KR102612372B1 - 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중심부가 광축 상에 위치하고, 조사되는 레이저 빔을 통과시킴으로써, 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하는 엑시콘 렌즈; 중심부가 광축으로부터 일정 거리 이격되도록 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 베셀 빔을 통과시킴으로써, 곡선 형태로 조사되는 에어리 빔(Airy Beam)을 생성하는 오목 렌즈; 및 중심부가 광축 상에 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 에어리 빔을 통과시킴으로써, 면취용 빔을 생성하는 포커스 렌즈;를 포함하며, 레이저 빔을 이용하여 정밀한 면취를 수행할 수 있도록 하는 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템에 관한 것이다.

Description

에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템{Beam generation system for chamfering using Airy beam}

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 정밀한 면취를 수행할 수 있도록 하는 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템에 관한 것이다.

면취는 가공 대상이 되는 소재 등의 모서리 부분을 둥글게 가공하여 부드럽게 만드는 가공을 의미한다.

또한, 면취를 수행하기 위한 기법으로서 기계식 면취, 멜팅 면취 및 열 면취 기법이 존재하지만, 각각의 면취 기법은 뚜렷한 단점을 갖고 있다.

구체적으로, 기계식 면취 기법은 수율이 높은 편이고, 가장 범용적으로 사용되고 있어 가공 데이터가 많이 축적되어 있으며, 가공 대상의 면취량을 조절하기 용이한 장점이 있지만, 가공용 블레이드 교체 비용 및 면취 수행 장치에 대한 보수 비용 등을 포함하는 유지 비용이 발생하며, 가공 공정이 수행되는 환경을 청정하게 관리하기 어렵다는 단점이 있다.

또한, 멜팅 면취 기법은 상술한 기계식 면취 기법 대비 환경을 청정하게 관리하기 용이하고, 가공용 블레이드 사용에 따른 교체 비용이 발생하지 않는다는 장점이 있지만, 가공에 많은 시간이 소요되고, 수율이 낮으며, 상온에서 가공이 어렵고, 서냉 과정이 별도로 요구되는 단점이 있다.

또한, 열 면취 기법은 멜팅 면취 기법의 단점이 일부 보완된 것으로서, 서냉 과정이 요구되지 않고, 고속 가공이 가능한 장점이 있지만, 공정이 복잡하고, 가공 난이도가 높으며, 단차 발생 시 연속적인 가공이 불가하거나 가공 재현성이 떨어지는 등의 추가적인 단점도 존재한다.

따라서, 종래의 면취 기법보다 개선된 면취 기법을 개발하여 면취 공정의 효율성을 높일 필요가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 레이저 빔의 조사 방향을 따르는 광축을 설정하고, 설정한 광축을 따라 구성되는 광학계를 이용해 에어리 빔 및 에어리 빔을 이용한 면취용 빔을 생성함으로써, 정밀한 면취를 수행할 수 있도록 하는 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일면은, 레이저 빔의 조사 방향을 따르는 광축을 설정하고, 설정한 광축을 따라 구성되는 광학계를 이용해 면취용 빔을 생성하는 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템으로서, 중심부가 광축 상에 위치하고, 조사되는 레이저 빔을 통과시킴으로써, 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하는 엑시콘 렌즈; 중심부가 광축으로부터 일정 거리 이격되도록 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 베셀 빔을 통과시킴으로써, 에어리 빔(Airy Beam)을 생성하는 오목 렌즈; 및 중심부가 광축 상에 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 에어리 빔을 통과시킴으로써, 곡선 형태로 조사되는 면취용 빔을 생성하는 포커스 렌즈;를 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 초기 조사되는 레이저 빔을 광축으로부터 벗어나는 방향으로 확산시키는 확산 렌즈; 확산 렌즈에 의해 확산된 레이저 빔이 광축을 따라 진행하도록 진행 방향을 보정하는 시준기;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 오목 렌즈는, 광축 상에 배치된 위치에 따라 렌즈 중심부로부터 이격된 일부분을 통해 베셀 빔을 통과시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 오목 렌즈는, 입사면의 곡률 반경이 일정 범위 이내로 설정되고, 출사면의 곡률 반경이 무한대로 설정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 포커스 렌즈는, 에어리 빔의 조사 위치에 따라 광축을 기준으로 구분되는 상부 또는 하부를 통해 에어리 빔을 통과시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 포커스 렌즈는, 렌즈 중심부로부터 멀어질수록 높은 굴절율을 갖도록 설정됨으로써, 빔 외곽 일부가 포물선 형태로 조사되는 곡선 형태의 면취용 빔을 생성할 수 있다.

본 발명은 종래의 기계식 면취 기법을 이용하는 공정 대비 유지 비용이 대폭 절감되고, 청정한 환경을 용이하게 조성 가능한 면취 공정을 구축할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 종래의 멜팅 면취 기법을 이용하는 공정 대비 가공에 소요되는 시간이 짧고, 수율이 높으며, 상온 가공이 가능한 면취 공정을 구축할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 종래의 열 면취 기법을 이용하는 공정 대비 공정이 단순하고, 가공 난이도가 낮은 면취 공정을 구축할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 높은 동적 성능, 고속 가공 성능 및 정밀한 면취 수행 성능을 갖는 면취용 빔 생성 시스템을 제공하는 효과가 있다.

본 발명은 광학계의 일부 구성요소에 대한 설정을 변경하여 용이하게 요구되는 면취용 빔을 생성할 수 있는 효과가 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템을 구성하는 광학계를 설명하기 위한 참조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템을 통해 생성되는 면취용 빔에 대해서 설명하기 위한 참조도이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템(100)(이하, 면취용 빔 생성 시스템이라 칭함)의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 면취용 빔 생성 시스템(100)은 엑시콘 렌즈(110), 오목 렌즈(120) 및 포커스 렌즈(130)를 포함하여 구성되며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 확산 렌즈(140) 및 시준기(150)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 면취용 빔 생성 시스템(100)을 구성하는 광학계에 대한 자세한 설명은 아래에서 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면취용 빔 생성 시스템(100)을 구성하는 광학계를 설명하기 위한 참조도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 면취용 빔 생성 시스템(100)은 레이저 빔의 조사 방향을 따르는 광축(10)을 설정하고, 설정한 광축(10)을 따라 구성되는 광학계를 이용해 면취용 빔(135)을 생성한다. 여기에서, 광축(10)은 레이저 조사 장치(미도시)로부터 조사되는 레이저 빔의 조사 위치 및 방향에 기초하여 설정될 수 있다.

엑시콘 렌즈(110)는 중심부가 광축 상에 위치하고, 조사되는 레이저 빔을 통과시킴으로써, 베셀 빔(Bessel beam)(115)을 생성할 수 있다.

구체적으로, 엑시콘 렌즈(110)로 입사되는 레이저 빔은 빔 가이드 선(20)으로 표현된 바와 같이 일정한 지름을 갖도록 형성될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 엑시콘 렌즈(110)로 입사되는 레이저 빔에 대해서 요구되는 사양(지름, 광강도 등)을 만족시키기 위해 엑시콘 렌즈(110)보다 선행되는 위치에 확산 렌즈(140) 및 시준기(150)를 배치할 수 있다. 여기에서, 확산 렌즈(140)는 초기 조사되는 레이저 빔을 광축으로부터 벗어나는 방향으로 확산시키는 역할을 수행하며, 시준기(150)는 확산 렌즈(140)에 의해 확산된 레이저 빔이 광축을 따라 진행하도록 진행 방향을 보정하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 확산 렌즈(140) 및 시준기(150)는 중심부가 광축(10) 상에 위치하도록 배치될 수 있다.

또한, 엑시콘 렌즈(110)는 레이저 빔을 통과시키는 과정에서 전반사가 발생하지 않도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 엑시콘 렌즈(110)의 엑시콘 각도는 45° 미만으로 설정될 수 있으며, 생성되는 베셀 빔(115)에 대해서 요구되는 사양(지름 등)을 만족시키기 위해 25°, 20°, 10° 및 5° 등 다양한 각도로 설정될 수 있다.

오목 렌즈(120)는 중심부가 광축(10)으로부터 일정 거리 이격되도록 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 베셀 빔(115)을 통과시킴으로써, 에어리 빔(Airy Beam)(125)을 생성할 수 있다.

여기에서, 도 2를 참조하면, 에어리 빔(125)에 대한 빔 가이드 선(20)은 직선 형태로 도시되었지만, 이는, 단지 빔의 조사 범위 및 조사 방향을 직관적으로 나타낸 것으로서, 실제 에어리 빔(125)은 곡선 형태로 조사될 수 있으며, 면취용 빔(135) 또한 마찬가지로 곡선 형태로 조사될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 오목 렌즈(120)는 광축(10) 상에 배치된 위치에 따라 렌즈 중심부로부터 이격된 일부분을 통해 베셀 빔(115)을 통과시킬 수 있다. 구체적으로, 오목 렌즈(120)는 광축(10)으로부터 수직하는 방향으로 이격될 수 있으며, 이격 거리는 100mm 이하로 설정될 수 있다. 예를 들어, 오목 렌즈(120)가 도 2에 도시된 바와 같이 광축(10) 위 방향으로 일정 거리 이격되는 경우에는 렌즈의 하부 일부분을 통해 베셀 빔(115)을 통과시키게 된다.

또한, 오목 렌즈(120)는 엑시콘 렌즈(110)로부터 150mm 내지 220mm 떨어진 거리에 위치할 수 있다. 여기에서, 엑시콘 렌즈(110) 및 오목 렌즈(120) 간의 거리는 생성되는 에어리 빔(125)의 특성을 결정하는 요소가 될 수 있다.

또한, 오목 렌즈(120)는 입사면의 곡률 반경이 일정 범위 이내로 설정되고, 출사면의 곡률 반경이 무한대로 설정됨으로써, 에어리 빔(125)이 조사되는 구간에서 전반사가 발생하지 않도록 할 수 있다. 구체적으로, 오목 렌즈(120)의 입사면 곡률 반경은 40mm 내지 100mm로 설정될 수 있으며, 이에 따라, 출사면 곡률 반경이 입사면 곡률 반경보다 크게 형성되어 전반사 현상을 방지할 수 있다.

포커스 렌즈(130)는 중심부가 광축(10) 상에 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 에어리 빔(125)을 통과시킴으로써, 곡선 형태로 조사되는 면취용 빔(135)을 생성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 포커스 렌즈(130)는 에어리 빔(135)의 조사 위치에 따라 광축(10)을 기준으로 구분되는 상부 또는 하부를 통해 에어리 빔을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 오목 렌즈(120)가 도 2에 도시된 바와 같이, 광축(10) 위 방향으로 일정 거리 이격되는 경우에는, 오목 렌즈(120)의 하부 일부분을 통해 베셀 빔(115)이 통과되므로, 포커스 렌즈(130)의 하부를 통해 에어리 빔(125)을 통과시키게 된다. 반대로, 오목 렌즈(120)가 광축(10) 아래 방향으로 일정 거리 이격되는 경우에는, 오목 렌즈(120)의 상부 일부분을 통해 베셀 빔(115)이 통과되므로, 포커스 렌즈(130)의 상부를 통해 에어리 빔(125)을 통과시키게 된다.

또한, 포커스 렌즈(130)는 렌즈 중심부로부터 멀어질수록 높은 굴절율을 갖도록 설정됨으로써, 에어리 빔(125)을 집중시킨 곡선 형태의 면취용 빔(135)을 생성할 수 있다.

이와 관련하여, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면취용 빔 생성 시스템(100)을 통해 생성되는 면취용 빔(135)을 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 포커스 렌즈(130)의 중심부와 근접하게 통과된 에어리 빔(125)에 의해 생성된 면취용 빔(135)은 곡률이 낮게 설정되어 거의 직선 형태로 조사되며, 반대로, 포커스 렌즈(130)의 주변부와 근접하게 통과된 에어리 빔(125)에 의해 생성된 면취용 빔(135)은 곡률이 높게 설정되어 빔 외곽 일부가 포물선 형태로 조사되도록 성형될 수 있다. 여기에서, 면취를 수행하고자 하는 경우에는 일반적으로 상술한 포물선 형태로 조사되는 빔 외곽 부분의 곡선형 면취용 빔(135)을 이용하여 면취를 수행하게 되며, 포커스 렌즈(130)의 사양(곡률 반경, 지름 등)을 변경함으로써, 면취 대상에 적합한 면취를 수행할 수 있도록 빔 외곽의 형태를 성형할 수 있다.

본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

10: 광축 20: 빔 가이드 선
100: 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템
110: 엑시콘 렌즈 115: 베셀 빔
120: 오목 렌즈 125: 에어리 빔
130: 포커스 렌즈
135: 면취용 빔
140: 확산 렌즈
150: 시준기

Claims (6)

1. 레이저 빔의 조사 방향을 따르는 광축을 설정하고, 설정한 광축을 따라 구성되는 광학계를 이용해 면취용 빔을 생성하는 에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템으로서,
   중심부가 광축 상에 위치하고, 조사되는 레이저 빔을 통과시킴으로써, 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하는 엑시콘 렌즈;
   중심부가 상기 광축으로부터 일정 거리 이격되도록 위치하고, 상기 광축 상에 배치된 위치에 따라 렌즈 중심부로부터 이격된 일부분을 통해 렌즈의 일부분을 통해 베셀 빔을 통과시킴으로써, 에어리 빔(Airy Beam)을 생성하는 오목 렌즈; 및
   중심부가 상기 광축 상에 위치하고, 렌즈의 일부분을 통해 상기 에어리 빔을 통과시킴으로써, 곡선 형태로 조사되는 면취용 빔을 생성하는 포커스 렌즈;를 포함하는,
   에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   초기 조사되는 레이저 빔을 광축으로부터 벗어나는 방향으로 확산시키는 확산 렌즈; 및
   상기 확산 렌즈에 의해 확산된 레이저 빔이 상기 광축을 따라 진행하도록 진행 방향을 보정하는 시준기;를 더 포함하는,
   에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 오목 렌즈는,
   입사면의 곡률 반경이 일정 범위 이내로 설정되고, 출사면의 곡률 반경이 무한대로 설정되는 것을 특징으로 하는,
   에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 포커스 렌즈는,
   상기 에어리 빔의 조사 위치에 따라 상기 광축을 기준으로 구분되는 상부 또는 하부를 통해 상기 에어리 빔을 통과시키는 것을 특징으로 하는,
   에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 포커스 렌즈는,
   렌즈 중심부로부터 멀어질수록 높은 굴절율을 갖도록 설정됨으로써, 빔 외곽 일부가 포물선 형태로 조사되는 곡선 형태의 면취용 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는,
   에어리 빔을 이용한 면취용 빔 생성 시스템.