(57)【要約】【課題】  新規な構成のビーム振り分け装置を提供する。【解決手段】  外部からの制御により、ビームを仮想平面内で、第１方向に偏向させる状態、第２方向に偏向させる状態、及び直進させる状態のいずれかを採ることができる第１偏向器と、第１偏向器を直進したビームの光路上に配置され、外部からの制御により、ビームを仮想平面内で、第３方向に偏向させる状態、または第４方向に偏向させる状態のいずれかを採ることができる第２偏向器と、第１偏向器に入射したビームが直進するか、または第１もしくは第２方向に偏向して出射するように第１偏向器を制御し、かつ第２偏向器に入射したビームが、第３または第４方向に偏向して出射するように第２偏向器を制御する制御装置とを有し、第１偏向器を直進するビームの出射方向を基準として、第１及び第２方向は同じ向きに傾き、第３及び第４方向は同じ向きに傾き、第１及び第３方向は反対向きに傾いているビーム振り分け装置を提供する。【選択図】  図１
2009003167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの制御により、入射するレーザビームを、１つの仮想平面内で、第１の方向に偏向させる状態、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向させる状態、及び直進させる状態のいずれかを採ることができる第１の偏向器と、
前記第１の偏向器を直進したレーザビームの光路上に配置され、外部からの制御により、入射するレーザビームを、前記仮想平面内で、前記第１の方向、前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に偏向させる状態、または前記第１乃至第３の方向のいずれとも異なる第４の方向に偏向させる状態のいずれかを採ることができる第２の偏向器と、
前記第１の偏向器に入射したレーザビームが、直進するか、または、前記第１もしくは第２の方向に偏向して出射するように前記第１の偏向器を制御し、かつ、前記第２の偏向器に入射したレーザビームが、前記第３または第４の方向に偏向して出射するように前記第２の偏向器を制御する制御装置と
を有し、
前記第１の偏向器を直進するレーザビームの出射方向を基準として、前記第１の方向と前記第２の方向とは同じ向きに傾き、前記第３の方向と前記第４の方向とは同じ向きに傾き、前記第１の方向と前記第３の方向とは相互に反対向きに傾いているビーム振り分け装置。
【請求項２】
更に、外部からの制御により、前記第１の偏向器に入射するレーザビームを出射する光源を含み、
前記制御装置は、
前記光源から２つのレーザパルスを出射させ、先に出射されたレーザパルスのパルス幅内には、時間の経過に沿って、第１乃至第３の時刻、後に出射されたビームパルスのパルス幅内には、時間の経過に沿って、第４乃至第６の時刻を定めたとき、
前記第１の偏向器が、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの時間、前記第２の時刻から前記第３の時刻までの時間、前記第４の時刻から前記第５の時刻までの時間、及び、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの４つの時間のうちの１つの時間において、入射するレーザビームを前記第１の方向に偏向して出射し、他の１つの時間において、入射するレーザビームを前記第２の方向に偏向して出射し、
前記第２の偏向器が、前記４つの時間の中で前記第１の偏向器がレーザビームを直進させる２つの時間のうちの１つの時間において、入射するレーザビームを前記第３の方向に偏向して出射し、他の１つの時間において、入射するレーザビームを前記第４の方向に偏向して出射するように、前記光源、前記第１及び第２の偏向器を制御する請求項１に記載のビーム振り分け装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の偏向器が音響光学偏向器である請求項１または２に記載のビーム振り分け装置。
【請求項４】
外部からの制御により、入射するレーザビームを、第１の仮想平面内で、第１の方向に偏向させる状態、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向させる状態、及び直進させる状態のいずれかを採ることができる第１の偏向器と、
前記第１の偏向器を直進したレーザビームの光路上に配置され、外部からの制御により、入射するレーザビームを、前記第１の仮想平面と交差する第２の仮想平面内で、前記第１の方向、前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に偏向させる状態、前記第１乃至第３の方向のいずれとも異なる第４の方向に偏向させる状態のいずれかを採ることのできる第２の偏向器と、
前記第１の偏向器に入射したレーザビームが、直進するか、または、前記第１もしくは第２の方向に偏向して出射するように前記第１の偏向器を制御し、かつ、前記第２の偏向器に入射したレーザビームが、前記第３または第４の方向に偏向して出射するように前記第２の偏向器を制御する制御装置と
を有するビーム振り分け装置。
【請求項５】
更に、外部からの制御により、前記第１の偏向器に入射するレーザビームを出射する光源を含み、
前記制御装置は、
前記光源から２つのレーザパルスを出射させ、先に出射されたレーザパルスのパルス幅内には、時間の経過に沿って、第１乃至第３の時刻、後に出射されたビームパルスのパルス幅内には、時間の経過に沿って、第４乃至第６の時刻を定めたとき、
前記第１の偏向器が、前記第１の時刻から前記第２の時刻までの時間、前記第２の時刻から前記第３の時刻までの時間、前記第４の時刻から前記第５の時刻までの時間、及び、前記第５の時刻から前記第６の時刻までの４つの時間のうちの１つの時間において、入射するレーザビームを前記第１の方向に偏向して出射し、他の１つの時間において、入射するレーザビームを前記第２の方向に偏向して出射し、
前記第２の偏向器が、前記４つの時間の中で前記第１の偏向器がレーザビームを直進させる２つの時間のうちの１つの時間において、入射するレーザビームを前記第３の方向に偏向して出射し、他の１つの時間において、入射するレーザビームを前記第４の方向に偏向して出射するように、前記光源、前記第１及び第２の偏向器を制御する請求項４に記載のビーム振り分け装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の偏向器が音響光学偏向器である請求項４または５に記載のビーム振り分け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向から入射したビームを複数の方向に振り分けて出射することのできるビーム振り分け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射するレーザビームを異なる方向に出射する偏向器として、音響光学偏向器(Acoust-Optic Deflector: AOD)が知られている。
【０００３】
ＡＯＤに高周波の電気信号（交流電圧）を印加すると、ＡＯＤの音響光学媒体内に電気信号に同期した超音波の粗密波が発生する。この粗密波が回折格子として作用し、入射するレーザビームの一部がブラッグ反射され（音響光学効果）、偏向されて出射する。
【０００４】
レーザビームの回折角は粗密波の周波数に依存する。粗密波の周波数を連続的に変えることで、回折角を連続的に変化させることができる。粗密波の周波数は、電気信号の周波数を変えることで制御できる。なお、ＡＯＤに電気信号が印加されない場合は、レーザビームの回折は起こらない。
【０００５】
ＡＯＤでレーザビームを偏向させることのできる最大角度は、たとえば約８°である。このため、たとえば１個のＡＯＤを用いて、４方向に均分的にレーザビームを偏向させる場合、隣り合う偏向レーザビーム間の角度は、約２．６６°と小さくなる。これらの偏向レーザビームを分離するためには、レーザビームを十分に長い距離を進行させる必要がある。また、レーザビームのビーム拡がり角度がレーザビーム間の角度より大きい場合には、どんなに長い距離を進行させても分離することはできない。
【０００６】
ＡＯＤを用いた種々のレーザ加工装置の発明が開示されている（たとえば、特許文献１及び２参照）。
【０００７】
また、３個のＡＯＤを用いてレーザビームを４分岐させる技術が知られている。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−２６３２７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１９１８８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、新規な構成のビーム振り分け装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、外部からの制御により、入射するレーザビームを、１つの仮想平面内で、第１の方向に偏向させる状態、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向させる状態、及び直進させる状態のいずれかを採ることができる第１の偏向器と、前記第１の偏向器を直進したレーザビームの光路上に配置され、外部からの制御により、入射するレーザビームを、前記仮想平面内で、前記第１の方向、前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に偏向させる状態、または前記第１乃至第３の方向のいずれとも異なる第４の方向に偏向させる状態のいずれかを採ることができる第２の偏向器と、前記第１の偏向器に入射したレーザビームが、直進するか、または、前記第１もしくは第２の方向に偏向して出射するように前記第１の偏向器を制御し、かつ、前記第２の偏向器に入射したレーザビームが、前記第３または第４の方向に偏向して出射するように前記第２の偏向器を制御する制御装置とを有し、前記第１の偏向器を直進するレーザビームの出射方向を基準として、前記第１の方向と前記第２の方向とは同じ向きに傾き、前記第３の方向と前記第４の方向とは同じ向きに傾き、前記第１の方向と前記第３の方向とは相互に反対向きに傾いているビーム振り分け装置が提供される。
【００１１】
また、本発明の他の観点によると、外部からの制御により、入射するレーザビームを、第１の仮想平面内で、第１の方向に偏向させる状態、前記第１の方向とは異なる第２の方向に偏向させる状態、及び直進させる状態のいずれかを採ることができる第１の偏向器と、前記第１の偏向器を直進したレーザビームの光路上に配置され、外部からの制御により、入射するレーザビームを、前記第１の仮想平面と交差する第２の仮想平面内で、前記第１の方向、前記第２の方向のいずれとも異なる第３の方向に偏向させる状態、前記第１乃至第３の方向のいずれとも異なる第４の方向に偏向させる状態のいずれかを採ることのできる第２の偏向器と、前記第１の偏向器に入射したレーザビームが、直進するか、または、前記第１もしくは第２の方向に偏向して出射するように前記第１の偏向器を制御し、かつ、前記第２の偏向器に入射したレーザビームが、前記第３または第４の方向に偏向して出射するように前記第２の偏向器を制御する制御装置とを有するビーム振り分け装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、新規な構成のビーム振り分け装置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】
【００１３】
図１は、第１の実施例によるビーム振り分け装置を含むビーム照射装置を示す概略図である。
【００１４】
本図に示すビーム照射装置は、レーザ光源１、折り返しミラー２ａ〜２ｕ、マスク３、ＡＯＤ４ａ、４ｂ、ダンパ５、ガルバノスキャナ６ａ〜６ｄ、加工レンズ７ａ〜７ｄ、ステージ８ａ、８ｂ、及び、制御装置９を含んで構成される。
【００１５】
レーザ光源１が、制御装置９から送出される信号を受けて、パルスレーザビームＬｂを出射する。パルスレーザビームＬｂは、折り返しミラー２ａ〜２ｃで反射され、マスク３に入射する。
【００１６】
マスク３は透光領域と遮光領域とを備える。パルスレーザビームＬｂは、マスク３の透光領域を通過することによって断面形状を整形される。マスク３の透光領域を通過したパルスレーザビームＬｂは、折り返しミラー２ｄで反射され、ＡＯＤ４ａに入射する。
【００１７】
ＡＯＤ４ａは、制御装置９から送出される高周波の電気信号（交流電圧）を受けて、パルスレーザビームＬｂの出射方向を変化させる。
【００１８】
ＡＯＤ４ａには、周波数ｆ１の交流電圧もしくはｆ１よりも低周波数である周波数ｆ２の交流電圧が印加される。周波数ｆ１の交流電圧が印加されたとき、パルスレーザビームＬｂは偏向角θ１だけ偏向されＡＯＤ４ａを出射する。このレーザビームをパルスレーザビームＬｂａとする。周波数ｆ２の交流電圧が印加されたとき、パルスレーザビームＬｂは偏向角θ１より小さい偏向角θ２だけ偏向されＡＯＤ４ａを出射する。このレーザビームをパルスレーザビームＬｂｂとする。
【００１９】
ＡＯＤ４ａに交流電圧が印加されていないときにＡＯＤ４ａに入射したパルスレーザビームＬｂは、直進してＡＯＤ４ｂに入射する。また、ＡＯＤ４ａに周波数ｆ１またはｆ２の交流電圧が印加されている場合でも、パルスレーザビームＬｂの一部（数％から２０％程度）は漏れ光として直進する。この漏れ光もＡＯＤ４ｂに入射し、ダンパ５に吸収される。
【００２０】
ＡＯＤ４ｂも、制御装置９から送出される高周波の電気信号（交流電圧）を受けて、パルスレーザビームＬｂの出射方向を変化させる。
【００２１】
ＡＯＤ４ｂにも、周波数ｆ１の交流電圧もしくはｆ１よりも低周波数である周波数ｆ２の交流電圧が印加される。周波数ｆ１の交流電圧が印加されたとき、パルスレーザビームＬｂは偏向角θ１だけ偏向されＡＯＤ４ｂを出射する。このレーザビームをパルスレーザビームＬｂｃとする。周波数ｆ２の交流電圧が印加されたとき、パルスレーザビームＬｂは偏向角θ１より小さい偏向角θ２だけ偏向されＡＯＤ４ｂを出射する。このレーザビームをパルスレーザビームＬｂｄとする。
【００２２】
ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂとは、パルスレーザビームＬｂａ、ＬｂｂとパルスレーザビームＬｂｃ、Ｌｂｄとが、同一平面内で、偏向方向がＡＯＤ４ａを偏向されずに出射するレーザビームの出射方向を基準として、相互に反対向きに出射するように配置される。このためパルスレーザビームＬｂａの出射方向とパルスレーザビームＬｂｃの出射方向とのなす角度は２×θ１となり、パルスレーザビームＬｂｂの出射方向とパルスレーザビームＬｂｄの出射方向とのなす角度は２×θ２となる。
【００２３】
ＡＯＤ４ｂに交流電圧が印加されていないときにＡＯＤ４ｂに入射したパルスレーザビームＬｂは、直進してダンパ５に入射し、吸収される。また、ＡＯＤ４ｂに周波数ｆ１またはｆ２の交流電圧が印加されている場合でも、パルスレーザビームＬｂの一部（数％から２０％程度）は漏れ光として直進する。この漏れ光もダンパ５に入射し、吸収される。
【００２４】
偏向角θ１だけ偏向されＡＯＤ４ａを出射したパルスレーザビームＬｂａは、折り返しミラー２ｅ〜２ｇで反射され、ガルバノスキャナ６ａに入射する。ガルバノスキャナ６ａは２枚の揺動鏡を含み、入射したパルスレーザビームＬｂａを２次元方向に走査して出射する。ステージ８ａ、８ｂ上には加工対象物が保持されている。ガルバノスキャナ６ａを出射したパルスレーザビームＬｂａは加工レンズ７ａを透過して、ステージ８ａ上の加工対象物に入射する。加工レンズ７ａは、パルスレーザビームＬｂａを加工対象物に垂直に入射させる。
【００２５】
偏向角θ２だけ偏向されＡＯＤ４ａを出射したパルスレーザビームＬｂｂ、偏向角θ１だけ偏向されＡＯＤ４ｂを出射したパルスレーザビームＬｂｃ、偏向角θ２だけ偏向されＡＯＤ４ｂを出射したパルスレーザビームＬｂｄについても同様に、それぞれ折り返しミラー２ｈ〜２ｊ、２ｋ〜２ｐ、２ｑ〜２ｕ、ガルバノスキャナ６ｂ、６ｃ、６ｄ、及び、加工レンズ７ｂ、７ｃ、７ｄを経て、ステージ８ａまたは８ｂ上に保持された加工対象物に入射する。
【００２６】
第１の実施例によるビーム振り分け装置は、ビームの偏向方向が、同一平面内で相互に反対向きとなるように直列配置された２個のＡＯＤ４ａ、４ｂを含む。偏向方向を同一平面内で相互に反対向きとすることで、ビーム照射装置の他の光学要素、たとえば折り返しミラーの配置を容易に行うことができる。またビーム照射装置を小型化することができる。
【００２７】
図２は、第２の実施例によるビーム振り分け装置を含むビーム照射装置を示す概略図である。
【００２８】
本図に示すビーム照射装置と図１に示すビーム照射装置とは、ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂの相対的な配置において異なる。図１に示すビーム照射装置においては、パルスレーザビームＬｂａ、ＬｂｂとパルスレーザビームＬｂｃ、Ｌｂｄとが、同一平面内に出射されるように、ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂとを配置した。本図に示すビーム照射装置においては、パルスレーザビームＬｂａ、ＬｂｂとパルスレーザビームＬｂｃ、Ｌｂｄとが異なる平面内（相互に交差する平面内）に偏向するように、ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂとを配置する。この配置に起因して、本図に示すビーム照射装置は、折り返しミラー２ｍ及び２ｒの２枚のミラーを含まない。
【００２９】
第２の実施例によるビーム振り分け装置は、ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂとで、入射したパルスレーザビームを異なる平面内に偏向させる。このためビーム照射装置の光学系設置面積を減少させることができる。また、折り返しミラーの数を低減することができる。このため第１の実施例によるビーム振り分け装置を用いる場合よりも、ビーム照射装置を一層小型化することができる。更に、第１の実施例によるビーム振り分け装置を用いる場合よりも、ビーム照射装置の光学設計を容易に行うことができる。
【００３０】
図３（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、実施例によるビーム振り分け方法を説明する。
【００３１】
図３（Ａ）は、ＡＯＤ４ａに入射するパルスレーザビームＬｂの時間（時刻）とレーザ強度の関係を示す。横軸が時間、縦軸がレーザ強度を表す。実施例によるビーム振り分け方法においては、ＡＯＤ４ａに入射する連続する２つのレーザパルスを、ＡＯＤ４ａ及び４ｂでそれぞれ時間軸に沿って２分割し、４方向に出射する。
【００３２】
レーザパルスは、時刻ｔ１〜ｔ３（第１レーザパルス）及び時刻ｔ４〜ｔ６（第２レーザパルス）に一定のレーザ強度でＡＯＤ４ａに入射する。第１レーザパルスと第２レーザパルスのパルス幅及びレーザ強度は相互に等しい。また、レーザパルスは、一定の繰り返し周波数で発振されている。
【００３３】
図３（Ｂ）に、ＡＯＤ４ａへの電圧の印加タイミングを示す。横軸が時間、縦軸がＡＯＤ４ａに印加する電圧の周波数（入力周波数）を表す。
【００３４】
時刻ｔ１〜ｔ２に、周波数ｆ１の交流電圧がＡＯＤ４ａに印加される。また、時刻ｔ２〜ｔ３に、周波数ｆ２の交流電圧がＡＯＤ４ａに印加される。周波数ｆ１の交流電圧と周波数ｆ２の交流電圧とを逆に印加してもよい。
【００３５】
図３（Ｃ）に、ＡＯＤ４ｂへの電圧の印加タイミングを示す。横軸が時間、縦軸がＡＯＤ４ｂに印加する電圧の周波数（入力周波数）を表す。
【００３６】
時刻ｔ４〜ｔ５に、周波数ｆ１の交流電圧がＡＯＤ４ｂに印加される。また、時刻ｔ５〜ｔ６に、周波数ｆ２の交流電圧がＡＯＤ４ｂに印加される。
【００３７】
図３（Ｄ）は、ＡＯＤ４ａ及び４ｂによって相互に異なる４方向に分離されて出射するレーザビームＬｂａ〜Ｌｂｄの時間（時刻）とレーザ強度の関係を示す。横軸が時間、縦軸がレーザ強度を表す。
【００３８】
ＡＯＤ４ａに周波数ｆ１の交流電圧が印加される時刻ｔ１〜ｔ２には、レーザビームＬｂａが出射され、ＡＯＤ４ａに周波数ｆ２の交流電圧が印加される時刻ｔ２〜ｔ３には、レーザビームＬｂｂが出射される。
【００３９】
また、ＡＯＤ４ａには電圧が印加されず、ＡＯＤ４ｂに周波数ｆ１の交流電圧が印加される時刻ｔ４〜ｔ５には、レーザビームＬｂｃが出射され、ＡＯＤ４ａには電圧が印加されず、ＡＯＤ４ｂに周波数ｆ２の交流電圧が印加される時刻ｔ５〜ｔ６には、レーザビームＬｂｄが出射される。
【００４０】
このように、連続する２つのレーザパルスを、それぞれ時間軸に沿って２分割し、相互に異なる４方向に進行させることができる。
【００４１】
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。
【００４２】
たとえば、ＡＯＤ４ａ、４ｂに周波数の等しい交流電圧（周波数ｆ１及びｆ２）を印加したが、ＡＯＤ４ａとＡＯＤ４ｂとに異なる周波数の交流電圧を印加してもよい。
【００４３】
また、実施例においては、連続する２つのレーザパルスを、それぞれ時間軸に沿って２分割し、相互に異なる４方向に進行させたが、１つのレーザパルスを時間軸に沿って４分割し、相互に異なる４方向に振り分けてもよい。
【００４４】
図４に、その実施例を示した。図３に示したＡＯＤ４ａ〜４ｄ、レーザビームＬｂａ〜Ｌｂｄの作用は同様である。
【００４５】
更に、連続する４つのレーザパルスを、相互に異なる４方向に振り分けることもできる。
【００４６】
また、実施例においては、パルスレーザビームを出射するレーザ光源を用いたが、連続波を出射するレーザ発振器を用いてレーザ光源を構成してもよい。
【００４７】
その他、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。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
レーザ加工一般に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施例によるビーム振り分け装置を含むビーム照射装置を示す概略図である。
【図２】第２の実施例によるビーム振り分け装置を含むビーム照射装置を示す概略図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例による２ビーム４軸振り分け方法を説明するための図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例による１ビーム４軸振り分け方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  レーザ光源
２ａ〜２ｕ  折り返しミラー
３  マスク
４ａ、４ｂ  ＡＯＤ
５  ダンパ
６ａ〜６ｄ  ガルバノスキャナ
７ａ〜７ｄ  加工レンズ
８ａ、８ｂ  ステージ
９  制御装置
Ｌｂ、Ｌｂａ〜Ｌｂｄ  レーザビーム
【図１】
2009003167.tif 000003
【図２】
2009003167.tif 000004
【図３】
2009003167.tif 000005
【図４】
2009003167.tif 000006