TWI459066B - 改善景深之光學裝置與系統 - Google Patents

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Description

改善景深之光學裝置與系統
本發明係為一種光學裝置與系統，尤其是指一種改善景深之光學裝置與系統。
雷射加工的景深(Depth of Focus,DOF)及光斑尺寸(Spot Size)主要與光學鏡組的焦長、雷射波長、入光尺寸等有關。若欲進行較小光斑尺寸的加工時，其加工景深通常較小，極容易因為移動平台或試片平整度等問題，在加工時超出景深，使得加工品質下降。以紫外線雷射搭配物鏡模組為例，其光斑尺寸約為5um，加工景深約為15~20um。
而在習用技術中，例如美國專利US.Pat.No.6,706,998揭露一種雷射製程使用的裝置，其係使用快速轉向的反射鏡，使雷射光於加工材料平面上進行快速的圖案加工。該技術可依據反射鏡的偏擺，擴大雷射加工的區域，亦即增加雷射光斑的大小，以提昇加工面積。此外，在美國專利US.Pat.No.7,498,238揭露一種雷射製程使用的裝置，其係使用垂直z軸精密平台移動，增加光學加工景深，輔助晶圓(wafer)切割。另外，又如美國公開號US.Pub.No.2007/35989則揭露一種雷射光束的傳遞系統與形成方法以用來調整水平與垂直方向凸透鏡的距離，改變聚焦光斑的長度與寬度。而B.TAN and K.VENKATAKRISHNAN等人在Nov.2005發表雙聚焦雷射微加工法(B.TAN and K.VENKATAKRISHNAN, Dual-focus laser micro-machining,November 2005,Journal of Modern Optics)，其係將雷射光藉由分光鏡(Plate beam splitter)與平凸反射鏡(convex mirror)，使得穿過聚焦鏡(focusing lens)的入射光束大小(input beam size)的不同，在光軸上產生兩個不同的焦點，輔助雷射加工。
本發明提供一種改善景深之光學裝置與系統，其係藉由驅動致動器而使其產生振動能量，該振動能量傳遞至與該致動器耦接的光學鏡組，使得該光學鏡組在其光軸上產生振動而改變聚焦之位置，藉此增加光學加工景深，以避免因雷射加工景深較小，導致加工時失焦的情形，進而提昇雷射的加工品質與效率。
本發明提供一種改善景深之光學裝置與系統，其係藉由驅動致動器而使其產生振動能量，該振動能量傳遞至與該致動器耦接的光學鏡組。其中該光學鏡組具有擴光與聚光透鏡單元的設計，使得光學鏡組在接收到振動能量產生振動的時候，具有振幅放大的效果，進而倍數的提升光學加工景深，以提昇雷射的加工品質與效率。
在一實施例中，本發明提供一種改善景深之光學裝置，其係包括有：一光學鏡組；以及一致動器，其係與該光學鏡組相耦接，該致動器係接收一驅動訊號而以一振動頻率控制該光學鏡組於該光學鏡組之光軸上產生振動。
在另一實施例中，本發明提供一種改善景深之光學系統，其係包括有：一光源，其係提供一加工光束；一光學鏡 組，其係使該加工光束聚焦；以及一致動器，其係與該光學鏡組相耦接，該致動器係接收一驅動訊號而以一振動頻率控制該光學鏡組以一振動頻率於該光學鏡組之光軸上產生振動，以改變該加工光束之聚焦位置，用以增加光學加工景深。
在另一實施例中，該光學鏡組更包括有：一擴光透鏡單元，其係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該光軸上產生振動；以及一聚光透鏡單元，其係與該擴光透鏡單元相聚一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦。另外，在另一實施例中，該光學鏡組更包括有：一擴光透鏡單元；以及一聚光透鏡單元，其係與該擴光透鏡單元相聚一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦，該聚光透鏡單元係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該光軸上產生振動。
為使 貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得 審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請參閱圖一所示，該圖係為本發明之改善景深之光學裝置實施例示意圖。在本實施例中，該光學裝置2係包括有一光學鏡組20以及一致動器21。在本實施例中，該致動器21係與該光學鏡組20相耦接。該致動器21係可以為利用壓電元件所構成的振動器，但不以此為限制。此外， 該光學裝置2更具有一挾持具22以提供固定該致動器21。該致動器21係接收一驅動訊號而以一振動頻率控制該光學鏡組20於該光學鏡組20之光軸23上產生振動，而改變通過光學鏡組20之光束的聚焦位置。要說明的是，該驅動訊號係為電壓訊號，其形式可以為方波或者是弦波等。該振動頻率的範圍為1Hz至100MHz之間。
請參閱圖一與圖二所示，其中圖二係為本發明之挾持位置與致動器振幅大小示意圖。當致動器21受到一驅動訊號驅動而以該振動頻率產生振動時，其振幅的大小會隨著致動器21的位置不同而有所差別，因此在一實施例中，為了讓致動器21在挾持的狀態下可以將最大的振動能量傳遞給光學鏡組20，使得光學鏡組20可以產生比較大的振動位移，因此可以事先進行測試，找出挾持具22在不同的位置挾持致動器21時的振幅關係，然後將光學鏡組20連接至致動器21上具有最大振幅的位置，以確保光學鏡組20可以產生比較大的振動位移。在圖一及圖二中，曲線90代表挾持具22挾持在致動器上之端部位置91時的振幅曲線，根據圖二所示的實施例，可以將光學鏡組20固定在致動器之端部位置91，使得光學鏡組20產生最大的振幅。
請參閱圖三A與圖三B所示，其中圖三A係為光學鏡組動沒有振動時的景深範圍示意圖，而圖三B則為光學鏡組振動時增加景深範圍示意圖。當入射光束92經過該光學鏡組20時，如果光學鏡組20是靜止的狀態下，則通過光學鏡組之聚焦光束94所產生的景深範圍95係如圖三A所示。反之，如圖三B所示，當該致動器21接收到該驅動訊 號時，會以一振動頻率振動而產生振動能量。由於該致動器21與該光學鏡組20相耦接，因此振動能量可以傳遞至該光學鏡組20，使得該光學鏡組20沿該光軸23產生振動，進而改變聚焦光束96之聚焦位置。比較圖三A與圖三B之景深DOF可以得知，通過光學鏡組20的聚焦光束96所具有的景深範圍97係大於景深範圍95，而達到更好的雷射加工效果。
再回到圖一所示，該光學鏡組20係可以選擇為繞射式的光學鏡組或者是折射式的光學鏡組。繞射式與光學式之光學鏡組結構係為熟悉此項技術之人所熟知，在此不作贅述。請參閱圖四所示，該圖係為本發明之光學鏡組另一實施例示意圖。在本實施例中，該光學鏡組20是屬於折射式光學鏡組，其係包括有一擴光透鏡單元201以及一聚光透鏡單元202。該擴光透鏡單元201，係可以由單一之擴光透鏡所構成，或者是由複數個包含有至少一擴光透鏡之透鏡組所構成。該擴光透鏡為具有至少一凹面之透鏡，本實施例中，該擴光透鏡單元201為單一之擴光透鏡，且該擴光透鏡係為一雙凹透鏡，但不以此為限，例如：平凹透鏡亦可。該擴光透鏡單元201，其係與該致動器21相耦接，以接收該致動器21所產生之振動能量，進而於該光軸23上產生振動。該聚光透鏡單元202，其係與該擴光透鏡單元201相聚一距離，該聚光透鏡單元202係使通過該擴光透鏡單元201之光聚焦。該聚光透鏡單元202係可以由單一之聚光透鏡所構成，或者是由複數個包含有至少一聚光透鏡之透鏡組所構成。該聚光透鏡係為具有至少一凸面的透 鏡，在本實施例中，該聚光透鏡單元202係為單一之聚光透鏡，且該聚光透鏡係為一雙凸透鏡，但不以此為限，例如：平凸透鏡亦可。
在圖四的實施例中，由於擴光透鏡單元201與致動器21相耦接，而聚光透鏡單元202則保持不動，因此，當致動器21給擴光透鏡單元201一個振動能量時，會讓聚光透鏡單元202產生擾動幅度高達多倍之聚焦景深，因此大幅增加了景深的範圍。在一實施例中：
1.假設輸入光斑尺寸為3.5mm，波長為355nm。
2.擴光透鏡單元201的凹面2010與2011之半徑為20mm，厚度=2mm，材質為矽酸鹽玻璃(N-BK7)之材質。
3.聚光透鏡單元202的凸面2020之半徑為50mm，凸面2021之半徑為60mm，厚度=6mm，材質為矽酸鹽玻璃(N-BK7)之材質。在上述之條件下，當致動器21擾動的振幅若為10um，在光斑(spot size)不變的前提下，有效焦距長度(effective focal length)擾動的距離約為150um，聚焦景深為致動器振幅的10倍，大幅的提昇加工景深。此外，如圖五所示，該圖為圖四之光學鏡組中的透鏡間距與有效聚焦長度關係示意圖。所謂透鏡間距係為圖四中的擴光透鏡單元與聚光透鏡單元間的距離D1，而有效聚焦長度係為通過聚光透鏡單元之光束所聚焦的長度D2。由圖五所示，可以得知透鏡間距D1與該有效聚焦長度D2成一線性比例關係。亦即，使用者可以根據需要調整透鏡間距D1以得到符合需要的有效聚焦長度D2。此外，雖然在圖四中致動器21係與擴光透鏡單元201相耦接，致動器21使擴光透 鏡單元201沿光軸振動，但是熟悉此項技術之人，亦可以將該致動器21調整至與該聚光透鏡單元202相耦接，以形成如圖六之態樣。
請參閱圖七所示，該圖係為本發明之改善景深之光學系統示意圖。在本實施例中，係為應用圖一所示之光學裝置2結合光源與加工平台而形成一改善景深之光學系統3。該光學系統3包括有一光學裝置2、一光源30以及一加工平台31。該光學裝置2之架構係如圖一所示，在此不作贅述。該光源30，其係可以提供一加工光束300。該光源30所提供之光束的波長範圍介於100nm至20μm之間。在本實施例中，該光源30係為一雷射光源，但不以此為限制。該加工平台31，其係設置於該光學裝置2之一側，該加工平台31上承載有一基材33，其表面可以形成有一薄膜層。該基材33可以為晶圓或玻璃基材等，但不以此為限制。該薄膜層則可以為光阻層、氧化材料層或金屬材料層等，但不以此為限制。該加工平台31耦接有一驅動裝置32，其係可以藉由控制訊號而產生動力以驅動該加工平台31進行至少一個自由度的線性位移運動以及轉動，本實施例中，該加工平台31係可進行四個維度的位移運動以及轉動。該驅動裝置32，可以為馬達、螺桿、線性導軌等元件的組合，其係屬於習用之技術，在此不作贅述。
當要對具有於微小線寬或者是具有較厚基材進行具有高深寬比的結構，如微孔洞與微通道之雷射加工時，為了讓有效的加工景深增加，以避免因雷射加工景深較小，導致加工時失焦的情形，可以藉由與該致動器21相耦接的一 控制單元34產生一驅動訊號控制該致動器21振動，進而將振動能量傳遞至該光學鏡組20，使得該光學鏡組20產生振動而以一頻率改變其聚焦的位置，進而增加該通過光學鏡組20之聚焦光束301的聚焦景深範圍。該驅動訊號係為頻率為1Hz至100MHz的電壓訊號。要說明的是，為了提升雷射光源對基材的加工效率。此外，在另一實施例中，該光學鏡組20亦可以利用如圖四或者是圖六之實施例來實施，以使景深的範圍倍數增加。本發明可解決『較小光斑尺寸的加工時，其加工景深通常較小，極容易在加工時超出景深，使得加工品質下降。』之問題。因此藉由讓光學鏡組振動而有效的提昇加工景深，則可改善雷射加工品質，確保雷射加工不會因為移動平台或基材平整度等問題，使加工品質下降。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
2‧‧‧改善景深之光學裝置
20‧‧‧光學鏡組
201‧‧‧擴光透鏡單元
2010、2011‧‧‧凹面
202‧‧‧聚光透鏡單元
2020、2021‧‧‧凸面
21‧‧‧致動器
22‧‧‧挾持具
23‧‧‧光軸
3‧‧‧改善景深之光學系統
30‧‧‧光源
300‧‧‧加工光束
301‧‧‧聚焦光束
31‧‧‧加工平台
32‧‧‧驅動裝置
33‧‧‧基材
34‧‧‧控制單元
90‧‧‧曲線
91‧‧‧位置
92‧‧‧入射光束
93‧‧‧振動
94、96‧‧‧聚焦光束
95、97‧‧‧景深範圍
圖一係為本發明之改善景深之光學裝置實施例示意圖。
圖二係為本發明之挾持位置與致動器振幅大小示意圖。
圖三A係為光學鏡組動沒有振動時的景深範圍示意圖；而 圖三B則為光學鏡組振動時增加景深範圍示意圖。
圖四係為本發明之光學鏡組另一實施例示意圖。
圖五為圖四之光學鏡組中的透鏡間距與有效聚焦長度關係示意圖。
圖六係為本發明之光學鏡組又一實施例示意圖。
圖七係為本發明之改善景深之光學系統示意圖。
2‧‧‧改善景深之光學裝置
20‧‧‧光學鏡組
21‧‧‧致動器
22‧‧‧挾持具
23‧‧‧光軸

Claims (17)

  1. 一種改善景深之光學裝置，其係包括有：一折射式光學鏡組，其更包括有：一擴光透鏡單元；及一聚光透鏡單元；以及一致動器，其係與該折射式光學鏡組相耦接，該致動器係從一控制單元接收一驅動訊號而以一振動頻率控制該折射式光學鏡組產生振動；其中，該擴光透鏡單元係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該折射式光學鏡組之一光軸上產生振動；其中，該聚光透鏡單元係與該擴光透鏡單元相距一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之改善景深之光學裝置，其中該擴光透鏡單元具有至少一凹面，該聚光透鏡單元具有至少一凸面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之改善景深之光學裝置，其中該聚光透鏡單元係與該擴光透鏡單元相距一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦，該聚光透鏡單元係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該光軸上產生振動。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之改善景深之光學裝置，其中該擴光透鏡單元具有至少一凹面，該聚光透鏡單元具 有至少一凸面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之改善景深之光學裝置，其中該振動頻率係為1Hz至100MHz。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之改善景深之光學裝置，其中該致動器之端部係與該折射式光學鏡組相耦接，該致動器更與該控制單元相耦接，該控制單元係產生一驅動訊號控制該致動器。
  7. 一種改善景深之光學系統，其係包括有：一光源，其係提供一加工光束；一折射式光學鏡組，其係使該加工光束聚焦，該折射式光學鏡組更包括有：一擴光透鏡單元；及一聚光透鏡單元；以及一致動器，其係與該折射式光學鏡組相耦接，該致動器係從一控制單元接收一驅動訊號而以一振動頻率控制該折射式光學鏡組產生振動，以改變該加工光束之聚焦位置，用以增加光學加工景深；其中，該擴光透鏡單元係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該折射式光學鏡組之一光軸上產生振動；其中，該聚光透鏡單元係與該擴光透鏡單元相距一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該擴光透鏡單元具有至少一擴光透鏡，該擴光透鏡具 有至少一凹面，該聚光透鏡單元具有至少一聚光透鏡，該聚光透鏡具有至少一凸面。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該聚光透鏡單元係與該擴光透鏡單元相距一距離，該聚光透鏡單元係使通過該擴光透鏡單元之光聚焦，該聚光透鏡單元係與該致動器相耦接，以接收該驅動訊號而於該光軸上產生振動。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之改善景深之光學系統，其中該擴光透鏡單元具有至少一擴光透鏡，該擴光透鏡具有至少一凹面，該聚光透鏡單元具有至少一聚光透鏡，該聚光透鏡具有至少一凸面。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該振動頻率係為1Hz至100MHz。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該致動器之端部係與該折射式光學鏡組相耦接，該致動器更與該控制單元相耦接，該控制單元係產生該驅動訊號控制該致動器。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該加工光束之波長範圍為100nm至20μm。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其中該光源係為一雷射光源。
  15. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其係更具有一加工平台以提供承載一基材，該加工光束聚焦於該基材上，以對該基材進行加工。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之改善景深之光學系統，其係更具有一驅動裝置與該加工平台相耦接，該驅動裝置係產生動力驅動該加工平台。
  17. 如申請專利範圍第7項所述之改善景深之光學系統，其係更可以調整該擴光透鏡單元與該聚光透鏡單元間之間距以調整該聚光透鏡單元之聚焦長度。
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