KR20010112950A - 레이저 보정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 정확히 결정하기 위하여 스캐너 좌표를 결정하는 방법(140)과 시스템(10)에 관한 것이다. 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)은 레이저 스캐너(22, 24)에 의해 작업면(36)의 관심 영역(예를 들면, 개구(34))에 스캐닝된다. 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치는 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 작업면(36)의 개구(34)를 통해서 나타날 때 광검출기에 의해 미리 결정된 시간 간격 또는 미리 결정된 공간 간격 중 하나로 검출된다. 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 검출 위치는 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때 상기 레이저 스캐너(22, 24)의 위치에 기초하여 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 발생시키기 위하여 사용된다. 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터는 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 원하는 위치와 대응하는 스캔 위치 좌표 및 개구의 중심을 결정하기 위해 사용될 수 있다.

Description

레이저 보정 장치 및 방법{LASER CALIBRATION APPARATUS AND METHOD}
많은 재료 가공 응용에서, 아주 높은 정확도로 가공 영역에 레이저빔을 위치시키는 것은 필수적이다. 이동 가능한 레이저 광선의 위치를 결정하기 위한 많은 종래 방법들이 제안되었다.
한가지 방법은 빔 위치의 변화를 간접적으로 측정하기 위해 작은 부분의 프로세싱 빔 및 전하 결합 소자(CCD) 카메라를 사용하는 것이다. 이 방법은 광선의 분해된 부분이 프로세싱을 위해 사용된 렌즈와는 다른 렌즈를 통과해서 집속되기 때문에 실질적으로 정적인 광선의 작은 변화에 대한 보정으로서는 좋은 효과를 갖는다.
또 다른 방법은 빔의 실제 위치를 결정하기 위해 CCD 카메라로 작업 재료로부터 산란된 빛을 모니터링하는 것이다.
또 다른 방법은 상의 어레이로 테스트 부분을 처리하고, 상기 처리된 부분을 측정하여 계획된 위치와 실제 상의 위치를 비교하며, 그 차이를 이용하여 보정 인자의 테이블을 계산한다.
게다가, 빔 프로파일(profile)은 종종 레이저빔 형태를 결정하기 위해 이동하는 개구/검출기 조립체를 사용하지만, 이들 디바이스들은 예를 들면, 재료 가공 장치의 좌표 시스템에 대한 빔의 형태를 참조하는 것과는 관계가 없다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명은 1999년 4월 27일 출원된 미국 특허 가출원 번호 60/131,138호의 이익을 주장한다.
본 발명은 레이저 보정(calibration)의 분야에 관한 것으로, 특히 높은 정확도로 집속된 레이저빔을 가공 영역에 위치시키는 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 다음의 도면들과 함께 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 레이저 보정 시스템에 내장되는 재료 가공 장치의 개략적인 도면를 나타낸다.
도 2A는 도 1에 도시된 개구/검출기 구성의 확대도이다.
도 2B는 도 2A의 테이블 위의 개구의 평면도이다.
도 2C는 본 발명의 레이저 교정 방법에 사용된 그리드 설계의 평면도이다.
도 3A는 도 1의 감쇠기의 개략적인 도면이다.
도 3B는 개구의 중심을 찾는데 사용된 기술의 도식적 표현이다.
도 4A는 본 발명의 한 실시예에 따른 2차원 어레이 검출기의 개략도를 나타낸다.
도 4B는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개구를 갖는 2차원 어레이 검출기의 개략도를 나타내다.
도 4C는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선형 어레이 검출기의 개략도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따라서 레이저를 보정하는 방법을 보여준다.
본 발명의 목적은 레이저빔의 위치 보정 방법과 시스템을 개선시키는 것이다.
본 발명의 목적은 자동 및 일관적인 레이저빔 위치 보정 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 레이저빔을 위치시키기 위해 스캐너 좌표를 결정하는 방법과 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따라서, 집속된 레이저빔의 위치 정확도를 개선시키기 위해 레이저 스캐너의 스캐너 위치 좌표를 집속된 레이저빔의 빔 위치 좌표와 상호 관련시키는 방법이 제공되고, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다. 즉, 작업면 위의 관심 영역에 집속된 레이저빔을 스캐닝하는 단계, 작업면과 인접한 광검출기(photodetector)에 도달된 집속된 레이저빔을 검출하는 단계, 여기서 검출된 집속 레이저빔의 위치는 빔 위치 좌표를 만들며, 집속된 레이저빔이 검출 될 때 레이저 스캐너의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 측면에 따라서, 집속된 레이저빔의 위치를 정할 때 정확도를 개선시키는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다. 즉, 작업면 위의 관심 영역에 집속된 레이저빔을 스캐닝하는 단계, 작업면과 인접한 광검출기에 도달한 집속된 레이저빔을 검출하는 단계, 여기서, 상기 검출된 집속 레이저빔의 위치는 빔 위치 좌표를 발생시키며, 상기 집속된 레이저빔이 검출 될 때 레이저 스캐너의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 단계, 집속된 레이저빔에 대해 원하는 위치에 빔 위치 좌표를 결정하는 단계, 및 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에 기초하여 상기 원하는 위치와 대응하는 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 집속된 레이저빔을 위치시키기 위하여 레이저 스캐너 위치 좌표를 결정하는 방법이 제공되는데, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다. 즉, 작업면의 개구에 집속된 레이저빔을 스캐닝하는 단계, 스캐너 좌표대 광검출기 신호 데이터를 발생시키기 위해 광검출기를 사용하여 상기 집속된 레이저빔에 의해 개구를 통해서 전달된 파워(power)를 모니터링하는 단계, 및 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터로부터 개구의 중심 위치에 대응하는 스캐너 좌표를 얻는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 레이저빔을 이용하여 가공면 위의 개구의형태를 결정하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 다음의 단계를 포함한다. 즉, 가공면 위의 개구에 레이저빔을 스캐닝하는 단계, 검출기 위의 개구를 통과한 빛을 모아서 검출기의 신호 대 스캐닝된 빔 위치의 프로파일을 결정하는 단계, 및 개구의 에지를 정의하는 스캐닝된 빔 위치를 결정함으로써 검출기 신호의 임계값을 정의하는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 측면에 따라서, 집속된 레이저빔의 위치 정확도를 개선하기 위한 장치가 제공되는데, 이 장치는 다음을 포함한다. 즉, 작업면의 관심 영역에 집속된 레이저빔을 스캐닝하기 위한 스캐너 위치 좌표를 갖는 레이저 스캐너, 집속된 레이저빔이 작업면에 도달될 때를 검출하는 광검출기(여기서, 상기 검출된 집속 레이저빔의 위치는 빔 위치 좌표를 발생시킨다), 및 집속된 레이저빔이 검출 될 때 레이저 스캐너의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 데이터 형성 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 집속된 레이저빔의 위치를 결정할 때 정확도를 개선하기 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는 다음을 포함한다. 즉, 작업면의 관심 영역에 상기 집속된 레이저빔을 스캐닝하기 위해 스캐너 위치 좌표를 갖는 레이저 스캐너, 상기 집속된 레이저빔이 작업면에 도달될 때를 검출하기 위한 광검출기(여기서, 상기 검출된 집속 레이저빔의 위치가 빔 위치 좌표를 만든다), 상기 집속된 레이저빔이 검출 될 때 레이저 스캐너의 위치에 대응하는 스캐너 위치와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 데이터 형성 수단, 및 상기 집속된 레이저빔에 대한 원하는 위치의 빔 위치 좌표를 결정하고, 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에 기초하여 원하는 위치와 대응하는 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 위치 결정 수단을 포함한다.
본 발명의 부가적인 측면에 따라서, 집속된 레이저빔의 위치를 결정하기 위해 레이저 스캐너 위치 좌표를 결정하 장치가 제공되는데, 상기 장치는 다음을 포함한다. 즉, 작업면의 개구에 상기 집속된 레이저빔을 스캐닝하는 수단, 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 발생시키기 위하여 광검출기를 사용하여 상기 집속된 레이저빔에 의해 개구를 통과하여 전달된 파워를 모니터링하는 수단, 및 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터로부터 개구의 중심 위치에 대응하는 스캐너 좌표를 얻는 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 레이저빔을 이용하여 가공면 위의 개구의 형태를 결정하는 장치가 제공되는데, 상기 장치는 다음을 포함한다. 즉, 가공면 위의 개구에 대하여 레이저빔을 스캐닝하는 수단, 광검출기 신호 대 스캐닝된 빔 위치의 프로파일을 결정하기 위하여 광검출기 상의 개구를 통과하는 빛을 모드는 수단, 및 개구의 에지를 정의하는 스캐닝된 빔 위치를 한정함으로써 광검출기 신호의 임계값을 정의하는 수단을 포함한다.
"A system and method for material processing using multiple laser beams"의 제목으로 1999년 4월 27일 출원된 출원인의 공동 계류 중인 미국 특허 가출원 번호 60/131,139호에 기술된 재료 처리 장치와 함께 본 발명의 레이저 보정 장치 및 방법이 기술될 것이며, 상기 출원은 참고로 본 명세서에서 설명된다.
본 발명의 레이저 보정 장치를 내장한 일반적인 재료 처리 장치(10)의 한 실례가 도 1에 도시되어 있다. 상기 장치(10)는 단일 레이저빔(14)을 발생시키는 소스 레이저(12)를 포함한다. 상기 빔(14)은 빔의 에너지 밀도를 감소시켜 감쇠된빔(17)을 발생시키는 감쇠기(16)를 통과한다. 상기 감쇠된 빔(17)은 스플리터(18)를 통과하여 상기 빔(17)이 두 개의 성분(20a, 20b)으로 분리된다. 빔(20a)은 검류계(galvo) 쌍(22)과 같은 제 1 스캐닝 위치 결정 시스템을 통과하여 빔(26)이 발생되고, 빔(20b)은 검류계(galvo) 쌍(24)과 같은 제 2 스캐닝 위치 결정 시스템을 통과하여 빔(86)이 발생된다. 검류계(22와 24)는 출력 빔(26과 28)의 각도를 조절하는데 사용된 다수의 반사기 디바이스이다.
빔(26과 28)이 스캔 렌즈(30)를 통과해서 한 쌍의 출력빔(32a, 32b)이 발생된다. 상기 출력빔(32a, 32b)은 X-Y 테이블(36)의 개구(34)로 향한다. 검출기(38)가 X-Y 테이블(36)의 개구(34)에 인-라인 및 인접하여 장착된다. 상기 검출기(38), 레이저(12), 감쇠기(16), 스플리터(18), 및 검류계 쌍(22와 24)의 동작을 제어하기 위하여 제어 모듈(40)이 사용된다. 당 분야의 전문가들은 동일한 방법이 단일 빔 또는 2개 이상의 빔에 동일하게 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2A 및 도 2B에 개구(34)와 검출기(38)의 확대도가 도시되어 있다. 본 발명의 보정 방법은 위에 개구(34)를 갖는 검출기(38)를 사용함으로써 개구의 알려진 위치에 관련된 이동 가능한 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 검출한다.
빔(32a 또는 32b)은 제어 모듈(40)이 상기 검출기(38)를 모니터링하는 동안 개구(34) 위에 스캐닝된다. 상기 검출기(38)로부터 제어 모듈(40)로 통과된 신호는 검출기 신호 대 스캐너 위치의 프로파일을 결정함으로써 빔(32a 또는 32b)를 제어하기 위해 사용된다. 검출기(38)상에 사용자 정의된 임계 레벨에 대응하는개구(34)의 에지와 일치하는 스캔 위치를 기록함으로써, 개구(34)의 중심(60)에 대응하는 스캔 위치가 임계 레벨이 검출되는 스캔 위치 사이의 중간인 것으로서 결정된다. 예를 들면,
x-중심(60) = (X-위치-왼쪽 임계값 + X-위치-오른쪽 임계값)/2
이다. 이 절차의 대표적인 실행의 도식적 표현이 도 3B에 도시된다.
빔(32a, 32b) 형상의 비균일성을 보상하기 위해 또는 신호 대 노이즈 비율을 향상시키기 위해 x-중심(60)을 계산하는데 당 분야의 전문가들에게 잘 알려진 다른 공식이 사용될 수 있다. 개구(34)를 가로지르는 상기 레이저빔(32a 또는 32b)의 제 2 스캔이 수직 방향으로 이루어져서 개구의 y-중심에 대응하는 스캔 위치를 결정하게 된다. 이들 레이저빔(32a 또는 32b)의 두 개의 수직 스캔으로부터, 상기 빔(32a 또는 32b)를 알려진 개구(34)의 중심(60) 위치에 정확히 위치시키기 위한 x 및 y 스캐너 좌표가 계산된다. 이들 계산된 좌표에 검류계 쌍(22 또는 24)에 대한 좌표를 설정함으로써, 개구(34)가 최초 스캔 동안 있었던 것과 동일한 위치에 레이저빔(32a, 32b)이 놓일 수 있다.
개구의 중심을 찾는 다른 방법은 개구(34)를 가로질러 상기 빔(32a, 32b)을 스캐닝하여 다수의 점들(스캐너 X, Y 좌표가 각각의 점에 대하여 기록된다)을 개구(34)의 주위에 위치시키거나, 개구(34)가 원형이 아닌 경우 개구(34)의 둘레를 따라 위치시킨 다음, 당 분야의 전문가들에게 잘 알려진 공식을 사용하여 개구(34)의 중심(60)을 계산하는 것이다.
레이저빔(32a 또는 32b)을 스캐닝하기 위하여 두 개의 검류계 거울이 사용되는 본 발명의 한 실시예에서, 스캐너 좌표는 검류계(22, 24)의 두 개의 검류계 거울의 각도에 대응할 수 있다. 그러나, 레이저빔(20a, 20b)을 스캔 렌즈(30)를 통과시키기 위해 다른 어떤 스캐닝 방법(예를 들면, 다각형, 음향 광학)이 사용될 수 있다.
개구(34)의 중심(60)에 대응하는 스캔 위치를 찾은 후, 개구(34)는 스캔 렌즈(30)의 동작 필드(62) 내의 다른 위치로 이동된다. 통상적으로 개구(34)는 약 1㎛의 해상도를 갖는 정밀 이동 스테이지에 의해 이동된다. 새로운 개구 위치에서, 새로운 위치에 대응하는 검류계(22, 24)의 위치를 결정하기 위하여 개구 위치 결정 프로세스(상기에 논의됨)가 반복된다. 일련의 사이클을 통해서, 개구 위치(도 2C 참조)의 그리드(64)에 대응하는 스캐너 좌표가 결정된다. 그리드(64)로부터, 잘 알려진 보간(interpolation) 또는 외삽(extrapolation)법을 사용하여 필드(2) 내의 어떤 포인트에 대한 스캐너 좌표가 계산될 수 있다. 상기 기술의 해상도와 정확도는 단지 스캐닝 메가니즘과 개구 위치 결정 장비의 해상도에 의해 제한된다.
레이저빔(14)의 강도(벗어남 없음)를 감소시키기 위해 감쇠기(16)가 사용된다. 본 발명에 따른 방법은 상기에 언급한 개구 프로세싱 방법 동안 실질적으로 레이저빔(14)의 중심에 작은 개구(82)를 갖는 셔틀(80)을 집속 렌즈(84)의 앞에 위치시키는 것이다. 개구(82)를 렌즈(84)의 앞에 위치시키는 것으로 레이저빔의 세기가 렌즈 초점에서 상당히 감소되기 때문에, 검출기(38) 또는 개구(34)에 대한 손상의 문제를 줄이거나 제거할 수 있게 된다. 개구(82)는 두 가지 메카니즘으로 모든 작업 부분(X-Y 테이블(36) 상에 위치됨)상의 강도를 줄인다. 첫째, 개구(82)가레이저빔(14)보다 작아서, 렌즈(84)에 의해 집속되는 에너지의 양이 감소된다. 둘째, 개구(82)는 집속 렌즈(84)에서의 레이저빔(14)의 크기를 감소시킨다. 이 효과는 렌즈 초점에서의 레이저빔(14)의 크기를 증가시킨다(도 3A에 도시되어 있음).
실례가 하기에 주어진다.
초점의 스폿 직경: ≒ 2.44 ×(초점 길이) ×(파장) / (렌즈의 스폿 직경)
비이상적인 레이저 및 렌즈를 사용하더라도 상기 식을 실질적으로 적용할 수 있다. 예를 들면, 집속 렌즈(84) 이전의 빔(14)에 위치한 개구(82)가 그 점에서 빔 직경의 10%와 같은 직경을 갖는 경우, 작업면에서의 빔(32a, 32b)의 강도(W/㎠)는 약 10000의 인자만큼 감소될 것이다. 상기 개구(82)에 의해 전달된 광이 완전히 벗어나지 않기 때문에, 집속된 빔의 중심은 렌즈 이전의 개구에 의해 감쇠되지 않는 빔의 중심에 실질적으로 대응할 것이다.
레이저빔(14)을 감쇠하는 다른 방법은 렌즈 이전의 빔에 부분적으로 투과하는 광학 장치 또는 연속된 부분적인 투과 광학 장치를 위치시키는 것이다. 효과적으로 하기 위하여, 부분적인 투과기는 투과된 빔의 각도 또는 위치를 벗어나지 않아야 한다. 또 다른 방법으로는 렌즈 다음의 타겟 개구에 손상을 주지 않도록 레이저 파워를 충분히 낮은 레벨로 낮추는 것이 있지만, 이는 전형적으로 이용 가능한 레이저의 제한된 다이나믹 동작 범위에 기인하여 종종 불가능할 수 있다.
또 다른 대안으로서, 단일 검출기(38) 대신, 도 4A에 도시된 바와 같이 개구(34)를 사용하지 않고 광검출기(100)의 어레이(예를 들면, CCD)를 사용하여 레이저빔(14)을 검출하는 것이다. 도 4A에 도시된 배열은 레이저빔(14)을 스캔할 필요없이 정확한 집속 빔 위치를 제공한다. 집속된 레이저빔의 중심 위치는 조명된 픽셀의 중심을 계산함으로써 결정될 수 있고, 각각의 픽셀의 강도에 의해 가중될 수 있다. 상기 계산은 주기적인 간격으로(시간 또는 이동의 증분) 또는 미리 설정된 스캐너 좌표로 실행될 수 있다.
대안으로, 도 4B에 도시된 바와 같이 멀티-엘리먼트 검출기(100)(즉, 이차원 어레이 검출기)가 개구(34)에 사용될 수 있다. 이 경우, 집속된 빔의 위치를 결정하기 위하여 기준 표시로서 개구(34)가 사용될 수 있다. 멀티-엘리먼트 검출기(100)로부터의 신호들은 합산되어 기준 임계값과 비교되거나, 개별적으로 검사되어 빔 중심을 직접 계산하는데 사용될 수 있다.
선형 어레이 검출기(120) 또는 이차원 어레이(100)를 사용하는 것은 도 4C에 도시된 바와 같이 2개의 스캐너에 대한 스캐너 좌표의 동시 결정을 가능하게 한다. 각각의 스캐너는 빔을 약간 오프셋된 위치로 향하게 하여 검출기(120) 상에는 2개의 분리된 집속 스폿이 있게 된다. 제어 모듈(40)은 각각의 빔의 중심 위치를 결정하여 레이저빔을 측정된 위치로 이동시키는 스캐너 좌표를 절약한다. 도 4C의 배열에서, 렌즈 필드의 보정된 포인트가 다른 스캐너에 대해 동일한 레귤러 그리드에 반드시 있을 필요가 없다. 각각의 빔을 프로세싱 사이트로 보내기 위해 스캐너 위치를 계산하는데 필요한 보간 및 외삽 루틴은 결과적으로 약간 다를 수 있다.
다수의 레이저빔을 사용하여 홀/바이어(via)를 뚫기 위해 상기에 언급한 출원인의 공동 계류 중인 출원 및 본 발명의 도 1을 참고하면, 빔(32a, 32b)은 X-Y 테이블(36)에 고정된 패널에 홀(또는 블라인드 바이어)를 뚫는다. 빔(32a, 32b)은패널 위에 부착된 적어도 하나의 스캔 렌즈(30)에 의해 상기 패널 위의 필드에 집속된다. 하나 이상의 빔이 단일 스캔 렌즈(30)을 통해서 집속될 수 있다. 스캔 렌즈(30) 위에 부착된 검류계 쌍(22, 24)은 패널 아래에(즉, 테이블(36) 위에 놓여 있음) 필드(예를 들면, 대표적인 크기는 2" ×2"가 될 수 있다)를 만드는 렌즈를 통해서 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝한다.
검류계(32a, 32b)의 위치는 제어 모듈(40)로부터의 제어 신호에 의해 제어된다. 제어 모듈(40)은 X-Y 평면의 패널을 이동시키고(테이블(36)을 이용하여), Z축의 스캔 렌즈(30)의 높이를 제어하고(패널의 레이저빔 초점을 조절하기 위해), 레이저빔(32a, 32b)을 X-Y 평면에 위치시키는 검류계(22, 24)를 제어하며, 드릴링 동안 필요할 때 레이저를 온/오프시킬 책임이 있다. 렌즈의 결함, 모든 광학 소자들에서 증가된 허용 오차 및 검류계 제어 신호의 비선형성은 필드의 요곡을 만든다. 그러므로, 정확히 시스템을 보정하는 수단이 요구된다.
한 실시예에서, 본 발명의 장치와 방법은 X-Y 필드의 레이저범의 위치를 정확하고 자동적으로 보정하기 위해서 자동화된 프로세스를 제공한다.
빔들을 독립적 또는 동시적으로 보정하기 위하여 본 발명의 방법이 사용된다. 상기 시스템은 보정이 필요한지를 결정하기 위하여 빔(들)의 보정을 자동으로 테스트할 수 있고, 필요한 경우 특정 빔에 대한 보정을 실행할 수 있고, 또는 미리 결정된 간격으로 보정을 실행할 수 있다. 또한, 시스템은 필요할 때 초기화될 수 있는 자동 보정 또는 자동 테스트를 오퍼레이터가 요구할 수 있도록 한다.
보정 방법은 X-Y 필드(62)(예를 들면, 2" ×2"의 필드)에서 스캐닝될 때 처럼 레이저빔(32a, 32b)을 위치시키기 위해 검출기(38)를 사용한다. 필드(62)는 홀이 뚫리는 패널의 표면에 위치된 평면이다. 스캔 렌즈(30)당 하나의 필드(62)가 있다. 검출기(38)는 X-Y 테이블(36)에 부착되어, 레이저빔(32a, 32b)이 감지될 때마다 피드백을 통해서 정확한 위치 정보를 제어 모듈에 제공할 수 있다.
검출기(38) 위에 위치한 개구(34)는 검출기(38)의 정확한 위치 기준을 정의하기 위하여 사용된다. 개구(34)의 직경은 레이저빔(32a, 32b)의 직경보다 크거나 작을 수 있다. 레이저빔(32a, 32b)이 필드(62)에 스캐닝될 때 위치되는 개구(34)의 에지이다. 레이저빔(32a, 32b)의 초점을 개구(34) 또는 개구 근방에 위치시키도록 상기 스캔 렌즈(30)를 이동시키기 위해 Z축이 사용된다. 광센서/개구 결합을 보정되어야 할 필드(62)로 위치시키기 위해 X-Y 테이블(36)을 움직이는 제어 모듈(40)에 의해 보정 프로세스가 시작된다.
그 다음, 제어 모듈(40)은 레이저(12)를 온하여, 검류계(22, 24)가 필드(62)의 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하도록 명령한다. 레이저빔(32a, 32b)이 검출기(38)에 의해 감지될 때, 제어 모듈(40)은 조사 알고리즘(실례로 도 3B 참조)을 사용하여 개구(34)의 에지를 찾는다. 각각의 에지의 위치가 알려질 때, 제어 모듈(40)은 제어된 검류계 위치 및 테이블 위치를 기록하고, 이 정보를 이용하여 필드(62)의 그 위치에 대한 스캐너 좌표를 계산한다. 그 다음, 제어 모듈(40)은 X-Y 테이블(36)을 필드(62)의 또 다른 위치로 이동시키고, 개구 에지를 찾기 위해 프로세스를 반복한다.
이 프로세스는 스캐너 좌표에 필드(62)의 정확한 맵핑을 만드는데 필요한 만큼 필드(62)의 다수의 위치(예를 들어, 2" ×2" 면적의 25개 위치-도 2C 참조)에서 반복된다. 제어 모듈(40)은 적어도 1차 다항식을 포함하는 제어 알고리즘을 사용하여 필드(62)의 좌표 지도를 보간하기 위해 수집된 위치 정보를 처리한다. 그 다음, 측정된 위치에 대한 스캔너 좌표로부터 목표 좌표에 대한 새로운 검류계 명령 위치를 외삽(extrapolating)함으로써 필드 왜곡을 보정하기 위하여 좌표 지도가 사용될 수 있다.
도 5는 레이저빔(32a, 32b)의 위치와 레이저 스캐너(22, 24)의 위치 간의 상호 관계가 설정되도록 레이저(12)를 보정하는 방법(140)을 요약한 플로우차트이다. 에너지 밀도를 줄이기 위해 레이저빔(14)이 단계(142)에서 감쇠되어 광검출기(38)를 손상시키는 것을 방지하게 된다. 단계(144)에서 레이저빔(32a, 32b)이 작업면(36) 위에 스캐닝되고, 단계(146)에서 검출된다. 광검출기에 의해 검출된 때의 레이저빔(32a, 32b)의 위치는 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때의 레이저 스캐너(22, 24)의 위치와 서로 관련된다. 이 상호 관련된 데이터는 레이저빔(32a, 32b)의 원하는 위치와 일치하는 스캐너 위치 좌표 또는 작업면(36) 상의 개구(34)의 중심을 결정하기 위하여 이용된다.
보정 프로세스는 단일 빔에 또는 단일 스캔 렌즈를 통과하는 다수의 빔에 적용될 수 있다. 각각의 스캔 렌즈를 통과하는 다수의 레이저빔을 갖는 다수의 필드를 보정하기 위하여 단일 센서가 사용될 수 있다. 다수의 필드를 구성하는 다수의 스캔 렌즈를 통과하는 다수의 빔 및 다수의 빔을 동시에 보정하기 위하여 다수의 센서가 사용될 수 있다. 이들 선택 사항은 다음의 이점을 갖는다. 적은 센서를사용하면 비용을 줄일 수 있고, 많은 센서를 사용하면 보정 시간과 테스트 시간을 절약할 수 있다.
다른 형태의 센서를 사용하여 다른 레이저 파장(IR, UV, 가시광)을 갖는 레이저가 보정될 수 있다. 다른 레이저 파장을 보정하는 것으로 시스템이 다른 형태의 재료를 처리할 수 있게 된다.
X-Y 테이블(36)에 고정된 패널에 정확히 레이저빔을 정렬시키기 위해 비전 시스템에 의해 하나의 광센서 개구(센서 위에 위치한 개구)가 사용될 수 있다. 레이저빔에 대하여 비전 시스템(vision system)의 위치를 결정하기 위해 이 개구를 사용하는 이점은 레이저빔이 정확히 개구의 에지로 보정되기 때문에 증대된 추가적인 허용 오차가 제거된다는 것이다.
정렬을 위해 X-Y 테이블(36)에 대한 또 다른 형태가 사용되는 경우, 위치 에러를 발생시킬 수 있는 광센서 개구(34)의 변화가 검출되지 않을 수 있다. 이들 변화는 개구(34)에 대한 손상 또는 분진의 결과가 될 수 있다. 또 다른 이점은 비전 시스템을 정렬하기 위하여 사용될 수 있는 패널에 구멍을 뚫을 필요가 없다는 것이다. 이것은 소모품(테스트 패널) 및 수동으로 테스트 패널을 설치하는 오퍼레이터 시간의 사용을 배제하기 때문에 비전 얼라인먼트의 비용을 줄인다.
레이저빔(32a, 32b)이 광센서 및 광센서 개구에 손상을 입힐 수 있기 때문에, 이들을 보호할 수단이 필요하다. 레이저빔의 에너지 밀도를, 검출기(38)를 포화시키지 않는 레벨 및 개구(34)에 손상을 주지 않는 레벨로 저감하는 두 가지 방법이 발견되었다. 또한, 이들 방법은 보정 에러가 될 수 있는 레이저빔 포인팅 안정성에 대한 변화의 결과가 되지 않는다. 두 가지 방법에는 보정 이전에 광감쇠 광학 장치 또는 원형 개구를 레이저빔 경로에 자동적으로 이동시키는 것이 포함된다(도 3A 참조).
상기 보정 프로세스보다 빠르게 레이저빔의 보정을 테스트하기 위한 방법이 개발되었다. 필드의 모든 포이트(25)에 대한 보정 정보를 수집하는 대신, 테스팅 목적을 위해 포인트들의 서브세트(예를 들면, 9)가 수집된다. 테스트 동안 수집된 데이터는 보정 데이터와 비교되어 테스트 데이터가 만들어진다. 테스트 시간의 절감은 완전히 자동화된 프로세스의 전체 속도 증가에 공헌한다.
요약하면, 본 발명의 보정 방법/시스템은 다음의 이점을 제공한다.
(1) 시스템은 오퍼레이터의 간섭 없이 주기적 및 자동적으로 작동될 수 있다.
(2) 오퍼레이터가 보정 개구를 설치할 필요가 없기 때문에 시간이 절약된다.
(3) 프로세스가 자동화되기 때문에, 보정의 일관성 및 반복성이 향상된다.
(4) 통계적인 조사를 위해 보정 데이터가 수집되어 로깅(logging)될 수 있다.
(5) 보정 데이터는 유지 보수를 계획하기 위한 것과 같은 프로세스의 정보를 사용할 수 있는 다른 프로세스로 보내질 수 있다.
(6) 보정 속도가 증가되기 때문에 패널에 구멍을 뚫는 전체 비용이 절감되고, 일관성의 증가로 불합격품이 적어지며, 보정을 위해 소모품(테스트 패널)이 전혀 요구되지 않는다.

Claims (21)

  1. 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치 배치 정확도를 향상시키기 위해서 레이저 스캐너(22, 24)의 스캐너 위치 좌표를 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 빔 위치 좌표와 상호 관련시키는 방법(140)에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 관심 영역 위에 스캐닝하는 단계,
    상기 작업면(36)과 인접한 광검출기(38)에 수신된 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 검출하는 단계, 및
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때, 상기 레이저 스캐너(22, 24)의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합를 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 검출 단계에서, 상기 검출된 집속 레이저빔(32a, 32b)의 위치는 빔 위치 좌표를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 결정할 때 정확도를 향상시키는 방법(140)에 있어서,
    스캐너 위치 좌표를 갖는 레이저 스캐너(22, 24)를 사용하여 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 관심 영역 위에 스캐닝하는 단계,
    상기 작업면(36)과 인접한 광검출기(38)에 수신된 상기 집속된레이저빔(32a, 32b)을 검출하는 단계,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때, 상기 레이저 스캐너(22, 24)의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 단계,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 대한 원하는 위치의 빔 위치 좌표를 결정하는 단계, 및
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에 기초하여 상기 원하는 위치와 대응하는 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 검출 단계에서, 상기 검출된 집속 레이저빔(32a, 32b)의 위치는 빔 위치 좌표를 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 원하는 스캐너 위치 좌표를 사용하여 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 상기 원하는 위치에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 단계는,
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에서 상기 원하는 위치의 좌표가 빔 위치 좌표와 일치하는지를 결정하는 단계, 및
    상기 원하는 위치 좌표가 빔 위치 좌표와 일치하는 경우, 상기 원하는 스캐너 위치 좌표에 대해 빔 위치 좌표를 매칭시키는 것과 상호 관련하는 스캐너 위치 좌표를 이용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 단계는,
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에서 상기 원하는 위치의 좌표가 빔 위치 좌표와 일치하는지를 결정하는 단계,
    상기 원하는 위치의 좌표가 빔 위치 좌표와 일치하지 않는 경우, 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에 기초하여 상기 원하는 위치에 가장 가까운 빔 위치 좌표에 기초하여 상기 원하는 스캐너 위치 좌표를 결정하기 위해 내삽법(interpolation technique)을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 검출하는 상기 광검출기(38)는 각각이 복수의 픽셀을 갖는 광검출기들의 어레이(100)이고,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 조명된 광검출기들의 픽셀의 강도 가중 중심을 계산하는 단계, 및
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성할 때, 빔 위치 좌표로서 상기강도 가중 중심을 사용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 위치시키기 위해 레이저 스캐너 위치 좌표를 결정하는 방법(140)에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 개구(34) 위에 스캐닝하는 단계,
    스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 발생시키기 위해 광검출기(38)를 사용하여 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 개구(34)를 통해서 투과된 파워(power)를 모니터링하는 단계, 및
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터로부터 개구(34)의 중심 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 검출하는 상기 광검출기(38)는 각각이 복수의 픽셀을 갖는 광검출기들의 어레이(100)이고, 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터는 상기 픽셀들이 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 조명될 때 발생된 상기 광검출기(38)의 픽셀들로부터의 신호를 측정함으로써 개구(34)의 에지에 대한 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 계산하는 단계에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 사용하여 가공면(36)의 개구(36)의 모양을 결정하는 방법(140)에 있어서,
    가공면(36)의 개구(34) 주위에 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하는 단계,
    검출기 신호 대 스캐닝된 빔 위치의 프로파일을 결정하기 위하여 개구(34)를 통해 광검출기(38) 상으로 통과하는 광을 모으는 단계, 및
    검출기 신호의 임계값을 정의하고, 이에 의해 개구(34)의 에지를 한정하는 스캐닝된 빔의 위치를 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하는 단계는 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하고 검출하기 위하여 미리 결정된 스캐너 위치 좌표를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)은 미리 결정된 간격으로 광검출기(38)에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 간격은 시간 간격인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 간격은 공간 간격인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항, 제 2 항, 제 7 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하기 전에 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 에너지 밀도를 감소시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치 정확도를 향상시키는 장치(10)에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 관심 영역에 스캐닝하기 위한 스캐너 위치 좌표를 갖는 레이저 스캐너(22, 24),
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 작업면(36)에 수신될 때 검출하는 광검출기(38), 및
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때 상기 레이저 스캐너(22, 24)의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 데이터 형성 수단(40)을 포함하고,
    상기 광검출기에서, 검출된 집속 레이저빔(32a, 32b)은 빔 위치 좌표를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 결정할 때 정확도를 향상시키는 장치(10)에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 관심 영역 위에 스캐닝하기 위한 스캐너 위치 좌표를 갖는 레이저 스캐너(22, 24),
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 작업면(36)에 수신될 때 검출하는 광검출기(38),
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)이 검출될 때 상기 레이저 스캐너(22, 24)의 위치에 대응하는 스캐너 위치 좌표와 빔 위치 좌표 간의 결합을 만들어냄으로써 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성하는 데이터 형성 수단(40), 및
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 대한 원하는 위치의 빔 위치 좌표를 결정하고, 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터에 기초하여 상기 원하는 위치와 대응하는 원하는 스캐너 위치 좌표를 계산하는 위치 결정 수단(40)을 포함하고,
    상기 광검출기에서, 검출된 집속 레이저빔(32a, 32b)은 빔 위치 좌표를 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔을 검출하는 상기 광검출기(38)는 각각이 복수의 픽셀을 갖는 광검출기들의 어레이(100)이고,
    상기 위치 결정 수단(40)은,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 조명된 광검출기의 픽셀들의 강도가중 중심을 계산하고, 상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 형성할 때 상기 강도 가중 중심을 스캐너 위치 좌표로서 사용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 위치시키기 위하여 레이저 스캐너 위치 좌표를 결정하는 장치(10)에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 작업면(36)의 개구(34) 위에 스캐닝하는 수단,
    스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 발생시키기 위해 광 검출기(38)를 사용하여 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 개구(34)를 통해서 투과된 파워를 모니터링하는 수단, 및
    상기 스캐너 위치 대 빔 위치 데이터로부터 개구(34)의 중심 위치에 대응하는 스캐너 좌표를 얻는 수단(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광검출기(38)는 각각이 복수의 픽셀을 갖는 광검출기들의 어레이(100)이고,
    상기 스캐너 좌표대 광검출기 신호 데이터로부터 얻는 수단(40)은,
    스캐너 위치 대 빔 위치 데이터를 발생시키기 위하여 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)에 의해 픽셀들이 조명될 때 발생된 광검출기(38)들의 픽셀로부터의 신호를 측정함으로써 개구(34)의 에지에 대한 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 위치를 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 사용하여 가공면의 개구(34) 모양을 결정하는 장치(10)에 있어서,
    상기 가공면(36)의 개구(34) 주위에 상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)을 스캐닝하는 수단,
    광검출기 신호 대 스캐닝된 빔 위치의 프로파일을 결정하기 위하여 개구(34)를 통해 광검출기(38) 상으로 통과하는 광을 모으는 수단, 및
    광검출기 신호의 임계값을 정의하고, 이에 의해 개구(34)의 에지를 한정하는 스캐닝된 빔 위치를 정의하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 15 항, 제 16 항, 제 18 항 또는 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 집속된 레이저빔(32a, 32b)의 에너지 밀도를 감소시키는 레이저빔 감쇠기(16)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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