JP2008073718A - レーザリペア装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ローテータの回転によるレーザ光の光軸の変動を、簡易な構成で、迅速に補償する。
【解決手段】レーザ発振器７と、該レーザ発振器７から発せられたレーザ光Ｌ_１のビーム形状を整形するスリット１１と、該スリット１１により整形されたレーザ光Ｌ_１を光軸に沿って配置された回転軸Ｃ回りに回転させるプリズム１２と、該プリズム１２を透過してワークＡに照射されるレーザ光Ｌ_１のワークＡにおける照射位置を検出する照射位置検出部６と、該照射位置検出部６による検出結果に基づいてプリズム１２を光軸に交差する方向に移動させるプリズム並進移動機構とを備えるレーザリペア装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザリペア装置に関するものである。

従来、レーザ発振器から発せられスリットに入射させることで矩形状のビーム形状に整形されたパルスレーザ光をワークの欠陥に照射して、修正加工するリーザリペア装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、スリットにより矩形状のビーム形状に整形されたレーザ光を光軸回りに回転させるローテータを備えたレーザ加工装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−２２８６７８号公報 特開平５−２２８６７６号公報

しかしながら、ローテータの精密加工および回転軸の厳密な調整が困難であるために、ローテータを通過するレーザ光の光軸が、ローテータの回転によって変動しないように設定することが困難であるという問題がある。すなわち、ローテータの回転によってワークに対するレーザ光の照射範囲を回転させるためには、レーザ光の光軸を変動させないことが望ましいが、ローテータの回転軸とレーザ光の光軸とが厳密に一致していない場合には、ローテータの回転によって照射範囲の中心が変動してしまう不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ローテータの回転によるレーザ光の光軸の変動を、簡易な構成で、迅速に補償することができるレーザリペア装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、レーザ発振器と、該レーザ発振器から発せられたレーザ光のビーム形状を整形するスリットと、該スリットにより整形されたレーザ光を光軸に沿って配置された回転軸回りに回転させるプリズムと、該プリズムを透過してワークに照射されるレーザ光のワークにおける照射位置を検出する照射位置検出部と、該照射位置検出部による検出結果に基づいて前記プリズムを前記光軸に交差する方向に移動させるプリズム並進移動機構とを備えるレーザリペア装置を提供する。

本発明によれば、レーザ発振器から発せられたレーザ光のビーム形状が、スリットにより整形され、プリズムを通過した後にワークに照射される。プリズムを回転させることにより、所定のビーム形状に整形されたレーザ光が光軸回りに回転し、ワーク上における照射範囲が回転する。このとき、プリズムの回転軸とレーザ光の光軸が一致していない場合にはワーク上における照射範囲の中心位置が変動する。

本発明によれば、照射位置検出部の作動によりワーク上におけるレーザ光の照射位置が検出され、検出結果に基づくプリズム並進移動機構の作動により、プリズムが光軸に交差する方向に移動させられる。これにより、プリズムの回転軸とレーザ光の光軸とが一致していない場合においても、ワーク上における照射範囲の中心位置がプリズムの回転の前後において一致するように移動させられるので、レーザ光の照射範囲を回転させた適正な範囲を修理加工することができる。

特に、プリズムの回転軸がレーザ光の光軸に対して傾斜している場合に、光路長が長くなれば長くなるほど、ワーク上における照射範囲の中心位置の変動が大きくなるが、本発明によれば、プリズムを光軸方向に並進移動させるだけで、その変動を補償することができる。ワークが大きくなる場合、ワークを移動させることによる補償は、その精度および補償に要する時間の点で困難になるが、比較的軽量のプリズムを並進移動させることにより、精度よくかつ迅速に変動を補償することができる。

上記発明においては、前記照射位置検出部による検出結果に基づいて前記プリズム並進移動機構を制御する制御部を備えることとしてもよい。
制御部の作動により、照射位置検出部により検出されたワーク上における照射位置に基づいて、プリズム並進移動機構が制御される。その結果、プリズムの回転軸とレーザ光の光軸とが一致していない場合においても、ワーク上における照射範囲の中心位置がプリズムの回転の前後において一致するようにプリズムが自動的に移動させられるので、レーザ光の照射範囲を回転させた適正な範囲を修理加工することができる。

また、上記発明においては、前記レーザ発振器から発せられるレーザ光と同じ光路で可視光からなるガイド光を照射するガイド光光源を備え、前記照射位置検出部が、ワークに照射されたガイド光を撮影する撮影部と、該撮影部により撮影されたガイド光の画像を処理して照射位置を算出する画像処理部とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、ガイド光光源から発せられたガイド光がレーザ光と同じ光路を辿ってワークに照射され、撮影部の作動により画像として取得される。そして、画像処理部の作動により、ガイド光の画像が処理されて、照射位置を簡易に算出することができる。したがって、算出された照射位置に基づいて、プリズム並進移動機構を作動させ、プリズムの回転軸とレーザ光の光軸とのずれを精度よく、かつ、迅速に補償することができる。

また、上記発明においては、前記プリズムの回転角と、光軸に交差する方向の並進移動補正量とを対応づけて記憶する補正位置情報記憶部を備え、前記照射位置検出部が、プリズムの回転角を検出し、前記制御部が、前記補正位置情報記憶部に記憶されている並進位置補正量に基づいて前記プリズム並進移動機構を制御することとしてもよい。
補正位置情報記憶部にプリズムの回転角と並進移動補正量とを対応づけて記憶しておくことで、プリズムの回転角の検出により、プリズムの適正な並進移動補正量を簡易に求めることができる。したがって、プリズム並進移動機構を作動させ、プリズムの回転軸とレーザ光の光軸とのずれを精度よく、かつ、迅速に補償することができる。

本発明によれば、ローテータの回転によるレーザ光の光軸の変動を、簡易な構成で、迅速に補償することができるという効果を奏する。

本発明の第１の実施形態に係るレーザリペア装置１について、図１および図２を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るレーザリペア装置１は、図１に示されるように、ワークＡを支持するステージ２と、該ステージ２上のワークＡに対して照射する光を発生する光源ユニット３と、該光源ユニット３からの光をワークＡに導く光学系４と、ワークＡからの反射光を検出するカメラ５と、該カメラ５により取得された画像データに基づいて、前記光学系４を制御する制御部６とを備えている。

前記光源ユニット３は、ワークＡを加工するためのレーザ光Ｌ_１を発生するレーザ発振器７と、レーザ光Ｌ_１と同一の光路上に可視光からなるガイド光Ｌ_２を入射させるガイド光光源８とを備えている。符号９は、ガイド光光源８から発せられたガイド光Ｌ_２を略平行光に変換するコリメートレンズ、符号１０は、ガイド光Ｌ_２をレーザ光Ｌ_１と同一光路に合流させるハーフミラーである。

前記光学系４は、該レーザ発振器７から発せられたレーザ光Ｌ_１およびガイド光光源８から発せられたガイド光Ｌ_２のビーム形状を矩形形状に整形するスリット１１と、該スリット１１により矩形のビーム形状に整形されたレーザ光Ｌ_１およびガイド光Ｌ_２を回転させるプリズム１２を備える光回転手段１３と、該光回転手段１３により回転させられたレーザ光Ｌ_１およびガイド光Ｌ_２をステージ２上のワークＡに集光する、瞳投影レンズ１４、結像レンズ１５および対物レンズ１６とを備えている。
図中、符号１７は、照明光Ｌ_３を照射する照明光源、符号１８はコリメートレンズ、符号１９は、ワークＡからの反射光をカメラに結像させる結像レンズ、符号２０はハーフミラーである。

前記光回転手段１３は、図２に示されるように、前記プリズム１２をレーザ光Ｌ_１およびガイド光Ｌ_２の光軸に沿う方向に配される回転軸Ｃ回りに回転させる回転機構２１と、該回転機構２１により支持されたプリズム１２を光軸に直交する方向に２次元的に並進移動させる並進移動機構２２とを備えている。
前記回転機構２１は、例えば、プリズム１２を支持するブラケット２３と、該ブラケット２３の回転をベアリング２４を介して支持するベース２５と、該ブラケット２３の周囲に形成された第１のギヤ２６と、該第１のギヤ２６に噛み合う第２のギヤ２７と、該第２のギヤ２７を回転させるモータ２８とを備えている。

前記並進移動機構２２は、直交する２軸の直線移動機構２９，３０により構成されている。各直線移動機構２９，３０は、例えば、図示しないモータ、該モータにより回転される送りネジと、該送りネジに噛み合ってモータの回転により送りネジに沿う方向に移動させられるスライダ２９ａ，３０ａとを備えている。一方のスライダ２９ａには、他方の直線移動機構３０が取り付けられ、該他方の直線移動機構３０のスライダ３０ａが前記回転機構２１のベース２５に固定されている。

図２に示す例では、直線移動機構２９は図中に矢印Ｘで示す方向にスライダ２９ａを移動させることができるようになっている。また、直線移動機構３０は、図２の紙面に直交するＹ方向にスライダ３０ａを移動させることができるようになっている。これにより、並進移動機構２２は、プリズム１２を取り付けた回転機構２１を回転軸Ｃに直交する平面内で２次元的に移動させることができるようになっている。

前記カメラ５は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳのような２次元的な画像を取得可能な撮像素子を備えている。
前記制御部６は、カメラ５から送られてくる画像を処理して、ワークＡ上におけるレーザ光Ｌ_１の照射範囲を認識し、認識された照射範囲の中心位置を算出する画像処理部を備え、算出された照射範囲の中心位置が、プリズム１２の回転の前後において一致するように、前記並進移動機構２２を作動させるようになっている。

このように構成された本実施形態に係るレーザリペア装置１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るレーザリペア装置１を用いてワークＡの修理加工を行うには、まず、修理するワークＡをステージ２に固定し、照明光源１７、カメラ５およびステージ２を作動させ、カメラ５により取得された照明光Ｌ_３の反射光画像を観察しながら、ワークＡの欠陥がカメラ５の撮影範囲内に配置されるようにステージ２によりワークＡを移動させる。この状態でカメラ５により欠陥近傍の画像を取得する。そして、取得された画像を処理してワークＡ上の欠陥を検出する。

欠陥が検出された場合、レーザ光Ｌ_１による修理加工を行うか否かを判定する。修理加工を行うと判定された場合には、ガイド光光源８が作動され、ガイド光Ｌ_２が照射される。ガイド光Ｌ_２は、スリット１１を通過させられることにより、矩形状に整形され、瞳投影レンズ１４、結像レンズ１５および対物レンズ１６を介して、ワークＡ表面に照射される。

ワークＡに照射されたガイド光Ｌ_２は、ワークＡ表面において反射して同一光路を戻り、ハーフミラー２０により反射されてカメラ５により撮影される。カメラ５により取得された画像には、ガイド光Ｌ_２の照射範囲の像が含まれているので、制御部６の画像処理部の作動により、照射範囲が認識され、該照射範囲の中心位置（例えば、重心位置）が算出される。
画像認識の方法としては、例えば、画像データを２値化して、ガイド光Ｌ_２の照射範囲の輪郭形状を抽出する方法や、パターンマッチングを用いてガイド光Ｌ_２の照射範囲を特定する方法が挙げられる。

欠陥が傾斜したパターンに発生している場合には、レーザ光Ｌ_１の照射範囲を回転させて、照射範囲のエッジを傾斜したパターンに沿うように配置する必要がある。そこで、回転機構２１を作動させることにより、モータ２８の回転力をギヤ２７，２６を介してブラケット２３に伝達し、ブラケット２３に固定されているプリズム１２をほぼ光軸に沿う回転軸Ｃ回りに回転させる。このときの回転角度は、修理すべきワークＡのパターンに合わせて予め設定されている。
そして、所定の回転角度だけ回転された後に、再度、ワークＡ表面におけるガイド光Ｌ_２の照射範囲の像が画像認識により認識され、その照射範囲の中心位置が算出される。

この場合において、プリズム１２の回転軸Ｃとガイド光Ｌ_２の光軸とが一致していない場合には、プリズム１２の回転の前後においてガイド光Ｌ_２の照射範囲の中心位置がずれることになるが、本実施形態によれば、制御部６の作動により、算出された照射範囲の中心位置が、プリズム１２の回転の前後において一致するように、前記並進移動機構２２が作動させられる。すなわち、プリズム１２の回転後に並進移動機構２２が作動させられて、回転前の照射範囲の中心位置に一致させられる。

このように本実施形態に係るレーザリペア装置１によれば、プリズム１２の回転軸Ｃとガイド光Ｌ_２の光軸とが一致していない場合においても、プリズム１２の回転の前後において、ガイド光Ｌ_２の照射範囲の中心位置を一致させることができる。したがって、プリズム１２をあたかもガイド光Ｌ_２の光軸回りに精度よく回転させたかのように回転させることができる。

その後、ガイド光光源８を停止し、レーザ発振器７を起動することにより、レーザ発振器７から発せられたレーザ光Ｌ_１をワークＡに照射する。これにより、レーザ発振器７から発せられたレーザ光Ｌ_１が、スリット１１によりガイド光Ｌ_２と同一のビーム形状に整形され、瞳投影レンズ１４、結像レンズ１５および対物レンズ１６を介してガイド光Ｌ_２と同一の光路を辿ってワークＡに照射されることによって、照射範囲の欠陥が切除される。
その結果、ワークＡの欠陥を精度よく修理加工することができる。

この場合において、本実施形態によれば、ワークＡが大型の場合であっても、ワークＡを移動させて照射位置を修正するのではなく、比較的軽量のプリズム１２を並進移動させることにより照射位置を修正するので、修正を精度よく迅速に行うことができるという利点がある。

また、プリズム１２からワークＡまでの光路長が長い場合には、プリズム１２の回転軸Ｃとレーザ光Ｌ_１の光軸とが傾斜していると、ワークＡにおける照射範囲の変動が大きくなるが、本実施形態によれば、プリズム１２を並進移動させるので、位置補正のためのプリズム１２の移動量は少なくて済む。したがって、さらに迅速に照射位置を修正することができる。

また、スリット１１を移動させることによってもワークＡにおけるレーザ光Ｌ_１の照射範囲の位置調整を行うことは可能であるが、レーザ光Ｌ_１の光束は断面方向に光強度が分布しているため、スリット１１の移動による照射範囲の調節では、ワークＡに照射されるレーザ光Ｌ_１の強度分布が変化する不都合がある。これに対して、本実施形態のように、プリズム１２を並進移動させることにより、ワークＡの照射範囲におけるレーザ光Ｌ_１の強度分布の変動を伴うことなく、照射範囲の変動を補償することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、制御部６が画像処理により、照射位置の変動を検出して、並進移動機構２２を作動させることとしたが、これに限定されるものではなく、操作者がディスプレイを見ながらプリズム１２の回転による照射位置の変動に対する補償方向および補償量を支持し、この支持に基づいて並進移動機構２２を作動させることにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態に係るレーザリペア装置３１について、図３を参照して以下に説明する。
なお、本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態にかかるレーザリペア装置１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係るレーザリペア装置３１は、プリズム１２の回転角と、ワークＡにおけるレーザ光Ｌ_１の照射範囲の変位情報とを対応づけて記憶するデータベース３２を備えている。
レーザ光Ｌ_１の照射範囲の変位情報は、例えば、照射範囲の重心位置のＸ，Ｙ座標成分における変位量として定義される。
データベース３２は、微小な回転角幅で多数のデータを予め測定して保持していてもよいし、比較的大きな回転角幅で小数のデータを保持していて間の回転角については所定の関数により補間することとしてもよい。

制御部６は、回転機構２１から回転角度情報を受け取ると、データベース３２を検索して、照射範囲の変位情報を抽出し、抽出された照射範囲の変位情報に基づいて、並進移動機構２２を作動させる。これにより、プリズム１２の回転による照射範囲の変位を補償する方向にプリズム１２を並進移動させることができ、回転の前後において、照射範囲の中心位置が移動しないようにすることができる。

すなわち、本実施形態に係るレーザリペア装置３１によれば、カメラ５により取得した画像に対して画像処理を施すことなく、プリズム１２の回転による照射範囲の変動を補償することができる。したがって、演算量が少なくて済み、よりリアルタイムに補償することができるという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係るレーザリペア装置を示す概略的な全体構成図である。 図１のレーザリペア装置の光回転手段の一例を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザリペア装置を示す概略的な全体構成図である。

符号の説明

Ａ ワーク
Ｃ 回転軸
Ｌ_１ レーザ光
Ｌ_２ ガイド光
１、３１ レーザリペア装置
５ カメラ（撮影部）
６ 制御部（照射位置検出部：画像処理部）
７ レーザ発振器
８ ガイド光光源
１１ スリット
１２ プリズム
２２ 並進移動機構（プリズム並進移動機構）
３２ データベース（補正位置情報記憶部）

Claims (4)

1. レーザ発振器と、
   該レーザ発振器から発せられたレーザ光のビーム形状を整形するスリットと、
   該スリットにより整形されたレーザ光を光軸に沿って配置された回転軸回りに回転させるプリズムと、
   該プリズムを透過してワークに照射されるレーザ光のワークにおける照射位置を検出する照射位置検出部と、
   該照射位置検出部による検出結果に基づいて前記プリズムを前記光軸に交差する方向に移動させるプリズム並進移動機構とを備えるレーザリペア装置。
2. 前記照射位置検出部による検出結果に基づいて前記プリズム並進移動機構を制御する制御部を備える請求項１に記載のレーザリペア装置。
3. 前記レーザ発振器から発せられるレーザ光と同じ光路で可視光からなるガイド光を照射するガイド光光源を備え、
   前記照射位置検出部が、ワークに照射されたガイド光を撮影する撮影部と、該撮影部により撮影されたガイド光の画像を処理して照射位置を算出する画像処理部とを備える請求項１に記載のレーザリペア装置。
4. 前記プリズムの回転角と、光軸に交差する方向の並進移動補正量とを対応づけて記憶する補正位置情報記憶部を備え、
   前記照射位置検出部が、プリズムの回転角を検出し、
   前記制御部が、前記補正位置情報記憶部に記憶されている並進位置補正量に基づいて前記プリズム並進移動機構を制御する請求項２に記載のレーザリペア装置。

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