МНОГОУГОЛЬНОЕ ЗЕРКАЛО, СВЕТОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО И ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
POLYGONAL MIRROR, LIGHTGUIDE APPARATUS AND OPTICAL SCANNING APPARATUS

Область техники
[0001] Настоящее изобретение относится главным образом к многоугольному зеркалу, которое отклоняет свет для оптического сканирования.
Уровень техники
[0002] Как правило, способ направления света от источника света многоугольным зеркалом или тому подобным для сканирования вдоль прямолинейной линии сканирования широко применяли в устройстве формирования изображений, лазерном обрабатывающем устройстве, и тому подобных. Патентный документ (PTL) 1 раскрывает оптическое сканирующее устройство, оснащенное многоугольным зеркалом.
[0003] Оптическое сканирующее устройство согласно PTL 1 включает в себя светопроецирующее устройство и светоотражающее устройство. Светопроецирующее устройство имеет многоугольное зеркало. Свет, падающий в предварительно определенном направлении, отражается отражающей поверхностью каждой грани правильного многоугольника многоугольного зеркала, которое вращается. Соответственно этому, многоугольное зеркало испускает свет, когда многоугольное зеркало вращается. Светоотражающее устройство отражает свет, излученный из светопроецирующего устройства, множеством отражательных секций. Светоотражающее устройство направляет свет на произвольную облучаемую точку на предварительно определенной линии сканирования.
Патентный документ
[0004] PTL 1: Японский патент № 5401629
Задачи, решаемые изобретением
[0005] В вышеуказанной конфигурации согласно PTL 1 вся линия сканирования состоит из диапазона отклонения света, соответствующего одной грани многоугольного зеркала. Поэтому, если нужно образовать длинную линию сканирования, то затруднительно увеличить число граней, поскольку необходимо обеспечивать до некоторой степени угловой диапазон отклонения света. В случае, где многоугольник многоугольного зеркала имеет малое число граней, может возрастать искажение сканирования, когда свет отражается вблизи вершины многоугольника, и требуется усовершенствование.
[0006] Настоящее изобретение создано с учетом вышеуказанных обстоятельств, и его цель состоит в создании многоугольного зеркала, способного переключать диапазон сканирования с высокой скоростью, и выполнять сканирование с низким искажением.
Средства решения задач
[0007] Решаемая настоящим изобретением задача является такой, как описано выше, и далее описаны средства решения задачи и его результат.
[0008] Согласно первому аспекту настоящего изобретения создано многоугольное зеркало, имеющее следующую конфигурацию. Так, многоугольное зеркало вращается вокруг оси вращения. Каждая из двух или более граней из множества граней многоугольного зеркала включает первую отражающую поверхность и вторую отражающую поверхность. Первая отражающая поверхность сформирована в плоскости, наклоненной относительно перпендикулярной оси вращения плоскости. Вторая отражающая поверхность сформирована в плоскости, наклоненной относительно перпендикулярной к оси вращения плоскости. Свет, поступающий в многоугольное зеркало, отражается первой отражающей поверхностью, и затем отражается второй отражающей поверхностью. По меньшей мере одно из направлений, в котором первая отражающая поверхность наклонена относительно перпендикулярной к оси вращения плоскости, и расстояние по направлению оси вращения между первой отражающей поверхностью и второй отражающей поверхностью являются различными среди множества граней.
[0009] В результате этого положение, в котором свет отражается излучающей поверхностью (положение эмиссии), прерывисто переключается по направлению оси вращения, когда многоугольное зеркало вращается. Поэтому направлением излучаемого света на различные области сканирования согласно положению эмиссии в направлении оси вращения может быть выполнено сканирование множества областей, в то же время с переключением областей сканирования с высокой скоростью. И наоборот, может быть легко осуществлена конфигурация, в которой сканируют большое число областей, увеличением числа граней многоугольного зеркала. Поэтому, поскольку грани многоугольного зеркала могут быть укорочены, может сокращено искажение сканирования на обоих концах каждой области сканирования.
[0010] Согласно второму аспекту настоящего изобретения создано световодное устройство, имеющее следующую конфигурацию. Так, световодное устройство включает описанное выше многоугольное зеркало, первый светоотражательный блок и второй светоотражательный блок. Первый светоотражательный блок направляет свет, отраженный одной из множества граней многоугольного зеркала, на первую область сканирования. Второй светоотражательный блок направляет свет, отраженный другой гранью, на вторую область сканирования, отличную от первой области сканирования.
[0011] Это позволяет гибко сканировать разнообразные местоположения направлением света на множество областей сканирования. Поскольку искажение сканирования в каждой области сканирования может быть сокращено, в целом может быть выполнено высококачественное сканирование.
[0012] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения создано оптическое сканирующее устройство, имеющее следующую конфигурацию. Так, оптическое сканирующее устройство включает описанное выше световодное устройство. Каждый из первого светоотражательного блока и второго светоотражательного блока включает множество отражающих поверхностей, которые отражают свет. Каждый из первого светоотражательного блока и второго светоотражательного блока отражает свет, излученный от вращающегося многоугольного зеркала, два или более раз, и направляет свет на произвольную облучаемую точку, находящуюся на линии сканирования, которая является прямолинейной. Длина траектории света от положения падения света от многоугольного зеркала до облучаемой точки является по существу постоянной среди всех облучаемых точек на линии сканирования. На линии сканирования скорость сканирования светом, направляемым от многоугольного зеркала светоотражательным блоком, является по существу постоянной.
[0013] В результате этого при сканировании, в то же время с переключением множества областей сканирования, в целом может быть осуществлено длительное прямолинейное сканирование. Между прочим, когда фаза вращения многоугольного зеркала представляет собой фазу вращения, в которой диапазон облучения падающим светом попадает на участок, соответствующий вершине многоугольника, интенсивность отраженного света нестабильна, и фактически не может быть использована для оптического сканирования. Кроме того, в случае конфигурации, в которой угловой диапазон отклонения излучаемого света, соответствующего одной грани многоугольного зеркала, разделен и направлен на различные области сканирования, то, когда фаза вращения с углом излучаемого света попадает на границу раздела, это нельзя использовать для оптического сканирования таким же образом. В этом отношении в вышеуказанной конфигурации могут быть сделаны общими фаза вращения многоугольного зеркала, в которой падающий свет излучается на вершину многоугольного зеркала, и фаза вращения многоугольного зеркала, соответствующая переключению области сканирования. Поэтому, поскольку диапазон фазы вращения многоугольного зеркала, который не может быть использован для оптического сканирования, едва ли увеличивается, может быть выполнено сканирование с меньшим искажением, в то же время с эффективным использованием света для сканирования.
Результаты изобретения
[0014] Согласно настоящему изобретению, возможно создание многоугольного зеркала, способного переключать диапазон сканирования с высокой скоростью и выполнять сканирование с низким искажением.
Краткое описание чертежей
[0015] Фиг. 1 - вид в перспективе, схематически показывающий конфигурацию лазерного обрабатывающего устройства согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - схематическое изображение, показывающее траекторию света лазерного пучка, излученного лазерным осциллятором в ходе облучения обрабатываемой детали;
Фиг. 3 - вид в перспективе многоугольного зеркала;
Фиг. 4 - вид в перспективе, показывающий переключение положения эмиссии, из которого лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала, когда многоугольное зеркало вращается;
Фиг. 5 - вид в перспективе многоугольного зеркала в разобранном состоянии;
Фиг. 6 - концептуальное изображение, показывающее трансформацию положения виртуальной дуги, которая представляет собой траекторию, в которой фокальная точка движется вследствие отклонения лазерного пучка при вращении многоугольного зеркала вторым световодным блоком;
Фиг. 7 - вид в перспективе, показывающий многоугольное зеркало и второй световодный блок;
Фиг. 8 - схематическое изображение, показывающее, что лазерный пучок излучается на различные зоны облучения переключением положения эмиссии, из которого лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала;
Фиг. 9 - упрощенное изображение, показывающее траекторию света лазерного пучка, отраженного многоугольным зеркалом и облучающего обрабатываемую деталь;
Фиг. 10 - вид в перспективе многоугольного зеркала в первой модификации;
Фиг. 11 - вид в перспективе многоугольного зеркала во второй модификации;
Фиг. 12 - схематическое изображение второго световодного блока, соответствующего многоугольному зеркалу во второй модификации; и
Фиг. 13 представляет схематическое изображение третьей модификации, в которой модифицирован второй световодный блок.
Вариант осуществления изобретения
[0016] Далее будет описан вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Фиг. 1 представляет вид в перспективе, схематически показывающий конфигурацию лазерного обрабатывающего устройства 100 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 представляет схематическое изображение, показывающее траекторию света лазерного пучка, излученного лазерным осциллятором 21 в ходе облучения обрабатываемой детали 10. Фиг. 3 представляет вид в перспективе многоугольного зеркала 5. Фиг. 4 представляет вид в перспективе, показывающий переключение положения эмиссии, из которого лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала 5, когда многоугольное зеркало 5 вращается. Фиг. 5 представляет вид в перспективе многоугольного зеркала 5 в разобранном состоянии.
[0017] Лазерное обрабатывающее устройство (оптическое сканирующее устройство) 100, показанное на Фиг. 1, может обрабатывать пластинчатую обрабатываемую деталь 10 лазерным пучком путем сканирования лазерным пучком. Характер технологической обработки может варьировать, и может представлять собой, например, обработку резанием обрабатываемой детали 10 и обработку структурированием для удаления тонкой пленки, осажденной на поверхность обрабатываемой детали 10, которая представляет собой подложку.
[0018] Лазерное обрабатывающее устройство 100 в этом варианте исполнения выполняет вышеуказанную технологическую обработку сканированием генерированного лазерного пучка (света) на обрабатываемой детали 10. Под сканированием подразумевают изменение положения облучения лазерным пучком или иным светом в предварительно определенном направлении.
[0019] Лазерное обрабатывающее устройство 100 включает главным образом транспортер 1 для обрабатываемой детали, лазерный блок 2 и блок 3 управления.
[0020] Транспортер 1 для обрабатываемой детали перемещает обрабатываемую деталь 10 в горизонтальном положении с постоянной скоростью по предварительно определенному направлению. Горизонтальное положение представляет собой положение, в котором направление толщины обрабатываемой детали 10 ориентировано по вертикальному направлению, как показано на Фиг. 1.
[0021] Лазерный блок 2 генерирует лазерный пучок и сканирует обрабатываемую деталь 10 лазерным пучком. Подробная конфигурация лазерного блока 2 будет описана позже.
[0022] Блок 3 управления контролирует действие транспортера 1 для обрабатываемой детали и лазерного осциллятора 21. Блок 3 управления сформирован компьютером, включающим, например, центральный процессор (CPU), постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), таймер и т.п.
[0023] Далее будет подробно описан лазерный блок 2. Лазерный блок 2 включает лазерный осциллятор 21 и световодное устройство 22.
[0024] Лазерный осциллятор 21 действует как источник света лазерного пучка. Лазерный осциллятор 21 генерирует импульсное лазерное излучение с кратковременной периодичностью импульсной генерации. Частота импульсного лазера не является конкретно ограниченной. Периодичность может быть коротким временным интервалом, например, таким как наносекундного порядка, пикосекундного порядка или фемтосекундного порядка. Лазерный осциллятор 21 может генерировать CW (незатухающую волну) лазерного излучения в режиме непрерывной волновой осцилляции. Лазерный осциллятор 21 излучает лазерный пучок на световодное устройство 22.
[0025] Световодное устройство 22 направляет лазерный пучок, генерированный лазерным осциллятором 21, на обрабатываемую деталь 10. Световодное устройство 22 включает, например, такие оптические компоненты, как линзы, призмы и т.п.
[0026] Как показано на Фиг. 2, световодное устройство 22 в настоящем варианте исполнения имеет первый световодный блок 4, многоугольное зеркало 5 и второй световодный блок (световодную часть) 6. По меньшей мере некоторые из этих оптических компонентов размещены внутри корпуса 22а световодного устройства 22.
[0027] Первый световодный блок 4 включает оптический компонент, который направляет лазерный пучок, генерированный лазерным осциллятором 21, на многоугольное зеркало 5. Первый световодный блок 4 имеет, в порядке от стороны лазерного осциллятора 21 вдоль траектории света лазерного пучка, входную линзу 41, входную призму 42, первое входное зеркало 43 и второе входное зеркало 44.
[0028] Входная линза 41 используется для сведения лазерного пучка, генерированного лазерным осциллятором 21, в фокальную точку. Лазерный пучок, проходящий через входную линзу 41, направляется на многоугольное зеркало 5 входной призмой 42, первым входным зеркалом 43 и вторым входным зеркалом 44.
[0029] Входная призма 42, первое входное зеркало 43 и второе входное зеркало 44 составляют оптический блок. Оптический блок заворачивает оптическую траекторию на сторону траектории света выше по потоку относительно многоугольного зеркала 5. Соответственно этому, может быть обеспечена длина траектории света, необходимая для положения фокальной точки на поверхности обрабатываемой детали 10. Оптические компоненты, входящие в состав вышеописанного первого световодного блока 4, могут отсутствовать, насколько это уместно, и при необходимости между входной линзой 41 и многоугольным зеркалом 5 могут быть добавлены другие призмы или зеркала. Кроме того, положение входной линзы 41 может быть непосредственно перед многоугольным зеркалом 5 (выше по потоку по траектории света относительно многоугольного зеркала 5). То есть, некоторые или все из входной призмы 42, первого входного зеркала 43 и второго входного зеркала 44 могут быть размещены выше по потоку относительно входной линзы 41.
[0030] Многоугольное зеркало 5 размещено с возможностью вращения вокруг оси 5а вращения, проходящей через его центр. Если рассматривать многоугольное зеркало 5 вдоль оси 5а вращения, многоугольное зеркало 5 имеет форму правильного многоугольника. В данном варианте исполнения многоугольник многоугольного зеркала 5 представляет собой шестиугольник, имеющий грани числом 16. Однако число граней многоугольного зеркала 5 может быть произвольным.
[0031] Многоугольное зеркало 5 включает множество первых отражающих поверхностей 51 и множество вторых отражающих поверхностей 52, как показано на Фиг. 3. Более конкретно, одна первая отражающая поверхность 51 и одна вторая отражающая поверхность 52 сформированы на каждой грани многоугольного зеркала 5, выполненного в многоугольной форме. Первая отражающая поверхность 51 и вторая отражающая поверхность 52 размещены соответственно друг другу.
[0032] Каждая из первой отражающей поверхности 51 и второй отражающей поверхности 52 сформированы в плоскостной форме. Первые отражающие поверхности 51 выстроены вокруг оси 5а вращения. Вторые отражающие поверхности 52 выстроены вокруг оси 5а вращения.
[0033] Все множество первых отражающих поверхностей 51 размещено под углом к воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. На любых двух соседних гранях в окружном направлении среди граней, которые включает многоугольник многоугольного зеркала 5, каждая из первых отражающих поверхностей 51 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, в противоположных направлениях, и под углами, равными между собой (более конкретно, 45°). Положение, в котором находится первая отражающая поверхность 51, не меняется по направлению оси 5а вращения на любой из граней, которые имеет многоугольник многоугольного зеркала 5.
[0034] Все множество вторых отражающих поверхностей 52 размещено под углом к воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. На любых двух соседних гранях в окружном направлении среди граней, которые включает многоугольник многоугольного зеркала 5, каждая из вторых отражающих поверхностей 52 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, в противоположных направлениях, и под углами, равными между собой (более конкретно, 45°). На любых двух соседних гранях в окружном направлении положения, в которых находятся вторые отражающие поверхности 52, отличаются друг от друга по направлению оси 5а вращения.
[0035] Положение и направление наклона второй отражающей поверхности 52 соответствуют направлению наклона первой отражающей поверхности 51, соответствующей второй отражающей поверхности 52, на данной грани. Соответственно этому, на любой грани многоугольника многоугольного зеркала 5 вторая отражающая поверхность 52 и первая отражающая поверхность 51 размещены с образованием V-образной формы.
[0036] Лазерный пучок (падающий свет), вводимый вторым входным зеркалом 44, падает на многоугольное зеркало 5 по направлению, перпендикулярному оси 5а вращения, и в сторону центра многоугольного зеркала 5. Положение, в котором лазерный пучок падает, представляет собой положение наружной окружной поверхности многоугольного зеркала 5, где первая отражающая поверхность 51 является протяженной по окружному направлению.
[0037] Например, как показано на Фиг. 4(а), лазерный пучок, падающий на многоугольное зеркало 5, отражается, попадая на первую отражающую поверхность 51, и затем дополнительно отражается, попадая на вторую отражающую поверхность 52, и затем излучается от многоугольного зеркала 5. Когда многоугольное зеркало 5 вращается при падении света на определенную грань многоугольного зеркала 5, направления первой отражающей поверхности 51 и второй отражающей поверхности 52 непрерывно изменяются. Соответственно этому, направление света, излучаемого от второй отражающей поверхности 52, изменяется равномерно по направлению, показанному жирной стрелкой. Таким образом, достигается отклонение излучаемого света.
[0038] Обе из первой отражающей поверхности 51 и второй отражающей поверхности 52 имеют угол наклона 45° относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. Поэтому излучаемый свет от многоугольного зеркала 5 отклоняется в воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. Направление наклона первой отражающей поверхности 51 и второй отражающей поверхности 52, и положение второй отражающей поверхности 52 меняются для каждой грани многоугольника многоугольного зеркала 5. Соответственно этому, как показано на Фиг. 4(а) и 4(b), положение эмиссии излучаемого света от многоугольного зеркала 5 (другими словами, плоскости, включающей угловой диапазон отклонения излучаемого света) дискретно переключается в направлении оси 5а вращения согласно тому, на какую грань многоугольника многоугольного зеркала 5 падает лазерный пучок. В состоянии согласно Фиг. 4(а) положение эмиссии находится на той же стороне (задней стороне на Фиг. 4) в направлении оси 5а вращения, что и положение падения. В состоянии согласно Фиг. 4(b) положение эмиссии находится на противоположной стороне (передней стороне на Фиг. 4) в направлении оси 5а вращения относительно положения падения. В любом из состояний излучаемый свет отклоняется в воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения.
[0039] Как показано на Фиг. 5, многоугольное зеркало 5 согласно этому варианту исполнения сформировано комбинацией двух разъемных по направлению оси 5а вращения частей. Каждая из разъемных частей имеет такую же форму, как и другая. В каждой из разъемных частей первая отражающая поверхность 51 и вторая отражающая поверхность 52, соответствующие друг другу, размещены последовательно через одну на гранях многоугольника многоугольного зеркала 5. Это упрощает изготовление. Однако нет ограничений в том отношении, как изготавливать многоугольное зеркало 5. Например, многоугольное зеркало 5 может быть изготовлено как единая цельная деталь.
[0040] Второй световодный блок 6, показанный на Фиг. 2, надлежащим образом отражает лазерный пучок, излученный из многоугольного зеркала 5, и направляет его на поверхность обрабатываемой детали 10. В дальнейшем точка, которую лазерный пучок облучает на обрабатываемой детали 10, может быть названа точкой облучения.
[0041] Второй световодный блок 6 предназначен для многократного отражения лазерного пучка и направления его на поверхность обрабатываемой детали 10. Как показано на Фиг. 2, второй световодный блок 6 включает первый световодный узел 61, имеющий множество отражающих зеркал, и второй световодный узел 62, имеющий множество световодных элементов.
[0042] Первый световодный узел 61 и второй световодный узел 62 размещены так, что длина траектории света до поверхности обрабатываемой детали 10 поддерживается по существу постоянной, независимо от положения эмиссии и угла отклонения лазерного пучка от многоугольного зеркала 5. Поэтому, независимо от фазы вращения многоугольного зеркала 5, фокальная точка лазерного пучка может быть поддержана по существу локализованной вблизи поверхности обрабатываемой детали 10.
[0043] Далее будет подробно описано действие второго световодного блока 6. Фиг. 6 представляет концептуальное изображение, показывающее трансформацию положения виртуальной дуги, которая представляет собой траекторию, в которой фокальная точка движется вследствие отклонения лазерного пучка при вращении многоугольного зеркала 5 вторым световодным блоком 6.
[0044] При допущении, что второй световодный блок 6 не предусмотрен, фокальная точка лазерного пучка, излученного от многоугольного зеркала 5 (точка на определенном расстоянии от лазерного осциллятора 21), вычерчивает дугообразную траекторию по мере того, как угол поворота многоугольного зеркала 5 изменяется на угол, соответствующий одной грани, как показано штрих-пунктирной линией, иллюстрированной на верхней стороне на Фиг. 6. Центр этой траектории представляет собой центр С отклонения, на которое лазерный пучок отклоняется многоугольным зеркалом 5. Радиус траектории соответствует длине траектории света от центра С отклонения до фокальной точки.
[0045] Как было описано выше, в зависимости от того, на какую грань многоугольника многоугольного зеркала 5 падает лазерный пучок, положение эмиссии лазерного пучка от многоугольного зеркала 5 переключается в две ступени по направлению оси 5а вращения. Поэтому, хотя дугообразная траектория в верхней стороне Фиг. 4 выглядит как единственная, фактически перекрываются две траектории (виртуальные дуги DA1, DA2).
[0046] Второй световодный блок 6 преобразует соответствующие положения двух виртуальных дуг DA1, DA2 для выравнивания их в основном по направлению сканирования на обрабатываемой детали 10 свертыванием траектории света от центра С отклонения к фокальной точке. То есть, положения виртуальных дуг DA1, DA2 преобразуются вторым световодным блоком 6 так, что направления соответствующих виртуальных хорд VC1 и VC2 приблизительно выравниваются с линией L сканирования. В результате этого агрегат из двух виртуальных дуг DA1, DA2, положения которых были преобразованы, пролегает в целом по существу по прямой линии так, чтобы покрывать длину линии L сканирования.
[0047] Таким образом, первый световодный узел 61 и второй световодный узел 62 многократно отражают свет так, что хорды VC1 и VC2 двух виртуальных дуг DA1, DA2 находятся на том же направлении, что и направление сканирования (так, что они выстроены по направлению сканирования). Две виртуальных дуги DA1, DA2 образованы двухступенчатым переключением положения эмиссии, в котором лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала 5.
[0048] Чтобы трансформировать множество виртуальных дуг DA1, DA2 в различные положения, необходимо отражать свет по различным направлениям согласно виртуальным дугам DA1, DA2. В этом отношении, как описано выше, положение, в котором траектория лазерного пучка, излучаемого от многоугольного зеркала 5, отличается от направления оси 5а вращения для каждой из двух виртуальных дуг DA1, DA2. Поэтому может быть осуществлена конфигурация, в которой свет отражается по иному направлению для каждой дуги, в то же время легко избегая механической интерференции отражающего зеркала и световодных элементов, и т.д.
[0049] Со вторым световодным блоком 6 две точки на обоих концах виртуальных дуг DA1, DA2 перемещаются на линию L сканирования, и виртуальные дуги DA1, DA2 (то есть, кривая, соединяющая две точки) перемещаются вниз по направлению оптической оси от линии L сканирования. При вращении многоугольного зеркала 5 фокальная точка лазерного пучка перемещается вдоль дуг DA1, DA2, положения которых тем самым были преобразованы.
[0050] Если центральный угол дуги невелик, виртуальные дуги DA1, DA2 близки к соответствующим виртуальным хордам VC1 и VC2. Поэтому перемещение фокальной точки вдоль виртуальных дуг DA1, DA2 вследствие вращения многоугольного зеркала 5 можно рассматривать как по существу равное линейному движению с постоянной скоростью вдоль линии L сканирования.
[0051] Как описано выше, фокальная точка лазерного пучка может следовать со сканированием вдоль по существу прямой линии и с постоянной скоростью вблизи поверхности обрабатываемой детали 10.
[0052] Далее будут подробно описаны первый световодный узел 61 и второй световодный узел 62. Фиг. 7 представляет вид в перспективе, показывающий многоугольное зеркало 5 и второй световодный блок 6. Фиг. 8 представляет схематическое изображение, показывающее, что лазерный пучок излучается на различные зоны облучения переключением положения эмиссии, из которого лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала 5. Фиг. 9 представляет упрощенное изображение, показывающее траекторию света лазерного пучка, отраженного многоугольным зеркалом 5 и облучающего обрабатываемую деталь 10.
[0053] Первый световодный узел 61 имеет первое отражающее зеркало 61а и второе отражающее зеркало 61b, как показано на Фиг. 7 и 8. Второй световодный узел 62 имеет первый световодный элемент 62а и второй световодный элемент 62b. Первый светоотражательный блок 71 составлен первым отражающим зеркалом 61а и первым световодным элементом 62а. Второй светоотражательный блок 72 составлен вторым отражающим зеркалом 61b и вторым световодным элементом 62b.
[0054] Для первого отражающего зеркала 61а и второго отражающего зеркала 61b предусмотрены два положения эмиссии излучаемого от многоугольного зеркала 5 света по направлению оси 5а вращения. Как показано на Фиг. 7, первое отражающее зеркало 61а и второе отражающее зеркало 61b размещены в различающихся между собой положениях по направлению оси 5а вращения многоугольного зеркала 5.
[0055] Первое отражающее зеркало 61а размещено для отражения света в сторону первого световодного элемента 62а в пределах углового диапазона, в котором излучаемый свет отклоняется, как показано жирными стрелками на Фиг. 4(а).
[0056] Первый световодный элемент 62а размещен в соответствии с первым отражающим зеркалом 61а. Первый световодный элемент 62а отражает свет, направленный от первого отражающего зеркала 61а, в то же время смещая его по направлению оси 5а вращения. Хотя первый световодный элемент 62а изображен на Фиг. 7 в упрощенной форме, первый световодный элемент 62а может быть сформирован, например, в виде V-образного отражающего зеркала.
[0057] Свет, отраженный первым световодным элементом 62а, направляется вдоль воображаемой плоскости, находящейся между первым отражающим зеркалом 61а и вторым отражающим зеркалом 61b, для облучения участка обрабатываемой детали 10 соответственно виртуальной хорде VC1. Зона облучения, соответствующая этой виртуальной хорде VC1 (первой области сканирования), соответствует угловому диапазону отклонения излучаемого света на Фиг. 4(а).
[0058] Второе отражающее зеркало 61b размещено для отражения света в сторону второго световодного элемента 62b в пределах диапазона, в котором отклоняется излучаемый свет, как показано жирными стрелками на Фиг. 4(b).
[0059] Второй световодный элемент 62b размещен в соответствии со вторым отражающим зеркалом 61b. Второй световодный элемент 62b отражает свет, направленный от второго отражающего зеркала 61b, в то же время смещая его по направлению оси 5а вращения. Хотя второй световодный элемент 62b изображен на Фиг. 7 в упрощенной форме, второй световодный элемент 62b может быть сформирован, например, в виде V-образного отражающего зеркала.
[0060] Свет, отраженный вторым световодным элементом 62b, направляется вдоль воображаемой плоскости, находящейся между первым отражающим зеркалом 61а и вторым отражающим зеркалом 61b, для облучения участка обрабатываемой детали 10 соответственно виртуальной хорде VC2. Зона облучения, соответствующая этой виртуальной хорде VC2 (второй области сканирования), соответствует угловому диапазону отклонения излучаемого света на Фиг. 4(b).
[0061] При вышеуказанной конфигурации, когда многоугольное зеркало 5 вращается, фокальная точка лазерного пучка попеременно повторяет сканирование двух зон облучения. Более конкретно, когда свет падает на определенную грань многоугольного зеркала 5, излучаемый от многоугольного зеркала 5 свет отражается первым светоотражательным блоком 71, и выполняется сканирование зоны облучения, соответствующей виртуальной хорде VC1 на Фиг. 8(а). С другой стороны, когда свет падает на соседнюю грань, излучаемый от многоугольного зеркала 5 свет отражается вторым светоотражательным блоком 72, и выполняется сканирование зоны облучения, соответствующей виртуальной хорде VC2 на Фиг. 8(b). На Фиг. 8 многоугольное зеркало 5 показано просто как треугольник, сфокусированный только на одной грани, где отражается свет. В результате вышеизложенного, может быть в целом исполнено прямолинейное сканирование вдоль длинной линии L сканирования.
[0062] В конфигурации согласно данному варианту исполнения, положение эмиссии излучаемого света может переключаться по направлению оси 5а вращения во временном режиме, синхронизированном с циклом, в котором угол отклонения излучаемого света изменяется от одного конца предварительно определенного углового диапазона до другого конца, просто вращением многоугольного зеркала 5. Соответственно этому, зона облучения может переключаться с высокой скоростью направлением света, излучаемого из различных положений по направлению оси 5а вращения, в различные местоположения.
[0063] В настоящем варианте исполнения переключение зоны облучения производится с использованием того обстоятельства, что положение эмиссии излучаемого света изменяется дискретно по направлению оси 5а вращения. Соответственно этому, по сравнению с ситуацией, где зона облучения переключается делением углового диапазона отклонения излучаемого света (делением в окружном направлении), и направлением каждого света на иное место, угловой диапазон отклонения излучаемого света, соответствующий одной грани многоугольного зеркала 5, может быть сделан меньшим. То есть, может быть увеличено число граней многоугольного зеркала 5.
[0064] Если рассматривать многоугольное зеркало как имеющее форму многоугольника, расстояние между точкой, где свет отражается многоугольным зеркалом (точкой отражения), и осью вращения многоугольного зеркала, строго говоря, является непостоянным. Если рассматривать многоугольное зеркало, расстояние между точкой отражения и осью вращения становится более коротким, когда свет падает на точку деления каждой грани пополам. Расстояние между точкой отражения и осью вращения увеличивается, когда точка, где падает свет, достигает конца грани от срединной точки. Таким образом, положение точки отражения периодически меняется сообразно вращению многоугольного зеркала 5.
[0065] Эта позиционная нестабильность точки отражения приводит к изменению длины траектории света. Тем самым это обусловливает искажение при сканировании, в особенности, когда свет падает вблизи конца грани многоугольника (другими словами, на вершину) многоугольного зеркала.
[0066] В этом отношении число граней многоугольного зеркала 5 согласно настоящему варианту исполнения, как описано выше, может быть увеличено так, что каждая грань может быть укорочена. В результате этого позиционная нестабильность точки отражения, которая приводит к искажению при сканировании, может быть сделана меньшей. То есть, может быть сокращено искажение в ситуации, где лазерный пучок падает на участок, близкий к вершине (линии ребра) многоугольного зеркала 5.
[0067] Кроме того, в многоугольном зеркале 5 согласно настоящему варианту исполнения, когда точка, где падающий свет проходит через вершину многоугольного зеркала 5, [1] прерывистое перемещение угла отклонения излучаемого света от конца до конца предварительно определенного углового диапазона и [2] переключение зоны облучения прерывистым изменением положения эмиссии излучаемого света по направлению оси 5а вращения происходят в одно и то же время. Поэтому по существу может быть не увеличен период времени, в котором может не происходить облучение многоугольного зеркала 5 лазерным пучком.
[0068] Нижеизложенное представляет конкретное разъяснение. Лазерный пучок не является чрезмерно тонким, но имеет толщину в определенной степени. Поэтому, когда лазерный пучок падает на многоугольное зеркало 5, область облучения лазерным пучком имеет площадь определенной величины.
[0069] Поскольку многоугольное зеркало 5 вращается, многократно возникает период времени, в течение которого вершина (линия ребра) многоугольного зеркала 5 оказывается в области облучения лазерным пучком. В это время интенсивность света, излучаемого многоугольным зеркалом 5, и облучение обрабатываемой детали 10, нестабильна, так что обработка или другая работа не может быть эффективно выполнена. Поэтому в этот период времени облучение лазерным пучком от лазерного осциллятора 21 временно приостанавливается так, что лазерный пучок не поступает в многоугольное зеркало 5.
[0070] В конфигурации согласно патентному документу (PTL) 1 угловой диапазон отклонения излучаемого света одной гранью многоугольного зеркала разделен (в окружном направлении), и каждый из разделенного света направляется в иную зону облучения. В этой конфигурации не только во время, когда вершина многоугольного зеркала 5 входит в область облучения лазерным пучком, но также во время, когда излучаемый свет достигает границы, где угловой диапазон отклонения разделен, интенсивность света, облучающего обрабатываемую деталь 10, нестабильна, и тем самым необходимо отключать лазерный пучок, как описано выше.
[0071] В этом отношении в настоящем варианте исполнения, когда вершина многоугольного зеркала 5 проходит через область облучения лазерного пучка, одновременно производится переключение зоны облучения. Поэтому эффект сокращения искажения при сканировании может быть достигнут без существенного увеличения периода времени, в котором лазерный пучок должен быть отключен (при такой же мощности облучения, как в PTL 1).
[0072] Диаметр лазерного пучка, падающего на многоугольное зеркало 5, может составлять, например, несколько миллиметров. Однако, если необходимо сжать лазерный пучок, например, до величины порядка 1/100-ой миллиметра в фокальной точке, диаметр во время облучения многоугольного зеркала 5 может составлять от 20 до 30 миллиметров. Когда диаметр лазерного пучка имеет подобную величину, то если грань многоугольного зеркала 5 не является очень длинной, будет возрастать количество времени, когда лазерный пучок должен быть блокирован. С другой стороны, если сделать грань многоугольного зеркала 5 более длинной, многоугольное зеркало 5 может стать более крупным. В этом смысле конфигурация согласно настоящему варианту исполнения, которая не предусматривает увеличения времени, при котором лазерный пучок должен быть отключен, является благоприятной в том, что она позволяет как эффективно использовать лазерный пучок, так и сократить размер многоугольного зеркала 5.
[0073] На Фиг. 9(а), при конфигурации согласно Фиг. 7 и 8, схематически показана траектория света лазерного пучка, отраженного многоугольным зеркалом 5 и достигающего первого отражающего зеркала 61а или второго отражающего зеркала 61b. На Фиг. 9(b) схематически показана траектория света лазерного пучка, отраженного первым отражающим зеркалом 61а или вторым отражающим зеркалом 61b, отраженного первым световодным элементом 62а или вторым световодным элементом 62b, и достигающего обрабатываемой детали 10.
[0074] Как показано на Фиг. 9(а), положения Р1 и Р2 эмиссии лазерного пучка от многоугольного зеркала 5 переключаются по направлению оси 5а вращения так, чтобы быть симметричными относительно положения Q1 падения лазерного пучка на многоугольное зеркало 5. Другими словами, если рассматривать расстояние по направлению оси 5а вращения, расстояние от одного положения Р1 эмиссии до положения Q1 падения, и расстояние от другого положения Р2 эмиссии до положения Q1 падения, являются равными. Соответственно этому, при симметричной конфигурации первого световодного узла 61 и второго световодного узла 62 можно легко сделать длину траектории света, достигающего обрабатываемой детали 10, в общем неизменной, даже если положения Р1, Р2 эмиссии лазерного пучка переключаются по направлению оси 5а вращения. Поэтому сканирование может быть выполнено с меньшим искажением при простой конфигурации.
[0075] Как описано выше, многоугольное зеркало 5 согласно настоящему варианту исполнения вращается вокруг оси 5а вращения. Первая отражающая поверхность 51 и вторая отражающая поверхность 52 соответственно размещены на двух или более из множества граней многоугольного зеркала 5. Первая отражающая поверхность 51 образована с плоской формой, наклоненной относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. Вторая отражающая поверхность 52 образована с плоской формой, наклоненной относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения. Свет, поступающий в многоугольное зеркало 5, отражается первой отражающей поверхностью 51, и затем второй отражающей поверхностью 52. Среди множества граней направление, в котором первая отражающая поверхность 51 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, является различным.
[0076] В результате этого положение, в котором свет излучается от многоугольного зеркала 5 (положение эмиссии), дискретно переключается по направлению оси 5а вращения, когда многоугольное зеркало 5 вращается. Поэтому направлением излучаемого света на различные области сканирования согласно положению эмиссии по направлению оси 5а вращения может быть выполнено сканирование множества областей, в то же время с переключением областей сканирования с высокой скоростью. И наоборот, может быть легко осуществлена конфигурация, в которой сканируют большое число областей, увеличением числа граней многоугольного зеркала 5. Поэтому, поскольку грани многоугольного зеркала 5 могут быть укорочены, может сокращено искажение сканирования на обоих концах каждой области сканирования.
[0077] В многоугольном зеркале 5 согласно настоящему варианту исполнения множество граней включает две грани, где направление, в котором первая отражающая поверхность 51 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, является противоположным. От одной из двух граней до другой расстояние по направлению оси 5а вращения между первой отражающей поверхностью 51 и второй отражающей поверхностью 52 является одинаковым.
[0078] В результате этого, даже если положение эмиссии от многоугольного зеркала 5 переключается по направлению оси 5а вращения, может быть сокращено изменение длины траектории света, делая конфигурацию направления света после излучения симметричной относительно области сканирования. Поэтому может быть выполнено высококачественное сканирование.
[0079] Световодное устройство 22 согласно настоящему варианту исполнения включает многоугольное зеркало 5, первый светоотражательный блок 71 и второй светоотражательный блок 72. Первый светоотражательный блок 71 направляет свет, отклоненный одной из множества граней многоугольного зеркала 5, на область сканирования соответственно виртуальной хорде VC1, как показано на Фиг. 8(а). Второй светоотражательный блок 72 направляет свет, отклоненный другой гранью многоугольного зеркала 5, на область сканирования соответственно виртуальной хорде VC2, как показано на Фиг. 8(b).
[0080] Это позволяет гибко сканировать различные местоположения направлением света на множество областей сканирования. Поскольку искажение сканирования в каждой области сканирования сокращено, в целом может быть выполнено высококачественное сканирование.
[0081] Лазерное обрабатывающее устройство 100 в этом варианте исполнения включает световодное устройство 22. Каждый из первого светоотражательного блока 71 и второго светоотражательного блока 72 снабжен множеством отражающих поверхностей, которые отражают свет. Первый светоотражательный блок 71 и второй светоотражательный блок 72 многократно отражают свет, излученный от вращающегося многоугольного зеркала 5а, и направляют свет к произвольной точке облучения, находящейся в линии L сканирования, которая является прямолинейной. Длина траектории света от положения падения света на многоугольное зеркало 5 до точки облучения является по существу постоянной среди всех точек облучения в линии L сканирования. На линии L сканирования скорость сканирования светом, направляемым от многоугольного зеркала 5 первым светоотражательным блоком 71 и вторым светоотражательным блоком 72, является по существу постоянной.
[0082] В результате этого при сканировании, в то же время с переключением множества областей сканирования, в целом может быть осуществлено длительное прямолинейное сканирование. Между прочим, когда фаза вращения многоугольного зеркала представляет собой фазу вращения, в которой диапазон облучения падающим светом попадает на участок, соответствующий вершине многоугольника, интенсивность отраженного света нестабильна, и фактически не может быть использована для оптического сканирования. Кроме того, в случае конфигурации, в которой угловой диапазон отклонения излучаемого света, соответствующего одной грани многоугольного зеркала, разделен и направлен на различные области сканирования, то, когда фаза вращения с углом излучаемого света попадает на границу раздела, это нельзя использовать для оптического сканирования таким же образом. В этом отношении при конфигурации согласно настоящему варианту исполнения могут быть сделаны общими фаза вращения многоугольного зеркала 5, в которой падающий свет излучается на вершину многоугольного зеркала, и фаза вращения многоугольного зеркала 5, соответствующая переключению области сканирования. Поэтому, поскольку диапазон фазы вращения многоугольного зеркала 5, который не может быть использован для оптического сканирования, едва ли увеличивается, может быть выполнено сканирование с меньшим искажением, в то же время с эффективным использованием света для сканирования.
[0083] Далее будут описаны многие модификации вышеуказанного многоугольного зеркала 5. В описании этой вариации и после этого элементы, идентичные или подобные описанным выше вариантам исполнения, приведены с такими же кодовыми номерами позиций на чертеже, и их описание может быть опущено.
[0084] Многоугольное зеркало 5х согласно первой модификации, показанной на Фиг. 10, конфигурировано в виде правильного двенадцатиугольника, если рассматривать по направлению оси 5а вращения. На каждой грани размещены первая отражающая поверхность 51 и вторая отражающая поверхность 52. В многоугольном зеркале 5х согласно этой модификации направление, в котором первая отражающая поверхность 51 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, является одинаковым на всех гранях. Направление, в котором вторая отражающая поверхность 52 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, также является одинаковым на всех гранях. В любых двух соседних гранях по окружному направлению положения вторых отражающих поверхностей 52 различаются между собой по направлению оси 5а вращения. Соответственно этому, расстояние по направлению оси 5а вращения между первой отражающей поверхностью 51 и второй отражающей поверхностью 52 является различным между двумя соседними гранями.
[0085] В этой модификации лазерный пучок, поступающий в многоугольное зеркало 5х, сначала отражается первой отражающей поверхностью 51, и затем отражается второй отражающей поверхностью 52, и излучается от многоугольного зеркала 5х. Положение эмиссии, в котором лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала 5х, переключается в две ступени по направлению оси 5а вращения согласно тому, на какую грань многоугольного зеркала 5х падает лазерный пучок.
[0086] Многоугольное зеркало 5х в этой модификации отличается от многоугольного зеркала 5 согласно Фиг. 3 тем, что взаимоотношение между двумя положениями эмиссии и положением падения является асимметричным. Поэтому в многоугольном зеркале 5х этой модификации длина траектории света от падения до эмиссии от многоугольного зеркала 5х несколько изменяется сообразно переключению положения эмиссии. Однако это различие в длине траектории света может быть устранено соответствующим корректированием положения отражающего зеркала или тому подобного во втором световодном блоке 6.
[0087] Как описано выше, в многоугольном зеркале 5х в этой модификации множество граней многоугольного зеркала 5х включает две грани, где направление, в котором первая отражающая поверхность 51 наклонена относительно воображаемой плоскости, которая перпендикулярна оси 5а вращения, является одинаковым. Между одной из двух граней, соседних друг с другом в окружном направлении, и другой расстояние между первой отражающей поверхностью 51 и второй отражающей поверхностью 52 является различным.
[0088] В результате этого переключение положения, из которого лазерный пучок излучается от многоугольного зеркала 5х, может быть выполнено при простой конфигурации.
[0089] Многоугольное зеркало 5y во второй модификации, показанной на Фиг. 11, конфигурировано в виде правильного 32-гранника, если рассматривать по направлению оси 5а вращения. В многоугольном зеркале 5y согласно этой модификации положение эмиссии лазерного пучка может быть переключено в четыре ступени по направлению оси 5а вращения. Это многоугольное зеркало 5y конфигурировано объединением переключения направления наклона первой отражающей поверхности 51 в многоугольном зеркале 5 согласно Фиг. 3 и переключения расстояния между первой отражающей поверхности 51 и второй отражающей поверхности 52 в многоугольном зеркале 5х согласно Фиг. 10. При вращении многоугольного зеркала 5y положение эмиссии лазерного пучка циклически переключается среди четырех положений.
[0090] При использовании этого многоугольного зеркала 5y второй световодный блок 6 может быть конфигурирован направляющим отклоненный излучаемый свет на четыре положения эмиссии, соответствующие четырем зонам облучения, как показано на Фиг. 12. Ради этого первый световодный узел 61 включает первое отражающее зеркало 61а, второе отражающее зеркало 61b, третье отражающее зеркало 61с и четвертое отражающее зеркало 61d. Второй световодный узел 62 включает первый световодный элемент 62а, второй световодный элемент 62b, третий световодный элемент 62с и четвертый световодный элемент 62d.
[0091] Далее будет описана модификация в отношении второго световодного блока 6.
[0092] Можно разделить каждый из угловых диапазонов отклонения, соответствующих одной грани многоугольного зеркала 5 (другими словами, каждой из виртуальных дуг DA1, DA2) в окружном направлении, и конфигурировать второй световодный блок 6 так, что дуги после разделения выстраиваются на линии L сканирования. Конфигурация этой модификации показана на Фиг. 13.
[0093] В модификации согласно Фиг. 13 угловой диапазон отклонения излучаемого света разделен на два для каждого из двух положений эмиссии по направлению оси 5а вращения. Это разделение может быть выполнено размещением отражающего зеркала или тому подобного так, чтобы соответствовать только части диапазона отклонения лазерного пучка. В результате этого лазерный пучок направляется во все из четырех зон облучения (зон облучения, соответствующих виртуальным хордам VC1-VC4).
[0094] Разделением и укорочением виртуальных дуг каждая дуга становится еще лучше приближенной к прямой линии. Тем самым может быть сокращено искажение сканирования.
[0095] Хотя выше были описаны настоящий вариант исполнения и модификации настоящего изобретения, описанная выше конфигурация может быть модифицирована, например, следующим образом.
[0096] Может быть произвольно изменено число граней многоугольника многоугольных зеркал 5, 5х и 5y.
[0097] Положение эмиссии света от многоугольных зеркал 5, 5х и 5y может быть изменено для переключения между не двумя или четырьмя ступенями, но, например, тремя ступенями, восемью ступенями, и т.д.
[0098] Первая отражающая поверхность 51 и вторая отражающая поверхность 52 также могут быть образованы с использованием призмы. Подобным образом, второй световодный элемент 62b может быть сформирован с использованием призмы.
[0099] Может быть исключен транспортер 1 для обрабатываемой детали. То есть, лазерная обработка может быть выполнена регулированием положения лазерного блока 2 относительно обрабатываемой детали 10, которая является неподвижной.
[0100] Оптическое сканирование многоугольными зеркалами 5, 5х и 5y может быть использовано для иных вариантов применения, нежели лазерная обработка.
Перечень ссылочных позиций
[0101] 5, 5x, 5y - многоугольное зеркало
5a - ось вращения
6 - второй световодный блок
22 - световодное устройство
51 - первая отражающая поверхность
52 - вторая отражающая поверхность
71 - первый светоотражательный блок
72 - второй светоотражательный блок
100 - лазерное обрабатывающее устройство (оптическое сканирующее устройство)