KR20170037972A - 재료를 패터닝하기 위한 마이크로머시닝 방법 및 시스템, 및 하나의 이러한 마이크로머시닝 시스템을 사용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료를 패터닝하기 위한 마이크로머시닝 방법에 관한 것이다. 상기 패턴은 복수의 점으로 구성된다. 상기 방법은 다음 단계, 즉: - 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 방출하는 단계; - 상기 패턴을 형성하는 복수의 점에 따라 상기 광 빔을 성형하기 위해 적어도 하나의 위상 변조를 적용하는 것에 의해, 동적 광학 변조 장치의 변조 평면에서, 상기 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 동적으로 성형하는 단계; 및 상기 변조 평면에 대해 퓨리에 구성에 있는 작업 평면에 위치된 상기 재료의 일 표면 상에 상기 성형된 광 빔을 포커싱 장치에 의해 포커싱하는 단계를 포함한다. 상기 방법에서, 상기 재료를 패터닝하는 것은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 엄격하게 더 적은 상기 광 빔의 유한 수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인으로 수행되고, 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 10 ps와 100 ns 사이에 포함된 미리 결정된 펄스 지속시간을 갖도록 제어된다. 본 발명은 또한 상기 방법을 구현하는 마이크로머시닝 시스템 및 상기 시스템을 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

재료를 패터닝하기 위한 마이크로머시닝 방법 및 시스템, 및 하나의 이러한 마이크로머시닝 시스템을 사용하는 방법{MICROMACHINING METHOD AND SYSTEM FOR PATTERNING A MATERIAL, AND METHOD FOR USING ONE SUCH MICROMACHINING SYSTEM}

본 발명은, 특히 산업 생산 속도에 상응하는 마이크로머시닝 방법 및 시스템을 통해 재료를 마킹(marking)하는데 사용되는, 예를 들어, 제품을 식별하거나 및/또는 이 제품을 인증하기 위해 제품을 마킹하는데 사용되는, 재료를 마이크로머시닝하는 분야에 관한 것이다.

오늘날 마킹 분야가 크게 성장하는 상황에서 기존의 레이저 기술은 대다수의 재료를 가공하여 현재의 산업적 문제를 해결함과 동시에 동작 파라미터 및 방법에 따라 부가 가치를 창출할 수 있는 높은 잠재력을 보여주는 능력으로 인해 크게 발전하였다. 그러나 레이저 기술이 한계에 도달한 시장, 즉 높은 생산 속도를 갖는 생산 분야, 예를 들어, 일반적으로 소형 제품을 대량으로 제조하는 식품-가공 산업, 제약 산업, 기준 회사(fiduciary company) 및 전자 분야가 있다.

요즘 가장 널리 사용되는 마킹 기술은 편향 헤드에 결합된 다양한 복사선 특성(전력, 펄스 반복률, 에너지, 파장, 펄스 지속시간 등)을 가진 레이저 소스의 조합에 의존한다. 이 헤드는, 레이저 빔을 포커싱하는데, 즉 빔을 한 점에 공간적으로 집중시키고, 그리고 펜의 팁과 유사하게 마킹될 부분의 공간 내로 제어 및 자동화된 동작을 하는데 사용된다. 편향 헤드는 일반적으로 2개의 직교 축을 중심으로 회전하는 2개의 미러로 구성된 갈바노메트릭 헤드이다. 이 2개의 미러를 모터로 구동하는 것은 원하는 방향을 따라 빔의 각도 편차를 야기하고, 이 각도 편차는 포커싱 "f-세타" 렌즈에 의해 샘플 평면 상에 거리로 선형 변환된다. 또한 광학 시스템(미러, 프리즘, 디스크, 다각형 등)의 기계적 움직임에 기초하는 다른 기술이 특정 요구에 대해 그리고 또한 마킹 속도를 향상시키기 위해 개발되었다. 그러나, 높은 생산 속도에서 이러한 시스템을 사용하면, 예를 들어, 회전 미러의 실행 속도와 안정성, 레이저 빔의 펄스 반복률과 움직임의 동기화, 마킹할 제품의 이송 속도에 따른 움직임 보정에 관해 많은 문제를 야기한다. 이러한 모든 제한점이 처리되면, 더 빠르고 더 비싸거나, 또는 더 창의적이지만 매우 특정된 새로운 시스템만이 아마 이 요구조건을 충족할 수 있다. 미국 특허 번호 US 5,734,145로 공개된 이시하라(Ichihara) 등의 특허 문헌은, 생산 라인 상의 이미지를 레이저 가공하는 것을 가속시키기 위하여, 예를 들어, 2개의 갈바노메트릭 미러, 회전 다각형 미러 및 액정 마스크를 결합하는 복잡한 기계 시스템을 제안한다.

마킹하는데 사용되는 광 빔을 변형하는 성향이 있는 다른 개선들이 있다. 첫째, 소위 "진폭 마스크" 기술이 있는데, 이 진폭 마스크 기술은 가공할 형상과 동일한 형상의 마스크를 사용하여, 이에 따라 2개의 주된 단점, 즉: 마스크가 고유하다는 것과, 마킹을 요구하지 않는 영역에서 빔이 차단될 때 에너지 손실이 있다는 것을 특징으로 한다. 예를 들어, 미국 특허 번호 4,128,752 및 프랑스 특허 번호 FR 2 909 922로 공개된 특허 문헌을 참조할 수 있다.

동적 변조기는 빔을 직접 성형하는 다른 기술에 속한다. 이들 변조기는 레이저 광학 복사선을 공간적으로 변조하기 위한 활성 광학 소자(active optical element)이며, 이 소자는 보다 복잡한 것을 댓가로 입사하는 레이저 에너지의 상당 부분을 반사하거나 또는 투과시키는 능력을 가져서, 물리학을 사용하기 더 곤란하다.

예를 들어, 미국 특허 US 4,734,558 및 US 4,818,835에서, 편광 성형에 의해 레이저 마킹하는 전체 시스템이 설명된다. 변조기들은 마킹할 그림(figure)의 이미지에 각각 광학적으로 주소지정되고 (마스크로 조명되고) 전기적으로 주소지정된다. 마킹할 그림을 투과하거나 또는 이 마킹할 그림에서 반사한 후, 마킹할 레이저 빔은 2개의 편광을 갖게 공간적으로 변조되고, 이들 편광 중 하나의 편광은 분석기를 통과할 때 제거된다. 이미징 관계에 의해 필터링되는 형상을 마킹하기 위해 우측 편광을 가진 에너지 부분만이 마지막으로 포커싱 렌즈로 전송된다. 이들 방법은 모두 동적 변조기를 사용하지만, 분석기를 사용하면 잘못된 편광을 갖는 에너지가 순 손실되기 때문에 진폭 마스크를 갖는 시스템과 동일한 단점이 있다.

미국 특허 출원 US 2001/045,418에서, 마이크로-미러 매트릭스를 사용하여 동시에 다중-점을 마킹하기 위하여 레이저 빔을 복수의 독립적으로 제어되는 서브-빔으로 분할하는 것이 제안되어 있다. 그러나 마이크로 미러의 해상도가 낮으면 해상도 면에서 상당한 한계가 초래되고, 그 결과 이미지를 생성할 때 유연성 면에서 상당한 한계가 초래된다. 추가적으로, 진폭 변조기로 사용되는 변조기 및 이 변조기 표면에서 생성되는 이미지는 이미징 관계에 의해 재료 상에 직접 재생되어, 다시 에너지가 손실되는 단점, 즉 부분적으로 흡수되거나 또는 부분적으로 거부되는 단점이 있다.

국제 출원 WO 01/061619 및 미국 특허 출원 US 2011/0292157에는 광의 공간 변조를 사용하는 마킹 장치가 제안되어 있는데, 이 마킹 장치는 보다 구체적으로 재료를 마킹할 레이저 빔의 진폭을 변조하도록 구성되고, 변조기 표면에서 생성되는 이미지는 이미징에 의해 재료 상에 직접 재생된다. 제안된 특정 구성은 제한된 개수의 레이저 샷(laser shot)으로 복수의 점을 마킹하는 것을 가능하게 한다. 이러한 구성은 구현하는 것이 여전히 복잡한데, 보다 구체적으로 매우 특정한 레이저 소스와 특별한 광학 배열을 요구한다. 나아가, 이 장치는 또한 진폭 변조로 인해 총 에너지 손실을 겪는다.

특허 출원 FR 2 884 743에서, fs (femtosecond) 펄스 레이저 빔을 위상 성형하는 머시닝 솔루션이 제안된다. 성형하는 것으로부터 하류에서 빔 분석하는 것과 성형하는 것 자체 사이에 피드백 루프를 사용하여 이 성형을 최적화해서 높은 생산 속도에 적용하고 이러한 펄스 방식 하에서 감소된 가열 효과를 제공한다. 그러나 이 특허 출원에서 제안된 솔루션은 설정을 구현하는 것이 복잡하고 종종 비용이 많이 드는 매우 특정된 값비싼 레이저 소스를 요구하기 때문에 제한된 수의 산업에서만 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 목적은, 복잡한 설정을 요구하지 않고, 기존 장치로, 특히, 구현하기 쉽고, 산업적으로 사용될 수 있는, 예를 들어, 마킹을 식별하거나 및/또는 인증하기 위해 재료 상에 패턴을 형성하기 위한 마이크로머시닝 방법을 제안하는 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 재료 상에 패턴을 형성하고 기존의 방법 및 시스템에 비해 생산성을 증가시킬 수 있는 마이크로머시닝 방법 및 시스템을 제안하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 2개의 연속적인 마킹들 사이에서 상기 마이크로머시닝 방법 및 시스템의 설정을 변경할 필요 없이 마킹을 식별하거나 및/또는 인증할 수 있는, 재료 상에 패턴을 형성하기 위한 마이크로머시닝 방법 및 시스템을 제안하는 것이다.

그리고 본 발명의 또 다른 목적은 상이한 제품의 구성 재료 및 마이크로머시닝 시스템 그 자체에 따라 이 상이한 제품의 마킹 속도를 최적화하기 위한 마이크로머시닝 시스템을 사용하는 방법을 제안하는 것이다.

따라서, 본 발명은, 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료 상에 형성하기 위한 마이크로머시닝 방법으로서, 다음 단계, 즉:

- 공간적으로 펄스화되고 시간적으로 간섭성의 광 빔(coherent light beam)을 방출하는 단계;

- 상기 패턴을 형성하는 복수의 점에 따라 상기 광 빔을 성형하기 위해 적어도 하나의 위상 변조를 적용하는 것에 의해, 동적 광학 변조 장치의 변조 평면에서, 상기 공간적으로 그리고 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 동적으로 성형하는 단계;

- 바람직하게는 상기 변조 평면에 대해 퓨리에 구성(Fourier configuration)에 있는 작업 평면에 위치된 상기 재료의 표면 상에 상기 성형된 광 빔을 포커싱 장치에 의해 포커싱하는 단계;

를 포함하고, 상기 재료 상에 패턴을 형성하는 것은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 엄격히 더 적은 상기 광 빔의 유한 개수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인, 바람직하게는 단 하나의 펄스 트레인만으로 수행되고, 상기 광 빔의 방출은 각각의 펄스가 10 ps와 100 ns 사이에 포함된, 바람직하게는 100 ps와 10 ns 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 300 ps와 8 ns 사이에 포함된 결정된 펄스 지속시간을 갖도록 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 마이크로머시닝 방법을 제안한다.

단독으로 또는 조합하여 취해지는 이 마이크로머시닝 방법의 바람직하지만 비-제한적인 측면들은 다음과 같다:

- 상기 방법은 동일한 마이크로머시닝 파라미터에 따라 복수의 동일한 제품에 동일한 패턴을 형성하는데 사용되고, 여기서 모든 패턴은 상기 제품을 개별적으로 인증하기 위해 형성된 후에 기록된다.

- 상기 펄스 트레인은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 적어도 2 배 더 적은, 바람직하게는 적어도 10 배 더 적은, 보다 바람직하게는 적어도 100 배 더 적은 펄스 수를 포함한다.

- 상기 펄스 트레인은 1000개 미만의 펄스, 바람직하게는 100개 미만의 펄스, 보다 바람직하게는 10개 미만의 펄스를 포함하고, 보다 바람직하게는 상기 펄스 트레인은 단 하나의 펄스만을 포함한다.

- 상기 방법은 상기 패턴에 대응하는 입력 설정점 값으로부터 변조 설정점 값을 계산하는 단계를 더 포함하며, 상기 변조 설정점 값은 상기 광 빔을 동적으로 성형하기 위해 상기 변조 장치에 부여된다.

- 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 10 μJ과 30 mJ 사이에 포함된, 바람직하게는 100 μJ과 15 mJ 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 1 mJ과 10 mJ 사이에 포함된 결정된 에너지를 갖도록 제어된다.

- 상기 광 빔의 방출은 상기 펄스 트레인의 펄스가 10 Hz와 30 kHz 사이에 포함된, 바람직하게는 20 Hz와 5 kHz 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 250 Hz와 1 kHz 사이에 포함된 반복률을 갖도록 제어된다.

- 상기 광 빔의 방출은 상기 펄스 트레인이 50 μW와 20W 사이에 포함된, 바람직하게는 10 mW와 5W 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 20 mW와 2W 사이에 포함된 평균 전력을 전달하도록 제어된다.

- 상기 광 빔의 방출은 상기 동적 광학 변조 전에 직선 편광을 갖도록 제어된다.

본 발명은 또한, 공간적으로 및 시간적으로 간섭성인 펄스화된 광 빔의 방출로부터 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료 상에 형성하기 위한 마이크로머시닝 시스템으로서,

- 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 작거나 같은 유한 수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인으로 상기 광 빔의 방출을 제한하는 수단, 및 10 ps와 100 ns 사이에 포함된 펄스 지속시간에 따라 상기 광 빔을 설정하는 수단을 포함하는, 상기 광 빔을 제어하는 제어 장치;

- 변조 설정점 값으로부터 적어도 하나의 위상 변조에 따라 상기 제어 장치에 의해 설정된 상기 광 빔을 변조 평면에서 변조하여, 상기 패턴을 형성하는 상기 복수의 점에 따라 상기 광 빔을 성형하는 수단을 포함하는 동적 광학 변조 장치;

- 상기 변조 설정점 값을 상기 변조 장치에 부여하도록 제공되고, 상기 패턴에 대응하는 입력 설정점 값으로부터 상기 변조 설정점 값을 계산하는 수단을 포함하는 제어 장치;

- 바람직하게는 상기 변조 장치의 변조 평면에 대하여 퓨리에 구성에 있는 작업 평면에 위치된 상기 재료의 표면 상에 상기 성형된 광 빔을 상기 변조 장치에 의해 포커싱하도록 배열된 포커싱 장치를 포함하는 상기 마이크로머시닝 시스템을 제안한다.

단독으로 또는 조합하여 취해지는 이 마이크로머시닝 시스템의 바람직하지만 비-제한적인 측면들은 다음과 같다:

- 상기 포커싱 장치는 상기 변조 장치의 변조 평면에 대해 퓨리에 구성에 있는 포커싱 평면을 포함한다.

- 상기 시스템은 포커싱된 광 빔이 시스템 입력에서 광 빔에 대해 90°로 배향되도록 배열된 광학 소자의 세트를 더 포함한다.

- 상기 시스템은 200x200x250mm ³ 미만, 바람직하게는 200x200x200mm ³ 미만의 벌크 볼륨(bulk volume)을 가진다.

일 측면에 따르면, 본 발명은, 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료 상에 형성하기 위한 마이크로머시닝 시스템을 사용하는 방법으로서, 상기 시스템은 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 방출하는 방출 장치, 상기 광 빔을 복수의 점으로 성형하기 위한 위상 변조를 포함하는, 상기 광 빔을 동적 광학적으로 변조하는 동적 광학 변조 장치, 및 상기 성형된 광 빔을 상기 재료의 표면 상으로 포커싱하는 포커싱 장치를 포함하고, 상기 방법은 다음의 단계, 즉:

a. 재료를 반응하게 하는 상기 광 빔의 펄스의 수(k)를 선택하는 것에 의해 펄스 트레인을 설정하는 단계;

b. 상기 재료가 상기 광 빔의 펄스 수(k)에 대해 반응하는 스레스홀드 밀도(F_threshold(k))를 계산하고, 관련된 스레스홀드 전력(P_threshold(k))을 결정하는 단계;

c. 상기 방출 장치와 상기 위상 변조 장치의 특성 파라미터로부터 상기 변조 장치의 출력에서 이용가능한 전력(P_avail(N _k ))에 대한 방정식을 설정하고, N _k 는 결정될 수이고, k개의 펄스의 트레인에 대해 마킹될 수 있는 점들의 최대 수를 나타내는, 상기 방정식을 설정하는 단계;

d. 성형된 점의 수가 상기 재료가 반응하는 스레스홀드에 영향을 미치지 않는다는 가설 하에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )를 계산하는 단계로서, 상기 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )는 다음 수식, 즉:

o N _k = P_avail(N _k )/P_threshold(k)으로 계산되는, 상기 점들의 최대 수를 계산하는 단계;

e. 상기 광 빔의 펄스의 수(k)로 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )보다 작거나 같은 복수의 N개의 점으로 상기 광 빔을 성형하도록 상기 위상 변조를 설정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는, 상기 방법을 제안한다.

단독으로 또는 조합하여 취해지는 이 사용 방법의 바람직하지만 비-제한적인 측면들은 다음과 같다:

- 단계 d)에서 계산된 k개의 펄스의 트레인에 대해 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )가 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 더 적은 경우, 상기 광 빔에 대해 더 많은 수(k)의 펄스를 선택함에 있어서 단계 a) 내지 d)가 반복된다.

- 단계 a)에서, 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 더 적은, 상기 광 빔의 펄스 수(k)가 선택된다.

- 상기 위상 변조는 상기 광 빔의 펄스의 수(k) 내에서 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )의 절반 이하의 값만큼 제한되는 복수의 N개의 점으로 상기 광 빔을 성형하도록 설정된다.

- 상기 방법은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수를 위상 변조를 설정하도록 선택된 상기 복수의 N개의 점으로 나누는 것에 의해 전체 패턴을 형성하는데 필요한 펄스 트레인의 수를 보충적으로 계산하는 단계를 포함하고, 상기 패턴은 개별적으로 형성될 수 있는 복수의 기본 서브-패턴으로 분해(decomposing)되는 복합 패턴(complex pattern)이다.

- 상기 펄스 트레인을 설정하는 것은 임의의 펄스 수(i)에 대한 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold(i))를 계산한 것에 따라 펄스 수(k)를 선택하는 것으로 구성되며, 상기 펄스 수(k)는 최소 스레스홀드 에너지 밀도의 200 %와 동일한 스레스홀드에너지 밀도에 대응하는 펄스 수(k ₂₀₀ )와, 에너지 밀도가 최소 스레스홀드 에너지 밀도와 동일한 최소 펄스 수에 대응하는 펄스 수(k ₁₀₀ ) 사이에서 선택된 정수이다.

- 상기 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)를 계산하는 것은, 상기 광 빔이 가우시안 형상을 가지고, 상기 광 빔으로 조사되는 재료가 다음 수식, 즉:

으로 주어지는 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)로부터 반응하는 것을 고려하여 수행되고, 여기서, D는 재료에 대한 광 빔의 물리적 충돌 직경이고, F_peak는 광학 축에서 측정된 최대 에너지 밀도이고, 레이저 평균 전력(P_av)의 함수로 표현되고, v는 펄스 반복률이고, ω는 상기 포커싱 장치의 포커싱 평면에서 광 빔의 반경이다.

- 상기 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)를 계산하는 것은 재료에 손상이 발생하는 것을 통계적으로 분석하는 것에 의해 수행된다.

- 상기 변조 장치의 출력에서 이용가능한 전력(P_avail(N _k ))을 N _k 의 함수로서 제공하는 방정식은 다음 수식, 즉:

이고, 여기서,

o u%는 상기 동적 광학 변조 장치의 투과 퍼센트이고;

o v%는 마킹할 패턴의 대칭성 부족의 효과 후에 이용가능한 퍼센트이고;

o w%는 상기 동적 광학 변조 장치로부터 성형을 받지 않은 중심 포커싱 점에서 광 빔에 의해 손실된 퍼센트이고;

o x%(C)는 상기 동적 광학 변조 장치에 적용된 변조 설정점 값에 대한 위상 맵에 곡률(C)을 적용한 효과 후에 이용가능한 퍼센트이고;

o c 및 d는 상기 동적 광학 변조 장치에 적용된 설정점 값에 사용된 위상 맵의 다수의 포커싱 점을 반영하는, 충돌의 수에 대한 계수이고; N _k 개의 점과 관련된 효율은 (cN _k +d)이며, 여기서 f는 상기 포커싱 장치의 초점 길이이다.

- 상기 스레스홀드 전력(P_threshold(k))은 다음 수식, 즉:

으로 주어지고,

- 광 빔의 펄스 수(k) 내에서 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )는, 다음 수식, 즉:

으로 주어지고, 여기서,

이다.

본 발명의 다른 특징 및 잇점은 하기 설명으로부터 명백할 것이다. 본 설명은 단지 예시를 위해 주어진 것이고, 이것은 본 발명을 제한하는 것이 아니며 첨부된 도면을 고려하여 읽어야 한다:
- 도 1은 제안된 마이크로머시닝 시스템의 사시도이다.
- 도 2는 빔 생성으로부터 샘플을 마킹하는 것에 이르는, 도 1의 마이크로머시닝 시스템을 사용할 때 광 빔의 광학 경로를 따른 모든 소자의 개략도이다.
- 도 3은 도 1의 마이크로머시닝 시스템에 사용될 수 있는 위상 변조 장치의 동작 원리를 도시한다.
- 도 4는 제안된 마이크로머시닝 방법을 사용하여, 재료 상에 레이저 마킹을 수행하여 획득된 데이터매트릭스 패턴(datamatrix pattern)을 형성하는 2가지 결과를 보여준다.
- 도 5는 제안된 마이크로머시닝 방법을 사용하여 상이한 관점에서 획득된 최대화된 제어되지 않은 인증 측면을 보여준다.
- 도 6은 레이저 샷마다 펄스의 수로 재료의 반응 스레스홀드의 변화를 도시하는 그래프이다.

본 발명은 재료를 마이크로머시닝하는 것, 즉 상기 재료의 치수에 비해 소규모로 재료를 구조적으로 변형하는 것에 관한 것이다. 마이크로머시닝의 특별한 예는 재료를 마킹하는 것, 즉 재료를 구조적으로 변형하는 것에 의해 특정 패턴을 생성하는 것이다.

다음의 설명은 마킹하는 마이크로머시닝의 이러한 특별한 예에 관한 것이지만, 관련된 발명은 이 특별한 예로 제한되는 것이 아니며, 마이크로머시닝을 하는 전체 기술에 관한 것이다.

제안된 기본 원리는 마킹할 광 빔을 변형하여 마킹할 재료의 표면 상에 동시에 포커싱되는 복수의 마킹 점을 생성하는 것으로 구성된다.

펜을 사용하는 것과 같이 단 하나의 포커싱된 점만을 재료 상에서 이동시키는 것에 의해 마킹하는 것이 아니라, 복수의 포커싱 점이 마킹할 재료의 표면 상에 위치되어서, 스탬프를 사용하는 것과 같이 마킹된다.

따라서 패턴은 패턴을 형성하는 점들의 수보다 더 적은 광 빔의 펄스 수 내에서 마킹될 수 있다. 이 기술은 복잡한 마킹을 짧은 시간에 수행할 수 있어서 마킹 시스템을 보다 복잡하게 하지 않으면서 생산 속도를 증가시킬 수 있기 때문에 산업 환경에서 명백한 잇점을 가지고 있다.

이러한 마킹 기술은 빔 이동 문제와, 그리하여 광원과 동기화하는 문제를 수반하지 않아서, 높은 펄스 반복률이 반드시 필요한 것은 아니다.

레이저 광 빔을 사용하는 전통적인 마킹 방식에서, 레이저 소스, 레이저 빔을 제어하는 광학 시스템의 세트(예를 들어, 미러, 렌즈, 편광 광학 소자, 필터를 포함함), 및 최종 포커싱 렌즈가 있다.

본 발명은 여기서, 보다 구체적으로, 광 빔의 형상, 즉 광학 에너지의 공간적 분포를 제어하여, 재료의 마킹 평면에 대응하는, 최종 렌즈의 포커싱 평면에 광 빔을 생성하도록 설계된, 광 빔을 동적으로 공간적으로 변조하는 변조기라고 하는 보조 유닛을 수반한다. 바람직하게는, 이 보조 유닛은 상기 유닛의 평면에서 광 빔의 위상을 동적으로 변조하는데 사용된다. 이 변조기는 레이저 광 복사선을 공간적으로 변조하는 능동 광학 소자이다. 사용되는 변조는 독립적이든 아니든 상관 없이 복사선의 진폭 및/또는 위상 및/또는 편광과 관련될 수 있다. 바람직하게는, 위상 변조는 항상 수행될 수 있고, 이 위상 변조는, 만약 필요한 경우, 복사선의 진폭 변조 또는 편광 변조에 의해 보충될 수 있다. 특별한 마킹 모드에 따르면 순수 위상 변조가 바람직하다.

이러한 변조기는 일반적으로 상기 변조를 수행하도록 구현된 기술과 독립적으로 영어 약어인 SLM(Spatial Light Modulator)이라고 언급된다. 본 발명은, 여기서, 보다 구체적으로, 일반적으로 두 전극 사이에 갇힌 액정 층이 능동 광학 부분으로 사용되는, 게이트 투과형 ITO (Indium Tin Oxide) 액정 변조기 또는 반사형 LCOS (Liquid Crystal on Silicon)의 서브 계열(subfamily)에 관심을 두고 있고, 훨씬 더 구체적으로, 2개의 유형의 액정, 즉: (결정이 모두 동일한 방향으로 배향된) 네마틱 위상과, 이와 달리 (결정이 나선형 구조로 구성된) 비틀린 네마틱 위상 또는 콜레스테릭 위상이라고 언급되는 나선형 네마틱 위상에 관심을 두고 있다.

제1 유형의 액정인 네마틱 결정은, 공간 에너지 분포 또는 편광 상태를 변경함이 없이, 특히 직선으로 편광된 광파의 위상만을 변조하는데 사용된다.

제2 유형의 액정인 콜레스테릭 결정은, 나선 축에 대하여 횡 방향으로 편광된 광 빔을 변조하는데 사용될 때, 위상 변조와 편광의 회전을 공동으로 유도한다. 이러한 액정 층으로부터 출력에 편광판을 추가하면, 편광 회전을 광파의 진폭 변조로 변환할 수 있고, 이것은 위상 변조에 추가될 수 있다.

이러한 변조기는 보통 다음 구성, 즉 소위 이미징 구성과 소위 퓨리에 구성 중 하나로 사용된다.

이미징 구성은 공액 기하 광학(conjugate geometrical optics)의 원리에 의존한다: 이 변조기는 작업 평면과 기하학적으로 공액인 평면에 배치되어, 변조기 평면의 공간 세기 분포가 작업 평면에서 동일하게 (스케일 팩터에 따라) 재생된다(이 구성은 특히 이미지를 투영하는 상황에서 사용되며, 광학 변조기는 스크린과 광학적으로 공액이다). 이 이미징 구성에는 두 가지 중요한 점이 주목된다.

- 사용 및 변조된 광 빔은 간섭성(coherence)이 있을 필요가 없다: LED (Light-Emitting Diode) 또는 백열 전구에서 방출되는 "백색" 광을 사용하는 경우에도 작업 평면에 이미지가 형성된다.

- 변조기 평면에서 광파의 위상을 변경해도 작업 평면에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 이러한 구성은 네마틱 위상 LCOS 변조기에는 적합하지 않다.

제시된 마이크로머시닝 방법 및 시스템에 바람직한, 소위 퓨리에 구성은 변조기 평면과 작업 평면에서 표현된 전기장이 퓨리에 변환에 기초한 수학적 연산을 통해 관련되어 있는 구성이다. 본 발명에서는 작업 평면이 변조 평면에 대해 퓨리에 구성에 있다고 말한다. 그리하여 위상이나 세기의 동일한 복사본이 없지만 그 관계는 알려져 있으므로 주어진 변조의 영향을 예측할 수 있다. 퓨리에 구성에서는, 변조기 평면에서 광 빔의 공간 에너지 분포는 작업 평면(마킹 평면)에서의 광 빔의 공간 에너지 분포와는 다르지만, 이미징 구성에서는, 변조기 평면에서의 공간 에너지 분포와 작업 평면에서의 공간 에너지 분포는 스케일 팩터에서 동일하다. 그러한 퓨리에 구성이, 예를 들어, LCOS 변조기와 같은 변조기 평면과 (프라운호퍼(Fraunhofer) 기준에 따라) 장거리 자유 전파 후에 위치된 작업 평면 사이에 또는 얇은 렌즈의 대상(object)의 초점 평면과 이미지 평면 사이에 존재한다. 본 발명에서는 이 퓨리에 구성에서 다음 사항이 주목된다:

- 진폭 및/또는 위상 변조를 사용하는 것이 관련된다. 그러나 퓨리에 구성에서 진폭 변조 구성을 사용하는 기술은 일반적인 경우에 50 % 미만의 투과율을 가져서 문제가 될 수 있으므로 위상 변조만이 효율 면에서 가장 많이 사용된다.

- 빔이 변조 후의 자기 자신과 간섭을 일으키게 하는 것이 목적이기 때문에, 이 변조는 이 간섭을 야기하는 빔 특성을 변경해서는 안되며, 보다 구체적으로, 편광을 변경해서는 안된다.

이러한 퓨리에 구성을 사용하려면, 공간과 시간 면에서 자기 자신과 간섭할 수 있는 빔, 따라서 반드시 간섭성인 빔, 그리고 동일한 편광 상태에 있는 빔을 사용할 것이 요구된다.

제시된 마이크로머시닝 방법 및 시스템의 바람직한 실시 예에 따르면, 퓨리에 구성에서 네마틱 액정 변조기가 순수 위상 변조를 위해 사용된다.

변조기에 입사하는 광 빔, 예를 들어, 레이저 빔은, 사용되는 변조 장치, 특히 변조기의 광학 저항과 호환되면서, 특히 산업적 관점에서 효과적인 마킹을 수행하도록 제어된다.

입사하는 광 복사선은 일반적으로 레이저 빔과 같은 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔의 소스에 의해 방출된다. 예를 들어 임의의 특별한 특이성(special specificity)이 없는 표준 레이저 소스가 사용될 수 있다. 펄스화된 광 빔의 간섭성은 빔이 변조기에 도달하기 전에 그대로 유지된다.

복사선의 파장은 임의적일 수 있다. 바람직한 영역은 [350nm-2μm] 구간의 파장을 갖는 가시광선 및 근적외선(near-IR: near infra-red) 파장 범위에서 수립된다. [1μm-2μm] 구간에 포함된 파장의 복사선에 대응하는 대역은 마킹할 재료의 특성에 따라 바람직하다. 그러나, 마킹 효과를 증가시키려고 할 때, [400nm-1100nm] 구간에, 보다 바람직하게는 [400nm-600nm] 구간에 포함된 파장의 복사선에 대응하는 대역이 바람직하다.

광 빔은 펄스화되는데, 즉 일련의 펄스로 구성된다. 더욱이, 방출은 빔이 또한 샷이라고도 불리는 펄스 트레인의 형태로 방출되도록 제어되고, 여기서 펄스 트레인은 광 빔의 유한 개수의 펄스로 구성된다.

본 시스템은 펄스 반복률 면에서 제약 없이, 현재 존재하는 다른 샷 모드와 호환가능하다.

따라서, 빔은 "주문형 샷(shot on demand)"의 형태로 방출될 수 있다. 이 경우, 일련의 펄스는 제3 제어 소자(컴퓨터, PLC, 등)에 의해 발행된 트리거 신호(종종 전기적 및/또는 TTL (Transistor-Transistor Logic))에 의해 생성된다. 예를 들어, 레이저 펄스는 TTL 신호의 각 상승 에지에서 또는 버튼을 누를 때마다 생성될 수 있다.

따라서, 빔은 "클록에 기초한 연속적인 샷"의 형태로 방출될 수 있다. 이 경우에, 레이저 소스는 규칙적인 클록 신호를 가지고, 클록과 동일한 반복률로 일련의 펄스를 발행한다.

빔은 또한 바람직한 "버스트(burst)" 모드라고도 불리는 "클록에 기초하여 트리거되는 샷"의 형태로도 방출될 수 있다. 이 경우, 레이저 소스는 종종 "트리거" 또는 "게이트"라고도 하는 규칙적인 클록 신호 및 트리거 신호를 가지고 있다. 원리는 샷이 트리거 신호의 상태에 의해서도 제한된다는 것을 제외하고는 위에서 언급한 연속적인 경우와 유사하다. 예를 들어, 레이저 펄스는 논리 상태 1에서 트리거하는 신호와 클록 신호의 상승 에지의 경우에서만 방출된다.

펄스 지속시간은 또한 10 ps (picosecond)와 100 ns (nanosecond) 사이, 바람직하게는 100 ps와 10 ns 사이, 보다 바람직하게는 300 ps와 8 ns 사이에 포함되도록 제어된다. 예를 들어, 200 ps, 400 ps, 600 ps, 1 ns, 5 ns 및 8 ns에서 바람직한 동작 모드로 펄스 지속시간이 100 ps와 8 ns 사이에 포함되도록 제어되는 동작 범위가 선택될 수 있다.

이러한 펄스 지속시간은 산업 환경에서 널리 퍼져 있는 대부분의 광원, 특히 레이저와 호환가능하기 때문에 특히 유리하다. 제안된 마이크로머시닝 방법 및 시스템은 따라서 현재의 산업 조건에 쉽게 적용 가능하다(transposable). 나아가 이러한 펄스 지속시간은 매우 적은 수의 펄스로 많은 점을 포함하는 패턴으로 특정 재료를 마킹하는데 사용할 수 있는 상당한 에너지 양과도 호환가능하다.

광 빔은 바람직하게는, 변조기를 손상시킬 수 있는 스레스홀드 값 미만으로 유지하면서, 특히 시스템에서 겪게 되는 중간 손실, 보다 구체적으로 변조기로 인해 겪게 되는 중간 손실을 고려하여, 펄스당 에너지 및 빔의 평균 전력이 마킹하는데 적합하도록 제어된다. 위상 변조는 변조기에서 중간 손실을 감소시켜, 마킹할 형상과 독립적으로, 동일한 입력 전력에 대해 더 양호한 마킹 전력을 얻을 수 있다는 것이 주목된다.

따라서, 바람직하게는, 광 빔의 방출은 각 펄스가 10 μJ과 30 mJ 사이에 포함된, 바람직하게는 100 μJ과 15 mJ 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 1 mJ과 10 mJ 사이에 포함된 결정된 에너지를 갖도록 제어된다. 에너지가 더 높아지면, 시스템에 구현되는 광학 시스템 중 하나, 보다 구체적으로 변조기의 동적 위상 성형(dynamic phase shaping) 수단의 일부 또는 전체를 파괴할 수 있다.

보다 바람직하게는, 광 빔의 방출은 펄스 트레인이 50 μW와 20 W 사이에 포함된, 바람직하게는 10 mW와 5 W 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 20 mW와 2 W 사이에 포함된 평균 전력을 방출하도록 제어된다. 전력이 더 높아지면, 변조기의 동적 위상 성형 수단을 형성하는 액정을 부분적이지만 가역적으로 용융시킬 수 있어서, 마킹할 재료의 평면에서 성형 효율을 부분적으로 또는 전체적으로 손실시킬 수 있다. 각 펄스트레인을 방출하는 펄스 반복률은 또한 마킹과 관련하여 고려되어야 할 역할도 하며 또한 변조기를 손상시킬 수도 있다. 나아가, 선택된 펄스 반복률은 추구하는 산업 마킹 조건과 밀접하게 관련되어 있다.

따라서, 바람직하게는, 광 빔의 방출은 펄스 트레인의 펄스가 10 Hz와 30 kHz 사이에 포함된, 바람직하게는 20 Hz와 5 kHz 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 250 Hz와 1 kHz 사이에 포함된 것을 의미하는, 상기 언급된 에너지와 전력에 도달할 수 있게 하는 반복률을 갖도록 제어된다.

적절하게 구조화된 마킹을 위해서는, 높은 피크 전력이 사용되는 것이 바람직하다. 그러나, 변조 장치의 열화를 방지하기 위해 적당한 평균 전력이 사용된다. 마지막으로, 광 빔 방출은 펄스당 적절한 에너지 및 동시에 적당한 펄스 반복률을 갖도록 제어된다.

변조 장치의 열화를 제한하는 솔루션 중 하나는, 패턴을 마킹하는데 필요한 각 펄스 트레인이 가능한 최소 펄스 수를 포함하는 마킹을 수행하는 것이다.

어쨌든, 펄스 트레인은 패턴을 형성하는 점들의 수보다 엄격하게 더 적은 상기 광 빔의 펄스 수를 포함하며, 이는, 특히, 산업적 관점에서, 마이크로머시닝 시스템의 동작 속도, 특히 광원의 동작 속도를 증가시킬 것을 요구함이 없이 생산 속도를 증가시키는데 유리하여, 이는 변조기를 보호하는 데에도 도움을 준다.

예를 들어, 펄스 트레인은 패턴을 형성하는 점들의 수보다 적어도 2 배 더 적은, 바람직하게는 적어도 10 배 더 적은, 보다 바람직하게는 적어도 100 배 더 적은 펄스 수를 포함한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 펄스 트레인은 1000개 미만의 펄스, 바람직하게는 100개 미만의 펄스, 보다 바람직하게는 10개 미만의 펄스를 포함한다.

최적으로, 펄스 트레인은 재료에 패턴을 형성하기 위해 하나의 펄스를 포함한다.

변조기에 의해 적용된 변조는 결국, 포커싱된 빔을 원하는 형상으로 획득하기 위해 계산된다.

실제로, 변조 설정점 값은 패턴에 대응하는 입력 설정점 값으로부터 계산되고, 상기 변조 설정점 값은 광 빔의 동적 성형을 수행하기 위해 변조 장치에 부여된다.

위상 변조를 포함하는 변조기의 경우, 이 계산은, 예를 들어, 유전 알고리즘(genetic algorithm) 계열의 위상 맵 또는 IFTA (Iterative Fourier Transform Algorithm)의 위상 맵을 계산하는 알고리즘 또는 보다 일반적으로 이러한 문제에 적응된 임의의 최적화 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.

간단한 광학 기능들이 예시적으로 더 추가될 수 있다:

- 모든 점에서 횡방향 이동(위상 기울기(tilt) 또는 경사(ramp));

- 모든 점에서 축방향 이동(위상 곡률);

- 알려진 빔 형태(액시콘(axicon), 소용돌이(vortex)).

패턴 형상에 대응하는 타깃 형상은 선험적으로 임의적일 수 있다:

- 예를 들어, 마이크로머시닝의 일반적인 응용의 틀(framework) 내에서, 초점 세트로 구성된 임의의 형상(다중점 형상);

- 예를 들어, 추적가능성 응용 틀 내에서, 영숫자 문자열 "평문"(숫자와 문자) 또는 암호화된 형태(바코드, 2차원 코드 - 데이터매트릭스, QR 코드, 아즈텍(Aztec) 코드, 등)를 나타내는 형상.

변조 장치의 전후의 광 경로는, 예시적으로, 미러, 렌즈, 아포칼 시스템(afocal system), 광 아이솔레이터(optical isolator), 파장 판(waveplate), 분리기 소자와 필터, 셔터 및 안전 소자와 같은 광학 소자 세트로 구성된다.

이러한 광학 소자는 추구하는 응용, 특히 고려되는 마킹, 및 변조기 특성에 따라 선택된다.

예를 들어, 변조 전에, 소자 세트가,

- 빔의 크기를 여러 소자, 보다 구체적으로 변조기의 활성 표면에 적응시키기 위해,

- 광 복사선의 에너지와 전력 레벨을 변조기에 의해 부여되는 제약사항에 적응시키기 위해, 제공될 수 있다.

변조 후에, 소자 세트가, 예를 들어,

- 변조기 특성을 "가상으로" 적응시키기 위해,

- 포커싱 장치를 사용하여 마킹할 타깃의 표면에 레이저 복사선을 포커싱하기 위해, 선택될 수 있다.

포커싱 장치는 일반적으로 특정 광학 조건(파장, 무한대에서 이미징, 회절 지수(index of diffraction) 및 디옵터 곡률)에 대해 주어진, 초점 길이 및 관련 초점 평면에 의해 산업적으로 한정된다. 이 설명에서, 포커싱 평면은 광 빔의 최소 표면 평면, 즉 광 에너지가 가장 집중되는 평면으로 정의된다.

레이저 빔이 타깃에 포커싱되기 때문에, 다른 경우에 복사 조사량(radiant exposure)이라고 언급되고, 예를 들어, J/cm²으로 표현되는 에너지의 공간 밀도가 증가된다. 이러한 에너지의 높은 집중은 타깃의 재료를 변형시킨다. 이 변형은, 특히:

- 예를 들어, 마이크로 공동, 구조 또는 텍스처(texture), 증착물을 형성하거나, 또는 표면 상태를 형태적으로 변형시키고,

- 예를 들어, 화학 구조를, 산화 형태로, 화학적으로 변형시키고,

- 예를 들어, 광학적(굴절률, 반사율, 흡수율), 기계적 또는 구조적 특성을 물리적으로 변형시키는 등 여러 형태를 취할 수 있다.

본 발명은 여기서, 특히, 시각화 도구로 관찰될 수 있어서, 타깃의 (사람의 눈에 대해서 뿐만 아니라 넓은 의미에서) 시각적 외관에 영향을 미치는 변형에 관심을 둔다.

도 1 및 도 2에서 본 발명은 소형의 통합된 환경에서 사용될 수 있는 산업 환경에서 재료를 마킹하기 위한 마이크로머시닝 시스템의 일 예를 보여 준다.

이 예에 따르면, 마킹 헤드라고도 불리우는 마이크로머시닝 시스템은 레이저 소스(8)(이는 다른 광 소스일 수 있음)와 마킹될 재료(12) 사이에 위치되고, 바람직하게는 다음을 포함한다:

- 광학 변조기의 활성 표면을 최대한 채우도록 선택된 직경을 갖는 입력 레이저 빔을 위한 개구(2)(이 직경은 활성 표면보다 더 클 것을 요구하지 않는다). 예를 들어, 이 직경은 8 mm 이하의 직경을 가질 수 있다.

- 특히, 이 레이저 빔의 위상을 공간적으로 변조하기 위한 동적 광학 변조기(3);

- 예를 들어, 통상적인 레이저 마킹 헤드에 따른 입력 방향에 수직인 방향을 따라 빔을 재배향하거나, 및/또는 광학 경로를 중첩(folding)하여 전체 시스템을 통상적인 레이저 마킹 헤드와 유사하거나 또는 이보다 더 작은 (일반적으로 200x200x250 mm ³ 보다 더 작고, 바람직하게는 200x200x200 mm ³ 보다 더 작은) 볼륨으로 유지하도록 상기 빔의 위치를 제어하는 광학 소자(4)의 세트;

- 변조기(3)에 의해 생성된 형상의 에너지를 재료(12) 상에 집중시키기 위한 포커싱 소자(7) - 이 소자는 동일하게 구면 또는 비구면 렌즈, 얇은 렌즈, 색지움 이중 또는 삼중 렌즈(achromatic doublet or triplet lens), F-세타 렌즈 및/또는 텔레센트릭 렌즈일 수 있다. 포커싱은, 예를 들어, 이전에 언급된 광학 소자 세트를 사용하여 시스템의 입력 면에 수직으로 배열될 수 있다;

- 포커싱 렌즈(7)의 맞은편에 있는 개구(6)는, 만약 필요한 경우, 마킹 영역을 볼 수 있는 수단을 수용할 수 있다;

- 광학 변조기(3) 및/또는 광원을 제어하거나 및/또는 데이터베이스를 관리하거나 및/또는 마킹/마이크로머시닝 설치의 조작자(operator) 또는 다른 구성 소자와 통신하기 위한 그래픽 인터페이싱을 수행하는 것을 포함하는 임베디드 또는 비 임베디드된 제어 전자 시스템 (5).

제안된 마이크로머시닝 시스템으로 마킹하는 방법의 일 예는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명된다.

먼저, 레이저(8)와 같은 광원이 마킹하는데 사용된다. 이 광원은 공간적으로 및 시간적으로 간섭성(coherent)의 펄스화된 광 빔을 방출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 특히 위상 변조가 적용될 때, 광 빔이 변조기의 입력에서 주어진 직선 편광을 갖도록 방출이 제어된다. 이러한 편광은, 예를 들어, 광 빔의 경로를 따라 배치된 파장 판 및/또는 편광판을 사용하여 부여될 수 있다.

전술된 바와 같이, 광 빔은 350 nm 내지 2 μm, 바람직하게는 400 nm 내지 1100 nm의 대표적인 값을 취하는, 근적외선으로부터 가시광선에 이르는 파장을 가질 수 있다.

전술된 바와 같이, 10 ps와 100 ns 사이, 보다 바람직하게는 100 ps와 8 ns 사이에 포함된 바람직한 범위를 갖는 특정 펄스 지속시간을 갖는 빔이 사용된다.

광 빔의 정격 출력은 변조기(3) 그 자체에 따라 선택되며, 이 변조기는 레이저의 평균 전력으로 발생하는 열에 민감하다. 예를 들어, 10 W 이하의 정격 전력이 사용된다.

실제로, 액정의 점도는 온도에 따라 감소해서, 이들 액정이 보다 신속히 상태 변화하지만, 너무 높은 온도는 이 액정을 가역적으로 용융시켜 변조 효과를 상실하게 한다. 기준 레이저 내부 또는 외부에서 이 전력을 제어(9)하는 것이 이후 마이크로머시닝 시스템이 적절히 동작하는데 중요하다.

(일반적으로 "버스트(burst)" 샷에 따라) 생성되는 펄스의 수를 제어하는 것이 이 제어와 관련될 수 있고, 이는 품질-효과-신속성 면에서 이 방법을 최적화하는 창이 매우 좁아질 수 있는 매우 높은 생산 속도에 응용하는 틀에서 동일하게 중요하다.

전술한 바와 같이, 변조기(3)의 상류에 배치된, 정렬 광학 소자 세트(10)와 빔 크기 재조절 수단(redimensioning)(11)은 시스템이 최적으로 동작하는 틀 내에서 관련될 수 있다.

위상 변조기(3)는 LCOS SLM 또는 ITO 광학 게이트일 수 있다. 직경이 활성 표면보다 더 클 것을 요구함이 없이 이 변조기의 활성 표면(16)의 대부분을 덮는 빔 직경이 바람직하다. 예를 들어 8 mm 이하의 대표적인 값이 이 직경에 사용된다.

이 활성 표면은, SLM의 경우 전기적으로 주소지정되거나 또는 광학적 게이트의 경우에 광학적으로 주소지정되어, 액정에 국부적 회전을 유도하고, 광학 지수를 변화시켜, 예를 들어, 소위 "네마틱 병렬(nematic parallel)" 액정의 경우에서와 같이 이러한 액정의 복굴절을 사용하는 것에 의해 광학 경로 차를 생성하는 액정의 매트릭스이다. 평면 또는 곡면(14)으로 초기에 흡수된 레이저 빔과 보다 구체적으로 파면의 전파가 이후 변형(18)된다.

변조기에 의해 적용되는 변조는, 회색 음영(gray shade)(17)의 이미지 형태로 도시되고, 렌즈(7)에 의해 포커싱 영역(19)에서만, 원하는 빔 형상(15)을 획득하도록 계산된다.

위치지정 광학 소자(4)의 세트는 바람직하게는 이 동일한 렌즈에서 레이저 빔을 정렬할 뿐만 아니라, 필요한 구성(예를 들어, 반사형 변조기에서 낮은 입사각)을 유지하면서, 시스템 벌크 볼륨을 최소화하는데 다시 사용된다.

타깃 형상(19)은 입력 명령(15)에 따라 선험적으로, 임의적으로, 및 동적으로 변화(16)될 수 있다.

변조 카드의 리프레쉬(refresh) 속도는 선택된 변조기의 특성에 따라 다르지만, 10 Hz와 1 kHz, 예를 들어, 60 Hz 이하의 대표적인 값을 취한다.

순수 위상 변조기(3)의 경우에, 적용할 변조를 계산하는 것은, 예를 들어, 유전 알고리즘의 계열의 위상 맵, 반복 퓨리에 변환 알고리즘(IFTA)의 위상 맵을 계산하기 위한 알고리즘 또는 이들 문제에 적합한 임의의 다른 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.

이러한 계산은, 특히 다음 측면과 관련된, 구현되는 광학 구성을 고려한다:

- 빔(13)의 크기와 형상, 및 보다 광범위하게는, 입력 광학 경로의 특성;

- 복사선의 특성(예를 들어, 그 파장);

- 최종 포커싱 렌즈(7)의 특성(보다 구체적으로, 초점 거리);

- 동일한 렌즈에 대한 변조기(또는 그 이미지)로부터 광학 위상 공액 및 물리적 거리.

최종 렌즈(즉, 포커싱 장치)에서 포커싱하기 전에 변조기 (물리적 또는 가상) 평면을 분리하는 거리는 이상적으로는 최종 렌즈의 초점 길이에 근접해야 한다는 것에 주목해야 한다. 보다 일반적으로, 변조기 평면과 포커싱 장치를 분리하는 거리는 포커싱 장치의 초점 길이의 100 배 더 작고, 바람직하게는 이 초점 길이의 10 배 더 작고, 보다 바람직하게는 이 초점 길이의 2 배 더 작다.

이후 계산 알고리즘은, 마킹 헤드(1)에 통합될 수 있는지 여부에 상관 없이, 각 음영이 퍼센트 위상 이동 및 그리하여 액정의 퍼센트 회전과 연관된 회색 음영의 이미지 형태로 위상 맵을 생성하고, 여기서 최대 위상-이동 진폭은 SLM-복사선 커플(couple)의 특성뿐만 아니라 조작자의 선택에 좌우된다.

초기 변조는 횡방향 이동(기울기, 프리즘 또는 위상 경사), 축방향 이동(위상 곡률), 컨볼루션(convolution)(위상 맵의 합) 등과 같은 수학적 기능/광학적 기능에 의해 더 수행될 수 있다.

마킹될 그림(15)과 계산 알고리즘은 재료로부터의 반응, 즉 형태적 반응(공동, 텍스처, 증착물, 표면 상태 등), 화학적 반응(산화 등), 물리적 반응(광학적 반응(굴절률, 흡수율, 반사율, 투과율 등) 또는 기계적 반응(잔류 응력 등))을 지원하는 다중점 구조를 샘플(12)에 최종 마킹으로 통합하도록 미리 한정된다.

동시에 마킹될 수 있는 점의 수는 레이저 특성(에너지, 전력, 편광, 파장, 펄스 폭, 펄스 반복률 등), 기술된 마이크로머시닝 시스템의 특성(에너지 공차, 송신 퍼센트, 포커싱 능력 등)과 같은 다수의 조건, 및 조사되는 재료에 따라 달라진다.

따라서 강한 레이저 에너지는 상이한 마킹 점들 사이에 분포되기 때문에 바람직하게는 강한 레이저 에너지가 권고된다.

평균 전력 면에서 본 발명의 틀 내에서 사용되는 변조기의 공차를 알면, 펄스 반복률의 한계도 또한 고려된다.

예를 들어, 약 500 ps와 100 ns 사이에 있고, 각 펄스가 2 mJ 이하를 전송하고 1 kHz 이하의 펄스 반복률로 방출되는 펄스로 구성된 펄스화된 복사선이 특히 적절하다는 것이 확인되었다.

더욱이, 다음의 동작 모드들은 하나의 펄스 또는 소정 개수의 펄스 트레인(일반적으로 100개 미만의 펄스, 바람직하게는 10개 미만의 펄스)에 의해 다중 재료 상에 다중점 패턴을 생성하는 능력이 양호하다는 것을 나타내었다:

- 펄스 지속시간 400 ps (+/- 5 %), 2 mJ 이하의 에너지, 및 1 kHz 이하의 펄스 반복률;

- 펄스 지속시간 7 ns (+/- 5 %), 7 mJ 이하의 에너지, 및 20 Hz 이하의 펄스 반복률;

- 펄스 지속시간 87 ns (+/- 5 %), 100μJ 이하의 에너지, 및 25 kHz 이하의 펄스 반복률.

이제 본 발명은, 전술한 마이크로머시닝 시스템 및 방법을 사용하여, 높은 펄스 반복률에 의도된 재료에 식별 코드를 마킹하는 가능성을 제공하는 실시 예의 일 예를 설명한다. 이 예는 도 4를 참조하여 설명된다.

이 예에서 사용되는 레이저는 다음 특성을 가지고 있다:

- 파장: 1064 nm;

- 출력 전력: 2.2 W;

- 펄스 지속시간: 10 ns;

- 펄스 반복률: 1 kHz;

- 편광: 선형;

- 펄스 대 펄스 제어를 수반하는 버스트 모드 샷.

이 구성은, 1 kHz의 최소 펄스 반복률에 대해 이 시스템에 의해 전달되는 최대 에너지로부터 이익을 얻기 위해 선택되었다.

빔의 출력 직경은 예상되는 전력의 함수이므로, 예상되는 전력은 약 2.2 mJ의 이용가능한 에너지를 의미하는 2.2 W의 최대 값으로 설정되었다.

그 변동은 1/2 파장 판/편광 분리기 입방체 커플(cube couple)(9)에 의해 외부에서 제어되고, 이에 의해 또한 마킹 헤드(1)의 입력에서 적절한 선형 편광을 유지할 수 있다.

광학 조립체(11)는 망원경과 유사하며, 이 광학 조립체는, 레이저 출력에서 4 mm 정도의 직경으로부터 변조기(3)에서 약 8 mm 직경으로 스위칭하여, 2 배만큼 빔을 확대하도록 한정된 2개의 초점 렌즈로 구성된다.

광학 조립체(10)는 손실 없이 빔 입력(2)을 마킹 헤드(1)로 최적화하기 위하여 조립체(11)의 하류에 배열된 2개의 미러로 구성된다.

위상 변조기(3)는 1920 x 1080의 해상도와, 15.3 x 8.6 mm²의 표면적(8 μm/피치의 변을 갖는 정사각형 픽셀)을 갖는 LCOS SLM이다.

포커싱 렌즈(7)는 100 mm의 초점 길이를 갖는 적외선용 반사 방지 코팅을 갖는 단지 하나의 얇은 렌즈만을 포함한다.

이 모든 소자들은 SLM에 적용된 위상 맵의 해상도에 따라 수 미크론으로부터 수십 미크론에 이르는 충돌부(impact)들 사이의 마킹 거리를 수반한다.

입력 제어 이미지(15)는 하나의 픽셀(20)로 구성된 14x14개의 모듈로 된 데이터매트릭스이다.

연관된 위상 맵(17)을 생성하기 위한 계산 알고리즘은 IFTA이며, 여기서 반복의 수는 여기서 준-임의적인 방식으로 한정되지만, 그럼에도 불구하고, 본 반복의 수는, 이 계산으로부터 초래되는 최적화가 상당히 안정화되어서 하나의 반복으로부터 그 다음 반복까지 거의 변동이 없기 위하여 10보다 더 많은 수로 한정된다.

마킹된 재료의 샘플(21 및 22)은 수 마이크로미터의 두께를 갖는 은과 금으로 된 금속 코팅으로 각각 덮인 중합체이다.

이미지는 x40 배율을 갖는 현미경을 사용하고 투과형 조명을 사용하여 획득되었다.

한 변이 약 720 μm이고 108개의 점을 포함하는 데이터매트릭스를 마킹하기 위해 25 ms @ 1 kHz를 의미하는, 25개의 펄스를 포함하는 펄스 트레인이 광택(varnish)을 제거하는데 사용되었다.

유사한 조건에서 이 갈바노메트릭 헤드와 같은 표준 편향 헤드를 통해 하나의 초점에서 이용가능한 모든 전력을 사용하면, 이러한 데이터매트릭스를 마킹하는데 필요한 레이저는 25 ms의 시간과 경쟁하기 위해서는 약 4 kHz의 최소 펄스 반복률을 제공해야 한다. 이 펄스 반복률에서, 이것은 여러 기계적 재위치지정 동작 동안 시간 손실이 거의 없고 마킹 점당 하나의 펄스를 제안한다.

전통적인 마킹 솔루션에 비해, 본 발명에서 개선된 기술은 진행 중에 높은 생산 속도로 마킹하는 틀에서 더 나은 유연성, 그리하여 더 최적화될 수 있는 더 짧은 실행 시간을 제안한다.

실시 예의 제2 실시 예는, 간단한 마킹 예에 의해, 제안된 마이크로머시닝 시스템에 의해 최대화된 인증 측면을 입증하는 것을 목적으로 한다. 이 예는 도 5를 참조하여 설명된다.

- 이 예에서 사용되는 레이저는 다음과 같은 특성을 가지고 있다:

- 파장: 1064 nm;

- 출력 전력: 6W;

- 펄스 지속시간: 80 ns;

- 펄스 반복률: 25 kHz;

- 편광: 임의적;

- 펄스 제어의 변조: 5 kHz.

여러 광학 소자의 구성은 이전의 경우와 유사하다. 그러나, 보다 일반적인 사양을 가진 이러한 레이저는, 이에 따라 더 높은 펄스 반복률에 대해 훨씬 더 많은 전력을 가지고 있다. 또한, 이 레이저는 펄스 대 펄스 제어를 포함하지 않아서, 샘플을 조사하는 펄스의 수를 충분히 제어하면서, 정격 출력 전력을 일정하게 유지하기 위해서는 더 낮은 펄스 반복률을 외부에서 변조(전술한 "트리거" 또는 "게이트")하는 것이 필요하다.

그리하여 25 kHz의 펄스 반복률에서 5 kHz의 최대 주파수 변조를 위해 세트당 허가된 샷마다 최소 펄스 수는 5이다.

또한, 이 시스템은 랜덤한 편광을 갖는다. 편광판 입방체를 통과하면 에너지의 절반이 손실되더라도 우측 편광을 따라 마킹 헤드에 진입하게 된다. (25 kHz에서 2.5 W의 평균 전력을 의미하는) 100μJ의 에너지가 최종적으로 위상 변조기(3)에 도달한다.

입력 제어 이미지(15)는 230x230 μm ² 의 표면적에 걸쳐 균일하고 규칙적으로 분포된 25개의 점을 의미하는 5x5개의 충돌부를 갖는 매트릭스(23)이다.

연관된 위상 맵(17)을 생성하기 위한 계산 알고리즘은 다시 반복형(IFTA)이다. 이러한 예의 틀 내에서 반복 횟수의 제어는 필수적이다.

마킹할 재료는 수 백 나노미터의 알루미늄 코팅을 갖는 PE 폴리머이다.

도 5에서 일련의 이미지(24)는 동일한 조사 및 변조 구성으로부터 초래되는 복수의 점 매트릭스를 도시한다. 샘플 위에 위치지정하는 것만이 다르다.

빔을 성형하는 것에 의해 또는 갈바노메트릭 헤드(galvanometric head)에 의해, 하나의 마킹으로부터 다른 마킹(일반적으로 24a 및 24b)으로 가면서, 조사되는 재료의 특성 변동을 나타내는 약간의 변동이 관찰될 수 있다.

그럼에도 불구하고 일련의 이미지(25 및 26)는 본 문서에서 설명된 성형 헤드를 사용하는 것에 특유하다.

일련의 이미지(25)는 동일한 소스 이미지로부터 초래되는 복수의 마킹을 도시하지만, 그 위상 맵은 상이하다. 이러한 제어되지 않은 방법은 위상 맵의 고유한 솔루션으로 수렴하지 않는 사용 알고리즘에 내재된(intrinsic) 것이다. 입사하는 광원 및 재료의 국부적 특성과 관련된 이러한 변동은 마킹의 고유성에 추가되어서, 이에 따라 레이저-물질 상호 작용에 특유한 이 인증 측면에 추가된다.

마지막으로, 일련의 이미지(26)는 계산되는 것과 동일한 맵에 대한 반복 횟수의 효과를 나타내며, 여기서 8개의 이미지(26a 내지 26h)는 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 및 50개의 반복으로 테스트하는 것에 각각 대응한다. 소스 이미지로부터 편차는 부분적으로 수렴하는 위상 맵 솔루션으로 인해 반복 횟수가 적기 때문에 더욱더 중요하다.

특정 마킹 점이 없는 것(26a)이 관찰될 수 있고, 기생 점(parasite point)이 있는 것(26b)은 고유하고 제어되지 않은 시그너처(signature)로 마킹을 생성하는 능력을 보여준다.

이 실시 예는, 보다 구체적으로 마킹 및 식별 관점에서 필요성이 입증된 위조 방지 노력과 추적 가능성 시장에서 이러한 혁신의 전반적인 중요성을 명확히 보여준다.

따라서, 동일한 마이크로머시닝 파라미터에 따라 복수의 동일한 제품에 동일한 패턴이 형성될 수 있고, 여기서 모든 패턴은 이 복수의 동일한 제품을 개별적으로 인증하도록 형성된 후에 기록된다.

제시된 마이크로머시닝 방법 및 시스템은 생산성에 상당한 이득을 가져온다. 실제, 초기 검사에서, 성형된 레이저 빔을 사용하면 하나의 레이저 샷에서 마킹되는 표면적(또는 마킹되는 점의 수)을 증가시킬 수 있다. 따라서 하나의 마킹 동작에 필요한 시간은 동시에 마킹되는 (또는 표면적의 비율에 비례하는) 점의 수와 같은 인수만큼 감소된다.

더욱이, 현재의 광학 변조기를 사용하면 변조기에 따라 10 Hz와 1 kHz 사이에 포함된 주파수로, 예를 들어, 10 Hz-20 Hz에 근접하고, 심지어 60 Hz에 이르는 주파수로 동적 변조(시간적으로 형상이 변하는 것)를 고려할 수 있다. (예를 들어, 제품에 개별적으로 번호를 매기는 경우에) 2개의 마킹 동작들 사이에 형상의 변화가 필요한 경우, 이 방법은 (10 Hz 내지 20 Hz의 경우) 시간당 36,000개 내지 72,000개의 부분을 잠재적으로 생산하는 속도를 나타낸다. 이러한 생산 속도는 선험적으로 현재 생산 속도보다 5 배 ~ 10 배 더 높다.

더욱이, 제시된 마이크로머시닝 방법 및 시스템은 여러 샷으로 복잡한 형상의 마킹을 생성하는 데 사용될 수 있다. 현재의 솔루션은 포커싱된 빔을 이동시키는 것에 기초하여서, 이 패턴은 내재적으로 빔의 크기(종종 수 십 내지 수 백 마이크로미터 정도)의 스케일의 둥근 모서리를 포함하는 것으로 생성된다. 본 성형된 빔을 사용하면, 특히 직각 또는 예각을 포함하는 작은 스케일의 형상, 즉 이제 매우 복잡한 형상에 이르는 형상까지도 획득하는 것이 가능할 수 있다.

더욱이, 2차원 코드의 형태로 암호화된 정보를 레이저 마킹하는 특별한 상황에서, 데이터매트릭스 형식은 현재 QR 코드보다 선호되는데, 그 이유는 이것이 동등한 내용을 마킹하는데 더 빠르기 때문이다(그 이유는 이것이 2개의 연속적인 모듈 사이에 더 적은 수의 이동을 수반하기 때문이다). 그리고 이 두 번째 유형은 판독하는 것이 더 쉽다는 잇점이 있다. 여기에 설명된 설치를 사용하면, 이 점의 수가 동시에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수 미만인 경우, 코드를 형성하는 모든 점을 동시에 마킹하는 것으로 인해 동등한 내용에서 암호화 유형에 대해 동일한 실행 시간을 가지기 때문에 이러한 제한이 제거된다.

마지막으로, 제시된 마이크로머시닝 방법 및 시스템은 제품 인증, 예를 들어, 추적가능성 또는 위조 방지 노력에 응용하는데 특히 중요하다. 실제로 이들은 고유한 마킹 결과를 만드는 데 사용될 수 있다. 광 빔이 타깃과 상호 작용하는 동안, 얻어진 결과는 타깃의 물리적 성질 및 빔의 광학적 특성에 크게 의존한다. 광 에너지의 공간적 분포를 제어하는 것과 재료의 국부적 특성이 내재적으로 불균일하다는 것을 결합하면, 마킹 결과의 현저한 변동이 샷마다 획득될 수 있다. 이러한 반복가능하지 않는 측면의 시그너처를 기록하는 것에 의해 지원을 후속적으로 인증할 수 있다.

마이크로머시닝 방법 및 시스템을 최적으로 사용하기 위해, 주어진 재료에서 발생할 수 있는 동시 충돌부의 수를 계산하는 방법이 더 제안된다.

이를 위해, 위에서 설명한 다중점 마킹을 실현하는 가능성의 원점에서 레이저-물질 상호 작용의 특성에 영향을 미칠 수 있는 모든 파라미터의 목록이 작성된다. 이들 파라미터는 3개의 범주로 그룹화될 수 있다:

- 레이저 파라미터: 이 파라미터는 레이저 소스 또는 보다 일반적으로 복사선 소스에 특유한 특성이다.

- 마이크로머시닝 방법 및 시스템의 파라미터: 이 파라미터는 레이저로부터 샘플로 방출되는 빔을 처리하기 위해 마이크로머시닝 시스템, 그 설정 및 그 동작에 특유한 특성이다.

- 재료 파라미터: 이 파라미터는 레이저-물질 상호 작용이 흡수-투과 특성, 용융-증발 온도 등과 같은 각 재료의 특성에 의존하기 때문에 최종 연구 재료에 특유한 특성이다.

이러한 여러 파라미터를 식별한 후에, 제안된 마이크로머시닝 시스템의 사용을 최적화하기 위해 다중점을 마킹하는 현실에 가능한 한 가깝게 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 이러한 사용은 실제로 마킹하는 테스트에 기초할 수도 있다.

우선 일반적으로 레이저 소스인 광원을 특성화하는 파라미터를 나열해 보자. 이미 존재하는 산업용 레이저를 갖는 마이크로머시닝 시스템을 사용할 때, 이들 파라미터는 상기 레이저와 관련된 문서에서 종종 발견된다. 본 발명에서는 보다 구체적으로 다음 사항을 말할 수 있다:

- 파장(λ)

- 펄스 반복률(ν)

- 펄스 지속시간(τ)

- 편광(p)

- 평균 전력(P_laser)

- 출력 직경(D_output)

- 발산(α)

상기 제안된 바와 같이, 마킹 헤드의 동작을 최적화하기 위해, 레이저 파장(λ)은 바람직하게는 본 방법의 광학 시스템의 여러 처리에 적응되고, 편광(p)은 마킹 헤드에 의해 한정된 배향에 따라 직선이며, 빔의 출력 직경(D_output)은 변조기의 활성 영역에 적응되고, 빔 발산은 최소화된다(소위 시준된 빔이 된다). 이 2가지 마지막 경우에서 잘 선택된 렌즈 세트가 레이저 빔의 크기를 마킹 헤드에 적응시키고 또한 발산을 감소시켜 준-시준된 빔을 획득하는데 사용된다.

마이크로머시닝 방법 및 시스템의 파라미터 중에서 본 발명은 레이저 출력에서 빔의 특성(본 발명에서는 발산 및 편광의 개념이 언급됨), 원하는 마킹(초점 길이)에 특유한 특이성, 및 상술된 성형에 의해 마킹 헤드의 특성을 재적응시키기 위한 광학 시스템 세트를 강조한다.

본 발명은 여기서, 레이저 빔이 마킹 헤드의 입력에 필요한 데이터에 대응하는 것을 고려한다. 이 마킹 헤드는 다음 사항을 특징으로 한다:

- 투과 퍼센트(u%): SLM은 픽셀화된 광학 시스템이므로 성형에 이용가능한 에너지를 추정할 때 무시할 수 없는 에너지 손실 퍼센트를 고려해야 한다; 이 파라미터는 또한 변조기 후의 광학 경로를 형성하는 광학 시스템을 처리하는데 대한 불완전성을 포함한다.

- 대칭 효과가 결여된 후에 이용가능한 퍼센트(v%): 광학 축에 대해 대칭인 형상과 비대칭인 형상 사이에 마킹될 패턴으로 인해 에너지 손실이 관찰되었는데, 이는 v%로 추정된 양으로 표시된다;

- 중심 스팟에 의해 손실된 퍼센트(w%): 광학 시스템 및 레이저 특성의 완전성이 결여되고 계산값이 근사값인 것으로 인해, 다시 상수 w%로 추정된 에너지 양이 시스템에 의해 빔에 적용된 형상에 영향을 받지 않고 중심 초점에서 발견된다.

- 곡률을 추가하는 것에 의해 이용가능한 퍼센트(x%(C)): 대칭인 형상 또는 비대칭인 형상과 같이, 곡률 값을 포함하는 위상 맵을 실행하면, 성형에 이용가능한 에너지의 양에 영향을 미친다. 여기서 C는 성형 틀 내에서 적용되는 곡률 값이다.

- 충돌부의 수에 대한 계수(c & d); 마킹할 점의 수(N _k )에 따라 이용가능한 퍼센트(cN _k +d): 대칭인 형상 또는 비대칭인 형상의 경우와 같이, 재료에서 다른 수의 포커싱 점을 생성하는 위상 맵을 실행하면, 동일한 개수의 점을 성형하는데 이용가능한 에너지의 양에 영향을 미친다.

- 초점 거리(f): 한정된 수렴하는 초점 렌즈에 따른 작용 거리. 이 파라미터는 특히 마킹 평면에서의 레이저 빔의 크기, 및 이 평면에서의 에너지 밀도를 한정하는 데 사용된다.

일단 이들 모든 파라미터가 특성화되면, 빔을 성형하는데 이용가능한 전력은 한정되기 위해 남아 있는 마킹할 점의 수(N _k )의 함수로서, 다음 수식, 즉:

으로부터 계산된다.

각 재료는 특정 흡수 특성을 가지고 있기 때문에 이 흡수 특성은 재료가 반응하여 외관을 바꾸기 시작하는 에너지 및 에너지 밀도 면에서의 스레스홀드를 특징으로 한다. 이들 스레스홀드를 결정하는 것은 주어진 레이저를 사용하여 마킹 절차를 실행하는 가능성을 검증하는 데 중요하다.

이들 스레스홀드는 또한 본 발명에서 생성하려고 하는 마킹의 특성에 의존한다. 예를 들어, 본 발명이 나노미터 스케일에서 가시성을 추구하는지, 현미경 스케일에서 가시성을 추구하는지, 또는 사람의 눈의 스케일에서 가시성을 추구하는지에 따라, 이 마킹 스레스홀드가 달라질 수 있다. 이 스레스홀드는 원하는 마킹 세기에 의존할 수도 있다. 실제로, 상술된 바와 같이 그리고 제목이 "실리콘-변형 스레스홀드 및 형태학의 펨토초 레이저 식각(Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology)"인 2001년 6월 20일에 공개된 J. BONSE 등의 논문(APPLIED PHYSICS A, 74, 19-25 (2002), DOI 10.1007/s003390100893)에 기재된 바와 같이, 검정(qualified)될 수 있고 에너지 밀도 스레스홀드가 연관될 수 있는 여러 변형 레벨이 재료에 존재한다.

재료의 반응 스레스홀드를 결정하기 위해, 여러 방법이 과학 문헌에서 이용가능하다. 제목이 "유전체에서 펨토초 레이저 유도 손상 및 식각 스레스홀드의 측정(Measurement of femtosecond laser induced damage and ablation thresholds in dielectrics)"인 2009년 1월 14일에 공개된 N. SANNER 등의 논문(Applied Physics A, (2009) 94:889-897, DOI 10.1007/s00339-009-5077-6)은 3개의 주된 방법을 비교 설명한다.

첫 번째 방법 및 대부분의 현재 방법은 다음 수식, 즉:

을 사용하여 레이저 빔(가우시안 형상)의 완벽한 횡방향 형상을 가정하는 Liu의 방법으로 더 일반적으로 알려진, 마킹되는 재료 상에 충돌부의 직경에 기초한 회귀 방법(regression method)이고,

여기서,

- F는 에너지 밀도이다(J/cm² 단위, 이는 또한 현재 복사 조사량이라고도 언급된다),

- r은 광학 축까지의 거리이고,

- F_peak는 레이저 평균 전력(P_av)의 함수로 표현된, 광학 축에서 측정된 최대 복사 노출량이며,

- v는 펄스 반복률이고, 및

- ω는 초점 평면(이는 또한 현재 "허리부(waist)"라고도 언급된다)에서의 빔 반경이고, 시스템 렌즈의 초점 거리(f)에 직접 의존한다.

Liu의 방법은, 조사되는 재료가 물리적 충돌부의 지름(D)과 연관된 F_threshold의 특정 에너지 밀도로부터 반응하는 관계를 보다 구체적으로 고려하는데, 즉:

를 고려하고,

이로부터, 이 방정식을 처리한 후, 다음 수식을 얻을 수 있다:

마지막으로, 가공된 재료에서 충돌부의 직경(D)은 ln(F_peak)의 함수로서 선형적으로 증가하고 그리하여 전력의 함수로서 간접적으로 증가하는 것으로 나타난다. 레이저-물질 상호 작용의 모델링이 선형이라는 (재료가 입사하는 에너지에 비례하여 응답한다는) 가설 하에서, 스레스홀드(F_threshold)은 이 축의 원점에서 종좌표로 추정된다.

두 번째 방법은 또한 회귀 방법이지만, 이번에는 식각되는 볼륨의 깊이에 대한 관찰에 기초한다(본 발명에서는 식각율에 대해 설명된다). 실제로, 광 세기가 증가할 때, 조사되는 물질에 의해 자연적으로 흡수되는 에너지가 더 증가하여, 시간에 따라 가공 형태가 변하는데, 보다 구체적으로 식각 깊이 및/또는 마킹 직경이 더 커지게 된다. 이 모든 값은 재료에 적용되는 복사 조사량의 함수로서 모델링될 수 있고, 반응 스레스홀드(F_threshold)은 제로 볼륨(또는 깊이)에서 획득되는 외삽(extrapolation)으로부터 유도된다. Liu의 방법과는 반대로, 식각율을 사용하는 이 방법은 빔이 가우시안 형상인지 아닌지 여부에 상관없이 빔의 형상과 독립적으로 마킹 결과를 분석하는 한편, 이 방법은 적용되는 조사에 대하여 재료의 응답이 선형일 것을 다시 요구한다.

마지막으로, 세 번째 방법은 손상이 발생하는 것을 통계적으로 분석하는 것을 사용한다. 이 방법은 빔과 재료에 독립적으로 시각적이고 임의의 보충적 분석 없이 직접 사용할 수 있다는 잇점이 있다. 실제, 동일한 파라미터를 갖는 일련의 충돌부가 조작자에 의해 다수 회 반복되면서 마킹 반복가능성이 측정된다. 낮은 복사 조사량에서는 이러한 마킹이 전혀 보이지 않지만 높은 복사 조사량에서는 모든 마킹이 나타난다. 이 두 가지 구성들 사이의 중간 복사 조사량은 손상 스레스홀드 복사 조사량으로 정의된다. 이전의 2개의 방법과는 달리, 이 방법은 스레스홀드 값이 고정되어 있지 않고 재료에 특유한 전이 구역(transitional regime)이 있다는 의미에서 결정론적이지 않다는 잇점이 있다. 이러한 방법을 적용할 때 여기에 제시된 다중점 마킹 방법을 적용하면, 스레스홀드 복사 조사량(F_threshold)은 예를 들어 모든 충돌부가 시각화되는 최소 복사 조사량이 된다.

본 발명에서는 여기서, 가우시안 공간 회전 프로파일의 가설 하에서 이들 방법 중 하나의 방법에 따라 스레스홀드 복사 조사량이 다음 방정식, 즉:

에 따라 간단한 비율 관계(proportionality relation)로 에너지와 세기에 대해서도 유효하다는 것이 주목된다.

나아가 본 발명에서는 펄스 지속시간이 이 마킹 스레스홀드(F_threshold)에 영향을 미쳐서 펄스 지속시간이 더 짧으면 이 스레스홀드가 감소한다는 것을 의미하는 것이 더 주목된다. 동시에 실행될 수 있는 충돌부의 수는 이론적으로 펄스 지속시간이 감소함에 따라 증가한다.

위에 제시된 방법은 일반적으로 단 하나의 펄스만을 포함하는 레이저 샷으로 사용된다. 이렇게 한정된 스레스홀드는 조사되는 재료의 단일 펄스 레이저 스레스홀드에 대응한다.

바람직한 방식으로, 복수의 펄스로 구성된 레이저 샷으로 사용되는 이 방법은 복수 개의 특정 펄스에 대해 계산을 수행하는 것을 여러 번 반복하는 것으로 적용될 수 있다. 그 결과, 레이저 샷을 형성하는 레이저 펄스의 수가 증가함에 따라 고려되는 스레스홀드가 감소하는 것을 특징으로 하는 소위 인큐베이션 현상(incubation phenomenon)이 대부분의 재료에 나타난다.

k가 레이저 샷에 포함된 펄스의 수인 경우, 이 현상은 그리하여 이전의 스레스홀드(F_threshold)(각각 P_threshold)을 함수(F_threshold(k))(각각 P_threshold(k))로 치환하는 것에 의해 표현될 수 있다.

도 6은 펄스 트레인당 펄스 수(k)의 함수로서 스레스홀드(F_threshold 또는 P_threshold)의 변화를 나타내는 일반적인 개략도이다. 포화 효과는 수평 점근선에 의해 이 도 6에 도시된 인큐베이션에서 관찰될 수 있다.

주어진 레이저에 의해 주어진 재료에 마킹될 수 있는 이론적인 동시 점의 수를 추정하기 위한 시뮬레이션 절차의 첫 번째 단계는 언급된 여러 파라미터를 복원(recover)하거나 계산하는 것으로 구성된다.

두 번째로, 성형을 위해 (본 발명에서 한정하고자 하는 N _k 의 함수로서) 재료의 마킹 스레스홀드 및 이용가능한 레이저 출력을 알면, 본 발명에서는 이들 충돌부가 분리되었다고 가정하고 성형된 점의 수가 재료의 마킹 스레스홀드에 영향을 미치지 않는다고 가설을 설정한다.

그리하여, 이용가능한 전력은, 레이저 샷당 펄스 수(k)에 대해, 성형 수단에 의해 이론적으로 마킹될 수 있는 최대 수의 점을 통한 재료의 반응 스레스홀드 전력과 동등한 것으로 추정되는데, 즉:

으로 추정된다.

펄스 트레인당 펄스 수(k)에 대해 이 관계를 재료의 반응 스레스홀드 방정식에 적용하면, 다음 수식을 얻을 수 있다:

마지막으로, 이 방정식을, 마이크로머시닝 방법 및 시스템의 파라미터의 설명에서 명시적으로 이루어진 것과 연관시키면, 다른 파라미터가 알려져 있기 때문에, 하나의 미지수(N _k )를 갖는 다음 방정식을 얻을 수 있다, 즉:

여기서부터 본 발명은 최종적으로 k개의 펄스를 갖는 펄스 트레인을 사용하여 마킹 헤드를 성형하는 것에 의해 최대 동시 점의 수(N _k )의 추정치를 다음과 같이 얻을 수 있다:

여기서,

이 방법에 의해, 사용된 레이저 소스와 마킹될 재료의 특성을 알면, 전체 시스템의 여러 파라미터를 사용하여, k개의 펄스로 레이저 샷의 빔을 성형함으로써 동시에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )를 심도 있게 추정할 수 있다.

확장하면, 본 발명에서는 이론적으로 동시에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수를 나타내는 (선험적으로 인큐베이션의 포화로 인해 수렴하는) 시리즈의 한계 값이 N∞임이 주목된다.

k개의 펄스로 레이저 샷을 성형함으로써 동시에 마킹될 수 있는 이 점들의 최대 수(N _k )로부터, 특히 광 빔을, k개의 주어진 펄스에 대해 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )보다 작거나 같은 복수의 N개의 점으로 성형하기 위한 변조 장치를 설정함으로써 마이크로머시닝 시스템을 조절할 수 있다.

모든 점이 재료에 적절히 마킹되는 것을 보장하기 위해, 이 N개의 성형 점은 k개의 펄스로 레이저 샷을 성형함으로써 동시에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )보다 엄격하게 더 적게 설정될 수 있어서, 실제 마킹하는데 더 많은 에너지를 이용할 수 있다.

본 발명에서는 최대 값(N _k )이 스레스홀드 값을 나타낸다는 것에 주목해야 한다. 하나의 예로서, 하나의 손상 또는 마킹 스레스홀드를 고려하는 구성에서는 충돌부가 바로 마킹되기 시작한다. 또한 이 경우에, 최대 값(N _k )보다 더 작은 값, 예를 들어, N≤N _k /2 또는 N≤N _k /3으로 한계값 N을 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 여기서부터, 특히 복잡한 패턴의 경우, 패턴을 형성하는 점들의 수를 위상 변조를 설정하기 위해 선택된 성형 점의 수로 나누는 것에 의해 전체 패턴을 형성하는 데 필요한 펄스 트레인의 수를 더 유도할 수 있다.

마킹에 사용되는 펄스 트레인의 펄스의 수(k)를 설정하는 것은, 특히 마킹할 재료의 특성 및 방출 장치와 위상 변조 장치의 특성을 알면 경험적일 수 있다.

또한 예를 들어 전술한 3가지 방법 중 하나의 방법을 사용하여 임의의 펄스 수(i)에 대한 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold(i))를 제공하는 함수를 계산하고, 주어진 개수의 점으로 구성된 패턴을 마킹하도록 가장 잘 적응된 펄스의 수(k)를 선택하는 것도 가능하다.

펄스의 수(k)는, 예를 들어, 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold(i))를 제공하는 함수를 계산하는 것에 따라 선택될 수 있고, 여기서 펄스의 수(k)는 최소 스레스홀드 에너지 밀도의 200 %와 동일한 스레스홀드 에너지 밀도에 대응하는 펄스의 수(k ₂₀₀ )와, 에너지 밀도가 최소 스레스홀드 에너지 밀도와 동일한 최소 펄스 수에 대응하는 펄스의 수(k ₁₀₀ ) 사이에서 선택된 정수이다.

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Claims (27)

1. 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료 상에 형성하는 마이크로머시닝 방법으로서,
   - 공간적으로 펄스화되고 시간적으로 간섭성의 광 빔을 방출하는 단계;
   - 상기 패턴을 형성하는 상기 복수의 점에 따라 상기 광 빔을 성형하기 위해 적어도 하나의 위상 변조를 적용하는 것에 의해, 동적 광학 변조 장치의 변조 평면에서, 상기 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 동적으로 성형하는 단계; 및
   - 상기 변조 평면에 대해 퓨리에 구성(Fourier configuration)에 있는 작업 평면(work plane)에 위치된 상기 재료의 표면 상에 상기 성형된 광 빔을 포커싱 장치에 의해 포커싱하는 단계를 포함하고;
   상기 재료 상에 패턴을 형성하는 것은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 엄격하게 더 적은 상기 광 빔의 유한 수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인(pulse train)으로 수행되며, 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 10 ps와 100 ns 사이에 포함된 결정된 펄스 지속시간을 갖도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 100 ps와 10 ns 사이에 포함된 결정된 펄스 지속시간을 갖도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 300 ps와 8 ns 사이에 포함된 결정된 펄스 지속시간을 갖도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 재료는 상기 포커싱 장치의 포커싱 평면에 대응하는 작업 평면내에 위치되는 마이크로머시닝 방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로머시닝 방법은, 동일한 마이크로머시닝 파라미터에 따라 복수의 동일한 제품에 동일한 패턴을 형성하는데 사용되고, 모든 패턴은 상기 제품을 개별적으로 인증하기 위해 형성된 후에 기록되는 마이크로머시닝 방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 트레인은 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 적어도 2 배 더 적은, 바람직하게는 적어도 10 배 더 적은, 보다 바람직하게는 적어도 100 배 더 적은 펄스 수를 포함하는 마이크로머시닝 방법.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 트레인은 1000개 미만의 펄스, 바람직하게는 100개 미만의 펄스, 보다 바람직하게는 10개 미만의 펄스를 포함하며, 보다 바람직하게는 상기 펄스 트레인은 단 하나의 펄스만을 포함하는 마이크로머시닝 방법.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패턴에 대응하는 입력 설정점 값으로부터 변조 설정점 값을 계산하는 단계를 더 포함하고, 상기 변조 설정점 값은 상기 광 빔을 동적으로 성형하기 위해 상기 변조 장치에 부여되는 마이크로머시닝 방법.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 각 펄스가 10 μJ과 30 mJ 사이에 포함된, 바람직하게는 100 μJ과 15 mJ 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 1 mJ과 10 mJ 사이에 포함된, 결정된 에너지를 갖도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 상기 펄스 트레인의 펄스가 10 Hz와 30 kHz 사이에 포함된, 바람직하게는 20 Hz와 5 kHz 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 250 Hz와 1 kHz 사이에 포함된 반복률을 가지도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 상기 펄스 트레인이 50 μW와 20 W 사이에 포함된, 바람직하게는 10 mW와 5 W 사이에 포함된, 보다 바람직하게는 20 mW와 2 W 사이에 포함된 평균 전력을 전달하도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔의 방출은 상기 동적 광학 변조 전에 직선 편광을 갖도록 제어되는 마이크로머시닝 방법.
13. 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔의 방출(8)로부터 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료(12) 상에 형성하기 위한 마이크로머시닝 시스템으로서,
    - 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 작거나 같은 유한 수의 펄스를 포함하는 펄스 트레인으로 상기 광 빔의 방출을 제한하는 수단, 및 10 ps와 100 ns 사이에 포함된 펄스 지속시간에 따라 상기 광 빔을 설정하는 수단을 포함하는 상기 광 빔을 위한 제어 장치;
    - 변조 설정점 값으로부터 적어도 하나의 위상 변조에 따라 상기 제어 장치에 의해 설정된 상기 광 빔을 변조 평면에서 변조하여 상기 패턴을 형성하는 복수의 점에 따라 상기 광 빔을 성형하는 수단을 포함하는 동적 광학 변조 장치(3);
    - 상기 변조 설정점 값을 상기 변조 장치에 부여하도록 제공되고, 상기 패턴에 대응하는 입력 설정점 값으로부터 상기 변조 설정점 값을 계산하는 수단을 포함하는 제어 장치;
    - 상기 변조 장치에 의해 성형된 광 빔을 상기 변조 장치의 변조 평면에 대하여 퓨리에 구성에 있는 작업 평면에 위치된 상기 재료의 표면 상에 포커싱하도록 배열한 포커싱 장치(7)를 포함하는 마이크로머시닝 시스템.
14. 청구항 13에 있어서, 상기 포커싱 장치는 상기 변조 장치의 변조 평면에 대해 퓨리에 구성에 있는 포커싱 평면을 포함하는 마이크로머시닝 시스템.
15. 청구항 13 또는 청구항 14에 있어서, 상기 포커싱된 광 빔이 상기 시스템 입력에서 상기 광 빔에 대해 90°로 배향되도록 배열된 광학 소자(4) 세트를 더 포함하는 마이크로머시닝 시스템.
16. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 200 x 200 x 250mm ³ 미만, 바람직하게는 200 x 200 x 200mm ³ 미만의 벌크 볼륨을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로머시닝 시스템.
17. 복수의 점으로 구성된 패턴을 재료 상에 형성하기 위한 마이크로머시닝 시스템을 사용하는 방법으로서, 상기 시스템은, 공간적으로 및 시간적으로 간섭성의 펄스화된 광 빔을 방출하는 장치, 상기 광 빔을 복수의 점으로 성형하기 위한 위상 변조를 포함하는 동적 광학 변조 장치, 및 상기 성형된 광 빔의 상기 재료의 표면 상으로의 포커싱 장치를 포함하고, 상기 방법은 다음의 단계들:
    a. 상기 재료를 반응하게 하는 상기 광 빔의 펄스의 수(k)를 선택하는 것에 의해 펄스 트레인을 설정하는 단계;
    b. 상기 재료가 상기 광 빔의 펄스 수(k)에 대해 반응하는 스레스홀드 밀도(F_threshold(k))를 계산하고, 관련된 스레스홀드 전력(P_threshold(k))을 결정하는 단계;
    c. 상기 방출 장치와 상기 위상 변조 장치의 특성 파라미터로부터 상기 변조 장치의 출력에서 이용가능한 전력(P_avail(N _k ))에 대한 방정식을 설정하는 단계로서, N _k 는 결정될 수이고, k개의 펄스의 트레인에 대해 마킹될 수 있는 점들의 최대수를 나타내는, 상기 방정식을 설정하는 단계;
    d. 성형된 점의 수가 상기 재료가 반응하는 스레스홀드에 영향을 미치지 않는다는 가설 하에 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )를 계산하는 단계로서; 상기 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )는 다음의 식:
    o N _k = P_avail(N _k )/P_threshold(k)으로 계산되는, 상기 점들의 최대 수를 계산하는 단계;
    e. 상기 광 빔의 펄스 수(k)로 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )보다 작거나 같은 복수의 N개의 점으로 상기 광 빔을 성형하도록 상기 위상 변조를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 단계 d)에서 계산된 k개의 펄스의 트레인에 대해 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )가 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 더 적은 경우, 상기 광 빔에 대해 더 많은 수(k)의 펄스를 선택함에 있어서 상기 단계 a) 내지 d)가 반복되는 방법.
19. 청구항 17 또는 청구항 18에 있어서, 상기 단계 a)에서, 상기 패턴을 형성하는 점들의 수보다 더 적은, 상기 광 빔의 펄스 수(k)가 선택되는 방법.
20. 청구항 17 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위상 변조는, 상기 광 빔의 펄스 수(k) 내에서 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )의 절반 이하의 값만큼 제한된 복수의 N개의 점으로 상기 광 빔을 성형하도록 설정되는 방법.
21. 청구항 17 내지 청구항 20 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패턴을 형성하는 점들의 수를 상기 위상 변조를 설정하기 위해 선택된 복수의 N개의 점으로 나누는 것에 의해 전체 패턴을 형성하는데 필요한 펄스 트레인의 수를 보충적으로 계산하는 단계를 포함하고, 상기 패턴은 개별적으로 형성될 수 있는 복수의 기본 서브 패턴으로 분해되는 복합 패턴인 방법.
22. 청구항 17 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스 트레인을 설정하는 단계는 임의의 펄스 수(i)에 대한 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold(i))를 계산한 것에 따라 펄스 수(k)를 선택하는 것으로 구성되고, 상기 펄스 수(k)는 최소 스레스홀드 에너지 밀도의 200 %와 동일한 스레스홀드 에너지 밀도에 대응하는 펄스 수(k ₂₀₀ )와, 에너지 밀도가 최소 스레스홀드 에너지 밀도와 동일한 최소 펄스 수에 대응하는 펄스 수(k ₁₀₀ ) 사이에서 선택된 정수인 방법.
23. 청구항 17 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)를 계산하는 것은, 상기 광 빔이 가우시안 형상을 가지고, 상기 광 빔으로 조사되는 재료가 다음의 식:
    

    

    
    으로 주어지는 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)로부터 반응하는 것을 고려하여 수행되고,
    여기서, D는 재료에 대한 상기 광 빔의 물리적 충돌 직경이고, F_peak는 광학 축에서 측정된 최대 에너지 밀도이고, 레이저 평균 전력(P_av)의 함수로 표현되며, v는 펄스 반복률이고, ω는 상기 포커싱 장치의 포커싱 평면에서 광 빔의 반경인 방법.
24. 청구항 17 내지 청구항 22 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스레스홀드 에너지 밀도(F_threshold)를 계산하는 것은 상기 재료에 손상이 발생하는 것을 통계적으로 분석하는 것에 의해 수행되는 방법.
25. 청구항 17 내지 청구항 24 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변조 장치의 출력에서 이용가능한 전력(P_avail(N _k ))을 N _k 의 함수로서 제공하는 방정식은 다음의 식:
    

    

    
    이고, 여기서,
    - u%는 상기 동적 광학 변조 장치의 투과 퍼센트이고;
    - v%는 마킹할 패턴의 대칭성 부족의 효과 후에 이용가능한 퍼센트이고;
    - w%는 상기 동적 광학 변조 장치로부터 성형을 받지 않은 중심 포커싱 점에서 광 빔에 의해 손실된 퍼센트이고;
    - x%(C)는 상기 동적 광학 변조 장치에 적용된 변조 설정값에 대한 위상 맵에 곡률(C)을 적용한 효과 후에 이용가능한 퍼센트이고;
    - c 및 d는 상기 동적 광학 변조 장치에 적용된 설정점 값에 사용된 위상 맵의 다수의 포커싱 점을 반영하는, 충돌의 수에 대한 계수이고; N _k 개의 점과 관련된 효율은 (cN _k +d)이며, 여기서 f는 상기 포커싱 장치의 초점 길이인 방법.
26. 청구항 17 내지 청구항 25 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스레스홀드 전력(P_threshold(k))은 다음의 식:
    

    

    
    으로 주어지는 방법.
27. 청구항 17 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 빔의 펄스 수(k) 내에서 마킹될 수 있는 점들의 최대 수(N _k )는 다음의 식:
    

    

    
    으로 주어지고,
    여기서,
    

    

    
    인 방법.

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