WO2017122865A1 - 레이저 광학 장치 및 헤드 - Google Patents

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WO2017122865A1
WO2017122865A1 PCT/KR2016/002004 KR2016002004W WO2017122865A1 WO 2017122865 A1 WO2017122865 A1 WO 2017122865A1 KR 2016002004 W KR2016002004 W KR 2016002004W WO 2017122865 A1 WO2017122865 A1 WO 2017122865A1
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parallel
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PCT/KR2016/002004
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최병찬
강기석
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최병찬
강기석
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    • G02B6/262—Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements

Definitions

  • One embodiment of the present invention relates to a laser optical head, and more particularly to a laser optical head that can be smaller than the conventional laser optical head, and can control the shape and size of the laser beam.
  • the prior art using a laser uses a Gaussian beam profile, which is inherent in general lasers.
  • Gaussian beams are often used with complex optics, and when the irradiated laser energy is less than the ablation threshold energy of the object, the inside of the object is under-heated and is not laser processed. In addition, when the irradiated laser energy is larger than the ablation energy limit of the object, the inside of the object is overheated to induce ionization, coulomb repulsion, and ablation. There was a problem that could be compromised. In addition, since the ablation energy limit of each material is different in the case of an object composed of several layers, the Gaussian beam has a difference in energy between the center part and the outer part. There was a problem. Accordingly, although various efforts have been made to find suitable laser processes by converting the characteristics of the Gaussian beam using various filters and optical components, there has been a disadvantage in that an optical system must be configured in a large space.
  • Patent Document 0001 Korean Registered Patent Publication No. 10-0295170 (2001.04.25)
  • the present invention has been made to solve the above problems,
  • An object of the present invention is to be able to miniaturize the laser optical device and the head, which can be easily applied to any laser equipment.
  • each applied optical component is to provide a laser optical device and a head capable of adjusting and correcting the direction of the laser beam travel.
  • the optical fiber portion for transmitting a laser beam
  • the connector connecting the optical fiber portion
  • the collimator for making the laser beam into a parallel beam and focusing to focus the parallel beam
  • a lens portion wherein the parallel beam oscillated in the focusing lens portion is a flat-top beam.
  • the optical fiber part may include a core part and a coating part surrounding the core part.
  • the core portion may have a polygonal shape.
  • the core portion may have a rectangular shape.
  • the apparatus may further include a beam converter configured to convert a shape and an energy distribution of the parallel beam.
  • It may further include a beam expanding apparatus that can change the size of the parallel beam.
  • It may include a spatial filter that can change the shape of the parallel beam.
  • the focusing lens portion focusing the parallel beams, wherein the parallel beams oscillated in the focusing lens portion are flat top beams.
  • the housing may include a beam converter for converting the shape and energy distribution of the parallel beam.
  • It may further include a beam expanding device that can change the size of the parallel beam.
  • the housing may include a spatial filter capable of changing the shape of the beam.
  • the present invention can obtain the following effects by the configuration, combination, and use relationship described above with the present embodiment.
  • the laser optical device and the head can be miniaturized, and thus, the laser optical device and the head can be easily applied to any laser device.
  • the flat top beam has an effect of irradiating the laser beam with a uniform energy distribution on the object.
  • each of the applied optical parts has the effect of adjusting and correcting the advancing direction of the laser beam.
  • FIG. 1 is a view showing a laser optical device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 illustrates a flat top beam according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing the irradiation intensity of the flat top beam according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 illustrates a laser optical device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 illustrates a laser optical head according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a core unit according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a laser optical device 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the laser optical apparatus 100 may include an optical fiber unit 20, a connector 30, a collimator 40, and a focusing lens unit 50.
  • the beam converting device 60, the spatial filter 70 and the beam expanding device 80 may be further included.
  • the optical fiber unit 20 serves to transmit a laser beam to the laser optical head 200.
  • the connector 30 connects the laser optical head 200 and the optical fiber unit 20 to be able to be coupled to each other, and the connector 30 transmits the laser beam transmitted from the optical fiber unit 20 to the laser optical device 100. It may be to guide the inside of. To this end, one side of the connector 30 may be connected to the optical fiber unit 20, and the other side may be provided to be embedded in the laser optical head 200. In addition, the connector 30 may be located close to the collimator 40.
  • the collimator 40 may transform the laser beam from the laser into a parallel beam and transmit the collimator 40 in a parallel state.
  • the focusing lens unit 50 may be disposed on the outermost side of the laser optical apparatus 100 to focus the laser beam.
  • the laser optical apparatus 100 may be configured by the optical fiber unit 20, the connector 30, the collimator 40, and the focusing lens unit 50. However, it may include an additional optical device.
  • the apparatus may further include a beam converter 60, a spatial filter 70, and a beam expander 80.
  • the beam converter 60 may be a device for converting the energy distribution of the parallel beam received from the collimator 40.
  • the beam converter 60 may be a device for converting a Gaussian beam profile of a laser beam into a flat-top beam having a uniform energy distribution.
  • a flat top beam when the core 21 of the optical fiber unit 20 uses the circular core 21, a flat top beam may be mounted by mounting the beam converter 60.
  • the flat top beam can be generated directly from the square core portion 21, the flat top beam can be generated without mounting the beam converter 60. Since the beam converter 60 does not need to be mounted, the optical path is shortened and the size of the laser optical device 100 can be reduced.
  • the beam converter 60 includes simple aperture masking, 1D beam shaping with adjustable phase slit, at least two aspherical elements and refracting optical systems with at least two. It can be fabricated using optical technologies such as aspheric elements, single bi-aspheric elements, reflective optical systems and binary diffractive optics.
  • the spatial filter 70 may modify the shape of the beam.
  • the shape of the beam from the focusing lens unit 50 may be modified by using a filter such as a slit or a hole.
  • the beam expanding apparatus 80 may convert the thin parallel light beam of the laser beam irradiated from the laser beam into a thick parallel light beam and output the same.
  • the beam expanding apparatus 80 may be composed of at least three lenses. Each lens distance can be used to adjust the magnification.
  • the adjustment of the lens magnification may include one of a fixed type, a manual adjustment type and an auto adjustment type.
  • the fixed type has a fixed distance between each lens, so that the magnification can be fixed, and the manual adjustment type allows the user to manually adjust the magnification by rotating the lens manually.
  • the automatic adjustment type may adjust the magnification automatically by adjusting the lens distance using a motor.
  • the beam expanding apparatus 80 may be disposed between the collimator 40 and the beam conversion window 60, and may not be disposed when the laser beam is thick enough.
  • the collimator 40 and the beam converter 60 may include not only the beam expanding apparatus 80 but also at least one optical component such as a mask or a slit.
  • the optical fiber part 20 may include a core part 21 and a cover part 22 surrounding the core part 21.
  • the core portion 21 may be formed in various forms.
  • the core portion 21 may be formed in various shapes such as circular, elliptical, and square.
  • the core portion 21 may have a polygonal shape, and in particular, may have a rectangular shape. In the case of using the core portion 21 having a quadrangular shape, a beam having a flat top beam may be generated without the beam converter 60. However, when using the core portion 21, such as a circular shape, the beam converter 60 may be mounted to convert to a flat top beam shape.
  • FIG. 2 is a view showing a model of a conventional Gaussian beam and a flat tom beam.
  • the energy of the Gaussian beam is generated in the form of increasing toward the center, and thus the energy distribution may not be uniform.
  • the flat top beam may evenly distribute the energy to allow laser processing with uniform quality.
  • the flat top beam may be generated in a cylindrical shape such that the energy distribution may be uniform.
  • the shape of the beam is not limited to a cylinder, and a flat-top circle beam, a flat-top square beam, and a flat-top beam having a uniform energy distribution. Beam) and the like.
  • the central part was over-heated, requiring several laser scans or tightly spaced laser scanning to lower the laser energy to improve the laser processing quality.
  • the energy of the laser beam may be irradiated uniformly, and thus a uniform process may be possible.
  • 3 is a graph showing energy intensities of a conventional Gaussian beam and a flat top beam.
  • the inside of the object is underheated, and thus laser processing is not performed. If the irradiated laser energy is larger than the ablation energy limit of the object, the inside of the object may be over-heated, causing ionization, coulomb repulsion, and ablation to damage the object. Can be.
  • FIG. 4 is a view showing a laser optical device according to an embodiment of the present invention.
  • the optical fiber part 20 is connected to the connector 30 to irradiate a laser, and may include a core part 21 and a coating part 22 surrounding the core part 21.
  • the shape of the optical fiber used for the core portion 21 may be formed in a circle, a square, a ring model, or the like.
  • the laser beam transmitted from the optical fiber unit 20 may be converted into a parallel state while passing through the collimator 40 and moved to the beam converter 60.
  • the focusing lens unit 50 may include a lens.
  • the beam may be converted by the combination of the first lens 51 and the second lens 52.
  • the first lens 51 may be a planar concave cylindrical lens
  • the second lens 52 may be a planar convex cylindrical lens.
  • the beam may be converted by a combination of a plurality of lenses.
  • the first lens 51 and the second lens 52 may be the same type of lens or different types of lenses.
  • the arrangement of the first lens 51 and the second lens 52 different from each other may be changed, and the arrangement of the front and rear surfaces of each lens may be mounted differently as well as the order arrangement.
  • the ratio of the horizontal size and the vertical size of the laser beam passing through the focusing lens unit 50 may be adjusted.
  • the horizontal size and the vertical size of the laser beam may have a ratio of at least 1:10.
  • the laser optical head 200 may include a housing 10.
  • the housing 10 may include a connector 30, a collimator 40, and a focusing lens unit 50.
  • the connector 30 may be disposed in the housing 10 to connect the optical fiber unit 20.
  • the collimator 40 is disposed in the housing 10 and is formed at one side of the connector 30 to convert the laser beam transmitted from the optical fiber unit 20 into a parallel beam.
  • the focusing lens unit 50 may be disposed in the housing 10 to focus the parallel beams.
  • the focusing lens unit 50 may include a lens.
  • the size of the beam may be converted by the combination of the first lens 51 and the second lens 52.
  • the housing 10 may further include a beam converter 60, the spatial filter 70 and the beam expanding device 80.
  • the beam converter 60 may include a lens.
  • the beam may be converted by the combination of the first lens 61 and the second lens 62.
  • the flat top beam may be generated without using the beam converter 60. If not used, when using the circular core portion 21, it is possible to generate a flat top beam using the beam converter 60.
  • the laser optical head 100 may not include the beam conversion device 60, thereby reducing the size of the laser optical head 100.
  • the beam shape may be modified by the beam converter 60 to generate a desired beam shape, thereby improving the laser processing process speed and process quality.
  • FIG. 6 is a view showing the core portion 21 according to another embodiment of the present invention.
  • the optical fiber type of the optical fiber part 20 applicable to the present invention may be an optical fiber having the core part 21 having various shapes.
  • the size and quality of the beam passing through the optical system of the present technology may vary depending on the size of the optical fiber.
  • the core portion 21 may include a core portion 21, such as a circle, a rectangle, a hexagon, an ellipse, and a rectangle, in order from left to right.
  • the laser optical apparatus 100 may irradiate the flat top beam even without including the beam converter 60.
  • each applied optical component may include a device for adjusting and correcting the direction of the laser beam.
  • Laser optical head 200 is a surface treatment (Perforation), welding, cutting (Cutting) in the semiconductor, PCB, display, automotive, heavy industry, bio, medical field It can be applied to various laser materials processing such as scribing, ablation, cleaning, drilling, marking and printing.

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Abstract

본 발병의 일 실시예는 레이저 광학 헤드에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 빔을 전송하는 광섬유부와 상기 광섬유부를 연결하는 커넥터와 상기 레이저 빔을 평행 빔으로 만들어 주는 콜리메이터 및 상기 평행 빔을 집속하는 집속 렌즈부를 포함하고, 상기 집속 렌즈부에서 발진되는 상기 평행 빔은 플랫 탑(flat-top)빔 인, 레이저 광학 장치가 제공된다.

Description

레이저 광학 장치 및 헤드
본 발병의 일 실시예는 레이저 광학 헤드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기존의 레이저 광학 헤드 보다 소형화하고, 레이저 빔의 모양 및 크기를 조절할 수 있는 레이저 광학 헤드에 관한 것이다.
레이저를 이용하는 종래 기술은 일반적인 레이저의 고유특성인 가우시안 빔(Gaussian Beam Profile)을 이용한다.
가우시안 빔은 복잡한 광학기들이 많이 쓰이게 되며, 조사되는 레이저 에너지가 대상물의 어블레이션 에너지 한계점(Ablation Threshold Energy)보다 작을 경우 대상물 내부가 언더히팅(Under-Heating) 되어, 레이저 가공이 되지 않는다. 뿐만 아니라, 조사되는 레이저 에너지가 대상물의 어블레이션 에너지 한계점보다 클 경우에는 대상물 내부가 오버히팅(Over-Heating)되어 이온화(Ionization), 쿨롬반발(Coulomb repulsion), 어블레이션(Ablation)을 유도하여 대상물이 손상될 수 있는 문제점이 있었다. 또한, 여러 층의 여러 가지 재질로 구성된 대상물의 경우 각 재질의 어블레이션 에너지 한계점이 다르므로 가우시안 빔의 경우, 중앙부와 외곽부의 에너지 차이가 있어 중앙부는 오버히팅 되어 중앙부의 일부층의 손상을 초래하는 문제점이 있었다. 따라서, 다양한 필터 및 광학부품들을 사용하여 이러한 가우시안 빔의 특성을 변환하여 적합한 레이저 공정을 찾기 위한 노력을 하고 있으나, 커다란 공간내에 광학계를 구성해야 하는 단점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) 한국등록특허공보 제10-0295170호(2001.04.25)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 레이저 광학 장치 및 헤드의 소형화가 가능하여 어떠한 레이저 장비에도 쉽게 적용 가능하다.
또한, 플랫 탑 빔을 이용하여 대상물에 균일한 에너지 분포로 레이저 빔을 조사하는 레이저 광학 장치 및 헤드를 제공하는 것이다.
또한, 내부에 다양한 광학부품을 적용하여 사용자가 임의대로 레이저 빔 모양을 조절할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 적용된 각 광학부품은 레이저 빔의 진행방향을 조절 및 보정할 수 있는 레이저 광학 장치 및 헤드를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 광학 장치 및 헤드에 있어서, 레이저 빔을 전송하는 광섬유부와 상기 광섬유부를 연결하는 커넥터와 상기 레이저 빔을 평행 빔으로 만들어 주는 콜리메이터 및 상기 평행 빔을 집속 하는 집속 렌즈부를 포함하고, 상기 집속 렌즈부에서 발진되는 상기 평행 빔은 플랫 탑(flat-top)빔 인, 레이저 광학 장치를 제공한다.
상기 광섬유부는 코어부와 상기 코어부를 감싸고 있는 피복부를 포함할 수 있다.
상기 코어부는 다각형 형태를 가질 수 있다.
상기 코어부는 사각형 형태를 가질 수 있다.
상기 평행 빔의 형태 및 에너지 분포를 변환시키는 빔 변환장치를 더 포함할 수 있다.
상기 평행 빔의 크기를 변경할 수 있는 빔 확대장치를 추가로 포함할 수 있다.
상기 평행 빔의 형태를 변경할 수 있는 공간필터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하우징과 상기 하우징내에 배치되어, 광섬유부를 연결하는 커넥터와 상기 하우징내에 배치된 상기 커넥터의 일측에 형성되어, 상기 광섬유부에서 전송한 상기 레이저 빔을 평행 빔으로 만들어 주는 콜리메이터 및 상기 하우징내에 배치되어, 상기 평행 빔을 집속 하는 집속 렌즈부를 포함하고, 상기 집속 렌즈부에서 발진되는 상기 평행 빔은 플랫 탑 빔인, 레이저 광학 헤드를 제공한다.
상기 하우징은 상기 평행 빔의 형태 및 에너지 분포를 변환시키는 빔 변환장치를 포함할 수 있다.
상기 평행 빔의 크기를 변경할 수 있는 빔확대장치를 추가로 포함할 수 있다.
상기 하우징은 빔의 형태를 변경할 수 있는 공간필터를 포함할 수 있다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 레이저 광학 장치 및 헤드의 소형화가 가능하여 어떠한 레이저 장비에도 쉽게 적용 가능한 효과를 갖는다.
또한, 플랫 탑 빔을 이용하여 대상물에 균일한 에너지 분포로 레이저 빔을 조사할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 내부에 다양한 광학부품을 적용하여 사용자가 임의대로 레이저 빔 모양을 조절할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 적용된 각 광학부품은 레이저 빔의 진행방향을 조절 및 보정할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫 탑 빔을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫 탑 빔의 조사 강도를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 광학 헤드를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코어부에 대해 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시적 실시예에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치(100)를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 레이저 광학 장치(100)는 광섬유부(20), 커넥터(30), 콜리메이터(40) 및 집속 렌즈부(50)를 포함할 수 있다.
여기에 추가로, 빔 변환장치(60), 공간필터(70) 및 빔 확대장치(80)를 더 포함할 수 있다.
광섬유부(20)는 레이저 광학 헤드(200)로 레이저 빔을 전송해주는 역할을 한다.
커넥터(30)는 레이저 광학 헤드(200)와 광섬유부(20)가 서로 커플링 가능하도록 연결시켜주는 것으로, 커넥터(30)는 광섬유부(20)에서 전달된 레이저 빔을 레이저 광학 장치(100)의 내부로 유도하기 위한 것일 수 있다. 이를 위해 커넥터(30)의 일측은 광섬유부(20)와 연결되고, 타측은 레이저 광학 헤드(200)에 내입되는 형태로 구비될 수 있다. 또한, 커넥터(30)는 콜리메이터(40)와 가까이에 위치할 수 있다.
콜리메이터(40)는 레이저에서 나온 레이저 빔을 평행 빔으로 변형시켜서 평행한 상태로 전달시킬 수 있다.
집속 렌즈부(50)는 레이저 광학 장치(100)의 가장 바깥쪽의 일측에 배치되어 레이저 빔을 집속 시켜줄 수 있다.
레이저 광학 장치(100)는 광섬유부(20), 커넥터(30), 콜리메이터(40) 및 집속 렌즈부(50)에 의해 구성될 수 있다. 다만, 추가적인 광학장치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 변환장치(60), 공간필터(70) 및 빔 확대장치(80)를 더 포함할 수 있다.
빔 변환장치(60)는 콜리메이터(40)에서 전달받은 평행 빔의 에너지 분포를 변환시키는 장치일 수 있다. 빔 변환장치(60)는 레이저 빔의 가우시안 빔(Gaussian Beam Profile) 형태를 에너지 분포가 균일한 플랫 탑 빔(Flat-top Beam) 형태로 변환시켜주는 장치일 수 있다.
플랫 탑 빔은 광섬유부(20)의 코어부(21)를 원형 코어부(21)를 사용할 경우, 빔 변환장치(60)를 장착하여 플랫 탑 빔을 만들 수 있다.
그러나 사각형 코어부(21)를 사용할 경우, 사각형 코어부(21)에서 플랫 탑 빔을 바로 생성할 수 있기 때문에, 빔 변환장치(60)를 장착하지 않고 플랫탑 빔을 생성할 수 있다. 빔 변환장치(60)를 장착하지 않아도 되므로 광경로가 짧아지게 되고, 레이저 광학 장치(100)의 크기를 줄일 수 있다.
빔 변환장치(60)는 간단한 조리개 마스킹(Simple aperture masking), 페이즈 슬릿에 적합한 1차원 빔 쉐이핑(1D beam shaping with adjustable phase slit), 적어도 두개의 비구면 소자와 굴절 광학계(refractive optical systems with at least two aspheric elements), 단일 이중 비구면 요소(single bi-aspheric element), 반사 광학 시스템(reflective optical systems) 및 바이너리 회절광학 (binary diffractive optics) 등의 광학 기술을 이용하여 제작할 수 있다.
공간필터(70)는 빔의 형태를 변형시켜 줄 수 있다. 슬릿이나 홀 등의 필터를 이용하여 집속 렌즈부(50)에서 나오는 빔의 형태를 변형시켜 줄 수 있다.
빔 확대장치(80)는 레이저 빔에서 조사된 레이저 빔의 가는 평행 광선속을 굵은 평행 광선속으로 변환하여 출사 시킬 수 있다. 예를 들어, 빔 확대장치(80)는 적어도 3개의 렌즈로 구성될 수 있다. 각각의 렌즈 거리를 이용하여 배율을 조정할 수 있다. 렌즈 배율의 조정은 고정형, 수동조절형 및 자동조절형 중에 한 가지를 포함할 수 있다. 고정형은 각각의 렌즈 사이의 거리가 고정되어 있어, 배율이 고정될 수 있으며, 수동 조절형은 사용자가 직접 수동으로 렌즈를 돌려서 배율을 조정할 수 있다. 또한, 자동 조절형은 모터를 이용하여 렌즈 거리를 조정하여 배율을 자동으로 조절할 수 있다. 이러한 빔 확대장치(80)는 콜리메이터(40)와 빔변환창치(60) 사이에 배치될 수 있고, 레이저 빔이 충분히 굵은 경우에는 배치되지 않을 수도 있다. 또한, 콜리메이터(40)와 빔 변환장치(60) 사이에는 빔 확대장치(80)뿐만 아니라, 마스크 또는 슬릿 등 적어도 하나의 광학부품을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광섬유부(20)는 코어부(21)와, 코어부(21)를 감싸고 있는 피복부(22)를 포함할 수 있다. 코어부(21)는 여러 가지 형태로 형성될 수 있다.
코어부(21)는 원형, 타원형, 사각형 등의 다양한 형태로 형성될 수 있다.
코어부(21)는 다각형 형태를 가질 수 있으며, 특히 사각형 형태를 가질 수 있다. 사각형 형태의 코어부(21)를 사용할 경우, 빔 변환장치(60) 없이도 플랫 탑 빔 형태의 빔이 생성될 수 있다. 그러나 원형 형태 등의 코어부(21)를 이용할 경우, 플랫 탑 빔 형태로 변환하기 위해서 빔 변환장치(60)가 장착될 수 있다.
도 2는 종래의 가우시안 빔과, 플랫 탐 빔의 모형을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 가우시안 빔의 에너지가 중심으로 갈수록 높아지는 형태로 생성되어 에너지 분포가 균일하지 않을 수 있다. 그러나, 플랫 탑 빔은 에너지를 균일하게 분포시켜서 균일한 품질을 갖는 레이저 가공이 가능할 수 있다.
플랫 탑 빔은 원기둥과 같은 형상으로 생성되어 에너지 분포가 균일할 수 있다. 여기서, 빔의 형상은 원기둥으로 한정되는 것은 아니며, 균일한 에너지 분포를 갖는 원형 플랫 탑 빔(Flat-top Circle Beam), 사각 플랫 탑 빔(Flattop Square Beam), 평행 플랫 탑 빔(Flat-top Line Beam) 등의 형태로 변형시킬 수 있다.
종래의 가우시안 빔의 경우, 중앙부와 외곽부의 레이저 에너지 분포 차이가 있기 때문에 레이저 선택적 가공시에 국부적으로 미용융(no melting), 다공성(Porosity) 및 미세결함(Micro-Crack) 등의 발생 등으로 품질 저하를 초래할 수 있었다. 또한, 중앙부는 오버히팅(Over-heating) 되어 레이저 가공 품질을 향상시키기 위해 레이저 에너지를 낮추어 수 회의 레이저 스캐닝 또는 치밀한 간격의 레이저 스캐닝이 필요했다.
그러나, 플랫 탑 빔으로 변환하여 레이저 빔을 조사할 경우, 레이저빔의 에너지를 균일하게 조사할 수 있어, 균일한 공정이 가능할 수 있다.
도 3은 종래의 가우시안 빔과, 플랫 탑 빔의 에너지 세기를 나타내는 그래프이다.
도 3를 참조하면, 가우시안 빔의 경우 조사되는 레이저 에너지가 대상물의 어블레이션 에너지 한계점(Ablation Threshold Energy) 보다 작을 경우 대상물 내부가 언더히팅(Under-Heating) 되어, 레이저 가공이 되지 않는다. 조사되는 레이저 에너지가 대상물의 어블레이션 에너지 한계점 보다 클 경우에는 대상물 내부가 오버히팅(Over-heating)되어 이온화(Ionization), 쿨롬반발(Coulomb repulsion), 어블레이션(Ablation)를 유도하여 대상물이 손상될 수 있다.
그러나, 플랫 탑 빔으로 빔을 변환 시킬 경우, 균일한 에너지 분포를 가지므로 재질의 가공 임계 에너지로 적절한 레이저 에너지를 조사시켜 균일한 품질을 갖는 레이저 가공이 가능할 수 있다.
도 4는 레이저 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학 장치를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 광섬유부(20)는 커넥터(30)에 연결되어 레이저를 조사하는 것으로, 코어부(21)와 코어부(21)를 감싸는 피복부(22)를 포함할 수 있다.
코어부(21)를 원형 코어(Circular Core) 광섬유, 사각형 코어(Square/Rectangular Core) 광섬유, 링타입 코어(Ring Type Core) 광섬유 등을 사용할 경우, 코어부(21)에 사용된 광섬유의 모양에 따라, 빔 모양이 원형, 사각형, 링모형 등으로 형성될 수 있다.
광섬유부(20)로부터 전달된 레이저 빔은 콜리메이터(40)를 통과하면서 빔을 평행한 상태로 변환되어 빔 변환장치(60)로 이동될 수 있다.
집속 렌즈부(50)는 렌즈를 포함할 수 있다. 제 1 렌즈(51)와 제 2 렌즈(52)의 조합에 의해 빔이 변환될 수 있다. 예를 들어 제 1렌즈(51)는 평면 오목 원기둥 렌즈일 수 있으며, 제 2 렌즈(52)는 평면 볼록 원기둥 렌즈일 수 있다. 복수개의 렌즈들 조합에 의해 빔이 변환될 수 있다.
제 1 렌즈(51)와 제 2 렌즈(52)는 같은 종류의 렌즈일 수도 있으며, 서로 다른 종류의 렌즈일 수도 있다. 또한 서로 다른 렌즈 제 1 렌즈(51)와 제 2 렌즈(52)의 순서 배열은 변경 가능하며, 순서 배열뿐만 아니라, 각각의 렌즈 앞면, 뒷면 방향의 배치도 다르게 장착될 수도 있다.
또한, 제 1 렌즈(51)와 제 2 렌즈(52)를 조합하여 그 사이의 거리를 조절함으로써 집속 렌즈부(50)를 통과한 레이저 빔의 가로 크기와 세로 크기의 비율을 조절할 수도 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 가로 크기와 세로 크기는 적어도 1:10 이상의 비율을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 광학 헤드(200)를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 레이저 광학 헤드(200)는 하우징(10)을 포함할 수 있다. 하우징(10) 내에 커넥터(30), 콜리메이터(40), 집속 렌즈부(50)를 포함할 수 있다.
커넥터(30)는 하우징(10)내에 배치되어, 광섬유부(20)를 연결할 수 있다. 콜리메이터(40)는 하우징(10)내에 배치되며 커넥터(30)의 일측에 형성되어, 광섬유부(20)에서 전송한 레이저 빔을 평행 빔으로 변환할 수 있다.
집속 렌즈부(50)는 하우징(10)내에 배치되어, 평행 빔을 집속할 수 있다.
집속 렌즈부(50)는 렌즈를 포함할 수 있다. 제 1 렌즈(51)와 제 2 렌즈(52)의 조합에 의해 빔의 크기가 변환될 수 있다.
또한, 하우징(10)내에 빔 변환장치(60), 공간필터(70) 및 빔 확대장치(80)를 추가로 더 포함할 수 있다.
빔 변환장치(60)는 렌즈 포함할 수 있다. 제 1 렌즈(61)와 제 2 렌즈(62)의 조합에 의해 빔이 변환될 수 있다.
따라서, 광섬유부(20)가 다각형 형태로, 특히 사각형 코어부(21)를 사용하는 경우 빔 변환장치(60)를 이용하지 않고 플랫 탑 빔을 생성할 수 있으나, 반대로 사각형 코어부(21)를 사용하지 않고, 원형 코어부(21)를 사용할 경우 빔 변환장치(60)를 이용하여 플랫 탑 빔을 생성할 수 있다.
레이저 광학 헤드(100)는 사각형 코어부(21)를 사용하는 경우, 빔변환장치(60)를 포함하지 않을 수 있어서, 레이저 광학 헤드(100)의 사이즈를 줄일 수 있다. 빔 변환장치(60)를 사용하는 경우, 빔 변환장치(60)에 의해 빔의 형태가 변형되어 원하는 빔의 모양을 생성할 수 있어 레이저 가공 공정 속도 및 공정 품질을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 코어부(21)에 대해 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 적용할 수 있는 광섬유부(20)의 광섬유 종류는 다양한 모양의 코어부(21)를 갖는 광섬유일 수 있다. 광섬유의 크기에 따라 본 개발 기술의 광학계를 통과한 빔의 크기 및 품질이 달라질 수 있다.
코어부(21)는 왼쪽부터 오른쪽으로 차례대로, 원형, 사각형, 육각형, 타원형, 직사각형 등의 코어부(21)를 포함할 수 있다.
그러나, 사각형 코어부(21)를 가질 경우, 빔 변환장치(60)를 포함하지 않아도 레이저 광학 장치(100)는 플랫 탑 빔을 조사할 수 있다.
또한, 내부에 적용하는 광학부품은 어떠한 광학부품이든 적용하여 사용자가 임의대로 레이저 빔 모양을 조절할 수 있으며, 적용된 각 광학부품은 레이저 빔의 진행방향을 조절 및 보정할 수 있는 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 레이저 광학 헤드(200)는 반도체, PCB, 디스플레이, 자동차, 중공업, 바이오, 의료 분야의 표면 처리(Surface treatment), 천공(Perforation), 용접(Welding), 커팅(Cutting), 스크라이빙(Scribing), 어블레이션(Ablation), 클리닝(Cleaning), 드릴링(Drilling), 마킹 앤 프린팅(Marking and Printing) 등 여러 가지 레이저 물질 가공(Laser materials processing)에 응용할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
[부호의 설명]
100 : 레이저 광학 장치
200 : 레이저 광학 헤드
10 : 하우징
20 : 광섬유부
21 : 코어부
22 : 피복부
30 : 커넥터
40 : 콜리메이터
50 : 집속 렌즈부
51 : 제 1 렌즈
52 : 제 2 렌즈
60 : 빔 변환장치
70 : 공간필터
80 : 빔 확대장치

Claims (11)

  1. 레이저 빔을 전송하는 광섬유부;
    상기 광섬유부를 연결하는 커넥터;
    상기 레이저 빔을 평행 빔으로 만들어 주는 콜리메이터; 및
    상기 평행 빔을 집속 하는 집속 렌즈부;를 포함하고,
    상기 집속 렌즈부에서 발진되는 상기 평행 빔은 플랫 탑(flat-top)빔 인, 레이저 광학 장치.
  2. 청구항1에 있어서,
    상기 광섬유부는 코어부와 상기 코어부를 감싸고 있는 피복부를 포함하는 레이저 광학 장치.
  3. 청구항2에 있어서,
    상기 코어부는 다각형 형태를 가지는 레이저 광학 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 코어부는 사각형 형태를 가지는 레이저 광학 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 평행 빔의 형태 및 에너지 분포를 변환시키는 빔 변환장치를 더 포함하는 레이저 광학 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 평행 빔의 크기를 변경할 수 있는 빔 확대장치를 추가로 포함할 수 있는 레이저 광학 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 평행 빔의 형태를 변경할 수 있는 공간필터를 추가로 포함할 수 있는 레이저 광학 장치.
  8. 하우징;
    상기 하우징내에 배치되어, 광섬유부를 연결하는 커넥터;
    상기 하우징내에 배치된 상기 커넥터의 일측에 형성되어, 상기 광섬유부에서전송한 상기 레이저 빔을 평행 빔으로 만들어 주는 콜리메이터; 및
    상기 하우징내에 배치되어, 상기 평행 빔을 집속 하는 집속 렌즈부; 를 포함하고,
    상기 집속 렌즈부에서 발진되는 상기 평행 빔은 플랫 탑 빔인, 레이저 광학헤드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 하우징은 상기 평행 빔의 형태 및 에너지 분포를 변환시키는 빔 변환장치를 포함하는 레이저 광학 헤드.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 평행 빔의 크기를 변경할 수 있는 빔확대장치를 추가로 포함할 수 있는레이저 광학 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 하우징은 빔의 형태를 변경할 수 있는 공간필터를 포함하는 레이저 광학 헤드.
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