KR20180100003A - Laser beam shaping apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저 광원부로부터 가공물의 가공 면 상에 레이저 빔을 조사시키는 레이저빔 성형 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 레이저 광원부로부터 방출되는 가우션 프러파일의 레이저 원시 형상 빔을 플랫-탑 프러파일의 레이저 라인 빔으로 형성하고 레이저 라인 빔을 포커싱하여 만들어진 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키는 레이저빔 성형 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode)의 제조 방법에서, 사파이어 기판으로부터 절연막(GaN 막 또는 AlN 막)을 분리하는 레이저 리프트 오프(LLO : Laser Life Off) 공정과, 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(TFT(Thin Film Transistor)-LCD(Liquid Crystal Display))의 제조 방법에서, 유리 기판 상에 비정질 실리콘층의 증착후 비정질 실리콘층의 결정화 공정에 Eximer 레이저 빔이나 DPSS(Diode Pumped Solid State) 레이저 빔이 사용된다.2. Description of the Related Art Generally, in a manufacturing method of a light emitting diode (LED), a laser lift off (LLO) process for separating an insulating film (GaN film or AlN film) from a sapphire substrate, a thin film transistor liquid crystal display (Liquid Crystal Display) -LCD (Liquid Crystal Display) method, an Eximer laser beam or a Diode Pumped Solid State (DPSS) laser beam is used for the crystallization process of the amorphous silicon layer after deposition of the amorphous silicon layer on the glass substrate do.
이 경우에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가공물의 가공 면에 고 에너지의 레이저 빔으로 빠른 시간에 조사되어야 하는데, 이를 위해, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 빔 스팟(beam spot)의 크기를 줄이고 빔의 진행 방향에 직각인 방향에서 빔 세기(beam intensity, 또는 빔 강도)를 일정하게 하는 플랫-탑 프러파일(flat-top profile)을 이루도록 형상화되어야 고 에너지를 가지도록 용이하게 균질화 처리될 수 있다.In this case, the Eximer laser beam or the DPSS laser beam must be irradiated with a high-energy laser beam on the processed surface of the workpiece in a short period of time. To this end, the Eximer laser beam or the DPSS laser beam is irradiated with a beam spot It should be shaped to form a flat-top profile that reduces the size and keeps the beam intensity (or beam intensity) constant in a direction perpendicular to the direction of travel of the beam so that it can easily be homogenized .
상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔이 가우션 프러파일로 형상화되어 빔 중심으로부터 거리에 따라 빔 세기를 작게 가지기 때문에, 상기 Eximer 레이저 빔이나 DPSS 레이저 빔은 가우션 프러파일을 플랫-탑 프러파일로 형상화하여 작은 크기의 빔 스팟을 구현하고 작은 크기의 빔 스팟을 통해 가공물의 가공 면에 높은 에너지로 조사되기 위해 부가적인 광학계를 필요로 한다.Since the Eximer laser beam or the DPSS laser beam is shaped into a gaussian profile and the beam intensity is small according to the distance from the beam center, the Eximer laser beam or the DPSS laser beam can be used as a flat- To provide a beam spot of small size and to irradiate the work surface of the workpiece with high energy through a small beam spot.
여기서, 광학에서 공지된 지식에 따르면, 레이저의 빔퍼짐성(divergence)과 연관된 빔질(beam quality factor; M2)이 작을수록 렌즈에 집속되는 빔 직경을 작게 가질 수 있으며, 빔 직경(spot size 또는 beam waist)이 작을수록 레이저 에너지 밀도를 증가시킬 수 있으므로, 상기 부가적인 광학계는 광원으로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 라인 빔으로 형상화하여 라인 빔을 통해 원시 레이저 빔의 빔퍼짐성(divergence)을 목적하는 방향으로 줄인 후 라인 빔을 소정 크기로 분할하고 분할된 라인 빔의 가로 축 및 세로 축을 뒤바꿔 빔 직경을 줄이도록 구성된다.According to knowledge known in the art, the smaller the beam quality factor (M 2 ) associated with the beam divergence of the laser, the smaller the beam diameter to be focused on the lens, and the smaller the beam diameter (spot size or beam the additional optical system shapes the raw laser beam emitted from the light source into a line beam and directs the laser beam to divergence of the original laser beam through the line beam The line beam is divided into a predetermined size, and the horizontal axis and the vertical axis of the divided line beam are rearranged to reduce the beam diameter.
본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 고밀도 에너지의 라인 빔을 구성하는 레이저 광학계에서, 빔의 진행 방향(또는 Z축 방향)에서 볼 때, X축 방향으로 호모게나이저(homogenizer)를 이용하여 레이저 광학계에 부합하는 균일한 세기의 빔을 콜리메이션 해주고, Y축 방향으로 렌즈 별로 용이하게 빔 포커싱하여 빔 직경(spot size 또는 beam waist)을 줄이는데 적합한 레이저빔 성형 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in order to solve the conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a laser optical system for forming a line beam of high density energy, which comprises a homogenizer The present invention provides a laser beam shaping apparatus suitable for collimating a beam of uniform intensity conforming to a laser optical system and beam focusing easily on a lens-by-lens basis in a Y-axis direction to reduce a beam spot size or a beam waist. There is a purpose.
본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치는, 레이저 광원부로부터 시작되는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔을 성형시켜 레이저 빔을 만들고 상기 레이저 빔을 가공물의 가공 면에 조사시키도록, 상기 레이저 광원부와 마주하는 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 통해 광학적으로 이어지도록, 일 측에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 레이저 변형 형상 빔을 일 방형(또는 Y축)으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 내부에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동시키고, 타 측에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 빔 조작 광학계를 포함하고, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔은 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는 것을 특징으로 한다.A laser beam shaping apparatus according to the present invention is a laser beam shaping apparatus for shaping a laser beam of a laser beam having a gauss distribution starting from a laser beam source unit to form a laser beam and irradiating the laser beam on a processed surface of the workpiece, (Or Y-axis) to form a plurality of laser engraved beams by receiving the laser deformed beam from one side and optically connecting the laser deformed beam of the forming optical system , And the plurality of laser engraved beams are moved in the other direction (or the X-axis) perpendicular to the one direction, and the plurality of laser engraved beams are arranged in the other direction And a beam manipulating optical system for forming a plurality of laser-modulated shaped beams, wherein the plurality of laser- Has a smaller beam size than the laser deformed beam in the one direction and has the same beam spreadability as the laser deformed beam in the one direction.
상기 빔 조작 광학계는, 복수의 렌즈 셀(lens cell, 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지는 구면 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 입사면과 출사면은 개개의 렌즈 셀에서 입사 부분면과 출사 부분면을 가질 수 있다.The beam operating optical system is composed of a plurality of lens cells (lens cells or spherical lenses) and is arranged on a plane formed by the one direction and the other direction on the beam path, And the incident surface and the exit surface may have an incident partial surface and an emergent partial surface in each lens cell.
상기 복수의 렌즈 셀은 상기 개개의 렌즈 셀의 길이 방향으로 렌즈 셀 축을 가지고, 상기 개개의 렌즈 셀의 초점을 연결하는 초점 라인을 가지며, 상기 렌즈 셀 축에 대해 상기 초점 라인을 직각되게 하고, 상기 일 방향에 대해 상기 렌즈 셀 축과 상기 초점 라인을 45°로 경사시킬 수 있다.Wherein the plurality of lens cells has a lens cell axis in the longitudinal direction of the individual lens cells and has a focal line connecting the focal points of the individual lens cells so that the focal line is perpendicular to the lens cell axis, The lens cell axis and the focal line may be inclined at 45 degrees with respect to one direction.
상기 구면 렌즈 어레이는 상기 입사면에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면에 의해 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 상기 내부에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 초점을 통과시키는 동안 상기 초점을 기준으로 상기 레이저 조각 형상 빔을 대칭 반전시켜 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 이동시키고, 상기 출사면에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 출사 부분면을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성할 수 있다.Wherein the spherical lens array receives the laser deformed beam at the incident surface and splits the laser deformed beam by the incident partial surface of the individual lens cell to form a laser engraved beam, (Or X-axis) orthogonal to the one direction while symmetrically inverting the laser engraved beam with respect to the focal point while allowing the engraved beam to pass through the focus of the individual lens cell, And the laser engaging beam is arranged in the other direction on the exit surface so as to form a laser-adjusted shaped beam exiting through the exit partial surface of the individual lens cell.
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면과 상기 출사 부분면 사이에서 상기 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전된다.The laser engraved beam is rotated 180 degrees about the focal point between the incident partial surface and the emergent partial surface of the individual lens cell and is symmetrically inverted.
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 렌즈 셀 축 또는 상기 초점 라인을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전된다.The laser engraved beam is symmetrically inverted in terms of the shape of the individual lens cells with respect to the lens cell axis or the focal line.
상기 빔 조작 광학계는, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈, 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이와 제2 실린더 렌즈로 이루어지고, 상기 실린더 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀을 가지며, 입사면과 출사면에서 개개의 렌즈 셀에 입사 부분면과 출사 부분면을 가질 수 있다.The beam operating optical system includes a first cylinder lens positioned sequentially so as to have an incident surface and an emergent surface which are located on a plane formed by the one direction and the other direction on the beam path and which are opposite to each other, And the cylinder lens array has a plurality of lens cells and may have an incidence part surface and an incidence part surface on the individual lens cells on the incidence surface and the emission surface.
상기 제1 실린더 렌즈 또는 상기 제2 실린더 렌즈는 상기 일 방향에 대해 렌즈 축을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 제1 실린더 렌즈 어레이는 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시킬 수 있다.Wherein the first cylinder lens or the second cylinder lens has a lens axis inclined by 45 DEG on one side (counterclockwise) with respect to the one direction, and the first cylinder lens array is inclined with respect to the one direction The individual lens cell axes can be tilted by 45 占 on the other side (clockwise).
상기 빔 조작 광학계는 상기 제1 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 제1 실린더 렌즈의 렌즈 축을 향해 회전시켜 출사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 출사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이에서 개개의 렌즈 셀의 입사 부분면을 통해 상기 제1 실린더 렌즈의 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 상기 개개의 렌즈 셀의 렌즈 셀 축과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후 상기 개개의 렌즈 셀의 출사 부분면을 통해 상기 레이저 조각 형상 빔을 출사시키고, 상기 제2 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 실린더 렌즈 어레이의 상기 개개의 렌즈 셀로부터 상기 일 방향에서 상기 타 방향으로 위치 이동한 상기 레이저 조각 형상 빔을 입사받아 출사면을 통해 평행빔으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성할 수 있다.Wherein the beam operating optical system receives the laser deformed beam through the incident surface of the first cylinder lens and rotates the lens toward the lens axis of the first cylinder lens to emit the laser deformed beam through the emergent surface, Shaped beam of the first cylinder lens is divided through the incident partial surface of each lens cell in the array to form a laser engraved beam perpendicular to the lens cell axis of the individual lens cell, Shaped lens in a direction from the one side of the cylinder lens array to the other side of the cylinder lens array through an incident surface of the second cylinder lens, Shaped laser beam that is incident on the laser engraved beam and emerges as a parallel beam through the exit surface, Can be formed.
상기 제1 실린더 렌즈로부터 출사되는 상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 실린더 렌즈 어레이에서 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 렌즈 셀 축과 직각을 이루고, 상기 실린더 렌즈 어레이로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔은 직사각형 또는 정사각형으로 성형될 수 있다.Wherein the laser deformed beam emitted from the first cylinder lens is perpendicular to the lens cell axis of the individual lens cell in the cylinder lens array and the laser engraved beam emitted from the cylinder lens array is rectangular or square Can be molded.
상기 실린더 렌즈 어레이가 다수인 때, 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔은 개개의 실린더 렌즈 어레이의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가질 수 있다.When there are a plurality of the cylinder lens arrays, the plurality of laser engraved beams may have the same shape on an incident surface and an emergent surface of each cylinder lens array.
상기 실린더 렌즈 어레이는 제1 실린더 렌즈의 초점 거리에 위치될 수 있다.The cylinder lens array may be located at a focal length of the first cylinder lens.
상기 선형 레이저 가공 장치는 상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계; 및 상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모게나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고, 상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고, 상기 호모게나이저 광학계는 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시키고 상기 일 방향에서 빔 크기를 조절하여 레이저 라인 빔을 형성하고, 상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성할 수 있다.The linear laser processing apparatus comprising: a relay optical system positioned between the laser light source unit and the beam forming optical system; And a homogenizer optical system and a focusing optical system sequentially arranged from the beam operating optical system toward the processing surface, wherein the relay optical system transmits the laser beam from the laser light source part to the beam forming optical system, Wherein the homogenizer optical system forms a flat-top profile on the plurality of laser-modulated shaped beams in the other direction and forms a flat-top profile on the laser-modulated beam in one direction And the focusing optical system focuses the laser line beam in the other direction to reduce the size of the beam spot to form a laser beam.
상기 빔 형성 광학계는 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 상기 일 방향에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 상기 레이저 변형 형상 빔을 형성할 수 있다.Wherein the beam forming optical system increases the beam size of the laser primitive beam in the one direction perpendicular to the traveling direction (or Z axis) of the laser primitive beam and reduces the beam spreading of the laser primitive beam, A beam can be formed.
상기 레이저 원시 형상 빔은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔일 수 있다.The laser source shape beam may be a DPSS laser beam including a Yb: Yag laser.
상술한 바와 같이, 본 발명은 빔 조작 광학계에 구면 렌즈 어레이를 구비하거나 두 개의 실린더 렌즈 사이에 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이를 구비하여 구면 렌즈 어레이 또는 실린더 렌즈에 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔(또는 라인 빔)을 빔의 진행 방향에 직각을 이루는 일 방향(또는 Y축)으로 분할하지 않고 온전하게 입사시키므로 레이저 변형 형상 빔 관련하여 렌즈 별 정렬 작업을 생략하거나 용이하게 수행할 수 있다.As described above, the present invention is applicable to a beam operating optical system in which a spherical lens array is provided or one or a plurality of cylinder lens arrays are provided between two cylinder lenses, and a spherical lens array or a cylinder lens is provided with a laser deformed beam (Or Y-axis) orthogonal to the advancing direction of the beam, the alignment operation for each lens can be omitted or can be easily performed with respect to the laser deformed beam.
본 발명은 빔 조작 광학계에서 구면 렌즈 어레이의 입사면과 출사면 사이에서 또는 실린더 렌즈 어레이에서 일 방향을 따라 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔(또는 라인 빔)을 복수로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후, 복수의 레이저 조각 형상 빔을 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동(예를 들면, X축 위치 변경에 따른 Y축 위치 변경에 관련된 순서쌍 좌표 이동)시켜 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 가지는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 계속해서 형성시키므로 빔 조작 광학계의 기능에 대한 작업자의 인식을 빠르게 도모하여 레이저 가공 작업을 편리하게 해줄 수 있다.The present invention is characterized in that in a beam operating optical system, a laser deformed beam (or a line beam) of a beam forming optical system is divided into a plurality of laser engraved shapes (or line beams) along the one direction in the cylinder lens array or between the incident surface and the emergent surface of the spherical lens array, After the beams are formed, a plurality of laser engraved beams are moved toward another direction (or X axis) (for example, order pair movement related to Y axis position change in accordance with X axis position change) Since a plurality of laser-adjusted shaped beams having a beam size smaller than that of the deformed beam and having the same beam spreadability as the laser-deformed beam in one direction are continuously formed, the operator can quickly recognize the function of the beam operating optical system, It is possible to make the processing work convenient.
도 1은 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 레이저 광원부로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 3차원 좌표 상에서 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 1의 빔 형성 광학계로부터 방사되는 레이저 변형 형상 빔을 보여주는 개략도이다.
도 4는 도 1의 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이다.
도 6은 도 5의 구면 렌즈 어레이에서 렌즈 셀 내 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다.
도 7은 도 6의 렌즈 셀의 입사면과 출사면 사이에서 빔의 이동을 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 5의 빔 조작 광학계로부터 방사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 보여주는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이다.
도 10은 도 9의 빔 조작 광학계에서 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view showing irradiation of a laser beam to a machined surface of a workpiece using a laser beam forming apparatus according to the present invention; FIG.
FIG. 2 is a schematic view showing a source laser beam emitted from the laser light source unit of FIG. 1 in three-dimensional coordinates. FIG.
3 is a schematic view showing a laser deformed beam emitted from the beam forming optical system of FIG.
Fig. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship between the beam forming optical system and the beam operating optical system of Fig. 1;
5 is a schematic view showing a beam operating optical system according to the first embodiment of the present invention.
6 is a schematic view showing the positional shift of a beam in a lens cell in the spherical lens array of FIG. 5;
Fig. 7 is a schematic view showing the movement of the beam between the entrance surface and the exit surface of the lens cell of Fig. 6;
Fig. 8 is a schematic view showing a plurality of laser-tuned shaped beams emitted from the beam operating optical system of Fig. 5;
9 is a schematic view showing a beam operating optical system according to a second embodiment of the present invention.
10 is a schematic view showing the positional shift of the beam in the beam operating optical system of Fig.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with one embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views, and length and area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치를 이용하여 가공물의 가공 면에 레이저의 조사를 보여주는 개략도이고, 도 2는 도 1의 레이저 광원부로부터 방사되는 원시 레이저 빔을 3차원 좌표 상에서 보여주는 개략도이다.FIG. 1 is a schematic view showing irradiation of a laser beam on a machined surface of a workpiece using the laser beam forming apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic view showing a source laser beam radiated from the laser beam source unit in FIG. 1 in three-dimensional coordinates.
또한, 도 3은 도 1의 빔 형성 광학계로부터 방사되는 레이저 변형 형상 빔을 보여주는 개략도이고, 도 4는 도 1의 빔 형성 광학계와 빔 조작 광학계 사이의 위치 관계를 보여주는 개략도이다.Fig. 3 is a schematic view showing a laser deformed beam emitted from the beam forming optical system of Fig. 1, and Fig. 4 is a schematic view showing a positional relationship between the beam forming optical system and the beam operating optical system of Fig.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저빔 성형 장치(170)는, 서로 마주하면서 광학적으로 이어지는 레이저 광원부(10), 릴레이 광학계(20), 빔 형성 광학계(30), 빔 조작 광학계(70), 호모제나이저 광학계(1500)와 포커싱 광학계(160)를 도 1과 같이 포함한다. 빔 경로를 구현하도록, 상기 레이저 광원부(10)는 가우션 분포의 레이저 원시 형상 빔(도 2의 10B)을 형성하여 레이저 원시 형상 빔(10B)을 릴레이 광학계(20)에 전달한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(10B)은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔이다.1 to 4, a laser
상기 레이저 원시 형상 빔(10B)은, 빔의 진행방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 평면에서 원형 횡단면을 가지나, 빔 모양을 단순화시키기 위해, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 5mm X 5mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.5°갖는다고 가정한다. 상기 빔퍼짐성은 아래의 수학식에 의해 빔질 인자(M2)와 비례한다.The
(단, 2w 0; 빔 스팟의 크기, λ; 레이저 파장, D; 빔 크기, F; 렌즈 초점거리, M2; 빔질 인자 (beam quality factor))(However, 2w 0; of the beam spot diameter, λ; laser wavelength, D; beam size, F; lens focal length, M 2; bimjil factor (beam quality factor))
(단, Θ; 빔 퍼짐성(beam di vergence), BPP; 확산 정도(beam parameter product))(Where [theta] (beam divergence), BPP (beam parameter product)
상기 레이저 원시 형상 빔(10B)이 릴레이 광학계(20)에 전달된 후, 상기 릴레이 광학계(20)는 레이저 원시 형상 빔(10B)에서 빔 크기와 빔 퍼짐성에 동요 없이 레이저 원시 형상 빔(10B)을 빔 형성 광학계(30)에 전달한다. 상기 레이저 원시 형상 빔(10B)이 빔 형성 광학계(30)에 계속하여 전달된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 원시 형상 빔(10B)의 형상을 일 방향(또는 Y축)으로 변형시켜 레이저 변형 형상 빔(도 3의 30B)을 형성한다.After the
한편, 빔이 통상적인 광학계(예를 들면, 렌즈)를 통과하면,‘Etendue 보존법칙’(또는 Abb’s Sine condition)이 아래의 수학식 4와 같이 구현되는데, 즉,‘Etendue 보존법칙’에 따르면, 광원의 크기(또는 상의 크기; H1, H2)와 광원의 퍼짐 각도(θ1, θ2)의 곱은 항상 일정하다. 따라서, 상기 렌즈의 일 측부 또는 타 측부에서,‘Etendue 보존법칙’에 따르면, 빔 길이와 빔퍼짐성은 서로에 대해 반비례의 관계를 이룬다.On the other hand, when the beam passes through a conventional optical system (e.g., a lens), the 'Etendue conservation law' (or Abb's sine condition) is implemented as Equation 4 below, The product of the size (or image size, H1, H2) of the light source and the spreading angles (? 1 ,? 2 ) of the light source is always constant. Therefore, at one side or the other side of the lens, according to the 'etendue conservation law', the beam length and beam spreadability are in inverse proportion to each other.
(단, N1 과 N2 는 광학계의 굴절률임)(Where N 1 and N 2 are the refractive index of the optical system)
상기 굴절률은 공기 중에서 1이다. 상기 레이저빔 성형 장치(170)에서, 가공물(180)의 가공면(A) 상에 빔의 스팟 크기를 줄이기 위해, 상기 포커싱 렌즈(160)가 수학식 1에 따라 입사되는 빔의 크기를 크게 가지거나 입사되는 빔의 빔질 또는 빔퍼짐성을 작게 가져야 하나, 상기 입사되는 빔은 포커싱 렌즈(160)를 통과한 후 빔 경로 상에 포커싱 렌즈(160)의 수차를 유발시켜 양호하게 포커싱되기 어렵고 DOF(depth of focus)에 악영향을 준다.The refractive index is 1 in air. In order to reduce the spot size of the beam on the processing surface A of the
상기 포커싱 렌즈(160)의 광학적 부담을 해소하기 위해, 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)은, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 5mm X 25mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.1°갖는다. 따라서, 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)은 Y축으로 레이저 원시 형상 빔(10B) 대비 5배로 늘린 빔 길이를 가지는 때 Y축으로 레이저 원시 형상 빔(10B) 대비 1/5 비율로 줄어든 빔퍼짐성을 갖는다.In order to eliminate the optical load of the focusing
상기 레이저 변형 형상 빔(30B)이 빔 형성 광학계(30)에서 형성된 후, 상기 빔 형성 광학계(30)는 레이저 변형 형상 빔(30B)을 빔 조작 광학계(70)에 전달한다. 상기 레이저 변형 형상 빔(30B)이 빔 조작 광학계(70)에 전달된 후, 상기 빔 조작 광학계(70)는 레이저 변형 형상 빔(10B)을 입사 받아 복수의 레이저 조각 형상 빔(도 8의 70B)을 형성하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)을 호모게나이저 광학계(150)에 전달한다.After the laser deformed
상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)은 이후에 좀 더 상세하게 설명하기로 한다. 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)이 호모게나이저 광학계(150) 에 전달된 후, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B)에 대응하는 레이저 라인 빔(도면에 미 도시)을 형성하여 포커싱 광학계(160)에 전달한다. 상기 레이저 라인 빔이 포커싱 광학계(160) 에 전달된 후, 상기 포커싱 광학계(160)는 레이저 라인 빔을 목적하는 방향으로 포커싱하여 빔 스팟을 줄여 고 에너지의 레이저 빔(도면에 미 도시)을 가공물(180)의 가공 면(A)에 조사한다.The plurality of laser engraved
도 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이고, 도 6은 도 5의 구면 렌즈 어레이에서 렌즈 셀 내 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이며, 도 7은 도 6의 렌즈 셀의 입사면과 출사면 사이에서 빔의 이동을 보여주는 개략도이다.FIG. 5 is a schematic view showing a beam operating optical system according to the first embodiment of the present invention, FIG. 6 is a schematic view showing the movement of a beam in a lens cell in the spherical lens array of FIG. 5, And FIG. 5 is a schematic view showing the movement of the beam between the incident surface and the emitting surface of the light source.
도 8은 도 5의 빔 조작 광학계로부터 방사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 보여주는 개략도이다. 여기서, 상기 Z축은 빔의 진행 방향으로 지칭하고, 상기 Y축은 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각인 일 방향으로 지칭하며, 상기 X축은 일 방향에 직각인 타 방향으로 지칭하기로 한다.Fig. 8 is a schematic view showing a plurality of laser-tuned shaped beams emitted from the beam operating optical system of Fig. 5; Here, the Z-axis refers to the direction of beam advancement, and the Y-axis refers to one direction perpendicular to the advancing direction (or Z-axis) of the beam, and the X-axis refers to the other direction perpendicular to one direction.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 빔 조작 광학계(70)는 빔 형성 광학계(30)와 함께 빔 경로 상에 위치하며, 구면 렌즈 어레이를 포함한다. 상기 구면 렌즈 어레이는 일 측에서 레이저 변형 형상 빔(30B)을 입사받아 레이저 변형 형상 빔(30B)을 일 방향으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 형성한다.5 to 8, the beam operating
또한, 상기 구면 렌즈 어레이는 내부에서 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 일 방향(또는 Y축)에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위 치 이동(m)시키고, 타 측에서 복수의 레이저 조각 형상 빔(30C)을 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)을 형성한다. 상기 위치 이동(m)은 X축 위치 변경에 따른 Y축 위치 변경에 관련된 순서쌍 좌표 이동으로 지칭될 수 있다.In addition, the spherical lens array moves (m) the plurality of laser engraved
좀 더 구체적으로 구면 렌즈 어레이를 볼 때에, 상기 구면 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀(lens cell(49), 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 일 방향과 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면(50)과 출사면(60)을 갖는다.More specifically, when looking at the spherical lens array, the spherical lens array is composed of a plurality of lens cells (
상기 입사면(50)과 출사면(60)은 개개의 렌즈 셀(49)에서 입사 부분면(43)과 출사 부분면(46)을 갖는다. 상기 복수의 렌즈 셀(49)은 개개의 렌즈 셀(49)의 길이 방향으로 렌즈 셀 축(LA)을 가지고, 개개의 렌즈 셀(49)의 초점을 연결하는 초점 라인(FA)을 가지며, 렌즈 셀 축(LA)에 대해 초점 라인(FA)을 직각되게 하고, 일 방향에 대해 렌즈 셀 축(LA)과 초점 라인(FA)을 45°로 경사시킨다.The
이에 따라, 상기 구면 렌즈 어레이의 광학적 역할을 설명하면, 상기 구면 렌즈 어레이는 입사면(50)에서 레이저 변형 형상 빔(30B)을 입사받아 개개의 렌즈 셀(49)의 입사 부분면(43)에 의해 레이저 변형 형상 빔(30B)을 일 방향으로 분할하여 레이저 조각 형상 빔(30C)을 형성한다.The spherical lens array receives the laser deformed
또한, 상기 구면 렌즈 어레이는 내부에서 레이저 조각 형상 빔(30C)을 개개의 렌즈 셀(49)의 초점을 통과시키는 동안 초점을 기준으로 레이저 조각 형상 빔(30C)을 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')시켜 레이저 조각 형상 빔(30C)을 일 방향에 직각을 이루는 타 방향을 향해 이동시킨다.In addition, the spherical lens array is configured to symmetrically invert (1 - > 1 ') the laser engraved
더불어, 상기 구면 렌즈 어레이는 출사면(60)에서 레이저 조각 형상 빔(30C)을 타 방향에 배열하여 개개의 렌즈 셀(49)의 출사 부분면(46)을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔(70B)을 형성한다. 상기 레이저 조정 형상 빔(70B)은, 예를 들면 평면에서 빔 길이를 X축으로 그리고 Y축으로 25mm X 5mm 가지며 빔퍼짐성(divergence)을 X축으로 그리고 Y축으로 0.5°X 0.1°갖는다.In addition, the spherical lens array includes a laser-modulated
여기서, 상기 레이저 조정 형상 빔(70B)은 개개의 렌즈 셀(49)의 입사 부분면(43)과 출사 부분면(46) 사이에서 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')된다. 상기 레이저 조각 형상 빔(70B)은 개개의 렌즈 셀(49)에서 렌즈 셀 축 (LA) 또는 초점 라인(FA)을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전(1 -> 1', 2 -> 2', 3 -> 3')된다.Here, the laser-adjusted
여기서, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)은 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(30B)보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(30B)과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는다. 여기서, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B)은 일 방향에서 플랫-탑(flat-top) 프로파일을 갖는다.Here, the plurality of laser-tuned
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 빔 조작 광학계를 보여주는 개략도이고, 도 10은 도 9의 빔 조작 광학계에서 빔의 위치 이동을 보여주는 개략도이다. 또한, 상기 Z축은 빔의 진행 방향으로 지칭하고, 상기 Y축은 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각인 일 방향으로 지칭하며, 상기 X축은 일 방향에 직각인 타 방향으로 지칭하기로 한다.FIG. 9 is a schematic view showing a beam operating optical system according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a schematic view showing a positional shift of a beam in the beam operating optical system of FIG. The Z axis refers to the direction in which the beam advances, and the Y axis refers to one direction perpendicular to the advancing direction (or Z axis) of the beam, and the X axis refers to the other direction perpendicular to one direction.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 빔 조작 광학계(140)는, 빔 경로 상에서 일 방향과 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈(80), 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈(120)로 이루어진다. 본 발명을 단순하게 설명하기 위해, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 하나를 이용하여 설명된다.9 and 10, the beam operating
상기 입사면과 출사면은 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100), 또는 제2 실린더 렌즈(120)에서 빔 경로 상에 빔의 입사와 출사를 각각 담당한다. 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 복수의 렌즈 셀(95)을 가지며, 입사면과 출사 면에서 도 5, 도 6 또는 도 7과 유사하게 개개의 렌즈 셀(95)에 입사 부분면과 출사 부분면을 갖는다.The incident surface and the emergent surface respectively take in and out of the beam on the beam path in the
상기 제1 실린더 렌즈(80)와 제2 실린더 렌즈(120)는 렌즈 축들(A1, A3)을 각각 가지고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 제1 실린더 렌즈(80)의 초점 거리(F1)에 위치되고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 개개의 렌즈 셀(95)에서 렌즈 셀 축(A2)을 갖는다.The
상기 제1 실린더 렌즈(80) 또는 제2 실린더 렌즈(120)는 일 방향에 대해 렌즈 축(A1 또는 A3)을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)는 개개의 렌즈 셀(95)에서 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축(A2)을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시킨다.The
즉, 상기 제1 실린더 렌즈(80)의 렌즈 축(A1)과 제2 실린더 렌즈(120)의 렌즈 축(A3)은 실린더 렌즈 어레이(100)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이룬다. 이에 따라, 상기 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈 (120)의 광학적 역할은 다음과 같이 설명된다. That is, the lens axis A1 of the
상기 제1 실린더 렌즈(80)는 입사면을 통해 빔 형성 광학계(도 4의 30)로부터 레이저 변형 형상 빔(80B)을 입사받아 렌즈 축(A1)을 향해 45°로 회전시켜 출사면을 통해 레이저 변형 형상 빔(80B)을 출사시킨다. 여기서, 상기 레이저 변형 형상 빔(80B)은 도 3의 레이저 변형 형상 빔(30B)과 동일한 빔의 특성을 갖는다.The
상기 실린더 렌즈 어레이(100)는, 제1 실린더 렌즈(80)의 초점에 위치되므로, 개개의 렌즈 셀(95)의 입사 부분면을 통해 제1 실린더 렌즈(80)의 45°회전된 레이저 변형 형상 빔(80B)을 분할하여 개개의 렌즈 셀(95)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔(100B)을 형성한 후 개개의 렌즈 셀(95)의 출사 부분면을 통해 레이저 조각 형상 빔(100B)을 출사시킨다. The
여기서, 상기 제1 실린더 렌즈(80)로부터 출사되는 레이저 변형 형상 빔(80B)은 실린더 렌즈 어레이(100)에서 개개의 렌즈 셀(95)의 렌즈 셀 축(A2)과 직각을 이루고, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔(100B)은 사각형, 예를 들면 직사각형 또는 정사각형으로 성형된다.The laser
상기 레이저 조각 형상 빔(100B)은 제1 실린더 렌즈(80)로부터 2배의 초점 거리에 이르는 동안 일 방향에서 타 방향으로 90°만큼 위치 이동하게 된다. 상기 제2 실린더 렌즈(120)는, 제1 실린더 렌즈(80)로부터 2배의 초점 거리에 위치되므로, 입사면에서 실린더 렌즈 어레이(100)로부터 레이저 조각 형상 빔(100B)를 입사받아 출사면을 통해 더 이상의 변형없이 평행으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔(120B)을 형성한다.The laser engraved
즉, 상기 제2 실린더 렌즈(120)를 통과한 레이저 조정 형상 빔(120B)은 도 5 내지 도 8에서 개시된 바와 같이 구면 렌즈 어레이를 통과한 레이저 조정 형상 빔과 동일하게 대칭 반전된다.That is, the laser-modulated
이를 통해서, 상기 레이저 변형 형상 빔(80B)은 제1 실린더 렌즈(80), 실린더 렌즈 어레이(100)와 제2 실린더 렌즈(120)를 순차적으로 지나면서 일 방향에서 타 방향으로 위치 이동된 레이저 조정 형상 빔(120B)으로 변형된다. The laser
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔(120B)은 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(80B)보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 일 방향에서 레이저 변형 형상 빔(80B)과 동일한 빔 퍼짐성을 갖는다. 10, the plurality of laser-tuned
따라서, 본 발명은‘Etendue 보존법칙’에 적용되지 않는 빔 조작 광학계(70 또는 140)를 개시하며, 상기 빔 조작 광학계(70 또는 140)가 일 방향으로 빔 크기를 줄이면서 빔퍼짐성을 동일하게 유지시키는 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)을 형성하므로, 상기 빔 조작 광학계(70 또는 140)는 일 방향으로 25mm 의 빔 크기와 0.1°의 빔퍼짐성을 갖는 레이저 변형 형상 빔(30B 또는 80B)을 이용하여 도 8 또는 도 10에 도시된 바와 같이 일 방향으로 5mm 의 빔 크기와 0.1°의 빔퍼짐성을 갖는 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)를 형성한다.Accordingly, the present invention discloses a beam manipulating
한편, 상기 실린더 렌즈 어레이(100)가 다수인 때, 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔(100B)은 개개의 실린더 렌즈 어레이(100)의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가질 수 있다.On the other hand, when there are a plurality of the
다시 도 1을 참조하면, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 타 방향(또는 X축)에서 복수의 레이저 조정 형상 빔(도 5의 70B, 또는 도 10의 120B)에 플랫-탑 프로파일을 형상화시켜 레이저 라인 빔(도면에 미도시)을 형성한다. 여기서, 상기 호모게나이저 광학계(150)는 시준기(도면에 미도시)를 이용하여 복수의 레이저 조정 형상 빔(70B 또는 120B)을 광학적으로 처리하는 동안 복수의 레이저 조각 형상 빔(70B 또는 120B)을 타 방향(또는 X축)으로 합쳐서 타 방향(또는 X축)에서 플랫-탑 프로파일을 가지고 일 방향에서 조절된 빔 크기를 가지는 레이저 라인 빔(도면에 미도시)을 방출한다.Referring again to FIG. 1, the homogenizer
이후로, 도 1에 도시되지 않았지만, 도 1의 포커싱 광학계(160)는 레이저 라인 빔을 일 방향에서 포커싱하여 레이저 라인 빔을 목적하는 길이, 예를 들면 수 ㎛ 내지 수 십 ㎛ 사이의 길이를 가지는 빔 스팟으로 집속 또는 축소 결상하여 레이저 빔(도면에 미도시)을 형성하고 레이저 빔을 가공물(도 1의 180)의 가공 면(A)에 조사한다.1, the focusing
10; 레이저 광원부, 20; 릴레이 광원계
30; 빔 형성 광학계, 70; 빔 조작 광학계
150; 호모게나이저 광학계, 160; 포커싱 광학계
170; 레이저빔 성형 장치, 180; 가공물10; A laser
30; Beam forming optical system, 70; Beam manipulating optical system
150; Homogenizer optical system, 160; Focusing optical system
170; Laser beam shaping apparatus, 180; Workpiece
Claims (15)
상기 레이저 광원부와 마주하는 빔 형성 광학계의 레이저 변형 형상 빔을 통해 광학적으로 이어지도록, 일 측에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 레이저 변형 형상 빔을 일 방향(또는 Y축)으로 분할하여 복수의 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 내부에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 위치 이동시키고, 타 측에서 상기 복수의 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 출사되는 복수의 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 빔 조작 광학계를 포함하고,
상기 복수의 레이저 조정 형상 빔은 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔보다 더 작은 빔 크기를 가지며, 상기 일 방향에서 상기 레이저 변형 형상 빔과 동일한 빔 퍼짐성을 가지는 레이저빔 성형 장치.
A laser beam forming apparatus for shaping a laser source shape beam of a gauss distribution starting from a laser beam source unit to form a laser beam and irradiate the laser beam onto a machined surface of the workpiece,
(Or Y-axis) the laser deformed beam by receiving the laser deformed beam from one side so as to be optically connected through the laser deformed beam of the beam forming optical system facing the laser light source unit, Shaped beam, and moving the plurality of laser engraved beams in the other direction (or the X-axis) perpendicular to the one direction, and moving the plurality of laser engraved beams from the other side And a beam operating optical system for forming a plurality of laser-adjusted shaped beams to be emitted and arranged in the other direction,
Wherein the plurality of laser-modulated shaped beams have a smaller beam size than the laser-deformed beam in the one direction and have the same beam spreadability as the laser-deformed beam in the one direction.
상기 빔 조작 광학계는, 복수의 렌즈 셀 (lens cell, 또는 구면 렌즈)로 이루어지고, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어 진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지는 구면 렌즈 어레이를 포함하고,
상기 입사면과 출사면은 개개의 렌즈 셀에서 입사 부분면과 출사 부분면을 가지는 레이저빔 성형 장치.
The method according to claim 1,
The beam operating optical system comprises a plurality of lens cells (lens cells or spherical lenses) and is arranged on a plane formed by the one direction and the other direction on the beam path, A spherical lens array having a surface,
Wherein the incident surface and the exit surface have an incident partial surface and an emergent partial surface in each lens cell.
상기 복수의 렌즈 셀은 상기 개개의 렌즈 셀의 길이 방향으로 렌즈 셀 축을 가지고, 상기 개개의 렌즈 셀의 초점을 연결하는 초점 라인을 가지며, 상기 렌즈 셀 축에 대해 상기 초점 라인을 직각되게 하고, 상기 일 방향에 대해 상기 렌즈 셀 축과 상기 초점 라인을 45°로 경사시키는 레이저빔 성형 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the plurality of lens cells has a lens cell axis in the longitudinal direction of the individual lens cells and has a focal line connecting the focal points of the individual lens cells so that the focal line is perpendicular to the lens cell axis, And said lens cell axis and said focal line are inclined at 45 DEG with respect to one direction.
상기 구면 렌즈 어레이는 상기 입사면에서 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면에 의해 상기 레이저 변형 형상 빔을 상기 일 방향으로 분할하여 레이저 조각 형상 빔을 형성하고, 상기 내부에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 초점을 통과시키는 동안 상기 초점을 기준으로 상기 레이저 조각 형상 빔을 대칭 반전시켜 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 일 방향에 직각을 이루는 타 방향(또는 X축)을 향해 이동시키고, 상기 출사면에서 상기 레이저 조각 형상 빔을 상기 타 방향에 배열하여 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 출사 부분면을 통해 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
The method of claim 3,
Wherein the spherical lens array receives the laser deformed beam from the incident surface and splits the laser deformed beam in the one direction by the incident partial surface of the individual lens cell to form a laser engraved beam, Shaped beam while allowing the laser engraved beam to pass through the focal point of the individual lens cell in the direction of the focal point so that the laser engraved beam is deflected in the other direction orthogonal to the one direction Or X-axis), and arranging the laser engraved beams in the other direction on the exit face to form a laser-controlled shaped beam exiting through the exit partial face of the individual lens cells, .
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 입사 부분면과 상기 출사 부분면 사이에서 상기 초점을 기준으로 180°회전하여 대칭 반전되는 레이저빔 성형 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein said laser engraved beam is symmetrically inverted between said incident partial surface and said emergent partial surface of said individual lens cell by 180 DEG with respect to said focal point.
상기 레이저 조각 형상 빔은 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 렌즈 셀 축 또는 상기 초점 라인을 기준으로 형상 관점에서 볼 때 대칭 반전되는 레이저빔 성형 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the laser engraved beam is symmetrically inverted in the individual lens cells when viewed from the point of view of the lens cell axis or the focal line.
상기 빔 조작 광학계는, 빔 경로 상에서 상기 일 방향과 상기 타 방향으로 이루어진 평면 상에 위치되어 서로로부터 반대 방향을 향하는 입사면과 출사면을 가지도록, 순차적으로 위치되는 제1 실린더 렌즈, 하나 또는 다수의 실린더 렌즈 어레이와 제2 실린더 렌즈로 이루어지고,
상기 실린더 렌즈 어레이는 복수의 렌즈 셀을 가지며, 입사면과 출사면에서 개개의 렌즈 셀에 입사 부분면과 출사 부분면을 가지는 레이저빔 성형 장치.
The method according to claim 1,
The beam operating optical system includes a first cylinder lens positioned sequentially so as to have an incident surface and an emergent surface which are located on a plane formed by the one direction and the other direction on the beam path and which are opposite to each other, And a second cylinder lens,
Wherein the cylinder lens array has a plurality of lens cells and has an incidence portion surface and an emergence portion surface in each lens cell on an incident surface and an exit surface.
상기 제1 실린더 렌즈 또는 상기 제2 실린더 렌즈는 상기 일 방향에 대해 렌즈 축을 일 측(시계 반대방향)으로 45°경사시키고, 상기 실린더 렌즈 어레이는 상기 개개의 렌즈 셀에서 상기 일 방향에 대해 개개의 렌즈 셀 축을 타 측(시계 방향)으로 45°경사시키는 레이저빔 성형 장치.
8. The method of claim 7,
Wherein the first cylinder lens or the second cylinder lens tilts the lens axis by 45 DEG in one direction (counterclockwise direction) with respect to the one direction, and the cylinder lens array is inclined by 45 DEG with respect to the one direction And the lens cell axis is inclined by 45 占 on the other side (clockwise).
상기 빔 조작 광학계는 상기 제1 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 입사받아 상기 제1 실린더 렌즈의 렌즈 축을 향해 회전시켜 출사면을 통해 상기 레이저 변형 형상 빔을 출사시키고,
상기 실린더 렌즈 어레이에서 개개의 렌즈 셀의 입사 부분면을 통해 상기 제1 실린더 렌즈의 상기 레이저 변형 형상 빔을 분할하여 상기 개개의 렌즈 셀의 렌즈 셀 축과 직각을 이루는 레이저 조각 형상 빔을 형성한 후 상기 개개의 렌즈 셀의 출사 부분면을 통해 상기 레이저 조각 형상 빔을 출사시키고,
상기 제2 실린더 렌즈에서 입사면을 통해 상기 실린더 렌즈 어레이의 상기 개개의 렌즈 셀로부터 상기 일 방향에서 상기 타 방향으로 위치 이동한 상기 레이저 조각 형상 빔을 입사받아 출사면을 통해 평행빔으로 출사되는 레이저 조정 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the beam operating optical system receives the laser deformed beam through an incident surface of the first cylinder lens and rotates toward a lens axis of the first cylinder lens to emit the laser deformed beam through an emitting surface,
The laser deformed beam of the first cylinder lens is divided through the incident partial surface of each lens cell in the cylinder lens array to form a laser engraved beam perpendicular to the lens cell axis of the individual lens cell The laser engraved beam is emitted through an emergent partial surface of each of the lens cells,
A laser beam emitted from the second lens cylinder through the incidence surface of the cylinder lens array to the other lens cell in the other direction in the other direction and emitted as a parallel beam through the emergent surface; And forms an adjusted shape beam.
상기 제1 실린더 렌즈로부터 출사되는 상기 레이저 변형 형상 빔은 상기 실린더 렌즈 어레이에서 상기 개개의 렌즈 셀의 상기 렌즈 셀 축과 직각을 이루고,
상기 실린더 렌즈 어레이로부터 출사되는 레이저 조각 형상 빔은 직사각형 또는 정사각형으로 성형되는 레이저빔 성형 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the laser deformed beam emitted from the first cylinder lens is perpendicular to the lens cell axis of the individual lens cell in the cylinder lens array,
And the laser engraved beam emitted from the cylinder lens array is shaped into a rectangle or a square.
상기 실린더 렌즈 어레이가 다수인 때,
상기 복수의 레이저 조각 형상 빔은 개개의 실린더 렌즈 어레이의 입사면과 출사면에서 동일한 형상을 가지는 레이저빔 성형 장치.
10. The method of claim 9,
When the number of the cylinder lens arrays is plural,
Wherein the plurality of laser engraved beams have the same shape on an incident surface and an emergent surface of each cylinder lens array.
상기 실린더 렌즈 어레이는 제1 실린더 렌즈의 초점 거리에 위치되는 레이저빔 성형 장치.
10. The method of claim 9,
And the cylinder lens array is located at a focal distance of the first cylinder lens.
상기 레이저 광원부와 상기 빔 형성 광학계 사이에 위치되는 릴레이 광학계;와
상기 빔 조작 광학계로부터 상기 가공 면을 향해 순차적으로 배열되는 호모게나이저 광학계와 포커싱 광학계를 더 포함하고,
상기 릴레이 광학계는 상기 빔 형성 광학계에 상기 레이저 원시 형상 빔의 전달시 상기 레이저 광원부로부터 상기 레이저 원시 형상 빔에 부여한 빔 크기와 빔 퍼짐성을 상기 레이저 원시 형상 빔에 동일하게 유지시키고,
상기 호모게나이저 광학계는 상기 타 방향에서 상기 복수의 레이저 조정 형상 빔에 플랫-탑 프로파일을 형상화시키고 상기 일 방향에서 빔 크기를 조절하여 레이저 라인 빔을 형성하고,
상기 포커싱 광학계는 상기 타 방향에서 상기 레이저 라인 빔을 포커싱하여 빔 스팟의 크기를 줄여서 레이저 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
The method according to claim 1,
A relay optical system positioned between the laser light source part and the beam forming optical system;
Further comprising a homogenizer optical system and a focusing optical system sequentially arranged from the beam operating optical system toward the processed surface,
Wherein the relay optical system maintains a beam size and a beam spreading property imparted to the laser source beam from the laser source unit when the laser source beam is transmitted to the beam forming optical system,
Wherein the homogenizer optical system forms a flat-top profile on the plurality of laser-tuned shaped beams in the other direction and adjusts the beam size in the one direction to form a laser line beam,
Wherein the focusing optical system focuses the laser line beam in the other direction to reduce the size of the beam spot to form a laser beam.
상기 빔 형성 광학계는 상기 레이저 원시 형상 빔의 진행 방향(또는 Z축)에 직각을 이루는 상기 일 방향에서 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 크기를 늘리고 상기 레이저 원시 형상 빔의 빔 퍼짐성을 줄여 상기 레이저 변형 형상 빔을 형성하는 레이저빔 성형 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the beam forming optical system increases the beam size of the laser primitive beam in the one direction perpendicular to the traveling direction (or Z axis) of the laser primitive beam and reduces the beam spreading of the laser primitive beam, A laser beam forming apparatus for forming a beam.
상기 레이저 원시 형상 빔은 Yb:Yag 레이저를 포함한 DPSS 레이저 빔인 레이저빔 성형 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the laser beam is a DPSS laser beam including a Yb: Yag laser.
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