JP2002026466A

JP2002026466A - 集光光学系及びレーザ加工機用光源

Info

Publication number: JP2002026466A
Application number: JP2000210237A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hasegawa; 和男長谷川; Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Morihiro Matsuda; 守弘松田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】集光されたレーザビームの強度を安定させ
る。【解決手段】各ＶＣＳＥＬ１１は、略マトリクス状に
配列されているものの、ｘ軸に平行な行においてはｙ軸
方向に不規則にずれて配列されている。すなわち、ｘ軸
方向に配列されたＶＣＳＥＬ１１の中心点は、所定の直
線上から大きく又は小さくずれている。なお、各ＶＣＳ
ＥＬ１１は、ｙ軸に平行な列においては、ｘ軸方向にず
れることなく配列されているが、ｘ軸方向に不規則にず
れて配列してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集光光学系及びレ
ーザ加工機用光源に係り、特に、半導体レーザアレイか
ら出射された複数のレーザビームを集光するのに用いて
好適な集光光学系及びレーザ加工機用光源に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
図９に示すように、高出力光源として、レーザバー１０
１を積層したスタックレーザ１０２と、スタックレーザ
１０２の発光点に対応した位置にマイクロレンズ１０３
が配置されたレンズアレイ１０４と、集光用レンズ１０
５とを組み合わせたものが用いられている。この高出力
光源は、スタックレーザ１０２が出射する数１００〜数
ｋＷのレーザビームを加工面上で集光させることで切断
・溶接等のレーザ加工を行う。なお、金属の切断におい
ては、電力密度として１０ ⁶〜１０⁸Ｗ／ｃｍ²が必要で
ある。レーザ出力が１ｋＷ時では集光径がφ１ｍｍ以下
であることを要する。

【０００３】特開平１１−１７２６８号公報では、図１
０に示すように、半導体レーザー光を効率よく集光させ
る半導体レーザーアレイ装置が提案されている。この半
導体レーザーアレイ装置は、半導体レーザアレイ１１０
から出射されたレーザ光をマイクロレンズアレイ１１１
でコリメートし、集光レンズ１１２で集光してマルチモ
ード光ファイバー１１３に導くものである。

【０００４】また、特開平７−２０５３０３号公報で
は、図１１に示すように、微細加工装置の光学系が提案
されている。この光学系は、感光硬化性樹脂を用いた光
造形装置のための光源であり、露光パターンを変化させ
るものである。この光学系は、走査やマスクを使用する
ことなく、微細な二次元露光を行う。具体的には、２次
元に配列した多数のレーザ光源を有する面発光アレイ半
導体１２０からのレーザ光をマイクロレンズ１２１でコ
リメートし、そして集光レンズ１２２で集光すると共
に、レーザ光源を選択的に点滅させることで、２次元の
照射光１２３で照射する。

【０００５】上述した各レーザアレイは、通常、所定の
規則（例えば格子状）に従って配列されたレーザ出射部
（発光点）を備えている。このように空間的に規則性の
あるレーザ出射部からレーザビームを出射させて１点に
集光させる場合には、レーザビームの干渉によって集光
点の強度が変動する問題がある。

【０００６】本発明は、上述した課題を解決するために
提案されたものであり、集光されたレーザビームの強度
を安定させる集光光学系及びレーザ加工機用光源を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
複数のレーザ出射部を配列するときの基準となる複数の
基準線に対して、前記各レーザ出射部を不規則にずらし
て配列した面発光型レーザアレイと、前記面発光型レー
ザアレイから出射されたレーザビームを平行化するレン
ズが形成されたレンズアレイと、前記レンズアレイによ
って平行化されたレーザビームを集光する集光レンズ
と、を備えたものである。

【０００８】レーザ出射部から出射されるレーザビーム
は、平行化された後、集光されて対象物に照射される。
ここで、レーザ出射部が幾何学上規則的に配列されてい
ると、集光されたレーザビームは互いに干渉し合って、
強度の変動が生じてしまう。そこで、レーザ出射部を配
列の基準となる基準線からずれて配列することで、この
ような干渉を防止して、安定したレーザ出力を得ること
ができる。

【０００９】なお、請求項２記載のように、前記面発光
型レーザアレイと前記レンズアレイとは、フォトプロセ
スにより一体に構成されるのが好ましい。

【００１０】請求項３記載の発明は、請求項１に記載の
集光光学系を用いたレーザ加工機用光源である。

【００１１】レーザ加工においては、数１００〜数ｋＷ
のレーザビームを加工面上で集光させることで切断・溶
接等を行う。特に、金属の切断においては、電力密度と
して１０⁶〜１０⁸Ｗ／ｃｍ²が必要である。レーザ出力
が１ｋＷ時では集光径がφ１ｍｍ以下であることを要す
る。そこで、請求項１記載の集光光学系を用いること
で、安定した高出力のレーザビームを得ることができ
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１３】（第１の実施の形態）図１に示すように、
本発明の実施の形態に係る集光光学系は、垂直共振器面
発光レーザアレイ（以下、「ＶＣＳＥＬアレイ」とい
う。）１０と、レーザビームを平行化するためのマイク
ロレンズ２３が形成されるレンズアレイ基板２０と、レ
ーザビームを集光する集光レンズ３０とを備えている。

【００１４】ＶＣＳＥＬアレイ１０は、数ｍＶ程度のＶ
ＣＳＥＬ１１が二次元的に（数十から数百）×（数十か
ら数百）個オーダーで形成され、全体で１ｋＷ級のレー
ザビームを出射する。ＶＣＳＥＬ１１は、発光面の形状
が円形に形成されている。ＶＣＳＥＬ１１の開口は５〜
２０μｍであり、横モードはシングルモードである。Ｖ
ＣＳＥＬ１１から出射されるレーザビームの広がり角は
均一である。

【００１５】ＶＣＳＥＬ１１は、幾何学的な規則性がな
い状態で、ＶＣＳＥＬアレイ１０上に配置されている。
例えば図２に示すように、従来のＶＣＳＥＬ１１は、ｘ
軸及びｙ軸に完全に平行になるようにマトリクス状に整
列して配列されていた。具体的には、ｘ軸又はｙ軸方向
に配列されたＶＣＳＥＬ１１の中心点は、ｘ軸又はｙ軸
に平行な所定の直線上に位置していた。

【００１６】これに対して本実施の形態では、図３に示
すように、各ＶＣＳＥＬ１１は、略マトリクス状に配列
されているものの、ｘ軸に平行な行においてはｙ軸方向
に不規則にずれて配列されている。すなわち、ｘ軸方向
に配列されたＶＣＳＥＬ１１の中心点は、所定の直線上
から大きく又は小さくずれている。なお、各ＶＣＳＥＬ
１１は、ｙ軸に平行な列においては、ｘ軸方向にずれる
ことなく配列されている。

【００１７】ここで、ＶＣＳＥＬ１１は、図３に示すよ
うに配列されているが、本発明はこれらの配列に限ら
ず、幾何学的な規則性がないように配列されていればよ
い。例えば、図３に示すＶＣＳＥＬ１１の配列に対し
て、さらに、ｙ軸に平行な列についてもｘ軸方向に不規
則にずらしてもよい。

【００１８】ＶＣＳＥＬ１１は、このように幾何学的な
規則性をなくして配置されていることにより、集光点で
のレーザビームの強度変動を低減させている。

【００１９】レンズアレイ基板２０は、ＶＣＳＥＬアレ
イ１０の各ＶＣＳＥＬ１１の配置に対応して、マイクロ
レンズ２３が形成されている。ＶＣＳＥＬアレイ１０と
レンズアレイ基板２０は、いずれもフォトプロセスによ
り製造されるので、高い精度で位置決めされている。し
たがって、これらの所定の位置に位置合わせマーカを付
加しておけば、簡単に位置合わせをすることができる。
なお、上述のように発光面の形状は円形であり、横モー
ドがシングルモードで、広がり角は均一のため、マイク
ロレンズ２３を用いることによって、品質の良い平行光
を得ることができる。また、レンズアレイ基板２０の製
造方法については、詳しくは後述する。

【００２０】集光レンズ３０は、図４に示すように、レ
ンズアレイ基板２０のマイクロレンズ２３によって平行
化されたレーザビームを集光する。これにより、従来で
は困難であった１００μｍ程度のビーム径を達成するこ
とができ、金属の裁断に必要な電力密度（１０⁶〜１０⁸
Ｗ／ｃｍ²）を容易に得ることができる。

【００２１】以上のように、本実施の形態に係る集光光
学系は、幾何学的な規則性がないように複数のＶＣＳＥ
Ｌ１１をＶＣＳＥＬアレイ１０上に配列することによ
り、各ＶＣＳＥＬ１１から出射されて集光されたレーザ
ビームの強度の変動をなくし、常に安定したレーザ出力
を得ることができる。

【００２２】（第１の製造方法）つぎに、レンズアレイ
基板２０の製造方法について説明する。

【００２３】マイクロレンズ２３を形成してレンズアレ
イを製造する方法については、以下に説明するように、
例えば第１の製造方法から第４の製造方法までの４つが
ある。なお、第２の製造方法以降の説明においては、同
じ部位には同じ符号を付し、さらに、重複する箇所につ
いてはその説明を省略する。

【００２４】第１の製造方法では、図５（Ａ）に示すよ
うに、レンズアレイ基板２０には、予め金属マスク（Ａ
ｌ，Ｔｉ，Ｔａ等）２１が形成され、さらにその上に高
分子膜２２が成膜されている。ＶＣＳＥＬアレイ１０
は、レンズアレイ基板２０にレーザビームを照射して露
光を行う。この結果、図５（Ｂ）に示すように、レンズ
アレイ基板２０の最上位層に成膜された高分子膜２２に
穴が形成される。すなわち、レンズアレイ基板２０上に
は、ＶＣＳＥＬアレイ１０からの各レーザビームの光軸
に対応した穴パターンが形成される。

【００２５】穴のパターン形成後、レンズアレイ基板２
０を例えばリン酸等の酸でエッチングを行う。この結
果、図５（Ｃ）に示すように、高分子膜２２は除去さ
れ、穴パターンが金属膜２１に転写される。なお、この
ような穴パターンが形成された金属マスク２１は、レン
ズ作成用マスクとして用いられる。

【００２６】レンズ作成用マスクの形成後、例えば硝酸
タリウムや硫酸タリウム等の溶解塩にレンズアレイ基板
２０を浸し、図５（Ｄ）に示すように、金属膜２１の穴
パターンから現れているレンズアレイ基板２０を拡散す
る。そして、レンズアレイ基板２０から金属膜２１を除
去すると、図５（Ｅ）に示すようにレンズアレイ基板２
０にマイクロレンズ２３が形成される。

【００２７】マイクロレンズ２３の形成後、再びＶＣＳ
ＥＬアレイ１０とレンズアレイ基板２０とを図示しない
固定ジグ上に固定する。これらの固定位置は、上述した
位置と同様である。そして、ＶＣＳＥＬアレイ１０から
出射される各レーザビームを用いて、レンズアレイ基板
２０に形成された各マイクロレンズ２３の光軸方向の位
置調整を行う。なお、このような光軸方向の調整は、以
下に説明する第２乃至第４の製造方法でも同様にして行
われる。

【００２８】以上の処理により、レンズアレイ基板２０
に形成された各マイクロレンズ２３は、ＶＣＳＥＬアレ
イ１０からの各レーザビームの光軸上に形成され、それ
ぞれ平行なレーザビームを出力することができる。すな
わち、ＶＣＳＥＬアレイ１０から出射されるレーザビー
ムの光軸にそれぞれ対応するように、レンズアレイ基板
２０にマイクロレンズ２３を形成することができる。こ
れにより、ＶＣＳＥＬアレイ１０上にＶＣＳＥＬ１１が
不規則に配列されていても、ＶＣＳＥＬアレイ１０とレ
ンズアレイ基板２０とが一体化した光源を得ることがで
きる。

【００２９】（第２の製造方法）第１の製造方法では、
ＶＣＳＥＬアレイ１０からのレーザビームで露光を行
い、さらにエッチングすることで、穴パターンを形成し
ていた。これに対して、第２の製造方法は、ＶＣＳＥＬ
アレイ１０のレーザビームでレンズアレイ基板２０に直
接穴パターンを形成する。

【００３０】図６（Ａ）に示すように、レンズアレイ基
板２０には金属膜２１のみが被膜されている。ＶＣＳＥ
Ｌアレイ１０は、レンズアレイ基板２０上の金属膜２１
にレーザビームを照射して露光を行う。この結果、図６
（Ｂ）に示すように、レンズアレイ基板２０上に被膜さ
れた金属膜２１に穴パターンが形成される。すなわち、
レンズアレイ基板２０上には、ＶＣＳＥＬアレイ１０か
らの各レーザビームの光軸に対応した穴のパターンが形
成される。

【００３１】その後の工程については第１の製造方法と
同様である。すなわち、図６（Ｃ）に示すように拡散処
理を行い、そして図６（Ｄ）に示すようにレンズアレイ
基板２０から金属膜２１を除去する。

【００３２】以上のように、第２の製造方法によると、
ＶＣＳＥＬアレイ１０からのレーザビームを用いて直接
レンズアレイ基板２０上の金属膜２１に穴パターンを形
成するので、第１の製造方法に比べてエッチング処理の
工程を省略し、マイクロレンズ２３の形成のための手間
を簡素化することができる。

【００３３】（第３の製造方法）第３の製造方法におい
ては、図７（Ａ）に示すように、レンズアレイ基板２０
には金属膜２１が被膜され、さらにその上にフォトレジ
スト２４が成膜されている。なお、このフォトレジスト
２４は、露光された部分が薬品によって可溶性になるポ
ジ型である。

【００３４】ＶＣＳＥＬアレイ１０は、フィルタ２５を
介して、レンズアレイ基板２０の最上位層であるフォト
レジスト２４にレーザビームを照射して露光を行う。こ
こで、フィルタ２５は、レーザビームの基本波を除去
し、非線形性を有する第２高調波を通過させる。すなわ
ち、ここではフォトレジスト２４の特性に応じて、短波
長のレーザビームで露光を行っている。なお、フォトレ
ジスト２４の特性によってはフィルタ２５を設けなくて
もよい。このような処理により、図７（Ｂ）に示すよう
に、フォトレジスト２４に、レーザビームによる穴パタ
ーンが形成される。

【００３５】穴のパターン形成後、レンズアレイ基板２
０を図示しない固定ジグから取り外し、例えばリン酸等
の酸でエッチングを行う。この結果、図７（Ｃ）に示す
ように、フォトレジスト２４は除去され、穴のパターン
が金属膜２１に転写される。なお、このようにして形成
された金属マスク２１は、レンズ作成用マスクとして用
いられる。レンズ作成用マスクの形成後、第１の製造方
法と同様にして、図７（Ｄ）に示すように拡散処理を行
い、そして図７（Ｅ）に示すように金属膜２１を除去す
る。

【００３６】以上のように、第３の製造方法によれば、
ＶＣＳＥＬアレイ１０から出射されるレーザビームの光
軸にそれぞれ対応したマイクロレンズ２３をレンズアレ
イ基板２０に形成することができる。

【００３７】（第４の製造方法）第４の製造方法では、
図８（Ａ）に示すように、レンズアレイ基板２０にフォ
トレジスト２４Ａが被膜されている。なお、このフォト
レジスト２４Ａは、露光された部分が薬品によって不溶
性になるネガ型である。

【００３８】ＶＣＳＥＬアレイ１０は、フィルタ２５を
介して、レンズアレイ基板２０上に被膜されたフォトレ
ジスト２４Ａにレーザビームを照射して露光を行う。な
お、フィルタ２５の特性は、第３の製造方法と同様であ
る。

【００３９】フォトレジスト２４Ａの露光後、例えばリ
ン酸等でエッチングを行う。この結果、図８（Ｂ）に示
すように、露光されなかったフォトレジスト２４Ａは除
去され、露光されたフォトレジスト２４Ａによって縞状
のパターンが形成される。

【００４０】このパターンの形成後、フォトレジスト２
４Ａに熱処理を行って、図８（Ｃ）に示すように、フォ
トレジスト２４Ａを凸形状に形成する。そして、図８
（Ｄ）に示すように、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ：Reactive Ion Etching）を行う。この結果、図８
（Ｅ）に示すように、レンズアレイ基板２０上に凸レン
ズ２３Ａが形成される。

【００４１】以上のように、第４の製造方法によれば、
ネガ型のフォトレジスト２４Ａを用いて縞状のパターン
を形成し、これにＲＩＥを行うことによって、レーザビ
ームの光軸にそれぞれ対応した凸レンズ２３Ａを形成す
ることができる。

【００４２】このような第１の製造方法から第４の製造
方法のいずれか１つを用いることによって、ＶＣＳＥＬ
１１が不規則に配列されたＶＣＳＥＬアレイ１０に対応
して、ＶＣＳＥＬアレイ１０から出射される各レーザビ
ームの光軸上にマイクロレンズ２３が位置するレンズア
レイ基板２０を製造することができる。

【００４３】また、上述した製造方法の他に、例えばＶ
ＣＳＥＬアレイを作成したパターンに基づいて、レンズ
アレイのパターンを従来式のフォトプロセスを用いて作
製してもよい。

【００４４】（その他の実施の形態）なお、スタック式
のレーザアレイは大型化が困難であるが、ＶＣＳＥＬア
レイ１０は大型化することができ、更に大出力のレーザ
ビームを出力することができる。

【００４５】また、上述した実施の形態では、ＶＣＳＥ
Ｌアレイ１０と別の工程で製造したレンズアレイ基板２
０を用いて光軸を調整することについて説明したが、Ｖ
ＣＳＥＬアレイ１０とレンズアレイ基板２０と同一の工
程で製造して一体の構成にしてもよい。例えば、ＶＣＳ
ＥＬアレイ１０上にＳｉＯ₂などの酸化物を成膜し、発
光点に対応する位置にマイクロレンズを形成してもよ
い。このマイクロレンズの製造方法としては、上述した
ようなイオン拡散法、ＲＩＥ加工などによる微小レンズ
を用いる方法、ＲＩＥ加工などによる回折光学素子を用
いる方法がある。さらに、ＶＣＳＥＬアレイ１０上面に
誘電体基板を接合した後に、上記と同じ方法でマイクロ
レンズを製造してもよい。

【００４６】

【発明の効果】本発明は、複数のレーザ出射部を配列す
るときの基準となる複数の基準線に対して、前記各レー
ザ出射部を不規則にずらして配列した面発光型レーザア
レイを備えたことにより、各レーザビームの干渉を防止
し、集光されたレーザビームの強度の変動を防止し、安
定したレーザ出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る集光光学系の構成を
示す斜視図である。

【図２】一般的なＶＣＳＥＬアレイを示す正面図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態に係るＶＣＳＥＬアレイを
示す正面図である。

【図４】本発明の実施の形態に係る集光光学系の概略的
な構成を示す図である。

【図５】レンズアレイ基板にマイクロレンズを形成する
第１の製造方法を説明するための図である。

【図６】第２の製造方法を説明するための図である。

【図７】第３の製造方法を説明するための図である。

【図８】第４の製造方法を説明するための図である。

【図９】従来の高出力光源の概略的な構成を示す図であ
る。

【図１０】従来の半導体レーザーアレイ装置の構成を示
す図である。

【図１１】従来の微細加工装置用の光学系の概略的な構
成を示す図である。

【符号の説明】

１０ＶＣＳＥＬアレイ１１ＶＣＳＥＬ２０レンズアレイ基板２３マイクロレンズ３０集光レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松田守弘愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 4E068 CD14 CD15 5F072 AB13 JJ05 KK30 YY06 5F073 AB17 AB27 BA09 EA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のレーザ出射部を配列するときの基
準となる複数の基準線に対して、前記各レーザ出射部を
不規則にずらして配列した面発光型レーザアレイと、前記面発光型レーザアレイから出射されたレーザビーム
を平行化するレンズが形成されたレンズアレイと、前記レンズアレイによって平行化されたレーザビームを
集光する集光レンズと、を備えた集光光学系。
【請求項２】前記面発光型レーザアレイと前記レンズ
アレイとがフォトプロセスにより一体に構成された請求
項１記載の集光光学系。
【請求項３】請求項１または２記載の集光光学系を用
いたレーザ加工機用光源。