TWI716216B - 貝索光束均質模組 - Google Patents

Abstract

一種貝索光束均質模組，適於接收一高斯光束，其包括一錐狀鏡、一光學元件以及一分區匯聚元件。光學元件具有一焦距。分區匯聚元件包含多個象限分區，且位於錐狀鏡與光學元件之間。高斯光束依序經由錐狀鏡、分區匯聚元件以及光學元件，於光學元件的聚焦處形成貝索光束。

Description

貝索光束均質模組

本發明是有關於一種光學模組，且特別是有關於一種貝索光束均質模組。

隨著智慧車輛、物聯網及人工智能(Artificial Intelligence，AI)等發展，感測及檢測裝置的需求快速增加，而感測裝置往高強度、微型化及耐環境變化的方向發展，因此複合材料、玻璃、陶瓷等材料之切割焊接需求逐漸增加。

超快雷射微切割技術可用於硬脆基板及多層複合材料的精密切割，將高斯光束(Gaussian beam)整形為貝索光束(Bessel beam)，以進行切割可降低切割道崩裂(chipping)並提升切割壁面的平坦度。此外，超快雷射微焊接技術，可達成精密/高氣密封裝，透過貝索光束焊接可克服兩焊接材料的空氣層厚度，避免因材料微翹曲或變形造成焊接失敗。

然而，傳統的貝索光束模組所發出的貝索光束，其縱向光強度前強後弱，因此在進行切割時，會造成切割壁面的均勻度不一致。另一方面，傳統的貝索光束均為單一長度，若要進行不 同厚度材料的切割，需要克服不同空氣層間隙的焊接，且需採用不同長度的貝索光學模組進行替換切割，所述替換手續複雜，會造成生產效率低落。

本揭露提供一種貝索光束均質模組，使得貝索光束具備高縱向光均勻度。

本揭露的一實施例提出一種貝索光束均質模組，適於接收一高斯光束，其包括一錐狀鏡、一光學元件以及一分區匯聚元件。該光學元件具有一焦距。該分區匯聚元件包含多個象限分區，且位於該錐狀鏡與該光學元件之間。該高斯光束依序經由該錐狀鏡、該分區匯聚元件以及該光學元件，以於該光學元件的該聚焦處形成貝索光束(Bessel beam)。

基於上述，在本揭露的貝索光束均質模組中，由於採用了具有多個象限分區的分區匯聚元件，因此可使得貝索光束均質模組所形成的貝索光束具備高縱向光均勻度。

為讓本揭露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:雷射光學系統

110:雷射光源

120:控制器

130:光束擴束器

140:反射結構

150、150a、150b:貝索光束均質模組

151:錐狀鏡

152、152a、156、156a:分區匯聚元件

153:透鏡元件

154:凹透鏡

155:凸透鏡

158:調整機構

160:第一移動平台

170:夾持底座

180:第二移動平台

BB:貝索光束

LG:高斯光束

O:光軸

P1~P4、P1a~P8a:象限分區

S:物件

Z:貝索光束長度

圖1為本揭露一實施例的一種雷射光學系統的示意圖。

圖2為圖1的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖。

圖3A為圖2的分區匯聚元件的上視示意圖。

圖3B為本揭露另一實施例的分區匯聚元件的上視示意圖。

圖4A為依據本揭露一實施例的雙分區匯聚元件的示意圖。

圖4B為依據本揭露另一實施例的雙分區匯聚元件的示意圖。

圖5為本揭露另一實施例的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖。

圖6為依據本揭露又一實施例的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖。

下面將參照所附圖式以更全面地敍述本揭露的各實施例。本揭露的各實施例也可表現為許多不同的形態，而不應理解為侷限於本文所列舉的實施例。確切地講，提供這些實施例是為了使揭露的內容更透徹更完整，且將各實施例之概念全面傳達給所屬技術領域中具有通常知識者。

本文是參照各圖式來敍述本揭露的各實施例，這些圖面是各實施例的理想化實施方案(及中間結構)的示意圖。如此一來，由(例如)製造技術及/或公差而引起的圖式形狀的變動應在預料當中。因此，本揭露的各實施例不應理解為侷限於本文所述的各區域的具體形狀，而是應當包括因(例如)製造而引起的形 狀偏差。因此，如圖所示的各區域本質上是示意圖，其形狀並非意圖繪示設備的區域的實際形狀，也並非意圖限制各實施例的範圍。

除非另行規定，否則本文所用的全部術語(包括技術及科學術語)的含義都與本揭露之實施例所屬之技術領域中具有通常知識者普遍理解的含義相同。更容易理解的是，如通用字典中定義的那些術語應當理解為其含義與先前技術中這些術語的含義相同，而不應理解得理想化或過於正式，除非本文有此明確規定。

以下舉一實施例來說明，但是本揭露不限於所舉的多個實施例。另外，所舉的實施例之間也存在相互結合的可能，而構成另外的實施例。圖1為本揭露明一實施例的一種雷射光學系統的示意圖，圖2為圖1的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖，而圖3A為圖2的分區匯聚元件的上視示意圖。

請參照圖1，本實施例的雷射光學系統100包括一雷射光源110、一控制器120、一光束擴束器130、一反射結構140、一貝索光束均質模組150、一第一移動平台160、一夾持底座170與一第二移動平台180。雷射光源110、第一移動平台160以及第二移動平台180分別電性連接於控制器120。在本實施例中，雷射光源110適於產生高斯光束LG(Gaussian beam)，輸入至光束擴束器130，以經由光束擴束器130進行擴束並傳輸至反射結構140，再經由反射結構140反射入貝索光束均質模組150中，以將高斯光束LG調整為均質化的貝索光束(Bessel beam)BB。接著，貝 索貝索光束均質模組150所發出的貝索光束可對夾設於夾持底座170中的物件S進行微焊接或微切割等超快雷射微加工處理。在本實施例中，第二移動平台180例如是一雙軸移動平台，夾持底座170設置於第二移動平台180上，而第二移動平台180，藉由控制器120的控制，可在X軸與Y軸方向上分別進行移動。據此，貝索光束均質模組150所發出的貝索光束BB可對夾設於夾持底座170中的物件S在X-Y平面上的不同位置處進行微加工處理。此外，在本實施例中，第一移動平台160例如是一單軸移動平台，貝索光束均質模組150配置於第一移動平台160上，而第一移動平台160，藉由控制器120的控制，可在Z軸方向上進行移動。如此一來，可對應地調整貝索光束均質模組150與夾設於夾持底座170中的物件S的距離。然而，在其他實施例中，根據不同的擺設和配置方式，第一移動平台160亦可在X軸的方向上或Y軸的方向上進行移動，而第二移動平台180亦可在Y軸與Z軸方向上或X軸與Z軸方向上進行移動，本揭露不以此為限。此外，第一移動平台160與第二移動平台180的移動方向亦可不限於單軸、雙軸或三軸以上，可依實際操作需求配置不同規格的移動平台，並不以此為限。

請再次參照1以及配合參照圖2，貝索光束均質模組150包括一錐狀鏡(axicon lens)151、一分區匯聚元件152以及一光學元件，以提供等效焦距。在本實施例中，分區匯聚元件152例如是分區透鏡結構(quadrant lens structure)，而光學元件為透鏡 元件153(例如，凸透鏡、平凸透鏡或雙凸透鏡)。然而，在其他實施例中，上述光學元件亦為分區匯聚元件，如圖4A及4B所示。在本實施例中，分區匯聚元件152被分成2n個象限(quadrants)，而n≧2。亦即，分區匯聚元件152包含多個象限分區，其中象限分區的數量為2n，且n≧2。各象限分區的焦距可不相同，且所有象限分區的焦點均與分區匯聚元件152的軸心具有同一光軸O。分區匯聚元件152位於錐狀鏡151與透鏡元件153之間。透鏡元件153具有一焦距f _b ，且透鏡元件153與錐狀鏡151以及分區匯聚元件152同光軸O。在此配置下，高斯光束LG依序經由錐狀鏡151、分區匯聚元件152以及透鏡元件153的整型、聚焦與均質化，以產生均質化的貝索光束BB。詳細來說，貝索光束均質模組150藉由錐狀鏡151及分區匯聚元件152的搭配，將所接收到的高斯光束LG整形成貝索光束BB，再經由分區匯聚元件152與透鏡元件153的搭配，將貝索光束BB均質化，以在於透鏡元件153的聚焦處形成具備高縱向光均勻度的(非衍射)貝索光束BB。

請參照3A，分區匯聚元件152例如是包含2n個象限分區，其中n≧2，各個象限分區的形狀為一扇形，而扇形的頂角為(180/n)度。具體而言，在本實施例中，分區匯聚元件152包含4個象限分區P1~P4(即n=2)，且各個象限分區P1~P4的形狀為一扇形，而扇形的頂角為90度。其中，任兩相鄰的象限分區P1~P4具有不同的焦距f _a ，且位於對角上的兩個象限分區P1~P4的焦距f _a 需相等，以產生對角干涉。舉例而言，本實施例中的象 限分區P1~P4分別具有焦距f ₁~f ₄，其中象限分區P1的焦距f ₁與其所相鄰的象限分區P2的焦距f ₂以及所相鄰的象限分區P4的焦距f ₄皆不同，而象限分區P1的焦距f ₁與位於其對角上的象限分區P3的焦距f ₃為相等。藉由上述配置，經由分區匯聚元件152的貝索光束BB可被均質化，使得貝索光束BB在兩兩相對應的象限分區的焦點處再疊合，並在透鏡元件153的聚焦處形成具備高縱向光均勻度的貝索光束BB。

進一步說明，貝索光束均質模組150所形成的貝索光束BB的長度Z(亦即，景深，Depth of field)之計算可透過下列公 式：

、

以及

，其中θ為貝 索光束BB的圓錐形半角，n為錐狀鏡151的材料折射率，n _o 為真空折射率，α為錐狀鏡151的頂角，Z _max為無衍射範圍，ω _o 為入射 高斯光束LG的束腰(beam waist)，且

，其 中f _{a max}為象限分區P1~P4的最大設計焦距，而f _{a mir}為象限分區P1~P4的最小設計焦距，f _a 為分區匯聚元件152中各象限分區P1~P4的焦距，f _b 為透鏡元件153的焦距。貝索光束均質模組150所形成的貝索光束BB的實際長度，可由對應各象限分區P1~P4中的焦距f _a 所計算出最大的長度Z來決定。舉例而言，分區匯聚元件152象限分區P1~P4的焦距f _a (包含f ₁~f ₄)可介於-1000mm~1000mm之間，而當象限分區P1的焦距f ₁以及象限分區P3的焦距f ₃例如是為72mm時，則分別與象限分區P1及P3相鄰的象 限分區P2的焦距f ₂以及象限分區P4的焦距f ₄可介於0.1f ₁~2f ₁或0.1f ₃~2f ₃之間，例如是7.2mm~144mm之間。經實驗的驗證，藉由上述配置關係，可使得焦點處的貝索光束BB的光強度分佈均勻，使得貝索光束BB的縱向光均勻度大於90%，且計算後的貝索 光束BB的長度Z可介於

之間。

在另一實施例中，如圖3B所示，分區匯聚元件152可被替換為分區匯聚元件152a，其例如是包含8個象限(即n=4)分區P1a~P8a，其中各個象限分區P1a~P8a的形狀亦為一扇形，而扇形的頂角為45度。類似地，任兩相鄰的象限分區P1a~P8a具有不同的焦距f _a ，且位於對角上的兩象限分區P1a~P8a的焦距f _a 需相等。具體而言，在此實施例中的象限分區P1a~P8a分別具有焦距f ₁~f ₈，其中象限分區P1a的焦距f ₁與其所相鄰的象限分區P2a的焦距f ₂及象限分區P8a的焦距f ₈皆不同，而象限分區P1a的焦距f ₁與位於其對角上的象限分區P5a的焦距f ₅為相等；同樣地，象限分區P2a的焦距f ₂與其所相鄰的象限分區P1a的焦距f ₁以及所相鄰的象限分區P3a的焦距f ₃皆不同，而象限分區P2a的焦距f ₂與位於其對角上的象限分區P6a的焦距f ₆為相等；並以此類推，象限分區P3a~P8a的焦距f ₃~f ₈亦符合上述規律。因此，經由分區匯聚元件152a的貝索光束BB可被均質化，使得線形光束BB在四組兩相對應的象限分區的焦點處再疊合，並在透鏡元件153的聚焦處形成具備高縱向光均勻度的貝索光束BB。

在此實施例中所形成的貝索光束BB的長度Z之計算方式與前述實施例中的相同。舉例而言，象限分區P1a~P8a的焦距f _a (包含f ₁~f ₈)可介於-1000mm~1000mm之間，而當象限分區P1a的焦距f ₁以及象限分區P5a的焦距f ₅例如是為72mm時，則象限分區P2a~P4a及P6a~P8a的焦距f ₂~f ₄及f ₆~f ₈可分別介於0.1f ₁~2f ₁或0.1f ₅~2f ₅之間，例如是7.2mm~144mm之間。如此一來，可使得焦點處的貝索光束BB的光強度分佈均勻，更進一步地提升貝索光束BB的縱向光均勻度，且計算後的貝索光束BB的長 度Z可介於

之間。

然而，本揭露不限於上述圖2搭配圖3A或圖3B所示的實施方式，如前述提到的，本揭露中的貝索光束均質模組150也可以例如是利用雙分區匯聚元件來使得貝索光束BB被均質化。圖4A為依據本發明一實施例的雙分區匯聚元件的示意圖，圖4B為依據本揭露另一實施例的雙分區匯聚元件的示意圖。在圖4A的實施例中，透鏡元件153可被替換為另一分區匯聚元件156，其具有與分區匯聚元件152完全相同的結構，因此也例如是包含4個象限分區P1~P4，且一樣具有對角扇形同焦距、相鄰扇形不同焦距的設計。然而，分區匯聚元件152與分區匯聚元件156在象限分區P1~P4上的配置方式略有差異。具體而言，分區匯聚元件152的象限分區P1與分區匯聚元件156的象限分區P2~P4的其中之一在光軸O方向上對應，亦即，分區匯聚元件152的第1象限分 區P1與分區匯聚元件156的第2~4(即2n)象限分區的其中之一在光軸O方向上對應。詳細而言，分區匯聚元件152與分區匯聚元件156之各象限分區P1~P4的扇形位置彼此對應，但分區匯聚元件152中的各象限分區P1~P4所具有的焦距與對應扇形位置的分區匯聚元件156之各象限分區P1~P4所具有的焦距可為相同或不同。舉例而言，請參照圖4A，分區匯聚元件152的象限分區P1與分區匯聚元件156的象限分區P4在光軸O方向上具有相對應的位置關係，而分區匯聚元件152的象限分區P2與分區匯聚元件156的象限分區P1在光軸O方向上具有相對應的位置關係，並以此類推。

另外，在圖4B的實施例中，分區匯聚元件152及156亦可分別被替換為包含8個象限分區P1a~P8a的分區匯聚元件152a及156a，其中分區匯聚元件152a及156a與圖3B的實施例所示的分區匯聚元件152a具有相同結構及特性，因此於此將不再贅述。類似地，分區匯聚元件152a的第1象限分區(例如，象限分區P1a)與分區匯聚元件156a的第2~8(即2n)象限分區(例如，象限分區P2a~P8a)的其中之一在光軸O方向上對應。舉例而言，請參照圖4B，分區匯聚元件152a的象限分區P1a與分區匯聚元件156a的象限分區P8a在光軸O方向上具有相對應的位置關係，而分區匯聚元件152a的象限分區P2a與分區匯聚元件156a的象限分區P1a在光軸O方向上具有相對應的位置關係，並以此類推。因此，可加強貝索光束BB被均質化的效果，進一步地修正縱向光 的均勻度。

在上述實施例中，分區匯聚元件152、152a、156、156a的象限分區P1~P4、P1a~P8a可由矽基液晶、繞射光學元件(Diffractive optical element，DOE)、菲涅耳透鏡(Fresnel lens)或一般透鏡建置而成。此外，上述象限分區P1~P4、P1a~P8a分別包含一光學表面，其可包括球面、拋物面以及平面。在上述實施例中，錐狀鏡151與透鏡元件153可由任何光學材料製成，且可為相同或不同材料。

請再次參照1以及配合參照圖2，貝索光束均質模組150更包括一調整機構158，其與控制器120電性連接。調整機構158藉由控制器120的控制，可在Z軸方向或光軸O方向上進行滑移。調整機構158可進行滑移的範圍例如是介於0mm~1000mm之間。分區匯聚元件152設置於調整機構158上，可藉由調整機構158的滑移而調整分區匯聚元件152相對於錐狀鏡151以及透鏡元件153之間距，進而使得形成於透鏡元件153之聚焦處的貝索光束BB的長度Z在Z軸方向上或光軸O方向上被增長或縮短。換句話說，調整機構158可在錐狀鏡151與透鏡元件153之間進行滑移，以調整分區匯聚元件152與錐狀鏡151之間距以及分區匯聚元件152與透鏡元件153之間距，進而調整所述聚焦處的貝索光束BB的長度Z。

經由上述的配置關係，本實施例的貝索光束均質模組150，除了可將貝索光束均質化以在於透鏡元件153的聚焦處形成 均質化的貝索光束BB外，藉由調整機構158的配置，可進一步地調整所形成之貝索光束BB的長度Z。據此，當貝索光束均質模組150所產生的貝索光束BB被運用於對夾設於夾持底座170中的物件S進行微焊接時，可適應於不同厚度空氣層之材料焊接，且可提高焊道之光線穿透率；而當被運用於進行微切割時，可在不更換貝索光學模組的情況下，調整貝索光束的長度，以便用於切割不同厚度之透明材料，並可提供均勻的切割壁面。

此外，在本揭露的貝索光束均質模組150中可包括更多光學元件。圖5為本揭露另一實施例的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖，而圖6為依據本揭露又一實施例的貝索光束均質模組的內部光學結構的側視示意圖。請參照圖5，本實施例的貝索光束均質模組150a進一步包括一凹透鏡154，其配置於分區匯聚元件152與透鏡元件153之間，以擴大貝索光束BB，使得形成於聚焦處的貝索光束BB的長度Z可被進一步地增加。在此實施例中，由於凹透鏡154的配置，調整機構158可進行滑移的範圍例如是介於0~30mm之間，或可選用更大滑移範圍之調整機構，使滑移範圍進一步增加。接著，請參照圖6，本實施例的貝索光束均質模組150b，在前述實施例的貝索光束均質模組150a的基礎上，更包括一凸透鏡155，其配置於凹透鏡154與透鏡元件153之間，以使得形成於透鏡元件153之聚焦處的貝索光束BB的長度Z可被進一步地縮短。如此一來，可有效地提升貝索光束均質模組在貝索光束的長度上的可調整性。

綜上所述，在本揭露的貝索光束均質模組中，由於採用了具有多個象限分區的分區匯聚元件，因此可使得貝索光束均質模組所形成的貝索光束具備高縱向光均勻度，且藉由進一步地將分區匯聚元件設置於可相對於錐狀鏡以及光學元件進行滑移的調整機構上，使得所形成的貝索光束的長度可被調整。

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

150:貝索光束均質模組

151:錐狀鏡

152:分區匯聚元件

153:透鏡元件

O:光軸

Z:貝索光束長度

Claims (17)

1. 一種貝索光束均質模組，適於接收一高斯光束，其包括：一錐狀鏡；一光學元件，具有一焦距；以及一分區匯聚元件，包含多個象限分區，且位於該錐狀鏡與該光學元件之間，其中，該高斯光束依序經由該錐狀鏡、該分區匯聚元件以及該光學元件，以於該光學元件的一聚焦處形成一貝索光束，該分區匯聚元件的該些象限分區的數量為2n，n≧2，且各該些象限分區的形狀為一扇形，該扇形的頂角為(180/n)度。
2. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該些象限分區的焦點均與該分區匯聚元件的軸心同光軸，且任兩相鄰的該些象限分區具有不同的焦距。
3. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該些象限分區的焦點均與該分區匯聚元件的軸心同光軸，且位於對角上的兩該些象限分區的焦距為相等。
4. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該貝索光束均質模組所形成的該貝索光束滿足下列公式：

   

   以及

   

   ，其中θ為該貝索光束的圓錐 形半角，n為該錐狀鏡的材料折射率，n _o 為真空折射率，α為該錐狀鏡的頂角，Z _max為無衍射範圍，且ω _o 為該高斯光束的束腰。
5. 如申請專利範圍第4項所述的貝索光束均質模組，其中 該聚焦處的該貝索光束的長度

   

   ，f _a 為該分區匯聚元件 中各該些象限分區的一焦距，而f _b 為該光學元件的該焦距。
6. 如申請專利範圍第5項所述的貝索光束均質模組，其中 該分區匯聚元件滿足下列公式：

   

   ，f _{a max}為該 些象限分區的最大設計焦距，而f _{a mir}為該些象限分區的最小設計焦距。
7. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該分區匯聚元件的各該些象限分區的一焦距介於-1000mm~1000mm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，更包括一調整機構，其中該分區匯聚元件設置於該調整機構上，該調整機構藉由滑移的方式調整該分區匯聚元件相對於該錐狀鏡以及該光學元件之間距，以調整該聚焦處的該貝索光束的長度。
9. 如申請專利範圍第8項所述的貝索光束均質模組，其中該調整機構的滑移範圍介於0mm~1000mm之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該分區匯聚元件的該些象限分區分別包含一光學表面，而該光學表面包括球面、拋物面以及平面。
11. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該分區匯聚元件的該些象限分區是由矽基液晶、繞射光學元件 (Diffractive optical element，DOE)、菲涅耳透鏡(Fresnel lens)或一般透鏡建置而成。
12. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，其中該光學元件包含多個象限分區，該光學元件的該些象限分區的數量與該分區匯聚元件的該些象限分區的數量相等且皆為2n，n≧2。
13. 如申請專利範圍第12項所述的貝索光束均質模組，其中，在該光學元件與該分區匯聚元件中，各該些象限分區的形狀為一扇形，而該扇形的頂角為(180/n)度。
14. 如申請專利範圍第12項所述的貝索光束均質模組，其中該光學元件的該些象限分區的焦點均與該光學元件的軸心同軸，該分區匯聚元件的該些象限分區的焦點均與該分區匯聚元件的軸心同軸，而該光學元件與該分區匯聚元件同光軸。
15. 如申請專利範圍第12項所述的貝索光束均質模組，其中該分區匯聚元件的第1象限分區與該光學元件的第2~2n象限分區的其中之一在光軸方向上對應。
16. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，更包括一凹透鏡，配置於該分區匯聚元件與該光學元件之間。
17. 如申請專利範圍第1項所述的貝索光束均質模組，更包括一凸透鏡，配置於該分區匯聚元件與該光學元件之間。

Images