(57)【要約】【課題】  簡素な構成において、高解像、像側略テレセントリックとなる走査光学装置を提供すること。【解決手段】  光源、偏向器前光学系、偏向器、走査光学系、被走査部を有し、前記走査光学系は、２枚のレンズで構成され、主走査断面において、最も偏向器側から負の屈折力の第１レンズ、正の屈折力の第２レンズが配置され、前記負の屈折力を持つレンズは、被走査面側に強い凹形状を有し、下記条件式を満足することを特徴とする。  ５＜｜Ｔｋ／ｆ｜＜２００  １．４０＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５０式中のＴｋは前記走査光学系の射出瞳位置−被走査面間の距離、ｆは前記走査光学系の焦点距離、ｆ１は前記負の屈折力を持つ第１レンズの焦点距離、ｆ２は前記正の屈折力を持つ第２レンズの焦点距離を表す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、偏向器前光学系、偏向器、走査光学系、被走査部を有し、
前記走査光学系は、２枚のレンズで構成され、主走査断面において、最も偏向器側から負の屈折力の第１レンズ、正の屈折力の第２レンズが配置され、
前記負の屈折力を持つレンズは、被走査面側に強い凹形状を有し、下記条件式を満足することを特徴とする。
５＜｜Ｔｋ／ｆ｜＜２００
１．４０＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５０
式中のＴｋは前記走査光学系の主走査断面における射出瞳位置−被走査面間の距離、ｆは前記走査光学系の焦点距離、ｆ１は前記負の屈折力を持つ第１レンズの焦点距離、ｆ２は前記正の屈折力を持つ第２レンズの焦点距離を表す。
【請求項２】
前記走査光学系について、下記条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
１．８＜ｎ２＜２．０
式中のｎ２は、前記正の屈折力を持つ第２レンズについて、ｄ線における屈折率を表す。
【請求項３】
前記走査光学系について、下記条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
０．５＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜１．５
式中のＲ１は、前記負の屈折力を持つ第１レンズにおいて、偏向器側の曲率半径、Ｒ２は、前記負の屈折力を持つ第１レンズにおいて、被走査面側の曲率半径を表す。
【請求項４】
前記走査光学系について、全ての光学面が球面で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走査光学装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の走査光学装置を備えた外観検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源手段から出射した光束を偏向器によって偏向し、走査面上に結像する走査光学系に関し、レーザー加工機用走査装置に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より微細な加工形状を形成するレーザー加工装置においては、レーザー等の光源手段から出射した光束を、偏向器前光学系によって主走査方向に略平行光として整形し、例えば回転多面鏡や、ガルバノミラーより成る光偏向器により周期的に偏向させる。前記光束を、走査光学系によって被加工物の表面にスポット状に集束させる事で、物体の加工を行うことができる。このような走査光学装置、若しくはその走査光学系は従来より種々提案されている。
【０００３】
上記の要望を達成する手段として特許文献１には、走査光学系を２枚のトーリックレンズで構成し、像面湾曲、歪曲収差等を良好に補正したｆｓｉｎθレンズが提案されている。
【０００４】
更に、高精度のレーザー加工のためには、被加工物に対して斜めに光線が入射する走査光学系よりも、被加工物に対して略垂直に光線が入射する、所謂テレセントリックな走査光学系が好まれる。
【０００５】
特許文献２には、３枚構成のテレセントリック走査光学系を用いた光走査装置が提案されている。
【０００６】
テレセントリックな走査光学系は、レーザービームが常に結像面に略垂直に入射するように設計されており、位置のずれや歪みが最小限に抑えられることから、高解像のレーザー加工機用走査光学系として利用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−２６７９１０号公報
【特許文献２】特開平７−１１３９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記に示した従来の走査光学装置においては、結像スポット径が大きい事から、高解像のレーザー加工を行うには不適当であった。
【０００９】
更に、テレセントリックな走査光学系を用いるに当たっては、加工領域のサイズとほぼ同等のレンズ径が必要となり、高コスト化を避ける事が困難である。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑み、スポット径が小さく高解像でありながら、簡素な光学系の構成で、像側略テレセントリックとなる走査光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明に係る走査光学系は、
光源、偏向器前光学系、偏向器、走査光学系、被走査部を有し、
前記走査光学系は、２枚のレンズで構成され、主走査断面において、最も偏向器側から負の屈折力の第１レンズ、正の屈折力の第２レンズが配置され、
前記負の屈折力を持つレンズは、被走査面側に強い凹形状を有し、下記条件式を満足することを特徴とする。
【００１２】
５＜｜Ｔｋ／ｆ｜＜２００
１．４０＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５０
式中のＴｋは前記走査光学系の主走査断面における射出瞳位置−被走査面間の距離、ｆは前記走査光学系の主走査断面における焦点距離、ｆ１は前記負の屈折力を持つ第１レンズの焦点距離、ｆ２は前記正の屈折力を持つ第２レンズの焦点距離を表す。
【００１３】
本発明の更なる目的、またはその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例等において明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で高解像、像側テレセントリックな走査光学系の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の数値実施例１における、走査光学系の断面図
【図２（Ａ）】本発明の数値実施例１における、主走査断面の像面湾曲
【図２（Ｂ）】本発明の数値実施例１における、副走査断面の像面湾曲
【図２（Ｃ）】本発明の数値実施例１における、主走査断面の印字位置ずれの像高特性
【図３】（Ａ）は本発明の趣旨を説明する、走査光学系の断面図、（Ｂ）は本発明の趣旨を説明する、走査光学系の断面図
【図４（Ａ）】本発明の趣旨を説明する、収差係数Ｉの比較図
【図４（Ｂ）】本発明の趣旨を説明する、収差係数ＩＩの比較図
【図４（Ｃ）】本発明の趣旨を説明する、収差係数ＩＩＩの比較図
【図４（Ｄ）】本発明の趣旨を説明する、収差係数Ｖの比較図
【図５】本発明に係るレーザー加工装置の概念図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
加工機に用いられる走査光学系としては、より精密な加工を行う為、結像するスポットの形状は小さい事が好ましい。更に、広い領域で均一な加工効果を得る為、被走査面に入射する結像スポットは、被走査面に対して略垂直に入射する、所謂テレセントリックな走査光学系が好ましい。
【００１８】
そのような光学系を構成するに当たり、走査レンズは加工領域と略同等のレンズ径が必要となり、走査光学系、ひいては装置全体の大型化の一因となる。そこで、走査光学系を２枚のレンズで構成し、形状を最適化する事で、最低限の加工領域を確保しつつ、走査光学系、装置全体の小型化を図ることができることを見出した。
【００１９】
走査光学系の射出瞳を像面から十分遠ざける事で、光学系が略像側テレセントリックの関係となる。更に前記２枚のレンズのうち、偏向器に近い第１レンズの屈折力を負に設定し、被走査面に近い第２レンズの屈折力を正に設定し、前期第１レンズについて、被走査面側に強い凹形状を配置する。更に、前記２枚のレンズの屈折力を適切に配分する事で、結像スポット径の小さい、像側略テレセントリックな走査光学系を構成できることを見出した。
【００２０】
更に、前記第２レンズについて、構成する材料の屈折率を１．８以上に設定する事、前記第１レンズの形状について、適切な条件を満足する事で、少ない構成枚数で所望の性能を達成すことが可能となる。
【００２１】
図３の（Ａ）は、本件発明のように、被走査面に対して偏向器側の第１レンズについて、被走査面側に強い凹形状を配置した断面図である。図３の（Ｂ）は、前記第１レンズについて、偏向器側に強い凹形状を配置した断面図である。図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）は、図３の（Ａ）、（Ｂ）における、それぞれ球面収差（Ｉ）、コマ収差（ＩＩ）、非点収差（ＩＩＩ）、歪曲収差（Ｖ）の収差係数を示している。
【００２２】
図４から分かるように、被走査面側に凹形状を向けた光学系は、第２レンズの収差係数をキャンセルし、トータルで良好な性能を示す傾向が分かる。
【００２３】
以下に、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
［数値実施例１］
表１は、本発明の数値実施例１の数値である。数値においては、Ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線の屈折率、νｄはアッベ数を示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
図１は、本発明を含む走査光学装置の全体図である。
【００２７】
図１中、１は偏向素子としての例えばポリゴンミラー（回転多面鏡）より成る光偏向器であり、モーター等の駆動手段（不図示）により一定速度で回転している。２、３はｆθ特性を有するｆθレンズ（結像光学系）であり、光偏向器１と被走査面としての被走査面ＩＰとの間に配置されている。２は負の屈折力の第１走査レンズであり、ガラスで構成されている。３は正の屈折力の第２走査レンズであり、ガラスで構成されている。
【００２８】
本件発明のｆθレンズの詳細については、数値実施例の表１にて記載する。
【００２９】
また、数値実施例１のレンズについて、球面で構成されている。
【００３０】
更に、数値実施例１のレンズについて、被走査面に達する光線が、被走査面に対して略垂直に入射する、所謂テレセントリックな光学系となっている。これによって精度の高いレーザー加工を行うことが可能となる。
【００３１】
本発明の走査光学装置は、更に下記の条件式を満足することによって、いずれの結像位置においても像側テレセントリックな走査光学系が提供できる。
【００３２】
５＜｜Ｔｋ／ｆ｜＜２００                    ・・・（１）
１．４０＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．５０          ・・・（２）
式（１）中のＴｋは前記走査光学系の射出瞳位置−被走査面間の距離、ｆは前記走査光学系の焦点距離を表す。式（２）中のｆ１は前記第１レンズの焦点距離、ｆ２は前記第２レンズの焦点距離を表す。
【００３３】
条件式（１）は本発明の走査光学系における、射出瞳と被走査面間の距離と、走査光学系の焦点距離の比であり、射出瞳が像面から十分遠い、所謂テレセントリックな光学系であることを意味する。
【００３４】
条件式（１）の上限を超えるほど焦点距離が小さい値をとる場合、像面湾曲等の光学性能によくない影響を及ぼす。条件式（１）の下限を超えることは、本発明の目的である像側略テレセントリックな光学系が達成できないことを意味する。
【００３５】
更に、条件式（１）は、下記範囲を満足することがより好ましい。
【００３６】
５＜｜Ｔｋ／ｆ｜＜１００                    ・・・（１）’
条件式（２）は本発明の走査光学系における、前記第１レンズの焦点距離と、前記第２レンズの焦点距離の比であり、２枚のレンズの屈折力の比を示している。
【００３７】
条件式（２）の上限を超えるほど前記第１レンズの焦点距離が大きい値をとる場合、スポットの小径化によくない影響を与える。条件式（２）の下限を超えることは、像面湾曲等の光学性能によくない影響を与える。
【００３８】
更に、条件式（２）は、下記範囲を満足することがより好ましい。
【００３９】
１．４０＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．００          ・・・（２）’
前述のレンズ配置と、条件式（１）、（２）の達成によって、本発明の目的は達成されるが、更に高性能な走査光学系を提供する為に、下記条件式を満足することがより好ましい。
【００４０】
１．８＜ｎ２＜２．０                            ・・・（３）
０．５＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜１．５  ・・・（４）
条件式（３）は、走査光学系を構成する前記第２レンズの屈折率についての条件式である。
【００４１】
条件式（３）の上限を超えるほど屈折率が大きいと、高コスト化の原因となる。条件式（３）の下限を超えるほど屈折率が小さいと、所望の光学性能を達成する事が困難となる。
【００４２】
更に、条件式（３）は、下記範囲を満足することがより好ましい。
【００４３】
１．８＜ｎ２＜１．９                            ・・・（３）’
条件式（４）は、前記第１レンズの形状に関する条件式で、所望の光学性能を確保する為の条件式である。条件式（４）の上限を超えるほど第１レンズの両面の形状が近いと、スポット小径化に必要な屈折力を確保できなくなる。条件式（４）の下限を超えるほど第１レンズの負の屈折力が強いと、所望の性能を確保する事が困難となる。
【００４４】
更に、条件式（４）は、下記範囲を満足することがより好ましい。
【００４５】
０．８＜（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１−Ｒ２）＜１．３  ・・・（４）’
図２（Ａ）は本発明の数値実施例１における、主走査方向の像面湾曲と像高の関係を示している。図２（Ｂ）は本発明の数値実施例１における、副走査方向の像面湾曲と像高の関係を示している。図２（Ｃ）は本発明の数値実施例１における、像高と印字位置ずれとの関係、即ちｆθ特性と像高の関係を示している。いずれにおいても、良好な収差特性となっている。ｆθ特性については、その特性に応じて偏向器の回転速度を変化させ、そのずれ分を補正する処理を加えても良い。
【００４６】
本発明の数値実施例と、各条件式との関係を表２に示す。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【００４９】
図５は、本発明に係るレーザー加工装置の概念図である。
【００５０】
図５において、５はＮｄ：ＹＡＧレーザー等で構成されるレーザー光源である。前記レーザー光源とコリメータレンズ（不図示）によって略平行に成形されたビームは、絞り６を通過し、偏向器７へ入射する。偏向器７は例えば２軸のガルバノスキャナによって構成され、走査光学系レンズ８に入射する。走査光学系レンズ８によって走査された光束は、被走査面上に配置される加工物９上を走査する。偏向器７を１方向に回転するポリゴンミラー等によって構成し、被走査面上に配置される加工物９を移動させる事によって加工を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
ＩＰ  被走査面、１  偏向器、２  第１走査レンズ、３  第２走査レンズ、
４  防塵ガラス、５  レーザー光源、６  絞り、７  偏向器、
８  走査光学系レンズ、９  加工物
【図１】
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【図２（Ａ）】
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【図２（Ｂ）】
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【図２（Ｃ）】
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【図３】
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【図４（Ａ）】
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【図４（Ｂ）】
2020118776.tif 000011
【図４（Ｃ）】
2020118776.tif 000012
【図４（Ｄ）】
2020118776.tif 000013
【図５】
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