KR20030064088A - Laser beam alignment system with the rotation axis of cylindrical structures for laser-assisted fabrication - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus for aligning beam with a rotational axis of a cylindrical member is provided to precisely aligning beam with the rotational axis of the cylindrical member or a cylindrical structure by using a measuring system having a laser. CONSTITUTION: An apparatus for aligning beam with a rotational axis of a cylindrical member includes a conveying section having an X-Y axis conveying system(10), a rotational conveying system(11) and a rotational shaft(12). A first two-axis angle adjusting plate(14) is connected to the conveying section. A first reflection plate(31) is mounted on the first two-axis angle adjusting plate(14) in order to horizontally maintain a turntable. The first reflection plate(31) is connected to a second two-axis angle adjusting plate(15). A beam splitter(34) is installed on the second two-axis angle adjusting plate(15). A vertical measuring section includes a second reflection plate(32), an iris(33) and a light receiving device(22).

Description

레이저를 이용한 미세 원통 구조물 제조를 위한 빔과 회전 중심축 정렬 장치{Laser beam alignment system with the rotation axis of cylindrical structures for laser-assisted fabrication}Laser beam alignment system with the rotation axis of cylindrical structures for laser-assisted fabrication

본 발명은 레이저를 이용한 미세가공에 있어서 미세 원통 구조물 제조를 위한 레이저 빔의 정렬장치에 관한 것으로서, 특히 레이저빔의 바닥면과의 수직여부 및 회전중심축과의 일치여부를 수직정렬과 평면정렬의 정확한 조정으로, 가공시 오동작 방지와 측정작업시간을 단축시켜 작업효율을 향상시킬 수 있게 한 레이저 빔의 회전중심축에 대한 정렬장치에 관한 것이다.The present invention relates to an alignment device of a laser beam for producing a microcylindrical structure in microfabrication using a laser, and in particular, vertical alignment and planar alignment of the laser beam is aligned with the bottom surface of the laser beam. The present invention relates to an alignment device with respect to the axis of rotation of the laser beam, which makes it possible to improve the work efficiency by preventing malfunctions and shortening the measurement work time during machining.

근래에 급속히 성장하고 있는 정보통신, 전자, 생명산업 등의 발전에 있어서 주목할 만한 경향 중의 하나는 제품의 소형화 및 집적화라고 할 것이다. 반도체 분야를 중심으로한 마이크로 가공기술은 평면가공의 경우 이미 마이크로미터 이하의 정밀도를 달성하였고, 최근에는 마이크로센서 및 액츄에이터을 중심으로한 MEMS 및 마이크로 시스템에 활용하기 위한 3차원 마이크로 가공기술에 대한 관심과 기술개발 노력이 크게 증대되고 있다.One of the notable trends in the recent rapid growth of the telecommunications, electronics, and life industries is the miniaturization and integration of products. In the field of semiconductor, micro machining technology has already achieved the precision of micrometer or less in the case of planar processing, and recently, interest in 3D micro machining technology for use in MEMS and micro systems based on micro sensors and actuators Technological development efforts are greatly increasing.

레이저 미세가공 기술은 복잡한 3차원 구조물을 기존의 반도체 가공기술을 이용할 때보다 비교적 손쉽게 제조가 가능하며 설비가 상대적으로 간단하다는 장점으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 또한 레이저 가공기술은 반도체 재료뿐만 아니라 세라믹, 금속, 폴리머 등과 같은 다양한 소재의 가공이 가능한 잇점이 있다. 레이저를 이용한 3차원 구조물 제조기술의 대표적인 예로 레이저 빔의 위치에서 국소적으로 증착을 유도하여 증착물이 3차원 구조를 형성하도록 하는 증착가공, 식각액체나 기체 속에서 레이저 빔이 조사된 영역만이 식각(etching)을 통해 조금씩 깍여 나가도록 하는 식각가공, 혹은 광폴리머(photopolymer)에 레이저 빛을 조사하여 빛에 노출된 폴리머용액 만이 경화되게 하는 광조형법(microstereolithography) 등이 있다.Laser micromachining technology has attracted a lot of attention due to the advantages that the complex three-dimensional structure can be manufactured relatively easily than the conventional semiconductor processing technology and the equipment is relatively simple. In addition, laser processing technology has the advantage that it is possible to process not only semiconductor materials but also various materials such as ceramics, metals and polymers. As a representative example of a three-dimensional structure manufacturing technology using a laser, the deposition process to induce deposition locally in the position of the laser beam to form a three-dimensional structure, etching only the region irradiated with the laser beam in the liquid or gas (etching), such as etching process to be scraped off little by little, or photopolymer (microstereolithography) to cure only the polymer solution exposed to light by irradiating laser light to the photopolymer (photopolymer).

위의 레이저 미세가공기술로 제조가 가능한 3차원 구조물의 형상은 주로 직선구조와 곡선구조의 복합으로 되어 있으며 이송계의 직선 및 회전운동에 의해 형상이 정의된다. 구조물 제조시 원통형 회전체의 경우 마이크로미터 크기 구조물의 반경을 설정하기 위해서는 레이저 빔과 회전 중심축과의 정렬이 선행되어야하며 레이저 빔과 회전 중심축의 정확한 정렬은 원통형 구조물의 직경 정밀도와 직접 연관되어 있다.The shape of the three-dimensional structure that can be manufactured by the above laser micromachining technology is mainly composed of a linear structure and a curved structure, and the shape is defined by the linear and rotational motion of the feed system. In the case of cylindrical rotors, in order to set the radius of micrometer-sized structures, the alignment of the laser beam and the axis of rotation should be preceded, and the exact alignment of the laser beam and the axis of rotation is directly related to the diameter precision of the cylindrical structure. .

기존의 회전 중심축 정렬기술들을 살펴보면 회전 기계장치의 축에 다이알 게이지, 레이저 시스템등을 사용하여 동력전달 축의 중심을 정확히 연결하는 방법과, 광학 부품의 제거와 재배치를 요하는 일반 정렬작업의 어려움을 제거하여 빔의 위치와 각도 조정을 신속하고 정밀하게 수행하도록 한 Seward 정렬모듈이라는 장치가 있으나 미세 원통과 같은 회전구조물의 레이저 가공시 레이저 빔을 구조물의 회전 중심축에 정렬시키는 방법은 제시되지 않고 있다. 한편 시행착오를 통해 수동으로 레이저 빔과 회전 중심축을 정렬할 수는 있으나 이 경우 매번 정렬을 숙련자의 경험에 의존해야 하는 어려움이 있고 숙련자들에게도 시간이 많이 걸린다. 또한 수동정렬의 경우 레이저 빔을 육안으로 보면서 정렬하기 때문에 안전성에 문제가 있을 수 있고 반복적으로 정밀한 정렬 결과를 얻기가 힘들다.Existing rotation center axis alignment techniques show how to accurately connect the center of the power transmission axis using a dial gauge, laser system, etc. to the axis of the rotating machine, and the difficulty of general alignment that requires the removal and repositioning of optical components. Although there is a device called Seward Alignment Module that removes and performs beam position and angle adjustment quickly and precisely, there is no method to align the laser beam to the axis of rotation of the structure when laser processing a rotating structure such as a micro cylinder. . On the other hand, it is possible to align the laser beam and the rotational center axis manually by trial and error, but in this case, it is difficult to rely on the experience of the skilled person every time and it takes much time for the skilled person. In addition, in the case of manual alignment, the laser beam is visually aligned and thus there may be a safety problem, and it is difficult to obtain a precise alignment result repeatedly.

본 발명은 레이저 가공 현장에서 숙련자들이 사용하는 시행착오를 통한 빔 정렬 방법의 대안으로 특히 원통과 같이 중심축에 대해 대칭인 회전체 구조물 제조시 회전 중심축과 레이저 빔을 정렬하는 광학적 방법을 제시한다. 레이저를 이용하여 미세한 크기의 원통형 구조물 및 이와 유사한 회전체 구조물 제조시 이 측정 시스템을 활용하여 초보자도 쉽게 마이크로미터 단위 수준으로 정확하게 레이저 빔과 회전 중심축의 정렬을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 반복적으로 동일한 정렬 결과를 얻을 수 있으므로 미세 구조물의 치수정밀도 및 치수균일성을 확보할 수 있도록 함을 본 발명의 목적으로 한다.The present invention proposes an optical method for aligning a laser beam with a rotational axis in the manufacture of a rotor structure symmetrical about the central axis, such as a cylinder, as an alternative to the beam alignment method used by those skilled in the laser processing field. . In the manufacture of microscopic cylindrical structures and similar rotor structures using lasers, this measuring system can be used by beginners to easily align laser beams and their central axis of rotation on a micrometer level, as well as to repeat identical alignments. Since the result can be obtained, it is an object of the present invention to ensure dimensional accuracy and dimensional uniformity of the microstructure.

도 1은 본 발명의 측정 시스템의 전체 구성도1 is an overall configuration diagram of the measurement system of the present invention

도 2는 본 발명의 측정 시스템의 측정부를 위에서 바라본 구성도Figure 2 is a configuration view from above of the measuring unit of the measuring system of the present invention

도 3은 본 발명의 기본 원리를 설명하기 위한 구성도3 is a block diagram for explaining the basic principle of the present invention

도 4는 본 발명에 따른 기본 원리의 적용을 설명하기 위한 구성도4 is a block diagram for explaining the application of the basic principle according to the present invention

도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔과 회전 중심축 정렬오차 보정량을 설명하기 위한 구성도5 is a configuration diagram for explaining the laser beam and the rotation center axis alignment error correction amount according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 레이저 빔과 회전 중심축 정렬오차 보정순서를 설명하기 위한 구성도6 is a configuration diagram illustrating a laser beam and rotational axis alignment error correction procedure according to the present invention.

도 7은 본 발명의 레이저 빔과 회전 중심축 정렬 순서를 나타내는 상세 흐름도7 is a detailed flowchart showing the alignment order of the laser beam and the rotational axis of the present invention.

도 8은 본 발명에서 회전축에 수직한 가상의 기준면과 회전하는 평면거울 면의 수평오차에 의한 레이저 빔과 회전 중심축의 정렬 오차를 설명하기 위한 구성도8 is a configuration diagram illustrating an alignment error between a laser beam and a rotation center axis due to a horizontal error between a virtual reference plane perpendicular to a rotation axis and a rotating mirror plane;

도 9는 본 발명에서 레이저 빔과 회전 중심축 정렬 완료 후 빔 경로에 초점렌즈 삽입시 발생하는 정렬오차의 보정을 설명하기 위한 구성도9 is a configuration diagram for explaining the correction of the alignment error occurring when the focus lens is inserted into the beam path after the laser beam and the rotation center axis alignment is completed in the present invention;

도 10는 본 발명에서 4분할 포토다이오드의 개략도10 is a schematic view of a quadrant photodiode in the present invention

도 11는 본 발명에서 거울면 조리개의 개략도11 is a schematic view of the mirror stop in the present invention

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10: XY이송계 11: 회전이송계10: XY feed system 11: rotary feed system

12: 회전중심축 13: 회전테이블12: center of rotation axis 13: rotary table

14: 2축각도조정판 1 15: 2축각도조정판 214: 2-axis angle adjuster 1 15: 2-axis angle adjuster 2

16: 레이저 17: 입사광16: laser 17: incident light

18: 반사광 19: 초점렌즈18: Reflected light 19: Focus lens

20: 위치센싱이 가능한 수광소자 120: light receiving element capable of position sensing 1

20-1: 위치센싱이 가능한 수광소자 1-120-1: Light receiving element 1-1 capable of position sensing

21: 위치센싱이 가능한 수광소자 221: light receiving element capable of position sensing

22: 위치센싱이 가능한 수광소자 322: light receiving element capable of position sensing 3

30: 기준면 31: 반사판 130: reference plane 31: reflector 1

32: 반사판 2 33: 조리개32: reflector 2 33: aperture

34: 평면거울이 부착된 광분할기 35: 45°경사면을 갖는 거울34: Light splitter with plane mirror 35: Mirror with 45 ° slope

36: 광분할기에 부착된 평면거울36: Flat mirror attached to the splitter

상기 목적달성을 위한 수단으로 본 발명은 레이저 빔의 정렬장치로서,The present invention as a means for achieving the above object as a laser beam alignment device,

레이저 빔 발생수단과, 레이저 빔을 회전중심축에 정렬하는 수단을 포함하는 레이저 빔의 정렬장치에 있어서,In the laser beam aligning device comprising a laser beam generating means and means for aligning the laser beam to the center of rotation axis,

적어도 평면운동을 수행하는 XY이송계와 회전 운동을 수행하는 회전이송계를 구비하는 이송부와,A transfer unit having at least an XY feed system performing a plane motion and a rotation feed system performing a rotational motion;

상기 회전이송계의 테이블 상에 설치되고 수평면과 소정의 각도조절이 가능한 광분할기와,An optical splitter installed on the table of the rotary feed system and capable of adjusting an angle with a horizontal plane;

위치센싱이 가능한 수광소자가 소정 각도로 테이블의 연장선상에 고정배치된평면측정부 및,A planar measuring unit having a position sensing light receiving element fixedly disposed on an extension line of the table at a predetermined angle;

적어도 조리개에서 반사되는 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자와 빔경로를 조정하기 위한 소정의 반사판이 구비된 수직측정부를 포함함을 특징으로 한다.And a vertical measuring unit having at least a position sensing light receiving element for measuring a beam reflected from an aperture and a predetermined reflecting plate for adjusting a beam path.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the present invention.

도 1은 본 발명의 전체 구성도를 나타내고 있다.1 shows an overall configuration diagram of the present invention.

이송부는 평면운동을 하는 XY 이송계(10), 회전 운동을 하는 회전이송계(11)와 그 운동을 전달하는 회전축(12)으로 구성되며, 여기에 연결된 2축 각도 조정판 1(14)과 이 위의 회전테이블의 수평을 맞추는데 사용되는 반사판 1(31)이 부착되고 그 위에 다시 2축 각도 조정판 2(15)가 연결되며 평면거울이 부착된 광분할기(34)가 그 위에 결합된다.The conveying part is composed of an XY feed system 10 having a plane motion, a rotation feed system 11 having a rotational motion, and a rotating shaft 12 transmitting the motion thereof, and a 2-axis angle adjusting plate 1 (14) connected thereto. Reflector plate 1 (31) used to level the rotary table above is attached, and the biaxial angle adjuster plate 2 (15) is connected thereon, and the light splitter 34 having a flat mirror attached thereto is coupled thereon.

빔 경로를 조정하기 위한 반사판 2(32)와 레이저 빔의 직경과 동일한 지름의 구멍을 가진 조리개(33), 조리개에서 반사된 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자 3(22)가 수직측정부에 해당한다.Vertical measuring unit includes a reflector 2 (32) for adjusting the beam path, a diaphragm 33 having a hole having the same diameter as the diameter of the laser beam, and a light receiving element 3 (22) capable of position sensing for measuring a beam reflected from the diaphragm. Corresponds to

평면 정렬을 측정하는 평면측정부는 위치센싱이 가능한 수광소자 1,2(20,21)로 이루어져 있으며, 여기서 위치센싱이 가능한 수광소자 1, 2(20,21)는 평면거울이 부착된 광분할기를 중심으로 도2와 같이 90° 각도로 배치되어 있다.Planar measuring unit for measuring the plane alignment is composed of light-receiving elements 1,2 (20, 21) capable of position sensing, where the light-receiving elements 1, 2 (20, 21) capable of position sensing are provided with a splitter with a flat mirror. It is arranged at a 90 ° angle as shown in FIG. 2.

그리고, 광원인 레이저(16)로 구성된다.And it consists of the laser 16 which is a light source.

본 발명에 따른 정렬의 기본 원리 및 정렬 순서에 대해 설명한다.The basic principle of sorting and the sorting order according to the present invention will be described.

도 3은 본 발명에 따른 기본 원리를 설명하기 위한 구성도이다.3 is a block diagram illustrating a basic principle according to the present invention.

레이저 빔이 회전 테이블에 대해서 수직하게 조사된다고 가정하고 45°경사면을 가진 거울(35)을 그 위에 부착하면 레이저 빔의 회전축에서 벗어난 오차를 다음과 같이 측정할 수 있다.Assuming that the laser beam is irradiated perpendicularly to the rotating table, attaching a mirror 35 having a 45 ° inclined surface thereon can measure the deviation from the axis of rotation of the laser beam as follows.

a 빔은 회전 테이블(13)의 초기 상태(0°)의 반사빔의 위치를 나타내고 테이블이 180°회전하면 거울의 반사면이 점선부분과 같이 반대로 되고 b의 위치로 빔이 반사된다. 만약, 반사된 빔 a와 b사이에 H 만큼의 높이 편차가 발생하면 입사되는 레이저 빔은 회전중심축(12)에 정렬되어 있지 않음을 알 수 있다. 이 축정렬 오차에 의한 높이 편차는 도 3에서처럼 좌우 양쪽에 설치된 위치센싱이 가능한 수광소자로 측정할 수 있다.The beam a indicates the position of the reflected beam in the initial state (0 °) of the rotating table 13, and when the table is rotated 180 °, the reflecting surface of the mirror is reversed like the dotted line and the beam is reflected at the position of b. If a height deviation of H is generated between the reflected beams a and b, it can be seen that the incident laser beam is not aligned with the central axis of rotation 12. The height deviation due to the axis alignment error can be measured by the light receiving element capable of position sensing on both left and right sides as shown in FIG. 3.

이 경우 위치센싱이 가능한 수광소자는 표면에서부터 동일한 높이에 위치하여야 하는데, 도 3의 위치센싱이 가능한 수광소자 1,1-1(20,20-1)과 같이 두 센서를 양쪽의 동일선상에 정확히 설치하는 것이 곤란한 문제점이 있다.In this case, the position sensing light receiving element should be located at the same height from the surface, and as shown in FIG. 3, the light receiving elements 1,1-1 (20,20-1) capable of position sensing may have two sensors positioned on the same line. There is a problem that is difficult to install.

이 문제를 보완하기 위해 본 발명에서는 평면거울(36)이 부착된 광분할기 (34)를 사용한다. 광분할기는 빛의 일부는 투과시키고 잔부는 반사시킬 수 있어, 평면거울이 부착된 경우 도 4와 같이 양방향으로 빛을 반사시킬 수 있다.To solve this problem, the present invention uses a light splitter 34 with a flat mirror 36 attached thereto. The light splitter may transmit a part of light and reflect the remainder, so that when a mirror is attached, light may be reflected in both directions as shown in FIG. 4.

초기 상태에서 조사된 빔은 광분할기의 경사면에서 일부는 a 위치로 반사되고 나머지는 투과되어서 평면거울(36)에서 반사된 후 다시 광분할기를 통해 a' 위치로 나아간다. 즉, 빔이 수직하게 조사된다고 가정하였으므로 입사빔에 대해서 반사빔이 서로 직각을 이루며 T자형으로 빔이 각각 반사된다. 회전 테이블이 180°회전하면 점선부분과 같이 광분할기의 위치가 바뀌게 되고 b 빔과 b'의 빔으로 나뉘어지므로 왼쪽에서 센서 한 개로 a와 b'의 빔을 비교해서 정렬오차에 의한 높이 H를 측정할 수 있다. 그리고, 도 2와 같이 90°와 270°에 대해서도 동일한 방식으로 측정한다.The beam irradiated in the initial state is partially reflected at position a on the inclined plane of the light splitter, and is transmitted through the rest, reflected at the plane mirror 36, and then goes back to the a 'position through the light splitter. That is, since it is assumed that the beam is irradiated vertically, the reflected beams are perpendicular to each other with respect to the incident beam, and the beams are reflected in the T-shape. When the turntable rotates 180 °, the position of the splitter is changed as shown by the dotted line, and it is divided into the b beam and the b 'beam. Therefore, the height H due to the alignment error is measured by comparing the beams of a and b' with one sensor on the left side. can do. And it measures also in the same way about 90 degrees and 270 degrees like FIG.

따라서, 위치센싱이 가능한 수광소자는 광분할기에 대하여 90°간격으로 2개만 설치하면 된다.Therefore, only two light-receiving elements capable of position sensing need to be provided at intervals of 90 ° with respect to the light splitter.

회전테이블의 회전에 의해 회전축 중심은 변화가 없으므로, 광분할기를 부착할 때 이것의 중심축과 회전 테이블의 회전축을 정확히 일치시키지 않아도 되며 회전에 대해서 광분할기의 영역에 레이저가 조사되기만 하면,측정이 가능한 장점이 있으므로 광분할기의 초기 설치에 대한 어려움은 없다.Since the rotation axis center does not change due to the rotation of the rotary table, it is not necessary to exactly match the center axis of the rotation table with the rotation axis of the rotary table when attaching the optical splitter. There are no possible difficulties in the initial installation of the splitter as there are possible advantages.

이렇게 측정된 회전 중심축 정렬 오차의 보상량은 도 5처럼 광분할기의 기하학적인 형상으로부터 구할 수 있다. 레이저 빔과 회전 중심축과의 정렬오차를 S라 하고 측정된 높이 편차가 H라 하면, 다음과 같은 관계가 성립한다.The compensation amount of the rotation center axis alignment error thus measured can be obtained from the geometric shape of the optical splitter as shown in FIG. 5. If the alignment error between the laser beam and the rotational central axis is S and the measured height deviation is H, the following relation holds.

즉, 위치센싱이 가능한 수광소자에서 측정된 값의 절반만큼 회전 중심축 방향으로 XY이송계(10)로 광분할기(34)를 이동시키면 오차가 보정된다. 도 6에서 보는 것처럼 회전 중심축 정렬오차는 X, Y축 방향에 대해서 존재하므로 90°씩 광분할기를 1회전시킨 후 측정된 오차를 이용하여 X축 방향(A→B), Y축 방향(B→O)으로 순차적으로 광분할기를 이동시켜 레이저 빔이 회전 중심축인 O점에 일치하도록 보정해 준다.That is, the error is corrected by moving the optical splitter 34 to the XY transfer system 10 in the direction of the rotational central axis by half of the value measured by the position sensing light receiving element. As shown in FIG. 6, since the rotational center axis alignment error exists in the X and Y axis directions, the optical splitter is rotated by 90 ° one time and then the X axis direction (A → B) and the Y axis direction (B) using the measured error. → O) and move the light splitter sequentially to compensate for the laser beam to coincide with the point O, which is the central axis of rotation.

본 발명에서는 위치센싱이 가능한 수광소자로서 4분할 포토다이오드를 사용하였는바, 도 10은 4분할 포토다이오드의 기본적인 작동원리를 나타낸다. 4분할 포토다이오드는 4개의 독립된 포토다이오드가 하나의 묶음으로 만들어진 것과 같다. 도 10에서 A, B, C, D는 각각 독립된 하나의 포토다이오드로 각면에 빛이 비칠 경우 전류를 발생시킨다. 도 10에서처럼 레이저빔(빗금친 부분)이 A, B, C, D영역에 각각 다른 양만큼비칠 경우 각 포토다이오드는 비친 빛의 양에 해당하는 만큼의 전류를 발생시킨다. A, B, C, D 각 면에서 발생한 전류의 양을 이용하여 레이저빔 중심의 위치를 아래의공식을 이용하여 결정하는 것이 4분할 포토다이오드이다.In the present invention, a four-segment photodiode is used as a light-receiving element capable of position sensing, and FIG. 10 shows a basic operation principle of the four-segment photodiode. A quadrant photodiode is like four independent photodiodes in a bundle. In FIG. 10, A, B, C, and D are independent photodiodes, respectively, and generate current when light shines on each surface. As shown in FIG. 10, when the laser beam (hatched portion) shines on the A, B, C, and D regions by different amounts, each photodiode generates a current corresponding to the amount of light shined. The quadrant photodiode determines the position of the laser beam center using the following formula using the amount of current generated in each of A, B, C, and D planes.

이상 상술한 기본원리와 함께 본 발명의 실시예에 따른 전체적인 빔 정렬 방법을 도 7의 흐름도를 참조하여 설명한다.The overall beam alignment method according to the embodiment of the present invention together with the above-described basic principle will be described with reference to the flowchart of FIG. 7.

도 3의 설명에서 회전테이블(13) 면에 수직 조사되는 레이저 빔을 가정하였다. 그러나, 실제 시스템에서 광분할기(34)에 형상오차가 존재하거나 회전테이블(13)이 회전중심축에 대하여 기울어져 있을 경우 회전하면서 거울면의 높이가 변하게 되는 수평오차를 발생시키므로 레이저 빔의 회전 중심축 정렬 오차를 최소화 하기 위해서는 먼저 단계(100)에서 회전 테이블에 대해 빔이 수직하게 입사되도록 정렬을 수행한다.In the description of FIG. 3, it is assumed that the laser beam is irradiated perpendicularly to the surface of the turntable 13. However, in the actual system, if there is a shape error in the optical splitter 34 or the rotation table 13 is inclined with respect to the center of rotation, the rotational center of the laser beam is generated because it generates a horizontal error that changes the height of the mirror surface while rotating. In order to minimize the axis alignment error, first, in step 100, alignment is performed so that the beam is incident perpendicularly to the rotation table.

도 1에서 테이블은 2축 각도 조정판 1(14)로 되어 있고 빛의 반사를 위해서 반사체를 윗면에 부착하는데 여기서는 반사판 1(31)이 사용되며 레이저 빔의 직경과 동일한 지름의 조리개(33)와 위치센싱이 가능한 수광소자가 측정도구로 사용된다. 도 8은 조리개 구멍을 나온 입사빔이 반사판 1로 조사되고 0°와 180°로 회전했을 때 상태를 나타낸다. 만일 기준면에 대한 반사판 1의 수평오차가 0이라고 하면 입사되는 레이저 빔은 기준면에 수직하게 조사되며 이때 반사된 빔은 반사원리(reflection law)에 의해 조리개 구멍을 다시 통과할 것이다. 그러나 반사판 1이 초기 위치에서 기준면에 대해만큼 기울어져 있었다면 반사광(18)은입사광(17)에 대해서만큼 각도오차를 가지고 진행한다. 반사판 1이 180°회전하게 되면 반사광(18) 역시 같은 오차를 가지며 대칭되는 방향으로 진행하며 1 회전 시 도 8과 같은 원궤적을 그리게 된다. 이 원궤적은 조리개에서 반사된 빔이 도1의 위치센싱이 가능한 수광소자 3(22)에 형성하게 되며 조리개에서 반사판 2(32)까지 거리를, 반사판 2에서 반사판 1(31)까지 거리를이라고 한다면 관찰되는 빔 궤적의 반경 d는 점선으로 표시된 기하학적인 대칭 도형으로부터 다음과 같은 관계가 성립한다.In FIG. 1, the table consists of a biaxial angle adjusting plate 1 (14) and attaches a reflector to the upper surface for reflecting light, where the reflecting plate 1 (31) is used and is positioned with an aperture 33 having a diameter equal to the diameter of the laser beam. Sensing light-receiving elements are used as measuring instruments. Fig. 8 shows the state when the incident beam exiting the aperture hole is irradiated to the reflector plate 1 and rotated by 0 ° and 180 °. If the horizontal error of the reflector 1 with respect to the reference plane is 0, the incident laser beam is irradiated perpendicularly to the reference plane, and the reflected beam will pass through the aperture hole again by the reflection law. However, reflector 1 is If it was inclined as much as the reflected light 18 with respect to the incident light 17 Proceed with angular error. When the reflecting plate 1 rotates 180 °, the reflected light 18 also has the same error and proceeds in a symmetrical direction, and draws the same circular locus as shown in FIG. 8 during one rotation. This circular trajectory forms a beam reflected from the aperture on the light receiving element 3 (22) capable of position sensing of FIG. 1, and the distance from the aperture to the reflector 2 (32). , The distance from reflector 2 to reflector 1 (31) In this case, the radius d of the observed beam trajectory is formed from the geometric symmetric figure indicated by the dotted line.

2축 각도조정판 1(14)의 기울기를 조정하여 반사광 궤적의 반경 d를 줄임으로써 반사판 1이 회전축에 수직이 되도록 하며 수직 정렬이 완성될 경우 반사광은 조리개 구멍을 통과하게 된다.By adjusting the inclination of the biaxial angle adjusting plate 1 (14) to reduce the radius d of the reflected light trajectory, the reflecting plate 1 is perpendicular to the rotation axis, and when the vertical alignment is completed, the reflected light passes through the aperture hole.

상기에서 반사판은 빛을 반사시킬 수 있는 재질을 가진 것으로서, 평면거울, 폴리싱처리된 스테인레스강·구리·청동·니켈 등과 같은 금속면, 실리콘웨이퍼와 같이 금속은 아니지만 빛의 반사가 뛰어난 표면을 가진 재료 등이 이에 해당한다.In the above, the reflector has a material capable of reflecting light, such as a flat mirror, a metal surface such as polished stainless steel, copper, bronze, nickel, etc., and a material having a surface that is not metallic but excellent in light reflection, such as a silicon wafer. And the like.

상기에서 조리개는 반사광의 위치를 확인할 수 있게 해 주는 역할을 하나, 실제 실험시 조리개에 나타나는 레이저 빔의 궤적이 미세하여 반사판 1의 조절에의한 빛의 수직정렬여부 판단이 어려우나, 거울면 조리개를 사용할 경우 거울면에 비친 레이저 빔을 수광소자를 통해 확인할 수 있어 레이저 빔의 정렬이 쉽다.The aperture stops the position of the reflected light, but it is difficult to determine whether the light is vertically aligned by adjusting the reflector 1 due to the fine trajectory of the laser beam appearing on the aperture during the actual experiment. When used, the laser beam reflected on the mirror surface can be seen through the light receiving element, so the alignment of the laser beam is easy.

도11에서 레이저에서 나온 빔은 거울면 조리개에 나 있는 작은 구멍을 통해 반사판 1까지 진행하며 반사판 1에서 반사되어 되돌아온다. 만약 레이저빔이 반사판 1에 수직으로 입사되었다면 되돌아온 빔은 반사의 법칙에 의해 정확히 원래의 경로를 따라 거울면 조리개에 나 있는 구멍 안을 통과하여야 한다. 그러나 레이저빔이 수직으로 입사되지 않을 경우에는 원래의 경로에서 벗어나 다른 방향으로 향하게 되고 아래 그림에서처럼 구멍을 통과하지 못하게 된다. 반사판 1에 입사되는 레이저빔이 수직에서 아주 조금 벗어나 있을 경우에는 되돌아온 빔은 거울면 조리개의 구멍에서 아주 조금 떨어진 위치로 돌아오게 되는데 일반 조리개를 쓸 경우에는 이 거리가 매우 작아서 눈으로 정확한 위치를 식별하기가 매우 힘들게 되고 오차도 커지게 된다.In FIG. 11, the beam emitted from the laser travels through the small hole in the mirror diaphragm to the reflector 1 and is reflected by the reflector 1 and returns. If the laser beam is incident perpendicularly to the reflector 1, the returned beam must pass through the hole in the diaphragm mirrored exactly along the original path, according to the law of reflection. However, if the laser beam is not incident vertically, it will be deviated from its original path and directed in a different direction and will not pass through the hole as shown below. If the laser beam incident on the reflector 1 is slightly away from the vertical, the returned beam returns to a position far away from the hole of the mirror aperture. When using a normal aperture, this distance is so small that the eye can identify the correct position. It is very hard to do and the error is big.

도 11의 거울면 조리개는 일반적인 조리개를 쓸 때의 반사되어 되돌아온 빔이 구멍에서 얼마나 벗어나 있는지를 측정하고자 할 때 발생되는 어려움을 극복하기 위한 것이다. 거울면 조리개를 이용할 경우 반사판 1에서 반사되어온 빔을 거울면 조리개 표면에서 재반사시켜 반사된 빛의 양을 측정한다. 만일 반사판 1에서 반사되어온 빔이 정확히 원래의 경로를 따라 진행할 경우에는 모두 구멍 속으로 들어가게 되므로 거울면 조리개 표면에서 반사된 빛의 양은 거의 영에 가깝게 된다. 이를 통해 원래 목적했던 레이저빔이 반사판 1에 수직으로 입사되는지 여부를 알게 된다.The mirror surface diaphragm of FIG. 11 is for overcoming the difficulty caused by measuring how far the reflected and returned beam is from the hole when using the general aperture. In the case of using the mirror aperture, the beam reflected by the reflector 1 is reflected back from the mirror aperture surface to measure the amount of reflected light. If the beam reflected from Reflector 1 travels exactly along its original path, it will all enter the hole, so the amount of light reflected from the mirror aperture surface will be nearly zero. Through this, it is known whether the intended laser beam is incident perpendicularly to the reflector 1.

단계(101)에서 광분할기를 이 회전면 위에 올려 놓으면 광분할기 밑에 부착된 평면거울에 의해 광원쪽으로 반사가 되는데 이 부품에 형상오차가 존재하면 반사빔은 조리개 구멍을 통과하지 못하여 수직정렬이 되지 않는다. 이때는 회전면인 반사판 1(31)위에 2축 각도 조정판 2(15)를 설치하고 그 위에 평면거울이 부착된 광분할기(34)를 설치한 후 2축 각도 조정판 2(15)만을 조정하여 반사광이 조리개 구멍을 통과하도록 함으로써 측정기구와 기준면이 일치하게 된다.When the light splitter is placed on this rotating surface in step 101, it is reflected toward the light source by a plane mirror attached to the bottom of the light splitter. If there is a shape error in the part, the reflected beam does not pass through the aperture hole and is not vertically aligned. In this case, the 2-axis angle adjusting plate 2 (15) is installed on the reflecting plate 1 (31), which is a rotating surface, and the light splitter 34 having a flat mirror is installed thereon, and then the only adjustment is made to the 2-axis angle adjusting plate 2 (15). By passing through the hole, the measuring instrument and the reference plane coincide.

단계(102)에서 위치센싱이 가능한 수광소자 1, 2를 사용하여 광분할기에 수직 조사되어 반사된 빔의 높이 편차를 측정하여 회전 중심축 정렬오차를 보정한다. 이때 레이저 빔은 고정된 것이므로 회전축을 XY 이송계를 이용하여 평면상에서 XY방향으로 이동시켜 보정한다.In step 102, the position difference-sensing light receiving elements 1 and 2 are used to measure the height deviation of the beam reflected perpendicularly to the light splitter to correct the rotational central axis alignment error. At this time, since the laser beam is fixed, the rotation axis is corrected by moving in the XY direction on the plane by using the XY feed system.

단계(103)에서 레이저 가공할 때 초점렌즈 삽입으로 발생하는 정렬오차를 보정한다. 도 9에서 r이 정렬된 상태의 빔 경로로서 기준빔을 나타내고 t는 렌즈 삽입 후 변한 빔 경로를 나타낸다. 위치센싱이 가능한 수광소자로 r 빔에 대한 t 빔의 차이값,를 측정하고 틀어진 t 빔이 r 빔의 위치로 올 수 있도록 렌즈를XY방향으로 이동 및 각도 조정한다.In step 103, the alignment error caused by the insertion of the focus lens when laser processing is corrected. In FIG. 9, r denotes a reference beam as an aligned beam path, and t denotes a beam path changed after lens insertion. Position-sensing light-receiving element, the difference between the t-beam and r-beam , Measure and adjust and angle the lens in the XY direction so that the distorted t beam comes to the position of the r beam.

본 발명의 효과로는 레이저를 이용하여 미세 원통 구조물 및 이와 유사한 회전체 구조물 제조시 레이저 빔과 원통 구조물의 중심축을 정확히 정렬하여 구조물의 치수정밀도를 향상시키고 초보자들도 쉽게 정밀하고 반복적인 정렬 결과를 얻을 수 있는 광학적 빔 정렬 방법을 제공하여 미세가공을 가능하게 할 수 있다.The effect of the present invention is to precisely align the central axis of the laser beam and the cylindrical structure when manufacturing a microcylindrical structure and similar rotating body structure using a laser to improve the dimensional accuracy of the structure, even beginners can easily achieve precise and repeatable alignment results It is possible to provide micro beam processing by providing an optical beam alignment method that can be obtained.

Claims (7)

레이저 빔 발생수단과, 레이저 빔을 회전중심축에 정렬하는 수단을 포함하는 레이저 빔의 정렬장치에 있어서,In the laser beam aligning device comprising a laser beam generating means and means for aligning the laser beam to the center of rotation axis, 적어도 평면운동을 수행하는 XY이송계와 회전 운동을 수행하는 회전이송계를 구비하는 이송부와,A transfer unit having at least an XY feed system performing a plane motion and a rotation feed system performing a rotational motion; 상기 회전이송계의 테이블 상에 설치되고 수평면과 소정의 각도조절이 가능한 광분할기와,An optical splitter installed on the table of the rotary feed system and capable of adjusting an angle with a horizontal plane; 위치센싱이 가능한 수광소자가 소정 각도로 테이블의 연장선상에 고정배치된 평면측정부 및,A planar measuring unit having a position sensing light receiving element fixedly disposed on an extension line of the table at a predetermined angle; 적어도 조리개에서 반사되는 빔을 측정하는 위치센싱이 가능한 수광소자와 빔경로를 조정하기 위한 소정의 반사판이 구비된 수직측정부를 포함함을 특징으로 레이저빔 정렬장치.And a vertical measuring unit having at least a position sensing light receiving element for measuring a beam reflected from an aperture and a predetermined reflecting plate for adjusting a beam path. 제 1항에 있어서, 회전테이블은The rotating table of claim 1, wherein 적어도 2축각도 조정판 1과, 상기 조정판 1의 상면에 부착되는 반사판 1 및 상기 반사판의 상면에 부착되는 2축각도 조정판 2를 포함함을 특징으로 하는 레이저 빔 정렬장치.And at least a biaxial angle adjusting plate 1, a reflecting plate 1 attached to an upper surface of the adjusting plate 1, and a biaxial angle adjusting plate 2 attached to an upper surface of the reflecting plate. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 광분할기는 평면거울이 부착된 레이저빔 정렬장치.Light splitter is a laser beam alignment device with a flat mirror. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 평면측정부는 수광소자가 90°간격으로 배치된 레이저빔 정렬장치.The planar measuring unit is a laser beam alignment device in which the light receiving elements are disposed at 90 ° intervals. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 반사판은 평면거울인 레이저빔 정렬장치.Reflector is a laser beam alignment device that is a flat mirror. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 수광소자는 4분할 포토다이오드인 레이저빔 정렬장치.The light-receiving element is a laser beam aligning device which is a quadrant photodiode. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 조리개는 거울면 조리개인 정렬장치.Aperture is mirror mirror individual alignment device.
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