KR20230048546A - 작업 평면 상에 정의된 레이저 라인을 생성하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업 평면(14) 상에 정의된 레이저 라인(12)을 생성하는 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는: 원시 빔(18)을 생성하는 레이저 광 소스(16); 및 원시 빔을 수용하고 이를 작업 평면에 충돌하는 조명 빔(22)으로 변환하는 광학 조립체(20)를 포함한다. 조명 빔(22)은 작업 평면(14)과 교차하는 빔 방향을 정의하고, 횡방향 빔 프로파일(28)을 갖는다. 빔 프로파일(28)은, 빔 방향에 수직으로, 장축 빔 폭을 갖는 장축(30) 및 단축 빔 폭을 갖는 단축(32)을 갖는다. 광학 조립체(20)는 작업 평면(814) 영역에서 정의된 위치(42)로 빔 프로파일(28)을 포커싱하는 다수의 광학 요소(36, 38, 40)를 갖는다. 정의된 위치(42)는 레이저 광 소스(16)의 작동 출력 및/또는 작동 시간에 따라 광학 요소(36, 38, 40)의 가열의 결과로서 드리프트 길이(50)만큼 변위될 수 있다. 빔 프로파일(28)의 단축 빔 폭은 빔 방향을 따라 변하여, 사용 가능한 프로세스 윈도우를 정의한다. 광학 조립체(20)는 드리프트 길이(50)보다 큰 빔 방향의 피사계 심도(46)를 갖는 사용 가능한 프로세스 윈도우를 생성하도록 설계된다.

Description

작업 평면 상에 정의된 레이저 라인을 생성하는 장치

본 발명은 작업 평면 상에 정의된 레이저 라인을 생성하는 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 원시 빔을 생성하도록 설정된 레이저 광 소스와, 원시 빔을 수용하여 작업 평면에 충돌하는 조명 빔으로 변환하는 광학 조립체를 포함하고, 여기서 조명 빔은 작업 평면과 교차하는 빔 방향을 정의하고, 여기서 조명 빔은, 빔 방향에 수직으로, 장축 빔 폭을 갖는 장축 및 단축 빔 폭을 갖는 단축을 갖는 빔 프로파일을 갖고, 여기서 광학 조립체는 작업 평면 영역에서 정의된 위치로 빔 프로파일을 포커싱하는 다수의 광학 요소를 포함하고, 여기서 정의된 위치는 레이저 광 소스의 작동 출력 및/또는 작동 시간에 따라 광학 요소의 가열의 결과로서 드리프트 길이만큼 변위된다.

이러한 장치는 예를 들어 DE 10 2018 200 078 A1에 개시되어 있다.

이러한 장치는 특히 공작물을 가공하기 위해 작업 평면의 정의된 지점에서 정의된 선형 레이저 조명을 생성한다. 공작물은 예를 들어 캐리어 재료로서 역할을 하는 유리판 상의 플라스틱 재료일 수 있다. 플라스틱 재료는 특히 유기 발광 다이오드, 소위 OLEDs 및/또는 박막 트랜지스터가 생성되는 필름일 수 있다. OLED 필름은 스마트폰, 태블릿 PCs, TV 및 다른 스크린 디스플레이 장치의 디스플레이에 점점 더 많이 사용되고 있다. 전자 구조가 제조된 후, 필름은 유리 캐리어로부터 분리되어야 한다. 이는 유리하게는, 유리판에 대해 정의된 속도로 이동되어 유리판을 통한 필름의 접착 연결을 제거하는 얇은 레이저 라인 형태의 레이저 조명으로 수행될 수 있다. 실제로 이러한 적용은 종종 LLO 또는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off)로 지칭된다.

정의된 레이저 라인으로 공작물을 조명하는 또 다른 적용 분야는 캐리어판에서 비정질 실리콘을 행별로 용융하는 것일 수 있다. 레이저 라인은 여기에서도 공작물 표면에 대해 정의된 속도로 이동된다. 용융을 통해, 비교적 저렴한 비정질 실리콘은 고품질의 다결정 실리콘으로 전환될 수 있다. 실제로 이러한 적용은 종종 SLA(Solid State Laser Annealing)로 지칭된다.

이러한 적용 분야의 경우, 가능한 한 넓은 작업 영역을 커버하기 위해 한 방향으로는 가능한 한 길고 이에 비해 각각의 프로세스에 필요한 에너지 밀도를 제공하기 위해 다른 방향으로는 매우 짧은 작업 평면 상의 레이저 라인이 요구된다. 따라서, 작업 평면에 평행한 길고 얇은 레이저 라인이 바람직하다. 레이저 라인이 진행하는 방향은 흔히 소위 빔 프로파일의 장축이라고 하며, 라인 두께는 단축이라고 한다. 일반적으로, 레이저 라인은 두 개의 축에서 각각 정의된 강도 프로파일을 가져야 한다. 예를 들어, 레이저 라인은 장축에서 가능한 한 직사각형이거나 또는 경우에 따라 사다리꼴인 강도 프로파일을 갖는 것이 바람직하고, 이 경우 후자는 더 긴 전체 라인을 형성하기 위해 복수의 레이저 라인이 함께 결합되는 경우 유리할 수 있다. 애플리케이션에 따라, 단축에서는 직사각형 강도 프로파일(소위 탑햇(Top Hat) 프로파일), 가우시안 프로파일, 또는 다른 강도 프로파일이 필요하다.

WO 2018/019374 A1은 광학 조립체의 광학 요소에 관한 많은 세부 사항을 갖는 서두에 언급된 유형의 장치를 개시한다. 레이저 소스는 장축을 얻기 위해 광학 조립체의 도움으로 제1 공간 방향으로 매우 넓게 퍼지는 원시 레이저 빔을 생성한다. 이에 수직인 제2 공간 방향으로, 레이저 빔은 단축을 얻기 위해 포커싱된다. 제1 및 제2 공간 방향은 전형적으로 레이저 빔이 작업 평면에 충돌하는 빔 방향에 수직이다. WO 2018/019374 A1의 장치의 광학 조립체는 원시 레이저 빔을 시준하는 시준기뿐만 아니라, 빔 변환기, 균질화기 및 포커싱 스테이지도 갖는다. 빔 변환기는 시준된 원시 빔을 수용하고 이를 장축에서 확장시킨다. 원칙적으로, 빔 변환기는 복수의 레이저 소스에서 복수의 원시 레이저 빔을 수용하여, 더 높은 출력을 갖는 공통의 확장된 레이저 빔으로 결합할 수도 있다. 균질화기는 장축 및 단축에서 원하는 빔 프로파일, 예를 들어 각각의 경우 탑햇 프로파일을 생성한다. 포커싱 스테이지는 이러한 방식으로 변환된 레이저 빔을 작업 평면 영역의 정의된 위치에 포커싱한다.

서두에서 언급한 DE 10 2018 200 078 A1은 단축에 대해 광 굴절력을 갖는 망원경 조립체로 조명 라인을 생성하기 위한 광학 조립체를 개시한다. 망원경 조립체는 광축을 따라 서로에 대해 이동 가능한 제1 렌즈 그룹 및 제2 렌즈 그룹을 포함한다. 제어 유닛은, 레이저 빔 소스가 레이저 빔을 생성하는 동안, 조명 라인의 강도 및 소위 반치전폭, 즉, 강도의 50 %에서의 라인 폭(반치전폭)(FWHM)을 시간의 경과와 함께 가능한 한 일정하게 유지하기 위해, 이동을 제어한다. 레이저 빔이 생성되는 동안 광학 조립체의 특성이 변할 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 조립체의 광학 특성을 변경시키는 레이저 빔에 의한 광학 요소의 가열을 통해 소위 열 렌즈가 형성될 수 있다. DE 10 2018 200 078 A1은 이로 인해 발생하는 초점 위치의 변화를 망원경 렌즈를 서로에 대해 변위시킴으로써 보상하거나 또는 적어도 감소시키는 것을 제안한다.

이 솔루션의 단점은 망원경 렌즈의 위치를 조정하는 데 필요한 기계적 노력이다. 이동은 광학 조립체의 마모 및/또는 오정렬로 이어질 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명의 목적은 다른 방식으로 장치의 작업 영역 내에서 작업 평면을 유지하는 데 기여하는 서두에서 언급된 유형의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 양태에 따르면, 서두에서 언급된 유형의 장치가 여기에서 명시되며, 여기서 빔 프로파일의 단축 빔 폭은 빔 방향을 따라 변하여, 사용 가능한 프로세스 윈도우를 정의하고, 여기서 광학 조립체는 드리프트 길이보다 큰 빔 방향의 피사계 심도를 갖는 사용 가능한 프로세스 윈도우를 생성하도록 설정된다.

본 신규한 장치는 단축에서 빔 프로파일을 포커싱하는 광학 조립체 또는 광학 요소의 서로에 대한 기계적 조정을 생략할 수 있게 한다. 따라서, 빔 프로파일의 단축에 대해 광 굴절력을 갖고 작업 평면 영역의 정의된 위치에 빔 프로파일을 포커싱하는 광학 요소는 서로에 대해 고정된 거리를 갖는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서, 광학 요소는 각각 고정된다. 따라서, 기계적 마모가 감소되고, 기계적 움직임으로 인해 광학 조립체가 오정렬될 수 있는 위험도 또한 감소된다. 그 대신에, 본 신규한 장치는 아래에서 종방향으로 언급되는 빔 방향으로 조립체의 피사계 심도를 목표한 대로 증가시켜, 빔 프로파일이 포커싱되는 정의된 위치는 열 렌즈로 인한 변위가 있는 경우에도 피사계 심도 범위 내에서 유지된다는 사상을 기반으로 한다. 즉, 본 신규한 장치는 레이저 광 소스의 작동 출력 및/또는 작동 시간에 따라 광학 요소의 가열의 결과로서 초점 드리프트를 의식적으로 수용한다. 그러나, 광학 조립체는 특히 단축에서 빔 품질을 감소시키도록 목표한 대로 설정되어 있으므로, 초점 위치가 드리프트되는 경우에도 빔 프로파일은 프로세스 윈도우에 유지된다. 기계적 추적 대신에, 광학 조립체는 추가 광학 요소 및/또는 광학 요소의 증가된 조명 및 이와 관련하여 수차의 활용에 의해 더 큰 피사계 심도를 위해 특별히 설계된다.

따라서 본 신규한 장치는 피사계 심도와 초점 변위의 관계에 긍정적인 영향을 미치는 광학 조립체를 갖는다. 따라서, 장치의 프로세스 윈도우는 종래 기술의 장치에 비해 증가한다. 기계적 추적 및 이와 관련된 단점이 방지된다. 따라서, 위에서 언급된 목적은 충분히 달성된다.

바람직한 실시예에서, 단축 빔 폭은 빔 방향을 따라 최대값을 갖고 프로세스 윈도우는 빔 방향에서 전방 단부 및 후방 단부를 가지며, 여기서 전방 단부 및 후방 단부에서의 단축 빔 폭은 각각의 경우 최대값보다 최대 10 % 작고, 바람직하게는 각각의 경우 최대값보다 최대 5 % 작고, 특히 바람직하게는 각각의 경우 최대값보다 1 % 작다.

이러한 실시예에서 광학 조립체는 지정된 파라미터를 갖는 프로세스 윈도우가 생성되는 방식으로 빔 프로파일을 생성하도록 설정된다. 여기서 단축 빔 폭은 특히 반치전폭으로, 즉, 빔 방향을 따라 대응하는 위치에서 빔 프로파일의 최대 강도의 50 %를 갖는 단축에서의 빔 프로파일의 두 개의 강도 값 간의 차이로 결정될 수 있다(반치전폭)(FWHM). 대안적으로, 단축 빔 폭은 여기서 빔 방향을 따라 대응하는 위치에서 빔 프로파일의 최대 강도의 90 %를 갖는 단축에서의 빔 프로파일의 두 개의 강도 값 간의 차이로 지정될 수 있다(최대 폭의 90 %에서의 전체 폭). 지정된 값은 일반 LLO 및 SLA 적용 분야에서 적합한 수준에 단축의 빔 품질을 유지하면서, 피사계 심도의 유익한 증가를 제공한다.

추가 실시예에서, 조명 빔은 빔 방향으로 빔 웨이스트를 포함하고, 여기서 광학 조립체는 작업 평면 영역에서 빔 웨이스트를 생성하도록 설정된다.

모든 실제 레이저 빔은 소위 빔 웨이스트를 갖는다. 이것은 레이저 빔이 최소 직경 또는 반경을 갖는 레이저 빔의 전파 또는 빔 방향에서의 위치이다. 즉, 실제 레이저 빔의 직경 또는 반경은 빔의 방향에 따라 변경된다. 빔 직경은 빔 웨이스트에서 거리가 멀어짐에 따라 증가한다. 빔 방향의 빔 웨이스트의 범위는 예를 들어 소위 레일리 길이(Rayleigh-Laenge)를 사용하여 정량화될 수 있다. 레일리 길이는 ― 일반적으로 전기장에서 측정되는 ― 빔의 반경이 √2배 증가한 웨이스트의 중심(w₀)으로부터의 거리이고, 다음이 적용된다:

여기서 z_R은 레일리 길이를 나타내고, w(z)는 단축의 빔 반경이다. 이러한 구성에서, 광학 조립체는 작업 평면 영역, 바람직하게는 작업 평면에 빔 웨이스트를 위치시키도록 설정된다. 이러한 구성은 단축의 빔 프로파일이 가우시안 프로파일일 때 특히 유리하다. 이것은 공작물을 가공하는 지점에서 효율적인 방식으로 높은 에너지 밀도를 가능하게 한다.

추가 실시예에서, 광학 조립체는 조명 빔의 단축에 액시콘형 동위상 파면을 부여하는 광학 위상 요소를 포함한다.

진정한 의미의 액시콘은 점광 소스를 광축을 따라 라인 상으로 이미징하거나 또는 레이저 빔을 링으로 변환하는 원추형 연마된 렌즈이다. 액시콘이라는 용어는 종종 회전 대칭 케이스 또는 회전 대칭 요소를 나타낸다. 그러나, 본 경우, 위상 요소는 단축에 영향을 미치는데, 즉, 위상 요소는 단축에 대한 광학 조립체를 볼 때 액시콘형 동위상 파면을 생성한다. 장축은 크게 영향을 받지 않는다. 따라서 회전 대칭은 암시되지 않는다. 이 실시예에서 위상 요소에 의해 생성되는 액시콘형 동위상 파면은 결과적으로 조립체의 광축에 대해 횡방향인 단축에 대한 빔 경로를 볼 때 레이저 빔이 링 성분을 갖는다는 사실에 반영된다. 레이저 광의 성분은 위상 요소에 의해 "외부로 산란"된다. 이러한 성분은 비교적 간단하고 비용 효율적인 방식으로 피사계 심도를 증가시킨다. 따라서, 이 구성은 본 신규한 장치가 매우 간단하고 비용 효율적으로 구현될 수 있게 한다.

다른 실시예에서, 광학 위상 요소는 굴절 광학 요소, 특히 프리즘형 또는 비원통형 연마된 렌즈를 포함한다.

이러한 실시예는 본 신규한 장치를 특히 간단하고 비용 효율적인 방식으로 구현할 수 있게 한다. 특히, 서두에서 언급된 종래 기술에 대응하는 광학 조립체는 본 신규한 장치에 도달하기 위해 이러한 굴절 광학 요소, 예를 들어 웨지형 프로파일을 갖는 원통형 렌즈를 도입함으로써 수정될 수 있다.

추가 실시예에서, 광학 위상 요소는 회절 광학 요소를 포함한다.

이러한 실시예에서, 액시콘형 동위상 파면은 회절 효과에 의해 단축에서 생성된다. 이러한 구성의 일부 실시예에서, 광학 위상 요소는 불규칙 격자를 포함한다. 이러한 구성은 광학 조립체의 빔 경로에서 위상 요소의 위치와 관련한 큰 허용 오차 및 낮은 광학 손실로 구현을 가능하게 한다.

추가 실시예에서, 광학 위상 요소는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator)(SLM)를 포함한다.

공간 광 변조기는 광에 공간 변조를 부여하는 장치이다. 특히, 마이크로 미러 조립체 및/또는 하나 이상의 변형 가능한 미러를 포함할 수 있다. 이러한 광 변조기는 매우 개별적인 동위상 파면을 생성할 수 있으므로, 최적의 빔 형성을 가능하게 한다.

추가 실시예에서, 광학 조립체는 빔 프로파일의 단축에 대해 광 굴절력을 갖는 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소를 갖는 망원경 조립체를 포함하며, 여기서 광학 위상 요소는 빔 방향에서 볼 때 망원경 조립체 상류에 배열된다.

이러한 실시예는 매우 간단하고 비용 효율적인 방식으로 피사계 심도를 약 2 배만큼 증가시킬 수 있다. 이러한 실시예는, 빔 프로파일에 대한 위상 요소의 영향이 여기에서 쉽게 허용될 수 있기 때문에, 단축에서 가우시안 빔 프로파일로 작동하는 LLO 적용 분야 및 다른 적용 분야에 특히 유리하다.

추가 실시예에서, 광학 조립체는 빔 프로파일의 단축에 대해 광 굴절력을 갖는 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소를 갖는 망원경 조립체를 포함하고, 여기서 광학 위상 요소는 망원경 조립체의 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소 사이에 배열된다.

이러한 실시예에서, 광학 위상 요소는 유리하게는 단축의 원거리 장 평면에 배열된다. 여기에서 원거리 장은 빔 변환기의 출력에 대해 정의될 수 있으며, 광학계(포커싱)에 의해 달성되거나, 또는 출력 조리개에서 멀리 떨어진 평면을 바라봄으로써 달성될 수 있다. 일반적으로 경로 길이는 이 경우 빔 변환기로부터의 출력 빔의 레일리 길이보다 훨씬 크다. 이러한 실시예는 특히 SLA 적용 분야와 같이, 단축에 탑햇 빔 프로파일을 갖는 적용 분야에 특히 적합하다.

추가 실시예에서, 광학 조립체는 에지 영역에 수차를 갖는 대물 렌즈를 포함하고, 여기서 조명 빔은 에지 영역으로부터의 빔 성분을 포함한다.

이러한 실시예에서, 장치는 유리하게는 회절 제한이 없는 광학 조립체를 사용한다. 이 실시예는 유리한 방식으로 대물 렌즈의 에지 영역에서 수차를 사용한다. 이는 넓은 면적의 조명으로 인해 광학 요소의 국부적 가열이 감소된다는 장점을 갖는다. 결과적으로 초점 위치의 열 유도 드리프트가 감소하며, 이는 이미 장점을 나타낸다. 또한, 에지 영역으로부터의 빔 성분을 포함시켜 피사계 심도가 증가되므로, 여기에 두 가지 유리한 효과가 결합된다. 이러한 실시예는 적은 개수의 광학 요소로 본 신규한 장치를 구현할 수 있게 하므로, 장기적으로 비용 효율적인 구현을 가능하게 한다. 이러한 실시예는 SLA 적용 분야 및 단축에 탑햇 빔 프로파일을 갖는 다른 적용 분야에 특히 유리하다.

추가 실시예에서, 광학 조립체는 제1 평면 측면 및 제2 볼록 측면을 갖는 적어도 평면-볼록 렌즈를 포함하고, 여기서 볼록 측면은 작업 평면으로 지향된다.

특히 유리하게는 평면 볼록 렌즈는 장치의 광학 출력에 배열된다. 이것은 특히, 빔 방향에서 광학 조립체의 마지막 광학 요소일 수 있다. 일반적으로, 이러한 평면 볼록 렌즈는 평면 측면이 작업 평면을 향하도록 일반 장치에 반대로 배치된다. 바람직한 조립체는 렌즈의 에지 영역으로부터의 수차가 훨씬 더 효과적으로 활용된다는 이점을 갖는다. 일부 예시적인 실시예에서, 적어도 렌즈는 복수의 개별 렌즈를 포함할 수 있으며, 그 중 적어도 하나는 평면 볼록형이고 언급된 배향으로 배열된다.

위에서 언급된 특징 및 이하에서 또한 설명되는 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 각각의 경우에 명시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 조합으로 또는 그 자체로 사용될 수도 있음은 말할 필요도 없다.

본 발명의 실시예들이 도면에 도시되어 있고, 다음 설명에서 보다 상세히 설명된다.
도 1a 및 도 1b는 본 신규한 장치의 제1 실시예의 개략도를 도시한다.
도 2는 제1 실시예 및 추가 실시예를 설명하기 위한 빔 프로파일의 단순화된 표현을 도시한다.
도 3은 본 신규한 장치의 일부 실시예에 따른 빔 웨이스트 및 웨이스트 길이의 단순화된 표현을 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 신규한 장치의 제2 실시예의 개략도를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 본 신규한 장치의 다른 실시예의 개략도를 도시한다.

도 1a 및 도 1b에는, 본 신규한 장치의 제1 실시예가 전체적으로 참조 번호 10으로 표시된다. 도 1a는 여기에서 작업 평면(14) 영역에 배치된 레이저 라인(12)을 위로부터 본 단순화된 표현으로 장치(10)를 도시한다. 장치(10)는 예를 들어 적외선 범위 또는 UV 범위에서 레이저 광을 생성하는 고체 레이저일 수 있는 레이저 광 소스(16)를 갖는다. 예를 들어, 레이저 광 소스(16)는 1030 nm 범위의 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 레이저 광 소스(16)는 300 nm 내지 350 nm, 500 nm 내지 530 nm, 또는 900 nm 내지 1070 nm의 파장을 갖는 레이저 광을 생성하는 다이오드 레이저, 엑시머 레이저, 또는 고체 레이저를 포함할 수 있다.

도 1b는 측면에서 본, 즉, 레이저 라인(12)의 단축을 본 장치(10)를 도시한다. 이하에서 레이저 빔의 빔 방향은 좌표축 z로 지정된다. 레이저 라인(12)은 x축 방향으로 연장되고, 라인 폭은 y축 방향으로 보여진다. 따라서 x축은 이하에서 빔 프로파일의 장축을 나타내고, y축은 빔 프로파일의 단축을 나타낸다.

레이저 광 소스(16)는 원시 레이저 빔(18)을 생성하고, 이 원시 레이저 빔은 추가 경로에서 광학 조립체(20)에 의해 빔 방향(23)을 갖는 조명 빔(22)으로 변환된다. 여기에서 광학 조립체(20)는 일부 실시예에서 원시 레이저 빔(18)을 시준하는 콜리메이터를 포함할 수 있는 빔 안내 유닛(24), 및 여기서 단순하게 참조 번호 26으로 공동으로 표시되는 빔 변환기 및 균질화기를 포함한다. 빔 변환기 및 균질화기(26)는 레이저 라인(12)의 장축을 생성하기 위해 x-축에서 (시준된) 원시 레이저 빔(18)을 확장시킨다. 또한, 빔 변환기 및 균질화기(26)는 도 2의 단순화된 표현에 도시된 바와 같이 횡방향 빔 프로파일(28)을 생성한다. 도시된 바와 같이, 빔 프로파일(28)은 x-방향으로 장축 빔 폭(31)을 갖는 장축(30) 및 y-방향으로 단축 빔 폭(33)을 갖는 단축(32)을 갖는다. 레이저 빔의 강도(I)는 여기에서 수직 좌표축에 지정된다. 단축 빔 폭(33)은 여기서 예로서 반치전폭(FWHM)으로 표현된다. 빔 프로파일은 여기에 단순화된 형태로 표현된 사다리꼴 강도 프로파일에서 벗어나 가우시안 프로파일 또는 탑햇 프로파일일 수 있지만, 유한한 에지 경사도를 갖는다.

공작물(여기에는 도시되지 않음)을 가공하기 위해, 빔 프로파일(28)은 예를 들어 y-방향으로 작업 평면(14)에 대해 장치(10)에 의해 이동될 수 있다. 장치(10)의 추가 세부 사항에 관해서는 서두에 언급된 WO 2018/019374 A1을 참조하도록 하고, 이는 여기에 참조로 포함된다. 특히, 일부 유리한 실시예에서, 빔 변환기 및 균질화기(26)는 WO 2018/019374 A1에 설명된 방식으로 구현된다. 예를 들어, 빔 변환기 및 균질화기(26)는 그에 따라, 서로 실질적으로 평행하고 광학 조립체(20)의 광축(34)에 대해 예각(여기서는 도시되지 않음)으로 배열되는 전면 및 후면을 갖는 투명한 모놀리식 판형 요소를 포함할 수 있다. 전면 및 후면은 각각 반사 코팅을 포함할 수 있으므로, 시준된 원시 빔(18)은 전면에서 판형 요소에 비스듬히 커플링-인되고, 빔이 후면에서 부채꼴로 펼쳐져 나와 균질화되기 전에 내부에서 다중 반사를 겪는다. 빔 변환기 및 균질화기(26)는 특히 장축(30)에서 부채꼴로 펼쳐진 조명 빔을 형성하는 다수의 렌즈를 갖는 추가 광학 요소를 포함할 수 있다(여기에는 도시되지 않음). 대안적으로, 빔 변환기 및 균질화기(26)는 서두에 언급된 DE 10 2018 200 078 A1에 설명된 방식으로 구현될 수 있으며, 이는 또한 여기에 참조로 포함된다. 따라서, 광학 조립체는, 명료함을 위해 여기에 도시되지 않고 특히 장축에서 빔을 성형하는 역할을 하는 추가 광학 요소를 포함할 수 있다.

여기서 광학 조립체(20)는 제1 광학 요소(36) 및 제2 광학 요소(38)를 갖는 망원경 조립체를 포함한다. 망원경 조립체는 빔 프로파일(28)의 단축(32)에 주로 영향을 미치는 광 굴절력을 갖는다. 이것은 단축(32)에서 빔 프로파일(28)을 형성하도록 설정된다. 이러한 방식으로 변환된 레이저 빔은 여기에서 대물 렌즈(40)를 조명하고, 이 대물 렌즈는 그 다음 빔 프로파일(28)을 조명 빔(22)에 의해 작업 평면(14) 영역의 정의된 위치(42)에 포커싱한다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 조명 빔(22)은 빔 방향으로 물체측에 빔 웨이스트(44)를 가지며, 이 빔 웨이스트는 여기서 작업 평면(14) 영역에 위치된다(도 3 참조). 그러나 작업 평면의 전방 또는 후방에 있을 수도 있다. 빔 웨이스트(44)는 예를 들어 양측의 레일리 길이를 사용하여 정량화될 수 있는 웨이스트 길이를 갖는다.

일부 실시예에서, 웨이스트 길이는 백분율 증가(48)를 통해 정량화될 수 있는데, 즉, 웨이스트 길이는 이 경우 y 방향의 빔 직경이 단축의 최소 빔 직경과 비교하여 정의된 비율만큼 증가한 지점의 종방향 거리에 해당한다. 이 정의된 비율은 일부 실시예에서 10 % 이하일 수 있다. 일부 실시예에서, 웨이스트 길이는 피사계 심도(46)에 대응할 수 있다.

고에너지 레이저 빔에 의한 조명으로 인해 광학 요소(36, 38, 40)는 가열된다. 가열로 인해 열 렌즈가 형성될 수 있다. 열 렌즈는 광학 조립체에서 레이저 광을 흡수하여 생성된다. 온도의 국부적 증가는 특히 수 kW의 출력을 갖는 레이저 광 소스가 사용될 때 현저해질 수 있다. 광학 재료의 낮은 열전도율은 강한 온도 구배를 유발한다. 결과적인 굴절률 구배 및 재료의 열팽창은 그 후 추가 렌즈와 같이 작용한다. 이들 열 렌즈의 결과는, 정의된 위치(42) 또는 조명 빔(22)의 초점 위치가 드리프트 길이(50)만큼 변위된다는 것이다. 정의된 위치의 변위는 특히 레이저 광 소스(16)가 켜진 후에, 광학 요소가 오랜 중단 후에 처음으로 레이저 빔에 다시 노출될 때, 뿐만 아니라 레이저 광 소스(16)의 작동 출력이 변경되는 경우에도, 예를 들어 저출력 작동으로부터 고출력 작동으로 전환되기 때문에, 발생할 수 있다.

이러한 이유로, 도 1a 및 도 1b에 따른 장치(10)는 빔 경로에 광학 위상 요소(52)를 갖는다. 도 1a 및 도 1b에 따른 실시예에서, 위상 요소(52)는 광학 요소(36, 38)를 갖는 단축 망원경 조립체 상류에 배열된다. 위상 요소(52)는 단축에 대해, 대물 렌즈(40)를 조명하는 레이저 빔에 액시콘형(그러나 회전 대칭은 아님) 동위상 파면을 부여한다. 이것의 결과로서, 레이저 빔은 조립체(20)의 광축(34)에 대해 횡방향으로 링 성분이 주어진다. 또한, 링 성분은 단축 프로파일이 빔 방향(z)으로 연속하여 여러 번 작업 평면(14)에 이미징되게 한다. 결과적으로 빔 방향의 피사계 심도가 특히 확대된다. 바람직한 실시예에서, 피사계 심도(46)는 도 3에 간략화된 형태로 도시된 바와 같이 드리프트 길이(50)보다 더 크도록 치수화된다. 피사계 심도는 여기서 웨이스트 길이(46)에 해당하지만, 그러나 모든 실시예에서 반드시 그럴 필요는 없다.

일부 유리한 실시예에서, 피사계 심도(46)는 빔 방향(23)을 따라 변하는 단축 빔 폭(33)을 사용하여 정의된다. 단축 빔 폭(33)은 빔 방향을 따라 변하고, 예를 들어 도 3에서 빔 웨이스트의 중심과 일치하는 한 지점에서 최대값을 갖는다. 피사계 심도는 빔 방향에서 사용 가능한 프로세스 윈도우를 정의한다. 프로세스 윈도우의 전방 단부 및 후방 단부에서 단축 빔 폭은 각각의 경우 단축 빔 폭의 최대값보다 10 % 작으며, 바람직하게는 각각의 경우 최대값보다 5 % 작으며, 특히 바람직하게는 각각의 경우 최대값보다 1 % 작다. 드리프트 길이(50)가 피사계 심도(46)보다 작기 때문에, 빔 프로파일(28)은, 열 렌즈의 결과로서 초점 평면이 변위되는 경우에도, 공작물을 가공하기 위해 프로세스 윈도우에 유지된다. 빔 경로에서 단축(32)에 대한 망원경 조립체의 상류에 위상 요소(52)를 배치하는 것은 LLO 적용 분야 및 단축(32)의 가우시안 빔 프로파일을 갖는 다른 적용 분야에 특히 유리하다.

도 4a 및 도 4b에 따른 실시예에서, 위상 요소(52)는 단축에 대한 망원경 조립체의 광학 요소들(36, 38) 사이에 배열된다. 이 경우, 위상 요소(52)는 주로 빔 프로파일(28)의 단축(32)의 원거리 장에 영향을 미친다. 위상 요소(52)의 이러한 배치는 SLA 적용 분야 및 탑햇 빔 프로파일을 갖는 다른 적용 분야에 유리하다.

위상 요소(52)는, 도 1a 및 도 1b 및 도 4a 및 도 4b의 실시예에서, 각각 하나 이상의 굴절 광학 요소, 하나 이상의 회절 광학 요소 및/또는 공간 광 변조기로 구현될 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 따른 실시예는 전용 위상 요소(52) 없이 이루어진다. 그 대신에, 여기서는, 더 큰 피사계 심도(46)를 달성하기 위해, 특히 대물 렌즈(40)의 에지 영역으로부터의 광학 요소의 수차가 목표한 대로 이용된다. 원칙적으로 또한 전용 위상 요소가 조합하여 사용될 수도 있다(여기에는 도시되지 않음). 이 실시예에서, 광학 조립체(20)는 유리하게는 회절 제한되지 않는다. 여기에서, 부채꼴로 펼쳐진 레이저 빔은 대물 렌즈(40)를 에지 영역까지, 예를 들어 단축을 볼 때 렌즈 반경의 외부 20 %의 에지 영역까지 조명한다. 이것만으로도 레이저 빔의 복사 출력이 더 넓은 렌즈 영역에 걸쳐 분산되고 대물 렌즈(40)가 국부적으로 덜 강하게 가열된다는 장점이 있다. 이러한 이유로, 본 실시예는 유리하게는 드리프트 길이를 감소시킨다. 또한, 대물 렌즈의 에지 영역으로부터의 수차는 피사계 심도가 깊어지는 것으로 이어진다. 피사계 심도(46)에 대한 드리프트 길이(50)의 몫은 유리하게 영향을 받는다. 이에 수반된 단축에서의 빔 품질의 열화는 많은 적용 분야에서 허용될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 대물 렌즈(40)는, 볼록 측면(54)이 작업 평면(14)을 향하는 반면 평면 측면(56)은 망원경 조립체(36, 38) 방향을 향하는 평면-볼록 렌즈를 포함한다. 대물 렌즈의 이러한 배향은 일반 장치의 광학 조립체에 대해 매우 이례적이다. 그러나, 이는 대물 렌즈(40)의 에지 영역으로부터의 구면 수차의 영향을 증가시킨다.

대물 렌즈의 설계 기준은 원하는 종방향 변위에 따라 달라진다. 파면 수차(W(y_p))는 종방향 수차로 변환될 수 있다:

여기서 Δs'는 종방향 변위이고, n'는 이미지측 굴절률이고, R은 기준 구의 반경이고, y_p는 동공 좌표이다.

원통형 렌즈의 경우, 파면 수차는 W_sph(y_p)∝y_p ⁴ 이다. 따라서, 공기 중의 총 종방향 변위는 Δs′= αR²y_p ² 이다. 여기서 α는 구면 수차의 정도를 스케일링하고, 렌즈 설계에 따라 다르다.

특징적인 초점 거리(f)를 갖는 대물 렌즈의 가우시안 조명(y_p)에서 아래의 열 굴절력이 생성된다:

여기서 α는 작업편의 흡수율이고, κ는 재료의 열전도율이고, L_x는 장축을 따른 라인 길이이고, y_p는 조명의 빔 반경이다. 굴절률의 변화 및 유리의 팽창은 상수 γ로 요약되며,

P₀은 여기서 레이저 출력이다. 열 렌즈는 아래 크기로 초점 변위를 발생시킨다.

동시에, 작업 평면에 들어가는 빔은, 작업 평면에서 조명(y_p) 및 단축의 빔 직경(FW)와 대략적으로 비례하는 피사계 심도에 의해 단축을 따라 특성화되는데, 즉, 아래와 같다:

단축의 폭(FW)이 증가되면, 피사계 심도도 또한 증가한다. 조명이 낮을수록, 피사계 심도가 깊어진다. 이에 따라 아래의 관계가 생성된다:

출력 밀도(P₀/FW)는 일정하며, 프로세스를 통해 미리 정의된다. 초점 거리(f)는 작동 거리에서 얻어진다. 이는 회절 제한 경우에 초점 변위와 피사계 심도의 몫이 조명(y_p)과 무관하다는 것을 의미한다. 반면, 본 신규한 장치의 실시예에서의 피사계 심도는 조명에 의해 덜 급격하게 떨어진다. 이에 따라 몫(Q)은 y_p의 함수이며, 더 이상 이로부터 독립적이지 않다. 따라서, 몫(Q)은 1 보다 작고, 바람직하게는 1 보다 훨씬 더 작다.

Claims (13)

1. 작업 평면(14) 상에 정의된 레이저 라인(12)을 생성하는 장치로서,
   원시 빔(18)을 생성하도록 설정된 레이저 광 소스(16)와, 상기 원시 빔(18)을 수용하여 상기 작업 평면(14)에 충돌하는 조명 빔(22)으로 변환하는 광학 조립체(20)를 포함하고, 상기 조명 빔(22)은 상기 작업 평면(14)과 교차하는 빔 방향(23)을 정의하고, 상기 조명 빔(22)은, 상기 빔 방향(23)에 수직으로, 장축 빔 폭(31)을 갖는 장축(30) 및 단축 빔 폭(33)을 갖는 단축(32)을 갖는 빔 프로파일(28)을 갖고, 상기 광학 조립체(20)는 상기 작업 평면(14) 영역에서 정의된 위치(42)로 상기 빔 프로파일(28)을 포커싱하는 다수의 광학 요소(36, 38, 40)를 포함하고, 상기 정의된 위치(42)는 상기 레이저 광 소스(16)의 작동 출력 및/또는 작동 시간에 따라 상기 광학 요소(36, 38, 40)의 가열의 결과로서 드리프트 길이(50)만큼 변위되고,
   상기 빔 프로파일(28)의 상기 단축 빔 폭(33)은 상기 빔 방향(23)을 따라 변하여, 사용 가능한 프로세스 윈도우를 정의하고, 상기 광학 조립체(20)는 상기 드리프트 길이(50)보다 큰 상기 빔 방향의 피사계 심도(46)를 갖는 상기 사용 가능한 프로세스 윈도우를 생성하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단축 빔 폭(33)은 상기 빔 방향(23)을 따라 최대값을 갖고, 상기 프로세스 윈도우는 빔 방향에서 전방 단부 및 후방 단부를 가지며, 상기 전방 단부 및 상기 후방 단부에서의 상기 단축 빔 폭(33)은 각각의 경우 상기 최대값보다 최대 10 % 작고, 바람직하게는 각각의 경우 상기 최대값보다 최대 5 % 작고, 특히 바람직하게는 각각의 경우 상기 최대값보다 1 % 작은 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 광학 요소들(36, 38, 40)은 상기 빔 프로파일(28)의 상기 단축(32)에 대해 광 굴절력을 가지며, 서로에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 조명 빔(22)은 빔 방향으로 빔 웨이스트(44)를 포함하고, 상기 광학 조립체(20)는 상기 작업 평면(14) 영역에서 상기 빔 웨이스트(44)를 생성하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 조립체(20)는 상기 조명 빔(22)에 액시콘형 동위상 파면을 부여하는 광학 위상 요소(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 광학 위상 요소(52)는 굴절 광학 요소, 특히 프리즘형 또는 비원통형 연마된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 광학 위상 요소(52)는 회절 광학 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 위상 요소(52)는 공간 광 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광학 조립체(20)는 상기 빔 프로파일(28)의 상기 단축(32)에 대해 광 굴절력을 갖는 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소(36, 38)를 갖는 망원경 조립체를 포함하고, 상기 광학 위상 요소(52)는 빔 방향에서 볼 때 상기 망원경 조립체 상류에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조립체(20)는 상기 빔 프로파일(28)의 상기 단축(32)에 대해 광 굴절력을 갖는 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소(36, 38)를 갖는 망원경 조립체를 포함하고, 상기 광학 위상 요소(52)는 상기 망원경 조립체의 상기 적어도 2 개의 서로 이격된 광학 요소들(36, 38) 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조립체(20)는 에지 영역에 수차를 갖는 대물 렌즈(40)를 포함하고, 상기 조명 빔(22)은 상기 에지 영역으로부터의 빔 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 조립체(20)는 제1 평면 측면(56) 및 제2 볼록 측면(54)을 갖는 적어도 평면-볼록 렌즈(40)를 포함하고, 상기 볼록 측면(54)은 상기 작업 평면(14)으로 지향되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 평면 볼록 렌즈(40)는 빔 방향에서 상기 광학 조립체(20)의 종단 요소인 것을 특징으로 하는 장치.

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