KR101399985B1 - 실린더형 광학계를 이용한 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치 - Google Patents

실린더형 광학계를 이용한 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더형 렌즈(cylindrical lens)를 이용하여 최종 초점 위치에서의 빔 스폿(spot)의 횡방향 사이즈와 종방향 사이즈를 서로 다르게 조절할 수 있는 실린더형 렌즈를 이용한 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치에 관한 것이다.

Description

실린더형 광학계를 이용한 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치{APPARATUS ADJUSTING FOCAL SPOT SIZE OF LASER BEAM BY USING CYLINDRICAL OPTIC SYSTEM}
본 발명은 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실린더형 광학계(cylindrical optic system)를 이용하여 최종 초점 위치에서의 빔 스폿(spot)의 횡모드의 서로 수직인 제1 및 제2 방향 사이즈를 서로 다르게 조절할 수 있는 실린더형 렌즈를 이용한 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치에 관한 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 레이저 빔의 포컬 스폿(spot) 크기 조절 장치의 개념도를 나타낸다.
도 1에 도시된 포컬 스폿(spot) 크기 조절 장치는 일 정점을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 스캐너(10) 및 타겟 평면(TP) 상에 초점을 형성하기 위하여 스캐너(10)에 의하여 진행 방향이 조절된 평행한 레이저 빔을 투과시켜 집광시키는 집광 렌즈(30)를 포함한다.
도 1을 참조하면 타겟 평면(TP) 상에는 스캐너(10)가 회전함에 따라 다수개의 초점이 형성된다. 도면 부호 SP는 타겟 평면(TP) 상에 형성된 레이저 빔의 포컬 스폿(spot)을 나타낸다. 레이저 빔의 파장을 λ, 집광 렌즈(30)의 초점 거리를 f, 집광 렌즈(30)로 입사되는 레이저 빔의 직경을 D 라 할 때, 상기 레이저 빔의 포컬 스폿(spot) 사이즈 d 는 수학식 1로 알려져 있다.
Figure 112013084079624-pat00001
한편, d 의 크기가 크면 표면 형상 측정시 이미지 분해능이 저하되고, 레이저 가공시 가공 선폭 분해능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, d 를 작게 하려면 D 를 크게 하거나 f 를 작게 할 필요성이 있다. 그러나, 스캐너(10)의 사이즈 제한으로 인하여 D 를 크게 하는 것은 일정한 제한이 따른 문제점이 있다. 또한, 집광 렌즈(30)의 초점 거리 f 를 줄이게 되면 스캔 폭이 적어지고, 레이저 빔의 왜곡이 심해지고, 집광 렌즈(30)의 가격이 상승하는 문제점이 있다.
도 2에 도시된 포컬 스폿(spot) 크기 조절 장치는 일 정점을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 스캐너(10), 스캐너(10)에 의하여 진행 방향이 조절된 평행한 레이저 빔을 투과시켜 가상 평면(VP) 상에 초점을 형성시키며 초점 거리 f1 인 제1 볼록 렌즈(21), 가상 평면(VP)을 통과한 레이저 빔을 투과시키며 초점 거리 f2 이고 제1 볼록 렌즈(21)로부터 거리 L = f1 + f2 만큼 이격되어 설치되는 제2 볼록 렌즈(22), 타겟 평면(TP) 상에 초점을 형성하기 위하여 제2 볼록 렌즈(22)와 타겟 평면(TP) 사이에 설치되는 집광 렌즈(30)를 포함한다.
도 2를 참조하면 제1 볼록 렌즈(21)의 초점 거리 f1 과 제2 볼록 렌즈(22)의 초점 거리 f2 를 조절함으로써, D 를 크게 할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이 경우에도 f1 과 f2 를 조절하는 것은 일정한 한계가 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 레이저 빔의 포컬 스폿(spot) 크기 조절 장치는 빔의 포컬 스폿(spot)의 서로 수직하는 횡모드 성분들의 사이즈를 동일한 크기로 조절할 수 밖에 없는 문제점이 있다.
본 발명은 실린더형 광학계를 이용하여 최종 초점 위치에서 레이저 빔의 스폿(spot) 사이즈를 조절하되, 최종 초점 위치에서의 빔 스폿(spot)의 제1 및 제2 방향 횡모드 성분 사이즈를 서로 다르게 조절할 수 있는 레이저 빔의 포컬 사이즈 조절 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 집광 렌즈의 초점 거리를 변화시키지 않으면서도 실린더형 광학계를 이용하여 집광 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 종방향 직경을 크게 함으로써 최종 초점 위치에서의 레이저 빔 스폿(spot)의 종방향 사이즈를 줄일 수 있는 레이저 빔의 포컬 사이즈 조절 장치를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는, 제1 횡모드 성분(↔)이 제2 횡모드 성분(↕) 보다 작은 일방향 레이저 빔을 조사하는 제1 광학계; 및 타겟 평면에 상기 일방향 레이저 빔의 초점이 맺히도록 하는 제2 광학계를 포함할 수 있다.
본 발명은 실린더형 렌즈(cylindrical lens)를 이용함으로써 최종 초점 위치에서의 빔 스폿(spot)의 횡방향 사이즈와 종방향 사이즈를 서로 다르게 조절할 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 집광 렌즈의 초점 거리를 변화시키지 않으면서도 실린더형 렌즈(cylindrical lens)를 이용하여 집광 렌즈에 입사되는 레이저 빔의 종방향 직경을 크게 함으로써 최종 초점 위치에서의 레이저 빔 스폿(spot)의 종방향 사이즈를 줄일 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명은 통상의 집광 렌즈를 사용하더라도, 최종 초점위치에서의 레이저 빔 스폿(spot)의 일방향 사이즈를 소정의 크기로 조절함에 따라 표면 형상 측정시 일방향의 이미지 분해능이 향상되고, 레이저 가공시 일방향의 가공 선폭 분해능이 향상되는 장점이 있다.
도1 및 도2는 종래의 레이저 빔의 포컬 스폿(spot) 크기 조절 장치의 개념도이다.
도 3 및 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명의 또 따른 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치의 사시도 및 빔경로에 따른 전개도이다.
도 7은 본 발명의 또 따른 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치의 사시도이다.
도 8은 입사 빔의 단면과 초점에서의 단면을 각각 도시한 단면도이다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한 네트워크 상의 제1 구성요소와 제2 구성요소가 연결되어 있거나 접속되어 있다는 것은, 유선 또는 무선으로 제1 구성요소와 제2 구성요소 사이에 데이터를 주고 받을 수 있음을 의미한다.
또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "계", "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "계", "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다. 이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 레이저 빔의 초점 크기를 조절하여 더 작게 만들어 주는 장치로서, 제1 횡모드 성분이 제2 횡모드 성분 보다 큰 일방향 레이저 빔을 조사하는 제1 광학계 및 타겟 평면에 상기 일방향 레이저 빔의 초점이 맺히도록 하는 제2 광학계를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 제1 광학계는 상기 제2 광학계 방향으로 소정 각도 내에서 입사된 레이저 빔을 회전 반사하는 스캐너를 더 포함할 수 있다.
본 설명에서, 광학계는 하나의 광학 기구이거나 복수의 광학 기구 조합으로 구성될 수 있다. 또한 어느 광학 기구가 어느 광학계에 속한다고 하더라도 이는 설명의 편의일 뿐, 위 어느 광학 기구는 별도로 독립된 계를 구성할 수 있다. 이에 각 광학 기구가 어느 광학계에 속하는 지 특별히 언급하지 않으면서 서술하기로 한다.
횡모드는 광이 진행하는 축 즉, 광축에 수직인 광의 단면을 의미한다. 횡모드 성분은 광의 단면 중 어느 한 축의 광 성분을 의미한다. 제1 및 제2 횡모드 방향은 서로 수직인 것이 바람직하다. 이하, "제1 횡모드 방향"는 광축에 수직인 임의의 축으로서, 제1 축, 제1 방향, (x, y, z) 축 중 어느 한 축 또는 그 방향, 수평 및 수직 중 어느 한 축 또는 그 방향, 종방향 및 횡방향 등으로 혼용하여 서술하기로 한다. 특히 종방향(수직방향) 및 횡방향(수평방향)과 관련하여, 종방향은 레이저 빔의 경로에 의한 평면의 법선 방향을, 횡방향은 종방향 및 레이저 빔의 경로 방향에 각각 수직인 방향을 의미하거나, 지면과의 관계에서 방향이 정해질 수 있다. 아울러 "제1 횡모드"는 제1 축(방향) 성분이 제일 큰 성분을 가지는 것을 의미하기로 한다. 제1 횡모드 성분은 제1 성분으로 지칭할 수도 있다.
이하 도면을 참조하며 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 3 및 4는 본 발명의 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치를 도시한다. 도 8은 입사 빔의 단면과 초점에서의 단면을 각각 도시한 단면도이다.
도 3의 (a)는 사시도, (b)는 위에서 본 평면도이다. 도 3의 (c)는 (a)의 정면 기준으로, 광 경로를 따라서 본 전개도로, 일부 경로는 직교좌표계와 매치하지 않을 수 있다. 이와 같은 구조는 다른 도면에서 나타날 수 있다.
도 3을 참조하면, 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 입사된 레이저 빔을 스캐너 제어 신호에 따라 일정 영역에 조사되도록 반사하는 스캐너(100), 및 일 방향으로만 집광할 수 있는 제1 및 제2 실린더형 렌즈(cylindrical lens)(210, 220)를 포함할 수 있다.
실린더형 렌즈는 실린더형 광학기에 속한다. 실린더형 광학기는 일방향으로만 곡률을 가져, 입사 빔을 1차원 방향으로만 집광 또는 확산되도록 투과 또는 반사시키는 광학기를 의미한다. 제1 방향 실린더형 광학기는 입사빔의 제1 방향 성분을 집광 또는 확산되도록 하는 실린더형 광학기를 의미하기로 한다. 실린더형 렌즈는 투과형을 의미하며, 실린더형 거울은 반사형을 의미한다. 실린더형 렌즈의 형상은 여러 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 일 측면만 곡률을 가지거나(입사면 또는 출사면), 양 측면(입사면 및 출사면) 모두 곡률을 가질 수도 있다.
입사되는 레이저 빔의 광축은 스캐너(100)의 회전 중심 축을 지나가는 것이 바람직하다. 입사되는 레이저 빔은 발산하지 않는 실질적으로 평행 빔인 것이 바람직하다. 본 실시예에서 횡모드 성분 중 수직 성분이 수평 성분 보다 큰 레이저 빔이 입사되도록 조정된다(도 8(a) 좌측 참조).
스캐너(100)에 의해 반사된 레이저 빔은 초점 거리가 f5인 제1 실린더형 렌즈(210)을 투과한다. 제1 실린더형 렌즈(210)은 수평 방향 성분만 집광하는 수평 실린더형 볼록 렌즈이다. 제1 실린더형 렌즈(210)는 스캐너(100)의 중심 축(S0)으로부터 제1 실린더형 렌즈(210)의 초점 거리 f5에 해당하는 곳에 배치되며, 타겟 평면(TP)와의 거리가 f5 인 것이 바람직하다. 광축이 회전축(S0)을 지나는 스캐너(100)에서 반사된 다수의 빔들(L1, L2, L3) 각각의 광축(진행방향)은 제1 실린더형 렌즈(210)를 투과하며 서로 평행하게 된다. 각각의 빔(L1, L2, L3)은 제1 실린더형 렌즈(210)를 통과하며 수렴하게 된다. 본 도면에서 빔 L2의 광축은 실선으로, 빔 L2의 광속(빔의 외곽면(선))은 점선으로 도시하여, 수렴 정도를 나타내었다.
제1 실린더형 렌즈(210)를 통과한 빔은 제2 실린더형 렌즈(220)를 투과한다. 제2 실린더형 렌즈(220)은 수직 방향 성분만 집광하는 수직 실린더형 볼록 렌즈이다. 제2 실린더형 렌즈(220)는 타겟 평면(TP)과의 거리가 제2 실린더형 렌즈(220)이 초점 거리인 f6인 곳에 배치되는 것이 바람직하다.
제1 및 제2 실린더형 렌즈(210, 220)가 초점 거리 f5 및 f6와의 관계로 인해, 스캐너에서 조사되는 레이저 빔의 수직 성분 및 수평 성분, 모두 타겟 평면(TP)에 초점이 형성될 수 있다. 즉 스캐너에서 조사되는 레이저 빔의 초점이 타겟 평면에서 형성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 입사 빔의 단면은 도 8(a)의 좌측에 도시된 바와 같다. 입사 빔의 단면은 수직 성분이 수평 성분 보다 더 크기 때문에, 초점 스팟(spot)에서는 수직 성분의 작아지는 비율이 수평 성분의 작아지는 비율보다 크게 된다. 이에 초점의 단면은 도 8(a)의 우측 처럼 원형에 가까운 형상을 하게 된다. 본 실시예의 경우, 제2 실린더형 렌즈(220)의 초점은 작기 때문에, 수직 성분의 축소 비율은 더 커지게 된다(수학식 1 참조).
본 실시예는 본 도면에 도시된 것에 한정되지 않는다. 예를 들어 제1 및 제2 실린더형 렌즈의 배치 순서를 바꿀 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 실린더형 렌즈 각각의 초점은 배치 순서 및 위치(거리)에 따라 달라진다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치에 다른 형상의 단면을 가지는 레이저 빔이 입사되도록 하였다. 입사 빔의 단면은 도 8(b)의 좌측과 같이, 수평 성분이 수직 성분 보다 더 크다. 이 경우 타겟 평면(TP)에서의 초점의 단면은 도 8(b)의 우측과 같이, 원형에 가까울 수 있다.
입사빔을 수직 횡모드(수직 성분이 수평 성분 보다 더 큰 경우를 지칭함)로 할지 수평 횡모드(수평 성분이 수직 성분 보다 더 큰 경우를 지칭함)로 조정하는 것은, 응용에 따라 달라질 수 있다.
입사빔이 수직 횡모드인 경우, 수평 횡모드에 비해 넓은 스캔 폭을 얻을 수 있다. 스캔 폭에 연관된 수평 실린더형 렌즈(210)의 초점 거리를 길게 해도 되기 때문이다(초점 거리가 짧으면 스캔 폭이 짧아짐).
스캐너의 형상 특히 반사면의 형상에 따라 수평 또는 수직 횡모드를 결정하여, 결정된 수평 또는 수직 성분의 크기를 상대적으로 매우 크게 하여, 초점에서의 에너지 밀도를 높일 수 있다.
입사빔의 횡모드 성분이 비대칭인 것에 한정되지 않는다. 응용례에 따라 횡모드가 원형(대칭)인 입사빔을 사용할 수 있다. 이 경우 초점의 형상은 어느 한 성분이 큰 타원 형상을 가지며, 초점의 에너지 밀도를 본 실시예를 적용하지 않은 경우에 비해 더 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치를 도시한다. 도 5의 (a)는 사시도, (b)는 위에서 본 평면도이다. 도 5의 (c)는 (a)의 정면 기준으로, 광 경로를 따라서 본 전개도이다.
도 5를 참조하면, 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 입사된 레이저 빔을 스캐너 제어 신호에 따라 일정 영역에 조사되도록 반사하는 스캐너(100), 일 방향으로만 집광하여 반사할 수 있는 제1 실린더형 거울(310), 평면 반사 거울(320), 및 일 방향으로만 집광할 수 있는 제2 실린더형 렌즈(330)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 입사되는 레이저 빔은 실질적으로 평행 빔으로서, 입사 빔의 횡모드 성분 중 수직 성분이 수평 성분 보다 크도록 조정된다(도 8(a)의 좌측 도면 참조).
입사되는 레이저 빔의 광축은 스캐너(100)의 회전 중심 축을 지나가는 것이 바람직하다. 스캐너(100)에 의해 반사되는 범위에 제1 실린더형 거울(310)이 배치된다.
스캐너(100)에 의해 반사된 레이저 빔은 초점 거리가 f7인 제1 실린더형 거울(310)에 입사되어 반사 거울(320)을 향해 반사된다. 제1 실린더형 거울(310)은 반사면이 오목형인 것이 바람직하다. 제1 실린더형 거울(310)은 일측면이 실린더형 오목렌즈이며 타측면이 평면인 렌즈와 평면 거울을 일체로 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 제1 실린더형 거울(310)은 입사 빔의 수평 방향 성분만 수렴되도록 반사시키는 수평 방향 실린더형 오목 거울인 것이 바람직하다.
제1 실린더형 거울(310)는 스캐너(100)의 중심 축(S0)으로부터 제1 실린더형 거울(310)의 초점 거리 f7에 해당하는 곳에 배치되는 것이 바람직하다. 스캐너(100)에 의해 일정 방사각으로 연속적으로 변경되는 방사형 다경로 빔(L7, L8, L9)을 서로 평행하도록 광 경로를 변경할 수 있기 때문이다. 제1 실린더형 거울(310)에서 타겟 평면(TP)까지의 거리가 f7 인 것이 바람직하다. 본 도면의 빔 L8의 광축은 실선으로, 빔 L8의 광속은 점선으로 도시한 것을 참조한다.
평면 반사 거울(320)은 제1 실린더형 거울(310)로부터 입사되는 빔을 제2 실린더형 렌즈(330)로 반사한다. 이러한 평면 반사 거울(320)은 광학 기구들의 공간 재배치에 효율적이다.
제2 실린더형 렌즈(330)는 평면 반사 거울(320)으로부터 입사되는 빔의 수직 방향 성분과 집광되도록하여 타겟 평면(TP)에 조사한다. 제2 실린더형 렌즈(330)는 타겟 평면(TP)과의 거리가 제2 실린더형 렌즈(320)이 초점 거리인 f8인 곳에 배치되는 것이 바람직하다.
광 경로 및 초점 거리 f7과 f8, 및 제1 실린더형 거울(310) 및 제2 실린더형 렌즈(330)의 조합으로, 스캐너(100)에서 조사되는 레이저 빔은 타겟 평면(TP)에 초점이 형성될 수 있다. 입사 빔의 수직 횡모드 성분이 수평 횡모드 성분 보다 더 크기 때문에, 수학시 1에 의해, 수직 횡모드 성분의 축소율이 수평 횡모드 성분의 축소율 보다 더 크게된다. 도 8(a)는 이러한 입사빔의 단면 및 초점의 단면을 예시한다. 즉 수직 성분이 큰 일방향 레이저 빔은 타겟 평면에서 원형에 가까운 초점이 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 따른 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치의 사시도 및 빔경로에 따른 전개도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 스캐너(100), 릴레이 광학계(410), 및 대상 렌즈(450)을 포함할 수 있다.
본 도면에 도시되지는 않았지만, 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 스캐너(100)에 레이저를 주사하는 레이저 발진부를 더 포함할 수 있다. 레이저 발진부에서 발진하는 레이저 빔은 실질적으로 평행하거나 수렴하는 것이 바람직하다. 레이저 발진부는 발진한 레이저 빔을 평행하게 하거나 수렴하도록 하는 집광 광학계를 더 구비할 수 있다. 본 실시예에서, 레이저 발진부는 횡모드가 원형 즉, 모든 횡모드 성분이 실질적으로 동일한 대칭형, 즉 광속이 평행한 레이저 빔을 발진한다고 가정한다. 레이저 발진부는 응용에 따라 비대칭형 횡모드(비평행형 광속)를 가지는 레이저 빔을 발진할 수도 있다.
스캐너(100)는 제어 장치(미도시)에서 제공되는 스캐너 제어 신호에 따라 입사되는 레이저 빔을 일정 방사각으로 경로가 연속적으로 변경되도록 편향시킬 수 있다. 구체적으로 스캐너(100)의 구동에 따라, 입사빔의 반사 경로는 L11에서 L12를 거쳐 L13으로 변화된다. 이러한 경로 변화는 연속적이므로, 반사 빔 L11, L12, 및 L13 사이에는 도시되지 않은 무수히 많은 빔들이 존재한다. 반사 빔 L11, L12, 및 L13의 거동은 도시되지 않은 다른 빔들에 대해서도 적용될 수 있다. 스캐너(100)에 의해 반사되어 일정 방사각으로 경로가 연속적으로 변경되는 반사 빔을 방사형 다경로 (레이저) 빔 또는 편향 (레이저) 빔이라 지칭하기로 한다.
스캐너(100)는 갈바노미터, 폴리곤 미러, 공진형 스캐너(resonant scanner), 음향 편향 장치(acousto-optic deflector) 등을 포함할 수 있다. 스캐너(100)는 스캐너 제어 신호에 따라 작동이 온/오프되거나, 편향 주파수가 변경될 수 있다.
릴레이 광학계(410)는 스캐너(100)에 의한 방사형 다경로 빔을 다른 위치로 변경할 수 있다. 릴레이 광학계(410)는 입사하는 편향 빔을 다른 위치로 이동시킬 수 있다. 릴레이 광학계(410)에 의해 이동된 편향 빔은 스캐너(100)에 의한 부채꼴 형상의 편향 빔과 동일하거나 방사각이 다른 부채꼴 형상의 편향빔일 수 있다. 이는 후술할 릴레이 광학계(410)를 구성하는 광학기의 초점 거리에 따라 달라질 수 있다.
본 실시예에서 릴레이 광학계(410)는 실린더형 광학기를 구비할 수 있다. 실린더형 광학기는 일방향으로만 곡률을 가져, 입사 빔을 1차원 방향으로만 집광 또는 확산되도록 투과 또는 반사시키는 광학기를 의미한다. 제1 방향 실린더형 광학기는 입사빔의 제1 방향 성분을 집광 또는 확산되도록 하는 실린더형 광학기를 의미하기로 한다. 실린더형 렌즈는 투과형을 의미하며, 실린더형 거울은 반사형을 의미한다. 실린더형 렌즈는 여러 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 일 측면만 곡률을 가지거나(입사면 또는 출사면), 양 측면(입사면 및 출사면) 모두 곡률을 가질 수도 있다.
릴레이 광학계(410)는 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)는 실린더형 볼록 렌즈인 것이 바람직하다. 실린더형 렌즈를 사용함으로써 입사 빔의 특정 횡모드 성분의 발산 정도를 변경시킬 수 있어, 초점의 한 축 스폿 사이즈를 조절할 수 있다. 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)는 수평 방향으로만 곡률을 가지는 것이 바람직하다. 입사하는 방사형 다경로 빔이 형성하는 평면이 수평면이기 때문이다. 실린더형 광학기를 이용하는 경우, 구형 렌즈와 달리, 렌즈 크기에 따른 배치에 제한을 덜 받을 수 있다.
제1 실린더형 렌즈(420)는 입사되는 방사형 다경로 레이저 빔의 경로가 제1 실린더형 렌즈(420)의 광축과 평행하도록 입사되는 편향 빔을 굴절시킨다. 제1 실린더형 렌즈(420)를 투과한 서로 평행한 경로의 다경로 빔을 평행형 다경로 빔이라 지칭하기로 한다. 제1 실린더형 렌즈(420)는 입사 빔의 수평 성분이 수렴되도록 할 수 있다. 투과 빔의 광속이 수렴되는 위치는 제1 실린더형 렌즈(420)의 초점거리(f11)와 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 실린더형 렌즈(430)는 제1 실린더형 렌즈(420)를 투과한 평행형 다경로 빔이 제2 실린더형 렌즈(430)의 투과면 방향의 초점(f12)을 통과하도록 평행형 다경로 빔을 굴절 시킨다. 제2 실린더형 렌즈(430)는 입사되는 빔의 수평 성분의 발산 정도를 변화시킨다. 본 실시예에서 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)의 빔 이동 거리는 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)의 초점 거리들(f11, f12)의 합과 동일한 것이 바람직하다. 이 경우, 발산하는 입사빔은 제2 실린더형 렌즈(430)에 의해 평행빔으로 변경된다.
집광 렌즈(450)는 제2 실린더형 렌즈(430)을 투과한 레이저 빔이 진행하는 경로 상에 배치된다. 집광 렌즈(450)의 광축과 제2 실린더형 렌즈(430)의 광축은 일치하는 것이 바람직하다. 집광 렌즈(450)는 타겟 평면(TP)과 집광 렌즈(450)의 초점 거리(f13) 만큼 떨어지도록 배치되는 것이 바람직하다. 집광 렌즈(450)는 제2 실린더형 렌즈(430)을 투과한 레이저 빔이 타겟 평면(TP)에 수렴되도록 주사할 수 있다. 집광 렌즈(450)는 구형 볼록 렌즈인 것이 바람직하다.
제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)의 초점 거리들(f11, f12)의 크기를 적절히 선택하면, 제1 실린더형 렌즈(420)에 입사하는 빔의 수평 성분 크기와 비해 제2 실린더형 렌즈(430)을 투과하는 빔의 수평 성분 크기의 비율을 조절할 수 있다. 본 도면은 릴레이 광학계(410)에 입사하는 빔의 수평 성분 보다 투과하는 빔의 수평 성분이 더 큰 경우를 도시하였다. 이 경우 집광 렌즈(450)에 입사되는 빔은 수평 성분이 수직 성분 보다 더 크므로, 초점의 스팟은 수평 성분의 더 큰 수렴률로 인해 수직의 장축을 가지는 타원형으로 형성될 수 있다(도 8(d) 우측 참조). 제1 및 제2 실린더형 렌즈(420, 430)의 초점 거리들(f11, f12)의 크기의 적절한 선택 및 레이저 발진부에서 발진되는 레이저 빔의 횡단면 형상에 따라, 발진 빔의 형상과 스폿에서의 형상을 도시한 도 8의 도면 중 어느 하나가 선택되거나 다양한 조합이 이루어 질 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 따른 일실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치의 사시도이다. 도 6을 참조한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 레이저 발진부, 스캐너(100), 릴레이 광학계(510), 및 대상 렌즈(550)을 포함할 수 있다. 릴레이 광학계(510)는 실린더형 오목 거울(520), 평면 거울(530), 및 제3 실린더형 렌즈(540)를 구비할 수 있다.
도 7의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치는 도 6의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치와 대부분 대응되며, 릴레이 광학계만 서로 상이하다. 예를 들어 도 6에 따른 장치의 레이저 발진부, 스캐너(100), 제2 실린더형 렌즈(430), 집광 렌즈(450), 제2 실린더형 렌즈(430)의 초점 거리(f12), 및 집광 렌즈(450)의 초점 거리(f13)은 도 7에 따른 장치의 레이저 발진부, 스캐너(100), 제3 실린더형 렌즈(540), 대상 렌즈(550), 제3 실린더형 렌즈(540)의 초점 거리(f15), 및 대상 렌즈(550)의 초점 거리(f16)은 각각 서로 대응 될 수 있다. 대응하는 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
릴레이 광학계(510)는 스캐너(100)에 의해 편향된 방사형 다경로 레이저 빔을 다른 위치로 이동시킬 수 있다. 도 5의 릴레이 광학계(410)의 제1 실린더형 렌즈(420) 대신 실린더형 오목 거울(520)을 이용하여 스캐너(100)에 의한 방사형 다경로 레이저 빔을 평행형 다경로 레이저 빔으로 변환하였다. 실린더형 오목 거울(520)은 오목한 부분에 반사 물질이 도포되거나 반사판이 부착된 것이 바람직하다. 실린더형 볼록 렌즈의 경우 빔이 투과하여 왜곡이 발생할 수 있으나, 실린더형 오목 거울의 경우 빔이 투과하지 않으므로 매질 투과에 따른 왜곡이나 오차를 줄이거나 없을 수 있다.
평면 거울(83)은 실린더형 오목 거울(82)에 의해 반사된 평행형 다경로 빔의 경로를 적절한 방향으로 변경할 수 있다. 본 장치를 구성하는 요소들의 배치에 의해 평면 거울(83)을 이용하여 타겟 평면(TP)으로 빔이 경로를 변경할 필요가 있는 경우 유용할 수 있다. 아울러, 실린더형 오목 거울의 입사 빔과 반사 빔의 반사 각도가 큰 경우 왜곡이나 오차가 발생할 수 있어, 평면 거울(530)을 이용하여 상기 반사 각도를 줄일 수 있다. 따라서 실린더형 오목 거울(520)에 입사하는 빔과 반사하는 빔의 경로에 따른 각도는 작을 수록(0에 가까울 수록) 바람직하다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
100:스캐너
210, 220, 330, 420, 430, 540: 실린더형 렌즈
310, 520: 실린더형 오목 거울
450, 550:집광 렌즈

Claims (12)

  1. 제1 횡모드 성분(↔)이 제2 횡모드 성분(↕) 보다 작은 일방향 레이저 빔을 조사하는 제1 광학계; 및
    타겟 평면에 상기 일방향 레이저 빔의 초점이 맺히도록 하는 제2 광학계를 포함하고,
    상기 제1 광학계는 입사되는 상기 일방향 레이저 빔을 스캐너 제어 신호에 따라 일정 방사각으로 경로가 연속적으로 변경되도록 반사하는 스캐너를 구비하고,
    상기 제2 광학계는
    상기 스캐너에서 반사된 상기 일방향 레이저 빔의 상기 제1 횡모드 성분을 상기 타겟 평면에 수렴되도록 하는 제1 방향 실린더형 광학계; 및
    상기 스캐너에서 반사된 상기 일방향 레이저 빔의 상기 제2 횡모드 성분을 상기 타겟 평면에 수렴되도록 하는 제2 방향 실린더형 광학계를 구비하는, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향 실린더형 광학계 중 어느 하나는 상기 스캐너에 의해 반사되는 경로가 연속적으로 변경되는 방사형 다경로 레이저 빔을 일정 방향으로 진행하는 평행형 다경로 레이저 빔이 되도록 상기 방사형 다경로 레이저 빔의 경로를 변경하는, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향 실린더형 광학계 중 상기 방사형 다경로 레이저 빔을 상기 평행형 다경로 레이저 빔이 되도록 하는 광학계는 초점거리가 제1 초점거리인 실린더형 볼록 렌즈이고 나머지 광학계는 초점거리가 제2 초점거리인 실린더형 볼록렌즈이고,
    상기 제1 초점거리를 가지는 실린더형 볼록 렌즈와 상기 스캐너의 회전축 사이의 빔 경로 길이 또는 상기 제1 초점거리를 가지는 실린더형 볼록 렌즈와 상기 타겟 평면 사이의 빔 경로 길이는 상기 제1 초점거리이며,
    상기 제2 초점거리를 가지는 실린더형 볼록렌즈와 상기 타겟 평면 사이의 거리는 상기 제2 초점거리인, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 방향 실린더형 광학계 중 상기 방사형 다경로 레이저 빔을 상기 평행형 다경로 레이저 빔이 되도록 하는 광학계는
    초점거리가 제2 초점거리이며, 상기 입사하는 방사형 다경로 레이저 빔을 제1 예각으로 반사하여 상기 평행형 다경로 레이저 빔이 되도록 하는 실린더형 오목 거울; 및
    상기 실린더형 오목 거울에서 반사된 빔을 제2 예각으로 반사하여 상기 타겟 평면으로 진행하도록 하는 평면 거울을 구비하고,
    상기 제2 초점거리를 가지는 실린더형 오목 거울과 상기 스캐너의 회전축 사이의 빔 경로 길이 또는 상기 제2 초점거리를 가지는 실린더형 오목 거울과 상기 타겟 평면 사이의 빔 경로 길이는 상기 제2 초점거리인, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 및 제 방향 실린더형 광학계 중 상기 평행형 다경로 레이저 빔으로 변경하는 광학계가 아닌 나머지 광학계는 초점거리가 제2 초점거리인 실린더형 볼록렌즈이고,
    상기 제2 초점거리를 가지는 실린더형 볼록 렌즈와 상기 타겟 평면과의 빔 경로 길이는 상기 제2 초점거리인, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  7. 제1 횡모드 성분(↔)이 제2 횡모드 성분(↕) 보다 작은 일방향 레이저 빔을 조사하는 제1 광학계;
    타겟 평면에 상기 일방향 레이저 빔의 초점이 맺히도록 하는 제2 광학계; 및
    입사되는 레이저 빔을 스캐너 제어 신호에 따라 제1 방사각으로 경로가 연속적으로 변경되도록 반사하는 스캐너를 포함하고,
    상기 제1 광학계는 상기 스캐너에 의한 반사되는 경로가 연속적으로 변경되는 방사형 다경로 레이저 빔을 다른 위치로 변경하는 릴레이 광학계를 구비하고,
    상기 릴레이 광학계를 투과한 레이저 빔은 제1 횡모드 성분이 제2 횡모드 성분 보다 작으며,
    상기 제2 광학계는 상기 제1 광학계를 투과한 레이저 빔이 상기 타겟 평면에 수렴되도록 하는 집광 렌즈인, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학계는
    상기 입사되는 방사형 다경로 레이저 빔의 진행 방향 및 상기 스캐너의 회전 축에 수직인 제3 방향에 대응하는 횡모드 성분을 제3 초점거리에 수렴시키며, 상기 입사되는 방사형 레이저 빔의 경로를 서로 평행하는 평행형 다경로 빔이 되도록 하는 제3 실린더형 광학계; 및
    제4 초점거리를 구비하며, 상기 제3 실린더형 광학계를 투과한 상기 평행형 다경로 빔을 상기 평행형 다경로 빔의 진행 방향 및 상기 평행형 다경로 빔의 경로하는 평면의 법선 방향에 수직인 제4 방향으로 곡률을 가지는 제4 방향 실린더형 볼록 렌즈를 구비하는, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 집광 렌즈는 제5 초점거리를 구비하고,
    상기 집광 렌즈 및 상기 제4 방향 실린더형 볼록 렌즈 사이의 빔 경로 길이는 상기 제4 및 제5 초점거리의 합과 동일한, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3 실린더형 광학계는 상기 제3 방향으로 곡률을 가지는 제3 실린더형 볼록 렌즈이고,
    상기 스캐너의 중심축 및 상기 제3 실린더형 볼록 렌즈 사이의 빔 경로 길이는 상기 제3 초점거리와 동일하고,
    상기 제3 및 제4 실린더형 볼록 렌즈 사이의 빔 경로 길이는 상기 제3 및 제4 초점거리의 합과 동일한, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 제3 실린더형 광학계는
    상기 입사되는 방사형 다경로 레이저 빔이 제1 예각을 가지며 상기 평행형 다경로 빔이 되도록 반사하는 실린더형 반사 거울; 및
    상기 실린더형 반사 거울에서 반사되는 다경로 빔이 상기 제4 방향을 향하도록 반사하는 평면 거울을 구비하고,
    상기 스캐너의 중심축 및 상기 실린더형 반사 거울 사이의 빔 경로 길이는 상기 실린더형 반사 거울의 초점거리인 상기 제3 초점거리와 동일하고,
    상기 실린더형 반사 거울 및 상기 제4 실린더형 볼록 렌즈 사이의 빔 경로 길이는 상기 제3 및 제4 초점거리의 합과 동일한, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 일방향 레이저 빔의 제1 횡모드는 레이저 빔의 진행방향에 수직이며, 상기 스캐너의 회전축과 평행한 것인, 일방향 레이저 빔의 포컬 스폿 사이즈 조절 장치.
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