CN107914080B - 激光均匀加工装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光均匀加工装置及其方法，该装置包括一激光单元、一整型元件、一准直元件、一扩缩元件与一聚焦元件。该激光单元提供一加工用的激光光束。该整型元件将该激光光束整型成一环形光束。该准直元件依据光轴的方向修正该环形光束的方向，以使该环形光束成为一准直环形光束。该扩缩元件依据倍率调整该准直环形光束以产生一扩缩环形光束。该聚焦元件将该扩缩环形光束聚焦成一在该光轴的方向上具有均匀分布的光强度的聚焦光束。

Description

激光均匀加工装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工装置及方法，特别是涉及一种激光均匀加工装置及其方法。
背景技术
随着触控面板等产业的快速发展，如强化玻璃、蓝宝石基板等透明基板的切割技术日益重要。以强化玻璃为例，其表面或内部经强化处理后，会产生约数十至数百万帕斯卡的应力，使得传统的加工机在加工制作工艺上面临瓶颈，多有加工头磨损过快或加工缺陷过大等问题。因此，由于激光加工装置的激光光束具有能量密度高且集中、以及非接触加工等特性，故该激光光束广泛地应用于例如具有透明材质的工件的切割、钻孔等制作工艺上。
图1为现有技术中激光加工装置(图未示)所产生的聚焦光束1的光强度分布图，且图1的纵向坐标及横向坐标的单位皆可为任意单位(arbitrary unit,a.u)。
以旋转三棱镜(图未示)作为该激光加工装置的聚焦元件来说，该旋转三棱镜的中心椎角约为90度至179度，该旋转三棱镜的聚焦光束1在光轴的方向上的加工范围11的光强度分布是不均匀的，且该光强度分布的均匀度通常低于50％。因此，由于该聚焦光束1的光强度的不均匀且分布过窄，因而难以界定该聚焦光束1的加工范围11与非加工范围12，也导致该聚焦光束1在加工工件时，该工件的加工特征不一，且该激光加工装置的切割速度过慢。
详细而言，该聚焦光束1的光强度于在光轴的方向上约略为近高斯分布(Gaussian-like)，即该聚焦光束1的中心处(即加工范围11)最强，而该聚焦光束1的上端及下端(即非加工范围12)则依序缓慢衰减，这些分布不均匀的光强度(能量)会造成三项缺点。第一是不均匀的光强度会造成不均匀的切削能力，使得工件在裂片或剥除后，该工件的断面上会形成不均匀的加工特征，如不均匀的粗糙度，故需要更复杂的后处理制作工艺以解决该断面的不均匀特性。第二是该聚焦光束1的光强度于该光轴的方向上的衰减速度过慢，导致该聚焦光束1的加工范围11与非加工范围12的交界无法清楚定义，故在复合工件的半切制作工艺时，例如在切削该工件的上半部时，也会同时伤害到该工件的下半部的电路或玻璃，因而该聚焦光束1无法满足该半切制作工艺中需要保护下半部的工件的要求。第三同样是由于该聚焦光束1的光强度于该光轴的方向上的衰减速度过慢，导致该聚焦光束1的光强度需分布至该工件的厚度的1.5倍至2倍以上，再利用该聚焦光束1的中心最强的能量(即加工范围11)对该工件进行加工，但如此会牺牲部分的聚焦光束1的能量至非加工范围12，从而造成不必要的能量浪费，并增加该激光加工装置的建置成本。
发明内容
本发明提供一种激光均匀加工装置及其方法，其能产生一具有均匀分布的光强度的聚焦光束。
本发明的激光均匀加工装置包括：一激光单元，其提供一加工用的激光光束；一整型元件，其将该激光单元所提供的该激光光束整型成一环形光束；一准直元件，其依据光轴的方向修正该整型元件所整型的该环形光束的方向，以使该环形光束成为一准直环形光束；一扩缩元件，其依据倍率调整该准直元件所产生的该准直环形光束以产生一扩缩环形光束；以及一聚焦元件，其将该扩缩元件所产生的该扩缩环形光束聚焦成一在该光轴的方向上具有均匀分布的光强度的聚焦光束。
本发明的激光均匀加工方法包括：提供一加工用的激光光束；将该激光光束整型成一环形光束；依据光轴的方向修正该环形光束的方向，以使该环形光束成为一准直环形光束；依据倍率调整该准直环形光束以产生一扩缩环形光束；以及将该扩缩环形光束聚焦成一在该光轴的方向上具有均匀分布的光强度的聚焦光束。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明。在以下描述内容中将部分阐述本发明的额外特征及优点，且此等特征及优点将部分自所述描述内容显而易见，或可通过对本发明的实践习得。本发明的特征及优点借助于在权利要求书中特别指出的元件及组合来认识到并达到。应理解，前文一般描述与以下详细描述两者均仅为例示性及解释性的，且不欲约束本发明所主张的范围。
附图说明
图1为现有技术中激光加工装置所产生的聚焦光束的光强度分布图；
图2为本发明中激光均匀加工装置的方块示意图；
图3为本发明中激光均匀加工方法的步骤流程图；
图4A为本发明图2的激光均匀加工装置中，激光单元所提供的激光光束在线段A1的光强度分布图；
图4B为本发明图2的激光均匀加工装置中，整型元件所产生的环形光束在线段A2的光强度分布图；
图4B’为本发明图4B中放大右侧的环形光束的光强度分布图；
图4C为本发明图2的激光均匀加工装置中，准直元件所产生的准直环形光束在线段A3的光强度分布图；
图4D为本发明图2的激光均匀加工装置中，扩缩元件所产生的扩缩环形光束在线段A4的光强度分布图；
图4E为本发明图2的激光均匀加工装置中，聚焦元件所产生的聚焦光束的光强度分布图；以及
图4E’及图4E”为本发明图2的激光均匀加工装置中，以不同倍率的扩缩元件分别产生具有不同加工范围的聚焦光束的光强度分布图。
符号说明
1 聚焦光束
11 加工范围
12 非加工范围
2 激光均匀加工装置
21 激光单元
211 激光光束
22 整型元件
221 环形光束
23 准直元件
231 准直环形光束
24a、24b 扩缩元件
241 扩缩环形光束
25 聚焦元件
251 聚焦光束
A1、A2、A3、A4 线段
B、B'、B" 加工范围
C、C'、C" 非加工范围
L 光轴
N 可调整数值
R 径向坐标
ro 常数
W 环宽
W0 直径
S31至S35 步骤。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施形态说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效，也可通过其他不同的具体实施形态加以施行或应用。
图2为本发明中激光均匀加工装置2的方块示意图。图3为本发明中激光均匀加工方法的步骤流程图。图4A为本发明图2的激光均匀加工装置2中，激光单元21所提供的激光光束211在线段A1的光强度分布图。图4B为本发明图2的激光均匀加工装置2中，整型元件22所产生的环形光束221在线段A2的光强度分布图。图4B’为本发明图4B中放大右侧的环形光束221的光强度分布图。图4C为本发明图2的激光均匀加工装置2中，准直元件23所产生的准直环形光束231在线段A3的光强度分布图。图4D为本发明图2的激光均匀加工装置2中，扩缩元件24a,24b所产生的扩缩环形光束241在线段A4的光强度分布图。图4E为本发明图2的激光均匀加工装置2中，聚焦元件25所产生的聚焦光束251的光强度分布图。
在本发明中，图4A至图4E”的纵向坐标及横向坐标的单位皆可为任意单位(a.u)，也就是不限单位。
如图2所示，激光均匀加工装置2可包括：依序排列或对应的一激光单元21、一整型元件22、一准直元件23、一扩缩元件24a,24b、以及一聚焦元件25，但不以此为限。在其他实施例中，该激光均匀加工装置2也可包括在该激光单元21至该聚焦元件25之前、之后或任意相邻二者之间的其他元件(如光学元件)。
该激光单元21提供一如图4A所示加工用的激光光束211。该激光单元21可为激光产生器等，且该激光光束211可为高斯光束等，但不以此为限。
该整型元件22将该激光单元21所提供的该激光光束211整型成一如图4B(图4B’)所示的环形光束221或至少具有环状分布的光型。该整型元件22可为相位调制元件、振幅调制元件、绕射元件、非球面元件、球面元件、吸收式滤片或反射式滤片等。
该准直元件23依据光轴L的方向修正该整型元件22所整型的该环形光束221的方向，以使该环形光束221成为一如图4C所示的准直环形光束231(即经准直或修正后的环形光束)。例如，该准直元件23可将图4B(图4B’)的环形光束221的扩散角缩减至10度内以产生图4C的准直环形光束231。该准直元件23可为相位调制元件、绕射元件、非球面元件或球面元件等。
该扩缩元件24a,24b依据倍率调整该准直元件23所产生的该准直环形光束231，以产生一如图4D所示的扩缩环形光束241(即经扩缩或调整后的环形光束)。例如，该扩缩元件24a,24b能依据可调倍率或固定倍率将图4C的准直环形光束231放大或缩小成图4D的扩缩环形光束241，以使该扩缩环形光束241通过该聚焦元件25后成为一具有可调整加工范围B或加工景深的聚焦光束251(见图4E)。
该聚焦元件25将该扩缩元件24a,24b所产生的该扩缩环形光束241聚焦成一如图4E所示的聚焦光束251，且该聚焦光束251在该光轴L的方向上具有均匀分布的光强度。该聚焦元件25可为旋转三棱镜、绕射元件、球面镜或非球面镜等，该聚焦光束251可为贝塞尔(Bessel)光束等。
又，如图3与图4A至图4E”所示，请一并参阅上述图2，本发明的激光均匀加工方法的步骤如下：
在步骤S31中，由激光单元21提供一如图4A所示加工用的激光光束211。
在步骤S32中，由整型元件22将该激光单元21所提供的该激光光束211整型成一如图4B(图4B’)所示的环形光束221或至少具有环状分布的光型。
该整型元件22可依据下列运算式(1)所示该环形光束221的光强度I与径向坐标R的关系调整该环形光束221的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N·D(R,W,Wo)......(1)
其中，I为该环形光束211的光强度。R为该环形光束211的径向坐标。Io及ro均为常数。N为可调整数值且其数值为0.1至5的范围内其中一者，如0.1、1、2或5。W及Wo分别为该环形光束211的环宽及直径。(R-ro)-N为用以决定该环形光束211的光强度I相对于常数ro衰减的速度，故(R-ro)-N可视为该环形光束211的包络线函数，即该环形光束211的内缘至外缘的光强度包络线的衰减函数。
此外，D(R,W,Wo)为该环形光束211的光环宽度函数，主要用以决定该环形光束211的环宽W及直径Wo等参数。以一个具有环宽为W且直径为Wo的环形光束211为例，光环宽度函数D(R,W,Wo)的数值如下：
Figure BDA0001149475190000061
当该整型元件22将该环形光束211整型为环形光束211时，该环形光束211的相位受到影响，使得该环形光束211的像差增加，且该环形光束211的扩散角也变得较大，故当该环形光束211传播一段距离后，该环形光束211的光型会受到不可控的变化而产生不规则的光强度分布，因而将影响后续所产生例如为贝塞尔光束的聚焦光束251的均匀度。
在步骤S33中，为了解决该环形光束211的像差增加及扩散角变大的问题，可由准直元件23将该环形光束221的像差减小，并依据光轴L的方向修正该整型元件22所整型的该环形光束221的方向，例如将该环形光束221的扩散角缩减至10度内，以使该环形光束221成为一如图4C所示的准直环形光束231(即经准直或修正后的环形光束)，以免该环形光束211的传播模态受到改变，进而避免影响后续所产生的聚焦光束251(见图4E)的均匀度。同时，该环形光束221的扩散角较小，意味着可以使用体积较小的光学元件，将有助于该激光均匀加工装置2的进置成本。
在步骤S34中，由扩缩元件24a,24b依据倍率调整该准直元件23所产生的该准直环形光束231以产生一如图4D所示的扩缩环形光束241(即经扩缩或调整后的环形光束)。例如，该扩缩元件24a,24b能依据可调倍率或固定倍率将该准直环形光束231放大或缩小成一扩缩环形光束241，也就是一定比例放大或缩小的扩缩环形光束241，且该扩缩环形光束241的环宽W及直径Wo均受到该扩缩元件24a,24b的放大比例而调变。由此，使该扩缩环形光束241通过该聚焦元件25后成为具有可调整加工工件的加工范围或加工景深的聚焦光束251。该扩缩元件24a,24b的可调倍率或固定倍率可为0.1倍至10倍的范围内其中一者，例如0.1、0.5、1、2或10倍。
在步骤S35中，由聚焦元件25将该扩缩元件24a,24b所产生的该扩缩环形光束241聚焦成一如图4E所示的聚焦光束251，且该聚焦光束251在该光轴L的方向上具有均匀分布的光强度。
具体而言，当上述图4B(图4B’)中环形光束211的包络线函数(R-ro)-N的可调整数值N为0.1至5的范围内其中一者时，图4E中聚焦光束251在该光轴L的方向上可具有均匀分布或平顶分布(见加工范围B)的光强度，且该聚焦光束251的光强度的均匀度大于70％，从而不同于现有技术图1中聚焦光束1的光强度为不均匀分布，且该聚焦光束1的光强度的均匀度小于50％。
图4E’及图4E”为本发明图2的激光均匀加工装置2中，以不同倍率的扩缩元件24a,24b分别产生具有不同加工范围的聚焦光束251的光强度分布图。
如图所示，当图2的扩缩元件24a,24b的倍率改变时，该扩束环形光束241的环宽W及直径Wo的大小都将受到改变。该扩束环形光束241的环宽W的改变将影响该聚焦光束251的工作间距(即工作距离)，而该扩束环形光束241的直径Wo的改变将改变该聚焦光束251的加工范围B或加工景深。所以，当该扩缩元件24a,24b的倍率进行放大或缩小时，该扩束环形光束241的环宽W受到一定倍率的变化，因而有效地将该聚焦光束251调变成如图4E’所示的加工范围B'(放大比例约为1)、或如图4E”所示的加工范围B"(放大比例约为2)，并调变图4E’及图4E”所示的非加工范围C'及C"。
因此，如图4E、图4E’或图4E”所示，本发明通过在该光轴L的方向上形成具有均匀分布或平顶分布(见加工范围B,B'或B")的光强度的聚焦光束251，使得该聚焦光束251在加工工件时，能在该工件的厚度上产生均匀一致的强度分布，从而形成更佳的加工品质。同时，在该光轴L的方向上，本发明的聚焦光束251末端(如非加工范围C)的能量的衰减速度较现有技术图1的聚焦光束1的末端(如非加工范围12)的能量的衰减速度更为快速，从而更清楚地界定出如图2(图4E至图4E”)所示的加工范围B(B'或B")以及非加工范围C(C'或C")，由此解决现有技术的激光均匀加工装置不适用于半切制作工艺的问题。
此外，如图4D及图4E所示，当该扩束环形光束241的边缘的强度快速衰减至零时，将会对该聚焦光束251的光强度的均匀分布(平顶分布)带来微幅的振荡情形，为了解决该振荡情形，可使该扩束环形光束241以柔和方式快速衰减至零(见图4E’或图4E”)。所以，该整型元件22可改依据下列修正后的运算式(2)所示该环形光束211的光强度I与径向坐标R的关系调整该扩缩环形光束241的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N.D(R,W,Wo)+S(R,W,Wo)......(2)
其中，S(R)为平滑函数，可用以平滑地调整该环形光束211的边缘的衰减速度。
因此，通过适当地调整该平滑函数S(R)，将可提升该聚焦光束251的光强度在该光轴L的方向上的均匀度，通常可该聚焦光束251的光强度的均匀度从70％提升至90％以上。基本上而言，该平滑函数S(R)仅用以决定该环形光束221的边缘处的衰减速度，且较不影响包络线强度。
由上可知，在本发明的激光均匀加工装置及其方法中，其可调整(放大或缩小)聚焦光束在光轴的方向上的加工范围，并提高该聚焦光束的光强度分布的均匀度，由此达到工件的加工结果的均匀性，也能提升对该工件的加工速度，且适用于复合工件的半切制作工艺，更可减少不必要的能量浪费，还能降低该激光加工装置的建置成本。
上述实施形态仅例示性说明本发明的原理、特点及其功效，并非用以限制本发明的可实施范畴，任何熟习此项技术的人士均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施形态进行修饰与改变。任何运用本发明所揭示内容而完成的等效改变及修饰，均仍应为权利要求范围所涵盖。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (21)

1.一种激光均匀加工装置，其特征为，该激光均匀加工装置包括：
激光单元，其提供一加工用的激光光束；
整型元件，其将该激光单元所提供的该激光光束整型成一环形光束；
准直元件，其依据光轴的方向修正该整型元件所整型的该环形光束的方向，以使该环形光束成为一准直环形光束；
扩缩元件，其依据倍率调整该准直元件所产生的该准直环形光束以产生一扩缩环形光束；以及
聚焦元件，其将该扩缩元件所产生的该扩缩环形光束聚焦成在该光轴的方向上具有均匀分布的光强度的单一聚焦光束；
其中，该激光均匀加工装置将该激光光束依序调整成该环形光束、准直环形光束、扩缩环形光束及具有均匀分布的光强度的单一聚焦光束，该整型元件位于该激光单元与该准直元件之间，且该扩缩元件位于该准直元件与该聚焦元件之间。
2.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该激光光束为高斯光束，该聚焦光束为贝塞尔(Bessel)光束。
3.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该整型元件为相位调制元件、振幅调制元件、绕射元件、非球面元件、球面元件、吸收式滤片或反射式滤片。
4.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该整型元件依据下列运算式所示该环形光束的光强度与径向坐标的关系调整该环形光束的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N·D(R,W,Wo)
其中，I为该环形光束的光强度，R为该环形光束的径向坐标，Io及ro均为常数，N为可调整数值，W及Wo分别为该环形光束的环宽及直径，(R-ro)-N为该环形光束的包络线函数，D(R,W,Wo)为该环形光束的光环宽度函数。
5.如权利要求4所述的激光均匀加工装置，其特征为，该整型元件依据下列修正后的该运算式所示该环形光束的光强度与径向坐标的关系调整该环形光束的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N·D(R,W,Wo)+S(R,W,Wo)
其中，S(R)为平滑函数，用以平滑地调整该聚焦光束的边缘的衰减速度。
6.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该准直元件为相位调制元件、绕射元件、非球面元件或球面元件。
7.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该准直元件将该整型元件所整型的该环形光束的扩散角缩减至10度内以产生该准直环形光束。
8.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该扩缩元件依据可调倍率或固定倍率将该准直环形光束放大或缩小成该扩缩环形光束，以使该扩缩环形光束通过该聚焦元件后成为具有可调整加工范围或加工景深的该聚焦光束。
9.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该聚焦元件为旋转三棱镜。
10.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该聚焦元件为绕射元件、球面镜或非球面镜。
11.如权利要求1所述的激光均匀加工装置，其特征为，该聚焦光束的光强度为均匀分布或平顶分布，且该聚焦光束的光强度的均匀度大于70％。
12.一种激光均匀加工方法，其特征为，该方法包括：
提供一加工用的激光光束；
将该激光光束整型成一环形光束；
依据光轴的方向修正该环形光束的方向，以使该环形光束成为一准直环形光束；
依据倍率调整该准直环形光束以产生一扩缩环形光束；以及
将该扩缩环形光束聚焦成在该光轴的方向上具有均匀分布的光强度的单一聚焦光束；
其中，该激光均匀加工方法将该激光光束依序调整成该环形光束、准直环形光束、扩缩环形光束及具有均匀分布的光强度的单一聚焦光束。
13.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，该激光光束为高斯光束，该聚焦光束为贝塞尔光束。
14.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，依据下列运算式所示该环形光束的光强度与径向坐标的关系调整该环形光束的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N·D(R,W,Wo)
其中，I为该环形光束的光强度，R为该环形光束的径向坐标，Io及ro均为常数，N为可调整数值，W及Wo分别为该环形光束的环宽及直径，(R-ro)-N为该环形光束的包络线函数，D(R,W,Wo)为该环形光束的光环宽度函数。
15.如权利要求14所述的激光均匀加工方法，其特征为，依据下列修正后的该运算式所示该环形光束的光强度与径向坐标的关系调整该环形光束的光强度分布：
I(R)＝Io·(R-ro)-N·D(R,W,Wo)+S(R,W,Wo)
其中，S(R)为平滑函数，用以平滑地调整该聚焦光束的边缘的衰减速度。
16.如权利要求14所述的激光均匀加工方法，其特征为，该可调整数值N为数值0.1至5的范围内其中一者。
17.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，该环形光束的扩散角被缩减至10度内以产生该准直环形光束。
18.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，该环形光束的像差被减小以产生该准直环形光束。
19.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，依据可调倍率或固定倍率将该准直环形光束放大或缩小成该扩缩环形光束，以使该扩缩环形光束之后成为具有可调整加工范围或加工景深的该聚焦光束。
20.如权利要求19所述的激光均匀加工方法，其特征为，该可调倍率或固定倍率为0.1倍至10倍的范围内其中一者。
21.如权利要求12所述的激光均匀加工方法，其特征为，该聚焦光束的光强度为均匀分布或平顶分布，且该聚焦光束的光强度的均匀度大于70％。
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