(57)【要約】　　　（修正有）【課題】加工速度の低下を招くことなく、マークの視認性を高めることが可能なマーキング装置を提供する。【解決手段】レーザ光源１１から出射したレーザビーム３の光路内にホログラム板１６が配置されている。走査光学系１３が、ホログラム板により回折された回折ビームの各々の光軸を振る。集光光学系１４が、走査光学系により光軸を振られた回折ビームを収束させる。集光光学系により回折ビームが集光される位置に加工対象物１が保持される。ホログラム板１６により回折された回折ビーム３が、加工対象物内１に、可視光を回折させる単位回折パターンを形成する。走査光学系で回折ビームの光軸を振ることにより、加工対象物内に単位回折パターンを複数個形成することができる。【選択図】　図１
2004122233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路内に配置されたホログラム板と、
前記ホログラム板により回折された回折ビームの各々の光軸を振る走査光学系と、
前記走査光学系により光軸を振られた回折ビームを収束させる集光光学系と、前記集光光学系により回折ビームが集光される位置に加工対象物を保持するステージと
を有し、
前記ホログラム板により回折された回折ビームが、前記加工対象物内に、可視光を回折させる単位回折パターンを形成し、
前記走査光学系で回折ビームの光軸を振ることにより、前記加工対象物内に前記単位回折パターンを複数個形成することができるレーザマーキング装置。
【請求項２】
前記ホログラム板により前記加工対象物内に形成される前記単位回折パターンが、行列状に配置された複数の点を含んで構成される請求項１に記載のレーザマーキング装置。
【請求項３】
表面上に、可視光を回折させるパターンからなる単位要素を分布させてマークが形成された光学部材。
【請求項４】
加工対象物の表面上に、ホログラム板により回折された複数の回折ビームを集光し、可視光を回折させるパターンからなる単位要素を形成する工程と、
前記単位要素と同一のパターンを有する他の単位要素を、前記加工対象物の表面上の他の位置に形成し、複数の単位要素からなるマークを形成する工程と
を有するマーキング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザマーキング装置、マーキング方法及びマーキングされた光学部材に関し、特にマークの視認性を高めることが可能なレーザマーキング装置、マーキング方法、及びマーキングされた光学部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス等の透明材料内にレーザビームを集光させて多光子吸収を起こすと、その部分の屈折率が変化する。屈折率の変化した点を所望の位置に分布させることによりマークを構成することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
レーザビームを集光することによって屈折率の変化する領域は微少であるため、屈折率の変化した点の集合で構成されたマークを視認することは困難である。マークを構成する複数の点の各々を大きくすることにより、マークの視認性を高めることができる。しかし、個々の点を大きくするためには、大きな加工エネルギが必要とされ、加工対象物のマーク周辺がダメージを受けることにもなる。
【０００４】
本発明の目的は、加工対象物に与えるダメージを少なくし、かつマークの視認性を高めることが可能なマーキング装置及びマーキング方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、レーザビームを出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザビームの光路内に配置されたホログラム板と、前記ホログラム板により回折された回折ビームの各々の光軸を振る走査光学系と、前記走査光学系により光軸を振られた回折ビームを収束させる集光光学系と、前記集光光学系により回折ビームが集光される位置に加工対象物を保持するステージとを有し、前記ホログラム板により回折された回折ビームが、前記加工対象物内に、可視光を回折させる単位回折パターンを形成し、前記走査光学系で回折ビームの光軸を振ることにより、前記加工対象物内に前記単位回折パターンを複数個形成することができるレーザマーキング装置が提供される。
【０００６】
複数の回折ビームを用い、同時に複数箇所において屈折率の変化を生じさせることができる。屈折率変化の生じた各々の点は微少であるため、加工対象物の埋めるダメージを少なくすることができる。また、同時に複数箇所で屈折率変化を生じさせることができるため、マーキング時間の短縮を図ることが可能になる。また、単位要素自体が複数の点の集合で構成されるため、１つの単位要素のみで回折を生じさせることができる。このため、マークの視認性を高めることができる。
【０００７】
本発明の他の観点によると、表面上に、可視光を回折させるパターンからなる単位要素を分布させてマークが形成された光学部材が提供される。
【０００８】
本発明の他の観点によると、加工対象物の表面上に、ホログラム板により回折された複数の回折ビームを集光し、可視光を回折させるパターンからなる単位要素を形成する工程と、前記単位要素と同一のパターンを有する他の単位要素を、前記加工対象物の表面上の他の位置に形成し、複数の単位要素からなるマークを形成する工程とを有するマーキング方法が提供される。
【０００９】
１つの単位要素のみで回折を生じさせることができるため、マークの視認性を高めることができる。また、単位要素を構成する個々の点は微少であるため、部材に与えるダメージを少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるレーザマーキング装置１０の概略斜視図を示す。マーキング装置１０は、レーザ光源１１、ビーム整形器１２、ホログラム板１６、ガルバノスキャナ１３、ｆθレンズ１４、及びステージ１５を含んで構成される。ステージ１５の上に、加工対象物である透明ガラス基板１が載置されている。
【００１１】
レーザ光源１１として、例えばモードロックしたＴｉ：サファイアレーザ発振器が用いられる。このＴｉ：サファイアレーザ発振器は、例えばパルス幅１３０ｆｓ、波長８００ｎｍ、平均出力１Ｗ、繰返し同波数１ｋＨｚのパルス状レーザビームを出力する。この波長域の光は、加工対象物である透明ガラス基板１を透過する。レーザ光源１１として、Ｔｉ：サファイアレーザ以外に、ＹＡＧレーザ、ＹＬＦレーザ等のレーザダイード（ＬＤ）励起型固体レーザ発振器を用いることもできる。また、それらのレーザ発振器から出力された基本波の高調波を生成する各種レーザ光源を用いることもできる。
【００１２】
ビーム整形器１２は、レーザ光源１１から出射したレーザビームの断面形状を整形する。整形されたレーザビームが、ホログラム板１６に入射する。ホログラム板１６は、所定の位相分布に相当する凹凸が付された石英基板である。ホログラム板１６は、その表面に付された凹凸に対応する位相分布に応じて、レーザビームを回折させる。
【００１３】
ガルバノスキャナ１３は、ホログラム板１６で回折された回折ビームの各々の光軸を振る。ｆθレンズ１４は、光軸を振られた回折ビームを、透明ガラス基板１の所望の深さの位置に集光させる。ガルバノスキャナ１３で回折ビームの各々の光軸を振ることにより、透明ガラス基板１の内部に形成される回折ビームの集光位置を所望の位置に移動させることができる。ステージ１５は、透明ガラス基板１を、その表面に平行な２次元方向に移動させることができる。
【００１４】
ガルバノスキャナ１３は、一対のガルバノミラー１３ａを回転駆動するミラー駆動装置と高感度の位置検出装置とを備えている。また、ガルバノスキャナ１３は、駆動部１３ｂを介してコンピュータ２０により制御される。コンピュータ２０は、ガルバノスキャナ１３の駆動をレーザ光源１１のパルス発振に同期させる。
【００１５】
ｆθレンズ１４は、透明ガラス基板１の内部に回折ビーム３を集光させるだけでなく、ガルバノスキャナ１３による走査中も回折ビーム３の集光位置を一定の深さに保つ。
【００１６】
ｆθレンズ１４によって形成された回折ビーム３の各々の集光位置に、多光子吸収により屈折率変化が生じた変質部分が形成される。レーザ光源１１がフェムト秒オーダの極短パルスを発生させるので、集光位置で多光子吸収が効率的に生じる。このような多光子吸収を利用すれば、本来吸収のない赤外レーザ光によるエネルギの注入が可能になる。これにより、集光位置に限定して比較的大きな屈折率等の光学的特性の変化を生じさせることができる。このような特性変化は、透明ガラス基板１の密度変化や結合状態の変化等に起因して形成される光学的非線型現象であり、変質部分が恒久的にガラス中に残存する。
【００１７】
透明ガラス基板１は、レーザ光源１１からのレーザビームを透過させ、かつこのレーザビームに対して効率的な多光子吸収が生ずるものであればよい。ただし、内部に形成されるマークを視覚的に認識するためには、可視光をほぼ透過させるものである必要もある。例えば、ＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラス等を用いることができる。また、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス等各種の材料にマークを形成できることが確認されている。
【００１８】
回折ビーム３の集光位置に形成される複数の変質部分の分布は、ホログラム板１６の位相分布に依存する。ホログラム板の位相分布の求め方は、例えばＭ．Ａ．　Ｓｅｌｄｗｉｔｚ等によるＡｐｐｌ．　Ｏｐｔ，２６，ｐｐ２７８８−２７９８（１９８７）に説明されている。
【００１９】
図２（Ａ）に、透明ガラス基板１の内部に形成される変質部分の分布の一例を示す。変質部分３０が、５行５列の行列を構成するように分布している。行方向及び列方向のピッチａは、例えば４μｍである。各変質部分３０は、回折ビームの光軸に沿った棒状の形状を有し、その長さは約２０〜３０μｍ、太さは約１μｍである。この５行５列の行列を構成する変質部分３０の群を単位要素と呼ぶこととする。
【００２０】
次に、図１のレーザマーキング装置を用いてマーキングを行う方法を説明する。まず、透明ガラス基板１をステージ１５の上に載置し、マーキングを行うべき部位をｆθレンズ１４の直下に移動させる。次に、レーザ光源１１をレーザ発振させるとともに、ガルバノスキャナ１３を動作させて、回折ビームの集光位置を走査する。ガルバノスキャナ１３の走査の軌跡に沿って、複数の単位要素が透明ガラス基板１の内部に形成される。
【００２１】
図２（Ｂ）に、複数の単位要素で構成されたマークの一例を示す。１１個の単位領域で、アルファベットの「Ｈ」が描かれている。単位要素を行方向及び列方向に移動させる最小ピッチｂが、ピッチａの６倍とされている。
【００２２】
次に、レーザ光の走査を一時中断し、ステージ１５を動作させて透明ガラス基板１を移動させる。これにより、次にマークを形成すべき位置がｆθレンズ１４の直下に移動する。
【００２３】
ガルバノスキャナ１３とレーザ光源１１とを、両者が同期するように動作させて、レーザビームの集光点を走査する。以上の工程を繰り返すことにより、所望の位置に所望のマークを順次形成することができる。
【００２４】
複数の単位要素を分布させて構成したマークは、可視光を回折させる。これにより、マークが視覚的に認識される。図２（Ｂ）に示したピッチｂをピッチａの整数倍とすると、近傍の単位要素からの回折光同士が強めあい、マークの視認性を高めることができるであろう。
【００２５】
上記実施例では、単位要素を５行５列の行列状に配置した２５個の点で構成したが、その他の構成としてもよい。ホログラム板の位相分布を設計し直すことにより、単位要素内の点の配置を種々変化させることができる。また、単位要素を複数の点で構成する代わりに、複数の直線で構成することも可能である。例えば、単位要素を、回折格子として働くグレーティングとすることもできる。
【００２６】
ステージ１５は、透明ガラス基板１をＺ方向に微動させることもできる。これにより、透明ガラス基板１の内部に形成されるマークの深さを調節することができる。例えば、透明ガラス基板１の第１の深さの位置に第１のマークを形成し、第２の深さの位置に第２のマークを形成すれば、多層構造のマークを形成することができる。さらに、単位要素を形成しつつステージ１５を３次元的にステップ移動させることにより、立体的な形状を有するマークを形成することもできる。
【００２７】
上記実施例では、小さな点が集まった単位要素を分布させることによりマークが形成される。このため、個々の点を大きくすることなく、視認性の高いマークが得られる。
【００２８】
上記実施例では、ひとつのマークを構成する複数の単位要素をすべて合同なパターンとしたが、単位要素内の各点のピッチを変えて、単位要素の各々を相互に相似関係のパターンとしてもよい。この場合には、各単位要素が、異なる色と認識されるであろう。
【００２９】
上記実施例では、１回のパルスレーザ照射により、屈折率の変化した複数の点を形成することができる。このため、マーキング時間の短縮を図ることが可能になる。また、１回のパルスレーザ照射で１つの点を形成する場合において、１パルスあたりのエネルギが好適な値よりも大きいとき、アッテネータ等によりレーザビームを減衰させる必要がある。上記実施例の場合において、１本のビームから得られた複数の回折ビームの１パルスあたりのエネルギが好適な範囲内であるときには、アッテネータを挿入することなくレーザビームのエネルギを有効に利用することができる。
【００３０】
上記実施例では、加工対象物の内部に屈折率変化を生じさせる場合を説明したが、加工対象物の表面上に回折格子パターンからなる単位要素を形成してもよい。例えば、シリコン等の半導体基板表面にレーザビームを照射して、局所的に溶融させて凹凸を形成してもよい。シリコンを加工する場合には、シリコンを透過しないＡｒＦレーザ等を用いることができる。また、金属部材の表面にレーザビームを照射して局所的に酸化させることにより、変色させてもよい。溶融させたり、酸化させたりする場合には、照射するレーザビームはパルス的である必要はなく、連続発振したレーザビームを用いることができる。
【００３１】
表面上に、回折格子パターンを形成する場合も、凹部や変色した領域は微少であるため、単純な点を分散させてマーキングする場合に比べて、加工対象物に与えるダメージを少なくすることができる。なお、加工時間に制約がない場合には、ホログラム板を用いず、１本のレーザビームを走査することにより単位要素を形成してもよい。
【００３２】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、１回のパルスレーザ照射で複数の点を形成することができるため、マーキング時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例によるマーキング装置の概略斜視図である。
【図２】図２（Ａ）は、マーキングを行う際の単位要素の一例を示す平面図であり、図２（Ｂ）は、単位要素で構成したマークの一例を示す平面図である。
【符号の説明】
１　透明ガラス基板
３　レーザビーム
１０　マーキング装置
１１　レーザ光源
１２　ビーム整形器
１３　ガルバノスキャナ
１４　ｆθレンズ
１５　ステージ
１６　ホログラム板
２０　コンピュータ
【図１】
2004122233.tif 000003
【図２】
2004122233.tif 000004