WO2019132442A1 - 라인빔 형성장치 - Google Patents

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WO2019132442A1
WO2019132442A1 PCT/KR2018/016438 KR2018016438W WO2019132442A1 WO 2019132442 A1 WO2019132442 A1 WO 2019132442A1 KR 2018016438 W KR2018016438 W KR 2018016438W WO 2019132442 A1 WO2019132442 A1 WO 2019132442A1
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WO
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wall
laser beam
laser
respect
unit
Prior art date
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PCT/KR2018/016438
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English (en)
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Inventor
이동희
이상길
Original Assignee
(주)유남옵틱스
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/06—Simple or compound lenses with non-spherical faces with cylindrical or toric faces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30

Definitions

  • the present invention relates to a line beam forming apparatus, and more particularly, to a line beam forming apparatus for focusing a laser beam emitted from a plurality of laser oscillating apparatuses to form a line beam.
  • an ion nitriding heat treatment apparatus In general, an ion nitriding heat treatment apparatus, a high frequency heat treatment apparatus, and a laser heat treatment apparatus are used for heat treatment of a metal mold or a metal.
  • Ion nitriding heat treatment apparatus and high frequency heat treatment apparatus have a disadvantage that maintenance cost is higher than that of laser heat treatment apparatus and operation of equipment is difficult.
  • a laser diode is attracting attention due to its high output due to MCCP (Multi Channel Cooled Package) technology and its low cost per unit output.
  • MCCP Multi Channel Cooled Package
  • Such a laser heat treatment apparatus is advantageous in that a laser light source having an output of 1 kW or more can be easily constructed by using a stack of a high power laser diode (LD) stacked in layers.
  • LD laser diode
  • FIG. 1 is a view showing a laser oscillator according to the prior art.
  • the laser oscillator 10 has a rectangular emission region G through which the laser beam emitted from the above-described stack of laser diodes passes.
  • the size of the light emitting region G that is, the total size of the laser beam emitted from the stack of laser diodes is 10 mm in the lateral direction (X-axis direction) and 40 mm in the longitudinal direction (Y-axis direction).
  • the laser beam emitted from the laser oscillator 10 passes through the beam focusing unit 30 composed of a lens or the like to form a line type beam on the image plane T, .
  • the length of the line beam focused on the image plane T is 20 mm, and the length of the line beam is 1 mm.
  • the line beam focused on the image plane T has a higher output than the laser beam emitted by the laser oscillator 10 before passing through the focusing unit. For example, when the laser beam emitted at 10 mm * 40 mm is converged to a line beam of 20 mm * 1 mm through the beam focusing unit 30, the output is increased about 20 times.
  • a high-output laser oscillator 10 In order to further increase the output of the line beam, a high-output laser oscillator 10 should be used. However, since the high-output laser oscillator 10 is very expensive, a laser oscillator 10 Use of it has an adverse effect on economic efficiency.
  • a plurality of low-power laser oscillators 10 are arranged in parallel to form a single line beam by converging the laser beams emitted from the plurality of low- Has been proposed.
  • the method of using the plurality of laser oscillators 10 is based on the separation distance between the laser oscillators 10 so that the output is discontinuous on the image plane T as shown in FIG. R) is generated.
  • the quality of the work is deteriorated by the discontinuous portion R of output.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1608471 (Feb.
  • a laser processing apparatus comprising: a first laser oscillation unit that emits a first laser beam; A second laser oscillation unit disposed in the first laser oscillation unit in a first axial direction and emitting a second laser beam; And focusing the first laser beam and the second laser beam on an image plane at a predetermined position, wherein the paths of the first laser beam and the second laser beam are deflected in directions away from each other with respect to the first axis direction
  • a line beam forming apparatus including a beam focusing unit having a diverging type refracting portion may be provided.
  • the divergent refracting unit may include a reverse biprism.
  • the reverse biprism may be formed such that the thickness decreases from the edge region toward the center region with respect to the first axis direction.
  • the reverse biprism includes a first outer wall; A second outer wall positioned on the opposite side of the first outer wall and inclined to approach the first outer wall from the edge region of the first outer wall toward the central region of the first outer wall with respect to the first axial direction; And a second outer wall which is located opposite to the first outer wall and is connected to the second outer wall and which is inclined to approach the first outer wall toward the central region of the first outer wall in the edge region of the first outer wall with respect to the first axial direction And a third outer wall disposed therein.
  • the second outer wall and the third outer wall may be symmetrical with respect to a center region of the first outer wall.
  • the reverse biprism may be arranged such that the second outer wall and the third outer wall face the first laser oscillating unit and the second laser oscillating unit, respectively.
  • the beam focusing unit is disposed so as to be spaced apart from the divergent reflection part so that the first laser beam and the second laser beam are converged before reaching the image plane and are connected to the first axial line beam on the image plane, And a first cylinder lens for refracting the path of the first laser beam and the second laser beam in a direction close to each other with respect to the first axis direction.
  • the beam focusing unit may further include a beam splitter for splitting the first laser beam and the second laser beam into a second axis intersecting the first axis direction so that the first laser beam and the second laser beam are respectively focused on the image plane, And a second cylinder lens for refracting the first and second cylindrical lenses, respectively.
  • Embodiments of the present invention are directed to a method of focusing a first laser beam and a second laser beam on an image plane at a predetermined position by refracting a path of a first laser beam and a second laser beam in directions away from each other with respect to a first axis direction
  • the laser beam oscillated by the plurality of laser oscillators can be focused on the image plane to form a line beam having a uniform output, and accordingly, the high-power laser oscillation
  • a line beam having a high output and a uniform output can be formed without using the apparatus.
  • FIG. 1 is a view showing a laser oscillator according to the prior art.
  • Figs. 2 and 3 are diagrams showing a line beam formed using the laser oscillator of Fig. 1.
  • Fig. 2 and 3 are diagrams showing a line beam formed using the laser oscillator of Fig. 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing a conventional line beam forming apparatus.
  • FIG. 5 is a view showing a line beam forming apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side view of the line beam forming apparatus of FIG.
  • FIG. 7 is a view showing the divergent type refracting portion of FIG. 5.
  • FIG. 8 is a plan view of Fig.
  • Fig. 9 is a view showing the length and output of a line beam focused on the image plane of Fig. 5; Fig.
  • FIG. 10 is a view showing a divergent type refracting portion according to a second embodiment of the present invention.
  • the first axis is indicated by 'X', the second axis direction by 'Y', and the third axis direction by 'Z'.
  • FIG. 5 is a view showing a line beam forming apparatus according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a side view of the line beam forming apparatus of FIG. 5
  • FIG. 7 is a view showing the divergent refracting portion of FIG. 5
  • Fig. 8 is a plan view of Fig. 7
  • Fig. 9 is a view showing an output of a line beam focused on the image plane of Fig.
  • the line beam forming apparatus includes a first laser oscillating unit 110 for emitting a first laser beam, a second laser oscillating unit 110 for emitting a first laser beam to the first laser oscillating unit 110, A second laser oscillation unit 120 arranged to be axially spaced apart and emitting a second laser beam, a beam focusing unit 120 for focusing the first laser beam and the second laser beam on the image plane T at a predetermined position, 130).
  • the first laser oscillation unit 110 and the second laser oscillation unit 120 are formed by stacking a plurality of layers of a high output laser diode (LD) in a single stack.
  • the first laser oscillating unit 110 and the second laser oscillating unit 120 have a light emitting region having a length of 10 mm in the lateral direction and a length of 40 mm in the longitudinal direction.
  • the scope of the right is not limited and the sizes of the light emitting regions of the first laser oscillating unit 110 and the second laser oscillating unit 120 may be variously formed.
  • the beam focusing unit 130 focuses the first laser beam and the second laser beam on the image plane T at a predetermined position.
  • a line beam having a length of 20 mm in the lateral direction (X-axis direction) and a length of 1 mm in the longitudinal direction (Y-axis direction) (See FIG. 2)
  • two laser beams that is, a first laser beam and a second laser beam are imaged using the beam focusing unit 130 (see FIG. 4)
  • a line beam having a length of 20 mm x 2 + R and a length of 1 mm in the longitudinal direction will be formed.
  • the beam focusing unit 130 and the diverging type refracting unit of the present invention are used to form a line beam having a length of 20 mm x 2 mm in the transverse direction and a length of 1 mm in the longitudinal direction, A method of providing a line beam forming apparatus that forms a line beam in which a gap R between beams does not appear is proposed.
  • the length and width of the line beam focused on the image plane T by the first laser beam and the second laser beam can be variously set.
  • the diverging type refracting unit 135 for refracting the paths of the first laser beam and the second laser beam in directions away from each other with respect to the first axis direction, And refracts the path of the first laser beam and the second laser beam in a direction approaching each other with respect to the first axis direction while being spaced apart from the diverging refracting portion 135,
  • Each of the laser beams is converged before reaching the image plane T so that the first laser beam and the second laser beam are diverged on the image plane T so that one beam is incident on the first axis (Cylinder lens: in general, the axis of the cylinder indicates the direction in which the refracting power of the lens is not given) and the first cylinder lens 150 having the axis (Y axis) perpendicular to the X axis direction 1 laser beam and the second laser A second cylinder lens 160 having an axis in the first axis (X axis) as an axis so as to focus the beams on the imaging
  • the diverging type refracting section 135 refracts the path of the first laser beam and the second laser beam in directions away from each other with respect to the first axis direction.
  • This divergent refraction section 135 includes a reverse biprism 140 of a shape as shown in FIG.
  • the reverse biprism 140 of the present embodiment changes the path of the laser beam only in the first axial direction and does not change the path of the laser beam in the second axial direction crossing the first axial direction.
  • the reverse biprism 140 is formed such that its thickness decreases from the edge region toward the center region with respect to the first axial direction.
  • the reverse biprism 140 includes a first outer wall 141 and a second outer wall 141 which are located on the opposite side of the first outer wall 141, A second outer wall 142 disposed at an opposite side of the first outer wall 141 and disposed obliquely to be closer to the first outer wall 141 toward a central region of the first outer wall 141, And a third outer wall 143 which is connected to the first outer wall 141 and is inclined to approach the first outer wall 141 from the edge region of the first outer wall 141 toward the central region of the first outer wall 141 do.
  • the second outer wall 142 is spaced apart from the first outer wall 141 and positioned opposite the first outer wall 141. 7 and 8, the second outer wall 142 extends from the edge region of the first outer wall 141 to the central region of the first outer wall 141 with respect to the first axial direction, So as to be closer to the lower surface 141 of the substrate.
  • the second outer wall 142 is disposed opposite to the first laser oscillating unit 110 to refract the first laser beam.
  • the third outer wall 143 is located on the opposite side of the first outer wall 141 from the first outer wall 141 and is connected to the second outer wall 142. 7 and 8, the third outer wall 143 extends from the edge region of the first outer wall 141 to the central region of the first outer wall 141 with respect to the first axial direction, So as to be closer to the lower surface 141 of the substrate.
  • the third outer wall 143 is disposed opposite to the second laser oscillating unit 120 to refract the second laser beam.
  • the second outer wall 142 and the third outer wall 143 are symmetrically arranged with respect to the center area of the first outer wall 141, as shown in detail in FIGS.
  • the first cylinder lens 150 is disposed apart from the diverging refracting section 135.
  • the first cylinder lens 150 refracts the path of the first laser beam and the second laser beam in a direction close to each other with respect to the first axis direction and forms an image of the first laser beam and the second laser beam,
  • the laser beams are respectively focused before reaching the plane T and the first laser beam and the second laser beam diverge on the imaging plane T to connect the respective beam edges so that one beam is as follows.
  • the first cylinder lens 150 is disposed between the diverging refracting portion 135 and the protection window 180. [ The first cylinder lens 150 changes the path of the laser beam only in the first axial direction and does not change the path of the laser beam in the second axial direction.
  • the second cylinder lens 160 focuses the first laser beam and the second laser beam on the image plane T in the second axis direction intersecting the first axis direction.
  • the second cylinder lens 160 changes the path of the laser beam only in the second axial direction and does not change the path of the laser beam in the first axial direction.
  • the second cylinder lens 160 includes a cylinder lens 161 having a center thickness greater than the edge thickness + the refractive power, and a cylinder lens 163 having a center thickness smaller than the edge thickness - And more than one.
  • the line beam width adjusting lens 170 adjusts the width of the line beam focused on the imaging plane T in the second axial direction.
  • the line beam width adjusting lens 170 of this embodiment is disposed between the first cylinder lens 150 and the protection window 180 and may be added to the beam focusing unit 130 Can be removed.
  • This line beam width adjusting lens 170 is used to finally change the second axial width of the line beam focused on the imaging plane T.
  • the line beam width adjusting lens 170 may be a negative lens
  • the width of the line beam focused on the imaging plane T can be adjusted to 3 mm in the second axial direction.
  • This line beam width adjusting lens 170 changes the path of the laser beam only in the second axial direction and does not change the path of the laser beam in the first axial direction.
  • FIG. 5 the operation of the line beam forming apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 9.
  • the first laser beam and the second laser beam emitted from the first laser oscillating unit 110 and the second laser oscillating unit 120 are refracted in the direction away from each other with respect to the first axis direction by the divergent refracting unit 135 do.
  • the first laser beam and the second laser beam having passed through the diverging type refracting unit 135 are refracted in the direction close to each other with respect to the first axis direction by the first cylinder lens 150, Each of the second laser beams is converged before proceeding to the image plane T and further proceeds so that each of the first laser beam and the second laser beam is diverged on the image plane T so that each of the first laser beam and the second laser beam The beam edge is connected.
  • Each of the first laser beam and the second laser beam emitted from the first laser oscillating unit 110 and the second laser oscillating unit 120 is focused by the second cylinder lens 160 on the image plane T Respectively.
  • the second cylinder lens 160 changes the path of the laser beam only in the second axial direction and does not change the path of the laser beam in the first axial direction.
  • the beam edges of the first laser beam and the second laser beam are connected by the first cylinder lens 150 such that each of the first laser beam and the second laser beam becomes one beam in the first axis direction of the image plane T And the second cylinder lens 160. Therefore, a line beam having a long width in the first axial direction and a narrow width in the second axial direction as a whole is obtained .
  • the first laser beam and the second laser beam are focused on the image plane (T) at a predetermined position, and the path of the first laser beam and the second laser beam is set to the first axis And a diverging type refracting section 135 for refracting the diverging type refracting section 135 in the direction away from the direction of the optical axis L.
  • the laser beam oscillated by the plurality of laser oscillating apparatuses is converged on the image plane T, A line beam having a high output and a uniform output can be formed without using an expensive high power laser oscillator.
  • FIG. 10 is a view showing a divergent type refracting portion according to a second embodiment of the present invention.
  • the present embodiment differs from the first embodiment only in the configuration of the divergent refracting portion, and the other configurations are the same as those of the first embodiment shown in Figs. 5 to 9. Therefore, It is omitted.
  • the divergent refracting portion includes an angle adjustable refracting portion 240 whose divergent angle between the first laser beam and the second laser beam can be adjusted.
  • the angle-regulated refraction section 240 includes a first prism section 241 disposed to face the first laser oscillation unit 110, a second prism section 241 disposed opposite to the second laser oscillation unit 120, And a hinge shaft portion 243 to which the first prism portion 241 and the second prism portion 242 are rotatably coupled.
  • the second prism portion 242 is disposed opposite to the first prism portion 241 and the second prism portion 242.
  • first prism portion 241 and the second prism portion 242 are formed in such a shape that the thickness decreases from the edge region toward the hinge shaft portion 243.
  • the first prism portion 241 and the second prism portion 242 are independently rotatably coupled to the hinge shaft portion 243. Therefore, the angle between the first prism portion 241 and the second prism portion 242 can be changed from that of the first embodiment.
  • the line beam forming apparatus includes the angle-regulated refraction section 240 in which the divergence angle between the first laser beam and the second laser beam can be adjusted, There is an advantage that the divergence angle of the laser beam can be easily changed.
  • first laser oscillation unit 120 second laser oscillation unit
  • beam focusing unit 135 diverging type refracting unit
  • first cylinder lens 160 second cylinder lens
  • angle-regulated refraction section 241 first prism section

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Abstract

본 발명에 따른 라인빔 형성장치는, 제1 레이저 빔을 방사하는 제1 레이저 발진유닛과, 제1 레이저 발진유닛에 제1축 방향으로 이격되어 배치되며 제2 레이저 빔을 방사하는 제2 레이저 발진유닛과, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면에 집속하되 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부를 구비하는 빔 집속유닛을 포함한다.

Description

라인빔 형성장치
본 발명은, 라인빔 형성장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 다수개의 레이저 발진장치에서 방사된 레이저 빔을 집속하여 라인빔을 형성하는 라인빔 형성장치에 관한 것이다.
일반적으로 금형 또는 금속의 열처리를 위해 이온질화(ion nitriding) 열처리 장치, 고주파 열처리 장치, 레이저 열처리 장치 등이 사용되고 있다.
이온질화 열처리 장치와 고주파 열처리 장치는 레이저 열처리 장치에 비해 유지 보수비용이 높고 장비의 운용이 어려운 단점이 있다.
이에 비해 레이저 열처리 장치의 경우에는 , 레이저 다이오드(laser diode, LD)가 MCCP(Multi Channel Cooled Package) 기술로 인해 고출력화가 가능한 점과, 단위 출력당 가격이 저렴해진 점에 의해 주목을 받고 있다.
이러한 레이저 열처리 장치는, 고출력의 레이저 다이오드(LD)를 여러 층으로 겹쳐서 하나의 더미(stack)로 구성하여 사용함으로써, 출력이 1kW 이상이 되는 레이저 광원을 쉽게 구성할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 발진장치가 도시된 도면이다.
레이저 발진장치(10)는 상술한 레이저 다이오드의 스택에서 방사된 레이저 빔이 통과하는 사각형 형상의 발광영역(G)을 가진다. 이러한 발광영역(G)의 크기, 즉, 레이저 다이오드의 스택에서 방사된 레이저 빔의 전체 크기는 가로방향(X축 방향)으로 10mm, 세로방향(Y축 방향)으로 40mm로 구성된다.
이러한 레이저 발진장치(10)에서 방사된 레이저 빔은, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈 등으로 구성된 빔 집속유닛(30)을 거쳐 결상면(T)에 라인빔(line type beam)으로 집속된다.
도 2 및 도 3에서 결상면(T)에 집속된 라인빔의 가로방향 길이는 20mm이고, 세로방향 길이는 1mm이다. 이렇게 결상면(T) 집속된 라인빔은 집속유닛을 거치기 전의 레이저 발진장치(10)에서 방사된 레이저 빔에 비하여 높은 출력을 갖는다. 예를 들어, 10mm*40mm로 방사된 레이저 빔이 빔 집속유닛(30)을 거쳐 20mm*1mm의 라인빔으로 집속되면 출력이 약 20배 높아진다.
이러한 라인빔의 출력을 더욱 높이기 위해서는 고출력의 레이저 발진장치(10)를 사용하여야 하나, 고출력의 레이저 발진장치(10)는 매우 고가이므로 고출력의 라인빔을 형성하기 위해 단순히 레이저 발진장치(10)를 사용하는 것은 경제성에 악영향을 미친다.
따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수개의 저출력 레이저 발진장치(10)를 병렬적으로 배치하여 다수개의 저출력 레이저 발진방치(10)에서 방사된 레이저 빔들을 집속하여 하나의 라인빔을 형성하는 방식이 제안되고 있다.
그런데, 다수개의 레이저 발진장치(10)를 사용하는 방식은, 레이저 발진장치(10)들 사이의 이격거리에 의해, 도 4에 도시된 바와 같이, 결상면(T)에 출력이 불연속적인 부분(R)이 발생된다.
이렇게 출력이 불연속적인 부분(R)은 다른 부분에 비해 출력이 낮으므로, 출력이 불연속적인 부분(R)에 의해 작업 품질이 악화되는 문제점이 있다.
<선행기술문헌>
-특허문헌-
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1608471호(2016.03.28)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다수개의 레이저 발진장치에서 발진된 레이저 빔을 결상면에 집속하여 균일한 출력을 가지는 라인빔을 형성할 수 있는 라인빔 형성장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 레이저 빔을 방사하는 제1 레이저 발진유닛; 상기 제1 레이저 발진유닛에 제1축 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 레이저 빔을 방사하는 제2 레이저 발진유닛; 및 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면에 집속하되, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 상기 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부를 구비하는 빔 집속유닛을 포함하는 라인빔 형성장치가 제공될 수 있다.
상기 발산형 굴절부는 역바이프리즘(reverse biprism)을 포함할 수 있다.
상기 역바이프리즘은, 상기 제1축 방향에 대하여 가장자리 영역에서 중앙 영역으로 갈수록 두께가 작아지는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 역바이프리즘은, 제1 외벽; 상기 제1 외벽의 반대편에 위치되며, 상기 제1축 방향에 대하여 상기 제1 외벽의 가장자리 영역에서 상기 제1 외벽의 중앙 영역으로 갈수록 상기 제1 외벽에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제2 외벽; 및 상기 제1 외벽의 반대편에 위치되고 상기 제2 외벽에 연결되며, 상기 제1축 방향에 대하여 상기 제1 외벽의 가장자리 영역에서 상기 제1 외벽의 중앙 영역으로 갈수록 상기 제1 외벽에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제3 외벽을 포함할 수 있다.
상기 제2 외벽과 상기 제3 외벽은 상기 제1 외벽의 중앙 영역을 기준으로 하여 상호 대칭되게 마련될 수 있다.
상기 역바이프리즘은, 상기 제2 외벽 및 상기 제3 외벽이 각각 상기 제1 레이저 발진유닛 및 제2 레이저 발진유닛에 대향되는 방향으로 배치될 수 있다.
상기 빔 집속유닛은, 상기 발산형 반사부에 이격되어 배치되며, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔이 결상면에 도달하기 전에 집속되어 결상면에서는 제1축 방향 라인빔으로 연결되도록, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 상기 제1축 방향에 대하여 서로 근접하는 방향으로 굴절시키는 제1 실린더렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔 집속유닛은, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔이 결상면에서 각각 집속되도록, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1축 방향에 교차하는 제2축 방향에 대하여 각각 굴절시키는 제2 실린더렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면에 집속하되, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부를 구비하는 빔 집속유닛을 포함함으로써, 다수개의 레이저 발진장치에서 발진된 레이저 빔을 결상면에 집속하여 균일한 출력을 가지는 라인빔을 형성할 수 있고, 그에 따라 고가의 고출력 레이저 발진장치를 사용하지 않으면서도 고출력이면서 균일한 출력을 가지는 라인빔을 형성할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 발진장치가 도시된 도면이다.
도 2와 도 3은 도 1의 레이저 발진장치를 이용하여 형성된 라인빔이 도시된 도면이다.
도 4는 종래기술에 따른 라인빔 형성장치가 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라인빔 형성장치가 도시된 도면이다.
도 6은 도 5의 라인빔 형성장치의 측면도이다.
도 7은 도 5의 발산형 굴절부가 도시된 도면이다.
도 8는 도 7의 평면도이다.
도 9는 도 5의 결상면에 집속된 라인빔의 길이와 출력이 도시된 도면이다.
도 10는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발산형 굴절부가 도시된 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
이하의 도면에서 제1축은 방향은 ‘X’로 제2축 방향은 'Y'로, 제3축 방향은 ‘Z'로 표시한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라인빔 형성장치가 도시된 도면이고, 도 6은 도 5의 라인빔 형성장치의 측면도이며, 도 7은 도 5의 발산형 굴절부가 도시된 도면이고, 도 8는 도 7의 평면도이며, 도 9는 도 5의 결상면에 집속된 라인빔의 출력이 도시된 도면이다.
본 실시예에 따른 라인빔 형성장치는, 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 빔을 방사하는 제1 레이저 발진유닛(110)과, 제1 레이저 발진유닛(110)에 제1축 방향으로 이격되어 배치되며 제2 레이저 빔을 방사하는 제2 레이저 발진유닛(120)과, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면(T)에 집속하는 빔 집속유닛(130)을 포함한다.
제1 레이저 발진유닛(110)과 제2 레이저 발진유닛(120)은 고출력의 레이저 다이오드(LD)를 여러 층으로 겹쳐서 하나의 더미(stack)로 구성하여 사용한다. 본 실시예에서 제1 레이저 발진유닛(110)과 제2 레이저 발진유닛(120)은 가로방향의 길이 10mm와, 세로방향의 길이 40mm의 발광영역을 가지는데, 이러한 발광영역의 크기에 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 제1 레이저 발진유닛(110)과 제2 레이저 발진유닛(120)의 발광영역의 크기는 다양하게 형성될 수 있다.
빔 집속유닛(130)은 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면(T)에 집속한다. 하나의 레이저 빔을 빔 집속유닛(130)를 사용하여 결상할 경우에 결상면(T)에 가로방향(X축 방향)의 길이 20mm와, 세로방향(Y축 방향)의 길이 1mm의 라인빔이 형성되도록 한다면(도 2 참조) 2 개의 레이저 빔 즉 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 빔 집속유닛(130)를 사용하여 결상할 경우(도 4참조)에 결상면(T)에 가로방향의 길이 20mmx2+R와, 세로방향의 길이 1mm의 라인빔이 형성될 것이다. 본 발명의 실시예에서는 상기 빔 집속유닛(130)과 본 발명의 발산형 굴절부를 사용하여 결상면(T)에 가로방향의 길이 20x2 mm와, 세로방향의 길이 1mm의 라인빔이 즉 20mm 두 라인빔 사이의 갭(R)이 나타나지 않는 라인 빔을 형성하는 라인빔 형성장치를 제공하는 방법을 제시하고자 한다. 상기 빔 집속유닛(130)의 구성 렌즈들을 다양하게 구성함으로서 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔으로 결상면(T)에 집속되는 라인빔의 길이와 폭은 다양하게 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 도 5 내지 도 6에 자세히 도시된 바와 같이, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부(135)와, 발산형 굴절부(135)에 이격되어 배치되며 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 근접하는 방향으로 굴절시키면서, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 결상면(T)에 도달하기 전에 집속시켜 결상면(T)에서는 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각이 발산하여 하나의 빔이 과 같이 되도록 연결하기 위해 제1축(X축) 방향과 직교하는 방향(Y축)을 축으로 갖는 제1 실린더렌즈(150)(실린더 렌즈 : 일반적으로 광학에서 실린더의 축은 렌즈의 굴절력이 주어지지 않는 방향을 나타낸다.)와, 상기 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 제1축 방향에 교차하는 제2축(Y축) 방향으로 각각 결상면(T)에 집속시키도록 하기 위해 제1축(X축) 방향을 축으로 갖는 제 2실린더렌즈(160)와, 결상면(T)에 집속된 라인빔의 제2축 방향의 폭을 조절하는 라인빔 폭 조절렌즈(170)와, 외부로부터 빔 집속유닛(130)을 보호하는 보호윈도우(180)와, 보호윈도우(180)에 연결되며 발산형 굴절부(135)와, 상기 제1축 방향 실린더렌즈(150)와 제2축 방향 실린더렌즈(160) 및 라인빔 폭 조절렌즈(170)를 수용하여 보호하는 하우징(미도시)를 포함한다.
발산형 굴절부(135)는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시킨다. 이러한 발산형 굴절부(135)는, 도 7에 도시된 바와 같이 형상의 역바이프리즘(reverse biprism, 140)을 포함한다. 본 실시예의 역바이프리즘(140)은 제1축 방향에 대하여만 레이저 빔의 경로를 변경시키고 제1축 방향에 교차하는 제2축 방향에 대해서는 레이저 빔의 경로를 변경시키지 않는다.
이러한 역바이프리즘(140)은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1축 방향에 대하여 가장자리 영역에서 중앙 영역으로 갈수록 두께가 작아지는 형상으로 마련된다.
자세히 설명하면, 본 실시예에 따른 역바이프리즘(140)은, 제1 외벽(141)과, 제1 외벽(141)의 반대편에 위치되며 제1축 방향에 대하여 제1 외벽(141)의 가장자리 영역에서 제1 외벽(141)의 중앙 영역으로 갈수록 제1 외벽(141)에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제2 외벽(142)과, 제1 외벽(141)의 반대편에 위치되고 제2 외벽(142)에 연결되며 제1축 방향에 대하여 제1 외벽(141)의 가장자리 영역에서 제1 외벽(141)의 중앙 영역으로 갈수록 제1 외벽(141)에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제3 외벽(143)을 포함한다.
제2 외벽(142)은 제1 외벽(141)에 이격되어 제1 외벽(141)의 반대편에 위치된다. 이러한 제2 외벽(142)은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1축 방향에 대하여 제1 외벽(141)의 가장자리 영역에서 제1 외벽(141)의 중앙 영역으로 갈수록 제1 외벽(141)에 가까워지도록 경사지게 배치된다.
본 실시예에서 제2 외벽(142)은 제1 레이저 발진유닛(110)에 대향되게 배치되어 제1 레이저 빔을 굴절시킨다.
제3 외벽(143)은, 제1 외벽(141)에 이격되어 제1 외벽(141)의 반대편에 위치되며, 제2 외벽(142)에 연결된다. 이러한 제3 외벽(143)은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1축 방향에 대하여 제1 외벽(141)의 가장자리 영역에서 제1 외벽(141)의 중앙 영역으로 갈수록 제1 외벽(141)에 가까워지도록 경사지게 배치된다.
본 실시예에서 제3 외벽(143)은 제2 레이저 발진유닛(120)에 대향되게 배치되어 제2 레이저 빔을 굴절시킨다.
본 실시예에서 제2 외벽(142)과 제3 외벽(143)은, 도 7 및 도 8에 자세히 도시된 바와 같이, 제1 외벽(141)의 중앙 영역을 기준으로 하여 상호 대칭되게 마련된다.
한편, 제1 실린더렌즈(150)는 발산형 굴절부(135)에 이격되어 배치된다. 이러한 제1 실린더렌즈(150)는 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 근접하는 방향으로 굴절시키면서, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 결상면(T)에 도달하기 전에 각각 집속시켜 결상면(T)에서는 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각이 발산하여 하나의 빔이 과 같이 되도록 각각의 빔 가장자리를 연결시킨다.
본 실시예에서 제1 실린더렌즈(150)는 발산형 굴절부(135)와 보호윈도우(180) 사이에 배치된다. 이러한 제1 실린더렌즈(150)는 제1축 방향에 대하여만 레이저 빔의 경로를 변경시키고 제2축 방향에 대해서는 레이저 빔의 경로를 변경시키지 않는다.
한편, 본 실시예에서 제2 실린더렌즈(160)는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔각각을 결상면(T)에서 제1축 방향에 교차하는 제2축 방향으로 집속시킨다. 이러한 제2 실린더렌즈(160)는 제2축 방향에 대하여만 레이저 빔의 경로를 변경시키고 제1축 방향에 대해서는 레이저 빔의 경로를 변경시키지 않는다.
본 실시예에서 제2 실린더렌즈(160)는, 중심 두께가 가장자리 두께 보다 더 두꺼운 +굴절력의 실린더렌즈(161)와, 중심 두께가 가장자리 두께 보다 더 얇은 -굴절력의 실린더렌즈(163)를 적어도 1개 이상 포함하여 다수개로 구성한다.
한편, 라인빔 폭 조절렌즈(170)는 결상면(T)에 집속된 라인빔의 제2축 방향의 폭을 조절한다. 본 실시예의 라인빔 폭 조절렌즈(170)는, 제1 실린더렌즈(150)와 보호윈도우(180) 사이에 배치되며, 필요에 따라 빔 집속유닛(130)에 추가되거나 빔 집속유닛(130)에서 제거될 수 있다.
이러한 라인빔 폭 조절렌즈(170)는 결상면(T)에 집속되는 라인빔의 제2축 방향 폭을 최종적으로 변경하기 위해 사용된다. 예를 들어 결상면(T)에 40mm*1mm의 라인빔을 형성하도록 설계되어진 빔 집속유닛(130)을 이용하여 40mm*3mm의 라인빔을 만들고 싶으면, 라인빔 폭 조절렌즈(170)를 마이너스 굴절력을 가지는 라인빔 폭 조절렌즈(170)로 교체함으로써, 결상면(T)에 집속되는 라인빔의 제2축 방향 폭을 3mm로 조절할 수 있다.
이러한 라인빔 폭 조절렌즈(170)는 제2축 방향에 대하여만 레이저 빔의 경로를 변경시키고 제1축 방향에 대해서는 레이저 빔의 경로를 변경시키지 않는다.
이하에서 본 실시예에 따른 라인빔 형성장치의 동작을 도 5 내지 도 9를 참고하여 설명한다.
먼저, 결상면(T)에 집속되는 라인빔의 제1축 방향 경로를 도 5에 따라 설명한다. 제1 레이저 발진유닛(110)과 제2 레이저 발진유닛(120)에서 발진된 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 발산형 굴절부(135)에 의해 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절된다.
발산형 굴절부(135)를 통과한 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔은 제1 실린더렌즈(150)에 의해 제1축 방향에 대하여 서로 근접하는 방향으로 굴절되어, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각을 결상면(T)에 도달하기 전에 각각 집속되고 더 진행하여 결상면(T)에서는 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각이 발산되어 하나의 빔과 같이 되도록 각각의 빔 가장자리가 연결된다.
결상면(T)에 집속된 라인빔에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 종래기술과 달리 제1축 방향에 대하여 불연속적인 부위가 없다. 즉, 도 9(b)에 도시된 바와 같이 결상면(T)에 집속된 라인빔은 제1축 방향에 대하여 균일한 출력을 갖는다.
다음, 결상면(T)에 집속되는 라인빔의 제2축 방향 경로를 도 6에 따라 설명한다.
제1 레이저 발진유닛(110)과 제2 레이저 발진유닛(120)에서 발진된 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 각각은 제2 실린더렌즈(160)에 의해 제2축 방향에 대하여 결상면(T)에 각각 집속된다. 이러한 제2 실린더렌즈(160)는 제2축 방향에 대하여만 레이저 빔의 경로를 변경시키고 제1축 방향에 대해서는 레이저 빔의 경로를 변경시키지 않는다.
이상에서 보면 제1 실린더렌즈(150)에 의해 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔 각각이 결상면(T)의 제1축 방향으로는 하나의 빔과 같이 되도록 각각의 빔 가장자리가 연결되고, 제2 실린더렌즈(160)에 의해 결상면(T)의 제2축 방향으로는 각각 집속되기 때문에, 전체적으로는 제1축 방향으로 길고, 제2축 방향으로는 좁은 폭을 가지는 라인 빔을 얻을 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 라인빔 형성장치는, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면(T)에 집속하되, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 경로를 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부(135)를 구비하는 빔 집속유닛(130)을 포함함으로써, 다수개의 레이저 발진장치에서 발진된 레이저 빔을 결상면(T)에 집속하여 균일한 출력을 가지는 라인빔을 형성할 수 있고, 그에 따라 고가의 고출력 레이저 발진장치를 사용하지 않으면서도 고출력이면서 균일한 출력을 가지는 라인빔을 형성할 수 있다.
도 10는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발산형 굴절부가 도시된 도면이다.
본 실시예는 제1 실시예와 비교할 때에 발산형 굴절부의 구성에 차이가 있을 뿐, 다른 구성에 있어서는 도 5 내지 도 9의 제1 실시예의 구성과 동일하므로, 이하에서는 동일한 구성에 대해서는 그 설명을 생략한다.
본 실시예에 따른 발산형 굴절부는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 사이의 발산각도가 조절될 수 있는 각도 조절형 굴절부(240)를 포함한다.
이러한 각도 조절형 굴절부(240)는, 도 10에 자세히 도시된 바와 같이, 제1 레이저 발진유닛(110)에 대향되게 배치되는 제1 프리즘부(241)와, 제2 레이저 발진유닛(120)에 대향되게 배치되는 제2 프리즘부(242)와, 제1 프리즘부(241)와 제2 프리즘부(242)가 회전가능하게 결합되는 힌지축부(243)를 포함한다.
본 실시예에서 제1 프리즘부(241)와 제2 프리즘부(242)는, 가장자리 영역에서 힌지축부(243) 방향으로 갈수록 두께가 작아지는 형상으로 마련된다.
힌지축부(243)에는 제1 프리즘부(241)와 제2 프리즘부(242)가 각각 독립적으로 회전가능하게 결합된다. 따라서 제1 프리즘부(241)와 제2 프리즘부(242) 사이의 각도가 제1 실시예와 달리 변경될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 라인빔 형성장치는, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔 사이의 발산각도가 조절될 수 있는 각도 조절형 굴절부(240)를 구비함으로써, 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔의 발산각도의 변경이 용이한 이점이 있다.
이상 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 상세히 설명하였지만 본 실시예의 권리범위가 전술한 도면 및 설명에 국한되지는 않는다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
<부호의 설명>
110: 제1 레이저 발진유닛 120: 제2 레이저 발진유닛
130: 빔 집속유닛 135: 발산형 굴절부
140: 역바이프리즘 141: 제1 외벽
142: 제2 외벽 143: 제3 외벽
150: 제1 실린더렌즈 160: 제2 실린더렌즈
161: +굴절력의 실린더렌즈 163: -굴절력의 실린더렌즈
170: 라인빔 폭 조절렌즈 180: 보호윈도우
240: 각도 조절형 굴절부 241: 제1 프리즘부
242: 제2 프리즘부 243: 힌지축부
T: 결상면

Claims (8)

  1. 제1 레이저 빔을 방사하는 제1 레이저 발진유닛;
    상기 제1 레이저 발진유닛에 제1축 방향으로 이격되어 배치되며, 제2 레이저 빔을 방사하는 제2 레이저 발진유닛; 및
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 미리 결정된 위치의 결상면에 집속하되, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 상기 제1축 방향에 대하여 서로 멀어지는 방향으로 굴절시키는 발산형 굴절부를 구비하는 빔 집속유닛을 포함하는 라인빔 형성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발산형 굴절부는 역바이프리즘(reverse biprism)을 포함하는 라인빔 형성장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 역바이프리즘은,
    상기 제1축 방향에 대하여 가장자리 영역에서 중앙 영역으로 갈수록 두께가 작아지는 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 라인빔 형성장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 역바이프리즘은,
    제1 외벽;
    상기 제1 외벽의 반대편에 위치되며, 상기 제1축 방향에 대하여 상기 제1 외벽의 가장자리 영역에서 상기 제1 외벽의 중앙 영역으로 갈수록 상기 제1 외벽에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제2 외벽; 및
    상기 제1 외벽의 반대편에 위치되고 상기 제2 외벽에 연결되며, 상기 제1축 방향에 대하여 상기 제1 외벽의 가장자리 영역에서 상기 제1 외벽의 중앙 영역으로 갈수록 상기 제1 외벽에 가까워지도록 경사지게 배치되는 제3 외벽을 포함하는 라인빔 형성장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 외벽과 상기 제3 외벽은 상기 제1 외벽의 중앙 영역을 기준으로 하여 상호 대칭되게 마련되는 것을 특징으로 하는 라인빔 형성장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 역바이프리즘은,
    상기 제2 외벽 및 상기 제3 외벽이 각각 상기 제1 레이저 발진유닛 및 제2 레이저 발진유닛에 대향되는 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 라인빔 형성장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔 집속유닛은,
    상기 발산형 굴절부에 이격되어 배치되며, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔이 결상면에 도달하기 전에 집속되어 결상면에서는 제1축 방향 라인빔으로 연결되도록, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔의 경로를 상기 제1축 방향에 대하여 서로 근접하는 방향으로 굴절시키는 제1 실린더렌즈를 더 포함하는 라인빔 형성장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔 집속유닛은,
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔이 결상면에서 각각 집속되도록, 상기 제1 레이저 빔과 상기 제2 레이저 빔을 상기 제1축 방향에 교차하는 제2축 방향에 대하여 각각 굴절시키는 제2 실린더렌즈를 더 포함하는 라인빔 형성장치.
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