(57)【要約】【課題】広範囲の印字を小さな偏光ビームスプリッタを用いて実現する液晶レーザマーカの光学系にもかかわらず、印字されたパターン外周部もコントラストを良好に保つことが出来る液晶レーザマーカを提供すること。【解決手段】ワーク２２上に描かれたマークが内周部から外周部になるほど印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段として、液晶面を構成する素子を透過したレーザ光が前記偏光ビームスプリッタ２０にいたる光路上に凹レンズ１９を設けた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶面にパターンが表示された液晶マスクを有し、レーザ発振器より出力されたレーザ光を前記液晶面にフィールドレンズを介して照射し、液晶面を透過したレーザ光を外形が前記液晶面よりも小さな偏光ビームスプリッタに入射させ、前記液晶面を透過したレーザ光のうち前記液晶面パターン部を通過したレーザ光だけを前記偏光ビームスプリッタにより取り出し、液晶面に表示されたパターンをワーク上に描く液晶レーザマーカにおいて、ワーク上に描かれたマークが内周部から外周部になるほど印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段を設けたことを特徴とする液晶レーザマーカ。
【請求項２】
請求項１の液晶レーザマーカにおいて、前記印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段は、液晶面を構成する素子を透過したレーザ光の偏光ビームスプリッタ入射面の入射角をより垂直に近い角度に矯正する入射角矯正手段であることを特徴とする液晶レーザマーカ。
【請求項３】
請求項２の液晶レーザマーカにおいて、前記入射角矯正手段は、前記液晶面を構成する素子を透過したレーザ光が前記偏光ビームスプリッタにいたる光路上に配置された凹レンズであることを特徴とする液晶レーザマーカ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外形の小さな偏光ビームスプリッタを用いた液晶レーザマーカに関し、特に広範囲印字を行う際に、レーザ光を印字面に対してパワー密度が均一に照射されるようにする光学系を有した液晶レーザマーカに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザマーカは、樹脂等で作られた電子部品、シリコンチップ、セラミック基板、ＩＣ等の表面等のワーク上に文字や記号等のパターンをレーザ光で照射して焼き付けるレーザマーキング装置である。液晶レーザマーカは、焼き付けるパターンの原図を液晶マスクで与えるようにした装置である。
【０００３】
従来技術として特許文献１に開示された液晶レーザマーカは、レーザ発振機から出力されたレーザ光を、ビーム径を大きく変換するビームエキスパンダ、レーザ光に偏光方向を持たせる波長板、ベントミラー、Ｘ軸、Ｙ軸方向のスキャンを行うガルバノミラー等を経た後フィールドレンズを介してマスク部材としての液晶を透過し、偏光ビームスピリッタ、結像レンズを通過してワーク（非加工物）に照射するようになっている。
【０００４】
液晶面には液晶素子がアレイ状に配置され、各素子にそれぞれ電極が設けられている。レーザ光は直線偏光であり、液晶に入射されたレーザ光は、ビームスポットが位置する箇所に対応する液晶素子（液晶セル）に電圧が印加されると偏光方向を保ったままで液晶面を透過し、また液晶に入射されたレーザ光はビームスポットが位置する箇所に対応する液晶素子（液晶セル）に電圧が印加されないと、液晶素子（液晶セル）内の複屈折により偏光方向が９０度回転させられて液晶面を透過する。
【０００５】
偏光ビームスプリッタは、液晶面に表示されたパターンに基づきマーキングに必要なレーザ光と不要なレーザ光を分けるように構成されている。
【０００６】
偏光ビームスプリッタは、液晶面を偏光方向を保ったままで透過し入射したレーザ光は反射し、90度偏光方向が回転させられて液晶面を透過し入射したレーザ光は偏光ビームスプリッタを透過する特性を有している。つまり、90度偏光が回転されるように電圧を印加されないで液晶素子を透過したレーザ光を、偏光ビームスプリッタで透過するようにすると、電圧が印加されて液晶素子を透過したレーザ光は反射される。偏光ビームスプリッタにより反射されたレーザ光はビームアブソーバに入射されて吸収され、偏光ビームスプリッタを透過したマーキングに必要なレーザ光は、結像レンズを通過し、ワークに照射される。
【０００７】
液晶に含まれる多数の素子に電圧を印加したり電圧を印加しないことにより、液ワークにマーキング（刻印）しようとする文字や符号などの所望のパターンを液晶の液晶面に表示することができる。
【０００８】
ワークは、液晶面の結像レンズによる結像位置に配置されており、液晶面に表示された任意のパターンが偏光ビームスプリッタを透過したレーザ光により、ワーク上に転写される。
【０００９】
液晶面の各液晶素子を透過したレーザ光は、液晶面前段に配置されたフィールドレンズにより液晶面より後段で収束させられる。その収束点近傍に偏光ビームスプリッタを配置した場合、外形が液晶面より小さな偏光ビームスプリッタを用いることができる
一般に偏光ビームスプリッタの価格は外形が大きくなるほど高価となるが、上記従来技術のようにフィールドレンズを用いることにより、液晶面を大口径にし広範囲の印字を行うにもかかわらず、外形の小さな偏光ビームスプリッタを用いることができる。
【００１０】
【特許文献１】特開2003-19577号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の発明は上記のように、偏光ビームスプリッタは、偏光方向を保ったままで入射したレーザ光は反射し、90度偏光角が回転させられて入射したレーザ光は透過する特性を有しているので、直線偏光のレーザ光が偏光ビームスプリッタを透過する割合は該レーザ光の偏光方向に依存する。また、偏光ビームスプリッタの透過率はレーザ光の偏光方向のほかに、該レーザ光の偏光ビームスプリッタへの入射角度にも依存する。
【００１２】
図５は偏光ビームスプリッタ２０のレーザ光が入射する面に対する法線３２と、フィールドレンズ１７の外周部を経て液晶１８を透過し偏光ビームスプリッタへ入射するレーザ光２４，２４′がなす角度αを示した図である。
【００１３】
図6はワークに照射されるパワー密度σと偏光ビームスプリッタ20に対する入射角度αとの関係を示す図である。
【００１４】
図6に示した曲線29は、電圧が印加されない液晶素子（ワーク上のマークの印字部に対応する素子）で９０°偏光方向を回転され光路２４を通過したレーザ光の偏光ビームスプリッタ20に対する入射角度αと、ワークに照射されるパワー密度σとの関係を表す線図である。入射角度αが大きくなるのに従い、すなわち、ワーク上に描かれるマークの内周部から外周部になるほど偏光ビームスピリタ２０を透過するレーザ光の透過率が下がるので、ワークに照射されるパワー密度σが小さくなる。α0はマーク最外周部におけるレーザ光の入射角度を表している。
【００１５】
また曲線30は、電圧が印加された液晶素子（ワーク上のマークの背景部に対応する素子）で偏光方向を保持したまま光路24´を通過したレーザ光の偏光ビームスプリッタ20に対する入射角度αと、ワークに照射されるパワー密度σとの関係30を示す図である。入射角度αが大きくなるのに従い、すなわち、ワーク上に描かれたマークの内周部から外周部になるほど、本来偏光ビームスプリッタにより反射されビームアブソーバ23に吸収されるべき背景部に対応するレーザ光が、反射漏れによりビームアブソーバ23に吸収されず偏光ビームスプリッタ20を透過するので、ワークに照射されるパワー密度σが大きくなる。
【００１６】
したがって、印字部と背景部のパワー密度σの差は入射角αが０度（法線）から大きくなるにしたがって徐々に小さくなり、印字部の最大外周部のレーザ光の入射角α０における印字部と背景部のパワー密度σの差は、入射角が０度におけるパワー密度差に比較して小さい値のＰ０となりコントラストが悪化してマーキングの品質を落としてしまうという問題がある。
【００１７】
本発明は、上記問題点を解決し、広範囲の印字を小さな偏光ビームスプリッタを用いて実現する液晶レーザマーカの光学系にもかかわらず、印字されたパターン外周部もコントラストを良好に保つことが出来る液晶レーザマーカ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】
【００１８】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、液晶面にパターンが表示された液晶マスクを有し、レーザ発振器より出力されたレーザ光を前記液晶面にフィールドレンズを介して照射し、液晶面を透過したレーザ光を外形が前記液晶面よりも小さな偏光ビームスプリッタに入射させ、前記液晶面を透過したレーザ光のうち前記液晶面パターン部を通過したレーザ光だけを前記偏光ビームスプリッタにより取り出し、液晶面に表示されたパターンをワーク上に描く液晶レーザマーカにおいて、ワーク上に描かれたマークが内周部から外周部になるほど印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段を設けたものである。
【００１９】
このように、ワーク上に描かれたマークが内周部から外周部になるほど印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段を設けたことによって、印字されたパターン外周部のコントラストをより鮮明にすることが可能となる。
【００２０】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記印字部と背景部との照射レーザパワー密度の差が小さくなるのを抑制する手段は、液晶面を構成する素子を透過したレーザ光の偏光ビームスプリッタ入射面の入射角をより垂直に近い角度に矯正する入射角矯正手段であることを特徴とするものである。
【００２１】
これにより、一方では印字部の外周部におけるレーザ光が偏光ビームスプリッタに入射する角度が小さくなり、偏光ビームスプリッタを透過する透過率が高くなるように矯正され、他方では背景部の外周部おけるレーザ光が偏光ビームスプリッタに入射する角度が小さくなり偏光ビームスプリッタでの反射漏れを少なく（偏光ビームアブソーバの吸収率を大きく）し、偏光ビームスプリッタを透過する透過率が小さくなるように矯正される。
【００２２】
（３）また、上記（２）において、好ましくは、前記入射角矯正手段は、前記液晶を透過したレーザ光が前記偏光ビームスプリッタにいたる光路上に配置された凹レンズであることを特徴するものである。
【００２３】
これにより、安価な手段で液晶面を構成する素子を透過したレーザ光の偏光ビームスプリッタ入射面の入射角をより垂直に近い角度に矯正することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、広範囲の印字を小さな偏光ビームスプリッタを用いて実現する安価な液晶レーザマーカの光学系にもかかわらず、印字されたパターン外周部のコントラストを鮮明に保つことが出来る液晶レーザマーカを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる液晶レーザマーカの全体構成を示す図である。
【００２７】
レーザ発振器１１から出力されたレーザ光１２は、最初にレーザ光のビーム径を変換するビームエキスパン１３を通過する。その後、レーザ光１２は、波長板１４およびベンドミラー１５を経由した後に２つのミラーからなるガルバノミラー１６によりX軸方向Y軸方向のスキャン（走査）動作が行われる。その後、レーザ光１２は、フィールドレンズ１７を通過し、マスク部材としての液晶１８を透過し、凹レンズ１９、偏光ビームスプリッタ２０、結像レンズ２１を通過してワーク（被加工物）２２に照射される。ワーク２は通常ＸＹテーブルの上に置かれているが、図中ＸＹテーブルの図示は省略されている。偏光ビームスプリッタ２０にはアブソーバ２３が付設されている。
【００２８】
ガルバノミラー１６の前段に配置される波長板１４は、液晶１８の特性にあわせてレーザ光１２に適切な偏光方向を持たせる手段（偏光子）である。液晶１８におけるレーザ光１２が入射する面（液晶面）で、前記ガルバノミラー１６による前記スキャン動作が行われる。すなわち液晶１８の液晶面はレーザ光によりX軸とY軸の各方向にスキャンされる。
【００２９】
液晶１８は直線偏光で入射した光線の偏光方向を回転させる機能がある。液晶面には液晶素子がアレイ状に配置されており、各素子にそれぞれ電極が設けられている。また、各素子にそれぞれ電圧を印加することにより、任意のパターンを液晶面に表示できる。レーザ光１２は直線偏光であり電圧が印加されない液晶素子を透過したレーザ光は、それぞれ偏光方向が回転させられる。
【００３０】
本発明では液晶１８の光路上凹レンズ１９を配置する。液晶１８より電圧を印加されないで90度偏光方向が回転させられ液晶面を透過したレーザ光は凹レンズ１９を経て偏光ビームスプリッタ２０に入射される。このとき図２に示すように液晶１８の外周部（マーク最外周部）を透過する光路２５のレーザ光は凹レンズ１９によって屈折し、偏光ビームスプリッタ２０への入射角がα０からより垂直に近い入射角α１に矯正される。これにより、該レーザ光が偏光ビームスプリッタ２０を透過するときの透過率の低下を抑えることができ、ワークに照射されるレーザ光のパワー密度の減少が抑制される。
【００３１】
また、電圧が印加された液晶素子を透過したレーザ光も凸レンズ１９を経て偏光ビームスプリッタ２０に入射される。液晶１８の外周部（マーク最外周部）を透過する光路２５′のレーザ光は凹レンズ１９によって屈折し偏光ビームスプリッタ２０への入射角α０より垂直に近い入射角α１に矯正される。これにより、該レーザ光の偏光ビームスプリッタ２０での反射漏れが少なく（ビームアブソーバに吸収率が大きく）なり、背景部最大外周部に照射されるレーザ光のパワー密度の増加が抑制される。なお、符号２６は液晶１８の中心部を通過し偏光ビームスプリッタ２０に垂直（法線上）に入射される光路を示し、この光路のレーザ光の入射角αは０度となる。該光路２６のレーザ光は凹レンズ１９を経ても偏光ビームスプリッタ２０への入射角は変わらない。
【００３２】
図３は印字部におけるレーザ光の偏光ビームスプリッタ20に対する入射角度αとワーク２２に照射される照射パワー密度σとの関係（曲線２９）、および、背景部におけるレーザ光の偏光ビームスプリッタ20に対する入射角度αとワーク２２に照射される照射パワー密度σとの関係（曲線３０）を示す図であり、図６と同符号のものは同じものを表す。
【００３３】
上記のように、液晶１８を透過したレーザ光が偏光ビームスプリッタにいたる光路上に配置された凹レンズ１９を通過することにより偏光ビームスピリッタ２０への入射角が垂直に近い角度に矯正され、印字部および背景部の最大外形部におけるに入射角はそれぞれα０からα１となるので、図のようにワーク上における印字部と背景部のパワー密度σの差はP０からP１に増加し印字部と背景部のコントラストが鮮明になり質の高いマーキングが可能となる。
【００３４】
図４は本発明の第２の実施の形態に係わる液晶レーザマーカの全体構成を示す図である。図において第１図で説明した部分と同一の部分には同一の符号を付している。
【００３５】
第２の実施の形態における液晶レーザマーカは偏光ビームスピリッタ２０の角度調整機構４０を有し、角度調整機構４０はプレート４１、４２，軸４３、４４モータ４５、４６からなり、偏向ビームスプリッタ２０はプレート４１に固定されている。プレート４１は軸４３によりプレート４２に支持されている。プレート４１は軸４３を中心にθ方向に回転する。軸４３はモータ４５により回転させられる。プレート４２は軸４６により支持されている。プレート４２は軸４６を中心にφ方向に回転する。軸27はモータ４６により回転させられる。
【００３６】
上記の構成において、液晶18の中心部を通過したレーザ光の光路が，偏光ビームスプリッタ20の入射面に対して垂直に入射するように偏光ビームスプリッタ２０を設置する。液晶外周部を通過したレーザ光は、液晶中心部を透過したレーザ光も偏光ビームスプリッタ２０の入射面に対して常に垂直な角度で入射するように、ガルバノミラー16のＸ軸，Ｙ軸のスキャン動作に同期させて、軸４３，軸４４をモータ４６，４７で回転させプレート４１，４２をθ方向，φ方向に回転することにより、偏向ビームスプリッタの角度を調整する。
【００３７】
これにより、液晶１８中心部、外周部を通過したレーザ光は常に偏光ビームスプリッタに対して垂直に入射するため、ワーク22上のマーク外周部において印字部と背景部それぞれの個所において照射されるパワー密度の差が従来技術におけるパワー密度の差に比べ大きくなり、
印字部と背景部のコントラストが鮮明になり質の高いマーキングが可能となる。
【００３８】
なお、本願発明の第１および第２の実施の形態では、引用文献１に習って液晶を「液晶に入射されたレーザ光は、ビームスポットが位置する箇所に対応する液晶素子に電圧が印加されると偏光方向を保ったままで液晶面を透過し（ワーク上のマークの背景部に対応する素子）、また液晶に入射されたレーザ光はビームスポットが位置する箇所に対応する液晶素子（液晶セル）に電圧が印加されないと、液晶素子（液晶セル）内の複屈折により偏光方向が９０度回転させられて液晶面を透過する（ワーク上のマークの印字部に対応する素子）」ものとして説明したが、本願発明は液晶を「液晶に入射されたレーザ光は、ビームスポットが位置する箇所に対応する液晶素子（液晶セル）に電圧が印加されると偏光方向が９０度回転させられて液晶面を透過し（ワーク上のマークの印字部に対応する素子）、液晶素子（液晶セル）に電圧が印加されないと偏光方向を保ったままで液晶面を透過する（ワーク上のマークの背景部に対応する素子）」ように構成することもでき、この場合にも本願発明は第１および第２の実施の形態と同様の作用、効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる液晶レーザマーカの全体構成を示す図である。
【図２】凹レンズによる偏光ビームスプリッタ２０への入射角の矯正状況を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係わる、ワークに照射される印字部における照射パワー密度σとの関係、および、背景部におけるレーザ光の照射パワー密度σとの関係を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係わる液晶レーザマーカの全体構成を示す図である。
【図５】偏光ビームスプリッタのレーザ光の入射する面に対する法線と、フィールドレンズを経て液晶を透過し偏光ビームスプリッタへ入射するレーザ光がなす角度αを示した図である。
【図６】従来技術に係わる、ワークに照射される印字部における照射パワー密度σとの関係、および、背景部におけるレーザ光の照射パワー密度σとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１  レーザ発振器
１７  フィールドレンズ
１８  液晶
１９  凸レンズ
２０  偏光ビームスプリッタ
２２  ワーク
２３  ビームアブソーバ
４０  偏光ビームスピリッタ２０の角度調整機構
【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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