KR20090084136A - 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링하는 레이저 가공장치 - Google Patents

광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링하는 레이저 가공장치 Download PDF

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Abstract

광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치가 개시된다. 레이저 가공장치는 펨토초 레이저를 이용하여 가공물의 분자결합을 파괴하여 가공하는 가공부, 가공물의 입체 상태를 모니터링 하는 단층 모니터링부 및 3차원 단층영상을 이용하여 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 제어부로 구성된다. 여기에 가공물의 표면 상태를 모니터링 하는 표면 모니터링부를 더 가지는 구성도 가능하다. 가공 상태에 대한 실시간 모니터링이 가능하므로 공정 전반에 대한 능동적 제어가 가능하다.
펨토초 레이저, 단층 모니터링, 단층 영상, 표면 모니터링, CCD 카메라

Description

광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치{Laser apparatus of monitoring processing status by using Optical Coherence Tomography}
본 발명은 레이저를 이용한 가공장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광결맞음 단층 영상기술을 기반으로 하여 펨토초 레이저를 이용한 가공시 가공물의 3차원 영상정보를 얻어서 가공의 진행 정도와 가공 대상물의 변화를 실시간으로 모니터링 하여 공정 전반을 제어할 수 있는 레이저를 이용한 가공장치에 관한 것이다.
최근에 레이저를 이용한 가공에 대한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 다양한 분야에서 구조물 제작에 대한 필요성과 수요가 급증하고 있다.
일반적인 레이저 가공장치에서 이용되는 가공용 레이저는 정밀도에 있어서 극미세 공정을 하기에는 한계가 따르고 있다.
가공 상태를 모니터링하기위한 영상 시스템(Vision system)은 가공 대상물의 영상을 취득하여 초기 가공 위치 및 초점거리를 조절하며, 가공의 진행 상황을 관측할 수 있지만 이는 가공 대상물의 2차원적인 표면 영상정보에 그치고 있다.
본 발명의 목적은 펨토초 레이저를 이용하여 초정밀 가공을 제공하고 가공 대상물에 대한 실시간 3차원 영상 정보를 이용하여 가공 정도와 시료의 변화를 측정하여 가공을 능동적으로 제어하고자 하는 레이저 가공장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 레이저 가공장치는 초정밀 가공을 제공하기 위하여 가공물의 분자결합을 파괴하여 가공하는 펨토초 레이저를 이용하는 가공부, 실시간 3차원 영상 정보를 제공하기 위하여 가공물의 입체 상태를 모니터링 하여 단층영상을 생성하는 단층 모니터링부 및 상기 단층 모니터링부에서 생성한 단층영상을 이용하여 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 제어부로 구성된다. 여기에서, 레이저 가공장치는 가공물의 표면 상태를 모니터링 하여 표면영상을 생성하는 표면 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따를 경우, 가공물의 분자결합을 파괴하여 가공하는 펨토초 레이저를 이용하므로 초정밀 가공이 가능하고 실시간으로 가공 대상물의 3차원 영상을 보여줄 수 있는 광결맞음 단층 촬영기술을 이용하므로 가공 대상물의 가공 정도와 변화 상태를 실시간으로 판단할 수 있어 새로운 가공 대상물에 대한 효율적인 가공이 가능하다.
또한, 상기 광결맞음 단층 영상 시스템에 있어 전간섭성 광대역 광원과 고분 해 분광기를 이용하여 가공 대상물의 단층 영상의 획득 속도를 향상시킬 수 있고, 광결맞음 단층 영상 시스템에 고출력 광대역 광원과 고해상도 CCD 카메라(Charge-Coupled Device)를 이용하여 가공 대상물의 단층 영상의 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 펨토초 레이저를 이용한 초정밀 가공에 있어서 실시간으로 획득된 가공 대상물의 단층 영상을 근거로 가공용 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 고속 광셔터를 조절하여 레이저 가공의 능동적 제어가 가능하다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
광결맞음 단층 영상기술(Optical Coherence Tomography)은 고화질 영상 기록 기술의 일종으로서, 저간섭성 광원을 이용하여 생체 샘플의 표면으로부터 반사된 광을 검출하여 시료의 내부를 초고화질 단층 촬영을 하여 영상을 얻음으로써 육안으로 볼 수 없는 하부 조직의 구조를 비침습적으로 촬영 할 수 있는 기술이다.
도 1은 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치는 가공물의 분자결합을 파괴하여 가공하는 펨토초 레이저를 이용하는 가공부(1100), 상기 가공물의 입체 상태를 모니터링 하여 단층영상을 생성하는 단층 모니터링부(1200) 및 상기 단층 모니터링부에서 생성한 단층영상을 이용하여 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 제어부(1300)를 포함한다.
상기 가공부(1100)는 상기 펨토초 레이저를 출사하는 가공용 레이저 발생부(1110) 및 상기 가공물의 가공위치를 조절하는 가공위치 조정부(1120)를 포함한다. 또한, 가공부(1100)는 표면 모니터링부(1400)와 단층 모니터링부(1200)에서 사용하는 레이저와의 간섭이 발생하지 않도록 파장별로 빛을 나누는 파장 분할 기능을 가진 거울을 포함할 수 있다.
상기 가공위치 조정부(1120)는 상기 가공물을 전후, 좌우 및 상하 방향으로 이동할 수 있는 3차원 이동 스테이지(1121)를 포함하거나, 상기 펨토초 레이저가 상기 가공물에 조사되는 위치를 이동할 수 있는 고속 스캔 거울(1122)을 포함한다.
상기 단층 모니터링부(1200)는 단층 모니터링용 레이저를 출사하는 단층 모니터링용 레이저 발생부(1210), 상기 단층 모니터링용 레이저 발생부에서 출사된 단층 모니터링용 레이저를 분기시키는 단층 모니터링용 레이저 분배부(1220) 및 상기 단층 모니터링용 레이저 분배부에서 나누어진 각각의 분배된 단층 모니터링용 레이저간의 간섭신호를 검출하여 단층영상을 생성하는 간섭신호 검출부(1230)를 포함한다.
상기 단층 모니터링용 레이저 발생부(1210)는 파장 가변 광섬유 레이저 및 저간섭성 광대역 광 중 어느 하나를 발생시키는 것을 포함한다.
상기 단층 모니터링용 레이저 분배부(1220)는 광섬유 커플러 및 광분배기 중 어느 하나인 것을 포함한다.
상기 간섭신호 검출부(1230)는 상기 단층 모니터링용 레이저 분배부에서 나누어진 각각의 분배된 단층 모니터링용 레이저간의 광경로차를 보상하여 간섭신호를 생성하는 간섭신호 생성부(1231) 및 상기 간섭신호 생성부에서 제공한 간섭신호를 전기적인 신호로 변환하여 단층영상을 생성하는 단층영상 생성부(1232)를 포함한다.
상기 간섭신호 생성부(1231)는 광섬유 커플러를 포함하며, 상기 단층영상 생성부(1232)는 광신호 균형 검출기, 고분해 분광기 및 고감도 CCD카메라 중 어느 하나인 것을 포함한다.
상기 제어부(1300)는 상기 단층 모니터링부에서 생성한 단층영상과 가공하고 자하는 가공목표를 비교하여 가공 상태를 판단하는 판단부(1310) 및 상기 판단부의 판단에 따라 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 광출력 셔터를 구비하여 가공 상태를 조정하는 조정부(1320)를 포함한다. 상기 판단부(1310)에서는 가공의 정도를 판단하는 영상 처리 소프트웨어를 포함할 수 있다.
도 2는 표면 모니터링부(1400)를 더 가지는 레이저 가공장치의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치는 상기 구성요소이외에 상기 가공물의 표면 상태를 모니터링 하여 표면영상을 생성하는 표면 모니터링부(1400)를 더 포함한다. 따라서 상기 제어부(1300)는 상기 단층 모니터링부(1200)에서 생성한 단층영상 및 표면 모니터링부(1400)에서 생성한 표면영상을 모두 고려하여 가공하고자하는 가공목표와 비교하여 가공 상태를 판단하는 판단부(1310)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 가공의 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 펨토초 레이저 광원으로부터 방출된 800 nm 중심파장의 레이저 빔에 의해 상기 가공 대상물에 원통형 가공이 이루어지는 것을 묘사한 것이다.
도 4는 펨토초 레이저 가공시의 표면 상태를 가시광 대역의 CCD 카메라로 측정한 가공 대상물의 표면을 나타낸 예시도이다.
도 4를 참조하면, 상기 펨토초 레이저 광원으로부터 방출된 레이저 빔에 의해 가공 대상물에 원통형 모양의 가공이 이루어지는 것에 대한 표면 모니터링부(1400)의 표면 영상을 나타낸 것이다.
도 5는 광결맞음 단층 영상기술 기반으로 측정한 레이저 가공 대상물의 단층 영상의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 펨토초 레이저 광원으로부터 방출된 레이저 빔에 의해 가공 대상물에 원통형 모양의 가공이 이루어지는 것에 대하여 단층 모니터링부(1200)를 이용하여 생성된 가공 대상물의 단층 영상을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 예시도이다.
도 6을 참조하면,
가공부(1100)는 가공용 레이저 발생부(1110)의 펨토초 레이저 광원과 가공위치 조정부(1120)의 3차원 이동 스테이지(1121)를 기본구성으로 하여 주변 장치로 근적외선 반사거울(1501), 근적외선 투과거울(1502) 및 광집속용 렌즈(1511)를 포함한다.
가공용 레이저 발생부(1110)의 펨토초 레이저 광원에서 방출된 800nm 중심파장의 레이저 빔을 제어부(1300)내 조정부(1320)의 광셔터를 통과시킨 후, 근적외선 대역의 빛만을 반사시키는 거울(1501)에 의해 방향을 바꾸고, 800nm 중심파장의 빛은 투과시키고 800nm 파장대역 이상의 장파장 근적외선은 반사시키는 거울(1502)을 통과한 후에 광집속용 렌즈(1511)를 이용하여 가공 대상물에 조사시킨다. 이 경우 가공 대상물은 3차원 이동 스테이지(1121)위에 있으므로 위치를 조정하며 원하는 형태의 가공이 가능하다.
표면 모니터링부(1400)는 이미지 렌즈를 포함한 가시광 대역 CCD 카메라를 이용하며 가시광 대역 빛에 투과 특성을 가지는 반사 거울(1501, 1502)을 주변장치로 이용한다. 표면 모니터링 부(1400)는 가공되는 가공 대상물의 표면 모습을 위에서 CCD 카메라로 촬영하여 기본적인 가공 상태와 공정 진행도를 모니터링 한다.
단층 모니터링부(1200)는 파장 가변 광섬유 레이저(1211), 광섬유 커플러(1221), 광 서큘레이터(1521, 1522), 광집속기(1514), 광경로 보상기(1237), 광섬유 커플러(1233) 및 광신호 균형 검출기(1234)를 포함한다.
상기 파장 가변 광섬유 레이저(1211)에서 출력된 근적외선 대역(1320nm 또는 1550nm)의 레이저 빛은 광섬유 커플러(1221)에서 일정한 비율로 나뉘어져 광 서큘레이터(1522)와 광집속기(1514)를 지나 광경로 보상기(1237)에서 반사되어 다시 광집속기(1514)와 광 서큘레이터(1522)를 지나 광섬유 커플러(1233)로 가는 제1 광경로와 상기 광섬유 커플러(1221)에서 나눠진 나머지 빛은 광 서큘레이터(1521)와 광집속기(1513)를 지나 반사 거울(1503)에서 레이저의 조사 위치를 조절하여 집속용 렌즈(1512), 근적외선 반사거울(1502), 집속용 렌즈(1511)를 거쳐 가공 대상물에 조사되고 산란되며 다시 집속용 렌즈(1511), 근적외선 반사거울(1502) 및 반사거울(1503)을 거쳐 상기 광집속기(1513)와 상기 광 서큘레이터(1521)를 지나 광섬유 커플러(1233)로 가는 제2 광경로를 거치게 된다. 상기 광섬유 커플러(1233)에서 간섭 신호를 생성한 후 광신호 균형 검출기(1234)에서 광 간섭신호를 전기적인 신호로 변환하여 단층 영상을 생성한다.
제어부(1300)는 판단부(1310)와 조정부(1320)의 제어 가능한 광셔터를 포함한다. 상기 판단부(1310)는 상기 단층 모니터링부(1200)의 광신호 균형 검출 기(1234)에서 생성된 단층 영상을 바탕으로 가공의 정도를 판단하고, 판단을 근거로 가공용 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 조정부(1320)의 광출력 셔터를 통합 제어한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 예시도이다.
도 7과 도 6을 병행하여 참조하면, 단층 모니터링부(1200)의 경우에 단층 모니터링용 레이저 발생부(1210)에서 파장 가변 광섬유 레이저(1211)를 대신하여 저간섭성 광대역 광원(1212)을 사용하였고 간섭신호 검출부(1230)에서 광신호 균형 검출기(1234)를 대신하여 고분해 분광기(1235)를 이용하여 단층 영상 획득 속도를 향상 시키고자 하였다. 또한, 광 서큘레이터(1521, 1522)를 제외하여 구성 구조를 단순화 하였다.
상기 저간섭성 광대역 광원(1212)에서 출력된 근적외선 대역의 빛은 광섬유 커플러(1221)에서 일정한 비율로 나뉘어져 광집속기(1514)를 지나 광경로 보상기(1237)에서 반사되어 다시 광집속기(1514)를 지나 상기 광섬유 커플러(1221)로 가는 제1 광경로와 상기 광섬유 커플러(1221)에서 나눠진 나머지 빛은 광집속기(1513)를 지나 반사 거울(1503)에서 레이저의 조사 위치를 조절하여 가공 대상물에 조사되고 산란되며 다시 광집속용 렌즈(1511), 근적외선 반사거울(1502) 및 반사거울(1503)을 거쳐 다시 상기 광집속기(1513)를 지나 상기 광섬유 커플러(1221)로 가는 제2 광경로를 거치게 된다.
상기 광섬유 커플러(1221)에서 상기 제1 광경로와 상기 제2 광경로간의 간섭 신호를 생성한 후 고분해 분광기(1235)에서 단층 영상을 생성한다. 그 이외의 나머지 부분은 도 6의 구성과 역할이 동일하다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예시도이다.
도 8과 도 6을 병행하여 참조하면, 단층 모니터링부(1200)의 경우에 단층 모니터링용 레이저 발생부(1210)에서 파장 가변 광섬유 레이저(1211)를 대신하여 저간섭성 광대역 광원(1212)을 사용하고 간섭신호 검출부(1230)에서 광신호 균형 검출기(1234)를 대신하여 고감도 CCD 카메라(1236)를 이용하여 단층 영상 분해능을 향상 시키고자 하였다.
상기 저간섭성 광대역 광원(1212)에서 출력된 근적외선 대역의 빛은 광집속기(1515)에서 광섬유 바깥으로 나와 광분배기(1222)에서 나눠진 후 광전송용 렌즈(1516), 90도 반사 거울(1505) 및 광집속용 렌즈(1514)를 거친 후 광경로 보상기(1237)에서 반사되어 다시 상기 광분배기(1222)로 가는 제1 광경로와 상기 광분배기(1222)에서 나눠진 나머지 빛은 광전송용 렌즈(1512)를 지나 가공 대상물에 조사되고 산란되며 다시 집속용 렌즈(1511), 근적외선 반사거울(1502)을 거쳐 다시 상기 광전송용 렌즈(1512)를 지나 상기 광분배기(1222)로 가는 제2 광경로를 거치게 된다. 이후 상기 이미지 확대용 렌즈(1517)와 고감도 CCD 카메라(1236)에서 단층영상을 생성한다. 그 이외의 나머지 부분은 도 6의 구성과 동일하다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예시도이다.
도 9와 도 6을 병행하여 참조하면, 가공부(1100)의 경우에서 가공위치 조정부(1110)에서 가공 대상물을 이동시키기 위한 3차원 이동 스테이지(1121)를 대신하 여 고속 스캔 거울(1122) 및 반사거울(1506)을 이용하여 레이저 가공 속도를 향상 시키고자 하였다. 그 이외의 나머지 부분은 도 6의 구성과 동일하다.
도 1은 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 개념도이다.
도 2는 표면 모니터링부를 더 가지는 레이저 가공장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 가공의 예시도이다.
도 4는 펨토초 레이저 가공시의 표면 상태를 가시광 대역의 CCD 카메라로 측정한 가공 대상물의 표면을 나타낸 예시도이다.
도 5는 광결맞음 단층 영상기술 기반으로 측정한 레이저 가공 대상물의 단층 영상의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광결맞음 단층 영상기술을 이용하여 가공 상태를 모니터링 하는 레이저 가공장치의 예시도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예시도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예시도이다.

Claims (12)

  1. 가공물의 분자결합을 파괴하여 가공하는 펨토초 레이저를 이용하는 가공부;
    상기 가공물의 입체 상태를 모니터링 하여 단층영상을 생성하는 단층 모니터링부; 및
    상기 단층 모니터링부에서 생성한 단층영상을 이용하여 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 제어부로 구성된 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가공부는
    상기 펨토초 레이저를 출사하는 가공용 레이저 발생부; 및
    상기 가공물의 가공위치를 조절하는 가공위치 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가공위치 조정부는
    상기 가공물을 전후, 좌우 및 상하 방향으로 이동할 수 있는 3차원 이동 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가공위치 조정부는
    상기 펨토초 레이저가 상기 가공물에 조사되는 위치를 이동할 수 있는 고속 스캔 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단층 모니터링부는
    단층 모니터링용 레이저를 출사하는 단층 모니터링용 레이저 발생부;
    상기 단층 모니터링용 레이저 발생부에서 출사된 단층 모니터링용 레이저를 분기시키는 단층 모니터링용 레이저 분배부; 및
    상기 단층 모니터링용 레이저 분배부에서 나누어진 각각의 분배된 단층 모니터링용 레이저간의 간섭신호를 검출하여 단층영상을 생성하는 간섭신호 검출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단층 모니터링용 레이저 발생부는
    파장 가변 광섬유 레이저 및 저간섭성 광대역 광 중 어느 하나를 발생시키는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 단층 모니터링용 레이저 분배부는
    광섬유 커플러 및 광분배기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 간섭신호 검출부는
    상기 단층 모니터링용 레이저 분배부에서 나누어진 각각의 분배된 단층 모니터링용 레이저간의 광경로차를 보상하여 간섭신호를 생성하는 간섭신호 생성부; 및
    상기 간섭신호 생성부에서 제공한 간섭신호를 전기적인 신호로 변환하여 단층영상을 생성하는 단층영상 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 간섭신호 생성부는 광섬유 커플러인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단층영상 생성부는 광신호 균형 검출기, 고분해 분광기 및 고감도 CCD카메라 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단층 모니터링부에서 생성한 단층영상과 가공하고자하는 가공목표를 비교하여 가공 상태를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부의 판단에 따라 펨토초 레이저의 출력을 제어하는 광출력 셔터를 구비하여 가공 상태를 조정하는 조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 가공장치는 상기 가공물의 표면 상태를 모니터링 하여 표면영상을 생성하는 표면 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공장치.
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