JP6779313B2 - レーザ光学装置およびヘッド - Google Patents

Description

本発明の一実施形態は、レーザ光学ヘッドに関し、より具体的には、既存のレーザ光学ヘッドより小型化し、レーザビームの形状および大きさを調節できるレーザ光学ヘッドに関する。

レーザを用いる従来技術は、一般的なレーザの固有特性であるガウシアンビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ）を利用する。

ガウシアンビームは、複雑な光学器が多く用いられ、照射されるレーザエネルギーが対象物のアブレーションエネルギー閾値（Ａｂｌａｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ）より小さい場合、対象物の内部がアンダーヒーティング（Ｕｎｄｅｒ−Ｈｅａｔｉｎｇ）されて、レーザ加工が行われない。それだけでなく、照射されるレーザエネルギーが対象物のアブレーションエネルギー閾値より大きい場合には、対象物の内部がオーバーヒーティング（Ｏｖｅｒ−Ｈｅａｔｉｎｇ）されて、イオン化（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、クーロン反発（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ）、アブレーション（Ａｂｌａｔｉｏｎ）を誘発して対象物が損傷しうる問題点があった。また、複数層の様々な材質からなる対象物の場合、各材質のアブレーションエネルギー閾値が異なるので、ガウシアンビームの場合、中央部と外郭部とのエネルギー差があり、中央部はオーバーヒーティングされて、中央部の一部の層の損傷をもたらす問題点があった。したがって、多様なフィルタおよび光学部品を用いて、このようなガウシアンビームの特性を変換して好適なレーザ工程を見出すための努力がなされてきたが、大きな空間内に光学系を構成しなければならないという欠点があった。

韓国登録特許第１０−０２９５１７０号公報（２００１．０４．２５）

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、小型化が可能で、いかなるレーザ装備にも容易に適用可能であるレーザ光学装置およびヘッドを提供することである。

また、本発明の目的は、フラットトップビームを用いて、対象物に均一なエネルギー分布でレーザビームを照射するレーザ光学装置およびヘッドを提供することである。

さらに、内部に多様な光学部品を適用して、使用者が任意にレーザビームの形状を調節できる効果を有する。

なお、適用された各光学部品は、レーザビームの進行方向を調節および補正できるレーザ光学装置およびヘッドを提供するものである。

本発明の一実施形態によれば、レーザビームを伝送する光ファイバ部と、前記光ファイバ部を連結するコネクタと、前記レーザビームを平行ビームに変換するコリメータと、前記平行ビームを集束する集束レンズ部とを含み、前記集束レンズ部から発進する前記平行ビームは、フラットトップ（ｆｌａｔ−ｔｏｐ）ビームである、レーザ光学装置を提供する。

前記光ファイバ部は、コア部と、前記コア部を取り囲んでいる被覆部とを含むことができる。

前記コア部は、多角形形態を有することができる。

前記コア部は、四角形形態を有することができる。

前記平行ビームの形態およびエネルギー分布を変換させるビーム変換装置をさらに含んでもよい。

前記平行ビームの大きさを変更可能なビーム拡大装置を追加的に含んでもよい。

前記平行ビームの形態を変更可能な空間フィルタを含むことができる。

本発明の他の実施形態によれば、ハウジングと、前記ハウジング内に配置され、光ファイバ部を連結するコネクタと、前記ハウジング内に配置された前記コネクタの一側に形成され、前記光ファイバ部から伝送したレーザビームを平行ビームに変換するコリメータと、前記ハウジング内に配置され、前記平行ビームを集束する集束レンズ部とを含み、前記集束レンズ部から発進する前記平行ビームは、フラットトップビームである、レーザ光学ヘッドを提供する。

前記ハウジングは、前記平行ビームの形態およびエネルギー分布を変換させるビーム変換装置を含むことができる。

前記平行ビームの大きさを変更可能なビーム拡大装置を追加的に含んでもよい。

前記ハウジングは、ビームの形態を変更可能な空間フィルタを含むことができる。

本発明は、前記本実施形態と下記に説明する構成との結合、使用関係により、次の効果を得ることができる。

本発明の実施形態によれば、レーザ光学装置およびヘッドの小型化が可能で、いかなるレーザ装備にも容易に適用可能である効果を有する。

また、フラットトップビームを用いて、対象物に均一なエネルギー分布でレーザビームを照射できる効果を有する。

さらに、内部に多様な光学部品を適用して、使用者が任意にレーザビームの形状を調節できる効果を有する。

なお、適用された各光学部品は、レーザビームの進行方向を調節および補正できる効果を有する。

本発明の一実施形態に係るレーザ光学装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係るフラットトップビームを示す図である。 本発明の一実施形態に係るフラットトップビームの照射強度を示す図である。 本発明の一実施形態に係るレーザ光学装置を示す図である。 本発明の他の実施形態に係るレーザ光学ヘッドを示す図である。 本発明の他の実施形態に係るコア部について示す図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を説明する。しかし、これは例示的な実施形態に過ぎず、本発明はこれに制限されない。

本発明を説明するにあたり、本発明に関連する公知技術に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにしうると判断された場合には、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これは、使用者、運用者の意図または慣例などに応じて異なる。そのため、その定義は、本明細書全般にわたる内容に基づいて行われなければならない。

本発明の技術的思想は請求範囲によって決定され、以下の実施形態は、進歩的な本発明の技術的思想を本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に効率的に説明するための一つの手段に過ぎない。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ光学装置１００を示す図である。

図１に示すように、レーザ光学装置１００は、光ファイバ部２０と、コネクタ３０と、コリメータ４０と、集束レンズ部５０とを含むことができる。

これに追加的に、ビーム変換装置６０、空間フィルタ７０、およびビーム拡大装置８０をさらに含んでもよい。

光ファイバ部２０は、レーザ光学ヘッド２００にレーザビームを伝送する役割を果たす。

コネクタ３０は、レーザ光学ヘッド２００と光ファイバ部２０とを互いにカップリング可能に連結させるもので、コネクタ３０は、光ファイバ部２０から伝達されたレーザビームをレーザ光学装置１００の内部に誘導するためのものであってよい。このために、コネクタ３０は、一側が光ファイバ部２０に連結され、他側がレーザ光学ヘッド２００に内込めされる形態で備えられる。また、コネクタ３０は、コリメータ４０と近くに位置することができる。

コリメータ４０は、レーザから出たレーザビームを平行ビームに変換させて平行な状態で伝達させることができる。

集束レンズ部５０は、レーザ光学装置１００の最外側の一側に配置され、レーザビームを集束させることができる。

レーザ光学装置１００は、光ファイバ部２０と、コネクタ３０と、コリメータ４０と、集束レンズ部５０とにより構成される。ただし、追加的な光学装置を含んでもよい。例えば、ビーム変換装置６０、空間フィルタ７０、およびビーム拡大装置８０をさらに含んでもよい。

ビーム変換装置６０は、コリメータ４０から伝達された平行ビームのエネルギー分布を変換させる装置であってよい。ビーム変換装置６０は、レーザビームのガウシアンビーム（Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｆｉｌｅ）形態を、エネルギー分布が均一なフラットトップビーム（Ｆｌａｔ−ｔｏｐ Ｂｅａｍ）形態に変換させる装置であってよい。

光ファイバ部２０のコア部２１に円形コア部２１を用いる場合、ビーム変換装置６０を装着してフラットトップビームを作ることができる。

しかし、四角形コア部２１を用いる場合、四角形コア部２１でフラットトップビームを直接生成できるため、ビーム変換装置６０を装着せずにフラットトップビームを生成することができる。ビーム変換装置６０を装着しなくてもよいので、光経路が短くなり、レーザ光学装置１００の大きさを低減することができる。

ビーム変換装置６０は、簡単な絞りマスキング（Ｓｉｍｐｌｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｍａｓｋｉｎｇ）、フェーズスリットに適した１次元ビームシェイピング（１Ｄ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｐｈａｓｅ ｓｌｉｔ）、少なくとも２つの非球面素子と屈折光学系（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｗｉｔｈ ａｔ ｌｅａｓｔ ｔｗｏ ａｓｐｈｅｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ）、単一二重非球面要素（ｓｉｎｇｌｅ ｂｉ−ａｓｐｈｅｒｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔ）、反射光学システム（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ）、およびバイナリー回折光学（ｂｉｎａｒｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ）などの光学技術を利用して製作することができる。

空間フィルタ７０は、ビームの形態を変形させることができる。スリットやホールなどのフィルタを用いて、集束レンズ部５０から出るビームの形態を変形させることができる。

ビーム拡大装置８０は、レーザビームから照射されたレーザビームの細い平行光線束を太い平行光線束に変換して出射させることができる。例えば、ビーム拡大装置８０は、少なくとも３つのレンズで構成される。それぞれのレンズの距離を利用して倍率を調整することができる。レンズ倍率の調整は、固定型、手動調節型、および自動調節型のうち１つを含むことができる。固定型では、それぞれのレンズ間の距離が固定されていて、倍率が固定可能であり、手動調節型では、使用者が直接手動でレンズを回して倍率を調整することができる。また、自動調節型では、モータを用いて、レンズの距離を調整して倍率を自動調節することができる。このようなビーム拡大装置８０は、コリメータ４０とビーム変換装置６０との間に配置され、レーザビームが十分に太い場合には配置されなくてもよい。また、コリメータ４０とビーム変換装置６０との間には、ビーム拡大装置８０だけでなく、マスクまたはスリットなど少なくとも１つの光学部品を含んでもよい。

本発明の一実施形態によれば、光ファイバ部２０は、コア部２１と、コア部２１を取り囲んでいる被覆部２２とを含むことができる。コア部２１は、様々な形態に形成される。

コア部２１は、円形、楕円形、四角形などの多様な形態に形成される。

コア部２１は、多角形形態を有することができ、特に四角形形態を有することができる。四角形形態のコア部２１を用いる場合、ビーム変換装置６０なくてもフラットトップビーム形態のビームが生成できる。しかし、円形形態などのコア部２１を用いる場合、フラットトップビーム形態に変換するために、ビーム変換装置６０が装着される。

図２は、従来のガウシアンビームと、フラットトップビームの模型を示す図である。

図２に示すように、ガウシアンビームのエネルギーが中心へいくほど高くなる形態で生成され、エネルギー分布が均一でないことがある。しかし、フラットトップビームの場合、エネルギーを均一に分布させることができ、均一な品質を有するレーザ加工が可能である。

フラットトップビームは、円柱のような形状に生成され、エネルギー分布が均一になる。ここで、ビームの形状は、円柱に限定されるものではなく、均一なエネルギー分布を有する円形フラットトップビーム（Ｆｌａｔ−ｔｏｐ Ｃｉｒｃｌｅ Ｂｅａｍ）、四角フラットトップビーム（Ｆｌａｔｔｏｐ Ｓｑｕａｒｅ Ｂｅａｍ）、平行フラットトップビーム（Ｆｌａｔ−ｔｏｐ Ｌｉｎｅ Ｂｅａｍ）などの形態に変形させることができる。

従来のガウシアンビームの場合、中央部と外郭部とのレーザエネルギー分布差があるため、レーザ選択的加工の際に、局所的に未溶融（ｎｏ ｍｅｌｔｉｎｇ）、多孔性（Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）、および微細欠陥（Ｍｉｃｒｏ−Ｃｒａｃｋ）などの発生などで品質低下をもたらすことがあった。また、中央部は、オーバーヒーティング（Ｏｖｅｒ−ｈｅａｔｉｎｇ）されて、レーザ加工品質を向上させるために、レーザエネルギーを低下させて数回のレーザスキャニングまたは緻密な間隔のレーザスキャニングが必要であった。

しかし、フラットトップビームに変換してレーザビームを照射する場合、レーザビームのエネルギーを均一に照射可能で、均一な工程が可能である。

図３は、従来のガウシアンビームと、フラットトップビームのエネルギー強度を示すグラフである。

図３に示すように、ガウシアンビームの場合、照射されるレーザエネルギーが対象物のアブレーションエネルギー閾値（Ａｂｌａｔｉｏｎ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ）より小さい場合、対象物の内部がアンダーヒーティング（Ｕｎｄｅｒ−Ｈｅａｔｉｎｇ）されて、レーザ加工が行われない。照射されるレーザエネルギーが対象物のアブレーションエネルギー閾値より大きい場合には、対象物の内部がオーバーヒーティング（Ｏｖｅｒ−ｈｅａｔｉｎｇ）されて、イオン化（Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、クーロン反発（Ｃｏｕｌｏｍｂ ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ）、アブレーション（Ａｂｌａｔｉｏｎ）を誘発して対象物が損傷しうる。

しかし、フラットトップビームにビームを変換させる場合、均一なエネルギー分布を有するため、材料の加工閾値エネルギーで適切なレーザエネルギーを照射して均一な品質を有するレーザ加工を行うことが可能である。

図４は、本発明の一実施形態に係るレーザ光学装置を示す図である。

図４に示すように、光ファイバ部２０は、コネクタ３０に連結されてレーザを照射するもので、コア部２１と、コア部２１を取り囲む被覆部２２とを含むことができる。

コア部２１として円形コア（Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃｏｒｅ）光ファイバ、四角形コア（Ｓｑｕａｒｅ／Ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ Ｃｏｒｅ）光ファイバ、リングタイプコア（Ｒｉｎｇ Ｔｙｐｅ Ｃｏｒｅ）光ファイバなどを用いる場合、コア部２１に用いられた光ファイバの形状に応じて、ビームの形状が円形、四角形、リングタイプなどに形成される。

光ファイバ部２０から伝達されたレーザビームは、コリメータ４０を通過しながらビームが平行な状態に変換されてビーム変換装置６０に移動できる。

集束レンズ部５０は、レンズを含むことができる。第１レンズ５１と第２レンズ５２との組み合わせによってビームが変換できる。例えば、第１レンズ５１は、平凹円柱レンズであってよいし、第２レンズ５２は、平凸円柱レンズであってよい。複数のレンズの組み合わせによってビームを変換できる。

第１レンズ５１と第２レンズ５２は、同じ種類のレンズであってもよいし、互いに異なる種類のレンズであってもよい。また、互いに異なるレンズである第１レンズ５１と第２レンズ５２の順序配列は変更可能であり、順序配列だけでなく、それぞれのレンズの前面、裏面方向の配置も異なって装着されてもよい。

また、第１レンズ５１と第２レンズ５２とを組み合わせてその間の距離を調節することにより、集束レンズ部５０を通過したレーザビームの横サイズと縦サイズの比率を調節してもよい。例えば、レーザビームの横サイズと縦サイズは、少なくとも１：１０以上の比率を有することができる。

図５は、本発明の他の実施形態に係るレーザ光学ヘッド２００を示す図である。図５に示すように、レーザ光学ヘッド２００は、ハウジング１０を含むことができる。ハウジング１０内にコネクタ３０、コリメータ４０、集束レンズ部５０を含むことができる。

コネクタ３０は、ハウジング１０内に配置され、光ファイバ部２０を連結することができる。コリメータ４０は、ハウジング１０内に配置され、コネクタ３０の一側に形成されて、光ファイバ部２０から伝送したレーザビームを平行ビームに変換することができる。

集束レンズ部５０は、ハウジング１０内に配置され、平行ビームを集束することができる。

集束レンズ部５０は、レンズを含むことができる。第１レンズ５１と第２レンズ５２との組み合わせによってビームの大きさが変換できる。

また、ハウジング１０内にビーム変換装置６０、空間フィルタ７０、およびビーム拡大装置８０を追加的にさらに含んでもよい。

ビーム変換装置６０は、レンズを含むことができる。第１レンズと第２レンズとの組み合わせによってビームが変換できる。

したがって、光ファイバ部２０が多角形形態、特に四角形コア部２１を用いる場合、ビーム変換装置６０を用いずにフラットトップビームを生成することができるが、逆に、四角形コア部２１を用いず、円形コア部２１を用いる場合、ビーム変換装置６０を用いてフラットトップビームを生成することができる。

レーザ光学ヘッド１００は、四角形コア部２１を用いる場合、ビーム変換装置６０を含まなくてもよいので、レーザ光学ヘッド１００のサイズを低減することができる。ビーム変換装置６０を用いる場合、ビーム変換装置６０によってビームの形態が変形して所望するビームの形状を生成可能で、レーザ加工工程速度および工程品質を向上させることができる。

図６は、本発明の他の実施形態に係るコア部２１について示す図である。

図６に示すように、本発明に適用可能な光ファイバ部２０の光ファイバの種類は、多様な形状のコア部２１を有する光ファイバであってよい。光ファイバの大きさに応じて、本開発技術の光学系を通過したビームの大きさおよび品質が異なる。

コア部２１は、左側から右側へ順次に、円形、四角形、六角形、楕円形、長方形などのコア部２１を含むことができる。

しかし、四角形コア部２１を有する場合、ビーム変換装置６０を含まなくても、レーザ光学装置１００はフラットトップビームを照射することができる。

また、内部に適用される光学部品としては、使用者が任意にレーザビームの形状を調節できるように、任意の光学部品を使用することができ、適用された各光学部品は、レーザビームの進行方向を調節および補正可能な装置を含むことができる。

本発明の実施形態に係るレーザ光学ヘッド２００は、半導体、ＰＣＢ、ディスプレイ、自動車、重工業、バイオ、医療分野の表面処理（Ｓｕｒｆａｃｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）、穿孔（Ｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ）、溶接（Ｗｅｌｄｉｎｇ）、カッティング（Ｃｕｔｔｉｎｇ）、スクライビング（Ｓｃｒｉｂｉｎｇ）、アブレーション（Ａｂｌａｔｉｏｎ）、クリーニング（Ｃｌｅａｎｉｎｇ）、ドリリング（Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）、マーキングアンドプリンティング（Ｍａｒｋｉｎｇ ａｎｄ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）など様々なレーザ物質加工（Ｌａｓｅｒ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）に応用可能である。

以上、代表的な実施形態を通じて本発明について詳細に説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、上述した実施形態について本発明の範疇を逸脱しない限度内で多様な変形が可能であることを理解するであろう。そのため、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限って定められてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものによって定められなければならない。

１００： レーザ光学装置
２００： レーザ光学ヘッド
１０ ： ハウジング
２０ ： 光ファイバ部
２１ ： コア部
２２ ： 被覆部
３０ ： コネクタ
４０ ： コリメータ
５０ ： 集束レンズ部
５１ ： 第１レンズ
５２ ： 第２レンズ
６０ ： ビーム変換装置
７０ ： 空間フィルタ
８０ ： ビーム拡大装置

Claims (6)

1. レーザビームを伝送し、四角形の断面であるコア部と、前記コア部を取り囲んでいる被覆部とを含む、光ファイバ部と、
   前記光ファイバ部を連結するコネクタと、
   前記レーザビームを平行ビームに変換するコリメータと、
   前記平行ビームを集束し、それぞれ円柱レンズを含む第１レンズおよび第２レンズを含む集束レンズ部とを含み、
   前記集束レンズ部は、
   前記第１レンズおよび前記第２レンズ間の距離が調節可能であり、平凹円柱レンズである前記第１レンズおよび平凸円柱レンズである前記第２レンズが順次に配列され、
   前記コア部から提供される四角形のレーザビームを前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調節することにより、前記四角形のレーザビームが前記集束レンズ部を通過し、横サイズと縦サイズの比率を１：１０以上の比率に調節し、前記コア部から発進する四角形の断面であるフラットトップ（ｆｌａｔ−ｔｏｐ）ビームを維持させる、レーザ光学装置。
2. 前記平行ビームの大きさを変更可能なビーム拡大装置を追加的に含む、請求項１に記載のレーザ光学装置。
3. 前記平行ビームの形態を変更可能な空間フィルタを追加的に含む、請求項１に記載のレーザ光学装置。
4. ハウジングと、
   前記ハウジング内に配置され、四角形の断面であるコア部と、前記コア部を取り囲んでいる被覆部とを含む、光ファイバ部を連結するコネクタと、
   前記ハウジング内に配置された前記コネクタの一側に形成され、前記光ファイバ部から伝送したレーザビームを平行ビームに変換するコリメータと、
   前記ハウジング内に配置され、前記平行ビームを集束し、それぞれ円柱レンズを含む第１レンズおよび第２レンズを含む集束レンズ部とを含み、
   前記集束レンズ部は、
   前記第１レンズおよび前記第２レンズ間の距離が調節可能であり、平凹円柱レンズである前記第１レンズおよび平凸円柱レンズである前記第２レンズが順次に配列され、
   前記コア部から提供される四角形のレーザビームを前記第１レンズと前記第２レンズとの間の距離を調節することにより、前記四角形のレーザビームが前記集束レンズ部を通過し、横サイズと縦サイズの比率を１：１０以上の比率に調節し、前記コア部から発進する四角形の断面であるフラットトップ（ｆｌａｔ−ｔｏｐ）ビームを維持させる、レーザ光学ヘッド。
5. 前記平行ビームの大きさを変更可能なビーム拡大装置を追加的に含む、請求項４に記載のレーザ光学ヘッド。
6. 前記ハウジングは、ビームの形態を変更可能な空間フィルタを含む、請求項４に記載のレーザ光学ヘッド。

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