CN117733356A - 激光打标机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够高效且均匀地进行激光标记的技术。激光打标机(1)具备激光光源(11)、照明光学系统(21)、空间光调制器(22)、投影光学系统(23)、以及扫描部(13)。激光光源(11)射出激光(L31)。照明光学系统(21)将激光(L31)整形为线状的平行光束(L32)。空间光调制器(22)具有在长轴方向上排列的多个调制要素(224)，利用多个调制要素(224)将平行光束(L32)调制成线状的调制光束(L33)。投影光学系统(23)将调制光束(L33)引导到对象物(9)。扫描部(13)利用调制光束(L33)扫描对象物(9)的表面。

Description

激光打标机
技术领域
本说明书中公开的主题涉及激光打标机。
背景技术
作为激光标记的一个方法，已知对不锈钢、钛金属使用脉冲激光的彩色的激光标记。该激光标记是使用纳秒脉冲激光来控制激光照射能量的量，由此改变氧化膜的膜厚，使任意的干涉色显色的技术。另外，还已知通过使用飞秒激光照射铜、钛之类的金属，不仅形成氧化膜，而且形成微米级的构造、纳米级的微粒子或微细结构，从而实现着色的技术。这是因为微细结构引起依赖于光的波长的散射或吸收，由此金属表面的反射率发生变化，由此能够看到规定的颜色。
这样的激光标记技术例如记载于专利文献1。在专利文献1中，通过用点状(Spotshape)方式照射物品的金属表面的单光束进行扫描，在物品的金属表面形成标记。
专利文献1：日本特表2019-521855号公报
发明内容
然而，现有技术那样的单光束的扫描存在如下问题：在描绘大范围的情况下会花费时间，生产率低。另外，单光束一般使用中央的能量高、随着靠向周边而能量变弱的高斯光束，但若利用这样的高斯光束对金属进行加工，则在光束的中心和周边会在加工的程度上产生差异，因此难以进行均匀的加工。为了均匀加工，也考虑以使单光束的周边部分重叠的方式进行扫描，但在该情况下，由于需要进行重叠描绘的量，扫描效率降低可能会。
本发明的目的在于提供一种能够高效且均匀地进行激光标记的技术。
为了解决上述课题，第一方式是一种激光打标机，对具有金属表面的对象物照射激光而形成标记，其中，具有：激光光源，射出激光；照明光学系统，将激光整形为线状的平行光束：空间光调制器，具有在长轴方向上排列的多个调制要素，利用所述多个调制要素将所述平行光束调制成线状的调制光束；投影光学系统，将所述调制光束引导到所述对象物；以及扫描部，利用所述调制光束扫描所述对象物的表面。
第二方式是第一方式的激光打标机，所述空间光调制器具有PLV(Planar LightValve，平面光阀)。
第三方式是第一方式或第二方式的激光打标机，所述多个调制要素分别能够进行多值的光量控制。
第四方式是第三方式的激光打标机，所述扫描部在对与先前被扫描的第一区域邻接的第二区域进行扫描时，使所述调制光束的端部与所述第一区域的端部重叠地进行扫描。
第五方式是第四方式的激光打标机，利用所述第一区域的扫描和所述第二区域的扫描而照射到所述第一区域的端部的激光的总能量与照射到第一区域的与端部邻接的区域的光的总能量一致。
第六方式是第五方式的激光打标机，所述第一区域的端部的宽度是与所述多个调制要素中的至少一个调制要素对应的宽度。
第七方式是第一方式至第六方式中的任意一个激光打标机，所述投影光学系统是缩小所述调制光束的缩小光学系统。
根据第一方式至第六方式的激光打标机，由于利用线状的调制光束扫描对象物，因此与利用点状的单光束进行扫描的情况相比，能够高效地进行描绘。另外，由于利用线状的调制光束扫描对象物的表面，因此能够通过一次扫描来描绘恒定宽度的区域。因此，能够在该区域内进行均匀的加工。
根据第二方式的激光打标机，通过采用PLV，能够提高空间光调制器的耐功率性。
根据第三方式的激光打标机，能够在调制光束内多级地改变光量。由此，能够在调制光束内进行多色的标记。
根据第四方式的激光打标机，能够对第一区域的端部照射表面加工所需的能量的光。
根据第五方式的激光打标机，照射到第一区域的端部的光的总能量与照射到邻接的区域的光的总能量一致，因此能够在第一区域的端部减少加工不均的产生。
根据第六方式的激光打标机，通过将第一区域的端部的宽度设为与调制要素的至少一个对应的宽度，能够通过调制要素的光量控制来适当地调整相对于第一区域的端部的光量。
根据第七方式的激光打标机，能够使照射到空间光调制器的激光的能量密度小于照射到对象物时的激光的能量密度。由此，能够抑制空间光调制器的表面被加工。
附图说明
图1是表示实施方式的激光打标机的结构的图。
图2是表示空间光调制器所具有的LPLV的概略结构的图。
图3是表示平行光束和调制光束的光路的图。
图4是表示平行光束和调制光束的光路的图。
图5是表示利用线状的调制光束扫描的对象物的表面的立体图。
图6是表示用单色涂满邻接区域时的调制光束的强度分布的图。
附图标记说明
1：激光打标机
9：对象物
11：激光光源
12：光学装置
13：扫描部
15：控制部
21：照明光学系统
22：空间光调制器(LPLV)
224：调制要素
23：投影光学系统
A1：第一区域
A2：第二区域
A11：端部区域
L31：激光
L32：平行光束
L33：调制光束
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明实施方式。此外，本实施方式中记载的结构要素只是示例，不用于限定本发明的范围。另外，在附图中，为了容易理解而存在视需要夸大或简化各部分的尺寸或数量进行图示的情况。
图1是表示实施方式的激光打标机1的结构的图。激光打标机1是通过向对象物9的表面照射激光而在对象物9的表面形成氧化膜、或者通过剥离等来形成细微结构之类的方式标记文字、图形的装置。对象物9的表面例如由不锈钢、铜或钛等金属形成。如图1所示，激光打标机1具备激光光源11、光学装置12、扫描部13、保持部14以及控制部15。
激光光源11向光学装置12射出激光L31。激光光源11例如是光纤激光光源。激光L31的波长例如为1.070μm。
光学装置12将来自激光源11的激光L31调制成调制光束L33，并向扫描部13照射。光学装置12包括照明光学系统21、空间光调制器22和投影光学系统23。如后述那样，照明光学系统21以及投影光学系统23分别具备多个透镜等光学元件。
照明光学系统21将来自激光源11的激光L31整形为在一个方向(以下，称为“长轴方向”)上较长的大致线状的平行光束L32并向空间光调制器22引导。换言之，平行光束L32的截面形状是在长轴方向上较长且在与长轴方向垂直的短轴方向上较短的大致线状。平行光束L32的截面形状是指与平行光束L32的行进方向垂直的面中的平行光束L32的形状。在以下的说明中，光的截面与上述同样，是指与该光的行进方向垂直的面中的该光的截面。平行光束L32的截面形状也可以理解为大致矩形状。平行光束L32的截面的大小在平行光束L32的行进方向的任意位置都相同。空间光调制器22上的平行光束L32的照射区域的形状例如是长轴方向的长度为28mm，短轴方向的长度为1mm的大致线状(或大致矩形状)。
空间光调制器22将来自照明光学系统21的平行光束L32调制成调制光束L33并引导至投影光学系统23。空间光调制器22例如具有PLV(Planar Light Valve：平面光阀)。在以下的说明中，对空间光调制器22具有PLV的一种即LPLV(Liner Planar Light Valve：线性平面光阀)的情况进行说明。
LPLV例如与GLV(Grating Light Valve：光栅光阀)(注册商标)等相比，元件的每单位面积的耐功率性相同，有效面积大。即，由于有效面积扩大，能够处理比GLV更高的功率。
图2是表示空间光调制器22所具有的LPLV的概略结构的图。空间光调制器22具备多个大致矩形状的像素221。多个像素221在省略图示的基板上邻接配置。多个像素221排列成多行多列的矩阵状。即，多个像素221被二维排列。在空间光调制器22中，该多个像素221的表面成为调制面。在图2所示的例子中，在图中的纵向配置M个像素221，在横向配置N个像素221。图2中的横向对应于平行光束L32(参照图1)的长轴方向，图2中的纵向对应于平行光束L32的短轴方向。
各像素221是调制元件，具备固定构件222和可动构件223。固定构件222是固定于上述基板的平面状的大致矩形的构件，在中央具有大致圆形的开口。可动构件223为大致圆形，位于固定构件222的开口。固定构件222的上表面(即，图2中的与纸面垂直的方向上的近前侧的面)具有固定反射面。可动构件223的上表面具有可动反射面。可动构件223能够在与图2中的纸面垂直的方向上移动。
通过变更可动构件223相对于固定构件222的相对位置，来自像素221的反射光在0级光(即，正反射光)与非0级衍射光之间切换。换言之，通过可动构件223相对于固定构件222相对移动，进行利用了衍射光栅的光调制。从空间光调制器22射出的0级光通过投影光学系统23(参照图1)被导到扫描部13。另外，从空间光调制器22射出的非0级衍射光(主要是1级衍射光)被投影光学系统23向与扫描部13不同的方向引导并被遮光。
在投影光学系统23中，来自在图2中的纵向上排列成1列的M个像素221(以下，也称为“像素列”)的反射光被累计，作为调制光束L33向扫描部13照射。由此，能够增大从扫描部13向对象物9照射的调制光束L33的功率密度。在空间光调制器22中，也能够将一个像素列的M个像素221(即，M个调制元件)理解为与一个单位空间对应的一个调制要素224。空间光调制器22作为具备在空间光调制器22上的平行光束L32的长轴方向上排成一列的N个调制元件224的光调制器发挥功能。
图1所示的投影光学系统23将来自空间光调制器22的调制光束L33聚光并向扫描部13引导。调制光束L33通过扫描部13照射到照射面135(对象物9的表面)上。
扫描部13将由光学装置12的投影光学系统23生成的调制光束L33的调制像再投影到保持部14所保持的对象物9的表面并进行扫描。扫描部13是具备准直透镜133、检流镜(galvano mirror)132、检流马达(galvano motor)(省略图示)以及扫描透镜(fθ透镜)134的检流扫描系统，使调制光束L33的调制像以特定的倍率投影、扫描上述的照射面135。
在扫描部13中，对调制光束L33的调制像进行准直，照射到检流镜132。检流镜132通常内置有两对反射镜和电动机，能够扫描两轴。由检流马达使检流镜132旋转，由此被准直的光束被反射，行进方向被变更。由扫描透镜134准直的光束在与旋转角成比例的位置再成像。其结果，照射到对象物9上的调制光束L33的调制像在与调制光束L33的短轴方向对应的扫描方向上进行扫描。在扫描了一定距离后，根据调制像在长轴方向上的大小，使长轴方向的检流镜旋转并移动，再次，在短轴方向上进行扫描。通过重复该动作，能够在照射面135上进行二维扫描。另外，扫描部13不限于电扫描仪(galvano scanner)。例如，扫描部13也可以是多面激光扫描仪(polygon laser scanner)。
保持部14保持对象物9。在本例中，保持部14以水平姿势(对象物9的表面的法线沿着铅垂方向的姿势)保持板状的对象物9。
此外，扫描部13不一定需要具备检流镜132，也可以具有多面激光扫描仪等其他结构。另外，扫描部13并不限定于变更来自投影光学系统23的调制光束L33的行进方向，例如也可以是排除检流计扫描器系统，在调制光束L33的调制像配置并固定于照射面135的状态下使保持对象物9的保持部14沿水平方向移动的线性电动机等移动机构。
控制部15例如是计算机，具备处理器、存储器、输入输出部以及总线。控制部15基于表示应在对象物9上描绘的图像的图像数据，控制激光光源11、光学装置12(详细而言为空间光调制器22)及扫描部13。由此，在对象物9的表面描绘图像数据所示的图像。
接着，参照图3和图4对光学装置12的详细结构进行说明。图3是表示平行光束L32以及调制光束L33的光路的图。在图3中，平行光束L32以及调制光束L33的短轴方向与垂直于纸面的方向一致。另外，在图3中，平行光束L32以及调制光束L33的长轴方向与图中的上下方向一致。图4是表示平行光束L32以及调制光束L33的光路的图。在图4中，平行光束L32以及调制光束L33的长轴方向与垂直于纸面的方向一致。另外，在图4中，平行光束L32以及调制光束L33的短轴方向与图中的上下方向一致。
光学装置12的照明光学系统21具备准直透镜211、光束整形器213以及柱面透镜214、215。准直透镜211、光束整形器213以及柱面透镜214、215在从激光光源11朝向空间光调制器22的行进方向上依次排列。准直透镜211例如是柱面透镜。另外，在图3及图4所示的例子中，准直透镜211为一片，但准直透镜211的片数也可以为两片以上。另外，准直透镜211只要能够生成平行光即可，准直透镜211的透镜形状可以是球面，也可以是非球面，或者也可以是圆柱面。
光束整形器213是将平行光束L32的截面中的短轴方向及长轴方向的光强度的分布(以下，也简称为“强度分布”)从高斯分布转换为最大强度的区域的宽度宽(即，上部大致平坦)的平顶(top-hat)分布的平顶光束整形器。
柱面透镜214、215使通过了光束整形器213而生成的矩形像在短轴以及长轴各自的方向上以不同的倍率在后述的空间光调制器22的调制面上成像。柱面透镜214具备用于在长轴方向上扩大平顶分布的柱面透镜214a以及柱面透镜214b。另外，柱面透镜215具备用于在短轴方向上扩大平顶分布的柱面透镜215a以及柱面透镜215b。在图3和图4所示的例子中，在从激光光源11朝向空间光调制器22的激光的行进方向上，柱面透镜214a、柱面透镜215a、柱面透镜214b以及柱面透镜215b依次排列。
此外，照明光学系统21也可以具备上述以外的光学元件。另外，照明光学系统21并非必须具备柱面透镜214、215。例如，也可以使用在空间光调制器22的调制面上形成期望大小的矩形像的光束整形器213。
如上所述，照明光学系统21将从激光光源11射出的激光L31转换为平行光束L32并引导至空间光调制器22。入射到照明光学系统21的激光L31的截面中的短轴方向和长轴方向的强度分布分别是高斯分布。实际上，这些强度分布有时不是严格的高斯分布，而是近似于高斯函数的形状的分布，但在以下的说明中，将严格的高斯分布以及与高斯分布近似的分布统称为“高斯分布”。
在照明光学系统21中，从激光光源11射出的激光L31通过了准直透镜211，由此成为在短轴方向和长轴方向上为平行光的平行光束L32。平行光束L32通过光束整形器213以及柱面透镜214、215而后被引导至空间光调制器22。入射到光束整形器213之前的平行光束L32的强度分布如图3及图4的光路图的下侧由矩形框包围所示，在长轴方向为高斯分布，在短轴方向也为高斯分布。
平行光束L32的短轴方向及长轴方向上的强度分布通过了光束整形器213，从而如图3及图4的光路图的下侧被矩形框包围所示，从高斯分布转换为平顶分布(也称为矩形分布)。因此，通过了光束整形器213入射到空间光调制器22的平行光束L32的强度分布(即，空间光调制器22的调制面中的平行光束L32的强度分布)在短轴方向及长轴方向上分别为平顶分布。
投影光学系统23具备第一透镜231、第二透镜232、第三透镜233、第四透镜234、长轴侧遮光部235以及短轴侧遮光部236。第一透镜231和第二透镜232例如是柱面凸透镜。第三透镜233和第四透镜234例如是球面凸透镜。长轴侧遮光部235例如是在中央部设置有与短轴方向平行地延伸的矩形状的开口235a的平板构件。短轴侧遮光部236例如是在中央部设置有与长轴方向平行地延伸的矩形状的开口236a的平板构件。长轴侧遮光部235以及短轴侧遮光部236的材料例如是不锈钢等金属、陶瓷等。
第二透镜232以及第三透镜233位于比第一透镜231靠调制光束L33的行进方向(即，调制光束L33从空间光调制器22朝向扫描部13行进的一侧)。换言之，第二透镜232和第三透镜233在调制光束L33的光路上位于比第一透镜231更靠近扫描部13的一侧。在图3和图4所示的例子中，在调制光束L33的行进方向上，第三透镜233位于比第二透镜232靠下游的位置。第三透镜233也可以配置在第一透镜231与第二透镜232之间。在调制光束L33的行进方向上，第四透镜234位于比第一透镜231、第二透镜232以及第三透镜233靠下游的位置。
优选地，在投影光学系统23中，第一透镜231的短轴侧的前侧焦点位置(即，空间光调制器22侧的焦点位置)与空间光调制器22的调制面一致。这样，通过使空间光调制器22与第一透镜231的间隔为第一透镜231的前侧焦点距离以下(优选为小于该前侧焦点距离)，在通过第一透镜231后产生的0级衍射光与1级衍射光的聚光点间隔扩大。其结果，能够容易地将0级衍射光从1级衍射光等非0级衍射光分离。另外，第三透镜233的前侧焦点位置与空间光调制器22的调制面一致。第一透镜231的短轴侧的后侧焦点位置(即，扫描部13侧的焦点位置)与第二透镜232及第三透镜233的短轴侧的前侧合成焦点位置一致。第三透镜233的后侧焦点位置与第四透镜234的前侧焦点位置一致。第四透镜234的后侧焦点位置与作为扫描部13的入口的调制像的投影位置(以下也称为投影面)131一致。
在投影光学系统23中，由于第三透镜233及第四透镜234，空间光调制器22的调制面与扫描部13的调制像的投影面131在长轴方向上光学共轭。另外，关于短轴方向，由于第一透镜231、第二透镜232以及第三透镜233，空间光调制器22的调制面与第四透镜234的前侧焦点位置光学共轭。第四透镜234在短轴方向上使调制光束L33聚光于扫描部13的调制像的投影面131上。由于第二透镜232、第三透镜233以及第四透镜234，扫描部13的调制像的投影面131与第一透镜231的后侧焦点位置在短轴方向上光学共轭。
在图3及图4所示的例子中，第一透镜231、短轴侧遮光部236、第二透镜232、第三透镜233、长轴侧遮光部235及第四透镜234在从空间光调制器22朝向扫描部13的行进方向上依次排列。短轴侧遮光部236位于第一透镜231与第二透镜232之间。另外，在第三透镜233配置于第一透镜231与第二透镜232之间的情况下，短轴侧遮光部236位于第一透镜231与第三透镜233之间。即，短轴侧遮光部236在第一透镜231与第二透镜232及第三透镜233之间配置在调制光束L33的短轴方向的聚光位置附近。短轴侧遮光部236例如配置于第一透镜231的短轴侧的后侧焦点位置。另外，长轴侧遮光部235在第三透镜233与第四透镜234之间配置在调制光束L33的长轴方向的聚光位置附近。长轴侧遮光部235例如配置于第三透镜233的后侧焦点位置。
另外，在投影光学系统23中，第一透镜231、第二透镜232、第三透镜233以及第四透镜234的种类可以进行各种变更，也可以追加这些透镜以外的光学元件。另外，长轴侧遮光部235以及短轴侧遮光部236的材料、形状以及构造可以进行各种变更。
如上所述，投影光学系统23将来自空间光调制器22的调制光束L33向扫描部13引导。详细而言，由空间光调制器22生成的平行光即调制光束L33通过了第一透镜231，从而在短轴方向上聚光于第一透镜231的后侧焦点位置(即，第二透镜232及第三透镜233的前侧合成焦点位置)。调制光束L33在长轴方向上在通过第一透镜231时不折射。
通过了第一透镜231的调制光束L33通过位于第一透镜231的短轴侧的后侧焦点位置的短轴侧遮光部236的开口236a。详细而言，在由空间光调制器22反射的反射光中，0级光以及长轴侧的非0级衍射光通过短轴侧遮光部236的矩形状的开口236a，短轴侧的非0级衍射光(主要是1级衍射光(即，(+1)级衍射光以及(-1)级衍射光))被短轴侧遮光部236遮挡。短轴侧的非0级衍射光在比短轴侧遮光部236的开口236a靠上侧及下侧(即，开口236a的短轴方向两侧)的部位，向沿长轴方向延伸的大致线状的照射区域照射。
通过短轴侧遮光部236的开口236a的调制光束L33的截面随着沿行进方向行进而在短轴方向上扩展。通过短轴侧遮光部236的调制光束L33通过第二透镜232以及第三透镜233，从而在短轴方向上成为平行光。调制光束L33在长轴方向上，在通过第二透镜232时不折射，通过第三透镜233而聚光于第三透镜233的后侧焦点位置(即，第四透镜234的前侧焦点位置)。
通过了第二透镜232以及第三透镜233的调制光束L33通过位于第三透镜233的后侧焦点位置的长轴侧遮光部235的开口235a。详细而言，由空间光调制器22反射的反射光中的0级光通过长轴侧遮光部235的矩形状的开口235a，长轴侧的非0级衍射光(主要为1次衍射光)被长轴侧遮光部235遮挡。长轴侧的非0级衍射光在长轴侧遮光部235的开口235a的图中的左侧及右侧(即，开口235a的长轴方向两侧)的部位，照射在短轴方向上延伸的大致线状的照射区域。
通过了长轴侧遮光部235的开口235a的调制光束L33的截面随着沿行进方向行进而在长轴方向上扩展。通过了长轴侧遮光部235的调制光束L33通过第四透镜234，从而在长轴方向成为平行光而入射到扫描部13的调制像的投影面131。另外，在短轴方向上作为平行光入射到第四透镜234的调制光束L33通过第四透镜234，从而在位于第四透镜234的后侧焦点位置的扫描部13的调制像的投影面131上，在短轴方向上被聚光。
如上所述，在长轴方向上，空间光调制器22的调制面与扫描部13的调制像的投影面131光学共轭。另外，空间光调制器22的调制面上的平行光束L32的长轴方向的强度分布如图3的矩形框中所示为平顶分布。因此，扫描部13的调制像的投影面131上的调制光束L33的长轴方向的强度分布也成为平顶分布。
另外，在短轴方向上，空间光调制器22的调制面与第四透镜234的前侧焦点位置(即，第三透镜233的后侧焦点位置)光学共轭。另外，空间光调制器22的调制面上的平行光束L32的短轴方向的强度分布通过光束整形器213，如图4的矩形框中所示，变换为平顶分布。因此，通过了第三透镜233的调制光束L33的短轴方向的强度分布在第四透镜234的前侧焦点位置成为平顶分布。因此，通过第四透镜234的傅立叶变换作用，扫描部13的调制像的投影面131上的聚光点处的调制光束L33的短轴方向的强度分布成为sinc分布。实际上，有时调制光束L33的短轴方向上的强度分布不是严格的sinc分布，而是近似于sinc函数的形状的分布，但在以下的说明中，将严格的sinc分布以及与sinc分布近似的分布统称为“sinc分布”。sinc分布与高斯分布大致相同，是具有主要峰值的分布，因此能够在扫描部13的调制像的投影面131上适当地会聚调制光束L33。
如下求出扫描部13的调制像的投影面131上的调制光束L33的大小。例如，激光L31的波长λ为1.070μm，空间光调制器22的调制面上的照射区域为长轴方向的长度L1为28mm、短轴方向的长度L2为1mm的大致线状(或大致矩形状)。第一透镜231及第二透镜232的短轴侧的焦距f1、f2分别为40mm及400mm，第三透镜233及第四透镜234的焦距f3、f4分别为240mm及60mm。第二透镜232与第三透镜233的间隔d为50mm。在这种情况下，第二透镜232和第三透镜233的短轴侧的合成焦距f23约为163mm。
如上所述，在短轴方向上，调制光束L33会聚于第一透镜231的后侧焦点位置。第一透镜231的后侧焦点位置处的调制光束L33的短轴方向的聚光直径(即，sinc函数的暗环直径)成为104μm(≈2.44×λ×f1′/L2)。第一透镜231的后侧焦点位置在短轴方向上与扫描部13的调制像的投影面131光学共轭。因此，调制像的投影面131上的调制光束L33的短轴方向的聚光直径为33μm(≈104μm×f4/f23)。
如上所述，在长轴方向上，调制光束L33会聚于第三透镜233的后侧焦点位置。第三透镜233的后侧焦点位置处的调制光束L33的长轴方向的聚光直径成为22μm(≈2.44×λ×f3/L1)。此外，第三透镜233的后侧焦点位置处的调制光束L33的短轴方向的长度L3成为4mm(＝L2×f23/f1)。关于长轴方向，空间光调制器22的调制面与扫描部13的调制像的投影面131光学共轭。因此，调制像的投影面131上的调制光束L33的长轴方向的长度为7mm(＝L1×f4/f3)。
如上所述，短轴侧遮光部236配置于第一透镜231的后侧焦点位置。因此，照射到短轴侧遮光部236的开口263a的短轴方向两侧的1次衍射光(即(+1)次衍射光和(-1)次衍射光))的照射区域为大致线状，长轴方向为28mm(＝L1)，短轴方向为104μm另外，长轴侧遮光部235配置于第三透镜233的后侧焦点位置。因此，照射到长轴侧遮光部235的开口253a的长轴方向两侧的一次衍射光的照射区域为线状，长轴方向为22μm/>短轴方向为4mm(＝L3)。
假定调制光束L33在长轴方向和短轴方向双方上通过一枚凸透镜会聚在光路上的相同位置(即，该凸透镜的后侧焦点位置)的光学装置(以下，称为“比较例的光学装置”)。在该比较例的光学装置中，在配置于后侧焦点位置的遮光部上，一次衍射光照射到点状的照射区域。例如，在将该凸透镜的焦距设为240mm的情况下，该遮光部上的一次衍射光的照射区域的直径约为326μm。因此，在本实施方式的光学装置12中，与比较例的光学装置相比，短轴侧遮光部236上的1次衍射光的功率密度和长轴侧遮光部235上的1次衍射光的功率密度降低至1/10以下。
在激光打标机1中，扫描部13对调制光束L33的再投影像扫描对象物9的表面。若使准直透镜133以及扫描透镜134的焦距相同，则扫描短轴方向上33μm、长轴方向上7mm的像。控制部15按照图像数据，对空间光调制器22的每个调制要素224，控制向照射面135引导的调制光束L33的反射光的量。由此，在长轴方向上对光量附加强弱的调制光束L33照射到对象物9上。然后，根据光量在对象物9的表面形成厚度不同的氧化膜或与光量相应的微细结构。由此，在对象物9的表面形成以多种颜色表现的图像。
通过利用光束整形器213使激光L31的短轴方向以及长轴方向的强度分布成为平顶分布，能够使入射到空间光调制器22的平行光束L32的最大功率密度降低并且使投入总光量增大。因此，能够降低空间光调制器22的损伤风险，并且增大向空间光调制器22的投入光量。另外，通过将投影光学系统23设为上述结构，能够将以平顶分布(短轴方向以及长轴方向)入射到空间光调制器22的平行光束L32作为具有主要峰值的sinc分布(短轴方向)的调制光束L33而适当地聚光于对象物9上。其结果，能够使照射到对象物9的调制光束L33的功率密度适当地增大。
在投影光学系统23中，优选地，第三透镜233位于比第二透镜232靠调制光束L33的行进方向的位置。换言之，第三透镜233优选配置在第二透镜232与第四透镜234之间。假设第二透镜232位于比第三透镜233靠调制光束L33的行进方向的位置，则在长轴方向上从空间光调制器22的各位置射出的主光线以不同的角度入射到第二透镜232，因此有可能产生像差。另一方面，如上所述，通过将第三透镜233配置于比第二透镜232靠调制光束L33的行进方向，在长轴方向上从空间光调制器22的各位置射出的主光线相对于第二透镜232大致垂直地入射，因此能够减少像差的产生。
图5是表示由线状的调制光束L33扫描的对象物9的表面的立体图。根据激光打标机1，由于利用线状的调制光束L33进行扫描，因此与通过点状的单光束的扫描进行描绘的情况相比，能够一次描绘大范围，因此能够高效地描绘。因此，能够提高生产率。
另外，在通过单光束的扫描进行描绘的情况下，有可能在一个像素内氧化膜的膜厚呈现不均匀的分布。与此相对，在利用调制光束L33进行扫描的情况下，能够通过一次扫描来描绘恒定宽度的区域。因此，能够抑制在该区域内不均匀的加工(例如，膜厚不均匀的氧化膜的形成、或者不均匀的微细结构的形成)。例如，在使调制光束L33全部接通的情况下，能够遍及调制光束L33的整个宽度地利用具有均匀的光量的调制光束L33扫描对象物9，因此能够遍及调制光束L33的整个宽度均匀地加工。
另外，氧化膜的厚度或微细结构根据通过激光照射而产生的热能(能量密度)而变化。LPLV是能够进行多值的光量控制的元件，因此通过控制光量，能够加工成对象物9的表面显色为期望的颜色。即，不仅通过一次扫描中得到均匀的显色，而且在调制光束L33内形成多值的光量分布，由此在调制光束L33内也能够使对象物9的表面以期望的颜色显色。即，能够在调制光束L33内以多种颜色进行标记。
图6是表示用单色涂满邻接区域时的调制光束L33的强度分布D1、D2的图。此外，在图6中，还示出了与强度分布D1对应的第一扫描SC1以及与强度分布D2对应的第二扫描SC2。
为了进行涂色，在将调制光束L33的调制像的强度分布设为最大强度的情况下，调制光束L33的调制像的强度分布成为平顶分布。然而，难以使强度分布成为完全的矩形形状，在长轴方向上的调制光束L33的调制像的端部，强度分布不均匀，比最大强度小。因此，仅通过一次扫描，产生未被激光充分照射的区域。因此，对于邻接的两个区域，以使它们的边界部分重复地扫描的方式调整调制光束L33的调制像的照射位置。
例如，如图6所示，假设在通过第一扫描SC1扫描第一区域A1之后，进行扫描与第一区域A1在副扫描方向X(与调制光束L33的长轴方向平行的方向)上邻接的第二区域A2的第二扫描SC2的情况。在该情况下，在第二扫描SC2中，在副扫描方向X上，调制光束L33的端部与第一区域A1的端部重叠。由此，通过第一扫描SC1和第二扫描SC2对端部区域A11重复照射调制光束L33。
另外，控制部15通过控制空间光调制器22，使照射到端部区域A11的激光的总能量与照射到与端部区域A11邻接的区域的光的总能量一致。例如，如图6所示，调整扫描SC1、SC2中的调制光束L33的强度分布D1、D2。更详细而言，强度分布D1、D2中的除了端部区域A11以外的部分的强度为最大强度IMax。另外，强度分布D1中的端部区域A11的强度以及强度分布D2中的端部区域A11的强度分别被调整为它们的合计值成为最大强度IMax的值。
另外，为了调整激光相对于端部区域A11的强度，端部区域A11的宽度W(副扫描方向X上的长度)为与空间光调制器22的N个调制要素224中的一个对应的宽度。即，扫描部13使多个调制要素224中的一部分重复来进行两次端部区域A11的扫描。另外，端部区域A11的宽度W(副扫描方向X上的长度)也可以设为与空间光调制器22的N个调制要素224的两个或两个以上的个数对应的宽度。
如上所述，通过调整强度分布D1、D2，能够使强度分布D1、D2的合计值即总能量(图6中由虚线表示的强度分布D3)在第一区域A1、第二区域A2以及它们的边界部分(端部区域A11)与最大强度一致。因此，在端部区域A11中，能够抑制加工不均以及因加工不均而产生显色不均。
LPLV的反射面例如进行Al蒸镀。在将LPLV的反射面投影于像面上时，如果倍率为等倍以上，则难以得到为了对对象物9进行标记所需的能量密度。另一方面，由于LPLV的表面为金属(Al)，因此有时具有与成为标记对象的对象物9的表面金属同等的注量。在该情况下，当对对象物9进行加工时，LPLV的表面也有可能被加工。为了避免这样的LPLV的加工，投影光学系统23优选为缩小调制光束L33的缩小光学系统。具体而言，优选设定投影光学系统23的缩小倍率，以使相对于对象物9的注量，LPLV的表面的注量为1/5以下。通过将投影光学系统23设为缩小光学系统，能够使照射到空间光调制器22的激光(平行光束L32)的能量密度小于照射到对象物9时的激光(调制光束L33)的能量密度。因此，能够抑制空间光调制器22的表面被激光加工。另外，投影光学系统23的倍率可以在长轴方向和短轴方向上分别一致，也可以不同。
虽然对本发明进行了详细说明，但是上述说明在所有方面均为示例，本发明并不限定于此。可以理解为在没有超出本发明范围的情况下能够设想没有被示例的无数个变形例。另外，在上述各实施方式以及各变形例中说明的各结构只要不相互矛盾，就能够适当组合或省略。

Claims (7)

1.一种激光打标机，对具有金属表面的对象物照射激光而形成标记，其中，
具有：
激光光源，射出激光；
照明光学系统，将激光整形为线状的平行光束：
空间光调制器，具有在长轴方向上排列的多个调制要素，利用所述多个调制要素将所述平行光束调制成线状的调制光束；
投影光学系统，将所述调制光束引导到所述对象物；以及
扫描部，利用所述调制光束扫描所述对象物的表面。
2.根据权利要求1所述的激光打标机，其中，
所述空间光调制器具有平面光阀。
3.根据权利要求1或2所述的激光打标机，其中，
所述多个调制要素分别能够进行多值的光量控制。
4.根据权利要求3所述的激光打标机，其中，
所述扫描部在对与先前被扫描的第一区域邻接的第二区域进行扫描时，使所述调制光束的端部与所述第一区域的端部重叠地进行扫描。
5.根据权利要求4所述的激光打标机，其中，
利用所述第一区域的扫描和所述第二区域的扫描而照射到所述第一区域的端部的激光的总能量与照射到第一区域的与端部邻接的区域的光的总能量一致。
6.根据权利要求5所述的激光打标机，其中，
所述第一区域的端部的宽度是与所述多个调制要素中的至少一个调制要素对应的宽度。
7.根据权利要求1或2所述的激光打标机，其中，
所述投影光学系统是缩小所述调制光束的缩小光学系统。
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