KR100754899B1 - Concurrent type laser marking device and method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 일반적인 레이저 마킹시스템을 나타내는 블록도.1 is a block diagram showing a general laser marking system.
도 2는 일반적인 레이저 마킹장치의 구성을 나타내는 사시도.2 is a perspective view showing a configuration of a general laser marking apparatus.
도 3은 종래의 에너지 쉐어링방식에 의한 레이저 마킹장치의 구성을 나타내는 사시도.Figure 3 is a perspective view showing the configuration of a laser marking apparatus by a conventional energy sharing method.
도 4는 종래의 시분할방식에 의한 셀렉터블 다중 스캔 헤드에 관한 레이저 마킹장치의 구성을 나타내는 평면도.4 is a plan view showing a configuration of a laser marking apparatus for a selectable multiple scan head according to a conventional time division method.
도 5는 본 발명에 의한 하나의 레이저 헤드로 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹하는 대면적 레이저 마킹장치의 구성을 나타내는 사시도.Figure 5 is a perspective view showing the configuration of a large-area laser marking device for simultaneously marking different contents with one laser head according to the present invention.
도 6은 본 발명에 의한 하나의 레이저 헤드로 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹하는 대면적 레이저 마킹장치의 구성을 나타내는 구성도.Figure 6 is a block diagram showing the configuration of a large-area laser marking device for marking different contents simultaneously with one laser head according to the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 광학-음향 변조기의 구성을 나타내는 구성도.7 is a block diagram showing the configuration of an optical-acoustic modulator according to the present invention.
**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**** Description of Codes for Major Configurations of Drawings **
110: 레이저 헤드 112: 광축 조절 미러110: laser head 112: optical axis adjustment mirror
120: 광 분할기 130, 132, 134: 빔 스플리터120:
150, 152, 154: 스캔 헤드 160: 광 변조기150, 152, 154: scan head 160: optical modulator
162: 압전체 기판 164: 트랜스듀서162: piezoelectric substrate 164: transducer
170, 172, 174: 음향-광학 변조기 180: 제로 오더170, 172, 174: acoustic-optic modulator 180: zero order
182: 퍼스트 오더182: First order
본 발명은 1개의 레이저 광원으로 다수의 스캔 헤드를 사용하여 대면적(大面積)을 동시다발적(同時多發的)으로 마킹하는 레이저 마킹장치 및 방법에 관한 것으로, 그 중에서 쉐어링 미러를 이용하여 레이저 빔을 분할하는 방식은 대면적을 마킹할 수 있으나 동일한 내용만을 마킹하는 한계가 있고, 또한 셀렉터블 미러를 사용하여 레이저 빔을 분할하는 방식은 여러 가지 내용을 마킹할 수 있는 장점은 있으나 여러 가지 내용을 동시에 마킹할 수 없는 한계가 있기 때문에, 다수의 스캔 헤드가 대상물에 동시에 서로 다른 내용을 마킹할 수 있도록 레이저 빔을 다수의 빔 스플리터로 분할하는 에너지 분할 방식의 레이저 마킹장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser marking apparatus and method for simultaneously marking a large area in multiple batches using a plurality of scan heads with one laser light source, among which a laser using a sharing mirror The beam dividing method can mark a large area, but there is a limit to marking only the same contents, and the method of dividing a laser beam using a selectable mirror has the advantage of marking various contents, but various contents The present invention relates to an energy marking laser marking apparatus for dividing a laser beam into a plurality of beam splitters so that a plurality of scan heads can simultaneously mark different contents on an object because there is a limitation in that it cannot be simultaneously marked.
레이저 마킹이란 반도체, 자동차, 철강, 플라스틱 혹은 목재 등의 재료로 만들어진 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여 증발시키거나 연소시키는 것으로서, 레이저의 높은 에너지 밀도를 이용하여 물체의 표면을 각인 또는 변색시켜 기호, 문자 혹은 도형 등을 기록하는 것을 말한다. 레이저 마킹은 잉크가 필요하지 않아 장시간 지속적으로 적용이 가능하며, 용매가 불필요한 점에서 환경 친화적인 방식 이다.Laser marking is a process of irradiating a laser beam to an object made of a material such as semiconductor, automobile, steel, plastic, or wood to evaporate or burn it. It means to record letters or figures. Laser marking can be applied continuously for a long time because no ink is required, and it is an environmentally friendly method in that solvent is unnecessary.
레이저 마킹장치 및 시스템은 구성방법 및 사용목적에 따라 크게 스캐닝형, 마스크형, 혼합형 등으로 구분된다.Laser marking devices and systems are largely classified into scanning type, mask type, and mixed type according to the construction method and the purpose of use.
그 중에서 스캔 방식은 피가공물에 고밀도로 집광된 레이저를 조사하고, 상기 레이저 광을 스캐닝 미러로 방향을 돌리면서 피가공물의 표면상에 레이저 스팟광을 스캐닝하고, 빔 스팟이 쪼여진 피가공물 표면의 미소 부분을 레이저 에너지로 순간적으로 용융, 증발, 변식 기타 개질시키면서 기호, 문자, 도형 등의 원하는 패턴을 묘사하여 마킹하는 기술이다. 즉, 스캐닝 방식은 발진된 레이저를 X-Y 스캐닝 주사장치에 의해 임의의 점으로 주사하여 원하는 기호, 문자, 도형 등의 모양을 각인하는 것으로 이미지 스캐너, 오토캐드 등의 입력장치와 각종 소프트웨어를 이용하여 원하는 정보를 피가공물의 표면에 정밀하게 마킹할 수 있는 장점이 있다.Among them, the scanning method irradiates the laser beam focused on the workpiece with high density, and turns the laser light to the scanning mirror while scanning the laser spot light on the surface of the workpiece, and the beam spot is split on the surface of the workpiece. It is a technology to describe and mark desired patterns such as symbols, characters, and shapes while melting, evaporating, transforming, and modifying minute parts with laser energy. In other words, the scanning method scans the oscillated laser to an arbitrary point by an XY scanning scanning device and stamps the shape of a desired symbol, character, figure, and the like. The advantage is that the information can be precisely marked on the surface of the workpiece.
스캔 방식의 레이저 마킹은 예전에는 소량 생산에 적합한 레이저 마킹방식으로 여겨졌으나, 최근에는 초고속 처리가 가능한 디지털 시그널 프로세서(DSP)의 발달과 함께 고속 대량 생산에도 이용할 수 있게 됨에 따라, 반도체 장치 및 자동차용 철강재료나 플라스틱, 목재 등의 대량생산에도 이용되게 되었다.Scanning laser marking was formerly regarded as a laser marking method suitable for small quantity production, but recently, with the development of a digital signal processor (DSP) capable of ultra-fast processing, it can be used for high-speed mass production. It is also used for mass production of steel materials, plastics and wood.
도 1은 일반적인 레이저 마킹시스템을 나타낸 블록도이다. 레이저 헤드(10)에서 각인용 레이저 빔은 임계 에너지에 도달하였을 때 Q-스위치 신호를 거쳐 스캔 헤드(30)를 향해 출력되며, 스캔 헤드(30)는 메인 콘트롤러(40)로부터 정확한 좌표에 관한 구동신호를 받아 정밀하게 구동되어 스캔 헤드(30)의 하부에 배치된 피가공물에 레이저를 반사시켜 조사한다. 레이저의 전원(50)도 메인 콘트롤러(40)에 의해 제어된다. 고성능의 메인 콘트롤러(40)는 일반적으로 고속 처리가 가능한 컴퓨터로서, 레이저 시스템의 상황을 신속히 파악할 수 있고, 사용자가 상황에 따라 자료입력을 용이하게 수행할 수 있다.1 is a block diagram showing a general laser marking system. The laser beam for marking in the
도 2는 레이저 마킹장치의 일례를 나타내는 개략도이다. 레이저 빔(12)은 광원(14)이 로드 챔버(16) 내의 로드봉에 맞음으로써 발진되며, 레이저 빔(12)은 프론트 미러(8)와 리어 미러(10) 사이의 매질을 왕복하면서 파장이 동일한 빛이 중첩됨에 따라 에너지가 증폭된다. 증폭되는 에너지가 충만되는 임계점을 넘게 되면 Q-스위치 제어신호에 의해 Q-스위치(22)가 온/오프되어 레이저 빔(12)이 스캔 헤드부(30)로 발진된다. Q-스위치(22)는 메인 콘트롤러(40) 또는 스캐너 제어용 프로세서(DSP)에서 온/오프한다. 스캔 헤드(30)에는 스캐너(galvanometer)가 내장되어 메인 콘트롤러(40) 및 스캐너 제어용 프로세서에 의해 레이저 반사각도를 조절한다. 2 is a schematic view showing an example of a laser marking apparatus. The
그런데 종래의 레이저 마킹시스템에 의하면, LCD 패널 등 레이저가 마킹되어야 할 피가공물의 면적이 클 경우에 그와 같은 대면적 피가공물의 표면 전체에 대해 상기 스캔 헤드(30)가 한꺼번에 처리할 수 없었다. 이러한 문제점을 피하기 위하여, 피가공물을 절단하여 개별적으로 레이저 마킹을 실행하는 방식을 사용하거나 혹은 피가공물을 절단하지 않고 이송장치를 X축 또는 Y축으로 이동시켜 레이저 마킹을 실행하는 방식 등이 사용되었다.However, according to the conventional laser marking system, when the area of the workpiece to be lasered, such as an LCD panel, is large, the
그러나 피가공물을 절단해서는 안 되는 경우가 많이 있을 뿐 아니라, 절단하여 개별적으로 레이저 마킹을 실행할 경우 개별적 마킹에 필요한 장비 및 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 피가공물의 절단 없이 이송장치를 X축 및 Y축으로 이동시킬 경우에는 상당한 시간이 소요된다.However, there are many cases in which the workpieces should not be cut, and when cutting and executing laser marking individually, there is a problem in that a lot of equipment and time are required for the individual marking. In addition, it takes considerable time to move the feeder to the X and Y axes without cutting the workpiece.
면적이 큰 피가공물 상에 각인되는 기호, 문자, 도형 기타 모양이 여러 부분에서 동일할 경우에는 복수의 스캔 헤드를 설치하고 각 스캔 헤드를 향해 레이저를 분할하여 레이저 마킹처리를 실행하는 것을 고려해 볼 수 있다.If the symbols, letters, figures, and shapes stamped on a large-area workpiece are the same in several parts, consider installing a plurality of scan heads and performing laser marking by dividing the laser toward each scan head. have.
도 3은 이와 같은 방식으로 복수의 스캔 헤드를 이용한 레이저 마킹시스템의 실시예를 나타낸 개략 사시도이다. 상기한 마킹시스템에 의하면, 레이저 헤드(110)로부터 발진된 레이저 빔은 반사 미러(120)에 의해 1차 굴절되어 쉐어링 미러(130)를 통해 분산되고, 다수의 전반사 미러(140)를 통해 전반사되어 각각의 빔 익스팬더 텔레스코프(150) 및 스캔 헤드(160)로 입사된다. 이러한 경우, 피가공물을 X축 또는 Y축의 어느 한 방향으로만 이송하면 되므로 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있고, 공정의 감소도 기대할 수 있다.3 is a schematic perspective view of an embodiment of a laser marking system using a plurality of scan heads in this manner. According to the marking system described above, the laser beam oscillated from the
그러나 전술한 마킹시스템은 레이저의 에너지를 여러 스캔 헤드(160)를 향해 분할하여 각인하는 에너지 쉐어링(Energy Sharing) 방식에 의한 것으로서, 각각의 스캔 헤드(160)를 통해 동일한 내용만을 마킹할 수 있는 한계가 있다. 예컨대, 도 3에서와 같이 동일한 A 문자만을 복수로 각인할 수 있을 뿐이다.However, the above-described marking system is based on an energy sharing method of dividing and engraving the energy of the laser toward the
이러한 문제점을 감안하여, 하나의 레이저 헤드로부터 발진된 레이저를 복수개의 헤드를 향해 반사시킴으로써 복수개의 마킹 위치에 레이저 마킹을 할 수 있도록 하되, 각각의 스캔 헤드가 상이한 내용의 마킹을 할 수 있도록 하는 셀렉터블 다중 스캔 헤드를 이용한 시분할 레이저 마킹 장치 및 방법이 안출되었다In view of these problems, the selector is capable of laser marking at a plurality of marking positions by reflecting the laser oscillated from one laser head toward a plurality of heads, but allowing each scan head to mark different contents. Apparatus and method for time division laser marking using double scan head
도 4는 이와 같은 방식으로 셀렉터블 다중 스캔 헤드를 이용한 시분할 레이저 마킹시스템의 실시예를 나타낸 개략 사시도이다. 상기한 마킹시스템에 의하면, 레이저 헤드(210)는 메인 콘트롤러 또는 스캐너 제어용 프로세서 등으로부터 Q-스위치 온(On) 신호를 받아 레이저 빔을 출력한다. 레이저 빔은 반사 미러(220)에서 반사되어 셀렉트 미러(230)를 향한다. 이때, 셀렉트 미러(230)는 메인 프로세서 혹은 셀렉트 미러(230)의 각도를 선택적으로 조절하는 셀렉트 미러 제어기에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 4개의 스캔 헤드(240) 중의 어느 하나를 향한 경로에 대항된다. 레이저 빔은 셀렉트 미러(230)에서 선택적으로 반사되어 상측의 얼라인 미러(230)와 하측의 얼라인 미러(230)를 거쳐 해당하는 스캔 헤드(240)를 향해 입사된다.4 is a schematic perspective view of an embodiment of a time division laser marking system using the selectable multiple scan head in this manner. According to the marking system, the
그러나 셀렉트 미러(230)를 구동시킬 때, 즉 셀렉트 미러(230)를 회전시키는 동안에는 레이저가 발진되지 않도록 하기 위하여, 회전 전에는 Q-스위치를 오프 상태로 두고, 회전 후에야 비로소 Q-스위치를 온 상태로 바꿈으로써, 레이저를 레이저 헤드(210)로 발진할 수 있는 것이다. 따라서, 일방 스캔 헤드(240)에서 마킹을 수행할 때는 타방 스캔 헤드(240)에서는 마킹을 수행할 수 없는 결정적인 문제점이 있다.However, in order to prevent the laser from oscillating when driving the
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하나의 레이저 헤드만을 사용하여 대면적 마킹을 수행할 수 있는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to provide a laser marking apparatus and method capable of performing large-area marking using only one laser head. .
본 발명의 다른 목적은 하나의 레이저 헤드만으로 복수개의 스캔 헤드를 구동할 수 있는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a laser marking apparatus and method capable of driving a plurality of scan heads with only one laser head.
본 발명의 또 다른 목적은 복수개의 스캔 헤드로 복수개의 피조사자위치에 서로 다른 내용을 마킹할 수 있는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a laser marking apparatus and method capable of marking different contents at a plurality of subject positions with a plurality of scan heads.
본 발명의 또 다른 목적은 레이저 빔을 다수의 빔으로 분할하여 복수개의 스캔 헤드로 복수개의 피조사자위치에 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹할 수 있는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a laser marking apparatus and method capable of simultaneously marking different contents at a plurality of subject positions with multiple scan heads by dividing a laser beam into multiple beams.
본 발명의 또 다른 목적은 대면적의 피가공물에 서로 다른 여러 가지 모양들을 동시다발적으로 마킹하기 위하여, 한 개의 레이저 빔을 동일한 레벨의 파워를 갖는 레이저 빔으로 분할하는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a laser marking apparatus and method for dividing a single laser beam into laser beams having the same level of power in order to simultaneously mark different shapes on a large-area workpiece. It is.
본 발명의 또 다른 목적은 각각의 분할된 레이저 빔이 동일한 레벨의 레이저 파워를 갖도록 하기 위하여 스캔 헤드 수에 따라 빔 스플리터의 투과량과 반사량을 상이하게 결정하는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a laser marking apparatus and method for determining the transmission amount and the reflection amount of a beam splitter differently according to the number of scan heads so that each divided laser beam has the same level of laser power.
본 발명의 또 다른 목적은 각각의 빔 스플리터의 투과량과 반사량을 각기 다르게 결정하기 위하여, 광학적으로 굴절률이 서로 다른 물질을 반복 코팅하여 미러를 형성하는 레이저 마킹장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a laser marking apparatus and method for forming a mirror by repeatedly coating optically different materials with different refractive indices in order to determine different amounts of transmission and reflection of each beam splitter.
전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명 은 레이저 빔을 출력하는 한 개의 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드로부터 출사된 레이저 빔을 동일한 레벨의 에너지를 갖는 다수의 레이저 빔으로 분할하는 광 분할기와, 상기 광 분할기에서 분할된 레이저 빔의 방향을 굴절시키는 다수의 광 변조기와, 상기 광 변조기에서 굴절된 레이저 빔을 대면적의 피가공물에 서로 다른 기호, 문자, 도형 기타 패턴을 마킹하는 다수의 스캔 헤드를 포함하여 구성된다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the present invention provides a laser head for outputting a laser beam and the laser beam emitted from the laser head into a plurality of laser beams having the same level of energy A light splitter for dividing, a plurality of light modulators for refracting the direction of the laser beam split in the light splitter, and a laser beam refracted in the light modulator, with different symbols, letters, figures, and other patterns on a large-area workpiece. It comprises a plurality of scan heads marking.
상기 광 변조기는 다수의 빔 스플리터를 사용함으로써 각 스캔 헤드는 다른 스캔 헤드에 영향을 주지않고, 서로 다른 내용의 패턴을 동시다발적으로 마킹할 수 있다.The optical modulator uses multiple beam splitters so that each scan head can simultaneously mark patterns of different contents without affecting the other scan heads.
상기 다수의 빔 스플리터는 스캔 헤드 수에 따라 투과량과 반사량을 각각 상이하게 결정하도록 코팅된 광학 미러이다.The plurality of beam splitters are optical mirrors coated to determine the transmission amount and the reflection amount differently according to the number of scan heads.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 한 개의 레이저를 이용하여 다수의 대상물을 마킹하는 레이저 마킹장치에 있어서, 전원이 인가되면 레이저 빔을 발진하는 레이저 헤드와, 상기 레이저 빔을 다수개의 빔으로 분할하는 광 분할기와, 상기 분할된 빔을 변조하는 광 변조기와, 상기 변조된 빔을 상기 가공 대상물에 조사하여 가공 대상물을 마킹하는 다수의 스캔 헤드를 포함하여 구성된다.According to another aspect of the invention, the present invention is a laser marking apparatus for marking a plurality of objects using a single laser, the laser head for oscillating a laser beam when power is applied, and the laser beam to a plurality of beams And a light splitter for dividing, an optical modulator for modulating the divided beam, and a plurality of scan heads for irradiating the modulated beam to the workpiece to mark the workpiece.
상기 레이저 헤드와 광 분할기 사이에는 레이저 빔을 굴절시키는 광축 조절 미러가 더 포함된다.Between the laser head and the light splitter further includes an optical axis adjustment mirror for refracting the laser beam.
상기 광 분할기는 다수의 스캔 헤드가 동시에 서로 다른 내용을 마킹할 수 있도록 다수의 빔 스플리터로 구성된다.The optical splitter is comprised of multiple beam splitters so that multiple scan heads can simultaneously mark different content.
상기 빔 스플리터는 레이저 빔을 선택적으로 반사 혹은 투과할 수 있는 미러 로서, 상기 스캔 헤드 수에 따라 적절한 비율로 투과량과 반사량이 결정되며, 그 중 마지막에 설치되는 미러는 전반사미러이다.The beam splitter is a mirror capable of selectively reflecting or transmitting a laser beam, and a transmission amount and a reflection amount are determined at an appropriate ratio according to the number of the scan heads, and the last mirror is a total reflection mirror.
상기 스캔 헤드를 N개로 할 경우에, 상기 각 스캔 헤드에서 출사되는 분할 빔의 크기는 상기 레이저 빔의 1/N 크기로 정해진다.When the number of scan heads is N, the size of the split beam emitted from each scan head is set to 1 / N of the laser beam.
상기 스캔 헤드를 N개로 할 경우에, 제1빔 스플리터에서 반사되는 빔의 크기는 상기 레이저 헤드에서 출사되는 레이저 빔의 1/N배이고 나머지는 모두 투과되며, 제2빔 스플리터에서 반사되는 빔의 크기는 상기 투과된 빔의 1/(N-1) 배이고 나머지는 모두 투과되며, 제N빔 스플리터에서는 모두 전반사된다.When the number of the scan heads is N, the size of the beam reflected by the first beam splitter is 1 / N times that of the laser beam emitted from the laser head, and the rest are all transmitted, and the size of the beam reflected by the second beam splitter. Is 1 / (N-1) times the transmitted beam, all the others are transmitted, and in the Nth beam splitter, all are totally reflected.
제N빔 스플리터에서는 상기 광학적 두께가 빔 파장의 1/4이 되도록 하는 전반사미러가 사용된다.In the N-th beam splitter, a total reflection mirror is used such that the optical thickness is one quarter of the beam wavelength.
상기 투과율 및 반사율은 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질을 반복하여 적층한 두께로 결정하고, 반사율을 높이고 동시에 투과율을 낮추기 위하여는 상기 물질의 적층 두께를 높이며, 반대로 반사율을 낮추고 동시에 투과율을 높이기 위하여는 상기 물질의 적층 두께를 낮추는 것이다.The transmittance and the reflectance are determined by the thickness of a repeatedly stacked material having a high refractive index and a low refractive index, and in order to increase the reflectance and decrease the transmittance at the same time, to increase the stack thickness of the material and, conversely, to reduce the reflectance and at the same time increase the transmittance. Is to lower the lamination thickness of the material.
상기 광 변조기는, 음향-광학 변조기나 광전기 변조기 혹은 음향광 조절 필터가 사용된다.As the optical modulator, an acoustic-optic modulator, an optoelectronic modulator or an acoustic light control filter is used.
상기 음향-광학 변조기는, 압전체 기판과, 상기 압전체 기판의 일측면에 부착되어 인가되는 전기에너지를 음향에너지로 변환하여 상기 압전체 기판의 대항면으로 음파를 발생시켜, 상기 압전체 기판에 브래그 격자를 발생시키는 트랜스듀서로 구성된다.The acousto-optic modulator converts electrical energy applied to one side of the piezoelectric substrate and one side of the piezoelectric substrate into acoustic energy to generate sound waves on opposite surfaces of the piezoelectric substrate, thereby generating Bragg gratings on the piezoelectric substrate. It consists of a transducer.
상기 음향광학 효과를 이용한 음향-광학 변조기에 인가되는 전압의 주파수가 변경됨에 따라, 상기 트랜스듀서에서 발생하는 음파의 주파수가 변경되고 이에 따라 상기 압전체 기판 내에서 발생하는 브래그 격자의 주기가 변경되어 압전체 기판 내에 입사된 광의 회절각이 변하게 된다.As the frequency of the voltage applied to the aco-optic modulator using the aco-optic effect is changed, the frequency of the sound wave generated in the transducer is changed, and thus the period of the Bragg grating generated in the piezoelectric substrate is changed so that the piezoelectric body is changed. The diffraction angle of the light incident on the substrate is changed.
상기 빔 스플리터에서 분할된 빔은 상기 음향-광학 변조기를 통과하게 되면, 음향-광학 변조기에 작동신호가 출력되기 전에는 상기 빔 스플리터로부터 분할된 빔이 원래대로 투과하는 제로 오더로 출사되고, 작동신호가 출력되면 빔 스플리터로부터 분할된 빔은 편심되어 꺾이게 되는 퍼스트 오더로 출사되며, 상기 퍼스트 오더만이 마킹에 사용되고, 제로 오더는 임의의 장소로 덤프된다.When the beam split in the beam splitter passes through the acousto-optic modulator, the beam split from the beam splitter exits in a zero order which is transmitted through the beam splitter before the actuation signal is output to the acousto-optic modulator. When output, the beam split from the beam splitter is emitted to the first order which is eccentrically folded, only the first order is used for marking, and the zero order is dumped to an arbitrary place.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 본 발명은 하나의 레이저 헤드와 다중 스캔 헤드를 이용하여 복수의 피가공물에 기호, 문자, 도형 기타 모양 등을 마킹하는 레이저 마킹방법에 있어서, 메인 콘트롤러로부터 Q-스위치 온(On) 신호를 상기 레이저 헤드에 출력하여 레이저 빔을 출사하는 단계와, 상기 레이저 빔을 다수개로 구성된 빔 스플리터의 광 분할기로 입사시켜 균일한 레벨을 갖는 다수의 레이저 빔으로 분할하는 단계와, 상기 분할된 레이저 빔을 광 변조기를 이용하여 빔의 강도와 방향을 조절하는 단계와, 상기 광 분할기를 통해 동일한 파워로 분할되고, 상기 광 변조기를 통해 굴절된 레이저 빔을 상기 스캔 헤드를 구동하여 피가공물에 조사하여 마킹작업을 개시하는 단계를 포함하여 구성된다.According to still another aspect of the present invention, the present invention provides a laser marking method for marking symbols, characters, figures, shapes, etc. on a plurality of workpieces by using one laser head and multiple scan heads. Outputting a laser beam by outputting a switch-on signal to the laser head, splitting the laser beam into a plurality of laser beams having a uniform level by entering the laser beam into an optical splitter of a plurality of beam splitters; And adjusting the intensity and direction of the split laser beam using an optical modulator, and dividing the split laser beam with the same power through the optical splitter, and driving the scan head with the laser beam refracted by the optical modulator. And irradiating the work piece to start the marking operation.
균일한 레벨을 갖는 다수의 레이저 빔으로 분할하는 단계는, 광 분할기에는 N개의 빔 스플리터가 사용될 때, 광 분할기로 입사된 레이저 빔은 먼저 제1빔 스플 리터에서 100/N%만이 반사되어 제1스캔 헤드로 보내지고 나머지 분할 빔은 제2빔 스플리터로 투과되는 단계와, 상기 제2빔 스플리터에서 투과된 빔의 100/(N-l)%만이 반사되어 제2스캔 헤드로 보내지고 나머지 분할 빔은 제3빔 스플리터로 투과되는 단계와, 이와 같은 반사 및 투과 과정을 반복하며, 최종적으로 제N빔 스플리터에서는 모두 전반사되어 제N스캔 헤드로 보내지는 단계로 구성된다.In the dividing into a plurality of laser beams having a uniform level, when N beam splitters are used in the light splitter, the laser beam incident to the light splitter is first reflected by only 100 / N% at the first beam splitter so that the first Transmitted to the scan head and the remaining split beam is transmitted to the second beam splitter, and only 100 / (Nl)% of the beam transmitted from the second beam splitter is reflected to the second scan head and the remaining split beam Transmitting through the three-beam splitter, and repeating the reflection and transmission process, and finally, in the N-th beam splitter are all totally reflected and sent to the N-th scan head.
상기 광 변조기에는 광학-음향 변조기가 사용되고, 광학-음향 변조기에 RF 파워를 인가하면 제로 오더를 퍼스트 오더로 전환하고, 상기 분할된 레이저 빔의 강도와 방향이 조절됨으로써 스캔 헤드로 출사되는 단계와, 광학-음향 변조기에 RF 파워가 중단되면, 퍼스트 오더가 제로 오더로 전환하고, 상기 분할된 레이저 빔은 덤프되는 단계를 더 포함한다.An optical-acoustic modulator is used for the optical modulator, and when RF power is applied to the optical-acoustic modulator, a zero order is converted into a first order, and the intensity and direction of the divided laser beam are adjusted to be emitted to the scan head; If RF power is interrupted in the opto-acoustic modulator, the first order is converted to zero order and the split laser beam is further dumped.
상기 음향-광학 변조방식은 압전체 기판에 부착된 튜랜스듀서에 전기에너지를 인가하고, 전기에너지를 음향에너지로 변환하며, 상기 압전체 기판의 대항면으로 음파를 발생시켜 음파의 진행에 의해 상기 압전체 기판에 브래그 격자를 형성하며, 상기 음파의 진행방향과 수직인 방향으로 빔 스플리터에서 출사된 분할 레이저 빔을 조사하여, 레이저 빔을 상기 브래그 격자의 주기에 반비례하는 각도로 회절하게 한다.The acoustic-optic modulation method applies electrical energy to a tubular transducer attached to a piezoelectric substrate, converts electrical energy into acoustic energy, generates sound waves on the opposite surface of the piezoelectric substrate, and advances the sound waves to the piezoelectric substrate. The Bragg grating is formed, and the split laser beam emitted from the beam splitter is irradiated in a direction perpendicular to the traveling direction of the sound wave, thereby diffracting the laser beam at an angle inversely proportional to the period of the Bragg grating.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 하나의 레이저 헤드로 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹하는 대면적 레이저 마킹장치 및 방법에 의하면 하나의 레이저만으로 서로 다른 내용을 동시에 마킹할 수 있어 경제적인 이점이 있다.According to the large-area laser marking apparatus and method for simultaneously marking different contents simultaneously with one laser head according to the present invention having such a configuration, it is possible to simultaneously mark different contents with only one laser. have.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 하나의 레이저 헤드 로 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹하는 대면적 레이저 마킹장치 및 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a large-area laser marking apparatus and method for simultaneously marking different contents simultaneously with one laser head having the configuration as described above will be described in detail. .
본 발명의 레이저 마킹장치는, 메인 콘트롤러나 스캐너 제어용 프로세서 등으로부터 Q-스위치 온(ON) 신호를 받아 레이저 빔을 출력하는 레이저 헤드(110)와, 광축 조절 미러(112)에 의하여 굴절된 상기 레이저의 빔을 다수개의 빔으로 분할하는 다수의 광 분할기(120) 그리고 상기 분할된 빔을 가공 대상물로 조사하여 피가공물을 마킹처리하는 다수의 스캔 헤드(150, 152, 154), 상기 광 분할기(120)와 스캔 헤드(150, 152, 154) 사이에 설치되어 상기 분할된 빔을 다른 데이터로 변조하는 광 변조기(160)로 구성된다.The laser marking apparatus of the present invention includes a
상기 레이저 헤드(110)는, 메인 콘트롤러(도시되지 않음)에 의하여 전원을 공급받게 되면 레이저 에너지가 임계치에 도달하였을 때 Q-스위치 신호에 의하여 레이저를 발진한다.When the
상기 광 분할기(160)는 다수의 빔 스플리터(130, 132, 134)로 구성된다. 분할 빔의 수에 따라 각각의 빔 스플리터(130, 132, 134)의 분할비율을 적절하게 정해야 할 것이다. 예컨대, 분할 빔의 수를 3개로 하는 경우에는 각각의 빔 스플리터(130, 132, 134)에서 출사되는 빔의 크기는 광원의 1/3 크기로 정해질 것이고, 분할 빔의 수를 4개로 하는 경우에는 각각의 빔 스플리터의 빔의 크기는 광원의 1/4 크기로 정해질 것이다.The
즉, 각각의 빔 스플리터(130, 132, 134)는 광원인 레이저 빔의 에너지를 동일한 비율로 분할할 수 있도록 구성되어야 한다. 이를 위하여 본 발명의 실시예에 서는 반사율과 투과율을 달리하는 여러 가지 광학 미러를 사용한다.That is, each
제1빔 스플리터(130)는 33.33%의 분할 빔만을 반사시키고 나머지 77.33%의 분할 빔은 투과시키는 광학 미러이고, 제2빔 스플리터(132)는 상기 투과된 77.33%의 분할 빔 중에서 다시 그 절반인 33.33%의 분할 빔만을 반사시키고 나머지 33.33%의 분할 빔은 투과시키는 광학 미러이며, 마지막 제3빔 스플리터(134)는 투과된 33.33%의 빔을 모두 전반사시키는 전반사미러이다.The
빔을 투과 혹은 반사시키는 투과율과 반사율을 조정하는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다.There may be various methods of adjusting the transmittance and reflectance for transmitting or reflecting the beam.
가령, 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질을 반복하여 적층하는 방식으로 미러를 형성하는 경우에 있어서는, 적층되는 물질의 두께에 따라 반사율과 투과율이 결정된다. 반사율을 높이고 동시에 투과율을 낮추기 위하여는 상기 물질의 적층 두께를 높이며, 반대로 반사율을 낮추고 동시에 투과율을 높이기 위하여는 상기 물질의 적층 두께를 낮추어야 한다.For example, when a mirror is formed by repeatedly stacking a material having a high refractive index and a material having a low refractive index, the reflectance and transmittance are determined according to the thickness of the stacked material. In order to increase the reflectance and at the same time lower the transmittance, it is necessary to increase the stack thickness of the material, and conversely, to lower the reflectance and at the same time increase the transmittance, the stack thickness of the material should be lowered.
따라서, 제2빔 스플리터(132)는 제1빔 스플리터(130)에 비하여 물질의 적층 두께를 높여야 할 것이고, 또한 제3빔 스플리터(134)에서는 전반사를 위하여 미러층의 광학적 두께가 빔 파장의 1/4이 되도록 하는 전반사미러를 사용한다.Therefore, the
그 밖에도 비편광 혹은 편광을 갖게 되는 빔에서 편광의 직각축을 갖는 선형의 편광 빔으로 분리하는 경우도 있고, 복수의 파장 소자를 갖는 다광변색성 빔 또는 광대역 빔을 대응의 복수의 단색성 출사빔으로 분리하는 경우도 있을 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 빔을 분리하는 데는 어떠한 제한도 있지 않다.In addition, a non-polarized or polarized beam may be separated into a linearly polarized beam having a perpendicular axis of polarization, and a multiphotochromic beam or a broadband beam having a plurality of wavelength elements may be converted into a plurality of corresponding monochromatic emission beams. There may be a case where the separation, there is no limitation in separating the beam in the embodiment of the present invention.
다음, 레이저 빔을 변조하기 위해 사용되고 있는 광 변조기(160)는, 음향-광학 변조기(acoustooptical modulator: AOM), 광전기 변조기(electro-optical modulator: EOM) 및 음향광 조절 필터(acousto-optic tunable filter: AOTF)가 사용될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 그 중에서도 구동회로가 간단한 음향-광학 변조기에 대해서만 설명하기로 한다.Next, the
상기 음향-광학 변조기(170, 172, 174)는 입력 빔을 투입하거나 차단하거나 혹은 그 강도를 변화시키기 위한 것으로, 장치 내에 입력 빔의 경로를 횡단하는 음파를 통상 경사지게 발생시킴으로써 입력 빔을 편향시키는 장치에 관한 것이다.The acoustic-
도 7은 음향 소밀파에 의한 광 회절효과를 얻기 위한 음향-광학 변조기의 개략적인 구성도로서, 압전체 기판(piezoelectric material plate: 162)과, 상기 압전체 기판(162)의 일측면에 부착되어 인가되는 전기에너지를 음향에너지로 변환하여 상기 압전체 기판(162)의 대항면으로 음파를 발생시켜, 상기 압전체 기판(162)에 브래그 격자를 발생시키는 트랜스듀서(transducer: 164)로 구성된다.FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an acoustic-optic modulator for obtaining the light diffraction effect due to the acoustic dense wave, and is a
이와 같은 음향-광학 변조기(170, 172, 174)에 의하면, 압전체 기판(162)의 일면에 트랜스듀서(164)를 부착하고, 그 트랜스듀서(164)에 전압을 인가하면, 그 트랜스듀서(164)는 인가되는 전기에너지를 음향에너지로 변환한다. 상기 음향에너지는 상기 트랜스듀서(164)가 부착된 압전체 기판(162)의 일면으로부터 그 면과 마주하는 압전체 기판(162)의 다른 면의 방향으로 진행하는 음파의 형태로 나타난다.According to the acoustic-
상기 음파(Acoustic wave)의 진행에 의해 상기 압전체 기판(162)의 내에는 브래그 격자가 형성되며, 이 브래그 격자의 격자 주기는 상기 트랜스듀서(164)에 인가하는 전기에너지에 따라 변화하게 된다.The Bragg grating is formed in the
브래그 격자가 형성된 상태에서 상기 음파가 진행하는 방향과 수직인 방향으로 상기 압전체 기판(162)에 각 빔 스플리터(130, 132, 134)에서 출사된 레이저 빔을 조사하면, 상기 브래그 격자의 주기에 반비례하는 각도로 상기 레이저 빔이 브래그 회절(bragg diffraction)하게 된다.When the laser beam emitted from each
상기 음향광학 효과를 이용한 음향-광학 변조기(170, 172, 174)는 인가하는 전압의 주파수를 변경하면, 트랜스듀서(164)에서 발생하는 음파의 주파수가 변경되고 이에 따라 상기 압전체 기판(162) 내에서 발생하는 브래그 격자의 주기가 변경되어 압전체 기판(162) 내에 입사된 광의 회절각이 변하게 된다. 또한, 상기 트랜스듀서(164)에 인가되는 전압의 세기에 따라 음파의 세기가 변화되며, 이때 회절되는 빔의 회절효율이 변하게 된다.When the acousto-
다만, 본 실시예에서 레이저 마킹을 하기 위하여 고출력의 레이저 빔이 광원으로 사용되기 때문에, 여기에 사용되는 음향-광학 변조기(170, 172, 174)는 고출력에서도 충분히 견딜 수 있는 구조를 가져야 한다.However, in this embodiment, since a high power laser beam is used as a light source for laser marking, the acoustic-
즉, 음향-광학 변조기(170, 172, 174)에 작동신호가 출력되기 전에는 빔 스플리터(130, 132, 134)로부터 분할 출사된 빔이 원래대로 투과하게 될 것이고, 작동신호가 출력되면 빔 스플리터(130, 132, 134)로부터 분할 출사된 빔은 편심되어 꺾이게 될 것이다. 이때, 원래대로 투과되는 방향을 제로 오더(Zero order: 180)라 하고, 꺾이게 되는 방향을 퍼스트 오더(First order: 182)라 한다. 마킹에 사용되는 것은 빔의 세기가 가장 큰 퍼스트 오더(182)이며, 제로 오더(180)는 임의의 장소로 덤프(dump) 된다.That is, before the operation signal is output to the acoustic-
본 발명의 실시예에 의한 하나의 레이저 헤드로 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹하는 대면적 레이저 마킹장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the large-area laser marking apparatus for simultaneously marking different contents simultaneously with one laser head according to an embodiment of the present invention.
레이저 헤드(110)는 메인 콘트롤러로부터 Q-스위치 온(On) 신호를 받게 되면 레이저 빔을 출사하며, 이렇게 출력된 레이저 빔은 광축 조절 미러(112)에 의하여 전반사되고, 광 분할기(120)를 향하며, 광학-음향 변조기(170, 172, 174)에 RF 파워가 인가되면 분할된 빔은 피가공물에 조사되어 마킹작업을 개시하게 된다.When the
광 분할기(120)로 입사된 레이저 빔은 먼저 제1빔 스플리터(130)에서 33.33%의 분할 빔만을 반사시켜 제1스캔 헤드(150)로 보내고, 나머지 77.33%의 분할 빔은 투과시켜 제2빔 스플리터(132)로 보낸다. 상기 제2빔 스플리터(132)에서 상기 투과된 77.33%의 분할 빔 중에서 50%인 33.33%의 분할 빔만을 반사시켜 제2스캔 헤드(152)로 보내고, 역시 나머지 33.33%의 분할 빔은 투과시켜 제3빔 스플리터(154)로 보낸다. 마지막으로 투과된 33.33%의 빔은 제3빔 스플리터(134)에서 모두 전반사되어 제3스캔 헤드(154)로 보내진다.The laser beam incident to the
이때, 광학-음향 변조기에 RF파워가 인가되지 않으면 상기 빔 스플리터(130, 132, 14)를 투과하거나 반사된 빔의 방향이 바뀌어 퍼스트 오더(182)가 제로 오더(180)로 전환되며, 덤프되어 피가공물에 조사되지 않고 마킹작업을 중단하게 된다.At this time, if RF power is not applied to the optical-acoustic modulator, the beams transmitted through the
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 대면적의 피가공물에 서로 다른 여러 가지 모양들을 동시다발적으로 마킹하려면, 한 개의 레이저 빔을 동일한 레벨의 파 워를 갖는 레이저 빔으로 분할하여야 하며, 각각의 분할된 레이저 빔이 동일한 레벨의 레이저 파워를 갖도록 하기 위하여 스캔 헤드 수에 따라 빔 스플리터의 투과량과 반사량을 상이하게 결정하고 이를 광학적으로 코팅하는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, in the present invention, in order to simultaneously mark various different shapes on a large-area workpiece, one laser beam must be divided into laser beams having the same level of power, and each division In order to ensure that the laser beam has the same level of laser power, it can be seen that the technical idea is to configure the transmission amount and the reflection amount of the beam splitter differently according to the number of scan heads and to optically coat it.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.As described above, according to the configuration of the present invention, the following effects can be expected.
첫째, 하나의 레이저 헤드만으로 복수개의 스캔 헤드를 구동할 수 있어 하나의 레이저로 대면적을 마킹할 수 있는 작용효과가 기대된다.First, since a plurality of scan heads can be driven by only one laser head, an effect that can mark a large area with one laser is expected.
둘째, 복수개의 스캔 헤드를 별도로 구동함으로써 복수개의 피조사자위치에 서로 다른 내용을 마킹할 수 있는 작용효과가 기대된다.Second, by driving the plurality of scan heads separately, an effect of marking different contents at a plurality of positions of the examinees is expected.
셋째, 레이저 빔을 다수의 빔으로 분할하는 방식으로 복수개의 스캔 헤드로 복수개의 피조사자위치에 조사함으로써, 서로 다른 내용을 동시다발적으로 마킹할 수 있는 작용효과가 기대된다.Third, by radiating the laser beam into a plurality of beams, a plurality of scan heads are used to irradiate the plurality of examinee positions, whereby an effect that can simultaneously mark different contents is expected.
넷째, 복수개의 빔 스플리터를 이용함으로써, 한 개의 레이저 빔을 동일한 레벨의 파워를 갖는 다수의 레이저 빔으로 분할할 수 있는 작용효과가 기대된다.Fourth, by using a plurality of beam splitters, an effect of dividing one laser beam into a plurality of laser beams having the same level of power is expected.
다섯째, 스캔 헤드 수에 따라 빔 스플리터의 투과량과 반사량을 달리 설정함으로써, 다수의 스캔 헤드에서 균일한 레벨의 레이저를 공급할 수 있는 작용효과가 기대된다.Fifth, by setting the transmission amount and the reflection amount of the beam splitter differently according to the number of scan heads, an effect of supplying a uniform level of laser can be expected from a plurality of scan heads.
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