TWI834211B - 雷射掃描裝置及雷射掃描方法 - Google Patents

雷射掃描裝置及雷射掃描方法 Download PDF

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Abstract

雷射掃描裝置包含第一導光部、多邊形鏡及第二導光部。第一導光部係反射及導引雷射產生器產生之雷射。多邊形鏡具有配置成多邊形之反射面，且一面旋轉一面以反射面反射藉由第一導光部導引之雷射。第二導光部進一步反射以多邊形鏡之反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件之方式導引雷射。第一導光部具備第一柱面透鏡，該第一柱面透鏡係以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光。第二導光部具備第二柱面透鏡(43)，該第二柱面透鏡(43)係以雷射之與第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光。

Description

雷射掃描裝置及雷射掃描方法
本發明主要關於一種雷射掃描裝置。
專利文獻1揭示一種掃描雷射等光之光掃描裝置。光掃描裝置包含透鏡、複數個反射鏡(Turning Mirror)、多邊形鏡(Polygon Mirror )、初級反射鏡、次級反射鏡及柱面透鏡(cylindrical lens)。透鏡係對雷射產生器產生之雷射光進行聚光。複數個反射鏡係確保光路長度以使雷射之焦點對準工件，並且將雷射朝多邊形鏡導引。多邊形鏡係一面旋轉一面反射雷射，以與多邊形鏡之旋轉相位對應之反射角反射雷射。藉由多邊形鏡反射後之雷射係由初級反射鏡及次級反射鏡反射後，通過柱面透鏡被照射於工件。柱面透鏡係用以將雷射扁平化。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本專利第5401629號公報。
[發明所欲解決之課題]
於專利文獻1之光掃描裝置中，根據透鏡之形狀，照射於工件之雷射存在不能於既定方向充分聚光之可能性。
爰此，本發明之主要目的在於提供一種雷射掃描裝置，係可於適宜地使雷射聚光之狀態下照射於工件。 [用以解決課題之技術手段]
本發明所欲解決之課題誠如以上說明，以下，對用以解決該問題之手段及係功效進行說明。
根據本發明之第一觀點，提供以下構成之雷射掃描裝置。即，雷射掃描裝置包含第一導光部、多邊形鏡及第二導光部。前述第一導光部係用以反射及導引雷射產生器產生之雷射。前述多邊形鏡具有配置成多邊形之反射面，且一面旋轉一面以前述反射面反射藉由前述第一導光部導引之雷射。前述第二導光部進一步反射藉由前述多邊形鏡之前述反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件之方式導引雷射。前述第一導光部具有第一聚光部，前述第一聚光部係以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光。前述第二導光部具備第二聚光部，前述第二聚光部係以雷射之與前述第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光。
根據本發明之第二觀點，提供以下之雷射掃描方法。即，雷射掃描方法包含第一導光步驟、多邊形鏡反射步驟及第二導光步驟。於前述第一導光步驟中，使用第一導光部反射及導引雷射產生器產生之雷射。於前述多邊形鏡反射步驟中，使用具有配置成多邊形之反射面之多邊形鏡，一面使多邊形鏡旋轉一面以前述反射面反射藉由前述第一導光部導引之雷射。於前述第二導光步驟中，藉由第二導光部進一步反射以前述多邊形鏡之前述反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件之方式導引雷射。前述第一導光步驟係包含使用第一聚光部以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光之處理。前述第二導光步驟係包含使用第二聚光部以雷射之與前述第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光之處理。
藉此，由於雷射產生器產生之雷射於2個方向進行聚光，因此可將雷射之截面形狀(光束形狀)為圓形或接近圓形之形狀之雷射照射於工件。 [發明功效]
根據本發明，可於適宜地使雷射聚光之狀態下照射於工件。
其次，參照圖式，對本發明之實施形態進行說明。首先，參照圖1，對雷射加工裝置1之構成進行說明。圖1為雷射加工裝置1之立體圖。雷射加工裝置1係藉由朝工件(被照射物)100照射雷射而對該工件100進行加工之裝置。
本實施形態之工件100例如為電磁鋼板、矽基板、樹脂薄膜等。再者，工件100也可為其他材料。此外，工件100不限於板狀，例如也可為塊狀。
本實施形態之雷射加工裝置1係進行燒蝕加工，該燒蝕加工係藉由照射雷射而使工件100蒸發之加工。再者，雷射加工裝置1也可為進行熱加工之構成，該熱加工係藉由雷射之熱量使工件100熔融進行之加工。此外，雷射加工裝置1係藉由雷射進行切斷工件100之加工。雷射加工裝置1對工件100進行之加工不限於切斷，例如也可為沿既定形狀去除工件100表面之加工。或者，雷射加工裝置1進行之加工也可為使工件100熔融用以工件100之銲接等之加工。
再者，雷射可為可視光也可為可視光以外之波長帶之電磁波。此外，於本實施形態中，不僅將可視光，還將包含波長較可視光短之電磁波或波長較可視光長之電磁波稱為「光」。
如圖1所示，雷射加工裝置1係具備搬送部11、雷射產生器12及雷射掃描裝置13。
搬送部11為傳送帶，係將載置之工件100朝既定之方向搬送。搬送部11可沿搬送方向搬送工件100，並且可於既定之位置停止。搬送部11係搬送工件100且使工件於用以進行雷射加工之位置停止。再者，搬送部11可為輥傳送帶，也可為把持工件100進行搬送之構成。此外，也可省略搬送部11，對固定不動之工件100照射雷射進行加工。
雷射產生器12係藉由脈衝振蕩產生短時寬之脈衝雷射。脈衝雷射之時寬雖無特別限制，但以例如納秒級、皮秒級或飛秒級等之短時寬產生雷射。再者，雷射產生器12也可為藉由連續波振蕩產生CW雷射之構成。
雷射掃描裝置13導引由雷射產生器12產生之雷射且照射於工件100。雷射掃描裝置13係藉由以經聚光後之雷射被照射於工件100表面之方式導引該雷射而對工件100進行加工。
以下，參照圖2及圖3，對雷射掃描裝置13詳細地進行說明。如圖2所示，雷射掃描裝置13具備雷射擴束器(Beam Expander)19、第一導光部20、多邊形鏡30及第二導光部40。再者，這些光學零件之至少一部分係配置於雷射掃描裝置13之殼體內部。
雷射擴束器19係將雷射產生器12產生之雷射光束朝既定之方向(後述之第一方向)擴大。雷射擴束器19例如為將凹透鏡及凸透鏡組合而成之構成。雷射產生器12產生之雷射之光束形狀(雷射之截面形狀)為圓形。藉由使光束通過雷射擴束器19，可使光束形狀變化為橢圓。
第一導光部20係由將雷射產生器12產生之雷射導引至多邊形鏡30之光學零件構成。第一導光部20係自雷射產生器12側沿著雷射之光路依序具有第一柱面透鏡(第一聚光部)21、導入稜鏡22、第一導入反射鏡23、及第二導入反射鏡24。
如圖4所示，第一柱面透鏡21係對雷射產生器12產生之雷射進行聚光。具體而言，第一柱面透鏡21係以第一方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光。第一方向係與雷射之掃描方向平行之方向。於本說明書中，以d1顯示入射於第一柱面透鏡21之雷射之第一方向之光束直徑。雷射之第一方向之光束直徑係藉由通過第一柱面透鏡21而逐漸變小，且於工件100之表面或係近旁變得最小。
導入稜鏡22、第一導入反射鏡23及第二導入反射鏡24係將通過第一柱面透鏡21之雷射朝多邊形鏡30導引。此外，導入稜鏡22、第一導入反射鏡23及第二導入反射鏡24係於較多邊形鏡30靠光路上游側構成光學單元，該光學單元係為了確保用以使焦點位於工件100之表面上而需要之光路長度而使光路曲折之單元。本實施形態所示之構成第一導光部20之光學零件既可適宜省略，也可於第一柱面透鏡21與多邊形鏡30之間適宜追加其他之稜鏡或反射鏡。
如圖2所示，多邊形鏡30整體形成為正多邊形狀(於本實施形態中，為正八邊形)。詳細而言，於對應於正多邊形之各邊之位置配置有平面狀之反射鏡。此外，多邊形鏡30係被構成為藉由自省略圖示之電動馬達傳遞動力而可以例如等角速度進行旋轉。多邊形鏡30之旋轉軸方向係與圖2之視點方向(即多邊形鏡30為正多邊形之視點方向)相同。
由雷射產生器12產生且由多邊形鏡30反射之雷射，藉由第二導光部40導引而被照射於工件100。此時，雷射之照射位置係根據多邊形鏡30之反射面之角度而變化。換言之，隨著多邊形鏡30旋轉，來自雷射產生器12之雷射被偏向，從而使該多邊形鏡30上之雷射之反射角變化。藉此，可於工件100上掃描雷射。掃描係指使雷射等光之照射位置朝既定方向變化。以下，將雷射之掃描方向簡稱為掃描方向。工件100係沿掃描方向被加工。
多邊形鏡30藉由旋轉而使藉由第二導入反射鏡24導入之雷射以進行等速角移動之方式進行放射。第二導光部40反射自多邊形鏡30出射之光，且朝掃描線91導引。藉由使多邊形鏡30之旋轉角變化，照射位置沿著工件100上之掃描線91依序朝掃描方向移動。
第二導光部40具有複數個反射面，使由多邊形鏡30反射之雷射適宜反射，朝工件100之表面導引。第二導光部40具備複數個第一照射反射鏡41、複數個第二照射反射鏡42、及第二柱面透鏡(第二聚光部)43。
以下，參照圖3，對第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42之配置及功能進行說明。圖3為顯示偏向中心C、第一照射反射鏡41、第二照射反射鏡42及掃描線91之位置關係之示意圖。
假定於不存在第二導光部40之情況下，如圖3上側所示，雷射之焦點(沿著光遠離雷射產生器12一定距離之點)，伴隨多邊形鏡30之旋轉角變化相當於正多邊形之一邊之邊長量而描繪一圓弧形之軌跡。該軌跡之中心係藉由多邊形鏡30使雷射偏向之偏向中心C，該軌跡之半徑係自該偏向中心C至焦點為止之光路長度。另一方面，與圓弧形之軌跡不同，掃描線91係沿掃描方向直線延伸。於是，自掃描線91上之照射位置至焦點之距離，會根據該照射位置而變化。藉此，若考慮自前述偏向中心C至掃描線91上之任意照射位置之光路長度，則該光路長度變得不恆定，會根據該照射位置之位置而變化。
為了解決該問題，提供有第二導光部40，係將來自多邊形鏡30之雷射至少反射兩次之後導引至工件100(掃描線91)。第二導光部40係以自多邊形鏡30之反射面至工件100上之掃描線91上之任意照射位置為止之光路長度於所有之照射位置上皆大致恆定之方式分別配置。
本實施形態之第二導光部40係具有反射來自多邊形鏡30之雷射之第一照射反射鏡41、及進一步反射來自該第一照射反射鏡41之雷射之第二照射反射鏡42，用以對來自多邊形鏡30之雷射進行兩次反射。第二導光部40係由這些第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42構成。惟，於第二導光部40中，也可以三次以上反射雷射之方式配置光學零件。
如上述，假定不存在第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42，則雷射之焦點伴隨光之出射角變化，描繪以偏向中心C作為中心之圓弧(以下稱為虛擬圓弧)。虛擬圓弧之半徑R係自偏向中心C至焦點之光路長度。第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42係用以將自偏向中心C至焦點之光路彎曲，藉此，以於工件100上大致沿掃描方向直線狀延伸之方式轉換虛擬圓弧。詳細而言，藉由第二導光部40，以各弦VC1、VC2、…之方向與掃描線91基本一致之方式，對分割虛擬圓弧而成之分割圓弧DA1、DA2、…之位置進行轉換。
即，第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42分別具有複數個反射面，且按照將雷射之自多邊形鏡30之出射角之範圍分割為複數個而成之每個分割角度範圍，以分割圓弧DA1、DA2、…之弦VC1、VC2、…成為與掃描方向相同方向之方式(以排列於掃描方向之方式)使光進行複數次反射，其中，前述分割圓弧DA1、DA2、…係沿著光遠離雷射產生器12一定距離之點(焦點)於該分割角度範圍內伴隨光之出射角之變化而描繪之軌跡。
對用於以與掃描線91一致之方式轉換虛擬圓弧之位置之具體方法簡單地進行說明，首先，藉由將虛擬圓弧等間隔地分割而獲得複數個分割圓弧DA1、DA2、…。接著，獲得與複數個分割圓弧DA1、DA2、…之每個分割圓弧對應之複數個虛擬弦VC1、VC2、…。然後，以於工件100上沿掃描方向依序直線狀排列複數個虛擬弦VC1、VC2、…之方式，確定第一照射反射鏡41及第二照射反射鏡42各自具有之反射面之位置及朝向。
以此方式形成掃描線91後，則分割圓弧DA1、DA2、…之兩端2點被重新配置於掃描線91上，且分割圓弧DA1、DA2、…(即，連接該2點之曲線)較掃描線91被重新配置於光軸方向下游側。雷射之焦點沿著以此方式轉換了位置之分割圓弧DA1、DA2、…移動。
若將虛擬圓弧分割而獲得複數個分割圓弧DA1、DA2、…，則分割圓弧DA1、DA2、…與對應此之虛擬弦VC1、VC2、…非常近似。因此，自多邊形鏡30之偏向中心C至掃描線91上之任意照射位置為止之光路長度，於所有照射位置皆大致恆定。由於分割圓弧DA1、DA2、…與對應之虛擬弦VC1、VC2、…非常近似，因此，各分割圓弧DA1、DA2、…之焦點之運動，係與沿掃描線91之等速直線運動非常近似。
分割圓弧DA1、DA2、…之分割數增加越多，則虛擬弦VC1、VC2、…之中點與分割圓弧DA1、DA2、…之中點之間之距離越小，焦點軌跡越接近虛擬弦VC1、VC2、…。因此，可高度保持光路長度之恆定性。分割數可根據雷射掃描裝置13容許之誤差適宜確定。
藉由第二照射反射鏡42反射之雷射，通過第二柱面透鏡43之後被照射於工件100。如圖4所示，第二柱面透鏡43係以第二方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光。第二方向係指與雷射之掃描方向正交之方向。換言之，第二方向係與第一方向正交之方向。於本說明書中，以d2顯示入射於第二柱面透鏡43之雷射之第二方向之光束直徑。雷射之第二方向之光束直徑，隨著通過第二柱面透鏡43而逐漸變小，且於工件100表面或其近旁變得最小。藉此，可將雷射聚光後對工件100進行加工。
接著，參照圖4，對第一柱面透鏡21及第二柱面透鏡43進行之雷射聚光詳細進行說明。為了以易於理解之方式顯示雷射之聚光，圖4為顯示以雷射之光路成為一條直線之方式進行轉換之虛擬圖。
如圖4所示，第一柱面透鏡21係以圓筒之中心軸與第二方向一致之方式配置。並且，第一柱面透鏡21係以彎曲面朝向雷射之上游側、且平面朝向雷射之下游側之方式配置。自第一柱面透鏡21至工件100之光路長度係與第一柱面透鏡21之焦距f1相等。
如圖4所示，第二柱面透鏡43係以圓筒之中心軸與第一方向一致之方式配置。並且，第二柱面透鏡43係以彎曲面朝向雷射之上游側且平面朝向雷射之下游側之方式配置。自第二柱面透鏡43至工件100之光路長度係與第二柱面透鏡43之焦距f2相等。
隨著雷射通過第一柱面透鏡21及第二柱面透鏡43，第一方向及第二方向之光束直徑變小且被照射於工件100。以下，以D1顯示照射於工件100之雷射之第一方向之光束直徑，以D2顯示照射於工件100之雷射之第二方向之光束直徑。於本實施形態中，以D1=D2之方式(換言之，以照射於工件100之雷射之光束形狀成為圓形之方式)進行設計。
以下，對用以將照射於工件100之雷射之光束形狀設為圓形之條件進行說明。通常可知，於將入射光束直徑設為d、焦距設為f、雷射之波長設為λ、最小光束直徑設為D之情況下，D=4λf/πd成立。若將該數式應用於第一方向之聚光，則成為圖4所示之數式(1)。同樣地，若將該數式應用於第二方向之聚光，則成為圖4所示之數式(2)。然後，藉由代入用以將光束形狀設為圓形之條件、即D1=D2，且對數式(1)及數式(2)進行整理，可導出數式(3)。
顯示焦距之f1及f2，分別為藉由第一柱面透鏡21及第二柱面透鏡43之規格確定之固定值。藉此，計算使d2/d1=f2/f1實質成立之d1及d2且配置用以實現此之雷射擴束器19，以滿足數式(3)。其結果，D1=D2，照射於工件100之雷射之光束形狀成為圓形。再者，「實質成立」係指不僅包含數式之兩邊完全相同之值之情況，還包含數式之兩邊大致相同之值之情況(例如兩邊之差異為10%以下之情況)。
藉由光束形狀成為圓形，可將使用雷射進行圖案加工時之縱線與橫線之寬度形成為相同。此外，於雷射通過第一導光部20及第二導光部40之期間，雷射未充分聚光，因此自雷射進入第一導光部20及第二導光部40之各光學零件之入熱密度不會太高。其結果，可防止這些光學零件之損壞。
如以上說明，本實施形態之雷射掃描裝置13係具備第一導光部20、多邊形鏡30及第二導光部40，且執行以下之雷射掃描方法。第一導光部20係反射且導引雷射產生器12產生之雷射(第一導光步驟)。多邊形鏡30具有配置成多邊形之反射面，且一面旋轉一面以反射面反射藉由第一導光部20導引之雷射(多邊形鏡反射步驟)。第二導光部40係進一步反射藉由多邊形鏡30之反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件100之方式導引雷射 (第二導光步驟)。第一導光部20具備：第一柱面透鏡21，係用以進行以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光之處理。第二導光部40具備：第二柱面透鏡43，係用以進行以雷射之與第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對雷射進行聚光之處理。
藉此，由於雷射產生器12產生之雷射係於2個方向進行聚光，因此可將光束形狀為圓形或接近圓形之形狀之雷射照射於工件100。
於本實施形態之雷射掃描裝置13中，假定將第一柱面透鏡21之焦距設為f1，且將入射於第一柱面透鏡21之雷射之第一方向之直徑設為d1。假定將第二柱面透鏡43之焦距設為f2，且將入射於第二柱面透鏡43之雷射之第二方向之直徑設為d2。以d2/d1=f2/f1實質成立之方式照射雷射。
藉此，可將照射於工件100之雷射之光束形狀實質上形成為圓形。
以上，對本發明之較佳實施實施形態進行了說明，但前述構成例如可變更如下。
於前述實施形態中，使用柱面透鏡作為對雷射進行聚光之光學零件，但也可使用其他之光學零件(凹透鏡、凸透鏡)或組合這些光學零件等。
於前述實施形態中，旋轉軸方向上之多邊形鏡30之位置係固定而不能變化，但也可設置用以使旋轉軸方向之多邊形鏡30之位置變化之調節螺栓(位置調整件)等。
雷射掃描裝置13也可為使用反射鏡而非導入稜鏡22反射雷射之構成。
1:雷射加工裝置 11:搬送部 12:雷射產生器 13:雷射掃描裝置 19:雷射擴束器 20:第一導光部 21:第一柱面透鏡(第一聚光部) 22:導入稜鏡 23:第一導入反射鏡 24:第二導入反射鏡 30:多邊形鏡 40:第二導光部 41:第一照射反射鏡 42:第二照射反射鏡 43:第二柱面透鏡(第二聚光部) 91:掃描線 100:工件 C:偏向中心 D1:光束直徑 D2:光束直徑 DA1至DA8:分割圓弧 d1:直徑 d2:直徑 f1:焦距 f2:焦距 VC1至VC8:弦
圖1為本發明之一實施形態之雷射加工裝置之立體圖。 圖2為顯示至雷射產生器產生之雷射被照射於工件為止之光路之圖。 圖3為顯示多邊形鏡之偏向中心、第一照射反射鏡、第二照射反射鏡及掃描線之位置關係之示意圖。 圖4為顯示藉由第一柱面透鏡及第二柱面透鏡對雷射進行聚光而使光束形狀成為圓形之立體圖。
21:第一柱面透鏡(第一聚光部)
43:第二柱面透鏡(第二聚光部)
D1:光束直徑
D2:光束直徑
d1:直徑
d2:直徑
f1:焦距
f2:焦距

Claims (3)

  1. 一種雷射掃描裝置，係具備：第一導光部，係反射及導引雷射產生器產生之雷射；多邊形鏡，係具有配置成多邊形之反射面，且一面旋轉一面以前述反射面反射藉由前述第一導光部導引之雷射；及第二導光部，係進一步反射藉由前述多邊形鏡之前述反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件之方式導引雷射；前述第一導光部具備第一聚光部，前述第一聚光部係以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光；前述第二導光部具有第二聚光部，前述第二聚光部係以雷射之與前述第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光；當將前述第一聚光部之焦距設為f1，將入射於前述第一聚光部之雷射之前述第一方向之直徑設為d1且將前述第二聚光部之焦距設為f2，將入射於前述第二聚光部之雷射之前述第二方向之直徑設為d2時，以d2/d1=f2/f1實質成立之方式照射雷射。
  2. 如請求項1所記載之雷射掃描裝置，其中前述第一聚光部係第一柱面透鏡，且藉由前述第一柱面透鏡以雷射之前述第一方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光；前述第二聚光部係第二柱面透鏡，且藉由前述第二柱面透鏡以雷射之前述第二方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光。
  3. 一種雷射掃描方法，係包含以下之步驟： 第一導光步驟，係使用第一導光部反射及導引雷射產生器產生之雷射；多邊形鏡反射步驟，係使用具有配置成多邊形之反射面之多邊形鏡，一面使多邊形鏡旋轉一面以前述反射面反射藉由前述第一導光部導引之雷射；及第二導光步驟，係藉由第二導光部進一步反射以前述多邊形鏡之前述反射面反射之雷射，且以雷射照射於工件之方式導引雷射；前述第一導光步驟係包含使用第一聚光部以雷射之第一方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光之處理；前述第二導光步驟係包含使用第二聚光部以雷射之與前述第一方向正交之第二方向之光束直徑變小之方式對前述雷射進行聚光之處理；當將前述第一聚光部之焦距設為f1，將入射於前述第一聚光部之雷射之前述第一方向之直徑設為d1且將前述第二聚光部之焦距設為f2，將入射於前述第二聚光部之雷射之前述第二方向之直徑設為d2時，以d2/d1=f2/f1實質成立之方式照射雷射。
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