KR101846239B1 - 자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법 - Google Patents

자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법 Download PDF

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한국기초과학지원연구원
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Abstract

본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템은 레이저가 자유형상 광학계로 입사되는 빔 경로를 형성하는 입사 광학계; 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링하는 집속 모니터링 장치; 상기 자유형상 광학계를 고정 지지하며, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 광학계 정렬 스테이지;를 포함한다.

Description

자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법{ALIGNMENT SYSTEM AND METHOD FOR FREEFORM OPTICS}
본 발명은 자유형상 광학계 정렬 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 자유형상 광학계의 정렬 정확도를 향상시킴과 동시에 정렬 작업 시간을 대폭으로 단축시킬 수 있는 자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법에 관한 것이다.
자유형상 광학계(Freeform Optics)는 구면 렌즈 등의 기존 광학계과 비교하여 보다 높은 결상 성능의 구현이 가능하고, 동시에 작은 파면 수차와 우수한 광학 성능을 가지며 소형화 및 경량화가 가능함에 따라, 다양한 광학 시스템에 적용되고 있다.
비축포물거울(OAP, off-axis parabolic mirror)은 대표적인 자유형상 광학계로, 구면(sphere), 평면(flat) 등의 단순한 형상에서 벗어나, 비축(off-axis), 비구면 (asphere) 등이 조합된 형태의 광학면을 가진다. 일반적으로 극초단 고출력 레이저를 효율적으로 사용하기 위하여는 집속 광학계를 통해 집속되는 레이저 빔에 수차가 발생되지 않아야 하는데, 비축포물거울은 구면 집속 거울 등 일반적인 광학계와 비교하여 수차의 발생 없이 레이저 빔을 강하게 집속할 수 있는 장점이 있어 레이저 집속 장치에 주로 활용되고 있다.
다만, 비축포물거울은 제작 측면에서 높은 형상 정밀도를 유지하는데 어려움이 있으며, 높은 형상 정밀도로 비축포물거울의 제작이 완료되더라도, 비축포물거울을 광학 시스템에 적용하는 과정에서 정렬 작업이 용이하지 않은 문제점이 있다. 보다 구체적으로, 비축포물거울은 집속 성능에 있어 정렬에 상당히 민감한 광학계로, 높은 형상 정밀도로 제작되더라도 정렬 정확도에 따라 비점 수차, 코마 수차 등의 수차가 발생할 수 있다. 그러나, 일반적인 비축포물거울의 정렬 작업은 작업자의 감각에 의존한 반복적 교정 과정에 의하여 진행되며, 이에 비축포물거울을 높은 정확도로 정렬하기 위하여는 상당히 오랜 작업 시간이 필요하다. 통상적인 비축포물거울의 정렬 작업은 수일에 걸쳐 진행되고 있는 실정이다.
현재, 비축포물거울을 포함한 자유형상 광학계의 정렬에 대하여 상술한 기술적 한계가 있음에도 불구하고, 이러한 문제점을 해결하기 위한 기술은 제공되고 있지 않다.
한국등록특허 제 1,536,684호
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자유형상 광학계의 정렬 정확도를 향상시킴과 동시에 정렬 작업 시간을 대폭으로 단축시킬 수 있는 자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예들을 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 자유형상 광학계 정렬 시스템은 레이저가 자유형상 광학계로 입사되는 빔 경로를 형성하는 입사 광학계; 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링하는 집속 모니터링 장치; 상기 자유형상 광학계를 고정 지지하며, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 광학계 정렬 스테이지;를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 광학계 정렬 스테이지는 상기 입사 광학계와 상기 자유형상 광학계 사이에 형성되는 빔 경로 상에 복수의홀(hole)이 형성된 차단부재가 배치되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치를 벗어난 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 사전 정렬 프로세스를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학계 정렬 스테이지는 상기 빔 경로 상에 배치된 차단부재가 제거되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 정밀 정렬 프로세스를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학계 정렬 스테이지는 상기 입사 광학계로부터 입사되는 레이저의 방향이 X축으로 정의되는 XYZ 3축을 기준으로, 상기 자유형상 광학계를 X축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 X축 회전 이동 스테이지와, Y축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 Y축 회전 이동 스테이지로 구성되는 제1 정렬 스테이지; 및 상기 자유형상 광학계를 X축을 중심축으로 하여 병진 이동시키는 X축 병진 이동 스테이지와, Z축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 Z축 회전 이동 스테이지로 구성되는 제2 정렬 스테이지; 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학계 정렬 스테이지는 상기 제1 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 상하 왜곡을 보정하고, 상기 제2 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 좌우 왜곡을 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 정렬 스테이지는 상기 Y축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 출력되는 이미지를 상하 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 상기 X축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 이동시키는, 상하 왜곡 보정 프로세스를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 정렬 스테이지는 상기 Z축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 출력되는 이미지를 좌우 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 상기 X축 병진 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 이동시키는, 좌우 왜곡 보정 프로세스를 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광학계 정렬 스테이지는 상기 출력되는 이미지가 이동하며 변형되는 과정에서, 상기 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적(ideal) 이미지의 형상과 일치되면 상기 자유형상 광학계의 정렬 프로세스를 종료할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 자유형상 광학계 정렬 방법은 레이저를 자유형상 광학계로 입사시키는 입사 광학계와, 상기 자유형상 광학계를 고정 지지하는 광학계 정렬 스테이지와, 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링하는 집속 모니터링 장치로 구성되는 자유형상 광학계 정렬 시스템에 의하여 수행된다. 여기에서, 자유형상 광학계 정렬 방법은 상기 입사 광학계, 광학계 정렬 스테이지 및 집속 모니터링 장치를 기정의된 위치에 배치하는 단계; 입사 광학계를 통해 레이저를 상기 자유형상 광학계로 입사시키고, 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저에 대응되는 이미지를 집속 모니터링 장치를 통해 출력하는 단계; 및 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로, 상기 광학계 정렬 스테이지를 제어하여 상기 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 자유형상 광학계의 정렬 정확도를 향상시킴과 동시에, 정렬 작업 시간을 약 1시간 수준으로 대폭 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 자유형상 광학계 정렬 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계 정렬 스테이지를 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 모니터링 장치를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템의 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 자유형상 광학계 정렬 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 자유형상 광학계의 정렬 정확도를 향상시킴과 동시에 정렬 작업 시간을 대폭으로 단축시킬 수 있는 자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명자들은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하고자 예의 노력한 결과, 집속된 레이저에 대한 모니터링 장치와, 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 스테이지를 이용하여, 자유형상 광학계의 정렬 정확도를 향상시킴과 동시에 정렬 작업 시간을 약 1시간 내외 수준으로 대폭 감소시킬 수 있는 본 발명을 완성하였다.
한편, 본 발명의 명확한 이해를 위하여 비축포물거울(OAP)을 자유형상 광학계의 예시로 설명하나, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템 및 방법과 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 1을 참조하면, 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)은 입사광학계(110), 광학계 정렬 스테이지(120) 및 집속 모니터링 장치(130)를 포함한다.
입사광학계(110)는 레이저가 자유형상 광학계(121)로 입사되는 빔 경로를 형성한다. 한편, 도 1에 도시된 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)의 입사광학계(110)는 하나의 반사 미러로 구성되어 있으나, 이는 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉, 입사광학계(110)는 레이저 출력 장치(미도시)와 자유형상 광학계(121)의 빔 경로 상에 위치하여, 레이저 출력 장치에서 출력되는 레이저를 자유형상 광학계(121)로 입사시키는 기능을 수행하는 광학 장치로, 이와 같은 기능을 수행하는 광학 장치라면 개수와 종류에 한정되지 않고 본 발명에 따른 입사광학계(110)에 해당하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
광학계 정렬 스테이지(120)는 자유형상 광학계(121)를 고정 지지하며, 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬한다. 여기에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 스테이지 제어 장치(미도시)와 연결되고, 스테이지 제어 장치로부터 입력되는 제어 신호에 따라 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시켜 자유형상 광학계(121)를 정렬할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 입사광학계(110)로부터 입사되는 레이저의 방향이 X축으로 정의되는 XYZ 3축을 기준으로, 어느 하나의 축을 중심으로 하여 자유형상 광학계(121)를 회전 또는 병진 이동시키는 복수의 서브 정렬 스테이지를 포함할 수 있다.
광학계 정렬 스테이지(120)의 구성에 대하여 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계 정렬 스테이지(120)를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4를 참조하면, 광학계 정렬 스테이지(120)는 자유형상 광학계(121)를 고정 지지하며, 자유형상 광학계(121)를 XYZ 3축 중 어느 하나의 축을 중심으로 회전 또는 병진 이동시키는 복수의 서브 정렬 스테이지를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 X축을 중심축으로 하여 자유형상 광학계(121)를 병진 이동시키는 X축 병진 이동 스테이지(122) 및 회전 이동시키는 X축 회전 이동 스테이지(127) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 Y축을 중심축으로 하여 자유형상 광학계(121)를 병진 이동시키는 Y축 병진 이동 스테이지(123) 및 회전 이동시키는 Y축 회전 이동 스테이지(125) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 Z축을 중심축으로 하여 자유형상 광학계(121)를 병진 이동시키는 Z축 병진 이동 스테이지(126) 및 회전 이동시키는 Z축 회전 이동 스테이지(124) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)에 포함되는 서브 정렬 스테이지들은 하부방향에서 상부방향으로 X축 병진 이동 스테이지(122), Y축 병진 이동 스테이지(123), Z축 회전 이동 스테이지(124) 및 Y축 회전 이동 스테이지(125) 순으로 적층될 수 있다. 여기에서, Z축 병진 이동 스테이지(126) 및 X축 회전 이동 스테이지(127)는 상호 결합되어 Y축 회전 이동 스테이지(125)의 상부에 구성되고, X축 회전 이동 스테이지(127)의 일면에는 자유형상 광학계(121)가 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)에 포함되는 서브 정렬 스테이지들은 중심축이 자유형상 광학계(121)의 중심 표면을 지나도록 배치될 수 있다. 도 4를 참조하면, 서브 정렬 스테이지들(122~127) 각각의 중심축이 자유형상 광학계(121)의 중심 표면(A)를 지나도록 배치되어, 각 서브 정렬 스테이지들(122~127)이 상호 독립적으로 제어되도록 할 수 있다.
한편, 각 서브 정렬 스테이지의 기능 및 동작에 대하여는 후술한다.
다시 도 1을 참조하면, 집속 모니터링 장치(130)는 자유형상 광학계(121)에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링한다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 집속된 레이저에 대응되는 이미지 형상을 생성하는 이미지 출력 장치(134)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이미지 출력 장치(134)는 CCD에 해당할 수 있다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)는 디스플레이 장치(미도시)와 연결되어, 이미지 출력 장치(134)에 의하여 생성된 이미지 형상이 디스플레이되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 자유형상 광학계(121)와 이미지 출력 장치(134)의 광 경로 상에 수차 보정 렌즈(131), 반사 미러(132) 및 광학 필터(133) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 수차 보정 렌즈(131)는 집속되는 레이저 빔의 수차를 감소시킬 수 있으며, 예를 들어, 색수차(Chromatic aberration)를 최소화하기 위한 아포크로매틱 렌즈(apochromatic lense)에 해당할 수 있다. 반사 미러(132)는 자유형상 광학계(121)로부터 입사되는 레이저 빔의 광 진행 경로를 변경시킬 수 있다. 여기에서, 반사 미러(132)는 이미지 출력 장치(134)의 포화(saturation) 가능성을 최소화하기 위하여 낮은 반사율을 가지도록 구성될 수 있다. 광학 필터(133)는 입사되는 레이저 빔의 광량을 감쇠시킬 수 있으며, 이를 위하여 기설정된 광학 밀도(optical density)를 가지며 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(133)는 10-1 ~ 10-4 범위의 광학 밀도를 가지는 중성 농도 필터(neutral density filter)에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 자유형상 광학계(121)로부터 입사되는 레이저의 방향이 X축으로 정의되는 XYZ 3축을 기준으로, 집속 모니터링 장치(130)에 포함되는 광학 장치(131 ~ 134)를 어느 하나의 축을 중심으로 하여 회전 또는 병진 이동시키는 복수의 서브 정렬 스테이지를 포함할 수 있다.
집속 모니터링 장치(130)의 구성에 대하여 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 모니터링 장치(130)를 설명하기 위한 참고도이다.
도 5를 참조하면, 집속 모니터링 장치(130)는 수차 보정 렌즈(131), 반사 미러(132),광학 필터(133) 및 이미지 출력 장치(134)를 포함할 수 있으며, 집속 모니터링 장치(130)에 포함되는 광학 장치(131 ~ 134)는 하우징 내부의 기설정된 각각의 위치에 고정되어 구성될 수 있다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)는 XYZ 3축을 기준으로, 광학 장치(131 ~ 134)가 수용된 하우징을 어느 하나의 축을 중심으로 하여 회전 또는 병진 이동시키는 복수의 서브 정렬 스테이지를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 X축을 중심축으로 하여 광학 장치(131 ~ 134)가 수용된 하우징을 병진 이동시키는 X축 병진 이동 스테이지(135)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 Y축을 중심축으로 하여 광학 장치(131 ~ 134)가 수용된 하우징을 병진 이동 시키는 Y축 병진 이동 스테이지(136) 및 회전 이동시키는 Y축 회전 이동 스테이지(137) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)는 Z축을 중심축으로 하여 광학 장치(131 ~ 134)가 수용된 하우징을 병진 이동시키는 Z축 병진 이동 스테이지(138)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 집속 모니터링 장치(130)에 포함되는 서브 정렬 스테이지들은 하부방향에서 상부방향으로 X축 병진 이동 스테이지(135), Y축 병진 이동 스테이지(136) 및 Y축 회전 이동 스테이지(137) 순으로 적층될 수 있다. 여기에서, Z축 병진 이동 스테이지(138)은 Y축 회전 이동 스테이지(137)의 상부에 구성되고, Z축 병진 이동 스테이지(138)의 일면에 광학 장치(131 ~ 134)가 수용된 하우징이 고정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)을 설명하기 위한 참고도이다. 도 3에 나타난 자유형상 광학계 정렬 시스템은, 3개의 반사미러로 구성되는 입사광학계와, 비축 포물 거울(OAP)을 고정지지하는 광학계 정렬 스테이지(6-axis stage)와, 비축 포물 거울(OAP)로부터 입사되는 레이저 빔을 집속하여 모니터링하는 집속 모니터링 장치(Focal Spot monitor)로 구성된다. 한편, 도 3은 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템의 설계 구조를 명확하게 나타내기 위하여 필수 구성요소를 중심으로 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템을 실제 구현한 사진으로, 본 발명의 권리범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
이하, 상기 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)을 이용한 자유형상 광학계 정렬 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
1. 자유형상 광학계 정렬 시스템 배치 단계
본 단계는 자유형상 광학계(121)의 정렬 프로세스를 수행하기 이전에, 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)에 포함되는 각 구성요소(110~130)들을 정렬하는 과정으로, 입사광학계(110), 광학계 정렬 스테이지(120) 및 집속 모니터링 장치(130)를 기정의된 위치에 배치하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)의 배치 단계는 다음과 같은 순서로 진행될 수 있다.
우선, 자유형상 광학계(121)로 입사하는 레이저 빔의 중심 위치와, 자유형상 광학계(121)의 중심 표면(A)의 위치가 일치되도록, 입사광학계(110) 및 광학계 정렬 스테이지(120)를 정렬한다.
이후, 집속 모니터링 장치(130)를 광학계 정렬 스테이지(120)와 자유형상 광학계(121)의 비축 각도(off-axis angle)를 이루도록 배치하여, 자유형상 광학계(121)에서 반사되는 레이저 빔이 집속 모니터링 장치(130)로 입사할 수 있도록 한다.
다음으로, 집속 모니터링 장치(130)를 X축 병진 이동 스테이지(135)를 이용하여 병진 이동시키면서 평행도를 체크하고 집속 모니터링 장치(130)의 위치를 교정하여, 자유형상 광학계(121)에서 반사되는 레이저 빔이 집속 모니터링 장치(130)로 평행하게 입사할 수 있도록 한다.
2. 레이저 빔 모니터링 단계
본 단계는, 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)에 포함된 각 구성요소(110~130)의 배치가 완료된 이후, 입사광학계(110)를 통해 레이저를 자유형상 광학계(121)로 입사시키고, 자유형상 광학계(121)에서 반사되어 집속되는 레이저를 집속 모니터링 장치(130)를 통해 모니터링하는 단계이다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)는 자유형상 광학계(121)에서 입사되는 레이저에 대응되는 이미지를 출력하여 작업자가 인식하도록 할 수 있다.
3. 자유형상 광학계 정렬 단계
본 단계는, 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로, 광학계 정렬 스테이지(120)를 제어하여 자유형상 광학계(121)를 정렬하는 단계이다. 일 실시예에서, 자유형상 광학계(121)의 정렬 단계는 사전 정렬 프로세스와 정밀 정렬 프로세스로 구분되어 순차적으로 진행될 수 있다. 이하, 각 정렬 프로세스에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
3-1. 사전 정렬 프로세스
본 단계는, 수십 μm 내지 mm 수준에서 빔 집속 성능을 관찰하며 자유형상 광학계(121)를 정렬하는 과정이다.
사전 정렬 프로세스는 입사광학계(110)와 자유형상 광학계(121) 사이에 형성되는 빔 경로 상에 복수의 홀(hole)이 형성된 차단부재가 배치된 상태에서 진행될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 사전 정렬 단계는 입사광학계(110)와 자유형상 광학계(121) 사이에 복수의 홀(hole)이 형성된 차단부재(140)가 배치된 상태에서 진행될 수 있다.
일 실시예에서, 차단 부재(140)는 중심원을 기준으로 동심원상에 4개의 원이 동일 거리에서 상, 하, 좌, 우에 각각 배치된 5-hole aperture에 해당할 수 있다. 한편, 차단 부재에 형성되는 홀의 개수는 필요에 따라 추가 또는 감소될 수 있음은 물론이다.
일 실시예에서, 사전 정렬 단계는 집속 모니터링 장치(130)가 집속되는 레이저의 집속 위치를 벗어난 위치에 배치된 상태에서 진행될 수 있다. 보다 구체적으로, 사전 정렬 단계는 상술한 바와 같이 수십 μm 내지 mm 수준에서 빔 집속 성능을 관찰하며 진행되는 과정으로, 레이저 빔이 집속되는 위치가 집속 모니터링 장치(130)의 이미지 출력 장치(134)의 표면과 미세하게 일치되지 않은 상태에서 진행될 수 있다. 이를 위하여, 집속 모니터링 장치(130)에 구성되는 X축 병진 이동 스테이지(135)를 제어하여, 출력되는 이미지의 크기가 수십 μm 내지 mm 수준이 되도록 집속 모니터링 장치(130)에 포함되는 광학 장치(131 ~ 134)를 X축 방향으로 미세 이송시킬 수 있다.
광학계 정렬 스테이지(120)는 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬할 수 있다. 보다 구체적으로, 광학계 정렬 스테이지(120)는 서브 정렬 스테이지를 제어하여 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시킬 수 있으며, 자유형상 광학계(121)의 이동에 따라 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적 이미지의 형상과 일치하지 않은 경우, 광학계 정렬 스테이지(120)의 서브 정렬 스테이지가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 병진 또는 회전 이동되되, 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적 이미지의 형상과 일치될 때까지 광학계 정렬 스테이지(120)의 서브 정렬 스테이지가 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 상하 왜곡을 보정하기 위한 제1 정렬 스테이지를 포함할 수 있다. 여기에서, 제1 정렬 스테이지는 X축 회전 이동 스테이지(127) 및 Y축 회전 이동 스테이지(125) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 광학계 정렬 스테이지(120)는 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 좌우 왜곡을 보정하기 위한 제2 정렬 스테이지를 포함할 수 있다. 여기에서, 제2 정렬 스테이지는 X축 병진 이동 스테이지(122) 및 Z축 회전 이동 스테이지(124) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 제1 및 제2 정렬 스테이지는 외부에서 입력되는 제어 신호에 대응하여 자유형상 광학계(121)를 회전 또는 병진 이동시킬 수 있다. 이하, 제1 및 제2 정렬 스테이지의 제어를 통한 상하 및 좌우 왜곡 보정에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 6 및 7은 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지(5-hole aperture를 통과한 레이저 빔에 대응한 이미지)를 나타내는 참고도로, 도 6은 빔 이미지의 상하 왜곡을 보정하는 과정을, 도 7은 빔 이미지의 좌우 왜곡을 보정하는 과정을 설명하기 위한 예시이다.
도 6의 (A) 내지 (D)는 상하 왜곡이 발생된 빔 이미지를 나타내며, (E)는 이상적 빔 이미지를 나타낸다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지가 (A) 내지 (D) 중 어느 하나의 형상을 가지는 경우라면, 제1 정렬 스테이지(127, 125)의 제어를 통해 (E)와 같은 형상으로 보정되어야 한다.
제1 정렬 스테이지(127, 125)가 제어되는 경우, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지는 상하 방향으로 이동되며, 상하 방향으로 이동되는 과정에서 빔 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 제1 정렬 스테이지의 Y축 회전 이동 스테이지(125)는 제어 신호에 민감하게 반응하며, X축 회전 이동 스테이지(127)는 제어 신호에 둔감하게 반응한다. 보다 구체적으로, Y축 회전 이동 스테이지(125)가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 Y축을 중심으로 회전하면, 빔 이미지는 좌우 폭은 유지된 채 상측 또는 하측으로 이동하며, X축 회전 이동 스테이지(127)가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 X축을 중심으로 회전하면, 마찬가지로 빔 이미지는 좌우 폭은 유지된 채 상측 또는 하측으로 이동한다. 이 때, Y축 회전 이동 스테이지(125)의 제어에 따른 빔 이미지의 이동은 X축 회전 이동 스테이지(127)와 비교하여 민감하게 반응(즉, 큰 이동 거리를 가짐)한다.
여기에서, 민감하게 반응하는 Y축 회전 이동 스테이지(125)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 상하 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 X축 회전 이동 스테이지(127)를 제어하여 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 미세하게 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 6(A)와 같은 형상의 빔 이미지가 출력되는 경우, Y축 회전 이동 스테이지(125)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 상측 방향으로 이동시킨 후, X축 회전 이동 스테이지(127)를 제어하여 하측으로 빔 이미지를 미세하게 이동시킬 수 있다. 상하 방향으로 이동을 반복하는 과정에서 6(A)의 빔 이미지는 좌우 폭은 유지된 채 6(B), 6(C) 또는 6(D)와 같은 형상으로 변형될 수 있으며, 제1 정렬 스테이지(125, 127)의 제어는 출력되는 빔 이미지가 6(E)와 같은 형상(이상적 이미지)으로 변형될 때까지 수행될 수 있다.
보다 구체적인 예를 들면, 작업자는 출력되는 빔 이미지의 상하 왜곡 보정을 수행하고자 하는 경우, Y축 회전 이동 스테이지(125)를 제어하여 빔 이미지를 상측으로 이동시키고, X축 회전 이동 스테이지(127)를 제어하여 빔 이미지를 미세하게 하측으로 이동시킬 수 있다. 여기에서, 이러한 제어 과정을 통해 빔 이미지가 이상적 이미지와 유사하게 보정(즉, 상하 왜곡이 보정)되고 있는 것으로 확인되면, Y축 회전 이동 스테이지(125)를 통한 상측 이동 및 X축 회전 이동 스테이지(127)를 이용한 하측 이동 과정을 빔 이미지가 이상적 이미지로 보정될 때까지 반복 수행한다. 만약, 이러한 제어 과정을 통해 빔 이미지의 상하 왜곡이 증가되고 있는 것으로 확인되면, 반대로 Y축 회전 이동 스테이지(125)를 통한 하측 이동 및 X축 회전 이동 스테이지(127)를 이용한 상측 이동 과정을 빔 이미지가 이상적 이미지로 변형될 때까지 반복 수행한다.
도 7의 (A) 내지 (D)는 좌우 왜곡이 발생된 빔 이미지를 나타내며, (E)는 이상적 빔 이미지를 나타낸다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지가 (A) 내지 (D) 중 어느 하나의 형상을 가지는 경우라면, 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어를 통해 (E)와 같은 형상으로 보정되어야 한다.
제2 정렬 스테이지(122, 124)가 제어되는 경우, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지는 좌우 방향으로 이동되며, 좌우 방향으로 이동되는 과정에서 빔 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 제2 정렬 스테이지의 Z축 회전 이동 스테이지(124)는 제어 신호에 민감하게 반응하며, X축 병진 이동 스테이지(122)는 제어 신호에 둔감하게 반응한다. 보다 구체적으로, Z축 회전 이동 스테이지(124)가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 Z축을 중심으로 회전하면, 빔 이미지는 상하 높이는 유지된 채 좌측 또는 우측으로 이동하며, X축 병진 이동 스테이지(122)가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 X축을 중심으로 병진 이동하면, 마찬가지로 빔 이미지는 상하 높이는 유지된 채 좌측 또는 우측으로 이동한다. 이 때, Z축 회전 이동 스테이지(124)의 제어에 따른 빔 이미지의 이동은 X축 병진 이동 스테이지(122)와 비교하여 민감하게 반응(즉, 큰 이동 거리를 가짐)한다.
여기에서, 민감하게 반응하는 Z축 회전 이동 스테이지(124)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 좌우 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 X축 병진 이동 스테이지(122)를 제어하여 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 미세하게 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 7(A)와 같은 형상의 빔 이미지가 출력되는 경우, Z축 회전 이동 스테이지(124)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 좌측 방향으로 이동시킨 후, X축 병진 이동 스테이지(122)를 제어하여 우측으로 빔 이미지를 미세하게 이동시킬 수 있다. 좌우 방향으로 이동을 반복하는 과정에서 7(A)의 빔 이미지는 상하 높이는 유지된 채 7(B), 7(C) 또는 7(D)와 같은 형상으로 변형될 수 있으며, 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어는 출력되는 빔 이미지가 7(E)와 같은 형상(이상적 이미지)으로 변형될 때까지 수행될 수 있다.
보다 구체적인 예를 들면, 작업자는 출력되는 빔 이미지의 좌우 왜곡 보정을 수행하고자 하는 경우, Z축 회전 이동 스테이지(124)를 제어하여 빔 이미지를 좌측으로 이동시키고, X축 병진 이동 스테이지(122)를 제어하여 빔 이미지를 미세하게 우측으로 이동시킬 수 있다. 여기에서, 이러한 제어 과정을 통해 빔 이미지가 이상적 이미지와 유사하게 보정(즉, 좌우 왜곡이 보정)되고 있는 것으로 확인되면, Z축 회전 이동 스테이지(124)를 통한 좌측 이동 및 X축 병진 이동 스테이지(122)를 이용한 우측 이동 과정을 빔 이미지가 이상적 이미지로 보정될 때까지 반복 수행한다. 만약, 이러한 제어 과정을 통해 빔 이미지의 좌우 왜곡이 증가되고 있는 것으로 확인되면, 반대로 Z축 회전 이동 스테이지(124)를 통한 우측 이동 및 X축 병진 이동 스테이지(122)를 이용한 좌측 이동 과정을 빔 이미지가 이상적 이미지로 변형될 때까지 반복 수행한다.
한편, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 빔 이미지에서 상하 왜곡과 좌우 왜곡이 동시에 나타나는 경우, 상기 제1 정렬 스테이지(127, 125)의 제어를 통한 상하 왜곡 보정 프로세스와 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어를 통한 좌우 왜곡 보정 프로세스가 순차적으로 수행될 수 있을 것이다.
3-2. 정밀 정렬 프로세스
본 단계는, 사전 정렬 프로세스가 완료된 이후, 약 10 μm 수준에서 빔 집속 성능을 관찰하며 자유형상 광학계(121)를 정렬하는 과정이다. 본 과정을 통해 레이저 빔이 약 5 μm 수준으로 집속되도록 자유형상 광학계(121)가 정렬될 수 있다.
정밀 정렬 프로세스는 입사광학계(110)와 자유형상 광학계(121) 사이에 배치된 차단부재(140)가 제거된 상태에서 진행될 수 있다.
일 실시예에서, 정밀 정렬 프로세스는 집속 모니터링 장치(130)가 집속되는 레이저의 집속 위치에 배치된 상태에서 진행될 수 있다. 보다 구체적으로, 정밀 정렬 단계는 상술한 바와 같이 약 10 μm 수준에서 빔 집속 성능을 관찰하며 진행되는 과정으로, 레이저 빔이 집속되는 위치가 집속 모니터링 장치(130)의 이미지 출력 장치(134)의 표면과 일치된 상태에서 진행될 수 있다. 이를 위하여, 집속 모니터링 장치(130)에 구성되는 X축 병진 이동 스테이지(135)를 제어하여, 출력되는 이미지의 크기가 약 10 μm 수준이 되도록 집속 모니터링 장치(130)에 포함되는 광학 장치(131 ~ 134)를 X축 방향으로 미세 이송시킬 수 있다.
광학계 정렬 스테이지(120)는 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬할 수 있다. 보다 구체적으로, 광학계 정렬 스테이지(120)는 서브 정렬 스테이지를 제어하여 자유형상 광학계(121)를 병진 또는 회전 이동시킬 수 있으며, 자유형상 광학계(121)의 이동에 따라 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적 이미지의 형상과 일치하지 않은 경우, 광학계 정렬 스테이지(120)의 서브 정렬 스테이지가 제어되어 자유형상 광학계(121)가 병진 또는 회전 이동되되, 집속 모니터링 장치(130)에서 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적 이미지의 형상과 일치될 때까지 광학계 정렬 스테이지(120)의 서브 정렬 스테이지가 제어될 수 있다.
한편, 서브 정렬 스테이지의 제어를 통한 상하 및 좌우 왜곡 보정 프로세스를 도 8 내지 도 10을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 다만, 정밀 정렬 프로세스는 사전 정렬 프로세스와 비교하여 차단 부재(140)가 제거된 상태에서 수행되는 차이만 있을 뿐, 제1 및 제2 정렬 스테이지의 제어를 통한 왜곡 보정 프로세스의 원리는 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 8 내지 10은 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지(5-hole aperture가 제거된 상태)를 나타내는 참고도로, 도 8은 빔 이미지의 상하 왜곡을 보정하는 과정을, 도 9는 빔 이미지의 좌우 왜곡을 보정하는 과정을, 도 10은 상하 왜곡 보정 및 좌우 왜곡 보정을 함께 수행하는 과정을 설명하기 위한 참고도이다.
제1 정렬 스테이지(127, 125)가 제어되는 경우, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지는 상하 방향으로 이동되며, 상하 방향으로 이동되는 과정에서 빔 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 민감하게 반응하는 Y축 회전 이동 스테이지(125)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 상하 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 X축 회전 이동 스테이지(127)를 제어하여 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 미세하게 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 8(A)와 같은 형상의 빔 이미지(상하 왜곡 이미지)가 출력되는 경우, Y축 회전 이동 스테이지(125)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 상측 방향으로 이동시킨 후, X축 회전 이동 스테이지(127)를 제어하여 하측으로 빔 이미지를 미세하게 이동시킬 수 있다. 상하 방향으로 이동을 반복하는 과정에서 8(A)의 빔 이미지는 좌우 폭은 유지된 채 8(B)에서 8(C)로, 즉 높이 길이가 축소되는 방향으로 변형될 수 있으며, 제1 정렬 스테이지(125, 127)의 제어는 출력되는 빔 이미지가 기설정된 높이(약 5 μm 수준)를 가질 때까지 수행될 수 있다.
제2 정렬 스테이지(122, 124)가 제어되는 경우, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 이미지는 좌우 방향으로 이동되며, 좌우 방향으로 이동되는 과정에서 빔 이미지의 형상이 변형될 수 있다. 여기에서, 민감하게 반응하는 Z축 회전 이동 스테이지(124)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 좌우 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 X축 병진 이동 스테이지(122)를 제어하여 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 미세하게 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 9(A)와 같은 형상의 빔 이미지(좌우 왜곡 이미지)가 출력되는 경우, Z축 회전 이동 스테이지(124)를 우선적으로 제어하여 빔 이미지를 좌측 방향으로 이동시킨 후, X축 병진 이동 스테이지(122)를 제어하여 우측으로 빔 이미지를 미세하게 이동시킬 수 있다. 좌우 방향으로 이동을 반복하는 과정에서 9(A)의 빔 이미지는 상하 높이는 유지된 채 9(B)에서 9(C)로, 즉 좌우 폭이 감소되는 방향으로 변형될 수 있으며, 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어는 출력되는 빔 이미지가 기설정된 폭(약 5 μm 수준)을 가질 때까지 수행될 수 있다.
한편, 집속 모니터링 장치(130)에 의하여 출력되는 빔 이미지에서 상하 왜곡과 좌우 왜곡이 동시에 나타나는 경우, 상기 제1 정렬 스테이지(127, 125)의 제어를 통한 상하 왜곡 보정 프로세스와 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어를 통한 좌우 왜곡 보정 프로세스가 순차적으로 수행될 수 있다. 도 10의 case1을 참조하면, 빔 이미지에서 상하 왜곡과 좌우 왜곡이 동시에 나타나는 경우, 제1 정렬 스테이지(127, 125)의 제어를 통해 상하 왜곡 보정 프로세스를 수행하고, 이후 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어를 통해 좌우 왜곡 보정 프로세스를 수행하여, 상하좌우 왜곡이 나타나는 빔 이미지를 이상적 이미지(폭 및 높이 각각 5 μm 수준)로 보정할 수 있다. 도 10의 case2를 참조하면, 제2 정렬 스테이지(122, 124)의 제어를 통해 좌우 왜곡 보정 프로세스를 수행하고, 이후 제1 정렬 스테이지(127, 125)의 제어를 통해 상하 왜곡 보정 프로세스를 수행하여 빔 이미지를 이상적 이미지로 보정할 수 있다.
일 실시예에서, 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)은, 정밀 정렬 프로세스가 완료된 이후, 집속 모니터링 장치(130)의 위치를 이동시켜 레이저 빔의 집속 성능 확인 프로세스를 수행할 수 있다. 여기에서, 집속 성능 확인 프로세스는 레이저 빔의 집속 위치 전후 확인을 통한 수차 확인 프로세스를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 정밀 정렬 프로세스는 레이저 빔의 집속 위치를 이미지 출력 장치(134) 표면과 일치시킨 상태에서 수행된 것으로, 정밀 정렬 프로세스를 통해 빔 이미지를 이상적 이미지로 보정하더라도, 집속 위치를 변경하면 각종 수차(예 : astigmatism, coma 등)가 발생되는 경우가 있다. 이러한 수차를 확인하기 위하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 이미지 출력 장치(134) 표면(x = 0 μm)을 기준으로 -20 μm, -10 μm, +10 μm 및 +20 μm 만큼 레이저 빔의 집속 위치를 변경시킬 수 있다. 이를 위하여, 집속 모니터링 장치(130)에 구성되는 X축 병진 이동 스테이지(135)를 제어할 수 있다. 도 11의 (A)는 레이저 빔의 집속 위치를 변경하더라도 특정 수차가 발생되지 않는 상태이나, 도 11의 (B) 및 (C)는 집속 위치의 전후 변경에 따라 수차가 발생되는 상태임을 알 수 있다. 도 11의 (B) 및 (C)의 경우에는, 사전 정렬 프로세스 및 정밀 정렬 프로세스 중 적어도 하나의 과정을 다시 수행하여 자유형상 광학계(121)를 재정렬할 수 있을 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 자유형상 광학계 정렬 시스템(100)을 이용하여 자유형상 광학계(121)를 정렬한 결과를 나타내는 참고도이다. 도 12를 참조하면, 상술한 자유형상 광학계 정렬 방법을 따르는 경우, 대략 5μm 수준으로 레이저 빔의 집속이 가능하며, 수 일에 걸쳐 진행되었던 종래 기술과 비교하여 대략 1시간 내외의 시간으로 정렬 작업을 완료할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 자유형상 광학계 정렬 시스템
110 : 입사광학계
120 : 광학계 정렬 스테이지
121 : 자유형상 광학계
122 : X축 병진 이동 스테이지
123 : Y축 병진 이동 스테이지
124 : Z축 회전 이동 스테이지
125 : Y축 회전 이동 스테이지
126 : Z축 병진 이동 스테이지
127 : X축 회전 이동 스테이지
130 : 집속 모니터링 장치
131 : 수차 보정 렌즈
132 : 반사 미러
133 : 광학 필터
134 : 이미지 출력 장치
135 : X축 병진 이동 스테이지
136 : Y축 병진 이동 스테이지
137 : Y축 회전 이동 스테이지
138 : Z축 병진 이동 스테이지
140 : 차단부재

Claims (9)

  1. 자유형상 광학계 정렬 시스템에 있어서,
    레이저가 자유형상 광학계로 입사되는 빔 경로를 형성하는 입사 광학계;
    상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링하는 집속 모니터링 장치; 및
    상기 자유형상 광학계를 고정 지지하며, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 광학계 정렬 스테이지;
    를 포함하며,
    상기 광학계 정렬 스테이지는
    상기 입사 광학계와 상기 자유형상 광학계 사이에 형성되는 빔 경로 상에 복수의 홀(hole)이 형성된 차단부재가 배치되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치를 벗어난 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 사전 정렬 프로세스를 수행하고,
    상기 사전 정렬 프로세스 이후, 상기 빔 경로 상에 배치된 차단부재가 제거되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 정밀 정렬 프로세스를 수행하며,
    상기 광학계 정렬 스테이지는,
    상기 광학계 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지를 상하 방향 또는 좌우 방향으로 이동시키며 상기 출력되는 이미지의 상하 왜곡 및 좌우 왜곡 중 적어도 하나의 왜곡을 보정하되, 상기 출력되는 이미지가 이동하며 변형되는 과정에서, 상기 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적(ideal) 이미지의 형상과 일치되면 상기 자유형상 광학계의 정렬 프로세스를 종료하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 광학계 정렬 스테이지는
    상기 입사 광학계로부터 입사되는 레이저의 방향이 X축으로 정의되는 XYZ 3축을 기준으로,
    상기 자유형상 광학계를 X축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 X축 회전 이동 스테이지와, Y축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 Y축 회전 이동 스테이지로 구성되는 제1 정렬 스테이지; 및
    상기 자유형상 광학계를 X축을 중심축으로 하여 병진 이동시키는 X축 병진 이동 스테이지와, Z축을 중심축으로 하여 회전 이동시키는 Z축 회전 이동 스테이지로 구성되는 제2 정렬 스테이지;
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광학계 정렬 스테이지는
    상기 제1 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 상하 왜곡을 보정하고,
    상기 제2 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 좌우 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 정렬 스테이지는
    상기 Y축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 출력되는 이미지를 상하 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 상기 X축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 이동시키는,
    상하 왜곡 보정 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제2 정렬 스테이지는
    상기 Z축 회전 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 출력되는 이미지를 좌우 방향을 따라 일측으로 이동시키고, 이후 상기 X축 병진 이동 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 일측으로 이동된 이미지를 타측으로 이동시키는,
    좌우 왜곡 보정 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 광학계 정렬 스테이지는
    상기 출력되는 이미지가 이동하며 변형되는 과정에서, 상기 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적(ideal) 이미지의 형상과 일치되면 상기 자유형상 광학계의 정렬 프로세스를 종료하는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템.
  9. 자유형상 광학계 정렬 시스템을 이용한 자유형상 광학계 정렬 방법에 있어서,
    상기 자유형상 광학계 정렬 시스템은, 레이저를 자유형상 광학계로 입사시키는 입사 광학계와, 상기 자유형상 광학계를 고정 지지하는 광학계 정렬 스테이지와, 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저를 집속시켜 모니터링하는 집속 모니터링 장치로 구성되며,
    상기 입사 광학계, 광학계 정렬 스테이지 및 집속 모니터링 장치를 기정의된 위치에 배치하는 단계;
    입사 광학계를 통해 레이저를 상기 자유형상 광학계로 입사시키고, 상기 자유형상 광학계에서 반사되는 레이저에 대응되는 이미지를 집속 모니터링 장치를 통해 출력하는 단계; 및
    상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로, 상기 광학계 정렬 스테이지를 제어하여 상기 자유형상 광학계를 병진 또는 회전 이동시켜 정렬하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 정렬하는 단계는
    상기 입사 광학계와 상기 자유형상 광학계 사이에 형성되는 빔 경로 상에 복수의 홀(hole)이 형성된 차단부재가 배치되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치를 벗어난 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 사전 정렬 단계;와
    상기 사전 정렬 단계 이후, 상기 빔 경로 상에 배치된 차단부재가 제거되고, 상기 집속 모니터링 장치가 상기 반사되는 레이저의 집속 위치에 배치된 상태에서, 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지의 형상을 기초로 상기 자유형상 광학계를 정렬하는, 정밀 정렬 단계;
    를 포함하며,
    상기 사전 정렬 단계 및 상기 정밀 정렬 단계는
    상기 광학계 정렬 스테이지의 제어 신호에 대응하여 상기 집속 모니터링 장치에서 출력되는 이미지를 상하 방향 또는 좌우 방향으로 이동시키며 상기 출력되는 이미지의 상하 왜곡 및 좌우 왜곡 중 적어도 하나의 왜곡을 보정하되, 상기 출력되는 이미지가 이동하며 변형되는 과정에서, 상기 출력되는 이미지의 형상이 기정의된 이상적(ideal) 이미지의 형상과 일치되면 종료되는 것을 특징으로 하는 자유형상 광학계 정렬 시스템을 이용한 자유형상 광학계 정렬 방법.
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