TWI736484B

TWI736484B - 使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組

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Publication number: TWI736484B
Application number: TW109142924A
Authority: TW
Inventors: 李隆翔
Original assignee: 陽程科技股份有限公司
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2021-08-11
Also published as: TW202224294A

Abstract

一種使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組，係適用於一雷射加工系統之雷射掃描器，並於掃描頭內部設置有振鏡掃描模組，且掃描頭底部設有一轉接口，再於轉接口處安裝之光學透鏡模組包括以固定套筒的結構相互結合之第一透鏡單元、第二透鏡單元及聚焦鏡組，當雷射光源產生之雷射光束經由振鏡掃描模組偏轉投射至光學透鏡模組上時，可依序通過第一透鏡單元之第一錐透鏡、第二透鏡單元之第二錐透鏡產生二次偏折的角度，再由聚焦鏡組之聚焦鏡聚焦至被加工物之加工面上沿著圓形掃描路徑進行光軸傾斜加工，使加工面上形成一垂直無錐度孔洞之切邊。

Description

使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組

本發明係提供一種使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組，尤指可將振鏡掃描模組偏轉投射的雷射光束，依序通過第一錐透鏡、第二透鏡單元產生二次偏折的角度，再由聚焦鏡聚焦至被加工物沿著圓形掃描路徑進行光軸傾斜加工，以形成一垂直無錐度孔洞之切邊。

按，雷射加工技術是當今時代最具技術先進性的加工製造技術之一，相較於傳統的加工技術(如鑽削、銑削、鋸割等)具有高速、高精度及低資源的消耗等優勢，並廣泛地應用於鈑金加工、電路板、光電半導體與面板產業、雷射打標等領域中，在許多精密材料的加工製程中，亦可藉由不同的雷射波長、調整脈衝寬度與功率，來對不同種類與性質的材料進行加工，以因應製程的需要。

一般而言，振鏡的雷射加工系統其控制的方法是利用反射鏡來改變雷射光束的入射角度，將雷射光束控制在工件上的預加工位置，請參閱第4~6圖所示，當雷射光束B經由振鏡掃描模組A中的二反射鏡A1反射後，可通過平場聚焦鏡組A2聚焦至工件C上進行加工，並生成一加工痕C1，其中垂直入射加工指的是加工時雷射光束B之光軸B1與工件C水平之加工面形成垂直，即垂直入射至加工面，並在加工面上生成線對稱(如光軸B1作為中心的基準線)之加工痕C1，而光軸傾斜加工則是指加工時雷射光束B之光軸B1與工件C加工面的法線(即垂直於加工面的基準線)形成一大約5°~10°夾角，並相較於垂直入射加工可在加工面上生成不對稱之加工痕C1，若是經微調功率與入射角度等參數，即有可能於入射指向邊形成一垂直無錐度之切邊C11且無明顯熱影響區(HAZ)，以確保雷射加工(如鑽孔或切割等)的品質。

然而，在現有的雷射加工系統中，利用振鏡掃描的方式，由於其光學鏡頭特性，使得雷射加工範圍與聚焦光點最小尺度，將會受到振鏡系統上之聚焦鏡頭的限制，為了使加工範圍有效增大，即必須更換不同焦距的鏡頭，並且雷射光束存在發散角的問題，導致使不同光路行程距離的加工位置，容易發生有雷射光斑在被加工物上形成的聚焦光點尺寸偏差的困擾，進而成為加工品質的缺陷，因此，一般作法係利用工作在物鏡焦面附近的透鏡(即場鏡，亦稱為F-Theta場鏡、雷射掃描聚焦鏡或平場聚焦鏡)，在不改變光學鏡頭特性的前提下，可使雷射光束在被加工物上形成均勻大小的雷射光斑，雖然可以改善雷射光斑變形的問題，但卻產生因為被加工物與雷射加工系統間之距離改變，雷射光束聚焦的寬度與距離也會跟著改變的問題，即需要移動或更換不同的聚焦鏡頭，仍會造成整體使用上的不便。

此外，亦有雷射加工系統使用光束旋轉器，係利用中空之伺服馬達分別帶動其內部一對楔形稜鏡旋轉，並由各楔形稜鏡將從雷射輸出部射出之雷射光束偏向，再通過聚光透鏡來將雷射光束聚焦在工件上，以沿著加工預定線掃描來進行加工，惟該一對楔形稜鏡在伺服馬達高速旋轉帶動下，很容易產生有偏移或震動的現象，且雷射光束對方向性的變動非常敏感，便會因伺服馬達之不穩定性產生光束漂移現象，仍會發生雷射光斑變形或在被加工物上形成的聚焦光點偏移的問題，即為從事於此行業者所亟欲研究改善之方向所在。

故，發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關資料經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗持續試作與修改，始設計出此種使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組的發明專利誕生。

本發明之主要目的乃在於光學透鏡模組為安裝在雷射掃描器之掃描頭與雷射射出部之間，僅需微調雷射光源輸出的功率，以及振鏡掃描模組將雷射光束偏轉入射至光學透鏡模組的角度，使雷射光束可依序通過第一透鏡單元之第一錐透鏡、第二透鏡單元之第二錐透鏡產生二次偏折的角度，再由聚焦鏡組之聚焦鏡聚焦至被加工物之加工面上沿著圓形掃描路徑進行光軸傾斜加工，使加工面上可形成一垂直無錐度孔洞之切邊，此種光學鏡頭設計，在不改變光學鏡頭特性的前提下，可使雷射光束聚焦在被加工物上形成均勻大小的雷射光斑，便不須在掃描頭與雷射射出部之間設置平場聚焦鏡，可避免需要移動或更換不同的平場聚焦鏡所造成使用上的不便，以提升雷射加工的效率及分切邊緣的品質。

本發明之次要目的乃在於光學透鏡模組之第一透鏡單元為通過上固定套筒安裝在雷射掃描器於掃描頭底部之轉接口，並將第一透鏡單元、第二透鏡單元與聚焦鏡組彼此間可通過固定套筒的結構相互結合而不會旋轉，使雷射光束經過二次偏折後即可聚焦至被加工物上，以防止伺服馬達高速旋轉帶動所產生雷射光束漂移不穩定、雷射光斑變形或在被加工物上形成的聚焦光點偏移的問題。

1:雷射加工系統

10:雷射光束

11:雷射掃描器

111:掃描頭

1111:轉接口

112:振鏡掃描模組

1121:反射鏡

113:雷射射出部

1131:噴嘴

1132:保護鏡

2:光學透鏡模組

21:第一透鏡單元

211:上固定套筒

212:第一錐透鏡

2121:圓錐面

2122:平面

213:鏡架環

22:第二透鏡單元

221:中固定套筒

222:第二錐透鏡

2221:平面

2222:圓錐面

223:鏡架環

23:聚焦鏡組

231:下固定套筒

232:聚焦鏡

233:鏡架環

3:被加工物

31:加工面

32:孔洞

321:切邊

α:錐角

β:錐角

AX:中心軸

A:振鏡掃描模組

A1:反射鏡

A2:平場聚焦鏡組

B:雷射光束

B1:光軸

C:工件

C1:加工痕

C11:切邊

〔第1圖〕係本發明較佳實施例之架構示意圖。

〔第2圖〕係本發明振鏡掃描模組搭配光學透鏡模組將雷射光束以圓形掃描路徑進行加工之示意圖。

〔第3圖〕係本發明第2圖雷射光束之焦點聚焦於被加工物上進行光軸傾斜加工之局部放大示意圖。

〔第4圖〕係習用振鏡掃描模組之架構示意圖

〔第5圖〕係習用雷射垂直入射加工之示意圖。

〔第6圖〕係習用雷射光軸傾斜加工之示意圖。

為達成上述目的及功效，本發明所採用之技術手段及其構造，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其構造與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱如第1~3圖所示，係分別為本發明較佳實施例之架構示意圖、振鏡掃描模組搭配光學透鏡模組將雷射光束以圓形掃描路徑進行加工之示意圖及第2圖雷射光束之焦點聚焦於被加工物上進行光軸傾斜加工之局部放大示意圖，由圖中可清楚看出，本發明之光學透鏡模組2為適用於雷射加工系統1，該雷射加工系統1包含雷射光源、調整變焦鏡組、雷射掃描器11及控制單元，其中該雷射光源用以產生一雷射光束10，並由控制單元驅動控制在雷射光束10傳遞路徑上之調整變焦鏡組與雷射掃描器11，使調整變焦鏡組可調整入射的雷射光束10之脈衝光的焦距或發散角度，再入射至雷射掃描器11反射後產生偏折，以搭配光學透鏡模組2形成一圓形掃描路徑。

再者，上述之雷射掃描器11為具有掃描頭111，並於掃描頭111之殼體內部設置有振鏡掃描模組112，且振鏡掃描模組112包含至少一片可利用電流計馬達帶動旋轉之反射鏡1121或多邊形鏡，用以反射雷射光束10來改變其偏折的角度，再投射至光學透鏡模組2形成一圓形掃描路徑，而掃描頭111之殼體底部對正於振鏡掃描模組112位置則設有一轉接口1111，並於轉接口1111的雷射光束10傳遞路徑上設置有光學透鏡模組2，且掃描頭111之殼體在光學透鏡模組2底側或下方一距離設置有雷射射出部113之噴嘴1131，用以將雷射光束10射出至被加工物3上形成有一聚焦光斑或焦點，再於噴嘴1131內部結合有鏡頭保護用之玻璃窗(Glass Window)或保護鏡1132。

在本實施例中，光學透鏡模組2包括第一透鏡單元21、第二透鏡單元22及聚焦鏡組23，並於第一透鏡單元21具有安裝於掃描頭111的轉接口1111處之上固定套筒211，且上固定套筒211下方開口內側處固定有封裝於鏡架環213內之第一錐透鏡212，該第一錐透鏡212上下二側表面分別具有圓錐面2121及平面2122，且圓錐面2121與軸中心上的錐點之間形成的錐角α為介於165°~175°之間，優選地為170°；另，第二透鏡單元22為具有結合於上固定套筒211下方開口外側處之中固定套筒221，並於中固定套筒221下方開口內側處固定有封裝於鏡架環223內之第二錐透鏡222，該第二錐透鏡222上下二側表面分別具有平面2221及圓錐面2222，且圓錐面2222與軸中心上的錐點之間形成的錐角β為介於160°~170°之間，優選地為165°，又聚焦鏡組23為具有結合於中固定套筒221下方開口外側處之下固定套筒231，並於下固定套筒231下方開口內側處固定有封裝於鏡架環233內之聚焦鏡232，且聚焦鏡232之焦距長度為介於50~70mm之間，優選地為60mm。

此外，上述第一透鏡單元21之上固定套筒211較佳實施為利用螺紋接合的方式安裝於掃描頭111之轉接口1111，但並不以此為限，亦可以在上固定套筒211與掃描頭111銜接面上利用接環，以旋轉扣合或配合磁鐵吸附定位等方式結合成為一體；同樣的，第一透鏡單元21、第二透鏡單元22與聚焦鏡組23彼此間之固定套筒的結構(如上固定套筒211、中固定套筒221、下固定套筒231)，除了可以利用螺紋接合的方式，也可利用接環以旋轉扣合、磁鐵吸附定位，或是接環以旋轉扣合配合磁鐵吸附定位等方式結合成為一體。

在本實施例中，雷射加工系統1之雷射光源優選地可為一紫外光(UV)雷射，但並不以此為限，亦可依被加工物3的材質或厚度、所需之加工態樣等，選用二氧化碳(CO₂)、準分子雷射、遠紅外光雷射或其他特定波長範圍之雷射，且可針對雷射頻率調整性、雷射輸出、雷射光波長等變數進行設定，以符合實際加工製程所需，而被加工物3優選地可為一軟性電路板，並於軟性電路板表面具有不透明或干擾光線穿透的物質，如塗層、鍍膜或金屬導線等，且被加工物3可為未經加工之基材，或是經前置加工之半導體基板、顯示器面板、電子元件等工件，也可將雷射加工系統1應用於高精度加工/特殊錐角加工，如珠寶加工、航空器、汽車噴油嘴、噴孔加工等。

當雷射加工系統1將雷射光源產生之雷射光束10經由傳遞路徑(即光路)上之調整變焦鏡組(如分光單元、變焦鏡組等)傳遞至雷射掃描器11之掃描頭111內時，可由振鏡掃描模組112二個轉軸(如X軸與Y軸)相互垂直之反射鏡1121旋轉反射後產生一偏折的角度，以執行繞著中心軸AX旋轉的圓形路徑掃描，並使雷射光束10偏轉後投射至光學透鏡模組2於第一透鏡單元21之第一錐透鏡212上，且雷射光束10投射在第一錐透鏡212之圓錐面2121上的角度約為法線±15°，不能將其投射在中間的錐點或中心軸AX上，而雷射光束10通過第一錐透鏡212產生一偏折後會投射至第二透鏡單元22之第二錐透鏡222上，同樣地，亦不能投射在第二錐透鏡222中間的錐點上，並於雷射光束10通過第二錐透鏡222之圓錐面2222產生偏折的角度，再投射至聚焦鏡組23之聚焦鏡232上，便可藉由聚焦鏡232將繞著中心軸AX旋轉的雷射光束10聚焦至被加工物3之加工面31上形成一焦點，使加工面31上生成一不對稱之光刻痕，並沿著圓形掃描路徑以雷射光束10最外側圓弧面垂直於加工面31之態樣來進行光軸傾斜加工，進而使加工面31形成一垂直無錐度孔洞32之切邊321，以完成高寬深比之微孔的鑽孔製程。

是以，本發明之光學透鏡模組2為安裝在雷射加工系統1於雷射掃描器11之掃描頭111與雷射射出部113之間，僅需微調雷射光源輸出功率，以及振鏡掃描模組12將雷射光源之雷射光束10偏轉入射至光學透鏡模組2的角度，即可將雷射光束10依序通過第一透鏡單元21之第一錐透鏡212、第二透鏡單元22之第二錐透鏡222產生二次偏折的角度，再由聚焦鏡組23之聚焦鏡232聚焦至被加工物3之加工面31上沿著圓形掃描路徑進行光軸傾斜加工，使加工面31上形成一垂直無錐度孔洞32之切邊321，便不須在掃描頭111與雷射射出部113之間設置平場聚焦鏡，可避免需要移動或更換不同的平場聚焦鏡所造成使用上的不便，以提升雷射加工(如鑽孔或切割等)的效率及分切邊緣的品質。

此外，光學透鏡模組2之第一透鏡單元21為通過上固定套筒211安裝在掃描頭111之轉接口1111，並將第一透鏡單元21、第二透鏡單元22與聚焦鏡組23彼此間通過固定套筒的結構(如上固定套筒211、中固定套筒221與下固定套筒231)相互結合而不會旋轉，使雷射光束10經二次偏折的角度後，即可聚焦至被加工物3上，以防止因伺服馬達高速旋轉帶動所產生有雷射光束漂移不穩定、雷射光斑變形或在被加工物上形成的聚焦光點偏移的問題。

上述詳細說明為針對本發明一種較佳之可行實施例說明而已，惟該實施例並非用以限定本發明之申請專利範圍，凡其他未脫離本發明所揭示之技藝精神下所完成之均等變化與修飾變更，均應包含於本發明所涵蓋之專利範圍中。

綜上所述，本發明之使用於光軸傾斜加工之光學透鏡模組使用時為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之發明，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦發明，倘若鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。