. 如申請專利範圍第2項所述的雷射加工系統，其中該第一透鏡與該第二分光鏡之間的距離以及該第二透鏡與該第一分光鏡之間的距離為定值。
5. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工系統，其中該探測光源為一雷射光源。
6. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工系統，其中該微孔的尺寸為微米等級或次微米等級。
7. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工系統，其中該光偵測器為光電倍增管、光電二極體或雪崩二極體。
8. 如申請專利範圍第1項所述的雷射加工系統，更包括：一第三透鏡，配置在該移動平台上且位於該遮光元件與該光偵測器之間，且該第三透鏡與該遮光元件之間的距離以及該第三透鏡與該光偵測器之間的距離為定值。
9. 一種即時確認加工量的方法，包括： 提供一雷射加工系統，包括一雷射加工光源、一光導引模組、一第一透鏡、一探測光源、一第二透鏡、一遮光元件、一移動平台以及一光偵測器，其中該遮光元件配置在該移動平台上且具有一微孔； 使該雷射加工光源提供一雷射光束，且使該探測光源提供一探測光束，其中該雷射光束以及該探測光束經由該光導引模組而傳遞至該第一透鏡，且該第一透鏡將該雷射光束以及該探測光束共同匯聚於一樣品的表面，該樣品的表面反射該探測光束，且被反射的該探測光束通過該第一透鏡並經由該光導引模組傳遞至該第二透鏡，該第二透鏡將該探測光束匯聚於該微孔中，且該光偵測器接收通過該微孔的該探測光束； 移動該移動平台，使該遮光元件位於該光偵測器測得最大光強度的位置；以及 測量該遮光元件的位移量。