(57)【要約】【課題】小型かつ加工速度が高速であり、信頼性が高い走査型光加工ヘッド、およびこれを備えた走査型光加工装置を提供する。【解決手段】本発明に係る走査型光加工ヘッドには、光ファイバと、ビームスキャナと、光を略平行光として出力する第１レンズ光学系と、光アイソレータと、対象物に対して光を集束する第２レンズ光学系とが、光ファイバが出射した光の伝搬方向に従って順に配置されている。【選択図】図３
2020075281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を用いて対象物を加工する光加工装置において前記光を走査する走査型光加工ヘッドであって、
前記光を導波させる光ファイバ、
前記光ファイバが出射する前記光の進行方向を偏向させるビームスキャナ、
前記光ファイバが出射した前記光を略平行光として出力する第１レンズ光学系、
第１方向において伝搬する光強度の減衰量が、前記第１方向とは反対の第２方向において伝搬する光強度の減衰量よりも小さい、光アイソレータ、
前記光を集束させる第２レンズ光学系、
を備え、
前記光ファイバと、前記ビームスキャナと、前記第１レンズ光学系と、前記光アイソレータと、前記第２レンズ光学系が前記第１方向に従って順に配置されている
ことを特徴とする走査型光加工ヘッド。
【請求項２】
前記ビームスキャナは、前記光ファイバの光出力端位置を変位させることにより前記光の進行方向を偏向させる光ファイバ駆動機構によって構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項３】
前記第１レンズ光学系と前記第２レンズ光学系で構成される合成光学系は、前記光ファイバの光出力端位置によらず、前記合成光学系を透過した光の中心軸が前記第２レンズ光学系の光軸と略平行となるテレセントリック光学系である
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項４】
前記第１レンズ光学系と前記第２レンズ光学系との間の距離は、前記第１レンズ光学系の焦点距離と前記第２レンズ光学系の焦点距離との和と略等しい
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項５】
前記第１レンズ光学系は、前記光ファイバの光出力端位置によらず、前記第１レンズ光学系を透過した光が略平行光となるコリメート光学系であり、
前記第１レンズ光学系は、前記光ファイバの光出力端位置によらず、前記第１レンズ光学系を透過した光の中心軸が前記第１レンズ光学系の光軸と略平行となるテレセントリック光学系である
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項６】
前記第１レンズ光学系は、第１および第２レンズからなる第１複合レンズであり、
前記第１および第２レンズ間の距離は、前記第１レンズの焦点距離と前記第２レンズの焦点距離との和と略等しい
ことを特徴とする請求項５記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項７】
前記第２レンズ光学系は、前記光ファイバの光出力端位置によらず、前記第２レンズ光学系を透過した光の中心軸が前記第２レンズ光学系の光軸と略平行となるテレセントリック光学系である
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項８】
前記第２レンズ光学系は、第３および第４レンズからなる第２複合レンズであり、
前記第３および第４レンズ間の距離は、前記第３レンズの焦点距離と前記第４レンズの焦点距離との和と略等しい
ことを特徴とする請求項７記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項９】
前記第２レンズ光学系は、第３、第４、および第５レンズからなる第３複合レンズであり、
前記第４および第５レンズからなる第４複合レンズの主点と前記第３レンズとの間の距離は、前記第４複合レンズの焦点距離と前記第３レンズの焦点距離との和と略等しい
ことを特徴とする請求項７記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項１０】
前記第３、第４、および第５レンズのうち少なくとも２つは、レンズ光軸方向に沿った位置が可変である
ことを特徴とする請求項９記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項１１】
前記光ファイバは、偏波保持ファイバであり、
前記走査型光加工ヘッドはさらに、前記光アイソレータと前記第２レンズ光学系との間の前記光の光軸上に、波長板を備える
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項１２】
前記走査型光加工ヘッドはさらに、前記光アイソレータと前記第２レンズ光学系との間の前記光の光軸上に、光の波長を変換する非線形光学結晶を備える
ことを特徴とする請求項２記載の走査型光加工ヘッド。
【請求項１３】
光を走査することにより対象物を加工する走査型光加工装置であって、
前記光を走査する走査型光加工ヘッド、
前記走査型光加工装置に対して命令を入力する入力部、
前記命令にしたがって前記走査型光加工ヘッドを駆動する駆動回路、
を備え、
前記走査型光加工ヘッドは、
前記光を導波させる光ファイバ、
前記光ファイバが出射する前記光の進行方向を偏向させるビームスキャナ、
前記光ファイバが出射した前記光を略平行光として出力する第１レンズ光学系、
第１方向において伝搬する光強度の減衰量が、前記第１方向とは反対の第２方向において伝搬する光強度の減衰量よりも小さい、光アイソレータ、
前記光を集束させる第２レンズ光学系、
を備え、
前記光ファイバと、前記ビームスキャナと、前記第１レンズ光学系と、前記光アイソレータと、前記第２レンズ光学系が前記第１方向に従って順に配置されている
ことを特徴とする走査型光加工装置。
【請求項１４】
前記走査型光加工ヘッドはさらに、
前記光アイソレータと前記第２レンズ光学系との間の前記光の光軸上に配置され、前記光の一部を分岐する光分岐器、
前記光分岐器で分岐された分岐光を受光する受光器、
を備え、
前記走査型光加工装置はさらに、前記駆動回路を制御することにより前記光の走査位置を制御する制御器を備え、
前記制御器は、前記受光器が受光した光強度にしたがって前記光の走査位置を検出することにより、前記光の走査位置を制御する
ことを特徴とする請求項１３記載の走査型光加工装置。
【請求項１５】
前記走査型光加工装置はさらに、前記光ファイバに対してレーザ光を供給するレーザ発振器を備え、
前記レーザ発振器の平均光出力は、１０Ｗ以上である
ことを特徴とする請求項１３記載の走査型光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて対象物を加工する光加工装置において、加工光を走査する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
食品、医薬品、工業製品などに賞味期限やバーコード等を非接触で印字する方法として、レーザ光をビームスキャナで走査し、対象物に照射することで表面を加工するレーザ印字方式が知られている。例えば下記特許文献１には、レーザ印字装置の構成として、ファイバレーザから出射された光を、ビームスキャナを用い２次元面内で走査する構成が開示されている。特許文献１に記載のレーザ印字装置においては、ビームスキャナとして、ガルバノミラーを用いている。ガルバノミラーは高精度な制御が可能であり、高精細な印字に適しているものの、比較的大型であるという理由から、高速な駆動が難しく、ガルバノミラーの応答速度が印字速度を制限する要因となる。
【０００３】
この課題を解決するために、光ファイバ先端がレーザ光を直接走査するレーザ印字装置がある。光ファイバ先端を直接走査する技術に関しては、例えば下記特許文献２がある。特許文献２には、光ファイバ先端を振動させる光ファイバスキャナが開示されている（図４、段落番号００４５）。同文献はその適用例として、医療用のファイバスコープ内視鏡を採り上げている。
【０００４】
レーザ印字装置のその他の課題として、印字対象物から反射された光がレーザ印字装置内に逆流することによりレーザ発振器の動作が不安定化したり、さらに戻り光が大きい場合には光学部品やレーザ発振器に不可逆的な損傷を与えたりすることがある。特許文献１には、戻り光を抑制する方法として、光アイソレータを用いた方式が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９４７５１号公報
【特許文献２】特表２００８−５０４５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
光ファイバスキャナはガルバノミラーと比較し小型であるので、光ファイバスキャナをレーザ印字ヘッドに適用した場合、大幅な小型化が期待できる。また光ファイバスキャナは軽量であり、高速な駆動が可能であるので、光ファイバスキャナを用いたレーザ印字装置は、ガルバノミラーを用いたレーザ印字装置と比較して高速印字の観点で有利である。そこで本発明者は、印字ヘッドの小型化、印字速度の高速化が期待できる光ファイバスキャナと、レーザへの戻り光を抑制し印字装置の高信頼化が期待できる光アイソレータを用いた、新たなレーザ印字装置について検討した。
【０００７】
検討の結果、光ファイバスキャナと光アイソレータを融合した場合、新たな課題が生じることが判明した。具体的には、光ファイバスキャナが光ファイバの先端位置を走査することにより、光アイソレータの入射面に対して斜めに光が入射し、光アイソレータのアイソレーション性能が十分に得られない場合があることが分かった。
【０００８】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、小型かつ加工速度が高速であり、信頼性が高い走査型光加工ヘッド、およびこれを備えた走査型光加工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】
【０００９】
本発明に係る走査型光加工ヘッドには、光ファイバと、ビームスキャナと、光を略平行光として出力する第１レンズ光学系と、光アイソレータと、対象物に対して光を集束する第２レンズ光学系とが、光ファイバが出射した光の伝搬方向に従って順に配置されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る走査型光加工ヘッドによれば、小型かつ加工速度が高速であり、信頼性が高い走査型光加工ヘッド、およびそれを備えた走査型光加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光ファイバスキャナ１００の構成を示す図である。
【図２】実施形態１に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の構成を示す図である。
【図３】実施形態１に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図４】走査型レーザ加工ヘッド２００の構成要素の配置順を示すブロック図である。
【図５】走査型レーザ加工ヘッド２００を備えた走査型レーザ加工装置５００の機能ブロック図である。
【図６】実施形態１において光ファイバ出射端面３０１が変位したときの光路を示す図である。
【図７】実施形態２に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図８】実施形態３に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図９】実施形態４に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図１０】実施形態５に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図１１】実施形態６に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図１２】実施形態６に係る走査型レーザ加工ヘッド２００を備えた走査型レーザ加工装置１２００の機能ブロック図である。
【図１３】実施形態７に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。
【図１４】従来のレーザ印字ヘッド１４００の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜従来技術の課題について＞
本発明の理解を容易にするため、以下ではまず従来のレーザ印字ヘッドの課題を説明し、その後で本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１４は、従来のレーザ印字ヘッド１４００の構成を示す図である。レーザ印字ヘッド１４００は、出射光学系１４０５と走査光学系１４０７とを備える。レーザ印字ヘッド１４００は、ガルバノミラー１４０６（添え字ａとｂにより区別している）によって加工光の照射位置を走査するように構成されている。
【００１４】
光ファイバ１４０１から出射された光は、コリメートレンズ１４０２で平行光とされた後、光アイソレータ１４０３を透過し、ガルバノミラー１４０６によって偏向され、ｆθレンズ１４０４によって集光されて印字対象物に照射される。ガルバノミラー１４０６は光路上で光アイソレータ１４０３の後段にあるので、ガルバノミラー１４０６を駆動したとき、光アイソレータ１４０３を透過する光路は影響を受けない。
【００１５】
これに対して、光ファイバスキャナを用いる場合は、光ファイバの出射端近傍に光ファイバ駆動機構が備え付けられ、これにより光ファイバの出射端面の位置が変位することで加工光の照射位置が走査される。すなわち光路上で光ファイバスキャナが光アイソレータよりも前段にあるので、光ファイバスキャナの駆動により、光アイソレータを透過する光路が変化する。光ファイバ出射端面の変位量が小さければ光路変化による影響は小さいものの、変位が大きい場合は、光アイソレータに光が斜めから入射されることになる。光アイソレータのアイソレーション性能は入射角度依存性があるので、光アイソレータに対して斜めから光が入射すると、アイソレーション性能が劣化する懸念がある。
【００１６】
光アイソレータを光ファイバスキャナの後段ではなく、ファイバレーザ発振器と光ファイバスキャナの間に挿入することによって光ファイバスキャナよりも前段に配置することも考えられる。この場合は、光ファイバスキャナを駆動しても、光アイソレータを透過する光路は影響を受けない。他方で、光アイソレータをファイバレーザ発振器と光ファイバスキャナの間に挿入するためには、いったん光を光ファイバから自由空間に取り出し、ビーム径を広げ、光アイソレータを透過させた後に再びレンズで集光して次段の光ファイバに入力する必要がある。自由空間においてビーム径を大きくしなければいけない理由は、光アイソレータの損傷を抑制するために入力光のエネルギー密度をある値以下に小さくする必要があるからである。
【００１７】
レーザ出力が低ければ、自由空間においてビーム径をさほど広げなくとも初めからエネルギー密度が小さいので、光アイソレータを損傷するおそれはない。他方でレーザ印字装置のように平均光出力が１０Ｗ〜数１０Ｗに達する場合は、ビーム径を数ｍｍまで大きくする必要がある。ビーム径をこのレベルまで拡大すると、光アイソレータを透過した光をレンズで集光したとしても、収差などの影響により、高効率で次段の光ファイバに入力することが難しい。したがって、レーザ印字装置においては光アイソレータを光ファイバスキャナの前段に配置することは困難である。
【００１８】
光ファイバ出射端面位置を変位させることによりレーザ光の出射方向を可変にする光ファイバスキャナは、特許文献２に示されるような医療用のファイバスコープ内視鏡などに応用されることが一般的に知られている。ファイバスコープ内視鏡は人体内部を観察することを目的としており、レーザの高出力化に対する要求がないので、レーザ出力に関する上記課題は生じないことを付言しておく。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る光ファイバスキャナ１００の構成を示す図である。光ファイバスキャナ１００は、レーザ光が導波し端面から出射する光ファイバの出射端近傍位置を変位させることにより、光の出射方向を走査する。出射端近傍位置を変位させるデバイスとしては、電圧を印加したときに歪が生じるピエゾ素子を用いることができる。
【００２０】
図１において、ピエゾ素子１０１の周回に沿って４つのピエゾ素子電極１０２ａ、１０２ｂ、１０３ａ、１０３ｂが配置されており、ピエゾ素子１０１の中心穴には光ファイバ１０４が通されている。ピエゾ素子電極１０２ａと１０２ｂは横方向（ｘ方向）の変位量を調整し、ピエゾ素子電極１０３ａと１０３ｂは縦方向（ｙ方向）の変位量を調整する。光ファイバスキャナ１００を備えた走査型レーザ加工ヘッドは、それぞれの電極に印加する電圧を制御することにより、光ファイバ出射端面１０５とほぼ水平な２次元面内において光を走査することができる。
【００２１】
図１には図示していないが、光ファイバ出射端面１０５の逆側の端面からレーザ光を入力する。そのとき、光ファイバのコア径が数μｍから数十μｍのシングルモードファイバである場合、レーザ光を高効率で入力し、導波させるためには、レーザ発振器を同程度のコア径を有するファイバレーザとすることが好適である。
【００２２】
図２は、本実施形態１に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の構成を示す図である。走査型レーザ加工ヘッド２００は、光ファイバ２０１、レンズ２０２、光アイソレータ２０３、レンズ２０４、筐体２０５を備える。光ファイバ２０１の出射端近傍にはピエゾ素子１０１が実装されており、光ファイバスキャナ１００を構成している。走査型レーザ加工ヘッド２００は従来のガルバノミラーを用いていないので小型である。小型であることにより、加工対象物により近づけて配置することができる。またその他の加工装置との物理的干渉の問題が起きにくく、生産ラインに組み込みやすい利点がある。また、光ファイバスキャナ１００はガルバノミラーと比較して質量が軽いので、数１０ｋＨｚから数１００ｋＨｚ程度の高い周波数で駆動することが可能である。さらに、走査型レーザ加工ヘッド２００は光アイソレータ２０３を内蔵しているので、レーザ発振器への戻り光を抑制することができる。したがってレーザ発振器の動作不安定化や故障が起きにくく、信頼性が高い。
【００２３】
図３は、走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。走査型レーザ加工ヘッド２００は、レンズ２０２を含む光学系３２０（第１レンズ光学系）と、レンズ２０４を含む光学系３４０（第２レンズ光学系）を有する。
【００２４】
光ファイバ出射端面３０１は、レンズ２０２からの距離が、レンズ２０２の焦点距離ｆ1と等しくなる位置に配置されている。したがってレンズ２０２透過後の光は平行光として伝搬する。平行光として伝搬する領域には光アイソレータ２０３などの各種光学部品を挿入することができる。
【００２５】
本実施形態１の光学系のもう１つの特徴は、レンズ２０２とレンズ２０４との間の距離ｄ1が、それらのレンズの焦点距離の和ｆ１＋ｆ２と等しいことである。したがって、光ファイバ出射端面３０１が光軸の垂直面内で変位するとき、光出射端面位置によらず、レンズ２０４によって収束されるビームの光路は常に光軸３０７と平行となる。すなわちテレセントリック光学系が形成されている。これにより、加工対象物に対して常に垂直に光が集光されるので、加工物の表面上でビームスポット形状が均一（円形状）であり、高品質な加工が可能である。
【００２６】
図４は、走査型レーザ加工ヘッド２００の構成要素の配置順を示すブロック図である。光ファイバ２０１、光ファイバスキャナ１００、レンズ２０２、光アイソレータ２０３、レンズ２０４は、走査型レーザ加工ヘッド２００の光入力部から光出力部に向かってこの順で配置されている。
【００２７】
図５は、走査型レーザ加工ヘッド２００を備えた走査型レーザ加工装置５００の機能ブロック図である。走査型レーザ加工装置５００の本体部５０１は、入力部５０３、制御信号生成器５０４、駆動回路５０５、レーザ発振器５０６を備える。入力部５０３は、例えば加工対象材料の種類や加工形状の仕様についての指令５０２を受け取る。制御信号生成器５０４は指令５０２にしたがって加工光の強度、パルス幅、繰り返し周波数、及び加工光を照射する位置などを指示する制御信号を生成する。駆動回路５０５はその制御信号に従ってレーザ発振器５０６と光ファイバスキャナ１００とを駆動する。レーザ発振器５０６は、レーザ光を生成して光ファイバ２０１へ供給する。
【００２８】
走査型レーザ加工装置５００は、走査型レーザ加工ヘッド２００と本体部５０１とが別筐体として分離されているので、走査型レーザ加工ヘッド２００よりも大型な本体部５０１は、例えば生産ライン（加工対象物を載置しているライン）と物理的に干渉しない位置に配置するなど、生産ラインの種類に対し柔軟に対応できる利点がある。
【００２９】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る走査型レーザ加工ヘッド２００は、レンズ２０２によって略平行光に変換したレーザ光を、光アイソレータ２０３に対して入射する。光ファイバ２０１の走査範囲が比較的小さければ、光アイソレータ２０３のアイソレーション性能は大きく劣化しないので、戻り光による損傷を十分抑制することができる。したがって、小型かつ加工速度が高速であり、信頼性が高い走査型レーザ加工ヘッド２００、およびこれを備えた走査型レーザ加工装置５００を提供することができる。なお、略平行光とは実際のレンズ構造を反映して、伝搬中にわずかにビーム径が拡大、縮小する伝搬光も含むものとする。本願では略平行光も含めて平行光として表記する。
【００３０】
＜実施の形態２＞
図６は、実施形態１において光ファイバ出射端面３０１が変位したときの光路を示す図である。光ファイバ出射端面３０１の変位が０（端面位置が光軸上）であるとき（図６の符号２０１ａ）は、光路の中心軸と光軸とが平行である。出射端面が変位すると、光路の中心軸と光軸は平行でなくなる。変位が大きい場合ほど、光アイソレータ２０３に対して大きく傾いた斜め方向から光が入射されることになる。これによりアイソレーション性能が劣化し、走査型レーザ加工装置の信頼性が低下する懸念がある。本発明の実施形態２ではこの課題に対処する構成例を説明する。
【００３１】
図７は、本実施形態２に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。光アイソレータ２０３を透過する光が、光ファイバ出射端面３０１の変位量に依存せず、常に光軸に対して平行（または略平行）となるようにするためには、第１レンズ光学系３２０として２枚以上のレンズを用いてテレセントリック光学系を形成すればよい。図７において、光アイソレータ２０３と光ファイバ２０１の間に２枚のレンズ２０２と７０１が配置されている。両レンズ間の距離ｄ２は、それらのレンズの焦点距離の和ｆ１＋ｆ３と等しい。
【００３２】
光ファイバ出射端面３０１とレンズ２０２との間の距離を、実施形態１と同じようにレンズ２０２の焦点距離ｆ１としてしまうと、レンズ７０１を透過する光はレンズ７０１の焦点距離ｆ3だけ隔てた位置に収束してしまう。アイソレーション性能を最大化し、また光アイソレータでのけられ損失を最小化するには、レンズ７０１を透過する光が平行光であることが好ましい。そのため、光ファイバ出射端面３０１とレンズ２０２との間の距離は、レンズ２０２におけるけられ損失が生じない範囲内で十分に遠ざけることが好ましい。
【００３３】
図７においては１例として、光ファイバ出射端面３０１とレンズ２０２との間の距離を焦点距離ｆ１の３倍程度とし、これによりレンズ７０１を透過する光は平行光に近いやや発散光となっている。実施形態２の光学系においては、光ファイバ出射端面３０１の位置によらず、光アイソレータ２０３を透過する光路の中心軸は常に光軸３０７と平行であるので、アイソレーション性能の劣化が生じず、走査型レーザ加工装置の信頼性は実施形態１よりも高い。
【００３４】
＜実施の形態３＞
実施形態２においては、光アイソレータ２０３の入射面に対して概ね垂直にレーザ光が入射するが、一方で実施形態１とは異なり、対象物に対して斜めに加工光が入射する。これにより、加工物の表面上でビームスポットが楕円形状などに変形し、加工品質が低下する場合がある。そこで本発明の実施形態３では、実施形態２と同様の効果を発揮しつつ、対象物に対して垂直に加工光を入射させる構成例を説明する。
【００３５】
図８は、本実施形態３に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。本実施形態３において、第２レンズ光学系３４０は２枚のレンズ２０４と８０１によって構成されている。その２枚のレンズ間距離ｄ3はそれらのレンズの焦点距離の和ｆ２+ｆ４と等しい。このとき、レンズ２０４と８０１からなる第２レンズ光学系３４０はテレセントリック光学系となるので、レンズ８０１を透過する光の光路の中心軸は光軸３０７と平行となる。これにより実施形態１と同様に、対象物に対して常に垂直に光が集光されることになるので、加工物の表面上でビームスポット形状が円形となり、高品質な加工が可能である。
【００３６】
＜実施の形態４＞
本発明の実施形態４では、実施形態３と同等の加工品質を維持したまま、ピント調整や倍率調整が可能な構成例について説明する。
【００３７】
図９は、本実施形態４に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。本実施形態４において、第２レンズ光学系３４０は３枚のレンズ２０４、８０１、９０１によって構成されている。レンズ８０１と９０１の距離がｄ４、レンズ８０１と９０１による合成レンズ９００の合成焦点距離がｆｓのとき、合成レンズ９００の主点９０４からレンズ２０４までの距離ｄ５は、それぞれの焦点距離の和ｆｓ+ｆ２と等しい。
【００３８】
上記条件が成立しているとき、レンズ２０４、８０１、９０１からなる複合レンズはテレセントリック光学系となるので、レンズ９０１を透過する光の光路の中心軸は光軸３０７と平行となる。よって、実施形態１と３で説明したように、対象物に対して常に垂直に光が集光されるので、ビームスポット形状が円形となり、高品質な加工が可能である。
【００３９】
本実施形態４においてはさらに、レンズ８０１と９０１の距離ｄ４を変更すれば、合成焦点距離ｆｓもそれに依存して一意に決まる。その合成焦点距離に基づいて、レンズ２０４との位置関係を適切に設定することにより、テレセントリック光学系を構築することができる。よって、実施形態３と同等の高品質な加工品質を維持したまま、結像位置を調整したり、加工する像の倍率を調整したりすることが可能である。像の倍率を調整することで加工する像の大きさや、太さ、濃さなどを調整することが可能である。
【００４０】
＜実施の形態５＞
本発明の実施形態５では、加工対象材料の反射吸収特性がレーザ光の偏光の向きに依存する場合において、加工効率や品質をさらに高める構成例について説明する。
【００４１】
図１０は、本実施形態５に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。図７で説明した光学系との違いは光アイソレータ１００２とレンズ２０４との間の光軸上に波長板１００３が備えられていることである。
【００４２】
波長板１００３は、複屈折材料などからなり、直交する２つの偏光成分に位相差をつけることで、入射偏光の状態を変える素子であって、１８０°の位相差を与える１／２波長板や、９０°の位相差を与える１／４波長板であってもよい。
【００４３】
波長板１００３が１／２波長板であるとき、光ファイバ１００１から出力される直線偏光の偏光方位を変えることができる。１／２波長板の光学軸が入射光の偏光方位と一致している場合は、出射光の偏光方位は変わらず、そのままの偏波方位で出射する。１／２波長板の光学軸を入射光の偏光方位からθ傾けた場合は、出射光の偏光方位は入射光の偏光方位に対し２θ傾いて出射する。したがって１／２波長板を回転させることにより、自由に直線偏光の偏光方位を変えることができる。
【００４４】
加工対象物が偏光方位に依拠する特性を有する場合であっても、１/２波長板によって偏光方位を制御することにより、加工対象物からの反射が少なく、吸収が大きい偏光成分のみを加工対象物に照射することができる。これにより、小さなエネルギーで効率的に加工することができる。加工対象物の材料によっては不要な熱の発生を抑制することができ、より微細に高品質で加工することができる。
【００４５】
一方、波長板１００３が１／４波長板であるとき、光ファイバ１００１から出力される直線偏光を円偏光に変換することができる。１／４波長板の光学軸と入射光の偏光方位との成す角度には依存せず、常に円偏光が出射される。
【００４６】
加工対象物が偏光方位に依拠する特性を有する場合であっても、１/４波長板によって円偏光に変換することで、特定方位のみに偏光しておらず偏光方位の影響が無い光を加工対象物に照射することができる。これにより、加工対象物の結晶方位や加工光を走査する方向によって偏光方位を高度に制御する必要がなく、簡易的に高品質で加工することができる。
【００４７】
このように波長板１００３を用いる場合、光ファイバ１００１は、出射される光の偏光方位が変化しないよう偏波保持ファイバとすることが好ましい。偏波保持ファイバを用いる場合は、光アイソレータ１００２に入力される偏光方向が一定であるため、偏光依存型の光アイソレータであってもよい。偏光依存型の光アイソレータは偏光無依存型と比較して構造がシンプルであり、安価かつ大口径が得やすく光学設計の要求仕様を緩和できるという利点がある。
【００４８】
図１０では、第２レンズ光学系３４０の構成として１枚レンズの場合を図示したが、それに限ったことではなく、図８や図９で説明したように、２枚レンズや３枚レンズの場合であってもよい。その場合、加工品質がさらに高く、結像位置を調整したり、加工する像の倍率を調整したりすることが可能である。
【００４９】
＜実施の形態６＞
図１１は、本発明の実施形態６に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。図７で説明した光学系との違いは、（ａ）光アイソレータ２０３とレンズ２０４の間の光軸上に、光の一部を分岐するためのビームスプリッタ１１０１が備えられていること、（ｂ）ビームスプリッタ１１０１で分岐された一方の光を検出するため、分岐された光の光路上に受光器１１０２が備えられていること、である。
【００５０】
受光器１１０２は、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と呼ばれる位置検出用受光器であってもよい。ＰＳＤにおいては、受光面において光が入射された位置に依存して、４つの電極にそれぞれ電位が生じる。この電位を解析することにより、入射されたビームの位置を検出することができる。受光器１１０２の別の形態としては、受光面が少なくとも２つ、より好ましくは、４つに分割された分割型受光器であってもよい。受光面において光が入射される位置に依存して、分割化された各受光部でそれぞれ電位が生じる。この電位を解析することにより、入射されたビームの位置を検出することができる。
【００５１】
図１２は、本実施形態６に係る走査型レーザ加工ヘッド２００を備えた走査型レーザ加工装置１２００の機能ブロック図である。受光器１１０２が検出した受光信号は、制御信号生成器５０４に入力される。制御信号生成器５０４は、入力部５０３が受け取る指令５０２に対して受光信号に基づき補正を加えた制御信号を生成し、これにしたがって駆動回路５０５を制御する。本構成により、走査型レーザ加工ヘッド２００内を伝搬するビーム位置を常時モニタし、その結果に基づいて走査型レーザ加工装置１２００を制御するフィードバック制御を実施できる。これにより加工品質をさらに高めることができる。
【００５２】
図１１においては、第２レンズ光学系３４０の構成として１枚レンズの場合を図示したが、それに限ったことではなく、図８や図９で説明したように、２枚レンズや３枚レンズの場合であってもよい。その場合、加工品質がさらに高く、結像位置を調整したり、加工する像の倍率を調整したりすることが可能である。
【００５３】
＜実施の形態７＞
図１３は、本発明の実施形態７に係る走査型レーザ加工ヘッド２００の光学系を示す。図７で説明した光学系との違いは、光アイソレータ１００２とレンズ２０４との間の光軸上に、第１非線形光学結晶１３０１と第２非線形光学結晶１３０２からなる波長変換素子１３００が備えられていることである。
【００５４】
非線形光学結晶は、結晶内の分極により入射光に対して非線形的に応答し、かつ複屈折が存在する結晶であればよい。例えば、ＫＴｉＯＰＯ４（ＫＴＰ）、ＣｓＬｉＢ６Ｏ１０（ＣＬＢＯ）、ＬｉＢ３Ｏ５（ＬＢＯ）、ＫＨ２ＰＯ４（ＫＤＰ）、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）などであればよい。また、ＬＮ結晶にＭｇＯを混ぜたＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ３（ＭｇＬＮ）や、ＬＮ結晶やＭｇＬＮ結晶を周期的反転構造としたＰＰＬＮやＰＰＭｇＬＮなどであればよい。これらの結晶中に入射される光の波長、位相、偏光などがある整合条件を満足するとき短波長のレーザ光が生成される。例えば波長１０６４ｎｍの光をＬＢＯ結晶に入射することにより波長５３２ｎｍの光を生成し（第二次高調波発生）、さらに波長１０６４ｎｍと５３２ｎｍの光をＬＢＯ結晶に入射し和周波発生を実施することにより波長３５５ｎｍの光を生成（第三次高調波発生）することもできる。その他の例としては、波長１０６４ｎｍの光をＫＴＰ結晶に入射することにより波長５３２ｎｍの光を生成し（第二次高調波発生）、さらに波長５３２ｎｍの光をＣＬＢＯ結晶に入射することにより波長２６６ｎｍの光を生成（第四次高調波発生）することができる。
【００５５】
波長変換素子１３００を用いて波長を変換することにより、加工対象物からの反射が少なく、吸収が大きい波長の光を加工対象物に照射することができる。これにより、小さなエネルギーで効率的に加工することができる。加工対象物の材料によっては不要な熱の発生を抑制することができ、より微細に高品質で加工することができる。また、同じレンズ系で集光したときのビーム径は波長に比例するので、レーザ光を短波長化することにより、より微細に高品質で加工することができる。
【００５６】
このように波長変換素子１３００を用いる場合、光ファイバ１００１は、出射される光の偏光方位が変化しないよう偏波保持ファイバとすることが好ましい。偏波保持ファイバを用いる場合は、光アイソレータ１００２に入力される偏光方向が一定であるため、偏光依存型の光アイソレータであってもよい。偏光依存型の光アイソレータの利点は実施形態５で説明したものと同様である。
【００５７】
図１３においては、第２レンズ光学系３４０の構成として１枚レンズの場合を図示したが、それに限ったことではなく、図８や図９で説明したように、２枚レンズや３枚レンズの場合であってもよい。その場合、加工品質がさらに高く、結像位置を調整したり、加工する像の倍率を調整したりすることが可能である。
【００５８】
＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００５９】
以上の実施形態における光アイソレータとしては、（ａ）入射側への戻り光を反射することにより光を遮断するタイプ、（ｂ）戻り光を吸収することにより入射側における光強度を減少させるタイプ、（ｃ）戻り光を偏向することにより入射側において集束しないようにするタイプ、など様々なタイプのものを用いることができる。少なくとも、光ファイバから入射する光が光アイソレータから出射するときの光強度の減衰量が、その反対方向において光アイソレータを伝搬するときの光強度の減衰量よりも小さければ、光アイソレータとしての機能を発揮するといえる。
【００６０】
以上の実施形態において、走査型レーザ加工装置５００（または１２００）が対象物を光によって加工する装置であることに鑑みると、レーザ発振器５０６の平均光出力は１０Ｗ以上であることが望ましい。光出力がこのレベル以上であれば、戻り光によるダメージが大きくなるので、本発明の構成が有効であるといえる。
【００６１】
以上の実施形態において、レーザ光を照射することにより加工物を加工する方法として以下のようなものが考えられる。いずれにおいても本発明を適用することができる：（ａ）レーザ光によって対象物を削ることにより、２次元形状または３次元形状を加工する、（ｂ）レーザ光を対象物に対して照射することにより対象物の物理的・化学的特性を変性させ、これにより対象物を加工する。加工の１例としては、対象物に対して文字や図形を印字することが挙げられる。
【符号の説明】
【００６２】
１００：光ファイバスキャナ
２００：走査型レーザ加工ヘッド
２０１：光ファイバ
２０２：レンズ
２０３：光アイソレータ
２０４：レンズ
３０１：光ファイバ出射端面
３０７：光軸
３２０：第１レンズ光学系
３４０：第２レンズ光学系
５００：走査型レーザ加工装置
５０１：本体部
５０２：指令
５０３：入力部
５０４：制御信号生成器
５０５：駆動回路
５０６：レーザ発振器
７０１：レンズ
８０１：レンズ
９００：合成レンズ
１００１：光ファイバ
１００２：光アイソレータ
１００３：１/２波長板
１１０１：ビームスプリッタ
１１０２：受光器
１２００：走査型レーザ加工装置
１３００：波長変換素子
【図１】
2020075281.tif 000003
【図２】
2020075281.tif 000004
【図３】
2020075281.tif 000005
【図４】
2020075281.tif 000006
【図５】
2020075281.tif 000007
【図６】
2020075281.tif 000008
【図７】
2020075281.tif 000009
【図８】
2020075281.tif 000010
【図９】
2020075281.tif 000011
【図１０】
2020075281.tif 000012
【図１１】
2020075281.tif 000013
【図１２】
2020075281.tif 000014
【図１３】
2020075281.tif 000015
【図１４】
2020075281.tif 000016