KR20050063094A - 레이저빔의 초점 자동조절장치 - Google Patents

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.

Description

레이저빔의 초점 자동조절장치{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.

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.

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.

그러나 종래의 장치들은 광학계가 크고 복잡하여 기구적으로 이동이어려운 경우나 가공물의 크기가 크거나 무거워서 이동이 어려운 경우에는 적용이 제한되는 문제가 있다.

또한 종래의 장치에서는 광학계나 가공물의 빠른 이동이 어려워 가공정밀도를 확보하는데 문제가 있다.

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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

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.

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.

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.

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.

상기 줌렌즈(32)로 사용되는 각 렌즈의 조합은 도 3a외에도 다양한 렌즈의 조합으로 이루어 질 수 있음은 물론이다.

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.

상기 줌렌즈이동수단(36)은 상기 줌렌즈(32)를 구성하는 각 렌즈에 대하여 독립적으로 형성되어 각 렌즈를 개별적으로 이동시켜 상대적인 위치를 조정하게 된다.

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.

상기 줌렌즈모터(37)는 상기 줌광학계(30)를 구성하는 렌즈 등의 크기에 따라 리니어모터나 보이스코일모터 등이 사용될 수 있다.

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.

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.

상기 초점렌즈(42)의 조합은 도 4a 외에도 다양한 렌즈의 조합으로 이루어 질 수 있음은 물론이다.

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.

상기 초점렌즈이동수단(44)은 상기 초점렌즈(42)를 구성하는 각 렌즈와 독립적으로 결합되어 각각의 렌즈의 상대적인 위치를 이동시키게 된다.

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.

상기 초점렌즈이동수단(44)은 상기 줌렌즈이동수단(36)과 마찬가지로 리니어모터나 보이스코일모터 등이 사용될 수 있다.

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.

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.

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.

한편 상기 줌광학계(30)와 가변초점광학계(40)로 구성되는 본 발명의 레이저빔 초점 자동조절장치에는 프로젝션광학계(60)와 갈바노미터(70)가 추가로 포함될 수 있다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

한편 상기 갈바노미터(70)를 추가로 설치하는 경우에는 상기 제어부(80)는 상기 갈바노미터(70)와 연결되어 갈바노미터(70)를 제어하게 된다

다음은 상기 줌광학계(30)와 상기 가변초점광학계(40)의 작용에 대하여 설명한다.

먼저 상기 초점렌즈(42)의 위치변화에 따른 레이저빔의 결상위치 변화에 대하여 수식으로 살펴본다.

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.

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.

식(3)으로부터 식(4)와 같이 Δx를 구할 수 있게 된다.

따라서 상기 초점렌즈(42)를 Δx만큼 이동하면 레이저빔의 결상위치를 Δy만큼 조정할 수 있게 된다.

한편 도 4a의 (b)와 같이 상기 초점렌즈(42)의 위치를 Δx만큼 이동하면 식(5)와 식(6)과 같은 기하광학식이 성립한다.

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.

즉 상기 초점렌즈(42)에 형성되어야 하는 레이저빔의 상의 크기 t'는 식(7)과 같이 얻을 수 있다.

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.

다음은 레이저빔의 초점 자동조절장치의 작용에 대하여 설명한다.

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.

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.

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.

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.

상기 갈바노미터(70)를 사용하는 경우에는 가공물(20)의 이송을 최소화하면서 가공물(20)에 원하는 패턴을 형성할 수 있게된다.

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.

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.

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.

또한 본 발명에 의하여 줌광학계와 가변초점광학계에 프로젝션광학계를 추가로 설치하면 용이하게 가공물에 원하는 패턴을 형성할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하여 줌광학계와 가변초점광학계에 갈바노미터를 추가로 형성하면 가공물의 이송에 따른 오차를 최소화하면서 효과적으로 가공물을 가공할 수 있는 효과가 있다.

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.

도 1a와 도 1b는 종래의 방법에 따른 레이저빔의 초점 조절방법의 개략도.

도 2은 본 발명에 따른 초점 자동조절장치에 대한 구성도.

도 3a는 본 발명에 따른 줌광학계의 줌렌즈 구성과 작용에 대한 실시예를 나타내는 구성도.

도 3b는 도 3a의 줌렌즈를 이동하기 위한 줌렌즈이동수단의 개략적인 구성도.

도 4a는 본 발명에 따른 가변초점광학계의 초점렌즈의 구성과 작용에 대한 실시예를 나타내는 구성도.

도 4b는 도 4a의 초점렌즈를 이동하기 위한 초점렌즈이동수단의 개략적인 구성도.

도 5는 도 2의 초점 자동조절장치에 추가되는 프로젝션광학계의 설치위치 및 구성을 나타내는 구성도.

도 6은 도 5의 초점 자동조절장치에 추가되는 갈바노미터의 설치위치 및 구성을 나타내는 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 - 레이저발생장치 30 - 줌광학계

40 - 가변초점광학계 50 - 거리센서

60 - 프로젝션광학계 70 - 갈바노미터

80 - 제어부

Claims (8)

1. 레이저빔 발생장치에서 조사되는 레이저를 이용하여 가공물을 가공하는 가공장치에 있어서,

   하나 이상의 줌렌즈와 상기 줌렌즈의 상대적 위치를 이동시키는 줌렌즈이동수단을 포함하며, 상기 레이저빔 발생장치와 가공물사이에 설치되어 레이저빔의 상의 크기를 변화시키는 줌광학계;

   하나 이상의 초점렌즈와 상기 초첨렌즈의 상대적 위치를 이동시키는 초점렌즈이동수단을 포함하여 구성되며, 상기 줌광학계와 가공물사이에 설치되어 레이저빔의 결상위치를 변화시키는 가변초점광학계;

   상기 가공물의 표면 상부에 설치되어 가공물 표면의 높이변화를 측정하는 거리센서; 및

   상기 거리센서의 측정치를 수신하여 상기 줌렌즈이동수단과 초점렌즈이동수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
2. 제 1항에 있어서,

   레이저빔의 단면에너지 분포를 균일하게 하는 호모지나이저와

   상기 가공물에 형성하고자 하는 패턴이 형성되며 상기 호모지나이저 전단에 위치하는 패턴마스크와

   상기 패턴마스크 전단에 위치하며 레이저빔의 패턴형상이 왜곡되지 않고 결상되도록 하는 스캔렌즈를 포함하며,

   상기 레이저빔 발생장치와 상기 줌광학계 사이에 설치되는 프로젝션광학계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 가변초점광학계와 상기 가공물사이에 위치하며 레이저빔이 가공물 표면의 일정영역을 스캔하도록 하는 갈바노미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 줌렌즈이동수단은

   상기 줌렌즈를 지지하는 줌렌즈지지부재와

   상기 줌렌즈지지부재를 직선 이동시키는 줌렌즈이동축과

   상기 줌렌즈이동축을 회전시키는 줌렌즈모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 초점렌즈이동수단은

   상기 초점렌즈를 지지하는 초점렌즈지지부재와

   상기 초점렌즈지지부재를 직선 이동시키는 초점렌즈이동축과

   상기 초점렌즈이동축을 회전시키는 초점렌즈모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 가변초점광학계의 초점렌즈는 하나의 불록렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점자동조절장치.
7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 줌렌즈모터와 초점렌즈모터는 리니어모터 또는 보이스코일모터로 형성되는 되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.
8. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 거리센서는 광학센서이며, 레이저빔의 결상위치로부터 레이저빔의 진행방향으로 소정거리 전방에서의 가공물의 높이변화를 측정하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저빔의 초점 자동조절장치.