KR101038474B1 - 3-dimensional ultrafine structure fabrication system for auto focusing control and auto focusing control method thereof - Google Patents
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Abstract
자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템이 개시된다. 본 발명의 3차원 미세구조물 제조 시스템은, 펨토초 레이저로부터 전달된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 레이저 빔 가공부, 가공된 레이저 빔을 초점 형성하여 조사하는 대물 렌즈, 유리 기판의 일 면에 위치하며 대물 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 이광자 흡수 현상을 일으켜 형광을 발생시키는 광경화성 수지, 유리 기판의 위치를 이동시키는 이동 스테이지, 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 CCD 카메라 및 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하고, 이동 스테이지를 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어 컴퓨터를 포함한다. Disclosed is a three-dimensional microstructure manufacturing system with an auto focusing function. The three-dimensional microstructure manufacturing system of the present invention, the laser beam processing unit for changing and processing the path of the laser beam transmitted from the femtosecond laser, the objective lens for focusing and irradiating the processed laser beam, located on one surface of the glass substrate Photocurable resin that generates two-photon absorption by the laser beam irradiated through the objective lens to generate fluorescence, a moving stage for shifting the position of the glass substrate, a CCD camera for photographing a laser beam irradiated from the objective lens, And a control computer for setting the initial position, detecting the fluorescence from the image of the laser beam taken through the CCD camera while moving the moving stage in the Z-axis direction in which the objective lens is located, and automatically adjusting the position of the moving stage.
펨토초 레이저, 이광자 흡수 현상, 형광, 자동 초점 조절 Femtosecond laser, two-photon absorption, fluorescence, auto focus
Description
본 발명은 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional microstructure manufacturing system having an automatic focusing function and an automatic focusing method thereof.
일반적인 미세구조물 제조 시스템은 레이저 빔을 이용하여 광경화성 수지를 경화시킴으로써 원하는 형상의 미세구조물을 제조한다. 이 경우, 3차원의 미세구조물을 제조하기 위해서는 정밀함이 요구되는데, 이를 위해 펨토초 레이저 빔을 이용하는 방법이 개발되었다. 여기서 펨토초 레이저 빔은 780㎚의 파장을 갖는 근적외선 레이저 빔을 말한다. Typical microstructure manufacturing systems produce microstructures of the desired shape by curing the photocurable resin using a laser beam. In this case, precision is required to manufacture a three-dimensional microstructure, and a method using a femtosecond laser beam has been developed for this purpose. Here, the femtosecond laser beam refers to a near infrared laser beam having a wavelength of 780 nm.
한편, UV 광경화성 수지에 상기 펨토초 레이저 빔을 집속시킬 경우, 집속된 펨토초 레이저 빔의 초점 부근에서만 이광자 흡수 현상이 일어나 UV 광경화성 수지에 광중합 현상이 발생하게 된다. 이 경우, 이광자 흡수 현상이 발생하게 될 확률은 펨토초 레이저 빔 세기의 제곱에 비례한다. 이 같은 조건을 만족시키는 영역은 집속된 펨토초 레이저 빔에서 에너지 밀도가 가장 높은 초점의 중심부에 해당하는 영역으로, 매우 좁은 영역이다. 따라서, 초점 부근에서는 펨토초 레이저 빔의 회절 한계 이하 수준인 약 100㎚의 정밀도를 갖는 형상을 제조할 수 있다. On the other hand, when the femtosecond laser beam is focused on the UV photocurable resin, a two-photon absorption phenomenon occurs only near the focal point of the focused femtosecond laser beam, thereby causing a photopolymerization phenomenon to the UV photocurable resin. In this case, the probability that two-photon absorption will occur is proportional to the square of the femtosecond laser beam intensity. The area that satisfies this condition is an area corresponding to the center of the focal point with the highest energy density in the focused femtosecond laser beam, which is a very narrow area. Thus, in the vicinity of the focal point, a shape having an accuracy of about 100 nm, which is a level below the diffraction limit of the femtosecond laser beam, can be produced.
한편, 펨토초 레이저를 이용하여 광경화성 수지를 경화시키는 경우, 레이저빔이 집속되는 초점에서 이광자 흡수에 의한 광중합 현상이 발생하게 되며, 그 결과 마이크로미터 내지 나노미터 단위의 미세구조물을 얻을 수 있게 된다. 이 경우, 정밀한 미세구조물을 형성하기 위해서는 레이저 빔이 집속되는 초점이 정확해야만 한다. 구체적으로, 펨토초 레이저 빔은 대물 렌즈에 의해 집속되어 광경화성 수지를 조사하게 되는데, 광경화성 수지는 대물 렌즈의 하부에 위치한 유리 기판 상에 위치하는 것이 일반적이다. 이 경우, 레이저 빔의 초점이 정확하게 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점, 즉, 유리 기판으로부터 광경화성 수지가 시작되는 지점에 위치해야만 한다. On the other hand, when the photocurable resin is cured using a femtosecond laser, a photopolymerization phenomenon due to two-photon absorption occurs at the focal point where the laser beam is focused, and as a result, a microstructure of micrometer to nanometer can be obtained. In this case, the focal point where the laser beam is focused must be accurate to form a precise microstructure. Specifically, the femtosecond laser beam is focused by the objective lens to irradiate the photocurable resin. The photocurable resin is generally located on a glass substrate positioned under the objective lens. In this case, the focus of the laser beam must be located exactly at the boundary point of the glass substrate and the photocurable resin, that is, at the point where the photocurable resin starts from the glass substrate.
만약, 펨토초 레이저 빔의 초점이 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점에 위치하지 않고 유리 기판 내부에 존재하거나, 광경화성 수지 내부에 존재하는 경우 원하는 형상의 미세구조물을 얻을 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 종래에는 광경화성 수지와 유리 기판이 위치해 있는 이동 스테이지의 높이를 작업자가 직접 수동 조작하여 펨토초 레이저 빔의 초점이 유리 기판과 광경화성 수지의 경계 지점에 위치하도록 조절했다. 하지만, 초점 조절에 대한 충분한 경험이 없는 경우에는 펨토초 레이저 빔이 집속되는 초점의 위치를 정확하게 조절하는 것이 어려워 정밀한 결과물을 얻는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.If the focal point of the femtosecond laser beam is present inside the glass substrate without being located at the boundary point between the glass substrate and the photocurable resin, or in the photocurable resin, it is impossible to obtain a microstructure having a desired shape. In order to solve this problem, conventionally, the height of the movable stage where the photocurable resin and the glass substrate are located is manually controlled by an operator to adjust the focus of the femtosecond laser beam to be located at the boundary point between the glass substrate and the photocurable resin. However, if there is not enough experience in focusing, it is difficult to precisely adjust the position of the focal point where the femtosecond laser beam is focused, and thus it is difficult to obtain precise results.
또한, 광경화성 수지와 유리 기판이 위치해 있는 이동 스테이지를 작업자가 직접 수동 조작하는 경우, 이동 스테이지를 여러 단계에 걸쳐 조작하기 때문에 미세구조물을 제조하기 위한 시간이 길어지는 문제점이 있었다.In addition, when the operator directly operates the movement stage in which the photocurable resin and the glass substrate are positioned, there is a problem in that the time for manufacturing the microstructure is long because the movement stage is operated over several stages.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 빔을 조사하는 경우 광경화성 수지의 이광자 흡수 현상에 의해 발생하는 형광을 검출함으로써, 이동 스테이지의 위치를 조절하여 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 3차원 미세구조물 제조 시스템 및 그의 자동 초점 조절 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to solve the above-mentioned problems, when irradiating a laser beam using a femtosecond laser by detecting the fluorescence generated by the two-photon absorption of the photocurable resin, by adjusting the position of the moving stage to irradiate from the objective lens The present invention provides a three-dimensional microstructure manufacturing system capable of automatically adjusting the focus of a laser beam, and an automatic focus adjusting method thereof.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템은, 레이저 빔을 조사하는 펨토초 레이저, 상기 펨토초 레이저로부터 전달된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 레이저 빔 가공부, 상기 레이저 빔 가공부에서 가공된 레이저 빔을 초점 형성하여 조사하는 대물 렌즈, 상기 대물 렌즈의 하부에 이격되어 위치한 유리 기판, 상기 유리 기판의 일 면에 위치하며, 상기 대물 렌즈를 통해 조사되는 레이저 빔에 의해 이광자 흡수 현상을 일으켜 형광을 발생시키는 광경화성 수지, 상기 유리 기판의 하부에 위치하여 상기 유리 기판의 위치를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시키는 이동 스테이지, 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 CCD 카메라 및 상기 광경화성 수지를 제외한 지점에 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔이 위치하도록 상기 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하고, 상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제어 컴퓨터를 포함한다. 3D microstructure manufacturing system having an autofocus control function according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the femtosecond laser for irradiating a laser beam, the path of the laser beam transmitted from the femtosecond laser A laser beam processing unit for changing and processing, an objective lens for focusing and irradiating the laser beam processed by the laser beam processing unit, a glass substrate spaced apart from the lower portion of the objective lens, and positioned on one surface of the glass substrate, Photocurable resin that generates two-photon absorption by the laser beam irradiated through the objective lens to generate fluorescence, and positioned under the glass substrate to position the glass substrate at least one of X, Y, and Z axes Moving stage to move in the direction of the CCD camera to shoot the laser beam irradiated from the objective lens And setting the initial position of the moving stage such that the laser beam irradiated from the objective lens is positioned at a point except for the photocurable resin, and moving the moving stage in the Z-axis direction in which the objective lens is positioned, through the CCD camera. And a control computer that detects fluorescence from the captured image of the laser beam and automatically adjusts the position of the moving stage.
본 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 상기 레이저 빔 가공부는, 상기 펨토초 레이저에서 조사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제1 미러, 상기 제1 미러로부터 전달된 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제1 반파장판, 상기 제1 반파장판에서 출력된 레이저 빔이 상기 펨토초 레이저로 돌아가는 것을 방지하기 위한 아이솔레이터, 상기 아이솔레이터를 통과한 레이저 빔에서 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 편광빔 스플리터, 상기 아이솔레이터와 상기 편광빔 스플리터 사이에 위치하여 상기 편광빔 스플리터를 통해 반사되는 레이저 빔의 출력을 제어하기 위한 제2 반파장판, 상기 편광빔 스플리터로부터 반사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는제2 미러, 상기 제2 미러로부터 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제1 레이저 광선 확장기, 상기 제1 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경시켜주며 스위치 역할을 하는 갈바노 셔터, 상기 갈바노 셔터를 통해 전달된 레이저 빔을 확장하기 위한 제2 레이저 광선 확장기, 상기 제2 레이저 광선 확장기 내에 위치하며 상기 갈바노 셔터가 경로를 변경했을 때 상기 갈바노 셔터를 통해 반사된 레이저 빔을 차단시켜 주는 핀홀, 상기 제2 레이저 광선 확장기를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제3 미러 및 상기 제3 미러로부터 전달된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하는 제4 미러를 포함할 수 있다. In the three-dimensional microstructure fabrication system, the laser beam processing unit, a first mirror for changing the path by reflecting the laser beam irradiated from the femtosecond laser, a first for controlling the output of the laser beam transmitted from the first mirror A half-wave plate, an isolator for preventing the laser beam output from the first half-wave plate from returning to the femtosecond laser, a polarizing beam splitter for transmitting P-polarized light and reflecting S-polarized light in the laser beam passing through the isolator, the isolator A second half-wave plate positioned between the polarization beam splitters for controlling output of a laser beam reflected through the polarization beam splitter, and a second mirror reflecting a laser beam reflected from the polarization beam splitter to change a path; A first laser beam for expanding the laser beam transmitted from the second mirror A long term, a galvano shutter that changes the path by reflecting the extended laser beam through the first laser beam expander, and acts as a switch, a second laser beam expander for expanding the laser beam transmitted through the galvano shutter, A pinhole positioned in the second laser beam expander and blocking the laser beam reflected through the galvano shutter when the galvano shutter changes its path; and reflecting the laser beam extended through the second laser beam expander. It may include a third mirror for changing the path and a fourth mirror for changing the path by reflecting the laser beam transmitted from the third mirror.
한편, 상기 제어 컴퓨터는 상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하고, 상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출할 수 있다. The control computer may calculate a subtraction result by subtracting a noise image value from an image value of a laser beam photographed by the CCD camera, and detect the fluorescence generated from the photocurable resin by the subtraction result value. .
또한, 상기 제어 컴퓨터는 상기 CCD 카메라에서 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하고, 상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현할 수 있다. In addition, the control computer calculates an image sum value by summing image values of the laser beam photographed by the CCD camera in units of movement distance of the movement stage, and integrates the image sum values in units of movement distance of the movement stage. Can be represented as a graph.
그리고, 상기 제어 컴퓨터는 상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절할 수 있다. The control computer may automatically adjust the focus of the laser beam irradiated from the objective lens by adjusting the position of the moving stage according to the moving distance of the moving stage at the point where the slope is changed in the graph.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법은, 광경화성 수지를 제외한 지점에 대물 렌즈로부터 조사될 레이저 빔이 위치하도록 이동 스테이지의 초기 위치를 설정하는 제1 단계, 펨토초 레이저를 통해 레이저 빔을 조사하는 제2 단계, 펨토초 레이저로부터 레이저 빔이 전달되면, 레이저 빔 가공부를 통해 상기 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하는 제3 단계, 상기 가공된 레이저 빔의 초점을 형성하여 조사하는 제4 단계, 상기 이동 스테이지를 상기 대물 렌즈가 위치한 Z축 방향으로 이동시키는 제5 단계, 상기 이동 스테이지가 이동되는 동안 CCD 카메라를 이용하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영하는 제6 단계 및 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 상기 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출하여 상기 이동 스테이지의 위치를 자동 조절하는 제7 단계를 포함한다. On the other hand, the automatic focus adjustment method of the three-dimensional microstructure manufacturing system according to an embodiment of the present invention, the first position for setting the initial position of the moving stage so that the laser beam to be irradiated from the objective lens is located at the point except the photocurable resin A second step of irradiating a laser beam through a femtosecond laser, a third step of changing and processing a path of the laser beam through a laser beam processing unit when the laser beam is transmitted from the femtosecond laser, and focusing the processed laser beam A fourth step of forming and irradiating the light, a fifth step of moving the moving stage in the Z-axis direction in which the objective lens is positioned, and photographing a laser beam emitted from the objective lens using a CCD camera while the moving stage is moved And detecting fluorescence from the image of the laser beam photographed by the CCD camera. And it includes a seventh step of automatically adjusting the position of the movable stage.
이 경우, 상기 제7 단계는 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출하는 단계 및 상기 감산 결과값에 의해 상기 광경화성 수지로부터 발생되는 형광을 검출하는 단계를 포함한다. In this case, the seventh step may be performed by subtracting the noise image value from the image value of the laser beam photographed by the CCD camera to calculate a subtraction result value and the fluorescence generated from the photocurable resin by the subtraction result value. Detecting.
또한, 상기 제7 단계는 상기 CCD 카메라를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 합산하여 영상 합산값을 산출하는 단계 및 상기 영상 합산값을 상기 이동 스테이지의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하는 단계를 더 포함할 수 있다. The seventh step may include calculating an image sum value by summing an image value of a laser beam photographed by the CCD camera in units of a movement distance of the movement stage, and adding the image sum value to a movement distance unit of the movement stage. Integrating with may further include the step of expressing the graph.
그리고, 상기 제7단계는 상기 그래프에서 기울기가 변화되는 지점의 상기 이동 스테이지의 이동 거리에 맞춰 상기 이동 스테이지의 위치를 조절하여 상기 대물 렌즈로부터 조사되는 레이저 빔의 초점을 자동 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. The seventh step may further include automatically adjusting the focus of the laser beam irradiated from the objective lens by adjusting the position of the moving stage according to the moving distance of the moving stage at the point where the slope is changed in the graph. can do.
본 발명에 따르면, 펨토초 레이저를 이용하여 레이저 빔을 조사하는 경우 광경화성 수지의 이광자 흡수 현상에 의해 발생되는 형광을 검출함으로써, 광경화성 수지가 놓여진 이동 스테이지의 위치를 조절하여 레이저 빔의 초점을 자동으로 조절할 수 있게 된다. 이에 따라, 대물 렌즈를 통해 집속되는 레이저 빔의 초점을 광 경화성 수지의 경계 지점에 정확하게 맞출 수 있게 되어 정밀한 형상의 3차원 미세구조물을 형성할 수 있게 된다. According to the present invention, when irradiating a laser beam using a femtosecond laser by detecting the fluorescence generated by the two-photon absorption phenomenon of the photocurable resin, by adjusting the position of the moving stage on which the photocurable resin is placed to focus the laser beam automatically Can be adjusted. As a result, the focus of the laser beam focused through the objective lens can be accurately aligned to the boundary point of the photocurable resin, thereby forming a three-dimensional microstructure having a precise shape.
또한, 레이저 빔의 초점을 자동 조절함으로써, 초점 조절에 소요되는 시간을 단축시킬 수 있으며 작업자가 별도의 초점 조절 과정을 수행할 필요가 없게 되어 편의성이 증대된다.In addition, by automatically adjusting the focus of the laser beam, the time required for focusing can be shortened, and the operator does not need to perform a separate focusing process, thereby increasing convenience.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 미세구조물 제조 시스템을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 펨토초 레이저(110), 레이저 가공부(120), 대물 렌즈(130), 유리 기판(140), 광경화성 수지(150), 이동 스테이지(160), CCD(Charge-Coupled Device) 카메라(170) 및 제어 컴퓨터(180)를 포함한다. 1 is a view showing a three-dimensional microstructure manufacturing system according to an embodiment of the present invention. The three-dimensional
펨토초 레이저(110)는 매우 짧은 펄스폭을 갖는 레이저 빔을 조사한다. 구체적으로, 펨토초 레이저(110)를 통해 조사되는 레이저 빔은 펄스폭이 80fs(100fs=100×10-15s)정도로 매우 짧기 때문에 높은 첨두 출력을 갖는다. 따라서, 높은 첨두 출력 부근에서 광경화성 수지(150)를 조사하는 경우, 이광자 흡수 현상에 의해 국부적으로 경화되어 최소 100㎚까지 정확하게 광경화성 수지(150)를 경화시킬 수 있다. The
레이저 가공부(120)는 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔의 경로를 변경하고 가공하여 대물 렌즈(130)로 전달한다. 구체적으로, 레이저 가공부(120)는 제1 내지 제4 미러(121a, 121b, 121c, 121d), 제1 및 제2 반파장판(123a, 123b), 제1 및 제2 레이저 광선 확장기(127a, 127b), 아이솔레이터(124), 편광빔 스플리터(125), 갈바노 셔터(126), 핀홀(128)을 포함한다. The
제1 미러(121a)는 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경한다. 이에 따라, 펨토초 레이저(110)에서 조사된 레이저 빔이 제1 미러(121a)를 통해 제1 반파장판(123a)에 전달될 수 있게 된다. The
제1 반파장판(123a)은 제1 미러(121a)로부터 전달된 레이저 빔의 출력을 제어한다. 그리고, 아이솔레이터(124)는 제1 반파장판(123a)에서 출력된 레이저 빔이 펨토초 레이저(110)로 다시 돌아가는 것을 방지한다. The first half-
한편, 편광빔 스플리터(125)는 아이솔레이터(124)를 통과한 레이저 빔에서 P 편광은 투과시키고 S 편광은 반사시킨다. 그리고, 제2 반파장판(123b)은 아이솔레이터(124)와 편광빔 스플리터(125) 사이에 위치하며, 편광빔 스플리터(125)를 통해 반사되는 레이저 빔의 출력을 제어한다. Meanwhile, the polarization beam splitter 125 transmits P polarization and reflects S polarization in the laser beam passing through the
제2 미러(121b)는 편광빔 스플리터(125)로부터 전달된 레이저 빔을 반사시켜 경로를 변경하여 제1 레이저 광선 확장기(127a)에 전달한다. 그리고, 제1 레이저 광선 확장기(127a)는 전달된 레이저 빔을 확장시킨다. The second mirror 121b changes the path by reflecting the laser beam transmitted from the
갈바노 셔터(126)는 제1 레이저 광선 확장기(127a)에서 확장된 레이저 빔의 경로를 변경시켜주며, 레이저 빔에 대한 스위치 역할을 한다. 그리고, 제2 레이저 광선 확장기(127b)는 갈바노 셔터(126)로부터 전달된 레이저 빔을 확장시킨다. 이 경우, 제2 레이저 광선 확장기(127b) 내에는, 갈바노 셔터(126)가 경로를 변경했을 때 갈바노 셔터(126)로부터 전달된 레이저 빔을 차단시켜 주는 핀홀(128)이 위치될 수 있다.The
제3 미러(121c)는 제2 레이저 광선 확장기(127b)를 통해 확장된 레이저 빔을 반사시켜 레이저 빔의 경로가 제4 미러(121d)를 향하도록 변경시킨다. 그리고, 제4 미러(121d)는 전달된 레이저 빔을 반사시켜 레이저 빔의 경로가 대물 렌즈(130)를 향하도록 변경시킨다. The
한편, 대물 렌즈(130)는 레이저 빔 가공부(120)를 통해 가공된 레이저 빔을 광경화성 수지(150)에 조사하며, 조사시에는 레이저 빔을 집속시켜 초점을 형성한다. 이 경우, 레이저 빔을 초점화시켜 초점 부근에서의 광자 밀도를 높이기 위해서는 개구수(NA)가 높은 대물 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다. Meanwhile, the
유리 기판(140)은 대물 렌즈(130)의 하부에 위치하며, 대물 렌즈(130)와 이격된 거리에 위치한다. 이 유리 기판(140)의 일 면, 즉, 도면 상에서 유리 기판(140)의 하부면에는 광경화성 수지(150)가 위치한다. The
광경화성 수지(150)는 대물 렌즈(130)를 통해 형성된 레이저 빔의 초점에 의 해 이광자 흡수 현상이 일어나 경화되는 특성을 가진다. 이 경우, 광경화성 수지(150)는 이광자 흡수 현상이 일어나게 되면, 흡수된 에너지가 짧은 시간 내에 다시 방출되면서 광중합 현상을 발생하게 되며 이와 함께 형광이 발생된다. The
이동 스테이지(160)는 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 하부에 위치하여 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 위치를 X축, Y축 및 Z축 중 적어도 어느 하나의 방향으로 이동시킨다. 즉, 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)는 이동 스테이지(160)의 이동에 따라 그 위치가 변경될 수 있다. The
CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 도달되는 유리 기판(140) 영역을 촬영하여 레이저 빔에 대한 영상을 제어 컴퓨터(180)에 전달한다. 구체적으로, CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔에 의해 유리 기판(140) 상에 발생하는 노이즈 영상 및 형광 등과 같은 레이저 빔의 전체 영상을 촬영하여 그 값을 기록한다. The
제어 컴퓨터(180)는 3차원 미세구조물 제조 시스템의 전반적인 동작을 제어하며, 특히, 자동 초점 조절 기능을 제어한다. 구체적으로, 제어 컴퓨터(180)는 자동 초점 조절 기능에 대한 명령이 입력되면, 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다. The
이동 스테이지(160)의 초기 위치란, 광경화성 수지(150)를 제외한 지점, 즉, 광경화성 수지(150)에 도달하지 않는 지점에 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 위치하도록 조절한 이동 스테이지(160)의 위치를 의미한다. 따라서, 제어 컴퓨터(180)는 자동 초점 조절 기능을 실행하기 전에 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)와 반대하는 Z축 방향으로 이동시켜 대물 렌즈(130)로부터 광경화성 수지(150)를 일정 거리 이상 이격시킨다. 이 경우, 이격 거리는 제어 컴퓨터(180)에 기저장된 거리가 될 수도 있으며, 작업자가 조정할 수도 있다. The initial position of the
또한, 제어 컴퓨터(180)는 이동 스테이지(160)를 이동시켜 초기 위치가 설정되면 해당 위치를 "0"으로 설정하고, 레이저 빔을 조사하도록 펨토초 레이저(110)를 제어한다. In addition, the
그리고, 제어 컴퓨터(180)는 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)를 향한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라(170)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광을 검출한다. 이와 관련된 설명은 도 2를 참조하여 보다 자세하게 설명한다. The
도 2는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서의 자동 초점 조절 방식을 나타내는 개략도이다. 도 2에서 대물 렌즈(130)는 유리 기판(140) 및 광경화성 수지(150)와 이격되어 있다. 그리고, 유리 기판(140) 및 광경화성 수지(150)는 이동 스테이지(160)의 상부에 위치하고 있으며, 유리 기판(140)의 하부 양측에는 지지대(141a, 141b)가 설치되어 있다. FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an automatic focus adjustment method in the three-dimensional microstructure manufacturing system shown in FIG. 1. In FIG. 2, the
앞서 설명한 바와 같이, 이동 스테이지(160)의 초기 위치가 설정됨에 따라 대물 렌즈(130)에서 조사되는 레이저 빔의 초점(A)은 광경화성 수지(150)에 도달하 지 않는 위치에 있게 된다. 이 상태에서 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)가 위치한 Z축 방향(화살표 방향)으로 이동시켜 레이저 빔의 초점(A)이 광경화성 수지(150)를 향해 이동되도록 한다. As described above, as the initial position of the moving
상기 과정에 의해 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점(A)이 광경화성 수지(150)의 표면, 즉, 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 도달할 경우, 펨토초 레이저 빔에 의해 광경화성 수지(150)에서 이광자 흡수 현상이 일어나 형광이 발생하게 된다. When the focus A of the laser beam irradiated from the
제어 컴퓨터(180)는 CCD 카메라(170)로부터 전달된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출한다. 이 경우, 레이저 빔이 광경화성 수지(150)에 도달하지 않은 경우에는 광경화성 수지(150)에서의 이광자 흡수 현상이 일어나지 않아 광중합 현상 및 형광이 발생되지 않으므로, 레이저 빔의 영상값과 노이즈 영상값은 동일하게 된다. The
반면, 이동 스테이지(160)의 이동에 의해 대물 렌즈(130)에서 조사된 레이저 빔의 초점이 광경화성 수지(150)에 도달하는 경우, 광경화성 수지(150)의 이광자 흡수 현상에 의해 광중합 현상 및 형광이 발생된다. 이에 따라, CCD 카메라(170)를 통해 전달되는 레이저 빔의 영상값은 노이즈 영상값과 형광 세기값이 중첩된 값으로 표현된다. 따라서, 제어 컴퓨터(180)는 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하고, 그 감산 결과값으로부터 형광의 검출 여부를 판단하고, 형광 세기를 검출할 수 있게 된다. On the other hand, when the focus of the laser beam irradiated from the
한편, 제어 컴퓨터(180)는 CCD 카메라(170)로부터 촬영된 레이저 빔의 영상값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 합산하여 레이저 빔의 영상 합산값을 산출한다. 그리고, 산출된 레이저 빔의 영상 합산값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현한다. 예를 들어, 이동 스테이지(160)가 "0"으로 설정된 초기 위치로부터 0.5㎛ 이동한 경우, 해당 거리에서 레이저 빔의 영상값을 검출한다. 그리고, 이동 스테이지(160)가 0.5㎛에서 1㎛ 이동한 경우, 해당 거리에서의 레이저 빔의 영상값을 검출한다. 이 같은 방법으로 각 이동 거리에서의 레이저 빔의 영상값을 검출하여 합산한 후, 적분하여 그래프화한다. 이 경우, 적분된 그래프는 선형 근사된 것으로, 도 3에 도시된 것과 같은 그래프를 얻을 수 있다. Meanwhile, the
도 3은 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 자동 초점 조절에 따른 레이저 빔의 영상 합산값-이동 스테이지의 이동 거리 간의 관계를 나타내는 그래프이다. FIG. 3 is a graph illustrating a relationship between an image sum value of a laser beam and a moving distance of a moving stage in the three-dimensional microstructure manufacturing system shown in FIG. 1.
도 3에 도시된 그래프를 참조하면, x축은 이동 스테이지의 이동 거리를 나타내며, y축은 레이저 빔의 영상 합산값을 나타낸다. 그래프에서 기울기가 변화되는 지점이 형광 검출 지점(a)이다. 이 경우, 형광 검출 지점(a)은 이동 스테이지(160)의 이동에 의해 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 유리 기판(140)과 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 도달한 것을 의미한다. 즉, 형광 검 출 지점(a)은 광경화성 수지(150)에 레이저 빔의 초점이 도달하여 이광자 흡수에 의해 광중합 및 형광이 발생된 지점이 될 수 있다. 따라서, 형광이 검출됨에 따라 형광 검출 지점(a)에서 그래프의 기울기가 변화된다. Referring to the graph shown in FIG. 3, the x-axis represents the moving distance of the moving stage, and the y-axis represents the image sum value of the laser beam. The point where the slope is changed in the graph is the fluorescence detection point (a). In this case, the fluorescence detection point (a) is the focus of the laser beam irradiated from the
제어 컴퓨터(180)는 그래프에서 기울기가 변화되는 지점(a)의 이동 스테이지 이동 거리에 맞춰 이동 스테이지(160)의 위치를 조절한다. 구체적으로, 제어 컴퓨터(180)는 "0"으로 설정된 이동 스테이지(160)의 초기 위치로부터 기울기가 변화된 형광 검출 지점(a)의 거리만큼 이동 스테이지(160)를 이동시킨다. 이에 따라, 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 정확하게 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 위치하게 되어 정밀한 미세구조물을 제조할 수 있게 된다. The
도 4는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for adjusting auto focus of the 3D microstructure manufacturing system shown in FIG. 1.
도 4를 참조하면, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 자동 초점 조절 기능에 대한 실행 명령이 입력되면(S210), 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다(S220). 구체적으로, 대물 렌즈(130)에서 조사될 레이저 빔의 초점이 광경화성 수지(150)에 도달하지 않도록 이동 스테이지(160)의 초기 위치를 설정한다. Referring to FIG. 4, when the execution command for the autofocus control function is input (S210), the 3D
이 후, 이동 스테이지(160)의 초기 위치가 설정되면, 펨토초 레이저(110)를 통해 레이저 빔을 조사한다(S230). 그리고, 펨토초 레이저(110)를 통해 조사된 레이저 빔을 레이저 빔 가공부(120)에 전달하여 경로를 변경하고 가공하여 대물 렌 즈(130)에 전달한다(S240). 다음, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 대물 렌즈(130)를 통해 레이저 빔의 초점을 형성하여 조사한다(S250). Thereafter, when the initial position of the moving
한편, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 이동 스테이지(160)를 대물 렌즈(130)가 위치한 Z축 방향으로 이동시키면서 CCD 카메라(170)를 이용하여 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔을 촬영한다(S260). 구체적으로, CCD 카메라(170)는 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔이 도달되는 유리 기판(140) 영역을 촬영하여 레이저 빔에 대한 영상을 얻을 수 있게 된다. Meanwhile, the 3D
이 후, 3차원 미세구조물 제조 시스템(100)은 CCD 카메라(170)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상으로부터 형광 검출 유무를 판단하여(S270), 형광이 검출되지 않았다고 판단된 경우에는 S260을 계속적으로 진행한다. Thereafter, the 3D
반면, 형광이 검출되었다고 판단된 경우에는 이동 스테이지(160)의 위치를 조절하여 레이저 빔의 초점을 자동 조절한다(S280). 구체적으로, 먼저, CCD 카메라(160)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값으로부터 노이즈 영상값을 감산하여 감산 결과값을 산출한다. 그리고, 감산 결과값에 의해 광경화성 수지(150)로부터 발생되는 형광을 검출할 수 있다. 즉, 레이저 빔의 영상값에서 노이즈 영상값을 감산하여 그 값이 "0"이 나오면 형광이 검출되지 않은 것이고, 그 외에 어떤 값이 산출되면 형광이 검출된 것으로 판단할 수 있다. On the other hand, when it is determined that fluorescence is detected, the focus of the laser beam is automatically adjusted by adjusting the position of the moving stage 160 (S280). Specifically, first, the noise image value is subtracted from the image value of the laser beam photographed by the
또한, CCD 카메라(160)를 통해 촬영된 레이저 빔의 영상값을 이동 스테이 지(160)의 이동 거리 단위로 합산하여 레이저 빔의 영상 합산값을 산출한다. 이 후, 레이저 빔의 영상 합산값을 이동 스테이지(160)의 이동 거리 단위로 적분하여 그래프로 표현하게 된다. 이 경우, 적분 그래프는 선형 근사하여 표현될 수 있다. 이 그래프에서 기울기가 변화되는 지점을 형광 검출 지점으로 판단하여, 해당 지점의 이동 스테이지(160) 이동 거리에 맞춰 이동 스테이지(160)의 위치를 조절할 수 있다. 이 같은 방법에 따라 대물 렌즈(130)로부터 조사되는 레이저 빔의 초점이 정확하게 광경화성 수지(150)의 경계 지점에 위치하도록 자동 조절할 수 있게 된다. In addition, an image value of the laser beam is calculated by summing image values of the laser beam photographed by the
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.Although the above has been illustrated and described with respect to the preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments, it is common in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동 초점 조절 기능을 구비한 3차원 미세구조물 제조 시스템을 나타낸 개략도,1 is a schematic diagram showing a three-dimensional microstructure manufacturing system having an automatic focusing function according to an embodiment of the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서의 자동 초점 조절 방식을 나타내는 개략도, FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an automatic focus adjusting method in the 3D microstructure manufacturing system shown in FIG. 1;
도 3은 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템에서 자동 초점 조절에 따른 형광 세기 합산값-이동 스테이지의 이동 거리 간의 관계를 나타내는 그래프,그리고,3 is a graph showing the relationship between the fluorescence intensity total value and the moving distance of the moving stage according to the auto focus in the three-dimensional microstructure manufacturing system shown in FIG. 1, and
도 4는 도 1에 도시된 3차원 미세구조물 제조 시스템의 자동 초점 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for adjusting auto focus of the 3D microstructure manufacturing system shown in FIG. 1.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Description of the Related Art [0002]
100 : 3차원 미세구조물 제조 시스템 110 : 펨토초 레이저100: three-dimensional microstructure manufacturing system 110: femtosecond laser
120 : 레이저 가공부 130 : 대물 렌즈120: laser processing unit 130: the objective lens
140 : 유리 기판 150 : 광경화성 수지140
160 : 이동 스테이지 170 : CCD 카메라160: moving stage 170: CCD camera
180 : 제어 컴퓨터180: control computer
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KR20100120383A (en) | 2010-11-16 |
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