KR20130072713A - 빔 크기 조절 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20130072713A KR1020110140254A KR20110140254A KR20130072713A KR 20130072713 A KR20130072713 A KR 20130072713A KR 1020110140254 A KR1020110140254 A KR 1020110140254A KR 20110140254 A KR20110140254 A KR 20110140254A KR 20130072713 A KR20130072713 A KR 20130072713A
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윤영수
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치는 빔을 생성 및 출사하는 광원, 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 조리개, 기설정된 직경으로 재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 발산각 조절부, 발산각이 조절된 상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 평행광 렌즈 및 평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 집광 렌즈를 포함한다.

Description

빔 크기 조절 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling beam size}
본 발명은 빔 크기 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업계에서 레이저(laser) 가공의 응용은 드릴링(drilling), 절단, 용접, 후처리 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며, 늘어나는 수요에 따라 단일 레이저(laser) 가공 설비로 다양한 가공이 가능하도록 광학계를 구성하고 있다.
가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나는 가공 단에서의 빔 스팟(beam spot) 크기를 다양하게 갖도록 하는 광학계를 구성하여, 필요에 따라 적합한 빔 스팟(beam spot)으로 가공하게 한다.
가공 단에서 빔 스팟(beam spot) 크기를 조절하는 방법으로는 크게 집광 렌즈를 교체하는 방법, 디포커싱(defocusing)하여 사용하는 방법 및 집광 렌즈로 입사되는 빔(beam)의 직경을 조절해 주는 방법 등이 있다.
여기에서, 짧은 기종 변화 소요 시간과 기종별 균일한 가공 품질 등의 이유로 일반적으로 집광 렌즈로 입사되는 빔(beam)의 직경을 조절해 주는 방법이 주로 사용된다.
종래 기술에 따른 빔 크기 조절 방법을 개략적으로 설명하면, 광원으로부터 출사된 빔(beam)의 크기를 일정 크기로 확대(또는 축소)시킨 후, 조리개를 사용하여 집광 렌즈로 입사되는 빔(beam)의 직경을 가변시켜 다양한 직경의 빔 스팟(beam spot)을 구현하고 있다.
그러나, 최근 업계에서 미세 패턴이 요구됨에 따라, 빔 스팟(beam spot)의 크기가 점점 줄어들게 되는데, 이와 같이 빔 스팟(beam spot)의 크기를 줄이기 위해서는 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경을 증가시켜야 한다.
이때, 상기 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경을 증가시키기 위해서는 상기 조리개의 개구부 직경을 크게 해야 하는데, 상기 조리개의 개구부 직경을 크게 하면 상기 조리개부터 상기 집광 렌즈까지의 거리를 증가시켜야 하므로 전체 설비 크기가 커지게 되는 문제가 있다.
반대로, 제한된 설비 크기 내에서 상기 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경을 증가시키기 위해서는 조리개 개구부 직경을 매우 작게 해야하는데, 이와 같이 매우 작은 직경의 개구부를 갖는 조리개를 사용하면 차단되는 빔(beam) 영역이 커져서 에너지 손실율이 증가하는 문제가 있다.
또한, 매우 작은 직경의 개구부를 갖는 조리개를 사용하면 상기 조리개로부터 출사되는 빔의 발산각이 매우 커져서 상기 집광 렌즈를 통과한 빔의 초점거리가 짧아지는 문제가 발생된다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 짧은 거리 안에 전체 광학계를 구성할 수 있는 빔 크기 조절 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 하나의 광 경로를 이용하여 넓은 범위를 갖는 입사 빔 직경을 얻을 수 있는 빔 크기 조절 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은 입사 빔 직경 별 에너지 손실 값이 일정한 빔 크기 조절 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치는 빔을 생성 및 출사하는 광원, 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 조리개, 기설정된 직경으로 재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 발산각 조절부, 발산각이 조절된 상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 평행광 렌즈 및 평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 집광 렌즈를 포함한다.
여기에서, 상기 발산각 조절부는 볼록 렌즈 및 오목 렌즈를 포함하며, 상기 광원의 파장 길이를 λ, 상기 조리개의 개구부 직경을 D o 라고 하면, 상기 조리개와 상기 볼록 렌즈간의 거리 L 1 은,
Figure pat00001
일 수 있다.
또한, 상기 발산각 조절부는 볼록 렌즈 및 오목 렌즈를 포함하며, 상기 발산각 조절부의 볼록 렌즈와 오목 렌즈 간의 거리를 L 2 , 상기 오목 렌즈와 평행광 렌즈까지의 거리를 L 3 라고 할 때, 상기 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경(Di)는 상기 L 2 및 L 3 을 조절함으로써 결정될 수 있다.
또한, 상기 광원으로부터 출사된 빔의 크기를 확대 또는 축소시키는 빔 확대/축소부를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 상기 빔 확대/축소부는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 조리개의 개구부 직경보다 작은 경우에는 상기 빔의 직경을 확대시킬 수 있다.
또한, 상기 빔 확대/축소부는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 조리개의 개구부 직경보다 큰 경우에는 상기 빔의 직경을 축소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 방법은 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계, 재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 단계, 발산각이 조절된 상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 단계 및 평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과시켜 수행될 수 있다.
또한, 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경을 확대 또는 축소하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 개구부의 직경보다 작으면, 상기 빔의 직경을 확대하여 상기 조리개를 통과시키고, 또는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 개구부의 직경보다 크면, 상기 빔의 직경을 축소하여 상기 조리개를 통과시킬 수 있다.
또한, 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는 상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과시켜 수행되며, 재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 단계는 상기 빔을 볼록 렌즈에 통과시키는 단계 및 상기 볼록 렌즈를 통과한 빔을 오목 렌즈에 통과시키는 단계를 포함하고,
이때, 상기 광원의 파장 길이를 λ, 상기 조리개의 개구부 직경을 D o 라고 하면, 상기 조리개와 상기 볼록 렌즈간의 거리 L 1 은,
Figure pat00002
일 수 있다.
또한, 상기 빔의 발산각을 조절하는 단계는 상기 빔을 볼록 렌즈에 통과시키는 단계 및 상기 볼록 렌즈를 통과한 빔을 오목 렌즈에 통과시키는 단계를 포함하고,
상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 단계는 상기 오목 렌즈를 통과한 빔을 평행광 렌즈에 통과시켜 수행되며,
평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 단계는 상기 평행광 렌즈를 통과한 빔을 집광 렌즈에 통과시켜 수행될 수 있다.
여기에서, 상기 볼록 렌즈와 오목 렌즈간의 거리를 L 2 , 상기 오목 렌즈와 평행광 렌즈 간의 거리를 L 3 라고 할 때, 상기 L 2 와 L 3 를 조절하여 원하는 크기의 빔 스팟(beam spot)에 대응되는 상기 집광 렌즈의 입사 빔 직경을 결정할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 하나의 고정 어퍼처를 사용함으로써, 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경이 달라도 일정한 에너지 손실율을 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 어퍼처 마스크와 빔확대/축소부 사이에 필요한 최소 길이 외에 별도의 최소 필요길이를 필요로 하지 않으므로, 전체 광학계를 짧은 거리로 구현하는 것이 가능하여 장치 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 하나의 광경로로 넓은 범위의 D i 를 얻을 수 있고, 구현할 수 없는 D i 영역이 존재하지 않아 효율성이 높은 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 종래 방식에 따른 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경 D i 의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경 D i 의 분포를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명하기로 한다.
빔 크기 조절 장치
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치(100)는 광원(110), 조리개(120), 발산각 조절부(130), 평행광 렌즈(140) 및 집광 렌즈(150)를 포함한다.
본 실시 예에서 광원(110)은 특별히 이에 제한되는 것은 아니나, 레이저 빔(laser beam)을 생성시키는 레이저 광원일 수 있다.
상기 레이저 광원은 고체 레이저, 기체 레이저 또는 액체 레이저일 수 있으며, 바람직하게는 가우시안 빔 프로파일(Gaussian beam profile)을 가질 수 있다. 상기 레이저 광원은 CO2 레이저, 엑시머 레이저, DPSS 레이저 중 어느 하나의 레이저 광원일 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 레이저 빔은 펄스형 레이저 빔(pulse type laser beam), 특히 초단 펄스 레이저 빔일 수 있다. 여기서 초단 펄스 레이저는 광 펄스의 주기가 나노 세컨드(nano second), 피코 세컨드(pico second), 또는 펨토 세컨드(second)급의 레이저로서, 박형의 기판을 고정밀도로 가공할 수 있으며, 특히 기판의 내부에 스팟(spot)을 형성하는데 유리할 수 있다.
조리개(120)는 광원(110)으로부터 출사되는 빔(beam)의 직경을 원하는 직경으로 재단하기 위한 구성이다.
즉, 조리개(120)는 도 1에 도시한 바와 같이, 그 중심부에 개구부(125)가 형성되어 빔(beam)의 중심 영역은 투과시키고, 빔(beam)의 외측 영역은 차단하는 역할을 한다.
이와 같이, 빔(beam)의 중심 영역만 투과시키는 이유는 가우시안 빔 프로파일을 갖는 빔(beam)의 외측 영역은 충분한 세기를 갖고 있지 못하여 가공단(200)에 바람직하지 않은 영향을 줄 수 있기 때문이다.
본 실시 예에서는, 개구부(125) 직경이 고정된 조리개(120)를 사용할 수 있는데, 이는 개구부(125) 직경에 따라 재단되는 빔(beam)의 에너지 손실율이 천차만별이므로, 에너지 손실 값을 일정하기 유지하기 위함이다.
이때, 조리개(120) 이후의 필요 광로 길이를 최소화하기 위해서 조리개(120)의 개구부(125) 직경 D o 를 작게 설정할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 실시 예에서는 광원(110)과 조리개(120) 사이에 광원(110)으로부터 출사된 빔의 크기를 확대 또는 축소시키는 빔 확대/축소부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 빔 확대/축소부(미도시)는 광원(110)으로부터 출사된 빔(beam)의 직경이 조리개(120)의 개구부(125) 직경 D o 보다 작은 경우에는 빔의 직경을 확대시키고, 또는, 광원(110)으로부터 출사된 빔(beam)의 직경이 조리개(120)의 개구부(125) 직경 D o 보다 큰 경우에는 빔의 직경을 축소시킬 수 있다.
이는, 광원(110)으로부터 출사된 빔(beam)이 조리개(120)의 개구부(125)를 통과하며 손실되는 에너지를 최소화하기 위함이다. 즉, 광원(110)으로부터 출사된 빔(beam)의 직경을 조리개(120)의 개구부(125) 직경 D o 에 적절하도록 조절하는 것이다.
발산각 조절부(130)는 조리개(120)의 개구부(125)를 통과한 빔(beam)의 발산각을 조절하기 위한 구성으로, 도 1에 도시된 바와 같이 순차적으로 배치된 볼록 렌즈(131) 및 오목렌즈(132)를 포함할 수 있으나, 이는 하나의 실시 예일 뿐, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
본 실시 예에서는 고정된 직경의 개구부(125)를 갖는 조리개(120)를 사용함으로써, 고정된 발산각을 갖는 빔이 출사되는데, 발산각 조절부(130)를 통해 이를 원하는 발산각 예를 들어, 도 1과 같이 발산각 θ θ 를 갖는 빔(beam)을 생성할 수 있다.
평행광 렌즈(140)는 입사되는 빔(beam)을 평행한 형태의 빔으로 변환하여 출사하는 렌즈이다.
즉, 도 1과 같이, 발산각 θ θ 를 갖는 빔(beam)을 입사 받아 발산각 θ Ο 를 갖는 거의 평행한 형태의 빔(beam)으로 변환할 수 있다.
집광 렌즈(150)는 입사되는 빔(beam)을 집광하여 스팟(spot) 형태의 빔을 생성할 수 있는 렌즈이다.
이때, 원하는 크기의 빔 스팟(beam spot)을 생성하기 위해서는 집광 렌즈(150)에 입사되는 빔(beam)의 직경을 원하는 크기의 빔 스팟(beam spot)을 얻을 수 있도록 조절해야하고, 집광 렌즈(150)에 입사되는 빔(beam)을 원하는 직경으로 조절하는 것은 평행광 렌즈(140)로 입사되는 빔(beam)의 발산각을 조절함으로써 수행될 수 있는데, 본 실시 예의 발산각 조절부(130)가 바로 상술한 바와 같이, 평행광 렌즈(140)로 입사되는 빔(beam)의 발산각을 조절하는 역할을 하는 것이다.
도 1을 살펴보면, 본 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치(100)에서 조리개(120)의 개구부(125)를 통과하는 빔(beam)은 회절현상으로 인하여 소정의 발산각(θ i )을 갖게 되며, 여기에서 상기 발산각(θ i )는, 아래의 식(5)에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00003
식(5)
여기에서, D o 는 상술한 바와 같이, 조리개(120) 개구부(125)의 직경을 나타내며, L 1 은 도 1에 도시한 바와 같이, 조리개(120)로부터 발산각 조절부(130)의 볼록 렌즈(131)와의 거리를 나타낸다.
이때, 상기 L 1 은 아래의 식(6)를 만족해야한다. 이는, 종래 방식에서 얻어진 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경(D i )와 동등 이상의 시준화(collimation)을 보장하기 위해서이다.
Figure pat00004
식(6)
여기에서, 상기 D 0 는 조리개(120) 개구부(125)의 직경이며, λ는 광원(110)의 파장 길이이다.
이와 같이, 본 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치(100)는 광원(110)으로부터 출사된 빔을 기설정된 고정 직경을 갖는 조리개(120)를 통과시켜 원하는 직경으로 빔을 재단하고, 발산각 조절부(130)를 통해 재단된 빔의 발산각을 조절한 다음 발산각이 조절된 빔은 평행광 렌즈(140)를 통과시켜 평행한 형태의 빔으로 변환한 후 집광 렌즈(150)를 통과시켜 가공단(200)에 원하는 직경을 갖는 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 것이다.
여기에서, 상기 평행한 형태의 빔을 원하는 직경으로 생성하는 것은 발산각 조절부(130)의 볼록 렌즈(131), 오목렌즈(132) 및 평행광 렌즈(140) 간의 거리를 조절함으로써 수행될 수 있다.
이때, 조리개(120)와 볼록 렌즈(131) 간의 거리는 최소 필요길이를 유지한 상태에서, 오목렌즈(132) 및 평행광 렌즈(140)를 이동시켜 원하는 직경의 빔을 생성할 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
종래 방식의 경우 조리개의 개구부 직경을 조절하여 빔의 크기를 조절하는 방식을 사용하기 때문에, 조리개 개구부의 직경에 따라 빔의 에너지 손실 값이 변하게 되고, 이를 보정하기 위한 별도의 모듈이 요구된다.
또한, 정밀 가공을 위해 빔 스팟(beam spot)을 작게 형성하려면 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경을 크게 해야하는데, 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경을 크게 하기 위해서는 조리개 개구부의 직경을 크게 해야하지만, 조리개 개구부의 직경의 제곱배로 광학계의 거리가 증가하여야 하기 때문에, 전체 설비 크기가 커지는 문제가 발생한다.
예를 들어, 도 3을 살펴보면, 설비 크기 등의 제한으로 사용 가능한 조리개 개구부의 직경은 최대 8.0mm가 되고, 광로의 길이를 5m로 선정한 경우, 집광 렌즈로 입사되는 빔의 직경(D i )은 직경 10mm 이하로 구현하는 것이 불가능하여 별도의 광학계를 추가로 구성하여 복수의 광로 길이를 갖도록 하는 작업이 필요하다.
또한, 광로의 길이를 2m로 선정한 경우 도 3과 같이, 8mm 이하의 D i 를 구현할 수 있으나, 구현할 수 없는 D i 의 영역(A)(예로써, 8mm ~ 10mm)이 존재하게 된다.
그러나, 본 실시 예에 따른 빔 크기 조절 장치는 고정된 직경의 개구부를 갖는 하나의 조리개를 사용하기 때문에, D i 별 에너지 손실 값이 일정하게 되고, L 1 이외에 별도의 최소 필요 길이가 필요하지 않기 때문에 전체 광학계를 짧은 거리 안에 구현하는 것이 가능하다.
또한, 도 4와 같이, 하나의 광로로 넓은 범위의 D i 를 구현할 수 있고, 구현할 수 없는 D i 영역이 존재하지 않는 장점이 있다.
빔 크기 조절 방법
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 크기 조절 방법을 나타내는 순서도이다.
한편, 각 단계를 수행하기 위한 구성은 도 1을 참조하여 설명할 것이나, 상술한 빔 크기 조절 장치에 기재된 내용과 중복되는 것은 생략한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 광원(110)으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단한다(S201).
여기에서, 광원(110)으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경을 갖도록 재단하는 것은 광원(110)으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부(125)를 갖는 조리개(120)를 통과시켜 수행될 수 있다.
즉, 광원(110)으로부터 출사된 빔 중심 부분만 통과시키고, 외곽 부분은 차단하는 것이다.
이때, 광원(110)으로부터 출사된 빔의 직경이 조리개(120)의 개구부(125) 보다 작은 경우에는 상기 빔의 직경을 확대하여 조리개(120)를 통과시키고, 반대로 상기 빔의 직경이 조리개(120)의 개구부(125) 보다 큰 경우에는 상기 빔의 직경을 축소하여 조리개(120)를 통과시킬 수 있다.
이는 즉, 광원(110)으로부터 출사된 빔(beam)의 직경을 조리개(120)의 개구부(125) 직경 D o 에 적절하도록 조절하기 위함이다.
다음, 조리개(120)를 통과하여 기설정된 직경으로 재단된 빔의 발산각을 조절한다(S203).
상기 빔의 발산각을 조절하는 것은 도 1에 도시된 발산각 조절부(130)를 통해 수행될 수 있으며, 발산각 조절부(130)는 도 1과 같이, 볼록 렌즈(131) 및 오목 렌즈(132)가 순차적으로 이루어진 구조일 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과할 뿐, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
이때, 광원(110)의 파장 길이를 λ, 조리개(120)의 개구부(125) 직경을 D o 라고 하면, 상기 조리개(120)와 상기 볼록 렌즈(131)간의 거리 L 1 은,
Figure pat00005
을 만족하여야 한다.
이는, 종래 방식에서 얻어진 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경(D i )와 동등 이상의 시준화(collimation)을 보장하기 위해서 필요한 최소 길이이다.
다음, 발산각이 조절된 빔을 평행한 형태의 빔으로 변환한다(S205).
상기 평행한 형태의 빔으로 변환하는 것은 발산각 조절부(130)를 통과하여 발산각이 조절된 빔을 평행광 렌즈(140)를 통과시켜 수행될 수 있다.
즉, 도 1과 같이 발산각이 θθ로 조절된 빔을 평행광 렌즈(140)를 통과시킴으로써, 발산각이 θΟ가 되는 평행한 형태의 빔으로 변환하는 것이다.
다음, 평행한 형태로 변환된 빔을 집광하여 가공단(200)에 빔 스팟(beam spot)을 생성한다(S207).
상기 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 것은 평행한 형태로 변환된 빔을 집광 렌즈(150)를 통과시켜 수행될 수 있다.
또한, 상기 빔 스팟(beam spot)을 원하는 직경으로 생성하기 위해서는 집광 렌즈(150)에 입사되는 빔의 직경을 원하는 직경의 빔 스팟(beam spot)과 매칭되도록 조절하여야 하는데, 이는 조리개(120)와 발산각 조절부(130)의 볼록 렌즈(131) 간의 거리 L 1 , 발산각 조절부(130)의 볼록 렌즈(131)와 오목 렌즈(132) 간의 거리 L 2 및 발산각 조절부(130)의 오목 렌즈(132)와 평행광 렌즈(140) 간의 거리 L 3 를 조절함으로써 수행될 수 있다.
이때, 조리개(120)와 발산각 조절부(130)의 볼록 렌즈(131) 간의 거리는 상술한 최소 필요길이를 유지한 상태에서, 발산각 조절부(130)의 오목 렌즈(132) 및 평행광 렌즈(140)를 이동시켜 상기 L 2 및 L 3 를 조절하여 집광 렌즈(150)에 입사되는 빔의 직경을 조절하는 것이 바람직할 것이다.
이와 같이, 본 실시 예에 따른 빔 직경 가변 방법은 고정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과한 빔의 발산각을 조절하여 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경을 조절할 수 있고, 이에 따라 가공단에 생성되는 빔 스팟(spot)의 직경을 조절할 수 있다.
이상 본 발명의 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명에 따른 빔 크기 조절 장치 및 방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100 : 빔 직경 가변 장치 110 : 광원
120 : 조리개 125 : 개구부
130 : 발산각 조절부 131 : 볼록 렌즈
132 : 오목 렌즈 140 : 평행광 렌즈
150 : 집광 렌즈 200 : 가공단

Claims (12)

  1. 빔을 생성 및 출사하는 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 조리개;
    기설정된 직경으로 재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 발산각 조절부;
    발산각이 조절된 상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 평행광 렌즈; 및
    평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 집광 렌즈
    를 포함하는 빔 크기 조절 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발산각 조절부는 볼록 렌즈 및 오목 렌즈를 포함하며,
    상기 광원의 파장 길이를 λ, 상기 조리개의 개구부 직경을 D o 라고 하면, 상기 조리개와 상기 볼록 렌즈간의 거리 L 1 은,
    Figure pat00006

    인 빔 크기 조절 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 발산각 조절부는 볼록 렌즈 및 오목 렌즈를 포함하며,
    상기 발산각 조절부의 볼록 렌즈와 오목 렌즈 간의 거리를 L 2 , 상기 오목 렌즈와 평행광 렌즈까지의 거리를 L 3 라고 할 때, 상기 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경(Di)는 상기 L 2 및 L 3 을 조절함으로써 결정되는 빔 크기 조절 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 빔의 크기를 확대 또는 축소시키는 빔 확대/축소부를 더 포함하는 빔 크기 조절 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 빔 확대/축소부는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 조리개의 개구부 직경보다 작은 경우에는 상기 빔의 직경을 확대시키는 빔 크기 조절 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 빔 확대/축소부는 상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 조리개의 개구부 직경보다 큰 경우에는 상기 빔의 직경을 축소시키는 빔 크기 조절 장치.
  7. 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계;
    재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 단계;
    발산각이 조절된 상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 단계; 및
    평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 단계
    를 포함하는 빔 크기 조절 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과시켜 수행되는 빔 크기 조절 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는,
    상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경을 확대 또는 축소하는 단계를 더 포함하며,
    상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 개구부의 직경보다 작으면, 상기 빔의 직경을 확대하여 상기 조리개를 통과시키고,
    상기 광원으로부터 출사된 빔의 직경이 상기 개구부의 직경보다 크면, 상기 빔의 직경을 축소하여 상기 조리개를 통과시키는 빔 크기 조절 방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과시켜 수행되며,
    재단된 상기 빔의 발산각을 조절하는 단계는,
    상기 빔을 볼록 렌즈에 통과시키는 단계; 및
    상기 볼록 렌즈를 통과한 빔을 오목 렌즈에 통과시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 광원의 파장 길이를 λ, 상기 조리개의 개구부 직경을 D o 라고 하면, 상기 조리개와 상기 볼록 렌즈간의 거리 L 1 은,
    Figure pat00007

    인 빔 크기 조절 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경으로 재단하는 단계는,
    상기 광원으로부터 출사된 빔을 기설정된 직경의 개구부를 갖는 조리개를 통과시켜 수행되며,
    상기 빔의 발산각을 조절하는 단계는,
    상기 빔을 볼록 렌즈에 통과시키는 단계; 및
    상기 볼록 렌즈를 통과한 빔을 오목 렌즈에 통과시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 빔을 평행한 형태로 변환하는 단계는,
    상기 오목 렌즈를 통과한 빔을 평행광 렌즈에 통과시켜 수행되며,
    평행한 형태로 변환된 상기 빔을 집광하여 빔 스팟(beam spot)을 생성하는 단계는,
    상기 평행광 렌즈를 통과한 빔을 집광 렌즈에 통과시켜 수행되는 빔 크기 조절 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 발산각 조절부의 볼록 렌즈와 오목 렌즈 간의 거리를 L 2 , 상기 오목 렌즈와 평행광 렌즈까지의 거리를 L 3 라고 할 때, 상기 집광 렌즈에 입사되는 빔의 직경(Di)는 상기 L 2 및 L 3 을 조절함으로써 결정되는 빔 크기 조절 방법.
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