WO2015016624A1 - 포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 - Google Patents

포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법 Download PDF

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WO2015016624A1
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WO
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laser
profiler
focus
processed
laser beam
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PCT/KR2014/007026
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English (en)
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Inventor
노지환
손현기
강희신
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한국기계연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method using the same, which can measure a focus position of a processing target by using a processing laser without providing a laser apparatus for focus measurement.
  • the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing method using the same that can measure the focus position of the object to be processed using a laser for processing without having a separate laser device for focus measurement.
  • the laser processing apparatus includes a beam splitter for separating a laser beam emitted from a laser light source into a reflection beam and a transmission beam, a first light focusing unit for focusing the transmission beam to a processing object, and reflection from a processing object. And a beam profiler for receiving a laser beam passing through the first light focusing unit and the beam splitter, and measuring a profile change of the laser beam according to a change in position of the object to be processed.
  • the laser processing apparatus may further comprise a second beam profiler that is selectively disposed between the beam splitter and the first light focusing portion.
  • One of the laser processing methods according to the first embodiment of the present invention includes a first step of measuring a diameter change of a laser beam image according to a change in position of a first processing object in a beam profiler, and a first processing object with a laser beam.
  • the first processing object may be a test piece, and the second processing object may be a product in which actual processing is performed.
  • the focus diameter and the first focus position obtained in the third step may be equally applied to the positioning of the plurality of second processing objects.
  • Another of the laser processing methods according to the first embodiment of the present invention comprises a first step of arranging a second beam profiler at an arbitrary position between the beam splitter and the first light concentrator, and incident to the second beam profiler.
  • a second step of measuring the diameter of one laser beam image, and the focus diameter from the diameter of the laser beam image measured in the second step and the optical path length from the second beam profiler to the beam profiler and the convergence angle of the laser beam And a third step of calculating, and a fourth step of arranging the object to be processed at the first focus position such that the focus diameter is measured by the beam profiler, and processing the object to be processed by the laser beam.
  • the laser processing apparatus is a beam splitter for separating a laser beam emitted from a laser light source into a reflection beam and a transmission beam, a mirror provided with a reflection beam and reflecting back to the beam splitter, and a transmission object
  • a beam profile for receiving a laser beam reflected from a mirror and passing through the beam splitter and measuring a profile of the laser beam, the first light focusing unit focusing the light beam, a blocking plate selectively positioned between the beam splitter, and the first light focusing unit Includes n.
  • One of the laser processing methods according to the second exemplary embodiment of the present invention includes a first step of reflecting a reflected beam separated from a beam splitter using a mirror back into a beam splitter, and a diameter of a laser beam image incident on the beam profiler. And a third step of selecting the target diameter as a focus diameter, and a third step of arranging the object to be processed at the first focus position such that the focus diameter is measured by the beam profiler, and processing the object to be processed by a laser beam.
  • the first step of using a mirror to reflect back the reflected beam separated from the beam splitter to the beam splitter, and the laser beam image incident on the beam profiler A second step of measuring the diameter, a third step of calculating a focus diameter from the diameter of the laser beam image and the convergence angle of the laser beam measured in the second step, and a workpiece to be measured so that the focus diameter is measured in the beam profiler. It arrange
  • the third step includes the steps of: placing a virtual second beam profiler at an arbitrary position between the beam splitter and the first light concentrator, and calculating the diameter of the laser beam image incident on the second beam profiler; Calculating a focus diameter from the diameter of the laser beam image of the second beam profiler, the optical path length between the second beam profiler and the beam profiler, and the convergence angle of the laser beam.
  • the laser light source emits a laser beam in a disordered polarization state
  • the beam splitter may separate the reflected beam and the transmitted beam according to the power of the laser beam
  • the laser light source emits a laser beam comprising P and S waves
  • the beam splitter can separate the reflected beam and the transmitted beam according to the polarization of the laser beam.
  • the laser processing apparatus may further include a quarter wave plate positioned between the beam splitter and the first light focusing unit.
  • the above-described laser processing apparatus may further include a laser power control unit positioned between the laser light source and the beam splitter.
  • the laser power controller may adjust the power of the laser beam according to the threshold of the charge coupled device (CCD) constituting the beam profiler.
  • the laser power controller may include at least one linear polarizer and a half wavelength plate, or may include at least one neutral concentration filter.
  • the laser processing apparatus comprises a laser light source, a diffraction element for passing an axis beam among the laser beams emitted from the laser light source, diffracting the non-axis beam, an axis beam emitted from the diffraction element, and a non-axis beam, respectively.
  • a beam splitter separating the reflective beam and the transmission beam, a first light focusing unit focusing the transmission beam to the processing object, and a laser beam reflected from the processing object and passing through the first light focusing unit and the beam splitter, and receiving the position of the processing object It may include a beam profiler for measuring the profile change of the laser beam in accordance with the change.
  • the first light focusing unit may be a focusing lens or an optical scanner.
  • the laser processing apparatus may further include a blocking plate disposed between the diffraction element and the first light focusing unit to block a portion of the stock beam.
  • Two or more blocking plates may be disposed between the diffraction element and the beam splitter, and the blocking plate may be disposed in the up, down, left and right directions based on the diffraction element, respectively.
  • Laser processing apparatus is a laser light source for emitting a P-wave polarized laser beam, a quarter wave plate for generating a phase difference to change a portion of the P-wave polarized laser beam to S-wave, 1 / 4
  • a birefringent element that passes P waves among the laser beams emitted from the wave plate and refracts the S wave, a beam splitter that separates the P and S waves emitted from the birefringent element into a reflection beam and a transmission beam, respectively, and a transmission beam.
  • a beam profiler configured to receive a laser beam reflected from the object to be processed and the object to be processed, and to pass through the first light collector and the beam splitter, and to measure a profile change of the laser beam according to a change in the position of the object.
  • a first step of passing an axis beam among the laser beams and diffracting a non-axis beam in a diffraction element, and an axis beam according to a change in the position of the first processing object in the beam profiler And a second step of measuring a change in diameter of the non-axis beam image, a third step of measuring a change in the machining line width according to a change in the position of the first machining object by processing the first machining object with the axial beam, wherein the machining line width is minimum.
  • the laser processing method may further include a seventh step of moving the first light focusing unit to adjust the positions of the axial beam and non-axis beam images to reach the reference position.
  • the reference position may be a center point coordinate of the axial beam and the non-axis beam image, or may be a distance between the axial beam image and the non-axis beam image.
  • a laser processing apparatus includes a laser light source, a beam splitter for separating a laser beam emitted from a laser light source into a reflection beam and a transmission beam, a first light focusing unit for focusing the transmission beam on a processing object, and processing A laser beam reflected from an object to receive the laser beam passing through the first light focusing unit and the beam splitter, and disposed between the beam splitter and the beam splitter and the beam profiler for measuring a profile change of the laser beam according to a change in the position of the object to be processed. It may include a second light focusing unit for focusing the laser beam passed through the first light focusing unit and the beam splitter with a beam profiler.
  • the first light focusing unit may be an optical scanner, and the object to be processed may be a tilting roll having a tilting shaft.
  • a first step of arranging a position of a first light focusing unit, a second light focusing unit, and a beam profiler by arranging a first object to be processed is performed.
  • the second step of measuring the diameter change of the laser beam image according to the position change of the second processing object in the beam profiler by placing the object to be processed, the first focus of the position of the second processing object to minimize the diameter of the laser beam image The third step of selecting the position, the fourth step of setting the position of the laser beam image on the beam profiler as the reference position when the second object is in the first focus position, and the reference while processing the second object with the laser beam
  • a fifth step of measuring the position of the laser beam image deviated from the position may be included.
  • the position information of the laser beam image measured in the fifth step may be at least one of diameter information of the laser beam image and center point coordinate information of the laser beam image.
  • the laser processing method includes a sixth step of adjusting at least one of the position of the second processing object or the position of the first light focusing unit so that the position of the laser beam image measured in the fifth step coincides with the reference position set in the fourth step. It may further include.
  • the focus position of the object to be processed may be accurately measured using the processing laser without having to provide a separate focus measuring laser facility.
  • the whole structure of a laser processing apparatus can be simplified, and manufacturing cost can also be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a change in diameter of a laser beam image according to a change in position of a first processing object in the first step illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the shape of a processing groove according to the position of the first processing object in the second step shown in FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the processing line width according to the position change of the first processing object in the second step shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a process flowchart showing the laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 6.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a case in which the divergence angle of the laser beam is considered in the laser processing apparatus shown in FIG. 6.
  • FIG. 9 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 10.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a laser machining apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a laser beam incident on a beam profiler.
  • FIG. 14 is a schematic view of a laser machining apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention, wherein (a) selecting a first focus position of the laser processing apparatus, and (b) moving the object to be processed at the first focus position. , (c) shows a process of resetting the first focus position by moving the light focusing unit.
  • FIG. 16 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 15.
  • FIG. 17 is a graph showing a change in the processing line width according to the change in the position of the first processing target in the second step shown in FIG. 16.
  • FIG. 18 is a view illustrating coordinate changes of a diffraction beam image displayed on the beam profiler in steps (a) to (c) of FIG. 15.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating a change in distance between an axial beam image and a non-axis beam image displayed in the beam profiler in steps (a) to (c) of FIG. 15.
  • FIG. 20 is a perspective view illustrating a diffraction element and a blocking plate in a first modification of the laser machining apparatus illustrated in FIG. 15.
  • FIG. 21 is a schematic view showing a second modification of the laser machining apparatus shown in FIG. 15.
  • FIG. 22 is a graph showing a change in distance between an axial beam and a non-axis beam image on the beam profiler according to a change in distance between the optical scanner and the object to be processed shown in FIG. 21.
  • FIG. 23 is a schematic view of a laser machining apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a schematic diagram of a laser machining apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a schematic diagram illustrating positions of laser beam images displayed on the beam profiler in FIG. 24, respectively.
  • FIG. 26 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 24.
  • FIG. 27 is a graph illustrating a change in diameter of the laser beam image according to a change in position of the second light focusing unit in the first step illustrated in FIG. 26.
  • FIG. 28 is a graph illustrating a change in diameter of a laser beam image according to a change in position of a second object to be processed in the second step shown in FIG. 26.
  • FIG. 29 is a schematic view showing tilting of the object to be processed in the fifth step shown in FIG. 26.
  • FIG. 30 is a schematic diagram illustrating positions of laser beam images displayed on the beam profiler in FIG. 26, respectively.
  • FIG. 31 is a graph illustrating a change in distance between the center point coordinates and the reference coordinates of the laser beam image according to the tilt rotation angle change of the processing target in the fifth step illustrated in FIG. 26.
  • FIG. 32 is a graph illustrating a change in distance between a center point coordinate of a laser beam image and a reference coordinate and a change in shape of the laser beam image according to the tilt rotation angle change of FIG. 29 (a).
  • FIG. 33 is a graph illustrating a change in distance between a center point coordinate of a laser beam image and a reference coordinate and a change in shape of the laser beam image according to the tilt rotation angle change of FIG. 29 (b).
  • FIG. 34 is a schematic view showing an example of application of the laser processing apparatus shown in FIG. 24.
  • first focusing unit 1st light focusing unit 31 second light focusing unit
  • blocking plate 70 laser power control unit
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 100 of the first embodiment includes a laser light source 10, a beam splitter 20, a first light focusing unit 30, and a beam profiler. And 40.
  • the laser light source 10 generates a laser beam.
  • the laser beam is a laser beam for processing used for actual processing of the object to be processed 50.
  • the beam splitter 20 is located on the path of the laser beam and separates the laser beam into a reflected beam and a transmitted beam. In the first embodiment, the reflected beam of the beam splitter 20 is shown in dashed lines, and the transmitted beam is shown in solid lines.
  • the laser beam generated by the laser light source 10 may be in a random polarization state in which the electromagnetic field vector of the output energy does not have a constant direction with time.
  • the beam splitter 20 may divide the reflection beam and the transmission beam according to the power of the laser beam, wherein the power of the transmission beam is higher than the power of the reflection beam.
  • the first light focusing unit 30 is located on the path of the transmission beam to focus the transmission beam on the object 50 to be processed.
  • a focusing lens is used as the first light focusing unit 30.
  • the transmission beam irradiated to the object 50 is reflected by the surface of the object 50 and is provided to the beam splitter 20 again via the first light focusing unit 30.
  • the reflected beam split by the beam splitter 20 is provided to the beam profiler 40.
  • the focus position of the first light focusing unit 30 is defined as the first focus position L_focus.
  • the beam profiler 40 is a light receiving sensor incorporating a plurality of charge coupled devices (CCDs), and measures the profile of the received laser beam.
  • the processing object 50 may move to change the distance from the first light focusing unit 30, and the size of the laser beam that reaches the beam profiler 40 changes according to the position change of the processing object 50.
  • the beam profiler 40 measures the change of the beam profile (diameter) according to the change of the position of the object 50 to be processed.
  • FIG. 1A illustrates a case where the object to be processed 50 is at the first focus position L_focus of the first light focusing unit 30.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a parallel beam, and the reflected beam split in the beam splitter also reaches the beam profiler 40 in the form of a parallel beam.
  • the diameter (focus diameter) of the laser beam image reaching the beam profiler 40 is represented by D_focus.
  • FIG. 1B illustrates a case where the object to be processed 50 is in front of the first focus position L_focus of the first light focusing unit 30.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a diverging beam, and the reflected beam split in the beam splitter 20 also forms the beam profiler 40 in the form of a diverging beam.
  • the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 is represented by D_front, and D_front has a larger value than D_focus.
  • FIG. 1C illustrates a case in which the object to be processed 50 is behind the first focus position L_focus of the first light focusing unit 30.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a converging beam, and the reflected beam split in the beam splitter 20 also forms the beam profiler 40 in the form of a converging beam.
  • the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 is represented by D_back, and D_back has a smaller value than D_focus.
  • FIG. 2 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 1.
  • the laser processing method includes a first step S10 of measuring a change in diameter of a laser beam image according to a change in position of a first processing object 51 in a beam profiler 40, and a laser
  • the second process object 52 is arrange
  • the first object to be processed 51 is a test piece for obtaining a focus diameter D_focus
  • the second object to be processed 52 is a product which is actually processed.
  • laser processing may be continuously performed without reworking the focus diameter D_focus on the plurality of second objects 52.
  • the above-described laser processing method can be applied when the magnification of the first light focusing part is known.
  • the first processing object 51 is mounted on the laser processing apparatus.
  • the laser beam is oscillated by the laser light source 10, and the diameter profile of the laser beam image is measured by the beam profiler 40 while changing the position of the first processing object 51.
  • the beam profiler 40 is connected to a data storage unit (not shown) to transmit measurement data to the data storage unit.
  • the laser beam is a laser beam whose output is reduced and is reflected from the surface of the first processing object 51 without processing the first processing object 51.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a change in diameter of a laser beam image according to a change in position of a first processing object in the first step illustrated in FIG. 2.
  • the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 is changed. That is, the diameter of the laser beam image is increased as the first processing object 51 is positioned ahead of the first focus position L_focus based on the first focus position L_focus, and is located behind the first focus position L_focus. The smaller the diameter of the laser beam image. Even when the magnification of the first light focusing unit 30 is determined, in the first step S10, the first focus position L_focus and the focus diameter D_focus of the first processing object 51 may not be known.
  • the first processing object 51 is processed several times by irradiating a laser beam to the first processing object 51 while changing the position of the first processing object 51.
  • a plurality of processing grooves formed by a laser beam are formed in the first processing object 51, and the width (processing line width) and the cross-sectional shape of the processing groove change depending on the position of the first processing object 51.
  • FIG. 4 is a schematic view showing the shape of a processing groove according to the position of the first processing object in the second step shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the case where the 1st processing object 51 is located in front of the 1st focus position L_focus
  • (b) shows the 1st processing object 51 in the 1st focus position L_focus. Indicates if present.
  • (c) shows the case where the 1st processing object 51 is located behind the 1st focus position L_focus.
  • the processing groove 55 has a smaller line width and exhibits a deep and sharp cross-sectional shape.
  • the minimum processing line width is represented by d_min.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the processing line width according to the position change of the first processing object in the second step shown in FIG. 2.
  • the machining line width measured in the second step S20 has a minimum value when the first machining object 51 is at a specific position L_focus, and has a larger value as it moves away from this position.
  • the position L_focus at which the processed line width is minimized is selected as the first focus position L_focus using the data of the processed line width measured in the second step S20.
  • the focus diameter is obtained from the diameter change data of the laser beam image measured in the first step S10. That is, the diameter of the laser beam image corresponding to the first focus position L_focus in the graph of FIG. 3 is obtained as the focus diameter D_focus.
  • the second processing object 52 is mounted on the laser processing apparatus, and the laser beam is oscillated by the laser light source 10.
  • the second processing object 52 is moved in the beam profiler 40 so that the focus diameter D_focus is measured, and the second processing object 52 is positioned at the position (first focus position) at which the focus diameter D_focus is measured. To stop. Subsequently, the second processing object 52 is processed by irradiating a laser beam having a higher output to the second processing object 52 placed at the first focus position L_focus.
  • the focus diameter D_focus and the first focus position L_focus obtained in the third step S30 are equally applied to the positioning of the plurality of second processing objects 52. That is, when the second processing object 52 is to be processed after the fourth step S40, the second processing object 52 is directly mounted at the first focus position L_focus designated in the fourth step S40, or When the position adjustment is necessary, the beam profiler 40 measures the beam profile of the newly mounted second processing object 52, and adjusts the beam profile to the first focus position L_focus, which is the position at which the focus diameter D_focus is measured. 2 The object to be processed 52 can be stopped.
  • the laser processing apparatus 100 and the method of the first embodiment it is possible to accurately measure the first focus position L_focus of the object to be processed by using the processing laser without providing a separate focus measuring laser facility.
  • the whole structure of the laser processing apparatus 100 can be simplified, and manufacturing cost can also be reduced.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 200 of the second embodiment has the same configuration as the above-described first embodiment except that the mirror 61 and the blocking plate 62 are added.
  • the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.
  • the mirror 61 is located on the path of the reflected beam separated from the beam splitter 20.
  • the mirror 61 and the beam profiler 40 are located side by side along the vertical direction of the drawing with the beam splitter 20 therebetween.
  • the blocking plate 62 is positioned between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30 to absorb the transmitted beam separated from the beam splitter 20.
  • the blocking plate 62 is selectively positioned only in the step of measuring focus.
  • the mirror 61 reflects back the reflected beam separated from the beam splitter 20 toward the beam splitter 20, and most of the reflected beam provided to the beam splitter 20 passes through the beam splitter 20 to allow the beam profiler to pass through. Enter 40. Therefore, the laser beam received by the beam profiler 40 is not a laser beam reflected from the object 50 but a laser beam reflected from the mirror 61.
  • the laser processing apparatus 200 of the second embodiment may be applied when the magnification of the first light focusing unit 30 is not known, and the diameter D_mirror of the laser beam image reaching the beam profiler 40 may be used as the focal diameter.
  • the laser beam reflected from the object 50 is in the form of a parallel beam when the object 50 is at the first focus position L_focus.
  • the raw beam splitter 20 is reached, and the reflected beam split at the beam splitter 20 also reaches the beam profiler 40 in the form of a parallel beam.
  • the diameter D_mirror of the laser beam image reaching the beam profiler 40 may be determined. It can be assumed as the focus diameter.
  • FIG. 7 is a process flowchart showing the laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 6.
  • the laser processing method includes a first step S10 of reflecting the reflected beam separated from the beam splitter 20 to the beam splitter 20 using the mirror 61, and a beam profile.
  • the blocking plate 62 is positioned between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30 in the first step S10 and the second step S20, and in the third step S30, the laser processing apparatus ( 200).
  • the focus diameter is obtained using the mirror 61 and the beam profiler 40.
  • the processing object 50 is mounted on the laser processing apparatus 200, and the processing object 50 is moved so that the focus diameter is measured by the beam profiler 40. Then, the processing object 50 is stopped at the position where the focus diameter is measured (first focus position), and the processing object 50 is processed by irradiating a laser beam having a higher output to the processing object 50.
  • the focus diameter and the first focus position L_focus obtained in the second step S20 are equally applied to the positioning of the plurality of processing objects 50.
  • FIG. 8 is a schematic view showing a case in which the divergence angle of the laser beam is considered in the laser processing apparatus shown in FIG. 6.
  • the blocking plate is omitted.
  • the laser beam emitted from the laser light source 10 has a predetermined divergence angle, and when the laser beam is incident from the light source 10 to the beam splitter 20, the reflected beam is emitted from the beam splitter 20.
  • the laser beam transmitted through the beam splitter 20 gradually diverges when it reaches the beam profiler 40.
  • the laser beam reflected from the object to be processed 50 is incident on the beam splitter 20 by the first light focusing unit 30, when it is incident on the beam profiler 40 by the beam splitter 20 gradually Converge.
  • the diameter D_mirror of the laser beam image incident on the beam profiler 40 through the mirror 61 is equal to the diameter D_specimen of the laser beam image reflected from the object 50 at the first focus position L_focus.
  • Different, and D_mirror cannot be assumed to be the focus diameter.
  • the divergence angle and convergence angle of the laser beam are known values when the type of the laser beam is determined.
  • the focus diameter D_specimen may be calculated from the diameter D_mirror of the laser beam image incident on the beam profiler 40 and the divergence angle and convergence angle of the laser beam.
  • FIG. 9 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 8.
  • the laser processing method includes a first step S10 of reflecting the reflected beam separated from the beam splitter 20 to the beam splitter 20 using the mirror 61, and a beam profile.
  • the second step S20 of measuring the diameter D_mirror of the laser beam image incident on the plunger 40 and the focus diameter D_specimen are calculated from the diameter D_mirror of the laser beam image and the convergence angle of the laser beam.
  • 3rd step S30 and the 4th step which arrange
  • the path of the laser beam reflected from the object 50 is the same as the path of the laser beam incident on the object 50.
  • the focus diameter D_specimen can be calculated.
  • the virtual second beam profiler 45 is disposed at an arbitrary position between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30, and the second beam profiler 45 is disposed. Calculating the diameter of the laser beam image incident on the beam, the calculated laser beam diameter of the second beam profiler 45, and the optical path length between the second beam profiler 45 and the beam profiler 40. And calculating a focus diameter D_specimen from the convergence angle of the laser beam.
  • the D_mirror is measured to know this value, the divergence angle of the laser beam is also known, and the optical path length from the light source 10 to the second beam profiler 45 (the light source 10 and the beam).
  • the distance between the splitter 20 and the sum of the distances between the beam splitter 20 and the second beam profiler 45), so that the laser beam image incident from the splitter 20 into the virtual second beam profiler 45 The diameter can be calculated.
  • the focus diameter D_specimen reaching the beam profiler 40 can be calculated from them.
  • the diameter D_mirror of the laser beam image reaching the beam profiler 40 in the second step S20 is determined. Can be calculated by calculation.
  • the beam splitter 20, the mirror 61, the beam splitter 20, and the beam profiler 40 are sequentially arranged in a straight path from the light source 10, and the distance between the members is illustrated in FIG. 8.
  • the diameter D_mirror of the laser beam image incident on the beam profiler 40 can be calculated therefrom.
  • the object to be processed 50 is mounted on the laser processing apparatus 200. Then, the processing object 50 is moved so that the focus diameter is measured by the beam profiler 40, and the processing object 50 is stopped at the position (first focus position) at which the focus diameter is measured. Subsequently, the object 50 is processed by irradiating a laser beam having a higher output to the object 50 placed at the first focus position L_focus.
  • the focus diameter and the first focus position L_focus calculated in the third step S30 are equally applied to the positioning of the plurality of processing objects 50.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 300 of the third embodiment may include the second beam profiler 45 between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30.
  • the configuration is the same as in the first embodiment.
  • the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.
  • the second beam profiler 45 is selectively positioned only when calculating the focus diameter and is omitted in the step of actually machining the object 50.
  • FIG. 11 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 10.
  • the laser processing method includes a first step S10 of arranging a second beam profiler 45 at an arbitrary position between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30, and a second step.
  • the path of the laser beam reflected from the object 50 is the same as the path of the laser beam incident on the object 50.
  • the diameter of the laser beam image measured in the second step S20, and the optical path length from the second beam profiler 45 to the beam profiler 40 that is, the second beam profiler
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a laser machining apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the laser power adjusting unit 70 is added between the laser light source 10 and the beam splitter 20. It has the same configuration as any of the third embodiments.
  • the configuration of the first embodiment is shown as a basic configuration, and the same reference numerals are used for the same members as the first embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a laser beam incident on a beam profiler.
  • the laser beam has a Gaussian shape, and the diameter of the point Eo / e obtained by dividing the laser amplitude Eo by the natural constant e is defined as the diameter of the laser beam image.
  • w represents the radius of the laser beam.
  • FIG. 13A shows a profile of a laser beam when the power of the laser beam has an optimal value according to the threshold value of the CCD.
  • (b) shows a case where the power of the laser beam is larger than the optimum value
  • (c) shows a case where the power of the laser beam is smaller than the optimum value. Even when the same laser light source 10 is used, the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 varies according to the power of the laser beam.
  • the laser power controller 70 adjusts the power of the laser beam such that the peak value of the laser beam is equal to the threshold value of the CCD constituting the beam profiler 40. Therefore, the beam profiler 40 can more accurately measure the diameter of the laser beam image, and as a result, it is possible to increase the accuracy of focus measurement and laser processing.
  • the laser power controller 70 may include a first linear polarizer 71, a half-wave plate 72, and a second linear polarizer 73.
  • the first linear polarizer 71 converts the provided laser beam into linear polarization parallel to its optical axis, and the half-wave plate 72 delays the provided linear polarization by 180 degrees.
  • the second linear polarizer 73 transmits only the linear polarization component parallel to its optical axis among the laser beams transmitted through the half-wave plate 72.
  • the power of the laser beam can be appropriately adjusted according to the angle at which the optical axis of the first linear polarizer 71 and the optical axis of the second linear polarizer 73 intersect.
  • One of the two linear polarizations 71 and 73 can be omitted.
  • the laser power control unit 70 may be composed of a single or a plurality of neutral density (ND) filters (not shown) instead of the above-described configuration.
  • An ND filter is a filter that reduces only luminance without changing the spectral characteristics of incident light.
  • the power of the laser beam can be appropriately lowered to match the threshold of the CCD.
  • the beam profiler 40 is performed. Adjusting the power of the laser beam according to the CCD threshold.
  • the first step S10 is performed in the laser processing method shown in FIG. 7 and the laser processing method shown in FIG. 9.
  • a step of adjusting the power of the laser beam to the CCD threshold of the beam profiler 40 is added.
  • FIG. 14 is a schematic view of a laser machining apparatus in a fifth embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 500 of the fifth embodiment uses a polarized laser beam and a quarter-wave plate between the beam splitter 20 and the first light concentrator 30. Except for the addition of a wave plate (80) is made of the same configuration as any one of the first to fourth embodiments described above.
  • a wave plate (80) is made of the same configuration as any one of the first to fourth embodiments described above.
  • the configuration of the first embodiment is shown as a basic configuration, and the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.
  • the laser beam emitted from the laser light source 10 includes P waves and S waves, where the light amount of the P wave is higher than the light amount of the S wave.
  • the beam splitter 20 separates the reflected beam and the transmitted beam according to the polarization of the laser beam. That is, a beam splitter 20 that transmits P waves and reflects S waves may be used.
  • the quarter wave plate 80 delays the provided laser beam by 90 degrees.
  • the P wave transmitted through the beam splitter 20 is converted into circularly polarized light in a specific direction while passing through the quarter wave plate 80, and passes through the first light focusing unit 30 to the object 50 to be processed.
  • the circularly polarized laser beam is converted into circularly polarized light in the opposite direction when reflected from the surface of the object 50, and is converted into S-wave while passing through the quarter wave plate 80.
  • the S-waves provided to the beam splitter 20 are reflected by the beam splitter 20 and enter the beam profiler 40.
  • the laser processing apparatus 500 of the fifth embodiment uses a laser beam with polarization, a beam splitter 20 for dividing a transmission beam and a reflection beam according to the polarization of the laser beam, and a provided laser beam. It is characterized by using a quarter wave plate 80 for phase retardation.
  • the laser processing apparatus 500 of the fifth embodiment can increase the intensity of the laser beam that reaches the beam profiler 40 compared to the above-described embodiments, the measurement efficiency can be increased, and the diameter of the laser beam image can be increased. It can be measured accurately.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to a sixth embodiment of the present invention, wherein (a) selecting a first focus position of the laser processing apparatus, and (b) moving the object to be processed at the first focus position. , (c) shows a process of resetting the first focus position by moving the light focusing unit.
  • the diffraction element 90 is disposed between the laser light source 10 and the beam splitter 20, and the blocking plate 62 is the diffraction element 92.
  • the first light converging unit 30 and the step or the slope is formed on the processing target surface of the object 50 is the same as the first embodiment described above.
  • the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.
  • the diffractive element 90 of the laser processing apparatus 600 of the sixth embodiment is positioned on the path of the laser beam, and the axial beam (zero-order diffraction beam) of the laser beam passes straight through, but the non-axis beam ( ⁇ n-order diffraction beam) and n is a natural number).
  • the beam splitter 20 separates the axial beam and the non-axis beam which have passed through the diffraction element 90 into reflected beams and transmitted beams, respectively.
  • the axial beams passed by the diffraction element 90 are shown by solid lines, and the non- diffracted non-axis beams are shown by dotted lines, respectively, and the reflective beams of the beam splitter 20 are shown by dashed-dotted lines.
  • the present invention only the + axis 1 diffraction beam (diffraction above the axis beam) and the -1st order diffraction beam (diffraction below the axis beam) are shown for convenience, but are not necessarily limited to these orders.
  • the laser beam generated by the laser light source 10 may be in a random polarization state in which the electromagnetic field vector of the output energy does not have a constant direction with time.
  • the axial beam passing through the diffraction element 90 may have a larger beam diameter than the diffracted non-axis beams, and the present invention processes the object 50 using the axial beam.
  • the first light focusing unit 30 is located on the path of the transmission beam to focus the transmission beam on the object 50 to be processed.
  • the transmission beam irradiated to the object 50 is reflected by the surface of the object 50 and is provided to the beam splitter 20 again via the first light focusing unit 30.
  • the reflected beam split by the beam splitter 20 is provided to the beam profiler 40.
  • the sixth embodiment uses the focusing lens as the first light focusing unit 30 as in the first embodiment described above, but the scope of the present invention is not necessarily limited thereto, and the first light focusing unit ( 30 may be various optical focusing means capable of focusing the laser.
  • the blocking plate 62 is disposed between the diffraction element 92 and the first light focusing portion 30 similarly to the blocking plate 62 of the second embodiment described above. However, unlike the blocking plate 62 of the sixth embodiment, the blocking plate 62 moves in a direction perpendicular to the irradiation direction of the axial beam to block a portion of the non-axis beam. Two or more blocking plates 62 may be disposed between the diffraction element 92 and the beam splitter 20 or between the beam splitter 20 and the first light focusing unit 30.
  • FIG. 16 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 15.
  • the laser processing method includes a first step S10 of passing an axial beam among the laser beams and diffracting a non-axis beam in the diffraction element 90, and a first machining in the beam profiler 40.
  • the sixth step S60 of measuring the position of the beam and non-axis beam image deviating from the reference position and the first light focusing unit 30 are moved to adjust the positions of the axial beam and non-axis beam image to reach the reference position.
  • a seventh step S70 is included.
  • the object to be processed 50 is a product that is actually processed, and the object to be processed 50 of the sixth embodiment may be a structure in which a step or slope is formed on a surface to be processed before processing.
  • the object to be processed 50 may include the first object to be processed 51 and the second object to be processed 52 as in the first embodiment described above.
  • the laser processing may be continuously performed using the first processing object 51 without re-obtaining the first focus position L_Focus or the reference position once.
  • the above-described laser processing method can be applied when the magnification of the focusing lens is known.
  • the first processing object 51 is mounted on the laser processing apparatus. Then, the laser light source 10 oscillates the laser beam toward the diffraction element 90, and the diffraction element 90 passes the axial beam straight among the laser beams as shown in FIG. 15A, but diffracts the non-axis beam.
  • a second step S20 the diameter change of the diffraction beam image is measured by the beam profiler 40 while changing the position of the first object to be processed 51 as shown in FIG. 15A.
  • the beam profiler 40 is connected to a data storage unit (not shown) to transmit measurement data to the data storage unit.
  • the axial beam is a laser beam of which output is reduced and is reflected from the surface of the first processing object 51 without processing the first processing object 50.
  • the diameters of the axial beam and the non-axis beam image reaching the beam profiler 40 change. That is, as the first machining object 51 is positioned ahead of the first focus position L_focus based on the first focus position L_focus, the diameters of the axial beam and the non-axis beam image become larger, and are larger than the first focus position L_focus. The later it is, the smaller the diameter of the axial beam and non-axis beam images. Even when the magnification of the first light focusing unit 30 is determined, the first focus position L_focus of the first processing object 51 may not be known in the first step S10.
  • the first processing object 51 is processed several times by irradiating an axis beam to the first processing object 51 while changing the position of the first processing object 51. Then, the plurality of processing grooves formed by the axial beam are formed in the first processing object 51, and the width (processing line width) and the cross-sectional shape of the processing groove change depending on the position of the first processing object 51.
  • the shape of the processing groove according to the position of the first processing object is the same as that in FIG. 3 of the first embodiment.
  • FIG. 17 is a graph showing a change in the processing line width according to the change in the position of the first processing target in the second step shown in FIG. 16.
  • the measured processing line width has a minimum value when the first processing object 51 is at the first focus position L_focus of the first light focusing unit 30. It can be seen that the further away from the position has a larger value.
  • the position where the machining line width is minimum is selected as the first focus position F_Focus by using the data of the machining line width measured in the third step S30.
  • the data storage unit (not shown) stores the first focus position L_focus.
  • FIG. 18 is a view showing coordinate changes of the diffraction beam image displayed on the beam profiler in steps (a) to (c) of FIG. 15, and FIG. 19 is a beam in steps (a) to (c) of FIG. 15.
  • a fifth step S50 the positions of the axial beam and the non-axis beam image on the beam profiler 40 are measured when the first processing object 51 is at the first focus position L_focus.
  • the beam profiler 40 stores corresponding position information in a data storage unit (not shown). The stored positional information is set to a reference position according to the first focus position L_focus of the first processing object 51.
  • the position information of the axial beam and the non-axis beam image may be coordinate information as shown in FIG. 18A.
  • reference coordinates may be set to P1 (a, b), which is the center point coordinate of the axis beam image, and P2 (c, d), and P3 (e, f), which are center point coordinates of the non-axis beam image.
  • the position information of the axial beam and the non-axis beam image may be gap information between the axial beam image and the non-axis beam image as shown in FIG. 19A.
  • the reference interval may be set as an interval (focus diameter, D_Focus) between the axial beam image and the non-axis beam image reaching the beam profiler 40.
  • the sixth step S60 after the first object to be processed 51 is removed from the laser processing apparatus, the second object to be processed 52 is mounted, and the laser beam is oscillated by the laser light source 10.
  • the second processing object 52 may be directly mounted at the first focus position L_focus, and even if the second processing object 52 is mounted at an arbitrary position, the second processing object 52 may be newly mounted in the beam profiler 40. Measure the beam profile, adjust the position of the second machining object 52 so that the positions of the axial beam and non-axis beam image are at the reference position so that the second machining object 52 is finally at the first focus position L_focus. Can be adjusted.
  • the second processing object 52 is moved as shown in FIG. 15B while the second processing object 52 is processed by the axial beam, the first light focusing portion 30 and the second processing object 52 are moved. A change occurs in the distance so that the second processing object 50 deviates from the first focus position L_focus. At this time, the degree of deviation of the axial beam and the non-axis beam image on the beam profiler 40 by the processing of the axial beam is measured.
  • the blocking plate 62 blocks the + 1st diffraction beam among the stock beams when the second object 52 moves downward based on the irradiation direction of the axis beam, and the second object 52 is the axis beam. If you move upward with respect to the irradiation direction of the -1 order diffraction beam can be blocked. Through this, it is easy to distinguish the axial beam and the non-axis beam image displayed on the beam profiler 40.
  • the blocking plate 62 blocks the -first-order diffraction beam so that the beam profiler 40 as shown in FIGS. 18B and 19B. Only the + 1st diffraction beam image of the non-axis beam image is displayed on the image, but this image may be displayed differently by changing the blocking object of the blocking plate 62 in accordance with the moving direction of the second processing object 52.
  • the degree of deviation of the axial beam and non-axis beam image on the beam profiler 40 from the reference position by machining the axial beam is coordinate (c ', d) on the beam profiler 40 as shown in FIG. ') Or as an interval D'_Focus as shown in (b) of FIG. 19.
  • a seventh step S70 the first light focusing unit 30 is moved as in FIG. 15C to adjust the positions of the axial beam and the non-axis beam image to reach the reference position.
  • the first light focusing unit 30 is retracted toward the beam splitter 20 so that the second processing object 52 is removed. ) May be positioned at the first focus position L_focus.
  • the coordinate of the axial beam image on the beam profiler 40 is P1 (a, b) as shown in Fig. 18 (c)
  • the non-axis beam image coordinate is P2 (c, d)
  • the axial beam image and the non-axis beam is returned to D_Focus as shown in 19 (c).
  • the diameters of the axial beam and the non-axis beam image at this time are the same as the diameters of the axial beam and the non-axis beam image when the second processing object 52 is at the first focus position L_focus.
  • the sixth embodiment is not applied only when a step is formed on the processing target surface of the second processing target 52 as illustrated in FIGS. 18 and 19, and is inclined to the processing target surface of the second processing target 52. Can be applied even if is formed.
  • the degree of deviation of the coordinates of the axis beam image from the reference coordinates as the movement of the second object 52 is mainly measured, and the coordinates of the axis beam image are measured.
  • a first step of the object to be processed 50 in which a step or an inclination is formed on the object to be processed using a laser for processing without having a separate focus measuring laser facility is provided.
  • the focus position L_focus may be accurately measured, and at the same time, the processing target 50 may be adjusted to maintain the first focus position L_focus.
  • the whole structure of the laser processing apparatus 600 can be simplified, and manufacturing cost can also be reduced.
  • FIG. 20 is a perspective view illustrating a diffraction element and a blocking plate in a first modification of the laser machining apparatus illustrated in FIG. 15.
  • the laser processing apparatus 601 of the first modification except for blocking any remaining beam beams except for one of the beam beams radiated by the diffraction element 90 in three dimensions with a blocking plate.
  • the configuration is the same as in the sixth embodiment described above.
  • the same reference numerals are used for the same members as those in the sixth embodiment.
  • the slit 91 may be formed at the center of the diffraction element 90.
  • the slit 91 may cause the axis beam of the laser beam oscillated from the laser light source 10 to go straight, but the non-axis beam may be diffracted so as to radiate toward the traveling direction (x-axis direction in FIG. 20) of the axis beam in three dimensions.
  • Two or more blocking plates 62 may be disposed between the diffractive element 90 and the beam splitter.
  • the blocking plate 62 may be spaced apart from the diffraction element 90 and the beam splitter.
  • the blocking plate 62 is disposed in the upper 62a, lower 62b, left 62c and right 62d directions with respect to the slit 91 when viewed from the x-axis of FIG. 20. Thus, it is possible to block the off-axis beam radiated in each direction.
  • the upper blocking plate 62a is a non-axis beam which has been radiated above the x-axis on the xz plane
  • the lower blocking plate 62b is a non-axis beam which is radiated below the x-axis on the xz plane by the left blocking plate 62c.
  • the right blocking plate 62d may block the non-axis beams radiated to the right than the x-axis on the xy plane.
  • the non-axis beams are blocked using the remaining blocking plates except the right blocking plate 62d to radiate to the right of the x-axis on the xy plane.
  • the movement of the blocking plates is not necessarily limited as shown in FIG. 20, and it is obvious that the operation of the blocking plates may vary depending on the moving direction of the object to be processed.
  • the axial beam and the non-axis beam image can be easily distinguished even when the processing target and the first light focusing unit of the sixth embodiment are moved three-dimensionally.
  • FIG. 15 described above shows an axial beam and a non-axis beam image displayed on the beam profiler using the blocking plate 62 when the object 50 and the first light focusing unit 30 move in two dimensions.
  • the laser processing apparatus 602 of the first modification is a stock beam that is radiated in three dimensions by using the upper and lower barrier plates 62a, 62b, 62c and 62d.
  • FIG. 21 is a schematic view showing a second modification of the laser machining apparatus shown in FIG. 15.
  • the laser processing apparatus 602 of the second modification uses the optical scanner as the first light focusing unit 30 and the object to be processed 54 having a curved slope on the object to be processed before processing the object to be processed. Except for using the same configuration as the sixth embodiment described above.
  • the configuration of the sixth embodiment is shown as a basic configuration, and the same reference numerals are used for the same members as the sixth embodiment.
  • FIG. 22 is a graph showing a change in distance between an axial beam and a non-axis beam image on the beam profiler according to a change in distance between the optical scanner and the object to be processed shown in FIG. 21.
  • the laser processing apparatus 602 of the second modification irradiates the axial beam and the non-axis beam to the object to be processed 54 through the optical scanner of the first light focusing unit 30, and the distance change between the optical scanner and the object 54 is processed.
  • the change in the distance between the axial beam and the non-axis beam on the beam profiler 40 is proportional to each other as shown in FIG.
  • a scale parameter which is a slope of the graph of FIG. 22, may be calculated by the data calculation unit (not shown) and further stored in the data storage unit (not shown).
  • the first focus position L_focus which is reset according to the position change of 54, can be examined, thereby improving the focus measurement and the processing precision of the laser processing apparatus 602.
  • FIG. 23 is a schematic view of a laser machining apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the laser processing apparatus 700 of the seventh embodiment oscillates a laser beam polarized with P waves in the laser light source 10, and replaces the quarter wave plate 80 instead of the diffraction element 90 of the sixth embodiment.
  • the configuration of the sixth embodiment is shown as a basic configuration, and the same reference numerals are used for the same members as the sixth embodiment.
  • the quarter wave plate 80 has the same configuration as the quarter wave plate 80 of the fifth embodiment described above, and generates a phase difference (90 degree phase retardation) in the P wave polarized laser beam, thereby causing the P wave polarized laser. Change part of the beam to S wave.
  • the P wave and the S wave emitted from the quarter wave plate 80 are incident as shown in FIG.
  • the birefringent element 60 uses the phase difference between the laser beams to pass the P wave and deflect the S wave as shown in FIG. 23.
  • the passed P-wave can be used as a processing axis beam
  • the refracted S-wave can be used as a measuring axis beam.
  • the birefringent element 60 according to the seventh embodiment may be formed in a trapezoidal shape as shown in FIG. 23, and the degree of refraction of the S wave is changed depending on the acute angle ⁇ and the length d of the base of the birefringent element 60. Can vary. That is, in the seventh exemplary embodiment, the distance between the P wave and the S wave emitted from the birefringent element 60 may be adjusted by adjusting the acute angle ⁇ and the length d of the base of the birefringent element 60.
  • the P wave and the S wave emitted from the birefringent element 60 are irradiated to the object 50 through the beam splitter 20 and the first light focusing portion 30 as in the sixth embodiment, and then the object 50 is processed again. Reflected from and displayed on the beam profiler 40 through the beam splitter 20.
  • the P wave is displayed at the position of the axial beam image and the S wave is displayed at the position of the non-axis beam image.
  • the output of the P wave and the S wave can be adjusted by diffraction of the quarter wave plate 80 to adjust the incident angle of the laser beam. Through this, the output of the S-wave can be adjusted to an appropriate level according to the reflectivity of the beam splitter 20 or the object to be processed 50.
  • the laser processing apparatus 700 of the seventh embodiment can increase the intensity of the laser beam that reaches the beam profiler 40 similarly to the fifth embodiment described above, the measurement efficiency can be increased and the beam profiler can be increased. It is possible to more accurately measure the diameter of the (40) phase laser beam (P wave and S wave) images.
  • FIG. 24 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 25 is a schematic diagram showing positions of laser beam images displayed on the beam profiler in FIG. 24, respectively.
  • the laser processing apparatus 800 of the eighth embodiment includes a point where the second light focusing unit 31 is disposed between the beam splitter 20 and the beam profiler 40, and an object to be processed ( 50) has the same configuration as in the above-described first embodiment except that the tilting rotation is possible.
  • the same reference numerals are used for the same members as in the first embodiment.
  • the second light focusing part 31 of the laser processing apparatus 800 of the eighth embodiment is reflected from the surface of the object 50 and passes through the first light focusing part 30. Again the transmitted beam provided to the beam splitter 20 is focused towards the beam profiler 40.
  • the focus position of the second light focusing unit 31 is defined as the second focus position.
  • the second light focusing part 31 also uses a focusing lens similarly to the first light focusing part 30.
  • the scope of the present invention is not limited thereto, and the first light focusing unit 30 and the second light focusing unit 31 may include a distance between the beam profiler 40 and the beam splitter 20, and an object to be processed 50. ) And the distance between the beam splitter 20 and the type of the object 50 may vary.
  • the 24A illustrates a case where the object to be processed 50 is at the first focus position L_focus.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a parallel beam, and the reflected beam split in the beam splitter 20 also has the second light focusing unit 31 in the form of a parallel beam. Is focused through the beam profiler 40.
  • FIG. 25A illustrates a laser beam image displayed on the beam profiler 40 in FIG. 24A, which is displayed as a circular image as illustrated in FIG. 25A.
  • the coordinates of the center point of the laser beam image when the object 50 is at the first focus position L_focus are defined as P4 (g, h).
  • the 24B illustrates a case where the object to be processed 50 is in front of the first focus position L_focus.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a diverging beam, and the reflected beam split in the beam splitter 20 also has the second light focusing unit 31 in the form of a diverging beam.
  • the beam profiler 40 To the beam profiler 40.
  • FIG. 25 (b) shows a laser beam image displayed on the beam profiler 40 in FIG. 24 (b), wherein the laser beam image diameter is larger than that in FIG. 25 (a).
  • the center point coordinates are represented by the same P4 (g, h) as in FIG.
  • FIG. 24C shows a case where the object to be processed 50 is behind the first focus position L_focus.
  • the laser beam reflected from the object 50 reaches the beam splitter 20 in the form of a converging beam, and the reflected beam split in the beam splitter 20 also has the second light concentrator 31 in the form of a converging beam.
  • the beam profiler 40 To the beam profiler 40.
  • FIG. 25 (c) shows a laser beam image displayed on the beam profiler 40 in FIG. 24 (c).
  • the laser beam image diameter at this time is also larger than that in FIG. 25 (a).
  • the center point coordinates are represented by the same P4 (g, h) as in FIG.
  • FIG. 26 is a process flowchart showing a laser processing method using the laser processing apparatus shown in FIG. 24.
  • the object to be processed 50 is a product which is processed immediately after obtaining the first focus position L_focus.
  • the object to be processed 50 may be moved up, down, left and right in parallel in a focus measuring and processing step, or rotated (including tilt rotation) in any one direction in the rotation center axis.
  • the object 50 is a plate having a flat surface facing the first light focusing portion 30, but the scope of the present invention is not limited to the object 50 formed in such a shape.
  • the first processing target 51 is disposed and the positions of the first light focusing unit 30, the second light focusing unit 31, and the beam profiler 40 are adjusted.
  • the first step (S01) to calibrate, the second workpiece 52 is placed and the diameter change of the laser beam image according to the positional change of the second workpiece 52 in the beam profiler 40 is measured.
  • the fifth step (S50) and the fifth step (S50) of measuring the position of the laser beam image deviating from the reference position while processing the The position of laser beam images may include the sixth step of adjusting the position of the second object to be processed (52) to match the reference position set in step 4 (S40) (S60).
  • the first processing object 51 is a test piece for obtaining the first focus position L_focus of the first light focusing unit 30, and the second processing object 52 is a product that is actually processed.
  • the first step S10 may include the first light focusing unit 30 of the laser processing apparatus using the first processing object 51, before actual processing of the second processing object 52 is performed. This is a step for correcting the detailed positions of each of the second light focusing unit 31 and the beam profiler 40. That is, since the first step S10 is a step of pre-setting the laser processing device before processing, when using the laser processing device that has passed through the first step S10 once again, the first step S10 is omitted and the second processing is performed immediately. Machining of the object 52 can be performed.
  • the first processing object 51 is mounted on the laser processing apparatus.
  • the second light converging portion 31 and the beam profiler 40 are removed from the laser processing apparatus.
  • the laser light source 10 oscillates a laser beam, and processes the first processing object 51 several times while changing the position of at least one of the first light focusing portion 30 or the first processing object 51. do.
  • a plurality of processing grooves formed by a laser beam are formed in the first processing object 51, and the width (processing line width) and the cross-sectional shape of the processing groove change depending on the position of the first processing object 51.
  • the shape of the processing groove according to the position of the first processing object is the same as shown in FIG.
  • wire width according to the change of the position of a 1st process object is represented by the same waveform as the shape of FIG.
  • the processing line width has a minimum value when the first processing object 51 is in the first focus position L_focus as in FIGS. 4 and 17 described above, and has a larger value as it goes away from this position.
  • the data storage unit (not shown) stores the first focus position L_focus.
  • the second light focusing portion 31 and the beam profiler 40 are arranged as in FIG. 24 described above, while maintaining the state in which the first processing object 51 is disposed at the first focus position L_focus. Let's do it.
  • the beam profiler 40 is connected to a data storage unit (not shown) to transmit measurement data to the data storage unit.
  • the laser beam at this time is a laser beam whose output is reduced, and is reflected from the surface of the first processing object 51 without processing the first processing object 51.
  • FIG. 27 is a graph illustrating a change in diameter of a laser beam image according to a position change of the beam profiler in the first step illustrated in FIG. 26.
  • the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 is changed. Since the second light concentrator 31 focuses the laser beam before being received by the beam profiler 40, as the position of the second light concentrator 31 changes, the diameter of the laser beam image may be changed from the minimum value.
  • the U-shaped waveform is gradually increasing.
  • the beam profiler 40 When the beam profiler 40 reaches the second focus position as described above, the movement of the second light focusing unit 31 is stopped, and the second light focusing unit at this time using the data storage unit (not shown). The 31 and beam profiler 40 positions are stored respectively.
  • the first and second processing objects 52 may be applied to the plurality of second processing objects 52.
  • Laser processing can be performed continuously without the work of obtaining the second focus position again.
  • the above-described laser processing method can be applied when the magnification of the focusing lens is known.
  • the first light converging unit 30, the second light converging unit 31, and the beam profiler 40 have undergone position correction through the first step S10.
  • the object to be processed 51 is removed, and the second object to be processed 52 is mounted.
  • the laser beam is oscillated by the laser light source 10, and the diameter change of the laser beam image is measured by the beam profiler 40 while changing the position of the second object to be processed 52.
  • the beam profiler 40 is connected to a data storage unit (not shown) to transmit measurement data to the data storage unit.
  • the laser beam is a laser beam of which output is reduced, and is reflected from the surface of the second processing object 52 without processing the second processing object 52.
  • FIG. 28 is a graph illustrating a change in diameter of a laser beam image according to a change in position of a second object to be processed in the second step shown in FIG. 26. In FIG. 28, changes in the laser beam image are shown for each section of the graph.
  • the diameter of the laser beam image reaching the beam profiler 40 changes as the position of the second processing object 52 changes.
  • the second processing object 52 focuses the laser beam before the second light focusing unit 31 is received by the beam profiler 40 so that the second processing object 52 adjusts the first focus position L_focus.
  • the diameter of the laser beam image is large as shown in FIG. 28. That is, in the eighth embodiment, the diameter of the laser beam image has the minimum value when the second processing object 52 is at the first focus position L_focus.
  • the position of the second processing object 52 whose diameter of the laser beam image on the beam profiler 40 is minimized is calculated on the basis of the points as described above, and the position at this time is calculated as the second.
  • the first focus position L_focus for processing the object to be processed 52 is selected.
  • a fourth step S40 the position of the laser beam image on the beam profiler 40 is measured when the second processing object 52 is at the first focus position L_focus.
  • the beam profiler 40 stores corresponding image position data in a data storage unit (not shown).
  • the stored position data is set to a reference position according to the first focus position L_focus of the second processing object 52.
  • the position information of the laser beam image may be coordinate information shown in (a) to (c) of FIG. 25 described above.
  • the reference position may be set to P4 (g, h) which is the center point coordinate of the laser beam image described above.
  • the position information of the laser beam image may be diameter information of the laser beam image as shown in FIGS. 25A to 25C.
  • the reference position is indicated on the beam profiler in the diameter (minimum diameter, that is, the above-mentioned FIG. 25A) of the laser beam image when the second processing object 52 is at the first focus position L_focus. Diameter of the laser beam image).
  • a fifth step S50 the second processing object 52 is processed with a laser beam.
  • the second processing object 52 is deviated from the first focus position L_focus by being processed by the laser beam or by a movement such as parallel movement or rotational movement during processing.
  • a movement such as parallel movement or rotational movement during processing.
  • FIG. 29 is a schematic view showing tilting of the object to be processed in the fifth step shown in FIG. 26, and
  • FIG. 30 is a schematic diagram showing positions of laser beam images displayed on the beam profiler in FIG. 26, respectively.
  • the second object to be processed 52 may be tilted during the process.
  • the second processing object 52 since the optical path reflected from the first light focusing unit 30 through the second processing object 52 is different by the tilt rotation, the second processing object 52 is out of the first focus position L_focus. Accordingly, the position of the laser beam image displayed on the beam profiler 40 also deviates from the reference position.
  • the second object to be processed 52 is tilted with the y axis as the tilt axis of rotation.
  • the center point coordinate position of the laser beam image is P5 (g, h) higher than the reference coordinate P4 (g, h) as shown in FIG. g, i). That is, the coordinate position of the center point of the laser beam image is a position shifted in the y-axis direction from the reference coordinate.
  • the shape of the laser beam image may be displayed in an elliptical shape in which the long axis extends in the y-axis direction and the long axis and the short axis are longer than the reference diameter.
  • the second object to be processed 52 is tilted with the z-axis as the tilt rotational axis.
  • the center point coordinate position of the laser beam image is P6 (g, h) that is to the left of the reference coordinate P4 (g, h) as shown in FIG. j, h). That is, the coordinate position of the center point of the laser beam image is a position moved in parallel in the x-axis direction from the reference coordinate.
  • the shape of the laser beam image may be displayed in an elliptical shape in which the long axis extends in the x-axis direction and the long axis and the short axis are longer than the reference diameter.
  • FIG. 31 is a graph illustrating a change in distance between the center point coordinates and the reference coordinates of the laser beam image according to the tilt rotation angle change of the processing target in the fifth step illustrated in FIG. 26.
  • FIG. 31 looks like 31 That is, the distance between the center point coordinate and the reference coordinate of the laser beam image shown in FIG. 31 becomes minimum when the second processing object 52 is in the first focus position L_focus as in FIG. 28 described above, and is clockwise or When the tilt is rotated in the counterclockwise direction, the second processing object 52 is deviated from the first focus position L_focus, and thus increases gradually.
  • the eighth embodiment measures how far the center point coordinates of the laser beam image displayed on the beam profiler 40 deviate from the reference coordinates due to the tilt rotation of the second processing object 52.
  • the tilt rotation angle of the second object to be processed 52 can be calculated.
  • FIGS. 29A and 33B is a graph illustrating a change in distance between a center point coordinate and a reference coordinate of a laser beam image and a change in shape of the laser beam image according to the tilt rotation angle change of FIGS. 29A and 33B. .
  • the laser beam image positioned at the reference coordinate has an elliptic shape extending in the y-axis direction as the second machining object 52 rotates the y-axis in the tilt rotation center axis. It can be seen that the image is displayed (in the case of FIG. 32) or the elliptical shape is elongated in the x-axis direction (FIG. 33) as the z-axis is tilted to the tilt rotation center axis. In addition, as the tilt rotation angle increases, the degree of deviation of the center point coordinate of the laser beam image from the reference coordinate increases.
  • the position of the laser beam image measured in the fifth step S50 is moved by parallelly moving or rotating the second object 52 in the up, down, left, and right directions. Adjust to match the reference position set in S40). That is, as shown in FIG. 29, when the second processing object 52 is out of the first focus position L_focus by being tilted during processing, the second processing object 52 is positioned at the first focus position L_focus.
  • the second object to be processed 52 can be moved in parallel or in rotation.
  • the first light focusing unit 30 may be moved in parallel in the up, down, left, and right directions or rotated without adjusting the position of the second processing object 52.
  • the position of the laser beam image measured in S50 to match the reference position set in the fourth step S40, or simultaneously adjusting the positions of the second processing object 52 and the first light focusing unit 30. You can also do this.
  • the center point coordinates of the laser beam image on the beam profiler 40 are coordinates P4 (g, h), The diameters are respectively returned to the minimum as shown in FIG. 25A.
  • the focus position of the light focusing unit can be accurately measured using the processing laser without being provided with a separate focus measuring laser facility. Even when the heavy object 50 is parallel or rotated, it can be adjusted to maintain the focus position. As a result, the whole structure of the laser processing apparatus 800 can be simplified, and manufacturing cost can also be reduced.
  • FIG. 34 is a schematic view showing an example of application of the laser processing apparatus shown in FIG. 24.
  • the laser processing apparatus 900 of the present application example includes the eighth embodiment except that the first light focusing unit is the optical scanner 30 and the object to be processed 50 is the tilting roll 53. It consists of the same configuration.
  • 34 shows the configuration of the above-described embodiment as a basic configuration, and the same reference numerals are used for the same members as the above-described embodiment.
  • the laser processing apparatus 900 of this application example irradiates the axial beam and the non-axis beam to the tilting roll 53 via the optical scanner 30.
  • the tilting roll 53 has a tilting shaft, which can be tilted in the focus measuring step or in processing the roll surface with a laser beam.
  • the laser processing apparatus 900 has a tilting roll 53 so as to continuously maintain the first focus position L_focus even when the tilting roll 53 is tilted and rotated during laser processing as shown in FIG. 29 of the above-described embodiment. Since it can be horizontally moved or rotated, it is easy to form a microstructure on the roll surface 53, there is an effect that can increase the precision of focus measurement and processing.

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Abstract

별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 제1 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공한다. 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 빔 스플리터, 제1 광 집속부, 및 빔 프로파일러를 포함한다. 빔 스플리터는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키고, 제1 광 집속부는 투과 빔을 가공 대상물로 집속시킨다. 빔 프로파일러는 가공 대상물에서 반사되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정한다.

Description

포커스 측정 기능을 가지는 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법
본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 관한 것이다.
가공 대상물에 레이저를 조사하여 가공 대상물의 표면에 홈을 형성하거나, 가공 대상물의 내부에 변질층을 형성하거나, 가공 대상물에 열을 가하여 물질 특성을 변화시키는 등의 다양한 레이저 가공 방법이 사용되고 있다. 그런데 대부분의 경우 레이저 가공 장치와 포커스 측정용 레이저 설비를 따로 구비하고 있으므로 전체 시스템 구성이 복잡해지고, 설비 가격이 상승하게 된다.
본 발명은 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 측정할 수 있는 레이저 가공 장치 및 이를 이용한 레이저 가공 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부, 가공 대상물에서 반사되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함한다.
레이저 가공 장치는 빔 스플리터와 제1 광 집속부 사이에 선택적으로 배치되는 제2 빔 프로파일러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 방법 중 하나는, 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제1 단계와, 레이저 빔으로 제1 가공 대상물을 가공하여 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계와, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하여 포커스 직경을 구하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.
제1 가공 대상물은 시험편일 수 있고, 제2 가공 대상물은 실제 가공이 이루어지는 제품일 수 있다. 제3 단계에서 구한 포커스 직경과 제1 포커스 위치는 복수의 제2 가공 대상물의 위치 선정에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 방법 중 다른 하나는, 빔 스플리터와 제1 광 집속부 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러를 배치하는 제1 단계와, 제2 빔 프로파일러에 입사한 레이저 빔 이미지의 직경을 측정하는 제2 단계와, 제2 단계에서 측정된 레이저 빔 이미지의 직경과 제2 빔 프로파일러에서 빔 프로파일러에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 반사 빔을 제공받아 빔 스플리터로 재반사시키는 미러, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부, 빔 스플리터와 제1 광 집속부 사이에 선택적으로 위치하는 차단판, 미러에서 반사되어 빔 스플리터를 통과한 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 프로파일을 측정하는 빔 프로파일러를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 방법 중 하나는, 미러를 이용하여 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계와, 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제3 단계를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 방법 중 다른 하나는, 미러를 이용하여 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계와, 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경을 측정하는 제2 단계와, 제2 단계에서 측정된 레이저 빔 이미지의 직경과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계와, 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계를 포함한다.
제3 단계는, 빔 스플리터와 제1 광 집속부 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러를 배치하고, 제2 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔 이미지의 직경을 계산하는 단계와, 계산된 제2 빔 프로파일러의 레이저 빔 이미지의 직경, 제2 빔 프로파일러와 빔 프로파일러 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 제1, 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치에서, 레이저 광원은 무질서 편광 상태의 레이저 빔을 방출하고, 빔 스플리터는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킬 수 있다.
다른 한편으로, 레이저 광원은 P파와 S파를 포함하는 레이저 빔을 방출하고, 빔 스플리터는 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킬 수 있다. 레이저 가공 장치는 빔 스플리터와 제1 광 집속부 사이에 위치하는 1/4 파장판을 더 포함할 수 있다.
전술한 레이저 가공 장치는 레이저 광원과 빔 스플리터 사이에 위치하는 레이저 파워 조절부를 더 포함할 수 있다. 레이저 파워 조절부는 빔 프로파일러를 구성하는 전하결합소자(CCD)의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워를 조절할 수 있다. 레이저 파워 조절부는 적어도 하나의 선형 편광판과 반파장판을 포함하거나, 적어도 하나의 중성 농도 필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고, 비축 빔을 회절시키는 회절 소자, 회절 소자에서 방출된 축 빔 및 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부 및 가공 대상물에서 반사되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함할 수 있다.
제1 광 집속부는 집속 렌즈이거나, 광 스캐너일 수 있다.
레이저 가공 장치는 회절 소자와 제1 광 집속부 사이에 배치되어 비축 빔 중 일부를 차단하는 차단판을 더 포함할 수 있다.
차단판은 2 이상이 회절 소자와 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있고, 차단판은 회절 소자를 기준으로 상, 하, 좌, 우 방향에 각각 배치될 수도 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치는 P파 편광된 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원, 위상차를 발생시켜 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시키는 1/4 파장판, 1/4 파장판에서 방출된 레이저 빔 중 P파를 통과시키고, S파를 굴절시키는 복굴절 소자, 복굴절 소자에서 방출된 P파와 S파를 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부 및 가공 대상물에서 반사되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러를 포함할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계, 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계, 축 빔으로 제1 가공 대상물을 가공하여 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하는 제4 단계, 제1 가공 대상물이 제1 포커스 위치에 있을 때 빔 프로파일러 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계 및 제2 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 축 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하면서 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계를 포함할 수 있다.
레이저 가공 방법은 제1 광 집속부를 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계를 더 포함할 수 있다.
기준 위치는 축 빔 및 비축 빔 이미지의 중심점 좌표이거나, 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격일 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 의한 레이저 가공 장치는 레이저 광원, 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터, 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부, 가공 대상물에서 반사되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러 및 빔 스플리터와 빔 프로파일러 사이에 배치되어 제1 광 집속부와 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 빔 프로파일러로 집속시키는 제2 광 집속부를 포함할 수 있다.
제1 광 집속부는 광 스캐너일 수 있으며, 가공 대상물은 틸팅 샤프트(tilting shaft)를 구비한 틸팅 롤(tilting roll)일 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 레이저 가공 방법은, 제1 가공 대상물을 배치하여제1 광 집속부, 제2 광 집속부 및 빔 프로파일러의 위치를 교정(calibration)하는 제1 단계, 제2 가공 대상물을 배치하여 빔 프로파일러에서 제2 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계, 레이저 빔 이미지의 직경이 최소가 되는 제2 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하는 제3 단계, 제2 가공 대상물이 제1 포커스 위치에 있을 때 빔 프로파일러 상 레이저 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제4 단계 및 레이저 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하면서 기준 위치로부터 벗어난 레이저 빔 이미지의 위치를 측정하는 제5 단계를 포함할 수 있다.
제5 단계에서 측정되는 레이저 빔 이미지의 위치 정보는 레이저 빔 이미지의 직경 정보와 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
레이저 가공 방법은 제5 단계에서 측정된 레이저 빔 이미지의 위치가 제4 단계에서 설정된 기준 위치와 일치하도록 제2 가공 대상물의 위치 또는 제1 광 집속부의 위치 중 적어도 어느 하나를 조정하는 제6 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.
도 5는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 발산각을 고려한 경우를 나타낸 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 13은 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 제6 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 상기 레이저 가공 장치의 (a) 제1 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 제1 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 제1 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 16은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 17은 도 16에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18은 도 15의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이다.
도 19는 도 15의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.
도 20은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치의 제1 변형예로, 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.
도 21은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치의 제2 변형예를 나타낸 개략도이다.
도22는 도 21에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.
도 23은 본 발명의 제7 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 24는 본 발명의 제8 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 25는 도24 에서 빔 프로파일러에 표시되는 레이저 빔 이미지의 위치를 각각 나타낸 개략도이다.
도 26은 도 24에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 27은 도 26에 도시한 제1 단계에서 제2 광 집속부의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 28은 도 26에 도시한 제2 단계에서 제2 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 29는 도 26에 도시한 제5 단계에서 가공 대상물이 틸트 회전하는 것을 나타낸 개략도이다.
도 30은 도 26에서 빔 프로파일러에 표시되는 레이저 빔 이미지의 위치를 각각 나타낸 개략도이다.
도 31은 도 26에 도시한 제5 단계에서 가공 대상물의 틸트 회전각 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화를 나타낸 그래프이다.
도 32는 도 29의 (a)의 틸트 회전각 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화 및 레이저 빔 이미지의 형상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 33은 도 29의 (b)의 틸트 회전각 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화 및 레이저 빔 이미지의 형상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 34는 도 24에 도시한 레이저 가공 장치의 응용예를 나타낸 개략도이다.
<부호의 설명>
100, 200, 300, 400, 500, 600, 601, 602, 700, 800, 900: 레이저 가공 장치
10: 레이저 광원 20: 빔 스플리터
30: 제1 집속부제1 광 집속부 31: 제2 광 집속부
40: 빔 프로파일러 50, 51, 52, 54: 가공 대상물,
53: 틸팅 롤 55: 가공 홈
60: 복굴절 소자 61: 미러
62(62a, 62b, 62c, 62d): 차단판 70: 레이저 파워 조절부
80: 1/4 파장판 90: 회절 소자
91: 슬릿
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면, 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)는 레이저 광원(10), 빔 스플리터(beam splitter)(20), 제1 광 집속부(30), 및 빔 프로파일러(beam profiler)(40)를 포함한다.
레이저 광원(10)은 레이저 빔을 생성한다. 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 실제 가공에 사용되는 가공용 레이저 빔이다. 빔 스플리터(20)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 제1 실시예에서는 빔 스플리터(20)의 반사 빔을 점선으로 도시하였고, 투과 빔을 실선으로 도시하였다.
레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 출력되는 에너지의 전자기장 벡터가 시간에 따라 일정한 방향성을 가지지 않는 무질서 편광(random polarization) 상태일 수 있다. 이 경우 빔 스플리터(20)는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 나눌 수 있으며, 이때 투과 빔의 파워는 반사 빔의 파워보다 높다.
제1 광 집속부(30)는 투과 빔의 경로 상에 위치하여 투과 빔을 가공 대상물(50)로 집속시킨다. 제1 실시예에서는 제1 광 집속부(30)로 집속 렌즈를 사용한다. 가공 대상물(50)에 조사된 투과 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 제1 광 집속부(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된다. 그리고 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔이 빔 프로파일러(40)에 제공된다. 한편, 제1 실시예에서는 제1 광 집속부(30)의 포커스 위치를 제1 포커스 위치(L_focus)로 정의한다.
빔 프로파일러(40)는 복수의 전하결합소자(charge coupled device, CCD)를 내장한 수광 센서로서, 제공받은 레이저 빔의 프로파일을 측정한다. 이때 가공 대상물(50)은 제1 광 집속부(30)와의 거리가 변하도록 움직일 수 있으며, 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 크기가 변한다. 빔 프로파일러(40)는 가공 대상물(50)의 위치 변화에 따른 빔 프로파일(직경)의 변화를 측정한다.
도 1의 (a)는 가공 대상물(50)이 제1 광 집속부(30)의 제1 포커스 위치(L_focus)에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 평행 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터에서 분할된 반사 빔도 평행 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. 도 1의 (a)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔 이미지의 직경(포커스 직경)을 D_focus로 표시하였다.
도 1의 (b)는 가공 대상물(50)이 제1 광 집속부(30)의 제1 포커스 위치(L_focus)보다 앞쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 발산 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 발산 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. 도 1의 (b)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔 이미지의 직경을 D_front로 표시하였으며, D_front는 D_focus보다 큰 값을 가진다.
도 1의 (c)는 가공 대상물(50)이 제1 광 집속부(30)의 제1 포커스 위치(L_focus)보다 뒤쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 수렴 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 수렴 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다. 도 1의 (c)에서 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔 이미지의 직경을 D_back으로 표시하였으며, D_back은 D_focus보다 작은 값을 가진다.
도 2는 도 1에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 레이저 가공 방법은 빔 프로파일러(40)에서 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제1 단계(S10)와, 레이저 빔으로 제1 가공 대상물(51)을 가공하여 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 레이저 가공 방법은 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물(51)의 위치를 제1 포커스 위치(L_focus)로 선정하여 포커스 직경(D_focus)을 구하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경(D_focus)이 측정되도록 제2 가공 대상물(52)을 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
제1 가공 대상물(51)은 포커스 직경(D_focus)을 구하기 위한 시험편(specimen)이며, 제2 가공 대상물(52)은 실제 가공이 이루어지는 제품이다. 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 한번 포커스 직경을 구한 다음에는 복수의 제2 가공 대상물(52)에 대해 포커스 직경(D_focus)을 다시 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 제1 광 집속부의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 그리고 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시키고, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 상기 데이터 저장부로 전송한다. 이때 레이저 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(51)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.
도 3은 도 2에 도시한 제1 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 제1 가공 대상물(51)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔 이미지의 직경이 변한다. 즉 제1 포커스 위치(L_focus)를 기준으로 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 앞쪽에 위치할수록 레이저 빔 이미지의 직경이 커지고, 제1 포커스 위치(L_focus)보다 뒤쪽에 위치할수록 레이저 빔 이미지의 직경이 작아진다. 제1 광 집속부(30)의 배율이 정해진 경우라도 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)의 제1 포커스 위치(L_focus)와 포커스 직경(D_focus)을 알 수 없다.
제2 단계(S20)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)에 레이저 빔을 조사하여 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 레이저 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다.
도 4는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양을 나타낸 개략도이다.
도 4의 (a)는 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 앞쪽에 있는 경우를 나타내고, (b)는 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있는 경우를 나타낸다. 그리고 (c)는 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 뒤쪽에 위치하는 경우를 나타낸다. 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 가까울수록 가공 홈(55)은 작은 선폭을 가지며, 깊고 날카로운 단면 형상을 나타낸다. 도 4의 (b)에서 최소 가공 선폭을 d_min으로 나타내었다.
도 5는 도 2에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면, 제2 단계(S20)에서 측정되는 가공 선폭은 제1 가공 대상물(51)이 특정 위치(L_focus)일 때 최소 값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가진다.
제3 단계(S30)에서는 제2 단계(S20)에서 측정한 가공 선폭의 데이터를 이용하여 가공 선폭이 최소가 되는 위치(L_focus)를 제1 포커스 위치(L_focus)로 선정한다. 그리고 제1 단계(S10)에서 측정한 레이저 빔 이미지의 직경 변화 데이터로부터 포커스 직경을 구한다. 즉 도 3의 그래프에서 제1 포커스 위치(L_focus)에 대응하는 레이저 빔 이미지의 직경을 포커스 직경(D_focus)으로 구한다.
제4 단계(S40)에서, 제2 가공 대상물(52)을 레이저 가공 장치에 장착하고, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시킨다. 그리고 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경(D_focus)이 측정되도록 제2 가공 대상물(52)을 움직이며, 포커스 직경(D_focus)이 측정되는 위치(제1 포커스 위치)에 제2 가공 대상물(52)을 정지시킨다. 이어서 제1 포커스 위치(L_focus)에 놓여진 제2 가공 대상물(52)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 제2 가공 대상물(52)을 가공한다.
제3 단계(S30)에서 구한 포커스 직경(D_focus)과 제1 포커스 위치(L_focus)는 복수의 제2 가공 대상물(52)의 위치 선정에 동일하게 적용된다. 즉 제4 단계(S40) 이후 다른 제2 가공 대상물(52)을 가공하고자 할 때, 제4 단계(S40)에서 지정된 제1 포커스 위치(L_focus)에 제2 가공 대상물(52)을 바로 장착시키거나, 위치 조정이 필요한 경우 빔 프로파일러(40)에서 새로 장착된 제2 가공 대상물(52)에 대한 빔 프로파일을 측정하고, 포커스 직경(D_focus)이 측정되는 위치인 제1 포커스 위치(L_focus)에 제2 가공 대상물(52)을 정지시킬 수 있다.
이와 같이 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100) 및 방법에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공 대상물의 제1 포커스 위치(L_focus)를 정확하게 측정할 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(100)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 6을 참고하면, 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)는 미러(61)와 차단판(62)이 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
도 6을 참고하면, 미러(61)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔의 경로 상에 위치한다. 미러(61)와 빔 프로파일러(40)는 빔 스플리터(20)를 사이에 두고 도면의 수직 방향을 따라 나란히 위치한다. 차단판(62)은 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이에 위치하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 투과 빔을 흡수한다. 차단판(62)은 포커스를 측정하는 단계에서만 선택적으로 위치한다.
미러(61)는 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)를 향해 재반사시키며, 빔 스플리터(20)에 제공된 반사 빔의 대부분은 빔 스플리터(20)를 투과하여 빔 프로파일러(40)에 입사한다. 따라서 빔 프로파일러(40)가 수광하는 레이저 빔은 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔이 아닌 미러(61)에서 반사된 레이저 빔이다.
제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)는 제1 광 집속부(30)의 배율을 모르는 경우에 적용될 수 있으며, 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 가정할 수 있다.
전술한 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, 제1 실시예에서 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 평행 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 평행 빔의 형태로 빔 프로파일러(40)에 도달한다.
따라서 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)에서 반사 빔의 발산각이 극히 작은 값을 가지거나 0으로 가정해도 무방할 경우, 빔 프로파일러(40)에 도달한 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 가정할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 레이저 가공 방법은 미러(61)를 이용하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)로 재반사시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계(S20)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제3 단계(S30)를 포함한다. 차단판(62)은 제1 단계(S10)와 제2 단계(S20)에서 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이에 위치하며, 제3 단계(S30)에서는 레이저 가공 장치(200)에서 제거된다.
제1 단계(S10)와 제2 단계(S20)에서 미러(61)와 빔 프로파일러(40)를 이용하여 포커스 직경을 구한다. 제3 단계(S30)에서 가공 대상물(50)을 레이저 가공 장치(200)에 장착하고, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 움직인다. 그리고 포커스 직경이 측정되는 위치(제1 포커스 위치)에 가공 대상물(50)을 정지시키고, 가공 대상물(50)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 가공 대상물(50)을 가공한다. 제2 단계(S20)에서 구한 포커스 직경과 제1 포커스 위치(L_focus)는 복수의 가공 대상물(50)의 위치 선정에 동일하게 적용된다.
도 8은 도 6에 도시한 레이저 가공 장치에서 레이저 빔의 발산각을 고려한 경우를 나타낸 개략도이다. 도 8에서 차단판은 생략하였다.
도 8을 참고하면, 레이저 광원(10)에서 방출된 레이저 빔은 소정의 발산각을 가지며, 레이저 빔이 광원(10)에서 빔 스플리터(20)로 입사할 때, 빔 스플리터(20)에서 반사 빔으로 분리될 때, 미러(61)에서 반사 빔이 반사될 때, 빔 스플리터(20)를 투과한 레이저 빔이 빔 프로파일러(40)에 도달할 때 점진적으로 발산된다. 한편, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 제1 광 집속부(30)에서 빔 스플리터(20)로 입사할 때, 빔 스플리터(20)에서 빔 프로파일러(40)로 입사할 때 점진적으로 수렴된다.
따라서 미러(61)를 통해 빔 프로파일러(40)에 입사한 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)은 제1 포커스 위치(L_focus)의 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔 이미지의 직경(D_specimen)과 다르며, D_mirror를 포커스 직경으로 가정할 수 없다. 레이저 빔의 발산각과 수렴각은 레이저 빔의 종류가 정해지면 알 수 있는 값이다. 빔 프로파일러(40)에 입사한 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)과 레이저 빔의 발산각 및 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.
도 9는 도 8에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 8과 도 9를 참고하면, 레이저 가공 방법은 미러(61)를 이용하여 빔 스플리터(20)에서 분리된 반사 빔을 빔 스플리터(20)로 재반사시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 측정하는 제2 단계(S20)와, 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 존재하는 경우, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔의 경로는 가공 대상물(50)로 입사된 레이저 빔의 경로와 동일하다. 이 원리를 이용하여 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.
구체적으로, 제3 단계(S30)는 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러(45)를 배치하고, 제2 빔 프로파일러(45)에 입사하는 레이저 빔 이미지의 직경을 계산하는 단계와, 계산된 제2 빔 프로파일러(45)의 레이저 빔 직경, 제2 빔 프로파일러(45)와 빔 프로파일러(40) 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 단계를 포함한다.
제2 단계(S20)에서 D_mirror를 측정하여 이 값을 알고 있고, 레이저 빔의 발산각도 알고 있으며, 광원(10)에서 제2 빔 프로파일러(45)에 이르는 광 경로 길이(광원(10)과 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 제2 빔 프로파일러(45) 사이의 거리 합)를 알고 있으므로, 이들로부터 가상의 제2 빔 프로파일러(45)에 입사하는 레이저 빔 이미지의 직경을 계산할 수 있다.
그리고 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이(제2 빔 프로파일러(45)와 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 빔 프로파일러(40) 사이의 거리 합)와 레이저 빔의 수렴각을 알고 있으므로, 이들로부터 빔 프로파일러(40)에 도달하는 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.
다른 한편으로, 광원(10)에서 빔 스플리터(20)에 이르는 레이저 빔의 경로를 직선으로 도식화하면 제2 단계(S20)에서 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 계산으로 구할 수 있다.
구체적으로, 광원(10)으로부터 직선 경로에 빔 스플리터(20), 미러(61), 빔 스플리터(20), 및 빔 프로파일러(40)를 차례로 배치하고, 각 부재들 사이의 거리를 도 8과 동일하게 설정하면, 레이저 빔의 발산각을 알고 있으므로 이로부터 빔 프로파일러(40)에 입사하는 레이저 빔 이미지의 직경(D_mirror)을 계산할 수 있다.
제4 단계(S40)에서 가공 대상물(50)을 레이저 가공 장치(200)에 장착한다. 그리고 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물(50)을 움직이고, 포커스 직경이 측정되는 위치(제1 포커스 위치)에 가공 대상물(50)을 정지시킨다. 이어서 제1 포커스 위치(L_focus)에 놓여진 가공 대상물(50)로 출력을 높인 레이저 빔을 조사하여 가공 대상물(50)을 가공한다. 제3 단계(S30)에서 계산된 포커스 직경과 제1 포커스 위치(L_focus)는 복수의 가공 대상물(50)의 위치 선정에 동일하게 적용된다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 10을 참고하면, 제3 실시예의 레이저 가공 장치(300)는 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이에 제2 빔 프로파일러(45)가 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다. 제2 빔 프로파일러(45)는 포커스 직경을 계산할 때에만 선택적으로 위치하며, 가공 대상물(50)을 실제로 가공하는 단계에서는 생략된다.
도 11은 도 10에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 11을 참고하면, 레이저 가공 방법은 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러(45)를 배치하는 제1 단계(S10)와, 제2 빔 프로파일러(45)에 입사한 레이저 빔 이미지의 직경을 측정하는 제2 단계(S20)와, 측정된 레이저 빔 이미지의 직경과 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산하는 제3 단계(S30)와, 빔 프로파일러(40)에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물(50)을 가공하는 제4 단계(S40)를 포함한다.
가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 존재하는 경우, 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔의 경로는 가공 대상물(50)로 입사된 레이저 빔의 경로와 동일하다. 제3 단계(S30)에서는 제2 단계(S20)에서 측정한 레이저 빔 이미지의 직경과, 제2 빔 프로파일러(45)에서 빔 프로파일러(40)에 이르는 광 경로 길이(즉 제2 빔 프로파일러(45)와 빔 스플리터(20) 사이의 거리 및 빔 스플리터(20)와 빔 프로파일러(40) 사이의 거리 합) 및 레이저 빔의 수렴각을 알고 있으므로, 이들로부터 포커스 직경(D_specimen)을 계산할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 12를 참고하면, 제4 실시예의 레이저 가공 장치(400)는 레이저 광원(10)과 빔 스플리터(20) 사이에 레이저 파워 조절부(70)가 추가된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 12에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
도 13은 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔을 나타낸 개략도이다.
도 13을 참고하면, 레이저 빔은 가우시안 형태를 이루며, 보통 레이저 진폭(Eo)을 자연상수 e로 나눈 지점(Eo/e)의 직경을 레이저 빔 이미지의 직경으로 정의한다. 도 13에서 w는 레이저 빔의 반경을 나타낸다. 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔 이미지의 직경을 정확하게 측정하기 위해서는 레이저 빔의 파워를 CCD의 임계값에 따라 최적으로 조절해 주어야 한다.
도 13의 (a)는 CCD의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워가 최적값을 가지는 경우 레이저 빔의 프로파일을 보여주고 있다. (b)는 레이저 빔의 파워가 최적값보다 큰 경우를 나타내고, (c)는 레이저 빔의 파워가 최적값보다 작은 경우를 나타낸다. 같은 레이저 광원(10)을 사용하는 경우라도 레이저 빔의 파워에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔 이미지의 직경이 다르게 된다.
다시 도 12를 참고하면, 레이저 파워 조절부(70)는 레이저 빔의 피크 값이 빔 프로파일러(40)를 구성하는 CCD의 임계값과 동일하도록 레이저 빔의 파워를 조절하는 작용을 한다. 따라서 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔 이미지의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있으며, 그 결과 포커스 측정과 레이저 가공의 정밀도를 높일 수 있다.
레이저 파워 조절부(70)는 제1 선형 편광판(71)과 반파장판(half-wave plate)(72) 및 제2 선형 편광판(73)을 포함할 수 있다. 제1 선형 편광판(71)은 제공받은 레이저 빔을 자신의 광축과 나란한 선형 편광으로 변환시키고, 반파장판(72)은 제공받은 선형 편광을 180도 위상 지연시킨다. 제2 선형 편광판(73)은 반파장판(72)을 투과한 레이저 빔 중 자신의 광축과 나란한 선형 편광 성분만을 투과시킨다.
제1 선형 편광판(71)의 광축과 제2 선형 편광판(73)의 광축이 교차하는 각도에 따라 레이저 빔의 파워를 적절하게 조절할 수 있다. 두 개의 선형 편광중(71, 73) 하나는 생략 가능하다.
다른 한편으로, 레이저 파워 조절부(70)는 전술한 구성 대신 단일 또는 복수개의 중성 농도(neutral density, ND) 필터(도시하지 않음)로 구성될 수 있다. ND 필터는 입사광의 스펙트럼 특성을 변화시키지 않고 휘도만을 감소시키는 필터로서,
레이저 빔의 파워를 CCD의 임계값에 맞게 적절하게 낮출 수 있다.
전술한 제1 실시예의 레이저 가공 장치(100)에 레이저 파워 조절부(70)가 추가되는 경우, 도 2에 도시한 레이저 가공 방법에서 제1 단계(S10)를 수행하기 이전, 빔 프로파일러(40)의 CCD 임계값에 맞추어 레이저 빔의 파워를 조절하는 단계가 추가된다.
전술한 제2 실시예의 레이저 가공 장치(200)에 레이저 파워 조절부(70)가 추가되는 경우, 도 7에 도시한 레이저 가공 방법 및 도 9에 도시한 레이저 가공 방법에서 제1 단계(S10)를 수행하기 이전, 빔 프로파일러(40)의 CCD 임계값에 맞추어 레이저 빔의 파워를 조절하는 단계가 추가된다.
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 14를 참고하면, 제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 편광이 있는 레이저 빔을 사용함과 더불어 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이에 1/4 파장판(quarter-wave plate)(80)이 추가되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예 중 어느 한 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 14에서는 제1 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
레이저 광원(10)에서 방출되는 레이저 빔은 P파와 S파를 포함하며, 이때 P파의 광량은 S파의 광량보다 높다. 빔 스플리터(20)는 전술한 실시예들과 달리 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시킨다. 즉 P파를 투과시키고 S파를 반사시키는 빔 스플리터(20)가 사용될 수 있다. 1/4 파장판(80)은 제공받은 레이저 빔을 90도 위상 지연시킨다.
보다 구체적으로, 빔 스플리터(20)를 투과한 P파는 1/4 파장판(80)을 통과하면서 특정 방향의 원 편광으로 변환되고, 제1 광 집속부(30)를 거쳐 가공 대상물(50)에 도달한다. 원 편광된 레이저 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사될 때 반대 방향의 원 편광으로 변환되며, 1/4 파장판(80)을 통과하면서 S파로 변환된다. 그리고 빔 스플리터(20)에 제공된 S파는 빔 스플리터(20)에서 반사되어 빔 프로파일러(40)에 입사한다.
제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 전술한 실시예들 대비 편광이 있는 레이저 빔과, 레이저 빔의 편광에 따라 투과 빔과 반사 빔을 나누는 빔 스플리터(20)와, 제공받은 레이저 빔을 90도 위상 지연시키는 1/4 파장판(80)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
따라서 제5 실시예의 레이저 가공 장치(500)는 전술한 실시예들 대비 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 세기를 높일 수 있으므로, 측정 효율을 높일 수 있고, 레이저 빔 이미지의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 15는 본 발명의 제6 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도로, 상기 레이저 가공 장치의 (a) 제1 포커스 위치를 선정하는 과정, (b) 제1 포커스 위치에서 가공 대상물을 이동시키는 과정, (c) 광 집속부를 이동시켜 제1 포커스 위치를 재설정하는 과정을 나타낸 것이다.
도 15를 참고하면, 제6 실시예의 레이저 가공 장치(600)는 레이저 광원(10)과 빔 스플리터(20) 사이에 회절 소자(90)가 배치되는 점, 차단판(62)이 회절 소자(92)와 제1 광 집속부(30) 사이에 배치되는 점 및 가공 대상물(50)의 가공대상면에 단차 또는 경사가 형성되는 점을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제6 실시예의 레이저 가공 장치(600) 중 회절 소자(90)는 레이저 빔의 경로 상에 위치하며, 레이저 빔 중 축 빔(0차 회절 빔)은 직진 통과시키되, 비축 빔(±n차 회절 빔, n은 자연수)은 회절시킨다.
빔 스플리터(20)는 회절 소자(90)를 거친 축 빔과 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시킨다. 제6 실시예에서는 회절 소자(90)에 의해 통과되는 축 빔을 실선으로, 회절되는 비축 빔을 점선으로 각각 도시하였고, 빔 스플리터(20)의 반사 빔을 일점쇄선으로 도시하였다. 한편, 본 발명에서는 비축 빔을 편의 상 +1차 회절 빔(축 빔의 상부로 회절)과 -1차 회절 빔(축 빔의 하부로 회절)까지만 도시하였으나, 반드시 이러한 차수에 제한되는 것은 아니다.
레이저 광원(10)에서 생성된 레이저 빔은 출력되는 에너지의 전자기장 벡터 가 시간에 따라 일정한 방향성을 가지지 않는 무질서 편광(random polarization) 상태일 수 있다. 이 경우, 회절 소자(90)를 통과한 축 빔은 회절된 비축 빔들에 비해 더 큰 빔 직경을 가질 수 있으며, 본 발명에서는 축 빔을 이용하여 가공 대상물(50)을 가공한다.
제1 광 집속부(30)는 투과 빔의 경로 상에 위치하여 투과 빔을 가공 대상물(50)로 집속시킨다. 가공 대상물(50)에 조사된 투과 빔은 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 제1 광 집속부(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된다. 그리고 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔이 빔 프로파일러(40)에 제공된다.
한편, 제6 실시예에서도 전술한 제1 실시예에서와 같이 제1 광 집속부(30)로 집속 렌즈를 사용하나, 반드시 본 발명의 범위가 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 광 집속부(30)는 레이저를 집속할 수 있는 다양한 광학 집속 수단일 수 있다.
차단판(62)은 전술한 제2 실시예의 차단판(62)과 유사하게 회절 소자(92)와 제1 광 집속부(30) 사이에 배치된다. 다만, 제6 실시예의 차단판(62)은 제2 실시예의 차단판(62)과 달리 축 빔의 조사방향과 수직 방향으로 이동하여 비축 빔 중 일부를 차단한다. 차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(92)와 빔 스플리터(20) 사이 또는 빔 스플리터(20)와 제1 광 집속부(30) 사이에 배치될 수 있다.
도 16은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 15와 도 16을 참고하면, 레이저 가공 방법은 회절 소자(90)에서 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계(S10)와, 빔 프로파일러(40)에서 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 축 빔으로 제1 가공 대상물(51)을 가공하여 제1 가공 대상물(51)의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계(S30)와, 가공 선폭이 최소가 되는 제1 가공 대상물(51)의 위치를 제1 포커스 위치(L_focus)로 선정하는 제4 단계(S40)와, 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계(S50)와, 제2 가공 대상물(52)을 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치하고 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계(S60) 및 제1 광 집속부(30)를 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계(S70)를 포함한다.
가공 대상물(50)은 실제 가공이 이루어지는 제품으로, 제6 실시예의 가공 대상물(50)은 가공 전 가공 대상 표면에 단차 또는 경사가 형성된 구조체일 수 있다.
한편, 가공 대상물(50)은 전술한 제1 실시예와 동일하게 제1 가공 대상물(51) 및 제2 가공 대상물(52)을 포함할 수 있다. 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 한번 제1 포커스 위치(L_Focus) 또는 기준 위치를 재차 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 집속 렌즈의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 그리고 레이저 광원(10)에서 회절 소자(90)를 향해 레이저 빔을 발진시키고, 회절 소자(90)는 도 15의 (a)와 같이 레이저 빔 중 축 빔을 직진 통과시키되, 비축 빔을 회절시킨다.
제2 단계(S20)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 도 15의 (a)와 같이 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 회절 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 상기 데이터 저장부로 전송한다. 이때 축 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(50)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.
한편, 제1 가공 대상물(51)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 변한다. 즉 제1 포커스 위치(L_focus)를 기준으로 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 앞쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 커지고, 제1 포커스 위치(L_focus)보다 뒤쪽에 위치할수록 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경이 작아진다. 제1 광 집속부(30)의 배율이 정해진 경우라도 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)의 제1 포커스 위치(L_focus)를 알 수 없다.
제 3단계(S30)에서, 제1 가공 대상물(51)의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)에 축 빔을 조사하여 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 축 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다. 제6 실시예에서제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양은 전술한 제1 실시예의 도 3과 동일하게 나타난다.
도 17은 도 16에 도시한 제2 단계에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 나타낸 그래프이다.
전술한 도 3과 도 17을 함께 참고하면, 상기 측정된 가공 선폭은 제1 가공 대상물(51)이 제1 광 집속부(30)의 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 최소값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
제4 단계(S40)에서는 제3 단계(S30)에서 측정한 가공 선폭의 데이터를 이용하여 가공 선폭이 최소가 되는 위치를 제1 포커스 위치(F_Focus)로 선정한다. 데이터 저장부(도시하지 않음)는 상기의 제1 포커스 위치(L_focus)를 저장한다.
도 18은 도 15의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 상에 표시되는 회절 빔 이미지의 좌표 변화를 나타낸 도면이고, 도 19는 도 15의 (a) 내지 (c) 단계에서 빔 프로파일러에 표시되는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 도면이다.
제5 단계(S50)에서, 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)에 해당 위치 정보를 저장한다. 저장된 위치 정보는 제1 가공 대상물(51)의 제1 포커스 위치(L_focus)에 따른 기준 위치로 설정된다.
이 때, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 18의 (a)에서와 같은 좌표 정보일 수 있다. 도 18의 (a)에서 기준 좌표는 축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P1(a,b) 및 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 P2(c,d)와 P3(e,f)로 설정될 수 있다.
한편, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치 정보는 도 19의 (a)에서와 같은 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격 정보일 수도 있다. 도 19의 (a)에서 기준 간격은 빔 프로파일러(40)에 도달한 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격(포커스 직경, D_Focus)으로 설정될 수 있다.
제6 단계(S60)에서, 레이저 가공 장치에서 제1 가공 대상물(51)을 제거한 후, 제2 가공 대상물(52)을 장착하고, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시킨다.
이때, 제2 가공 대상물(52)은 제1 포커스 위치(L_focus)에 바로 장착될 수 있고, 임의의 위치에 장착된다고 해도 빔 프로파일러(40)에서 새로 장착된 제2 가공 대상물(52)에 대한 빔 프로파일을 측정하고, 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치에 오도록 제2 가공 대상물(52)의 위치를 조정하여 최종적으로 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 오도록 조정될 수 있다.
이후, 축 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 제2 가공 대상물(52)을 도 15의 (b)와 같이 이동시키면 제1 광 집속부(30)와 제2 가공 대상물(52)의 거리에 변화가 발생하여 제2 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)로부터 벗어나게 된다. 이 때, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정한다.
이때, 차단판(62)은 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 아래로 이동할 경우 비축 빔 중 +1차 회절 빔을 차단하고, 제2 가공 대상물(52)이 축 빔의 조사방향을 기준으로 위로 이동할 경우 -1차 회절 빔을 차단할 수 있다. 이를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지의 구분이 용이하다.
본 발명에서는 제2 가공 대상물(52)이 위로 이동함에 따라 차단판(62)이 -1차 회절 빔을 차단하여 도 18의 (b) 및 도 19의 (b)와 같이 빔 프로파일러(40) 상에 비축 빔 이미지 중 +1차 회절 빔 이미지만 표시되나, 이러한 이미지는 제2 가공 대상물(52)의 이동 방향에 맞게 차단판(62)의 차단 대상을 달리함으로써 달리 표시될 수 있는 것이다.
한편, 축 빔의 가공에 의해 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 및 비축 빔 이미지가 기준 위치로부터 벗어나는 정도는 빔 프로파일러(40) 상에 도 18의 (b)와 같이 좌표 (c', d')로 표시되거나, 도 19의 (b)와 같이 간격(D'_Focus)으로 표시될 수 있다.
제7 단계(S70)에서, 제1 광 집속부(30)를 도 15의 (c)에서와 같이 이동시켜 축 빔 및 비축 빔 이미지의 위치가 기준 위치 상에 도달하도록 조정한다. 제6 실시예에서는 제2 가공 대상물(52)에 도 15의 (c)에서와 같이 단차가 형성된 경우, 제1 광 집속부(30)를 빔 스플리터(20) 쪽으로 후퇴시켜 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 위치하도록 조정할 수 있다.
이 때, 빔 프로파일러(40) 상 축 빔 이미지의 좌표는 도18(c)와 같이 P1(a,b)로, 비축 빔 이미지 좌표는 P2(c,d)로, 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격은 19(c)와 같이 D_Focus로 각각 회귀하게 된다. 이때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경은 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때의 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경과 동일하다.
다만, 제 6 실시예가 도 18 및 도 19에서 예시한 바와 같이 제2 가공 대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우에만 적용되는 것은 아니며, 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에도 얼마든지 적용될 수 있다.
특히 제2 가공 대상물(52) 가공대상면에 경사가 형성된 경우에는 제2 가공 대상물(52)의 이동에 따라 축 빔 이미지의 좌표가 기준 좌표로부터 벗어나는 정도를 중점적으로 측정하고, 축 빔 이미지의 좌표를 기준 좌표로 회귀시킴으로써 제2 가공 대상물(52)의 가공대상면에 단차가 형성된 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이 제6 실시예의 레이저 가공 장치(600) 및 방법에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 가공대상면에 단차 또는 경사가 형성된 가공 대상물(50)의 제1 포커스 위치(L_focus)를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중에도 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(600)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.
도 20은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치의 제1 변형예로, 회절 소자 및 차단판을 나타낸 사시도이다.
도 20을 참고하면, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(601)는 3차원 상에서 회절 소자(90)에 의해 방사되는 비축 빔 중 어느 하나를 제외한 나머지 비축 빔들을 차단판으로 차단하는 점을 제외하고는 전술한 제6 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제6 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
회절 소자(90)의 중심부에는 슬릿(91)이 형성될 수 있다. 슬릿(91)은 레이저 광원(10)으로부터 발진된 레이저 빔 중 축 빔은 직진시키되, 비축 빔은 3차원 상에서 축 빔의 진행 방향(도 20의 x축 방향)을 향해 방사하도록 회절시킬 수 있다.
차단판(62)은 2 이상이 회절 소자(90)와 빔 스플리터 사이에 배치될 수 있다. 차단판(62)은 상기 회절 소자(90) 및 빔 스플리터와 이격되어 배치될 수 있다. 제1 변형예에서 차단판(62)은 도 20의 x축에서 바라볼 때 슬릿(91)을 기준으로 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d) 방향에 각각 배치되어, 각각의 방향으로 방사되어온 비축 빔을 차단할 수 있다.
즉, 상부 차단판(62a)은 xz 평면상에서 x축보다 위로 방사되어 온 비축 빔을, 하부 차단판(62b)은 xz평면 상에서 x축보다 아래로 방사되어 온 비축 빔을, 좌측 차단판(62c)은 xy 평면상에서 x축보다 좌측으로 방사되어 온 비축 빔을, 우측 차단판(62d)은 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔을 각각 차단할 수 있다.
제1 변형예에서는 예를 들어 가공 대상물이 y축 방향으로 이동할 경우 도 20에서와 같이 우측 차단판(62d)을 제외한 나머지 차단판을 이용해 각각 비축 빔들을 차단하여 xy 평면상에서 x축보다 우측으로 방사되어 온 비축 빔만 빔 스플리터에 입사되도록 조절함으로써, 3차원 상에서 빔 프로파일러 상에 2 이상의 비축 빔 이미지가 표시되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 이러한 차단판들의 이동이 반드시 도 20에 도시된 바와 같이 한정되는 것은 아니며, 가공 대상물의 이동 방향에 따라 얼마든지 차단판들의 조작을 달리할 수 있는 것임은 자명하다.
이와 같은 제1 변형예를 통하여, 전술한 제6 실시예의 가공 대상물과 제1 광 집속부를 3차원적으로 이동시킬 경우에도 용이하게 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별해낼 수 있다.
즉, 전술한 도 15는 가공 대상물(50)과 제1 광 집속부(30)가 2차원적으로 이동할 경우 차단판(62)을 이용하여 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하는 방법을 제공하나, 제1 변형예의 레이저 가공 장치(602)는 상(62a), 하(62b), 좌(62c), 우(62d)측 차단판을 이용하여 3차원 상에서 방사되는 비축 빔을 차단하는 방법을 제공함으로써, 가공 대상물과 제1 광 집속부가 3차원적으로 이동할 경우에도 빔 프로파일러 상에 표시되는 축 빔과 비축 빔 이미지를 구별하기 용이한 장점이 있다.
도 21은 도 15에 도시한 레이저 가공 장치의 제2 변형예를 나타낸 개략도이다.
도 21을 참고하면, 제2 변형예의 레이저 가공 장치(602)는 제1 광 집속부(30)로 광 스캐너를 사용하는 것과 가공 대상물로 가공 전 가공대상면에 곡면 경사가 형성된 가공 대상물(54)을 사용하는 것을 제외하고는 전술한 제6 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 21에서는 제6 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며 제6 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
도22는 도 21에 도시한 광 스캐너와 가공 대상물 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러 상 축 빔과 비축 빔 이미지 간 간격 변화를 나타낸 그래프이다.
제2 변형예의 레이저 가공 장치(602)는 제1 광 집속부(30) 중 광 스캐너를 통해 가공 대상물(54)에 축 빔 및 비축 빔을 조사하는데, 광 스캐너와 가공 대상물(54) 간 거리 변화에 따른 빔 프로파일러(40) 상 축 빔과 비축 빔 간 간격 변화는 도 22에서와 같이 서로 비례한다.
이와 같이 제2 변형예에서는 데이터 계산부(도시하지 않음)에 의해 도 22 그래프의 기울기인 스케일 계수(scale parameter)가 계산되어 데이터 저장부(도시하지 않음)에 추가 저장될 수 있는 바, 가공 대상물(54)의 위치 변화에 따라 재설정된 제1 포커스 위치(L_focus)를 검산할 수 있는 바, 레이저 가공 장치(602)의 포커스 측정 및 가공 정밀성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 23은 본 발명의 제7 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이다.
도 23을 참고하면, 제7 실시예의 레이저 가공 장치(700)는 레이저 광원(10)에서 P파로 편광된 레이저 빔이 발진되고, 제6 실시예의 회절 소자(90) 대신 1/4 파장판 (80)이, 1/4 파장판(80)과 빔 스플리터(20) 사이에 복굴절 소자 (birefringence element)(60)가 추가되는 것을 제외하고 전술한 제6 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 23에서는 제6 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며, 제6 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
1/4 파장판(80)은 전술한 제5 실시예의 1/4 파장판(80)과 동일한 구성으로, P파 편광된 레이저 빔에 위상차를 발생(90도 위상 지연)시켜 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시킨다.
복굴절 소자(60)는 도 23에서처럼 1/4 파장판(80)로부터 방출된 P파와 S파가 입사된다. 복굴절 소자(60)는 레이저 빔 간 위상차를 이용, 도 23에서와 같이 P파는 통과시키고 S파는 굴절시킨다. 이 때, 제7 실시예에서는 통과된 P파를 가공용 축 빔으로, 굴절된 S파를 측정용 비축 빔으로 각각 이용할 수 있다.
한편, 제7 실시예의 복굴절 소자(60)는 도 23에서와 같이 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있으며, 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)에 따라 S파의 굴절 정도가 달라질 수 있다. 즉, 제7 실시예는 복굴절 소자(60)의 예각(θ)과 밑변의 길이(d)를 조절하여 복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파간 간격을 조절할 수 있다.
복굴절 소자(60)에서 방출된 P파와 S파는 제6 실시예에서와 같이 빔 스플리터(20) 및 제1 광 집속부(30)를 거쳐 가공 대상물(50)에 조사되고, 다시 가공 대상물(50)로부터 반사되어 빔 스플리터(20)를 통해 빔 프로파일러(40) 상에 표시된다.
빔 프로파일러(40)상에는 전술한 도 18의 (a)와 같이 축 빔 이미지의 위치에 P파가, 비축 빔 이미지의 위치에 S파가 각각 표시된다. 제7 실시예에서는 1/4 파장판(80)을 회절시켜 레이저 빔의 입사 각도를 조절함으로써 P파와 S파의 출력을 조절할 수 있다. 이를 통해 빔 스플리터(20)나 가공 대상물(50)의 반사율(reflectivity)에 따라 S파의 출력을 적정 수준으로 조절할 수 있다.
이와 같이 제7 실시예의 레이저 가공 장치(700)는 전술한 제5 실시예와 유사하게 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔의 세기를 높일 수 있으므로, 측정 효율을 높일 수 있고, 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔(P파 및 S파) 이미지의 직경을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 24는 본 발명의 제8 실시예에 따른 레이저 가공 장치의 개략도이고, 도 25는 도24 에서 빔 프로파일러에 표시되는 레이저 빔 이미지의 위치를 각각 나타낸 개략도이다.
도 24 및 도 25를 참고하면, 제8 실시예의 레이저 가공 장치(800)는 빔 스플리터(20)와 빔 프로파일러(40) 사이에 제2 광 집속부(31)가 배치되는 점 및 가공 대상물(50)이 틸팅 회전 가능한 점을 제외하고는 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
도 24 및 도 25를 참고하면, 제8 실시예의 레이저 가공 장치(800) 중 제2 광 집속부(31)는 가공 대상물(50)의 표면에서 반사되고, 제1 광 집속부(30)를 거쳐 다시 빔 스플리터(20)에 제공된 투과 빔을 빔 프로파일러(40)를 향해 집속시킨다. 한편, 제8 실시예에서는 제2 광 집속부(31)의 포커스 위치를 제2 포커스 위치로 정의한다.
제8 실시예에서는 제2 광 집속부(31) 또한 제1 광 집속부(30)와 마찬가지로 집속 렌즈를 사용한다. 다만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 광 집속부(30) 및 제2 광 집속부(31)는 빔 프로파일러(40)와 빔 스플리터(20) 간 거리, 가공 대상물(50)과 빔 스플리터(20) 간 거리, 가공 대상물(50)의 종류 등에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.
도 24의 (a)는 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 평행 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 평행 빔의 형태로 제2 광 집속부(31)를 거쳐 집속되어 빔 프로파일러(40)에 도달한다.
도 25의 (a)는 도 24의 (a)에서 빔 프로파일러 상(40)에 표시되는 레이저 빔 이미지를 나타낸 것으로, 도 25의 (a)에서와 같이 원형의 이미지로 표시된다. 이때, 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때의 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표를 P4(g,h)라고 정의하도록 한다.
도 24의 (b)는 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 앞쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 발산 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 발산 빔의 형태로 제2 광 집속부(31)를 거쳐 빔 프로파일러(40)에 도달한다.
도 25의 (b)는 도 24의 (b)에서 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 레이저 빔 이미지를 나타낸 것으로, 이 때의 레이저 빔 이미지 직경은 도 25의 (a)보다 크게 표시되나, 중심점 좌표는 도 25의 (a)와 동일한 P4(g,h)로 나타난다.
도 24의 (c)는 가공 대상물(50)이 제1 포커스 위치(L_focus)보다 뒤쪽에 있는 경우를 나타낸다. 이 경우 가공 대상물(50)에서 반사된 레이저 빔은 수렴 빔의 형태로 빔 스플리터(20)에 도달하고, 빔 스플리터(20)에서 분할된 반사 빔도 수렴 빔의 형태로 제2 광 집속부(31)를 거쳐 빔 프로파일러(40)에 도달한다.
도 25의 (c)는 도 24의 (c)에서 빔 프로파일러 상(40)에 표시되는 레이저 빔 이미지를 나타낸 것으로, 이 때의 레이저 빔 이미지 직경 또한 도 25의 (a)보다 크게 표시되나, 중심점 좌표는 도 25의 (a)와 동일한 P4(g,h)로 나타난다.
도 26은 도 24에 도시한 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
제8 실시예에서 가공 대상물(50)은 제1 포커스 위치(L_focus)를 구한 후 바로 가공이 이루어지는 제품이다. 가공 대상물(50)은 포커스 측정 및 가공 단계에서 상, 하, 좌, 우로 평행 이동 또는 임의의 어느 한 방향을 회전 중심축으로 회전(틸트 회전을 포함) 이동할 수 있다. 제8 실시예에서 가공 대상물(50)은 제1 광 집속부(30)와 마주한 가공대상면이 편평한 플레이트이나, 본 발명의 범위가 이러한 형상으로 형성된 가공 대상물(50)로 한정되는 것은 아니다.
도 24 내지 도 26을 참고하면, 레이저 가공 방법은 제1 가공 대상물(51)을 배치하고 제1 광 집속부(30), 제2 광 집속부(31) 및 빔 프로파일러(40)의 위치를 교정(calibration)하는 제1 단계(S01)와, 제2 가공 대상물(52)을 배치하고 빔 프로파일러(40)에서 제2 가공 대상물(52)의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계(S20)와, 레이저 빔 이미지의 직경이 최소가 되는 제2 가공 대상물(52)의 위치를 제1 포커스 위치(L_focus)로 선정하는 제3 단계(S30)와, 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제4 단계(S40)와, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공하면서 기준 위치로부터 벗어난 레이저 빔 이미지의 위치를 측정하는 제5 단계(S50) 및 제5 단계(S50)에서 측정된 레이저 빔 이미지의 위치가 제4 단계(S40)에서 설정된 기준 위치와 일치하도록 제2 가공 대상물(52)의 위치를 조정하는 제6 단계(S60)를 포함할 수 있다.
제1 가공 대상물(51)은 제1 광 집속부(30)의 제1 포커스 위치(L_focus)를 구하기 위한 시험편(specimen)이며, 제2 가공 대상물(52)은 실제 가공이 이루어지는 제품이다.
제8 실시예에서 제1 단계(S10)는 제2 가공 대상물(52)의 실제 가공이 이루어지기 전, 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 레이저 가공 장치의 제1 광 집속부(30), 제2 광 집속부(31) 및 빔 프로파일러(40) 각각의 세부 위치를 교정하기 위한 단계이다. 즉, 제1 단계(S10)는 가공 전 레이저 가공 장치를 사전 세팅하는 단계이므로, 한번 제1 단계(S10)를 거친 레이저 가공 장치를 재차 사용할 경우 제1 단계(S10)를 생략하고 바로 제2 가공 대상물(52)의 가공을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)이 레이저 가공 장치에 장착된다. 이때, 제2 광 집속부(31) 및 빔 프로파일러(40)는 레이저 가공 장치로부터 제거된 상태이다.
그 후, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시키고, 제1 광 집속부(30) 또는 제1 가공 대상물(51) 중 적어도 어느 하나의 위치를 변화시키면서 제1 가공 대상물(51)을 여러번 가공한다. 그러면 제1 가공 대상물(51)에는 레이저 빔에 의한 복수의 가공 홈이 형성되는데, 이 가공 홈의 폭(가공 선폭)과 단면 형상은 제1 가공 대상물(51)의 위치에 따라 변한다.
이때, 제1 가공 대상물의 위치에 따른 가공 홈의 모양은 전술한 도 4와 동일하게 나타난다. 또한, 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화는 전술한 도 17의 형상과 동일한 파형으로 나타난다.
가공 선폭은 전술한 도4 및 도 17에서와 같이 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 최소값을 가지며, 이 위치에서 멀어질수록 큰 값을 가진다. 데이터 저장부(도시하지 않음)는 상기의 제1 포커스 위치(L_focus)를 저장한다.
그 후, 제1 가공 대상물(51)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 배치된 상태를 유지하면서 제2 광 집속부(31)와 빔 프로파일러(40)를 전술한 도 24에서와 같이 각각 배치시킨다.
그 후, 제2 광 집속부(31)의 위치를 변경시키면서 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 상기 데이터 저장부로 전송한다. 이때의 레이저 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제1 가공 대상물(51)을 가공하지 않고 제1 가공 대상물(51)의 표면에서 반사된다.
도 27은 도 26에 도시한 제1 단계에서 빔 프로파일러의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다.
도 27을 참고하면, 제2 광 집속부(31)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔 이미지의 직경이 변한다. 제2 광 집속부(31)는 빔 프로파일러(40)에 수광되기 전 레이저 빔을 집속시켜주므로, 제2 광 집속부(31)의 위치가 변함에 따라 레이저 빔 이미지의 직경이 최소값으로부터 직경이 점차 증가하는 U자 형상의 파형을 나타낸다. 빔 프로파일러(40)가 제2 포커스 위치에 오도록 제2 광 집속부(31)를 배치시킬 경우, 레이저 빔 이미지의 직경이 도 27에 도시된 최소값을 가짐을 확인할 수 있다.
이와 같이 빔 프로파일러(40)가 제2 포커스 위치에 도달할 경우, 제2 광 집속부(31)의 이동을 중지시키고, 데이터 저장부(도시하지 않음)를 이용하여 이때의 제2 광 집속부(31) 및 빔 프로파일러(40) 위치를 각각 저장한다.
이와 같이, 제1 단계(S10)에서는 제1 가공 대상물(51)을 이용하여 상기와 같이 한번 제1, 제2 포커스 위치를 구한 다음에는 복수의 제2 가공 대상물(52)에 대해 상기 제1, 제2 포커스 위치를 다시 구하는 작업 없이 연속으로 레이저 가공을 수행할 수 있다. 전술한 레이저 가공 방법은 집속 렌즈의 배율을 알고 있는 경우에 적용될 수 있다.
제2 단계(S20)에서는 제1 단계(S10)를 거쳐 제1 광 집속부(30), 제2 광 집속부(31) 및 빔 프로파일러(40)의 위치 교정이 완료된 레이저 가공 장치로부터 제1 가공 대상물(51)을 제거하고, 제2 가공 대상물(52)을 장착한다. 그 후, 레이저 광원(10)에서 레이저 빔을 발진시키고, 제2 가공 대상물(52)의 위치를 변화시키면서 빔 프로파일러(40)에서 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)와 연결되어 측정 데이터를 상기 데이터 저장부로 전송한다. 이때 레이저 빔은 출력이 감소된 레이저 빔으로서, 제2 가공 대상물(52)을 가공하지 않고 제2 가공 대상물(52)의 표면에서 반사된다.
도 28은 도 26에 도시한 제2 단계에서 제2 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 나타낸 그래프이다. 도 28에서는 그래프의 각 구간별로 레이저 빔 이미지의 변화를 함께 도시하였다.
도 24와 도 28을 참고하면, 제2 가공 대상물(52)의 위치가 변함에 따라 빔 프로파일러(40)에 도달하는 레이저 빔 이미지의 직경이 변한다. 이때, 제2 단계(S20)에서는 제2 광 집속부(31)가 빔 프로파일러(40)에 수광되기 전 레이저 빔을 집속시켜줌으로써 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)를 벗어난 경우라면 언제든지 도 28에서와 같이 레이저 빔 이미지의 직경이 커진다. 즉, 제8 실시예에서는 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 레이저 빔 이미지의 직경이 최소값을 갖는다.
제3 단계(S30)에서는 상기와 같은 점을 근거로 하여 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔 이미지의 직경이 최소가 되는 제2 가공 대상물(52)의 위치를 계산하고, 이때의 위치를 제2 가공 대상물(52)의 가공을 위한 제1 포커스 위치(L_focus)로 선정한다.
제4 단계(S40)에서는 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔 이미지의 위치를 측정한다. 빔 프로파일러(40)는 데이터 저장부(도시하지 않음)에 해당 이미지 위치 데이터를 저장한다. 저장된 위치 데이터는 제2 가공 대상물(52)의 제1 포커스 위치(L_focus)에 따른 기준 위치로 설정된다.
제8 실시예에서 레이저 빔 이미지의 위치 정보는 전술한 도 25의 (a) 내지 (c)에 나타난 좌표 정보일 수 있다. 이 경우, 기준 위치는 전술한 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표인 P4(g,h)로 설정될 수 있다.
한편, 제8 실시예에서 레이저 빔 이미지의 위치 정보는 도 25의 (a) 내지 (c)에 나타난 바와 같은 레이저 빔 이미지의 직경 정보일 수도 있다. 이 경우, 기준 위치는 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 레이저 빔 이미지의 직경(최소직경, 즉, 전술한 도 25의 (a)에서 빔 프로파일러 상에 표시된 레이저 빔 이미지의 직경)으로 설정될 수 있다.
제5 단계(S50)에서는 레이저 빔으로 제2 가공 대상물(52)을 가공한다. 제2 가공 대상물(52)은 레이저 빔에 의하여 가공됨으로써, 또는 가공 중 평행 이동이나 회전 이동 등의 이동이 발생함으로써, 제1 포커스 위치(L_focus)로부터 벗어나게 된다. 이와 같이 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)로부터 벗어날 경우 레이저 빔 이미지의 위치가 변화하게 되므로, 전술한 제4 단계(S40)에서 설정된 기준 위치로부터 벗어난 레이저 빔 이미지의 위치를 측정한다.
도 29는 도 26에 도시한 제5 단계에서 가공 대상물이 틸트 회전하는 것을 나타낸 개략도이고, 도 30은 도 26에서 빔 프로파일러에 표시되는 레이저 빔 이미지의 위치를 각각 나타낸 개략도이다.
도 29와 도 30 참고하면, 제5 단계(S50)에서 제2 가공 대상물(52)이 가공 진행 중 틸트 회전(tilt rotation)할 수 있다. 이와 같이 틸트 회전함으로써 제1 광 집속부(30)로부터 제2 가공 대상물(52)을 거쳐 반사되는 광 경로가 상이해지므로 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)로부터 벗어나게 된다. 이에 따라, 빔 프로파일러(40)에 표시되는 레이저 빔 이미지의 위치도 기준 위치로부터 벗어나게 된다.
도 29의 (a)에서는 제2 가공 대상물(52)이 y축을 틸트 회전 중심축(tilt axis)으로 하여 틸트 회전된다. 제8 실시예에서는 제2 가공 대상물(52)이 시계 방향으로 틸트 되었으므로, 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 위치는 도 30의 (a)에서와 같이 기준 좌표인 P4(g,h) 보다 위쪽인 P5(g,i)에 위치하게 된다. 즉, 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 위치는 기준좌표로부터 y축 방향으로 평행이동한 위치이다. 또한, 레이저 빔 이미지의 형상은 장축이 y축 방향으로 길게 연장되고, 장축과 단축이 기준 직경보다 긴 타원 형상으로 표시될 수 있다.
도 29의 (b)에서는 제2 가공 대상물(52)이 z축을 틸트 회전 중심축(tilt axis)으로 하여 틸트 회전된다. 제8 실시예에서는 제2 가공 대상물(52)이 시계 방향으로 틸트 되었으므로, 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 위치는 도 30의 (b)에서와 같이 기준 좌표인 P4(g,h) 보다 좌측인 P6(j,h)에 위치하게 된다. 즉, 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 위치는 기준좌표로부터 x축 방향으로 평행이동한 위치이다. 또한, 레이저 빔 이미지의 형상은 장축이 x축 방향으로 길게 연장되고, 장축과 단축이 기준 직경보다 긴 타원 형상으로 표시될 수 있다.
도 31은 도 26에 도시한 제5 단계에서 가공 대상물의 틸트 회전각 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화를 나타낸 그래프이다.
이와 같이 제2 가공 대상물(52)이 x, y, z 축 중 어느 한 축을 틸트 회전 중심축으로 틸트 회전할 경우, 틸트 회전각에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화는 도 31과 같이 나타난다. 즉, 도 31에 나타난 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리는 전술한 도 28에서와 같이 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 있을 때 최소가 되고, 시계방향 또는 반시계방향으로 틸트 회전할 경우 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)로부터 벗어나게 되므로 점점 증가하게 된다.
이와 같은 사항을 근거로, 제8 실시예에서는 제2 가공 대상물(52)의 틸트 회전으로 인해 빔 프로파일러(40) 상에 표시되는 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표가 기준 좌표로부터 얼마나 벗어났는지를 측정하여 제2 가공 대상물(52)의 틸트 회전각을 계산해낼 수 있다.
도 32는 도 29의 (a), 도 33은 도 29의 (b)의 틸트 회전각 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표와 기준 좌표와의 거리 변화 및 레이저 빔 이미지의 형상 변화를 나타낸 그래프이다.
도 29, 도 32 및 도 33을 참고하면, 기준 좌표에 위치하던 레이저 빔 이미지는 제2 가공 대상물(52)이 y축을 틸트 회전 중심축으로 틸트 회전함에 따라 y축 방향으로 길게 연장된 타원 형상의 이미지로 표시(도 32의 경우)되거나, z축을 틸트 회전 중심축으로 틸트 회전함에 따라 x축 방향으로 길게 연장된 타원 형상의 이미지로 표시(도 33)됨을 확인할 수 있다. 또한, 틸트 회전각이 커질수록 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표가 기준 좌표에서 벗어나는 정도가 증가함을 확인할 수 있다.
제6 단계(S60)에서는 제2 가공 대상물(52)을 상, 하, 좌, 우 방향으로 평행 이동시키거나 회전 이동시켜 제5 단계(S50)에서 측정된 레이저 빔 이미지의 위치가 제4 단계(S40)에서 설정된 기준 위치와 일치하도록 조정한다. 즉, 전술한 도 29에서와 같이 제2 가공 대상물(52)이 가공 중 틸트 회전됨으로써 제1 포커스 위치(L_focus)를 벗어난 경우, 제2 가공 대상물(52)이 제1 포커스 위치(L_focus)에 위치하도록 제2 가공 대상물(52)을 평행 이동 또는 회전 이동시킬 수 있다.
한편, 제6 단계(S60)에서는 제2 가공 대상물(52)의 위치를 조정하지 않고 제1 광 집속부(30)를 상, 하, 좌, 우 방향으로 평행 이동시키거나 회전 이동시켜 제5 단계(S50)에서 측정된 레이저 빔 이미지의 위치가 제4 단계(S40)에서 설정된 기준 위치와 일치하도록 조정하거나, 제2 가공 대상물(52)과 제1 광 집속부(30)의 위치를 동시에 조정하여 이를 수행할 수도 있다.
이와 같이 제2 가공 대상물(52)과 제1 광 집속부(30) 중 적어도 어느 하나의 위치를 조정함으로써 빔 프로파일러(40) 상 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표는 P4(g,h) 좌표로, 직경은 전술한 도 25의(a)와 같이 최소가 되도록 각각 회귀하게 된다.
이와 같이 제8 실시예의 레이저 가공 장치(800) 및 이를 이용한 레이저 가공 방법에 따르면, 별도의 포커스 측정용 레이저 설비를 구비하지 않고도 가공용 레이저를 이용하여 광 집속부의 포커스 위치를 정확하게 측정할 수 있는 동시에 가공 중 가공 대상물(50)이 평행 또는 회전 이동하는 경우에도 포커스 위치를 유지하도록 조정될 수 있다. 그 결과, 레이저 가공 장치(800)의 전체 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용도 낮출 수 있다.
도 34는 도 24에 도시한 레이저 가공 장치의 응용예를 나타낸 개략도이다.
도 34를 참고하면, 본 응용예의 레이저 가공 장치(900)는 제1 광 집속부가 광 스캐너(30)인 것과 가공 대상물(50)이 틸팅 롤(53)인 것을 제외하고는 전술한 제8 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 도 34에서는 전술한 실시예의 구성을 기본 구성으로 도시하였으며 전술한 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
본 응용예의 레이저 가공 장치(900)는 광 스캐너(30)를 통해 틸팅 롤(53)에 축 빔 및 비축 빔을 조사한다. 틸팅 롤(53)은 틸팅 샤프트(tilting shaft)을 구비하여, 포커스 측정 단계 또는 레이저 빔으로 롤 표면을 가공하는 단계에서 틸팅 회전할 수 있다.
본 응용예의 레이저 가공 장치(900)는 전술한 실시예의 도 29에서와 같이 레이저 가공 중 틸팅 롤(53)이 틸팅 회전하는 경우에도 제1 포커스 위치(L_focus)를 지속적으로 유지하도록 틸팅 롤(53)을 수평 이동 또는 회전시킬 수 있으므로 롤 표면(53)에 미세구조를 형성하기 용이하며, 포커스 측정 및 가공의 정밀성을 높일 수 있는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (31)

  1. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
    상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부; 및
    상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 제1 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 광 집속부 사이에 선택적으로 배치되는 제2 빔 프로파일러를 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  3. 제1항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제1 단계;
    레이저 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제2 단계;
    상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하여 포커스 직경을 구하는 제3 단계; 및
    상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 제2 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 제2 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 가공 대상물은 시험편이고, 상기 제2 가공 대상물은 실제 가공이 이루어지는 제품이며,
    상기 제3 단계에서 구한 포커스 직경과 제1 포커스 위치는 복수의 제2 가공 대상물의 위치 선정에 동일하게 적용되는 레이저 가공 방법.
  5. 제2항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 광 집속부 사이의 임의 위치에 제2 빔 프로파일러를 배치하는 제1 단계;
    상기 제2 빔 프로파일러에 입사한 레이저 빔 이미지의 직경을 측정하는 제2 단계;
    상기 제2 단계에서 측정된 레이저 빔 이미지의 직경과 상기 제2 빔 프로파일러에서 상기 빔 프로파일러에 이르는 광 경로 길이 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계; 및
    상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  6. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
    상기 반사 빔을 제공받아 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 미러;
    상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부;
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 광 집속부 사이에 선택적으로 위치하는 차단판; 및
    상기 미러에서 반사되어 상기 빔 스플리터를 통과한 레이저 빔을 수광하고, 레이저 빔의 프로파일을 측정하는 빔 프로파일러
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  7. 제6항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    상기 미러를 이용하여 상기 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계;
    상기 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경을 포커스 직경으로 선정하는 제2 단계;
    상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제3 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  8. 제6항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    상기 미러를 이용하여 상기 빔 스플리터에서 분리된 반사 빔을 상기 빔 스플리터로 재반사시키는 제1 단계;
    상기 빔 프로파일러에 입사된 레이저 빔 이미지의 직경을 측정하는 제2 단계;
    상기 제2 단계에서 측정된 레이저 빔 이미지의 직경과 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 제3 단계;
    상기 빔 프로파일러에서 포커스 직경이 측정되도록 가공 대상물을 제1 포커스 위치에 배치하고, 레이저 빔으로 가공 대상물을 가공하는 제4 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 광 집속부 사이의 임의 위치에 가상의 제2 빔 프로파일러를 배치하고, 제2 빔 프로파일러에 입사하는 레이저 빔 이미지의 직경을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 상기 제2 빔 프로파일러의 레이저 빔 이미지의 직경, 상기 제2 빔 프로파일러와 상기 빔 프로파일러 사이의 광 경로 길이, 및 레이저 빔의 수렴각으로부터 포커스 직경을 계산하는 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  10. 제1항과 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 무질서 편광 상태의 레이저 빔을 방출하고,
    상기 빔 스플리터는 레이저 빔의 파워에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시키는 레이저 가공 장치.
  11. 제1항과 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 P파와 S파를 포함하는 레이저 빔을 방출하고,
    상기 빔 스플리터는 레이저 빔의 편광에 따라 반사 빔과 투과 빔을 분리시키는 레이저 가공 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 빔 스플리터와 상기 제1 광 집속부 사이에 위치하는 1/4 파장판을 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  13. 제1항과 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 광원과 상기 빔 스플리터 사이에 위치하는 레이저 파워 조절부를 더 포함하며,
    상기 레이저 파워 조절부는 상기 빔 프로파일러를 구성하는 전하결합소자(CCD)의 임계값에 따라 레이저 빔의 파워를 조절하는 레이저 가공 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 레이저 파워 조절부는 적어도 하나의 선형 편광판과 반파장판을 포함하거나, 적어도 하나의 중성 농도 필터를 포함하는 레이저 가공 장치.
  15. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고, 비축 빔을 회절시키는 회절 소자;
    상기 회절 소자에서 방출된 상기 축 빔 및 상기 비축 빔을 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
    상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부; 및
    상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 제1 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광 집속부는 집속 렌즈인 레이저 가공 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광 집속부는 광 스캐너인 레이저 가공 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 회절 소자와 상기 제1 광 집속부 사이에 배치되어 상기 비축 빔 중 일부를 차단하는 차단판을 더 포함하는 레이저 가공 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 차단판은 2 이상이 상기 회절 소자와 상기 빔 스플리터 사이에 배치되는 레이저 가공 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 차단판은 상기 회절 소자를 기준으로 상, 하, 좌, 우 방향에 각각 배치되는 레이저 가공 장치.
  21. P파 편광된 레이저 빔을 방출하는 레이저 광원;
    위상차를 발생시켜 상기 P파 편광된 레이저 빔의 일부를 S파로 변경시키는 1/4 파장판;
    상기 1/4 파장판에서 방출된 레이저 빔 중 P파를 통과시키고, S파를 굴절시키는 복굴절 소자;
    상기 복굴절 소자에서 방출된 P파와 S파를 각각 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
    상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 광 집속부; 및
    상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 제1 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  22. 제15항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    상기 회절 소자에서 상기 레이저 빔 중 축 빔을 통과시키고 비축 빔을 회절시키는 제1 단계;
    상기 빔 프로파일러에서 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 축 빔 및 비축 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계;
    상기 축 빔으로 상기 제1 가공 대상물을 가공하여 상기 제1 가공 대상물의 위치 변화에 따른 가공 선폭의 변화를 측정하는 제3 단계;
    상기 가공 선폭이 최소가 되는 상기 제1 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하는 제4 단계;
    상기 제1 가공 대상물이 상기 제1 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제5 단계; 및
    제2 가공 대상물을 상기 제1 포커스 위치에 배치하고, 상기 축 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치로부터 벗어나는 정도를 측정하는 제6 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 광 집속부를 이동시켜 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 위치가 상기 기준 위치에 도달하도록 조정하는 제7 단계
    를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 기준 위치는 상기 축 빔 및 상기 비축 빔 이미지의 중심점 좌표인 레이저 가공 방법.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 기준 위치는 축 빔 이미지와 비축 빔 이미지 간 간격인 레이저 가공 방법.
  26. 레이저 광원;
    상기 레이저 광원에서 방출된 레이저 빔을 반사 빔과 투과 빔으로 분리시키는 빔 스플리터;
    상기 투과 빔을 가공 대상물로 집속시키는 제1 광 집속부;
    상기 가공 대상물에서 반사되어 상기 제1 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 수광하고, 상기 가공 대상물의 위치 변화에 따른 레이저 빔의 프로파일 변화를 측정하는 빔 프로파일러; 및
    상기 빔 스플리터와 상기 빔 프로파일러 사이에 배치되어 상기 제1 광 집속부와 상기 빔 스플리터를 거친 레이저 빔을 상기 빔 프로파일러로 집속시키는 제2 광 집속부;
    를 포함하는 레이저 가공 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1 광 집속부는 광 스캐너인 레이저 가공 장치.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 가공 대상물은 틸팅 샤프트(tilting shaft)를 구비한 틸팅 롤(tilting roll)인 레이저 가공 장치.
  29. 제26항에 따른 레이저 가공 장치를 이용한 레이저 가공 방법으로서,
    제1 가공 대상물을 배치하여 상기 제1 광 집속부, 상기 제2 광 집속부 및 상기 빔 프로파일러의 위치를 교정(calibration)하는 제1 단계;
    제2 가공 대상물을 배치하여 상기 빔 프로파일러에서 상기 제2 가공 대상물의 위치 변화에 따른 상기 레이저 빔 이미지의 직경 변화를 측정하는 제2 단계;
    상기 레이저 빔 이미지의 직경이 최소가 되는 상기 제2 가공 대상물의 위치를 제1 포커스 위치로 선정하는 제3 단계;
    상기 제2 가공 대상물이 상기 제1 포커스 위치에 있을 때 상기 빔 프로파일러 상 상기 레이저 빔 이미지의 위치를 기준 위치로 설정하는 제4 단계; 및
    상기 레이저 빔으로 상기 제2 가공 대상물을 가공하면서 상기 기준 위치로부터 벗어난 레이저 빔 이미지의 위치를 측정하는 제5 단계
    를 포함하는 레이저 가공 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 제5 단계에서 측정되는 레이저 빔 이미지의 위치 정보는 상기 레이저 빔 이미지의 직경 정보와 상기 레이저 빔 이미지의 중심점 좌표 정보 중 적어도 어느 하나인 레이저 가공 방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 제5 단계에서 측정된 상기 레이저 빔 이미지의 위치가 상기 제4 단계에서 설정된 상기 기준 위치와 일치하도록 상기 제2 가공 대상물의 위치 또는 상기 제1 광 집속부의 위치 중 적어도 어느 하나를 조정하는 제6 단계
    를 더 포함하는 레이저 가공 방법.
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