KR20210054519A - 재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치 및 방법, 및 레이저 재료 공정 장치 - Google Patents

재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치 및 방법, 및 레이저 재료 공정 장치 Download PDF

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KR20210054519A
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슈테판 프란츠
아흐메드 에셀바흐
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예놉틱 옵틱컬 시스템즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 레이저 재료 공정 장치(100)를 위한 초점 조정 장치(112)에 관한 것으로서, 레이저 재료 공정 장치(100)는, 제1 렌즈(108)를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛(124), 및 제2 렌즈(110)를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛(126)을 갖는다. 상기 장치는, 초점 조정을 위해 제1 렌즈(108)와 제2 렌즈(110) 사이의 거리를 조정하기 위해, 제1 렌즈 유닛(124)을 제1 방향(116)으로 이동시키고, 제2 렌즈 유닛(126)을 제1 방향(118)과 반대되는 제2 방향(118)으로 이동시키도록 설계된 조정 장치(114)를 갖는다.

Description

재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치 및 방법, 및 레이저 재료 공정 장치
본 접근 방식은 재료 공정(material processing) 장치를 위한 초점을 조정하기 위한 장치 및 방법, 그리고 재료 공정 장치, 특히 레이저 재료 공정 장치에 관한 것이다.
레이저 재료 공정에서, 빔 크기 및 초점 위치는 매우 신속하게 조정되어야 한다. 이러한 조정은 3D 공정 동안 초점 위치의 목표된 설정을 위해 필요하거나, 예를 들어 평탄하지 않은 표면 또는 시스템의 변동의 경우에, 오차를 보정하기 위해 필요하다.
US 6,813,225 B2는 광 기계식 시스템에서 광학 요소를 이동시키기 위한 장치를 개시한다.
이러한 배경기술과 대비하여, 주요 청구항에 따라, 재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치 및 방법, 그리고 재료 공정 장치가 본 접근 방식을 통해 제시된다. 유리한 개선예는 각각의 종속 청구항 및 이하의 설명에서 나타난다.
제시된 접근 방식을 통해 달성될 수 있는 이점은, 재료 공정을 위해 사용될 수 있는 빔의 빔 특성이 진동 없이 매우 신속하게 달성될 수 있다는 점이다. 빔 특성은 예를 들어, 빔의 빔 집속(beam focusing) 또는 빔 크기와 관련될 수 있다. 특히, 이는 예를 들어 레이저 재료 공정에서, 고속 초점 조정을 가능하게 한다.
제1 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛, 및 제2 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛을 갖는 레이저 재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치는, 초점 조정을 위해 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 조정하기 위해, 제1 렌즈 유닛을 제1 방향으로 이동시키고, 제2 렌즈 유닛을 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동시키도록 설계된 조정 장치를 갖는다.
레이저 재료 공정 장치는, 레이저 빔을 방출하도록 설계된 레이저를 가질 수 있다. 이 경우, 레이저 빔은 일 실시예로서 선택되며, 다른 적합한 빔으로 대체될 수 있다. 레이저 빔은, 적어도 제1 및 제2 렌즈를 포함할 수 있는 광학 유닛을 통하여 안내될 수 있다. 레이저 빔은 광학 유닛에 의해 성형될 수 있다. 장치에서 방출되는 레이저 빔은, 레이저 빔이 입사되는 재료를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 초점 조정 장치는 장치의 고정식 부분으로서 구현될 수 있거나, 장치 내에 통합될 수 있는 삽입물로서 구현될 수 있다. 렌즈 사이의 거리는, 조정 장치에 의해 제어되거나 수행되는 제1 및 제2 렌즈의 이동에 의해 조정된다. 이러한 목적을 위해, 조정 장치는, 적어도 하나의 작동기(actuator), 및/또는 작동기를 제어하기 위한 제어 신호를 제공하기 위한 인터페이스를 포함할 수 있다. 렌즈 사이의 거리의 조정에 따라 레이저 빔의 초점 위치가 변경되는 방식으로, 2개의 렌즈가 배치되고 성형된다. 따라서, 거리를 조정함으로써, 빔 크기도 변경될 수 있다. 렌즈 유닛은 해당 렌즈만을 포함할 수 있거나, 하나 이상의 추가적인 요소를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 유닛은, 렌즈와 더불어, 렌즈 홀더, 및/또는 렌즈를 이동시키기 위한 이동 요소를 포함할 수 있다. 렌즈 유닛은, 렌즈의 이동 동안 이동되는 질량을 한정할 수 있다.
일 실시형태에 따라, 집속 또는 확대 이동은 작동기 및 렌즈를 사용하여 수행될 수 있다. 렌즈가 고속으로 이동하는 경우, 렌즈 유닛의 운동량의 변화로 인해, 외부 시스템(예를 들어, 조정기의 홀더 또는 하우징)에 작용력이 작용한다. 렌즈 유닛들의 대향하는 이동으로 인해, 이러한 변화되는 작용력은, 좋지 않은 결과를 초래할 수 있는 진동이 장치(기계로도 지칭됨)에 유발되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 진동을 방지하기 위해 달리 필요한 안정된 그리고 이에 따라 복잡한 구조물을 없앨 수 있다. 대향하는 이동은 우수한 광학 효과를 갖는 소형의 고속 저진동 z-조정기의 전개를 가능하게 한다.
조정 장치는, 제1 렌즈를 제1 방향으로 이동시키기 위해 제1 렌즈 유닛에 제1 운동량 전달을 제공하고, 제2 렌즈를 제2 방향으로 이동시키기 위해 제2 렌즈 유닛에 제2 운동량 전달을 제공하도록 설계될 수 있으며, 제1 운동량 전달 및 제2 운동량 전달은 절대값 면에서 동일하다. 운동량 전달은 예를 들어, 장치 또는 장치의 캐리어 유닛과 렌즈 유닛 사이에서 수행될 수 있다. 렌즈 유닛은 운동량 전달의 결과로 캐리어 유닛에 비해 가속될 수 있다. 운동량 전달의 절대값이 동일하지만 반대 방향인 경우, 렌즈의 이동 동안 발생하는 간섭 효과는 서로를 보정할 수 있다.
조정 장치는, 제1 경로 거리만큼 제1 렌즈 유닛을 이동시키고, 제2 경로 거리만큼 제2 렌즈 유닛을 이동시키도록 설계될 수 있다. 이 경우, 제1 경로 거리 및 제2 경로 거리는 절대값 면에서 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛이 동일한 질량을 갖는 경우, 이것이 유리하다. 이는 제1 및 제2 렌즈가 동일하게 성형된 경우일 수 있다.
대안적으로, 제1 경로 거리 및 제2 경로 거리는 상이한 절대값을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛이 동일하지 않은 질량을 갖는 경우, 이것이 유리하다. 2개의 렌즈 유닛에 의해 커버되는 상이한 경로 거리로 인해, 운동량 보정은 여전히 수행될 수 있다.
이 경우, 조정 장치는, 제1 시간 기간 동안 제1 렌즈 유닛을 이동시키고, 제2 시간 기간 동안 제2 렌즈 유닛을 이동시키도록 설계될 수 있다. 제1 시간 기간 및 제2 시간 기간은 동일한 시점에 시작될 수 있으며, 절대값 면에서 동일할 수 있다. 제2 렌즈도 이동될 때에만 제1 렌즈가 이동되는 경우, 그리고 그 반대의 경우, 이동으로 인해 유발되는 간섭 효과는 서로를 보정할 수 있다.
조정 장치는, 제1 시간 기간 동안 제1 렌즈 유닛에 제1 작용력을 가하고, 제2 시간 기간 동안 제2 렌즈 유닛에 제2 작용력을 가하도록 설계될 수 있다. 이 경우, 제1 작용력 및 제2 작용력은 반대 방향으로 작용할 수 있으며, 절대값 면에서 동일할 수 있다. 이에 따라, 작용력으로 인해 유발되는 진동이 서로를 보정할 수 있다.
장치는, 제1 렌즈 유닛의 가속도를 나타내는 제1 가속도 값을 포착하고, 추가적으로 또는 대안적으로, 제2 렌즈 유닛의 가속도를 나타내는 제2 가속도 값을 포착하기 위한 센서 장치를 포함할 수 있다. 조정 장치는, 제1 가속도 값 및 제2 가속도 값을 사용하여 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛을 이동시키도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 조정 장치는, 2개의 렌즈 유닛의 가속도가 서로 반대되고 서로 조정되는 방식으로, 렌즈 유닛을 이동시키도록 설계될 수 있다.
장치는, 제1 렌즈 유닛을 이동식으로 지지하기 위한 2개의 제1 만곡 힌지(flexure hinge), 및 제2 렌즈 유닛을 이동식으로 지지하기 위한 2개의 제2 만곡 힌지를 포함할 수 있다. 여기서 각각의 렌즈 유닛은 2개의 만곡 힌지 사이에 배치될 수 있으며, 2개의 만곡 힌지는 이러한 방식으로 각각의 렌즈 유닛을 위한 선형 가이드를 형성한다. 레일 및 캐리지를 갖는 가이드와 대조적으로, 만곡 힌지는 각각의 렌즈 유닛의 마찰 없는 이동을 가능하게 한다.
해당 재료 공정 장치는,
빔을 제공하기 위한 제공 장치;
제1 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛, 및 제2 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛으로서, 빔의 빔 경로는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통하여 안내되는, 제1 렌즈 유닛 및 제2 렌즈 유닛; 및
장치의 초점을 조정하기 위한 전술한 장치를 특징부로 갖는다.
빔은 광 빔 또는 입자 빔일 수 있으며, 예를 들어 레이저 빔일 수 있다. 따라서, 제공 장치는 예를 들어, 레이저와 같은 적합한 방사선 소스일 수 있다. 따라서, 전술한 장치는 레이저 재료 공정 장치와 관련하여 유리하게 사용될 수 있다. 적용예에 따라, 다이오드 레이저, 가스 레이저, 또는 고체 레이저와 같은, 적합한 유형의 레이저가 레이저로 사용될 수 있다.
제1 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛, 및 제2 렌즈를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛을 갖는 레이저 재료 공정 장치를 위한 초점 조정 방법은,
초점 조정을 위해 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 조정하기 위해, 제1 렌즈 유닛을 제1 방향으로 이동시키고, 제2 렌즈 유닛을 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동시키는 단계를 포함한다.
방법의 단계(들)는 일 실시형태의 전술한 장치를 사용하여 구현되거나 수행될 수 있다. 장치는 전적으로 기계식으로 설계될 수 있거나, 전기 기계식으로 설계될 수 있다.
접근 방식은 첨부된 도면을 참조하여 아래에 보다 상세히 설명될 것이며, 첨부된 도면으로서:
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치의 개략도를 도시한다;
도 2는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 2개의 렌즈를 도시한다;
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 2개의 렌즈를 도시한다;
도 4는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 렌즈 배치를 도시한다;
도 5는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 초점 조정 장치를 도시한다;
도 6은 예시적인 실시형태에 따른 초점 조정 장치를 도시한다;
도 7은 예시적인 실시형태에 따른 초점 조정 장치를 도시한다;
도 8은 예시적인 실시형태에 따른 초점 조정 장치를 도시한다;
도 9는 예시적인 실시형태에 따른 고체(solid-body) 안내를 위한 요소를 도시한다;
도 10은 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 요소를 도시한다;
도 11은 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 요소를 도시한다;
도 12는 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 요소를 도시한다;
도 13은 예시적인 실시형태에 따른, 만곡 힌지를 사용하는 선형 가이드를 위한 하우징의 외부도를 도시한다;
도 14는 예시적인 실시형태에 따른, 만곡 힌지를 사용하는 선형 가이드를 도시한다; 그리고
도 15는 예시적인 실시형태에 따른, 레이저 재료 공정 방법의 흐름도를 도시한다.
본 접근 방식의 유리한 예시적인 실시형태에 대한 이하의 설명에서, 다양한 도면에 도시되고 유사한 효과를 갖는 요소에 대해, 동일하거나 유사한 참조 부호가 사용되며, 이러한 요소에 대한 설명은 반복되지 않는다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따라, 레이저 재료 공정 장치(100)의 개략도를 도시한다. 장치(100)는 레이저 빔(102)을 방출하기 위해 사용된다. 레이저 빔(102)은 예를 들어, 레이저 빔(102)을 사용하여 처리되는 소재(workpiece)(104) 상으로 지향된다. 레이저 빔 대신에, 다른 유형의 빔이 사용될 수도 있다.
장치(100)는 예를 들어, 제공 장치로서 레이저(106)를 가지며, 레이저는 레이저 빔(102)을 발생시키도록 설계된다. 레이저 빔(102)의 빔 경로는 장치(100)의 광학 유닛을 통하여 안내되며, 광학 유닛은 적어도 제1 렌즈(108) 및 제2 렌즈(110)를 포함한다. 예를 들어, 레이저 빔(102)의 초점은 장치(100)와 대향하는 소재(104)의 표면 상에 놓인다. 이러한 예시적인 실시형태에 따라, 초점은 렌즈(108, 110) 사이의 거리를 통해 설정된다. 거리를 변경함으로써, 초점의 위치가 변경될 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 소재(104)의 표면 레벨에서의 레이저 빔(102)의 빔 직경은 거리를 변경함으로써 변경될 수 있다.
장치(100)는 초점 조정 장치(112)를 갖는다. 장치(112)는 렌즈(108, 110) 사이의 거리를 조정함으로써 초점 조정을 야기하기 위해 사용된다. 상이한 예시적인 실시형태에 따라, 장치(112)는 장치(100)의 고정식 부분이거나, 장치(100)를 보완할 수 있는 독립된 유닛으로 구현된다. 렌즈(108, 110) 사이의 거리를 조정하기 위해, 장치(112)는 조정 장치(114)를 갖는다. 조정 장치(114)는 렌즈(108, 110)에 결합되며, 렌즈(108, 110) 사이의 거리를 조정하고, 이에 따라 레이저 빔(102)의 초점을 조정하기 위해, 레이저 빔(102)의 초점을 조정하기 위한 조정 프로세스 동안 렌즈(108, 110)를 서로 반대 방향(116, 118)으로 이동시키도록 설계된다. 이 경우, 예를 들어, 렌즈(108, 110)는 z축을 따라 대향하는 선형 이동을 수행한다. 이러한 목적을 위해, 예를 들어, 제1 렌즈(108)는 제1 방향(116)으로 이동되고, 제2 렌즈(110)는 제2 렌즈(118)로 이동되며, 그 결과로 렌즈(108, 110) 사이의 거리가 증가한다. 예시적인 일 실시형태에 따라, 조정 장치(114)는, 렌즈(108, 110)를 이동시키기 위해 렌즈(108, 110)에 결합된 적어도 하나의 작동기를 갖는다. 조정 장치(114)는, 예를 들어, 지정된 제1 시간-거리 프로파일에 따라 제1 렌즈(108)를 제1 방향(116)으로 이동시키고, 지정된 제2 시간-거리 프로파일에 따라 제2 렌즈(110)를 제2 방향(118)으로 이동시키도록 설계된다.
렌즈(108, 110)의 이동을 제어하기 위해, 장치(112)는 예를 들어, 적합한 기구 또는 적합한 전기 제어기를 갖는다. 예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는 렌즈(108, 110)의 이동을 조절하도록 설계된다. 이러한 목적을 위해, 장치(112)는 예를 들어, 렌즈(108, 110)의 이동을 포착하도록 설계된 센서 장치를 갖는다. 예를 들어, 센서 장치는 제1 가속도 센서(120) 및 제2 가속도 센서(122)를 갖는다. 제1 가속도 센서(120)는, 제1 렌즈(108)의 가속도를 포착하고 가속도에 해당하는 제1 가속도 값을 제공하도록 설계된다. 제2 가속도 센서(122)는, 제2 렌즈(110)의 가속도를 포착하고 가속도에 해당하는 제2 가속도 값을 제공하도록 설계된다. 이 경우, 조정 장치(114)는 예를 들어, 렌즈(108, 110)의 이동을 서로 조정하기 위해, 가속도 값을 사용하도록 설계된다.
이러한 예시적인 실시형태에 따라, 제1 렌즈(108)는 제1 홀더에 의해 수용된다. 제1 렌즈(108) 및 제1 홀더는 제1 렌즈 유닛(124)을 함께 형성한다. 이 경우, 제1 렌즈(108)가 이동되는 경우, 제1 렌즈(108)가 이동할 뿐만 아니라, 제1 렌즈 유닛(124) 전체가 이동한다. 제1 홀더와 더불어 또는 제1 홀더의 대안으로서, 제1 렌즈 유닛(124)은 하나 이상의 다른 요소를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(108)가 제1 방향(116)으로 이동되는 경우, 해당 제1 운동량은, 제1 방향(116)으로의 제1 렌즈 유닛(124)의 속도 및 질량으로 구성된다.
상응하게, 이러한 예시적인 실시형태에 따라, 제2 렌즈(110)는 제2 홀더에 의해 수용된다. 제2 렌즈(110) 및 제2 홀더는 제2 렌즈 유닛(126)을 함께 형성한다. 이 경우, 제2 렌즈(110)가 이동되는 경우, 제2 렌즈(110)가 이동할 뿐만 아니라, 제2 렌즈 유닛(126) 전체가 이동한다. 제2 홀더와 더불어 또는 제2 홀더의 대안으로서, 제2 렌즈 유닛(126)은 하나 이상의 다른 요소를 포함할 수 있다. 제2 렌즈(110)가 제2 방향(118)으로 이동하는 경우, 해당 제2 운동량은, 제2 방향(118)으로의 제2 렌즈 유닛(126)의 속도 및 질량으로 구성된다.
렌즈(108, 110)를 위한 홀더 등이 제공되지 않는 경우, 렌즈 유닛(124, 126)은 렌즈(108, 110)와 동의어로 간주될 수 있다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는, 결과적인 운동량 변화가 서로 반대되는 방식으로 조정 프로세스 동안 렌즈 유닛(124, 126)의 이동을 달성하도록 설계된다. 예를 들어, 조정 장치(114)는, 제1 렌즈 유닛(124)을 제1 방향(116)으로 이동시키는 제1 운동량 전달을 제1 렌즈 유닛(124)에 제공하고, 제2 렌즈 유닛(126)을 제2 방향(118)으로 이동시키는 제2 운동량 전달을 제2 렌즈 유닛(126)에 제공하도록 설계된다. 이 경우, 제1 운동량 전달 및 제2 운동량 전달은 절대값 면에서 동일하다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는 조정 프로세스 동안 렌즈 유닛(124, 126)의 이동을 동시에 수행하도록 설계된다. 이러한 목적을 위해, 제1 렌즈 유닛(124)은 제1 시간 기간 동안 제1 방향(116)으로 제1 경로 거리만큼 이동되고, 제2 렌즈 유닛(126)은 제2 시간 기간 동안 제2 방향(118)으로 제2 경로 거리만큼 이동된다. 이 경우, 두 시간 기간은 모두 동시에 시작되고, 동일한 시간 길이로 지속된다. 이러한 방식으로, 렌즈 유닛(124, 126)은 항상 동시에 이동한다. 렌즈(108, 110) 또는 렌즈 유닛(124, 126)의 구성에 따라, 2개의 렌즈 유닛(124, 126)에 의해 이동되는 경로 거리는 동일한 길이 또는 상이한 길이일 수 있다.
렌즈 유닛(124, 126)이 동일한 중량을 갖는 경우, 예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는 조정 프로세스 동안 동일한 길이의 경로 거리만큼 렌즈 유닛(124, 126)을 이동시키도록 설계된다. 한편, 렌즈 유닛(124, 126)이 상이한 중량을 갖는 경우, 예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는 조정 프로세스 동안 상이한 길이의 경로 거리만큼 렌즈 유닛(124, 126)을 이동시키도록 설계된다. 이러한 방식으로, 렌즈 유닛(124, 126)의 운동량은, 상이한 중량에도 불구하고 조정 프로세스 동안 절대값 면에서 동일하게 유지될 수 있다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 조정 장치(114)는, 조정 프로세스 동안, 제1 작용력을 제1 렌즈 유닛(124)에 연속적으로 가하고, 절대값 면에서 제1 작용력과 일치하는 제2 작용력을 제2 렌즈 유닛(126)에 연속적으로 가하도록 설계된다. 절대값 면에서의 작용력의 크기는 조정 프로세스 동안 가변될 수 있다.
예시적인 실시형태에 따라, 장치(112)는 집속 신호(128)를 수신하기 위한 입력 인터페이스를 갖는다. 집속 신호(128)는 예를 들어, 사용자 또는 센서 시스템에 의해 제공되며, 레이저 빔(102)의 집속의 필요한 변화를 나타낸다. 예시적인 일 실시형태에 따라, 조정 장치(114)는 집속 신호(128)를 사용하여 렌즈(108, 110) 사이의 거리를 조정하도록 설계된다. 예를 들어, 집속 신호(128)는, 조정 장치(114)의 렌즈 유닛(124, 126)을 이동시키기 위한 적어도 하나의 작동기를 직접적으로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 조정 장치(114)가 제어 장치 및 적어도 하나의 작동기를 갖는 경우, 집속 신호(128)는, 적어도 하나의 작동기를 제어하기 위한 적어도 하나의 제어 신호를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 제어 장치는 예를 들어, 미리 결정된 제어 규칙을 사용하여 적어도 하나의 제어 신호를 결정하고, 이를 적어도 하나의 작동기에 제공하도록 설계된다. 예를 들어, 구동 장치 또는 변형 가능한 조정 요소가 작동기로 사용될 수 있다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 렌즈 유닛(124, 126)은 레이저 빔 직경을 확대 또는 축소시키기 위한 빔 익스팬더(beam expander)의 일부이다. 결과적으로, 이들은 광학계의 다양한 요소가 서로 조정될 수 있게 한다. 예를 들어, 레이저(106)의 출력에서의 레이저 빔 직경은 대물렌즈(129)의 입력에서의 필요한 직경으로 조정될 수 있다. 이러한 빔 익스팬더는 레이저 재료 공정에 주로 사용된다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 장치(112)는 우수한 광학 효과를 갖는 소형의 고속 저진동 z-조정기를 나타낸다. 이는 적어도 2개의 렌즈(108, 110)와 함께 작동기를 사용하여 집속 또는 확대 이동이 수행되는, 장치(112) 및 관련 방법에 의해 달성된다.
제1 렌즈(108)에 작용하는 가속력은 제2 렌즈(110)의 반대 방향으로의 이동에 의해 보정된다. 2개의 렌즈(108, 110)는 정확히 동일할 수 있다. 이 경우, 렌즈(108, 110)는 예를 들어, 기하학적 구조 및 재료와 관련하여, 동일한 굴절력 및 동일한 기계적 설계를 가질 수 있다. 그러한 경우, 이들은 이상적으로 반대 방향으로의 동일한 이동을 통해 외력을 상쇄시킨다. 그러나, 렌즈(108, 110)가 상이할 수도 있다. 그러한 경우, 예시적인 실시형태에 따라, 이동부의 질량이 예를 들어, 렌즈 유닛(124, 126)의 마운트(mount) 및/또는 가이드 구성 요소를 통해 보정된다는 점에서, 가속도 대칭이 달성된다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 렌즈(108, 110)가 이동될 때 작용하는 구동력은 상이한 가속도(즉, 더 경량의 구성 요소)를 사용함으로써 대칭이 되며, 즉 예를 들어, 렌즈 유닛(124, 126) 중 더 경량의 렌즈 유닛이 동일한 시간에 더 긴 거리를 이동한다. 예를 들어, 조정 장치(114)는 이러한 목적을 위해 적합한 제어기 및 구동 장치를 가지며, 구동 장치의 제어기는 해당하는 기여를 함으로써, 가속도를 측정하기 위한 센서(120, 122)를 사용하여 개루프 제어기로서 또는 폐루프 제어로 보정된다. 처음에는 두 렌즈(108, 110)의 이동이 동일하다고 가정된다. 이상적인 대칭의 경우, 조정 프로세스 동안 이동되는 렌즈(108, 110)의 경로 거리(s1 및 s2)에 다음이 적용된다: s2 = -s1. 대안적으로, 이동은 서로 비례할 수 있다. 그러한 경우: s2 = k*(-s1). 이동이 비선형으로 연결되는 경우, 다음이 적용된다:
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적합한 제어기를 통해, 이러한 경우는 또한 적합한 경로-시간 프로파일을 사용함으로써 해결될 수 있으며, 렌즈 유닛(124, 126)에 작용하는 구동력에 다음이 적용된다: F1 = -F2.
해당 광학 설정을 갖는 축으로 인해, 초점의 조정 속도는 단지 하나의 이동식 렌즈에 비해 두 배가 된다. 결과적인 작용력은 대향 작용력들에 의해 상쇄된다. 대향 구성 요소, 예를 들어 제2 렌즈 유닛(126)은 장치의 광학 효과를 증가시키는 데 기여한다. 기계, 즉 장치(112) 또는 장치(100), 또는 후속 광학 유닛은 임의의 특별한 구조물 또는 댐핑(damping) 수단을 필요로 하지 않는다. 추가적으로 또는 대안적으로, 렌즈(108, 110)의 이동으로 인해 유발되는 간섭 효과를 감소시키기 위해, 관성 댐퍼(damper), 카운터-질량, 또는 진동 댐퍼가 사용될 수 있다. 그러나, 반대 방향으로의 렌즈(108, 110)의 이동보다 덜 정확하고 덜 우수한 결과를 야기하는 그러한 수단이 도움이 될 수 있다.
장치(100)의 전형적인 적용예는 드릴링, 절단, 용접, 딥 레이저 조각, 급속 프로토타이핑(rapid prototyping), 급속 세공(rapid tooling), 미세 구조화, 및 3D 소재 공정이다.
도 2는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 2개의 렌즈(108, 110)를 도시한다. 이는 도 1을 참조하여 설명된 렌즈의 예시적인 실시형태일 수 있다. 렌즈(108, 110)를 통하는 레이저 빔(102)의 빔 경로가 도시된다. 도시된 광학 원리는 2개의 렌즈(108, 110)에 대칭적이다. 이러한 목적을 위해, 렌즈(108, 110)는 예시적인 일 실시형태에 따라 동일하게 구현된다. 이 경우, 렌즈(108, 110)는, 이들이 동일한 절대값을 갖지만 반대 방향으로 경로 거리를 동시에 이동하는 방식으로, 조정 프로세스 동안 이동될 수 있다.
도 3은 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 2개의 렌즈(108, 110)를 도시한다. 이는 도 1을 참조하여 설명된 렌즈의 예시적인 실시형태일 수 있다. 렌즈(108, 110)를 통하는 레이저 빔(102)의 빔 경로가 도시된다. 도시된 광학 원리는 2개의 렌즈(108, 110)에 비대칭적이다. 이러한 목적을 위해, 렌즈(108, 110)는 예시적인 일 실시형태에 따라 상이하게 구현된다. 특히, 렌즈(108, 110)가 상이한 질량을 갖는 경우, 렌즈(108, 110)는, 이들이 절대값 면에서 상이한 경로 거리를 동시에 이동하고 반대 방향으로 연장되는 방식으로, 조정 프로세스 동안 이동될 수 있다.
도 4는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 렌즈 배치를 도시한다. 이는 도 1을 참조하여 설명된 장치의 예시적인 실시형태일 수 있다. 렌즈(108, 110)를 통하는 레이저 빔(102)의 빔 경로가 도시된다. 이 경우, 렌즈(108, 110)는 2개의 추가적인 렌즈(430, 432) 사이에 배치된다. 레이저 빔(102)은 제1 빔 특성(예를 들어, 청색)을 갖는다. 도시된 광학 원리는 4개의 렌즈(108, 110, 430, 432)에 대칭적이다. 외측 렌즈(430, 432)는 렌즈(108, 110)와 함께 이동될 수 있거나 고정될 수 있다.
선택적으로, 제2 빔 특성(예를 들어, 녹색)을 갖는 제2 레이저 빔(434)을 위한 렌즈 배치는, 렌즈(108, 110, 430, 432)와 상응하게 구현될 수 있는 추가적인 렌즈(436, 438, 440, 442)를 갖는다.
선택적으로, 제3 빔 특성(예를 들어, 적색)을 갖는 제3 레이저 빔(444)을 위한 렌즈 배치는, 렌즈(108, 110, 430, 432)와 상응하게 구현될 수 있는 추가적인 렌즈(446, 448, 450, 452)를 갖는다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 도시된 3개의 렌즈 배치는 상이한 빔 경로를 나타낸다. 제1 레이저 빔(102)과 관련하여 도시된 렌즈 배치는 "0" 위치로도 지칭되는 렌즈(108, 110)의 초기 위치를 나타낸다. 제2 레이저 빔(434)과 관련하여 도시된 렌즈 배치는 z축을 따라 양의 방향으로의 집속의 변위를 야기하는 편향을 나타낸다. 제3 레이저 빔(444)과 관련하여 도시된 렌즈 배치는 음의 방향으로의 변위를 나타낸다. 이러한 예시적인 실시형태에 따라, 장치는 시준된 수렴 및 발산 빔만을 야기한다(이는 추가적인 렌즈(도 4에 도시되지 않음)를 통해 초점 변위를 야기한다).
이러한 효과는 소형 렌즈(108, 110, 436, 438, 446, 448)에 의해 달성된다. 이러한 예시적인 실시형태에 따라, 렌즈(436, 438) 사이의 거리는 렌즈(108, 110) 사이의 거리보다 더 크고, 렌즈(446, 448) 사이의 거리는 렌즈(108, 110) 사이의 거리보다 더 작다.
이러한 효과를 달성하기 위해, 대안적인 예시적인 실시형태에 따라, 파장을 보정하기 위해, 렌즈(436, 438, 446, 448)의 곡률은 렌즈(108, 110)의 곡률에 비해 약간 변경된다.
도 5는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 장치를 위한 초점을 조정하기 위한 장치(112)를 도시한다. 이는 2개의 이동식 렌즈(108, 110) 및 2개의 고정식 렌즈(430, 432)를 갖는 완전 대칭 광학계를 갖는, 도 1을 참조하여 설명된 장치의 예시적인 실시형태일 수 있다. 렌즈(108, 110, 430, 432)는 예를 들어, 도 1에 도시된 레이저 빔을 성형하기 위해 사용될 수 있다.
예시적인 실시형태에 따라, 렌즈(108, 110)는 2개의 이동식 렌즈 유닛(124, 126)에 배치된다. 장치(112)는, 하우징(560) 내에서 안내되는 렌즈 유닛(124, 126)을 이동시키기 위해 사용되는 조정 장치(114)를 갖는다.
도 6은 예시적인 실시형태에 따른 초점을 조정하기 위한 장치(112)를 도시한다. 장치(112)는 베이스 플레이트 상에 배치된 하우징(560)에 배치된다. 2개의 렌즈 유닛(125, 126)을 이동시키기 위해, 장치(112)는 이전 도면을 참조하여 설명된 바와 같은 조정 장치(114)를 갖는다. 여기서 장치(112)는 빔 익스팬더(BEX)로서 구현된다.
도 7은 예시적인 실시형태에 따른 초점을 조정하기 위한 장치(112)를 도시한다. 이는 도 6을 참조하여 설명된 장치의 상세도이다. 2개의 렌즈 유닛(124, 126) 및 조정 장치(114)가 도시된다. 조정 장치(114)는 제1 캐리지(782) 및 제2 캐리지(784)를 갖는 선형 가이드(780)를 포함한다. 제1 렌즈 유닛(124)은 제1 캐리지(782) 상에 장착되며, 제2 렌즈 유닛(126)은 제2 캐리지(784) 상에 장착된다.
각각의 캐리지(782, 784)를 위해, 하나의 선형 구동 장치 및 하나의 경로 측정 시스템이 있다. 제1 캐리지(782)를 이동시키기 위한 제1 선형 구동 장치의 제1 샤프트(786)만이 도 7에 도시되고, 제2 캐리지(784)를 이동시키기 위한 제2 선형 구동 장치의 제2 샤프트(788)만이 도 7에 도시된다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 고정자 권선, 및 영구 자석으로 구현되는 회전자를 갖는 회전 모터가 구동 장치로 사용된다. 구동 장치는 속도 및 가속도를 제공한다.
예시적인 일 실시형태에 따라, 일직선의 정확한 절차를 보장하고 마모가 없는 가이드가 선형 가이드(780)로 사용된다. 이 경우, 선형 가이드(780)는 캐리지(782, 784)를 안내하는 레일을 가질 수 있다. 대안적으로, 만곡 힌지를 사용하는 선형 가이드가 사용될 수 있다.
도 8은 예시적인 실시형태에 따른 초점을 조정하기 위한 장치(112)를 도시한다. 이는 도 1을 참조하여 설명된 장치의 예시적인 실시형태일 수 있다. 2개의 렌즈 유닛(124, 126) 및 조정 장치(114)가 도시된다. 렌즈 유닛(124, 126)의 선형 이동은 제1 만곡 힌지(990) 및 제2 만곡 힌지(992)를 사용하여 가능해진다.
2개의 제1 만곡 힌지(990)는 디스크 형상으로 구현되고 서로 평행하게 배치되며, 제1 렌즈 유닛(124)은 2개의 만곡 힌지(990) 사이에 배치되어 만곡 힌지(990)에 의해 홀딩된다.
2개의 제2 만곡 힌지(992)는 디스크 형상으로 구현되고 서로 평행하게 배치되며, 제2 렌즈 유닛(126)은 2개의 만곡 힌지(992) 사이에 배치되어 만곡 힌지(992)에 의해 홀딩된다.
관점에 따라, 만곡 힌지(990, 992)는 렌즈 유닛(124, 126)의 구성 부분으로 간주될 수 있거나, 조정 장치(114)의 구성 부분으로 간주될 수 있거나, 또는 부분적으로 렌즈 유닛(124, 126)의 구성 부분으로 그리고 부분적으로 조정 장치(114)의 구성 부분으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 렌즈를 홀딩하기 위해 사용되는 만곡 힌지(990, 992)의 마운트는 렌즈 유닛(124, 126)의 구성 부분으로 간주될 수 있으며, 만곡 힌지(990, 992)를 하우징 또는 캐리어 요소에 부착하기 위한 체결 링은 조정 장치(114)의 구성 부분으로 간주될 수 있다.
도시된 예시적인 실시형태에 따라, 제1 만곡 힌지(990)는 제2 만곡 힌지(992)와 상이하다. 조정 프로세스 동안, 예를 들어 제1 만곡 힌지(990)는 제1 렌즈 유닛(124)을 제1 경로 거리만큼 이동시킬 수 있게 하고, 제2 만곡 힌지(992)는 제2 렌즈 유닛(126)을 제1 경로 거리와 상이한 제2 경로 거리만큼 이동시킬 수 있게 한다.
도 9는 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 만곡 힌지(990)를 도시한다. 만곡 힌지(990)는 체결 링(1172), 마운트(1174), 및 가이드 구성 요소(1176)를 갖는다. 렌즈는 고체(예를 들어, 도 1을 참조하여 도시된 제1 렌즈(108))로서 마운트(1174)에 의해 수용될 수 있다. 가이드 구성 요소는 마운트(1174)를 체결 링(1172)에 결합하도록 성형된다. 따라서, 마운트(1174) 및 선택적으로 가이드 구성 요소(1176)는, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 렌즈 유닛의 일부인 것으로 이해될 수 있다.
가이드 구성 요소(1176)는 3개의 변형 가능한 막대로 구현된다. 막대가 변형되는 경우, 예를 들어 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 조정 장치를 사용하여, 마운트(1174)가 만곡 힌지(990)의 중심축을 따라 선형 이동을 수행한다. 예를 들어, 만곡 힌지(990)를 변형시킴으로써, 최대 4 mm만큼 마운트(1174)의 이동이 달성될 수 있다. 만곡 힌지(990)의 직경은 예를 들어, 약 15 센티미터이다.
만곡 힌지(990)가 변형되지 않는 경우, 체결 링(1172) 및 마운트(1174)는 동일 평면 상에 놓인다. 도 11에 도시된 전체적인 최대 변형 시에, 체결 링(1172) 및 마운트(1174)는 이격된 평행한 평면들에 놓인다.
도 10은 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 만곡 힌지(990)를 도시한다. 만곡 힌지(990)는 도 9를 참조하여 설명된 예시적인 실시형태와 일치하는 방식으로, 체결 링(1172), 마운트(1174), 및 가이드 구성 요소(1176)를 갖는다. 도 9와 대조적으로, 가이드 구성 요소(1176)는, 환형 체결 링(1172)과 환형 마운트(1174) 사이에 배치된 외측 링 및 내측 링으로 성형된다. 가이드 구성 요소(1176)의 외측 링은 2개의 대향 막대를 통해 체결 링(1172)에 연결되며, 2개의 추가적인 막대를 통해 내측 링에 연결된다. 가이드 구성 요소(1176)의 내측 링은 2개의 대향 막대를 통해 마운트(1174)에 연결된다.
도 11은 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 만곡 힌지(990)를 도시한다. 만곡 힌지(990)는, 도 9를 참조하여 설명된 예시적인 실시형태에 따른 마운트(1174) 및 가이드 구성 요소(1176)를 갖는다. 도 9와 대조적으로, 체결 링 대신에, 3개의 체결 요소(1372)가 제공된다. 각각의 체결 요소(1372)는, 직선형 막대로 형성된 가이드 구성 요소(1176)를 통해 마운트(1174)에 연결된다.
도 12는 예시적인 실시형태에 따른 고체 안내를 위한 만곡 힌지(990)를 도시한다. 만곡 힌지(990)는 도 9를 참조하여 설명된 예시적인 실시형태와 일치하는 방식으로, 체결 링(1172), 마운트(1174), 및 가이드 구성 요소(1176)를 갖는다. 도 9와 대조적으로, 가이드 구성 요소(1176)는 직선형 막대로 성형되는 것이 아니라, 오히려 사행 막대(meandering bar)로 성형된다.
도 13은 예시적인 실시형태에 따라, 만곡 힌지를 사용하는 선형 가이드(1592)를 위한 하우징(1590)의 외부도를 도시한다.
도 14는 예시적인 실시형태에 따라, 만곡 힌지를 사용하는 선형 가이드(1592)를 도시한다. 선형 가이드(1592)는 렌즈 유닛(124)의 선형 이동을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 이는 도 1에 설명된 제1 렌즈 유닛일 수 있다. 도 1에 도시된 제2 렌즈 유닛을 위해, 추가적인 해당 선형 가이드가 사용될 수 있다.
이러한 예시적인 실시형태에 따라, 이전 도면을 참조하여 설명된 바와 같이, 평행하게 배치된 2개의 만곡 힌지(990)가 선형 가이드(1592)를 위해 사용된다.
도 15는 예시적인 실시형태에 따른 레이저 재료 공정 방법의 흐름도를 도시한다. 방법은 이전 도면을 참조하여 설명된 바와 같은, 초점 조정 장치와 관련하여 수행될 수 있다.
단계(1701)에서, 적어도 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 통하여 안내되는 레이저 빔이 제공된다. 레이저 빔의 초점은 렌즈 사이의 거리를 통해 설정된다. 단계(1703)에서, 초점 조정을 위해 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리를 조정하기 위해, 제1 렌즈는 제1 방향으로 이동되고, 제2 렌즈는 제1 방향과 반대되는 제2 방향으로 이동된다. 단계(1703)는 단계(1701) 전에 수행될 수도 있다. 단계(1703)는 레이저 빔을 재집속하기 위해 반복적으로 수행될 수 있다.
예시적인 실시형태가 제1 특징부와 제2 특징부 사이에 "및/또는"의 접속사를 포함하는 경우, 이는 일 실시형태에 따른 예시적인 실시형태가 제1 특징부 및 제2 특징부 모두를 가지며, 추가적인 실시형태에 따라, 제1 특징부만을 갖거나 제2 특징부만을 갖는다는 것을 의미하도록 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 레이저 재료 공정 장치(100)를 위한 초점 조정 장치(112)로서,
    상기 레이저 재료 공정 장치(100)는, 제1 렌즈(108)를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛(124), 및 제2 렌즈(110)를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛(126)을 가지며,
    상기 장치(112)는,
    상기 초점 조정을 위해 상기 제1 렌즈(108)와 상기 제2 렌즈(110) 사이의 거리를 조정하기 위해, 상기 제1 렌즈 유닛(124)을 제1 방향(116)으로 이동시키고, 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 상기 제1 방향(116)과 반대되는 제2 방향(118)으로 이동시키도록 설계된 조정 장치(114)를 특징부로 갖는,
    레이저 재료 공정 장치(100)를 위한 초점 조정 장치(112).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조정 장치(114)는, 상기 제1 렌즈(108)를 상기 제1 방향(116)으로 이동시키기 위해 상기 제1 렌즈 유닛(124)에 제1 운동량 전달을 제공하고, 상기 제2 렌즈(110)를 상기 제2 방향(118)으로 이동시키기 위해 상기 제2 렌즈 유닛(126)에 제2 운동량 전달을 제공하도록 설계되며,
    상기 제1 운동량 전달 및 상기 제2 운동량 전달은 절대값 면에서 동일한, 장치(112).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조정 장치(114)는, 제1 경로 거리만큼 상기 제1 렌즈 유닛(124)을 이동시키고, 제2 경로 거리만큼 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 이동시키도록 설계되며,
    상기 제1 경로 거리 및 상기 제2 경로 거리는 절대값 면에서 동일한, 장치(112).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 조정 장치(114)는, 제1 경로 거리만큼 상기 제1 렌즈 유닛(124)을 이동시키고, 제2 경로 거리만큼 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 이동시키도록 설계되며,
    상기 제1 경로 거리 및 상기 제2 경로 거리는 절대값 면에서 상이한, 장치(112).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 장치(114)는, 제1 시간 기간 동안 상기 제1 렌즈 유닛(124)을 이동시키고, 제2 시간 기간 동안 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 이동시키도록 설계되며,
    상기 제1 시간 기간 및 상기 제2 시간 기간은 동일한 시점에 시작되고 절대값 면에서 동일한, 장치(112).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조정 장치(114)는, 상기 제1 시간 기간 동안 상기 제1 렌즈 유닛(124)에 제1 작용력을 가하고, 상기 제2 시간 기간 동안 상기 제2 렌즈 유닛(126)에 제2 작용력을 가하도록 설계되며,
    상기 제1 작용력 및 상기 제2 작용력은 서로 반대로 지향되고 절대값 면에서 동일한, 장치(112).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 유닛(124)의 가속도를 나타내는 제1 가속도 값을 포착하고, 상기 제2 렌즈 유닛(126)의 가속도를 나타내는 제2 가속도 값을 포착하기 위한 센서 장치(120, 122)를 가지며,
    상기 조정 장치(114)는, 상기 제1 가속도 값 및 상기 제2 가속도 값을 사용하여 상기 제1 렌즈 유닛(124) 및 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 이동시키도록 설계되는, 장치(112).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 유닛(124)을 이동식으로 지지하기 위한 2개의 제1 만곡 힌지(990), 및 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 이동식으로 지지하기 위한 2개의 제2 만곡 힌지(992)를 갖는, 장치(112).
  9. 재료 공정 장치(100)로서,
    빔(102)을 제공하기 위한 제공 장치, 특히 레이저(106);
    제1 렌즈(108)를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛(124), 및 제2 렌즈(110)를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛(126)으로서, 상기 빔(102)의 빔 경로는 상기 제1 렌즈(108) 및 상기 제2 렌즈(110)를 통하여 안내되는, 제1 렌즈 유닛(124) 및 제2 렌즈 유닛(126); 및
    상기 장치(100)의 초점을 조정하기 위한 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 장치(112)를 특징부로 갖는,
    재료 공정 장치(100).
  10. 재료 공정 장치(100)를 위한 초점 조정 방법으로서,
    상기 재료 공정 장치(100)는, 제1 렌즈(108)를 포함하는 이동식으로 배치된 제1 렌즈 유닛(124), 및 제2 렌즈(110)를 포함하는 이동식으로 배치된 제2 렌즈 유닛(126)을 가지며,
    상기 방법은,
    상기 초점 조정을 위해 상기 제1 렌즈(108)와 상기 제2 렌즈(110) 사이의 거리를 조정하기 위해, 상기 제1 렌즈 유닛(124)을 제1 방향(116)으로 이동시키고, 상기 제2 렌즈 유닛(126)을 상기 제1 방향(116)과 반대되는 제2 방향(118)으로 이동시키는 단계(1701)를 포함하는,
    재료 공정 장치(100)를 위한 초점 조정 방법.
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