TWI374787B - Method and apparatus for calibrating offset in laser scanning - Google Patents

Description

1374787 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 *方校正雷射掃描偏移量之裝置 ”方法尤私一種可放大雷射光點偏移量，盔項 加工即可進行校正之裝置與方法，利用同輪視 制尋點方法提高校正精度、提昇校，二； (in—line)與離線（off-line)進行校正。 卫了於在線 【先前技術】 々以雷射蝕刻技術取代傳統高污染性的化學濕蝕刻一直 都义到矚.目但雷射搭配光罩式技術的加工速度往往令人 話病。針對上述問題’提出結合光罩技術和掃描振鏡的、新 技術。進行雷射掃描振鏡蝕刻或大面積縫合時，加工品質 仰賴加工位置與縫合精度的提昇，然而雷射掃描振鏡卻因 為長時間加工累積的熱量造成振鏡角度偏擺（熱飄-移現 象）.’根據雷射掃描器製造薇商（Scania)提供之數據約為 加工八小時誤差600//rad，亦即，掃描振鏡角度誤差投影 至加工面誤差約為1〇〇〜2〇〇 (隨著scan lens焦長而不 同）’造成的加工圖案或縫合誤差將嚴重影響加工品質。 針對習知專利而言’例如美國發明專利第5185676號 「Beam scanning apparatus and apparatus for writing image information」，該案揭露一種包含偵測單元 (Optical detecting means)及控制單元（Controlling part)之掃描系統，該偵測單元可以判斷通過掃描器之雷射 1374787

光偏移量，經由控制單元校正掃描角度或位置。其技術特 徵在於控制一個轉向板（deflector)改變掃描振鏡 (scanningmirror)之角度或位置’使加工位置偏移，利用 . 一個半反射鏡（half-mirror)將部分雷射反射光導進一 CCD .進行偵測，並使雷射光與該CCD之距離約等於雷射光與加 工件（workpiece)之距離，再根據偵測結果由控制單元校正 •知描振鏡之偏擺角度與偏擺位置；惟，該習知専利之侦測 位置受限於掃描鏡片（scan lens)之焦長及掃描特性，根據 • 公式：Ay=f * △ Θ，其中，Ay為位移變化量，△ 0為角 度變化量，假設焦長f為100〜300_，ΛΘ為5/zrad時， 其位移變化量Ay為0.5〜1.5/zm，由於位移變化量極小， 導致枝正精度低，.此外’一般加工雷射源電流瓦數高達 200〜300瓦（watt)，其加工雷射源直接投射於掃描系統之 偵測器（detector)，容易造成偵測器損壞，雖然可採用衰 減裔改變雷射光源之電流1以哀減雷射能量，卻又會造成 加工不穩定，而設置衰減器也會導致成本增加。 _ 又如美國發明專利第6501061號「Laser calibration apparatus and method」’該案係利用一偵測單元（detector) 偵測光束知描路徑’可付知雷射掃描器（laser scanner) 與來焦光斑之相對座標，再由控制模組（contro 1 modu 1 e) 決定雷射加工至加工件之時間或空間差，藉此校正該雷射 掃描器與雷射聚焦光斑錯位’達到精確加工之目的，並可 藉由.CCD光強度分佈決定光斑中心位置（interpolation techniques);惟’該案必須採用特殊設計的鏡臺（stage)， 導致設備成本提高，此外’一般加工雷射源電流瓦數高達 1374787 200〜300瓦（watt)，其加工雷射源直接投射於掃描系統之 偵測器（detector)，容易造成偵測器損壞，雖然可採用衰 減改變雷射光源之電流量以衰減雷射能量，卻又會造成加 工不穩定，而設置衰減器也會導致成本增加。 據此可知，習知雷射加工系統均必須進行雷射加工方 能達到即時校正效果，且因為偵測位置受限，導致校正精 度無法提升。 【發明内容】 有鑑於習知技術之缺失，本發明提出一種即時校正雷 射掃描偏移量之裝置與方法，可放大雷射光點偏移量，無 須透過雷射加工即可進行校正，利用同轴視覺處理與控制 尋點方法提高校正精度、提昇校正速度，並可於在線 (in-line)與離線（off-line)進行校正。 為達到上述目的，本發明提出一種校正雷射掃描偏移 量之裝置，包含： 一加工雷射輸出單元，用以輸出一加工雷射光束； 一掃描單元，包含一掃描振鏡； 一第一分光單元，係設置於該加工雷射輸出單元與該 掃描單元之間，前述該加工雷射光束係通過該第一分光單 元後進入該掃描單元，再由該掃描單元射出； 一第二分光單元，用以提供由該掃描單元射出之加工 雷射光束通過； 一指向雷射輸出單元，用以輸出一指向雷射光束，該 6 U74787 ==射向該第二分光單元，由該第二分光單元 分光單元軍元射出並射向該第一 ^弟一刀先早7C反射該指向雷射光 雷射:Γ:單二用:承接由該第-分光單元反射之指向 點…㈣ 每射光束於該偵測單元成像-指向光 :目標指向先點位置’該_單元具有 ml制單元’用以比對該指向光點位置與該目標光點 描振^轉=料量，錄據㈣騎朗是雜制該掃 量之==目的’本發明提出-種校正雷射掃描偏移 雷射光輸輪工雷射光束，該加工 f射先束通過—第—分光單元後進人-掃描單元，再由咳 掃描單元射出，該掃描單元包含—掃描振鏡； 由-指向雷射輸出單元輪出一指向雷射光束，該指向 雷射光束係射向該第二分光單S，由該第二分光單元反射 ，入該掃描單元’再由該掃描單元射出並射人該第一分光 單元，再由該第-分光單元反射該指向雷射光束，使該指 向雷射光束射入一偵測單元； 該指向雷射光束於該偵測單元成像一指向光點，由該 偵測單元偵測該指向光點位置，於該偵測單元定義有一目 標光點位置；以及 由一控制單元比對該指向光點位置與該目標光點位置 鏡轉動。烏私Μ亚根據比對結果判斷是否控制該掃描振 於本¥明之結構目的和功效有更 、同’灶配合圖示詳細說明如后。 【實施方式】 用的=:::之圖式來描述本發明為達成目的所使 助言兒明，以利下圖式所列舉之實施例僅為輔 於所列舉圖式。貝—委貝瞭解，但本案之技術手段並不限 量之裝置= 列所：之校正雷射掃插偏移 裴置ιοο#ώ一i 思圖，該校正雷射掃描偏移量之 〜第一分#|-二卫雷射輸出單元1G1、—掃描單元1〇2、 刀无单7〇1〇3、一篦-八止 出單元105、一光學元#‘刀一早凡1〇4、一指向雷射輸 元108構成，^泰牛 Γ偵測單元107及一控制單 光束L1，哕* °:〇工苺射輸出單元101可輸出-加工雷射 之範圍^ 光束U之波長係位於L〜lG_〇nm 振鏡1ί)9ΐ二田早几102包含—掃描振鏡102卜該掃描 出)，=連接至少-疑轉致動元件(圖中未示 該第:八一致動疋件係用以驅動該掃描振鏡1Q21轉動， 兮搞知刀光單兀1〇3係設置於該加工雷射輸出單元101與 补插單WG2之間，該第-分光單元1Q3及第二分光單 兀104可採用短波穿透（sh〇rt wave pass，swp)、長波穿 透（1 ong wave pass，LWP)，其形狀為平板狀、立方狀（cube) 或多邊形狀之分光鏡，該指向雷射輪出單元1〇5可輸出一 1374787 指向雷射光東L2，該指向雷射光束L2 驗—之範圍内’該光學元件106係由非 Usphenc len)與球面透鏡（sphencal h 由透鏡 組，該偵測單元1〇7可採用包含單點，;^焦鏡 之光偵測器’例如電荷偶合树⑽ 感測器 導體（CMOS)之偵測哭、 補式金屬氧化半 杜7nR b糾 制早元108電性連接料風- 件106及该掃描單元1〇2，該控制單元 3及先學凡 鏡控制程式與影像處理程式，用以控制該^ -掃描振 動，並對該掃描振鏡1〇21進行幾何 广振鏡1021轉 量蜂值座標、光斑大小之影像分析。/ ☆座標、光點能 β亥加工雷射光束u由該加卫雷 後，依序通過該第-分光單元103、 =^ 101射出 掃描振鏡1021、該第二分光單元1〇4，q田早70 102及該 300(圖示實線箭頭路徑），可對該加工取< 射向一加工件 工；該指向雷射光束L2 _指向雷進行雷射加 後，係射向該第二分光單元1〇4，由誃^ _早兀105射出 反射後通過該掃描振鏡1021進入該浐二⑽二分光單元104 掃描單元102射出並射向該第一 “V元單L102:再由該 —刀先早7G 103反射，使該指向雷射光 3再由該第 件106後射向該偵測單元1〇7(圖示 通過該光學元 偵測單元107定義有一目標光點位置則頭路徑），於該 位置座標作為基準，該指向雷射光束^2 ^ "亥目標光點 107成像一指向光點，由該偵測單元 可於5亥偵測單元 位置座標，再由該控制單元1〇8比對誃偵測該指向光點 與該目標光點位置座標是否具有偏移二，曰向光點位置座標 里’亚根據比對結果· 1374787 判斷是否控制該掃描振鏡1021轉動，亦即，當該控制單元 108比對該指向光點位置與該目標光點位置吻合時，表示 該掃描振鏡1021之角度正確’因此不會控制該掃描振鏡 1021轉動，當該控制單幻〇8比對該指向光點位置與該目 標光點位置具有-偏移量時，表示該掃描振鏡1021之角度 已產生偏擺，必須控制該掃描振鏡1〇21轉動一角度，以將 該掃描振鏡1021校正回正確角度，至於該控制單^ ι〇8控 制該掃描振鏡1G21轉動之角度，可先由理論公式估笞出二 由該指向雷射光束L2之偏移量除以該掃描鏡之 21之焦長仔出，例如，假設該掃描振鏡1〇21之隹長f ^ 25〇随’當該指向雷射光束L2之偏移量為200mm時'，則 ，動角度Θ為2_m/25m96mrad，當該指向雷射光 ”之偏移置為2〇〇 "時，則轉動角度θ為 鏡ϋ I &大角度轉動’當偏移量小時’則控制該掃描振 ^ 021小角度轉動，但必須說明的是，實際補正的方式仍 /、透過該偵測單元1()7及該控制單元⑽進行影像軟體 =位與尋點機制，以卻時且精確地找出實際需要補正的角 =該掃描振鏡1〇21轉動角度Θ與偏移量之關係，經 ί二。初始倘測光點座標（亦即該指向雷射光束L2於 ㈠89^ Γ9Γ4/〇1 ^像^指向光幻立置座標）為 ，·4) ’當驅動掃描振鏡轉動角度5以rad時，可 ·-先點座標為(-517.3，191.4)’其χ軸座標位移量為 ，當驅動掃描振鏡轉動角度10；c/rad時，可改變光 1374787 點座標為(-5復7，186.7)，與前述轉動_ 卜 對，其X軸座，位移量為23 4_;當驅動 角度變光點座料㈤u，18m 前述轉動10阳d之狀態相比對，其X軸座標位移量為5’/; ，’據此可知，振請u動角度= 乎成正比_’岐，可以判斷出不同角度時之位 作為控制該掃描振鏡1021轉動角度之依據。 里’

請，弟-圖:斤示’必須說明的是，該第一分光 1〇3之乂的在於將該掃描振鏡刪偏擺的角度利用該第一 分光單兀，材料^射率變化，提高該指向雷射光束。反 射角角度’藉此提高偏移量，即可提升判斷精度，而气光 學元件⑽之仙在於可加人放大該指向雷射光束L2=折 角度設計，以提高位置偏移量，提昇判斷精度，換言之， 僅設置該第一分光單元103即可達到提高偏移量之目的， 若是同時設置有該光學元件106(如第一圖所示），則可放 大該指向雷射光束L2偏折角度，如第一圖所示，該指向雷 射光束L21代表未經過光學元件1〇6作用，另一指向雷射 光束L2則代表經過光學元件106作用，由於偏移量二放 大，因此可以提昇判斷精度，據實驗驗證，該光學元件1〇6 採用非球面透鏡（aspheric len)與球面透鏡(spherical 1en)、组合之聚焦鏡組時’透過s亥非球面透鏡（aspher i c 1 en) 提供指向光點（該指向雷射光束L2於該偵測單元i〇7成像 之光點）邊緣之光線快速收斂，不僅可聚焦’同時可提供放 大位移量八倍作用。此外’該偵測單元107之設置位置無 依定限制，可依實際環境空間而設計擺放位置，以第一圖 11 1374787 分光單元103之距 為例’若是將該偵測單元107與該第一 離加大時，可進一步放大偏移量。 根據第一圖及以上所述本發明所提供之校正雷射掃描 祕量之裝置⑽實_及其作動原理，可歸納出校^雷 射知描偏移量之方法包含以下步驟： 田 步驟1 ··由一加工雷射輸出單元1〇1輸出一加工雷射光束 U ’該加工雷射光束L1通過一第一分光單元 後進入一掃描單元102，再由該掃描單元102 出；

步驟2:由一指向雷射輸出單元1〇5輸出一指向雷射光束 L2，3亥指向雷射光束係射向該第二分光單元 104’由該第二分光單^ 104反射通過該掃描振鏡 1021再進入邊掃描單元1〇2,再由該掃描單元 射f並射入該第一分光單元103,再由該第一分 光早几103反射該指向雷射光束L2，使該指向雷 射光束L2通過一光學元件1〇6後射入一偵測單元

107 ’若不叹置该光學元件1 ，則該指向雷射光 束L2係由該第-分光單元1()3反射後直接射入該 偵測單元1〇7; 步驟3 :該指向雷射光束L2於·測單元107成像-指向 光點，由该偵測單元i〇7偵測該指向光點位置， .於該谓測單S 107定義有一目標光點位置； y驟4自控制單儿⑽比對該指向光點位置與該目標 ，點位置是否具有偏移量，並根據比對結果判斷 疋否控制該掃描振鏡1021轉動。 12 13/4/»/ 示意圖，:二—圖所示本發明提供之裝置第二實施例架構 射輸出單=雷射?描偏移量之裝置则由-加4 -第二分光單_、*描早70 202、-第-分光單元203、 件206、1二〇4、:指向雷射輸出單元205、一光學元 單元202包括〜:兀及一控制單元108構成，該掃描 圖該校正雷射掃以上各構件之作用與第- 第二描振鏡1Q21、第，單元‘ 偵測單元二Γ輸出單幻〇5、光學元件1〇6、 施例之特點在於Γ:=8:斤能f揮之作用相同，本實 、 孩第一为光早几204得母菩认分b 元202與該掃描振鏡_之間，使該加工雷射光m :!加=射輸出單元20r射出後，係依序通過該第 早兀203、該掃描單元⑽、該第二分光單元咖、= 振鏡202卜最後射向該加工件3〇〇(圖示實線箭頭路徑田 可對該加工件3GG進行雷射加工；該指向f射工’ 指向雷射輸出單元205射出後，係射向該第二由該 204，由該第二分光單元m反射後直接進人 = 202，再由該掃描單元2〇2射出並射向該第—八 203，再由該第一分光單元2〇3反射，使該指向:光單凡 L2通過該光學元件206後射向該偵測單元2〇7(；圖:射光士 頭路徑）。 Θ示虛線箭 綜上所述，本發明提供之即時校正雷射掃插 曰 裝置與方法，藉由一指向雷射輸出單元，配合二第之 單元、一第二分光單元，以及光學元件及偵蜊單元—分光 13 1374787 單元，可放大雷射光點偏移量，無須透過雷射加工即可進 行校正，利用同軸視覺處理與控制尋點方法提高校正精 度、提昇校正速度，並可於在線（in-1 ine)與離線（off-1 ine) 進行校正。 惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以 之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範 圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之 範圍内，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。 1374787 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明提供之裝置第一實施例架構示意圖。 第二圖係本發明提供之裝置第二實施例架構示意圖。 【主要元件符號說明】 100、 200-校正雷射掃描偏移量之裝置 101、 201-加工雷射輸出單元 102、 202-掃描單元 1021、2021-掃描振鏡 103、 203-第一分光單元 104、 204-第二分光單元 105、 205-指向雷射輸出單元 106、 206-光學元件 107、 207-偵測單元 108、 208-控制單元 300-加工件 L1-加工雷射光束 L2、L21-指向雷射光束 15

Claims (1)

1374787 七、申請專利範圍： 1. 種校正雷射掃描偏移量之裳置勺人 一加工雷射輸出單元，用以輪、，包含： -掃描單元，包含—掃描振鏡，· u雷射光束； 描ί =單=置於該加工雷射輸出單元與該彳 元後進入兮播ρμ — $射先束係通過該第一分光j ， 騎’田早兀’再由該掃描單元射出. 一弟二分光單Lx提供由該 = 射光束通過； 吓钿早兀射出之加工言 -指向雷射輸出單元’用以輸出—指来 向雷射光束係射向該第二分光單 楚 DX £ 反射進入該掃描單元，再由ίΚ /該弟二分光單天 - 第—分光單元反射該指向雷射光束; 射用以承接由該第一分光單元反射之指向雷 該“雷射光束於該偵測單元成像一指向光 右由該_單元_職向光點位置，該偵測單元且 有一目標光點位置；以及 ，、 =制單元’用以崎該指向光點位置與該目標光點位 疋否具有偏移量，並根據比對結果判斷是否控制該掃 描振鏡轉動。 2.如申請專利範圍第丨項所述之校正雷射掃描偏移量之 裝置其更包括一光學元件，該光學元件係設置.於該第 一分光單元與該偵測單元之間，該第一分光單元反射之 指向雷射光束先通過該光學元件後，再射入該偵測單 兀’該光學元件係用以放大該指向雷射光束之偏移量。 1374787 27.如申請專利範圍第15項所述之校正雷射掃描偏移量之 方法，其中該控制單元包含一掃描振鏡控制程式與影像 處理程式.，用以控制該掃描振鏡轉動，並對該掃描振鏡 • 進行幾何光形中心座標、光點能量峰值座標、光斑大小 . 之影像分析。 -- 28.如申請專利範圍第15項所述之校正雷射掃描偏移量之 .· 方法，其中該加工雷射光束由該第二分光單元射出後， 係射向一加工件。 • 29.如申請專利範圍第15項所述之校正雷射掃描偏移量之 方法，其中該掃描振鏡係設置於該第二分光單元與該掃 描单元之間。 • 30.如f請專利範圍第15項所述之校正雷射掃描偏移量之 方法，其中該第二分光單元係設置於該掃描振鏡與該掃 描單元之間。 21