KR101309802B1

KR101309802B1 - 텔레센트릭 렌즈를 구비하는 2축 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공 장치, 및 텔레센트릭 오차 보정 방법

Info

Publication number: KR101309802B1
Application number: KR1020110054144A
Authority: KR
Inventors: 성진우; 권혁준
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2013-10-14
Also published as: KR20120134920A

Abstract

개시된 스캐너는 광을 두 방향으로 편향시킬 수 있는 2축 스캐너로서, 광을 제1방향으로 편향시키는 제1편향유닛과, 회동되는 편향미러를 포함하여 제1방향으로 편향된 광을 제2방향으로 편향시키는 제2편향유닛과, 제2편향유닛의 출사측에 배치되는 텔레센트릭 렌즈를 포함한다. 제1편향유닛은 제1방향으로 편향된 광을 편향미러의 동일한 위치로 입사시킨다.

Description

텔레센트릭 렌즈를 구비하는 2축 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공 장치, 및 텔레센트릭 오차 보정 방법{2-axis scanner having telecentric lens, laser machining apparatus adopting the same, and telecentric error compensating method for 2-axis scanner}

본 발명은 텔레센트릭 렌즈를 구비하는 2축 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공 장치, 및 텔레센트릭 오차 보정 방법에 관한 것이다.

레이저 가공 장치는 레이저 발진기로부터 출사되는 레이저 빔을 스캐너를 통하여 가공 대상물에 조사한다. 이에 의하여 대상물의 일 평면에 대한 마킹, 노광, 식각, 펀칭, 스크라이빙 등의 레이저 가공이 수행될 수 있다.

정밀한 가공을 위하여 레이저 빔은 가공 대상물에 수직으로 입사될 필요가 있다. 이를 위하여, 소정의 입사각도 범위의 광을 가공 대상물에 수직으로 입사시키기 위한 텔레센트릭 렌즈가 채용된다.

가공 속도를 향상시키기 위하여, 스캐너는 레이저 빔을 예를 들어 X, Y방향으로 편향시킬 수 있다. 두 방향으로 레이저 빔을 편향시키기 위하여 일반적으로 두 개의 스캔수단이 채용된다. 예를 들어 요동되는 X-스캔미러를 구비하는 X-스캔수단과, 요동되는 Y-스캔미러를 구비하는 Y-스캔수단이 채용될 수 있다. 그런데, 광학계의 설계시에 텔레센트릭 렌즈의 입사동(aperture stop)을 X-스캔미러 또는 Y-스캔미러와 일치시키는 경우에는 각각 Y 또는 X방향으로 편향된 광의 텔레센트릭 오차가 커지게 된다. 따라서, 일반적으로 텔레센트릭 렌즈의 입사동(aperture stop)을 X-스캔미러와 Y-스캔미러 사이에 위치시켜 광학계를 설계하게 된다. 따라서, 이러한 형태의 스캐너로부터 조사되는 레이저 빔은 근원적으로 렌즈 자체의 텔레센트릭 오차에 더하여 입사동의 위치와 관련한 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차를 포함한 상태에서 가공 대상물에 조사된다.

본 발명은 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차를 보정할 수 있도록 개선된 2축 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공 장치, 및 텔레센트릭 오차 보정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 2축 스캐너는, 광을 제1방향으로 편향시키는 제1편향유닛; 회동되는 편향미러를 포함하여, 상기 제1방향으로 편향된 광을 제2방향으로 편향시키는 제2편향유닛; 상기 제2편향유닛의 출사측에 배치되는 텔레센트릭 렌즈;를 포함하며, 상기 제1편향유닛은, 상기 제1방향으로 편향된 광을 상기 편향미러의 동일한 위치로 입사시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제1편향유닛은 서로 나란한 회동축을 중심으로 상보적으로 회동되는 한 쌍의 컨주게이트 미러를 포함할 수 있다.

상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 입사동 위치에 위치될 수 있다.

상기 텔레센트릭 렌즈는 에프-세타 텔레센트릭 렌즈이며, 상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 전초점 위치에 위치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 레이저 가공 장치는, 광을 발생시키는 광 발생기; 가공 대상물이 적재되는 테이블; 상기 레이저 광을 상기 가공 대상물에 2축 스캔하는 것으로서, 상술한 스캐너;를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따른 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법은, 텔레센트릭 렌즈에 입사되는 광의 텔레센트릭 오차를 보정하는 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법으로서, (a) 제1방향으로 편향된 광을, 광을 제2방향으로 편향시키는 편향 미러 상의 동일한 위치에 입사시키는 단계; (b) 상기 편향 미러에 의하여 편향된 광을 상기 텔레센트릭 렌즈로 입사시키는 단계;를 포함한다.

상기 (a)단계는, 광을 제1컨주게이트 미러를 이용하여 상기 제1방향으로 편향시키고, 상기 제1방향으로 편향된 광을 상기 제1컨주게이트 미러의 회동축과 나란한 축을 중심으로 하여 상기 제1컨주게이트 미러와 상보적으로 회동되는 제2컨주게이트 미러로 입사시키는 단계를 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 2축 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공장치, 및 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 2축 스캔된 광, 즉 X-스캔된 광과 Y-스캔된 광이 공통의 입사동을 가지도록 함으로써, 2축 스캐너 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차를 보정할 수 있다.

둘째, 결상면에서 광이 수직으로 입사되도록 함으로써 정밀한 수직 가공이 가능하다.

셋째, 텔레센트릭 오차를 보정함으로써 결상면에서 광스폿의 형상이 대칭이 되도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 장치의 일 실시예의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공 장치의 일 실시예에 적용된 스캐너의 광학적 구성의 일 예를 개략적으로 도시한 사시도.
도 3은 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차에 의한 결상 에러를 보여주는 도면.
도 4는 텔레센트릭 오차에 기인하여 수직 가공의 정밀도 저하를 설명하기 위한 도면.
도 5와 도 6은 한 쌍의 컨주게이트 미러에 의하여 X-편향된 광이 Y-편향미러의 동일한 위치로 입사되는 과정을 설명하는 도면들.
도 7은 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차가 보정된 상태를 설명하기 위한 도면.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 스캐너, 이를 채용한 레이저 가공 장치, 및 텔레센트릭 오차 보정 방법의 실시예들을 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 레이저 가공 장치(1)의 일 예를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 가공대상물(200)은 테이블(50)에 적재된다. 스캐너(100)는 서로 수직인 두 방향, 예를 들면 X 방향 또는 Y 방향으로 이동되면서 가공대상물(200)에 레이저 빔을 조사하여 마킹, 식각, 노광, 펀칭, 스크라이빙 등의 가공작업을 수행한다.

스캐너(100)와 가공 대상물(200)은 XY평면 내에서 상대적으로 이동될 수 있다. 대상체를 XY 평면 내에서 이동시키기 위한 구조를 일반적으로 XY스테이지라 한다.

예를 들어, 스캐너(100)는 XY스테이지에 의하여 X, Y방향으로 이동될 수 있다. XY스테이지는 X-이동블록(10)과 Y-이동블록(20)을 포함할 수 있다. X-이동블록(10)은 X 방향으로 설치된 한 쌍의 레일(30)을 따라 X 방향으로 이동될 수 있게 설치된다. Y-이동블록(20)은 X-이동블록(10)에 Y 방향으로 이동될 수 있게 설치된다. 도 1에는 3개의 Y-이동블록(20)이 도시되어 있으나, 그 갯수에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 스캐너(100)는 Y-이동블록(20)에 설치된다. 스캐너(100)는 Y-이동블록(20)에 설치된 Z-컬럼(column)(40)을 따라 Z방향으로 이동될 수도 있다.

도면으로 도시되지는 않았지만, 스캐너(100) 대신에 가공 대상물(200)을 XY평면 내에서 이동시키기 위하여 테이블(50)이 X방향과 X방향으로 이동가능한 XY스테이지의 형태일 수도 있다. 또, 필요에 따라서는 스캐너(100)와 가공 대상물(200)이 적재된 테이블(50)이 각각의 XY스테이지에 설치되어 각각 XY평면 내에서 이동될 수도 있다. 이하에서는 스캐너(100)가 XY스테이지에 의하여 X, Y 방향으로 이동되는 경우에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 레이저 가공 장치에 채용된 스캐너(100)의 광학적 구성의 일 예를 도시한 사시도이다. 도 2를 보면, 레이저 발진기(110)는 가공용 레이저 빔을 발생시키는 것이다. 본 실시예에서는 스캐너(100)에 레이저 발진기(110)가 포함되는 경우에 대하여 설명하였으나, 이에 의한 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 레이저 발진기(110)는 스캐너(100)와 별도로 예를 들어 Y-이동블록(20)에 설치되어 레이저 빔을 스캐너(110)로 입사시킬 수도 있다. 스캐너(100)는 레이저 빔을 제1, 제2방향, 예를 들어 X방향과 Y방향으로 편향시킬 수 있는 2축 스캐너이다. 이를 위하여, 레이저 빔을 X방향으로 편향시키기 위한 제1편향유닛(120)과, 레이저 빔을 Y방향으로 편향시키기 위한 제2편향유닛(130)이 마련된다.

제1편향유닛(120)은 한 쌍의 컨주게이트 유닛(123)(126)을 포함한다. 컨주게이트 유닛(123)(126)은 각각 제1, 제2컨주게이트 미러(121)(124)와 구동모터(122)(125)를 구비한다. 제1, 제2컨주게이트 미러(121)(124)의 회동의 중심축이 되는 축(127)(128)은 서로 나란하다. 제2편향유닛(130)은 Y-편향미러(131)와 구동모터(132)를 포함한다. 제1, 제2컨주게이트 미러(121)(124)는 서로 상보적으로 회동되어, 제1방향으로 편향된 레이저 빔을 Y-편향 미러(131)의 동일한 위치에 입사시킨다. 레이저 빔은 제1, 제2편향유닛(120)(130)에 의하여 소정 범위로 X방향 및/또는 Y방향으로 편향된다. 편향된 레이저 빔은 텔레센트릭 렌즈(140)에 의하여 가공 대상물(200)에 수직으로 입사된다. 텔레센트릭 렌즈(140)는 예를 들어, 입사각도에 비례하여 결상면(field)에서의 상고가 결정되는 에프-세타(F-θ) 텔레센트릭 렌즈일 수 있다.

이하에서, 상술한 실시예에 따른 작용 효과를 설명한다.

도 2를 참조하면, 종래의 스캐너에서는 제1편향유닛(120) 대신에 점선으로 도시된 바와 같이 하나의 X-편향미러(151)와 구동모터(152)를 구비하는 편향유닛(150)이 채용된다. 이 경우, 예를 들어 레이저 빔은 Z방향에서 X-편향미러(151)에 입사된다. X-편향미러(151)가 회동됨에 따라 레이저 빔은 X방향으로 편향되어 제2편향유닛(130)에 입사된다. 이 경우에, 텔레센트릭 렌즈(140)의 입사동의 역할을 하는 것은 X-방향으로 편향된 레이저 빔에 대하여는 X-편향미러(151), Y-방향으로 편향된 레이저 빔에 대하여는 Y-편향미러(131)가 된다. 그러나, 광학계의 설계에 있어서는 도 3에 도시된 바와 같이 입사동(160)을 편향미러(131)(151)의 사이에 위치시켜, 광학계의 구조에 의한 텔레센트릭 오차가 X방향과 Y방향 중 어느 한 쪽으로 치우치지 않도록 한다. 즉, 광학계의 구조 설계에 있어서는 설계 입사동(160)을 통과하는 이상적인 레이저 빔(161)이 결상면에 수직으로 입사되고 결상되도록 되어 있다. 이렇게 설계된 광학계에서 X편향된 레이저 빔(162)의 실질적인 입사동은 X-편향미러(151)가 되므로, X편향된 레이저 빔(162)과 이상적인 레이저 빔(161)의 텔레센트릭 렌즈(140)의 입사면에서의 입사 높이 차이를 Δhx라 하면, 구조적 텔레센트릭 오차는 tan^-1(Δhx/f)가 된다. 마찬가지로, Y편향된 레이저 빔(163)의 실질적인 입사동은 Y-편향미러(131)가 되므로, Y편향된 레이저 빔(163)과 이상적인 레이저 빔(161)의 텔레센트릭 렌즈(140)의 입사면에서의 입사높이 차이를 Δhy라 하면, 구조적 텔레센트릭 오차는 tan^-1(Δhy/f)가 된다. 여기서, f는 텔레센트릭 렌즈(140)의 초점 거리를 말한다. 도 3에서는 광학계의 구조적 요인에 기인하는 텔레센트릭 오차를 설명하기 위하여 X-편향된 레이저 빔(162)과 Y-편향된 레이저 빔(163)을 편의상 동일한 평면에 표시한다.

상기한 바와 같이, 종래의 스캐너에 따르면, 텔레센트릭 렌즈(140) 자체의 텔레센트릭 오차에 더하여 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차가 더해져서 결상면에서 레이저 빔이 수직으로 입사되지 않을 뿐만 아니라, 결상 스폿 역시 비대칭적인 형태가 된다. 도 4를 참조하면, 예를 들어 구멍 가공을 하는 경우에, 레이저 빔이 수직으로 입사되어야만 점선으로 도시된 바와 같인 수직 구멍 가공이 가능하다. 그러나, 레이저 빔이 수직으로 입사되지 않으면, 구멍의 측면을 수직으로 가공할 수 없으며, 구멍의 측벽이 실선으로 도시된 바와 같이 레이저 빔의 텔레센트릭 오차에 비례하는 각도로 경사지게 가공된다. 이와 같이, 종래의 스캐너가 채용되는 경우에는 가공 대상물에 입사되는 레이저 빔의 각도가 일정하지 않아 수직 가공이 어려울 뿐 아니라 가공 정밀도도 저하될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상호 상보적으로 구동되는 한 쌍의 컨주게이트 유닛(123)(126)을 구비하는 제1편향유닛(120)을 채용하여, X방향으로 편향된 레이저 빔을 Y-편향미러(131) 상의 동일한 위치로 입사시킨다. 도 5를 참조하면, 실선으로 도시된 제1, 제2컨주게이트 미러(121)(124)는 예를 들어 입사되는 레이저 빔에 대하여 45도 각도에 위치된 상태를 나타낸다. 이 경우에, 제1, 제2컨주게이트 미러(121)(124)에 의하여 반사된 레이저 빔은 실선으로 도시된 바와 같이 Y-편향 미러(131) 상의 위치(B)로 입사된다. 제1컨주게이트 미러(121)가 점선으로 도시된 바와 같이 X1방향으로 각도 A1만큼 회동되면 제2컨주게이트 미러(124)는 점선으로 도시된 바와 같이 제1컨주게이트 미러(121)에 의하여 반사된 레이저 빔을 Y-편향 미러(131) 상의 위치(B)에 입사시킬 수 있도록 회동된다. 또, 도 6을 참조하면, 제1컨주게이트 미러(121)가 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 X2방향으로 각도 A2만큼 회동되면 제2컨주게이트 미러(124)는 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 제1컨주게이트 미러(121)에 의하여 반사된 레이저 빔을 Y-편향 미러(131) 상의 위치(B)에 입사시킬 수 있도록 회동된다. 그러면, X편향된 레이저 빔은 Y-편향미러(131)의 동일한 위치(B)로 입사된다. 입사된 레이저 빔은 Y-편향미러(131)의 회동각도에 따라서 Y방향으로 편향된다. 제1컨주게이트 미러(121)의 회동각도에 대한 제2컨주게이트 미러(124)의 상보적인 회동각도는 Y-편향 미러(131)의 위치를 고려하여 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 광학계에 따르면, X방향으로 편향된 레이저 빔과 Y방향으로 편향된 레이저 빔이 공통의 입사동을 갖는다. 즉, Y-편향미러(131)가 X 방향으로 편향된 레이저 빔과 Y방향으로 편향된 레이저 빔의 공통의 입사동이 된다. 따라서, Y-편향미러(131)의 위치를 입사동의 위치로 하여 텔레센트릭 렌즈(140)를 포함하는 광학계를 설계함으로써, 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차를 보상할 수 있다. 즉, Y-편향미러(131)를 텔레센트릭 렌즈(140)의 전초점 위치에 위치시킨다. 이러한 광학 설계에 의하면, 도 7에 도시된 바와 같이 Y-편향미러(131)의 위치(B)가 X방향으로 편향된 레이저 빔과 Y방향으로 편향된 레이저 빔의 공통의 입사동이 되므로 Y-편향미러(131)에서 반사되어 텔레센트릭 렌즈(140)에 입사되는 레이저 빔은 편향방향과 무관하여 입사동에의 입사각도(θ1)(θ2)에 따라 결상면에서의 상고가 결정되며, 레이저 빔은 결상면에 수직으로 입사된다. 또한, 결상면에서의 스폿의 형상은 대칭이 된다. 따라서, 정밀하고 효과적인 수직 가공이 가능하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 텔레센트릭 오차 보정 방법은, 제1, 제2방향의 편향이 가능한 2축 스캐너에 적용되는 것으로서, 상보적으로 회동되는 한 쌍의 컨주게이트 미러(121)(124)를 이용하여 레이저 빔을 제1방향으로 편향시킴과 동시에, 제1방향으로 편향된 레이저 빔을 제2방향으로 편향시키기 위한 편향미러(131) 상의 동일한 위치로 입사시킴으로써 제1, 제2방향으로 편향된 레이저 빔이 동일한 입사동을 갖도록 한다. 즉, 후단에 위치되는 편향미러(131)가 입사동이 되도록 레이저 빔을 제1방향으로 편향시킨다. 이와 같은 보정 방법에 따르면, 광학계의 구조에 기인하는 텔레센트릭 오차를 보정하여, 정밀한 수직 가공이 가능하다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

1...레이저 가공 장치 10...X-이동블록
20...Y-이동블록 30...레일
40...Z-컬럼 50...테이블
100...스캐너 110...레이저 발진기
120, 150...제1편향유닛 121, 124...제1, 제2컨주게이트 미러
122, 125, 132, 152...구동모터 123, 126...제1, 제2컨주게이트 유닛
130...제2편향유닛 131...Y-편향미러
140...텔레센트릭 렌즈

Claims

삭제
광을 제1방향으로 편향시키는 제1편향유닛;
회동되는 편향미러를 포함하여, 상기 제1방향으로 편향된 광을 제2방향으로 편향시키는 제2편향유닛;
상기 제2편향유닛의 출사측에 배치되는 텔레센트릭 렌즈;를 포함하며,
상기 제1편향유닛은, 상기 제1방향으로 편향된 광을 상기 편향미러의 동일한 위치로 입사시키며,
상기 제1편향유닛은 서로 나란한 회동축을 중심으로 상보적으로 회동되는 한 쌍의 컨주게이트 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 스캐너.
제2항에 있어서,
상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 입사동 위치에 위치되는 특징으로 하는 2축 스캐너.
제3항에 있어서,
상기 텔레센트릭 렌즈는 에프-세타 텔레센트릭 렌즈이며,
상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 전초점 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 2축 스캐너.
광을 발생시키는 광 발생기;
가공 대상물이 적재되는 테이블;
상기 광을 상기 가공 대상물에 2축 스캔하는 것으로서, 상기 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 2축 스캐너;를 포함하는 레이저 가공 장치.
삭제
텔레센트릭 렌즈에 입사되는 광의 텔레센트릭 오차를 보정하는 2축 스캐너의텔레센트릭 오차 보정 방법으로서,
(a) 한 쌍의 컨주게이트 미러를 구비하는 제1편향유닛을 이용하여 제1방향으로 편향된 광을, 광을 제2방향으로 편향시키는 제2편향유닛의 편향 미러 상의 동일한 위치에 입사시키는 단계;
(b) 상기 편향 미러에 의하여 상기 제2방향으로 편향된 광을 상기 제2편향유닛의 출사측에 위치된 상기 텔레센트릭 렌즈로 입사시키는 단계;를 포함하며,
상기 한 쌍의 컨주게이트 미러는 제1, 제2컨주게이트 미러를 포함하며,
상기 (a)단계는,
광을 상기 제1컨주게이트 미러를 이용하여 상기 제1방향으로 편향시키고, 상기 제1방향으로 편향된 광을 상기 제1컨주게이트 미러의 회동축과 나란한 축을 중심으로 하여 상기 제1컨주게이트 미러와 상보적으로 회동되는 제2컨주게이트 미러로 입사시키는 단계를 포함하며,
상기 제1방향으로 편향된 광과 상기 제2방향으로 편향된 광이 공통의 입사동을 가지도록 함으로써 상기 제1, 제2방향으로 편향된 광의 텔레센트릭 오차를 보정하는 것을 특징으로 하는 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법.
제7항에 있어서,
상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 입사동 위치에 위치되는 특징으로 하는 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법.
제7항에 있어서,
상기 텔레센트릭 렌즈는 에프-세타 텔레센트릭 렌즈이며,
상기 편향 미러는 상기 텔레센트릭 렌즈의 전초점 위치에 위치되는 것을 특징으로 하는 2축 스캐너의 텔레센트릭 오차 보정 방법.