KR20170143119A - Optical focusing system for laser cutting head and laser cutting head comprising same - Google Patents

Abstract

The present invention relates to an optical focusing system for a high output laser cutting head which enables miniaturization of the laser cutting head and cutting of a thick metal material, and a laser cutting head comprising the same. The optical focusing system for a laser cutting head according to one embodiment of the present invention comprises: a focusing lens (14) disposed in a proceeding direction of a laser beam generated from a laser source, and reflecting the incident laser beam at a first angle with respect to the proceeding direction; and a first reflection type optical element (16) disposed to have a passage of a laser beam incident from the focusing lens (14) and a passage of the reflected laser beam form a second angle, wherein a sum of the first angle and the second angle are less than 180 degrees.

Description

레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템 및 이를 포함하는 레이저 절단 헤드 {OPTICAL FOCUSING SYSTEM FOR LASER CUTTING HEAD AND LASER CUTTING HEAD COMPRISING SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an optical focusing system for a laser cutting head, and a laser cutting head including the laser focusing head.

본 발명은 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템 및 이를 포함하는 레이저 절단 헤드에 관한 것으로서, 특히 레이저 절단 헤드의 소형화 및 두꺼운 금속재 절단을 가능하게 하는 고출력 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템 및 이를 포함하는 레이저 절단 헤드에 관한 것이다. The present invention relates to an optical focusing system for a laser cutting head and a laser cutting head including the same. More particularly, the present invention relates to an optical focusing system for a high-power laser cutting head capable of miniaturizing a laser cutting head and cutting thick metal materials, To a cutting head.

레이저 절단 공법은 타 공법에 비해 커프 폭(kerf width)이 작아 절단 정확도가 높고 재료절감에 효과적이며, 세라믹, 나무, 고무, 금속 등 다양한 재료를 절단할 수 있으며, 절단 속력이 빠르고, 비접촉식 절단이므로 반력이 없고 재료 오염 가능성을 줄이며, 다른 복잡한 전기장치 없이 광섬유 전송 레이저 헤드만 작업공간에 놓이게 되므로 원격 절단에도 매우 유리하다. 또한, 레이저 절단은 수중 절단에 적용 가능하다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용되고 있다. The laser cutting method has a smaller kerf width than the other methods and has a high cutting accuracy and is effective for material reduction. It can cut various materials such as ceramics, wood, rubber, metal, fast cutting speed and non-contact cutting It is very advantageous for remote cutting as it has no reaction force, reduces the possibility of material contamination, and only the optical fiber transmission laser head is placed in the work space without any other complicated electric device. In addition, laser cutting has been used in various fields because it is applicable to underwater cutting.

다만, 레이저를 이용하여 두꺼운 금속재를 절단하는 경우에는 어려움이 있다. 즉, 두께가 얇은 금속재의 경우 저출력 레이저를 통해 고속으로 쉽게 절단 가능하나, 수백mm 수준의 두꺼운 금속재에 대해서는 수십 kW이상의 고출력 레이저와 고도의 절단 기술이 요구된다. 일반적으로 고출력 레이저를 이용하면 kW 당 10 mm 두께로 절단된다고 알려져 있으며, 200 mm 이상의 탄소강, 스테인레스 강 등의 절단을 위해서는 20 kW 이상 수준의 고출력 레이저가 필요하다. 따라서, 고출력 레이저에 적용 가능하고 두꺼운 금속재를 절단할 수 있는 개선된 레이저 헤드가 필요하다. However, it is difficult to cut a thick metal material by using a laser. That is, a thin metal material can be easily cut at a high speed through a low-power laser. However, for a thick metal material of several hundreds of millimeters, a high output laser with a power of several tens kW or more and a high cutting technique are required. Generally, it is known that a high-power laser cuts 10 mm thickness per kW, and a high-power laser with a level of 20 kW or more is required for cutting carbon steel or stainless steel of 200 mm or more. Accordingly, there is a need for an improved laser head that is applicable to high power lasers and capable of cutting thick metal materials.

두꺼운 금속 절단을 위해서는, 고출력의 레이저 광원과 이를 집속할 수 있는 집속 헤드가 필요하다. 집속 헤드는 고출력의 레이저 적용 시에도 열문제에 의한 절단 성능 저하가 발생하지 않아야 하며, 두꺼운 금속 두께 내에서 작은 집속빔 크기를 유지할 수 있도록 장초점의 집속 소자로 구성되어야 한다. For thick metal cutting, a high power laser light source and a focusing head capable of focusing it are needed. The focusing head should not have a deterioration in cutting performance due to heat problems even when a high power laser is applied, and it should consist of a focusing element with a long focal length so that a small focusing beam size can be maintained within a thick metal thickness.

그러나 종래의 집속 렌즈를 이용한 도 1a에 도시된 종래의 투과형 광학 소자를 활용한 투과형 레이저 절단 헤드(111)는, 렌즈 내부를 투과하면서 흡수된 열부하가 발생하고 굴절률 변화로 인해 고출력 레이저 구동 시에 초점거리의 변동 등을 발생시켜 절단 성능이 저하될 수 있다. 심각한 경우에는 렌즈의 열 흡수에 의한 팽창으로 소자의 파손을 야기할 수도 있다. However, the conventional transmission type laser cutting head 111 using the conventional transmission type optical element shown in FIG. 1A uses a conventional focusing lens to generate a heat load absorbed while passing through the inside of the lens, The cutting performance may be deteriorated due to variations in distance and the like. In severe cases, expansion due to heat absorption of the lens may cause breakage of the device.

집속 거울을 활용한 반사형 광학 소자를 활용하면 소자의 흡수에 의한 열효과가 거의 없으므로 투과형 광학 소자를 활용한 레이저 절단 헤드에 발생하는 문제점을 해결할 수 있다. 다만, 두꺼운 금속(예: 두께 수십~수백 mm)을 절단하기 위해 집속경의 초점거리가 긴 것 (예: 초점거리 f=500 mm 이상)이 절단 성능 향상에 유리하므로 도 1b에 도시된 바와 같은 반사형 레이저 절단 헤드(131)에서 단일 광학 소자를 사용하는 경우 장초점 거리의 절단 헤드를 제작할 시 헤드의 길이가 초점거리 보다 길어야 하고, 이로 인하여 종래의 장초점 소자를 활용한 헤드는 좁은 공간에서 로봇 팔 등에 의한 절단 작업 시 절단 헤드 제어에 큰 어려움이 있다. Since the reflection type optical element utilizing the focusing mirror has little thermal effect due to the absorption of the element, it is possible to solve the problems occurring in the laser cutting head using the transmission type optical element. However, since the focal length of the converging mirror is long (e.g., focal length f = 500 mm or more) in order to cut thick metal (e.g., several tens to several hundreds of mm in thickness) When a single optical element is used in the laser cutting head 131, the length of the head must be longer than the focal length in manufacturing a cutting head having a long focal length. Therefore, in the conventional head using the long focusing element, There is a great difficulty in controlling the cutting head when cutting with an arm or the like.

따라서, 열효과에 의한 절단 성능 저하 문제가 발생되지 않는 고출력 레이저 절단 헤드로서, 헤드의 소형화가 가능한 레이저 절단 헤드가 필요하다.Therefore, there is a need for a laser cutting head capable of downsizing the head, as a high-power laser cutting head in which the problem of deterioration of cutting performance due to thermal effects does not occur.

미국등록특허공보 US 4,618,758 (등록일자: 1986.10.21)United States Patent Publication No. 4,618,758 (registered on October 21, 1986)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,The present invention has been made to solve the above-mentioned problems,

본 발명에 따른 레이저 절단 헤드는 고출력 레이저를 적용하여 두꺼운 금속의 절단이 가능한 레이저 절단 헤드를 제공하는 데에 목적이 있다. An object of the present invention is to provide a laser cutting head capable of cutting a thick metal by applying a high-power laser.

또한, 열효과에 의한 절단 성능 저하 문제가 발생하지 않는, 고품질의 절단면을 제공하는 레이저 절단 헤드를 제공하는 데 목적이 있다. It is another object of the present invention to provide a laser cutting head that provides a high-quality cut surface that does not cause a cutting performance problem due to thermal effects.

또한, 고출력의 집속 빔을 제공하면서도 동시에 헤드의 소형화가 가능하여 좁은 공간에서도 작업이 가능한 레이저 절단 헤드를 제공하는 데 목적이 있다. It is also an object of the present invention to provide a laser cutting head capable of downsizing a head while simultaneously providing a focused beam of high output, and working in a narrow space.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다. The features of the present invention for achieving the objects of the present invention as described above and performing the characteristic functions of the present invention described below are as follows.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경; 및 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical focusing system for a laser cutting head, comprising: a focusing lens disposed in a traveling direction of a laser beam generated from a laser source and reflecting an incident laser beam at a first angle with respect to a traveling direction; And a first reflective optical element arranged such that the path of the laser beam incident from the focusing lens and the path of the reflected laser beam form a second angle, wherein the sum of the first angle and the second angle is less than 180 degrees .

본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은, 제1 반사형 광학소자로부터 반사된 레이저 빔이 입사되는 제2 반사형 광학소자를 더 포함하고, 제2 반사형 광학소자는 제1 반사형 광학소자로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 제2 반사형 광학소자로부터 반사되는 레이저 빔의 경로가 0도 초과 내지 90도 미만의 각도를 형성하도록 배치될 수 있다.The optical focusing system for a laser cutting head according to another embodiment of the present invention further includes a second reflective optical element on which a laser beam reflected from the first reflective optical element is incident, The path of the laser beam incident from the first reflective optical element and the path of the laser beam reflected from the second reflective optical element may be arranged to form an angle of more than 0 degrees and less than 90 degrees.

또한, 제1 반사형 광학소자 및 제2 반사형 광학소자는 평면경 또는 볼록경일 수 있다. The first reflective optical element and the second reflective optical element may have a planar or convex surface.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드는, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경과, 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합이 0도 초과 내지 180도 미만의 각도로 형성되는 광학 집속 시스템; 및 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에서 집속경의 전방에 배치되는 색선별 거울과, 색선별 거울로부터 측방향으로 이격되어 레이저 빔의 진행방향과 평행하게 배치되는 이미징 렌즈를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a laser cutting head comprising: a focusing mechanism that is disposed in a traveling direction of a laser beam emitted from a laser source and reflects an incident laser beam at a first angle with respect to a traveling direction; A first reflective optical element in which the path of the laser beam and the path of the reflected laser beam form a second angle, wherein the sum of the first and second angles is greater than 0 degrees and less than 180 degrees An optical focusing system formed; And an imaging lens disposed in front of the focusing mirror in a traveling direction of the laser beam generated from the laser source and an imaging lens spaced laterally from the color selecting mirror and disposed in parallel with the traveling direction of the laser beam.

본 발명은 고출력 레이저를 적용하여 두꺼운 금속의 절단이 가능한 레이저 절단 헤드를 제공한다. 또한, 동시에 헤드의 소형화가 가능하여 좁은 공간에서도 작업이 가능한 레이저 절단 헤드를 제공한다. The present invention provides a laser cutting head capable of cutting a thick metal by applying a high output laser. In addition, it is possible to reduce the size of the head at the same time, and to provide a laser cutting head capable of working in a narrow space.

본 발명에 따른 레이저 절단 헤드는 고출력 레이저를 활용하여 두꺼운 금속 절단에 유리하고, 두꺼운 금속 절단이 요구되는 원자력 시설 등의 각종 시설 해체, 조선 산업 분야 등에서 특히 유용하게 활용될 수 있다. The laser cutting head according to the present invention is advantageous for cutting thick metal by utilizing a high output laser, and particularly useful in dismantling various facilities such as nuclear power plants requiring heavy metal cutting, shipbuilding industry, and the like.

또한, 본 발명은 반사형 광학 소자를 활용하여 열문제 해결을 통해 고성능의 금속 절단을 달성할 수 있고, 장초점 절단 헤드의 길이를 최소화함으로써 두꺼운 금속 절단 시 절단 헤드 제어에 용이하다.In addition, the present invention can achieve a high-performance metal cutting by solving the thermal problem using the reflective optical element and minimizing the length of the long-focus cutting head, thereby facilitating the cutting head control when cutting a thick metal.

도 1a는 투과형 광학 소자를 채용한 종래의 레이저 절단 헤드를 도시하고,
도 1b는 반사형 광학 소자를 채용한 종래의 레이저 절단 헤드를 도시하고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 집속 시스템을 포함하는 레이저 절단 헤드를 도시하고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 집속 시스템에 의해 절단 헤드의 길이가 감소하는 원리를 도시하며,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 집속 시스템을 포함하는 레이저 절단 헤드를 도시한다. 1A shows a conventional laser cutting head employing a transmission type optical element,
1B shows a conventional laser cutting head employing a reflective optical element,
Figures 2 and 3 illustrate a laser cutting head including an optical focusing system according to an embodiment of the present invention,
4 shows the principle of reducing the length of a cutting head by an optical focusing system according to an embodiment of the present invention,
Figures 5 and 6 illustrate a laser cutting head including an optical focusing system in accordance with an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional description presented in the embodiment of the present invention is merely illustrative for the purpose of illustrating an embodiment according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention can be implemented in various forms. And should not be construed as limited to the embodiments described herein, but should be understood to include all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다. Meanwhile, in the present invention, the terms first and / or second etc. may be used to describe various components, but the components are not limited to the terms. The terms may be referred to as a second element only for the purpose of distinguishing one element from another, for example, to the extent that it does not depart from the scope of the invention in accordance with the concept of the present invention, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.Whenever an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but it should be understood that other elements may be present in between something to do. On the other hand, when it is mentioned that an element is "directly connected" or "directly contacted" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions for describing the relationship between components, such as "between" and "between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should also be interpreted.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. Like reference numerals designate like elements throughout the specification. It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. &Quot; comprises "and / or" comprising ", as used herein, unless the recited element, step, operation, and / Or additions.

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경; 및 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an optical focusing system for a laser cutting head, comprising: a focusing lens disposed in a traveling direction of a laser beam generated from a laser source and reflecting an incident laser beam at a first angle with respect to a traveling direction; And a first reflective optical element arranged such that the path of the laser beam incident from the focusing lens and the path of the reflected laser beam form a second angle, wherein the sum of the first angle and the second angle is less than 180 degrees .

본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은, 제1 반사형 광학소자로부터 반사된 레이저 빔이 입사되는 제2 반사형 광학소자를 더 포함하고, 제2 반사형 광학소자는 제1 반사형 광학소자로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 제2 반사형 광학소자로부터 반사되는 레이저 빔의 경로가 0도 초과 내지 90도 미만의 각도를 형성하도록 배치될 수 있다.The optical focusing system for a laser cutting head according to another embodiment of the present invention further includes a second reflective optical element on which a laser beam reflected from the first reflective optical element is incident, The path of the laser beam incident from the first reflective optical element and the path of the laser beam reflected from the second reflective optical element may be arranged to form an angle of more than 0 degrees and less than 90 degrees.

또한, 제1 반사형 광학소자 및 제2 반사형 광학소자는 평면경 또는 볼록경일 수 있다. The first reflective optical element and the second reflective optical element may have a planar or convex surface.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드는, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경과, 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합이 0도 초과 내지 180도 미만의 각도로 형성되는 광학 집속 시스템; 및 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에서 집속경의 전방에 배치되는 색선별 거울과, 색선별 거울로부터 측방향으로 이격되어 레이저 빔의 진행방향과 평행하게 배치되는 이미징 렌즈를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a laser cutting head comprising: a focusing mechanism that is disposed in a traveling direction of a laser beam emitted from a laser source and reflects an incident laser beam at a first angle with respect to a traveling direction; A first reflective optical element in which the path of the laser beam and the path of the reflected laser beam form a second angle, wherein the sum of the first and second angles is greater than 0 degrees and less than 180 degrees An optical focusing system formed; And an imaging lens disposed in front of the focusing mirror in a traveling direction of the laser beam generated from the laser source and an imaging lens spaced laterally from the color selecting mirror and disposed in parallel with the traveling direction of the laser beam.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14) 및 입사된 레이저 빔과 반사하는 레이저 빔이 제2 각도를 이루며 진행하도록 배치되는 평면경(16)을 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성된다. 2, an optical focusing system for a laser cutting head according to an exemplary embodiment of the present invention includes a laser beam generator for generating a laser beam by moving a laser beam incident on a traveling direction of a laser beam generated from a laser source, And a plane mirror (16) arranged such that the incident laser beam and the reflecting laser beam proceed at a second angle. The sum of the first angle and the second angle is formed to be smaller than 180 degrees do.

도 2를 참조하면, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14) 및 입사된 레이저 빔과 반사하는 레이저 빔이 제2 각도를 이루며 진행하도록 배치되는 평면경(16)을 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성되는 것인 광학 집속 시스템을 포함하는 레이저 절단 헤드(10)가 도시되어 있다. Referring to FIG. 2, a focusing lens 14 disposed in the traveling direction of the laser beam generated from the laser source and reflecting the incident laser beam at a first angle with respect to the traveling direction, and a laser beam The laser cutting head 10 includes an optical focusing system that includes a planar mirror 16 disposed to progress at two angles and in which the sum of the first angle and the second angle is less than 180 degrees .

도 2를 참조하면, 레이저 절단 헤드(10)는 광학 집속 시스템이 내부에 배치되는 본체(12); 및 본체(12)에 연결되고 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부를 포함할 수 있다. 또한, 본체(12) 초입부에 시준기가 연결될 수 있다. Referring to Fig. 2, the laser cutting head 10 includes a main body 12 in which an optical focusing system is disposed; And a nozzle portion connected to the main body 12 and disposed in an exit direction of the laser beam. Further, the collimator may be connected to the entrance of the main body 12. [

도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 절단 헤드(10)의 본체(12) 내부에서 평면경(16) 및 노즐부 사이에는 보호 윈도우(18)가 배치될 수 있고, 노즐부의 외주면에 형성된 개구부를 통해 보조가스가 공급되는 보조가스 공급부(20)를 더 포함할 수 있다. 2, a protective window 18 may be disposed between the planar surface 16 and the nozzle portion within the body 12 of the laser cutting head 10 and may be provided with an auxiliary And an auxiliary gas supply unit 20 to which a gas is supplied.

도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템은 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14) 및 입사된 레이저 빔과 반사하는 레이저 빔이 제2 각도를 이루며 진행하도록 배치되는 볼록경(32)을 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성된다. 3, an optical focusing system for a laser cutting head according to an exemplary embodiment of the present invention includes a laser beam generator for generating a laser beam by moving a laser beam incident on a traveling direction of a laser beam generated from a laser source, And a convex lens (32) disposed such that the incident laser beam and the reflecting laser beam are arranged to advance at a second angle, wherein the sum of the first angle and the second angle is smaller than 180 degrees .

도 3를 참조하면, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14) 및 입사된 레이저 빔과 반사하는 레이저 빔이 제2 각도를 이루며 진행하도록 배치되는 볼록경(32)을 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성되는 것인 광학 집속 시스템을 포함하는 레이저 절단 헤드(30)가 도시되어 있다. Referring to FIG. 3, a focusing lens 14 disposed in the traveling direction of the laser beam generated from the laser source and reflecting the incident laser beam at a first angle with respect to the traveling direction, and a laser beam A laser cutting head 30 is shown that includes an optical focusing system that includes a convex lens 32 disposed so as to progress at two angles and wherein the sum of the first angle and the second angle is less than 180 degrees have.

도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 절단 헤드(30)는 광학 집속 시스템이 내부에 배치되는 본체(12); 및 본체(12)에 연결되고 레이저 빔의 출구방향에 배치되는 노즐부를 포함할 수 있다. 또한, 본체(12) 초입부에 시준기가 연결될 수 있다. As shown in Figure 3, the laser cutting head 30 includes a body 12 in which an optical focusing system is disposed; And a nozzle portion connected to the main body 12 and disposed in an exit direction of the laser beam. Further, the collimator may be connected to the entrance of the main body 12. [

도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 절단 헤드(30)의 본체(12) 내부에서 평면경(16) 및 노즐부 사이에는 보호 윈도우(18)가 배치될 수 있고, 노즐부의 외주면에 형성된 개구부를 통해 보조가스가 공급되는 보조가스 공급부(20)를 더 포함할 수 있다.3, a protective window 18 may be disposed within the body 12 of the laser cutting head 30 between the planar surface 16 and the nozzle portion, And an auxiliary gas supply unit 20 to which a gas is supplied.

도 5에 도시된 바와 같이, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14) 및 집속경(14)으로부터 입사된 레이저 빔 및 반사되는 레이저 빔이 제2 각도를 이루며 진행하도록 배치되는 반사형 광학소자(56)를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성되는 것인 광학 집속 시스템을 포함하는 레이저 절단 헤드(50)는, 시편(22)의 절단면 형상 모니터링 장치를 더 포함할 수 있고, 절단면 형상 모니터링 장치는 색선별 거울(dichroic mirror)(52) 및 이미징 렌즈(54)를 포함한다. As shown in Fig. 5, a converging mirror 14, which is disposed in the traveling direction of the laser beam generated from the laser source and reflects the incident laser beam at a first angle with respect to the traveling direction, And a reflective optical element (56) arranged such that the beam and the reflected laser beam are arranged to travel at a second angle, wherein the sum of the first angle and the second angle is formed to be less than 180 degrees The laser cutting head 50 may further include a cutting surface shape monitoring device of the specimen 22 and the cutting surface shape monitoring device includes a dichroic mirror 52 and an imaging lens 54. [

도 5에 도시된 바와 같이, 색선별 거울(52)은 본체(12)의 내부 일측에 레이저원에서 발생한 레이저 빔의 진행 경로에 배치되고, 이미징 렌즈(54)는 색선별 거울(52)이 설치된 본체(12)의 내부 일측에서 본체(12)의 측방향으로 연장형성된 통로에 배치된다. 또한, 반사형 광학소자(56)는 볼록경 또는 평면경일 수 있다. 5, the color discriminating mirror 52 is arranged on the inner side of the main body 12 in the progress path of the laser beam generated in the laser source, and the imaging lens 54 is arranged in the color separating mirror 52 And is disposed in a passage extending from one side of the inside of the main body 12 to the side of the main body 12. [ The reflective optical element 56 may be convex or planar.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 절단 헤드(70)를 위한 광학 집속 시스템은, 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경(14); 집속경(14)으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자(56); 및 제1 반사형 광학소자(56)로부터 입사된 레이저 빔을 입사된 레이저 빔과 0도 초과 내지 90도 미만의 각도를 이루며 반사시키는 제2 반사형 광학소자(56)를 포함하고, 제1 각도 및 제 2 각도의 합은 180도보다 작게 형성될 수 있다. 반사형 광학소자(56)는 평면경 혹은 볼록경일 수 있다.6, an optical focusing system for a laser cutting head 70 according to another embodiment of the present invention includes a plurality of laser beams, which are arranged in a traveling direction of a laser beam generated from a laser source, A focusing lens 14 for reflecting the light at a first angle; A first reflective optical element (56) arranged such that the path of the laser beam incident from the focusing surface (14) and the path of the reflected laser beam form a second angle; And a second reflective optical element (56) that reflects the laser beam incident from the first reflective optical element (56) at an angle of more than 0 degrees and less than 90 degrees with the incident laser beam, And the second angle may be formed smaller than 180 degrees. The reflective optical element 56 may have a planar or convex surface.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 절단 헤드(70)를 위한 광학 집속 시스템은, 제2 반사형 광학소자(56)로부터 반사된 레이저 빔이 입사되는 제3 반사형 광학소자(56)를 더 포함하고, 제2 반사형 광학소자로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 제3 반사형 광학 소자로부터 반사되는 레이저 빔의 경로가 0도 초과 내지 90도 미만의 각도를 형성하도록 구성될 수 있다. 레이저 절단 헤드(70)를 위한 광학 집속 시스템은, 이와 같이 배치되는 추가적인 반사형 광학소자, 예를 들어, 제4 반사형 광학소자, 제5 반사형 광학소자 등 복수의 반사형 광학소자를 더 포함할 수 있다. 6, the optical focusing system for the laser cutting head 70 according to another embodiment of the present invention includes a third reflection type optical system in which a laser beam reflected from the second reflective optical element 56 is incident, Further comprising an optical element (56) so that the path of the laser beam incident from the second reflective optical element and the path of the laser beam reflected from the third reflective optical element form an angle of more than 0 degrees and less than 90 degrees Lt; / RTI > The optical focusing system for the laser cutting head 70 further includes a plurality of reflective optical elements such as the additional reflective optical elements arranged in this way, for example, a fourth reflective optical element and a fifth reflective optical element can do.

본 발명의 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템 및 이를 포함하는 레이저 절단 헤드의 기능, 작용, 원리 등은 다음과 같다. The optical focusing system for the laser cutting head of the present invention and the function, operation, and principle of the laser cutting head including the same are as follows.

본 발명에 따른 광학 집속 시스템은, 반사형 광학소자인 집속경 및 평면경을 조합하여 레이저 빔이 레이저 절단 헤드에서 'Z'자형 내지는 지그재그 형태의 광경로를 형성하도록 구성된다. 이와 같은 광경로를 통해 집속된 레이저 빔은 노즐부를 지나가고 최종적으로 노즐 구멍을 통과하여 절단 시편(22)에 조사된다 집속경은 구면경, 타원경, 포물경 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 특히, 바람직하게는 집속경은 포물경으로 형성된다. 포물경은 타 형상의 집속경들과 달리 기하학적 광학 수차가 없어 집속 빔의 크기를 최소화할 수 있다. 반사율을 높이기 위해 집속경과 평면경은 고반사 코팅이 되어있고, 고출력 레이저 구동을 위해 열전도율이 높은 구리 등의 물질로 구성될 수 있으며, 소자 내부에 유로를 만들어 수냉식으로 구동될 수 있다. The optical focusing system according to the present invention is configured so that the laser beam combines the focusing optical system and the plane mirror, which are reflective optical elements, to form a Z-shaped or zigzag optical path in the laser cutting head. The laser beam focused through the optical path passes through the nozzle portion and finally passes through the nozzle hole and is irradiated to the cutting specimen 22. The focusing surface can be formed in various shapes such as a spherical surface, an elliptical surface, and a trapezoidal surface. Particularly, preferably, the converging lens is formed of a polygonal mirror. The parabolic curvature minimizes the size of the focusing beam because there is no geometrical optical aberration unlike the curvilinear convergence curves. In order to increase the reflectance, the focusing time and the plane diameter are formed by a highly reflective coating, and it can be composed of a material such as copper having a high thermal conductivity for driving a high output laser.

또한, 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드의 본체 내부에 노즐부와 소정 간격으로 이격되어 배치되는 보호 윈도우는, 노즐부 전방에 위치하여 절단 시 발생하는 오염원들이 집속경과 평면경 등의 광학소자 측으로 입사되는 것을 방지하여 소자들을 보호한다. 보호 윈도우는 양면이 반사방지(antireflection) 코팅이 되고, 레이저 광의 흡수가 적은 유리 재질(예를 들어, 1um 파장 대역의 레이저 광원 활용 시에는 용융석영(Fused Silica)의 적용)로 이루어짐으로써, 두꺼운 금속체 절단에서 고압의 보조가스를 견딜 수 있도록 보호 윈도우 두께가 충분히 두껍게 형성된다. In addition, the protective window, which is disposed at a predetermined distance from the nozzle unit, is located inside the main body of the laser cutting head according to the present invention. The protective window is located in front of the nozzle unit so that contaminants generated during cutting are incident on the optical element side To protect the devices. The protective window is made of an antireflection coating on both sides and made of a glass material with little absorption of laser light (for example, fused silica is applied when using a laser light source of 1um wavelength band) The protective window thickness is formed to be sufficiently thick so as to withstand the high pressure auxiliary gas in cutting.

또한, 본 발명에 따른 레이저 절단 헤드의 노즐부에 형성된 보조가스 공급부는, 노즐부의 외주면에 형성된 개구 내로 공급될 수 있다. 레이저 절단에는 용융된 금속을 밀어내기 위한 보조가스가 필요하며 노즐부의 보조가스 공급부를 통해 보조가스가 유입되어 최종적으로 노즐을 통해 분사된다. Further, the auxiliary gas supply part formed in the nozzle part of the laser cutting head according to the present invention may be supplied into the opening formed in the outer peripheral surface of the nozzle part. In the laser cutting, auxiliary gas for pushing molten metal is required, and auxiliary gas is injected through the auxiliary gas supply part of the nozzle part and finally injected through the nozzle.

또한, 본 발명에 따른 광학 집속 시스템은, 반사형 광학소자인 집속경 및 볼록경을 조합하여 레이저 빔이 레이저 절단 헤드에서 'Z'자형 내지는 지그재그 형태의 광경로를 형성하도록 구성된다. 집속경과 볼록경은 구면경, 타원경, 포물경 등 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 서로 같은 형태뿐만 아니라 서로 다른 형태의 거울로 조합할 수 있다. 특히, 두 개의 거울 모두 포물경으로 활용하는 경우에는 수차를 최소화 할 수 있다.Further, the optical focusing system according to the present invention is configured so that the laser beam combines the convergent light and the convex light, which are reflective optical elements, to form a Z-shaped or zigzag-shaped optical path in the laser cutting head. The focal length and convexity can be various shapes such as spherical, ellipsoidal, and polygonal, and they can be combined with each other as well as different types of mirrors. In particular, when both mirrors are used as a photographic lens, the aberration can be minimized.

도 3 및 도 4를 참조하여, 'Z'자형 광경로의 형성을 위하여 집속경과 볼록경의 조합을 활용하는 경우 절단 헤드 길이가 더욱 감소하는 원리를 설명하기로 한다. 즉, 집속경과 볼록경의 초점거리를 조정하면 원하는 초점거리를 유지하면서 레이저 절단 헤드의 길이는 더 감소하는 효과가 있다. 집속경은 볼록렌즈의 역할을 하고, 볼록경은 오목렌즈의 역할을 한다. 도 4에 도시된 점선은 초점거리를 나타내므로 동일 초점 거리(

)를 갖는 헤드 구성 시 단일 집속경을 사용하는 것(도 4의 상측)보다 집속경과 볼록경의 조합(도 4의 하측)시 전체 헤드 길이가 짧아질 수 있다는 사실을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 and FIG. 4, a description will be given of a principle in which the cutting head length is further reduced when a combination of the convergence period and the convex scan is used for forming the Z-shaped optical path. That is, if the focal length of the converging lens and the convex lens is adjusted, the length of the laser cutting head is further reduced while maintaining a desired focal length. The focusing lens acts as a convex lens, and the convex lens serves as a concave lens. The dotted line shown in Fig. 4 indicates the focal distance,

) (Fig. 4), the total head length can be shortened in the combination of the convergence speed and the convex curvature (lower side in Fig. 4) than using the single convergence radius (the upper side in Fig. 4).

매우 긴 초점거리가 요구되는 경우에 있어서, 집속 빔을 여러 번 반사시켜 헤드 길이를 최소화할 수 있는 일 실시예가 도 6에 제시되어 있다. 이 때 절단 헤드의 광학소자는 원하는 초점거리를 획득 가능하도록 집속경 및 볼록경 혹은 평면경을 조합하여 'Z'자형 광경로가 복수 회 형성되도록 복수의 광학소자를 채용하여 구성된다. An embodiment in which a very long focal length is required, in which the focusing beam can be reflected several times to minimize the head length is shown in FIG. At this time, the optical element of the cutting head is constructed by employing a plurality of optical elements such that a 'Z' -shaped optical path is formed a plurality of times by combining a convergence radius and a convex radius or a plane radius so as to obtain a desired focal distance.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

10, 30, 50, 70: 헤드 12: 본체
14: 집속경 16: 평면경
18: 보호 윈도우 20: 보조가스 공급부
22: 시편 32: 볼록경
52: 색선별 거울 (dichroic mirror) 54: 이미징 렌즈
56: 반사형 광학소자 111: 투과형 레이저 절단 헤드
131: 반사형 레이저 절단 헤드 10, 30, 50, 70: head 12:
14: Focus area 16: Plane mirror
18: protection window 20: auxiliary gas supply part
22: Psalm 32:
52: dichroic mirror 54: imaging lens
56: reflective optical element 111: transmissive laser cutting head
131: Reflective laser cutting head

Claims (4)

레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 상기 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경; 및
상기 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자;를 포함하고,
상기 제1 각도 및 제 2 각도의 합이 0도 초과 내지 180도 미만의 각도로 형성되는 것인 레이저 절단 헤드를 위한 광학 집속 시스템.A focusing lens disposed in the traveling direction of the laser beam emitted from the laser source and reflecting the incident laser beam at a first angle with respect to the traveling direction; And
And a first reflective optical element arranged so that the path of the laser beam incident from the converging mirror and the path of the reflected laser beam form a second angle,
Wherein the sum of the first angle and the second angle is formed at an angle greater than 0 degrees and less than 180 degrees. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 반사형 광학소자는 평면경 또는 볼록경인 것인 광학 집속 시스템. The optical focusing system according to claim 1, wherein the first reflective optical element is a planar mirror or a convex mirror. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1 반사형 광학소자로부터 반사된 레이저 빔이 입사되는 제2 반사형 광학소자를 더 포함하고,
상기 제1 반사형 광학소자로부터 입사된 레이저 빔의 경로와 상기 제2 반사형 광학소자로부터 반사되는 레이저 빔의 경로가 0도 초과 내지 90도 미만의 각도를 형성하며,
상기 제2 반사형 광학소자는 평면경 또는 볼록경인 것인 광학 집속 시스템. The optical element according to claim 1 or 2, further comprising a second reflective optical element on which the laser beam reflected from the first reflective optical element is incident,
The path of the laser beam incident from the first reflective optical element and the path of the laser beam reflected from the second reflective optical element form an angle of more than 0 degrees and less than 90 degrees,
Wherein the second reflective optical element is a planar mirror or a convex mirror. 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에 배치되어 입사된 레이저 빔을 상기 진행방향에 대해 제1 각도로 반사시키는 집속경과, 상기 집속경으로부터 입사된 레이저 빔의 경로 및 반사되는 레이저 빔의 경로가 제2 각도를 형성하도록 배치되는 제1 반사형 광학소자를 포함하고, 상기 제1 각도 및 제 2 각도의 합이 0도 초과 내지 180도 미만의 각도로 형성되는 광학 집속 시스템; 및
상기 레이저원으로부터 발생한 레이저 빔의 진행방향에서 상기 집속경의 전방에 배치되는 색선별 거울과, 상기 색선별 거울로부터 측방향으로 이격되어 상기 레이저 빔의 진행방향과 평행하게 배치되는 이미징 렌즈를 포함하는 것인 레이저 절단 헤드.


A convergence progression in which the incident laser beam is disposed in the traveling direction of the laser beam generated from the laser source and is reflected at a first angle with respect to the traveling direction, a path of the laser beam incident from the convergent path, An optical focusing system including a first reflective optical element arranged to form two angles, wherein the sum of the first angle and the second angle is formed at an angle greater than 0 degrees and less than 180 degrees; And
A color discrimination mirror disposed in front of the converging mirror in a traveling direction of the laser beam generated from the laser source and an imaging lens spaced laterally from the color discriminating mirror and disposed in parallel with a traveling direction of the laser beam In laser cutting head.

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