雷射微加工：Renishaw VIONiC™ 光學尺大放異彩
雷射微加工包含雷射標示、雷射切割、雷射銑削或雷射材料燒蝕等製程，通常使用高品質雷射光束實現。
雷射輻射的優點包括：
- 高度靈活
- 非接觸式加工和零刀具磨損
- 自動化潛力大
- 易於整合，可應用於各式各樣的加工製程領域，適用於矽、陶瓷、金屬和聚合物等眾多材料
雷射加工生產分為微加工和粗加工，劃分依據不是工件尺寸，而是使用雷射刀具可實現的特徵尺寸精度。微加工所用的雷射系統使用平均功率遠低於 1 kW 的脈衝光束，而粗加工所用的雷射系統通常使用功率高達幾千瓦的連續波 (CW) 雷射光束。
雷射微加工的應用領域，包括製造用於電氣測試和半導體晶圓測試的 MEM（微機電系統）裝置、微型測頭或接觸測頭。雷射加工產品通常用於醫療應用，例如血管支架、可吸收支架和神經血管裝置。
VIONiC™ 系列光學尺是 Renishaw 超高精度的多合一數位增量式光學尺，適用於線性和旋轉應用，專門針對微加工製程和其他類型精密製造所設計。本文重點介紹選擇正確光學尺對雷射加工的重要性。
微加工中的運動控制
目前雷射微加工由兩項技術完成：(i) 雷射直寫 (DLW) 技術，使用固態雷射搭配 2D 電流計掃描頭；以及 (ii) 各種光罩技術（例如光罩投射），大部分使用準分子雷射和傳統固定光罩。
DLW 技術適合在光斑尺寸受通量（或單一雷射脈衝沉積能量）要求限制的情況下，在材料產生大切口特徵以及進行大量鑽孔作業。所需特徵可於 CAD 繪製，然後使用 CAD/CAM 編程介面直接轉換為運動控制代碼。射向工件的光束位置則由精密 X-Y 運動平台直接控制。這些系統的最大優點之一，便是可靈活應用於各式各樣的微加工作業。
接觸式光罩這項技術，是由簡易的光束整形光學元件控制目標雷射功率，特徵形狀則是由與工件接觸的阻擋器光罩決定。接觸式光罩曝光可在工件靜止時執行，或在工件接受光束掃描時進行。如果使用掃描方法，雷射發射速度必須按工作台進給率進行插補計算，以確保曝光一致性，而這需要整合高精度光學尺，以控制工件移動的速度和加速度。接觸式掃描的好處之一是可以處理大面積材料。雷射加工製程使用兩種基本的運動系統：步進馬達和伺服馬達。
步進馬達系統的缺點包括：
- 定位精度有限
- 作業噪音大
- 電流消耗大
伺服馬達的優點包括：
- 搭配使用光學尺時精度高
- 馬達靜止時無電流消耗
- 運動平穩，速度漣波極低 – 非常適合高速應用
在協調運動成像或光罩投射中，光罩和工件分別安裝在由電腦控制的不同 X-Y-Z 平台上。在加工過程中，光罩和平台沿相反方向插補移動，
其中光罩移動幅度的放大係數，等於成像系統的縮小係數。這樣的反向運動，可讓雷射影像精確追蹤移動工件的位置，在曝光光罩的不同區域時，始終保持在相對於工件的相同位置。每個平台均內建高精度光學尺以提供位置回饋，重現性可達 50 nm 以下，解析度達到奈米等級。防動交叉滾子軸承或空氣軸承也確保優異的速度穩定性，可在平台沿著工件上的預設軌跡移動雷射對焦時，盡量減少脈衝能量沉積的局部變化。微加工需要使用先進的運動控制器搭配演算法和硬體，盡可能減少干擾誤差、增強追蹤能力，確保卓越的定位穩定性。軸加速或減速期間的運動誤差最大。
準分子雷射普遍用於類似光微影成像的光罩投射技術 (MP)。光罩投射技術可一次傳輸固定透射光罩中的所有資訊。例如這項技術可在單一雷射脈衝中產生英數字元或圖片的完整標示，持續時間通常為幾奈秒。因此加工速度是由準分子雷射的重複率所限制，而不是電流計掃描器光學鏡組的機械移動。
若要在執行雷射微加工時於特定材料實現所需結果，必須依據波長、脈衝重複率、平均功率和脈衝持續時間等特徵，選擇合適的雷射。超高速雷射可於堅硬材料有效加工極小、極精密的圖案，因為高峰值強度雷射可產生所謂的「冷」燒蝕。加工微型結構的同時不會破壞周圍結構，在某些情況下甚至不會改變材料特性。
鑑於受控及精密的微加工製程具備以上諸多優點，因此業界許多廠商都在最注重品質的應用中，探索使用最短的脈衝雷射。直寫製程的限制條件，是由循序資訊傳輸的固有特性和掃描頭的動態特性決定，因此必須考慮速度限制。
雷射加工設備通常置於其他製程的生產線中，例如在卷對卷生產線上，雷射微加工系統就位在加工連續金屬帶的衝床下游。
在這種情況下，雷射可用於雷射標示、切割或材料燒蝕。材料進給率保持恆定速度，雷射則由衝床滑塊位置觸發。衝床滑塊使用旋轉光學尺，用於判定（衝壓操作之間）振動最小的滑塊循環部分；光學尺也用於伺服控制的滾筒進料器，協助精確控制金屬帶通過雷射時的速度。因此光學尺精度直接影響雷射加工精度。
整合 VIONiC 光學尺系列
Renishaw VIONiC 系列這類高效能光學尺，可在雷射微加工作業中發揮重要作用。這些位置感測裝置向控制器提供回饋，在雷射脈衝之間協調，並可調整平台運動和電流計，以實現微米等級特徵的精密加工。
雷射微加工設備所用的特定光學尺具有高解析度、低延遲、優異精度、精巧的封裝尺寸和重量輕等特性。部分應用偏好使用數位輸出光學尺，與數位即時控制器進行通訊。VIONiC 光學尺系列是多合一的數位增量式光學尺解決方案，適用於線性和旋轉應用，其中將所有必要的插補和數位訊號處理功能，結合在 35 mm x 13.5 mm x 10 mm 的讀頭內，細分誤差 (SDE) 最低可達 <±10 nm，解析度最低則為 2.5 nm。這類讀頭提供多種配置，協助最佳化運動控制系統的速度和效能。
VIONiC 系列設計用於支援各種精密製程，例如以雷射微銑削及其他技術，在矽和塑膠等各種基材上加工細微特徵。部分 VIONiC 系列機型的精度，相當於昂貴的超細刻距 (<4 µm) 光學尺系統，並增添各項優點，例如偏擺角和安裝間隔高度公差更寬鬆、安裝更容易、系統尺寸更小、工作速度更快，以及更靈活的光學尺選項（例如長度更長、抗污能力更強及成本更低等）。
且可配合多種光學尺尺包括金屬鋼帶尺、殷鋼尺以及環型尺（包括超高精度 REXM）等使用。其中提供的各類光學尺可滿足熱補償和精度要求：ZeroMet™ RELM 光學尺在 20°C 的精度為 ±1 µm/m，熱膨脹係數 (CTE) 接近於零。
VIONiC RTLC 不鏽鋼線性光學尺還提供 FASTRACK™ 導軌安裝選項，可有效消除機器基材對光學尺精度的影響，簡化熱誤差補償。高速效能對高產能製程也十分重要，VIONiC 光學尺可於線性軸達到 12 m/s，在旋轉軸可達 4,400 RPM。選配的進階診斷工具 (ADT) 透過人性化的軟體介面提供全方位回饋。