抛光装置及其抛光方法与流程

本发明涉及一种抛光装置及其抛光方法，特别是涉及一种使用具有相异功率的二脉冲激光轮替扫描工件的待抛光表面的抛光装置及其抛光方法。

背景技术：

随着精密机械产业的快速发展，业界对于精密机械零件与生产精密机械零件的精密模具的表面粗糙度的要求也大幅提高。目前传统的抛光方式主要是以手工进行抛光。手工抛光可达到的最佳中心线平均粗糙度(Ra)大约为0.3微米(μm)。

然而，利用手工抛光精密机械零件或模具表面可得到的最佳中心线平均粗糙度已无法满足目前业界的要求，加上手工抛光因抛光速度较慢以及人才培养不易而具有不符合经济效益的问题。因此，如何以自动化的方式快速进行抛光，且能同时满足目前业界对表面粗糙度的要求，已成为目前抛光技术研究的主要方向。

技术实现要素：

本发明是关于一种抛光装置及其抛光方法，用于达到业界对表面粗糙度的要求以及解决手工抛光速度较慢与人才培养不易的问题。

本发明的抛光装置，包含一脉冲激光光源、一调变结构以及一物镜结构。脉冲激光光源提供一脉冲激光。调变结构将脉冲激光分为一第一脉冲激光与一第二脉冲激光，并使第一脉冲激光与第二脉冲激光先后离开调变结构。第一脉冲激光具有一第一功率。第二脉冲激光具有一第二功率。第一功率相异于第二功率。物镜结构用以将第一脉冲激光与第二脉冲激光先后会聚于一工件的一待抛光表面。

本发明的抛光方法包含使用本发明的抛光装置以具有一第一功率的一第一脉冲激光与具有一第二功率的一第二脉冲激光沿着一移动路径多次轮替地扫描一工件的一待抛光表面。该第一功率相异于该第二功率。

根据上述本发明所揭露的抛光装置及其抛光方法，通过抛光装置中具有相异功率的第一脉冲激光与第二脉冲激光多次轮替地扫描工件的待抛光表面，以降低工件的抛光表面中心线平均粗糙度(Ra)至0.3微米(μm)以下，并且提升抛光速度与解决人才培养不易的问题。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例的抛光方法的示意图；

图2A为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光能量变化示意图；

图2B为本发明一实施例的抛光方法的熔融区形貌示意图；

图3A为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光空间能量分布示意图；

图3B为本发明一实施例的抛光方法进行抛光时工件的剖视图；

图4A至图4C分别为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光扫描路径示意图；

图5为本发明一实施例的抛光装置的示意图；

图6为本发明另一实施例的抛光装置的示意图；

图7为本发明的不同脉冲激光功率比的实施例的抛光表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图；

图8为本发明的不同脉冲激光频率的实施例的抛光表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图；

图9为本发明的抛光方法与传统激光抛光方法的表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图；

图10为以传统激光抛光方法抛光后的工件的熔融轨迹型貌示意图；

图11为以传统激光抛光方法抛光后的工件的电子显微镜照片的示意图；

图12为以本发明的抛光方法抛光后的工件的熔融轨迹型貌示意图；

图13为以本发明的抛光方法抛光后的工件的电子显微镜照片的示意图。

符号说明

1 第一脉冲激光

2 第二脉冲激光

3 移动路径

4 工件

5 待抛光表面

6 第一熔融区

7 第二熔融区

8 抛光表面

9 低氧气氛

100、200 抛光装置

110、210 初始脉冲激光光源

120、220 调变结构

121 分光元件

122 合光元件

123 光路调变元件

1231 线性移动平台

1232 镜片组

124 能量调变元件

130、230 光束尺寸调整结构

140、240 光束整形器

150 扫描振镜

160、250 物镜结构

170、260 同轴视觉系统

180、270 供气结构

190、280 多轴机构

10 初始脉冲激光光

20 第一脉冲激光光

30 第二脉冲激光光

a 第一光路

b 第二光路

c 第三光路

w 工件

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

以下说明本发明的抛光方法。本发明的抛光方法，包含以具有一第一功率的一第一脉冲激光与具有一第二功率的一第二脉冲激光沿着一移动路径多次轮替地扫描一工件的一表面。其中，第一脉冲激光的第一功率相异于第二脉冲激光的第二功率。本发明的抛光方法是搭配本发明的抛光装置以对工件进行抛光。有关本发明的抛光装置的结构特征请容后说明。

请参照图1。图1为本发明的抛光方法的示意图。详细来说，本发明的抛光方法是利用第一脉冲激光1与第二脉冲激光2轮替地沿着一移动路径3扫描工件4的待抛光表面5，由此将热能传递至工件4的待抛光表面5，使得待抛光表面5受热熔融而形成第一熔融区6与第二熔融区7。第一熔融区6与第二熔融区7因受到自身表面张力与外来的重力影响而趋于平坦化。待轮替地第一脉冲激光1与第二脉冲激光2扫描通过后，第一熔融区6与第二熔融区7逐渐冷却固化形成抛光表面8，抛光表面8呈现较待抛光表面5平坦的表面结构。在本发明部分实施例中，可以一低氧气氛9隔绝第一熔融区6、第二熔融区7与空气，避免第一熔融区6与第二熔融区7发生氧化。

第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替的方式及功率的大小如图2A所示。图2A为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光能量变化示意图。第一脉冲激光1与第二脉冲激光2于工件表面分别形成的第一熔融区6与第二熔融区7的形貌如图2B所示。图2B为本发明一实施例的抛光方法的熔融区形貌示意图。在本发明的抛光方法中，第二脉冲激光的第二功率为第一脉冲激光的第一功率的10％至90％。

当依照本发明的抛光方法使用具有相异功率的第一脉冲激光与第二脉冲激光进行抛光时，第一脉冲激光与第二脉冲激光于工件的待抛光表面分别形成的第一熔融区与第二熔融区至少部分重叠。如此一来，相邻的第一熔融区与第二熔融区间的热张力分布较为平均，大幅降低沟纹残留于工件的抛光表面的状况，进而使得抛光效果得到提升。相对地，当使用传统激光抛光方式，以相同功率的脉冲激光进行抛光时，产生的相邻熔融区会互相扰动，使得熔融区的热张力分布不均，导致沟纹残留于工件的抛光表面。

在本发明部分实施例中，抛光方法使用的第一脉冲激光与第二脉冲激光来自于同一脉冲激光光源，且脉冲激光光源的功率为5瓦至300瓦。换句话说，第一脉冲激光与第二脉冲激光是由一初始脉冲激光经分光与能量调变，并且分别行经一第一光路与一第二光路后得到。由于第一光路与第二光路之间具有一光程差，使得第一脉冲激光与第二脉冲激光抵达工件的待抛光表面的时间差为0.1至100纳秒(nanosecond，ns)。亦即是，相邻扫描时间点的第一脉冲激光与第二脉冲激光的时间差为0.1至100纳秒。如此一来，相邻扫描时间点的二第一脉冲激光的时间差为0.2至200纳秒，相邻扫描时间点的二第二脉冲激光的时间差为0.2至200纳秒。当使用由同一脉冲激光光源经分光、能量调变与光程调变所得到的第一脉冲激光与第二脉冲激光进行抛光时，由于第一脉冲激光与第二脉冲激光抵达工件的待抛光表面的时间差较来自二相异脉冲激光光源的第一脉冲激光与第二脉冲激光抵达工件的待抛光表面的时间差进一步缩短，因此相邻的第一熔融区与第二熔融区间的热张力平均化效果更为显著，使得抛光效果得到更进一步的提升。

请参照图3A与图3B。图3A为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光空间能量分布示意图。图3B为本发明一实施例的抛光方法进行抛光时工件的剖视图。在本发明部分实施例中，第一脉冲激光与第二脉冲激光的空间能量分布为方形平顶(Top-hat)分布。如此一来，第一脉冲激光或第二脉冲激光于工件的待抛光表面形成的第一熔融区或第二融熔区的深度较为均匀，且可消除冷热温差与边界效应所造成的热回流，降低第一熔融区或第二融熔区因热回流而产生的突起于冷却后残留于抛光表面的情形，进而提升抛光效果。

在本发明部分实施例中，第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替地沿移动路径进行扫描的速度为每秒30毫米(mm/s)至每秒400毫米。如此一来，确保工件受第一脉冲激光与第二脉冲激光照射的表面接收足够的能量而分别由固态形成第一熔融区与第二熔融区，并且使第一熔融区与相邻的第二熔融区至少部分重叠。

请参照图4A至图4C，图4A至图4C分别为本发明一实施例的抛光方法的脉冲激光扫描路径示意图。在本发明部分实施例中，第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替地进行扫描的移动路径3为至少二平行的直线路径，且二平行的直线路径间的间距为4微米(μm)至500微米。扫描路径可以为方向一往一返交替(如图4A)、同方向连续(如图4B)或是方向二往二返交替(如图4C)。如此一来，确保于最短的时间内可使多个第一熔融区与多个第二熔融区覆盖工件的全部待抛光表面，并且使第一熔融区与相邻的第二熔融区至少部分重叠。

在本发明部分实施例中，工件位于一低氧气氛中，且低氧气氛中的氧含量低于15％。如此一来，避免高温的第一熔融区或第二熔融区发生大量氧化而于工件的抛光表面生成大量氧化物，进而影响抛光效果或美观度。

接下来说明本发明一实施例的抛光装置，请参照图5。图5为本发明一实施例的抛光装置的示意图。本发明一实施例的抛光装置100用于抛光一工件w的待抛光表面。抛光装置100包含一初始脉冲激光光源110、一调变结构120、一光束尺寸调整结构130、一光束整形器140、一扫描振镜150、一物镜结构160、一同轴视觉系统170、一供气结构180、一多轴机构190及一控制系统(未绘示)。

初始脉冲激光光源110提供一初始脉冲激光光10。调变结构120包含一分光元件121、一合光元件122、一光路调变元件123与一能量调变元件124。分光元件121将初始脉冲激光光10分为一第一脉冲激光20与一第二脉冲激光30。此时的第一脉冲激光20与第二脉冲激光30具有相同的功率。分光元件121例如为分光镜。第一脉冲激光20离开分光元件121后沿着一第一光路a前进。第二脉冲激光30离开分光元件121后沿一第二光路b前进。

合光元件122汇合第一光路a与第二光路b以形成一第三光路c，使得第一脉冲激光20沿第一光路a抵达合光元件122后继续沿着第三光路c离开调变结构120，第二脉冲激光30也沿第二光路b抵达合光元件122后继续沿着第三光路c离开调变结构120。

光路调变元件123包含一线性移动平台1231与设置于线性移动平台1231上的一镜片组1232。第二脉冲激光30离开分光元件121后受镜片组1232导引沿第二光路b前进。线性移动平台1231可带动镜片组1232相对合光元件122移动以调整第二光路b的光程长度，由此调整第二脉冲激光30与第一脉冲激光20抵达合光元件122的光程差，进而调整第二脉冲激光30与第一脉冲激光20抵达合光元件122的时间差。如此一来，第一脉冲激光20与第二脉冲激光30先后沿着第三光路离开调变结构120。

能量调变元件124位于第二光路b上以调整第二脉冲激光30的功率，由此使得第一脉冲激光20与第二脉冲激光30分别具有相异的第一功率与第二功率。能量调变元件124例如为一衰减片或一二分之一波板与一偏光镜的组合。在本实施例中，能量调变元件124位于镜片组1232内，但不以此为限。在本发明其他实施例中，能量调变元件可位于第一光路或第二光路上的任意位置。

光束尺寸调整结构130可调整离开调变结构120的第一脉冲激光20与第二脉冲激光30的截面尺寸，以得到较佳的抛光效果。若截面尺寸过小，导致激光能量过度集中，熔融区冷却后易于抛光表面留下中间高两边低的突起，降低抛光效果。若截面尺寸过大，导致激光能量过于分散，不易于工件w的待抛光表面形成熔融区，可能造成平坦化效果不佳。

光束整形器140可调整离开调变结构120的第一脉冲激光20与第二脉冲激光30空间能量分布为方形平顶(Top-hat)分布。如此一来，第一脉冲激光20与第二脉冲激光30于工件w的待抛光表面形成的第一熔融区与第二融熔区的深度较为均匀，且可消除冷热温差与边界效应所造成的热回流，降低第一熔融区或第二融熔区因热回流而突出的情形，进而提升抛光效果。光束整形器140例如为绕射光学元件、折射光学元件、硅基液晶元件或微型反射镜元件。

扫描振镜150可导引第一脉冲激光20与第二脉冲激光30先后沿一移动路径扫描工件w的待抛光表面，以进行抛光。

物镜结构160可将第一脉冲激光20与第二脉冲激光30先后会聚于工件w的待抛光表面。

同轴视觉系统170可提供即时影像以便观察第一脉冲激光20与第二脉冲激光30聚焦于工件w的待抛光表面的情况，由此即时确认第一脉冲激光20与第二脉冲激光30于工件w的待抛光表面形成第一熔融区与第二熔融区的状况。

供气结构180可提供一低氧气氛隔绝工件与空气，避免工件的第一熔融区与第二熔融区发生氧化的情形过于严重而影响抛光效果。在本实施例中，供气结构180为气氛腔体。低氧气氛例如为氮气气氛或氩气气氛。

多轴机构190可乘载工件w，并且使工件w可相对物镜结构160移动或旋转。如此一来，可协助使第一脉冲激光20与第二脉冲激光30沿移动路径扫描工件w的表面，也可旋转工件w使工件w以不同的角度面向物镜结构160，以便第一脉冲激光20与第二脉冲激光30进行抛光。

控制系统(未绘示)可根据同轴视觉系统提供的即时影像控制多轴机构以调整工件相对物镜结构的位置或角度，由此调整第一脉冲激光20与第二脉冲激光30聚焦于工件w的待抛光表面的情况。控制系统(未绘示)也可控制光路调变元件123及能量调变元件124以调整第一功率与第二功率间的能量差或第一光路与第二光路间的光程差，由此取得较佳的抛光效果。如此一来，控制系统可简化抛光装置的操作以便加速抛光作业的进行。

接下来说明本发明另一实施例的抛光装置200，请参照图6。图6为本发明另一实施例的抛光装置的示意图。本发明的抛光装置200相似于本发明的抛光装置100，以下仅针对相异之处加以说明，相同之处在此便不再赘述。

抛光装置200包含一初始脉冲激光光源210、一调变结构220、一光束尺寸调整结构230、一光束整形器240、一物镜结构250、一同轴视觉系统260、一供气结构270、一多轴机构280及一控制系统(未绘示)。于抛光装置200中，供气设备270为一气体喷嘴。气体由气体喷嘴喷向工件w以形成包覆第一熔融区与第二熔融区的低氧气氛。第一脉冲激光20与第二脉冲激光30通过多轴机构280承载工件w相对物镜结构250移动，使得第一脉冲激光20与第二脉冲激光30沿移动路径扫描工件w的待抛光表面。

以下说明以本发明的抛光方法的不同实施例对工件的待抛光表面进行抛光，经抛光后的抛光表面的表面中心线平均粗糙度，请参照图7与图8。图7为本发明的不同脉冲激光功率比的实施例的抛光表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图。图8为本发明的不同脉冲激光频率的实施例的抛光表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图。

如图7所示，以本发明的抛光方法选用不同脉冲激光功率比的实施例以20MHz的脉冲激光频率进行抛光得到的中心线平均粗糙度(Ra)低于0.3微米(μm)，优于一般手工抛光可达到的最佳中心线平均粗糙度。当第二功率为第一功率的50％(脉冲功率比为0.5)且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米时，经抛光后的抛光表面具有较低的中心线平均粗糙度(Ra)。当第二功率为第一功率的50％且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率为每秒100毫米时，抛光表面的中心线平均粗糙度为0.05微米。当第二功率为第一功率的50％以上或以下且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米时，经抛光后的抛光表面具有较高的中心线平均粗糙度(Ra)。

如图8所示，以本发明的抛光方法选用不同脉冲激光频率的实施例，以0.5的脉冲功率比进行抛光得到的抛光表面中心线平均粗糙度(Ra)低于0.3微米(μm)，优于一般手工抛光可达到的最佳中心线平均粗糙度。当脉冲激光频率为20MHz且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米时，经抛光后的表面具有较低的中心线平均粗糙度(Ra)。当脉冲激光频率为20MHz且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率为每秒100毫米时，抛光表面的中心线平均粗糙度为0.05微米。当脉冲激光频率低于20MHz且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米时，经抛光后的表面具有较高的中心线平均粗糙度(Ra)。

以下说明以本发明的抛光方法与传统激光抛光方法对工件的待抛光表面进行抛光后，经抛光后的抛光表面的表面粗糙度，请参照图9至图13。图9为本发明的抛光方法与传统激光抛光方法的表面中心线平均粗糙度对扫描速率示意图。图10为以传统激光抛光方法抛光后的工件的熔融轨迹型貌示意图。图11为以传统激光抛光方法抛光后的工件的电子显微镜照片。图12为以本发明的抛光方法抛光后的工件的熔融轨迹型貌示意图。图13为以本发明的抛光方法抛光后的工件的电子显微镜照片。

如图9所示，以本发明脉冲激光频率为20MHz，第二功率为第一功率的50％且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米的第一脉冲激光与第二脉冲激光进行抛光，经抛光后的表面的中心线平均粗糙度(Ra)介于0.05微米(μm)至0.12微米之间。通过传统激光抛光方法，以脉冲激光频率为20MHz且脉冲激光扫描的速率介于每秒40毫米到每秒160毫米的单一强度脉冲激光进行抛光，经抛光后的表面的中心线平均粗糙度介于0.18微米至0.26微米之间。

如图10与图11所示，通过传统激光抛光方法，以脉冲激光频率为20MHz且脉冲激光扫描的速率为每秒40毫米的单一强度脉冲激光进行抛光，经抛光后的表面的中心线平均粗糙度为0.18微米。由利用表面轮廓仪(Bruker Contour GT-K)量测的熔融轨迹型貌与电子显微镜照片可见到工件表面有明显的高低落差与微波纹。相较之下，如图12与图13所示，以本发明脉冲激光频率为20MHz，第二功率为第一功率的50％且第一脉冲激光与第二脉冲激光轮替扫描的速率介于每秒100毫米的第一脉冲激光与第二脉冲激光进行抛光，经抛光后的表面的中心线平均粗糙度(Ra)为0.05微米(μm)。由利用表面轮廓仪量测的熔融轨迹型貌与电子显微镜照片可见到工件表面无明显的高低落差与微波纹。由此可知，本发明的脉冲激光抛光方法与传统激光抛光方法相较之下可得到较低的表面粗糙度，亦即是具有较佳的抛光效果。

综上所述，根据上述本发明所揭露的抛光装置及其抛光方法，通过抛光装置中具有相异功率的第一脉冲激光与第二脉冲激光多次轮替地扫描工件的待抛光表面，以降低工件的抛光表面中心线平均粗糙度(Ra)至0.3微米(μm)以下，并且提升抛光速度与解决人才培养不易的问题。