TWI732395B - 反射光偵測模組 - Google Patents
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Abstract
一種反射光偵測模組，其包括光纖、光學層以及光偵測裝置。光纖由內而外具有纖核、纖殼以及保護層。光纖包括光輸入端、光輸出端、開口以及凹槽。開口設置於光輸入端及光輸出端之間，且開口形成於保護層中用以曝露出纖殼。凹槽設置於開口及光輸出端之間。在凹槽處，纖殼的厚度以及保護層的厚度自鄰近開口端先減少再增加。光學層設置於開口中，且光學層的折射率高於纖殼的折射率。光偵測裝置設置於光纖的外部且鄰近凹槽設置。
Description
本揭露是有關於一種光學模組，且特別是有關於一種反射光偵測模組。
近年來，高功率雷射廣泛地應用在大型板金及不同厚度的金屬板材的加工處理(如切割、切裂、鑽孔等)。在加工處理時，高功率雷射的狀態可能因人為操作、加工環境、加工對象的形狀或材料等因素的不同而產生改變。若能在加工處理時及時地知曉高功率雷射的狀態變異，將有助於使用者進行對應地調整，進而保護高功率雷射中的元件，並提升高功率雷射的穩定性及使用壽命。
本揭露的實施例提供一種反射光偵測模組，其可藉由監測加工對象的反射光束來評估加工光源的狀態。
本揭露的實施例的一種反射光偵測模組包括光纖、光學層以及光偵測裝置。光纖由內而外具有纖核、纖殼以及保護層。光纖包括光輸入端、光輸出端、開口以及凹槽。開口設置於光輸入端及光輸出端之間，且開口形成於保護層中用以曝露出纖殼。凹槽設置於開口及光輸出端之間。在凹槽處，纖殼的厚度以及保護層的厚度自鄰近開口端先減少再增加。光學層設置於開口中，且光學層的折射率高於纖殼的折射率。光偵測裝置設置於光纖的外部且鄰近凹槽設置。
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。
實施方式中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本揭露。
在附圖中，各圖式繪示的是特定示範實施例中所使用的方法、結構或材料的通常性特徵。然而，這些圖式不應被解釋為界定或限制由這些示範實施例所涵蓋的範圍或性質。舉例來說，為了清楚起見，各膜層、區域或結構的相對尺寸、厚度及位置可能縮小或放大。
本說明書或申請專利範圍中提及的「第一」、「第二」等用語僅用以命名分立(discrete)的元件或區別不同實施例或範圍，而並非用來限制元件數量上的上限或下限，也並非用以限定元件的製造順序或設置順序。再者，一元件/膜層設置在另一元件/膜層上(或上方)可包括兩個元件/膜層之間存在或不存在額外元件/膜層的情況，換句話說，所述元件/膜層可直接或間接設置在所述另一元件/膜層上(或上方)。另一方面，一元件/膜層直接設置在另一元件/膜層上(或上方)表示兩個元件/膜層彼此接觸，且兩個元件/膜層之間不存在額外元件/膜層。
圖1是應用本揭露的一實施例的反射光偵測模組12的加工裝置1的示意圖。圖2是依照本揭露的一實施例的反射光偵測模組12的示意圖。在圖1中，以方塊示意性標示出反射光偵測模組12，並示意性繪示出加工對象O，以便於理解加工裝置1中各元件與加工對象O的相對設置關係。關於反射光偵測模組12的細部結構，請參照圖2。應理解，圖2的反射光偵測模組12僅是本揭露的反射光偵測模組的其中一種示範實施例，惟依本說明書或申請專利範圍所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本專利涵蓋之範圍內。
請參照圖1，加工裝置1可用於對加工對象O進行加工處理。所述加工處理可包括切割、切裂、鑽孔或焊接等，但不以此為限。加工對象O的材質可包括金屬、合金、任何可將光反射的材質或上述至少兩種材質的組合，但不以此為限。加工對象O的代加工面可包括平面、斜面、曲面、曲折面或其他任何形狀的表面。
加工裝置1包括加工光源10、反射光偵測模組12、加工頭14、光傳遞元件16以及光傳遞元件18。加工光源10與加工頭14分別位於加工裝置1的相對兩端，其中加工光源10適於提供加工光束B，且加工光束B自加工頭14輸出至加工對象O。舉例來說，加工光源10可為雷射光源，且雷射光源可包括雷射共振腔或多級雷射放大器，但不以此為限。對應地，加工光束B可為雷射光束，且加工頭14為輸出雷射光束的雷射頭。雷射光束的輸出時間波形可包括連續波或脈衝波。
反射光偵測模組12位於加工光源10與加工頭14之間，且反射光偵測模組12透過光傳遞元件16以及光傳遞元件18而分別連接於加工光源10以及加工頭14。光傳遞元件16以及光傳遞元件18適於傳遞加工光束B，使得來自加工光源10的加工光束B可依序經由光傳遞元件16、反射光偵測模組12、光傳遞元件18以及加工頭14而輸出至加工對象O，而被加工對象O反射的反射光束B’可依序經由加工頭14以及光傳遞元件18而傳遞回反射光偵測模組12。舉例來說，光傳遞元件16以及光傳遞元件18中的每一個可包括光纖。在一實施例中，光傳遞元件16以及光傳遞元件18中的至少一個可與反射光偵測模組12共用一條光纖；或者，反射光偵測模組12、光傳遞元件16以及光傳遞元件18各自包括一條光纖，且這些光纖可藉由連接機構或熔接等方式連接在一起。
請參照圖1及圖2，反射光偵測模組12包括光纖120、光學層122以及光偵測裝置124。光纖120由內而外具有纖核1200、纖殼1202以及保護層1204。詳細而言，纖核1200、纖殼1202以及保護層1204具有相同的中心軸I。纖殼1202環繞並包覆纖核1200，且保護層1204環繞並包覆纖殼1202。換句話說，纖核1200、纖殼1202以及保護層1204沿光纖120的徑向依序向外設置。此外，纖核1200的折射率高於纖殼1202的折射率，且纖殼1202的折射率高於保護層1204的折射率，以利於加工光束B在纖核1200中以全內反射(total internal reflection，TIR)的方示朝加工對象O傳遞。
光纖120還包括光輸入端X1、光輸出端X2、開口A以及凹槽G。光輸入端X1與光輸出端X2分別為光纖120相對的兩端，其中光輸入端X1為光纖120靠近加工光源10的一端，且光輸出端X2為光纖120靠近加工頭14的一端。
開口A設置於光輸入端X1及光輸出端X2之間，且開口A形成於保護層1204中用以曝露出纖殼1202。在一實施例中，開口A可沿著光纖120的圓周方向延伸並環繞光纖120的中心軸I，而形成連續或不連續的環狀溝槽，且所述環狀溝槽在圓周方向上的總長可小於或等於光纖120的圓周長。
凹槽G設置於開口A及光輸出端X2之間。與開口A類似地，凹槽G可沿著光纖120的圓周方向延伸並環繞光纖120的中心軸I，而形成連續或不連續的環狀溝槽，且所述環狀溝槽在圓周方向上的總長可小於或等於光纖120的圓周長。
在一實施例中，凹槽G可藉由擺動拉錐的方法形成，但不以此為限。利用擺動拉錐的方法形成凹槽G可在不改變纖核1200的厚度T1200(或纖核1200的直徑)的情況下，使纖殼1202的厚度T1202及保護層1204的厚度T1204變薄，從而形成凹槽G。
如圖2所示，纖核1200的厚度T1200在光纖120中為定值。換句話說，纖核1200在與凹槽G重疊處的厚度T1200、纖核1200在與開口A重疊處的厚度T1200與纖核1200在其他位置處的厚度T1200皆是相同的。應理解，本文中提及的厚度是指剖面中的最大厚度，且厚度相同涵蓋10%以內的誤差範圍。
在凹槽G處，纖殼1202的厚度T1202及保護層1204的厚度T1204自鄰近開口A端先減少再增加。舉例來說，纖殼1202在凹槽G處的厚度T1202由第一厚度T1沿著光纖120的延伸方向D逐漸減少再回到第一厚度T1。類似地，保護層1204的厚度T1204在凹槽G處由第二厚度T2沿著光纖120的延伸方向D逐漸減少再回到第二厚度T2。
在本實施例中，纖殼1202的厚度T1202在凹槽G以外為定值，且保護層1204的厚度T1204在開口A以及凹槽G以外為定值。舉例來說，纖殼1202在凹槽G處以外的厚度T1202例如皆等於第一厚度T1，且保護層1204在開口A以及凹槽G以外的厚度T1204例如皆等於第二厚度T2。
凹槽G具有第一側壁面SS1、第二側壁面SS2、頂面ST以及底面SB。第二側壁面SS2位於第一側壁面SS1與開口A之間，且底面SB連接第一側壁面SS1及第二側壁面SS2。凹槽G的頂面ST即保護層1204的外表面。
第一側壁面SS1及第二側壁面SS2的斜率可依據製程參數來調變。在本實施例中，凹槽G的頂面ST與第一側壁面SS1之間的第一夾角θ1大於90度且小於180度。此外，凹槽G的頂面ST與第二側壁面SS2之間的第二夾角θ2可等於第一夾角θ1，但不以此為限。依據製程參數或製作方式的不同，第二夾角θ2可不等於第一夾角θ1。在一實施例中，凹槽G的底面SB的長度L1落在50μm至100μm的範圍內，且凹槽G的長度L2落在550μm至610μm的範圍內。然而，凹槽G的形狀、長度、深度等參數可依實際需求而調整。
光學層122設置於開口A中，且光學層122的折射率高於纖殼1202的折射率。在一實施例中，光學層122可以是透明的。舉例來說，光學層122可由高折射率的透光膠體固化形成，但不以此為限。在一實施例中，光學層122可以由吸光材料形成。在一實施例中，光學層122可以是複合材料的堆疊層，且所述複合材料可包括透光材料、吸光材料或其組合。
光偵測裝置124設置於光纖120的外部且鄰近凹槽G設置，且光偵測裝置124適於偵測自凹槽G射出的光束B1’。舉例來說，光偵測裝置124可以是光電感測器，但不以此為限。此外，光偵測裝置124的可量測波長範圍可依加工光源10所輸出的加工光束B進行選擇。
被加工對象O反射的反射光束B’可依序經由加工頭14以及光傳遞元件18而傳遞至反射光偵測模組12。在反射光偵測模組12中，凹槽G中纖殼1202以及保護層1204的厚度變異設計可破壞全內反射，使得傳遞於纖殼1202(或保護層1204)中的光束(如光束B1’)自凹槽G射出。藉由光偵測裝置124接收自凹槽G射出的光束B1’，並依據所偵測到的光功率變異來評估加工光源10的狀態(如穩定性及功率等)以及推斷經由光纖120傳遞回加工光源10的反射光束B’的量，可讓使用者依據偵測結果對加工光源10進行對應地調整。例如當光偵測裝置124所接收的光功率大於閥值時，關閉加工光源10，以避免加工光源10被反射光束B’損壞。如此，可保護加工光源10中的元件，並提升加工光源10的穩定性及使用壽命。
此外，藉由在凹槽G與加工光源10之間形成開口A，並在開口A中形成折射率高於纖殼1202的光學層122，在纖殼1202中朝凹槽G傳遞的雜散光B1(例如源自於進入纖殼1202的加工光束B)可經由開口A自光纖120射出。換句話說，藉由在凹槽G與加工光源10之間形成開口A，並在開口A中形成折射率高於纖殼1202的光學層122，有助於排出在纖殼1202中朝凹槽G傳遞的雜散光B1，藉此降低雜散光B1的干擾，提升偵測結果的準確度。
綜上所述，在本揭露的實施例中，可藉由單根光纖的設計達到光功率偵測以及過濾雜訊的效果。由於反射光偵測模組的架構單純且不複雜，因此易於維護、組裝，且有助於節省應用此反射光偵測模組的加工裝置的整體成本。此外，由於是利用反射光束中的部分光束(自凹槽射出的光束)推測加工光源的狀態以及傳遞至加工光源的反射光量，因此反射光偵測模組(如光偵測裝置)在加工裝置中的設置位置可不受限於反射光束的功率大小。在一實施例中，反射光偵測模組可設置在加工裝置的後端，例如反射光偵測模組可鄰近加工頭設置。
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。
1：加工裝置
10：加工光源
12：反射光偵測模組
120：光纖
1200：纖核
1202：纖殼
1204：保護層
122：光學層
124：光偵測裝置
14：加工頭
16、18：光傳遞元件
A：開口
B：加工光束
B1：雜散光
B’：反射光束
B1’：光束
D：延伸方向
G：凹槽
I：中心軸
L1、L2：長度
O：加工對象
SB：底面
SS1：第一側壁面
SS2：第二側壁面
ST：頂面
T1：第一厚度
T2：第二厚度
T1200、T1202、T1204：厚度
X1：光輸入端
X2：光輸出端
θ1：第一夾角
θ2：第二夾角
圖1是應用本揭露的一實施例的反射光偵測模組的加工裝置的示意圖。
圖2是依照本揭露的一實施例的反射光偵測模組的示意圖。
12：反射光偵測模組
120：光纖
1200：纖核
1202：纖殼
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A：開口
B：加工光束
B1：雜散光
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θ1：第一夾角
θ2：第二夾角
Claims (10)
- 一種反射光偵測模組，包括： 一光纖，由內而外具有一纖核、一纖殼以及一保護層，該光纖包括： 一光輸入端及相對之一光輸出端； 一開口，設置於該光輸入端及該光輸出端之間，且形成於該保護層中用以曝露出該纖殼；以及 一凹槽，設置於該開口及該光輸出端之間，其中在該凹槽處，該纖殼的厚度以及該保護層的厚度自鄰近該開口端先減少再增加； 一光學層，設置於該開口中，且該光學層的折射率高於該纖殼的折射率；以及 一光偵測裝置，設置於該光纖的外部且鄰近該凹槽設置。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該光學層填滿該開口。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該纖殼在該凹槽處由一第一厚度逐漸減少再回到該第一厚度，該保護層在該凹槽處由一第二厚度逐漸減少再回到該第二厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該纖殼的厚度在該凹槽以外為定值。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該保護層的厚度在該開口以及該凹槽以外為定值。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該凹槽具有一第一側壁面以及位於該第一側壁面與該開口之間的一第二側壁面，且該凹槽的頂面與該第一側壁面之間的一第一夾角大於90度且小於180度。
- 如申請專利範圍第6項所述的反射光偵測模組，其中該凹槽的頂面與該第二側壁面之間的一第二夾角等於該第一夾角。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該凹槽的底面的長度落在50μm至100μm的範圍內，且該凹槽的長度落在550μm至610μm的範圍內。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該光學層是透明的。
- 如申請專利範圍第1項所述的反射光偵測模組，其中該光偵測裝置是光電感測器。
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