TWM645015U - 雷射加工裝置 - Google Patents

Abstract

一種雷射加工裝置，適於對一待加工件加工。雷射加工裝置包含雷射模組、光學組件及聚焦鏡組件。雷射模組配置為輸出單模雷射光束於光束路徑。光學組件設置於光束路徑上，配置為對單模雷射光束分歧形成區域雷射光。聚焦鏡組件鄰近設置於光學組件，配置為聚焦區域雷射光於蝕刻位置。

Description

雷射加工裝置

一種雷射加工裝置，應用於雷射加工領域之中，尤指一種可產生區域雷射光進行雷射蝕刻的雷射加工裝置。

光纖雷射器具有高電光轉換效率、高穩定性、高光束質量和低使用成本等優點，是雷射加工領域常見的加工器材。光纖雷射器分為單模雷射器及多模雷射器，其中多模雷射器主要具有多個泵浦源，則單模雷射器具有單個泵浦源。目前市面上的多模雷射器為高功率產品，單模雷射器則為中小功率產品，因此，多模雷射器以其高功率特性適合用於切割材料，單模雷射器則以其高功率密度之特性適合用於細小的刻劃作業。在金屬蝕刻作業中，由於多模雷射器可以提供充足的功率及脈衝能量，在金屬表面蝕刻出所需的圖案。因此金屬蝕刻設備均採用多模雷射器。然而，單模雷射器具有高功率密度之特性，若能應用在金屬蝕刻作業中，應可提升蝕刻的品質。

有鑑於此，在一些實施例中提供的雷射加工裝置，適於對一待加工件加工。雷射加工裝置包含雷射模組、光學組件及聚焦鏡組件。雷射模組配置為輸出單模雷射光束於光束路徑。光學組件設置於光束路徑上，配置為對單模雷射光束分歧形成區域雷射光。聚焦鏡組件鄰近設置於光學組件，配置為聚焦區域雷射光於蝕刻位置。

在一些實施例中，光學組件具有繞射光學元件。繞射光學元件配置為對單模雷射光束分歧，以形成區域雷射光，區域雷射光在預設範圍內分布。

在一些實施例中，光學組件包含擴束元件。擴束元件設置於雷射模組與繞射光學元件之間。擴束元件配置為對單模雷射光束擴束與準直。

在一些實施例中，雷射加工裝置更包含光罩。光罩設置於聚焦鏡組件與蝕刻位置之間。

在一些實施例中，光罩包含蝕刻區域及遮蔽區域，蝕刻區域與遮蔽區域定義出蝕刻圖案。

在一些實施例中，區域雷射光為矩形雷射光形。

在一些實施例中，單模雷射光束的中心點與矩形雷射光形的另一中心點共軸。

在一些實施例中，區域雷射為線形雷射光形。

在一些實施例中，單模雷射光束的中心點與線形雷射光形的另一中心點共軸。

在一些實施例中，雷射加工裝置更包含承載平台。承載平台供承載待加工件。

在一些實施例中，雷射加工裝置更包含運動平台。運動平台連接承載平台，以在二維平面上移動承載平台。

在一些實施例中，運動平台更包含控制模組及傳動模組。控制模組配置為依據驅動訊號產生控制訊號。傳動模組連接承載平台並耦接控制模組，傳動模組配置為依據控制訊號產生移動運動，以帶動承載平台移動於二維平面上。

在一些實施例中，單模雷射光束具有第一能量強度，區域雷射光具有第二能量強度，第二能量強度大於第一能量強度。

在一些實施例中，待加工件經加工後於加工範圍形成光學尺。

在一些實施例中，待加工件為運動平台滑軌。

綜上所述，依據一些實施例的雷射加工裝置，包含雷射模組、光學組件及聚焦鏡組件。雷射模組被致動時，可產生單模雷射光束於光束路徑。單模雷射光束射入光學組件後，光學組件可對單模雷射光束進行擴束、準直及繞射等處理，使單模雷射光束形成區域雷射光。聚焦鏡組件可調整區域雷射光之焦距，使區域雷射光的焦距座落在蝕刻位置。藉此，使得區域雷射光可穩定且均勻地照射在待加工件，以在待加工件蝕刻出光學尺之刻度。

以下提出各種實施例進行詳細說明，然而，實施例僅用以作為範例說明，並不會限縮本新型欲保護之範圍。此外，實施例中的圖式省略部份元件，以清楚顯示本新型的技術特點。在所有圖式中相同的標號將用於表示相同或相似的元件。

請參閱圖1，圖1為根據本新型在一些實施例中，雷射加工裝置的組成方塊示意圖。如圖1所示，雷射加工裝置10包含一雷射模組102、一光學組件104及一聚焦鏡組件106。雷射模組102配置為輸出一單模雷射光束L1於一光束路徑P1。光學組件104設置於光束路徑P1上，配置為對單模雷射光束L1分歧形成一區域雷射光L2。聚焦鏡組件106鄰近設置於光學組件104，配置為聚焦區域雷射光L2於一蝕刻位置P2。

雷射加工裝置10適於對一待加工件20進行雷射蝕刻之加工。前述的待加工件20可例如為運動平台滑軌。具體而言，雷射加工裝置10可直接對運動平台滑軌(待加工件20)之表面進行雷射蝕刻，使得運動平台滑軌的一加工範圍形成一光學尺。其中，雷射加工裝置10可在加工範圍內蝕刻出多條等距離的蝕刻槽，使成型的光學尺具有精準的至少一刻度(容後於圖4詳述)。

雷射模組102可例如為單模雷射器，以發射出單模雷射光束L1。其中，雷射模組102輸出平均功率可以為1瓦特至100瓦特。單模雷射光束L1之波長可選自193nm至1100nm。在一些實施例中，雷射模組102連接及固定一殼體101，使雷射模組102可將單模雷射光束L1穩定地沿著光束路徑P1對待加工件20輸出。

雷射模組102輸出之單模雷射光束L1直接或間接輸入於光學組件104後，單模雷射光束L1會在通過光學組件104時產生繞射現象，使單模雷射光束L1產生分歧以形成一區域雷射光L2。在一些實施例中，光學組件104連接及固定於殼體101，使雷射模組102與光學組件104固定於殼體101之位置，確保單模雷射光束L1與區域雷射光L2共軸(容後說明)。

在一些實施例中，光學組件104具有一繞射光學元件108，配置為對單模雷射光束L1分歧，以形成區域雷射光L2，區域雷射光L2在一預設範圍內分布。其中，繞射光學元件108可例如為光柵、透鏡或光圈其中一種或前述二種光學元件之組合。當單模雷射光束L1進入光學組件104，並從繞射光學元件108輸出後，繞射光學元件108可對單模雷射光束L1分歧出多條雷射光分束，並均勻地分布在預設範圍內，在此預設範圍內的雷射光分束即形成為區域雷射光L2。需說明的是，預設範圍可以是指區域雷射光L2在蝕刻位置P2上的尺寸(照射範圍)。且預設範圍係受到繞射光學元件108(例如光柵)之影響其範圍大小，可以透過更換或調整繞射光學元件108，以在預設範圍內調整每一區域雷射光L2的分布位置，使預設範圍內的區域雷射光L2可以均勻地分布在預設範圍內。

聚焦鏡組件106可包含至少一透鏡。當區域雷射光L2射入聚焦鏡組件106後，聚焦鏡組件106可調整區域雷射光L2中每一雷射光分束之一焦距，使每一雷射光分束的焦距座落在蝕刻位置P2。藉此，在蝕刻位置P2上每一雷射光分束的能量都可以達到一致。在一些實施例中，聚焦鏡組件106連接及固定於殼體101，使聚焦鏡組件106被固定於雷射模組102與蝕刻位置P2之間。

在一些實施例中，單模雷射光束L1具有一第一能量強度，區域雷射光L2具有一第二能量強度，第二能量強度大於第一能量強度。其中，第二能量強度為第一能量強度的5倍。例如，以40公釐*0.1公釐之雷射光為例，第一能量強度為100瓦特，第二能量強度為500瓦特。

再如圖1所示，在一些實施例中，光學組件104更包含一擴束元件110。擴束元件110設置於雷射模組102與繞射光學元件108之間。且擴束元件110配置為對單模雷射光束L1擴束與準直。擴束元件110可例如為光束擴展器(Beam expander, BEX)。在一些實施例中，擴束元件110可包含一準直透鏡和擴束透鏡(或減速透鏡)。其中，擴束透鏡鄰近於雷射模組102，準直透鏡位於準直透鏡與繞射光學元件108之間。當雷射模組102將單模雷射光束L1射入擴束元件110後，擴束透鏡可對單模雷射光束L1擴束或減束，使擴束(或減束)後的單模雷射光束L1之尺寸可與區域雷射光L2在蝕刻位置P2上的尺寸相匹配。準直透鏡可對擴束後的單模雷射光束L1再射入準直透鏡進行準直，使擴束後的單模雷射光束L1聚焦成一垂直光(圖1中單模雷射光束L1係朝向Y軸方向發射，因此單模雷射光束L1被定義為垂直光。若圖1中單模雷射光束L1朝X軸方向發射，則定義為一平面光)。

請一併參閱圖1、圖2及圖3。圖2為根據本新型在一些實施例中，矩形雷射光形之示意圖。圖3為根據本新型在一些實施例中，線形雷射光形之示意圖。如圖1至圖3所示，在一些實施例中，雷射加工裝置10更包含一光罩112。光罩112設置於聚焦鏡組件106與蝕刻位置P2之間。其中，光罩112包含一蝕刻區域及一遮蔽區域。當區域雷射光L2照射於光罩112後，其中一部分區域雷射光L2可穿透過蝕刻區域至蝕刻位置P2。另一部分之區域雷射光L2則會被遮蔽區域遮蔽。如圖1及圖2所示，在一些實施例中，區域雷射光L2為一矩形雷射光形S1。具體而言，依據圖2中矩形雷射光形S1，區域雷射光L2的能量平均分布在矩形雷射光形S1的四邊。因此，當矩形雷射光形S1照射在待加工件20時，可在待加工件20之表面蝕刻出至少一矩形凹槽。如圖1及圖3所示，在一些實施例中，區域雷射光L2為一線形雷射光形S2。具體而言，依據圖3中線形雷射光形S2，線形雷射光形S2的能量平均分布在線形雷射光形S2之整體。因此，當矩形雷射光形S1照射在待加工件20時，可在待加工件20之表面蝕刻出至少一條形凹槽。藉此，待加工件20被矩形雷射光形S1或線形雷射光形S2照射後，可於待加工件20之表面蝕刻出光學尺之至少一刻度。在一些實施例中，蝕刻區域與遮蔽區域定義出一蝕刻圖案(本圖未繪示)。具體而言，需要對待加工件20蝕刻出指定的蝕刻圖案時，雷射加工裝置10可配合具有對應蝕刻圖案的光罩112使用，使矩形雷射光形S1或線形雷射光形S2穿透過光罩112時，可以將其光形修飾為指定的蝕刻圖案。其中，蝕刻圖案可透過蝕刻區域與遮蔽區域排列在光罩112之區域形成指定圖案，矩形雷射光形S1或線形雷射光形S2可穿透過蝕刻區域至蝕刻位置P2，使得矩形雷射光形S1或線形雷射光形S2可在待加工件20之表面蝕刻出蝕刻圖案。

再如圖1至圖3，在一些實施例中，光束路徑P1之一中心點與蝕刻位置P2之一中心點位於同一軸線(圖中未繪示)。可以是指單模雷射光束L1的一中心點C1與矩形雷射光形S1的一中心點C2共軸。也可以是指單模雷射光束L1的中心點C1與線形雷射光形S2的一中心點C3共軸。具體而言，光束路徑P1位於一鉛錘線上，中心點C1分別與中心點C2或中心點C3通過光束路徑P1，若待加工件20移動時，線形雷射光形S2和線形雷射光形S2之每一射光分束(即區域雷射光L2)都可以產生相同的位移。藉此，可確保蝕刻出的光學尺每一刻度都有相同的精度。

請參閱圖4，圖4為根據本新型在另一些實施例中，雷射加工裝置的組成方塊示意圖。如圖4所示，在一些實施例中，雷射加工裝置10更包含一承載平台114。承載平台114供承載待加工件20。具體而言，承載平台114具有一承載面115，承載面115與線形雷射光形S2或線形雷射光形S2平行。當待加工件20置於承載面115時，線形雷射光形S2或線形雷射光形S2都可對待加工件20平均地時刻出一致深度的刻度。換言之，矩形凹槽或條型凹槽上每個位置上的蝕刻深度都相同。藉此，以提高光學尺之精度。

再如圖1及圖4所示，在一些實施例中，雷射加工裝置10更包含一運動平台116，運動平台116連接承載平台114，以在一二維平面上移動承載平台114。具體而言，運動平台116被致動時，運動平台116可帶動承載平台114移動。其中，承載平台114係移動於二維平面上，且二維平面與蝕刻位置P2平行。使得承載平台114移動待加工件20時，線形雷射光形S2或線形雷射光形S2都可對待加工件20平均地時刻出一致深度的刻度。藉此，以提高光學尺之精度。

請參閱圖1及圖5，圖5為本新型在一些實施例中，雷射加工裝置的電路方塊示意圖。在一些實施例中，運動平台116包含一控制模組118及至少一傳動模組120。控制模組118配置為依據一驅動訊號產生一控制訊號。傳動模組120連接承載平台114並耦接控制模組118，傳動模組120配置為依據控制訊號產生一移動運動，以帶動承載平台114移動於二維平面。其中，雷射模組102可依據驅動訊號發射單模雷射光束L1，使得單模雷射光束L1與移動運動可以同時進行。也可以是雷射模組102先發射單模雷射光束L1後，傳動模組120再進行移動運動。在一些實施例中，雷射模組102發射單模雷射光束L1後，經過一延遲時間傳動模組120再進行移動運動。其中，延遲時間小於100毫秒，雷射模組102與傳動模組120幾乎是同時作動。

綜上所述，本新型在一些實施例中提供的一種雷射加工裝置10，其包含雷射模組102、光學組件104及聚焦鏡組件106。雷射模組102被致動時，可產生單模雷射光束L1於光束路徑P1。單模雷射光束L1射入光學組件104後，光學組件104可對單模雷射光束L1進行擴束、準直及繞射等處理，使單模雷射光束L1形成區域雷射光L2。聚焦鏡組件106可調整區域雷射光L2之焦距，使區域雷射光L2的焦距座落在蝕刻位置P2。藉此，使得區域雷射光L2可穩定且均勻地照射在待加工件20，以在待加工件20蝕刻出光學尺之刻度。

以上所述的實施例僅為說明本案的技術思想及特點，其目的在使熟悉此項技術者能夠瞭解本案的內容並據以實施，當不能以之限定本案的專利範圍，即大凡依本案所揭示的精神所作的均等變化或修飾，仍應涵蓋在本案的申請專利範圍內。

10:雷射加工裝置 101:殼體 102:雷射模組 104:光學組件 106:聚焦鏡組件 108:繞射光學元件 110:擴束元件 112:光罩 114:承載平台 115:承載面 116:運動平台 118:控制模組 120:傳動模組 20:待加工件 L1:單模雷射光束 L2:區域雷射光 S1:矩形雷射光形 S2:線形雷射光形 C1,C2,C3:中心點 P1:光束路徑 P2:蝕刻位置

圖1為根據本新型在第一實施例中，雷射加工裝置的方塊組成示意圖。 圖2為根據本新型在一些實施例中，矩形雷射光形之示意圖。 圖3為根據本新型在一些實施例中，線形雷射光形之示意圖。 圖4為根據本新型在另一些實施例中，雷射加工裝置的組成方塊示意圖。 圖5為本新型在一些實施例中，雷射加工裝置的電路方塊示意圖。

10:雷射加工裝置

101:殼體

102:雷射模組

104:光學組件

106:聚焦鏡組件

108:繞射光學元件

110:擴束元件

112:光罩

20:待加工件

L1:單模雷射光束

L2:區域雷射光

C1:中心點

P1:光束路徑

P2:蝕刻位置

Claims (15)

1. 一種雷射加工裝置，適於對一待加工件加工，該雷射加工裝置包含： 一雷射模組，配置為輸出一單模雷射光束於一光束路徑； 一光學組件，設置於該光束路徑上，配置為對該單模雷射光束分歧形成一區域雷射光；以及 一聚焦鏡組件，鄰近設置於該光學組件，配置為聚焦該區域雷射光於一蝕刻位置。
2. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中，該光學組件具有一繞射光學元件，配置為對該單模雷射光束分歧，以形成該區域雷射光，該區域雷射光在一預設範圍內分布。
3. 如請求項2所述之雷射加工裝置，其中，該光學組件包含：一擴束元件，設置於該雷射模組與該繞射光學元件之間，配置為對該單模雷射光束擴束與準直。
4. 如請求項1所述之雷射加工裝置，更包含：一光罩，設置於該聚焦鏡組件與該蝕刻位置之間。
5. 如請求項4所述之雷射加工裝置，其中，該光罩包含一蝕刻區域及一遮蔽區域，該蝕刻區域與該遮蔽區域定義出一蝕刻圖案。
6. 如請求項4所述之雷射加工裝置，其中，該區域雷射光為一矩形雷射光形。
7. 如請求項6所述之雷射加工裝置，其中，該單模雷射光束的一中心點與該矩形雷射光形的另一中心點共軸。
8. 如請求項4所述之雷射加工裝置，其中，該區域雷射光為一線形雷射光形。
9. 如請求項8所述之雷射加工裝置，其中，該單模雷射光束的一中心點與該線形雷射光形的另一中心點共軸。
10. 如請求項1所述之雷射加工裝置，更包含：一承載平台，供承載該待加工件。
11. 如請求項10所述之雷射加工裝置，更包含：一運動平台，該運動平台連接該承載平台，以在一二維平面上移動該承載平台。
12. 如請求項11所述之雷射加工裝置，其中，該運動平台更包含： 一控制模組，配置為依據一驅動訊號產生一控制訊號；以及 一傳動模組，連接該承載平台並耦接該控制模組，該傳動模組配置為依據該控制訊號產生一移動運動，以帶動該承載平台移動於該二維平面上。
13. 如請求項1至12中任一項所述之雷射加工裝置，其中，該單模雷射光束具有一第一能量強度，該區域雷射光具有一第二能量強度，該第二能量強度大於該第一能量強度。
14. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中，該待加工件經加工後於一加工範圍形成一光學尺。
15. 如請求項1所述之雷射加工裝置，其中，該待加工件為一運動平台滑軌。