KR101815839B1 - 작업 평면에 레이저 빔의 선형 강도 분포를 발생시키기 위한 장치 - Google Patents

작업 평면에 레이저 빔의 선형 강도 분포를 발생시키기 위한 장치 Download PDF

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Abstract

작업 평면(11)에서 레이저 빔의 선형 강도 분포(10)를 발생시키기 위한 장치는 적어도 하나의 레이저 광원(2), 레이저 빔의 다수의 섹션(4)들을 형성할 수 있는 광학 수단(3) 및 거울 수단을 포함하고, 광학 수단(3)에 의해 형성된 레이저 빔의 섹션(4)들이 거울 수단에 의해 작업 평면(11) 내에서 발생할 선형 강도 분포(10)의 길이 방향으로 서로 인접하여 배치되고 결합되어 선형 강도 분포(10)를 형성하도록, 상기 섹션들이 상기 거울 수단에서 반사될 수 있다. 거울 수단은 특히 다수의 거울 모듈들(5, 5')을 포함한다.

Description

작업 평면에 레이저 빔의 선형 강도 분포를 발생시키기 위한 장치{DEVICE FOR GENERATING A LINEAR INTENSITY DISTRIBUTION OF A LASER BEAM IN A WORKING PLANE}
본 발명은 독립 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 작업 평면에 레이저 빔의 선형 강도 분포를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다.
정의: 레이저 빔, 광빔, 부분 빔 또는 빔은, 명확히 달리 지시되지 않으면, 기하 광학의 이상적인 빔을 의미하지 않고, 무한대로 작은 빔 횡단면이 아니라 확장된 빔 횡단면을 가진 실제 광빔, 예를 들면 가우스 프로파일 또는 변형된 가우스 프로파일 또는 탑-햇(top-hat) 프로파일을 가진 레이저 빔을 의미한다. 탑-햇 분포 또는 탑-햇 강도 분포 또는 탑-햇 프로파일은 적어도 하나의 방향과 관련해서 실질적으로 직사각형 함수(rect (x))로 표시될 수 있는 광도 분포를 의미한다. 퍼센트 범위의 직사각형 함수와의 편차 또는 기울어진 플랭크를 가진 실제 강도 분포들도 탑-햇 분포 또는 탑-햇 프로파일이라고 할 수 있다.
전술한 방식의 장치는 WO 2008/006460 A1에 개시되어 있다. 여기에 개시된 장치는 차례로 배치된 레이저 모듈들을 포함하고, 레이저 모듈들은 각각 하나의 레이저 광원 및 광학 수단을 포함한다. 광학 수단들은 개별 레이저 모듈로부터 나온 레이저 빔의 섹션 또는 부분 빔이 대체로 선형 빔 횡단면을 갖도록 형성되고, 선의 단부 측 가장자리들은 강도 강하를 갖는다. 이로 인해, 섹션들 또는 부분 빔들의 각각에서 사다리꼴 프로파일이 형성된다. 레이저 빔의 개별 부분 빔들 또는 섹션들의 사다리꼴 프로파일들은 광학 중첩 수단의 사용 없이도, 상기 섹션들이 측면 플랭크들의 범위에서 중첩되어 하나의 선형 강도 분포를 형성하도록, 서로 인접하여 작업 평면 내로 도입된다.
이 경우 단점은, 플랭크들의 형태로 인해, 중첩 부분들이 플래토 부분보다 더 큰 및/또는 더 작은 강도를 가질 수 있다는 것이다. 즉, 레이저 빔의 선형 강도 분포는 바람직하지 않은 불균일성을 가질 수 있다.
본 발명의 과제는 더 균일한 강도 분포를 달성할 수 있는 전술한 방식의 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 전술한 방식의 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들에 관한 것이다.
청구항 제 1 항에 따라, 장치는 거울 수단을 포함하고, 광학 수단에 의해 형성된 레이저 빔의 섹션들이 거울 수단들에 의해 작업 평면에서 발생할 선형 강도 분포의 길이 방향으로 서로 나란히 배치되고, 결합되어 선형 강도 분포를 형성하도록, 상기 섹션들이 상기 거울 수단에서 반사될 수 있다. 거울 수단은 개별 섹션들이 서로 결합되는 것에 의도적으로 영향을 줄 수 있다.
거울 수단들은 동시에 레이저 빔의 개별 섹션에 대한 애퍼처(aperture)로서 작용함으로써, 선의 길이 방향과 관련해서 섹션들의 가장자리 부분들은 선형 강도 분포에 기여하지 않을 수 있다. 특히, 개별 섹션이 거울 수단에서 반사 전에 사다리꼴 프로파일 또는 선의 가장자리 부분들에서 강하하는 플랭크들을 가지면, 강하하는 플랭크들의 부분들의 절단에 의해 또는 특히 전체의 강하하는 플랭크들의 절단에 의해, 작업 평면에서 플래토와 유사한 프로파일만이 서로 나란히 연결될 수 있다. 이로 인해, 작업 평면에서 강도 분포의 매우 양호한 균일성이 주어질 수 있다.
거울 수단들은 레이저 빔의 섹션들의 각각이 한번보다 더 많이 반사되도록 형성될 수 있다. 예를 들면 거울 수단들은 레이저 빔의 섹션들의 각각이 3번 반사되도록 형성될 수 있다. 거울 수단들에서 레이저 빔의 여러 번 반사에 의해, 서로 결합될 섹션들이 소정 배치로 될 수 있다.
거울 수단들은 다수의 거울 모듈을 포함할 수 있다. 거울 모듈들의 제공에 의해 추가 거울 모듈들의 추가에 의해 그리고 경우에 따라 추가 레이저 모듈들의 추가에 의해, 발생할 선형 강도 분포의 길이가 커질 수 있다.
이 경우, 레이저 빔의 섹션들의 각각에는 거울 모듈들 중 하나가 할당될 수 있다. 대안으로서, 레이저 빔의 섹션들의 각각에 2개의 거울 모듈이 할당될 수 있다. 2개의 할당에 의해, 전체 장치가 발생할 선형 강도 분포의 소정 길이에 따라 스케일링될 수 있다.
거울 모듈들의 각각에는 다수의 반사 면이 형성될 수 있다. 이로 인해, 거울 모듈에서 경우에 따라 실시될 다중 반사가 이루어질 수 있다.
거울 수단이 상이하게 형성된, 특히 서로 거울 대칭인 2개의 그룹의 거울 모듈들을 포함할 수 있다. 거울 모듈들의 서로 상이한 그룹들 중 2개의 그룹을 사용함으로써, 장치의 가변성이 커질 수 있다.
예를 들면 발생할 선형 강도 분포의 길이 방향으로, 거울 모듈들의 2개의 그룹들 중 제 1 그룹의 제 1 거울 모듈이 거울 모듈들의 2개의 그룹들 중 제 2 그룹의 제 1 거울 모듈 옆에 배치될 수 있다. 특히 발생할 선형 강도 분포의 길이 방향으로, 2개의 그룹들의 거울 모듈들이 서로 교대로 서로 나란히 배치된다. 상이한 모듈들의 나란한 배치에 의해, 장치가 공간 절감 방식으로 형성될 수 있다.
또한, 발생할 선형 강도 분포의 길이 방향으로 서로 나란히 배치된 거울 모듈들은 발생할 선형 강도 분포의 가로 방향으로 서로 오프셋되어 배치될 수 있다. 이런 조치는 장치의 공간 필요를 줄일 수 있다.
거울 모듈들은, 레이저 빔의 하나의 섹션, 특히 모든 섹션이 먼저 거울 모듈들의 2개의 그룹 중 제 1 그룹의 하나의 거울 모듈에서 적어도 한번 반사되고, 그 후에 거울 모듈들의 2개의 그룹 중 제 2 그룹의 하나의 거울 모듈에서 반사되도록, 형성되어 장치 내에 배치될 수 있다. 이런 디자인은 거울 모듈들의 협력을 이용하므로, 전체적으로 장치의 더 높은 효율성이 얻어진다.
장치는 또한 포커싱 수단을 포함하고, 상기 포커싱 수단은 거울 모듈로부터 나온 레이저 광을 작업 평면에 포커싱할 수 있다. 이로 인해, 발생할 선의 가로 방향에서 소정 선 폭이 달성될 수 있다.
포커싱 수단은 포커싱 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 포커싱 렌즈는 특히 선의 길이 방향으로 서로 나란히 배치된 세그먼트들, 바람직하게는 서로 연결되거나 또는 서로 연결 가능한 세그먼트들을 포함한다. 포커싱 렌즈를 개별 세그먼트들로 구성하는 것은 장치의 모듈식 구성을 지원하므로, 포커싱 렌즈와 관련해서도 소정 선 길이로 스케일링이 이루어질 수 있다.
거울 수단은, 레이저 빔의 적어도 하나의 섹션, 바람직하게는 모든 섹션의 횡단면이 거울 수단에 의해 90°회전되도록 형성될 수 있다. 이로 인해, 장치가 더 컴팩트하게 형성될 수 있고, 개별 섹션들은 서로 긴밀하게 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 명확히 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 부분일 수 있는 다수의 레이저 광원 및 광학 수단의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 장치 및 상기 장치에 의해 발생된 레이저 빔을 나타내며, 거울 모듈들은 도시되어 있지 않은 부분 사시도.
도 3은 도 2의 확대도.
도 4는 거울 모듈들을 포함하는, 도 3에 실질적으로 상응하는 도면.
도 5는 포커싱 수단들 및 하우징 윈도우를 구비한 본 발명에 따른 장치의 일부의 측면도.
도 6은 도 5에 따른 장치의 부분 사시도.
도 7은 거울 모듈들로부터 나온 레이저 빔의 개략도.
도면들에서 동일한 또는 동일한 작용의 부분들은 동일한 도면 부호로 표시된다. 도면들 중 몇몇에는 방향 설정을 용이하게 하기 위해 데카르트 좌표계가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 장치는 예컨대 레이저 다이오드로서 또는 레이저 다이오드 바로서 형성된 적어도 하나의 레이저 광원을 포함한다. 도 1은 WO 2008/006460 A1에 나타난 다수의 레이저 모듈(1)의 실시예를 도시하며, 상기 레이저 모듈들은 각각 레이저 광원(2) 및 광학 수단(3)을 포함한다. WO 2008/006460 A1은 참조용으로서 본 출원의 일부가 된다.
도 1에 도시된 WO 2008/006460 A1의 실시예에는 7개의 레이저 광원(2) 및 상기 레이저 광원에 할당된 7개의 광학 수단(3)이 도시되어 있다. 상기 광학 수단(3)들은 각각 적어도 부분적으로 선형의 강도 분포를 가진 레이저 빔의 하나의 섹션(4)을 발생시킨다. 더 많거나 더 적은 레이저 광원(2) 및 광학 수단(3)이 제공될 수 있다.
레이저 광원(2)들 각각은 해당 광학 수단(3)과 함께 레이저 모듈(1)을 형성하고, 상기 레이저 모듈(1)은 별도로 교체될 수 있다. 또한, 레이저 모듈(1)의 수의 증가에 의해 얻어질 선형 강도 분포의 길이가 커질 수 있다.
광학 수단(3)은 예컨대 WO 2008/006460 A1에 따른 균일화기들을 포함할 수 있다. 상기 균일화기들은, 작업 평면에서 섹션들의 개별 선들의 중첩에 의해 선형 강도 분포가 생기도록, 레이저 빔 각각의 개별 섹션(4)의 선 길이 및 플랭크 형태를 조절한다. 레이저 빔의 합해진 7개의 섹션(4)들 또는 부분 빔들은 작업 평면에서 균일한 선형 강도 분포를 제공한다.
사용된, WO 2008/006460 A1에 따른 균일화기는 각각 렌즈 어레이 형태인 다수의 실린더 렌즈를 포함할 수 있다. 예를 들면, 렌즈 어레이의 중앙에서 실린더 렌즈들의 중심 간격(피치)은 가장자리에서보다 작을 수 있다. 이는 실린더 렌즈의 폭이 실린더 렌즈들이 서로 나란히 배치된 방향으로 중앙에서부터 외부로 커짐으로써 달성된다. 대안으로서, 중심 간격이 중앙으로부터 외부로 줄어들 수 있다. 그러나, 이 경우 실린더 렌즈의 초점 폭은 모든 실린더 렌즈에 대해 동일할 수 있다.
광학 수단의 상기 실시예에 의해, 중앙에 연장된 플래토를 포함하며 가장자리에서 급강하하는, 레이저 빔의 개별 섹션(4)들의 강도 분포가 주어진다. 즉, 다소 길게 연장된 사다리꼴 프로파일이 주어진다.
본 출원의 범위에서, 다른 배치의 레이저 광원(2) 및 광학 수단(3)으로 이루어진 유사한 레이저 모듈(1)이 제공된 장치가 설명된다. 특히, 레이저 모듈(1)로부터 나온 레이저 빔의 섹션(4)들의 선들은 섹션(4)들이 서로 나란히 배치된 방향에 대해 대략 수직으로 배치된다.
도 2 및 도 6은 개별 섹션(4)들이 대략 Z-방향으로 퍼지는 것을 도시한다. 상기 섹션들은 대략 Y-방향에 상응하는 가로 방향으로는 선형 강도 분포를 나타내지만, X-방향으로는 서로 나란히 또는 도 2 및 도 6에서는 차례로 배치된다. 이 경우, 각각 인접한 섹션(4)들은 선의 가로 방향으로 또는 Y-방향으로 서로 오프셋되어 배치된다.
도 2에는 레이저 모듈(1)의 2개의 개략적으로 도시된 부분이 나타난다. 이들은 레이저 빔의 섹션(4)이 각각 Z-방향에 대해 약간 기울어져 연장하도록 배치된다.
본 발명에 따른 장치의 도시된 실시예에서 레이저 빔의 섹션(4)들 각각은 3번 반사된다. 이를 위해 장치는 거울 모듈들(5, 5')에 형성된 거울 수단을 포함한다. 개별 거울 모듈들(5, 5')은 특히 일체형 또는 모놀리식 부품들이다. 이 경우, 거울 모듈들(5, 5')의 2개의 상이한 그룹이 제공된다.
제 1 그룹은 도 4의 우측에 배치된 제 1 방식의 거울 모듈(5)들을 포함한다. 제 2 그룹은 도 4의 좌측에 배치된 제 2 방식의 거울 모듈(5')들을 포함한다. 거울 모듈들(5, 5')의 2가지 방식은 상이한 분자 비대칭성(chirality)을 갖는다. 이들은 X-Z 평면에 대해 서로 거울 대칭이다(도 4 참고).
거울 모듈들(5, 5')의 각각은 3개의 반사 면(7, 7', 8, 8', 9, 9')을 갖는다. 제 1 반사 면(7, 7')에서, 실질적으로 Z-방향으로 전파하는 섹션(4)들은 그 후에 네거티브 X-방향으로 퍼지도록(도 4 참고) 반사된다. 제 2 반사 면(8, 8')에서 레이저 빔의 섹션(4)들은 그 후에 실질적으로 네거티브 또는 포지티브 Y-방향으로 이동되도록 반사된다. 제 3 반사 면(9, 9')에서 레이저 빔의 섹션(4)들은 하부를 향해 도 4에서 Z-방향으로 반사된다.
레이저 빔의 개별 섹션(4)들은 3번 반사 후에 항상 대략 동일한 Z-방향으로 전파되지만, 그 횡단면과 관련해서 90°회전된다. 반사 전에, 섹션(4)의 선형 횡단면의 길이 방향은 대략 Y-방향으로 연장된다. 반사 후에, 섹션(4)의 선형 횡단면의 길이 방향은 X-방향으로 연장된다(도 3 참고). 이러한 방식으로, 3번 반사 후에 레이저 빔의 인접한 섹션(4)들의 선형 횡단면들은 서로 이어지므로, 작업 평면(11)에서 연속하는 선형 강도 분포(10)가 주어진다(도 4 및 도 5 참고).
거울 모듈들(5, 5')은 외부면에 제 3 반사 면들(9, 9')을 가진 돌출부들(12, 12')을 포함한다. 상기 돌출부들(12, 12')은 X-방향으로 서로 이어진다. 특히 돌출부들(12, 12') 및 그에 따라 제 3 반사 면들(9, 9')은 X-방향으로 그들에 부딪히는 레이저 빔의 섹션(4)의 선형 횡단면보다 약간 더 짧게 연장된다. 따라서, 반사 면들(9, 9')은 동시에 애퍼처로서 작용하고, 상기 애퍼처에 의해 섹션(4)의 강도 분포의 가장자리들이 절단된다. 특히 개별 섹션(4)들이 사다리꼴 프로파일을 가지면, 상기 가장자리들의 절단에 의해, 작업 평면(11) 내에서 거의 완전한 탑-햇 프로파일(Top-Hat Profile)을 가진 강도 분포가 서로 인접하고, 더해져서 균일한 선형 강도 분포(10)를 제공하는 것이 보장된다.
장치의 도시된 실시예에서, X-방향으로 각각 교대로 제 1 그룹의 거울 모듈(5) 및 제 2 그룹의 거울 모듈(5')이 배치된다(도 6 참고). 도시된 실시예에는 또한 제 2 방식의 거울 모듈(5')의 반사 면(8')으로부터 나온 레이저 빔의 섹션(4)들이 후속해서 제 1 방식의 거울 모듈(5)의 반사 면(9)에 의해 하부로 Z-방향으로 반사되거나 또는 그 역으로 반사되는(도 4 참고) 것이 나타난다.
도 5 및 도 6은 장치가 Z-방향으로 볼 때 거울 모듈(5, 5')의 하부에 포커싱 수단(13)을 포함하는 것을 개략적으로 도시하며, 상기 포커싱 수단은 예를 들면 개별 실린더 렌즈로서 또는 X-방향으로 서로 인접하는 다수의 실린더 렌즈 세그먼트로서 형성된다. 포커싱 수단(13)들이 X-방향으로 다수의 실린더 렌즈 세그먼트로 이루어지더라도, 이는 선의 길이 방향(X- 방향)에서 균일성을 떨어뜨리지 않는데, 그 이유는 도 7에 개략적으로 나타나는 바와 같이 제 3 반사 면들(9, 9')에서 반사되는, 레이저 빔의 섹션(4)이 과장하여 도시된 부분 빔(14)으로 표시된 바와 같이 특정 발산을 갖기 때문이다.
도 5 및 도 6에는 또한 장치를 에워쌀 수 있는 하우징의 윈도우(15)가 나타난다. 도 5는 또한 작업 평면에 의해 경우에 따라 반사되는 레이저 빔(16)을 도시하고, 상기 레이저 빔(16)은 적용예에 따라 도시되지 않은 빔 트랩 내로 안내되어야 한다.
2 레이저 광원
3 광학 수단
4 섹션
5, 5' 거울 모듈
10 강도 분포
11 작업 평면
13 포커싱 수단

Claims (16)

  1. 작업 평면(11)에 레이저 빔의 선형 강도 분포(10)를 발생시키기 위한 장치로서,
    - 적어도 하나의 레이저 광원(2),
    - 상기 레이저 빔의 다수의 섹션(4)들을 형성할 수 있는 광학 수단(3)을 포함하는, 상기 장치에 있어서,
    상기 장치는 거울 수단을 포함하고, 상기 광학 수단(3)에 의해 형성되는 상기 레이저 빔의 상기 다수의 섹션(4)들이 상기 거울 수단에서 반사되어, 상기 거울 수단에 의해 상기 작업 평면(11)에서 발생될 선형 강도 분포(10)의 길이 방향으로 서로 나란히 배치되며 상기 선형 강도 분포(10)로 결합되고,
    상기 거울 수단은 상기 레이저 빔의 개별 섹션(4)들용 애퍼처(aperture)로서 동시에 작용함으로써, 상기 섹션(4)들의 가장자리 부분들은 상기 선형 강도 분포(10)의 길이 방향에서 상기 선형 강도 분포(10)에 기여하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 거울 수단은 상기 레이저 빔의 상기 섹션(4)들 중 각각이 한번보다 더 많이 반사되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 거울 수단은 상기 레이저 빔의 상기 섹션(4)들 중 각각이 3번 반사되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 거울 수단은 다수의 거울 모듈들(5, 5')을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 섹션(4)들의 각각에 상기 거울 모듈들(5, 5') 중 하나가 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 레이저 빔의 상기 섹션(4)들의 각각에 상기 거울 모듈들(5, 5') 중 2개의 거울 모듈이 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 거울 모듈들(5, 5')의 각각에 다수의 반사 면(7, 7', 8, 8', 9, 9')이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 거울 수단은 상이하게 형성되는 2개의 그룹의 거울 모듈들(5, 5')을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 발생할 선형 강도 분포(10)의 길이 방향에서, 상기 거울 모듈들(5, 5')의 상기 2개의 그룹 중 제 1 그룹의 제 1 거울 모듈(5)은 상기 거울 모듈들(5, 5')의 상기 2개의 그룹 중 제 2 그룹의 제 1 거울 모듈(5') 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 발생할 선형 강도 분포(10)의 길이 방향에서 상기 2개의 그룹의 거울 모듈들(5, 5')은 서로 교대로 서로 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 발생할 선형 강도 분포(10)의 길이 방향에서 나란히 배치된 거울 모듈들(5, 5')은 상기 발생할 선형 강도 분포(10)의 가로 방향으로 서로 오프셋되어 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 거울 모듈들(5, 5')은, 상기 레이저 빔의 하나의 섹션(4)이 먼저 거울 모듈들(5, 5')의 2개의 그룹 중 제 1 그룹의 거울 모듈(5)에서 적어도 한번 반사되며 그 후에 거울 모듈들(5, 5')의 2개의 그룹 중 제 2 그룹의 거울 모듈(5')에서 반사되도록, 형성되어 상기 장치 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 5 항에 있어서, 상기 장치는 포커싱 수단(13)을 더 포함하고, 상기 포커싱 수단(13)은 상기 거울 모듈들(5, 5')로부터 나오는 레이저 광을 상기 작업 평면(11)에 집속할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 포커싱 수단(13)은 포커싱 렌즈를 포함하고, 상기 포커싱 렌즈는 서로 나란히 배치된 세그먼트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 거울 수단은, 상기 레이저 빔의 적어도 하나의 섹션(4)의 횡단면이 상기 거울 수단에 의해 90°만큼 회전되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
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