KR20210054561A - 적응형 레이저빔 형성 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
가간섭성 1차 광빔을 적응적으로 분할하는 방법은 공간 광 변조기(SLM)로 1차 광빔을 위상 변조함으로써, 원하는 원거리장 분포를 생성하는 단계로, 가간섭성 1차 광빔은 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에서 반사되도록 보내짐으로써, 어떤 움직이는 요소를 피해서 가간섭성 1차 광빔을 성형하는, 단계, 1차 광빔이 공간 광 변조기를 통과한 후에 1차 광빔에서 모니터링빔과 메인빔을 추출하는 단계; 모니터링빔에서 원하는 원거리장 분포를 카메라의 센서 표면으로 보내고 카메라로 모니터링빔을 측정하는 단계를 포함한다. 제 1 옵션에서, 상기 방법은 원거리장 분포를 집속하는 제 1 초점 요소(L1)를 통해 1차 광빔을 실제 출력 분포로서 제 1 초점 요소의 집속면으로 안내하는 단계; 및 제 1 초점 요소에 의해 카메라의 센서 표면에 모니터링빔의 원거리장 분포를 집속하는 단계를 포함한다. 제 2 옵션에서, 상기 방법은 원거리장 분포를 집속하는 제 2 초점 요소(L2)를 통해 모니터링빔을 카메라의 센서 표면으로 안내하는 단계를 포함한다. 제 1 또는 제 2 옵션에서, 상기 방법은 원거리장 분포의 함수로서, 들어오는 모니터링빔의 강도를 제어하도록, 가변 강도 조절기를 사용하여 카메라의 동적 범위를 조절하는 단계; 및 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에 대한 위상 계산이 가능하도록 폐루프를 구성하고, 제어기에 의해 수행되는 위상 계산 알고리즘의 다수회 반복을 위해, 카메라로부터의 출력 신호가 폐루프로 입력되는 단계를 더 포함하며, 제 1 옵션에서는 제 2 초점 요소를 제외한 제 1 초점 요소가 사용되고, 제 2 옵션에서는 제 1 초점 요소를 제외한 제 2 초점 요소가 사용된다.
Description
본 발명은 가공 재료의 산업적인 용도뿐만 아니라, 평행 직접 구조화, 미세 구조화 및 빔 분할의 관점에서, 가간섭성 또는 부분 가간섭성 방사의 적응형 빔 성형 분야에 관한 것으로, 빔 성형에는 위상 변조용 공간 광 변조기 (Spatial Light Modulator, SLM)가 사용된다.
이하, 다수의 간행물 제시를 통하여 본 발명의 배경을 설명한다.
공간 광 변조기(SLM)에 의한 레이저 방사선의 적응형 빔 성형 방법은 비교적 드물게 전문 및 과학 문헌에 기재되어 있다. 이 분야에서 가장 주목할만한 간행물 중 하나는 Matti Silvennoinen에 의해 2014년에 발표된 논문 [SIL13]이다. 이 논문에 기재된 진행 방법은 다음과 같은 특성을 갖는다:
극초단 펄스의 방사선이 사용되고 (펄스 폭 < 500 ps);
빔 성형을 위해 위상 변조용 SLM이 사용되고;
중간면 (푸리에면)에 집속된 다수의 부분 빔을 매핑함으로써 직접 구조화하며;
폐루프를 사용하여 위상을 반복적으로 결정하고 이를 SLM 디스플레이 상에 표시하며, 폐루프(closed-loop, CL) 알고리즘은 반복되는 각 주기에서 카메라로 출력 빔의 분포를 측정하고, 이를 입력으로서 반복적인 위상 계산 알고리즘에 재주입한다. 이러한 알고리즘은 본원에서 약어 "CL"로 언급한다.
상기 개시된 진행 방식에서는 출력 분포, 또는 일차 레이저빔 프로파일이 SLM 디스플레이의 위치에서 알려져 있을 필요가 있다. 이것의 측정에는 적어도 시간상 추가적인 노력과 빔 경로의 광학 셋업(optical set-up)에 대한 변경이 필요하며, 이는 생산에 있어서 결점으로 작용한다.
상기 개시된 셋업은 단일 특성(monolithic character)이 결여되어 있다. 즉, CL에서 필수적이며 최종 광학 군의 일부인, 카메라에 의한 측정용 빔의 부분적인 추출은 최종 경사진 미러에서 발생한다. 이러한 이유로, 광학 셋업 및 그의 작동 방식은 다소 융통성이 없다. 적응형 빔 성형은 전체 미세 구조화 시스템에 대해서만 실현될 수 있으며, 자체적으로 빔에 대해서는 실현되지 않는다. 불행하게도, 이러한 특성은 산업 용도에서의 실제적인 문제이며, 이는 시스템의 개념이 각 가공 작업에 맞게 특별히 개조되어야 하며, 이를 통해 가까스로 극복할 수 있고, 그 기간 동안에는 생산이 중단된다.
또한, 시스템은 중간 분포를 생성하기 위해 어떤 변환 렌즈도 사용하지 않으며, 이는 결국 축소된 규모로 투영될 수 있다. 중간 분포는 SLM 상에서 재현된 원래의 위상 분포에 추가되는 구형 위상 기간에 의해 얻어지며, 가상 렌즈로서 역할을 한다. 이것은 회절되지 않은 빔 성분이 0차(zero order)로 합쳐지지 않고, 대신에 전체 출력 분포에 걸쳐서 확산됨으로써, 더 뛰어나게 되는 (적어도 이는 대부분의 강도 분포에 해당된다) 장점이 있다. 이 방법의 단점은 일부 정보가 위상 표현시 손실될 수 있는 점이다. 선행 논문 [SIL13]의 도 3A를 참조한다. 이것은 위상 표현시 공간 주파수가 SLM 디스플레이의 해상도보다 높아질 때까지, 구형 피가수(spherical summand)로 인해 이들 주파수가 경계를 향해 증가하기 때문에 일어난다. 이것은 20×20μ㎡ 화소 크기에 대해 약 500㎜에 있는 이러한 구형 피가수의 초점 길이에 관한 하한을 설정하기도 한다. 초점 길이의 이 하한까지, SLM 디스플레이는 어떤 유용한 위상 정보도 포함하지 않으며, 그로 인해 0차 콘텐츠에서 출력을 증가시킨다. 이것이 처음에 언급한 장점과 반대되는 이유이다. 또한, 경계를 향한 이러한 정보의 손실은, 레이저 방사선의 정돈되지 않은 회절이 발생함으로써, 방사선이 여러 각도로 회절되는 사실을 설명할 수도 있으며, 이는 초기 격자 주기에 의해 일어나지 않고, CL에 의해서 더 이상 수정되지 않을 수 있다.
추가적인 개발이 논문 [BEC11]에 개시되어 있으며, 이는 CL에 기반하여 빔 분할을 달성하는 방법도 제시한다. 이 방법은 "수정된 반복 푸리에 변환 알고리즘 (modified iterative Fourier-transformation Algorithm, MIFTA)"이라고 부른다. 이 방법은 다음과 같이 설명할 수 있다:
낮은 분할 비율을 갖는 빔 스플리터에 의해서 변환 렌즈 이후에 빔의 일부를 추출하며, 다음에 CCD 카메라로 측정하여 MIFTA의 반복주기에 대한 입력으로서 사용하고;
사용한 셋업은 획일적이며, 레이저 셋업과 독립적인 개별 서브 빔으로 빔 분할을 달성할 수 있게 하며;
달성된 빔 프로파일은 기판의 표면에 축소된 규모로 투영되어 직접 미세 구조화를 달성한다.
상기 제시된 셋업에서는 나노초 레이저 방사선만 사용된다. 이 간행물은 개시된 진행 방식이 극초단 펄스 레이저 방사선에도 적합한지 여부에 대해서는 언급하지 않았다. 극초단 펄스 레이저 방사선, 즉 피코초 및 펨토초 펄스 레이저 방사선(pico- and femtosecond pulsed laser radiation)은, 광학 격자에서 회절 중에 더 짧은 시간 의존적 가간섭 길이 및 더 큰 대역폭으로 인해, 광학 격자에서 다르게 동작할 수 있다.
이용한 SLM의 디스플레이는 이진 방식(binary fashion)으로 제어되며, 이는 액정이 그들의 회전 축을 중심으로 진동함으로써, 레이저의 위상 위치가 시간에 따라 변화하며, 결국 가공 결과에 영향을 주는 결과를 가져온다. 상기 간행물에 제시된 바와 같은 이러한 문제에 대한 해결방안은 다수의 노광을 만들고 레이저빔의 전파 방향에 수직으로 노광들 사이에서 위상 위치를 이동시키는 것을 포함한다. 이 해결방안은, SLM 프레임 변경 주파수가 단지 수 10Hz 범위에 있으므로 처리 시간을 크게 증가시키고, 따라서 구조화 시간이 몇 배나 되는 정도로 증가하여, 방사선에 의한 구조화를 실행하는 것이 불가능하기 때문에, 산업적인 이용 가능성의 맥락에서 크게 제한된다.
상기 제시된 셋업에서는 변환 렌즈가 하나만 있기 때문에, 이 셋업을 사용하여 실제 중간 분포만 얻을 수 있다. 하나의 변환 렌즈 때문에, 다수의 부분 메인빔의 각각에 대한 물리적인 분리가 불가능하다. 하나의 변형 렌즈를 제거한 경우, 생성된 출력 분포의 동시 모니터링을 더 이상 실현할 수 없다.
이제 [KUA08], [KUA09], [KUA09_2] 및 [JIN15]를 참조하면, Zhen Kuang 및 Walter Perrie와 함께 작업하는 연구원들은 병렬 미세 구조화를 위해, 위상 변조용 SLM의 다양한 용도를 제시한다. 이들 논문에서, 저자들은:
ㆍ미세 구조화를 위한 극초단 펄스 레이저;
ㆍ아날로그 신호에 의해 제어되는 화소를 지닌 위상 변조용 SLM;
ㆍ축소된 규모로 중간 분포 또는 원거리장 분포의 투영을 갖는 셋업;
ㆍ빔 분할 위상 격자를 이용하며; 그리고
ㆍ그들은 이러한 기술이 표면 개질 및 구조화를 위해 아주 다양한 재료와 방사선원을 이용할 수 있음을 보여준다.
상기 기재된 예에서는 항상 1:200보다 작은 빔 분할 비율을 생성하는 위상 격자를 사용한다. 이는 극초단 펄스 방사선의 경우, 실리콘 액정 (Liquid Crystals on Silicon, LCoS) SLM에 의해 얻어지는 실제 출력 분포에서 부분 빔의 파워 분포가 이론적인 분포와 상이한 사실과 결부되어 있을 수 있다. 이는 병렬로 가공되는 영역들 사이에서 제거되는 깊이의 정밀도에 손실을 초래한다. 이러한 거동의 기원은 현재까지 연구되지 않았다. 사용되는 레이저 방사선의 특정 가간섭 거동뿐만 아니라, SLM 디스플레이의 화소들 간에 위상 정보의 중첩 또는 누화(crosstalk)가 있을 수 있다. 이들 오류는 아직 충분히 공지되어 있지 않으므로, 위상 값을 계산할 때, 이들을 가상으로 보정할 수 없다. 빔들 간에 더 높은 분할 비율과 더 안정적인 제거율을 갖기를 원할 경우는, 측정된 빔 프로파일을 제어용 입력 값으로 이용하는 제어 루프를 사용할 필요가 있다.
레이저 미세 가공
레이저 미세 가공은 마스크, 마스터 및 특정 표면 개질의 빠르고 유연한 가공에 사용할 수 있다. 또한, 피코초 및 펨토초 펄스 레이저 방사선, 즉, 소위 극초단 펄스 방사선에 의해 특정 고체의 집속 가공을 달성할 수 있다. 극초단 펄스의 추가적인 장점은 가공할 수 있는 재료의 넓은 스펙트럼에 있다. 따라서, 특히 유리, 금속, 준금속, 하드 코팅 및 플라스틱에서 마이크로미터 및 서브 마이크로미터 구조를 만들 수 있다.
레이저 방사선에 의해 구조화될 수 있는 가능한 최소의 비-자기 조직화 구조들(non-self-organizing structures)은, 일반적으로, 비교적 큰 발산을 갖는 단일의 예리하게 집속된 빔을 사용하게 된다. 결과로 생성되는 초점면에서의 상대적으로 높은 피크 강도는, nJ의 범위에서 더 낮은 μJ 범위까지 펄스 에너지로 이러한 구조들을 얻을 수 있게 한다. 이 기술을 산업 관련 가공 속도로 사용하기 위해, 일반적인 접근방식은 빔 안내 시스템의 반복 속도 및 이송 속도를 증가시키는 것이었다. 대안으로, 적응형 빔 성형을 적용하여 높은 펄스 에너지를 이용하는 것이 가능하며; SLM은 이러한 목적에 효율적임을 스스로 드러냈다. 디스플레이에 적용된 위상 격자는 빔을 수백 또는 수천 개의 부분 빔으로 분할하므로, 병렬 가공을 가능케 한다 ([SIL13]). 그러나, 위상 계산 알고리즘의 단순한 품질을 넘어서는 생산된 홀로그램의 품질에 영향을 주는 다수의 요소가 있음이 밝혀졌다. 이것은, 예를 들어 fs-레이저를 사용할 때, 높은 대역폭으로 인해, LCoS 디스플레이에 의한 광학 투영의 분산 및 편차에 관한 경우이다 ([KUA09]; [JES10]; [HAS07]; [RON12]). 다시 말해, 이것은 실제로 셋업에 따라 달성될 수 있는 가공 속도에 제한적인 영향을 주며, 레이저 펄스의 전체 에너지를 사용할 수 없게 하고/하거나, 병렬 가공가공의 달성 가능한 정밀도가 단일 초점, 순차 가공에 비해 열등한 것을 설명할 수도 있다.
추가로, 극초단 펄스 방사선에 의한 미세 구조화와 관련하여 현재까지 해결되지 않은 문제
높은 펄스 에너지로 면적률을 증가시킬 경우, 마스크와 균질화된 플랫탑 빔 프로파일을 사용하고, 결과로 생성되는 이러한 분포를 축소된 규모로 투영할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 빔 프로파일이 균질화되는 것을 허용하지 않거나, 장기적으로 전혀 균질화되지 않는 것이 종종 일어난다. 이를 위해서, 안정적이고 결정된 빔 프로파일을 필요로 하는 광학 균질화기를 구비할 필요가 있다. 그러나, 높은 펄스 에너지를 갖는 극초단 레이저의 실제적인 빔 프로파일은 시간이 지나면서 불안정하고, 종종 이상적인 가우스 프로파일에서 너무 많이 벗어난다. 또한, 마스크 제조 및 구조화 동안 마스크 교체는 추가 시간을 필요로 한다.
SLM에 의해서 마스크 교체를 가속화할 수 있는 간단한 가능성이 제공된다. 위상 변조용 SLM은 레이저의 빔 프로파일에 영향을 줄 가능성도 제공한다. 이는 빔 프로파일을 프로그램화할 수 있게 하며, 몇 초만에 곧바로 전환이 가능하다. 그러나, 생성된 출력 분포는 종종 이론적으로 예측한 분포와 다르다. 생성된 출력 빔 프로파일을 측정하는 제어 루프를 사용함으로써, 위상 오류를 처리할 수 있고, 정밀한 병렬 미세 구조화에 사용할 수 있는 빔 프로파일을 생성할 수 있다.
현재까지 공지된 이러한 종류의 대부분의 셋업은 레이저 시스템의 기능에 매우 제한적인 영향을 주며, 종종 특정한 유형의 가공만 달성한다. 또한, 잘못된 위상 표현과 저품질의 일차 레이저빔에 의해 초래된 출력 분포의 오류를 극복할 수 있는 시판 중인 장치는 아직 없다. 또한, 대부분의 경우에, 이러한 셋업의 계산 방법에 대한 경계 조건으로서, 이것이 필요하지 않은 것으로 밝혀졌음에도 불구하고, 빔의 실제 입력 프로파일을 제공할 필요가 있다. 이러한 최적화된 셋업에서, 잘못된 입력 분포에 의해 초래되는 어떤 오류가 출력 분포에서 발생하면, 폐루프 알고리즘에 의해서 오류가 자동으로 제거된다. 이러한 사실로 인해, 레이저 원과 관계없이, 어떤 유형의 일차 빔에 대해서도 다양한 빔 분할/성형 기능을 구현할 수 있는 단일 블랙 박스 셋업을 고려할 수 있다.
제 1 측면에서, 본 발명은 공간 광 변조기(SLM)에 의해 적어도 부분 가간섭성 1차 광빔(partially coherent primary light beam)을 적응적으로 분할하는 방법을 제공한다. 이 방법은 나노초 레이저, 피코초 레이저, 펨토초 레이저로 이루어진 목록 중 하나에서 나온 평행 레이저빔(collimated laser beam)에 의해 부분 가간섭성 1차 광빔을 제공하는 단계; 공간 광 변조기(SLM)로 1차 광빔을 위상 변조함으로써, 가간섭성 1차 광빔의 프로파일에 의존하지 않는, 원하는 원거리장 분포를 생성하는 단계로, 가간섭성 1차 광빔은 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에서 반사되도록 보내짐으로써, 어떤 움직이는 요소를 피해서 가간섭성 1차 광빔을 성형하는, 단계; 1차 광빔이 공간 광 변조기를 통과한 후에 1차 광빔에서 모니터링빔과 메인빔을 추출하는 단계; 모니터링빔에서 SLM에 의해 생성된 원거리장 분포를 카메라의 센서 표면으로 보내고 카메라로 모니터링빔을 측정하는 단계를 포함한다. 제 1 옵션에서, 상기 방법은 메인빔에 원거리장 분포를 생성하는 제 1 초점 요소(focusing element)를 통해 1차 광빔을 실제 출력 분포로서 제 1 초점 요소의 집속면으로 안내하는 단계; 및 제 1 초점 요소에 의해 센서 표면에 모니터링빔의 원거리장 분포를 투영하는 단계를 포함한다. 제 2 옵션에서, 상기 방법은 원거리장 분포를 투영하는 제 2 초점 요소를 통해 모니터링빔을 센서 표면으로만 안내하는 단계를 포함한다. 제 1 또는 제 2 옵션에서, 상기 방법은 메인빔의 평균 파워와 무관하게, 원하는 원거리장 분포의 함수로서, 들어오는 모니터링빔의 강도를 제어하도록, 가변 강도 조절기를 사용하여 카메라의 동적 범위를 일치시키는 단계; 및 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에 대한 위상 계산이 가능하도록 폐루프를 구성하고, 제어기에 의해 수행되는 위상 계산 알고리즘의 다수회 반복을 위해, 카메라로부터의 출력 신호가 폐루프로 입력되는 단계를 더 포함한다. 또한, 제 1 옵션에서는 제 2 초점 요소를 제외한 제 1 초점 요소가 사용되고, 제 2 옵션에서는 제 1 초점 요소를 제외한 제 2 초점 요소가 사용된다.
바람직한 실시예에서, 상기 방법은 메인빔으로 고체 표면을 구조화하는 단계; 및 공간 광 변조기를 설정함으로써 구조화를 제어하여 1차 광빔에 대한 결정된 프로파일을 얻는 단계를 더 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 제 1 옵션을 사용하여, 상기 방법은 고체 표면을 구조화하는 단계에서 제 1 초점 요소의 집속면을 조절하여, 집속면이 고체 표면에 대응하도록 하는 단계를 더 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 제 1 옵션을 사용하여, 상기 방법은 제 1 초점 요소의 집속면을 중간면으로 조절하는 단계; 및 투영 광학 셋업에 의해 중간면을 고체 표면에 축소된 규모로 촬상하는 단계를 더 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 제 2 옵션을 사용하여, 구조화 단계는 고체 표면에서 구조를 얻기 위해, 집속 광학 셋업에 의해 고체 표면에 원거리장 분포를 투영하여, 원거리장 분포를 가하는 단계를 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 추출 단계는 빔 분할 요소를 포함한다. 상기 방법은 빔 분할 요소, 제 1 및 제 2 초점 요소, 공간 광 변조기, 가변 강도 조절기, 및 카메라를 단일 컴팩트 인클로저에 통합함으로써, 단일 컴팩트 인클로저는 가간섭성 1차 광빔에 배치되는 전용의 구성요소가 되는 단계; 제어기 장치에 의해 제 1 옵션과 제 2 옵션 사이를 전환하는 단계; 및 제어기 장치에 의해 가변 강도 조절기를 조절하는 단계를 더 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 제 2 옵션을 사용하여, 상기 방법은 공간 광 변조기에 의해 1차 광빔을 다수의 부분 메인빔으로 분할하는 단계; 위상 제어에 의해 다수의 부분 메인빔의 수, 다수의 부분 메인빔이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소를 떠난 후에 다수의 각 부분 메인빔들 간의 분리 각도, 및 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 개별적으로 조절하는 단계를 더 포함한다. 서로 다수의 부분 메인빔의 강도는 다수의 각 부분 메인빔, 공간 광 변조기 및 1차 광빔에 대한 개별적인 생성을 추가로 제어하는 제어기에 의해 제어된다. 이 방법은 다수의 부분 메인빔으로 고체 표면을 구조화하는 단계도 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 고체 표면은 금속, 다이아몬드, 사파이어, 유리, 플라스틱, 복합 재료, 가죽으로 이루어진 목록 중 어느 하나를 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 고체 표면은 작업 도구의 일부이다.
추가의 바람직한 실시예에서, 작업 도구는 엠보싱 롤러, 스탬핑 장치, 금속 도구, 손목시계 부품, 보석 부품, 포장 부품으로 이루어진 목록 중 어느 하나이다.
제 2 측면에서, 본 발명은 공간 광 변조기(SLM)에 의해 목적의 적어도 부분 가간섭성 1차 광빔을 적응적으로 분할하는 장치를 제공하며, 목적의 부분 가간섭성 1차 광빔은 나노초 레이저, 피코초 레이저, 펨토초 레이저로 이루어진 목록 중 하나로부터의 평행 레이저빔에서 나온다. 이 장치는 목적의 1차 광빔의 위상 변조에 의해, 가간섭성 1차 광빔의 프로파일에 의존하지 않는, 원하는 원거리장 분포를 생성하는 공간 광 변조기로, 이는 추가로, 이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소로부터 1차 광빔을 얻음으로써, 어떤 움직이는 요소를 피해서 가간섭성 1차 광빔을 성형하는, 공간 광 변조기; 목적의 1차 광빔이 공간 광 변조기를 통과한 후에 1차 광빔에 위치되고, 1차 광빔에서 목적의 모니터링빔과 목적의 메인빔을 추출하는 빔 분할 요소; 및 목적의 모니터링빔에 위치되고, 모니터링빔에서 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 측정하는 센서 표면을 더 포함하는 카메라를 포함한다. 제 1 구성 옵션에서, 상기 장치는 모니터링빔에서 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 센서 표면에 투영하고, 추가로 메인빔에 원거리장 분포를 생성하여 1차 광빔을 실제 출력 분포로서 제 1 초점 요소의 집속면으로 안내하는 제 1 초점 요소를 포함한다. 제 2 구성 옵션에서, 상기 장치는 목적의 모니터링빔에 위치되고 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 센서 표면에만 투영하는 제 2 초점 요소를 포함한다. 제 1 또는 제 2 구성 옵션에서, 상기 장치는 카메라 앞에서 목적의 모니터링빔에 위치되고, 메인빔의 평균 파워와 무관하게, 원하는 원거리장 분포의 함수로서, 들어오는 모니터링빔의 강도를 제어하여 카메라의 동적 범위를 일치시키는 가변 강도 조절기; 및 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에 대한 위상 계산을 가능케 하며, 카메라에 연결되어 출력 신호를 수신하고, 제어기에서 실행되는 위상 계산 알고리즘의 다수의 강도에 대해 출력 신호를 사용하는 제어기를 포함하는 폐루프 셋업을 더 포함한다. 이 장치는 제 1 구성 옵션과 제 2 구성 옵션 사이를 전환하는 전환 수단을 더 포함한다. 제 1 구성 옵션에서는 제 2 초점 요소를 제외한 제 1 초점 요소가 사용되고, 제 2 구성 옵션에서는 제 1 초점 요소를 제외한 제 2 초점 요소가 사용된다.
제 3 측면에서, 본 발명은 공간 광 변조기(SLM)에 의해 목적의 적어도 부분 가간섭성 1차 광빔을 적응적으로 분할하는 장치를 포함하는, 목적의 고체 표면을 가공하는 장치를 제공한다. 목적의 고체 표면을 가공하는 장치는, 추가로 목적의 고체 표면을 메인빔에 위치시켜 목적의 고체 표면을 가공하고, 목적의 고체 표면의 가공은 공간 광 변조기의 적어도 설정부터 1차 광빔에 대한 결정된 프로파일을 생성하는 효과까지 가져온다.
추가의 바람직한 실시예에서, 적응적으로 분할하는 장치는 제 1 구성 옵션으로 구성되고, 추가로 제 1 초점 요소(L1)의 집속면은 목적의 고체 표면에 대응한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 적응적으로 분할하는 장치는 제 1 구성 옵션으로 구성되고, 상기 장치는 촬상 광학 셋업을 더 포함하며, 제 1 초점 요소는 그의 집속면이 중간면에 대응하도록 위치되며, 촬상 광학 셋업은 고체 표면에 축소된 규모로 중간면을 촬상한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 적응적으로 분할하는 장치는 제 2 구성 옵션으로 구성되고, 상기 장치는 집속 광학 셋업을 더 포함하며, 집속 광학 셋업은 가공을 위해 메인빔의 원하는 원거리장 분포를 고체 표면에 투영한다.
다른 바람직한 실시예에서, 상기 장치는 빔 분할 요소, 제 1 및 제 2 초점 요소, 공간 광 변조기, 가변 강도 조절기, 및 카메라를 통합하는 단일 컴팩트 인클로저를 더 포함함으로써, 단일 컴팩트 인클로저는 1차 광빔에 배치되는 전용의 구성요소가 되며;
추가로, 제어기는 제 1 구성 옵션과 제 2 구성 옵션 사이를 전환하고, 가변 강도 조절기를 조절하도록 전환 수단을 제어한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 공간 광 변조기는 1차 광빔을 다수의 부분 메인빔으로 분할하고, 위상 제어에 의해 다수의 부분 메인빔의 수, 다수의 부분 메인빔이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소를 떠난 후에 다수의 각 부분 메인빔들 간의 분리 각도, 및 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 개별적으로 조절할 수 있으며, 제어기는 다수의 각 부분 메인빔에 대한 공간 물리적 특성을 제어함으로써, 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 추가로 제어하며, 공간 물리적 특성은 위상 및 진폭, 공간 광 변조기 및 1차 광빔 중 적어도 하나이다. 이 장치는 추가로 목적의 고체 표면을 다수의 메인빔에 위치시킨다.
추가의 바람직한 실시예에서, 목적의 고체 표면은 목적의 엠보싱 롤러의 표면이며, 제어기는 추가로, 목적의 엠보싱 롤러의 표면을 메인빔에 위치시킨다.
추가의 바람직한 실시예에서, 목적의 고체 표면은 금속, 다이아몬드, 사파이어, 유리, 플라스틱, 복합 재료, 가죽으로 이루어진 목록 중 어느 하나를 포함한다.
추가의 바람직한 실시예에서, 목적의 고체 표면은 목적의 작업 도구의 일부이다.
추가의 바람직한 실시예에서, 목적의 작업 도구는 엠보싱 롤러, 스탬핑 장치, 금속 도구, 손목시계 부품, 보석 부품, 포장 부품으로 이루어진 목록 중 어느 하나이다.
도면을 참조하여 이루어지는 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해서 본 발명을 더 잘 이해할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 SLM 모듈의 구성을 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 추가 SLM 모듈의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 미러가 사용되는 SLM 모듈의 대안적인 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 SLM 디스플레이의 앞에 위치되는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 SLM 디스플레이 앞에 위치되고 하나의 미러만 포함하는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 반투명 미러 뒤에 위치되는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 반투명 미러 뒤에 위치되고 미러만 단독으로 포함하는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 미세 구조화 장치의 구성요소로서 SLM 모듈을 도시한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 미세 구조화 장치의 구성요소로서 또 다른 SLM 모듈을 도시한다.
도 10은 펄스의 비교적 작은 오프셋으로 홈의 병렬 구조화가 이루어진 본 발명에 따른 사용 예를 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어 가능한 빔 스플리터로서의 또 다른 SLM 모듈을 도시한다.
도 12는 비교적 큰 펄스 오프셋으로 홈의 병렬 구조화가 이루어진 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 13은 2차원 출력 분포를 갖는 프로파일이 구조화되는 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 14a 및 14b는 경사 2차원 출력 분포에 의한 구조화 동안, 전파 방향에 수직인 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 15a 및 15b는 비교적 작은 펄스 오프셋에 의한 구조화에서, 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 16a 및 16b는 비교적 큰 펄스 오프셋에 의한 구조화에서, 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 17은 엠보싱 롤러의 표면을 가공하는 장치의 예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 추가 SLM 모듈의 구성을 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 미러가 사용되는 SLM 모듈의 대안적인 구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 SLM 디스플레이의 앞에 위치되는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 SLM 디스플레이 앞에 위치되고 하나의 미러만 포함하는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 반투명 미러 뒤에 위치되는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 초점 요소가 반투명 미러 뒤에 위치되고 미러만 단독으로 포함하는 SLM 모듈의 추가 대안적인 구조를 도시한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 미세 구조화 장치의 구성요소로서 SLM 모듈을 도시한다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 미세 구조화 장치의 구성요소로서 또 다른 SLM 모듈을 도시한다.
도 10은 펄스의 비교적 작은 오프셋으로 홈의 병렬 구조화가 이루어진 본 발명에 따른 사용 예를 도시한다.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 제어 가능한 빔 스플리터로서의 또 다른 SLM 모듈을 도시한다.
도 12는 비교적 큰 펄스 오프셋으로 홈의 병렬 구조화가 이루어진 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 13은 2차원 출력 분포를 갖는 프로파일이 구조화되는 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 14a 및 14b는 경사 2차원 출력 분포에 의한 구조화 동안, 전파 방향에 수직인 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 15a 및 15b는 비교적 작은 펄스 오프셋에 의한 구조화에서, 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 16a 및 16b는 비교적 큰 펄스 오프셋에 의한 구조화에서, 표면 프로파일에 대한 본 발명에 따른 추가 사용 예를 도시한다.
도 17은 엠보싱 롤러의 표면을 가공하는 장치의 예를 도시한다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 사용자가 레이저 방사선의 빔 성형, 특히 빔 분할을 보다 용이하게 얻을 수 있도록 하는데 있다. 이하, "SLM 모듈"로 명명하는 본 발명의 추가 목적은 임의의 광 경로에 통합될 수 있는 장치 및 방법을 제공하며, 사용 장소에 관계없이, 비교적 높은 정도의 컴팩트화 및 개별 기능을 제공하는데 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 빔 프로파일, 위상 위치, 대역폭/펄스 지속기간 및 레이저 파워에 관계없이, 비교적 높은 정밀도로 어떤 유형의 평행 1차 광빔 (레이저 원)의 분할도 가능케 하는데 있다.
본 발명에서 유래되는 한 가지 장점은, SLM 모듈에 대한 어떤 제한을, 그의 핵심 요소인 SLM 디스플레이 등의 특성을 이해함으로써 예상할 수 있는 점이다. 또 다른 장점은 손실이 거의 없이 빔 분할을 구현할 수 있는 사실에 있다. 따라서, 동시 또는 단독 진폭 변조가 이러한 유형의 기능을 생성하더라도, 들어오는 방사선은 전적으로 위상 변조되어야 한다. 추가 장점은 본 발명이 렌즈의 초점면, 즉 푸리에면에서 실제 출력 분포와 원거리장 분포, 즉 무한 거리에서 발생하는 회절 이미지 사이에서 앞뒤로 전환할 수 있게 하는 점이다. 추가 장점은, 본 발명이 각각 레이저 원의 입력 프로파일 또는 1차 광빔 프로파일에 의존하지 않는 위상 값의 계산을 위해 폐루프 접근방식을 이용하기 때문에, 하나의 부분 빔에서 또 다른 부분 빔으로의 빔 파워 분포뿐만 아니라, 생성된 출력 분포에서 비교적 높은 정도의 정밀도를 달성할 수 있는 점이다.
본 발명의 SLM 모듈은 다수의 빔으로 고체 표면의 가공 및 병렬 미세 가공도 가능케 함으로써, 레이저 파워를 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 이것은 공통적으로 사용되는 출력 광학계에 의해 작업 스테이션에 있을 수 있거나, 동시에 다수의 시스템에 있을 수 있으며, 다수의 각 시스템은, 모든 가공 시스템이 공유하는 분할 1차 광빔을 사용한다. 병렬 가공은 부분 빔의 수에 따라 선형적으로, 더 큰 표면과 볼륨을 가공하는 공정의 지속기간을 줄일 수 있다. 모든 부분 빔에 대해 공유 출력 광학계를 사용할 경우, 그로브, 격자 구조 및 기타 고도의 반복적인 패턴을 증가된 속도로 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 SLM 모듈은 다수의 부분 빔으로, 예를 들어 1000개 이상의 빔으로 동시에 정밀한 가공을 달성할 수 있게 한다.
전술한 본 발명에 따른 SLM 모듈의 목적 및 특성에 기반하여, 여전히 컴팩트한 풋프린트 및 고도로 안정적인 작동 조건을 여전히 유지하면서, 레이저 미세 가공/구조화 장치의 생산 성능이 크게 향상될 수 있다. 그러므로, 이는 산업적으로 적용 가능한 생산 비용 및 리드 타임의 감소를 가능케 한다.
반복 푸리에 변환 알고리즘 (Iterative Fourier-transformation Algorithm, IFTA) - 폐루프 (Closed-loop, CL) 모듈의 구조 및 기능
입력 빔의 전제조건
본 발명의 전반에 걸쳐 사용되는 일차 레이저빔은 SLM 모듈의 기능이 가능하도록 하기 위해 다수의 기준에 응해야 한다. 제 1 기준은 SLM 모듈의 입력에서 1차 광빔이 시준되거나 평행하게 되는 것이다. 당업자는 파동 광학 요소 및 광학 격자에 대한 빔이 격자 주기의 순서대로 가간섭 길이를 가져야 하는 사실을 알고 있다. 본 발명의 맥락에서 극초단 펄스 방사선이 사용되므로, 시간 의존적 가간섭 길이는, 예를 들어 단지 수 마이크로미터와 같이 매우 짧을 수도 있다.
당업자는 추가로, SLM 모듈의 SLM 디스플레이가 실리콘 액정(liquid crystals on Silicon, LCoS) 기술에 기반한 요소를 포함하는 경우, 입력 방사선은 본질적으로 SLM 디스플레이의 배향에 대해 결정된 편광 상태를 따라야 하는 것도 알고 있다. 이는 SLM 모듈의 앞에 위치된 시판 중인 구조적인 요소에 의해 조절 및 처리할 수 있다. 이것이 본 문서에서 더 이상 논의하지 않는 이유이다. 일반적으로, LCoS 기술은 파장에 크게 의존하는 거동을 갖는 것으로도 공지되어 있다.
또한, 일반적으로 SLM 모듈의 사용자가 SLM 모듈에서 발견되는 어떤 구성요소의 물리적 파괴 한계 아래로 유지하는 한, 그 사용자는 빔 직경, 평균 광 파워 또는 펄스 에너지를 선택하고 조절할 수 있는 사실도 공지되어 있다.
SLM 모듈의 구조
다음의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이, 본 발명의 방법과 장치는 사용자가 전술한 기준을 충족하는 일차 입력 빔에서 시작하여, 일차 입력 빔을 임의 수의 출력 빔으로 분할할 수 있게 하며, 이는 사용자의 선택에 따라 사용할 수 있게 된다. 사용자 또는 제어 프로세스에 의해 시간 의존적인 방식으로 공간 및 강도 분포에서 출력 빔을 제어할 수 있다. 본 발명은 추가로, 원하는 가공 작업에 따라, 실제 중간 분포 또는 단지 각도 분포를 사용할 수 있게 한다. 본 발명은 일차 입력 빔의 프로파일 또는 그의 가간섭 길이에 대한 어떤 정확한 지식없이 이것을 달성할 수 있게 한다. 본 발명은 본원에서 전술한 것 외에 일차 입력 빔에 대한 다른 전제조건을 필요로 하지 않는다. 정보의 부족으로 인해 출력 메인빔에서 발생하는 모든 편차는 출력 분포를 최적화하는데 사용되는 폐루프 알고리즘에 의해 보상할 수 있다.
본 발명은 미세 가공을 위해 어떤 종류의 광 경로에 통합될 수 있는 소위 "블랙 박스 광학(Black-Box-Optics)"을 가능케 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 SLM 모듈의 구성을 도시하며, 이는 본원에서 전술한 바와 같은 본 발명의 특징을 가능케 한다. 미러(M1)는 도면에서 참조 번호 100 및 대응하는 화살표로 나타낸 레이저 원(도 1에는 도시하지 않음)에서 유래하는 1차 광빔으로부터의 방사선을 비교적 타이트한 각도로 반사 SLM 헤드(101)에 보낸다. SLM 헤드(101)는 SLM 모듈의 중심적인 요소로 간주한다. SLM 헤드(101)는 들어오는 일차 레이저빔에 빔 성형 위상 값을 가하는데 사용하는 SLM 디스플레이 (도 1에는 명시적으로 언급하지 않음)를 포함한다. SLM 디스플레이는, 가령 LCoS (도 1에는 명시적으로 언급하지 않음)로서 실현될 수 있다. 당업자에게 공지된 바와 같이, LCoS 디스플레이는 방사선의 편광에 영향을 줌으로써, 회절 효율에 영향을 주는 효과를 유발한다. 이 효과에 대응하기 위해, SLM 모듈은 SLM 디스플레이 뒤에 배치된 추가 편광빔 스플리터(102)를 포함하며, 이는 잘못된 편광 및/또는 회절되지 않은 방사선을 여과한다. SLM 모듈은 반투명 추출 미러(M2)를 더 포함한다. 편광빔 스플리터(102)는 추출 미러(M2) 전방의 광 경로에 설치됨으로써, SLM 디스플레이에서 반사된 후에 분포가, 반투명 미러(M2)에 의해 1차 광빔으로부터 출력 결합된 모니터링빔의 광 경로에 위치된 CCD 카메라(104)에서, 그리고 실제 출력 분포가 발생하거나, 경우에 따라 무한대인 푸리에면(103)에서 동일한 방식으로 나타나는지 확인한다. 반투명 미러(M2)는, 가령 1차 광빔의 파장에 대해 투명한 면-평행 기판을 갖는 유전체 반사 코팅 미러로서 실현될 수 있다. 바람직하게는, 미러(M2)는 투명 광학계 및 유리 표면에 대한 산업 표준의 표면 품질을 갖는다. 이러한 방식으로, 미러(M2)에서 추출/출력 결합된 모니터링빔은 미세 가공 환경에서 이용되는 비교적 높은 빔 파워에도 불구하고, 과도한 파워 손실없이 빔 분석에 사용할 수 있다. CCD 카메라(104) 전방의 광 경로에서, 최적화된 방식으로 그리고 1차 광빔의 평균 파워, 출력 분포 및/또는 빔 분할 비율과 무관하게 사용할 수 있도록, 가변 강도 조절기(105)는 강도를 조절하여 CCD 카메라(104)의 동적 범위를 일치시킨다. 가변 강도 조절기(105)는, 예를 들어 중성 농도 (Neutral Density, ND) 필터로서 실현될 수 있다.
본 상세한 설명에서 SLM 헤드(101)는 1차 광빔에서 나온 방사선을 반사시키는 방식으로 사용하지만, 추가의 바람직한 실시예에서는, 1차 광빔에 대한 송신기로서 작동하는 SLM 헤드를 가질 수 있다.
CCD 카메라(104)에 의해 기록된 영상은 항상 입력 분포의 푸리에 변환이어야 한다. 이러한 이유로, CCD 카메라(104)의 센서 표면 (도 1에는 도시하지 않음)은, 가령 제 1 초점 요소(L1) 및 제 2 초점 요소(L2) 같은 집속 광학 요소의 초점면에 위치해야 한다. 도 1의 예에서, 제 1 초점 요소(L1) 및 제 2 초점 요소(L2)는 SLM 헤드(101)와 CCD 카메라(104) 사이의 광 경로에서, 함께, 즉 동시에 배치되지 않는다. 바람직하게는, CCD 카메라(104)는 반투명 미러(M2)에 의해 추출된 모니터링빔의 광축에 초점이 맞춰져 있다.
CCD 카메라(104)는, 결국 반복적 푸리에 변환 알고리즘 (iterative Fourier-Transformation-Algorithm, IFTA) 기반의 폐루프 제어에 대한 입력으로서 사용하여 SLM 헤드(101)에 의해 생성된 위상 분포를 최적화할 수 있는 출력 분포의 측정 값을 얻을 수 있다. 전술한 바와 같이, 이것은 CCD 카메라(104)로 출력 분포를 측정하고, IFTA의 경계 조건의 일부로서 제어기 CPU(106)에서 실행되는 알고리즘을 제공하는 것을 필요로 한다. IFTA 알고리즘은 종래 기술의 전용 문헌에서 찾을 수 있으므로, 본원에서는 그에 대한 보다 상세한 논의는 생략한다. 계산된 위상 값은 이후에 SLM 디스플레이에 가해진다.
SLM 모듈의 구성
SLM 모듈은 각도 분포와 실제 중간 분포 사이의 전환을 가능케 하는 2개의 하드웨어 구성 중 하나를 채택할 수 있다. 가변 강도 조절기에 대한 필터 설정의 변경뿐만 아니라, 이들 양 구성들 사이의 전환은 수동으로 또는 자동 전환 수단으로 실현할 수 있다.
본원에서 구성 1로 부르는 제 1 하드웨어 구성에서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제 1 초점 요소(L1)는 광 경로에 배치된다. L1은 레이저 방사선을, L1의 초점 길이 f(L1)의 거리에서 반투명 미러(M2) 뒤에 배치되는 CCD 카메라(104)의 센서 표면에 집속시킨다. 또한, CCD 카메라(104)는 메인 출력 빔의 전파 방향에 수직인 메인 출력 빔의 평면, 즉 마스크면에 배치된다. 도 1의 예에서, 제 1 초점 요소(L1)는 편광빔 스플리터(102)의 앞에 위치된다. 도 1에는 도시하지 않은 대안에서, 제 1 초점 요소(L1)는 편광빔 스플리터(102)의 뒤에 위치될 수 있다. 도 1의 구성에서, 제 2 초점 요소(L2)는 초점 길이 f(L2)로서, 어떤 광 경로에도 위치되지 않는다. CCD 카메라(104)에 의해 기록된 분포는 마스크면과 비교하여, 그와 동일하며 미러링된다. 구성 1은 미러(M2)에서 반사되는 메인빔이 실제 중간 분포에 집속될 수 있게 한다.
이제 구성 2를 나타내는 도 2를 참조하면, 이는 제 2 초점 요소(L2)가 반투명 미러(M2)를 통해 추출된 모니터링빔의 광 경로에 위치되는 점을 제외하고, 대부분은 도 1의 구성 1과 동일하다. CCD 카메라(104)의 센서 표면 (도 2에도 도시하지 않음)은 이제, 제 2 초점 요소(L2)의 초점면, 즉 제 2 초점 요소(L2)의 초점 길이 f(L2)의 거리에 배치된다. 따라서, 이 구성 2의 경우, L1은 어떤 광 경로에도 배치되지 않는다. 구성 2는 미러(M2)에서 반사되는 메인 출력 빔이 중간 분포에 집속되지 않게 할 수 있다. 회절 격자의 목표 분포는 각도 분포로서 무한대로 형성된다. 일차 입력 빔은 다수의 부분 메인빔으로 분할된다.
대안적인 구조
본 발명은 모두 동일한 기능을 제공하는 다양한 대안적인 구조를 통해 실현될 수 있다. 다양한 대안적인 구조의 각각은 구성 1 및 2와 비교하여 여러 가지 단점과 장점을 갖는 것으로 간주할 수 있다.
도 3은 하나의 유전체 미러(M)만 사용하는 대안적인 구조를 도시하며, 여기서 도 1 및 2의 미러(M1)는 사용하지 않는다. 유전체 미러(M)는 이전에 제시한 바와 같은 모든 요구조건을 따라야 한다. 제 1 초점 요소(L1) 및 제 2 초점 요소(L2)에 관한 위치는 도 1 및 도 2의 프레임에서 논의한 위치 (유전체 미러(M)의 바로 앞이나 뒤)와 동일할 수 있다. 도 1의 구조와 비교하여, 본 구조의 한가지 장점은 본질적으로 더 컴팩트한 점이다. 그러나, 들어오는 빔과 나가는 빔 사이의 각도가 겹친다. 도 3의 구조는 구성 2와 유사한 방식이며, 쉽게 읽을 수 있도록 구성 2라고 언급한다. 구성 1로 전환하기 위해, 제 1 초점 요소(L1)는 광 경로에 위치되고 제 2 초점 요소(L2)는 광 경로에서 제거되어야 한다. 요소(L1 및 L2) 옆에 있는 화살표는 이를 기호화한 것이다.
도 4는 구성 1의 추가 대안적인 구조를 도시한다. 이 대안적인 구조에서, 제 1 초점 요소(L1)은 SLM 디스플레이 앞에서 거리 a에 위치되며, 도 1과 마찬가지로, 2개의 미러(M1 및 M2)가 사용된다. 양 초점 요소(L1 및 L2)는 요소 옆에 화살표로 기호화한 바와 같이 움직일 수 있다. 이 대안적인 구조에는 명백한 장점이 없다. 도 1의 전위차와 비교하여 하나의 전위차는, 도면에서 f(L1)=a+b로 나타낸 제 1 초점 요소(L1)의 초점 길이이며, 도 1의 예보다 상대적으로 커야 하고, 이는 결국 출력 분포의 해상도를 감소시킨다.
도 5는 도 4의 구조와 유사한 구조를 도시하지만, 구성 2의 셋업에서는, 다시 하나의 미러(M)만 사용된다. 도 3에서 언급한 바와 동일한 속성이 여기에도 적용된다. 장치를 보다 컴팩트하게 만들 수 있는 한편, 하나는 레이저빔을 SLM 모듈에 결합하고 그로부터 분리하기 위한 각도를 제한한다.
도 6은 초점 길이 f(L3)를 갖는 제 3 초점 요소(L3) (가령, 렌즈)가 반투명 미러(M2) 뒤에 위치되는 구성 2의 구조를 도시한다. 가독성 향상을 위해, 이 셋업에서 L1은 광 경로에서 제거되므로, 도 6에는 도시하지 않았다. 제 2 초점 요소(L2)는 제 2 초점 요소(L2) 옆에 화살표로 기호화한 광 경로에 삽입될 수 있다. 한 가지 장점은 제 2 초점 요소(L2)가 광 경로에 고정될 수 있는, 즉, L3을 이동시켜 구성들 사이를 전환하는 경우, 더 이상 이동할 필요가 없는 점이다.
도 7은 도 6의 구조와 유사하지만, 장치를 더 컴팩트하게 만들기 위해 단일 미러(M)을 갖는 구조를 도시한다.
광 경로의 손실
본 발명의 SLM 모듈의 장점 중 하나는 사실상 손실 없이 빔 성형이 가능한 점이다. 결과적으로, 원하는 출력 분포를 얻기 위해 흡수 마스크 또는 산란 마스크를 사용할 필요가 없다. 빔 성형은 오직 SLM 헤드에 가해진 위상 분포를 통해서만 수행된다. 그러나, 당업자는 실제 광 경로에 대해 레이저빔에 대한 작은 손실이 불가피하게 발생하게 되는 점을 인정할 것이다.
이상적인 광학 요소를 사용하면, 수요가 많은 목표 분포가 오직 제 1 회절 차수에만 위치되므로, SLM의 회절 격자에서 산란 손실만 있으며, 이는 더 높은 회절 차수를 위한 것이다.
사용 분야 및 적용 가능성
병렬 미세 구조화/병렬 구조화
본 발명의 방법과 장치는 그렇게 하기에 충분한 물리적인 공간이 있고 레이저빔에 관해 전술한 조건이 충족되는 한, 어떤 광 경로에도 통합될 수 있다. 도 8은 투영 노광에 의한 미세 구조화를 위한 이러한 시스템의 예를 도시하며, 여기서 광 경로에서 마스크면은 구성 1로 구성된 SLM 모듈(800)의 실제 출력 분포(103)로 대체된다. SLM 모듈(800)에는 그의 입력단에서 레이저 원(802)으로부터 출력되는 일차 레이저빔(801)이 입력된다. 실제 출력 분포(103)는, 평행 미세 구조화를 위한 수단이라고도 부르는 미세 가공 헤드(805)의 현미경(804)에 의해 피가공물(803) 상에 투영된다. 피가공물(803)은 투영된 광빔의 방향에 수직인 적어도 평면 X-Y에서 피가공물(803)을 이동시키는 위치결정 스테이지(806)에 장착된다. 제 2 카메라(807)는 피가공물(803)에 투영되는 메인빔을 모니터링하며, 자동 집속 장치의 일부로서 기능할 수도 있다. 당업자는 광학 시스템이 기능하는 방식 및 투영 촬상을 위한 그들의 파라미터를 알고 있다. 당업자의 이러한 지식은 본질적으로 적용 가능하며 SLM 모듈(800)에 어떤 제한적인 영향도 주지 않는 위상 분포의 파라미터를 제공한다. 제어기 CPU(106)는 추가로, 가변 강도 조절기(105)뿐만 아니라, 초점 요소(L1 및 L")의 위치를 제어한다.
도 9는 SLM 모듈(800)이 집속 가공용 시스템에 통합된 예를 도시한다. 이 특별한 경우, SLM 모듈(800)은 구성 2로 이루어진다. 이는 레이저 가공에 사용할 수 있는 부분 메인빔의 수를 증가시킬 수 있게 한다. 이상적으로, 이러한 시스템에서 사용할 대부분의 광 경로 및 광학계에 대해, SLM 모듈(800)은 최종 광학계에 최대한 가깝게 위치되어야 하며; 본 예에서 이는, 그의 개구에 의해서 초래되는 어떤 제한을 회피하기 위해, 미세 가공 헤드(805)가 된다.
초점 수의 증가는, 집속된 빔을 기반으로 하는 레이저 공정의 가공 속도가 부분 메인 출력 빔의 수에 비례하여 증가하는 유리한 효과가 있다. 또한, 레이저 파워를 보다 최적으로 사용할 수 있게 하기도 한다. 부분 빔 분포와 초점 분포 사이의 전환은 SLM 헤드(101)의 디스플레이 리프레시 레이트에 대응하는 속도로 발생할 수 있으며, 움직이는 부분을 전혀 포함하지 않는다. 당업자가 알고 있는 바와 같이, 위상 변조는 제르니케(Zernike) 모드의 보정도 가능케 하며, 이는 결국, 초점 품질을 증가시키게 된다. 1차 광빔의 잘못된 위상 위치도 알려지면, SLM 모듈(800)에 의해 모든 부분 메인빔의 빔 품질을 향상시킬 수 있다. 그렇지 않으면, SLM 모듈(800)은 빔 직경뿐만 아니라, 촬상 스케일링 계수에 영향을 주지 않는다.
병렬 미세 가공을 위한 구조화의 예
개별적으로 제어 가능한 펄스 에너지 또는 빔 파워를 갖는 많은 부분 메인빔에 의한 병렬 미세 구조화는 개별 빔과 유사한 구조화 가능성을 제공한다. 도 10은 n×m 부분 출력 빔으로 분할되는 펄스형 1차 광빔에 대한 빔 오프셋(dx)을 개략적으로 도시한다. p1, p2, p3 등은 시간에 따른 펄스 시퀀스를 나타낸다. 피가공물은 직사각형 분포의 x축을 따라 이동함으로써, 2개의 레이저 펄스들 사이에 오프셋(dx)이 발생한다. 이러한 방식으로, n개의 라인 세트를 그릴 수 있으며, 각 라인은 일반적으로 약간 겹치는 방식으로 여러 번 조사된다. 결과로 생성되는 라인 프로파일은 방향(v)의 라인을 따라 일정한 깊이를 가지며, 라인 세트는 도 15b에 도시한 바와 같이, 최대 깊이의 분포 f(x)를 갖는다.
이러한 짧은 펄스 오프셋으로 작업할 수 있는 추가 가능성은 도 15a에 도시한 바와 같이, 소위 표면 제거에 있다. 이 경우, 피가공물은 인접한 부분 빔에 의해 제한되는 표면이 덮이는 방식으로 피드(v1)에 따라서 레이저에 대해 이동된다. 이러한 방식으로, 2.5D 표면 지형도를 생성할 수 있게 된다.
병렬 미세 구조화의 추가 잠재적인 접근방식은 도 12에 도시한 바와 같이, 부분 빔을 dx의 거리만큼 이격시키는 것으로 이루어진다. 각 펄스들 사이에서 시간에 따라 이동한 거리는, 각 펄스들 사이의 유효 거리가 dn이 되도록 dx보다 약간 길다. 도 12에 도시된 특정 예에서, m=5 펄스는 dx만큼 이격된 2개의 부분 빔들 사이에 배치된다. 이 가공 전략을 사용하면, 각 펄스들 사이의 유효 거리를 줄일 수 있다. dx, dn 및 m 사이의 최적화된 비율을 사용함으로써, 단순 격자의 구조화 시간을 크게 줄일 수 있다.
또 다른 가능성은 피드와 비교하여 도 13에 도시한 바와 같이 각도(α)만큼 주기적인 출력 빔 분포를 기울이는데 있다. 이러한 방식으로, 각 부분 빔은 일정한 제거 깊이 또는 조명 선량을 갖는 라인을 생성할 수 있고, 각도(α)에 따라, 조사된 개별 트레이스는 피드(v2)에 수직으로 중첩될 수도 있다. 펄스들 사이의 겉보기 거리(dy')는 경사각(α)이 증가함에 따라 증가한다. x 및 y 방향의 부분 빔의 공간 분포를 각각 dx 및 dy로 설계함으로써, 일차원을 따라 겉보기 강도 분포를 생성할 수 있다. 따라서, 한번의 통과로 어떤 유형의 단면 프로파일 f(x)도 생성할 수 있게 된다 (도 14a 및 14b도 참조). 출력 분포의 모든 라인이 서로 동일하면, n개의 동일한 프로파일이 동시에 생성된다 (도 14a 참조).
작업을 위해 펄스 빔을 사용하면, 부분 빔을 따른 구조화는 주기 함수 f(x)가 제거 깊이 또는 조명 강도에 기여할 수 있게 한다. 이를 위해 피드, 라인을 따른 부분 메인빔의 수와 거리는 고정된 비율을 가져야 한다. 도 16a는 방향(v3)으로 왼쪽 라인을 따르는 프로파일(A)을 도시하며, 이는 도 16b에 단면도로 도시되어 있다. 이 라인을 따라 부분 빔의 펄스 에너지는 지속적으로 감소된다.
엠보싱 롤러 표면의 구조화
도 17은 작업 도구, 보다 구체적으로는, 엠보싱 롤러 표면에 엠보싱 패턴(1700)을 구조화하는데 사용할 수 있는 예시적인 장치를 나타낸다. SLM 모듈(800)은 레이저 원(802)로부터 1차 광빔, 즉 평행한 적어도 부분 가간섭성 광원을 입력받으며, 그의 출력단에서 엠보싱 롤러의 표면으로 메인빔을 보낸다. SLM 모듈(800)과 엠보싱 롤러 사이의 상대적인 위치를 조절하기 위해 다양한 옵션을 사용할 수 있다. 도시된 예에서, SLM 모듈(800)은 나타낸 x 방향을 따라서 이동될 수 있지만, 엠보싱 롤러는 나타낸 둥근 화살표를 따라 모터(1701)에 의해 회전될 수도 있다. 제어기(106)는 추가로, 엠보싱 패턴(1700)으로 엠보싱 롤러 표면의 구조화를 달성하기 위해, SLM 모듈(800)과 엠보싱 롤러 사이의 상대적인 위치를 조절함으로써, SLM 모듈(800), 레이저 원(802) 및 모터(1701)를 적절하게 제어한다.
빔 분할
도 11은 빔 분할/분리 기능의 기능적인 원리를 나타낸다. 구성 2에서 SLM 모듈(800)은 레이저빔 원(802)의 출력에 위치된다. 일차 레이저빔(801)에 대해, 전술한 제한사항들이 여전히 적용된다. 일차 레이저빔(801)은 m 개의 부분 메인빔으로 설명한 바와 같은 계산된 위상 격자에서 회절된 다음, m 개의 서로 다른 방향의 미러(M1-Mm)로 편향된다. 이들 미러는 다음에, 각각의 부분 빔을 m 개의 서로 다른 작업, 노광 및/또는 측정 스테이션 또는 빔 덤프(유닛(1) - 유닛(m))쪽으로 반사시킨다. SLM 헤드(101)에서 위상 값을 전환함으로써, 시간이 지남에 따라 이들 간의 파워 분배, 부분 빔의 수 및 출사 각도를 제어할 수 있다. 이는 레이저 파워를 보다 효율적으로 사용할 수 있고 여러 작업을 위해 하나의 레이저 원만 사용할 수 있게 한다. 또한, 이미 전술한 바와 같이, SLM 모듈(800)은 잘못된 제르니케 모드를 보정할 수 있게 하므로, 모든 부분 빔의 빔 품질을 향상시키는데 기여할 수 있다.
참고문헌
Claims (21)
- 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)에 의해 적어도 부분 가간섭성 1차 광빔을 적응적으로(adaptively) 분할하는 방법에 있어서,
나노초 레이저, 피코초 레이저, 펨토초 레이저로 이루어진 목록 중 하나에서 나온 평행 레이저빔에 의해 부분 가간섭성 1차 광빔을 제공하는 단계;
공간 광 변조기로 가간섭성 1차 광빔을 위상 변조함으로써, 가간섭성 1차 광빔의 프로파일에 의존하지 않는, 원하는 원거리장 분포(far-field distribution)를 생성하는 단계로, 가간섭성 1차 광빔은 공간 광 변조기의 디스플레이 요소에서 반사되도록 보내짐으로써, 어떤 움직이는 요소를 피해서 가간섭성 1차 광빔을 성형하는, 단계;
1차 광빔이 공간 광 변조기를 통과한 후에 1차 광빔에서 모니터링빔과 메인빔을 추출하는 단계;
모니터링빔에서 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 카메라의 센서 표면으로 보내고 카메라로 모니터링빔을 측정하는 단계를 포함하며,
제 1 옵션에서, 상기 방법은,
실제 출력 분포로 제 1 초점 요소의 초점 평면에 메인 빔의 원거리장 분포를 생성하도록 구성된 제 1 처점 요소(L1)를 통해 메인 빔을 안내하는 것뿐만 아니라, 제 1 초점 요소(L1)를 통해 모니터링빔의 원거리장 분포를 센서 표면에 투영하는 단계를 포함하고,
제 2 옵션에서, 상기 방법은,
센서 표면에만 원거리 장 분포를 투영하도록 구성된 제 2 초점 요소(L2)를 통해 모니터링 빔을 안내하는 단계를 포함하고,
그리고, 제 1 또는 제 2 옵션에서,
메인빔의 평균 파워와 무관하게, 원하는 원거리장 분포의 함수로서, 들어오는 모니터링빔의 강도를 제어하도록, 가변 강도 조절기를 사용하여 카메라의 동적 범위를 일치시키는 단계; 및
공간 광 변조기의 디스플레이 요소에 대한 위상 계산이 가능하도록 폐루프를 구성하고, 제어기에 의해 수행되는 위상 계산 알고리즘의 다수회 반복을 위해, 카메라로부터의 출력 신호가 폐루프로 입력되는 단계를 더 포함하고,
제 1 옵션에서는 제 2 초점 요소를 제외한 제 1 초점 요소가 사용되고,
제 2 옵션에서는 제 1 초점 요소를 제외한 제 2 초점 요소가 사용되는 방법. - 제 1 항에 있어서,
메인빔으로 고체 표면을 구조화하는 단계; 및
공간 광 변조기를 설정함으로써 구조화를 제어하여 1차 광빔에 대한 결정된 프로파일을 얻는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
제 1 옵션을 사용하여, 상기 고체 표면을 구조화하는 단계에서 제 1 초점 요소의 집속면을 조절하여, 집속면이 고체 표면에 대응하도록 하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 옵션을 사용하여, 제 1 초점 요소의 집속면을 중간면으로 조절하는 단계; 및 투영 광학 셋업(projecting optical set-up)에 의해 중간면을 고체 표면에 축소된 규모로 촬상하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 옵션을 사용하여, 구조화 단계는 상기 고체 표면에서 구조를 얻기 위해, 집속 광학 셋업에 의해 고체 표면에 원거리장 분포를 투영하여, 원거리장 분포를 가하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
추출 단계는 빔 분할 요소를 포함하고,
상기 방법은,
빔 분할 요소, 제 1 및 제 2 초점 요소, 공간 광 변조기, 가변 강도 조절기, 및 카메라를 단일 컴팩트 인클로저에 통합함으로써, 단일 컴팩트 인클로저는 가간섭성 1차 광빔에 배치되는 전용의 구성요소가 되는 단계;
제어기 장치에 의해 제 1 옵션과 제 2 옵션 사이를 전환하는 단계; 및
제어기 장치에 의해 가변 강도 조절기를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
제 2 옵션을 사용하여, 공간 광 변조기에 의해 1차 광빔을 다수의 부분 메인빔으로 분할하는 단계;
위상 제어에 의해 다수의 부분 메인빔의 개수와, 다수의 부분 메인빔이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소를 떠난 후에 다수의 각 부분 메인빔들 간의 분리 각도, 및 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 개별적으로 조절하는 단계로,
서로에 있어 다수의 부분 메인빔의 강도는 다수의 각각의 부분 메인빔, 공간 광 변조기 및 1차 광빔에 대한 개별적인 생성을 추가로 제어하는 제어기에 의해 제어되는, 단계; 및
다수의 부분 메인빔으로 고체 표면을 구조화하는 단계를 포함하는 방법. - 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 표면은 금속, 다이아몬드, 사파이어, 유리, 플라스틱, 복합 재료, 가죽으로 이루어진 목록 중 어느 하나를 포함하는 방법. - 제 2 항 내지 제 5 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고체 표면은 작업 도구의 일부인 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 작업 도구는 엠보싱 롤러, 스탬핑 장치, 금속 도구, 손목시계 부품, 보석 부품, 포장 부품으로 이루어진 목록 중 어느 하나인 방법. - 공간 광 변조기(SLM)에 의해 의도된 적어도 부분 가간섭성 1차 광빔을 적응적으로 분할하는 장치로서, 의도된 부분 가간섭성 1차 광빔은 나노초 레이저, 피코초 레이저, 펨토초 레이저로 이루어진 목록 중 하나로부터의 평행 레이저빔에서 나오는, 장치에 있어서,
의도된 1차 광빔의 위상 변조에 의해, 가간섭성 1차 광빔의 프로파일에 의존하지 않는, 원하는 원거리장 분포를 생성하는 공간 광 변조기로, 이는 추가로, 이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소로부터 1차 광빔을 얻음으로써, 어떤 움직이는 요소를 피해서 가간섭성 1차 광빔을 성형하는, 공간 광 변조기;
의도된 1차 광빔이 공간 광 변조기를 통과한 후에 1차 광빔에 위치되고, 1차 광빔에서 의도된 모니터링빔과 의도된 메인빔을 추출하는 빔 분할 요소;
의도된 모니터링빔에 위치되고, 모니터링빔에서 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 측정하는 센서 표면을 더 포함하는 카메라를 포함하고,
제 1 구성 옵션에서, 상기 장치는
모니터링빔에서 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 센서 표면에 투영하고, 추가로 메인빔에 원거리장 분포를 생성하여 1차 광빔을 실제 출력 분포로서 제 1 초점 요소의 집속면으로 안내하는 제 1 초점 요소(L1)를 포함하고,
제 2 구성 옵션에서, 상기 장치는,
의도된 모니터링빔에 위치되고 공간 광 변조기에 의해 생성된 원거리장 분포를 센서 표면에만 투영하는 제 2 초점 요소(L2)를 포함하고,
제 1 또는 제 2 구성 옵션에서, 상기 장치는,
카메라 앞에서 의도된 모니터링빔에 위치되고, 메인빔의 평균 파워와 무관하게, 원하는 원거리장 분포의 함수로서, 들어오는 모니터링빔의 강도를 제어하여 카메라의 동적 범위를 일치시키는 가변 강도 조절기;
공간 광 변조기의 디스플레이 요소에 대한 위상 계산을 가능케 하며, 카메라에 연결되어 출력 신호를 수신하고, 제어기에서 실행되는 위상 계산 알고리즘의 다수의 강도에 대해 출력 신호를 사용하는 제어기를 포함하는 폐루프 셋업을 더 포함하고,
상기 장치는 제 1 구성 옵션과 제 2 구성 옵션 사이를 전환하는 전환 수단을 더 포함하며,
제 1 구성 옵션에서는 제 2 초점 요소를 제외한 제 1 초점 요소가 사용되고,
제 2 구성 옵션에서는 제 1 초점 요소를 제외한 제 2 초점 요소가 사용되는 장치. - 제 11 항에 따른 장치를 포함하는, 의도된 고체 표면을 가공하는 장치로서, 추가로 의도된 고체 표면을 메인빔에 위치시켜 의도된 고체 표면을 가공하고, 의도된 고체 표면의 가공은 공간 광 변조기의 적어도 설정부터 1차 광빔에 대한 결정된 프로파일을 생성하는 효과까지 가져오는 장치.
- 제 12 항에 있어서, 제 11 항에 따른 장치는 제 1 구성 옵션으로 구성되고, 추가로 제 1 초점 요소(L1)의 집속면은 의도된 고체 표면에 대응하는 장치.
- 제 12 항에 있어서, 제 11 항에 따른 장치는 제 1 구성 옵션으로 구성되고, 촬상 광학 셋업을 더 포함하며, 제 1 초점 요소는 그의 집속면이 중간면에 대응하도록 위치되며, 촬상 광학 셋업은 고체 표면에 축소된 규모로 중간면을 촬상하는 장치.
- 제 12 항에 있어서, 제 11 항에 따른 장치는 제 2 구성 옵션으로 구성되고, 집속 광학 셋업을 더 포함하며, 집속 광학 셋업은 가공을 위해 메인빔의 원하는 원거리장 분포를 고체 표면에 투영하는 장치.
- 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 분할 요소, 제 1 및 제 2 초점 요소, 공간 광 변조기, 가변 강도 조절기, 및 카메라를 통합하는 단일 컴팩트 인클로저를 더 포함함으로써, 단일 컴팩트 인클로저는 1차 광빔에 배치되는 전용의 구성요소가 되며;
추가로, 제어기는 제 1 구성 옵션과 제 2 구성 옵션 사이를 전환하고, 가변 강도 조절기를 조절하도록 전환 수단을 제어하는 장치. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
공간 광 변조기는 1차 광빔을 다수의 부분 메인빔으로 분할하고, 위상 제어에 의해 다수의 부분 메인빔의 개수, 다수의 부분 메인빔이 공간 광 변조기의 디스플레이 요소를 떠난 후에 다수의 각 부분 메인빔들 간의 분리 각도, 및 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 개별적으로 조절할 수 있으며,
제어기는 다수의 각 부분 메인빔에 대한 공간 물리적 특성을 제어함으로써, 서로 다수의 각 부분 메인빔의 강도를 추가로 제어하며,
공간 물리적 특성은 위상 및 진폭, 공간 광 변조기 및 1차 광빔 중 적어도 하나이고,
추가로 목적의 고체 표면을 다수의 메인빔에 위치시키는 장치. - 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
의도된 고체 표면은 의도된 엠보싱 롤러의 표면이며, 제어기는 추가로, 의도된 엠보싱 롤러의 표면을 메인빔에 위치시키는 장치. - 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
의도된 고체 표면은 금속, 다이아몬드, 사파이어, 유리, 플라스틱, 복합 재료, 가죽으로 이루어진 목록 중 어느 하나를 포함하는 장치. - 제 12 항 내지 제 15 항 및 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
의도된 고체 표면은 의도된 작업 도구의 일부인 장치. - 제 20 항에 있어서, 상기 의도된 작업 도구는 엠보싱 롤러, 스탬핑 장치, 금속 도구, 손목시계 부품, 보석 부품, 포장 부품으로 이루어진 목록 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 장치.
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