JP2010066702A - レーザー光走査方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ｆθレンズやarc-sinレンズ等の特殊レンズを使用することなく、レーザー光の照射面において等速度走査を可能とする。
【解決手段】走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御することにより、前記照射面において等速度走査を実現する。
【選択図】図１
【解決手段】走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御することにより、前記照射面において等速度走査を実現する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ｆθレンズやarc-sinレンズ等の特殊レンズを使用することなく、レーザー光の照射面において等速度走査を可能とするためのレーザー光走査方法及びその装置に関する。
従来より、微粒子の可視化、ＰＩＶ（粒子画像流速測定法）や、プリンター、複写機、スキャナなどの画像形成装置又はレーザー加工などの分野においては、気体レーザーや半導体レーザー等から出射されるレーザー光をガルバノミラーやポリゴンミラー等の角運動する走査ミラー（偏向装置）を介して所定方向に偏向し照射面（像面）を走査させるようにしている。この場合、前記走査ミラーが等角速度運動すると、平らな照射面では相対的に中央では走査速度が遅く、周辺では速くなる傾向を示すことになる。そのため、前記走査ミラーで偏向されたレーザー光を照射面上で等速度走査させるために、前記走査ミラーと照射面との間にｆθレンズやarc-sinレンズを設置し、この光学レンズにて収差を補正し、等速度でレーザー光を走査させるようにしている（例えば、下記引用文献１，２等参照）。
特開平９−１９３４５４号公報
特開平５−５２５２１号公報
しかしながら、装置規模に対応した大口径のｆθレンズやarc-sinレンズが必要になるとともに、部品数が多くなり製作コストが嵩むなどの問題、ｆθレンズやarc-sinレンズの焦点距離により走査ミラーから照射面までの距離を長く確保する必要があるなどの問題があった。
そこで本発明の主たる課題は、ｆθレンズやarc-sinレンズ等の特殊レンズを使用することなく、レーザー光の照射面において等速度走査を可能とし、部品点数の削減や走査ミラーから照射面までの距離の短縮を図ることにより装置の小型化を図り得るようにしたレーザー光走査方法及びその装置を提供することにある。
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、レーザー光発生装置から出射されたレーザー光を、角運動する走査ミラーによって反射させて照射面上で走査させるようにしたレーザー光走査方法において、
前記走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、下式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御することにより、前記照射面において等速度走査を実現することを特徴とするレーザー光走査方法が提供される。
前記走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、下式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御することにより、前記照射面において等速度走査を実現することを特徴とするレーザー光走査方法が提供される。
上記請求項１記載の発明においては、角運動する走査ミラーを等角速度で運動させるのではなく、照射面において等速度走査となるように走査ミラーの角速度を変化させながら走査ミラーを制御するようにした。従って、ｆθレンズやarc-sinレンズ等の特殊レンズを使用することなく、レーザー光の照射面において等速度走査が可能となり、部品点数の削減や走査ミラーから照射面までの距離の短縮を図ることにより装置の小型化を図ることが可能となる。
請求項２に係る本発明として、前記走査ミラーとしてガルバノミラーを用いている請求項１記載のレーザー光走査方法が提供される。
上記請求項２記載の発明は、走査ミラーとしてガルバノミラーを用いるものである。
請求項３に係る本発明として、レーザー光を発生させるレーザー光発生装置と、角運動しながらレーザー光を反射させることにより照射面を走査させる走査ミラーと、前記走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、下式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御する走査ミラーの制御装置とからなることを特徴とするレーザー光走査装置が提供される。
以上詳説のとおり本発明によれば、ｆθレンズやarc-sinレンズ等の特殊レンズを使用することなく、レーザー光の照射面において等速度走査が可能となり、部品点数の削減や走査ミラーから照射面までの距離の短縮を図ることにより装置の小型化を図り得るようになる。
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述する。
図１はガルバノミラーによるレーザー光走査要領図である。
以下、本発明に係るレーザー光走査方法について説明するが、ガルバノミラーを等角速度運動させた場合との対比で説明するのが良いと思われるので、１．ガルバノミラー等角速度制御、２．本発明のガルバノミラー角運動制御の順で説明することとする。
まず、図１においてガルバノミラー２によるレーザー光の走査を考えるに当たって、ガルバノミラー反射点Ｏから照射面３（以下、像面ともいう。）に下ろした垂線と入射レーザー光の成す角度とを二等分する線ＡＢを設定する。この線分ＡＢとガルバノミラーの法線の成す角度をθｇ（以下、ガルバノミラー制御角という。）とする。このθｇはガルバノミラーの角度変化を示し、実装置において制御角度となるものである。θｇ＝０の時、ガルバノミラーの法線と線分ＡＢは重なり、レーザー光は像面に対して法線方向に照射されることになる。また、前記走査ミラー反射点Ｏから照射面に下ろした垂線と走査ミラー２で反射させたレーザー光の成す角度をθ（以下、レーザー走査角という。）とする。ここで、レーザー走査角θ＝２×ガルバノミラー制御角θｇの関係にある。
さらに、他のパラメータとして、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θの最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとする。
〔ガルバノミラー等角速度制御〕
ガルバノミラー２を、図２に示されるミラー角度制御波形（以下、三角波という。）により等角速度で稼働させる。この場合のガルバノミラー制御角θｇ１（三角波の場合は添え字を１とし、θｇ１、θ１のように表す。）は、下式(1)となる。
〔ガルバノミラー等角速度制御〕
ガルバノミラー２を、図２に示されるミラー角度制御波形（以下、三角波という。）により等角速度で稼働させる。この場合のガルバノミラー制御角θｇ１（三角波の場合は添え字を１とし、θｇ１、θ１のように表す。）は、下式(1)となる。
ガルバノミラー制御角θｇ１と、レーザー走査角θ１とは、θ１＝２・θｇ１の関係にあることから、レーザー走査角θ１は下式(2)となる。
このとき、像面上のレーザー照射位置ｘ１は下式(3)によって表される。図３はＬ＝１ｍ、Ａ＝π／４、Ｔ＝１secの時のレーザー照射位置ｘ１を表した図である。
さらに、像面上でのレーザー照射位置ｘ１(t)の移動速度ｖ１は、ｖ１(t)=ｄｘ１(t)/ｄｔであり、下式(4)のように表される。また、ｖ１(t)をグラフ化すると図４のようになる。
図３及び図４から分かるように、ガルバノミラーを等角速度運動させた場合には、像面上において等速度走査とはならない。
〔本発明のガルバノミラー角運動制御〕
本発明では、ガルバノミラー２の角速度に変化を付けて制御することにより（発生波形を「新走査波形」という。）、像面上の等速度走査を実現するものである。この場合のガルバノミラー制御角θｇ２（三角波の場合は添え字を２とし、θｇ２、θ２のように表す。）は、下式(5)となる。
〔本発明のガルバノミラー角運動制御〕
本発明では、ガルバノミラー２の角速度に変化を付けて制御することにより（発生波形を「新走査波形」という。）、像面上の等速度走査を実現するものである。この場合のガルバノミラー制御角θｇ２（三角波の場合は添え字を２とし、θｇ２、θ２のように表す。）は、下式(5)となる。
ガルバノミラー制御角θｇ２と、レーザー走査角θ２とは、θ２＝２・θｇ２の関係にあることから、レーザー走査角θ２は下式(6)となる。
このとき、像面上のレーザー照射位置ｘ１は下式(7)によって表される。図５はＬ＝１ｍ、Ａ＝π／４、Ｔ＝１secの時のレーザー照射位置ｘ２を表した図である。
さらに、像面上でのレーザー照射位置ｘ２(t)の移動速度ｖ２は、ｖ２(t)=ｄｘ２(t)/ｄｔであり、下式(8)のように表される。また、ｖ２(t)をグラフ化すると図６のようになる。
図５及び図６から、本発明法によるレーザー光走査方法の場合は、像面上での移動速度ｖ２は一定となることがわかる。
次いで、前述したガルバノミラー等角速度運動制御（発生波形：三角波）と本発明のガルバノミラー角運動制御（発生波形：新走査波形）とについて、実証実験を行った。
実験は、図７に示されるように、像面から1000mm離れた位置にガルバノミラー２を配置するとともに、ガルバノミラー２に向けたレーザー発生装置１を設置する。また、像面３を撮影するためのＣＣＤカメラ４を設置する。
前記ガルバノミラー２は、波形信号発生器５において、前記比較例に対応する三角波と本発明例に対応する新走査波形を夫々発生させる。波形信号発生器５からの電圧波形信号をガルバノミラーコントローラー６に入力しガルバノミラー２を電圧信号に応じて角運動させる。ガルバノミラー２にレーザー光を入射しその反射光により像面上を走査する。レーザー走査角θの最大振幅Ａを半角３０°（全角で６０°）とし、走査周期は０．１Hzとした。前記ＣＣＤカメラ４の露光タイミングは波形信号発生器５と同期がとられたディレイジェネレーター７により任意に遅らせることが可能となっている。この時、ＣＣＤカメラ４の露光時間は十分に短くしＣＣＤ露光中のレーザー照射位置の移動が無視できる程度とした。
そして、ＣＣＤカメラ４で計測された各時刻でのレーザー照射位置情報から単位時間当たりの移動距離、すなわち移動速度を求めた。
前記三角波を用いた場合のレーザー光照射位置を撮影した画像を図８に示し、本発明に係る新走査波形を用いた場合のレーザー光照射位置を撮影した画像を図９に示す。図中、白い点が像面上のレーザー光照射位置である。
また、ＣＣＤ露光タイミングを５００ｍｓずつずらして取得した前記三角波でのレーザー光照射位置を撮影した画像をそれぞれ重ねた合成画像を図１０に示し、本発明に係る新走査波形を用いた場合の合成画像を図１１に示す。また、各レーザー照射位置間の距離から単位時間あたりの走査速度を算出した。具体的に例えば、露光タイミング０msのときのレーザー光照射位置と露光タイミング500msのときのレーザー光照射位置の距離から、走査開始後250msでの走査速度を算出した。この結果を図１２に示す。
図１２から、三角波による走査では、等時間間隔でのレーザー光照射位置の間隔が真ん中付近では狭く、端部付近では広くなっており、走査速度は一定ではないのに対して、本発明の新走査波形では、等時間間隔でのレーザー光照射位置の間隔はどれも等しく等速度走査となっていることが判明している。
１…レーザー光発生装置、２…ガルバノミラー、３…照射面
Claims (3)
- レーザー光発生装置から出射されたレーザー光を、角運動する走査ミラーによって反射させて照射面上で走査させるようにしたレーザー光走査方法において、
前記走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、下式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御することにより、前記照射面において等速度走査を実現することを特徴とするレーザー光走査方法。
- 前記走査ミラーとして、ガルバノミラーを用いている請求項１記載のレーザー光走査方法。
- レーザー光を発生させるレーザー光発生装置と、角運動しながらレーザー光を反射させることにより照射面を走査させる走査ミラーと、前記走査ミラー反射点から照射面に下ろした垂線と走査ミラーで反射させたレーザー光の成す角度をθ２（レーザー走査角）、前記走査ミラー反射点から照射面までの距離をＬ、レーザー走査角θ２の最大値をＡ、走査ミラーの走査周期をＴとしたとき、下式６に示すレーザー走査角θ２(ｔ)となるように前記走査ミラーの角運動を制御する走査ミラーの制御装置とからなることを特徴とするレーザー光走査装置。
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| CN114505575A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-17 | 武汉奥森迪科智能科技股份有限公司 | 一种能量分布均匀的振镜驱动方法及其激光加工头 |
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