KR101156018B1 - F-&thgr; LENS OPTICAL SYSTEM FOR CO2 LASER MACHINING APPARATUS - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 가공장치의 F-θ 렌즈계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 에너지를 피가공물의 한 지점에 집중시키도록 렌즈를 배치하는 F-θ 렌즈계에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an F-θ lens system of a laser processing apparatus, and more particularly, to an F-θ lens system in which a lens is arranged to concentrate laser energy at a point on a workpiece.
일반적으로, 레이저 가공장치는 고체나, 반도체, 기체 등을 진동시킬 때 생성되는 광으로 고정밀도를 필요로 하는 가공물을 대상으로 한다. 대부분의 가공장치에 사용되는 레이저 발진기는 CO2 레이저 발진기나 ND:YAG 레이저 발진기가 주로 사용되고 있다.In general, laser processing apparatuses are intended for workpieces requiring high precision with light generated when vibrating solids, semiconductors, gases, and the like. The laser oscillator used in most processing equipment is mainly a CO 2 laser oscillator or an ND: YAG laser oscillator.
ND:YAG 레이저를 이용한 가공장치는 2KW 정도의 저출력을 갖으며 피가공물로서 수지나 유리 등의 재료의 가공을 위한 장치에 사용된다. The processing equipment using ND: YAG laser has a low power of about 2KW and is used for the processing of materials such as resin or glass as a work piece.
이에 비해 CO2 레이저를 이용한 가공장치는 10KW 이상의 고출력을 얻을 수 있기 때문에 피가공물로서 비교적 강한 구리 등의 금속재의 절단이나 용접에 이용되고 있다.
On the other hand, since a processing apparatus using a CO 2 laser can obtain a high output of 10 kW or more, it is used for cutting or welding a metal material such as copper, which is relatively strong as a workpiece.
이와 같은 레이저 가공장치의 종래기술로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 등록특허공보 제10-0841426호가 개시되어 있다. As a prior art of such a laser processing apparatus, as shown in Fig. 1, Patent No. 10-0841426 is disclosed.
종래기술에 따른 다중빔 레이저 구멍뚫기 가공장치는, 하나의 f-θ렌즈를 사용하여 텔레센트릭 에러를 억제하여 2개소에서 동시에 가공하기 위한 다중빔 레이저 구멍뚫기 가공장치로서, 제1 레이저빔에 대하여 갈바노미러를 사용한 종래의 광학계를 사용하고 있다. The multi-beam laser drilling processing device according to the prior art is a multi-beam laser drilling processing device for simultaneously processing in two places by suppressing telecentric error using one f-θ lens, In contrast, a conventional optical system using a galvano mirror is used.
종래기술에서 사용되는 f-θ렌즈는 글래스 계열의 소재나 BK7으로 초정밀 가공에 요구되는 굴절률이나 내열성에 한계를 가진다. The f-θ lens used in the prior art is a glass-based material or BK7 has a limit in the refractive index or heat resistance required for ultra-precision processing.
또한 피가공물의 여러 지점에 가공이 이루어질 수 있는 렌즈계의 광학적 안정성을 갖추어야 한다.
In addition, the optical stability of the lens system to be processed at various points of the workpiece should be provided.
본 발명은 상기와 같은 문제을 해결하기 위해 안출한 것으로, 피가공물의 여러 가공점들을 동시에 가공하도록 하여 단위 시간당 처리 효율을 높일 수 있는 레이저 가공장치를 제공하고자 한다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a laser processing apparatus that can increase the processing efficiency per unit time by processing several processing points of the workpiece at the same time.
또한 고출력의 CO2 레이저를 이용함과 동시에 고정밀도를 유지하기 위한 F-θ렌즈계를 제공하고자 한다.In addition, the present invention aims to provide an F-θ lens system for maintaining high precision while using a high power CO 2 laser.
또한 F-θ렌즈계의 제1 내지 제3 렌즈는, ZnSe으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치용 F-θ렌즈계를 제공하고자 한다.
In addition, the first to third lenses of the F-θ lens system, to provide a F-θ lens system for laser processing apparatus, characterized in that made of ZnSe.
본 발명에 따른 레이저 가공장치의 F-θ렌즈계는, 레이저광을 발생하는 광원과 피가공물 사이에 F-θ렌즈계를 구비하여 피가공물을 처리하는 가공장치에 있어서, 상기 F-θ렌즈계는, 광원측에서 차례로, 일측은 볼록면이고 타측은 오목면으로 이루어지며 포지티브 굴절력을 갖는 제1 렌즈와; 일측은 오목면이고 타측은 오목면으로 이루어지며 네가티브 굴절력을 갖는 제2 렌즈와; 일측은 볼록면이고 타측은 볼록면으로 이루어지며 포지티브 굴절력을 갖는 제3 렌즈를; 를 포함한다.
The F-θ lens system of the laser processing apparatus according to the present invention comprises a F-θ lens system between a light source for generating a laser light and a workpiece, wherein the F-θ lens system is a light source. In order from the side, one side is a convex surface and the other side is made of a concave surface and having a positive refractive power; A second lens having one side concave and the other side concave and having negative refractive power; A third lens having a convex surface on one side and a convex surface on the other side and having a positive refractive power; It includes.
또한 상기 F-θ렌즈계의 광학전장을 T라 하고, 상기 렌즈계의 후초점거리를 BFL이라 할 때, 1.3 < BFL/T < 1.4 를 만족하도록 구성된다.
Further, when the optical length of the F-θ lens system is T, and the postfocal distance of the lens system is BFL, 1.3 <BFL / T <1.4 is satisfied.
또한 상기 F-θ렌즈계의 유효초점거리를 EFL이라 하고, 상기 F-θ렌즈계의 후초점거리를 BFL이라 할 때, 0.8 < BFL/EFL < 0.9 를 만족하도록 구성된다.
Further, when the effective focal length of the F-θ lens system is referred to as EFL and the post-focal distance of the F-θ lens system is referred to as BFL, it is configured to satisfy 0.8 <BFL / EFL <0.9.
또한 상기 F-θ렌즈계의 제1 내지 제3 렌즈는, ZnSe으로 이루어진다.
Further, the first to third lenses of the F-θ lens system are made of ZnSe.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 F-θ렌즈계는, 렌즈계의 주사구간내의 빔 스풋의 편차가 작고 안정적인 광학특성을 유지하고, 3개의 렌즈에서 출사집중되어 피가공물의 일 지점에 정확히 집속시킬 수 있어, 고정밀도의 가공이 이루어질 수 있다.
The F-θ lens system according to the present invention having the above-described configuration maintains stable optical characteristics with a small deviation in beam output in the scanning section of the lens system, and is focused on one point of the workpiece by being focused on three lenses. It is possible to achieve high precision machining.
도 1은 종래기술에 따른 가공장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 F-θ 렌즈계의 일 실시예를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a processing apparatus according to the prior art.
2 is a view showing an embodiment of an F-θ lens system according to the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may properly define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
Before describing the present invention with reference to the drawings, it is not shown or specifically described for the matters that are not necessary to reveal the gist of the present invention, that is, those skilled in the art can obviously add. Make a note.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 F-θ 렌즈계의 일 실시예를 도시한 측면도로서, 도면에서는 렌즈의 두께, 크기, 형상은 설명을 위해 다소 과장되게 도시될 수 있으며, 반드시 도시된 형상에 한정되지 않는다.
2 is a side view showing an embodiment of the F-θ lens system according to the present invention, in the drawings, the thickness, size, and shape of the lens may be somewhat exaggerated for explanation, and are not necessarily limited to the illustrated shape. .
본 발명에 따른 F-θ 렌즈계를 구비한 레이저 가공장치에 사용되는 레이저의 파장은 10600nm를 사용하고, 레이저원은 CO2를 이용하여 피가공물을 처리하는 것을 실시예로 하였다.The wavelength of the laser used in the laser processing apparatus equipped with the F-θ lens system according to the present invention uses 10600 nm, and the laser source uses CO 2 to process the workpiece.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 F-θ 렌즈계는, 광원과 피가공물 사이에 배치되어 있으며, 광원측에서 보아 차례로, 일측은 볼록면(R1)이고 타측은 오목면(R2)으로 이루어지면 포지티브 굴절력을 갖는 제1 렌즈(10)와, 일측은 오목면(R3)이고 타측은 오목면(R4)으로 이루어지며 네가티브 굴절력을 갖는 제2 렌즈(20)와, 일측은 볼록면(R5)이고 타측은 볼록면(R6)으로 이루어지며 포지티브 굴절력을 갖는 제3 렌즈(30)로 이루어져 있다. 여기서 상기 제3 렌즈의 타측 볼록면은 피가공물과 마주하고 있다.
As shown in FIG. 2, the F-θ lens system according to the exemplary embodiment of the present invention is disposed between the light source and the workpiece, and in turn, one side is a convex surface R1 and the other is a concave surface when viewed from the light source side. And a
상기 제1 렌즈의 광원측 면은 볼록면으로 형성되어 있고 그 이면은 오목면으로 구비되어 있어 왜곡수차의 발생을 감소시키는 메니스터스 형상으로 굴절률 및 내열성이 상대적으로 우수한 Ge 또는 ZnSe으로 이루어져 있다. The light source side surface of the first lens is formed of a convex surface, and the back surface thereof is formed of a concave surface, and is made of Ge or ZnSe having a relatively high refractive index and heat resistance with a manister shape that reduces generation of distortion aberration.
특히 ZnSe는 밴드갭이 넓어 가열되어도 빛의 흡수가 증가하지 않으므로 레이저 가공용 장치에 적합하다. 상기 제1 렌즈 뿐만 아니라 이후에 차례로 배치되는 제2 렌즈와 제3 렌즈 역시 동일한 재료로 형성하는 것이 바람직하다.
In particular, ZnSe is suitable for laser processing devices because the absorption of light does not increase even when heated because of its wide bandgap. It is preferable that not only the first lens but also the second lens and the third lens, which are sequentially arranged later, are formed of the same material.
또한 상기 제1 렌즈의 광원측 볼록면은 구면수차, 코마수차, 비점수차를 보정할 수 있는 비구면으로 형성된다.
In addition, the light source side convex surface of the first lens is formed as an aspherical surface capable of correcting spherical aberration, coma, and astigmatism.
상기 제2 렌즈는 제1 렌즈와 마주하는 면과 제3 렌즈와 마주하는 면이 모두 오목면으로 이루어져 있다. 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈는 마주보는 면을 모두 오목면으로 대향하게 함으로써, 제 수차의 발생을 감소시킨다.
The second lens has a concave surface in which a surface facing the first lens and a surface facing the third lens are both concave. The first lens and the second lens both face opposite concave surfaces, thereby reducing the occurrence of the first aberration.
상기 제3 렌즈는 양 측면이 모두 볼록면으로 형성되어 있어 피가공물과의 적절한 초점거리를 조절하는 기능을 한다. 상기 제3 렌즈의 광원측(제2 렌즈와 대향하는 측면)의 볼록면은 제 수차를 보정하기 위하여 비구면으로 형성되어 있다.
Both sides of the third lens are formed with convex surfaces to adjust an appropriate focal length with the workpiece. The convex surface on the light source side (side surface facing the second lens) of the third lens is formed as an aspherical surface to correct the aberration.
본 발명의 일 실시예에 따른 F-θ 렌즈계를 이루는 제1 내지 제3 렌즈의 광학적 데이터는 아래 [표 1]에 나타낸 바와 같다. 아래 [표 1]에서 ‘*’는 비구면을 의미한다.Optical data of the first to third lenses of the F-θ lens system according to the exemplary embodiment of the present invention are shown in Table 1 below. In Table 1 below, '*' means aspherical surface.
그리고, 상기 Y 구경은 제1 내지 제3 렌즈의 직경을 의미하며, 상기 [표 1]의 비구면으로 형성되는 R1과 R5의 코닉상수 및 비구면계수는 아래 [표 2]에 나타낸 바와 같다.
In addition, the Y aperture means the diameter of the first to third lenses, and the conic constants and aspheric coefficients of R1 and R5 formed as the aspherical surfaces of [Table 1] are as shown in [Table 2] below.
아울러, 상기 렌즈면의 비구면은 다음의 수학식의 비구면 방정식을 만족하여야 한다.
In addition, the aspherical surface of the lens surface should satisfy the aspherical equation of the following equation.
여기서, z는 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리를 나타내고, c는 렌즈의 기본곡률을, r은 광축에 수직인 방향으로의 거리를, k는 코닉 상수를 그리고 A1, A2, A3, A4는 비구면 계수를 나타낸다.
Where z represents the distance from the vertex of the lens in the optical axis direction, c is the fundamental curvature of the lens, r is the distance in the direction perpendicular to the optical axis, k is the Koenic constant, and A1, A2, A3, A4 is Aspheric coefficient is shown.
이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 가공장치의 F-θ 렌즈계에 있어서, 제1 내지 제3 렌즈의 결합관계 및 전체적인 F-θ 렌즈계의 광학 특성은 다음과 같다.
In the F-θ lens system of the processing apparatus according to the embodiment described above, the coupling relationship between the first to third lenses and the optical characteristics of the overall F-θ lens system are as follows.
바람직하게, 상기 F-θ 렌즈계의 광축에서의 제1 렌즈와 제2 렌즈의 이격거리는 11.47mm이고, 상기 F-θ 렌즈계의 광축에서의 제2 렌즈와 제3 렌즈의 이격거리는 31.12mm로 배치되어 있다. 또한 후초점거리(BFL) 즉, 상기 제3 렌즈와 피가공물의 이격거리는 100mm로 형성하고, 유효초점거리(EFL)를 120mm로 구성하였다.
Preferably, the separation distance between the first lens and the second lens in the optical axis of the F-θ lens system is 11.47mm, and the separation distance between the second lens and the third lens in the optical axis of the F-θ lens system is 31.12mm. have. In addition, the post-focal length BFL, that is, the distance between the third lens and the workpiece, was 100 mm, and the effective focal length EFL was 120 mm.
이러한 구성으로 이루어진 F-θ 렌즈계는 다음의 조건들을 만족하도록 설계될 수 있다.
The F-θ lens system having such a configuration can be designed to satisfy the following conditions.
여기서, 상기 수학식 2는 상기 렌즈계의 광학전장(T)에 대한 후초점거리(BFL)의 비율 범위를 나타낸다. 상기 광학전장(T)는 제1 내지 제3 렌즈의 두께들과 그 이격거리의 합으로 나타낼 수 있다.
Here, Equation 2 shows a ratio range of the rear focus distance BFL to the optical field T of the lens system. The optical electric field T may be expressed as the sum of the thicknesses of the first to third lenses and the separation distance thereof.
여기서, 상기 수학식 3에서 BFL은 후초점거리를 나타내고, EFL은 유효초점거리를 나타낸다.
Here, in Equation 3, BFL represents a post focal length and EFL represents an effective focal length.
상기 수학식 2 및 수학식 3을 만족하는 F-θ 렌즈계는 모듈화된 렌즈계의 크기를 소형화시키고, 구면수차를 양호한 상태로 유지하기 위한 것이다. The F-θ lens system satisfying the above Equations 2 and 3 is for miniaturizing the size of the modular lens system and maintaining the spherical aberration in a good state.
상기 광학전장에 대한 후초점거리와 유효초점거리에 대한 후초점거리의 비율을 작게 설계한다는 것은 전체 렌즈계의 크기를 소형화한다는 것을 의미한다.Designing a small ratio of the postfocal distance to the optical field and the effective focal length means that the size of the entire lens system is reduced.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 F-θ 렌즈계의 구성으로, 상기 F-θ 렌즈계의 비구면을 구면과 적절하게 혼합하여 배치하여 구면수차, 비점수차 등 제 수차의 보정을 양호하게 함으로써 레이저 광특성에 적합한 최적의 설계가 가능하다.
In the structure of the F-θ lens system according to the present invention as described above, the aspherical surface of the F-θ lens system is appropriately mixed with the spherical surface to correct the aberration such as spherical aberration, astigmatism, etc. Optimum design is possible.
한편, 상기에서 도 1 및 도 2를 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도 1 내지 도 2의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.
In addition, what was described above using FIG. 1 and FIG. 2 described only the main matter of this invention, and this invention is limited to the structure of FIGS. 1-2 as many designs are possible within the technical scope. It is not clear.
10 : 제1 랜즈
20 : 제2 렌즈
30 : 제3 렌즈
R1 : 제1 렌즈의 광원측 면
R2 : 제1 렌즈의 피가공물측 면
R3 : 제2 렌즈의 광원측 면
R4 : 제2 렌즈의 피가공물측 면
R5 : 제3 렌즈의 광원측 면
R6 : 제3 렌즈의 피가공물측 면
BFL : 후초점거리
T : 광학전장10: first lens
20: second lens
30: third lens
R1: light source side surface of the first lens
R2: Workpiece side of the first lens
R3: light source side of the second lens
R4: Workpiece side of the second lens
R5: light source side surface of the third lens
R6: workpiece side of third lens
BFL: Post Focal Length
T: Optical field
Claims (3)
상기 F-θ렌즈계는, 광원측에서 차례로,
일측은 볼록면이고 타측은 오목면으로 이루어지며 포지티브 굴절력을 갖는 제1 렌즈, 일측은 오목면이고 타측은 오목면으로 이루어지며 네가티브 굴절력을 갖는 제2 렌즈 및 일측은 볼록면이고 타측은 볼록면으로 이루어지며 포지티브 굴절력을 갖는 제3 렌즈를 포함하고;
상기 F-θ렌즈계의 광학전장을 T라 하고, 상기 렌즈계의 후초점거리를 BFL이라 할 때, 1.3 < BFL/T < 1.4 를 만족하고;
상기 F-θ렌즈계의 유효초점거리를 EFL이라고 할 때, 0.8 < BFL/EFL < 0.9 를 만족하는 것;을 특징으로 하는 이산화탄소 레이저 가공장치용 F-θ렌즈계.
In a processing apparatus for processing a workpiece by providing a F-θ lens system between the light source for generating a laser light and the workpiece,
The F-θ lens system is sequentially turned on the light source side,
A first lens having one side is a convex surface and the other side is a concave surface and has a positive refractive power, one side is a concave surface and the other side is a concave surface, and a second lens having a negative refractive power and one side is a convex surface and the other side is a convex surface. A third lens made of and having a positive refractive power;
1.3 <BFL / T <1.4 is satisfied when the optical field of the F-θ lens system is T and the postfocal distance of the lens system is BFL;
When the effective focal length of the F-θ lens system is called EFL, 0.8 <BFL / EFL <0.9 to satisfy; F-θ lens system for a carbon dioxide laser processing apparatus.
상기 F-θ렌즈계의 제1 내지 제3 렌즈는, 셀렌화아연(ZnSe)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 레이저 가공장치용 F-θ렌즈계.
The method of claim 1,
The first to third lenses of the F-θ lens system are made of zinc selenide (ZnSe).
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