KR20050063094A - Apparatus for focusing laser beam automatically - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저빔 발생장치와 가공물 사이에 위치하는 줌광학계 및 가변초점광학계와 가공물의 표면의 높이변화를 감지하는 거리센서를 포함하며 상기 거리센서에서 센싱한 가공물 표면의 높이의 변화에 따라 줌광학계와 가변초점광학계내의 각 렌즈의 위치를 이동하여 레이저빔의 초점을 자동으로 조절하는 레이저빔 초점 자동조절장치에 관한 것이다.The present invention includes a zoom optical system and a variable focusing optical system positioned between a laser beam generator and a workpiece, and a distance sensor for detecting a height change of the surface of the workpiece, and a zoom optical system according to the change of the height of the workpiece surface sensed by the distance sensor. And a laser beam focus auto-adjustment device for automatically adjusting the focus of the laser beam by moving the position of each lens in the variable focus optical system.

Description

레이저빔의 초점 자동조절장치{Apparatus For Focusing Laser Beam Automatically} Apparatus For Focusing Laser Beam Automatically}

본 발명은 레이저를 이용한 가공장치의 레이저빔 초점 자동조절장치에 관한 것으로 특히 가공물의 표면높이가 일정하지 않은 경우 가공물이나 광학계 전체를 수직으로 이동함이 없이 용이하게 레이저빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 레이저빔의 초점 자동조절장치에 관한 것이다.The present invention relates to a laser beam focus automatic adjustment device of a processing apparatus using a laser, in particular, when the surface height of the workpiece is not constant, it is easy to automatically adjust the focus of the laser beam without moving the workpiece or the whole optical system vertically. The present invention relates to a laser beam focusing device.

레이저빔을 사용하여 가공물을 가공하는 경우에는 항상 가공물 표면의 가공지점에 레이저빔의 초점이 일치되어야 가공의 균일도와 정밀도를 확보할 수 있으므로, 가공물 표면의 높이변화에 따라 레이저빔의 초점을 조정하기 위한 방법 및 장치들이 사용되어 왔다.When processing a workpiece using a laser beam, always ensure the uniformity and precision of the machining when the laser beam is in focus at the processing point of the workpiece surface. Therefore, adjust the focus of the laser beam according to the height change of the workpiece surface. Methods and apparatuses have been used.

종래의 레이저빔의 초점을 조정하는 장치로는 도 1a와 도 1b과 같이 일반 광학계(15) 또는 가공물(20)을 직접 수직으로 이동시켜 레이저빔의 초점을 조정하는 장치들이 사용되어 왔다. 즉 도 1a의 장치는 가공물은 수평이동만을 하고 일반 광학계(15) 전체가 수직으로 이동하여 가공지점에서 레이저빔의 초점을 조절하는 방식을 사용하는 장치이다. 도 1b의 장치는 일반 광학계(15)는 고정되고 가공물(20)이 상하로 이동하여 가공지점에서 레이저빔의 초점을 조절하는 장치이다. 이때 사용되는 일반 광학계(15)는 상기 광학계(15)부터 일정한 거리에 항상 초점이 형성되는 기능만을 보유한 광학계이다.As a conventional apparatus for adjusting the focus of the laser beam, apparatuses for adjusting the focus of the laser beam by directly moving the general optical system 15 or the workpiece 20 as shown in FIGS. 1A and 1B have been used. That is, the apparatus of FIG. 1A is a device using a method in which the workpiece is only horizontally moved and the general optical system 15 is moved vertically to adjust the focus of the laser beam at the processing point. In the apparatus of FIG. 1B, the general optical system 15 is fixed and the workpiece 20 moves up and down to adjust the focus of the laser beam at the processing point. The general optical system 15 used here is an optical system having only a function of always focusing at a predetermined distance from the optical system 15.

그러나 종래의 장치들은 광학계가 크고 복잡하여 기구적으로 이동이어려운 경우나 가공물의 크기가 크거나 무거워서 이동이 어려운 경우에는 적용이 제한되는 문제가 있다. However, the conventional devices have a problem in that the application is limited when the optical system is large and complicated to move mechanically or when the size of the workpiece is large or heavy and difficult to move.

또한 종래의 장치에서는 광학계나 가공물의 빠른 이동이 어려워 가공정밀도를 확보하는데 문제가 있다.In addition, the conventional apparatus is difficult to quickly move the optical system or the workpiece, there is a problem in ensuring the processing accuracy.

본 발명은 레이저를 이용한 가공장치의 레이저빔 초점 자동조절장치에 관한 것으로 특히 가공물의 표면높이가 일정하지 않은 경우 가공물이나 광학계 전체를 수직으로 이동함이 없이 용이하게 레이저빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 레이저빔의 초점 자동조절장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention relates to a laser beam focus automatic adjustment device of a processing apparatus using a laser, in particular, when the surface height of the workpiece is not constant, it is easy to automatically adjust the focus of the laser beam without moving the workpiece or the whole optical system vertically. It is an object of the present invention to provide a laser beam focusing device.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2은 본 발명에 따른 초점 자동조절장치에 대한 구성도를 나타낸다. 도 3a는 본 발명에 따른 줌광학계의 줌렌즈 구성과 작용에 대한 실시예를 나타낸다. 도 3b는 도 3a의 줌렌즈를 이동하기 위한 줌렌즈이동수단의 개략적인 구성도를 나타낸다. 도 4a는 본 발명에 따른 가변초점광학계의 초점렌즈 구성과 작용에 대한 실시예를 나타낸다. 도 4b는 도 4a의 초점렌즈를 이동하기 위한 초점렌즈이동수단의 개략적인 구성도를 나타낸다. 도 5는 도 2의 초점 자동조절장치에 추가되는 프로젝션광학계의 설치위치 및 구성을 나타낸다. 도 6은 도 5의 초점 자동조절장치에 추가되는 갈바노미터의 설치위치 및 구성을 나타낸다.2 shows a block diagram of a focus auto adjusting device according to the present invention. Figure 3a shows an embodiment of the configuration and operation of the zoom lens of the zoom optical system according to the present invention. FIG. 3B shows a schematic configuration diagram of a zoom lens moving means for moving the zoom lens of FIG. 3A. Figure 4a shows an embodiment of the configuration and operation of the focus lens of the variable focus optical system according to the present invention. 4B shows a schematic configuration diagram of a focus lens shifting means for moving the focus lens of FIG. 4A. FIG. 5 shows an installation position and a configuration of a projection optical system added to the auto focusing apparatus of FIG. 2. Figure 6 shows the installation position and configuration of the galvanometer is added to the automatic focusing apparatus of FIG.

본 발명의 레이저빔의 초점 자동조절장치는 레이저빔 발생장치(10)와 가공물(20) 사이에 위치하는 줌광학계(30) 및 가변초점광학계(40)와 가공물(20)의 표면의 높이변화를 측정 거리센서(50) 및 제어부(80)를 포함하여 구성된다.The apparatus for automatically adjusting the focus of the laser beam according to the present invention can change the height of the surface of the zoom optical system 30 and the variable focus optical system 40 and the workpiece 20 positioned between the laser beam generator 10 and the workpiece 20. It comprises a measuring distance sensor 50 and the control unit 80.

상기 줌광학계(30)는 오목렌즈, 불록렌즈 등의 다양한 조합(이하 줌광학계(30)에 사용되는 렌즈조합을 '줌렌즈(32)'라 한다.)과 상기 줌렌즈(32)의 위치를 이동시키는 줌렌즈이동수단(36)을 포함하여 형성되며 레이저빔 발생장치(10)의 전단에 설치된다. 상기 줌광학계(30)는 레이저빔 발생장치(10)에서 발생되는 레이저빔의 결상위치는 변화시키지 않으면서 레이저빔의 상의 크기만을 변화시키는 광학계이다. The zoom optical system 30 moves various positions of the concave lens, the block lens, and the like (hereinafter, the lens combination used in the zoom optical system 30 is referred to as the 'zoom lens 32') and the position of the zoom lens 32. It is formed including the zoom lens moving means 36 and is installed at the front end of the laser beam generator 10. The zoom optical system 30 is an optical system that changes only the size of the image of the laser beam without changing the imaging position of the laser beam generated by the laser beam generator 10.

도 3a를 참고하여 보면 상기 줌렌즈(32)는 불록렌즈인 제1렌즈(33)와 오목렌즈인 제2렌즈(34) 및 불록렌즈인 제3렌즈(35)로 구성된다. 상기 줌광학계(30)는 상기 제1렌즈(33)에 대하여 상기 제2렌즈(34)와 제3렌즈(35)의 상대적인 위치를 조정하여 레이저빔이 결상되는 높이를 변화시키지 않고 결상되는 레이저빔의 크기만 변화시키게 된다. 도 3a의 (a)의 상기 줌렌즈(32) 위치조합은 (c)의 위치조합과 각 렌즈(33, 34, 35)의 상대적인 위치에서 차이가 있으며 (a)의 조합에서 형성되는 레이저빔의 상의 크기가 상대적으로 작게 된다. 따라서 도 3의 (a), (b), (c)의 조합 순으로 레이저빔의 상의 크기가 증가하게 된다. Referring to FIG. 3A, the zoom lens 32 includes a first lens 33 as a block lens, a second lens 34 as a concave lens, and a third lens 35 as a block lens. The zoom optical system 30 adjusts a relative position of the second lens 34 and the third lens 35 with respect to the first lens 33 to form an image without changing the height at which the laser beam is formed. Will only change the size of. The position combination of the zoom lens 32 of FIG. 3A (a) is different from the position combination of (c) and the relative position of each lens 33, 34, 35 and the image of the laser beam formed by the combination of (a) The size becomes relatively small. Therefore, the size of the laser beam image increases in the order of the combinations of FIGS. 3A, 3B, and 3C.

상기 줌렌즈(32)로 사용되는 각 렌즈의 조합은 도 3a외에도 다양한 렌즈의 조합으로 이루어 질 수 있음은 물론이다. Combination of each lens used as the zoom lens 32 may be made of a combination of a variety of lenses in addition to Figure 3a.

상기 줌렌즈이동수단(36)은 상기 줌렌즈(32)를 지지하는 줌렌즈지지부재(39)와 상기 줌렌즈지지부재(39)와 결합하여 이동시키는 줌렌즈이동축(38) 및 상기 줌렌즈이동축(38)을 회전시키는 줌렌즈모터(37)를 포함하여 구성되며 상기 제어부(80)에 의하여 제어된다.The zoom lens moving means 36 rotates the zoom lens moving shaft 38 and the zoom lens moving shaft 38 which are combined with the zoom lens supporting member 39 and the zoom lens supporting member 39 to support the zoom lens 32. It comprises a zoom lens motor 37 and is controlled by the control unit 80.

상기 줌렌즈이동수단(36)은 상기 줌렌즈(32)를 구성하는 각 렌즈에 대하여 독립적으로 형성되어 각 렌즈를 개별적으로 이동시켜 상대적인 위치를 조정하게 된다.The zoom lens moving means 36 is formed independently of each lens constituting the zoom lens 32 to move each lens individually to adjust the relative position.

도 3b는 상기 줌렌즈이동수단(36)의 실시예로서 도 3a의 제2렌즈에 형성되는 상기 줌렌즈이동수단(36)의 결합관계를 나타낸다. 상기 줌렌즈모터(37)의 작동에 따라 상기 줌렌즈이동축(38)이 회전하여 상기 줌렌즈지지부재(39)와 제2렌즈(34)를 이동시키게 된다. 3B shows a coupling relationship between the zoom lens shifting means 36 formed in the second lens of FIG. 3A as an embodiment of the zoom lens shifting means 36. As the zoom lens motor 37 operates, the zoom lens moving shaft 38 rotates to move the zoom lens support member 39 and the second lens 34.

상기 줌렌즈모터(37)는 상기 줌광학계(30)를 구성하는 렌즈 등의 크기에 따라 리니어모터나 보이스코일모터 등이 사용될 수 있다.The zoom lens motor 37 may be a linear motor, a voice coil motor, or the like according to the size of the lens constituting the zoom optical system 30.

상기 가변초점광학계(40)는 하나 이상의 렌즈(이하 가변초점광학계(40)에 사용되는 렌즈를 '초점렌즈(42)'라 한다)와 상기 초점렌즈(42)의 위치를 이동시키는 초점렌즈이동수단(44)을 포함하여 구성되며 레이저빔의 결상위치를 조정하는 광학계이다. 상기 가변초점광학계(40)는 상기 줌광학계(30)의 전단에 설치된다. The variable focusing optical system 40 includes one or more lenses (hereinafter, referred to as a 'focal lens 42' used for the variable focusing optical system 40) and a focus lens shifting means for shifting positions of the focus lens 42. And an optical system for adjusting the imaging position of the laser beam. The variable focus optical system 40 is installed at the front end of the zoom optical system 30.

도 4a는 하나의 불록렌즈로 구성된 상기 초점렌즈(42)를 나타내며 상기 초점렌즈(42)의 위치를 변경하면 레이저빔의 결상위치가 변경된다. 상기 초점렌즈(42)의 위치를 Δx 만큼 상기 줌광학계(30) 방향으로 이동시키면 레이저빔의 결상위치는 Δy만큼 이동하게 되며 레이저빔의 상의 크기는 h에서 h'로 변하게 된다.4A shows the focus lens 42 composed of one block lens. When the position of the focus lens 42 is changed, the imaging position of the laser beam is changed. When the position of the focus lens 42 is moved in the direction of the zoom optical system 30 by Δx, the imaging position of the laser beam is shifted by Δy and the size of the laser beam is changed from h to h '.

상기 초점렌즈(42)의 조합은 도 4a 외에도 다양한 렌즈의 조합으로 이루어 질 수 있음은 물론이다. The combination of the focus lens 42 may be made of a combination of various lenses in addition to FIG. 4A.

상기 초점렌즈이동수단(44)은 상기 초점렌즈(42)를 지지하는 초점렌즈지지부재(47)와 상기 초점렌즈지지부재(47)와 결합하여 이동시키는 초점렌즈이동축(46) 및 상기 초점렌즈이동축(46)을 회전시키는 초점렌즈모터(45)를 포함하여 구성되며 상기 제어부(80)에 의하여 제어된다.The focus lens shifting means 44 is coupled to the focus lens support member 47 and the focus lens support member 47 for supporting the focus lens 42 and the focus lens shift shaft 46 and the focus lens shift shaft. It comprises a focus lens motor 45 for rotating 46 and is controlled by the control unit 80.

상기 초점렌즈이동수단(44)은 상기 초점렌즈(42)를 구성하는 각 렌즈와 독립적으로 결합되어 각각의 렌즈의 상대적인 위치를 이동시키게 된다. The focus lens shifting means 44 is independently coupled to each lens constituting the focus lens 42 to move a relative position of each lens.

도 4b는 상기 초점렌즈이동수단(44)의 실시예로서 4a의 초점렌즈(42)와 상기 초점렌즈이동수단(44)의 결합관계를 나타내는 구성도이다. 상기 초점렌즈모터(45)의 작동에 따라 상기 초점렌즈이동축(46)이 회전하여 상기 초점렌즈지지부재(47)와 초점렌즈(42)를 이동시키게 된다. 상기 초점렌즈모터(45)는 상기 제어부(80)에 의하여 제어된다.4B is a configuration diagram showing a coupling relationship between the focus lens 42 of 4a and the focus lens shifting means 44 as an embodiment of the focus lens shifting means 44. As the focus lens motor 45 operates, the focus lens movement shaft 46 rotates to move the focus lens support member 47 and the focus lens 42. The focus lens motor 45 is controlled by the controller 80.

상기 초점렌즈이동수단(44)은 상기 줌렌즈이동수단(36)과 마찬가지로 리니어모터나 보이스코일모터 등이 사용될 수 있다.The focus lens shifting means 44 may be a linear motor, a voice coil motor, or the like, similar to the zoom lens shifting means 36.

상기 거리센서(50)는 가공물(20)의 표면에서 소정의 높이만큼 이격되어 설치되며 가공물(20) 표면의 높이변화를 측정하여 상기 제어부(80)로 전송한다. 상기 거리센서(50)로는 광학식, 접촉식 정전용량방식 등 다양한 방식의 센서를 사용할 수 있다.The distance sensor 50 is installed spaced apart from the surface of the workpiece 20 by a predetermined height, and measures the height change of the surface of the workpiece 20 and transmits it to the controller 80. As the distance sensor 50, various types of sensors such as optical and contact capacitive methods may be used.

상기 거리센서(50)는 레이저빔이 조사되는 위치의 높이변화를 측정하거나, 또는 레이저빔의 조사경로에서 레이저빔이 조사되는 위치보다 소정거리 전방에서의 가공물(20) 표면의 높이변화를 측정하도록 설치된다. 바람직하게는 상기 거리센서(50)는 광학식 또는 접촉식을 사용하며, 레이저빔이 조사되는 위치보다 소정거리 전방에서의 높이변화를 측정하도록 설치된다.The distance sensor 50 measures the height change of the position where the laser beam is irradiated, or the height change of the surface of the workpiece 20 at a predetermined distance ahead of the position where the laser beam is irradiated in the laser beam irradiation path. Is installed. Preferably, the distance sensor 50 uses an optical or contact type, and is installed to measure the height change in a predetermined distance from the position where the laser beam is irradiated.

상기 거리센서(50)는 측정되는 높이변화에 대한 측정치를 상기 제어부(80)로 전송하며, 상기 제어부(80)는 상기 측정치를 이용하여 상기 줌렌즈이동수단(36)과 초점렌즈이동수단(44)을 제어한다.The distance sensor 50 transmits a measurement value for the measured height change to the controller 80, and the controller 80 uses the measured value to zoom the lens lens moving means 36 and the focus lens moving means 44. To control.

한편 상기 줌광학계(30)와 가변초점광학계(40)로 구성되는 본 발명의 레이저빔 초점 자동조절장치에는 프로젝션광학계(60)와 갈바노미터(70)가 추가로 포함될 수 있다.On the other hand, the laser beam focus automatic adjustment device of the present invention composed of the zoom optical system 30 and the variable focus optical system 40 may further include a projection optical system 60 and a galvanometer 70.

도 5를 참고하여 보면 상기 프로젝션광학계(60)는 호모지나이저(62)와 패턴마스크(64)와 스캔렌즈(66)를 포함하여 형성되며 상기 레이저빔 발생장치(10)와 상기 줌광학계(30) 사이에 설치된다.Referring to FIG. 5, the projection optical system 60 includes a homogenizer 62, a pattern mask 64, and a scan lens 66, and the laser beam generator 10 and the zoom optical system 30. Installed between).

상기 호모지나이저(62)는 여러 개의 렌즈로 구성되며 상기 패턴마스크(64)면에 조사되는 레이저빔의 크기를 조정하고 레이저빔의 단면 에너지 분포를 균일하게 한다. 상기 호모지나이저(62)는 일반적으로 알려져 있는 구성을 사용하는 것이 가능하다.The homogenizer 62 is composed of a plurality of lenses to adjust the size of the laser beam irradiated on the pattern mask 64 surface and to make the cross-sectional energy distribution of the laser beam uniform. The homogenizer 62 can use a configuration that is generally known.

상기 패턴마스크(64)는 가공물(20)에 형성하고자 하는 패턴이 형성되며 상기 호모지나이저(62)의 전단에 설치되어 상기 호모지나이저(62)에서 조사되는 레이저빔을 패턴마스크(64)의 패턴 형상으로 변경하게 된다.The pattern mask 64 has a pattern to be formed on the workpiece 20 and is installed at the front end of the homogenizer 62 to irradiate the laser beam irradiated from the homogenizer 62 with the pattern mask 64. The pattern shape is changed.

상기 스캔렌즈(66)는 적절하게 설계된 여러 개의 렌즈로 구성되며 상기 패턴마스크(64)의 전단에 설치되어 상기 패턴마스크(64)에서 생성되는 레이저빔의 패턴형상이 왜곡되지 않고 상기 줌광학계(30)에 결상되도록 한다. 상기 스캔렌즈(66)의 렌즈구성은 일반적으로 알려진 것을 사용하는 것이 가능하다.The scan lens 66 is composed of several properly designed lenses and is installed at the front end of the pattern mask 64 so that the pattern shape of the laser beam generated by the pattern mask 64 is not distorted and the zoom optical system 30 is not distorted. ) To make an image. It is possible to use a generally known lens configuration of the scan lens 66.

도 6를 참조하여 보면 상기 갈바노미터(70)는 상기 가변초점광학계(40)와 가공물(20)사이에 설치되며 내재하는 반사미러의 각도를 조절하여 상기 가변초점광학계(40)에서 조사되는 레이저빔이 가공물(20) 표면의 일정영역에서 스캔되도록 한다. 따라서 상기 갈바노미터(70)를 사용하면 가공물(20)의 이동 없이도 가공물(20)의 일정영역에 패턴을 형성할 수 있게 된다.Referring to FIG. 6, the galvanometer 70 is installed between the variable focusing optical system 40 and the workpiece 20, and adjusts the angle of an intrinsic reflection mirror to irradiate the laser with the variable focusing optical system 40. The beam is scanned in a predetermined area of the workpiece 20 surface. Therefore, when the galvanometer 70 is used, a pattern can be formed in a predetermined region of the workpiece 20 without moving the workpiece 20.

상기 갈바노미터(70)는 상기 프로젝션광학계(60)와 동시에 사용될 수 있으며, 가공물(20)의 표면에 패턴마스크(64)의 형상을 일정영역에 대하여 반복적으로 형성할 수 있다.The galvanometer 70 may be used simultaneously with the projection optical system 60, and may repeatedly form the shape of the pattern mask 64 on a surface of the workpiece 20 with respect to a predetermined region.

상기 제어부(80)는 상기 거리센서(50)와 상기 줌렌즈이동수단(36)과 초점렌즈이동수단(44)과 연결되어 상기 거리센서(50)의 측정치를 수신하고 측정치를 기준으로 상기 줌렌즈이동수단(36)과 초점렌즈이동수단(44)을 제어하여 각 렌즈의 이동을 제어하게 된다. The control unit 80 is connected to the distance sensor 50, the zoom lens moving means 36 and the focus lens moving means 44 to receive the measured value of the distance sensor 50 and the zoom lens moving means based on the measured value. Reference numeral 36 and focal lens shifting means 44 are controlled to control the movement of each lens.

한편 상기 갈바노미터(70)를 추가로 설치하는 경우에는 상기 제어부(80)는 상기 갈바노미터(70)와 연결되어 갈바노미터(70)를 제어하게 된다 Meanwhile, when the galvanometer 70 is additionally installed, the controller 80 is connected to the galvanometer 70 to control the galvanometer 70.

다음은 상기 줌광학계(30)와 상기 가변초점광학계(40)의 작용에 대하여 설명한다.Next, the operation of the zoom optical system 30 and the variable focus optical system 40 will be described.

먼저 상기 초점렌즈(42)의 위치변화에 따른 레이저빔의 결상위치 변화에 대하여 수식으로 살펴본다.First, the change in the imaging position of the laser beam according to the change in the position of the focus lens 42 will be described with a formula.

먼저 도 4a의 (a)에서 보는 바와 같이 상기 줌광학계(30)에서 나오는 레이저빔의 상의 크기를 t, 이 상으로부터 초점렌즈(42)까지의 거리를 a, 초점렌즈(42)에서 결상위치까지의 거리를 b, 레이저빔의 상의 결상크기를 h, 초점렌즈(42)의 초점거리를 f라 하면 식(1)과 식(2)의 기하광학식이 성립한다.First, as shown in (a) of FIG. 4A, the size of the image of the laser beam emitted from the zoom optical system 30 is t, the distance from the image to the focus lens 42 is a, and from the focus lens 42 to the imaging position. If the distance b is h, the image forming size of the laser beam is h, and the focal length of the focus lens 42 is f, the geometric optical equations of Equations (1) and (2) are established.

도 4a의 (b)에서 보는 바와 같이 레이저빔의 결상위치를 b에서 b'로 Δy만큼 변경하기 위해서는 초점렌즈(42)의 위치를 a에서 a'로 Δx만큼 변경하여야하며 식(1)은 식(3)과 같이 변경된다.As shown in (b) of FIG. 4A, in order to change the imaging position of the laser beam by Δy from b to b ', the position of the focus lens 42 should be changed by Δx from a to a' and Equation (1) is It is changed as shown in (3).

식(3)으로부터 식(4)와 같이 Δx를 구할 수 있게 된다. From equation (3), Δx can be obtained as in equation (4).

따라서 상기 초점렌즈(42)를 Δx만큼 이동하면 레이저빔의 결상위치를 Δy만큼 조정할 수 있게 된다. Therefore, if the focus lens 42 is moved by Δx, the imaging position of the laser beam may be adjusted by Δy.

한편 도 4a의 (b)와 같이 상기 초점렌즈(42)의 위치를 Δx만큼 이동하면 식(5)와 식(6)과 같은 기하광학식이 성립한다. On the other hand, as shown in (b) of FIG. 4A, when the position of the focus lens 42 is moved by Δx, geometrical optical equations such as Equations (5) and (6) are established.

한편 상기 초점렌즈(42)의 위치를 Δx만큼 이동하면서 레이저빔의 상의 크기를 동일하게 유지(즉 h=h')하려면 상기 초점렌즈(42)에 입사되는 레이저빔의 상의 크기를 조절하여야 하며 식(2)와 식(6)으로부터 식(7)과 같이 구할 수 있게 된다. Meanwhile, in order to maintain the same size of the laser beam image while moving the position of the focus lens 42 by Δx (that is, h = h '), the size of the laser beam incident on the focus lens 42 should be adjusted. From (2) and (6), it can be calculated | required like Formula (7).

즉 상기 초점렌즈(42)에 형성되어야 하는 레이저빔의 상의 크기 t'는 식(7)과 같이 얻을 수 있다.That is, the size t 'of the laser beam to be formed in the focus lens 42 can be obtained as shown in Equation (7).

따라서 상기 줌광학계(30)에서 상기 줌렌즈(32)를 조정하여 상기 줌렌즈(32)를 통과한 레이저빔의 상의 크기를 상기 가변초점광학계(40)에서 요구하는 크기인 t'로 조정하게 된다. Accordingly, by adjusting the zoom lens 32 in the zoom optical system 30, the size of the laser beam passing through the zoom lens 32 is adjusted to t ′, which is the size required by the variable focus optical system 40.

다음은 레이저빔의 초점 자동조절장치의 작용에 대하여 설명한다. The following describes the operation of the laser beam focus control device.

상기 가공물(20)의 상부에 위치하는 상기 거리센서(50)는 가공물(20)의 표면의 초기 높이를 측정하여 측정치를 상기 제어부(80)로 전송한다. 상기 제어부(80)는 상기 거리센서(50)에서 전송받은 측정치를 기준으로 상기 줌광학계(30)와 가변초점광학계(40)를 제어하여 레이저빔이 크기가 조정되어 가공물(20)의 표면에 조사되도록 한다. 상기 거리센서(50)는 레이저빔의 가공위치보다 소정거리 전방에서의 가공물(20)의 높이변화를 미리 측정하도록 설치된다. The distance sensor 50 located above the workpiece 20 measures the initial height of the surface of the workpiece 20 and transmits the measured value to the controller 80. The control unit 80 controls the zoom optical system 30 and the variable focus optical system 40 based on the measurement value transmitted from the distance sensor 50 to adjust the size of the laser beam and irradiate the surface of the workpiece 20. Be sure to The distance sensor 50 is installed to measure in advance the height change of the workpiece 20 a predetermined distance ahead of the machining position of the laser beam.

가공물(20)이 이동되면 상기 거리센서(50)에서는 가공물(20)의 높이변화를 측정하여 상기 제어부(80)로 전송한다. 상기 거리센서(50)의 측정치를 전송받은 상기 제어부(80)는 상기 거리센서(50)와 가변초점광학계(40)의 설치간격과 가공물(20)의 이동속도를 고려하여 상기 줌렌즈이동수단(36)과 초점렌즈이동수단(44)을 제어하여 상기 줌렌즈와 초점렌즈의 위치를 조정한다.When the workpiece 20 is moved, the distance sensor 50 measures the height change of the workpiece 20 and transmits it to the controller 80. The control unit 80 receiving the measurement value of the distance sensor 50 is the zoom lens moving means 36 in consideration of the installation interval of the distance sensor 50 and the variable focusing optical system 40 and the moving speed of the workpiece 20. ) And the focus lens shifting means 44 to adjust the positions of the zoom lens and the focus lens.

따라서 상기 거리센서(50)에서 높이를 측정한 위치가 레이저빔의 가공위치에 오게되면 높이변화에 대응하여 레이저빔의 초점이 조정되므로 가공물(20)의 높이변화에 관계없이 일정한 크기의 레이저빔이 조사되어 원하는 형상을 가공하게 된다. Therefore, when the position where the height is measured by the distance sensor 50 comes to the processing position of the laser beam, the focus of the laser beam is adjusted in response to the height change, so that the laser beam of a constant size is irrespective of the height change of the workpiece 20. It is irradiated to process the desired shape.

상기 프로젝션광학계(60)를 추가로 사용하는 경우에는 상기 줌광학계(30)에 패턴이 형성된 레이저빔이 조사되므로 상기 마스크에 형성된 패턴을 가공물(20)에 직접 형성할 수 있게 된다.When the projection optical system 60 is additionally used, the laser beam in which the pattern is formed is irradiated to the zoom optical system 30 so that the pattern formed on the mask can be directly formed on the workpiece 20.

상기 갈바노미터(70)를 사용하는 경우에는 가공물(20)의 이송을 최소화하면서 가공물(20)에 원하는 패턴을 형성할 수 있게된다.In the case of using the galvanometer 70, it is possible to form a desired pattern on the workpiece 20 while minimizing the transfer of the workpiece 20.

특히 본 발명에 따른 레이저빔의 초점 자동조절장치에 상기 프로젝션광학계(60)와 갈바노미터(70)를 추가로 형성하면 표면의 높이가 일정한 기판과 같은 가공물(20)에 패턴을 반복적으로 형성할 수 있게된다. 상기 프로젝션광학계(60)에서 조사되는 패턴이 상기 줌광학계(30)와 상기 가변초점광학계(40)를 통과한 후 상기 갈바노미터(70)에 의하여 스캔되면서 상기 가공물(20)에 조사되므로 가공물(20)에 패턴을 반복적으로 형성할 수 있게된다.In particular, when the projection optical system 60 and the galvanometer 70 are additionally formed in the apparatus for automatically adjusting the focus of the laser beam according to the present invention, the pattern may be repeatedly formed on the workpiece 20 such as a substrate having a constant surface height. Will be. Since the pattern irradiated from the projection optical system 60 passes through the zoom optical system 30 and the variable focus optical system 40 and then scanned by the galvanometer 70, the workpiece 20 is irradiated onto the workpiece 20. The pattern can be repeatedly formed in 20).

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.As described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Various modifications are possible, of course, and such changes are within the scope of the claims.

본 발명에 따른 레이저빔의 초점 자동조절장치에 의하면 가공물이 무겁거나 광학계가 복잡하여 수직방향으로 이동시키기 어려운 경우에도 용이하게 가공물의 표면에 레이저빔의 초점을 형성할 수 있는 효과가 있다.According to the apparatus for automatically adjusting the focus of the laser beam according to the present invention, even when the workpiece is heavy or the optical system is difficult to move in the vertical direction, the laser beam can be easily focused on the surface of the workpiece.

또한 본 발명에 의하여 줌광학계와 가변초점광학계에 프로젝션광학계를 추가로 설치하면 용이하게 가공물에 원하는 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, if the projection optical system is additionally installed in the zoom optical system and the variable focus optical system, the desired pattern can be easily formed on the workpiece.

또한 본 발명에 의하여 줌광학계와 가변초점광학계에 갈바노미터를 추가로 형성하면 가공물의 이송에 따른 오차를 최소화하면서 효과적으로 가공물을 가공할 수 있는 효과가 있다.In addition, if the galvanometer is further formed in the zoom optical system and the variable focus optical system according to the present invention, it is possible to effectively process the workpiece while minimizing errors due to the movement of the workpiece.

또한 본 발명에 의하여 줌광학계와 가변초점광학계에 프로젝션광학계와 갈바노미터를 추가로 형성하면 가공물의 표면의 높이가 일정한 경우에 가공물의 이송에 따른 오차를 최소화하면서 효과적으로 가공물에 패턴을 반복적으로 형성할 수 있는 효과가 있다. In addition, if the projection optical system and the galvanometer are additionally formed in the zoom optical system and the variable focus optical system according to the present invention, it is possible to effectively repeatedly form a pattern on the workpiece while minimizing the error due to the movement of the workpiece when the surface height of the workpiece is constant. It can be effective.

도 1a와 도 1b는 종래의 방법에 따른 레이저빔의 초점 조절방법의 개략도.1A and 1B are schematic views of a method for adjusting a focus of a laser beam according to a conventional method.

도 2은 본 발명에 따른 초점 자동조절장치에 대한 구성도.2 is a block diagram of an automatic focusing apparatus according to the present invention.

도 3a는 본 발명에 따른 줌광학계의 줌렌즈 구성과 작용에 대한 실시예를 나타내는 구성도.3A is a block diagram showing an embodiment of the configuration and operation of the zoom lens of the zoom optical system according to the present invention.

도 3b는 도 3a의 줌렌즈를 이동하기 위한 줌렌즈이동수단의 개략적인 구성도. 3B is a schematic configuration diagram of a zoom lens shifting means for moving the zoom lens of FIG. 3A;

도 4a는 본 발명에 따른 가변초점광학계의 초점렌즈의 구성과 작용에 대한 실시예를 나타내는 구성도.4A is a block diagram showing an embodiment of the configuration and operation of the focus lens of the variable focus optical system according to the present invention.

도 4b는 도 4a의 초점렌즈를 이동하기 위한 초점렌즈이동수단의 개략적인 구성도. 4B is a schematic configuration diagram of a focus lens shifting means for moving the focus lens of FIG. 4A;

도 5는 도 2의 초점 자동조절장치에 추가되는 프로젝션광학계의 설치위치 및 구성을 나타내는 구성도.5 is a configuration diagram showing the installation position and configuration of the projection optical system added to the automatic focusing apparatus of FIG.

도 6은 도 5의 초점 자동조절장치에 추가되는 갈바노미터의 설치위치 및 구성을 나타내는 구성도.6 is a configuration diagram showing the installation position and configuration of the galvanometer added to the automatic focusing apparatus of FIG.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the reference numerals for the main parts of the drawings>

10 - 레이저발생장치 30 - 줌광학계10-laser generator 30-zoom optical system

40 - 가변초점광학계 50 - 거리센서40-variable focus optical system 50-distance sensor

60 - 프로젝션광학계 70 - 갈바노미터60-Projection Optics 70-Galvanometer

80 - 제어부 80-control unit

Claims (8)

레이저빔 발생장치에서 조사되는 레이저를 이용하여 가공물을 가공하는 가공장치에 있어서,In the processing apparatus for processing the workpiece by using the laser irradiated from the laser beam generator, 하나 이상의 줌렌즈와 상기 줌렌즈의 상대적 위치를 이동시키는 줌렌즈이동수단을 포함하며, 상기 레이저빔 발생장치와 가공물사이에 설치되어 레이저빔의 상의 크기를 변화시키는 줌광학계;A zoom optical system including a zoom lens moving means for moving the at least one zoom lens and the relative position of the zoom lens, the zoom optical system being installed between the laser beam generator and the workpiece to change the size of the laser beam image; 하나 이상의 초점렌즈와 상기 초첨렌즈의 상대적 위치를 이동시키는 초점렌즈이동수단을 포함하여 구성되며, 상기 줌광학계와 가공물사이에 설치되어 레이저빔의 결상위치를 변화시키는 가변초점광학계;A variable focusing optical system including a focusing lens shifting means for shifting a relative position of at least one focusing lens and the focusing lens, the variable focusing optical system being installed between the zoom optical system and the workpiece to change an imaging position of a laser beam; 상기 가공물의 표면 상부에 설치되어 가공물 표면의 높이변화를 측정하는 거리센서; 및 A distance sensor installed on an upper surface of the workpiece to measure a change in height of the workpiece surface; And 상기 거리센서의 측정치를 수신하여 상기 줌렌즈이동수단과 초점렌즈이동수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.And a control unit for controlling the zoom lens moving unit and the focus lens moving unit by receiving the measured value of the distance sensor. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 레이저빔의 단면에너지 분포를 균일하게 하는 호모지나이저와Homogenizer for uniformizing cross-sectional energy distribution of laser beam 상기 가공물에 형성하고자 하는 패턴이 형성되며 상기 호모지나이저 전단에 위치하는 패턴마스크와 A pattern mask to be formed on the workpiece and a pattern mask positioned at the front end of the homogenizer; 상기 패턴마스크 전단에 위치하며 레이저빔의 패턴형상이 왜곡되지 않고 결상되도록 하는 스캔렌즈를 포함하며,Located in front of the pattern mask and includes a scan lens to form an image of the laser beam without distortion, 상기 레이저빔 발생장치와 상기 줌광학계 사이에 설치되는 프로젝션광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치. And a projection optical system installed between the laser beam generator and the zoom optical system. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, The method according to claim 1 or 2, 상기 가변초점광학계와 상기 가공물사이에 위치하며 레이저빔이 가공물 표면의 일정영역을 스캔하도록 하는 갈바노미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.And a galvanometer positioned between the variable focus optical system and the workpiece to allow a laser beam to scan a predetermined area of the workpiece surface. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 줌렌즈이동수단은The zoom lens moving means 상기 줌렌즈를 지지하는 줌렌즈지지부재와 A zoom lens support member for supporting the zoom lens; 상기 줌렌즈지지부재를 직선 이동시키는 줌렌즈이동축과A zoom lens movement axis for linearly moving the zoom lens support member; 상기 줌렌즈이동축을 회전시키는 줌렌즈모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.And a zoom lens motor for rotating the zoom lens moving axis. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 초점렌즈이동수단은The focus lens shifting means 상기 초점렌즈를 지지하는 초점렌즈지지부재와 A focus lens support member for supporting the focus lens; 상기 초점렌즈지지부재를 직선 이동시키는 초점렌즈이동축과A focus lens movement shaft for linearly moving the focus lens support member; 상기 초점렌즈이동축을 회전시키는 초점렌즈모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.And a focus lens motor for rotating the focus lens movement axis. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 가변초점광학계의 초점렌즈는 하나의 불록렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점자동조절장치.The focusing lens of the variable focus optical system is an automatic focus control apparatus for a laser beam, characterized in that composed of one block lens. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 줌렌즈모터와 초점렌즈모터는 리니어모터 또는 보이스코일모터로 형성되는 되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.And the zoom lens motor and the focus lens motor are formed of a linear motor or a voice coil motor. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 거리센서는 광학센서이며, 레이저빔의 결상위치로부터 레이저빔의 진행방향으로 소정거리 전방에서의 가공물의 높이변화를 측정하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치. The distance sensor is an optical sensor, and the focusing device for automatically adjusting the laser beam, characterized in that it is installed to measure the height change of the workpiece in a predetermined distance in the direction of the laser beam from the position of the laser beam.
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