(57)【要約】【課題】レーザビームの収差を発生しない安価なビームスキャン装置を得る。【解決手段】集光レンズをレーザビームに対して垂直に移動させることによって焦点の位置を走査する。この際にレーザービームがレンズ中心から外れて球面収差が発生し、レーザビームの品位が低下する。これを防止するために平行移動と同時に集光レンズを傾けてコマ収差を発生させ、これによって球面収差を相殺することでレーザビームの品位を保つ。また、レーザビームを走査する際の焦点距離の変化を相殺するために焦点調節機構を別に設ける。【選択図】        図３
2004170626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズと、当該レンズの中心軸に対して垂直な方向に沿って前記レンズを並行に移動するレンズ並進移動手段と、前記レンズの中心軸を傾けるように上記レンズを回転させるレンズ回転移動手段とからなる光学的ビーム走査装置。
【請求項２】
レンズと、当該レンズの中心軸上の一点を中心として上記レンズを回転移動させるためのレンズ回転移動手段とからなる光学的ビーム走査装置。
【請求項３】
上記のレンズの中心軸に沿って、上記レンズを焦点方向に位置調整するためのレンズ焦点調整手段を設けたことを特徴とする特許請求項１または特許請求項２に記載の光学的ビーム走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はレーザ装置に係り、特にレーザビームを加工対象物の任意の位置に光学的に走査でき、かつ走査の際にもレーザビームの形状を良好に保つことのできるレーザスキャニング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からレーザビームの走査方法には、ガルバノメータ（またはガルバノスキャナー）によるビーム走査方式が多く用いられている。これは一定の角度範囲で回動するように制御したガルバノモータの出力軸先端に反射ミラーを取付け、これに入射するレーザビームの反射方向をガルバノモータの回転角度を変化させて任意の方向に走査制御するものである。
【０００３】
例えば特開平０９−１０３８９３、特開平１１−１４９６３５などにこのようなレーザ走査装置の記述がある。これらはレーザビームを方向の異なる２つのガルバノメータにて２回反射させた後に、集光レンズにより加工対象物の表面に集光してこれを加工するものである。加工対象物の任意の位置をレーザビームで加工するためにガルバノメータを２個使用しており、これらを制御してレーザビームの集光点を被加工物表面上の任意の位置に走査するようになっている。
【０００４】
上記の方式ではレーザビームが丁度集光レンズの中心を貫通するようにガルバノメータを位置決めしている場合には軸対象であり、レーザビームの断面形状はきれいな円形を保つことができるが、これを外れてレーザビームを集光レンズの外縁部に走査した場合に集光レンズ透過後のレーザビームの断面形状が歪み、加工対象物表面できれいな円形の焦点を結ぶことができないという問題がある。これはレーザビームが中心から外れて集光レンズに入射するとレンズの幾何収差の１種である球面収差が顕著になり、またレーザビームを中心軸に対し傾けて集光レンズに入射した場合には同じくコマ収差が顕著になるためである。
【０００５】
これらの幾何収差が生じたままレーザビームを集光しても焦点位置でレーザビームを小さく絞り込むことができず、またレーザビームの形状が歪んでしまうので加工対象物をきれいに加工することが困難である。
【０００６】
多くの場合、これを回避するために集光レンズにはＦθレンズと呼ばれる特殊な設計のレンズを使用しなくてはならない。これは複数枚のレンズを組合せて入射ビームの傾きと焦点位置のずれが比例するようにしたものであり、しかも幾何収差による焦点位置のビームスポットの歪みが最小になるように設計されたものである。
【０００７】
Ｆθレンズは設計にノウハウと手間がかかるうえレンズの枚数も多く、また通常は専用のレンズを製作しなければならない。さらにレンズ相互の間隔や同軸度についての要求が厳しく組立にも手間がかかることから非常に高額な部品となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記の従来技術の問題点を解決し、安価でかつレーザビームの品位を最適に保つことのできるレーザスキャニング装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために集光レンズと、当該集光レンズの中心軸に対して垂直な方向に沿って前記レンズを並行に移動するレンズ並進移動手段と、前記集光レンズの中心軸を傾けるように上記レンズを回転させるレンズ回転移動手段とにより光学的ビーム走査装置を構成したものである。
【００１０】
または、集光レンズと、当該集光レンズの中心軸上の一点を中心として上記集光レンズを回転移動させるためのレンズ回転移動手段とによって光学的ビーム走査装置を構成したものである。
【００１１】
また、上記のレンズの中心軸に沿って、上記レンズを焦点方向に位置調整するためのレンズ焦点調整手段を設けたものである。
【００１２】
【作用】
以下、本発明の作用につき、説明する。
幾何光学によれば、例えば凸レンズに対して入射する平行光束はレンズの焦点において略１点に収束する。また平行光束の光軸がレンズ中心軸から平行に外れて入射する場合にはこれもレンズの中心軸上の焦点位置付近に収束する。逆に考えると、入射ビームの位置を変えずにレンズを入射ビームの光軸に垂直な方向に移動すればレンズ中心軸の移動にともなってレンズの移動した距離だけ収束位置が移動する。従ってこの性質を利用してレーザビームの焦点位置を走査することが可能である。すなわちガルバノメータによる反射でなく、レンズを入射ビームに対して垂直な方向に移動させることで焦点位置を走査することができる。
【００１３】
しかし、上記の方法では焦点位置を走査することはできるものの、先に述べた球面収差の問題が発生する。すなわち走査のためにレンズ中心軸を入射ビームの中心からオフセットすること自体が球面収差の発生要因であることからこれを回避することは原理的に不可能である。
【００１４】
一方、もうひとつの幾何収差であるコマ収差は入射ビームの光軸と集光レンズの中心軸とが傾くことが原因で発生する。このコマ収差について幾何光学的に解析すると、コマ収差により発生するレーザビームの歪みと上記の球面収差により発生するレーザビームの歪みとが非常に性質の似通った形状となっている。このことから、同じ幾何収差であるところの球面収差とコマ収差とがうまく相殺するように集光レンズを変位させて実質的にこれらをなくすことが可能となる。
【００１５】
集光レンズを入射ビームに対して平行に移動させながら、この際に発生する球面収差を相殺する方向に、これを丁度相殺するだけ集光レンズを傾けてやれば、焦点位置が集光レンズの移動量に応じて移動し、かつ焦点位置にて収差が発生しない。このようにすれば走査により焦点位置を移動しても焦点位置でのビームスポットの形をきれいな円形に保ちつつかつ焦点位置でのビームスポットの大きさを限界値ちかくにまで集光することができる。
【００１６】
一方、集光レンズの中心軸上にあり集光レンズの形状によって定まる最適な一点を中心として集光レンズを回転させた場合、集光レンズの位置でみると入射ビームに対する集光レンズの中心の平行な移動と集光レンズの傾きが同時に発生し、集光レンズの位置ずれにともなう球面収差と集光レンズの傾きにともなうコマ収差とが丁度相殺するので上記に述べた例と同じように焦点位置の移動にともなう幾何収差の発生を抑制することができる。
【００１７】
上記のような方法でレーザビームの走査を行なう場合、走査につれて焦点が描く軌跡は完全な平面とならず、中心部と周縁部とでわずかに湾曲した曲面を描く。すなわち、走査する位置によってレーザビームが最小の大きさに収束される位置がレーザビームの光軸に沿ってわずかに前後にずれるため、平面状の対象物を加工する際には中心部と周縁部とでどちらかが最適焦点位置からずれてしまう。
【００１８】
これを回避して走査範囲のどの位置でも最適焦点位置を保持するには集光レンズを前後に動かすなどして焦点が描く軌跡が平面となるように常に調整してやればよく、このために集光レンズを走査に合わせて前後に調整するための焦点調整機構を設けたものである。
【００１９】
【実施例】
以下本発明の一実施例につき、図１、図２、および図３に従って説明する。
【００２０】
図１は、球面凸レンズを例にして、本発明の基本動作を説明するための図である。
Ａにて示すように凸レンズ１の中心軸３が入射光の中心である光軸２と丁度重なるように配置されているとき、入射光は凸レンズ１によって集光されてレンズの中心軸３上の点Ｑａで焦点Ｑａを結ぶ。このとき焦点Ｑａの近傍の領域Ｐａを拡大したものが右側に記述してあるＰａ拡大図であるが、光束がほぼ一点に集中した理想的なビームスポットとなっている。
【００２１】
一方、ＢはＡの状態から、凸レンズ１を入射光の光軸２に対して距離αだけ平行に移動させた場合である。このとき、入射光の光束は凸レンズ１の中心軸３に対して平行であり、やはりレンズ１の中心軸３の近傍の１点に集光されて焦点Ｑｂを結ぶが、焦点Ｑｂの位置は入射光の光軸２に対して凸レンズの移動距離αにごく近い距離δだけ離れた位置となる。これにより凸レンズ１を平行に移動させれば、その中心軸３の移動につれて焦点Ｑｂの位置を変えることができ、レーザビームなどの走査が可能となる。
【００２２】
このときの焦点Ｑｂの近傍Ｐｂを拡大してみると、Ａの場合と異なって光束が１点に収束しておらずこのために最小のビームスポットがＡの場合よりも大きくなっている。また、光束がきれいな対象形にならず、ビームの形状がひずんでしまう。これは幾何光学における球面収差の影響であり、入射光がレンズの中心から離れるほど顕著に生ずる現象である。この現象のため、凸レンズ１を移動させてレーザビームの焦点位置を走査しても焦点位置のレーザビームが理想的な大きさと形状にならず都合が悪い。
【００２３】
また、ＣにはＡの状態から凸レンズ１をレンズの中心軸３が入射光の光軸２に対して角度θだけ傾くように姿勢を変えた場合を示す。このとき凸レンズ１の中心軸３は凸レンズ１の中央を基点として回転するものとし、凸レンズ１の中央が光軸２から外れないように傾けたものである。このとき、入射光の光束は凸レンズの中心軸３ではなく入射光の光軸２の近傍の１点に収束して焦点Ｑｃを結ぶ。
【００２４】
このとき焦点Ｑｃの近傍の領域Ｐｃを拡大してみるとＢの場合と同じく、入射光の光束が１点に収束していない。これは幾何光学における別の収差であるコマ収差の影響によるものである。
【００２５】
このときの収差の様子をＢの場合に生ずる球面収差と比較してみると傾けた角度θの大きさによっては光束を丁度Ｂの球面収差を打ち消すような分布でひずませることが可能である。
【００２６】
そこで、Ｄの場合に示すようにＢの場合の凸レンズ１の平行移動とＣの場合の凸レンズ１の回転を両方同時に行なうことで球面収差をコマ収差によって相殺してしまうことができる。Ｄでは凸レンズ１を入射光の光軸２に対して距離βだけ平行に移動させると同時に角度ψだけ回転させている。このとき入射光の光束は入射光の光軸２から凸レンズ１を移動した距離βに近い距離γだけ離れた位置に収束し、焦点Ｑｄを結ぶ。
【００２７】
焦点Ｑｄの近傍Ｐｄを拡大してみると入射光の光束はＡの場合と同じくほぼ１点に収束しており、また対象でひずみのない理想的なビームスポットをなしている。
【００２８】
このことから、凸レンズ１を平行に移動させると同時にこれに合わせて適度に傾けてやればビーム形状を理想的に保ったままで入射光の焦点位置Ｑｃを自由に走査することが可能である。ただし、通常は凸レンズ１の変位による焦点距離の微小な変化δが発生するため、これを凸レンズ１を前後に調整するなどの別の方法で相殺してやる必要がある。
【００２９】
図２は図１と同じことを別の方法で実施した実施例である。凸レンズ１を平行に移動する手段と回転を行なう手段を別々に設け、これを同期させて駆動することは装置を複雑にすることになるので本実施例ではこれを間単な構成で実現する方法を説明する。
【００３０】
図２では凸レンズ１を凸レンズ１の中心軸３上の点Ｏを中心に回転させるようにしている。
このとき、回転半径ｒを適度に選んでやると丁度凸レンズ１をψだけ回転させたときに凸レンズ１の中央部が距離βだけ移動するようにできる。この状態は図１におけるＤの場合とまったく同じであり、単純に凸レンズ１を回転するだけの機構で入射光の焦点位置をひずみなく走査することができる。
【００３１】
図３は図２の方法を具体化した実施例であり、凸レンズ１を保持して回転軸８を中心に１０の方向に回転するレンズ保持部材４を設け、これをガイド７に沿って方向９に前後するリニアテーブル６上に搭載したものである。入射光は凸レンズ１によって焦点面５上の１点に焦点を結び、レンズ゛保持部材４を必要に応じてモータなどで回転駆動して焦点の位置を焦点面５に沿って走査する。また走査の際に生ずる焦点距離の変化δを相殺して焦点を常に焦点面５の丁度表面に結ぶようにするため、リニアテーブル６を凸レンズ１の走査に同期した別のリニアモータで微調整するようにした。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によると、集光レンズを安価で簡単な機構によって回転走査することにより、レーザビームの品位を損なうことなく望む位置に焦点位置を走査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作と効果を説明した実施例である。
【図２】本発明の別の実施例である。
【図３】本発明の実施例を具体化した例である。
【符号の説明】
１    凸レンズ、
２    入射光の光軸
３    凸レンズの中心軸
４    レンズ保持部材
５    焦点面
６    リニアテーブル
７    ガイド
８    回転軸
９    移動方向
１０  回転方向
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ  図の名称
Ｑａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄ  焦点
Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ  焦点近傍の領域
α、β、γ、δ  距離
θ、ψ  角度
Ｏ  回転中心
ｒ  回転半径
【図１】
2004170626.tif 000003
【図２】
2004170626.tif 000004
【図３】
2004170626.tif 000005