TWI630974B - 雷射系統及雷射炫彩加工方法 - Google Patents

Abstract

一種雷射系統及雷射炫彩加工方法。雷射系統包括雷射光源、分光元件及一掃瞄鏡組。雷射光源用以發射第一光束。分光元件設置於第一光束之第一路徑上，用以將第一光束分光為沿第二路徑行進之第二光束及沿第三路徑行進之第三光束。掃瞄鏡組設置於第二路徑上及第三路徑上，且用以匯集第二光束及第三光束於加工位置重疊以對工件加工。雷射炫彩加工方法包括令雷射光源沿第一路徑發射第一光束，令分光元件將第一光束分光為沿第二路徑行進之第二光束及沿第三路徑行進之第三光束，以及令掃瞄鏡組匯集第二光束及第三光束於加工位置重疊以對工件加工。

Description

雷射系統及雷射炫彩加工方法

本發明係關於一種雷射系統及雷射加工方法伺服器，特別是有關於一種可對工件形成炫彩效果加工之雷射系統及雷射加工方法。

目前關於雷射之應用，可分為照明類型、偵測類型、加熱改質類型及燒除材料類型等應用。其中，照明類型之應用可有雷射燈光秀、簡報時之雷射筆指示筆等應用。偵測類型之應用可有超市條碼掃描儀、光碟播放器、光纖通信、雷射光譜、雷射測距、雷射雷達、雷射指示器、雷射掃瞄、指紋鑑定等應用。加熱改質或接合類型之應用可有無血手術、雷射印表機、退火、焊接等應用。燒除材料類形之應用可有切割、穿孔、雷射視力矯正、雷射標記、雷射雕刻等應用。

現有雷射雕刻技術中，通常會在物品表面進行加熱改質或燒除材料。物品經由如此之雷射雕刻後所形成之標記，通常可具有不易仿造、雕刻效果清晰永久、不易磨損脫落等優點。然而，現有的雷射雕刻技術中，有在物品表面上加工出相異於物品原質感的圖案，但圖案之顏色與物品原本的顏色實質上相同。或者更進一步，也有人在物品上以雷射加工出相異於物品原本顏色之單色的圖案。然而，如此之單純的顏色卻無法滿足現代人求新求變的需求。

有鑑於以上的問題，本發明提出一種雷射系統及雷射炫彩加工方法，藉以能夠於物品上形成於相異角度觀看而可呈現相異顏色之炫彩圖案。

本發明之一實施例提出一種雷射系統，包括一雷射光源、一分光元件及一掃瞄鏡組。雷射光源用以發射一第一光束。分光元件設置於第一光束之一第一路徑上，用以將第一光束分光為沿一第二路徑行進之一第二光束及沿一第三路徑行進之一第三光束。掃瞄鏡組設置於第二路徑上及第三路徑上，且用以匯集第二光束及第三光束於一加工位置重疊以對一工件進行加工。

本發明之一實施例提出一種雷射炫彩加工方法，包括以下步驟。令一雷射光源沿一第一路徑發射一第一光束。令一分光元件將第一光束分光為沿一第二路徑行進之一第二光束及沿一第三路徑行進之一第三光束。令一掃瞄鏡組匯集第二光束及第三光束於一加工位置重疊以對一工件進行加工。

根據本發明之一實施例之雷射系統及雷射炫彩加工方法，可藉由對於一雷射光源之第一光束進行分光再匯聚於加工位置以對工件進行加工，而可對於此工件形成具有炫彩效果之加工圖案。此炫彩效果指的是於相異角度觀看圖案而可呈現相異顏色之現象。藉此，除了可使工件之加工圖案的呈現方式更為豐富，還可增加圖案仿造的困難度，以提升防偽的功能。

以上之關於本發明內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之實施例之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何本領域中具通常知識者了解本發明之實施例之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何本領域中具通常知識者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

於本說明書之所謂的示意圖中，由於用以說明而可有其尺寸、比例及角度等較為誇張的情形，但並非用以限定本發明。於未違背本發明要旨的情況下能夠有各種變更。

請參照圖1，繪示依照本發明之一實施例之雷射系統1之架構示意圖。於本實施例中，雷射系統1包含一雷射光源11、一分光元件12、一角度調整件13、一掃瞄鏡組14及一工作台15。

雷射光源11用以發射一第一光束10a。於光譜圖上，第一光束10a之峰值波長可落於1059奈米～1075奈米之範圍。第一光束10a之波長之半峰全寬（半高寬）可落於2奈米～6奈米之範圍。半峰全寬表示一個峰當中，二個強度處於峰值一半的波長值之間的波長差值。雷射光源11之功率可落於25瓦～50瓦之範圍。雷射光源11之脈衝重覆率（repetition）可落於10千赫～500千赫之範圍。

分光元件12設置於第一光束10a之一第一路徑101上，用以將第一光束10a分光為沿一第二路徑102行進之一第二光束10b及沿一第三路徑103行進之一第三光束10c。第二路徑102及第三路徑103之距離可落於0.5毫米～3毫米之範圍。當第二路徑102及第三路徑103之距離小於0.5毫米時，則可能無法分辨其分光的現象。當第二路徑102及第三路徑103之距離大於3毫米時，則後續的掃瞄鏡組14可能不易匯集第二光束10b及第三光束10c。

角度調整件13可設置於分光元件12且位於第二路徑102。角度調整件13可用以微量調整第二光束10b之行進方向。但不限於此，若分光元件12所分光之第二光束10b及第三光束10c之角度符合後續之掃瞄鏡組14之需求，亦可省略設置角度調整件13。

掃瞄鏡組14設置於第二路徑102上及第三路徑103上。角度調整件13可位於分光元件12及掃瞄鏡組14之間。掃瞄鏡組14用以匯集第二光束10b及第三光束10c於至少一加工位置重疊，且用以對一工件2進行加工。於此加工位置，第二光束10b之中心與第三光束10c之中心之距離為10微米以下。掃瞄鏡組14之使用焦距可落於250毫米～300毫米之範圍。掃瞄鏡組14可為固定焦距類型或可調整焦距類型。若使用可調整焦距類型之掃瞄鏡組14，則掃瞄鏡組14亦可於250毫米～300毫米之範圍調整其焦距。掃瞄鏡組14可為固定加工位置類型或可移動加工位置類型。

工作台15用以承載工件2。工作台15可為固定類型或可移動類型。若掃瞄鏡組14為固定加工位置類型，則工作台15可選擇使用可移動類型，以移動工件2至加工位置。若掃瞄鏡組14為可移動加工位置類型，則工作台15可選擇使用固定類型或可移動類型。

藉由雷射系統1，可進行雷射炫彩加工方法。此雷射炫彩加工方法可包含以下步驟。

將工件2放置於工作台15上，且調整工件2之位置。

令雷射光源11沿第一路徑101發射第一光束10a。其中於光譜圖上，第一光束10a之峰值波長可落於1059奈米～1075奈米之範圍。第一光束10a之波長之半峰全寬可落於2奈米～6奈米之範圍。雷射光源11之功率可落於25瓦～50瓦之範圍。雷射光源11之脈衝重覆率可落於10千赫～500千赫之範圍。

令分光元件12將第一光束10a分光為沿第二路徑102行進之第二光束10b及沿第三路徑103行進之第三光束10c。其中第二路徑102及第三路徑103之距離為0.5毫米～3毫米。

令角度調整件13調整第二光束10b之行進方向。

令掃瞄鏡組14匯集第二光束10b及第三光束10c於工件2之加工位置重疊，以對工件2之加工位置進行加工。於此加工位置，第二光束10b之中心與第三光束10c之中心之距離為10微米以下。掃瞄鏡組14之使用焦距可落於250毫米～300毫米之範圍。

於完成對於工件2之加工位置之加工後，可令掃瞄鏡組14或令工作台15調整第二光束10b及第三光束10c匯集於工件2的位置，使第二光束10b及第三光束10c重疊於工件2之其他位置，以對工件2之其他位置進行加工。

請參照圖2及圖3，圖2繪示經過雷射系統1進行雷射炫彩加工方法之材質為304不鏽鋼材料之工件之表面放大圖，圖3繪示經過雷射系統1進行雷射炫彩加工方法之材質為430不鏽鋼材料之工件之表面放大圖。由圖2及圖3可知，經過雷射系統1進行雷射炫彩加工方法之後，於工件表面可形成奈米尺度的波紋結構，且工件之基礎顏色可改變為相異於不鏽鋼原始的顏色。工件之基礎顏色變化可能是因雷射加熱而發生例如氧化等之化學變化所造成。另外，當可見光照射於經過雷射系統1進行雷射炫彩加工方法之工件之後，由於奈米尺度的結構可對於可見光的反射光產生干涉等現象，且相異波長之光線所產生的現象亦相異，故整體反射光於相異角度下可有相異的光線分布。因此，可令觀察者於不同角度觀察經過雷射炫彩加工之工件時，觀察到到相異的色彩。

請參照圖4，繪示依照本發明之另一實施例之雷射系統1’之架構示意圖。於本實施例中之雷射系統1’與圖1所示之雷射系統1相似，以下將省略相同元件之說明。雷射系統1’與圖1所示之雷射系統1之相異之處在於更包含一偵測光源16、一感測元件17、一處理單元18及一儲存單元19。

偵測光源16可活動地設置於工作台15。偵測光源16用以沿出光方向16a發出至少一偵測光線照射承載於工作台15上之工件2。偵測光線可為可見光，偵測光線之波長範圍可為400奈米～750奈米。偵測光線可為多色光混合而成之混合光或白光，亦可為單色光。出光方向16a與工件2之表面之間可具有夾角α。

感測元件17可活動地設置於工作台15。感測元件17可為光譜偵測器。感測元件17用以沿感測方向17a接收來自工件2之光線，以取得工件2所對應之光線資料。感測方向17a與工件2之表面之間可具有夾角β。夾角α及夾角β可依據需求而彼此相同或彼此相異。出光方向16a及感測方向17a之間可具有夾角θ。夾角θ可為30度～100度。

處理單元18連接至感測元件17。儲存單元19連接至處理單元，儲存單元19可經由處理單元18連接至感測元件17。處理單元18可將感測元件17所取得之光線資料儲存於儲存單元19。此外，儲存單元19還可用以儲存於相異材質、相異偵測光源或相異加工條件下之工件2所對應之多個參考資料。處理單元18可用以比對感測元件17所取得之光線資料及儲存單元19所儲存之參考資料，以判斷工件2之材質。

藉由雷射系統1’，可進行另一雷射炫彩加工方法。此雷射炫彩加工方法與藉由雷射系統1而可進行之雷射炫彩加工方法類似，以下將省略相同步驟之說明。雷射系統1’可進行之雷射炫彩加工方法與圖1所示之雷射系統1可進行之雷射炫彩加工方法之相異之處在於可更包含以下步驟。

請參照圖5，繪示對於工件2進行X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）檢測所得到之圖譜。對於工件2進行XPS檢測後，取得如圖5所示之圖譜，藉以知曉工件2之材質的成分與比例。於其他實施例中，XPS檢測亦可改為電子現象圖譜（Electron phenomenological spectroscopy，EPS）檢測。於其他實施例中，倘若已知工件2之材質，則亦可省略XPS檢測或EPS檢測之步驟。

請參照圖6，繪示對於已知材質之工件2藉由雷射系統1’而進行雷射炫彩加工方法所得到之圖譜。於完成令掃瞄鏡組14匯集第二光束10b及第三光束10c於已知材質之工件2之加工位置重疊以對已知材質之工件2之加工位置進行加工後，且如上述於已知工件2之材質的情況下，可令偵測光源16沿出光方向16a發出偵測光線照射於已知材質之工件2，且令感測元件17沿感測方向17a接收來自已知材質之工件2之光線，以取得於此狀態下之已知材質之工件2所對應之光線資料，此光線資料可例如為圖6所示之實線圖譜。處理單元18可將感測元件17所取得之光線資料儲存於儲存單元19，以做為用以於下次比對未知材質之工件2之參考資料。

除此之外，還可選地於改變出光方向16a之相對於工件2之夾角α，改變感測方向17a之相對於工件2之夾角β，或者改變出光方向16a及感測方向17a之間之夾角θ，再令偵測光源16沿出光方向16a發出偵測光線照射於已知材質之工件2，且令感測元件17沿感測方向17a接收來自已知材質之工件2之光線，以取得於此另一狀態下之已知材質之工件2所對應之另一光線資料，此另一光線資料可例如為圖6所示之虛線圖譜。處理單元18可可將感測元件17所取得之另一光線資料儲存於儲存單元19，以做為用以於下次比對未知材質之工件2之另一參考資料。

對於相異材質之已知材質之工件2重覆上述之步驟，而可取得多個相異材質之多個工件2之多個參考資料，以建立資料庫儲存於儲存單元19內。

另外，對於未知材質之工件2，可令掃瞄鏡組14匯集第二光束10b及第三光束10c於未知材質之工件2之加工位置重疊，以對此未知材質之未知材質之工件2進行加工。而且，令偵測光源16沿出光方向16a發出偵測光線照射於未知材質之工件2，且令感測元件17沿感測方向17a接收來自未知材質之工件2之光線，以取得於此狀態下之未知材質之工件2所對應之光線資料。

處理單元18可比對光線資料與參考資料。若比對結果為彼此符合時，則可以判斷未知材質之工件2之材質與已知材質之工件2之材質相同。因此，雷射系統1’可於對未知材質之工件2之加工位置加工之後隨即偵測未知材質之工件2之材質。接下來，使用者亦可利用圖5所示之XPS檢測之圖譜進行其他的步驟或研究。

一般而言，感測元件17接收光線且處理單元18比對光線資料並進行判斷所耗費的時間，遠短於XPS檢測所耗費的時間。因此，於資料庫建立完成的情況下，雷射系統1’及其可進行之雷射炫彩加工方法可即時、迅速且大量地檢測各種未知材質之工件2之材質。

綜上所述，本發明之一實施例之雷射系統及雷射炫彩加工方法，可藉由對於一雷射光源之第一光束進行分光再匯聚於加工位置以對工件進行加工，而可對於此工件形成具有炫彩效果之加工圖案。此炫彩效果指的是於相異角度觀看圖案而可呈現相異顏色之現象。藉此，除了可使工件之加工圖案的呈現方式更為豐富，還可增加圖案仿造的困難度，以提升防偽的功能。

此外，於另一實施例之雷射系統及雷射炫彩加工方法中，還可於匯集第二光束及第三光束以對工件進行加工的同時，藉由偵測光源及感測元件，以即時且迅速地偵測工件之材質。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1、1’ 雷射系統 10a 第一光束 10b 第二光束 10c 第三光束 101 第一路徑 102 第二路徑 103 第三路徑 11 雷射光源 12 分光元件 13 角度調整件 14 掃瞄鏡組 15 工作台 16 偵測光源 16a 出光方向 17 感測元件 17a 感測方向 18 處理單元 19 儲存單元 2 工件 α、β、θ 夾角

圖1繪示依照本發明之一實施例之雷射系統1之架構示意圖。 圖2繪示經過雷射系統進行雷射炫彩加工方法之材質為304不鏽鋼材料之工件之表面放大圖。 圖3繪示經過雷射系統進行雷射炫彩加工方法之材質為430不鏽鋼材料之工件之表面放大圖。 圖4繪示依照本發明之另一實施例之雷射系統之架構示意圖。 圖5繪示對於工件進行X射線光電子能譜檢測所得到之圖譜。 圖6繪示對於工件藉由雷射系統而進行雷射炫彩加工方法所得到之圖譜。

Claims (18)

1. 一種雷射系統，包括：一雷射光源，用以發射一第一光束；一分光元件，設置於該第一光束之一第一路徑上，用以將該第一光束分光為沿一第二路徑行進之一第二光束及沿一第三路徑行進之一第三光束，該第二路徑及該第三路徑之距離為0.5毫米~3毫米；以及一掃瞄鏡組，設置於該第二路徑上及該第三路徑上，且用以匯集該第二光束及該第三光束於一加工位置重疊以對一工件進行加工。
2. 如請求項1所述之雷射系統，其中該第一光束之峰值波長為1059奈米~1075奈米，該第一光束之波長之半峰全寬為2奈米~6奈米，該雷射光源之功率為25瓦~50瓦，該雷射光源之脈衝重覆率為10千赫~500千赫。
3. 如請求項1所述之雷射系統，其中該掃瞄鏡組之使用焦距為250毫米~300毫米。
4. 如請求項1所述之雷射系統，更包括一角度調整件，設置於該分光元件及該掃瞄鏡組之間且位於該第二路徑，該角度調整件用以調整該第二光束之行進方向。
5. 如請求項1所述之雷射系統，更包括一偵測光源及一感測元件，該偵測光源用以沿至少一出光方向發出至少一偵測光線照射該工件，該感測元件用以沿至少一感測方向接收來自該工件之光線以取得該工件所對應之至少一光線資料。
6. 如請求項5所述之雷射系統，其中該至少一偵測光線之波長範圍為400奈米~750奈米。
7. 如請求項5所述之雷射系統，其中該至少一出光方向及該至少一感測方向之夾角為30度~100度。
8. 如請求項5所述之雷射系統，更包括一儲存單元，連接於該感測元件，該儲存單元用以儲存該工件所對應之至少一參考資料。
9. 如請求項8所述之雷射系統，更包括一處理單元，連接該儲存單元及該感測元件，該處理單元用以比對該感測元件所取得之該至少一光線資料及該儲存單元所儲存之該至少一參考資料，以判斷該工件之材質。
10. 一種雷射炫彩加工方法，包括：令一雷射光源沿一第一路徑發射一第一光束；令一分光元件將該第一光束分光為沿一第二路徑行進之一第二光束及沿一第三路徑行進之一第三光束，該第二路徑及該第三路徑之距離為0.5毫米~3毫米；以及令一掃瞄鏡組匯集該第二光束及該第三光束於一加工位置重疊以對一工件進行加工。
11. 如請求項10所述之雷射炫彩加工方法，其中該第一光束之峰值波長為1059奈米~1075奈米，該第一光束之波長之半峰全寬為2奈米~6奈米，該雷射光源之功率為25瓦~50瓦，該雷射光源之脈衝重覆率為10千赫~500千赫。
12. 如請求項10所述之雷射炫彩加工方法，其中該掃瞄鏡組 之使用焦距為250毫米~300毫米。
13. 如請求項10所述之雷射炫彩加工方法，更包括於令該掃瞄鏡組匯集該第二光束及該第三光束對該工件進行加工之前，令一角度調整件調整該第二光束之行進方向。
14. 如請求項10所述之雷射炫彩加工方法，更包括令一偵測光源沿至少一出光方向發出至少一偵測光線照射於該工件，令一感測元件沿至少一感測方向接收來自該工件之光線以取得該工件所對應之至少一光線資料。
15. 如請求項14所述之雷射炫彩加工方法，其中該至少一偵測光線之波長範圍為400奈米~750奈米。
16. 如請求項14所述之雷射炫彩加工方法，其中該至少一出光方向及該至少一感測方向之夾角為30度~100度。
17. 如請求項14所述之雷射炫彩加工方法，更包括於已知該工件之材質之條件下，令一儲存單元儲存該感測元件所取得之該至少一光線資料做為至少一參考資料。
18. 如請求項14所述之雷射炫彩加工方法，更包括比對該感測元件所取得之該至少一光線資料及一儲存單元所儲存之該工件所對應之至少一參考資料，以判斷該工件之材質。