TWI648524B - 多層材料加工裝置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種多層材料加工裝置，包括分光光路模組以及單軸晶體元件。分光光路模組位於入射光束的傳遞路徑上，分光光路模組用以將入射光束分成第一偏振光束與第二偏振光束。單軸晶體元件配置於分光光路模組旁，單軸晶體元件位於第一偏振光束與第二偏振光束的傳遞路徑上，第一偏振光束與第二偏振光束分別通過單軸晶體元件，使第一偏振光束與第二偏振光束分別對應到不同之折射率，而具有兩不同焦距之聚焦點。此外，一種多層材料加工方法亦被提出。

Description

多層材料加工裝置及其方法
本發明是有關於一種加工裝置及其方法，且特別是有關於一種能達成透明複合材料一道次切割效果的多層材料加工裝置及其方法。
隨著科技發展迅速，手持、穿戴裝置會朝向高強度、耐環境變化的複合基板來發展，現有的切割製程已無法應付製造需求。因此，開發多層複合基板之切割技術刻不容緩。
現有的切割製程技術中，例如單點聚焦光束技術，單點聚焦光束要加工多層材料時，需要執行兩次切割，分別先在各層材料之上端形成裂紋，而後才能進行裂片之動作，此舉不僅造成加工時間的倍增，並且在各層材料之上端形成裂紋之作法，導致光學與掃描對位上的精密度要求極高，進而提高切割之成本。又例如，線性光束切割技術，線性光束穿透至多層材料時，雷射能量會在介面層(指兩層材料之間的介面)不斷產生穿透反射及折射現象，形成雷射能量外擴，而部分雷射能量會消耗於介面層，使得切割精度不均勻，造成上、下層之改質區塊之寬度不一。
因此，如何改良並能提供一種『多層材料加工裝置及其方法』來避免上述所遭遇到的問題，係業界所亟待解決之課題。
本發明提供一種多層材料加工裝置，能使雙偏振光束分別對應到不同之折射率，以形成兩不同焦距之聚焦點而分別對應到兩層複合材料個別之表面，除了能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題以外，還能改善切割道周圍之裂紋之產生。
本發明提供一種多層材料加工方法，形成不同焦距之雙偏振光束在不同層結構中進行加工造成應力集中點，以達成較小範圍之裂痕，並能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題。
本發明提出一種多層材料加工裝置，包括一分光光路模組以及一單軸晶體元件。分光光路模組位於一入射光束的傳遞路徑上，分光光路模組用以將入射光束分成一第一偏振光束與一第二偏振光束。單軸晶體元件配置於分光光路模組旁，單軸晶體元件之一光軸垂直於單軸晶體元件之法線，單軸晶體元件位於第一偏振光束與第二偏振光束的傳遞路徑上，第一偏振光束與第二偏振光束分別通過單軸晶體元件，使第一偏振光束對應到一第一折射率，第二偏振光束對應到不同於第一折射率的一第二折射率，進而使第一偏振光束具有一第一聚焦點，第二偏振光束具有一第二聚焦點，第一聚焦點之焦距不同於第二聚焦點之焦距。
在一實施例中，上述多層材料加工裝置更包括一旋轉元件，單軸晶體元件配置於旋轉元件，第一聚焦點與第二聚焦點之間具有一焦距差，旋轉元件用以旋轉單軸晶體元件，以調整焦距差，旋轉元件之旋轉軸位於入射光束之行進方向或旋轉元件之旋轉軸與入射光束存在有一夾角。
在一實施例中，上述焦距差介於-15mm至15mm之間。
在一實施例中，上述第一偏振光束與第二偏振光束為同軸或第一偏振光束與第二偏振光束具有一間距。
在一實施例中，上述第一偏振光束與第二偏振光束之間距能調整。
在一實施例中，上述多層材料加工裝置更包括一調整平台，調整平台連接於單軸晶體元件，調整平台用以移動單軸晶體元件，以調整第一聚焦點之位置與第二聚焦點之位置。
在一實施例中，上述單軸晶體元件為一單軸晶體透鏡或一具雙折射性之透鏡。
在一實施例中，上述單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡所組成，或者單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡與一均向性材質之透鏡所組成。
在一實施例中，上述分光光路模組包括一偏振分光鏡，偏振分光鏡位於入射光束的傳遞路徑上，偏振分光鏡用以將入射光束分成第一偏振光束與第二偏振光束。
在一實施例中，上述分光光路模組包括一波片，波片位於偏振分光鏡前，波片用以調整第一偏振光束與第二偏振光束之光強度之比例。
在一實施例中，上述波片為一半波片或一四分之一波片。
在一實施例中，上述分光光路模組包括一第一衰減元件及一第二衰減元件，第一衰減元件及第二衰減元件分別位於第一偏振光束與第二偏振光束的傳遞路徑上，第一衰減元件與第二衰減元件分別用以調整第一偏振光束與第二偏振光束之光強度之比例。
在一實施例中，上述分光光路模組包括一第一反射元件與一第二反射元件，第一反射元件與第二反射元件分別相對配置於偏振分光鏡旁，且第一衰減元件位於第一反射元件與偏振分光鏡之間，第二衰減元件位於第二反射元件與偏振分光鏡之間。
在一實施例中，上述第一反射元件能相對於偏振分光鏡移動。
在一實施例中，上述第二反射元件能相對於偏振分光鏡移動。
在一實施例中，上述分光光路模組包括一第一波片及一第二波片，第一波片及第二波片分別配置於偏振分光鏡旁。
在一實施例中，上述第一波片及第二波片分別為一半波片或一四分之一波片。
在一實施例中，上述多層材料加工裝置更包括一光源，光源用以產生一初始光束，波片位於初始光束的傳輸路徑上，波片用以改變初始光束之偏振以形成入射光束。
在一實施例中，上述多層材料加工裝置更包括一控制單元，控制單元連接於光源與單軸晶體元件。
在一實施例中，上述多層材料加工裝置更包括一空間濾波元件，空間濾波元件配置於光源旁，且空間濾波元件位於初始光束的傳遞路徑上。
本發明另提出一種多層材料加工方法，包括以下步驟：令一分光光路模組將一入射光束分成一第一偏振光束與一第二偏振光束；令第 一偏振光束與第二偏振光束分別通過一單軸晶體元件，使第一偏振光束對應到一第一折射率，第二偏振光束對應到不同於第一折射率的一第二折射率，進而使第一偏振光束具有一第一聚焦點，第二偏振光束具有一第二聚焦點，第一聚焦點之焦距不同於第二聚焦點之焦距，第一聚焦點與第二聚焦點之間具有一焦距差；以及令第一聚焦點與第二聚焦點分別聚焦於一複合材料中的一第一層結構之表面及一第二層結構之表面。
在一實施例中，上述令第一偏振光束與第二偏振光束分別通過單軸晶體元件的步驟後，包括以下步驟：調整步驟。
在一實施例中，上述調整步驟包括以下步驟：旋轉單軸晶體元件，以調整焦距差。
在一實施例中，上述調整步驟包括以下步驟：移動單軸晶體元件，以調整第一聚焦點之位置與第二聚焦點之位置。
在一實施例中，上述調整步驟包括以下步驟：調整第一偏振光束與第二偏振光束之光強度之比例。
在一實施例中，上述調整步驟包括以下步驟：改變第一偏振光束與第二偏振光束之光程差。
在一實施例中，上述令第一聚焦點與第二聚焦點分別聚焦於複合材料中的第一層結構之表面及第二層結構之表面的步驟，包括以下步驟：依據複合材料中第一層結構之表面及第二層結構之表面之間的距離而獲得焦距差；依據焦距差，找出單軸晶體元件折射率分布之一旋轉角；旋轉單軸晶體元件至旋轉角；依序遮蔽第二偏振光束及第一偏振光束；調整單軸晶體元件至複合材料之間的距離，以依序找出第一偏振光束之第一聚 焦點在複合材料中的第一層結構之表面之位置與第二偏振光束之第二聚焦點在複合材料中的第二層結構之表面之位置；調整單軸晶體元件之旋轉角，以符合焦距差；遮蔽第二偏振光束；將第一偏振光束之第一聚焦點對焦至複合材料中的第一層結構之表面；以及同時令第一偏振光束與第二偏振光束出射至複合材料。
在一實施例中，上述調整單軸晶體元件至複合材料之間的距離的步驟，包括以下步驟：藉由一同軸視覺測試或一劃線測試將第一偏振光束之第一聚焦點及第二偏振光束之第二聚焦點分別對準於複合材料中的第一層結構之表面及第二層結構之表面。
在一實施例中，上述多層材料加工方法更包括以下步驟：產生入射光束。產生入射光束包括以下步驟：產生一初始光束；以及改變初始光束之偏振以形成入射光束。
在一實施例中，上述單軸晶體元件為一單軸晶體透鏡或一具雙折射性之透鏡。
在一實施例中，上述單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡所組成，或者單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡與一均向性材質之透鏡所組成。
在一實施例中，上述單軸晶體元件採用方解石、電氣石、紅寶石、鈮酸鋰、石英、金紅石、鋯石或液晶之材料所製成。
基於上述，在本發明多層材料加工裝置及多層材料加工方法中，使雙偏振光束通過單軸晶體元件，讓雙偏振光束分別對應到不同之折射率，形成兩不同焦距之聚焦點，以達到分層聚焦且一道次切割效果之目 的，除了能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題以外，還能改善切割道周圍之裂紋之產生。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
1、2、3、4、5‧‧‧多層材料加工裝置
50‧‧‧複合材料
51‧‧‧第一層結構
52‧‧‧第二層結構
110‧‧‧分光光路模組
110a‧‧‧第一衰減元件
110b‧‧‧第二衰減元件
111‧‧‧偏振分光鏡
111a‧‧‧第一平面
111b‧‧‧第二平面
111c‧‧‧入光面
111d‧‧‧出光面
111e‧‧‧分光介面
112‧‧‧第一反射元件
113‧‧‧第二反射元件
114‧‧‧第一衰減元件
115‧‧‧第二衰減元件
116‧‧‧第一波片
117‧‧‧第二波片
118‧‧‧移動元件
120‧‧‧單軸晶體元件
122‧‧‧調整平台
130‧‧‧旋轉元件
140‧‧‧控制單元
150‧‧‧光源
160‧‧‧空間濾波元件
170‧‧‧波片
181‧‧‧第一反射鏡
182‧‧‧第二反射鏡
184‧‧‧第三反射鏡
190‧‧‧移動平台
d‧‧‧焦距差
d1‧‧‧間距
f‧‧‧薄透鏡焦距
fp、fs‧‧‧焦距
L‧‧‧光束
L1‧‧‧第一偏振光束
L2‧‧‧第二偏振光束
L3‧‧‧第三偏振光束
L4‧‧‧第四偏振光束
L5‧‧‧第五偏振光束
Lp‧‧‧第一光束範圍
Ls‧‧‧第二光束範圍
ne、nP、nS、no‧‧‧折射率
P1‧‧‧第一聚焦點
P2‧‧‧第二聚焦點
P11‧‧‧入射光束
P01‧‧‧初始光束
P02‧‧‧已過濾之初始光束
R‧‧‧轉動方向
R1‧‧‧透鏡第一表面之曲率半徑
R2‧‧‧透鏡第二表面之曲率半徑
x、y、z‧‧‧軸
z1、z2‧‧‧方向
θ‧‧‧夾角
S1‧‧‧多層材料加工方法
S10~S14‧‧‧步驟
S141~S149‧‧‧步驟
圖1為本發明的多層材料加工裝置一實施例的示意圖。
圖2為圖1之單軸晶體元件折射率分布的示意圖。
圖3為圖2中單軸晶體元件折射率分布的示意圖中沿著x軸及y軸平面之一切割面的示意圖。
圖4為本發明的多層材料加工裝置一加工狀態的示意圖。
圖5為圖3之單軸晶體元件另一實施例的示意圖。
圖6為本發明的多層材料加工裝置另一實施例的示意圖。
圖7為本發明的多層材料加工裝置又一實施例的示意圖。
圖8為本發明的多層材料加工裝置一示範實施例的示意圖。
圖9為圖8中分光光路模組中細部光線傳遞路徑一實施例的示意圖。
圖10為本發明的多層材料加工裝置另一示範實施例的示意圖。
圖11為本發明的多層材料加工方法的流程圖。
圖12為圖11中細部步驟的流程圖。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此 限制本發明的保護範圍。
圖1為本發明的多層材料加工裝置一實施例的示意圖。圖2為圖1之單軸晶體元件折射率分布的示意圖。圖3為圖2中單軸晶體元件折射率分布的示意圖中沿著x軸及y軸平面之一切割面的示意圖。圖4為本發明的多層材料加工裝置一加工狀態的示意圖。請先參閱圖1。
在本實施例中，多層材料加工裝置1包括一分光光路模組110以及一單軸晶體元件120。
分光光路模組110位於一入射光束P11的傳遞路徑上，分光光路模組110用以將入射光束P11分成一第一偏振光束L1與一第二偏振光束L2，為了便於說明，以圖1與圖4為例，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2具有一間距d1，然本實施例不對此加以限制，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距d1能調整，在一實施例中，調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距d1，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2為同軸。換言之，本實施例的分光光路模組110為一雙偏振光產生裝置，可將入射光束P11分成兩道偏振方向彼此垂直且同軸的偏振光束，這兩道偏振光分別為s偏振光束(s-polarization)及p偏振光束(p-polarization)。此外，本實施例不限制入射光束P11的出光來源，例如是雷射光束或其他非雷射產生器(例如脈衝閃光燈或脈衝發光二極體)所產生的光束並藉由偏振以形成含有s偏振光與p偏振光之入射光束P11。
單軸晶體元件120配置於分光光路模組110旁。單軸晶體元件120例如為一單軸晶體透鏡或一具雙折射性之透鏡，在本實施例中，單軸晶 體元件120為至少一單軸晶體透鏡所組成，或者單軸晶體元件120為至少一單軸晶體透鏡與一均向性(Isotropic)材質之透鏡所組成。就製備方法來說，單軸晶體元件120是由單軸晶體材料或具雙折射性之材料加以研磨或加工製成具有匯聚或發散效果之透鏡，其中單軸晶體材料或具雙折射性之材料能採用方解石、電氣石、紅寶石、鈮酸鋰、石英、金紅石、鋯石或液晶之材料所製成。
在本實施例中，此單軸晶體元件120其中某一個結晶軸的折射率不同於其他兩個結晶軸的折射率，這個獨特的軸被稱為異常軸，同時也被稱為光軸，如圖2及圖3所示，光束L朝-z軸方向前進，y軸的折射率為ne，x軸與z軸的折射率均為no，故y軸作為單軸晶體元件120之光軸，單軸晶體元件120之光軸垂直於單軸晶體元件120之法線，且θ為光偏振方向與x軸之夾角。
詳細而言，第一偏振光束(對應p偏振光束)L1與第二偏振光束(對應s偏振光束)L2對應的折射率方程式如下，而分別得出折射率np與折射率ns，如下述數學式(1)、(2)所示：
薄透鏡公式如下述數學式(3)所示：
數學式(3)中，f為薄透鏡焦距，R1為透鏡第一表面之曲率半 徑，R2為透鏡第二表面之曲率半徑，將上述數學式(1)、(2)中的折射率ns與np代入數學式(3)中的薄透鏡公式，可得出第一偏振光束L1與第二偏振光束L2所對應之焦距fp與焦距fs，而焦距差d為fs-fp。本發明不限制計算焦距差的方式，在其他實施例中，可運用光學模擬軟體將以上數值帶入亦可得出焦距差d。
在一應用實施例中，以石英為例，石英的折射率ns與np分別為1.544與1.553，代入於薄透鏡公式後，可得到若夾角θ為0°，焦距差d為2.992mm，而若夾角θ為45°，焦距差d為0，即此時折射率ns等於折射率np。透過上述舉例可知，可藉由調整夾角θ，來調整焦距差d。在一實施例中，可透過旋轉單軸晶體元件120來改變焦距差d約為-15mm至15mm之間，所以本實施例採用的單軸晶體元件120可應用在光電、顯示器產業之透明複合材料。
在一光學性質模擬之示範性實施例中，在雙偏振光束下可產生最小聚焦點(最低色散)之單軸晶體元件120(以石英為例)之透鏡第一表面之曲率半徑R1約為45.93mm，其最小聚焦點的尺寸約為1.7μm；透鏡第二表面曲率半徑R2約為44.23mm，其最小聚焦點的尺寸約為0.171μm，故藉由上述光學性質模擬之結果來驗證本發明可達成較小範圍之裂痕，來改善切割道周圍之裂紋之產生。
請復參閱圖1，單軸晶體元件120位於第一偏振光束L1與第二偏振光束L2的傳遞路徑上，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別通過單軸晶體元件120，利用單軸晶體元件120具雙折射性的特性，如圖2所示，使第一偏振光束L1對應到一折射率nP，第二偏振光束L2對應到不同於折射 率nP的一折射率nS，且θ為第二偏振光束L2偏振方向與x軸之夾角，如此一來，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之脈衝焦距不同以形成兩不同焦距之聚焦點。
就實際加工來看，如圖4所示，複合材料50包括一第一層結構51及一第二層結構52。如前述，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別通過單軸晶體元件120，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別對應到不同之折射率，如此一來，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之脈衝焦距不同以形成在複合材料50上具有兩個不同焦距之聚焦點。由於第一偏振光束L1與第二偏振光束P2之脈衝焦距不同，以圖4而言，第一偏振光束L1通過單軸晶體元件120後形成一第一光束範圍Lp且在第一層結構51之表面上具有一第一聚焦點P1，第二偏振光束L2通過單軸晶體元件120後形成一第二光束範圍Ls且在第二層結構52之表面上具有一第二聚焦點P2，且第一聚焦點P1之焦距不同於第二聚焦點P2之焦距，換言之，透過本實施例之多層材料加工裝置1，能使雙偏振光束分別對應到不同之折射率，以形成兩不同焦距之聚焦點而分別對應到兩層複合材料個別之表面，來達到分層聚焦且一道次切割效果之目的，除了能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題以外，還能改善切割道周圍之裂紋之產生。
圖5為圖3之單軸晶體元件另一實施例的示意圖。圖6為本發明的多層材料加工裝置另一實施例的示意圖。請參閱圖5及圖6，需說明的是，為了便於說明，圖6中第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2具有一間距d1，然本實施例不對此加以限制，在一實施例中，可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距d1， 使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2為同軸。此外，圖6的多層材料加工裝置2與圖1的多層材料加工裝置1相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
圖6與圖1的不同之處在於：多層材料加工裝置2更包括一旋轉元件130，其中單軸晶體元件120配置於旋轉元件130，旋轉元件130用以旋轉單軸晶體元件120，旋轉元件130之旋轉軸位於入射光束P11之行進方向或旋轉元件130之旋轉軸與入射光束P11存在有一夾角，以本實施例而言，單軸晶體元件120可沿著x軸與y軸進行切割，並研磨成透鏡，以裝入至旋轉元件130之內，旋轉元件130例如為一旋轉平台。因此，本實施例可藉由旋轉元件130旋轉單軸晶體元件120，使單軸晶體元件120朝一轉動方向R轉動以調整焦距差d，可因應複合材料各層結構來選定各層聚焦點之位置及焦距差d。
圖7為本發明的多層材料加工裝置又一實施例的示意圖。請參閱圖7，需說明的是，為了便於說明，圖7中第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2具有一間距d1，然本實施例不對此加以限制，在一實施例中，可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距d1，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2為同軸。此外，圖7的多層材料加工裝置3與圖6的多層材料加工裝置2相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
圖7與圖6的不同之處在於：多層材料加工裝置3中的分光光 路模組110包括一第一衰減元件110a及一第二衰減元件110b，第一衰減元件110a及第二衰減元件110b分別位於第一偏振光束L1與第二偏振光束L2的傳遞路徑上，第一衰減元件110a及第二衰減元件110b元件分別用以調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光強度之比例，例如調高第一偏振光束L1之光強度，降低第二偏振光束P2之光強度；或是調高第二偏振光束P2之光強度，降低第一偏振光束L1之光強度，光強度之比例例如為由100%至0%，端視實際複合材料而擇定。
圖8為本發明的多層材料加工裝置一示範實施例的示意圖。請參閱圖8。在本實施例中，多層材料加工裝置4包括一分光光路模組110、一單軸晶體元件120、一控制單元140、一光源150、一空間濾波元件160、一波片170、一第一反射鏡181、一第二反射鏡182、一第三反射鏡184以及一移動平台190。
控制單元140連接於光源150與單軸晶體元件120，控制單元140可作為處理多層材料加工裝置4之切割策略之處理器，藉由控制單元140可用來控制光源150輸出的光束能量以及調整單軸晶體元件120之旋轉角與位置，並且還可控制氣體流量或吹拂角度之氣氛流場控制。
光源150連接於前述控制單元140，光源150產生一初始光束P01，其中初始光束P01是由光源150所直接發出，且初始光束P01可以是雷射脈衝光束或其他非雷射產生器(例如脈衝閃光燈或脈衝發光二極體)所產生的脈衝光束。
在本實施例中，空間濾波元件160配置於光源150旁，且空間濾波元件160位於初始光束P01的傳遞路徑上，空間濾波元件160用以濾除初 始光束P01中的空間雜訊(spatial noise)或選擇通過某些空間頻率以形成一已過濾之初始光束P02。
波片170為一半波片(Half-wave plate)或一四分之一波片(Quarter-wave plate)，波片170位於已過濾之初始光束P02的傳輸路徑上，當已過濾之初始光束P02通過波片170時，波片170改變已過濾之初始光束P02之偏振以形成入射光束P11，讓入射光束P11可含有s偏振光與p偏振光。需說明的是，在一未繪示實施例中，波片170位於初始光束P01的傳輸路徑上，故直接讓光源150產生的初始光束P01直接打入至波片170，波片170用以改變初始光束P01之偏振以形成含有s偏振光與p偏振光之入射光束P11，換言之，本實施例的波片170可端視實際光路設計而可選用。
分光光路模組110包括一偏振分光鏡111、一第一反射元件112、一第二反射元件113、一第一衰減元件114、一第二衰減元件115、一第一波片116、一第二波片117以及一移動元件118。
偏振分光鏡(Polarizing beam splitter，PBS)111位於入射光束P11的傳遞路徑上，偏振分光鏡111用以將入射光束P11分成兩束垂直的線偏光，其中第一偏振光束(對應p偏振光束)L1完全通過，而第二偏振光束(對應s偏振光束)L2以45度角被反射，出射方向與第一偏振光束(對應p偏振光束)成90度角。此外，波片170位於偏振分光鏡111前，波片170用以調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光強度之比例，例如調高第一偏振光束L1之光強度，降低第二偏振光束L2之光強度；或是調高第二偏振光束L2之光強度，降低第一偏振光束L1之光強度，光強度之比例例如為由100%至0%，端視實際複合材料而擇定。
第一反射元件112與第二反射元件113分別相對配置於偏振分光鏡111旁。第一反射元件112與偏振分光鏡111之間配置有第一衰減元件114與第一波片116，其中第一衰減元件114位於第一反射元件112與偏振分光鏡111之間，而第一波片116配置於偏振分光鏡111旁，且第一波片116位於第一衰減元件114與偏振分光鏡111之間；第二衰減元件115位於第二反射元件113與偏振分光鏡111之間，而第二波片117配置於偏振分光鏡111旁，且第二波片117位於第二衰減元件115與偏振分光鏡111之間，第一波片116及第二波片117分別為一半波片或一四分之一波片。
第一反射元件112與第二反射元件113兩者可轉換光線的偏振，其中第一反射元件112能相對於偏振分光鏡111移動，且第二反射元件113能相對於偏振分光鏡111移動，以改變第一偏振光束L1與第二偏振光束L1之光程差。以圖8而言，在第一反射元件112設置移動元件118，移動元件118用以朝方向z1移動第一反射元件112，使得第一反射元件112能相對於偏振分光鏡111移動。在一未繪示實施例中，亦可在第二反射元件設置移動元件而讓第二反射元件能相對於偏振分光鏡移動。
第一衰減元件114及第二衰減元件115分別位於第一偏振光束L1與第二偏振光束L2的傳遞路徑上，第一衰減元件114及第二衰減元件115分別用以調整第一衰減元件114與第二衰減元件115之光強度之比例，例如調高第一偏振光束L1之光強度，降低第二偏振光束L2之光強度；或是調高第二偏振光束L2之光強度，降低第一偏振光束L1之光強度，光強度之比例例如為由100%至0%，端視實際複合材料而擇定。
經由上述分光光路模組110設計之下，入射光束P11通過分光 光路模組110後，分光光路模組110用以將入射光束P11分成一第一偏振光束L1與第一偏振光束L1同軸之一第二偏振光束L2，為了便於說明，圖8中第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，然本實施例不對此加以限制，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距能調整，在一實施例中，可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起。
詳細而言，如圖9所示，圖9為圖8中分光光路模組中細部光線傳遞路徑一實施例的示意圖。需說明的是，為了便於說明，圖9省略第一衰減元件114、一第二衰減元件115、一第一波片116、一第二波片117及一移動元件118。
在本實施例中，偏振分光鏡111可由兩個稜鏡所構成，並具有一第一平面111a、一第二平面111b、一入光面111c、一出光面111d以及一分光介面111e。
第一平面111a相對於第二平面111b，第一反射元件112相對於第一平面111a而配置，第二反射元件113相對於第二平面111b而配置，使得偏振分光鏡111配置於第一反射元件112與第二反射元件113之間，換言之，第一反射元件112與第二反射元件113分別位於偏振分光鏡111相對兩側。
入光面111c相對於出光面111d，偏振分光鏡111位於入射光束P11的傳遞路徑上，使得入射光束P11可由入光面111c進入至偏振分光鏡111內，並入射至分光介面111e。
分光介面111e能將入射光束P11分成兩束垂直的p偏振光束與s偏振光束，其中入射光束P11中的p偏振光束穿過分光介面111e並由出光 面111d出射而形成第一偏振光束L1，而入射光束P11中的s偏振光束被分光介面111e反射並穿過第一平面111a而形成一第三偏振光束L3。第三偏振光束L3與第一偏振光束L1兩者的偏振方向彼此垂直，且第三偏振光束L3為p偏振光。
接著，第三偏振光束L3被分光介面111e反射並穿過第一平面111a而入射至第一反射元件112，第一反射元件112用以將第三偏振光束L3轉換為第四偏振光束L4，並反射第四偏振光束L4，使得第四偏振光束L4入射至第一平面111a並穿過分光介面111e，其中第四偏振光束L4與第三偏振光束L3兩者的偏振方向彼此垂直，且第四偏振光束L4為p偏振光。
接著，第四偏振光束L4穿過分光介面111e並由第二平面111b出射，使得第四偏振光束L4入射至第二反射元件113，第二反射元件113用以將第四偏振光束L4轉換為第五偏振光束L5，並反射第五偏振光束L5，其中第五偏振光束L5與第四偏振光束L4兩者的偏振方向彼此垂直，且第五偏振光束L5為s偏振光。而後，第五偏振光束L5被分光介面111e反射並由出光面111d出射而形成第二偏振光束L2。
在上述的配置之下，透過圖9中的分光光路模組110之光路設計結構，可將入射光束P11分成一第一偏振光束L1與一第二偏振光束L2，為了便於說明，圖9中第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，然本實施例不對此加以限制，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距能調整，在一實施例中，可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起而為同軸。接著，如圖8所示，藉由第一反射鏡181、第二反射鏡182及第三反射鏡184所構成的光線反 射傳輸路徑，將第一偏振光束L1與第二偏振光束L2入射單軸晶體元件120中。第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別通過單軸晶體元件120，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別對應到不同之折射率，如此一來，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之脈衝焦距不同以形成在複合材料50上具有兩個不同焦距之聚焦點。
此外，請復參閱圖8，單軸晶體元件120可連接於一調整平台122，調整平台122用以朝方向z2移動單軸晶體元件120，使得單軸晶體元件120能相對於複合材料50移動，以調整第一聚焦點之位置與第二聚焦點之位置。另外，複合材料50可置放於移動平台190，控制單元140連接移動平台190，控制單元140可控制移動平台190之移動行程，以移動複合材料50的位置相對於單軸晶體元件120之位置。
然，本發明不對分光光路模組之光路設計結構加以限制，只要可產生雙偏振光束的光路設計結構均屬本發明所屬範疇，如圖10，圖10為本發明的多層材料加工裝置另一示範實施例的示意圖。需說明的是，為了便於說明，圖10中第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，然本實施例不對此加以限制，在一實施例中，可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起而為同軸，此外，圖10的多層材料加工裝置5與圖8的多層材料加工裝置4相似，其中相同的元件以相同的標號表示且具有相同的功效而不再重複說明，以下僅說明差異處。
圖10與圖8的不同之處在於：圖10中的第二反射元件113、第二衰減元件115及第二波片117的設置位置不同於圖8中的的第二反射元件 113、第二衰減元件115及第二波片117的設置位置，圖10中的第二反射元件113、第二衰減元件115及第二波片117設置在第一反射元件112、第一衰減元件114、第一波片116以及移動元件118之相鄰側，而圖8中的第二反射元件113、第二衰減元件115及第二波片117設置在第一反射元件112、第一衰減元件114、第一波片116以及移動元件118之相對側。
此外，由於改變第二反射元件113、第二衰減元件115及第二波片117的配置位置，故本實施例的多層材料加工裝置5只需要配置第二反射鏡182與第三反射鏡184，來將第一偏振光束L1與第二偏振光束L2入射單軸晶體元件120中。
圖11為本發明的多層材料加工方法的流程圖。請參閱圖11。在本實施例中，多層材料加工方法S1包括以下步驟S10至步驟S14。
首先，進行步驟S10，產生入射光束P11。產生入射光束P11包括以下步驟：首先，產生一初始光束P01，其中初始光束P01可以是雷射脈衝光束或其他非雷射產生器(例如脈衝閃光燈或脈衝發光二極體)所產生的脈衝光束。接著，改變初始光束P01之偏振以形成入射光束，舉例而言，可採用波片來改變初始光束之偏振以形成含有s偏振光與p偏振光之入射光束。
接著，進行步驟S11，令一分光光路模組110將一入射光束P11分成一第一偏振光束L1與一第二偏振光束L2。分光光路模組110例如可採用圖8或圖10的光路設計結構，但並非限制本發明。此外，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距可調整，在一實施例中，第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此分開，然本實施例不對此加以限制，在另一實施例中， 可調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之間距，使得第一偏振光束L1與第二偏振光束L2彼此疊合在一起而為同軸。
接著，進行步驟S12，令第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別通過一單軸晶體元件120，使第一偏振光束L1對應到一折射率nP，第二偏振光束L2對應到不同於折射率nP的一折射率nS，進而使第一偏振光束L1具有一第一聚焦點P1，第二偏振光束L2具有一第二聚焦點P2，第一聚焦點P1之焦距不同於第二聚焦點P2之焦距。因此，利用單軸晶體元件120具雙折射性的特性，使第一偏振光束L1與第二偏振光束L2分別對應到不同之折射率，以形成兩不同焦距之聚焦點。
接著，進行步驟S13，調整步驟。
在一實施例中，調整步驟為旋轉單軸晶體元件120，以調整焦距差d。舉例而言，可透過旋轉平台旋轉單軸晶體元件120以調整焦距差d約為-15mm至15mm之間，故可應用在光電、顯示器產業之透明複合材料，並可因應複合材料各層結構來選定各層聚焦點之位置及焦距差。
在一實施例中，調整步驟為移動單軸晶體元件120，以調整第一聚焦點P1之位置與第二聚焦點P2之位置。舉例而言，可透過調整平台122移動單軸晶體元件120，使得單軸晶體元件120能相對於複合材料50移動，以調整第一聚焦點P1之位置與第二聚焦點P2之位置。
在一實施例中，調整步驟為調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光強度之比例。舉例而言，可透過波片170調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光強度之比例，或者亦可透過第一衰減元件114及第二衰減元件115分別調整第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光強度之比 例，例如調高第一偏振光束L1之光強度，降低第二偏振光束L2之光強度；或是調高第二偏振光束L2之光強度，降低第一偏振光束L1之光強度，光強度之比例例如為由100%至0%，端視實際複合材料而擇定。
在一實施例中，調整步驟為改變第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光程差。舉例而言，藉由移動第一反射元件112及/或第二反射元件113相對於偏振分光鏡111之距離，以改變第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之光程差。
接著，進行步驟S14，令第一聚焦點P1與第二聚焦點P2分別聚焦於一複合材料50中的一第一層結構51之表面及一第二層結構52之表面。據此，透過本實施例的步驟S10至步驟S14形成不同焦距之雙偏振光束而能在不同層結構進行加工造成應力集中點，以達到分層聚焦且一道次切割效果之目的，除了能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題以外，還能改善切割道周圍之裂紋之產生。
細部而言，如圖12所示，圖12為圖11中細部步驟的流程圖。上述令第一聚焦點P1與第二聚焦點P2分別聚焦於複合材料50中的第一層結構51之表面及第二層結構52之表面的步驟S14，包括以下步驟S141至步驟S149。
首先，進行步驟S141，依據複合材料50中的第一層結構51之表面及第二層結構52之表面之間的距離而獲得焦距差d。
接著，進行步驟S142，依據焦距差d，找出單軸晶體元件120折射率分布之一旋轉角。在一實施例中，可由實驗或原廠參數得出切割之複合材料厚度(即圖4中的焦距差d)，改變單軸晶體元件之旋轉角(旋轉角即 圖2中的θ)直到找出一旋轉角以符合步驟S141的焦距差d。
接著，進行步驟S143，旋轉單軸晶體元件120至旋轉角。
接著，進行步驟S144，依序遮蔽第二偏振光束L2及第一偏振光束L1；而後，進行步驟S145，調整單軸晶體元件120至複合材料50之間的距離，以依序找出第一偏振光束L1之第一聚焦點P1在複合材料50中第一層結構51之表面之位置與第二偏振光束L2之第二聚焦點P2在複合材料50中第二層結構52之表面之位置。
在一應用例中，遮蔽分光光路模組110中的p偏振光束。接著，調整單軸晶體元件120至複合材料50之間的距離。接著，藉由一同軸視覺測試或一劃線測試將第一偏振光束L1之第一聚焦點P1對準於複合材料50中的第一層結構51之表面，其中同軸視覺測試可透過如感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)之影像擷取裝置來擷取焦點形貌，調整單軸晶體元件120至複合材料50之間的距離，若可得到最小光斑，則為第一聚焦點，並記錄此時單軸晶體元件120距離複合材料50中第一層結構51之表面為第一距離；劃線測試可透過在每一次調整單軸晶體元件120至複合材料50之間的距離，掃描一次雷射於複合材料50中的第一層結構51之表面上已形成掃描線條，觀察諸多在複合材料50中的第一層結構51之表面上的掃描線條中，採取掃描線條中最細線為第一聚焦點P1的位置，並取得第一距離。接著，遮蔽分光光路模組110中的s偏振光束，並藉由同軸視覺測試或劃線測試將第二偏振光束L2之第二聚焦點P2對準於複合材料50中第二層結構52之表面，以找到第二偏振光束L2之第二聚焦點P2在複合材料50中的第二層結構52之表面之位置，並記錄此時單軸晶體元件120距離複合材料50中第二層結 構52之表面為第二距離。
接著，進行步驟S146，調整單軸晶體元件120之旋轉角，以符合焦距差d。透過步驟S144至步驟S145，找到第一距離與第二距離之後，第一距離與第二距離之差異即為焦距差d，透過調整單軸晶體元件120之旋轉角，以找到符合焦距差d之旋轉角。
接著，進行步驟S147，遮蔽第二偏振光束L2。接著，進行步驟S148，將第一偏振光束L1之第一聚焦點P1對焦至複合材料50中的第一層結構51之表面。而後，進行步驟S149，同時令第一偏振光束L1與第二偏振光束L2出射至複合材料50。進一步，可隨切割製程測試，來改變第一偏振光束L1與第二偏振光束L2之能量。
綜上所述，在本發明提出的多層材料加工裝置及多層材料加工方法中，使雙偏振光束通過單軸晶體元件，讓雙偏振光束分別對應到不同之折射率，以形成兩不同焦距之聚焦點而分別對應到兩層複合材料個別之表面，即能夠在不同層結構進行加工造成應力集中點，來達到分層聚焦且一道次切割效果之目的，除了能解決複合材料切割時不同層改質區寬度不一的問題以外，還能改善切割道周圍之裂紋之產生。
再者，本發明可透過旋轉單軸晶體元件，以調整焦距差，故可因應複合材料各層性質之不同狀況來調整分層聚焦點之位置。
此外，本發明亦可因應複合材料各層性質來調整雙偏振光之光強度之比例。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍 內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (31)

  1. 一種多層材料加工裝置，包括：一分光光路模組，位於一入射光束的傳遞路徑上，該分光光路模組用以將該入射光束分成一第一偏振光束與一第二偏振光束；以及一單軸晶體元件，配置於該分光光路模組旁，該單軸晶體元件之一光軸垂直於該單軸晶體元件之法線，其中該單軸晶體元件位於該第一偏振光束與該第二偏振光束的傳遞路徑上，該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過該單軸晶體元件，使該第一偏振光束對應到該單軸晶體元件的一第一折射率，該第二偏振光束對應到不同於該第一折射率的該單軸晶體元件的一第二折射率，進而使該第一偏振光束具有一第一聚焦點，該第二偏振光束具有一第二聚焦點，該第一聚焦點之焦距不同於該第二聚焦點之焦距。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，更包括：一旋轉元件，其中該單軸晶體元件配置於該旋轉元件，該第一聚焦點與該第二聚焦點之間具有一焦距差，該旋轉元件用以旋轉該單軸晶體元件，以調整該焦距差，該旋轉元件之旋轉軸位於該入射光束之行進方向或該旋轉元件之該旋轉軸與該入射光束存在有一夾角。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之多層材料加工裝置，其中該焦距差介於-15mm至15mm之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，其中該第一偏振光束與該第二偏振光束為同軸或該第一偏振光束與該第二偏振光束具有一間距。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之多層材料加工裝置，其中該第一偏振光束與該第二偏振光束之該間距能調整。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，更包括：一調整平台，連接於該單軸晶體元件，該調整平台用以移動該單軸晶體元件，以調整該第一聚焦點之位置與該第二聚焦點之位置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，其中該單軸晶體元件為一單軸晶體透鏡或一具雙折射性之透鏡。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，其中該單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡所組成，或者該單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡與一均向性材質之透鏡所組成。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之多層材料加工裝置，其中該分光光路模組包括一偏振分光鏡，該偏振分光鏡位於該入射光束的傳遞路徑上，該偏振分光鏡用以將該入射光束分成該第一偏振光束與該第二偏振光束。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之多層材料加工裝置，其中該分光光路模組包括一波片，該波片位於該偏振分光鏡前，該波片用以調整該第一偏振光束與該第二偏振光束之光強度之比例。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之多層材料加工裝置，其中該波片為一半波片或一四分之一波片。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之多層材料加工裝置，其中該分光光路模組包括一第一衰減元件及一第二衰減元件，分別位於該第一偏振光束與該第二偏振光束的傳遞路徑上，該第一衰減元件與該第二衰減元件分別用以調整該第一偏振光束與該第二偏振光束之光強度之比例。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之多層材料加工裝置，其中該分光光路模組包括一第一反射元件與一第二反射元件，該第一反射元件與該第二反射元件分別相對配置於該偏振分光鏡旁，且該第一衰減元件位於該第一反射元件與該偏振分光鏡之間，該第二衰減元件位於該第二反射元件與該 偏振分光鏡之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之多層材料加工裝置，其中該第一反射元件能相對於該偏振分光鏡移動。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之多層材料加工裝置，其中該第二反射元件能相對於該偏振分光鏡移動。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之多層材料加工裝置，其中該分光光路模組包括一第一波片及一第二波片，分別配置於該偏振分光鏡旁。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之多層材料加工裝置，其中該第一波片及該第二波片分別為一半波片或一四分之一波片。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之多層材料加工裝置，更包括：一光源，用以產生一初始光束，其中該波片位於該初始光束的傳輸路徑上，該波片用以改變該初始光束之偏振以形成該入射光束。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之多層材料加工裝置，更包括：一控制單元，連接於該光源與該單軸晶體元件。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之多層材料加工裝置，更包括：一空間濾波元件，配置於該光源旁，且該空間濾波元件位於該初始光束的傳遞路徑上。
  21. 一種多層材料加工方法，包括以下步驟：令一分光光路模組將一入射光束分成一第一偏振光束與一第二偏振光束；令該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過一單軸晶體元件，使該第一偏振光束對應到該單軸晶體元件的一第一折射率，該第二偏振光束對應到不同於該第一折射率的該單軸晶體元件的一第二折射率，進而使該第一偏振光束具有一第一聚焦點，該第二偏振光束具有一第二聚焦 點，該第一聚焦點之焦距不同於該第二聚焦點之焦距，該第一聚焦點與該第二聚焦點之間具有一焦距差；以及令該第一聚焦點與該第二聚焦點分別聚焦於一複合材料中的一第一層結構之表面及一第二層結構之表面。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中令該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過該單軸晶體元件的步驟後，包括以下步驟：旋轉該單軸晶體元件，以調整該焦距差。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中令該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過該單軸晶體元件的步驟後，包括以下步驟：移動該單軸晶體元件，以調整該第一聚焦點之位置與該第二聚焦點之位置。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中令該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過該單軸晶體元件的步驟後，包括以下步驟：調整該第一偏振光束與該第二偏振光束之光強度之比例。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中令該第一偏振光束與該第二偏振光束分別通過該單軸晶體元件的步驟後，包括以下步驟：改變該第一偏振光束與該第二偏振光束之光程差。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中令該第一聚焦點與該第二聚焦點分別聚焦於該複合材料中的該第一層結構之表面及該第二層結構之表面的步驟，包括以下步驟：依據該複合材料中該第一層結構之表面及該第二層結構之表面之間的距離而獲得該焦距差；依據該焦距差，找出該單軸晶體元件折射率分布之一旋轉角；旋轉該單軸晶體元件至該旋轉角； 依序遮蔽該第二偏振光束及該第一偏振光束；調整該單軸晶體元件至該複合材料之間的距離，以依序找出該第一偏振光束之該第一聚焦點在該複合材料中該第一層結構之表面之位置與該第二偏振光束之該第二聚焦點在該複合材料中該第二層結構之表面之位置；調整該單軸晶體元件之該旋轉角，以符合該焦距差；遮蔽該第二偏振光束；將該第一偏振光束之該第一聚焦點對焦至該複合材料中的該第一層結構之表面；以及同時令該第一偏振光束與該第二偏振光束出射至該複合材料。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之多層材料加工方法，其中調整該單軸晶體透鏡至該複合材料之間的距離的步驟，包括以下步驟：藉由一同軸視覺測試或一劃線測試將該第一偏振光束之該第一聚焦點及該第二偏振光束之該第二聚焦點分別對準於該複合材料中的該第一層結構之表面及該第二層結構之表面。
  28. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，更包括以下步驟：產生該入射光束，包括以下步驟：產生一初始光束；以及改變該初始光束之偏振以形成該入射光束。
  29. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中該單軸晶體元件為一單軸晶體透鏡或一具雙折射性之透鏡。
  30. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中該單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡所組成，或者該單軸晶體元件為至少一單軸晶體透鏡與一均向性材質之透鏡所組成。
  31. 如申請專利範圍第21項所述之多層材料加工方法，其中該單軸晶體元件採用方解石、電氣石、紅寶石、鈮酸鋰、石英、金紅石、鋯石或液晶之材料所製成。
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