TWI576186B - Lever focusing module for laser processing - Google Patents

Description

雷射加工裝置之槓桿調焦模組

本發明是有關於一種光學調焦模組，特別是指一種雷射加工裝置之槓桿調焦模組。

雷射是一種經激發後而發出的高能光束，具有發散度小以及高功率的優點，能在很小的範圍內以高能光束對物件進行加工，因此時常用於對物件進行如切割、鑽孔，或者光刻等等的精細加工。

參閱圖1，為一習知的雷射加工裝置1，包含一能導引一雷射光源(圖未示)而發出一雷射光束(圖未示)的轉接光束單元11、一用以將該雷射光束擴束並且準直化的準直單元12，及一位於該準直單元12後方，並用以將準直化之該雷射光束聚焦的聚焦單元13。經過該聚焦單元13進行聚焦後的雷射光束，即能用以對一工件(圖未示)進行加工。其中，該準直單元12以及該聚焦單元13皆是由至少一個光學透鏡所構成。利用光學透鏡的聚焦及發散光束之效能，並以單一光學透鏡或者是多個光學透鏡組成光學透鏡組，能對該雷射光束進行擴束、準直化，或者聚焦的處理。

以該雷射加工裝置1對該工件進行加工時，為 配合該工件的型態以及加工需求，時常需要進行雷射光束之聚焦位置的調整。在不改變該聚焦單元13之光學透鏡組合的情況下，該聚焦單元13的焦距是固定的。因此當有需要配合該工件以及加工需求而改變雷射光束的聚焦位置時，必須移動該聚焦單元13而達成改變雷射光束之聚焦位置的目的。

然而，直接移動該聚焦單元13而達成改變聚焦位置的方式，若是需要使聚焦位置移動一特定距離，該聚焦單元13則需要直接移動與該特定距離等長的距離，當該特定距離較長時，可能因控制該聚焦單元13移動之移動機構在製造上的精確性，影響到對該工件進行精細加工的精度。而且，在進行較為精細的加工時，若該雷射加工裝置1的元件有大幅的移動，也有可能產生震動或者細微的偏移而影響加工精度。

另外，若是在設計該雷射加工裝置1時，即保留一段供該聚焦單元13移動而調整雷射光束之聚焦位置的距離，則會使該雷射加工裝置1的體積變得龐大，不但有佔據空間的缺點，在安裝與使用時也會產生不便。

因此，本發明之目的，即在提供一種安裝後能不移動雷射加工裝置之既有元件，以移動其中之透鏡一移動量的方式，而使雷射光束之聚焦位置以大於該移動量的距離移動的雷射加工裝置之槓桿調焦模組。

於是，本發明雷射加工裝置之槓桿調焦模組， 配合一雷射加工裝置使用，該雷射加工裝置包含一能導引一雷射光源而發出一雷射光束的轉接光束單元、一用以使該雷射光束準直化並擴束的準直單元，及一用以使準直化並擴束的雷射光束聚焦至一聚焦位置的聚焦單元。該槓桿調焦模組是安裝於該準直單元與該聚焦單元之間，並包含：一圍繞出一安裝空間的鏡筒、一固定於該安裝空間中並朝向該準直單元的第一透鏡，及一安裝於該安裝空間中，並位於該第一透鏡後方，且能相對於該第一透鏡來回移動的第二透鏡。該第二透鏡的焦距小於該聚焦單元的整體焦距，使該第二透鏡相對於該第一透鏡移動一特定距離，能使該聚焦位置移動該特定距離的倍數距離。

本發明之功效在於：將該槓桿調焦模組配合該雷射加工裝置安裝，不需移動該雷射加工裝置的既有元件，即能以移動該第二透鏡的方式，調整該雷射光束的聚焦位置。使該槓桿調焦模組的第二透鏡相對於該第一透鏡移動一特定距離，則該雷射光束的聚焦位置會移動該特定距離的倍數距離。

2‧‧‧雷射加工裝置

21‧‧‧轉接光束單元

22‧‧‧準直單元

23‧‧‧聚焦單元

3‧‧‧槓桿調焦模組

30‧‧‧鏡筒

300‧‧‧安裝空間

31‧‧‧第一透鏡

32‧‧‧第二透鏡

33‧‧‧調整座

34‧‧‧第一連接件

35‧‧‧第二連接件

4‧‧‧工件

D1‧‧‧距離

D2‧‧‧距離

D3‧‧‧距離

D4‧‧‧距離

D5‧‧‧距離

D6‧‧‧距離

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一分解圖，說明一習知的雷射加工裝置；圖2是一分解圖，說明本發明雷射加工裝置之槓桿調焦模組的一實施例；圖3是一剖視圖，說明該實施例的元件組成； 圖4是一示意圖，說明該實施例調整雷射光束之聚焦位置的效果；圖5與圖6皆是示意圖，分別說明該實施例的第一實施態樣及第二實施態樣；及圖7為一分解圖，說明以安裝有該實施例的雷射加工裝置對一工件進行加工的情況。

參閱圖2與圖3，本發明雷射加工裝置2之槓桿調焦模組3的實施例，配合一雷射加工裝置2使用。該雷射加工裝置2包含一能導引一雷射光源(圖未示)而發出一雷射光束的轉接光束單元21、一用以使該雷射光束準直化並擴束的準直單元22，及一用以使準直化並擴束的雷射光束聚焦至一聚焦位置的聚焦單元23。其中，該準直單元22與該聚焦單元23實際上為多數個透鏡所組成。

該實施例是安裝於該準直單元22與該聚焦單元23之間，並包含：一圍繞出一安裝空間300的鏡筒30、一固定於該安裝空間300中並朝向該準直單元22的第一透鏡31、一安裝於該安裝空間300中並位於該第一透鏡31後方且能相對於該第一透鏡31來回移動的第二透鏡32、一配合該鏡筒30而設置於該安裝空間300中且能相對該第一透鏡31移動的調整座33、一設置於該鏡筒30之一端並用以與該準直單元22連接的第一連接件34，及一設置於該鏡筒30之另一端並用以與該聚焦單元23連接的第二連接件35。

該第二透鏡32是安裝於該調整座33上，該調 整座33是以螺旋帶動的方式移動，藉此使該第二透鏡32相對於該第一透鏡31而來回移動。要特別說明的是，該調整座33也可以是以設置軌道或者設置齒輪等等的方式而移動，只要能使該第二透鏡32相對於該第一透鏡31來回移動即可，不以上述方式為限。而該第一連接件34與該第二連接件35皆為連接套環，能分別連接並固定於該準直單元22與該聚焦單元23上，使該槓桿調焦模組3能確實安裝於該準直單元22與該聚焦單元23之間。要特別說明的是，該第一連接件34及該第二連接件35的設計，只要能分別確實與該準直單元22及該聚焦單元23連接並固定即可，不以連接套環的型態為限。

參閱圖4，該第二透鏡32的焦距小於該聚焦單元23的整體焦距，將該聚焦單元23的整體焦距表示為F，而該第二透鏡32的焦距表示為f。要特別說明的是，為了便於說明，在圖4至圖6中是將該聚焦單元23繪示為一聚焦透鏡。該聚焦單元23之整體焦距與該第二透鏡32之焦距的關係為：

其中，m>1，該第二透鏡32相對於該第一透鏡31移動一特定距離時，能使該聚焦位置移動該特定距離的m倍距離，且如圖4所示，該槓桿調焦模組3之第二透鏡32移動的方向，與該雷射光束之聚焦位置移動的方向相反。以下依據透鏡成像公式說明該實施例所能產生的效果。

透鏡成像公式：。

其中，L為透鏡的焦距，而u是表示物體與該透鏡之間的物距，v則是表示成像與該透鏡之間的像距。要特別說明的是，(2)式是將透鏡的厚度視為趨近於0的情況下所推導出的理想公式。將該第二透鏡32移動一特定距離，則該聚焦位置移動m倍之特定距離的關係代入(2)式，運算可得：F ² mf ²……(3)。

整理式(3)可得如式(1)之結果，故若以如式(1)所示的關係，配合該聚焦單元23而設計該第二透鏡32，可達成移動該第二透鏡32而以m倍移動量調整該雷射光束之聚焦位置的效果。

要特別說明的是，該實施例中的該第一透鏡31及該第二透鏡32，分別是以一凹透鏡與一凸透鏡所組成。當該第一透鏡31為一凸透鏡時，則該第二透鏡32為一凹透鏡。當該第一透鏡31為一凹透鏡時，則該第二透鏡32為一凸透鏡。

其中，當該第二透鏡32為一凸透鏡時，該聚焦單元23之整體焦距與該第二透鏡32之焦距的關係為：

而當該第二透鏡32為一凹透鏡時，該聚焦單元23之整體焦距與該第二透鏡32之焦距的關係為：

參閱圖5，為該實施例的第一實施態樣，是以該第一透鏡31為凹透鏡且該第二透鏡32為凸透鏡的情況，來說明該實施例的調整效果。其中，在該實施例之第一實施態樣中，如式(1)中所示的參數m是設定為3，故該聚焦單元23之整體焦距與該第二透鏡32之焦距的關係為：

如下表一所列，為實際使用如圖5所示之實施態樣時所測量的該第一透鏡31與該第二透鏡32之間的距離D1、該第二透鏡32與該聚焦單元23之間的距離D2，及該聚焦單元23與該雷射光束之聚焦位置的距離D3。

配合參閱如上表一所列之數據，A1與A3當中的距離D1相差7.05公厘，而距離D3則是相差21公厘。由此可知當該第二透鏡32朝遠離該第一透鏡31的方向移動7.05公厘時，該雷射光束的聚焦位置會朝向該聚焦單元23移動21公厘，考慮到測量上有可能發生的誤差以及透鏡的非理想性來說，該雷射光束移動之距離實質上為該第二透鏡32所移動之距離的三倍。由此可知，將該第二透鏡32移動一特定距離時，確實能使該雷射光束的聚焦位置移動該特定距離的倍數。

參閱圖6，為該實施例的第二實施態樣，是以該 第一透鏡31為凸透鏡且該第二透鏡32為凹透鏡的情況，來說明該實施例的調整效果。如式(1)中所示的參數m同樣是設定為3，故該聚焦單元23之整體焦距與該第二透鏡32之焦距的關係為：

如下表二所列，為實際使用如圖6所示之實施態樣時所測量的該第一透鏡31與該第二透鏡32之間的距離D4、該第二透鏡32與該聚焦單元23之間的距離D5，及該聚焦單元23與該雷射光束之聚焦位置的距離D6。

配合參閱如上表二所列之數據，B1與B3當中的距離D4相差7.01公厘，而距離D6則是相差21公厘。由此可知當該第二透鏡32朝遠離該第一透鏡31的方向移動7.01公厘時，該雷射光束的聚焦位置會朝向該聚焦單元23移動21公厘，同樣考慮到測量上有可能發生的誤差以及透鏡的非理想性來說，該雷射光束移動之距離實質上為該第二透鏡32所移動之距離的三倍，可達成與該實施例之第一實施態樣同樣的效果。該實施例的第一實施態樣與該第二實施態樣的差異，僅在於凸透鏡及凹透鏡的排列順序，使用者能配合既有之雷射加工裝置2的設計，選擇適當的實施態樣而安裝。

參閱圖7並配合圖3，以安裝有該槓桿調焦模組3的雷射加工裝置2對一工件4進行加工時，調整的效果能如習知的槓桿原理一般，僅需要以小幅度移動該槓桿調焦模組3的第二透鏡32，即能使進行加工之雷射光束的聚焦位置有較大幅度的移動，在進行高能雷射的加工時，能盡量保持整個雷射加工裝置2的穩定，避免因大幅度的元件移動而影響加工精度。依據式(1)，在該聚焦單元23的焦距為固定的情況下，能改變該第二透鏡32的焦距，製造能提供各種不同調整倍率的槓桿調焦模組3，以供不同需求的使用者選擇，並安裝於既有的雷射加工裝置2上。

綜上所述，將該實施例安裝於既有的雷射加工裝置2上，只要使該實施例之第二透鏡32相對於該第一透鏡31移動一特定距離，即能使該雷射光束之聚焦位置移動該特定距離的倍數距離，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧雷射加工裝置

21‧‧‧轉接光束單元

22‧‧‧準直單元

23‧‧‧聚焦單元

3‧‧‧槓桿調焦模組

30‧‧‧鏡筒

300‧‧‧安裝空間

31‧‧‧第一透鏡

32‧‧‧第二透鏡

Claims (9)

1. 一種雷射加工裝置之槓桿調焦模組，配合一雷射加工裝置使用，該雷射加工裝置包含一能導引一雷射光源而發出一雷射光束的轉接光束單元、一用以使該雷射光束準直化並擴束的準直單元，及一用以使準直化並擴束的雷射光束聚焦至一聚焦位置的聚焦單元，該槓桿調焦模組是安裝於該準直單元與該聚焦單元之間，並包含：一圍繞出一安裝空間的鏡筒、一固定於該安裝空間中並朝向該準直單元的第一透鏡，及一安裝於該安裝空間中，並位於該第一透鏡後方，且能相對於該第一透鏡來回移動的第二透鏡，該第二透鏡的焦距小於該聚焦單元的整體焦距，使該第二透鏡相對於該第一透鏡移動一特定距離，能使該聚焦位置移動該特定距離的倍數距離；將該聚焦單元的整體焦距表示為F，而該第二透鏡的焦距表示為f，該聚焦單元之整體焦距與該第二透鏡之焦距的關係為：，其中，m>1。
2. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該第一透鏡為一凹透鏡，而該第二透鏡為一凸透鏡。
3. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該第一透鏡為一凸透鏡，而該第二透鏡為一凹透鏡。
4. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該第二透鏡為一凸透鏡時，該聚焦單元之整體焦距與該第二透鏡之焦距的關係為：，其中，m>1。
5. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該第二透鏡為一凹透鏡時，該聚焦單元之整體焦距與該第二透鏡之焦距的關係為：，其中，m>1。
6. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該槓桿調焦模組還包含一配合該鏡筒而設置於該安裝空間中，且能相對該第一透鏡移動的調整座，該第二透鏡是安裝於該調整座上。
7. 如請求項6所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該調整座是以螺旋帶動的方式移動。
8. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該槓桿調焦模組還包含一設置於該鏡筒之一端並用以與該準直單元連接的第一連接件，及一設置於該鏡筒之另一端並用以與該聚焦單元連接的第二連接件。
9. 如請求項1所述雷射加工裝置之槓桿調焦模組，其中，該槓桿調焦模組之第二透鏡移動的方向，與該雷射光束之聚焦位置移動的方向相反。