KR102148929B1

KR102148929B1 - 4f 앵글제어 광학계를 포함하는 레이저 가공 장치

Info

Publication number: KR102148929B1
Application number: KR1020170158567A
Authority: KR
Inventors: 정웅희; 조성용
Original assignee: 주식회사 이오테크닉스
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2020-08-28
Also published as: TWI683716B; WO2019103277A1; KR20190060407A; TW201924837A

Abstract

본 개시에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 조사하는 광원, 상기 레이저 빔의 진행 각도를 스윙 앵글 내에서 제어하는 광학 편향기, 상기 광학 편향기의 스윙 앵글을 변경시키는 4F 앵글 제어 광학계, 상기 4F 앵글 제어 광학계로부터 전달받은 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 플라잉 헤드를 포함한다.

Description

4F 앵글제어 광학계를 포함하는 레이저 가공 장치{Laser processing machine comprising 4f Angle control optics system}

본 개시는 4F 앵글제어 광학계를 포함하는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.

레이저 가공 장치는 레이저 광원과 이로부터의 레이저 빔을 전달하는 릴레이 광학계 그리고 가공 대상물 상에서 레이저 빔의 조사 위치를 변경하면서 가공시키는 플라잉 헤드를 포함할 수 있다.

이러한 레이저 가공 장치는 플라잉 헤드의 가변 거리 내에서의 가변을 통해 가공 대상물에 레이저 빔을 조사하여 가공할 수 있다. 가공 대상물을 가공하는 속도를 향상시키기 위해서는 플라잉 헤드의 가변 거리의 한계를 극복 해야 할 기술적 필요성이 요구된다.

본 개시는 4F 앵글제어 광학계를 포함하는 레이저 가공 장치에 관한 것을 제공하고자 한다.

일 실시예에 따른, 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 조사하는 광원; 상기 레이저 빔의 진행 각도를 스윙 앵글 내에서 제어하는 광학 편향기; 상기 광학 편향기의 스윙 앵글을 변경시키는 4F 앵글 제어 광학계; 상기 4F 앵글 제어 광학계로부터 전달받은 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 플라잉 헤드;를 포함한다.

상기 4F 앵글 제어 광학계는 4개의 초점거리를 가지는 광학 요소를 포함할 수 있다.

상기 광학 요소는 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈, 제2 초점거리를 가지는 제2 렌즈를 포함할 수 있다.

상기 광학 요소는 상기 제1 렌즈의 입사면 측으로 마련되는 제1 마스크를 더 포함할 수 있다.

상기 광학 요소는 상기 제1 렌즈의 출사면과 상기 제2 렌즈의 입사면의 사이에 마련되는 제2 마스크를 더 포함할 수 있다.

상기 광학 편향기는 제1 방향으로 광을 편향시키는 제1 음향 광학 편향기와 상기 제1 방향과 다른 방향인 제2 방향으로 광을 편향시키는 제2 음향 광학 편향기를 포함할 수 있다.

상기 광학 편향기는 상기 제1 음향 광학 편향기와 상기 제2 음향 광학 편향기 사이에 마련되는 반파장판(half-wave plate)를 더 포함할 수 있다.

상기 4F 앵글 제어 광학계는 상기광학 편향기에서 제어되는 스윙 앵글을 확대시킬 수 있다.

상기 제1 초점거리는 상기 제2 초점거리보다 클 수 있다.

상기 4F 앵글 제어 광학계는 상기광학 편향기에서 제어되는 스윙 앵글을 축소시킬 수 있다.

상기 제1 초점거리는 상기 제2 초점거리보다 작을 수 있다.

본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 광학 편향기를 통해 이차원으로 레이저 빔의 앵글을 스윙할 수 있다. 레이저 가공 장치는 빔 퀄리티의 효율을 개선할 수 있으며, 최대 가공 속도를 향상시킬 수 있다.

본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 광학 편향기의 스윙 앵글을 1:1로 유지하며 전달할 수 있다.

본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 광학 편향기의 스윙 앵글을 광학계를 통해 확대하거나 축소함으로써 플라잉 헤드의 가변 거리를 극복할 수 있다.

본 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 광학 편향기의 스윙 앵글을 확대하거나 축소함으로써 종래의 레이저 드릴링 장비에 비해 가공 속도를 혁신적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 고차항 레이저가 제거되지 않은 경우에 가공 대상물에 형성되는 레이저 빔 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 4F 앵글제어 광학계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 4F 앵글제어 광학계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 4F 앵글제어 광학계를 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

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. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 레이저 가공 장치(100)는 광원(110), 광학 편향기(120), 4F 앵글 제어 광학계(130), 플라잉 헤드(140)을 포함한다.

광원(110)에서 조사한 레이저 빔은 광학 편향기(120)로 전달될 수 있다. 광학 편향기(120)는 광원(110)으로부터의 레이저 빔을 이차원으로 앵글을 제어하는 광학 구성 요소일 수 있다. 예를 들어, 광학 편향기(120)는 앵글 θ₁ 까지 레이저 빔의 앵글 스윙이 가능할 수 있다. 광학 편향기(120)는 제1 음향 광학 편향기(121) 및 제2 음향 광학 편향기(122)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 음향 광학 편향기(121)는 제1 방향으로 앵글 θ₁ 까지 레이저 빔의 앵글 스윙이 가능할 수 있다. 예를 들어, 제2 음향 광학 편향기(122)는 제2 방향으로 앵글 θ₁ 까지 레이저 빔의 앵글 스윙이 가능할 수 있다. 제1 방향과 제2 방향은 서로 직교일 수 있다. 이러한 제1 음향 광학 편향기(121) 및 제2 음향 광학 편향기(122)의 구성을 통해 이차원의 임의의 방향으로 앵글 θ₁ 까지 레이저 빔의 앵글 스윙이 가능할 수 있다. 앵글 θ₁ 은 광학 편향기(120)의 구성에 따라 결정될 수 있다.

4F 앵글 제어 광학계(130)는 광학 편향기(120)에서 전달된 레이저 빔을 플라잉 헤드(140)로 전달하는 릴레이 광학계일 수 있다. 4F 앵글 제어 광학계(130)는 광학 편향기(120)의 스윙 앵글 θ₁을 유지하며 전달할 수 있다. 또는, 4F 앵글 제어 광학계(130)는 광학 편향기(120)에서 스윙 앵글인 θ₁을 θ₂로 증폭하거나, θ₃로 축소시키는 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 4F 앵글 제어 광학계(130)는 4개의 초점거리를 가지는 광학 요소를 포함할 수 있다.

플라잉 헤드(140)는 4F 앵글 제어 광학계(130)로부터 전달받은 레이저 빔을 가공 대상물(미도시) 상에 조사하여 레이저 빔 가공을 수행할 수 있다. 플라잉 헤드(140)는 플라잉 거리 내에서 위치가 가변 될 수 있다. 플라잉 헤드(140)의 플라잉 거리는 플라잉 헤드(140)로 전달되는 레이저 빔의 상이 반전되지 않는 영역에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 플라잉 거리는 3F 내지 4F 내에서 정의되거나, 또는 4F를 초과한 영역에서 이루어질 수 있다. 여기에서 3F는 4개의 초점거리를 기준으로 3번째 초점거리 위치로써, 제2 렌즈가 위치하는 장소를 의미하며, 4F는 4번째 초점거리 위치로써 제2 렌즈로부터 제2 초점거리만큼 이격된 장소의 위치를 의미한다. 플라잉 헤드(140)가 가공 대상물의 가공 영역을 가공하는 속도 및 범위는 플라잉 거리 뿐 아니라 레이저 빔의 스윙 앵글에 따라 결정될 수 있다. 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 플라잉 헤드(140)의 플라잉 거리가 동일한 경우에도, 4F 앵글 제어 광학계의 도입을 통해 스윙 앵글을 θ₂ 로 증폭하여 가공 속도를 향상시킬 수 있다. 또는 스윙 앵글을 θ₃ 로 축소하여 가공 정밀도를 향상시킬 수 있다. 플라잉 헤드(140)는 예를 들어, F 세타 렌즈(F-theta lens)와 스캐너(scanner)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에 따른 레이저 가공 장치(100)는 광학 편향기(120)을 통과한 빛이 4F 앵글 제어 광학계(130)를 통과하며 4f 지점까지 평행빔을 수렴하도록 레이저 빔의 진행 경로를 제어하고, 이후의 영역에서 플라잉 헤드(140)의 플라잉 거리 내에서 위치의 가변이 가능하도록 구성된다.

도 2는 다른 실시예에 따른 레이저 가공 장치(200)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 레이저 가공 장치(200)는 4F 앵글 제어 광학계(230)과 반파장판(223)을 포함할 수 있다. 이외의 구성요소는 도 1에 따른 레이저 가공 장치(100)에서 기술 된 내용과 중복되는바 생략한다.

반파장판(223)은 제1 음향 광학 편향기(121)와 제2 음향 광학 편향기(122)의 사이에 마련될 수 있다. 반파장판(223)은 반파장판(223)을 통과하는 레이저 빔의 편광상태를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 반파장판(223)은 빛의 편광방향을 90도 변화시킬 수 있다. 반파장판(223)은 평행광을 기준으로 수직 방향으로 45도 만큼 회전되도록 마련될 수 있다.

4F 앵글 제어 광학계(230)는 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈(231)와 제2 초점거리를 가지는 제2 렌즈(232)를 포함할 수 있다. 4F 앵글 제어 광학계(230)는 제1 렌즈(231)를 기준으로 입사면과 출사면 방향으로 각기 제1 초점거리를 가지고, 제2 렌즈(232)를 기준으로 입사면과 출사면 방향으로 각기 제2 초점거리를 가져 총 4개의 초점거리를 가질 수 있다. 4F 앵글 제어 광학계(230)의 스윙 앵글의 배율은 제1 렌즈(231)의 제1 초점거리나 제2 렌즈(232)의 제2 초점거리에 의해 결정될 수 있다. 또한, 플라잉 헤드(140)의 플라잉 거리는 제2 렌즈(232)의 제2 초점거리에 의해 결정될 수 있다.

4F 앵글 제어 광학계(230)는 제1 렌즈(231)의 입사면 측으로 마련되는 제1 마스크(233)을 더 포함할 수 있다. 제1 마스크(233)는 광학 편향기(120)에서 형성되는 고차항 레이저 빔을 차단할 수 있다. 4F 앵글 제어 광학계(230)는 제1 렌즈(231)와 제2 렌즈(232) 사이에 마련되는 제2 마스크(234)을 더 포함할 수 있다. 제2 마스크(234)는 광학 편향기(120)에서 형성되는 고차항 레이저 빔을 차단할 수 있다. 제1 마스크(233)과 제2 마스크(234)가 동시에 마련됨으로써, 고차항 레이저 빔을 99% 이상 차단할 수 있다. 도 3을 참조하면, 음향 광학 편향기에서 형성되는 고차항 레이저 빔을 차단하지 않은 경우 가공 대상물 상에서 형성되는 레이저 빔 스폿의 형상이 도시된다. 저차항 레이저빔이 레이저 빔의 출력의 대부분의 비율을 차지하고 있으나, 고차항 레이저빔도 레이저 빔의 출력의 일부 비율을 차지하므로, 이를 차단하지 않는 경우 가공 대상물 상에 레이저빔 스폿이 복수개 형성될 수 있다. 이 경우 가공 대상물의 가공 효율이 감소 할 수 있다. 따라서, 4F 앵글 제어 광학계(230)는 제1 마스크(233) 또는 제2 마스크(234) 또는 제1 마스크(233) 및 제2 마스크(234)를 함께 포함함으로써, 불필요한 레이저 빔 스폿이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 마스크(233)는 조리개 일 수 있다. 예를 들어, 제2 마스크(234)는 공간 필터(spatial filter)일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 레이저 빔은 제1 음향 광학 편향기(121)와 제2 음향 광학 편향기(122)를 통과한 후, 고차항 빔을 제거하는 제1 마스크(233)를 지나서 제1 렌즈(231)로 전달된다. 제1 렌즈(231)를 지나간 광은 제1 렌즈(231)의 제1 초점거리에서 집광한다. 제1 렌즈(231)를 지나면서 레이저 빔은 다시 발산하고, 제2 렌즈(232)를 통과한다. 이때, 제1 음향 광학 편향기(121)및 제2 음향 광학 편향기(122)에서의 스윙 앵글에 의해서 형성되는 필드(field)만큼 벌어진 각도에 해당하는 각각의 레이저 빔은 제2 렌즈(232)에서 출사되어 제2 렌즈(232)의 제2 초점거리 지점에서 결상한다. 레이저 빔은 제2 렌즈(232)의 4F 지점을 지나 콜리메이팅 빔을 구성하여 진행할 수 있다. 플라잉 헤드(140)는 콜리메이팅 빔이 형성되는 영역을 기준으로 상이 반전되지 않는 영역 내에서 플라잉 할 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(300)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(300)는 스윙 앵글을 확대하기 위한 광학 요소를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 4f 앵글제어 광학계(300)는 제1 초점거리가 제2 초점거리보다 큰 조건을 만족하는 제1 렌즈(331) 및 제2 렌즈(332)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 초점거리가 제2 초점거리의 2배인 경우에는 스윙 앵글을 2배로 확대할 수 있다. 4F 앵글제어 광학계(300)는 레이저 빔의 고차항을 제거하기 위한 제1 마스크(333) 및 제2 마스크(334)를 포함할 수 있다.

도 5는 다른 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(400)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(400)는 스윙 앵글을 축소하기 위한 광학 요소를 포함할 수 있다.

도 5를 참조하면, 4f 앵글제어 광학계(400)는 제1 초점거리가 제2 초점거리보다 큰 조건을 만족하는 제1 렌즈(431) 및 제2 렌즈(432)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 초점거리가 제2 초점거리의 1/2배인 경우에는 스윙 앵글을 1/2배로 축소할 수 있다. 4F 앵글제어 광학계(400)는 레이저 빔의 고차항을 제거하기 위한 제1 마스크(433) 및 제2 마스크(434)를 포함할 수 있다.

도 6는 다른 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(500)를 개략적으로 나타내는 도면이다. 본 실시예에 따른 4f 앵글제어 광학계(500)는 스윙 앵글을 1:1로 유지할 수 있다.

도 6을 참조하면, 4f 앵글제어 광학계(500)는 제1 초점거리와 제2 초점거리와 동일한 조건을 만족하는 제1 렌즈(531) 및 제2 렌즈(532)를 포함할 수 있다. 따라서 F1, F2, F3, F4는 모두 동일한 길이를 가질 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 레이저 가공 장치
110 : 광원
120 : 광학 편향기
130 : 4F 앵글 제어 광학계
140 : 플라잉 헤드

Claims

레이저 빔을 조사하는 광원;
상기 광원으로부터 입사되는 상기 레이저 빔의 진행 각도를 스윙 앵글 내에서 이차원적으로 제어하는 광학 편향기;
상기 광학 편향기로부터 입사되는 상기 레이저 빔의 스윙 앵글을 변경시키는 것으로, 4개의 초점거리를 가지는 광학 요소를 포함하는 4F 앵글 제어 광학계; 및
상기 4F 앵글 제어 광학계로부터 전달받은 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 플라잉 헤드;를 포함하고,
상기 광학 요소는 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈와 제2 초점거리를 가지는 제2 렌즈를 포함하며, 상기 제1 및 제2 초점거리를 조절함으로써 상기 스윙 앵글을 변경시키며,
상기 레이저 빔은 상기 제2 렌즈의 4F 지점을 지나 콜리메이팅 빔을 구성하여 진행하고, 상기 플라잉 헤드는 상기 제2 렌즈를 통과한 콜리메이팅 빔이 형성되는 영역을 기준으로 상이 반전되지 않는 영역인 3F 내지 4F, 또는 4F를 초과한 영역에서 플라잉 거리가 정의되며,
여기서 상기 3F는 4개의 초점거리를 기준으로 3번째 초점거리 위치로서 상기 제2 렌즈의 위치이며, 상기 4F는 4번째 초점거리 위치로서 상기 제2 렌즈로부터 제2 초점거리만큼 이격된 위치인 레이저 가공 장치.
삭제
삭제
제1 항에 있어서,
상기 광학 요소는 상기 제1 렌즈의 입사면 측으로 마련되는 제1 마스크를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 광학 요소는 상기 제1 렌즈의 출사면과 상기 제2 렌즈의 입사면의 사이에 마련되는 제2 마스크를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 광학 편향기는 제1 방향으로 광을 편향시키는 제1 음향 광학 편향기와 상기 제1 방향과 다른 방향인 제2 방향으로 광을 편향시키는 제2 음향 광학 편향기를 포함하는 레이저 가공 장치.
제6 항에 있어서,
상기 광학 편향기는 상기 제1 음향 광학 편향기와 상기 제2 음향 광학 편향기 사이에 마련되는 반파장판(half-wave plate)를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 4F 앵글 제어 광학계는 상기 광학 편향기에서 제어되는 스윙 앵글을 확대시키는 레이저 가공 장치.
제8 항에 있어서,
상기 제1 초점거리는 상기 제2 초점거리보다 큰 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 4F 앵글 제어 광학계는 상기 광학 편향기에서 제어되는 스윙 앵글을 축소시키는 레이저 가공 장치.
제10 항에 있어서,
상기 제1 초점거리는 상기 제2 초점거리보다 작은 레이저 가공 장치.
제1 항에 있어서,
상기 4F 앵글 제어 광학계는 상기 광학 편향기에서 제어되는 스윙 앵글을 동일 배율로 유지시키는 레이저 가공 장치.
제12 항에 있어서,
상기 제1 초점거리는 상기 제2 초점거리와 동일한 레이저 가공장치.