TWI737550B

TWI737550B - 雷射設備之檢測方法與系統

Info

Publication number: TWI737550B
Application number: TW109141613A
Authority: TW
Inventors: 陳志鈞; 何福順; 楊鈞杰; 李益志; 宋育誠
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2021-08-21
Also published as: TW202221294A

Abstract

一種雷射設備之檢測方法與系統，該方法包含下列步驟：於雷射設備之各泵浦源的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各泵浦源的訊號輸出值並產生泵浦源感測值，於雷射設備之各光學元件的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各光學元件的訊號輸出值並產生光學元件感測值；由計算單元將泵浦源感測值與泵浦源預設值進行比對並產生泵浦源比對值，將光學元件感測值與光學元件預設值進行比對並產生光學元件比對值；以及，由計算單元根據泵浦源比對值與光學元件比對值判定泵浦源、光學元件及感測器何者發生異常並據以對雷射設備進行校正。

Description

雷射設備之檢測方法與系統

本發明涉及檢測技術領域，尤指一種雷射設備之檢測方法與系統。

目前市面上的雷射設備需要進行檢測與功率校正時，必須拆解雷射源並且需要架設龐大的檢測平台、外掛功率量測系統才能進行功率上的量測與校正，又或者是當雷射功率衰退時需要重新調整與校正光學系統參數，也需要拆解雷射源並且重新處理電流與控制系統，因此都需要送回原廠檢測與拆解內部才能進行調整與檢測。

至於大功率的雷射設備則更需要額外架設冷卻設備，如冰水機。因此耗費大量送修往返及等待的時間。

此外，目前一般的檢修機制智能檢測粗略的光學系統間題，無單一光源檢測系統。

據此，如何發展出一種可快速、直接且準確地檢測雷射系統的「雷射設備之檢測方法與系統」，是相關技術領域人士亟待解決之課題。

於一實施例中，本發明提出一種雷射設備之檢測方法，其包含以下步驟：於一雷射設備設置複數個感測器，雷射設備包括至少一泵浦源與至少一光學元件，各泵浦源的訊號輸出端連接至少一光學元件，於各泵浦源的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各泵浦源的訊號輸出值並產生至少一泵浦源感測值，於各光學元件的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各光學元件的訊號輸出值並產生至少一光學元件感測值；由一計算單元將至少一泵浦源感測值與至少一泵浦源預設值進行比對並產生至少一泵浦源比對值，將至少一光學元件感測值與至少一光學元件預設值進行比對並產生至少一光學元件比對值；以及由計算單元根據至少一泵浦源比對值與至少一光學元件比對值判定至少一泵浦源、至少一光學元件及複數感測器何者發生異常並據以對雷射設備進行校正。

於一實施例中，本發明提出一種雷射設備之檢測系統，其包含：複數個感測器，設置於一雷射設備中，雷射設備包括至少一泵浦源與至少一光學元件，於各泵浦源的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各泵浦源的訊號輸出值並產生至少一泵浦源感測值，於各光學元件的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各光學元件的訊號輸出值並產生至少一光學元件感測值；以及計算單元，與雷射設備電性連接，用以將至少一泵浦源感測值與至少一泵浦源預設值進行比對並產生至少一泵浦源比對值，將至少一光學元件感測值與至少一光學元件預設值進行比對並產生至少一光學元件比對值，並根據至少一泵浦源比對值與至少一光學元件比對值判定至少一泵浦源、至少一光學元件及複數感測器何者發生異常並據以對雷射設備進行校正。

100:雷射設備之檢測系統

10:雷射設備

11,12,13:泵浦源

14:光纖結合器

15:第一反射鏡

16:增益光纖

17:第二反射鏡

18:功率剝除器

19:光纖

L1~L3:泵浦源雷射光束

L4:訊號源雷射光束

L5:處理後的雷射光束

P1~P3,C1~C5:感測器

20:計算單元

21:編碼器

22:微控制器

23:記憶體

200:雷射設備之檢測方法

202~206:雷射設備之檢測方法的步驟

300:判定是否可對泵浦源進行校正的流程

302~308:判定是否可對泵浦源進行校正的流程的步驟

400:判定是否可對雷射設備進行校正的流程

402~408:判定是否可對雷射設備進行校正的流程的步驟

圖1為本發明之雷射設備之檢測系統之一實施例之架構示意圖。

圖2為本發明之雷射設備之檢測方法之一實施例之流程圖。

圖3為本發明判定是否可對泵浦源進行校正的流程圖。

圖4為本發明判定是否可對雷射設備進行校正的流程圖。

請參閱圖1所示，本發明所提供之一種雷射設備之檢測系統100。於本實施例中，雷射設備10包含三個泵浦源11、12、13、一光纖結合器14、一第一反射鏡15、一增益光纖16、一第二反射鏡17、一功率剝除器18。

光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18之間以光纖19串聯。光纖結合器14用以接收泵浦源11、12、13所分別提供的泵浦源雷射光束L1~L3及訊號源雷射光束雷L4。泵浦源雷射光束L1~L3與訊號源雷射光束雷L4依序通過光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18後，輸出處理後的雷射光束L5。

必須說明的是，光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18為雷射設備通常採用的光學元件，圖1所示架構僅為一實施例，但是本發明適用的雷設設備並不限於上述架構。例如，可採用一個或多於三個泵浦源搭配光纖結合器、反射鏡、增益光纖、功率剝除器等光學元件其中至少之一或其他需要的光學元件。

請參閱圖1所示，於各泵浦源11、12、13的訊號輸出端各設有一感測器P1~P3。於光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18的訊號輸出端各設有一感測器C1~C5。感測器P1~P3用以感測各泵浦源11~13的訊號輸出值並產生對應的泵浦源感測值，感測器C1~C5則用以感測光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18各光學元件的訊號輸出值並產生對應的光學元件感測值。

上述各泵浦源11~13的訊號輸出值及各光學元件的訊號輸出值，皆為雷射光束的光強度訊號值。

請參閱圖1所示，雷射設備10與計算單元20電性連接。計算單元20包括一編碼器21、一微控制器22、一記憶體23。

編碼器21與各感測器P1~P3、C1~C5電性連接，各感測器P1~P3、C1~C5所感測之各訊號輸出值傳送至編碼器21，由編碼器21將各訊號輸出值進行編碼並轉換為數位格式之數值，以供微控制器22將各數位格式之數值進行運算及判定。記憶體23可用於儲存上述各數位格式之數值或其他需要的數值、數據、資訊。

關於編碼器21將各訊號輸出值進行編碼並轉換為數位格式之數值，例如，感測器P1感測泵浦源11的訊號輸出值，亦即泵浦源11提供給光纖結合器14的雷射光束L1的光強度為1.2伏特(V)，再由編碼器21將該光強度轉換為數位格式之數值48。同理，編碼器21可將感測器P2、P3分別感測泵浦源12、13的光強度轉換為數值46、48。而後，可將感測器P1~P3感測泵浦源11~13代表的數值儲存於記憶體23中，其格式例如可如下表1所示：

其中，48、46、48即分別代表感測器P1~P3感測泵浦源11~13的訊號輸出值並產生的對應的泵浦源感測值。若設有三個以上的泵浦源時，則可記錄感測器P4、P5、P6等等的數值，以此類推。其中，153、147、153分別代表各泵浦源11~13所對應的DAC(Digital to analog converter)值。DAC值為驅動系統調整電流的數位訊號，通常係指數位訊號經過編碼轉換後，變成類比訊號進而用以控制驅動系統的電流值。

於記憶體23中儲存有各泵浦源11~13的泵浦源預設值，亦即雷射設備10出廠時所記錄代表各泵浦源11~13的原始雷射光束強度的數值。由計算單元20的微控制器22將各泵浦源感測值與對應的各泵浦源預設值進行比對，而後可產生泵浦源比對值。

例如，於記憶體23中儲存有一組泵浦源預設值，代表各泵浦源11~13的原始雷射光束強度的數值如下表2所示：

由計算單元20的微控制器22將表1所示各泵浦源感測值與表2對應的各泵浦源預設值進行比對，可產生泵浦源比對值，如下表3所示：

根據感測器P1~P3所對應的數據編碼(1,1,1)，代表泵浦源11~13的狀態為正常。

若感測器P1~P3感測泵浦源11~13代表的數值如下表4所示：

由計算單元20的微控制器22將表4所示各泵浦源感測值與表2對應的各泵浦源預設值進行比對，可產生泵浦源比對值，如下表5所示：

根據感測器P1~P3所對應的數據編碼(0,1,1)，可判斷出泵浦源11的狀態為異常，泵浦源12、13的狀態為正常。

以此類推，若感測器P1~P3所對應的數據編碼為(1,0,1)，可判斷出泵浦源12的狀態為異常，泵浦源11、13的狀態為正常；若感測器P1~P3所對應的數據編碼為(1,1,0)，可判斷出泵浦源13的狀態為異常，泵浦源11、12的狀態為正常。

承上所述，若已判斷出泵浦源中至少一者的狀態為異常時，則計算單元20的微控制器22判定異常之泵浦源是否可進行校正。

根據於記憶體23中儲存有各泵浦源11~13的泵浦源上限值以及DAC上限值，如表6所示

比較表4及表6，泵浦源11的泵浦源之DAC補償數值153並未超過泵浦源11的泵浦源上限值252，故異常數值需調整範圍並未超過極限值，進而能夠對異常之泵浦源的DAC值進行校正。根據表2及表4的數據，計算單元20透過下列公式算出異常之泵浦源11之DAC補償數值：

(出廠紀錄泵浦源數值-現行記錄泵浦源數值)/運算常數因此可得到校正後的泵浦源感測值及DAC值，如表7所示。而後，再將校正後之數值儲存於記憶體23中。

同理，感測器C1~C5分別感測光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18各光學元件的訊號輸出值並產生對應的光學元件感測值。

於記憶體23中儲存有光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18的光學元件預設值，亦即雷射設備10出廠時所記錄代表光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18的原始雷射光束強度的數值。由計算單元20的微控制器22將光學元件感測值與對應的各光學元件預設值進行比對，而後可產生光學元件比對值。

光學元件比對值對應感測器C1~C5之數據編碼若為(0,1,1,1,1)，代表光纖結合器14的狀態為異常，而第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18的狀態為正常；數據編碼若為(1,1,0,1,1)，代表光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18的狀態為正常，而增益光纖16的狀態為異常，以此類推。

此外，必須將感測器P1~P3、感測器C1~C5進行綜合判斷，例如，當感測器P1~P3的數據編碼為(0,1,1)，而感測器C1~C5的數據編碼為(1,1,1,1,1)時，則判定感測器P1的狀態為異常。

上述各泵浦源感測值、各光學元件感測值、各泵浦源預設值、各泵浦源比對值、各光學元件預設值、各光學元件比對值皆為經過編碼器21處理後之數位格式之數值。

根據上述判定方法，當計算單元20判定各泵浦源比對值為正常，且光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18等至少其中之一光學元件比對值為異常時，則計算單元20可判定光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18等光學元件中何者為異常。

當計算單元20判定至少其中之一泵浦源比對值為異常，且光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18至少其中之一光學元件比對值為異常時，則計算單元20可判定至少其中之一泵浦源11~13為異常。

當計算單元20判定至少其中之一泵浦源比對值為異常，且光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18各光學元件比對值為正常時，則計算單元20可判定設置於泵浦源11~13的訊號輸出端之感測器P1~P3至少其中之一為異常。

當計算單元20判定泵浦源11~13其中之一為異常時，計算單元20再接續判定該異常的泵浦源或雷射設備是否可被校正。可被校正的泵浦源則進行校正，不可被校正的泵浦源則必須送修。

例如，若計算單元20判斷泵浦源11發生異常，則由計算單元20判斷泵浦源11的當前電流設定值是否已達該泵浦源11之設定電流上限值；若泵浦源11的當前電流設定值未達設定電流上限值，則判定泵浦源11可被校正並進行校正；若泵浦源11的當前電流設定值已達設定電流上限值，則判定泵浦源11為不可被校正；必須將泵浦源11送修。

其次，亦可判別雷射設備10是否可被校正。就圖1所示架構，雷射設備10設有三個泵浦源11~13，當判定其中一泵浦源11為不可校正時，則判斷其他各泵浦源12、13的當前電流設定值是否已達泵浦源12、13的設定電流上限值；若泵浦源12、13的當前電流設定值未達泵浦源12、13的設定電流上限值，則判定雷射設備10為可被校正並對泵浦源11進行校正；若泵浦源12、13的當前電流設定值已達泵浦源12、13的設定電流上限值，則判定雷射設備10為不可被校正；必須將雷射設備10送修。

關於上述以電流設定值判定泵浦源11~13或雷射設備10無法被重新校正之情況，其原理在於，每個泵浦源11~13都有其本身的電流上限，當個泵浦源11~13的當前電流設定值已達各泵浦源11~13的設定電流上限值，卻無法達到額定輸出功率，即判定泵浦源11~13或雷射設備10無法被重新校正。

至於泵浦源11~13或雷射設備10可被校正的情況，則表示在進行電流調整後可以彌補泵浦源11~13的衰退，使泵浦源11~13恢復到預設的電流，泵浦源11~13可正常工作。

必須說明的是，若是泵浦源11~13發生異常時，可經由校正的方式使泵浦源11~13恢復正常，但是當判定光纖結合器14、第一反射鏡15、第二反射鏡17、功率剝除器18等光學元件發生異常時，則必須將發生異常的光學元件送回原廠維修。

請參閱圖1及圖2所示，根據以上所述，可歸納出本發明所提供的雷射設備之檢測方法200，其包含以下步驟：步驟202：於一雷射設備設置複數個感測器，雷射設備包括至少一泵浦源與至少一光學元件，於各泵浦源之訊號輸出端各設有一感測器，以感測各泵浦源的訊號輸出值並產生至少一泵浦源感測值，於各光學元件的訊號輸出端各設有一感測器，以感測各光學元件的訊號輸出值並產生至少一光學元件感測值；泵浦源感測值與光學元件感測值的數量依雷射設備所設置的泵浦源及光學元件的數量而定，若以圖1架構而言，感測器P1~P3感測各泵浦源11~13的訊號輸出值並產生複數個泵浦源感測值，感測器C1~C5感測光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18各光學元件的訊號輸出值並產生複數個光學元件感測值；若僅設置一個泵浦源及一個光學元件，則會產生一個泵浦源感測值及一個光學元件感測值；步驟204：由一計算單元將至少一泵浦源感測值與至少一泵浦源預設值進行比對並產生至少一泵浦源比對值，將至少一光學元件感測值與至少一光學元件預設值進行比對並產生至少一光學元件比對值；泵浦源比對值與光學元件比對值的數量依雷射設備所設置的泵浦源及光學元件的數量而定，以圖1架構而言，會產生複數個泵浦源感測值與複數個光學元件感測值，分別與複數個泵浦源預設值與複數個光學元件預設值比對後，會產生複數個泵浦源比對值及複數個光學元件比對值；若僅設置一個泵浦源及一個光學元件，則產生一個泵浦源比對值與一個光學元件比對值；以及步驟206：由計算單元根據至少一泵浦源比對值與至少一光學元件比對值判定至少一泵浦源、至少一光學元件及複數感測器何者發生異常並據以對雷射設備進行校正。以圖1架構而言，會產生三個泵浦源比對值與五個光學元件比對值，分別對應於泵浦源11~13、光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18，可據以判別泵浦源11~13、光纖結合器14、第一反射鏡15、增益光纖16、第二反射鏡17、功率剝除器18何者發生異常，同時，綜合判斷三個泵浦源比對值與五個光學元件比對值後，可判別出感測器P1~P3、C1~C5之中何者發生異常。

請參閱圖3所示，當執行完圖2所示步驟206之後，若計算單元判定為泵浦源為異常時，則進行一判定是否可對泵浦源進行校正的流程300，其包含下列步驟：步驟302：當計算單元判定其中至少一泵浦源為異常時；步驟304：由計算單元判斷該異常的泵浦源的當前電流設定值是否已達該異常的泵浦源之設定電流上限值；若該異常的泵浦源的當前電流設定值未達該異常的泵浦源的設定電流上限值，則判定該異常的泵浦源可被校正並進行校正(步驟306)；若該異常的泵浦源的當前電流設定值已達該異常的泵浦源的設定電流上限值，則判定該異常的泵浦源為不可被校正(步驟308)。

請參閱圖4所示，當執行完圖3所示步驟308之後，若計算單元判定其中一泵浦源為不可校正時，則進行一判定是否可對雷射設備進行校正的流程400，其包含下列步驟：步驟402：當計算單元判定其中一泵浦源為不可校正時；步驟404：由計算單元判斷其他各泵浦源的當前電流設定值是否已達其他各泵浦源的設定電流上限值；若其他各泵浦源的當前電流設定值未達各設定電流上限值，則判定雷射設備為可被校正並進行校正(步驟406)；若其他各泵浦源的當前電流設定值已達各設定電流上限值，則判定雷射設備為不可被校正(步驟408)。

綜上所述，本發明所提供之雷射設備之檢測方法與系統，於雷射設備設置多個感測器，並且經由包含編碼器與微控制器的計算單元進行轉換與計算，將雷射設備的訊號值數位化，藉由遠端控制下達指令即可進行細微的雷射設備檢測與校正，即時記錄整體雷射設備資訊及檢測資料，且可辨識出雷射設備中的損壞元件。

本發明所提供之雷射設備之檢測方法與系統，可減少整體檢測校正系統所需要的體積，且利用傳輸編碼系統可避免外部干擾，因而增加檢測時的穩定度；不須雷射設備出光即可具有分析光學設備的完整性，不須外掛量測系統即可進行雷射功率的校正與補償，可大幅度減少檢測與校正系統所需要的時間，於校正功率時可免除需要額外架設功率量測系統，利用光學設備原本使用時的紀錄資訊即可分析雷射設備的健康度，減少80%以上的作業時間，一鍵自動化校正不須人力介入。

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。