KR102079510B1 - 레이저의 광축 얼라인먼트 방법 및 그것을 이용한 레이저 가공 장치 - Google Patents

Abstract

[과제] 레이저 발진기로부터 출력된 레이저광의 광축의 어긋남량을 구하고, 어긋남량에 따라 광축 얼라인먼트(alignment)를 행한다.
[해결 수단] 레이저 발진기(1)로부터 출력된 레이저광을 제1 미러(3A)에 의하여 진행 방향에 교차하는 제1 방향으로 반사하고, 레이저광을 제2 미러(7A)에 의하여 진행 방향에 교차하는 제2 방향으로 반사하고, 레이저광을 빔 샘플러(8)에 의하여 초점 방향의 가공광과 다른 방향의 측정광 B로 분기하고, 측정광 B를 빔 스플리터(12)에 의하여 분기하고, 집광(集光) 렌즈(13)에 의하여 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 평면 상에 초점 맞춤된 측정광 B1의 초점의 위치를 검출하여, 수직 방향으로의 광축의 각도 어긋남을 구하고, 측정광 B2를 2차원 반도체 위치 검출기(15)의 평면 상에서 검출하여, 수평 방향의 측정광 B2의 광축의 어긋남을 구하고, 제2 미러(7A)의 각도를 변경하여 각도 어긋남을 조정하고, 그 후에 수평 방향의 어긋남량에 따라 제1 미러(3A)와 제2 미러(7A)를 레이저광의 출사 방향으로 왕복 이동시켜 광축을 조정한다.

Description

레이저의 광축 얼라인먼트 방법 및 그것을 이용한 레이저 가공 장치{METHOD FOR ALIGNMENT OF OPTICAL AXIS OF LASER AND LASER PROCESSING DEVICE USING THE SAME}

본 발명은, 피가공물에의 가공에 이용되는 레이저광의 광축의 얼라인먼트(alignment)를 조정하는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법 및 그것을 이용한 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광은, 레이저 발진기 내나 광로 상에 배비(配備)된 광학 부재의 온도 변화에 의하여 설정된 광축이 경시적(經時的)으로 변화하거나, 혹은, 장치의 경년(經年) 변화에 의하여 광축이 어긋나거나 하는 경향에 있다. 그래서, 당해 광축의 어긋남을 얼라인먼트하는 방법이 제안 및 실시되고 있다.

예를 들어, 레이저원으로부터 출력된 레이저광을 가공 빔과 모니터 빔으로 분기(分岐)하고, 모니터 빔을 한층 더 분기하여, 분기된 모니터 빔의 광로 상에 배비한 4분할의 포토다이오드(photodiode)로 이루어지는 위치 검출 센서에 의하여 양 모니터 빔을 각각 수광한다. 각 포토다이오드에 있어서의 수광 면적으로부터 입사 위치의 중심의 어긋남량을 구하고, 당해 어긋남량에 따라, 광로 상에 배비한 빔 각도 보정부의 2개의 미러의 각도를 조정하는 것과 함께, 당해 미러를 회전시켜 왜곡 현상 보정을 행하고 있다(특허 문헌 1을 참조).

일본국 공개특허공보 특개평2005-118815호

그렇지만, 종래의 방법에서는 다음과 같은 문제가 있다. 4분할 포토다이오드로 검출되는 모니터 빔은, 그 중심 위치로부터의 어긋남량을 구하기 위하여, 4분할의 2차원 평면 상에 소정의 직경을 가지는 모니터 빔을 조사할 필요가 있다. 또한, 소정의 면적으로 수광된 모니터 빔은, 광축의 어긋남에 의하여 편향(偏向)하고 있다. 따라서, 양 모니터 빔에는, 수평 방향과 수직 방향의 성분이 포함되어 있기 때문에, 일방(一方)의 어긋남 방향의 성분만을 추출하기 위한 연산 처리가 번잡하고, 연산 부하가 걸려 있다고 하는 문제가 생기고 있다.

또한, 광축의 어긋남을 보정하기 위하여, 반사 미러의 각도 보정뿐만 아니라, 반사 미러를 회전시켜 왜곡 현상 보정도 행하지 않으면 안 되고, 장치 구성 및 제어 처리가 복잡하게 되어 있다고 하는 문제도 생기고 있다.

본 발명은 이와 같은 사정에 감안하여 이루어진 것이며, 레이저 발진기로부터 출력되는 레이저광의 광축의 어긋남을 단순한 연산 처리로 구하는 것과 함께, 단시간에 효율 좋게 광축의 얼라인먼트를 가능하게 할 수 있는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법 및 그것을 이용한 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 주된 목적으로 하고 있다.

이 발명은, 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 구성을 취한다.

즉, 본 발명은, 레이저 발진기로부터 출력된 레이저광의 광축을 조정하는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법이고,

상기 레이저 발진기로부터 출력된 레이저광을 제1 반사부에 의하여 당해 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제1 방향으로 반사하는 제1 반사 과정과,

상기 제1 반사부에 의하여 반사된 레이저광을 제2 반사부에 의하여 당해 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제2 방향으로 반사하는 제2 반사 과정과,

상기 제2 반사부에 의하여 반사된 레이저광을 제1 광학 부재에 의하여 초점 방향의 레이저광과 다른 방향의 측정광으로 분기하는 제1 분기 과정과,

상기 측정광을 제2 광학 부재에 의하여 분기하는 제2 분기 과정과,

분기된 일방의 측정광을 제3 광학 부재에 의하여 제1 위치 검출기의 측정 평면 상에 초점 맞춤된 당해 초점의 위치를 검출하는 제1 검출 과정과,

상기 측정광으로부터 수직 방향으로의 광축의 어긋남을 구하는 제1 연산 과정과,

분기된 타방(他方)의 측정광을 제2 위치 검출기의 측정 평면 상에서 검출하는 제2 검출 과정과,

광축의 어긋남에 의하여 편향하고, 상기 제2 검출 과정에서 검출된 측정광에 포함되는 상기 제1 검출 과정에서 검출되어야 할 측정광을 제거하여, 수평 방향의 측정광의 광축의 어긋남을 구하는 제2 연산 과정과,

상기 제1 연산 과정에서 구한 광축의 어긋남에 따라, 제1 반사부 및 제2 반사부에 구비된 반사 부재 중 어느 일방의 각도를 변경하여 광축을 조정하는 제1 광축 조정 과정과,

상기 제1 광축 조정 과정에서 광축을 조정한 후에, 제2 연산 과정에서 구하여진 광축의 어긋남에 따라, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부에 구비된 반사 부재 중 적어도 어느 하나를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시켜 광축을 조정하는 제2 광축 조정 과정

을 구비한 것을 특징으로 한다.

이 방법에 의하면, 제2 분기 과정에서 제2 광학 부재에 의하여 분기된 측정광의 일방은, 제3 광학 부재에 의하여 집광(集光)되고, 제1 위치 검출기의 평면 상에 초점이 맞추어진다. 즉, 집광하여 초점을 검출면에 맞추는 것에 의하여, 측정광에 포함되는 수평 성분이 캔슬된다. 따라서, 평면 상의 초점의 위치 좌표를 구하는 것에 의하여, 기준 위치의 좌표로부터 수직 방향에 대한 각도의 어긋남만을 용이하게 구할 수 있다.

또한, 제2 분기 과정에서 분기된 타방의 측정광은, 제2 광학 부재의 표면에서 반사하여 제2 위치 검출기의 평면 상에 소정의 직경으로 검출된다. 광로 상에서 광축의 어긋남이 생기고 있는 경우, 당해 측정광은 편향하기 때문에, 제2 위치 검출기에 의하여 검출되는 소정의 직경을 가지는 측정광에는 제1 위치 검출기에 의하여 검출되어야 할 수직 성분에 대한 각도의 어긋남의 측정광이 포함되어 있다.

제2 위치 검출기로 검출된 결과로부터, 제1 위치 검출기로 검출된 결과를 빼면, 수직 방향에 대한 각도에 의한 어긋남량이 포함되지 않는 수평 방향의 어긋남량만을 검출할 수 있다.

제1 연산 과정에서는 광축의 각도 어긋남량만이 구하여지고, 제2 연산 과정에서는 광축의 수평 방향의 어긋남량만이 구하여진다. 따라서, 당해 양 어긋남량에 따라, 제1 반사 부재 또는 제2 반사 부재 중 어느 일방의 각도를 조정하는 것에 의하여, 광축 어긋남의 각도 보정을 실시할 수 있다.

또한, 각도 어긋남을 포함하지 않는 수직 방향 및 수평 방향의 2축의 어긋남량(이른바, 시프트 어긋남량)은, 제1 반사 부재 및 제2 반사 부재를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시키는 것에 의하여 보정할 수 있다.

따라서, 종래 방법과 같이, 광축의 각도 어긋남과 위치 어긋남의 양방(兩方)에 대하여, 서로 관계되는 2개소의 반사 부재의 각도를 조정하는 것을 필요로 한 복잡한 연산이 불필요해진다.

또한, 이 방법에 의하면, 수평 방향의 어긋남량에 대하여, 반사 부재를 수평으로 왕복 이동시켜 조정하기 때문에, 제2 위치 검출기로부터 제1 반사 부재까지의 거리나, 제2 위치 검출기로부터 제2 반사 부재까지의 거리를 고려하여 각 어긋남량을 연산할 필요가 없다. 따라서, 수평 방향의 어긋남량에 대하여, 광학 레이아웃이 변화하여도 같은 연산을 적용할 수 있다.

덧붙여, 상기 방법에 있어서, 제1 연산 과정 및 제2 연산 과정에서 구한 광축 어긋남의 조정에 수반하는 레이저광의 보정 거리와, 보정 후의 레이저광이 소정 위치에 도달하는 광로 길이를 비율로 산출하여, 당해 산출 결과의 역수를 보정 계수로서 구하고, 당해 보정 계수를 이용하는 것이 바람직하다.

이 방법에 의하면, 구한 보정 계수를 차회(次回)의 광축 보정에 이용할 수 있고, 광축의 조정의 정도(精度)를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 방법에 있어서, 반사 부재를 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 왕복 이동시키는 것이 바람직하다.

이 방법에 의하면, 반사 부재가 중력의 작용 방향으로 이동하는 구성에서는, 반사 부재가 당해 중력 방향으로 미소하게 왕복 이동하는 헌팅 현상을 일으키게 하기 때문에, 광학 부재의 온도 변화 등에 의한 경시적인 변화의 광축 어긋남과는 달리, 빔 초점 어긋남이 발생한다. 그렇지만, 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 반사 부재를 왕복 이동시키는 것에 의하여, 당해 헌팅 현상을 회피할 수 있다. 따라서, 광축 어긋남의 조정을 보다 정도 좋게 행할 수 있다.

또한, 이 발명은, 이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 다음과 같은 구성을 취한다.

즉, 피가공물에 레이저광을 조사하여 가공하는 레이저 가공 장치이고,

상기 레이저광을 출력하는 레이저 발진기와,

상기 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제1 방향으로 반사시키는 제1 반사 부재를 구비하고, 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 당해 제1 반사 부재를 왕복 이동시키는 제1 구동 기구와,

상기 제1 반사 부재로 반사한 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제2 방향으로 반사시키는 제2 반사 부재를 구비하고, 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 당해 제2 반사 부재를 왕복 이동시키는 제2 구동 기구와,

상기 제1 반사 부재 또는 제2 반사 부재의 일방의 각도를 변경하는 제3 구동 기구와,

상기 제2 반사 부재에 의하여 반사한 레이저광을 피가공물을 향하는 레이저광과 다른 방향의 측정광으로 분기하는 제1 광학 부재와,

상기 측정광을 분기하는 제2 광학 부재와,

분기된 일방의 측정광을 집광하는 제3 광학 부재와,

상기 제3 광학 부재에 의하여 집광되어 초점 맞춤한 측정광의 위치를 측정 평면 상에서 검출하는 제1 위치 검출기와,

분기된 타방의 측정광의 위치를 측정 평면 상에서 검출하는 제2 위치 검출기와,

상기 제1 위치 검출기에 의하여 검출된 측정광의 검출 위치로부터 광축 어긋남에 의한 가공면의 법선 방향에 대한 각도 어긋남을 구하는 것과 함께, 당해 광축의 어긋남에 의하여 편향하고, 제2 위치 검출기에 의하여 검출된 측정광에 포함되는 제1 위치 검출기에 의하여 검출되어야 할 가공면의 법선 방향에 대한 각도 어긋남 성분의 측정광을 제거하여, 수평 방향의 측정광의 광축의 어긋남을 구하는 연산 처리부와,

상기 연산 처리부에 의하여 구한 각도의 어긋남에 따라, 제3 구동 기구를 작동시켜 제1 광학 부재 또는 제2 광학 부재의 각도를 변경하여 광축을 조정하는 것과 함께, 수평 방향의 측정광의 수평 방향의 어긋남에 따라, 상기 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구 중 적어도 어느 하나를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시켜 광축을 조정하는 제어부와,

상기 피가공물에 초점을 맞추는 제4 광학 부재

를 구비한 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 제2 광학 부재에 의하여 분기된 측정광의 일방은, 제3 광학 부재에 의하여 집광되고, 제1 위치 검출기의 평면 상에 초점이 맞추어진다. 따라서, 연산 처리부는, 평면 상의 초점의 위치 좌표를 구하는 것에 의하여, 수평 방향의 어긋남량을 캔슬하고, 기준 위치로부터 가공면의 법선 방향에 대한 광축의 각도 어긋남량만을 구할 수 있다.

또한, 타방의 측정광은, 제2 광학 부재의 표면에서 반사하여 제2 위치 검출기의 2차원 평면 상에 소정의 직경으로 검출된다. 광로 상에서 광축의 어긋남이 생기고 있는 경우, 당해 측정광은 편향하기 때문에, 제2 위치 검출기에 의하여 검출되는 소정의 직경을 가지는 측정광에는 제1 위치 검출기에 의하여 검출되어야 할 가공면의 법선 방향에 대한 광축의 각도 어긋남의 측정광이 포함되어 있다.

그렇지만, 제1 위치 검출기에 의하여 검출한 측정광으로부터 가공면의 법선 방향에 대한 광축의 각도 어긋남량을 구하고 있기 때문에, 제1 위치 검출기에 의하여 검출한 각도 어긋남량을 보정한 후라면, 제2 위치 검출기로 검출된 측정광에는 수직 방향의 광축 어긋남은 존재하지 않고, 수평 방향의 어긋남만으로 되어 있다. 따라서, 기준 위치로부터 수평 방향으로의 광축의 어긋남만이 구하여진다.

연산 처리부에서 구한 양 어긋남량은, 수직 방향과 수평 방향의 어긋남량으로 명확하게 분리되어 있기 때문에, 수직 방향의 어긋남, 즉 광축의 각도 어긋남은 광축의 각도를 변화시켜 보정하고, 수평 방향의 어긋남, 즉 광축의 평행한 어긋남은 광축을 평행 이동시켜 보정할 수 있다. 따라서, 종래 장치와 같이, 광축의 평행한 어긋남을, 2개소의 반사 부재의 각도의 조합을 이용하여 평행으로 어긋나게 하는 것과 같은 복잡한 연산 처치를 필요로 하지 않고, 간소한 연산으로 광축 얼라인먼트를 행하면서, 피가공물을 정도 좋게 가공할 수 있다.

덧붙여, 당해 구성에 있어서, 연산 처리부는, 구한 광축 어긋남의 조정에 수반하는 레이저광의 보정 거리와, 보정 후의 레이저광이 가공면에 도달하는 광로 길이를 비율로 산출하여, 당해 산출 결과의 역수를 보정 계수로서 구하고,

상기 보정 계수를 기억하는 기억부를 구비하고,

상기 제어부는, 당해 보정 계수에 의하여 광축의 어긋남을 보정하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 기억부에 기억한 보정 계수를 차회의 광축 보정에 이용할 수 있어, 광축의 조정의 정도를 향상시킬 수 있다.

또한, 당해 구성에 있어서, 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구는, 제1 반사 부재 및 제2 반사 부재를, 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 왕복 이동시키는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 반사 부재가 중력의 작용 방향으로 이동하는 구성에서는, 반사 부재가 당해 중력 방향으로 미소하게 왕복 이동하는 헌팅 현상을 일으키게 하기 때문에, 광학 부재의 온도 변화 등에 의한 경시적인 변화의 광축 어긋남과는 달리, 빔 초점 어긋남이 발생한다. 그렇지만, 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 제1 반사 부재 및 제2 반사 부재를 왕복 이동시키는 것에 의하여, 당해 헌팅 현상을 회피할 수 있다. 따라서, 광축 어긋남의 조정을 보다 정도 좋게 행할 수 있다.

본 발명의 광축 얼라인먼트 방법 및 그것을 이용한 레이저 가공 장치에 의하면, 광축의 어긋남을 구하는 연산 부하를 경감하는 것과 함께, 당해 연산에 의하여 구한 광축의 어긋남량에 따라 간소한 구성으로 광축의 얼라인먼트를 행할 수 있다.

도 1은 발명 방법의 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 2차원 반도체 검출기 주위의 확대도이다.
도 3은 측정광의 광축의 어긋남을 검출하는 모식도이다.
도 4는 수평 방향의 광축의 어긋남량을 구하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5의 (a)는 수평 방향의 각도 어긋남을 보정하는 동작 설명도, (b)는 수직 방향의 각도 어긋남을 보정하는 동작 설명도이다.
도 6의 (a)는 수평 방향의 광축 얼라인먼트의 동작 설명도, (b)는 수직 방향의 광축 얼라인먼트의 동작 설명도이다.
도 7은 레이저 가공 장치의 전체 구성을 도시하는 사시도이다.
도 8은 레이저 가공 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 9는 변형예 장치의 전체 구성을 도시하는 사시도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명한다.

＜광축 얼라인먼트 방법＞

도 1은 본 발명의 레이저의 광축 얼라인먼트 방법의 원리를 설명하는 도면, 도 2는 2차원 반도체 검출기 주위의 확대도이다.

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 레이저 발진기(1)로부터 피가공물(W)까지의 사이에, 빔 익스팬더(beam expander, 4), 제1 미러(3A), 제2 미러(7A), 빔 샘플러(beam sampler, 8) 및 집광 렌즈(17)가 배비되어 있다. 또한, 빔 샘플러(8)로 분기된 타방의 레이저광 B(이하, 「측정광 B」라고 한다)의 광로 상에 빔 스플리터(beam splitter, 12), 집광 렌즈(13) 및 2차원 반도체 위치 검출기(14)가 배비되어 있다. 여기서, 빔 스플리터(12)로부터 2차원 반도체 위치 검출기(14)까지 향하는 레이저광을 측정광 B1으로 한다. 나아가, 빔 스플리터(12)로 분기된 타방의 측정광 B2의 광로 상에 2차원 반도체 위치 검출기(15)가 배비되어 있다.

덧붙여, 제1 미러(3A)는 본 발명의 제1 반사 부재에 상당하고, 제2 미러(7A)는 제2 반사 부재에 상당하며, 빔 샘플러(8)는 본 발명의 제1 광학 부재에 상당하고, 빔 스플리터(12)는 제2 광학 부재에 상당한다. 본 실시예에 있어서, 빔 샘플러(8) 및 빔 스플리터(12)는, 당해 광학 부재에 한정되는 것은 아니고, 소정 비율의 광량으로 레이저광을 분기 가능한 광학 부재이면 된다.

또한, 집광 렌즈(13)는 본 발명의 제3 광학 부재에 상당하고, 2차원 반도체 위치 검출기(14)는 제1 위치 검출기에, 2차원 반도체 위치 검출기(15)는 제2 위치 검출기에 각각 상당한다.

덧붙여, 제2 미러(7A)는, 레이저광의 광축 θ1의 둘레에 각도를 조정 가능한 것과 함께, 회전축 θ2의 둘레에 각도를 조정 가능하게 배비되어 있다. 또한, 제1 미러(3A)와 제2 미러(7A)에 입사하는 레이저광은, 피가공물(14)의 가공면에 대하여, 일방이 수직 입사, 타방이 수평 입사로 되는 배치로 구성되어 있다. θ2의 각도 조정 기구는, 제1 미러(3A)에 구비되어 있어도 무방하다.

상기 구성에 있어서, 다음과 같이 하여 광축 얼라인먼트가 실시된다. 레이저 발진기(1)로부터 출력된 레이저광은, 빔 익스팬더(4)로 평행광으로 콜리메이트(collimate)된다. 당해 레이저광은, 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)에 의하여 레이저광에 교차하는 방향으로 반사되어, 빔 샘플러(8)에 도달한다.

빔 샘플러(8)는, 미리 결정한 비율의 광량의 가공광 A와 측정광 B로 레이저광을 분기한다. 가공광 A를 주체(主體)로 하기 때문에, 측정광 B는 가공광 A보다도 광량이 작게 설정된다.

빔 샘플러(8)에 의하여 분기된 측정광 B는, 빔 스플리터(12)에 의하여 한층 더 2개의 측정광 B1, B2로 분기된다. 즉, 빔 스플리터(12)에 의하여 직교 방향으로 분기되는 수직 성분의 측정광 B1과, 당해 빔 스플리터(12)를 직진 투과하는 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남 성분과 수평 성분이 합쳐진 측정광 B2로 분기된다. 당해 분기된 측정광 B1 및 측정광 B2를 이용하여, 수직 방향의 광축의 어긋남량과 수평 방향의 광축의 어긋남량을 검출한다. 이하, 각각의 검출량을 구하는 방법에 관하여 상술한다.

＜수직 방향의 광축 어긋남의 검출＞

집광 렌즈(13)에 의하여 집광된 측정광 B1은, 광축에 어긋남이 생기고 있지 않는 경우, 도 3의 실선으로 도시하는 바와 같이, 측정광 B1의 광축이 집광 렌즈(13)의 중심과 통하도록 수직으로 입사하여, 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 중심 P0에 초점이 맞추어진다. 광축의 어긋남이 생겼을 경우, 도면 중의 일점쇄선으로 도시하는 측정광 B1'은, 집광 렌즈(13)에 수직으로 입사하지만, 레이저광의 광축이 집광 렌즈(13)의 중심 위치로부터 수평으로 어긋나는 경우가 있다. 또한, 도면 중의 파선으로 도시하는 측정광 B1"은, 집광 렌즈(13)에 비스듬한 방향으로부터 입사하는 각도 어긋남의 경우가 있다.

측정광 B1'의 입사가 수평으로 어긋나는 경우, 집광 렌즈(13)에의 측정광 B1'의 입사 위치는 수평으로 어긋나지만, 당해 집광 렌즈(13)에 수직으로 입사하고 있기 때문에, 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 평면 상에서의 측정광 B1'의 초점 위치는, 광축 어긋남이 없는 정상적인 경우의 초점 위치 P0와 같은 위치에 초점이 맞추어진다.

측정광 B1"가 비스듬하게 어긋났을 경우, 집광 렌즈(13)에 비스듬한 방향으로부터 입사한 측정광 B1"은 입사 각도를 유지한 채로 집광된다. 따라서, 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 평면 상에서의 초점은, X-Y 평면 상의 일축(Y축) 상을 따라서 나타난다(예를 들어 도면 중 P1). 환언하면, 집광하여 초점 맞춤하는 것에 의하여, 수평 방향의 광축의 어긋남은 캔슬되기 때문에, 기준 위치로부터 가공면의 법선 방향에 대한 각도가 어긋난 양만을 검출할 수 있다. 광축 어긋남이 생기고 있지 않는 경우의 초점 위치를 기준으로 하여, 당해 기준 위치의 좌표로부터 측정광 B1"의 초점 위치 P1의 좌표까지의 거리를 구하는 것에 의하여, 수직 방향의 광축의 어긋남량을 구할 수 있다. 덧붙여, 후술하는 수평 방향의 어긋남을 포함하는 경우, X-Y 평면 상에 합성된 위치에 초점이 나타난다.

＜수평 방향으로의 광축 어긋남 검출＞

측정광 B2는, 콜리메이트된 빔 직경으로 2차원 반도체 위치 검출기(15)에 투영된다.

그렇지만, 측정광 B1에 의하여 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남을 구하고 있기 때문에, 먼저 수직 성분을 보정하여 버리면, 남는 수평 성분만을 구하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 2차원 반도체 위치 검출기(14)로 검출한 어긋남량을, 제1 미러(3A) 또는 제2 미러(7A)의 각도를 조정하여 보정한 후에, 도 4에 도시하는 바와 같이, 2차원 반도체 위치 검출기(15)의 X-Y 평면 상에 투영된 측정광 B2의 광축 좌표를 구하면 된다. 혹은, 수직 성분과 수평 성분이 섞인 2차원 반도체 위치 검출기(15)의 광축 좌표로부터, 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 연산 결과의 어긋남량을 빼는 방법으로도, 수평 성분의 어긋남량을 구할 수 있다.

＜광축 얼라인먼트＞

먼저, 광축의 각도 어긋남의 얼라인먼트를 행한다. 즉, 2차원 반도체 위치 검출기(14)에 있어서의 측정광 B1의 수광 좌표와 기준 좌표로부터 구한 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남량이 구하여진다. 당해 어긋남량과, 2차원 반도체 위치 검출기(14)로부터 제2 미러(7A)까지의 거리에 기초하여, 어긋남각을 산출한다. 당해 어긋남각에 따라 제2 미러(7A)의 각도를 보정한다. 예를 들어, 도 5(a)에 도시하는 바와 같이, 세로축 θ1 둘레에 제2 미러(7A)를 회전시켜 수평 방향의 반사 각도를 조정한다. 또는, 도 5(b)에 도시하는 바와 같이, 가로축 θ2 둘레에 제2 미러(7A)를 회전시켜 수직 방향의 반사 각도를 조정한다.

제2 미러(7A)의 각도의 조정이 완료된 후에, 2차원 반도체 위치 검출기(15)로 검출되는 어긋남량은, 수평 성분의 어긋남량뿐이기 때문에, 그 어긋남량을, 제1 미러(3A)와 제2 미러(7A)를 이동시켜 보정한다. 이 때, 각도 어긋남이 생기고 있지 않는 광축의 어긋남량(이른바, 시프트 어긋남량)과 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)의 이동량은, 2차원 반도체 위치 검출기(15)와 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)와의 거리에 관계없이 등거리로 된다.

따라서, 어긋남량이 구하여지면 당해 어긋남량에 따라, 예를 들어 수평 방향의 광축의 어긋남을 얼라인먼트하는 경우, 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 제1 미러(3A)를 레이저광의 출사 방향으로 왕복 이동한다. 제1 미러(3A)를 왕복 이동시키면 당해 제1 미러(3A)에 레이저광이 도달하는 거리가 변화한다. 즉, 제1 미러(3A) 상에서의 반사 위치가 변화한다. 반사 위치가 변화한 레이저광은, 제2 미러(7A)의 수평축 상의 각각 다른 위치에 도달한다. 상기한 제1 미러(3A)를 출사 방향으로 이동시키는 대신에, 입사 방향으로 이동시켜도 무방하다. 즉, 제1 미러(3A)를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시키는 것만으로, 수평 방향의 어긋남을 보정할 수 있다.

수직 방향의 광축의 어긋남을 얼라인먼트하는 경우, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이, 어긋남량에 따라 제2 미러(7A)를 레이저광의 출사 방향으로 왕복 이동한다. 제2 미러(7A)를 왕복 이동시키면 레이저광의 도달 거리가 수직 방향에서 변화한다. 즉, 반사 위치가 수직 축을 따라 상하로 변화한다. 상기한 제2 미러(7A)를 출사 방향으로 이동시키는 대신에, 입사 방향으로 이동시켜도 무방하다. 따라서, 제2 미러(7A)를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시키는 것만으로, 수직 방향의 어긋남을 보정할 수 있다.

상술과 같이, 빔 스플리터(12)에 의하여 분기한 측정광 B1을 집광 렌즈(13)로 집광하고, 2차원 반도체 위치 검출기(14)로 초점 위치를 검출하는 것에 의하여, 수평 방향의 광축의 어긋남을 캔슬하여 수직 방향의 광축의 어긋남만을 검출할 수 있다. 또한, 2차원 반도체 위치 검출기(15)로 검출한 측정광 B2에 관해서는, 타방의 2차원 반도체 위치 검출기(14)에 의하여 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남을 구하고 있기 때문에, 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남을 무시하여 수평 방향의 어긋남량을 구할 수 있다. 따라서, 종래의 4분할의 포토다이오드로 이루어지는 위치 검출기를 이용한 경우와 같이, 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남까지를 고려한 복잡한 연산식으로 광축의 어긋남량을 구할 필요가 없다.

또한, 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남량이 구하여지면, 당해 어긋남량을 얼라인먼트하기 위한 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)의 조정 각도를 환산하면 된다. 수평 방향의 어긋남량이 구하여지면, 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)를 왕복 이동시키는 거리에 적용시키면 된다. 따라서, 간단한 연산 처리 및 구성으로 광축 얼라인먼트를 정도 좋게 행할 수 있다.

＜레이저 가공 장치＞

상기 레이저광의 광축 얼라인먼트 방법을 이용한 레이저 가공 장치에 관하여 설명한다. 도 7은 레이저 가공 장치의 전체 구성을 도시하는 사시도이다. 본 실시예 장치에 있어서, 상기 방법의 설명에 포함되는 동일 구성 요소에 관해서는, 적당하게 동일 부호를 부여하여 둔다.

레이저 가공 장치는, 레이저 발진기(1)로부터 피가공물(W)의 사이에 제1 광로 변경용 미러(2), 제1 광축 조정부(3), 빔 익스팬더(4), 어테뉴에이터(attenuator, 5), 제2 광로 변경용 미러(6), 제2 광축 조정부(7), 빔 샘플러(8), 갈바노 스캐너(Galvano scanner, 9) 및 fθ 렌즈(10)를 구비하고 있다. 빔 샘플러(8)로 분기된 측정광 B1의 광로 상에 광량 조정용의 필터(11), 빔 스플리터(12), 집광 렌즈(13) 및 2차원 반도체 위치 검출기(14)가 배비되어 있다. 나아가, 빔 스플리터(12)로 분기된 측정광 B2의 광로 상에 2차원 반도체 위치 검출기(15)가 배비되어 있다. 이하, 각 구성에 관하여 설명한다.

제1 및 제2 광로 변경용 미러(2, 6)는, 레이저광의 광로를 임의의 방향 및 거리로 변경하기 위한 것이다. 따라서, 반사면을 소정의 임의로 각도 조정이 가능하게 되어 있다.

제1 광축 조정부(3)는, 가이드 레일을 따라 이동하는 가동대(可動臺) 상에 배비한 제1 미러(3A)와 당해 제1 미러(3A)를 도면 중의 화살표 3S로 도시하는 바와 같이, 레이저광의 출사 방향으로 수평으로 왕복 이동하도록 가동대를 이동시키는 압전 소자나 플러스 모터 등의 액츄에이터로서 기능하는 제1 구동 기구(3B)로 구성되어 있다. 제1 미러(3A)는, 수직 하방(下方)을 향하는 레이저광을 도면 중의 우방향으로 반사시키도록 경사 자세로 배비되어 있다. 덧붙여, 제1 구동 기구(3B)는, 본 발명의 제1 구동 기구에 상당한다.

빔 익스팬더(4)는, 레이저광을 평행광으로 콜리메이트한다.

어테뉴에이터(5)는, 예를 들어 베리어블 어테뉴에이터(variable attenuator)이며 레이저광을 임의의 광량으로 감쇠 조정할 수 있다.

제2 광축 조정부(7)는, 가이드 레일을 따라 이동하는 가동대 상에 배비한 제2 미러(7A)와 당해 제2 미러(7A)를 도면 중의 화살표 7S로 도시하는 바와 같이, 레이저광의 출사 방향으로 수평으로 왕복 이동하도록 가동대를 이동시키는 압전 소자나 플러스 모터 등의 액츄에이터로서 기능하는 제2 구동 기구(7B)를 구비하고 있다. 또한, 도면 중의 세로축 θ1 둘레에 제2 미러(7A)를 회전시키는 초음파 등을 이용한 액츄에이터(7C) 및 가로축 θ2 둘레에 제2 미러(7A)를 회전시키는 초음파 등을 이용한 액츄에이터(7D)를 구비하고 있다. 즉, 액츄에이터(7C, 7D)는, 레이저광의 반사 각도를 수직 및 수평 방향으로 변경 가능하게 한다. 덧붙여, 제2 구동 기구(7B)는, 본 발명의 제2 구동 기구, 액츄에이터(7C, 7D)는 제3 구동 기구에 상당한다.

빔 샘플러(8)는, 레이저광을 가공광 A와 측정광 B로 분기한다. 분기되는 측정광 B는, 가공광 A보다도 광량을 작게 설정하고 있다.

갈바노 스캐너(9)는, 레이저광을 가공면 상의 소정 범위에서 주사(走査)한다. 당해 주사 과정에서 변화하는 초점 거리와, 갈바노 미러의 전도 각도에 대한 가공면 상에서의 레이저광의 이동 거리의 관계를 fθ 렌즈(10)에 의하여 조정한다.

빔 스플리터(12)는, 레이저광을 수직 성분의 측정광 B1과 수평 성분의 측정광 B2의 2등분으로 하도록 설정되어 있다. 덧붙여, 분기하는 광량의 비율은, 특성이 다른 빔 스플리터(12)에 의하여 적시(適時)에 변경이 가능하다.

집광 렌즈(13)는, 집광한 측정광 B1을 2차원 반도체 위치 검출기(14)의 2차원 평면 상에 초점 맞춤한다.

2차원 반도체 위치 검출기(14)는, X-Y의 2차원 평면 상에 초점 맞춤된 레이저광을 검출하고, 당해 검출 신호를 도 8에 도시하는 제어부(20)에 송신한다.

2차원 반도체 위치 검출기(15)는, X-Y의 2차원 평면 상에 소정의 직경으로 투영된 레이저광을 검출하고, 당해 검출 신호를 제어부(20)에 송신한다.

제어부(20)는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 기억부(21) 및 연산 처리부(22)를 구비하고 있다. 기억부(21)는, 광축의 어긋남이 없는 경우에 2차원 반도체 위치 검출기(14, 15)로 검출되는 기준 위치 좌표나, 레이저광의 출력 레벨 등의 각종 초기 설정 조건이 미리 기억되어 있다.

연산 처리부(22)는, 2차원 반도체 위치 검출기(14, 15)의 각각으로 검출되고, 기억부(21)에 기억되어 있는 당해 신호를 읽어내어, 기준 위치 좌표와 측정 좌표와의 거리를 구하고, 당해 거리를 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)의 수평 이동 거리로 환산한다.

제어부(20)는, 연산 처리부(22)에 의하여 산출된 거리에 따라, 제1 구동 기구(3B) 및 제2 구동 기구(7B)를 각각 적시에 이동시켜 광축의 얼라인먼트를 행한다. 당해 얼라인먼트가 완료되면, 피가공물(W)의 가공 처리를 개시한다. 덧붙여, 피가공물(W)의 가공 처리 중에 병행하여 당해 얼라인먼트를 행하여도 무방하다.

상기 실시예 장치는, 내부에 상기의 광축 얼라인먼트 방법을 실현하기 위한 제1 광축 조정부(3), 제2 광축 조정부(7), 빔 샘플러(8), 빔 스플리터(12), 집광 렌즈(13), 2차원 반도체 위치 검출기(14) 및 2차원 반도체 위치 검출기(15)를 구비하고 있기 때문에, 연산 처리부(22)는, 당해 양 2차원 반도체 위치 검출기(14, 15)의 검출 결과에 기초하여, 연산 부하가 적은 광축의 가공면의 법선 방향에 대한 각도의 어긋남과 수평 방향의 광축의 어긋남만을 구하면 된다.

또한, 수평 방향의 광축 어긋남에 관해서는, 당해 연산에 의하여 구한 거리만큼 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)를 수평 방향으로 이동시키는 것만으로 무방하다. 따라서, 연산 부하가 적고, 또한, 간소한 구성으로 광축 얼라인먼트를 실현하면서도, 피가공물을 고정도로 가공할 수 있다.

또한, 상기 실시예 장치는, 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)를 중력의 작용 방향과 직교하는 수평 방향으로 왕복 이동시키는 구성이기 때문에, 중력의 작용 방향으로 이동하는 형태로 생기는 헌팅 현상에 의한 초점 어긋남을 회피할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시예의 것에 한정하지 않고, 다음과 같이 변형 실시할 수도 있다.

(1) 상기 실시예에서는, 상기 실시예 장치에서는, 피가공물(W) 상에 레이저광을 주사하기 위하여, 갈바노 스캐너(9) 및 fθ 렌즈(10)를 이용한 구성이었지만, 당해 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, fθ 렌즈(10)에 대신하여, 도 9에 도시하는 바와 같이, 빔 샘플러(8)와 갈바노 스캐너(9)의 사이에, 초점 거리를 조정하는 Z 스캐너(16)와 초점 맞춤의 오브젝트 렌즈(17)를 구비한 구성이어도 무방하다. 당해 구성에 의해서도, 가공 처리 과정에서, 피가공물(W) 상까지의 거리가 변화하여도 피가공물의 소정 위치에 초점을 유지할 수 있다.

또한, 상기 실시예 장치 및 당해 변형예 장치에 있어서, 피가공물(W)을 재치 보지하는 보지 테이블을 수평 및 승강시켜도 무방하다.

(2) 상기 실시예에서는, 제2 미러(7A)의 각도를 조정하여 각도 어긋남을 보정하고 있었지만 이 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 미러(3A)의 각도를 조정하여도 무방하고, 각도 조정용의 개별의 미러를 설치한 구성이어도 무방하다.

(3) 상기 실시예에서는, 보정 후에 2차원 반도체 위치 검출기(15)로 레이저광의 수광 좌표를 재검출하고, 앞의 보정으로 맞추려고 한 좌표에의 레이저광의 이동 거리와, 실제로 레이저광이 이동한 거리의 비율을 산출하고, 그 비율의 역수를 계수로 하여, 당해 계수를 기억부(21)에 기억하여 두어도 무방하다. 즉, 차회의 레이저광의 출사 시에 당해 계수를 곱한 상태로, 2차원 반도체 위치 검출기(15)로 재검출한 좌표의 재보정을 실시한다.

당해 구성에 의하면, 레이저광의 광축 어긋남의 보정 정도를 향상시킬 수 있다.

상기 실시예에서는, 제1 미러(3A) 및 제2 미러(7A)를, 각각 제1 구동 기구(3B) 및 제2 구동 기구(7B)에 의하여, 레이저광의 출사 방향으로 이동시키는 형태를 나타내었지만, 어느 일방 또는 쌍방을, 레이저의 입사 방향으로 이동시키는 형태여도 무방하다.

1 : 레이저 발진기
3 : 제1 광축 조정부
3A : 제1 미러
3B : 제1 구동 기구
4 : 빔 익스팬더
5 : 어테뉴에이터
7 : 제2 광축 조정부
7A : 제2 미러
7B : 제2 구동 기구
8 : 빔 샘플러
9 : 갈바노 스캐너
10 : fθ 렌즈
12 : 빔 스플리터
13 : 집광 렌즈
14 : 2차원 반도체 위치 검출기
15 : 2차원 반도체 위치 검출기
20 : 제어부
22 : 연산 처리부
W : 피가공물

Claims (6)

1. 레이저 발진기로부터 출력된 레이저광의 광축을 조정하는 레이저의 광축 얼라인먼트(alignment) 방법이고,
   상기 레이저 발진기로부터 출력된 레이저광을 제1 반사부에 의하여 당해 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제1 방향으로 반사하는 제1 반사 과정과,
   상기 제1 반사부에 의하여 반사된 레이저광을 제2 반사부에 의하여 당해 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제2 방향으로 반사하는 제2 반사 과정과,
   상기 제2 반사부에 의하여 반사된 레이저광을 제1 광학 부재에 의하여 초점 방향의 레이저광과 다른 방향의 측정광으로 분기하는 제1 분기 과정과,
   상기 측정광을 제2 광학 부재에 의하여 분기하는 제2 분기 과정과,
   분기된 일방(一方)의 측정광을 제3 광학 부재에 의하여 제1 위치 검출기의 측정 평면 상에 초점 맞춤된 당해 초점의 위치를 검출하는 제1 검출 과정과,
   상기 측정광으로부터 수직 방향으로의 광축의 어긋남을 구하는 제1 연산 과정과,
   분기된 타방(他方)의 측정광을 제2 위치 검출기의 측정 평면 상에서 검출하는 제2 검출 과정과,
   광축의 어긋남에 의하여 편향(偏向)하고, 상기 제2 검출 과정에서 검출된 측정광에 포함되는 상기 제1 검출 과정에서 검출되어야 할 측정광을 제거하여, 수평 방향의 측정광의 광축의 어긋남을 구하는 제2 연산 과정과,
   상기 제1 연산 과정에서 구한 광축의 어긋남에 따라, 제1 반사부 및 제2 반사부에 구비된 반사 부재 중 어느 일방의 각도를 변경하여 광축을 조정하는 제1 광축 조정 과정과,
   상기 제1 광축 조정 과정에서 광축을 조정한 후에, 제2 연산 과정에서 구하여진 광축의 어긋남에 따라, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부에 구비된 반사 부재 중 적어도 어느 하나를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시켜 광축을 조정하는 제2 광축 조정 과정
   을 구비한 것을 특징으로 하는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 연산 과정 및 제2 연산 과정에서 구한 광축 어긋남의 조정에 수반하는 레이저광의 보정 거리와, 보정 후의 레이저광이 소정 위치에 도달하는 광로 길이를 비율로 산출하여, 당해 산출 결과의 역수를 보정 계수로서 구하고, 당해 보정 계수를 이용하는
   것을 특징으로 하는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 반사 부재를 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 왕복 이동시키는
   것을 특징으로 하는 레이저의 광축 얼라인먼트 방법.
4. 피가공물에 레이저광을 조사하여 가공하는 레이저 가공 장치이고,
   상기 레이저광을 출력하는 레이저 발진기와,
   상기 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제1 방향으로 반사시키는 제1 반사 부재를 구비하고, 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 당해 제1 반사 부재를 왕복 이동시키는 제1 구동 기구와,
   상기 제1 반사 부재로 반사한 레이저광의 진행 방향에 교차하는 제2 방향으로 반사시키는 제2 반사 부재를 구비하고, 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 당해 제2 반사 부재를 왕복 이동시키는 제2 구동 기구와,
   상기 제1 반사 부재 또는 제2 반사 부재의 일방의 각도를 변경하는 제3 구동 기구와,
   상기 제2 반사 부재에 의하여 반사한 레이저광을 피가공물을 향하는 레이저광과 다른 방향의 측정광으로 분기하는 제1 광학 부재와,
   상기 측정광을 분기하는 제2 광학 부재와,
   분기된 일방의 측정광을 집광(集光)하는 제3 광학 부재와,
   상기 제3 광학 부재에 의하여 집광되어 초점 맞춤한 측정광의 위치를 측정 평면 상에서 검출하는 제1 위치 검출기와,
   분기된 타방의 측정광의 위치를 측정 평면 상에서 검출하는 제2 위치 검출기와,
   상기 제1 위치 검출기에 의하여 검출된 측정광의 검출 위치로부터 광축 어긋남에 의한 가공면의 법선 방향에 대한 각도 어긋남을 구하는 것과 함께, 당해 광축의 어긋남에 의하여 편향하고, 제2 위치 검출기에 의하여 검출된 측정광에 포함되는 제1 위치 검출기에 의하여 검출되어야 할 가공면의 법선 방향에 대한 각도 어긋남 성분의 측정광을 제거하여, 수평 방향의 측정광의 광축의 어긋남을 구하는 연산 처리부와,
   상기 연산 처리부에 의하여 구한 각도의 어긋남에 따라, 제3 구동 기구를 작동시켜 제1 광학 부재 또는 제2 광학 부재의 각도를 변경하여 광축을 조정하는 것과 함께, 수평 방향의 측정광의 수평 방향의 어긋남에 따라, 상기 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구 중 적어도 어느 하나를 레이저광의 입사 방향 또는 출사 방향으로 왕복 이동시켜 광축을 조정하는 제어부와,
   상기 피가공물에 초점을 맞추는 제4 광학 부재
   를 구비한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연산 처리부는, 구한 광축 어긋남의 조정에 수반하는 레이저광의 보정 거리와, 보정 후의 레이저광이 가공면에 도달하는 광로 길이를 비율로 산출하여, 당해 산출 결과의 역수를 보정 계수로서 구하고,
   상기 보정 계수를 기억하는 기억부를 구비하고,
   상기 제어부는, 당해 보정 계수에 의하여 광축의 어긋남을 보정하는
   것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구는, 제1 반사 부재 및 제2 반사 부재를, 중력의 작용 방향과 교차하는 수평 방향으로 왕복 이동시키는
   것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.

Images