KR101992241B1

KR101992241B1 - 동축 레이저 가공장치 및 가공방법

Info

Publication number: KR101992241B1
Application number: KR1020170090181A
Authority: KR
Inventors: 김형태; 황준영; 강희석; 문윤재
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2019-06-26
Also published as: KR20190009013A

Abstract

본 발명은 자동 초점 조절 및 자동 조명 조절을 통해 영상의 품질을 높여 가공정밀도를 높일 수 있는 동축 레이저 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 동축 레이저 가공장치는, 레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 및 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부;를 포함하여 구성된다.

Description

동축 레이저 가공장치 및 가공방법{A MACHINING APPARATUS IN WHICH A LASER AXIS AND A CAMERA AXIS ARE COAXIAL}

본 발명은 동축 레이저 가공장치 및 가공방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 레이저광의 축과 카메라의 축이 동축으로 구성된 레이저 가공장치 및 가공방법에 있어서 자동 초점 조절 및 자동 조명 조절을 통해 영상의 품질을 높여 가공정밀도를 높일 수 있는 동축 레이저 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.

레이저 가공장치는 소정 직경의 좁은 스폿점에 집속된 레이저광을 이용하여 인쇄 전자, 반도체 및 평면 디스플레이와 같은 전자부품의 결함 부위를 비접촉식으로 가공하여 수정하는 리페어 공정에 사용된다.

상술한 레이저 가공장치는 전자부품의 결함 부위가 가공되는 상태를 실시간으로 감시하기 위하여 카메라와 같은 비전(vision)장비가 함께 구성되며, 레이저광의 조사 지점과 비전장비의 광 초점이 일치한 상태에서 카메라를 통해 결함 부위를 관찰하면서 레이저광으로 결함 부위를 가공하여 수정하게 된다.

그러나, 상술한 레이저 가공장치는 카메라의 초점 상태나 결함 부위에 광을 조사하는 조명의 조명 상태에 좋지 못할 경우에 영상의 품질이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 카메라의 초점을 정확하게 맞추고, 조명의 상태를 최적으로 조절하여 고품질의 영상을 관찰하면서 정밀하게 레이저 가공을 수행할 수 있는 기술이 요구된다.

등록특허 제10-0660112호(등록일자 2006년12월14일)

상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 레이저광의 축과 카메라의 축이 동축으로 구성된 레이저 가공장치 및 가공방법에 있어서 자동 초점 조절 및 자동 조명 조절을 통해 영상의 품질을 높여 가공정밀도를 높일 수 있는 동축 레이저 가공장치 및 가공방법을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 동축 레이저 가공장치는, 레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 및 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부;를 포함한다.

바람직하게, 상기 초점거리조절부는, 조절가능한 상기 동축광학부와 상기 영상취득부 사이의 최단거리부터 최장거리까지 단계적으로 조절가능하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 초점거리조절부의 단계 조절은, 상기 동축광학부의 심도의 1/5 내지 1/20 에 해당하는 거리를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단은, 조절가능한 최소밝기부터 최대밝기까지 단계적으로 조절가능하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단의 단계 조절은, 조절가능한 밝기범위의 1/50 내지 1/200 에 해당하는 밝기를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단의 조명광은, 적어도 레드(R), 그린(G), 블루(B), 화이트(W) 중 어느 하나의 색으로 변경이 가능할 수 있다.

바람직하게, 상기 영상취득부에서 취득한 영상의 밝기가 균일하도록 보정하는 영상보정부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 영상보정부는 취득한 영상의 가장 밝은 영역을 광 중심으로 결정하고, 상기 결정된 광 중심을 기준으로 반지름 방향 거리에 따른 보정 계수를 연산하여 적용함에 따라 취득한 영상의 밝기를 균일화할 수 있다.

바람직하게, 상기 초점거리조절부는 상기 동축광학부와 상기 영상취득부의 조절가능한 최단거리부터 최장거리까지 단계적으로 조절가능하도록 구성되고, 상기 영상보정부는 상기 초점거리조절부에 의해 조절된 각 단계에서 취득한 각각의 영상의 밝기가 균일하도록 보정하며, 상기 영상보정부에 의해 보정된 각각의 영상에 대해 명도(Brightness), 대비도(Contrast), 분산도(Variance), 제곱구배(square gradient), 브렌너구배(brenner gradient), 테넨바움구배(tenenbaum gradient), 라플라시안구배(energy laplacian), 분포엔트로피(histogram entropy), 정규분산도(normalized variance), 미분상관도(derivative-based correlation), 자기상관도(auto-correction) 중 적어도 어느 하나를 기준으로 지수값(index)을 산출하는 연산부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 초점거리조절부는 상기 연산부에서 산출된 각 지수값 중 최대 지수값에 대응하는 상기 동축광학부와 상기 영상취득부의 상대거리를 최적거리로 결정할 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단은 조절가능한 최소밝기부터 최대밝기까지 단계적으로 조절가능하도록 구성되고, 상기 영상보정부는 상기 조명수단에 의해 조절된 각 단계에서 취득한 각각의 영상의 밝기가 균일하도록 보정하며, 상기 영상보정부에 의해 보정된 각각의 영상에 대해 명도(Brightness), 대비도(Contrast), 분산도(Variance), 제곱구배(square gradient), 브렌너구배(brenner gradient), 테넨바움구배(tenenbaum gradient), 라플라시안구배(energy laplacian), 분포엔트로피(histogram entropy), 정규분산도(normalized variance), 미분상관도(derivative-based correlation), 자기상관도(auto-correction) 중 적어도 어느 하나를 기준으로 지수값(index)을 산출하는 연산부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단은 상기 연산부에서 산출된 각 지수값 중 최대 지수값에 대응하는 조명밝기를 최적밝기로 결정할 수 있다.

바람직하게, 상기 가공 대상물은 인쇄전자(Printed Electronics)이고, 상기 레이저광은 상기 인쇄전자의 패턴 중 결함이 발생한 지점을 가공하여 수정할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 동축 레이저 가공방법은, 레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 및 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부;를 포함하는 동축 레이저 가공장치를 이용한 동축 레이저 가공방법으로서, 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 단계적으로 조절하는 단계; 조절된 각 단계에 대한 가공 지점의 영상을 취득하여 밝기가 균일하도록 보정하는 단계; 및 조절된 각 단계의 보정된 영상에 대해 지수값(index)을 산출하여 최대값에 대응하는 상기 동축광학부와 상기 영상취득부의 상대거리를 최적거리로 결정하는 단계;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 동축 레이저 가공방법은, 레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 및 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부;를 포함하는 동축 레이저 가공장치를 이용한 동축 레이저 가공방법으로서, 상기 조명수단의 밝기를 단계적으로 조절하는 단계; 조절된 각 단계에 대한 가공 지점의 영상을 취득하여 밝기가 균일하도록 보정하는 단계; 및 조절된 각 단계의 보정된 영상에 대해 지수값(index)을 산출하여 최대값에 대응하는 조명밝기를 최적밝기로 결정하는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 영상의 보정은, 취득한 영상의 가장 밝은 영역을 광 중심으로 결정하고, 상기 결정된 광 중심을 기준으로 반지름 방향 거리에 따른 보정 계수를 연산하여 적용함에 따라 취득한 영상의 밝기를 균일화할 수 있다.

바람직하게, 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리는, 상기 동축광학부의 심도의 1/5 내지 1/20 에 해당하는 거리를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 조명수단의 밝기는, 상기 조명수단의 조절가능한 밝기범위의 1/50 내지 1/200 에 해당하는 밝기를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 지수값은 명도(Brightness), 대비도(Contrast), 분산도(Variance), 제곱구배(square gradient), 브렌너구배(brenner gradient), 테넨바움구배(tenenbaum gradient), 라플라시안구배(energy laplacian), 분포엔트로피(histogram entropy), 정규분산도(normalized variance), 미분상관도(derivative-based correlation), 자기상관도(auto-correction) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 레이저광의 축과 카메라의 축이 동축으로 구성된 레이저 가공장치 및 가공방법에 있어서 자동 초점 조절 및 자동 조명 조절을 통해 영상의 품질을 높여 가공정밀도를 높일 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 영상취득부의 초점을 조절하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 조명광조사부의 조명수단의 밝기를 조절하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 조명수단에 의해 조사된 광이 대물 렌즈의 집광 특성으로 인하여 중앙 부분이 밝게 보이는 보정 전의 조명 광도 분포를 보여주는 원본 사진이다.
도 5는 도 4의 조명 광도의 분포 단면을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치의 (Cx, Cy)를 중심으로 한 반지름 거리별 보정 계수를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 영상취득부에 의해 취득된 보정 전의 원본 영상을 보여주는 사진이다.
도 8은 도 7의 사진에 대해 영상보정부가 보정한 영상을 보여주는 사진이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 연산부의 지수값에 대한 산출식을 도시한 표이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치의 초점거리 조절 대비 영상 인덱스 변화 실험예를 보여주는 그래프 및 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치의 광색에 따른 광도 변화 대비 영상 인덱스 실험예를 보여주는 그래프 및 사진이다.

본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.

및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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 "구비하다", "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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 도시한 구성도로서, 상기 동축 레이저 가공장치는 레이저광(L)의 축과 광학계의 축이 동축으로 이루어진 레이저 가공장치이다.

상기 동축 레이저 가공장치는, 예를 들어, 상기 레이저광(L)을 이용하여 인쇄전자(Printed Electronics) 등과 같은 가공 대상물의 패턴 중 결함이 발생한 지점을 가공하여 수정할 수 있다.

본 실시예의 동축 레이저 가공장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 동축광학부(100), 영상취득부(200), 영상보정부(600), 높이조절부(300), 초점거리조절부(400), 조명광조사부(500) 및 연산부(미도시)를 포함하여 구성된다.

상기 동축광학부(100)는 레이저광(L)을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러(110)와, 상기 반사미러(110)의 하부에 위치되어 상기 레이저광(L)이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈(120)와, 상기 반사미러(110)의 상부에 위치된 대안렌즈(130)를 포함하여 구성된다.

상기 동축광학부(100)는 경통(10a, 10b, 10c)의 내부에 구비되며, 상기 경통의 중간 부분(10a)에 상기 반사미러(110)가 구비된다.

상기 반사미러(110)는 상기 경통의 길이방향에 대해 경사지게 구비되며, 측면에 구비된 레이저 주입포트(LP)를 통해 주입되는 레이저광(L)을 반사하여 하방으로 방향을 전환시키게 된다.

상기 반사미러(110)는 상기 레이저광(L)은 반사시키고 상기 가공 대상물의 가공 지점의 영상(또는 이미지)은 대안렌즈(130) 측으로 통과시킬 수 있도록 구성된다.

한편, 상기 레이저광(L)은 레이저 소스(LS)에서 발생되어 광섬유와 같은 유연한 광전달수단을 통해 상기 레이저 주입포트(LP)로 전달될 수 있다.

그리고, 상기 반사미러(110)에 도달하는 레이저광(L)이 모아질 수 있도록 상기 레이저 주입포트(LP)와 상기 반사미러(110)의 사이에는 집광렌즈(CL)가 구비될 수 있다.

상기 반사미러(110)에 의해 하방으로 방향이 전환된 레이저광(L)은 상기 경통의 아래 부분(10b)에 구비된 대물렌즈(120)를 통과하면서 광이 더욱 집속되며, 상기 대물렌즈(120)를 통과한 레이저광(L)은 가공 대상물의 가공 지점에 도달하게 된다.

한편, 가공 대상물의 가공 지점의 영상(또는 이미지)은 상기 대물렌즈(120), 반사미러(110) 및 대안렌즈(130)를 통과하여 상기 영상취득부(200)로 전달될 수 있다.

이때, 레이저광(L)의 축과, 대물렌즈(120) 및 대안렌즈(130)를 포함하여 구성된 광학계의 축이 동축으로 이루어진다.

상기 영상취득부(200)는 상기 상기 경통의 아래 부분(10b)에 구비된 대물렌즈(120), 상기 경통의 중간 부분(10a)에 구비된 반사미러(110) 및 상기 경통의 윗 부분(10c)에 구비된 대안렌즈(130)를 순차로 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하도록 구성된다.

상기 영상취득부(200)는, 예를 들어, CCD 카메라(charge-coupled device camera, CCD camera) 혹은 CMOS 카메라(Complementary metal-oxide semiconductor, CMOS Camera)로 구성될 수 있다.

상기 영상취득부(200)는, 예를 들어, 상기 경통의 윗 부분(10c)의 상단에 구비될 수 있으며, 상기 초점거리조절부(400)에 의해 상기 대안렌즈(130)에 대한 상대거리가 조절될 수 있도록 구비된다.

즉, 상기 경통의 윗 부분(10c)의 상단을 기준으로 상기 영상취득부(200)가 상방으로 이동하거나 하방으로 이동함에 따라 상기 대안렌즈(130)와 상기 영상취득부(200)의 간격이 조절될 수 있고, 이를 통해 상기 대안렌즈(130)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 조절될 수 있다.

이때, 상기 대안렌즈(130)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리 조절은, 예를 들어, 현미경의 조동나사나 미동나사의 회전에 따른 대물렌즈(120) 조절과 동일 또는 유사한 방식으로 구성될 수 있으며, 초점거리조절부(400)에 대한 설명 시 구체적으로 하도록 한다.

상기 영상보정부(600)는 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상을 보정하도록 구성된다.

상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 중앙 부분에 광이 집중되어 가장 밝게 보이게 된다.

상기 영상보정부(600)는 취득한 영상의 가장 밝은 영역을 광 중심으로 결정하고, 상기 결정된 광 중심을 기준으로 반지름 방향 거리에 따른 보정 계수를 연산하여 적용함에 따라 취득한 영상의 밝기를 균일화할 수 있으며, 구체적인 과정에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 상기 영상 취득부에서 취득한 영상 내 직교좌표(x, y)를 기준으로 하여, 임의의 x축 하나의 좌표에서 y축 방향 모든 지점의 밝기 평균값(

)이 가장 높은 x축 좌표(Cx), 임의의 y축 하나의 좌표에서 x축 방향 모든 지점의 밝기 평균값(

)이 가장 높은 y축 좌표 위치(Cy)를 산출한다.

이때, 임의의 x축 하나의 좌표에서 y축 방향 모든 지점의 밝기 평균값(

)은 [수학식 1]로 산출할 수 있고, 임의의 y축 하나의 좌표에서 x축 방향 모든 지점의 밝기 평균값(

)은 [수학식 2]로 산출할 수 있다.

y축 방향의 평균값이 가장 높은 x축 좌표 (Cx)는 [수학식 3]으로 정의할 수 있고, x축 방향의 평균값이 가장 높은 y축 좌표 위치(Cy)는 [수학식 4]로 정의할 수 있다.

다음으로, 상기 y축 방향의 평균값이 가장 높은 x축 좌표 (Cx), x축 방향의 평균값이 가장 높은 y축 좌표 위치(Cy)가 산출되면, 밝기가 가장 밝은 지점의 좌표는 (Cx, Cy)로 정의될 수 있다.

다음으로, 상기 (Cx, Cy)를 원점으로하여 직교좌표(x, y)를 극좌표(r,θ)로 변환하며, 좌표의 변환은 [수학식 5]를 통해 이루어질 수 있다.

다음으로, 상기 (Cx, Cy)를 중심으로 하여 반지름 방향에 대한 평균 밝기를 산출하며, 이는, [수학식 6]에 의해 이루어질 수 있다.

다음으로, 보정 계수(

)를 산출하며, 이는, [수학식 7]에 의해 이루어질 수 있으며, 상기 (Cx, Cy)를 중심으로 한 반지름 길이별 보정 계수(

)는 도 6과 같이 정의될 수 있다.

다음으로, 상기 영상 취득부에서 취득한 영상 내 각 위치의 밝기값에 대해 상기 보정 계수(

)를 적용하여 영상 내 각 위치의 밝기를 보정하며, 이는, [수학식 8]에 의해 이루어질 수 있다.

상술한 과정을 통해 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상의 밝기를 보정하게 되며, 도 7과 같이 보정 전의 영상이 도 8과 같이 균일한 밝기를 갖는 영상으로 보정될 수 있다.

x, y : 영상 픽셀의 수평 수직 직교좌표값

r, θ : 영상 픽셀의 극좌표 값

I : 영상 픽셀의 밝기

: 영상 전체의 평균 밝기

,

: 영상 특정 직교좌표에서 x, y 방향의 평균 밝기

,

: 영상 특정 극좌표에서 r, θ 방향의 평균 밝기

Cx, Cy : 직교 좌표에서 x, y 각 방향의 가장 밝은 지점

: 극좌표에서 r 방향 보정 계수

I’: 보정된 영상 픽셀의 밝기

상기 높이조절부(300)는 상기 대물렌즈(120)에 의해 모아진 레이저광(L)의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부(100) 및 영상취득부(200)의 높이를 조절하도록 구성된다.

구체적으로, 상기 높이조절부(300)는 상기 경통(10a, 10b, 10c) 및 상기 경통(10a, 10b, 10c)의 내부에 구비된 반사미러(110), 대물렌즈(120), 대안렌즈(130)를 포함한 동축광학부(100)와 상기 경통의 윗 부분(10c)의 상단에 구비된 영상취득부(200)를 동시에 함께 상방 또는 하방으로 이동하여 높이를 조절하게 된다.

상술한 바와 같이, 상기 동축광학부(100) 및 영상취득부(200)의 높이가 조절됨에 따라 상기 가공 지점과 상기 대물렌즈(120)의 사이 거리가 조절되어 레이저광(L)의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 조절될 수 있게 된다.

상기 초점거리조절부(400)는 상기 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부(200)의 초점을 조절하도록 구성된다.

즉, 상기 초점거리조절부(400)는 상기 경통의 윗 부분(10c)의 상단을 기준으로 상기 영상취득부(200)를 상방으로 이동시키거나 하방으로 이동시킴에 따라 상기 동축광학부(100)의 대안렌즈(130)와 상기 영상취득부(200)의 사이 거리를 가깝거나 멀어지게 조절하는 것이다.

상술한 바와 같이, 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 사이 거리를 가깝거나 멀어지게 조절함에 따라 상기 영상취득부(200)의 초점을 조절할 수 있게 된다.

이때, 상기 대안렌즈(130)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리 조절은, 전술한 바와 같이, 현미경의 조동나사나 미동나사의 회전에 따른 대물렌즈(120) 조절과 동일 또는 유사한 방식으로 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 대안렌즈(130)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리 조절은 전기적인 신호에 따라 회전을 미세하게 조절 가능한 서보모터 등과 같은 회전제어수단을 통해 정밀하게 이뤄질 수 있다.

좀 더 구체적으로, 상기 초점거리조절부(400)는, 조절이 가능한 범위 내에서 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 최단거리부터 최장거리까지 단계적으로 조절가능하도록 구성될 수 있으며, 상기 초점거리조절부(400)의 단계 조절은, 상기 조절이 가능한 거리범위, 즉, 대물렌즈(120) 및 대안렌즈(130)의 심도의의 1/5 내지 1/20 에 해당하는 거리를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 초점거리조절부(400)에 의해 조절된 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 최단거리를 'SD'라 하고, 상기 초점거리조절부(400)에 의해 조절된 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 최장거리를 'LD'라 할 때, 상기 초점거리조절부(400)의 조절이 가능한 거리 범위(CD, 심도)는 'LD - SD'가 된다. 대물렌즈(120)와 대안렌즈(130) 등으로 구성되는 동축광학부(100)의 조절이 가능한 거리 범위를 심도(CD)라고 한다.

따라서, 상기 초점거리조절부(400)의 조절 단위(한 단계 거리)는 CD/5 내지 CD/20이 되는 것이다.

한편, 상기 초점거리조절부(400)에 의해 조절 단위 거리마다 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상은 영상보정부(600)에 의해 보정된 후 후술하게 될 연산부에 의해 지수값(index)을 산출되고, 상기 초점거리조절부(400)는 상기 연산부에서 산출된 각 지수값 중 최대 지수값에 대응하는 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 상대거리를 최적거리로 결정할 수 있으며, 이에 대해서는 연산부에 대한 설명 시 추가적으로 설명하도록 한다.

상기 조명광조사부(500)는 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단(510) 및 상기 조명수단(510)의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단(520)을 포함하여 구성된다.

상기 조명수단(510)은 칼라광 발생장치(511), 광 파이버 케이블(512) 및 링조명(513)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 칼라광 발생장치(511)는 적어도 레드(R), 그린(G), 블루(B), 화이트(W) 중 어느 하나의 색으로 조절된 광을 발생할 수 있으며, 2개 이상의 색 조합을 통해 다양한 색으로 변경이 가능할 수 있다.

상기 칼라광 발생장치(511)에서 발생된 광은 상기 광 파이버 케이블(512)을 통해 상기 링조명(513)으로 전달되며, 상기 링조명(513)으로 전달된 광은 상기 가공 지점으로 조사된다.

구체적으로, 상기 링조명(513)은 상기 경통의 아래 부분(10b)을 감싸도록 형성된 링형태의 조명바디(514)의 하부에 구비되며, 조명바디(514)의 하부에 등각으로 배열되어 링 형상의 광을 조사하는 복수의 링조명(513)이 구비된다.

따라서, 복수의 링조명(513)에서 조사된 광이 상기 가공지점에 중첩되도록 상기 링조명(513)의 높이를 조절하면, 상기 가공지점이 가장 밝게 보이도록 할 수 있다.

한편, 상기 조명수단(510)은 조절가능한 최소밝기부터 최대밝기까지 단계적으로 조절가능하도록 구성될 수 있고, 상기 조명수단(510)의 단계 조절은, 조절가능한 밝기범위의 1/50 내지 1/200 에 해당하는 밝기를 한 단계로 하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 조명수단(510)에 의해 조절된 링조명(513)의 최소밝기를 'LB'라 하고, 상기 조명수단(510)에 의해 조절된 링조명(513)의 최대밝기를 'HB'라 할 때, 상기 조명수단(510)의 조절이 가능한 거리 범위는 'HB - LB'가 된다.

따라서, 상기 조명수단(510)의 조절 단위(한 단계 조명)는 (HB - LB)/50 내지 (HB - LB)/200이 되는 것이다.

한편, 상기 조명수단(510)에 의해 조절 단위 밝기마다 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상은 영상보정부(600)에 의해 보정된 후 후술하게 될 연산부에 의해 지수값(index)을 산출되고, 상기 조명수단(510)은 상기 연산부에서 산출된 각 지수값 중 최대 지수값에 대응하는 조명밝기를 최적밝기로 결정할 수 있으며, 이에 대해서는 연산부에 대한 설명 시 추가적으로 설명하도록 한다.

상기 연산부는 상기 영상보정부(600)에 의해 보정된 각각의 영상에 대해 명도(Brightness), 대비도(Contrast), 분산도(Variance), 제곱구배(square gradient), 브렌너구배(brenner gradient), 테넨바움구배(tenenbaum gradient), 라플라시안구배(energy laplacian), 분포엔트로피(histogram entropy), 정규분산도(normalized variance), 미분상관도(derivative-based correlation), 자기상관도(auto-correction) 중 적어도 어느 하나를 기준으로 지수값(index)을 산출하도록 구성된다. 각 지수값(index)에 대한 산출식은 도 9에 도시된 바와 같다.

예를 들어, 상기 초점거리조절부(400)에 의해 조절 단위 거리마다 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상이 영상보정부(600)에 의해 보정된 후, 보정된 각각의 조절 단위 거리마다의 영상에 대해 각각의 지수값(index)을 산출하고, 그 중에서 가장 높은 지수값을 갖는 영상에 대응하는 상기 동축광학부(100)와 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 최적거리로 결정될 수 있다.

또한, 예를 들어, 상기 조명수단(510)에 의해 조절 단위 밝기마다 상기 영상취득부(200)에서 취득한 영상이 영상보정부(600)에 의해 보정된 후, 보정된 각각의 조절 단위 밝기마다의 영상에 대해 각각의 지수값(index)을 산출하고, 그 중에서 가장 높은 지수값을 갖는 영상에 대응하는 조명밝기가 최적밝기로 로 결정될 수 있다.

도 10은 인쇄전자용 투명필름표면(t=0.6mm)에서 찾은 초점에 관한 그래프로서, 각 거리(위치) 별 초점에 따라 영상의 인덱스가 다르게 보이는 것을 확인할 수 있으며, 또한, 영상의 색에 따라서도 영상의 인덱스가 다르게 보이는 것을 확인할 수 있다. 그래프에서 두 개의 인덱스 peak값에 해당하는 지점에서는 투명 필름의 표면이나 바닥면 영상이 획득되며, normalized variance 인덱스를 사용하면 필름 표면에서 인덱스가 최대값을 갖는다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 영상취득부(200)의 초점을 조절하는 과정을 도시한 순서도로서, 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 영상취득부(200)의 초점을 조절하는 과정에 대해 설명하도록 한다. 한편, 아래에서 설명하는 초점조절과정은, 상술한 높이조절부(300)에 의해 상기 동축광학부(100) 및 영상취득부(200)의 높이가 조절되어 레이저광(L)의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 조절된 상태에서 진행되는 것이다.

먼저, 조명수단(510)을 구동하여 조명을 조절(S110)하고, 영상취득부(200)가 가공 대상물의 가공 지점의 영상을 취득할 수 있도록 영상이 가장 밝게 보이도록 광높이조절수단(520)을 통해 상기 조명수단(510)의 링조명(513)의 높이를 설정(S120)한다.

다음으로, 상기 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리를 단계적으로 조절한다.

이때, 상기 초점거리조절부(400)를 통해 상기 동축광학부(100)의 대안렌즈(130)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 최단거리가 되도록 조절(S130)된 상태에서 영상취득부(200)에 의해 영상을 취득(S140)한 후, 취득한 영상을 영상보정부(600)가 보정(S150)하고, 보정된 영상에 대해 연산부가 지수값(index)을 산출(S160)한다.

그리고 난 후, 현재의 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 최장거리인지 판단(S170)하고, 최장거리가 아닐 시 상기 초점거리조절부(400)를 통해 조절 단위(한 단계 거리) 만큼 상기 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 늘어나도록 설정(S175)하고, 다시 영상취득부(200)에 의해 영상을 취득(S140)한 후, 취득한 영상을 영상보정부(600)가 보정(S150)하고, 보정된 영상에 대해 연산부가 지수값(index)을 산출(S160)하며, 상기 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 최장거리가 될 때까지 각 단계별로 지수값(index)을 산출한다.

즉, 상술한 과정을 반복하면서, 현재의 동축광학부(100)에 대한 상기 영상취득부(200)의 상대거리가 최장거리인지 판단(S170)하고, 최장거리가 맞으면 산출된 지수값(index) 중 최대값을 검색(S180)한 후 과정을 종료한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 조명광조사부(500)의 조명수단(510)의 밝기를 조절하는 과정을 도시한 순서도로서, 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 동축 레이저 가공장치를 구성하는 조명광조사부(500)의 조명수단(510)의 밝기를 조절하는 과정에 대해 설명하도록 한다. 한편, 아래에서 설명하는 조명밝기조절과정은, 상술한 높이조절부(300)에 의해 상기 동축광학부(100) 및 영상취득부(200)의 높이가 조절되어 레이저광(L)의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 조절된 상태에서 진행되는 것이다.

먼저, 초점거리조절부(400)를 통해 초점을 조절(S210)하고, 영상취득부(200)가 가공 대상물의 가공 지점의 영상을 취득할 수 있도록 영상이 가장 밝게 보이도록 광높이조절수단(520)을 통해 상기 조명수단(510)의 링조명(513)의 높이를 설정(S220)한다.

다음으로, 상기 조명수단(510)의 밝기를 단계적으로 조절하는 단계적으로 조절한다.

이때, 상기 칼라광 발생장치(511)에 의해 링조명(513)으로 조사되는 광의 밝기가 최소밝기가 되도록 조절(S230)된 상태에서 영상취득부(200)에 의해 영상을 취득(S240)한 후, 취득한 영상을 영상보정부(600)가 보정(S250)하고, 보정된 영상에 대해 연산부가 지수값(index)을 산출(S260)한다.

그리고 난 후, 현재의 광의 밝기가 최대밝기인지 판단(S270)하고, 최고거리가 아닐 시 상기 조명수단(510)의 밝기를 조절 단위(한 단계 밝기) 만큼 밝아지도록 설정(S275)하고, 다시 영상취득부(200)에 의해 영상을 취득(S240)한 후, 취득한 영상을 영상보정부(600)가 보정(S250)하고, 보정된 영상에 대해 연산부가 지수값(index)을 산출(S260)하며, 상기 조명수단(510)의 밝기가 최대밝기가 될 때까지 각 단계별로 지수값(index)을 산출한다.

즉, 상술한 과정을 반복하면서, 현재의 조명수단(510)의 밝기가 최대밝기인지 판단(S170)하고, 최고밝기가 맞으면 산출된 지수값(index) 중 최대값을 검색(S280)한 후 과정을 종료한다.

한편, 상술한 조명밝기조절과정은 레드(R), 그린(G), 블루(B), 화이트(W) 별로 각각 조명밝기조절과정을 하여 가장 양호한 광색으로 설정할 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같은 실시예에서는 블루(B) 조명에서 패턴의 많은 부분이 관측된 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 영상취득부(200)의 초점을 조절하는 과정과 조명광조사부(500)의 조명수단(510)의 밝기를 조절하는 과정 중 어느 하나의 과정을 먼저 진행한 후 나머지 과정을 진행함에 따라 영상취득부(200)의 초점을 자동으로 최적화함과 더불어 조명광조사부(500)의 조명수단(510)의 밝기를 최적화할 수 있으며, 이를 통해 영상취득부(200)로 취득되는 영상의 품질을 높여 가공 대상물의 가공 지점에 대한 가공정밀도를 높일 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.

100:동축광학부 110:반사미러
120:대물렌즈 130:대안렌즈
200:영상취득부 300:높이조절부
400:초점거리조절부 500:조명광조사부
510:조명수단 511:광발생장치
512:광 파이버 케이블 513:링조명
520:광높이조절수단 600:영상보정부
CL:집광렌즈 L:레이저
LP:레이저 주입포트 LS:레이저 소스
OF:광학필터

Claims

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레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부; 및 상기 영상취득부에서 취득한 영상의 밝기가 균일하도록 보정하는 영상보정부;를 포함하는 동축 레이저 가공장치를 이용한 동축 레이저 가공방법으로서,
상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 단계적으로 조절하는 단계;
조절된 각 단계에 대한 가공 지점의 영상을 취득하여 밝기가 균일하도록 보정하되, 취득한 영상의 가장 밝은 영역을 광 중심으로 결정하고, 상기 결정된 광 중심을 기준으로 반지름 방향 거리에 따른 보정 계수를 연산하여 적용함에 따라 취득한 영상의 밝기를 균일화하여 보정하는 단계; 및
조절된 각 단계의 보정된 영상에 대해 지수값(index)을 산출하여 최대값에 대응하는 상기 동축광학부와 상기 영상취득부의 상대거리를 최적거리로 결정하는 단계;를 포함하는 동축 레이저 가공방법.
레이저광을 반사하여 방향을 전환시키는 반사미러와, 상기 반사미러의 하부에 위치되어 상기 레이저광이 가공 대상물의 가공 지점에 모아지게 하는 대물렌즈와, 상기 반사미러의 상부에 위치된 대안렌즈를 포함하는 동축광학부; 상기 대물렌즈, 반사미러 및 대안렌즈를 통과하여 입사되는 상기 가공 지점의 영상을 취득하는 영상취득부; 상기 대물렌즈에 의해 모아진 레이저광의 초점이 상기 가공 지점에 맞도록 상기 동축광학부 및 영상취득부의 높이를 조절하는 높이조절부; 상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리를 조절하여 상기 영상취득부의 초점을 조절하는 초점거리조절부; 상기 가공 지점으로 조명광의 밝기를 조절하여 조사하는 조명수단 및 상기 조명수단의 높이 조절을 통해 상기 조명광의 조명상태를 조절하는 광높이조절수단을 포함하는 조명광조사부; 및 상기 영상취득부에서 취득한 영상의 밝기가 균일하도록 보정하는 영상보정부;를 포함하는 동축 레이저 가공장치를 이용한 동축 레이저 가공방법으로서,
상기 조명수단의 밝기를 단계적으로 조절하는 단계;
조절된 각 단계에 대한 가공 지점의 영상을 취득하여 밝기가 균일하도록 보정하되, 취득한 영상의 가장 밝은 영역을 광 중심으로 결정하고, 상기 결정된 광 중심을 기준으로 반지름 방향 거리에 따른 보정 계수를 연산하여 적용함에 따라 취득한 영상의 밝기를 균일화하여 보정하는 단계; 및
조절된 각 단계의 보정된 영상에 대해 지수값(index)을 산출하여 최대값에 대응하는 조명밝기를 최적밝기로 결정하는 단계;를 포함하는 동축 레이저 가공방법.
삭제
제14항에 있어서,
상기 동축광학부에 대한 상기 영상취득부의 상대거리는,
상기 동축광학부의 심도의 1/5 내지 1/20 에 해당하는 거리를 한 단계로 하도록 구성된 것은 특징으로 하는 동축 레이저 가공방법.
제15항에 있어서,
상기 조명수단의 밝기는,
상기 조명수단의 조절가능한 밝기범위의 1/50 내지 1/200 에 해당하는 밝기를 한 단계로 하도록 구성된 것은 특징으로 하는 동축 레이저 가공방법.
제15항에 있어서,
상기 조명수단의 조명광은,
적어도 레드(R), 그린(G), 블루(B), 화이트(W) 중 어느 하나의 색으로 변경이 가능한 것을 특징으로 하는 동축 레이저 가공방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 지수값은 명도(Brightness), 대비도(Contrast), 분산도(Variance), 제곱구배(square gradient), 브렌너구배(brenner gradient), 테넨바움구배(tenenbaum gradient), 라플라시안구배(energy laplacian), 분포엔트로피(histogram entropy), 정규분산도(normalized variance), 미분상관도(derivative-based correlation), 자기상관도(auto-correction) 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 동축 레이저 가공방법.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 가공 대상물은 인쇄전자(Printed Electronics)이고, 상기 레이저광은 상기 인쇄전자의 패턴 중 결함이 발생한 지점을 가공하여 수정하는 것을 특징으로 하는 동축 레이저 가공방법.