KR101628947B1 - Laser processing method with focus finding function - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 광원과, 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 회절 소자와, 회절 소자에서 방출된 축 빔 및 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터와, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 가공 대상물에서 반사되어 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치를 제공한다.The present invention relates to a laser beam source, a laser beam emitted from the laser beam source, a diffraction element for passing the axial beam and diffracting the non-axial beam, a beam for separating the axial beam and the non- A light focusing unit for focusing a transmission beam onto an object to be processed; a light receiving unit for receiving a laser beam reflected from the object and passing through the light focusing unit and the beam splitter, for measuring a change in the profile of the laser beam according to a positional change of the object; A laser processing apparatus including a profiler is provided.
Description
본 발명은 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a laser processing apparatus capable of measuring a focus position of an object to be processed and a laser processing method using the same.
가공 대상물에 레이저를 조사하여 가공 대상물의 표면에 홈을 형성하거나, 가공 대상물의 내부에 변질층을 형성하거나, 가공 대상물에 열을 가하여 물질 특성을 변화시키는 등의 다양한 레이저 가공 방법이 사용되고 있다. 그런데 대부분의 경우 레이저 가공 장치와 포커스 측정용 레이저 설비를 따로 구비하고 있으므로 전체 시스템 구성이 복잡해지고, 설비 가격이 상승하게 된다.Various laser processing methods such as forming grooves on the surface of the object by irradiating the object with laser or forming a denatured layer inside the object or changing the material properties by applying heat to the object are used. However, in most cases, since the laser processing apparatus and the laser apparatus for focus measurement are separately provided, the overall system configuration becomes complicated, and the equipment cost increases.
본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이 저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 동시에 가공 중 가공 대상물의 포커스 위치를 일정하게 조정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a laser processing apparatus capable of measuring a focus position of an object to be processed by using a processing laser without having a separate laser system for focus measurement and adjusting a focus position of the object to be processed in a constant manner during processing, Laser processing method.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 레이저 광원, 상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고, 비축 빔을 회절시키는 회절 소자, 상기 회절 소자에서 방출된 상기 축 빔 및 상기 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.According to a first aspect of the present invention, there is provided a laser irradiation apparatus comprising a laser light source, a diffraction element for passing an axial beam among laser beams emitted from the laser light source, diffracting a non-axial beam, A beam splitter for splitting the transmission beam into a reflection beam and a transmission beam, a light focusing unit for focusing the transmission beam onto an object to be processed, and a laser beam reflected by the object and passing through the light focusing unit and the beam splitter, There is provided a laser processing apparatus including a beam profiler for measuring a profile change of a laser beam in accordance with a change in position.
이때, 상기 광 집속부는 집속 렌즈일 수 있다.At this time, the light focusing unit may be a focusing lens.
이때, 상기 광 집속부는 광 스캐너일 수 있다.At this time, the light focusing unit may be an optical scanner.
이때, 레이저 가공 장치는 상기 회절 소자와 상기 광 집속부 사이에 배치되어 상기 비축 빔 중 일부를 차단하는 차단판을 더 포함할 수 있다.The laser processing apparatus may further include a blocking plate disposed between the diffraction element and the light focusing unit to block a part of the reserved beam.
이때, 상기 차단판은 2 이상이 상기 회절 소자와 상기 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다.At this time, two or more of the blocking plates may be disposed between the diffraction element and the beam splitter.
이때, 상기 차단판은 상기 회절 소자를 기준으로 상, 하, 좌, 우 방향에 각각 배치될 수 있다.At this time, the blocking plates may be arranged in the up, down, left, and right directions with respect to the diffraction element.
한편, 본 발명의 제2 측면에 따르면, P파 편광된 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원, 위상차를 발생시켜 상기 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시키는 1/4 파장판, 상기 1/4 파장판에서 방출된 레이저 빔 중 P파를 통과시키고, S파를 굴절시키는 복굴절 소자, 상기 복굴절 소자에서 방출된 P파와 S파를 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 집속 렌즈와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함하는 레이저 가공 장치가 제공된다.According to a second aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus comprising: a laser light source for emitting a P-polarized laser beam; a 1/4 wave plate for generating a phase difference to convert a part of the P- A beam splitter for separating the P wave and the S wave emitted from the birefringent element into a reflected beam and a transmitted beam, respectively, a beam splitter for passing the P wave and the S wave, And a beam profiler for receiving a laser beam reflected by the object to be processed and passing through the focusing lens and the beam splitter and for measuring a change in profile of the laser beam according to a change in position of the object, Is provided.
한편, 본 발명의 제1 측면에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서, 상기 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계, 상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계, 상기 축 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계, 상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하는 제4 단계, 상기 제1 가공 대상물이 상기 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계 및 제2 가공 대상물을 상기 포커스 위치에 배치하고, 상기 축 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계를 포함하는 레이저 가공 방법이 제공된다.A laser machining method using a laser machining apparatus according to the first aspect of the present invention is characterized by comprising a first step of passing an axial beam among the laser beams and diffracting a non-axial beam in the diffractive element, A second step of measuring a change in diameter of the axial beam and a stock beam image according to a positional change of an object, a step of processing the first object with the axial beam to calculate a change in the processing line width according to a positional change of the first object, A fourth step of selecting, as a focus position, a position of the first object to be processed at which the machining line width is minimized; a fourth step of selecting, as the focus position, And a fifth step of setting a position of the stock beam image as a reference position and a fifth step of positioning a second object to be processed at the focus position, Wherein the laser processing method for processing the second object to be processed while a sixth step of measuring the degree to which the beam axis and the location of the reserved image beam deviates from the reference position is provided.
이때, 레이저 가공 방법은 상기 광 집속부를 이동시켜 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계를 더 포함할 수 있다.In this case, the laser processing method may further include a seventh step of moving the light focusing unit to adjust the position of the axial beam and the stock beam image to reach the reference position.
이때, 상기 기준 위치는 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 중심점 좌표일 수 있다.At this time, the reference position may be the center point coordinates of the axial beam and the reserved beam image.
이때, 상기 기준 위치는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격일 수 있다.At this time, the reference position may be a gap between the axial beam image and the stock beam image.
본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중에도 가공 대상물이 포커스 위치를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.According to the embodiments of the present invention, it is possible to accurately measure the focus position of an object to be processed by using a processing laser without having a separate laser apparatus for focus measurement, and at the same time, the object can be adjusted so as to maintain the focus position during processing . As a result, the entire configuration of the laser processing apparatus can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 상기 레이저 가공 장치의 (a) 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.1 is a schematic view of a laser machining apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows a process of selecting a focus position, (b) And the focus position is reset by moving the light focusing unit.
Fig. 2 is a process flow chart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in Fig. 1. Fig.
Fig. 3 is a schematic view showing the shape of the machining groove according to the position of the first object in the second step shown in Fig. 2. Fig.
4 is a graph showing a change in the processing line width according to the positional change of the first object in the second step shown in Fig.
FIG. 5 is a diagram showing a coordinate change of a diffracted beam image displayed on the beam profiler in steps (a) to (c) of FIG.
FIG. 6 is a view showing a change in the interval between the axial beam image and the stock beam image displayed in the beam profiler in the steps (a) to (c) of FIG. 1;
7 is a perspective view showing a diffraction element and a shield plate of a laser processing apparatus according to a first modification of the present invention.
8 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a second modification of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing a change in the interval between the axial beam and the stock beam image on the beam profiler according to the distance change between the light scanner and the object shown in FIG.
10 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 레이저 가공 장치의 (a) 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.FIG. 1 is a schematic view of a laser machining apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) shows a process of selecting a focus position, (b) And the focus position is reset by moving the focusing unit.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 스플리터(beam splitter)(20), 광 집속부(30), 빔 프로파일러(beam profiler)(40) 회절 소자(diffraction element)(90) 및 차단판(62)을 포함한다.1, the
레이저 광원(10)은 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 실제 가공에 사용되는 가공용 레이저 빔이다. 회절 소자(90)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 레이저 빔 중 축 빔(0차 회절 빔)은 직진 통과시키되, 비축 빔(±n차 회절 빔, n은 자연수)은 회절시킨다. The
빔 스플리터(20)는 회절 소자(90)를 거친 축 빔과 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 회절 소자(90)에 의해 통과되는 축 빔을 실선으로, 회절되는 비축 빔을 점선으로 각각 도시하였고, 빔 스플리터(20)의 반사 빔을 일점쇄선으로 도시하였다. 한편, 본 발명에서는 비축 빔을 편의 상 +1차 회절 빔(축 빔의 상부로 회절)과 -1차 회절 빔(축 빔의 하부로 회절)까지만 도시하였으나, 반드시 이러한 차수에 제한되는 것은 아니다.The
레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 출력되는 에너지의 전자기장 벡터 가 시간에 따라 일정한 방향성을 가지지 않는 무질서 편광(random polarization) 상태일 수 있다. 이 경우, 회절 소자(90)를 통과한 축 빔은 회절된 비축 빔들에 비해 더 큰 빔 직경을 가질 수 있으며, 본 발명에서는 축 빔을 이용하여 가공 대상물(50)을 가공한다. The laser beam generated by the
광 집속부(30)는 투과 빔의 경로 상에 위치하여 투과 빔을 가공 대상물(50)로 집속시킨다. 가공 대상물(50)에 조사된 투과 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 광 집속부(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된다. 그리고 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔이 빔 프로파일러(40)에 제공된다.The light focusing unit (30) is located on the path of the transmission beam and focuses the transmission beam onto the object to be processed (50). The transmission beam irradiated on the object to be processed 50 is reflected from the surface of the object to be processed 50 and is provided to the
한편, 본 발명의 제1 실시예에서는 광 집속부(30)로 집속 렌즈를 사용하나, 반드시 본 발명의 범위가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 광 집속부(30)는 레이저를 집속할 수 있는 다양한 광학 집속 수단일 수 있다. In the first embodiment of the present invention, a focusing lens is used as the
빔 프로파일러(40)는 복수의 전하결합소자(charge coupled device, CCD)를 내장한 수광 센서로서, 제공받은 레이저 빔의 프로파일을 측정한다. 이때 가공 대상물(50)은 광 집속부(30)와의 거리가 변하도록 움직일 수 있으며, 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 크기가 변한다. 빔 프로파일러(40)는 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따른 빔 프로파일(직경)의 변화를 측정한다.The
차단판(62)은 회절 소자(92)와 광 집속부(30) 사이에 배치된다. 차단판(62)은 축 빔의 조사방향과 수직 방향으로 이동하여 비축 빔 중 일부를 차단한다. 차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(92)와 빔 스플리터(20) 사이 또는 빔 스플리터(20)와 광 집속부(30) 사이에 배치될 수 있다. The
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Fig. 2 is a process flow chart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in Fig. 1. Fig.
도 1과 도 2를 참고하면, 레이저 가공 방법은 회절 소자(90)에서 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에서 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 축 빔으로 제1 가공 대상물(51)을 가공하여 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계(S30)와, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물(51)의 위치를 포커스 위치(L_Focus)로 선정하는 제4 단계(S40)와, 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계(S50)와, 제2 가공 대상물(52)을 포커스 위치(L_Focus)에 배치하고 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계(S60) 및 광 집속부(30)를 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계(S70)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2, a laser machining method includes a first step (S10) of passing an axial beam in a laser beam and diffracting a non-axial beam in a
가공 대상물(50)은 실제 가공이 이루어지는 제품으로, 본 발명의 가공 대상물(50)은 가공 전 가공 대상 표면에 단차 또는 경사가 형성된 구조체일 수 있다. 한편, 가공 대상물(50)은 제1 가공 대상물(51) 및 제2 가공 대상물(52)을 포함할 수 있다. 제1 가공 대상물(51)은 시험편(specimen)일 수 있고, 제2 가공 대상물(52)은 실제 가공이 이루어지는 제품일 수 있다. 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 한번 포커스 위치(L_Focus) 및 기준 위치를 구한 다음에는 복수의 제2 가공 대상물(52)에 대해 포커스 위치(L_Focus) 또는 기준 위치를 재차 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 집속 렌즈의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.The object to be processed 50 is an actual product to be processed. The
보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 그리고 레이저 광원(10)에서 회절 소자(90)를 향해 레이저 빔을 발진시키고, 회절 소자(90)는 도 1(a)와 같이 레이저 빔 중 축 빔을 직진 통과시키되, 비축 빔을 회절시킨다.More specifically, in the first step S10, the first object to be processed 51 is mounted on the laser processing apparatus. Then, a laser beam is emitted from the
제2 단계(S20)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 도 1(a)와 같이 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 회절 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 데이터 저장부로 전송한다. 이때 축 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(50)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.In the second step S20, the change in diameter of the diffracted beam image is measured in the
한편, 제1 가공 대상물(51)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 변한다. 즉 포커스 위치(L_Focus)를 기준으로 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)보다 앞쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 커지고, 포커스 위치(L_Focus)보다 뒤쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 작아진다. 광 집속부(30)의 배율이 정해진 경우라도 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)의 포커스 위치(L_Focus)를 알 수 없다.On the other hand, as the position of the first object to be processed 51 changes, the diameter of the axial beam and the stock beam image reaching the
제 3단계(S30)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)에 축 빔을 조사하여 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 축 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다.The first object to be processed 51 is processed several times by irradiating the
도 3은 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.Fig. 3 is a schematic view showing the shape of the machining groove according to the position of the first object in the second step shown in Fig. 2. Fig.
도 3의 (a)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 앞쪽에 있는 경우를 나타내고, (b)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 있는 경우를 나타낸다. 그리고 (c)는 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치보다 뒤쪽에 위치하는 경우를 나타낸다. 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치에 가까울수록 가공 홈(55)은 작은 선폭을 가지며, 깊고 날카로운 단면 형상을 나타낸다. 도 3의 (b)에서 최소 가공 선폭을 d_min으로 나타내었다.3 (a) shows a case where the first object to be processed 51 is ahead of the focus position, and (b) shows a case where the first object to be processed 51 is in the focus position. (C) shows a case where the first object to be processed 51 is located behind the focus position. As the first object to be processed 51 is closer to the focus position, the
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.4 is a graph showing a change in the processing line width according to the positional change of the first object in the second step shown in Fig.
도 3과 도 4를 참고하면, 상기 측정된 가공 선폭은 제1 가공 대상물(51)이 광 집속부(30)의 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 최소값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가짐을 알 수 있다.3 and 4, the measured line width has a minimum value when the first object to be processed 51 is at the focus position L_Focus of the
제4 단계(S40)에서는 제3 단계(S30)에서 측정한 가공 선폭의 데이터를 이용하여 가공 선폭이 최소가 되는 위치를 포커스 위치(F_Focus)로 선정한다. 데이터 저장부는 상기의 포커스 위치(L_Focus)를 저장한다.In the fourth step S40, the position at which the machining line width becomes minimum is selected as the focus position F_Focus using the data of the machining line width measured in the third step S30. The data storage unit stores the focus position L_Focus.
도 5는 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 1의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a view showing a coordinate change of a diffracted beam image displayed on the beam profiler in the steps (a) to (c) of FIG. 1, FIG. 5 is a diagram showing a change in the interval between the axial beam image and the stock beam image displayed in the profiler. FIG.
제5 단계(S50)에서, 제1 가공 대상물(51)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)에 해당 위치 정보를 저장한다. 저장된 위치 정보는 제1 가공 대상물(51)의 포커스 위치(L_Focus)에 따른 기준 위치로 설정된다. In the fifth step S50, the position of the axial beam and the stock beam image on the
이 때, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 5(a)에서와 같은 좌표 정보일 수 있다. 도 5(a)에서 기준 좌표는 축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P1(a,b) 및 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P2(c,d)와 P3(e,f)로 설정될 수 있다. At this time, the position information of the axial beam and the stock beam image may be coordinate information as shown in FIG. 5 (a). In FIG. 5A, the reference coordinates can be set to P1 (a, b) which is the center point coordinate of the axial beam image and P2 (c, d) and P3 (e, f) which are the center point coordinates of the stock beam image.
한편, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 6(a)에서와 같은 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 정보일 수도 있다. 도 6(a)에서 기준 간격은 빔 프로파일러(40)에 도달한 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격(포커스 직경, D_Focus)으로 설정될 수 있다.On the other hand, the positional information of the axial beam and the stock beam image may be the spacing information between the axial beam image and the stock beam image as shown in FIG. 6 (a). In FIG. 6 (a), the reference interval can be set to an interval (focus diameter, D_Focus) between the axial beam image and the stock beam image reaching the
제6 단계(S60)에서, 레이저 가공 장치에서 제1 가공 대상물(51)을 제거한 후, 제2 가공 대상물(52)을 장착하고, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시킨다. In the sixth step S60, after the first object to be processed 51 is removed from the laser processing apparatus, the second object to be processed 52 is mounted, and the laser beam is emitted from the
이때, 제2 가공 대상물(52)은 제1 포커스 위치(L_focus)에 바로 장착될 수 있고, 임의의 위치에 장착된다고 해도 빔 프로파일러(40)에서 새로 장착된 제2 가공 대상물(52)에 대한 빔 프로파일을 측정하고, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 오도록 제2 가공 대상물(52)의 위치를 조정하여 최종적으로 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 오도록 조정될 수 있다.At this time, the second object to be processed 52 can be directly mounted on the first focus position L_focus, and even if the second object 52 is mounted at an arbitrary position, The beam profile is measured and the position of the second object 52 is adjusted so that the position of the axial beam and the stock beam image is at the reference position so that the second object 52 finally reaches the first focus position L_focus Lt; / RTI >
이후, 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 제2 가공 대상물(52)을 도 1(b)과 같이 이동시키면 광 집속부(30)와 제2 가공 대상물(52)의 거리에 변화가 발생하여 제2 가공 대상물(50)이 포커스 위치(L_Focus)로부터 벗어나게 된다. 이 때, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정한다.Thereafter, when the second object to be processed 52 is moved as shown in Fig. 1 (b) while the second object 52 is being processed with the axial beam, the distance between the light focusing
이때, 차단판(62)은 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 아래로 이동할 경우 비축 빔 중 +1차 회절 빔을 차단하고, 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 위로 이동할 경우 -1차 회절 빔을 차단할 수 있다. 이를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지의 구분이 용이하다. At this time, the blocking
본 발명에서는 제2 가공 대상물(52)이 위로 이동함에 따라 차단판(62)이 -1차 회절 빔을 차단하여 도 5(b) 및 도 6(b)와 같이 빔 프로파일러(40) 상에 비축 빔 이미지 중 +1차 회절 빔 이미지만 표시되나, 이러한 이미지는 제2 가공 대상물(52)의 이동 방향에 맞게 차단판(62)의 차단 대상을 달리함으로써 달리 표시될 수 있는 것이다.According to the present invention, as the second object 52 moves upward, the blocking
한편, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도는 빔 프로파일러(40) 상에 도 5(b)와 같이 좌표 (c', d')로 표시되거나, 도 6(b)와 같이 간격(D'_Focus)으로 표시될 수 있다. On the other hand, the extent to which the axial beam and the stock beam image on the
제7 단계(S70)에서, 광 집속부(30)를 도 1(c)에서와 같이 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치 상에 도달하도록 조정한다. 본 발명에서는 제2 가공 대상물(52)에 도 1(c)과 같이 단차가 형성된 경우, 광 집속부(30)를 빔 스플리터(20) 쪽으로 후퇴시켜 제2 가공 대상물(52)이 포커스 위치(L_Focus)에 위치하도록 조정할 수 있다.In the seventh step S70, the
이 때, 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 이미지의 좌표는 도5(c)와 같이 P1(a,b)로, 비축 빔 이미지 좌표는 P2(c,d)로, 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격은 6(c)와 같이 D_Focus로 각각 회귀하게 된다. 이때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경은 제2 가공 대상물(52)이 포커스 위치(L_Focus)에 있을 때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경과 동일하다.At this time, the coordinates of the axial beam image on the
다만, 제 1 실시예가 도 5 및 도 6에서 예시한 바와 같이 제2 가공대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우에만 적용되는 것은 아니며, 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에도 얼마든지 적용될 수 있다. 5 and 6, the present invention is not limited to the case where a step is formed on the surface to be processed of the second object to be processed 52, It can be applied to any number of cases.
특히 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에는 제2 가공 대상물(52)의 이동에 따라 축 빔 이미지의 좌표가 기준 좌표로부터 벗어나는 정도를 중점적으로 측정하고, 축 빔 이미지의 좌표를 기준 좌표로 회귀시킴으로써 제2 가공대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.Especially, when the inclination is formed on the surface to be processed of the second object 52, the degree of deviation of the coordinate of the axial beam image from the reference coordinate is mainly measured according to the movement of the second object 52, The same effect as when the step is formed on the surface to be processed of the second object to be processed 52 can be obtained.
이와 같이 본 실시예의 레이저 가공 장치(100) 및 방법에 따르면, 별도의 포 커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공대상면에 단차 또는 경사가 형성된 가공 대상물(50)의 포커스 위치(L_Focus)를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중에도 가공 대상물(50)이 포커스 위치(L_Focus)를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(100)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.As described above, according to the
도 7은 본 발명의 제1 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.7 is a perspective view showing a diffraction element and a shield plate of a laser processing apparatus according to a first modification of the present invention.
도 7을 참고하면, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(200)는 3차원 상에서 회절 소자(90)에 의해 방사되는 비축 빔 중 어느 하나를 제외한 나머지 비축 빔들을 차단판으로 차단하는 점을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.Referring to Fig. 7, the
회절 소자(90)의 중심부에는 슬릿(91)이 형성될 수 있다. 슬릿(91)은 레이저 광원(10)으로부터 발진된 레이저 빔 중 축 빔은 직진시키되, 비축 빔은 3차원 상에서 축 빔의 진행 방향(도 7의 x축 방향)을 향해 방사하도록 회절시킬 수 있다.A
차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(90)와 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다. 차단판(62)은 상기 회절 소자(90) 및 빔 스플리터와 이격되어 배치될 수 있다. 제1 변형예에서 차단판(62)은 도 7의 x축에서 바라볼 때 슬릿(91)을 기준으로 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d) 방향에 각각 배치되어, 각각의 방향으로 방사되어온 비축 빔을 차단할 수 있다. Two or more of the blocking
즉, 상부 차단판(62a)은 xz 평면상에서 x축보다 위로 방사되어 온 비축 빔을, 하부 차단판(62b)은 xz평면 상에서 x축보다 아래로 방사되어 온 비축 빔을, 좌측 차단판(62c)은 xy 평면상에서 x축보다 좌측으로 방사되어 온 비축 빔을, 우측 차단판(62d)은 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔을 각각 차단할 수 있다. That is, the
제1 변형예에서는 예를 들어 가공 대상물이 y축 방향으로 이동할 경우 도 7에서와 같이 우측 차단판(62d)을 제외한 나머지 차단판을 이용해 각각 비축 빔들을 차단하여 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔만 빔 스플리터에 입사되도록 조절함으로써, 3차원 상에서 빔 프로파일러 상에 2 이상의 비축 빔 이미지가 표시되는 것을 방지할 수 있다. In the first modification, for example, when the object to be processed moves in the y-axis direction, the other shield plates except for the
다만, 이러한 차단판들의 이동이 반드시 도 7에 도시된 바와 같이 한정되는 것은 아니며, 가공 대상물의 이동 방향에 따라 얼마든지 차단판들의 조작을 달리할 수 있는 것임은 자명하다.However, it should be understood that the movement of the blocking plates is not necessarily limited as shown in FIG. 7, and that the operation of the blocking plates may be varied depending on the moving direction of the object to be processed.
이와 같은 제1 변형예를 통하여, 전술한 제1 실시예의 가공 대상물과 광 집속부를 3차원적으로 이동시킬 경우에도 용이하게 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별해낼 수 있다.With the first modification, it is possible to easily distinguish the axial beam and the stock beam image even when the object to be processed and the light focusing part of the first embodiment described above are moved three-dimensionally.
즉, 전술한 도 1은 가공 대상물(50)과 광 집속부(30)가 2차원적으로 이동할 경우 차단판(62)을 이용하여 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하는 방법을 제공하나, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(200)는 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d)측 차단판을 이용하여 3차원 상에서 방사되는 비축 빔을 차단하는 방법을 제공함으로써, 가공 대상물과 광 집속부가 3차원적으로 이동할 경우에도 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하기 용이한 장점이 있다.That is, in FIG. 1, when the
도 8은 본 발명의 제2 변형예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.8 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a second modification of the present invention.
도 8을 참고하면, 제2 변형예의 레이저 가공 장치(300)는 광 집속부(30)로 광 스캐너를 사용하는 것과 가공 대상물로 가공 전 가공대상면에 곡면 경사가 형성된 가공 대상물(54)을 사용하는 것을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 8에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.Referring to Fig. 8, the
도 9는 도 8에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing a change in the interval between the axial beam and the stock beam image on the beam profiler according to the distance change between the light scanner and the object shown in FIG.
제2 변형예의 레이저 가공 장치(300)는 광 집속부(30) 중 광 스캐너를 통해 가공 대상물(54)에 축 빔 및 비축 빔을 조사하는데, 광 스캐너와 가공 대상물(54) 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러(40) 상 축 빔과 비축 빔 간 간격 변화는 도 9에서와 같이 서로 비례한다. The
이와 같이 제2 변형예에서는 데이터 계산부(도시하지 않음)에 의해 도 9 그래프의 기울기인 스케일 계수(scale parameter)가 계산되어 데이터 저장부(도시되지 않음)에 추가 저장될 수 있는 바, 가공 대상물(54)의 위치 변화에 따라 재설정된 포커스 위치(L_Focus)을 검산할 수 있는 바, 레이저 가공 장치(300)의 포커스 측정 및 가공 정밀성을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, in the second modification, the scale parameter, which is a slope of the graph of FIG. 9, is calculated by the data calculator (not shown) and can be additionally stored in the data storage unit (not shown) The focus position L_Focus that has been reset in accordance with the positional change of the
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.10 is a schematic view of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
도 10을 참고하면, 제2 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 레이저 광원(10)에서 P파로 편광된 레이저 빔이 발진되고, 제1 실시예의 회절 소자(90) 대신 1/4 파장판 (quarter-wave plate)(80)이, 1/4 파장판(80)과 빔 스플리터(20) 사이에 복굴절 소자 (birefringence element)(60)가 추가되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 10에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.10, the laser machining apparatus 400 of the second embodiment is configured such that the laser beam polarized by the P wave in the
1/4 파장판(80)은 P파 편광된 레이저 빔에 위상차를 발생(90도 위상 지연)시켜 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시킨다. The 1/4
복굴절 소자(60)는 도 10에서처럼 1/4 파장판(80)로부터 방출된 P파와 S파가 입사된다. 복굴절 소자(60)는 레이저 빔 간 위상차를 이용, 도 10에서와 같이 P파는 통과시키고 S파는 굴절시킨다. 이 때, 제2 실시예에서는 통과된 P파를 가공용 축 빔으로, 굴절된 S파를 측정용 비축 빔으로 각각 이용할 수 있다.The P-wave and the S-wave emitted from the 1/4
한편, 제2 실시예의 복굴절 소자(60)는 도 10에서와 같이 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있으며, 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)에 따라 S파의 굴절 정도가 달라질 수 있다. 즉, 제2 실시예는 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)를 조절하여 복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파간 간격을 조절할 수 있다.The
복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파는 제1 실시예에서와 같이 빔 스플리터(20) 및 광 집속부(30)를 거쳐 가공 대상물(50)에 조사되고, 다시 가공 대상물(50)로부터 반사되어 빔 스플리터(20)를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시된다.The P wave and the S wave emitted from the
빔 프로파일러(40)상에는 전술한 도 5(a)와 같이 축 빔 이미지의 위치에 P파가, 비축 빔 이미지의 위치에 S파가 각각 표시된다. 제2 실시예에서는 1/4 파장판(80)을 회절시켜 레이저 빔의 입사 각도를 조절함으로써 P파와 S파의 출력을 조절할 수 있다. 이를 통해 빔 스플리터(20)나 가공 대상물(50)의 반사율(reflectivity)에 따라 S파의 출력을 적정 수준으로 조절할 수 있다.On the
이와 같이 제2 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 전술한 실시예들 대비 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 세기를 높일 수 있으므로, 측정 효율을 높일 수 있고, 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔(P파 및 S파) 이미지의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있다.As described above, the laser machining apparatus 400 of the second embodiment can increase the intensity of the laser beam reaching the
이상에서 본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.While the present invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the following claims. Those skilled in the art will readily understand.
100, 200, 300, 400: 레이저 가공 장치
10: 레이저 광원
20: 빔 스플리터
30: 광 집속부
40: 빔 프로파일러
50, 51, 52, 54: 가공 대상물
55: 가공 홈
60: 복굴절 소자
62 (62a, 62b, 62c, 62d): 차단판
80: 1/4 파장판
90: 회절 소자
91: 슬릿100, 200, 300, 400: laser processing device
10: Laser light source
20: Beam splitter
30: light focusing part
40: beam profiler
50, 51, 52, 54: object to be processed
55: machining groove
60: birefringent element
62 (62a, 62b, 62c, 62d): a shield plate
80: 1/4 wavelength plate
90: diffraction element
91: slit
Claims (11)
상기 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계;
상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계;
상기 축 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계;
상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 포커스 위치로 선정하는 제4 단계;
상기 제1 가공 대상물이 상기 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계; 및
제2 가공 대상물을 상기 포커스 위치에 배치하고, 상기 축 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계
를 포함하는 레이저 가공 방법.A laser beam source, a diffraction element for passing the machining axis beam among the laser beams emitted from the laser beam source, for diffracting the focus-use non-axis beam, the axis beam and the reserve beam emitted from the diffraction element as a reflection beam and a transmission beam, respectively A shielding plate disposed between the diffraction element and the light focusing unit for shielding a part of the stocking beam, and a shield plate for reflecting the light beam reflected by the object to be processed, And a beam profiler for receiving a laser beam passed through the focusing section and the beam splitter and measuring a change in the profile of the laser beam in accordance with a change in the position of the object,
Passing the axial beam among the laser beams in the diffractive element and diffracting the non-axial beam;
A second step of measuring a change in diameter of the axial beam and the stock beam image according to a positional change of the first object in the beam profiler;
A third step of processing the first object with the shaft beam and measuring a change in the processing line width in accordance with the positional change of the first object;
A fourth step of selecting, as a focus position, a position of the first object to be processed whose line width is minimum;
Setting a position of the axial beam and the reserved beam image on the beam profiler as a reference position when the first object is in the focus position; And
A sixth step of arranging a second object to be processed at the focus position and measuring the degree of deviation of the position of the axial beam and the stored beam image from the reference position while processing the second object with the axial beam,
.
상기 광 집속부를 이동시켜 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계
를 더 포함하는 레이저 가공 방법.9. The method of claim 8,
And adjusting the position of the axial beam and the reserved beam image to reach the reference position by moving the light focusing unit
Further comprising the steps of:
상기 기준 위치는 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 레이저 가공 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the reference position is the center point coordinate of the axial beam and the reserved beam image.
상기 기준 위치는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격인 레이저 가공 방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the reference position is an interval between the axial beam image and the stock beam image.
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