使用于光轴倾斜加工的光学透镜模块的制作方法

1.本发明提供一种使用于光轴倾斜加工的光学透镜模块，尤指可将振镜扫描模块偏转投射的激光光束，依序通过第一锥透镜、第二透镜单元产生二次偏折的角度，再由聚焦镜聚焦至被加工物沿着圆形扫描路径进行光轴倾斜加工，以形成一垂直无锥度孔洞的切边。


背景技术：

2.按，激光加工技术是当今时代最具技术先进性的加工制造技术之一，相较于传统的加工技术(如钻削、铣削、锯割等)具有高速、高精度及低资源的消耗等优势，并广泛地应用于钣金加工、电路板、光电半导体与面板产业、激光打标等领域中，在许多精密材料的加工制程中，亦可通过不同的激光波长、调整脉冲宽度与功率，来对不同种类与性质的材料进行加工，以因应制程的需要。
3.一般而言，振镜的激光加工系统其控制的方法是利用反射镜来改变激光光束的入射角度，将激光光束控制在工件上的预加工位置，请参阅图4～6所示，当激光光束b经由振镜扫描模块a中的二反射镜a1反射后，可通过平场聚焦镜组a2聚焦至工件c上进行加工，并生成一加工痕c1，其中垂直入射加工指的是加工时激光光束b的光轴b1与工件c水平的加工面形成垂直，即垂直入射至加工面，并在加工面上生成线对称(如光轴b1作为中心的基准线)的加工痕c1，而光轴倾斜加工则是指加工时激光光束b的光轴b1与工件c加工面的法线(即垂直于加工面的基准线)形成一大约5
°
～10
°
夹角，并相较于垂直入射加工可在加工面上生成不对称的加工痕c1，若是经微调功率与入射角度等参数，即有可能于入射指向边形成一垂直无锥度的切边c11且无明显热影响区(haz)，以确保激光加工(如钻孔或切割等)的品质。
4.然而，在现有的激光加工系统中，利用振镜扫描的方式，由于其光学镜头特性，使得激光加工范围与聚焦光点最小尺度，将会受到振镜系统上的聚焦镜头的限制，为了使加工范围有效增大，即必须更换不同焦距的镜头，并且激光光束存在发散角的问题，导致使不同光路行程距离的加工位置，容易发生有激光光斑在被加工物上形成的聚焦光点尺寸偏差的困扰，进而成为加工品质的缺陷，因此，一般作法利用工作在物镜焦面附近的透镜(即场镜，亦称为f-theta场镜、激光扫描聚焦镜或平场聚焦镜)，在不改变光学镜头特性的前提下，可使激光光束在被加工物上形成均匀大小的激光光斑，虽然可以改善激光光斑变形的问题，但却产生因为被加工物与激光加工系统间的距离改变，激光光束聚焦的宽度与距离也会跟着改变的问题，即需要移动或更换不同的聚焦镜头，仍会造成整体使用上的不便。
5.此外，亦有激光加工系统使用光束旋转器，利用中空的伺服电动机分别带动其内部一对楔形棱镜旋转，并由各楔形棱镜将从激光输出部射出的激光光束偏向，再通过聚光透镜来将激光光束聚焦在工件上，以沿着加工预定线扫描来进行加工，惟该一对楔形棱镜在伺服电动机高速旋转带动下，很容易产生有偏移或震动的现象，且激光光束对方向性的变动非常敏感，便会因伺服电动机的不稳定性产生光束漂移现象，仍会发生激光光斑变形或在被加工物上形成的聚焦光点偏移的问题，即为从事于此行业者所亟欲研究改善的方向
所在。


技术实现要素：

6.故，发明人有鉴于上述缺失，乃搜集相关资料经由多方评估及考量，并以从事于此行业累积的多年经验持续试作与修改，始设计出此种使用于光轴倾斜加工的光学透镜模块的发明专利诞生。
7.本发明的主要目的乃在于光学透镜模块为安装在激光扫描器的扫描头与激光射出部之间，仅需微调激光光源输出的功率，以及振镜扫描模块将激光光束偏转入射至光学透镜模块的角度，使激光光束可依序通过第一透镜单元的第一锥透镜、第二透镜单元的第二锥透镜产生二次偏折的角度，再由聚焦镜组的聚焦镜聚焦至被加工物的加工面上沿着圆形扫描路径进行光轴倾斜加工，使加工面上可形成一垂直无锥度孔洞的切边，此种光学镜头设计，在不改变光学镜头特性的前提下，可使激光光束聚焦在被加工物上形成均匀大小的激光光斑，便不须在扫描头与激光射出部之间设置平场聚焦镜，可避免需要移动或更换不同的平场聚焦镜所造成使用上的不便，以提升激光加工的效率及分切边缘的品质。
8.本发明的次要目的乃在于光学透镜模块的第一透镜单元为通过上固定套筒安装在激光扫描器于扫描头底部的转接口，并将第一透镜单元、第二透镜单元与聚焦镜组彼此间可通过固定套筒的结构相互结合而不会旋转，使激光光束经过二次偏折后即可聚焦至被加工物上，以防止伺服电动机高速旋转带动所产生激光光束漂移不稳定、激光光斑变形或在被加工物上形成的聚焦光点偏移的问题。
9.为实现上述发明目的，本发明提供一种使用于光轴倾斜加工的光学透镜模块，适用于一激光加工系统，其特征在于，该激光加工系统包含激光扫描器的扫描头，并于该扫描头内部设置有振镜扫描模块，用以反射一激光光源产生的激光光束执行绕着一中心轴旋转的圆形扫描路径，且该扫描头底部设有一转接口，该光学透镜模块包括：一第一透镜单元，具有安装于该扫描头的转接口处的上固定套筒，并于该上固定套筒内固定有第一锥透镜，且该第一锥透镜上下二侧表面分别具有圆锥面及平面；一第二透镜单元，具有结合于该上固定套筒下方处的中固定套筒，并于该中固定套筒内固定有第二锥透镜，且该第二锥透镜上下二侧表面分别具有平面及圆锥面；以及，一聚焦镜组，具有结合于该中固定套筒下方处的下固定套筒，并于该下固定套筒内固定有聚焦镜，当该激光光束经由该振镜扫描模块偏转投射至该光学透镜模块上时，依序通过该第一锥透镜的圆锥面、该第二锥透镜的圆锥面产生二次偏折的角度，再由该聚焦镜聚焦至一被加工物的加工面上沿着圆形扫描路径进行光轴倾斜加工，使该加工面上形成一垂直无锥度孔洞的切边。
附图说明
10.[图1]是本发明较佳实施例的架构示意图。
[0011]
[图2]是本发明振镜扫描模块搭配光学透镜模块将激光光束以圆形扫描路径进行加工的示意图。
[0012]
[图3]是本发明图2激光光束的焦点聚焦于被加工物上进行光轴倾斜加工的局部放大示意图。
[0013]
[图4]是现有的振镜扫描模块的架构示意图
[0014]
[图5]是现有的激光垂直入射加工的示意图。
[0015]
[图6]是现有的激光光轴倾斜加工的示意图。
[0016]
附图标记列表：1：激光加工系统；10：激光光束；11：激光扫描器；111：扫描头；1111：转接口；112：振镜扫描模块；1121：反射镜；113：激光射出部；1131：喷嘴；1132：保护镜；2：光学透镜模块；21：第一透镜单元；211：上固定套筒；212：第一锥透镜；2121：圆锥面；2122：平面；213：镜架环；22：第二透镜单元；221：中固定套筒；222：第二锥透镜；2221：平面；2222：圆锥面；223：镜架环；23：聚焦镜组；231：下固定套筒；232：聚焦镜；233：镜架环；3：被加工物；31：加工面；32：孔洞；321：切边；α：锥角；β：锥角；ax：中心轴；a：振镜扫描模块；a1：反射镜；a2：平场聚焦镜组；b：激光光束；b1：光轴；c：工件；c1：加工痕；c11：切边。
具体实施方式
[0017]
为达成上述目的及功效，本发明所采用的技术手段及其构造，兹绘图就本发明的较佳实施例详加说明其构造与功能如下，俾利完全了解。
[0018]
请参阅如图1～3所示，分别为本发明较佳实施例的架构示意图、振镜扫描模块搭配光学透镜模块将激光光束以圆形扫描路径进行加工的示意图及图2激光光束的焦点聚焦于被加工物上进行光轴倾斜加工的局部放大示意图，由图中可清楚看出，本发明的的光学透镜模块2为适用于激光加工系统1，该激光加工系统1包含激光光源、调整变焦镜组、激光扫描器11及控制单元，其中该激光光源用以产生一激光光束10，并由控制单元驱动控制在激光光束10传递路径上的调整变焦镜组与激光扫描器11，使调整变焦镜组可调整入射的激光光束10的脉冲光的焦距或发散角度，再入射至激光扫描器11反射后产生偏折，以搭配光学透镜模块2形成一圆形扫描路径。
[0019]
再者，上述的激光扫描器11为具有扫描头111，并于扫描头111的壳体内部设置有振镜扫描模块112，且振镜扫描模块112包含至少一片可利用电流计电动机带动旋转的反射镜1121或多边形镜，用以反射激光光束10来改变其偏折的角度，再投射至光学透镜模块2形成一圆形扫描路径，而扫描头111的壳体底部对正于振镜扫描模块112位置则设有一转接口1111，并于转接口1111的激光光束10传递路径上设置有光学透镜模块2，且扫描头111的壳体在光学透镜模块2底侧或下方一距离设置有激光射出部113的喷嘴1131，用以将激光光束10射出至被加工物3上形成有一聚焦光斑或焦点，再于喷嘴1131内部结合有镜头保护用的玻璃窗(glass window)或保护镜1132。
[0020]
在本实施例中，光学透镜模块2包括第一透镜单元21、第二透镜单元22及聚焦镜组23，并于第一透镜单元21具有安装于扫描头111的转接口1111处的上固定套筒211，且上固定套筒211下方开口内侧处固定有封装于镜架环213内的第一锥透镜212，该第一锥透镜212上下二侧表面分别具有圆锥面2121及平面2122，且圆锥面2121与轴中心上的锥点之间形成的锥角α为介于165
°
～175
°
之间，优选地为170
°
；另，第二透镜单元22为具有结合于上固定套筒211下方开口外侧处的中固定套筒221，并于中固定套筒221下方开口内侧处固定有封装于镜架环223内的第二锥透镜222，该第二锥透镜222上下二侧表面分别具有平面2221及圆锥面2222，且圆锥面2222与轴中心上的锥点之间形成的锥角β为介于160
°
～170
°
之间，优选地为165
°
，又聚焦镜组23为具有结合于中固定套筒221下方开口外侧处的下固定套筒231，并于下固定套筒231下方开口内侧处固定有封装于镜架环233内的聚焦镜232，且聚焦
镜232的焦距长度为介于50～70mm之间，优选地为60mm。
[0021]
此外，上述第一透镜单元21的上固定套筒211较佳实施为利用螺纹接合的方式安装于扫描头111的转接口1111，但并不以此为限，亦可以在上固定套筒211与扫描头111衔接面上利用接环，以旋转扣合或配合磁铁吸附定位等方式结合成为一体；同样的，第一透镜单元21、第二透镜单元22与聚焦镜组23彼此间的固定套筒的结构(如上固定套筒211、中固定套筒221、下固定套筒231)，除了可以利用螺纹接合的方式，也可利用接环以旋转扣合、磁铁吸附定位，或是接环以旋转扣合配合磁铁吸附定位等方式结合成为一体。
[0022]
在本实施例中，激光加工系统1的激光光源优选地可为一紫外光(uv)激光，但并不以此为限，亦可依被加工物3的材质或厚度、所需的加工态样等，选用二氧化碳(co2)、准分子激光、远红外光激光或其他特定波长范围的激光，且可针对激光频率调整性、激光输出、激光光波长等变数进行设定，以符合实际加工制程所需，而被加工物3优选地可为一软性电路板，并于软性电路板表面具有不透明或干扰光线穿透的物质，如涂层、镀膜或金属导线等，且被加工物3可为未经加工的基材，或是经前置加工的半导体基板、显示器面板、电子元件等工件，也可将激光加工系统1应用于高精度加工/特殊锥角加工，如珠宝加工、航空器、汽车喷油嘴、喷孔加工等。
[0023]
当激光加工系统1将激光光源产生的激光光束10经由传递路径(即光路)上的调整变焦镜组(如分光单元、变焦镜组等)传递至激光扫描器11的扫描头111内时，可由振镜扫描模块112二个转轴(如x轴与y轴)相互垂直的反射镜1121旋转反射后产生一偏折的角度，以执行绕着中心轴ax旋转的圆形路径扫描，并使激光光束10偏转后投射至光学透镜模块2于第一透镜单元21的第一锥透镜212上，且激光光束10投射在第一锥透镜212的圆锥面2121上的角度约为法线
±
15
°
，不能将其投射在中间的锥点或中心轴ax上，而激光光束10通过第一锥透镜212产生一偏折后会投射至第二透镜单元22的第二锥透镜222上，同样地，亦不能投射在第二锥透镜222中间的锥点上，并于激光光束10通过第二锥透镜222的圆锥面2222产生偏折的角度，再投射至聚焦镜组23的聚焦镜232上，便可通过聚焦镜232将绕着中心轴ax旋转的激光光束10聚焦至被加工物3的加工面31上形成一焦点，使加工面31上生成一不对称的光刻痕，并沿着圆形扫描路径以激光光束10最外侧圆弧面垂直于加工面31的方案来进行光轴倾斜加工，进而使加工面31形成一垂直无锥度孔洞32的切边321，以完成高宽深比的微孔的钻孔制程。
[0024]
是以，本发明的的光学透镜模块2为安装在激光加工系统1于激光扫描器11的扫描头111与激光射出部113之间，仅需微调激光光源输出功率，以及振镜扫描模块12将激光光源的激光光束10偏转入射至光学透镜模块2的角度，即可将激光光束10依序通过第一透镜单元21的第一锥透镜212、第二透镜单元22的第二锥透镜222产生二次偏折的角度，再由聚焦镜组23的聚焦镜232聚焦至被加工物3的加工面31上沿着圆形扫描路径进行光轴倾斜加工，使加工面31上形成一垂直无锥度孔洞32的切边321，便不须在扫描头111与激光射出部113之间设置平场聚焦镜，可避免需要移动或更换不同的平场聚焦镜所造成使用上的不便，以提升激光加工(如钻孔或切割等)的效率及分切边缘的品质。
[0025]
此外，光学透镜模块2的第一透镜单元21为通过上固定套筒211安装在扫描头111的转接口1111，并将第一透镜单元21、第二透镜单元22与聚焦镜组23彼此间通过固定套筒的结构(如上固定套筒211、中固定套筒221与下固定套筒231)相互结合而不会旋转，使激光
光束10经二次偏折的角度后，即可聚焦至被加工物3上，以防止因伺服电动机高速旋转带动所产生有激光光束漂移不稳定、激光光斑变形或在被加工物上形成的聚焦光点偏移的问题。
[0026]
上述详细说明为针对本发明一种较佳的可行实施例说明而已，惟该实施例并非用以限定本发明的申请专利范围，凡其他未脱离本发明所揭示的技艺精神下所完成的均等变化与修饰变更，均应包含于本发明所涵盖的专利范围中。