TWI744794B - 掃描式光源模組 - Google Patents

Abstract

一種掃描式光源模組，適於提供一圖樣光束至位於一工作平面的一目標物件。掃描式光源模組包括一發光元件、一縮擴束裝置、一塑形透鏡組、一掃描反射鏡組以及一遠心平場聚焦元件。發光元件適於提供一光束。縮擴束裝置適於調整光束的外徑。塑形透鏡組適於將光束轉換為圖樣光束。圖樣光束所呈現的圖樣具有多個部份，且這些部份之間具有一間隔。掃描反射鏡組適於反射圖樣光束，以沿至少一方向移動。遠心平場聚焦元件具有一入光面，其中圖樣光束適於藉由掃描反射鏡組的旋轉，以反射至入光面的不同位置上，且工作平面與遠心平場聚焦元件的焦平面具有一距離。

Description

掃描式光源模組

本發明是有關於一種發光裝置，且特別是有關於一種掃描式光源模組。

雷射銲接技術具有能量集中、快速、適合自動化系統整合等優點，是銲接加工重要的技術之一。雷射銲接技術應用於汽車相關車體、鈑金銲接已發展多年，到近期的電動車電池模組應用，如電極銲接、外殼封裝、電動車馬達之轉子銅條銲接，應用範圍和比例逐年提升。然而，目前遭遇許多需要改善的問題。

在目前的技術中，由高斯光斑或平頂光斑所形成的銲道熔池，其中心位置溫度太高而容易產生材料汽化噴濺、熔池凹陷等問題，進而造成銲道局部缺料或凹陷，影響加工品質。除此之外，在製程中大量的噴濺和燻煙將會部份遮蔽雷射光入射能量，進而影響效率和品質。另一方面，在目前的許多產品中，其在銲接過程中必須要降低噴濺情況，例如是電動車馬達的轉子銅條銲接，因材料為銅的銲接過程中的噴濺將產生馬達短路的風險，因此需解決銲接噴濺的問題。

本發明提供一種掃描式光源模組，可提供能量分佈均勻的圖樣光束，以避免銲接工程的過程中產生材料噴濺或銲道凹陷，進而提升在目標物件上所形成的銲道品質及其生產效率。

本發明提供一種掃描式光源模組，適於提供一圖樣光束至位於一工作平面的一目標物件。掃描式光源模組包括一發光元件、一縮擴束裝置、一塑形透鏡組、一掃描反射鏡組以及一遠心平場聚焦元件。發光元件適於提供一光束。縮擴束裝置配置於光束的傳遞路徑上，適於調整光束的外徑。塑形透鏡組配置於光束的傳遞路徑上，適於將光束轉換為一圖樣光束。圖樣光束所呈現的圖樣具有多個部份，且這些部份之間具有一間隔。掃描反射鏡組配置於圖樣光束的傳遞路徑上，適於反射圖樣光束，以沿至少一方向移動。遠心平場聚焦元件具有一入光面，配置於圖樣光束的傳遞路徑上，其中圖樣光束適於藉由掃描反射鏡組的旋轉，以反射至入光面的不同位置上。圖樣光束藉由遠心平場聚焦元件傳遞至目標物件，且工作平面與遠心平場聚焦元件的焦平面具有一距離。

在本發明的一實施例中，上述的發光元件為雷射。

在本發明的一實施例中，上述的塑形透鏡組包括兩平頂錐狀透鏡。

在本發明的一實施例中，上述的兩平頂錐狀透鏡的配置 方向彼此相同。

在本發明的一實施例中，上述的兩平頂錐狀透鏡的配置方向彼此相反。

在本發明的一實施例中，上述的兩平頂錐狀透鏡中呈平頂錐狀的一側朝向彼此。

在本發明的一實施例中，上述的距離大於圖樣光束的瑞利距離。

在本發明的一實施例中，上述的圖樣光束在工作平面上所呈現的圖樣包括一點狀圖樣及一環狀圖樣，且點狀圖樣與環狀圖樣之間具有間隔。

在本發明的一實施例中，上述的點狀圖樣與環狀圖樣之間的尺寸比例依據塑形透鏡組改變。

在本發明的一實施例中，上述的塑形透鏡組包括兩平頂錐狀透鏡，且各平頂錐狀透鏡具有一平頂面以及一錐狀面，光束傳遞通過平頂面以形成點狀圖樣，且光束傳遞通過錐狀面以形成環狀圖樣。

在本發明的一實施例中，上述的環狀圖樣的外徑依據兩平頂錐狀透鏡之間的相對距離而變化。

在本發明的一實施例中，上述的環狀圖樣的外徑與兩平頂錐狀透鏡之間的相對距離成反比。

在本發明的一實施例中，上述的掃描反射鏡組包括一第一反射鏡及一第二反射鏡，第一反射鏡適於反射圖樣光束，以沿 一第一方向移動，第二反射鏡適於反射圖樣光束，以沿一第二方向移動，且第一方向垂直於第二方向。

在本發明的一實施例中，上述的圖樣光束在目標物件上的能量分佈依據距離而變化。

基於上述，在本發明的掃描式光源模組中，發光元件所提供的光束可藉由縮擴束裝置調整外徑，且可藉由通過塑形透鏡組以形成由多個不同圖樣所組成且能量分佈較均勻的圖樣光束。此外，圖樣光束可藉由掃描反射鏡組與遠心平場聚焦元件對目標物件進行高速掃描。如此一來，可在雷射銲接工程中，讓目標物件的表面上被圖樣光束所照射的部份形成為品質良好且分佈均勻的銲道，以避免銲接工程的過程中產生材料噴濺或銲道凹陷，進而能提升銲道品質及生產效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:目標物件

20:銲道

100:掃描式光源模組

110:發光元件

120:縮擴束裝置

130、130A、130B、130C:塑形透鏡組

132_1、132_2:平頂錐狀透鏡

140:掃描反射鏡組

142:第一反射鏡

144:第二反射鏡

150:遠心平場聚焦元件

200、210:曲線

D1、D2:距離

E1:工作平面

E2:焦平面

G:間隔

L1:光束

L2:圖樣光束

P:圖樣

P1:點狀圖樣

P2:環狀圖樣

S1:平頂錐狀面

S11:平頂面

S12:錐狀面

S2:平面

W1、W2:外徑

圖1為本發明一實施例的掃描式光源模組的示意圖。

圖2為本發明一實施例的光束傳遞通過塑形透鏡組的示意圖。

圖3A至圖3C分別為不同實施例的塑形透鏡組的側視示意圖。

圖4為一實施例的光束由遠心平場聚焦元件出光的放大示意圖。

圖5A及圖5B分別為圖4中圖樣光束在對焦狀態時的光斑外觀及光強度分佈。

圖6A及圖6B分別為圖4中圖樣光束在離焦狀態時的光斑外觀及光強度分佈。

圖1為本發明一實施例的掃描式光源模組的示意圖。請參考圖1。本發明的一實施例提供一種掃描式光源模組100，適於提供一圖樣光束L2至位於一工作平面E1的一目標物件10。目標物件10的材料為可進行銲接的材料，例如為銅條，但本發明並不限於此。具體而言，掃描式光源模組100用以提供圖樣光束L2對目標物件10進行照射，進而讓目標物件10的表面上被照射的部份形成為品質良好且分佈均勻的銲道20，以利後續的銲接工程。

在本實施例中，掃描式光源模組100包括一發光元件110、一縮擴束裝置120、一塑形透鏡組130、一掃描反射鏡組140以及一遠心平場聚焦元件150。發光元件110適於提供一光束L1至縮擴束裝置120。詳細而言，發光元件110為雷射發光裝置，故上述光束為雷射光束，且掃描式光源模組100可應用於雷射銲接工程。

縮擴束裝置120配置於光束L1的傳遞路徑上，適於調整光束L1的外徑尺寸，以改變並固定光束L1的光斑尺寸而平行地 傳遞至塑形透鏡組130。縮擴束裝置120例如為縮擴束鏡，可由至少一個具屈光度的透鏡所組成，但本發明並不限於此。

塑形透鏡組130配置於光束L1的傳遞路徑上，適於將光束L1轉換為一圖樣光束L2。具體而言，塑形透鏡組130配置於縮擴束裝置120出射光束L1的一側。在此需先說明的是，圖樣光束L2在工作平面E1上所呈現的圖樣(或稱光斑)具有多個部份，且這些部份之間具有一間隔G。舉例而言，如圖6A所顯示，圖樣光束L2在工作平面E1上所呈現的圖樣P包括一點狀圖樣P1及一環狀圖樣P2，且點狀圖樣P1與環狀圖樣P2之間具有間隔G。其環狀圖樣P2的詳細形成方式將由下述說明。

圖2為本發明一實施例的光束傳遞通過塑形透鏡組的示意圖。請參考圖1及圖2。圖2所顯示的塑形透鏡組130至少可應用於圖1所顯示的掃描式光源模組100中，故以下說明以此為例，但本發明並不限於此。在本實施例中，塑形透鏡組130包括兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2，且兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2各自具有一平頂面S11以及一錐狀面S12，且平頂面S11與錐狀面S12組成為平頂錐狀透鏡132_1、132_2的一側有效光學表面(即平頂錐狀面S1)，另一側有效光學表面則為平面S2。換句話說，各平頂錐狀透鏡132_1、132_2具有相對兩側的平面S2及平頂錐狀面S1，且平頂錐狀面S1由平頂面S11與錐狀面S12所組成。

因此，當光束L1由縮擴束裝置120傳遞進入平頂錐狀透鏡132_1時，光束L1的中央圖樣將通過平頂錐狀透鏡132_1的平 頂面S11，以直線而不經過折射的方式傳遞至平頂錐狀透鏡132_2的平頂面S11，而產生點狀圖樣P1。另一方面，光束L1中未傳遞至平頂錐狀透鏡132_1的平頂面S11的邊緣圖樣(即通過平頂錐狀透鏡132_1的錐狀面S12)，經折射後傳遞至平頂錐狀透鏡132_2的錐狀面S12，而產生環狀圖樣P2，如圖2所顯示。換句話說，形成點狀圖樣P1的光束傳遞通過平頂面S11，且形成環狀圖樣P2的光束傳遞通過錐狀面S12。如此一來，光束L1傳遞通過平頂錐狀透鏡132_1、132_2後將形成具有多個部份圖樣的圖樣光束L2。

值得一提的是，在本實施例中，調整光束L1的外徑尺寸可藉由縮擴束裝置120調整而改變圖樣光束L2的能量分佈之外，點狀圖樣P1與環狀圖樣P2之間的尺寸比例(如圖6A所顯示)也可依據塑形透鏡組130改變。具體而言，調整塑形透鏡組130中兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2之間的相對距離D1可改變形成點狀圖樣P1的部份圖樣光束L2的外徑W1與形成環狀圖樣P2的部份圖樣光束L2的外徑W2比。詳細而言，形成點狀圖樣P1的部份圖樣光束L2的外徑W1與形成環狀圖樣P2的部份圖樣光束L2的外徑W2的關係可用下列公式(1)表示：

其中，W_ring為圖樣光束L2中環狀圖樣P2的外徑W2的一半；W_center為圖樣光束L2中點狀圖樣P1的外徑W1的一半；D1為平頂錐狀透鏡132_1與平頂錐狀透鏡132_2的相對距 離D1；θ _a為平頂錐狀透鏡132_1中錐狀面S12與平頂面S11的夾角；θ _r為光束L1在平頂錐狀透鏡132_1中錐狀面S12上的折射角。

由此可知，環狀圖樣P2的外徑W2依據兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2之間的相對距離D1而變化。如此一來，可藉由調整兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2之間的相對距離D1而改變點狀圖樣P1與環狀圖樣P2的能量分佈。

掃描反射鏡組140配置於圖樣光束L2的傳遞路徑上，適於反射圖樣光束L2，以沿至少一方向移動。詳細而言，在本實施例中，掃描反射鏡組140包括一第一反射鏡142及一第二反射鏡144。第一反射鏡142適於反射圖樣光束L2，以沿一第一方向移動，且第二反射鏡144適於反射圖樣光束L2，以沿一第二方向移動，其中第一方向垂直於第二方向。舉例而言，第一反射鏡142及第二反射鏡144的組合例如分別為不同方向的掃描振鏡，在一實施例中，第一方向為平行於X軸方向，第二方向為平行Y軸方向，第一反射鏡142及第二反射鏡144適於高速地反射圖樣光束L2，以分別沿平行X軸方向以及沿平行Y軸方向移動。

遠心平場聚焦元件150具有一入光面S3，且配置於圖樣光束L2的傳遞路徑上。遠心平場聚焦元件150例如為遠心平場聚焦鏡(telecentric F-theta lens)。遠心平場聚焦元件150則適於讓 圖樣光束L2對焦於一焦平面上，且圖像(或光斑)的形狀在所對焦的焦平面上可藉由遠心平場聚焦元件150的光學特性而維持不變。在本實施例中，圖樣光束L2適於藉由掃描反射鏡組140的旋轉，以反射至遠心平場聚焦元件150的入光面S3上的不同位置，且圖樣光束L2藉由遠心平場聚焦元件150傳遞至目標物件10。由於圖樣光束L2通過遠心平場聚焦元件150後可在工作平面E1上維持固定的圖樣，所以圖樣光束L2藉由掃描反射鏡組140的旋轉反射，因此可實現大面積雷射掃描以進行雷射銲接工程。

圖3A至圖3C分別為不同實施例的塑形透鏡組的側視示意圖。請參考圖3A至圖3C。要注意的是，在圖2的塑形透鏡組130中，兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2的配置方向彼此相反，且平頂錐狀的一側朝向彼此。然而，在圖3A的實施例中，塑形透鏡組130A中兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2的配置方向可彼此相同，且具有平頂錐狀的表面朝向入光的一側。在圖3B的實施例中，塑形透鏡組130B中兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2的配置方向可彼此相同，且具有平頂錐狀的表面朝向出光的一側。在圖3C的實施例中，塑形透鏡組130C中兩平頂錐狀透鏡132_1、132_2的配置方向可彼此相反，但具有平頂錐狀的表面朝向外側。換句話說，本發明並不限制塑形透鏡組中兩平頂錐狀透鏡的配置方向。

圖4為一實施例的光束由遠心平場聚焦元件出光的放大示意圖。圖5A及圖5B分別為圖4中圖樣光束在對焦狀態時的光斑外觀及光強度分佈。圖6A及圖6B分別為圖4中圖樣光束在離 焦狀態時的光斑外觀及光強度分佈。請參考圖1、圖2及圖4至圖6B。圖4所顯示的圖樣光束L2由遠心平場聚焦元件150出光的放大示意圖至少可應用於圖1所顯示的掃描式光源模組100中，故以下說明以此為例，但本發明並不限於此。值得一提的是，在本實施例中，工作平面E1與遠心平場聚焦元件150的焦平面E2具有一距離D2。詳細而言，圖樣光束L2在傳遞後，通過遠心平場聚焦元件150的圖樣光束L2在遠心平場聚焦元件150的焦平面E2上所呈現的圖樣P為圓形圖樣，如圖5A所顯示。而圖5A所顯示圖樣P的光強度與位置的相對關係曲線可由圖5B所顯示的曲線200表示。另一方面，圖樣光束L2在傳遞後，通過遠心平場聚焦元件150的圖樣光束L2在工作平面E1上所呈現的圖樣P為複合光斑圖樣，具有多個部份，且這些部份之間具有間隔G，如圖6A所顯示。而圖6A所顯示圖樣P的光強度與位置的相對關係曲線可由圖6B所顯示的曲線210表示。換句話說，當工作平面E1非位於遠心平場聚焦元件150的焦平面E2(即呈離焦狀態)時，圖樣光束L2所形成的圖樣可維持如同傳遞出塑形透鏡組130的圖樣，而具有多個部份(如點狀圖樣P1與環狀圖樣P2)。如此一來，可使掃描式光源模組100提供具有良好均勻度且可調整的圖樣光束L2對目標物件10進行照射，進而讓目標物件10的表面上被照射的部份形成為品質良好且分佈均勻的銲道20，以避免銲接工程的過程中產生材料噴濺或銲道20凹陷，進而能提升銲道20品質及生產效率。

在一實施例中，工作平面E1與遠心平場聚焦元件150的焦平面E2之間的距離D2大於圖樣光束L2的瑞利距離(Rayleigh length)。換句話說，圖樣光束L2在目標物件10上的能量分佈也可藉由調整工作平面E1與遠心平場聚焦元件150的焦平面E2之間的距離D2而改變。圖樣光束L2的瑞利距離的演算方式可由本領域通常知識者以數值法演算得出，故在此不再贅述。

綜上所述，在本發明的掃描式光源模組中，發光元件所提供的光束可藉由縮擴束裝置調整外徑，且可藉由通過塑形透鏡組以形成由多個不同圖樣所組成且能量分佈較均勻的圖樣光束。此外，圖樣光束可藉由掃描反射鏡組與遠心平場聚焦元件對目標物件進行高速掃描。如此一來，可在雷射銲接工程中，讓目標物件的表面上被圖樣光束所照射的部份形成為品質良好且分佈均勻的銲道，以避免銲接工程的過程中產生材料噴濺或銲道凹陷，進而能提升銲道品質及生產效率。

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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:目標物件

20:銲道

100:掃描式光源模組

110:發光元件

120:縮擴束裝置

130:塑形透鏡組

132_1、132_2:平頂錐狀透鏡

140:掃描反射鏡組

142:第一反射鏡

144:第二反射鏡

150:遠心平場聚焦元件

E1:工作平面

L1:光束

L2:圖樣光束

Claims (13)

1. 一種掃描式光源模組，適於提供一圖樣光束至位於一工作平面的一目標物件，該掃描式光源模組包括：一發光元件，適於提供一光束；一縮擴束裝置，配置於該光束的傳遞路徑上，適於調整該光束的外徑；一塑形透鏡組，配置於該光束的傳遞路徑上，適於將該光束轉換為該圖樣光束，該圖樣光束所呈現的一圖樣具有多個部份，且該些部份之間具有一間隔；一掃描反射鏡組，配置於該圖樣光束的傳遞路徑上，適於反射該圖樣光束，以沿至少一方向移動；以及一遠心平場聚焦元件，具有一入光面，配置於該圖樣光束的傳遞路徑上，其中該圖樣光束適於藉由該掃描反射鏡組的旋轉，以反射至該入光面的不同位置上，該圖樣光束藉由該遠心平場聚焦元件傳遞至該目標物件，且該工作平面與該遠心平場聚焦元件的焦平面具有一距離。
2. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該發光元件為雷射。
3. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該塑形透鏡組包括兩平頂錐狀透鏡。
4. 如請求項3所述的掃描式光源模組，其中該兩平頂錐狀透鏡的配置方向彼此相同。
5. 如請求項3所述的掃描式光源模組，其中該兩平頂錐狀透鏡的配置方向彼此相反。
6. 如請求項5所述的掃描式光源模組，其中該兩平頂錐狀透鏡中呈平頂錐狀的一側朝向彼此。
7. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該距離大於該圖樣光束的瑞利距離。
8. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該圖樣光束在該工作平面上所呈現的該圖樣包括一點狀圖樣及一環狀圖樣，且該點狀圖樣與該環狀圖樣之間具有該間隔。
9. 如請求項8所述的掃描式光源模組，其中該點狀圖樣與該環狀圖樣之間的尺寸比例依據該塑形透鏡組改變。
10. 如請求項8所述的掃描式光源模組，其中該塑形透鏡組包括兩平頂錐狀透鏡，且各該平頂錐狀透鏡具有一平頂面以及一錐狀面，該光束傳遞通過該平頂面以形成該點狀圖樣，且該光束傳遞通過該錐狀面以形成該環狀圖樣。
11. 如請求項10所述的掃描式光源模組，其中該環狀圖樣的外徑依據該兩平頂錐狀透鏡之間的相對距離而變化。
12. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該掃描反射鏡組包括一第一反射鏡及一第二反射鏡，該第一反射鏡適於反射該圖樣光束，以沿一第一方向移動，該第二反射鏡適於反射該圖樣光束，以沿一第二方向移動，且該第一方向垂直於該第二方向。
13. 如請求項1所述的掃描式光源模組，其中該圖樣光束在該目標物件上的能量分佈依據該距離而變化。

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