KR20170015866A - 레이저 가공장치 - Google Patents

Abstract

레이저 가공장치가 개시된다. 개시된 레이저 가공장치는 가공물에 레이저 가공을 위한 가공빔을 출사하는 광원, 상기 가공빔을 집광하는 집광 광학계 및 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되도록 상기 집광 광학계의 위치를 조절하는 오토포커싱 유닛을 포함한다. 상기 오토 포커싱 유닛은, 상기 집광광학계와 광원 사이에 마련되어, 상기 가공대상물로부터 반사된 반사광 중 적어도 일부를 반사시키는 제1 빔 스플리터 상기 제1 빔 스플리터로부터 반사된 상기 반사광을 포커싱하는 제1 렌즈부 및 상기 제1 렌즈부로부터 상기 반사광이 포커싱 되는 방향에 마련되어, 상기 제1 렌즈부에 의해 포커싱된 상기 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제1 광 센서를 포함한다.

Description

레이저 가공장치{Laser processing apparatus}

레이저 가공장치에 관한 것으로, 가공물에 레이저 빔이 포커싱 되는 위치를 조절하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 가공 공정이라 함은 가공 대상물의 표면에 레이저 빔을 주사하여 가공 대상물 표면의 형상이나 물리적 성질 등을 가공하는 공정을 말한다. 가공 대상물에는 여러가지 예가 있을 수 있으며 그 형상은 2 D 평면 형상일 수 있다. 레이저 가공의 예로 레이저 마킹, 절단 또는 그루빙(grooving) 공정 등이 포함될 수 있다.

레이저 가공의 정밀도를 높이기 위해서, 광원으로부터 출사된 레이저 빔의 집광점의 위치를 잘 조절하는 것이 중요하다. 그리고, 레이저 빔의 집광점 위치를 조절하기 위해서는 가공물 상에서 어느 지점에 레이저 빔의 집광점이 형성되는 지를 측정해야 한다.

종래 레이저 가공장치에서는, 레이저 빔의 집광점을 간접적으로 알아내기 위해, 레이저광을 집광하는 집광렌즈에 대해 가공 대상물의 표면 높이를 측정하기 위한 측정 수단이 병행하여 설치되어 있다. 이러한 레이저 가공장치에서는 가공대상물의 표면을 스캔하면서 측정 수단에 의하여 가공대상물의 표면 높이를 측정하고, 이렇게 측정된 표면 높이에 근거하여 집광렌즈와 가공 대상물의 표면과의 거리가 일정해 지도록 집광렌즈를 구동하게 된다. 이에 따라 가공대상물의 표면이 울퉁 불퉁하여도 레이저광의 집광점을 항상 가공대상물의 표면에 위치시키면서 레이저 가공작업을 수행할 수 있게된다.

그러나, 이와 같은 종래 레이저 가공장치에서는 집광렌즈와 측정수단이 서로 일정간격으로 이격되어 설치되기 때문에 가공대상물이 재치되는 스테이지의 진동 등에 따라 가공대상물의 실제 표면 높이와 측정 수단에 의해 측정된 표면 높이 사이에 오차가 생기게 되고, 이에 따라 레이저광의 집광점 위치가 의도하는 위치로부터 벗어날 수 있다.

다른 예로, 가공빔이 가공물에서 반사되는 반사빔의 경로를 추적하여 역으로 가공빔의 집광점 위치를 알아내는 방법도 있다. 하지만, 이 경우, 가공물의 두께변화, 레이저 빔의 경로 상에 있는 스캐너나 렌즈 등의 구동 광학계 오차에 의해 집광점 위치를 알아낼 수 없거나 알아내더라도 신뢰도가 떨어질 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 레이저 가공빔의 집광점 위치를 자동으로 조정해주는 오토포커싱 장치를 포함하는 레이저 가공장치가 제공된다.

일 측면에 있어서,

가공물에 레이저 가공을 위한 가공빔을 출사하는 광원;

상기 가공빔을 집광하는 집광 광학계; 및

상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되도록 상기 집광 광학계의 위치를 조절하는 오토포커싱 유닛;을 포함하며,

상기 오토 포커싱 유닛은, 상기 집광광학계와 광원 사이에 마련되어, 상기 가공대상물로부터 반사된 반사광 중 적어도 일부를 반사시키는 제1 빔 스플리터; 상기 제1 빔 스플리터로부터 반사된 상기 반사광을 포커싱하는 제1 렌즈부; 및 상기 제1 렌즈부로부터 상기 반사광이 포커싱 되는 방향에 마련되어, 상기 제1 렌즈부에 의해 포커싱된 상기 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제1 광 센서;를 포함한다.

상기 집광광학계의 위치는 상기 제1 광 센서에서 측정되는 상기 반사광의 에너지 밀도에 의해 결정될 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라질 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이가 클수록 더 크게 설정될 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공물 내부의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.

상기 제1 렌즈부는 두 개의 볼록렌즈와 상기 두 개의 볼록렌즈 사이에 마련되는 오목렌즈를 포함할 수 있다.

상기 제1 렌즈부에서 상기 두 개의 볼록렌즈와 상기 오목렌즈의 위치는 상기 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라질 수 있다.

상기 오토포커싱 유닛은, 상기 제1 빔 스플리터에서 반사된 반사광을 제1 반사광과 제2 반사광으로 분할하는 제2 빔스플리터를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 반사광은 상기 제1 렌즈부로 입사되며,

상기 오토포커싱 유닛은, 제2 반사광이 입사되는 제2 렌즈부; 및 상기 제2 렌즈부로부터 상기 제2반사광이 포커싱 되는 방향에 마련되어, 상기 제2 렌즈부에 의해 포커싱된 상기 제2 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제2 광 센서;를 포함할 수 있다.

상기 집광광학계의 위치는 상기 제1 광 센서에서 측정되는 상기 제1 반사광의 에너지 밀도 및 상기 제2 광 센서에서 측정되는 상기 제2 반사광의 에너지 밀도에 의해 결정될 수 있다.

상기 집광광학계의 위치는, 상기 제1 반사광의 에너지 밀도와 상기 제2 반사광의 에너지 밀도의 차이 값에 의해 결정될 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라질 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이가 클수록 더 크게 설정될 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공물 내부의 굴절률에 따라 달라질 수 있다.

상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부는 각각 두 개의 볼록렌즈와 상기 두 개의 볼록렌즈 사이에 마련되는 오목렌즈를 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 렌즈부 각각에서 상기 두 개의 볼록렌즈와 상기 오목렌즈의 위치는 상기 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라질 수 있다.

실시예에 따르면, 집광광학계의 변동, 가공물의 두께 변화 등에도 가공빔의 집광점 위치를 정밀하고 안정적으로 검출할 수 있는 집광점 검출장치가 제공된다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나타낸 집광광학계와 가공물 사이의 거리가 변한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에서 나타낸 집광광학계와 가공물 사이의 거리가 변한 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에서 나타낸 실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른, 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른, 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에서 나타낸 집광광학계와 가공물 사이의 거리가 변한 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7에서 나타낸 집광광학계와 가공물 사이의 거리가 변한 다른 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 제1 광 센서에서 측정되는 제1 반사빔의 에너지 밀도와 제2 반사빔의 에너지 밀도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11 및 도 12는 도 7에서 나타낸 집광광학계의 변형예들을 나타낸 도면이다.
도 13는 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치가 가공물 내부에 가공빔(L1)의 집광점을 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15에서 나타낸 가공물 내부에서 가공빔의 집광점이 형성되는 것을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 17은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 광 센서의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.
도 18는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 및 제2 광 센서의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.
도 19는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 렌즈부의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.
도 20은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 및 제2 렌즈부의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.
도 21은 도 19에서 나타낸 제1 렌즈부를 다르게 변형한 예를 나타낸 도면이다.
도 22는 도 20에서 나타낸 제1 및 제2 렌즈부를 다르게 변형한 예를 나타낸 도면이다.

이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 광원(10)에서 출사된 가공빔(L1)이 집광광학계(20)를 거쳐 가공물(30)에 조사될 수 있다. 집광광학계(20)는 가공빔(L1)을 집광할 수 있다. 도 1에서는 집광광학계(20)가 하나의 렌즈를 포함하는 것을 예시적으로 나타냈지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 집광광학계(20)는 가공빔(L1)의 광 경로를 변동 시켜 가공빔(L1)을 집광하면 족하며, 복수의 광학 요소를 포함할 수도 있다. 또한, 도 1에서는 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면에 형성되는 예를 나타냈지만, 레이저 가공 특성에 따라 가공빔(L1)의 집광점 위치는 달라질 수 있다.

실시예에 따른 집광점 검출장치는, 집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면으로부터 얼마나 떨어져 있는 지를 검출할 수 있다. 집광점 검출장치가 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면으로부터 얼마나 떨어져 있는 지에 대한 정보를 사용자에게 제공하면, 사용자는 상기 집광점의 위치에 대한 정보에 기초해 집광광학계(20)의 세팅을 변경할 수 있다. 집광광학계(20)의 세팅 변경은 수동으로 이루어질 수도 있고, 실시예에 따른 집광점 검출장치에 의해 자동으로 이루어질 수도 있다. 도면에 도시하지는 않았지만, 집광광학계(20)의 위치를 자동으로 조절하는 경우, 집광점 검출장치는 집광광학계의 위치를 조절하는 구동장치를 더 포함할 수도 있다.

가공빔(L1)의 집광점 위치를 검출하기 위해, 집광점 검출장치는 가공물(30)로부터 반사되는 반사빔(L2)을 측정한다. 집광점 검출장치는 상기 반사빔(L2) 중 적어도 일부를 반사시키는 제1 빔 스플리터(110)를 포함할 수 있다. 제1 빔 스플리터(110)는 가공물(30)로부터 반사되는 반사빔(L2)을 전부 반사시킬 수도 있고, 일부만 반사시킬 수도 있다. 또한, 제1 빔 스플리터(110)에 입사되는 가공빔(L1)도 모두 제1 빔 스플리터(110)를 투과할 수도 있고, 일부는 투과하여 가공물(30)에 입사되고 다른 일부는 반사될 수도 있다. 만약, 광원(10)으로부터 출사되는 가공빔(L1)과 가공물에서 반사되는 반사빔(L2)의 파장이 다르다면, 제1 빔 스플리터(110)는 반사빔(L2) 파장에 대해서만 빔을 반사시키고, 가공빔(L1)의 파장에 대해서는 빔을 투과시키도록 구현될 수도 있다. 이 경우, 제1 빔 스플리터(110)는 소정의 파장 빔은 반사시키고 다른 파장의 빔은 투과시키도록 표면에 코팅처리가 되어 있을 수 있다.

집광점 검출장치는 제1 빔 스플리터(110)에서 경로가 변경된 반사빔(L2)을 포커싱(focusing)하는 제1 렌즈부(132)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈부(132)는 반사빔(L2)을 포커싱할 수 있는 광학소자일 수 있다. 도 1에서는 제1 렌즈부(132)를 반볼록 렌즈로 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 렌즈부(132)는 반사빔(L2)을 포커싱할 수 있으면 족하며, 제1 렌즈부(132)에 포함된 렌즈의 모양은 다르게 변경될 수도 있다. 또한, 도 1에서는 제1 렌즈부(132)가 하나의 렌즈를 포함하는 예를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 렌즈부(132)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라 후술하는 바와 같이 제1 렌즈부(132)에 포함되는 렌즈는 볼록렌즈에 한정되지 않으며, 오목렌즈도 포함될 수 있다. 다만, 제1 렌즈부(132)를 통과하는 빔이 포커싱 되도록 제1 렌즈부(132)는 적어도 하나의 집광 렌즈를 포함할 수 있다.

집광점 검출장치는 제1 렌즈부(132)에서 포커싱된 반사빔(L2)의 에너지 밀도를 측정하는 제1 광 센서(142)를 포함할 수 있다. 제1 광 센서(142)는 제1 렌즈부(132)로부터 반사빔(L2)이 포커싱 되는 방향에 마련될 수 있다. 도 1에서는 예시적으로, 제1 광 센서(142)가 제1 렌즈부(132)로부터 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f)보다 거리(d0)만큼 더 떨어져 있는 경우를 나타냈다. 다만, 도 1에서 나타낸 제1 광 센서(142)의 위치는 예시적인 것에 불과할 뿐 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 광 센서(142)는 제1 렌즈부(132)로부터 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f)보다 더 작게 떨어져 있을 수도 있다.

제1 광 센서(142)는 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 에너지 밀도를 측정할 수 있다. 여기서, 반사빔(L2)의 에너지 밀도란 반사빔(L2)의 입사면에서 전달되는 단위 면적당 에너지를 의미한다. 반사빔(L2)이 좁은 영역에 집광된 영역에서는 상대적으로 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 클 수 있고, 반사빔(L2)의 입사면적이 큰 영역에서는 상대적으로 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 작을 수 있다. 즉, 제1 광 센서(142)의 위치가 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 집광점에 가까우면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 클 수 있다. 반면, 제1 광 센서(142)의 위치가 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 집광점으로부터 멀면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 작을 수 있다.

도 2는 도 1에서 나타낸 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변한 예를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 도 1에서 나타낸 것보다 더 커졌다. 따라서, 집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면 위에 형성될 수 있다. 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30) 표면 위에 형성되면서, 가공물(30)의 표면에서 반사되는 반사빔(L2)이 집광광학계(20)에 입사되는 각도가 바뀔 수 있다. 그리고, 집광광학계(20)에 입사되는 반사빔(L2)의 각도가 바뀌면서, 반사빔(L2)이 제1 빔 스플리터(110)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30) 표면 위에 있으면, 도 1의 경우와 달리, 제1 빔 스플리터(110)에서 반사된 반사빔(L2)의 빔 사이즈가 점점 더 작아질 수 있다. 그리고, 그로 인해, 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f’)이 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f)보다 더 작아질 수 있다.

반사빔(L2)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f’)가 작아지면서, 제1 광 센서(142)와 반사빔(L2)의 집광점 사이의 거리(d1)은 도 1에서 나타낸 거리(d0)보다 더 커질 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 감소할 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이, 제1 광 센서(142)를 배치한 상태에서, 가공물(30)의 위치를 도 2에서 나타낸 바와 같이, 집광광학계(20)로부터 더 멀리 배치하면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 감소할 수 있다.

도 3은 도 1에서 나타낸 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변한 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 도 1에서 나타낸 것보다 더 가까워졌다. 따라서, 집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1)이 집광점을 형성하기 전에 가공물(30)의 표면에서 반사될 수 있다. 이로 인해, 가공물(30)의 표면에서 반사되는 반사빔(L2)이 집광광학계(20)에 입사되는 각도가 바뀔 수 있다. 그리고, 집광광학계(20)에 입사되는 반사빔(L2)의 각도가 바뀌면서, 반사빔(L2)이 제1 빔 스플리터(110)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 가공빔(L1)의 집광점이 형성되기 전에 가공빔(L1)이 가공물(30) 표면에서 반사되면, 제1 빔 스플리터(110)에서 반사된 반사빔(L2)의 빔 사이즈가 점점 더 커질 수 있다. 그리고, 그로 인해, 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f’’)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f)보다 더 커질 수 있다.

반사빔(L2)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f’’)가 커지면서, 제1 광 센서(142)와 반사빔(L2)의 집광점 사이의 거리(d2)은 도 1에서 나타낸 거리(d0)보다 더 작아질 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 증가할 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이, 제1 광 센서(142)를 배치한 상태에서, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 더 커지면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 증가할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변함에 따라 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 변할 수 있다. 즉, 집광광학계(20)의 위치가 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도에 따라 결정될 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도로부터 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면에 정확히 형성되는지, 또는 가공물(30)의 표면보다 높은 곳에 형성되는지, 가공빔(L1)이 집광점을 형성하기 전에 가공물(30)에서 반사되는지 여부를 알 수 있다.

도 1에서는 제1 광 센서(142)의 위치가 제1 렌즈부(132)로부터 제1 렌즈부(132)의 초점거리보다 멀리 설정된 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.

예를 들어, 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리가 제1 렌즈부(132)의 초점거리보다 작을 수 있다. 즉, 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면에 형성되는 상태에서 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L2)의 집광점이 제1 광 센서(142)보다 제1 렌즈부(132)로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이 경우, 도 1과 달리, 반사빔(L2)의 집광점이 제1 렌즈부(132)에 가까워지면 제1 광 센서(142)에서 측정되는 에너지 밀도가 커질 수 있다. 또한, 반사빔(L2)의 집광점이 제1 렌즈부(132)에서 멀어지면 제1 광 센서(142)에서 측정되는 에너지 밀도가 작아질 수 있다. 즉, 가공물(30)이 집광광학계(20)로부터 멀어지면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 에너지 밀도가 증가하고 가공물(30)이 집광광학계(20)로부터 가까워지면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 에너지 밀도가 감소할 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도로부터 집광광학계의 위치가 결정될 수 있다.

도 1 내지 도 3에서는 가공물(30)의 상부표면에서 반사되는 반사광을 이용해 집광점의 위치를 검출하였지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 도 4는 도 1에서 나타낸 실시예의 변형예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 제1 렌즈부(132)는 가공물(30)의 하면(Sb)에서 반사된 반사광(L2)을 집광할 수 있다. 가공물(30)의 상면(Su)에서 광의 투과율이 높을 경우, 가공물(30) 상면(Su)에서 반사되는 반사광(Lu)의 세기가 약해 집광점 검출에 이용하기 용이하지 않을 수 있다. 또한, 가공물(30) 상면(Su)에서 반사되는 반사광(Lu)이 제1 빔 스플리터(110)를 통과하면서 발산하면 제1 렌즈부(132)에서 집광이 용이하지 않을 수 있다. 이러한 경우, 집광점 검출장치는 도 4에서와 같이 가공물(30) 내부로 투과하여, 가공물(30) 하면(Sd)에서 반사된 반사광(L2)이 제1 렌즈부(132)를 통해 집광되게 함으로써 집광 광학계(20)의 집광점을 검출할 수 있다.

도 5는 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 집광점 검출장치는 반사빔(L2)을 제1 반사빔(L21)과 제2 반사빔(L22)으로 분할하는 제2 빔 스플리터(120)를 더 포함할 수 있다. 제2 빔 스플리터(120)에서 분할된 빔들 중 제1 반사빔(L21)은 도 1내지 도 4를 참조하여 설명한 바와 마찬가지로 제1 렌즈부(132)에 입사될 수 있다. 집광점 검출장치는 제2 반사빔(L22)이 입사되는 제2 렌즈부(134) 및 제2 렌즈부에 의해 포커싱된 제2 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제2 광 센서(144)를 포함할 수 있다.

도 5에서와 같이, 제2 빔 스플리터(120)가 반사빔(L2)을 분할하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 변함에 따라, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔의 에너지 밀도와 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔의 에너지 밀도가 함께 변할 수 있다. 제1 광 센서(142)는 제1 렌즈부(132)로부터 제1 렌즈부(132)의 초점거리보다 멀리 떨어져 있을 수 있다. 반면, 제2 광 센서(144)는 제2 렌즈부(134)로부터 제2 렌즈부(134)의 초점거리보다 더 가깝게 마련될 수 있다. 이와 같이, 제1 및 제2 광 센서(144)의 위치를 결정하면, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리 변화에 대해 제1 및 제2 광 센서(144)에서 측정되는 에너지 밀도의 변화 감도가 높아질 수 있다. 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변함에 따라, 제1 광 센서(142)와 제2 광 센서(144)에서 측정되는 빔의 에너지 밀도가 다른 방향으로 변하기 때문에, 제1 광 센서(142)의 측정 값과 제2 광 센서(144)의 측정 값 사이의 차이 변화를 쉽게 관찰할 수 있다. 도 5에서는 제1 광 센서(142)가 제1 렌즈부(132)로부터 제1 렌즈부(132)의 초점거리보다 멀리 떨어지고, 제2 광 센서(144)가 제2 렌즈부(134)로부터 제2 렌즈부(134)의 초점거리보다 가깝게 마련되는 경우를 나타냈지만, 반대의 경우도 실시예에 포함될 수 있다.

도 6은 다른 예시적인 실시예에 따른, 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 집광점 검출장치는, 제2 반사빔(L22)의 경로를 변동시켜주는 미러(122)를 더 포함할 수 있다. 도 6에서와 같이 제2 반사빔(L22)의 경로를 변화시켜주면, 제1 렌즈부(132)와 제2 렌즈부(134)를 같은 방향에 구성할 수 있다. 그리고, 제1 반사빔(L21)과 제2 반사빔(L22)이 같은 방향으로 진행되게 함으로써, 집광점 검출장치의 세팅공간을 더 작게 할 수 있다. 도 6에서와 같이, 둘 이상의 광 센서(142, 144)가 마련되면, 광 센서들(142, 144)에서 측정되는 광 에너지 밀도를 비교함으로써, 집광 광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리 변화 외에 다른 노이즈 원인에 의한 측정값 변화를 상쇄시켜버릴 수 있다.

도 6에서는 도 5와는 반대로 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(l1)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1)보다 더 크고, 제2 광 센서(144)와 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(l2) 도 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 큰 경우를 나타냈지만, 다른 예도 실시예에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(l1)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1)보다 더 작고, 제2 광 센서(144)와 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(l2)도 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 작아질 수 있다. 그리고, 다른 예로 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(l1)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1) 보다 큰 반면, 제2 광 센서(144)와 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(l2)도 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 작아질 수도 있다. 다른 예로, 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(l1)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1) 보다 작은 반면, 제2 광 센서(144)와 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(l2)도 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 커질 수도 있다.

도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른, 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 도 5와 마찬가지로 제1 광 센서(142)와 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(l1)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1)보다 더 크고, 제2 광 센서(144)와 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(l2)는 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 더 클 수 있다. 이와 같이, 거리 l1과 초점거리 f1 사이의 관계와 거리 l2와 초점거리 f2 사이의 관계가 서로 반대가 되게 하면, 집광 광학계(20)와 가공물(30) 사이 거리 변화에 따라 제1 및 제2 광 센서(142, 144)에서 측정되는 측정값이 다른 방향으로 변할 수 있다. 이를 통해 후술 하는 바와 같이, 제1 및 제2 광 센서(142, 144)에서 측정되는 측정 값의 차이를 더 선명하게 확인할 수 있다.

도 8은 도 7에서 나타낸 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변한 예를 나타낸 도면이다.

도 8을 참조하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 도 7에서 나타낸 것보다 더 커졌다. 따라서, 집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30)의 표면 위에 형성될 수 있다. 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30) 표면 위에 형성되면서, 가공물(30)의 표면에서 반사되는 반사빔(L2)이 집광광학계(20)에 입사되는 각도가 바뀔 수 있다. 그리고, 집광광학계(20)에 입사되는 반사빔(L2)의 각도가 바뀌면서, 반사빔(L2)이 제1 빔 스플리터(110)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 또한, 반사빔(L2)이 제2 빔 스플리터(120)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 도 7에서 나타낸 바와 같이, 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30) 표면 위에 있으면, 도 7의 경우와 달리, 제2 빔 스플리터(110)에서 분할된 제1 반사빔(L21) 및 제2 반사빔(L22)의 빔 사이즈가 점점 더 작아질 수 있다. 그리고, 그로 인해 제1 반사빔(L21)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f1’)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1)보다 더 작아질 수 있다. 또한, 제2 반사빔(L22)의 집광점과 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(f2’)가 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 더 작아질 수 있다.

제1 반사빔(L21)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f1’) 제1 광 센서(142)와 제1 반사빔(L21)의 집광점 사이의 거리(t1’)는 도 7에서 나타낸 거리(t1)보다 더 커질 수 있다. 반면, 제2 광 센서(144)와 제2 반사빔(L22)의 집광점 사이의 거리(t2’)는 도 7에서 나타낸 거리(t2)보다 더 작아질 수 있다. 따라서, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 작아지면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도는 작아지는 반면, 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도는 커질 수 있다.

도 9는 도 7에서 나타낸 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 변한 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 도 7에서 나타낸 것보다 더 작아졌다. 따라서, 집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1)이 집광점을 형성하기 전에 가공물(30)의 표면 위에서 반사될 수 있다. 가공빔(L1)이 집광점을 형성하기 전에 가공물(30)의 표면 위에서 반사되면서, 가공물(30)의 표면에서 반사되는 반사빔(L2)이 집광광학계(20)에 입사되는 각도가 바뀔 수 있다. 그리고, 집광광학계(20)에 입사되는 반사빔(L2)의 각도가 바뀌면서, 반사빔(L2)이 제1 빔 스플리터(110)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 또한, 반사빔(L2)이 제2 빔 스플리터(120)에 입사되는 각도도 바뀔 수 있다. 도 8에서 나타낸 바와 같이, 가공빔(L1)이 집광점을 형성하기 전에 가공물(30)의 표면 위에서 반사면, 도 7의 경우와 달리, 제2 빔 스플리터(110)에서 분할된 제1 반사빔(L21) 및 제2 반사빔(L22)의 빔 사이즈가 점점 더 커질 수 있다. 그리고, 그로 인해 제1 반사빔(L21)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f1’)가 제1 렌즈부(132)의 초점거리(f1)보다 더 커질 수 있다. 또한, 제2 반사빔(L22)의 집광점과 제2 렌즈부(134) 사이의 거리(f2’)가 제2 렌즈부(134)의 초점거리(f2)보다 더 커질 수 있다.

제1 반사빔(L21)의 집광점과 제1 렌즈부(132) 사이의 거리(f1’) 제1 광 센서(142)와 제1 반사빔(L21)의 집광점 사이의 거리(t1’’)는 도 7에서 나타낸 거리(t1)보다 더 작아질 수 있다. 반면, 제2 광 센서(144)와 제2 반사빔(L22)의 집광점 사이의 거리(t2’’)는 도 7에서 나타낸 거리(t2)보다 더 커질 수 있다. 따라서, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 커지면, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도는 커지는 반면, 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도는 작아질 수 있다.

도 10은 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도와 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 10에서 가로축은 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리변화를 나타낸다. 가로축에서 0점은 가공빔(L1)의 집광점이 가공물(30) 표면에 형성될 때로 나타냈다. 가로축에서 ‘-’ 값은 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 0점 위치보다 줄어들었음을 의미하며, ‘+’ 값은 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 0점 위치보다 커졌음을 의미한다. 또한, 세로축은 빔의 에너지 밀도를 나타낸다. 도 9에서 S1 그래프는 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도를 나타내며, S2 그래프는 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도를 나타낸다. 또한, S1-S2는 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서의 측정값 사이의 차이를 나타낸다.

도 10을 참조하면, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 작아짐에 따라 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도는 작아지는 반면 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도는 커질 수 있다. 또한, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리가 커짐에 따라 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도는 커지는 반면 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도는 작아질 수 있다. 도 9에서 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2 광 센서(142, 144)에서 측정되는 제1 및 제2 반사빔(L21, L22)의 에너지 밀도가 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리에 의존한다. 따라서, 제1 및 제2 반사빔(L21, L22)의 에너지 밀도 측정 값에 따라 가공물(30)에 대한 집광광학계(20)의 상대적 위치가 결정될 수 있다.

예시적으로, 집광광학계(20)의 위치를 결정하기 위해, 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도 측정 값과 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도 측정값 사이의 차이를 볼 수 있다. 그래프 S1-S2를 보면, 가로축의 0점에서 가로축 값이 변함에 따라, 세로축 값이 매우 민감하게 변함을 알 수 있다. 이는 그래프 S1과 S2가 각각 가로축에 대해 서로 다른 방향으로 변하기 때문이다. 즉, 도 7 내지 도 9에서와 같이, 제1 광 센서(142)와 제2 광 센서(144)의 위치를 서로 다르게 배치하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리가 변함에 따라, 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서(144)의 측정값이 서로 다른 방향으로 변하기 때문에, 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서(144)의 측정값 사이의 차이 값을 쉽게 확인할 수 있다.

도 10에서는 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서(144)의 측정값의 그래프 S1-S2를 예시적으로 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서(144)의 측정값 사이의 비율로부터 집광광학계(20)의 위치가 결정될 수도 있다. 그 외에도 제1 광 센서(142)의 측정값과 제2 광 센서(144)의 측정값을 비교하는 방법은 당업자에게 용이한 수준에서 다양하게 변경될 수 있다.

도 5 내지 도 9에서와 같이 집광점 검출장치가 반사빔을 둘 이상으로 분할하면, 가공빔의 집광점을 검출할 때, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리 외에 다른 노이즈 요인을 배제시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1내지 도 4에서와 같이, 집광점 검출장치가 제1 광 센서(142)만 포함하는 경우, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도는 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리 외에 다른 노이즈 요인에 의해서도 변할 수 있다. 예를 들어, 광원(10)으로 출사되는 가공빔(L1)의 세기 변화, 레이저 빔의 진행경로에 있는 이물질, 가공물(30)의 반사도 차이 등에 의해 제1 광 센서(142)에서 측정되는 반사빔(L2)의 에너지 밀도가 변할 수 있다. 하지만, 도 5 내지 도 8에서와 같이, 반사빔(L2)을 둘 이상으로 분할하고, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 제1 반사빔(L21)의 에너지 밀도와 제2 광 센서(144)에서 측정되는 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도의 차이를 보면, 상술한 노이즈 요인들을 상쇄시켜 버릴 수 있다.

도 11 및 도 12는 도 5에서 나타낸 집광광학계(20)의 변형예들을 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 집광광학계(20)가 복수의 렌즈(22, 24, 26)를 포함할 수 있다. 도 11에서는 집광광학계(20)가 두 개의 볼록렌즈(24, 26)와 하나의 오목렌즈(22)를 포함하는 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 집광광학계(20)에 포함될 수 있는 렌즈의 종류 및 개수는 다르게 변경될 수 있다. 또한, 도 12를 참조하면, 집광광학계(20)는 가공빔(L1)의 경로 및 사이즈를 변경하는 스캐너(21, 23)와 가공빔(L1)의 사이즈를 변화시키는 렌즈(25)를 포함할 수도 있다. 도 12에서 나타낸 바와 같이, 집광광학계(20)는 가공물(30)을 향해 가공빔(L1)을 집광하지 않고, 가공빔(L1)의 사이즈를 더 크게 하여 평행광으로 만들어 보낼 수도 있다. 이 경우, 실시예에 따른 집광점 검출장치는 가공물(30)로 입사되는 가공빔(L1)의 사이즈 및 가공빔(L1)이 평행광이 되었는 지 여부 등을 진단하는데 사용될 수 있다.

도 13은 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 집광점 검출장치는 제2 반사빔(L22)의 진행방향을 변경해주는 제3 빔 스플리터(123) 및 제3 빔 스플리터(123)를 향해 측정용 빔(L3)을 출사하는 측정용 광원(150)을 더 포함할 수 있다. 도 5에서 나타낸 실시예의 경우, 가공빔(L1)이 가공물(30)에서 반사된 것을 이용했는데, 도 13에서는 이를 보강하여, 가공빔(L1)과 함께 가공물(30)에 입사되는 측정용 빔(L3)을 측정용 광원(150)이 출사시킬 수 있다. 이 경우, 측정용 빔(L3)의 파장과 가공빔(L1)의 파장을 달리하면, 제1 빔 스플리터(110)를 보다 효율적으로 구성할 수 있다. 제1 빔 스플리터(110)가 가공빔(L1)은 모두 투과시키고, 측정용 빔(L3)만 선택적으로 반사시키도록 구성하여, 가공빔(L1)을 출사하는 광원(10)의 에너지 효율을 높여줄 수 있다. 제1 빔 스플리터(110)는 측정용 빔(L3)을 모두 반사시킬 수도 있지만, 측정용 빔(L3)의 일부만 반사시키고 나머지는 투과시킬 수도 있다.

도 5 내지 도 9에서는 제2 빔 스플리터(120)에서 분할된 제1 반사빔(L21)과 제2 반사빔(L22)이 각각 제1 렌즈부(132)와 제2 렌즈부(134)에서 포커싱 된다. 하지만, 반사빔(L2)을 둘로 분할하는 경우에도, 집광점 검출장치가 하나의 렌즈부만을 포함할 수도 있다.

도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치를 대략적으로 나타낸 도면이다.

도 14를 참조하면, 제1 렌즈부(132)가 제1 빔 스플리터(110)와 제2 빔 스플리터(120) 사이에 마련될 수 있다. 그리고, 제2 빔 스플리터(120)는 제1 렌즈부(132)에서 포커싱된 반사빔(L2)을 제1 반사빔(L21)과 제2 반사빔(L22)으로 분할할 수 있다. 또한, 집광점 검출장치는 제2 반사빔(L22)의 방향을 전환해주는 미러(122)를 포함할 수 있다. 도면에는 나타내지 않았지만, 미러(122)의 구성은 생략될 수도 있다. 도 14에서 나타낸 바와 같이, 제1 렌즈부(132)를 제1 빔 스플리터(110)와 제2 빔 스플리터(120) 사이에 두면, 제2 반사빔(L22)을 포커싱 하기 위해 별도로 제2 렌즈부(134)를 추가로 포함시지 않아도 된다. 따라서, 집광점 검출장치의 구성이 보다 단순해질 수 있다.

이상에서 도 1 내지 도 14를 참조하여, 예시적인 실시예들에 따른 집광점 검출장치에 관하여 설명하였다. 상술한 실시예들에 따르면, 가공물(30)에서 반사된 반사빔(L2)을 포커싱하고, 포커싱된 반사빔(L2)의 에너지 밀도를 측정함으로써, 가공빔(L1)의 집광점이 형성되는 위치를 검출할 수 있다. 이 경우, 반사빔(L2)의 경로 자체를 측정하는 것이 아니라, 포커싱 된 반사빔(L2)의 에너지 밀도를 측정하기 때문에, 집광광학계(20)의 틀어짐, 가공물(30)의 위치변동 등이 있더라도 안정적으로 가공빔(L1)의 집광점 위치를 검출할 수 있다. 또한, 제2 빔 스플리터(110)를 통해 반사빔(L2)을 제1 및 제2 반사빔(L21, L22)으로 분할하면, 가공물(30)과 집광광학계(20) 사이의 거리 변화 외에 다른 노이즈 요인들을 상쇄 시킬 수 있다. 또한, 제1 광 센서(142)와 제2 광 센서(144)의 위치를 적절히 조절함으로써, 제1 광 센서(142)에서 측정되는 측정값과 제2 광 센서(144)에서 측정되는 측정값의 차이가 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리변화에 대해 민감하게 변하도록 할 수 있다.

이상에서 예시적인 실시예에 따른 집광점 검출장치에 관하여 설명하였다. 이하에서는 집광점 검출장치를 포함하는 레이저 가공장치에 관하여 설명하겠다. 도 1 내지 도 14에서 나타낸 바와 같이 레이저 가공장치는 집광점 검출장치와 광원(10) 및 집광광학계(20)를 포함하도록 구성될 수 있다. 집광광학계(20)의 위치는 광 센서로부터 측정되는 반사빔의 에너지 밀도에 따라 결정될 수 있다. 집광광학계(20)의 위치는 수동으로 조절될 수도 있고, 집광점 검출장치에 의해 자동으로 조절될 수도 있다. 집광광학계(20)의 위치를 자동으로 조절하는 경우, 도 1내지 도 14에서 나타낸 집광점 검출장치는 오토포커싱 유닛으로 작동할 수 있다.

도 1 내지 도 14에서는 가공빔(L1)의 집광점을 가공물(30)의 표면에 형성하는 것을 타겟팅(targeting)하는 것을 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 실시예에 따른 레이저 가공장치는 집광점 검출장치를 이용하여 가공물(30) 내부에 가공빔(L1)의 집광점을 형성할 수도 있다.

도 15은 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치가 가공물(30) 내부에 가공빔(L1)의 집광점을 형성한 예를 나타낸 도면이다.

도 15을 참조하면, 실시예에 따른 레이저 가공장치는 가공물(30)에 레이저 가공을 위한 가공빔(L1)을 출사하는 광원(10)과, 가공빔(L1)을 집광하는 집광광학계(20) 및 가공빔(L1)의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되도록 상기 집광 광학계의 위치를 조절하는 오토포커싱 유닛을 포함할 수 있다. 상기 오토포커싱 유닛은 전술한 집광점 검출장치와 같이 구현될 수 있다. 도 15에서는 오토포커싱 유닛의 실시예로 도 7 내지 도 9에서 나타낸 집광점 검출장치를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 레이저 가공장치에 포함될 수 있는 오토포커싱 유닛에는 도 1 내지 도 14를 참조하여 설명한 실시예들이 모두 적용될 수 있다.

집광광학계(20)를 통과한 가공빔(L1) 중 적어도 일부는 가공물(30) 내부로 진행할 수 있다. 그리고, 가공빔(L1) 중 다른 일부는 가공물(30) 표면에서 반사될 수 있다. 가공빔(L1)이 가공물(30) 내부에 집광점(P)을 형성하기 위해, 집광광학계(20)와 가공물(30) 사이의 거리는 도 5에서 나타낸 것보다 가까울 수 있다. 오토포커싱 유닛의 제1 광 센서(142)와 제2 광 센서(144)는 각각 제1 반사빔(L21)과 제2 반사빔(L22)의 에너지 밀도를 측정할 수 있다. 오토포커싱 유닛은 제1 및 제2 광 센서(142, 144)에서 측정된 에너지 밀도에 기초하여, 가공빔(L1)의 집광점(P)이 가공물(30) 내부에 형성되도록 집광광학계(20)의 위치를 조절할 수 있다.

도 16은 도 15에서 나타낸 가공물(30) 내부에서 가공빔(L1)의 집광점(P)이 형성되는 것을 확대하여 나타낸 도면이다.

도 16을 참조하면, 가공물(30)에 입사된 가공빔(L1) 중 일부는 반사되어 반사빔(L2)으로 돌아가고 다른 일부는 가공물(30) 내부로 진행하는 투과빔(L1’)이 되어 가공물(30) 내부에서 집광점(P)을 형성할 수 있다. 이 때, 반사빔(L2)의 집광점이 형성되는 높이(d1)와 가공물 내부에 집광점(P)이 형성되는 깊이(d2) 사이에는 다음과 같은 수학식이 만족될 수 있다.

d2 = n*d1 ....... 수학식 (1)

여기서, n은 가공물(30) 내부의 굴절률을 의미한다. 또한, 가공물(30) 외부의 굴절률은 공기의 굴절률인 1이라고 가정하였다. 따라서 위 수학식 1은 예시적인 것에 불과할 뿐, 실시예가 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 가공물(30)과 가공물(30) 외부의 굴절률이 다르기 때문에 스넬의 법칙에 따라 반사빔(L2)의 반사각과 투과빔(L1’)의 투과각이 달라질 수 있다. 따라서, 반사빔(L2)의 집광점이 형성되는 높이(d1)보다 가공물 내부에 집광점(P)이 형성되는 깊이(d2)가 더 클 수 있다.

실제, 오토포커싱 장치의 광 센서(142, 144)에서 검출되는 에너지 밀도는 반사빔(L2)에 의한 것이다. 따라서, 오토포커싱 장치의 광 센서(142, 144)에서 검출되는 에너지 밀도 값은 반사빔(L2)의 집광점 높이(d1)에 의존할 수 있다. 그런데, 반사빔(L2)의 집광점 높이(d1)와 가공물 내부에 집광점(P)이 형성되는 깊이(d2) 사이에는 위와 같이 수학식 1이 만족할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 레이저 가공장치는 가공물(30) 내부에 가공빔(L1)의 집광점을 형성하기 위해, 오토포커싱 유닛의 광 센서(142, 144)에서 측정되는 에너지 밀도 뿐만 아니라 굴절률도 함께 고려할 수 있다. 즉, 집광광학계(20)의 위치는 제1 및 제2 광 센서(142, 144)에서 측정되는 제1 및 제2 반사빔(L21, L22)의 에너지 밀도와 가공물(30)의 굴절률에 의해서 결정될 수 있다.

도 17은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물(30) 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 광 센서(142)의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.

도 17을 참조하면, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이가 클수록 제1 렌즈부(132)와 제1 광 센서(142) 사이의 거리도 더 커질 수 있다. 도 17과 같이, 제1 렌즈부(132)와 제1 광 센서(142)를 구성했을 때, 제1 광 센서(142)가 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔의 집광점 근처에서 위치가 변할 때, 제1 광 센서(142)의 측정값의 변화율이 가장 크게 변할 수 있다. 그런데, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3) 형성 깊이를 크게하면 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔의 집광점 위치가 바뀔 수 있다. 따라서, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3) 목표지점이 달라짐에 따라 제1 광 센서(142)의 위치를 변경해주면, 보다 용이하게 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 목표지점에 도달했는지 여부를 확인할 수 있다.

예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1)이 가공물(30) 표면에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21a)의 집광점이 상대적으로 제1 렌즈부(132)로부터 가깝게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)의 위치(K1) 또한 제1 렌즈부(132)로부터 가깝게 설정될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P2)이 가공물(30)의 내부에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21b)의 집광점이 상대적으로 제1 렌즈부(132)로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)의 위치(K2) 또한 상술한 위치(K1)보다 제1 렌즈부(132)로부터 더 멀어질 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P3)이 가공물(30)의 내부에 더 깊은 곳에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21c)의 집광점이 상대적으로 제1 렌즈부(132)로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 제1 광 센서(142)의 위치(K3) 또한 상술한 위치(K1, K2)보다 제1 렌즈부(132)로부터 더 멀어질 수 있다.

도 18는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물(30) 내부의 집광점(P1, P2, P3) 위치가 바뀜에 따라, 제1 및 제2 광 센서(142, 144)의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.

도 18를 참조하면, 도 17에서 나타낸 제1 렌즈부(132)와 마찬가지로 제2 광 센서(144)의 위치(K1, K2, K3) 또한, 가공빔(L1)의 집광점(P3) 깊이가 깊어짐에 따라 제2 렌즈부(134)로부터 더 멀어질 수 있다.

예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1)이 가공물(30) 표면에 형성될 때는 제2 렌즈부(134)를 통과한 제2 반사빔(L22a)의 집광점이 상대적으로 제2 렌즈부(134)로부터 가깝게 형성될 수 있다. 따라서, 제2 광 센서(144)의 위치(J1) 또한 제2 렌즈부(134)로부터 가깝게 설정될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P2)이 가공물(30)의 내부에 형성될 때는 제2 렌즈부(134)를 통과한 반사빔(L22b)의 집광점이 상대적으로 제2 렌즈부(134)로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 제2 광 센서(144)의 위치(J2) 또한 상술한 위치(J1)보다 제2 렌즈부(134)로부터 더 멀어질 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P3)이 가공물(30)의 내부에 더 깊은 곳에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L22c)의 집광점이 상대적으로 제2 렌즈부(134)로부터 멀어질 수 있다. 따라서, 제2 광 센서(144)의 위치(J3) 또한 상술한 위치(J1, J2)보다 제2 렌즈부(134)로부터 더 멀어질 수 있다.

도 19은 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물(30) 내부의 집광점 위치가 바뀜에 따라, 제1 렌즈부(142)의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.

도 19을 참조하면, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 달라지더라도 제1 렌즈부(132)의 위치를 조절함으로써, 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21a, L21b, L21c)이 집광점을 형성하는 위치를 거의 일정하게 유지할 수 있다.

예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1)이 가공물(30) 표면에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)의 위치(A1)가 상대적으로 제1 빔 스플리터(110)로부터 가깝게 형성될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P2)이 가공물(30) 내부에 형성될 때는 제1 렌즈부(132)의 위치(A2)가 전술한 위치(A1)보다 상대적으로 제1 빔 스플리터(110)로부터 멀게 형성될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P3)이 가공물(30) 내부에 형성되는 깊이가 커지면 제1 렌즈부(132)의 위치(A3)가 전술한 위치들(A1, A2)보다 제1 빔 스플리터(110)로부터 더 멀게 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 제1 렌즈부(132)의 위치를 변경함으로써, 가공빔(L1)의 집광점의 목표위치가 달라지더라도 제1 광 센서(142)의 위치를 변화시지 않을 수 있다.

도 20는 다른 예시적인 실시예에 따른 레이저 가공장치에서 가공물(30) 내부의 집광점(P1, P2, P3) 위치가 바뀜에 따라, 제1 및 제2 렌즈부(132, 134)의 위치가 변경되는 예를 나타낸 도면이다.

도 20을 참조하면, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 달라지더라도 제1 렌즈부(132)의 위치를 조절함으로써, 제2 렌즈부(134)를 통과한 반사빔(L22a, L22b, L22c)이 집광점을 형성하는 위치를 거의 일정하게 유지할 수 있다.

예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1)이 가공물(30) 표면에 형성될 때는 제2 렌즈부(134)의 위치(B1)가 상대적으로 미러(122)로부터 가깝게 형성될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P2)이 가공물(30) 내부에 형성될 때는 제2 렌즈부(134)의 위치(B2)가 전술한 위치(B1)보다 상대적으로 미러(122)로부터 멀게 형성될 수 있다. 다른 예로, 가공빔(L1)의 집광점(P3)이 가공물(30) 내부에 형성되는 깊이가 커지면 제1 렌즈부(132)의 위치(B3)가 전술한 위치들(B1, B2)보다 제1 빔 스플리터(110)로부터 더 멀게 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 제2 렌즈부(134)의 위치를 변경함으로써, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)의 목표위치가 달라지더라도 제2 광 센서(144)의 위치를 변화시지 않을 수 있다.

도 21는 도 19에서 나타낸 제1 렌즈부(132)를 다르게 변형한 예를 나타낸 도면이다.

도 21를 참조하면, 제1 렌즈부(132)가 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 렌즈부(132)는 제1 렌즈부(132)에 포함된 렌즈들(132a, 132b, 132c) 사이의 거리를 조절함으로써, 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21a, L21b, L21c)의 집광점 위치를 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈부(132)는 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c)와 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c) 사이에 마련되는 오목렌즈(132b)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈부(132)는 렌즈들 사이의 거리(h1, h2)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커짐에 따라 제1 렌즈부(132)에 입사되는 반사빔(L21a, L21b, L21c)의 사이즈가 커질 수 있다. 따라서 제1 렌즈부(132)는 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커질수록 제1 볼록렌즈(132a)와 오목렌즈(132b) 사이의 거리(h1)를 크게하고, 오목렌즈(132b)와 제2 볼록렌즈(132b) 사이의 거리(h2)는 작게할 수 있다.

도 21에서는 제1 렌즈부(132)가 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c)와 하나의 오목렌즈(132b)를 포함하는 예를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 렌즈부(132)에 포함될 수 있는 렌즈의 종류 및 개수는 당업자가 용이하게 변경할 수 있는 수준에서 다르게 변경될 수도 있다.

도 22은 도 20에서 나타낸 제1 및 제2 렌즈부(132, 134)를 다르게 변형한 예를 나타낸 도면이다.

도 22을 참조하면, 제1 및 제2 렌즈부(132, 134)가 복수의 렌즈를 포함할 수 있다. 제1 렌즈부(132)는 제1 렌즈부(132)에 포함된 렌즈들(132a, 132b, 132c) 사이의 거리를 조절함으로써, 제1 렌즈부(132)를 통과한 반사빔(L21a, L21b, L21c)의 집광점 위치를 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 제2 렌즈부(134)는 제2 렌즈부(134)에 포함된 렌즈들(134a, 134b, 134c) 사이의 거리를 조절함으로써, 제2 렌즈부(134)를 통과한 반사빔(L22a, L22b, L22c)의 집광점 위치를 일정하게 유지할 수 있다.

예를 들어, 제1 렌즈부(132)는 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c)와 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c) 사이에 마련되는 오목렌즈(132b)를 포함할 수 있다. 마찬가지로 제2 렌즈부(134)도 두 개의 볼록렌즈(134a, 134c)와 두 개의 볼록렌즈(134a, 134c) 사이에 마련되는 오목렌즈(134b)를 포함할 수 있다.

제1 렌즈부(132)는 렌즈들 사이의 거리(h1, h2)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커짐에 따라 제1 렌즈부(132)에 입사되는 반사빔(L21a, L21b, L21c)의 사이즈가 커질 수 있다. 따라서 제1 렌즈부(132)는 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커질수록 제1 볼록렌즈(132a)와 오목렌즈(132b) 사이의 거리(h1)를 크게하고, 오목렌즈(132b)와 제2 볼록렌즈(132b) 사이의 거리는 작게할 수 있다.

제2 렌즈부(134)도 렌즈들 사이의 거리(h3, h4)를 조절할 수 있다. 예를 들어, 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커짐에 따라 제2 렌즈부(134)에 입사되는 반사빔(L22a, L22b, L22c)의 사이즈가 커질 수 있다. 따라서 제2 렌즈부(134)는 가공빔(L1)의 집광점(P1, P2, P3)이 형성되는 깊이가 커질수록 제3 볼록렌즈(132a)와 오목렌즈(132b) 사이의 거리(h3)를 크게하고, 오목렌즈(132b)와 제4 볼록렌즈(132b) 사이의 거리(h4)는 작게할 수 있다.

도 22에서는 제1 및 제2 렌즈부(132, 134)가 각각 두 개의 볼록렌즈(132a, 132c, 134a, 134c)와 하나의 오목렌즈(132b, 134b)를 포함하는 예를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 및 제2 렌즈부(132, 134)에 포함될 수 있는 렌즈의 종류 및 개수는 당업자가 용이하게 변경할 수 있는 수준에서 다르게 변경될 수도 있다.

이상에서 도 15 내지 도 22을 참조하여 예시적인 실시예들에 따른 레이저 가공장치에 대하여 설명하였다. 실시예들에 따르면, 레이저 가공장치가 오토포커싱 유닛을 이용하여 가공물(30) 내부의 원하는 지점에 가공빔(L1)의 집광점이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 가공물의 집광점 위치가 바뀌더라도, 렌즈부나 광 센서의 위치를 바꿈으로써 안정적으로 가공빔(L1)의 집광점 위치를 검출할 수 있다.

이상의 설명에서 많은 사항들이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

10 : 광원
20 : 집광광학계
30 : 가공물
L1 : 가공빔
L2 : 반사빔
L3 : 측정빔
110 : 제1 빔 스플리터
120 : 제2 빔 스플리터
132 : 제1 렌즈부
134 : 제2 렌즈부
142 : 제1 광 센서
144 : 제2 광 센서
122 : 미러
123 : 제3 빔 스플리터
150 : 측정용 광원

Claims (16)

1. 가공물에 레이저 가공을 위한 가공빔을 출사하는 광원;
   상기 가공빔을 집광하는 집광 광학계; 및
   상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되도록 상기 집광 광학계의 위치를 조절하는 오토포커싱 유닛;을 포함하며,
   상기 오토 포커싱 유닛은, 상기 집광광학계와 광원 사이에 마련되어, 상기 가공대상물로부터 반사된 반사광 중 적어도 일부를 반사시키는 제1 빔 스플리터; 상기 제1 빔 스플리터로부터 반사된 상기 반사광을 포커싱하는 제1 렌즈부; 및 상기 제1 렌즈부로부터 상기 반사광이 포커싱 되는 방향에 마련되어, 상기 제1 렌즈부에 의해 포커싱된 상기 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제1 광 센서;를 포함하는 레이저 가공장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 집광광학계의 위치는 상기 제1 광 센서에서 측정되는 상기 반사광의 에너지 밀도에 의해 결정되는 레이저 가공장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라지는 레이저 가공장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이가 클수록 더 크게 설정되는 레이저 가공장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리는 상기 가공물 내부의 굴절률에 따라 달라지는 레이저 가공장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부는 두 개의 볼록렌즈와 상기 두 개의 볼록렌즈 사이에 마련되는 오목렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 제1 렌즈부에서 상기 두 개의 볼록렌즈와 상기 오목렌즈의 위치는 상기 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라지는 레이저 가공장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 오토포커싱 유닛은, 상기 제1 빔 스플리터에서 반사된 반사광을 제1 반사광과 제2 반사광으로 분할하는 제2 빔스플리터를 더 포함하는 레이저 가공장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제1 반사광은 상기 제1 렌즈부로 입사되며,
   상기 오토포커싱 유닛은, 제2 반사광이 입사되는 제2 렌즈부; 및 상기 제2 렌즈부로부터 상기 제2반사광이 포커싱 되는 방향에 마련되어, 상기 제2 렌즈부에 의해 포커싱된 상기 제2 반사광의 에너지 밀도를 측정하는 제2 광 센서;를 포함하는 레이저 가공장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 집광광학계의 위치는 상기 제1 광 센서에서 측정되는 상기 제1 반사광의 에너지 밀도 및 상기 제2 광 센서에서 측정되는 상기 제2 반사광의 에너지 밀도에 의해 결정되는 레이저 가공장치.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 집광광학계의 위치는, 상기 제1 반사광의 에너지 밀도와 상기 제2 반사광의 에너지 밀도의 차이 값에 의해 결정되는 레이저 가공장치.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라지는 레이저 가공장치.
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이가 클수록 더 크게 설정되는 레이저 가공장치.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈부와 상기 제1 광 센서 사이의 거리 및 상기 제2 렌즈부와 상기 제2 광 센서 사이의 거리는 상기 가공물 내부의 굴절률에 따라 달라지는 레이저 가공장치.
15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈부와 상기 제2 렌즈부는 각각 두 개의 볼록렌즈와 상기 두 개의 볼록렌즈 사이에 마련되는 오목렌즈를 포함하는 레이저 가공장치.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 렌즈부 각각에서 상기 두 개의 볼록렌즈와 상기 오목렌즈의 위치는 상기 상기 가공빔의 집광점이 상기 가공물 내부에 형성되는 깊이에 따라 달라지는 레이저 가공장치.

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