KR20210021145A - 레이저 방사 수단에 의해 재료를 가공하는 결상 광학계 및 이 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드 - Google Patents

레이저 방사 수단에 의해 재료를 가공하는 결상 광학계 및 이 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 방사 수단에 의해 재료를 가공하는 결상 광학계(20)에 관련되며, 결상 광학계(20)는 가공될 공작물에 가공용 레이저 빔(12)을 평행하게 하는 콜리메이팅 광학계(21)와 가공용 레이저 빔(12)을 집속시키는 집속 광학계(22)를 포함하고, 콜리메이팅 광학계(21)는 가공용 레이저 빔 소스(18)를 가상 중간 초점에 집속시키며 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211)과 가상 중간 초점을 무한대로 초점 확인시키기 위해 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(212)을 포함한다. 본 발명은 가공용 레이저 빔(12)이 가이드되는 하우징(10)을 갖는 레이저 가공 헤드(1)를 더 제안한다. 본 발명의 결상 광학계(20)는 가공 초점(15)를 생성하기 위해 제공된다.

Description

레이저 방사 수단에 의해 재료를 가공하는 결상 광학계 및 이 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드{IMAGING OPTIC FOR MATERIAL MACHINING BY MEANS OF LASER RADIATION AND LASER MACHINING HEAD HAVING SAME}
본 발명은 레이저 방사에 의한 재료 가공을 위한 결상 광학계 및 이러한 빔 성형 광학계를 구비한 레이저 헤드에 관한 것이다.
레이저 조사에 의한 가공물의 가공에서는 초점 위치, 즉 레이저 헤드 및/또는 가공물에 레이저 빔 초점의 위치 및 초점 직경을 조정하는 경우가 종종 필요하다. 이것은 예를 들어, 레이저 절단 시스템에서 얇은 시트 메탈에서 두꺼운 시트 메탈로 기계 가공이 변경될 경우에 필요하다. 이 경우 초점 직경을 충분히 넓은 범위에서 변화시킬 수 없는 경우, 레이저 가공 시스템의 생산성이 저하되도록 가공 광학계를 교환해야 한다.
물체의 위치 및 형상의 위치가 일정하게 유지되는 동안 상의 크기, 즉 레이저 방사에 의한 재료의 가공에 초점 직경을 바꿀 수 있는 광학 줌 광학 시스템이 기술 광학시스템으로 알려져 있다. 예를 들어, 줌 시스템은 평행과 초점 사이의 무한 초점(afocal) 망원경을 이용하여 배율, 즉 레이저 광원(예를 들어, 광섬유의 레이저 출력면)의 직경에 대한 초점 직경의 비를 조정하는 것을 가능하게 한다. 이러한 무한 초점 망원경은 일반적으로 3 개 또는 4 개의 렌즈 군으로 구성된다. 무한 초점 망원경은 예를 들어, 미국 특허 4353617 및 유럽공개특허 0723834에 기재되어 있다. 초점 위치를 바꾸지 않고 초점 직경의 조정을 실현하기 위해 일반적으로 두 가지 동작이 필요하다. 이 경우, 줌 계열 렌즈 또는 렌즈 군의 제1의 움직임은 초점 직경을 변화시키는 작용을 하지만 줌 계열의 다른 렌즈 또는 렌즈 군의 제2의 움직임은 초점 위치의 변화를 보상하기 위해, 즉 초점 포인트를 원래 위치로 돌이키는 작용을 한다. 그러나, 멀티 킬로와트 범위의 레이저 방사에 의한 공업 재료의 가공에서는 바람직하지 않은 영향이 일반적으로 광학 소자의 수와 함께 증가하고 서로 증폭하기 때문에 광학 소자의 수를 최소화한다. 이러한 하나의 예는 온도에 의한 굴절률 및/또는 렌즈 재료의 열팽창으로 인한 열 초점의 차이, 즉 렌즈 또는 광학계의 굴절력 또는 초점 거리의 변화이다.
독일 등록특허공보 19825092C2에는 가변 초점 직경을 갖는 초점된 레이저 빔을 발생하는 레이저 시스템이 개시되어 있으며, 광학 축 방향으로 이동 가능한 음수(오목 렌즈) 광학 소자(발산 렌즈)는 정지된 콜리메이팅 렌즈와 광학 축 방향으로 이동 가능한 집속 렌즈의 사이에 제공된다. 레이저 빔의 초점 직경은 발산 렌즈와 집속 렌즈 사이의 거리를 변화시킴으로써 바꿀 수 있다. 초점면이 가공물 표면에 확실하게 남게 하기 위해서는, 발산 렌즈와 집속 렌즈로 이루어진 시스템을 시스템의 광축 방향으로 변위시켜야 한다.
이 경우, 견고성 및 접근성에 대한 특별한 요구 사항은 가공 점에 근접하고 있으며, 용융 금속, 연기 및 이와 같은 것의 스패터(spatters)의 결과로 관련 열 응력 및 오염의 위험이 있기 때문에 집속부에 높은 기계적 노력이 필요한 단점이 있다.
독일 실용신안공개공보 202010006047U1에는 레이저 헤드의 광축을 따라 이동 가능한 2개의 수렴 광학 소자로 이루어진 콜리메이팅 광학계와, 집속 광학계를 포함하는 레이저 빔을 집속하는 빔 성형 유닛이 개시되어 있다. 콜리메이팅 광학계는 굴절 망원경의 형태로 실현된다. 이 경우, 제1 가동 광학 소자는 초점 직경을 조정하는 기능을 하고 제2 가동 광학 소자는 초점 위치를 보상 또는 조정하는 기능을 한다.
이 경우 평행부에 실제 중간 초점이 존재하므로, 공지의 광학계는 상당한 길이를 가진다.
독일 실용신안공개공보 102011117607A1에는 조준 렌즈 시스템 및 집속 광학계가 설치된 가변 배율의 레이저 방사를 위한 다른 광학계가 개시되어 있다. 조준 렌즈 시스템은 제1 가동 집광 렌즈 군과, 제2 가동 발산 렌즈 군과 제3 고정 또는 축 방향 이동 집광 렌즈 군으로 구성된다. 초점 직경은 제1의 2개의 렌즈 군을 서로에 대해 변위시킴으로써 다시 조정할 수 있다. 또한 제3 렌즈 군을 축 방향으로 조정할 수 있다면 축상의 초점 위치를 조정하는 것도 가능하다.
이 경우 가동 광학 소자도 평행부에 위치하지만, 사용되는 광학 소자의 수가 많기 때문에, 예를 들어 열 초점 이동 등의 레이저 재료 가공의 일반적인 열적 문제가 특히 중요하다.
미국등록특허 4353617 유럽공개특허 0723834 독일등록특허 19825092C2
본 발명은 기술적으로 간단하고 컴팩트 한 디자인으로 초점 위치와 초점 직경의 유연한 조정을 가능하게 하는 레이저 방사에 의한 재료 가공에 사용할 수 있는 결상 광학계를 만든다는 목표를 기반으로 한다. 본 발명은 또한 이러한 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드를 이용 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 본 명세서에서 개시되는 결상 광학계 및 레이저 가공 헤드에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태도 여기에 개시된다.
본 발명에 의하면, 레이저 가공 헤드는: 가공 레이저 빔이 가이드되는 하우징과, 레이저 방사에 의한 재료 가공을 위한 결상 광학계를 구비하고, 결상 광학계는 가공될 공작물에 가공용 레이저 빔을 평행하게 하는 콜리메이팅 광학계와 가공용 레이저 빔을 집속시키는 집속 광학계를 포함하고, 콜리메이팅 광학계는 가공용 레이저 빔 소스를 가상 중간 초점에 집속시키며 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군과 가상 중간 초점을 무한대로 초점 확인시키기 위해 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군을 포함한다.
본 발명은 초점 직경뿐만 아니라 초점 위치를 조정 가능한 레이저 방사선의 결상 광학계에 관한 것이다. 이 경우, 줌 시스템은 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군과 부의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군과 집중 소자로 이루어진 콜리메이팅 광학계를 구비한다. 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군은 가상의 중간 초점에 작업 레이저 광원을 집중시키는 역할을 하고 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군은 가상 중간 초점을 무한으로 집속시켜 집속 광학계는 실행중인 레이저 빔 소스를 초점에 포커싱 시킨다.
또한, 작동 레이저 빔을 가이드할 수 있는 하우징을 갖춘 레이저 가공 헤드는, 동작 초점을 생성하기 위해 본 발명의 결상 광학계를 구비하고 있다.
본 발명에 따르면, 초점 위치의 최대 조정 범위는 광학 소자 또는 렌즈 군의 수를 줄이고 구조 길이를 최소화하여 달성할 수 있다.
본 발명의 레이저 가공 헤드의 유리한 개선 예에 따르면, 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군 및 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군은 초점 직경 및/또는 초점 위치를 조정하기 위해 구동 드라이브에 의해 각각 변위 될 수 있다.
기본적으로 렌즈 또는 렌즈 군의 변위가 서로 동기화 및/또는 비례되도록 모두 구동 드라이브를 기어 메커니즘에 의해 서로 연결하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시 예는 구동 드라이브가 서로 독립적으로 작동하는 것을 특징으로 한다. 이것은 심플한 기계적 설계를 가능하게 하는 이점이 있을 뿐만 아니라, 레이저 방사가 변화될 때 가공시의 초점 직경 및/또는 초점 위치 조정의 광학 소자의 초점 거리의 파장 의존성을 쉽게 고려하는 것을 가능하게 한다.
가동 렌즈 또는 렌즈 군의 서로에 대한 그리고 집속 광학계에 대한 위치는 바람직하게는 프로그램 가능한 제어 유닛에 의해 조절되는 가공의 유형과 레이저 파장에 따라 조정된다.
본 발명은 기술적으로 간단하고 컴팩트 한 디자인으로 초점 위치와 초점 직경의 유연한 조정을 가능하게 하는 레이저 방사에 의한 재료 가공에 사용할 수 있다.
또한 본 발명은 또한 이러한 결상 광학계를 갖는 레이저 가공 헤드를 이용 가능하다.
도 1은 본 발명의 레이저 가공 헤드의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 2 (a) 내지 (c)는 렌즈 군이 서로에 대해 다른 위치를 가진 본 발명의 결상 광학계의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도면에서 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호에 의해 식별된다.
도 1은 레이저 헤드(10)를 나타내며, 광섬유(11)를 통해 공급되는 가공 레이저 빔(12)은 레이저 헤드(10)를 통해 안내되어 가공물(14)에 인도된다. 광섬유(11)에 의해 출력되는 발산 레이저 빔(121)은 결상 광학계(20)에 의해 가공 초점(15), 피가공(14)의 표면(16) 위 또는 아래에 초점된다.
결상 광학계(20)는 콜리메이팅 광학계(21) 및 집속 광학계(22)를 포함한다. 콜리메이팅 광학계(21)는 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211)과 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(212)으로 이루어진다. 제1 및 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211,212)은 각각 해당 화살표로 표시되도록 각각의 구동 드라이브(A, B)에 의해 광축(17)을 따라 축 방향으로 변위 초점 직경 및/또는 초점 위치를 조정할 수 있다.
서로 독립적으로 작동하는 구동 드라이브(A, B)는, 파선 31-32에서와 같이 제어 유닛(30)에 의해 제어되고, 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211,212)의 서로에 대한 위치와 집속 광학계(22)는 레이저 파장과 기계 가공의 유형에 따라 조정될 수 있다.
제어 유닛(30)은, 적절한 무선 또는 유선 경계 인터페이스(33)에 의해 유리하게 프로그램 될 수 있고, 본 발명의 레이저 헤드(1)가 사용되는 레이저 시스템의 기계 제어에 통합될 수 있으나, 이 통합은 도면에 자세히 나와 있지 않다. 따라서, 렌즈의 조정에 필요한 레이저 파장, 레이저 절단 및 레이저 용접 등의 가공의 종류, 금속이나 플라스틱 등의 재료의 종류 판금 두께 등의 모든 정보는 또는 렌즈 군(211,212)을 제어 유닛(30)에 쉽게 이용 가능하게 할 수 있다.
도 2(a)~(c)는 각각 집속 광학계(22)와 출력면에 의해 형성될 수 있는 가공 레이저 광원(18)의 서로에 대한 가동 렌즈 군(211,212)의 위치를 나타내고, 즉 약 5mm 이하의 두께의 박판 금속을 절단하는 데 적합한 위치, 약 5mm~ 약 10mm의 두께를 갖는 중간 두께의 금속 및 약 5mm 이상의 두께를 갖는 박판 금속 10mm에 있다.
도 2(a)는 얇은 시트 금속 절삭 용의 콜리메이팅 광학계(21)의 제1 및 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211,212) 위치의 일례를 나타내고 있어, 가공 레이저 빔(12)은 초점(15) 영역에서 비교적 짧은 레일리(Rayleigh) 길이이다. 얇은 시트 메탈은 기존 약 100μm에서 150μm의 작은 초점 직경이 사용되고 있다.
렌즈 시스템의 초점 맞추기 특성을 식으로 나타내면
m=NA/NA',
여기서 m은 배율, NA는 물체 측의 계의 개구 수, NA '는 이미지측 계의 개구 수를 나타내고, 배율 = ~ 1은 도 2a에 의한 예시적인 실시 형태를 가져, 이미지 측의 개구 몇 NA '는 물체 측의 개구 수 NA와 거의 동일하다. 따라서 얇은 시트 금속을 절삭하기위한 최적의 초점 직경은 약 100μm 섬유 직경에 의해 달성된다.
빔 직경이 감소되면, 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 군(211)은 가공용 레이저 광원(18)에 가까워지도록 이동되어 제1 가동 렌즈 군(211)에 의해 발생되는 가공용 레이저 광원(18)의 이미지는 제1 가동 렌즈 군(211)으로부터 멀어지도록 이동된다. 초점 위치를 보정하기 위해서, 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 군(212)은 부정적인 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 군 (212)의 초점에 가공 레이저 광원(18)의 동상이 있는 위치까지 변위되어 제2 가동 렌즈 군(212)에 의해 무한대의 초점이 맺어지게 된다. 그 결과, 레이저 초점(15)은 다시 집속 광학계(22)의 초점에 위치한다.
두꺼운 시트 메탈을 절단할 때 큰 초점 직경 특히 긴 레일리 길이를 얻기 위해서, 도 2의 (c)에 나타낸 제1 가동 렌즈 어셈블리(211)는 작동하는 레이저 빔 소스에 더 가까이 이동되는 반면 제2 가동 렌즈 어셈블리(212)는 집속 광학계(22)에 더욱 근접되게 이동되어야 한다. 도 2의 (c)는 이미지 측의 개구 수 NA '가 물체 측의 개구 수 NA보다 작아 결과 배율이 m> 1 인 것을 특히 나타내고 있다.
본 발명의 결상 광학계(20)의 중요한 장점은 초점 위치 및 초점 직경이 간단하고 유연한 조정 이외에, 초점 위치에 대한 광범위한 재조정 범위도 가능한 점이다. 초점 위치의 조정 범위는 초점 직경 및 초점 위치가 평행부에서 가동 렌즈 군(211, 212)에 의해 조정되고 집속부에서 광학 소자에 의해 조정되지 않기 때문에 집속 광학계(22)의 조정없이 최대로 될 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명은 초점 위치의 변화가 집속 광학계(22)의 위치 변화에 대해 선형 인 반면 초점 위치의 변화가 평행부에서 시준 구간의 광학 성분의 변화에 대해 제곱된다는 사실을 이용한다. 따라서, 평행부에서 가동 렌즈 군(211,212)의 미세한 변위는 초점 위치의 상당한 변위를 가져오고 있다.
본 발명에 따른 결상 광학계의 또 다른 장점은, 본 발명에 의하면 갈릴레이 망원경의 형태로 설계된 콜리메이팅 광학계(21)을 사용하면 실제 중간 초점 없이 결상 광학계(20)의 짧은 구조적인 길이가 가능하다는 점에 있다.
이 모든 것은 불과 3개의 렌즈 군으로 달성되고, 평행부에 2개의 렌즈 군이 배치되고 집속부에 1개의 렌즈 군이 배치되어, 최초의 2개의 렌즈 군만 가동된다. 이와 같이, 본 발명의 결상 광학계의 광학 줌 시스템은 매우 간단한 기술 설계를 가지며 동시에 열 초점의 변화에 영향을 받지 않는다.
1 : 레이저 가공 헤드
10 : 하우징
12 : 가공용 레이저 빔
18 : 레이저 빔 소스
20 : 결상 광학계
21 : 콜리메이팅 광학계
22 : 집속 광학계

Claims (7)

  1. 레이저 빔(12)이 가이드되는 하우징(10), 및
    레이저 방사에 의한 재료 가공을 위한 결상 광학계(20)를 포함하고,
    상기 결상 광학계(20)는 가공될 공작물에 가공용 레이저 빔(12)을 평행하게 하는 콜리메이팅 광학계(21)와 가공용 레이저 빔(12)을 집속시키는 집속 광학계(22)를 포함하고, 상기 콜리메이팅 광학계(21)는 가공용 레이저 빔 소스(18)를 가상 중간 초점에 집속시키며 양의 초점 거리를 갖는 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211)과 가상 중간 초점을 무한대로 초점 확인시키기 위해 음의 초점 거리를 갖는 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(212)을 포함하는 레이저 가공 헤드(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공용 레이저 빔(12)은 섬유 직경이 100μm인 광섬유(11)를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드(1).
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 제1 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211)과 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(212)은 적어도 하나의 초점 직경과 초점 위치를 조정하기 위해 각각의 구동 드라이브(A, B)에 의해 이동되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드(1).
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 구동 드라이브(A, B)는 서로 독립적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드(1).
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 및 제2 가동 렌즈 또는 렌즈 군(211, 212)의 서로에 대한 위치와 상기 집속 광학계(22)에 대한 위치는 가공의 타입과 제어 유닛(30)에 의한 레이저 파장에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드(1).
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어 유닛(30)은 프로그램 가능한 것을 특징으로 하는 레이저 가공 헤드(1).
  7. 청구항 1에 있어서,
    광섬유(11)에 의해 공급되는 상기 가공용 레이저 빔(12)을 발산시키는 레이저 빔 소스(18)를 더 포함하는 레이저 가공 헤드(1).
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