(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振されたレーザ光の出射方向への拡がり角を調整する調整レンズと、前記あらかじめ設定された照射角に基づいて、前記調整レンズの配置位置を制御するレンズ駆動制御部とを有した出射角調整部と、
前記調整レンズにおいて出射方向への拡がり角が調整されたレーザ光の光束を反射により重畳して照射角度方向の光強度分布を変換するミラーと、前記ミラーにより照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角が前記あらかじめ設定された照射角に一致する前記ミラーの配置位置を算出し、算出した配置位置に前記ミラーを配置するミラー制御部とを有した照射光生成部とを備え、
前記ミラーは、１つの回動中心部に回動可能に接続された第１のミラーおよび第２のミラーを備え、
前記ミラー制御部は、前記回動中心部、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを一平面上に配置した場合に形成される水平面に対する前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの回動角であって、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの反射により照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角が前記あらかじめ設定された照射角に一致する回動角を算出し、算出した回動角に基づいて前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの回動を制御することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項２】
レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振されたレーザ光の出射方向への拡がり角を調整する調整レンズと、前記あらかじめ設定された照射角に基づいて、前記調整レンズの配置位置を制御するレンズ駆動制御部とを有した出射角調整部と、
前記調整レンズにおいて出射方向への拡がり角が調整されたレーザ光の光束を反射により重畳して照射角度方向の光強度分布を変換するミラーと、前記ミラーにより照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角が前記あらかじめ設定された照射角に一致する前記ミラーの配置位置を算出し、算出した配置位置に前記ミラーを配置するミラー制御部とを有した照射光生成部とを備え、
前記ミラーは、端部が第１の回動中心部に回動可能に接続された第１のミラーと、端部が第２の回動中心部に回動可能に接続された第２のミラーとを備え、第１のミラーの他端部と第２のミラーの他端部とを連続させて配置し、
前記ミラー制御部は、前記第１の回動中心部、前記第２の回動中心部、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを一平面上に配置した場合に形成される水平面に対する前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの回動角であって、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの反射により照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角が前記あらかじめ設定された照射角に一致する回動角を算出し、算出した回動角に基づいて前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの回動を制御することを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項３】
レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振されたレーザ光の出射方向への拡がり角を屈折により調整する、前記屈折の屈折率が可変な屈折率可変調整レンズである出射角調整部と、
前記屈折率可変調整レンズにおいて出射方向への拡がり角が調整されたレーザ光の光束を屈折により重畳し、照射角度方向の光強度分布を変換すると共に、当該光強度分布を変換した照射光の出射角を前記あらかじめ設定された照射角に調整する、前記屈折の屈折率が可変な屈折率可変プリズムと、前記屈折率可変プリズムから出射される照射光の照射角が、前記あらかじめ設定された照射角に一致する前記屈折率可変調整レンズの屈折率および前記屈折率可変プリズムの屈折率を算出し、算出した屈折率を前記屈折率可変調整レンズおよび前記屈折率可変プリズムに設定する屈折率調整部とを有した照射光生成部とを備えたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項４】
レーザ光を発振するレーザ発振部と、
前記レーザ発振部から発振されたレーザ光の出射方向への拡がり角を調整する調整レンズである前記出射角調整部と、
前記調整レンズにおいて出射方向への拡がり角が調整されたレーザ光の光束を屈折により重畳し、照射角度方向の光強度分布を変換するプリズムと、前記プリズムにより照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角を前記あらかじめ設定された照射角に調整する照射角調整レンズと、前記照射角調整レンズから出射される照射光の照射角が、前記あらかじめ設定された照射角に一致する前記照射角調整レンズの配置位置を算出し、算出した配置位置に前記照射角調整レンズを配置する照射角調整レンズ制御部とを有した照射光生成部とを備えたことを特徴とするレーザ照射装置。
【請求項５】
前記レーザ光は、ガウス形状の光強度分布を有し、
前記レンズ駆動制御部は、前記調整レンズの焦点距離、前記ガウス形状の強度分布を有するレーザ光のピーク強度の１／ｅ２倍となる光強度の拡がり角、および前記あらかじめ設定された照射角に基づいて、前記レーザ発振部から前記調整レンズまでの距離を算出し、算出した距離に基づいて前記調整レンズを配置し、
前記ミラー制御部は、前記第１のミラーの回動角と前記第２のミラーの回動角の和θｍと、前記あらかじめ設定された照射角θｓとの間にθｓ／２＝θｍが成立する、前記第１のミラーおよび前記第２のミラーの回動角を算出し、算出した回動角に基づいて前記第１のミラーおよび前記第２のミラーを回動させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ照射装置。
【請求項６】
前記レーザ光は、ガウス形状の光強度分布を有し、
前記屈折率可変プリズムは、二等辺三角形形状を有し、
前記屈折率調整部は、前記屈折率可変プリズムの二等辺三角形の底角の角度、および前記あらかじめ設定された照射角に基づいて前記屈折率可変プリズムの屈折率を算出し、前記レーザ発振部から前記屈折率可変調整レンズまでの距離、前記屈折率可変レンズの焦点距離、前記ガウス形状の強度分布を有するレーザ光のピーク強度の１／ｅ２倍となる光強度の拡がり角、および前記あらかじめ設定された照射角に基づいて、前記屈折率可変レンズの屈折率を算出し、算出した前記屈折率を前記屈折率可変レンズおよび前記屈折率可変プリズムに設定することを特徴とする請求項３記載のレーザ照射装置。
【請求項７】
前記レーザ光は、ガウス形状の光強度分布を有し、
前記プリズムは、二等辺三角形形状を有し、
前記調整レンズは、自レンズの焦点距離、前記ガウス形状の強度分布を有するレーザ光のピーク強度の１／ｅ２倍となる光強度の拡がり角、前記プリズムの二等辺三角形の底角の角度、および前記あらかじめ設定された照射角に基づいて決定される距離を前記レーザ発振部から離間させて配置され、
前記照射角調整レンズ制御部は、前記プリズムから前記照射角調整レンズまでの距離、前記照射角調整レンズの焦点距離、および前記あらかじめ設定された照射角に基づいて前記照射角調整レンズの配置位置を算出することを特徴とする請求項４記載のレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
レーザ光を照射角度方向に強度均一な光へと変換し、照射するレーザ照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ照射装置では、ガウスビームの拡がり角をレンズにより調整して照射していた。しかし、ガウスビームの照射は、照射中心から離れるほど強度が弱くなり、照射領域を均一に効率的に照射することができないという問題があった。
【０００３】
この対策として、特許文献１では、プリズムおよびレンズにより、ガウスビームを異なる光路を有する光束に分割し、さらに分割した光束を重畳することにより、目標に対して均一且つ高効率に照射するレーザ照射装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５１３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に開示された技術では、プリズムの角度により照射光の照射角が決定されるため、照射光の照射角を動的に変化させることができないという課題があり、レーザ照射装置としての汎用性が低いという課題もあった。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、レーザ光の照射角度方向の光強度を均一化し、さらに当該レーザ光の照射角度を動的に変化可能なレーザ照射装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係るレーザ照射装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、レーザ発振部から発振されたレーザ光の出射方向への拡がり角を調整する調整レンズと、あらかじめ設定された照射角に基づいて、調整レンズの配置位置を制御するレンズ駆動制御部とを有した出射角調整部と、調整レンズにおいて出射方向への拡がり角が調整されたレーザ光の光束を反射により重畳して照射角度方向の光強度分布を変換するミラーと、ミラーにより照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角があらかじめ設定された照射角に一致するミラーの配置位置を算出し、算出した配置位置にミラーを配置するミラー制御部とを有した照射光生成部とを備え、ミラーは、１つの回動中心部に回動可能に接続された第１のミラーおよび第２のミラーを備え、ミラー制御部は、回動中心部、第１のミラーおよび第２のミラーを一平面上に配置した場合に形成される水平面に対する第１のミラーおよび第２のミラーの回動角であって、第１のミラーおよび第２のミラーの反射により照射角度方向の光強度分布が変換された照射光の出射角があらかじめ設定された照射角に一致する回動角を算出し、算出した回動角に基づいて第１のミラーおよび第２のミラーの回動を制御するものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、レーザ光の照射角度方向への光強度を均一化し、且つレーザ光の照射角度を動的に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
【図２】実施の形態１によるレーザ照射装置の照射光の光強度分布を示す図である。
【図３】実施の形態１によるレーザ照射装置の他の構成を示す図である。
【図４】実施の形態１によるレーザ照射装置の他の構成を示す図である。
【図５】実施の形態１によるレーザ照射装置の駆動ミラーの他の構成を示す図である。
【図６】実施の形態２によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
【図７】実施の形態３によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
図１に示すように、レーザ照射装置は、レーザ発振部１、調整レンズ２、駆動ミラー３、駆動ステージ４、照射角設定部５、駆動ミラー制御部６および駆動ステージ制御部７を備える。
【００１１】
レーザ発振部１は、ガウス形状の光強度分布を有するレーザ光（以下、ガウスビームと称する）を発振する。調整レンズ２は、レーザ発振部１から発振されたガウスビームの拡がり角を調整する。駆動ミラー３は、一対のミラーである第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂが、回動中心部３ｃを介して回動可能に接続されている。第１のミラー３ａ、第２のミラー３ｂおよび回動中心部３ｃを同一平面上に配置した場合に形成される水平面Ａに対して、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂは、それぞれ矢印Ｂ、Ｂ´方向に回動角θｍ／２回動させて配置している。
【００１２】
第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂは、調整レンズ２で拡がり角が調整されたガウスビームの光束を反射することにより２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射する。具体的には、ガウスビームは第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂにそれぞれ異なる角度で入射するため、第１のミラー３ａで反射されて形成された光路と、第２のミラー３ｂで反射されて形成された光路とは、それぞれ異なる方向にであって、且つ２つの光路がそれぞれ重畳する方向に出射される。
【００１３】
駆動ステージ４は、調整レンズ２を保持するステージであり、駆動ミラー３で反射される照射光の照射角度が指定された照射角度θｓとなるように、保持した調整レンズ２を矢印Ｃ方向に移動させる。照射角設定部５は、駆動ミラー３で反射された照射光の照射角度を指定する照射角信号を出力する。駆動ミラー制御部６は、照射角設定部５から入力された照射角信号に基づいて、駆動ミラー３で反射された照射光が照射角度θｓを有するように第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂの回動角θｍを制御する。駆動ステージ制御部７は、照射角設定部５から入力された照射角信号に基づいて、駆動ミラー３の反射により形成された２つの光路が互いに重畳した照射光の照射角度方向の光強度が均一となるような駆動ステージ４の矢印Ｃ方向の移動量を算出し、算出した移動量を用いて駆動ステージ４の位置を制御する。
【００１４】
次に、レーザ照射装置の動作について説明する。
照射角設定部５は、レーザ照射する照射光の照射角θｓを指定する照射角信号を駆動ミラー制御部６および駆動ステージ制御部７に出力する。駆動ミラー制御部６は、照射角設定部５から入力された照射角信号を参照し、駆動ミラー３の反射により形成された２つの光路が互いに重畳した照射光が指定された照射角θｓとなる第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂの回動角θｍを算出する。算出した回動角θｍに基づいて、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂを、図１で示した水平面Ａに対してそれぞれ矢印Ｂ，Ｂ´方向に駆動する。折れ曲がり角度θｍと照射角θｓは以下の式（１）の関係を満たす。
θｓ／２＝θｍ・・・（１）
【００１５】
次に、駆動ステージ制御部７は、照射角設定部５から入力された照射角信号を参照し、駆動ステージ４を制御して調整レンズ２の配置位置を調整し、ガウスビームの拡がり角を調整する。具体的には、駆動ミラー３の反射により形成される２つの光路が互いに重畳した照射光が照射角θｓの範囲内を均一に照射可能なガウスビームの拡がり角を算出し、算出した拡がり角を有するように調整レンズ２の配置位置を調整する。なお、図１ではレーザ発振部１と調整レンズ２との離間距離を調整レンズ２の位置Ｌとして示している。調整レンズ２の位置Ｌは、レーザ発振部１から照射されるガウスビームの拡がり角をθＬ、レンズ焦点距離をｆとすると、以下の式（２）の関係を満たす。
Ｌ＝ｆ×（θＬ−１．８１×θｓ）／θＬ    ・・・（２）
ガウスビームの拡がり角θＬはピーク強度の１／ｅ２倍となる光強度の拡がり全角を示す。
【００１６】
図１では、凸レンズの調整レンズ２を示しているが、凹レンズで構成してもよい。その場合、照射角設定部５が設定した照射角θｓに対して上述した式（２）の関係を満たす位置Ｌが存在するように、レンズ焦点距離ｆを設定する必要がある。
【００１７】
駆動ステージ制御部７により配置位置が制御された調整レンズ２により拡がり角が調整されたガウスビームの光束は、駆動ミラー制御部６により回動角θｍが調整された第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂの反射により形成された２つの光路が互いに重畳し、照射角θｓの範囲内を均一、且つ高効率に照射する。
【００１８】
図２は、この発明の実施の形態１によるレーザ照射装置のレーザ光の光強度を示す図である。
図２（ａ）は、レーザ発振部１から出力されるレーザ光の光強度分布を示す図である。レーザ発振部１から出力されるレーザ光の光強度はガウス分布の拡がり角を有している。
図２（ｂ）は、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂの反射により形成された２つの光路の光強度分布を示す図である。図２（ｂ）の２つの光強度分布は、それぞれ異なる光路を進む２つのレーザ光の光強度を示している。
図２（ｃ）は、駆動ミラー３から照射される照射光の光強度分布を示す図である。図２（ｂ）に示した２つの光路のレーザ光が重畳され、図２（ｃ）に示すように照射角θｓ内を均一、且つ高効率に照射する。
【００１９】
以上のように、この実施の形態１によれば、ガウスビームの拡がり角を調整する調整レンズ２と、照射角設定部５で設定された照射角θｓに基づいて、調整レンズ２の配置位置を制御する駆動ステージ制御部７と、拡がり角が調整されたガウスビームの光束を反射することにより２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射する駆動ミラー３と、駆動ミラー３の回動角θｍを制御する駆動ミラー制御部６とを備えるように構成したので、ガウスビームを照射角の範囲内で光強度が均一な照射光へ変換する光学系において、ガウスビームの照射角を動的に変化させることができる。
【００２０】
なお、レーザ発振部１から出力されるレーザ光が平行光であるコリメートビームであった場合、あるいは設定を希望する照射角θｓのダイナミックレンジが大きく、駆動ステージ４の矢印Ｃ方向への移動による調整レンズ２の位置Ｌの調整が困難であった場合、図３に示すように、レーザ発振部１と調整レンズ２との間に調整レンズ２ａを追加して設け、ガウスビームの拡がり角を調整するように構成することが可能である。図３の例では、レーザ発振部１からコリメートビームが出力された場合の構成を示しており、調整レンズ２ａの光の入射面は凹形状を有し、光の出射面は平面形状を有している。
【００２１】
また、上述した実施の形態１の構成に加えて、第１のミラー３ａと第２のミラー３ｂの回動角θｍを「０」に設定することにより、駆動ミラー３は水平面Ａと一致し、一枚の反射ミラーとして動作することが可能となる。この場合、調整レンズ２を介して入力されるガウスビームは、駆動ミラー３で２つの光路が形成されることなく、一つの光路の照射光として出力される。このように、実施の形態１のレーザ照射装置において、照射角θｓの範囲内の均一照射と、ガウスビーム照射とを動的に切り替えることができる。ガウスビームは照射中心の光強度が強いため、例えば照射角θｓ内の中心付近をより強い光強度で照射した場合には、均一照射からガウスビーム照射に切り替えることにより、照射角θｓ内の中心付近の光強度を強くすることができる。
【００２２】
さらに、駆動ミラー３を水平面Ａと一致させて一枚の反射ミラーとする構成に加え、駆動ステージ４を移動させて調整レンズ２の位置を調整することにより、ガウスビームを平行光であるコリメートビームとして出射することも可能である。この場合、長距離のある１点を照射する場合、効率よくレーザ光を伝搬および照射させることができる。
【００２３】
また、上述した実施の形態１では、第１のミラー３ａと第２のミラー３ｂの回動中心に回動中心部３ｃを設ける構成を示したが、当該回動中心部３ｃは反射面ではないため、当該回動中心部３ｃに照射される光は散乱し、光強度の損失となる。
そこで、図５に示すように、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂそれぞれに回動中心となる支柱を設けて構成してもよい。図５の例では、第１のミラー３ａの一端部をミラー駆動ステージ８ａ上に設けた支柱９ａ上に固定し、第２のミラー３ｂの一端部をミラー駆動ステージ８ｂ上に設けた支柱９ｂ上に固定する。駆動ミラー制御部６がミラー駆動ステージ８ａ，８ｂを制御することにより移動し、第１のミラー３ａが支柱９ａを中心に回動し、第２のミラー３ｂが支柱９ｂを中心に回動する。
このように、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂそれぞれの端部を回動中心となる支柱９ａ，９ｂに固定することにより、図１、図３および図４で示した駆動ミラー３の回動中心部３ｃにおける光強度の損失を回避することができる。
【００２４】
また、図５で示した構成では、第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂの回動角度に応じて第１のミラー３ａおよび第２のミラー３ｂとの間に隙間が生じる、あるいは第１のミラー３ａと第２のミラー３ｂが衝突する可能性がある。そこで、支柱９ａ，９ｂを回動のみではなく、平行移動可能なミラー駆動ステージ８ａ，８ｂ上に配置することにより、ミラー間に生じる隙間、あるいはミラー間の衝突を回避することができる。
【００２５】
なお、上述した実施の形態１で示したレーザ照射装置の構成は、一次元であってもよいし、二次元であってもよい。レーザ照射装置を一次元で構成する場合には、調整レンズ２はシリンドリカルレンズとなり、駆動ミラー３は２枚のレンズで構成する。一方、二次元で構成する場合には、調整レンズ２は球面レンズとなり、駆動ミラー３は４枚のレンズで構成する。
【００２６】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
実施の形態２のレーザ照射装置は、レーザ発振部１、屈折率可変調整レンズ２ｂ、屈折率可変プリズム１０、照射角設定部５および屈折率調整部１１で構成されている。なお、実施の形態１によるレーザ照射装置の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態１で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
【００２７】
レーザ発振部１は、実施の形態１と同様にガウスビームを発振する。屈折率可変調整レンズ２ｂは、レーザ発振部１から出力されたガウスビームの拡がり角を調整する機能を有し、屈折率調整部１１から入力される第１の屈折率信号に基づいて屈折率が変化する。屈折率可変プリズム１０は、屈折率可変調整レンズ２ｂで拡がり角が調整されたガウスビームの光束を屈折させて２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射する。また、屈折率可変プリズム１０の屈折率は屈折率調整部１１から入力される第２の屈折率信号に基づいて変化する。なお、この実施の形態２では、二等辺三角形のプリズムを例に説明する。
【００２８】
照射角設定部５は、屈折率可変プリズム１０から照射される照射光の照射角度θｓを指定する照射角信号を出力する。屈折率調整部１１は、照射角設定部５から入力される照射角信号に基づいて、屈折率可変調整レンズ２ｂの屈折率および屈折率可変プリズム１０の屈折率を算出して第１の屈折率信号および第２の屈折率信号を生成し、屈折率可変調整レンズ２ｂおよび屈折率可変プリズム１０に出力する。
【００２９】
次に、実施の形態２のレーザ照射装置の動作について説明する。
照射角設定部５は、照射光の照射角θｓを指定する照射角信号を屈折率調整部１１に出力する。屈折率調整部１１は、照射角設定部５から入力された照射角信号を参照し、指定された照射角θｓに基づいて、以下の式（３）および式（４）を満たす屈折率ｎ１および屈折率ｎ２を算出する。
ｎ１＝θｓ／２θｐ＋１            ・・・（３）
ｎ２＝Ｒ（θＬ−１．８１θｓ）／ＬθＬ＋１・・・（４）
【００３０】
式（３）において、θｐは二等辺三角形である屈折率可変プリズム１０の２つの底角の角度を示す。また式（４）において、θＬはレーザ発振部１から照射されるガウスビームの拡がり角を示し、Ｌはレーザ発振部１から屈折率可変調整レンズ２ｂまでの距離を示し、Ｒは屈折率可変調整レンズ２ｂの曲率半径を示す。ガウスビームの拡がり角θＬはピーク強度の１／ｅ２倍となる光強度の拡がり角を示す。
【００３１】
屈折率調整部１１は、屈折率ｎ１を指定する第１の屈折率信号、および屈折率ｎ２を指定する第２の屈折率信号を生成し、屈折率可変調整レンズ２ｂおよび屈折率可変プリズム１０に出力する。屈折率可変調整レンズ２ｂは、屈折率調整部１１から入力される第１の屈折率信号に基づいて自レンズの屈折率を屈折率ｎ１とする。屈折率可変プリズム１０は、屈折率調整部１１から入力される第２の屈折率信号に基づいて自レンズの屈折率を屈折率ｎ２とする。
【００３２】
屈折率が調整された屈折率可変調整レンズ２ｂは、レーザ発振部１はレーザ発振部１から照射されるガウスビームの拡がり角を調整し、出力する。屈折率可変プリズム１０は、拡がり角が調整されたガウスビームの光束を屈折させて２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させ、照射角θｓの範囲内を均一、且つ高効率に照射する照射光を出力する。
【００３３】
以上のようにこの実施の形態２によれば、照射角設定部５から入力された照射角信号の照射角θｓに基づいて屈折率可変調整レンズ２ｂおよび屈折率可変プリズム１０の屈折率を指定する第１の屈折率信号および第２の屈折率信号を生成する屈折率調整部１１と、第１の屈折率信号で指定された屈折率でレーザ発振部１から出力されるレーザ光の拡がり角を調整する屈折率可変調整レンズ２ｂと、第２の屈折率信号で指定された屈折率でガウスビームの光束を屈折させて２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射する屈折率可変プリズム１０とを備えるように構成したので、機械的駆動部を設けることなく、電気的制御のみによりガウスビームの照射角を動的に変化させることができる。
【００３４】
また、この実施の形態２によれば、機械的駆動部を設けることなく電気的制御のみで構成することにより、屈折率可変調整レンズ２ｂを含む光学系を固定することができ、機械的駆動部の故障あるいは機械的駆動部の調整位置の精度ずれを回避することができる。これによりレーザ照射装置の調整が容易となる。
【００３５】
さらに、この実施の形態２によれば、電気的制御のみで照射角すなわち照射領域を動的に変化させることにより、レーザ照射装置の高速応答が可能となり、高速に照射領域を変化させることができる。
【００３６】
さらに、この実施の形態２によれば、電気的制御のみで屈折率が可変な屈折率可変プリズム１０を設けるように構成したので、プリズム内に回動中心部分を設ける必要がなく、当該回動中心部により照射光の損失が生じることなく、より高効率な照射を行うことができる。
【００３７】
上述した実施の形態２で示した屈折率可変調整レンズ２ｂおよび屈折率可変プリズム１０のように電気的に屈折率を変化させることが可能な材料として、液晶やＫＴＮ結晶などを適用することができる。
【００３８】
なお、上述した実施の形態２で示したレーザ照射装置の構成は、一次元であってもよいし、二次元であってもよい。レーザ照射装置を一次元で構成する場合には、屈折率可変調整レンズ２ｂはシリンドリカルレンズとなり、屈折率可変プリズム１０はガウスビームから２つの光路を形成する面が２面で構成される。一方、二次元で構成する場合には、屈折率可変調整レンズ２ｂは球面レンズとなり、屈折率可変プリズム１０はガウスビームから２つの光路を形成する面が４面で構成される。
【００３９】
実施の形態３．
図７は、この発明の実施の形態３によるレーザ照射装置の構成を示す図である。
実施の形態３のレーザ照射装置は、レーザ発振部１、調整レンズ２、プリズム１０ａ、照射角調整レンズ１２、駆動ステージ４、照射角設定部５および駆動ステージ制御部７で構成されている。なお、実施の形態１によるレーザ照射装置の構成要素と同一または相当する部分には実施の形態１で使用した符号と同一の符号を付して説明を省略または簡略化する。
【００４０】
プリズム１０ａは、調整レンズ２において拡がり角が調整されたガウスビームの光束を屈折させて２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射する機能を有する。照射角調整レンズ１２は、プリズム１０ａから入射されるレーザ光の照射角θｓを調整する機能を有する。駆動ステージ４は、照射角調整レンズ１２を保持するステージであり、矢印Ｃ方向に移動することにより照射角調整レンズ１２の配置位置を変化させる。駆動ステージ制御部７は、照射角設定部５から入力される照射角信号に基づいて、照射角調整レンズ１２における照射光の照射角が照射角θｓと一致する照射角調整レンズ１２の位置を算出し、駆動ステージ４の矢印Ｃ方向の移動量算出した移動量を用いて駆動ステージ４の位置を制御する。
【００４１】
次に、実施の形態３のレーザ照射装置の動作について説明する。
まず、レーザ発振部１から調整レンズ２までの距離Ｌは、レーザ発振部１から照射されるガウスビームの拡がり角をθＬ、調整レンズ２の焦点距離をｆ、二等辺三角形であるプリズム１０ａの底角の角度をθｐ、プリズム１０ａの屈折率をｎとすると、以下の式（５）の関係を満たす。なお、ガウスビームの拡がり角θＬはピーク強度の１／ｅ２となる光強度の拡がり角を示す。
Ｌ＝ｆ（θＬ−３．６２θｐ（ｎ−１））／θＬ      ・・（５）
【００４２】
次に、照射角設定部５は、レーザ照射する照射光の照射角θｓを指定する照射角信号を駆動ステージ制御部７に出力する。駆動ステージ制御部７は、照射角信号に基づいて照射角調整レンズ１２における照射光の照射角があらかじめ設定された照射角θｓと一致するように駆動ステージ４の矢印Ｃ方向の移動を制御し、照射角調整レンズ１２の配置位置を決定する。なお、図７では、照射角調整レンズ１２の配置位置として、プリズム１０ａの二等辺三角形の頂点から照射角調整レンズ１２の入射面までの距離Ｌ´で示している。
【００４３】
プリズム１０ａから照射角調整レンズ１２までの距離をＬ´は、照射角をθｓ、照射角調整レンズ１２の焦点距離をｆ´とすると、以下の式（６）の関係を満たす。
Ｌ´＝−ｆ´θｓ ／２θｐ （ｎ−１）＋ｆ´・・・（６）
【００４４】
調整レンズ２で拡がり角が調整されたガウスビームの光束は、プリズム１０ａにおいて２つの光路が形成され、形成された２つの光路が互いに重畳されて、照射角調整レンズ１２に入射される。照射角調整レンズ１２は、入射されたレーザ光の照射角を照射角設定部５で設定された照射角θｓに調整し、照射光として照射する。駆動ステージ制御部７および駆動ステージ４により配置位置が制御された照射角調整レンズ１２により調整された照射光は、照射角θｓの範囲内を均一、且つ高効率に照射する。
【００４５】
以上のように、この実施の形態３によれば、ガウスビームの光束を屈折させて２つの光路を形成し、形成した２つの光路を互いに重畳させて出射するプリズム１０ａと、プリズム１０ａから入射されたレーザ光の照射角を照射角設定部５で設定された照射角θｓに調整する照射角調整レンズ１２と、当該照射角調整レンズ１２の配置位置を調整する駆動ステージ４および駆動ステージ制御部７とを備えるように構成したので、レンズやプリズムにおいて材質特性に大きく依存する電気的な屈折率の調整を行うことなく、大きなダイナミックレンジで照射光の照射角を調整することができる。また、電気的制御によりレンズやプリズムの屈折率を調整する場合、設定可能な屈折率は材質特性によって制限され、結果として設定可能な照射角が当該屈折率により制限されるが、この実施の形態３の構成を備えることにより、レンズやプリズムの材質特性に依存することなく、駆動ステージ４による位置調整のみで照射角を設定することができる。
【００４６】
また、この実施の形態３によれば、機械的に駆動させる部分を駆動ステージ４に限定したので、機械的駆動部分が限定され、構成を単純化させ、部品点数を抑制し、調整が容易なレーザ照射装置を構成することができる。
【００４７】
なお、上述した実施の形態３で示したレーザ照射装置の構成は、一次元であってもよいし、二次元であってもよい。レーザ照射装置を一次元で構成する場合には、調整レンズ２および照射角調整レンズ１２はシリンドリカルレンズとなり、プリズム１０ａはガウスビームから２つの光路を形成する面が２面で構成される。一方、二次元で構成する場合には、調整レンズ２および照射角調整レンズ１２は球面レンズとなり、プリズム１０ａはガウスビームから２つの光路を形成する面が４面で構成される。
【００４８】
なお、上述した実施の形態１から実施の形態３では、ガウス形状の光強度分布を有するレーザ光を例に説明を行ったが、例えば、ガウス形状の光強度分布を持つＴＥＭ００モードに高次のガウスビームモードであるＴＥＭ１１、ＴＥＭ２２が混在したマルチモードビームのような、ビーム強度中心が強く、外側が弱いビームに対しても適用可能である。
【００４９】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１  レーザ発振部、２，２ａ  調整レンズ、２ｂ  屈折率可変調整レンズ、３  駆動ミラー、３ａ  第１のミラー、３ｂ  第２のミラー、３ｃ  回動中心部、４  駆動ステージ、５  照射角設定部、６  駆動ミラー制御部、７  駆動ステージ制御部、８ａ，８ｂ  ミラー駆動ステージ、９ａ，９ｂ  支柱、１０  屈折率可変プリズム、１０ａ  プリズム、１１  屈折率調整部、１２  照射角調整レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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