JP2024045830A - レーザマーカ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザマーキングを効率よくかつ均一に行うことができる技術を提供する。【解決手段】レーザマーカ１は、レーザ光源１１と、照明光学系２１と、空間光変調器２２と、投影光学系２３と、投影光学系２３と、走査部１３とを備える。レーザ光源１１は、レーザ光Ｌ３１を出射する。照明光学系２１は、レーザ光Ｌ３１を線状の平行ビームＬ３２に整形する。空間光変調器２２は、長軸方向に並ぶ複数の変調要素２２４を有し、複数の変調要素２２４によって平行ビームＬ３２を線状の変調ビームＬ３３に変調する。投影光学系２３は、変調ビームＬ３３を対象物９に導く。走査部１３は、変調ビームＬ３３で対象物９の表面を走査する。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、レーザマーカに関する。

レーザマーキングの一手法として、ステンレスやチタン金属に対し、パルスレーザを用いたカラーのレーザマーキングが知られている。このレーザマーキングはナノ秒パルスレーザを用いて、レーザ照射エネルギー量を制御することによって、酸化膜の膜厚を変え、任意の干渉色を発色させる技術である。また、フェムト秒レーザを用いて銅やチタンと言った金属に照射することで酸化膜だけではなくマイクロメートルオーダーの構造、ナノメートルオーダーの微粒子や微細構造を形成することで着色する技術も知られている。これは微細構造により光の波長に依存した散乱または吸収が起こることで、金属表面の反射率が変化し、これにより所定の色が見えるようになる。

このようなレーザマーキングの技術は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１では、物品の金属表面にスポット状（点状）に照射されるシングルビームで走査することにより、物品の金属表面にマークが形成される。

特表２０１９－５２１８５５号公報

しかしながら、従来技術のようなシングルビームの走査は、広範囲を描画する場合には時間がかかってしまい、生産性が低いという問題があった。また、シングルビームは、一般的に、中央のエネルギーが高く、周辺に進むにつれてエネルギーが弱まるガウシアンビームが用いられるが、このようなガウシアンビームで金属を加工すると、ビームの中心と周辺とで加工の程度に差が生じるため、均一な加工が難しい。均一加工のために、シングルビームの周辺部分が重なるように、走査を行うことも考えられるが、この場合には、重ね描きを行う分、走査効率が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、レーザマーキングを効率よくかつ均一に行うことができる技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１態様は、金属表面を有する対象物にレーザ光を照射してマークを形成するレーザマーカであって、レーザ光を出射するレーザ光源と、レーザ光を線状の平行ビームに整形する照明光学系と、長軸方向に並ぶ複数の変調要素を有し、前記複数の変調要素によって前記平行ビームを線状の変調ビームに変調する空間光変調器と、前記変調ビームを前記対象物に導く投影光学系と、前記変調ビームで前記対象物の表面を走査する走査部とを備える。

第２態様は、第１態様のレーザマーカであって、前記空間光変調器は、ＰＬＶ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）を有する。

第３態様は、第１態様または第２態様のレーザマーカであって、前記複数の変調要素は、多値の光量制御がそれぞれ可能である。

第４態様は、第３態様のレーザマーカであって、前記走査部は、先に走査される第１領域に隣接した第２領域を走査する際に、前記変調ビームの端部を、前記第１領域の端部に重ねて走査する。

第５態様は、第４態様のレーザマーカであって、前記第１領域の走査と前記第２領域の走査によって前記第１領域の端部に照射されるレーザ光の総エネルギー量は、第１領域の端部と隣接する領域に照射される光の総エネルギー量と一致する。

第６態様は、第５態様のレーザマーカであって、前記第１領域の端部の幅は、前記複数の変調要素のうち少なくとも１つ分に対応する幅である。

第７態様は、第１態様から第６態様のいずれか１つのレーザマーカであって、前記投影光学系は、前記変調ビームを縮小する縮小光学系である。

第１態様から第６態様のレーザマーカによれば、対象物を線状の変調ビームで走査するため、スポット状のシングルビームで走査する場合よりも、効率よく描画を行うことができる。また、線状の変調ビームで対象物の表面を走査するため、１回の走査で一定幅の領域を描画できる。このため、当該領域内で均一な加工を行うことができる。

第２態様のレーザマーカによれば、ＰＬＶを採用することにより、空間光変調器の耐パワー性を高くすることができる。

第３態様のレーザマーカによれば、変調ビーム内において、光量を多段階で変えることができる。これにより、変調ビーム内で複数色のマーキングが可能となる。

第４態様のレーザマーカによれば、第１領域の端部に対して、表面加工に必要なエネルギーの光を照射できる。

第５態様のレーザマーカによれば、第１領域の端部に照射される光の総エネルギー量が、隣接する領域に照射される光の総エネルギー量と一致するため、第１領域の端部において、加工ムラの発生を低減できる。

第６態様のレーザマーカによれば、第１領域の端部の幅を、変調要素の少なくとも１つ分に対応する幅とすることで、変調要素の光量制御により、第１領域の端部に対する光量を適切に調整できる。

第７態様のレーザマーカによれば、空間光変調器に照射されるレーザ光のエネルギー密度を、対象物に照射される際のレーザ光のエネルギー密度よりも小さくすることができる。これにより、空間光変調器の表面が加工されることを抑制できる。

実施形態に係るレーザマーカの構成を示す図である。 空間光変調器が有するＬＰＬＶの概略構造を示す図である。 平行ビームおよび変調ビームの光路を示す図である。 平行ビームおよび変調ビームの光路を示す図である。 線状の変調ビームで走査される対象物の表面を示す斜視図である。 隣接する領域を一色で塗りつぶしを行う場合の変調ビームの強度分布を示す図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数が誇張又は簡略化して図示されている場合がある。

図１は、実施形態に係るレーザマーカ１の構成を示す図である。レーザマーカ１は、対象物９の表面にレーザ光を照射して対象物９の表面に酸化膜を形成すること、あるいは、剥離などによる微細構造を形成することなどによって、文字や図形をマーキングする装置である。対象物９の表面は、例えば、ステンレス、銅またはチタンなどの金属で形成される。図１に示されるように、レーザマーカ１は、レーザ光源１１と、光学装置１２と、走査部１３と、保持部１４と、制御部１５とを備える。

レーザ光源１１は、光学装置１２へとレーザ光Ｌ３１を出射する。レーザ光源１１は、例えば、ファイバレーザ光源である。レーザ光Ｌ３１の波長は、例えば１．０７０μｍである。

光学装置１２は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌ３１を変調ビームＬ３３に変調し、走査部１３へと照射する。光学装置１２は、照明光学系２１と、空間光変調器２２と、投影光学系２３とを備える。照明光学系２１および投影光学系２３はそれぞれ、後述するように、レンズ等の光学素子を複数備える。

照明光学系２１は、レーザ光源１１からのレーザ光Ｌ３１を、一の方向（以下、「長軸方向」と呼ぶ。）に長い略線状の平行ビームＬ３２に整形して空間光変調器２２へと導く。換言すれば、平行ビームＬ３２の断面形状は、長軸方向に長く、長軸方向に垂直な短軸方向に短い略線状である。平行ビームＬ３２の断面形状とは、平行ビームＬ３２の進行方向に対して垂直な面における平行ビームＬ３２の形状である。以下の説明において、光の断面とは、上記と同様に、当該光の進行方向に対して垂直な面における当該光の断面を意味する。平行ビームＬ３２の断面形状は、略矩形状と捉えることもできる。平行ビームＬ３２の断面の大きさは、平行ビームＬ３２の進行方向のいずれの位置においても同じである。空間光変調器２２上における平行ビームＬ３２の照射領域の形状は、例えば、長軸方向の長さが２８ｍｍ、短軸方向の長さが１ｍｍの略線状（または略矩形状）である。

空間光変調器２２は、照明光学系２１からの平行ビームＬ３２を、変調ビームＬ３３に変調して投影光学系２３へと導く。空間光変調器２２は、例えば、ＰＬＶ（Planar Light Valve）を有する。以下の説明では、空間光変調器２２がＰＬＶの一種であるＬＰＬＶ（Liner Planar Light Valve）を有する場合について説明する。

ＬＰＬＶは、例えば、ＧＬＶ（Grating Light Valve）（登録商標）などと比較して、素子の単位面積当たりの耐パワー性は同等であって、有効面積が広い。すなわち、有効面積が広がる分だけ、ＧＬＶよりも高いパワーを扱うことができる。

図２は、空間光変調器２２が有するＬＰＬＶの概略構造を示す図である。空間光変調器２２は、複数の略矩形状のピクセル２２１を備える。複数のピクセル２２１は、図示省略の基板上に隣接して配置されている。複数のピクセル２２１は、複数行複数列のマトリクス状に配列されている。すなわち、複数のピクセル２２１は２次元配列される。空間光変調器２２では、当該複数のピクセル２２１の表面が変調面となる。図２に示される例では、図中の縦方向にＭ個かつ横方向にＮ個のピクセル２２１が配置される。図２中の横方向は、平行ビームＬ３２（図１参照）の長軸方向に対応し、図２中の縦方向は、平行ビームＬ３２の短軸方向に対応する。

各ピクセル２２１は、変調素子であって、固定部材２２２と、可動部材２２３とを備える。固定部材２２２は、上記基板に固定された平面状の略矩形の部材であり、中央に略円形の開口を有する。可動部材２２３は、略円形であり、固定部材２２２の開口に位置する。固定部材２２２の上面（すなわち、図２中の紙面に垂直な方向における手前側の面）は、固定反射面を有する。可動部材２２３の上面は、可動反射面を有する。可動部材２２３は、図２中の紙面に垂直な方向に移動可能である。

固定部材２２２に対する可動部材２２３の相対位置が変更されることにより、ピクセル２２１からの反射光は、０次光（すなわち、正反射光）と非０次回折光との間で切り替えられる。換言すれば、可動部材２２３が固定部材２２２に対して相対移動することにより、回折格子を利用した光変調が行われる。空間光変調器２２から出射された０次光は、投影光学系２３（図１参照）により走査部１３へと導かれる。また、空間光変調器２２から出射された非０次回折光（主として、１次回折光）は、投影光学系２３により走査部１３とは異なる方向へと導かれ、遮光される。

投影光学系２３では、図２中の縦方向に１列に並ぶＭ個のピクセル２２１（以下、「ピクセル列」とも呼ぶ。）からの反射光が積算され、変調ビームＬ３３として走査部１３へと照射される。これにより、走査部１３から対象物９へと照射される変調ビームＬ３３のパワー密度を増大させることができる。空間光変調器２２では、１つのピクセル列のＭ個のピクセル２２１（すなわち、Ｍ個の変調素子）を、１つの単位空間に対応する１つの変調要素２２４と捉えることもできる。空間光変調器２２は、空間光変調器２２上における平行ビームＬ３２の長軸方向に１列に並ぶＮ個の変調要素２２４を備える光変調器として機能する。

図１に示される投影光学系２３は、空間光変調器２２からの変調ビームＬ３３を集光しつつ走査部１３へと導く。変調ビームＬ３３は、走査部１３を通じて照射面１３５（対象物９の表面）上に照射される。

走査部１３は、光学装置１２の投影光学系２３で生成された変調ビームＬ３３の変調像を保持部１４に保持された対象物９の表面に再投影し、走査する。走査部１３は、コリメータレンズ１３３、ガルバノミラー１３２、ガルバノモータ（図示省略）およびスキャニングレンズ（ｆθレンズ）１３４を備えるガルバノスキャニングシステムであり、上述の照射面１３５を変調ビームＬ３３の変調像を特定の倍率で投影、走査させることとなる。

走査部１３では、変調ビームＬ３３の変調像をコリメートし、ガルバノミラー１３２に照射する。ガルバノミラー１３２は通常、２対のミラーとモータが内蔵されており、２軸を走査することができる。ガルバノモータによってガルバノミラー１３２が回転することにより、コリメートされたビームは反射され進行方向が変更される。スキャニングレンズ１３４によりコリメートされたビームは回転角に比例した位置に再結像する。その結果、対象物９上に照射された変調ビームＬ３３の変調像は、変調ビームＬ３３の短軸方向に対応する走査方向に走査される。一定距離走査した後、長軸方向に変調像の大きさ分、長軸方向のガルバノミラーを回転させ移動させ、再度、短軸方向に走査する。この動作を繰り返すことで照射面１３５上を２次元走査することができる。なお、走査部１３は、ガルバノスキャナに限定されるものではない。例えば、走査部１３は、ポリゴンレーザスキャナであってもよい。

保持部１４は、対象物９を保持する。本例では、保持部１４は、板状の対象物９を水平姿勢（対象物９の表面の法線が鉛直方向に沿う姿勢）で保持する。

なお、走査部１３は、必ずしもガルバノミラー１３２を備える必要はなく、ポリゴンレーザスキャナ等、他の構造を有するものであってもよい。また、走査部１３は、投影光学系２３からの変調ビームＬ３３の進行方向を変更するものには限定されず、例えば、ガルバノスキャナシステムを排除して、変調ビームＬ３３の変調像が照射面１３５に配置、固定された状態で、対象物９を保持する保持部１４を水平方向に移動させるリニアモータなどの移動機構であってもよい。

制御部１５は、例えば、コンピュータであって、プロセッサと、メモリと、入出力部と、バスとを備える。制御部１５は、対象物９に描画すべき画像を示す画像データに基づいて、レーザ光源１１、光学装置１２（詳細には、空間光変調器２２）および走査部１３を制御する。これにより、対象物９の表面に、画像データが示す画像が描画される。

次に、光学装置１２の詳細な構造について、図３および図４を参照しつつ説明する。図３は、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す図である。図３では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の短軸方向が、紙面に垂直な方向と一致する。また、図３では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の長軸方向は、図中の上下方向と一致する。図４は、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の光路を示す図である。図４では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の長軸方向が、紙面に垂直な方向と一致する。また、図４では、平行ビームＬ３２および変調ビームＬ３３の短軸方向が、図中の上下方向と一致する。

光学装置１２の照明光学系２１は、コリメートレンズ２１１と、ビームシェイパ２１３と、シリンダーレンズ２１４，２１５とを備える。コリメートレンズ２１１、ビームシェイパ２１３およびシリンダーレンズ２１４，２１５は、レーザ光源１１から空間光変調器２２へと向かう進行方向において、この順番で配列される。コリメートレンズ２１１は、例えば、シリンドリカルレンズである。なお、図３および図４に示される例では、コリメートレンズ２１１は１枚であるが、コリメートレンズ２１１の枚数は２枚以上であってもよい。また、コリメートレンズ２１１は、平行光を生成できればよく、コリメートレンズ２１１のレンズ形状は球面であっても、非球面であっても、または、シリンドリカルであってもよい。

ビームシェイパ２１３は、平行ビームＬ３２の断面における短軸方向および長軸方向の光強度の分布（以下、単に「強度分布」とも呼ぶ。）を、ガウス分布から、最大強度の領域の幅が広い（すなわち、上部が略平坦な）トップハット分布へと変換するトップハットビームシェイパである。

シリンダーレンズ２１４，２１５は、ビームシェイパ２１３を通過することで生成された矩形像を、短軸および長軸のそれぞれの方向に異なる倍率で、後述する空間光変調器２２の変調面に結像させる。シリンダーレンズ２１４は、長軸方向にトップハット分布を拡大するためのシリンダーレンズ２１４ａおよびシリンダーレンズ２１４ｂを備える。また、シリンダーレンズ２１５は、短軸方向にトップハット分布を拡大するためのシリンダーレンズ２１５ａおよびシリンダーレンズ２１５ｂを備える。図３および図４に示される例では、レーザ光源１１から空間光変調器２２へと向かうレーザ光の進行方向において、シリンダーレンズ２１４ａ、シリンダーレンズ２１５ａ、シリンダーレンズ２１４ｂおよびシリンダーレンズ２１５ｂは、この順番で配列される。

なお、照明光学系２１は、上記以外の光学素子を備えていてもよい。また、照明光学系２１は、シリンダーレンズ２１４，２１５を備えることは必須ではない。例えば、空間光変調器２２の変調面に所望の大きさの矩形像を形成するビームシェイパ２１３が用いられてもよい。

照明光学系２１は、上述のように、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ３１を平行ビームＬ３２に変換して空間光変調器２２へと導く。照明光学系２１に入射するレーザ光Ｌ３１の断面における短軸方向および長軸方向の強度分布は、それぞれガウス分布である。実際には、これらの強度分布は、厳密なガウス分布ではなく、ガウス関数に近似した形状の分布である場合もあるが、以下の説明では、厳密なガウス分布、および、ガウス分布に近似した分布をまとめて「ガウス分布」と呼ぶ。

照明光学系２１では、レーザ光源１１から出射されたレーザ光Ｌ３１は、コリメートレンズ２１１を通過することにより、短軸方向および長軸方向において平行光である平行ビームＬ３２となる。平行ビームＬ３２は、ビームシェイパ２１３およびシリンダーレンズ２１４，２１５を通過して空間光変調器２２へと導かれる。ビームシェイパ２１３に入射する前の平行ビームＬ３２の強度分布は、図３および図４の光路図の下側に矩形枠で囲まれて示されるように、長軸方向においてガウス分布であり、短軸方向においてもガウス分布である。

平行ビームＬ３２の短軸方向および長軸方向における強度分布は、ビームシェイパ２１３を通過することにより、図３および図４の光路図の下側に矩形枠で囲まれて示されるように、ガウス分布からトップハット分布（矩形分布とも呼ばれる。）に変換される。したがって、ビームシェイパ２１３を通過して空間光変調器２２に入射した平行ビームＬ３２の強度分布（すなわち、空間光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の強度分布）は、短軸方向および長軸方向のそれぞれにおいてトップハット分布である。

投影光学系２３は、第１レンズ２３１と、第２レンズ２３２と、第３レンズ２３３と、第４レンズ２３４と、長軸側遮光部２３５と、短軸側遮光部２３６とを備える。第１レンズ２３１および第２レンズ２３２は、例えば、シリンドリカル凸レンズである。第３レンズ２３３および第４レンズ２３４は、例えば、球面凸レンズである。長軸側遮光部２３５は、例えば、短軸方向に平行に延びる矩形状の開口２３５ａが中央部に設けられた平板部材である。短軸側遮光部２３６は、例えば、長軸方向に平行に延びる矩形状の開口２３６ａが中央部に設けられた平板部材である。長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の材料は、例えば、ステンレス鋼等の金属やセラミックス等である。

第２レンズ２３２および第３レンズ２３３は、第１レンズ２３１よりも変調ビームＬ３３の進行方向（すなわち、空間光変調器２２から走査部１３へと向かう変調ビームＬ３３が進行する側）に位置する。換言すれば、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３は、変調ビームＬ３３の光路上において、第１レンズ２３１よりも走査部１３に近い側に位置する。図３および図４に示される例では、変調ビームＬ３３の進行方向において、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２よりも下流に位置する。第３レンズ２３３は、第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に配置されてもよい。変調ビームＬ３３の進行方向において、第４レンズ２３４は、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３よりも、下流に位置する。

好ましくは、投影光学系２３において、第１レンズ２３１の短軸側の前側焦点位置（すなわち、空間光変調器２２側の焦点位置）は、空間光変調器２２の変調面と一致する。このように、空間光変調器２２と第１レンズ２３１との間隔を、第１レンズ２３１の前側焦点距離以下（好ましくは、当該前側焦点距離未満）とすることによって、第１レンズ２３１を通過した後に生じる０次回折光と１次回折光との集光点間隔が広がる。その結果、０次回折光を１次回折光等の非０次回折光から容易に分離できる。また、第３レンズ２３３の前側焦点位置は、空間光変調器２２の変調面と一致する。第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置（すなわち、走査部１３側の焦点位置）は、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の短軸側の前側合成焦点位置と一致する。第３レンズ２３３の後側焦点位置は、第４レンズ２３４の前側焦点位置と一致する。第４レンズ２３４の後側焦点位置は、走査部１３の入り口である変調像の投影位置（以降、投影面とも称する）１３１と一致する。

投影光学系２３においては、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、空間光変調器２２の変調面と、走査部１３の変調像の投影面１３１とは、長軸方向について光学的に共役である。また、短軸方向について、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３によって、空間光変調器２２の変調面と、第４レンズ２３４の前側焦点位置とは、光学的に共役である。第４レンズ２３４は、短軸方向について、変調ビームＬ３３を走査部１３の変調像の投影面１３１に集光させる。第２レンズ２３２、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４により、走査部１３の変調像の投影面１３１と、第１レンズ２３１の後側焦点位置とは、短軸方向について光学的に共役である。

図３および図４に示される例では、第１レンズ２３１、短軸側遮光部２３６、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３、長軸側遮光部２３５および第４レンズ２３４は、空間光変調器２２から走査部１３へと向かう進行方向において、この順番で配列される。短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に位置する。なお、第３レンズ２３３が第１レンズ２３１と第２レンズ２３２との間に配置される場合、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と第３レンズ２３３との間に位置する。すなわち、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１と、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３との間において、変調ビームＬ３３の短軸方向の集光位置近傍に配置される。短軸側遮光部２３６は、例えば、第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置に配置される。また、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３と第４レンズ２３４との間において、変調ビームＬ３３の長軸方向の集光位置近傍に配置される。長軸側遮光部２３５は、例えば、第３レンズ２３３の後側焦点位置に配置される

なお、投影光学系２３では、第１レンズ２３１、第２レンズ２３２、第３レンズ２３３
および第４レンズ２３４の種類は様々に変更されてもよいし、これらのレンズ以外の光学素子が追加されてもよい。また、長軸側遮光部２３５および短軸側遮光部２３６の材料、形状および構造は、様々に変更されてよい。

投影光学系２３は、上述のように、空間光変調器２２からの変調ビームＬ３３を走査部１３へと導く。詳細には、空間光変調器２２にて生成された平行光である変調ビームＬ３３は、第１レンズ２３１を通過することにより、短軸方向において、第１レンズ２３１の後側焦点位置（すなわち、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の前側合成焦点位置）に集光される。変調ビームＬ３３は、長軸方向に関しては、第１レンズ２３１の通過時に屈折しない。

第１レンズ２３１を通過した変調ビームＬ３３は、第１レンズ２３１の短軸側の後側焦点位置に位置する短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過する。詳細には、空間光変調器２２にて反射された反射光のうち、０次光および長軸側の非０次回折光が短軸側遮光部２３６の矩形状の開口２３６ａを通過し、短軸側の非０次回折光（主として、１次回折光（すなわち、（＋１）次回折光および（－１）次回折光））は短軸側遮光部２３６により遮られる。短軸側の非０次回折光は、短軸側遮光部２３６の開口２３６ａよりも上側および下側（すなわち、開口２３６ａの短軸方向両側）の部位において、長軸方向に延びる略線状の照射領域に照射される。

短軸側遮光部２３６の開口２３６ａを通過した変調ビームＬ３３の断面は、進行方向に進行するにしたがって、短軸方向において広がる。短軸側遮光部２３６を通過した変調ビームＬ３３は、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３を通過することにより、短軸方向において平行光となる。変調ビームＬ３３は、長軸方向において、第２レンズ２３２の通過時には屈折せず、第３レンズ２３３を通過することにより第３レンズ２３３の後側焦点位置（すなわち、第４レンズ２３４の前側焦点位置）に集光される。

第２レンズ２３２および第３レンズ２３３を通過した変調ビームＬ３３は、第３レンズ２３３の後側焦点位置に位置する長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過する。詳細には、空間光変調器２２にて反射された反射光のうち、０次光が長軸側遮光部２３５の矩形状の開口２３５ａを通過し、長軸側の非０次回折光（主として、１次回折光）は長軸側遮光部２３５により遮られる。長軸側の非０次回折光は、長軸側遮光部２３５の開口２３５ａよりも図中の左側および右側（すなわち、開口２３５ａの長軸方向両側）の部位において、短軸方向に延びる略線状の照射領域に照射される。

長軸側遮光部２３５の開口２３５ａを通過した変調ビームＬ３３の断面は、進行方向に進行するにしたがって、長軸方向において広がる。長軸側遮光部２３５を通過した変調ビームＬ３３は、第４レンズ２３４を通過することにより、長軸方向において平行光となって走査部１３の変調像の投影面１３１に入射する。また、短軸方向において平行光として第４レンズ２３４に入射した変調ビームＬ３３は、第４レンズ２３４を通過することにより、第４レンズ２３４の後側焦点位置に位置する走査部１３の変調像の投影面１３１上に、短軸方向において集光される。

上述のように、長軸方向について、空間光変調器２２の変調面と、走査部１３の変調像の投影面１３１とは光学的に共役である。また、空間光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の長軸方向の強度分布は、図３の矩形枠中に示されるようにトップハット分布である。したがって、走査部１３の変調像の投影面１３１上における変調ビームＬ３３の長軸方向の強度分布も、トップハット分布となる。

また、短軸方向について、空間光変調器２２の変調面と第４レンズ２３４の前側焦点位置（すなわち、第３レンズ２３３の後側焦点位置）とは光学的に共役である。また、空間光変調器２２の変調面における平行ビームＬ３２の短軸方向の強度分布は、ビームシェイパ２１３により、図４の矩形枠中に示されるように、トップハット分布に変換されている。したがって、第３レンズ２３３を通過した変調ビームＬ３３の短軸方向の強度分布は、第４レンズ２３４の前側焦点位置においてトップハット分布となる。このため、第４レンズ２３４によるフーリエ変換作用により、走査部１３の変調像の投影面１３１上の集光点における変調ビームＬ３３の短軸方向の強度分布はｓｉｎｃ分布となる。実際には、変調ビームＬ３３の短軸方向における強度分布は、厳密なｓｉｎｃ分布ではなく、ｓｉｎｃ関数に近似した形状の分布である場合もあるが、以下の説明では、厳密なｓｉｎｃ分布、および、ｓｉｎｃ分布に近似した分布をまとめて「ｓｉｎｃ分布」と呼ぶ。ｓｉｎｃ分布は、ガウス分布と略同様に、主たるピークを有する分布であるため、走査部１３の変調像の投影面１３１上に変調ビームＬ３３を好適に集光することができる。

走査部１３の変調像の投影面１３１上における変調ビームＬ３３の大きさは、以下のように求められる。例えば、レーザ光Ｌ３１の波長λは１．０７０μｍであり、空間光変調器２２の変調面上における照射領域は、長軸方向の長さＬ_１が２８ｍｍ、短軸方向の長さＬ_２が１ｍｍの略線状（または略矩形状）であるものとする。第１レンズ２３１および第２レンズ２３２の短軸側の焦点距離ｆ_１，ｆ_２はそれぞれ、４０ｍｍおよび４００ｍｍであり、第３レンズ２３３および第４レンズ２３４の焦点距離ｆ_３，ｆ_４はそれぞれ、２４０ｍｍおよび６０ｍｍであるものとする。第２レンズ２３２と第３レンズ２３３との間隔ｄは５０ｍｍであるものとする。この場合、第２レンズ２３２および第３レンズ２３３の短軸側の合成焦点距離ｆ_２３は、約１６３ｍｍとなる。

短軸方向については、上述のように、第１レンズ２３１の後側焦点位置に変調ビームＬ３３が集光される。第１レンズ２３１の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径（すなわち、ｓｉｎｃ関数の暗環径）φ_Ｓ１は、１０４μｍ（≒２．４４×λ×ｆ_１′／Ｌ_２）となる。第１レンズ２３１の後側焦点位置は、短軸方向について、走査部１３の変調像の投影面１３１と光学的に共役である。したがって、変調像の投影面１３１上における変調ビームＬ３３の短軸方向の集光径は、３３μｍ（≒１０４μｍ×ｆ_４／ｆ_２３）となる。

長軸方向については、上述のように、第３レンズ２３３の後側焦点位置に変調ビームＬ３３が集光される。第３レンズ２３３の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の長軸方向の集光径φ_Ｌ３は、２２μｍ（≒２．４４×λ×ｆ_３／Ｌ_１）となる。なお、第３レンズ２３３の後側焦点位置における変調ビームＬ３３の短軸方向の長さＬ_３は、４ｍｍ（＝Ｌ_２×ｆ_２３／ｆ_１）となる。長軸方向については、空間光変調器２２の変調面と走査部１３の変調像の投影面１３１とが光学的に共役である。したがって、変調像の投影面１３１上における変調ビームＬ_３３の長軸方向の長さは、７ｍｍ（＝Ｌ_１×ｆ_４／ｆ_３）となる。

上述のように、短軸側遮光部２３６は、第１レンズ２３１の後側焦点位置に配置される。このため、短軸側遮光部２３６の開口２６３ａの短軸方向両側に照射される１次回折光（すなわち、（＋１）次回折光および（－１）次回折光））の照射領域は、略線状であって、長軸方向が２８ｍｍ（＝Ｌ_１）であり、短軸方向が１０４μｍ（≒φ_Ｓ１）となる。また、長軸側遮光部２３５は、第３レンズ２３３の後側焦点位置に配置される。このため、長軸側遮光部２３５の開口２５３ａの長軸方向両側に照射される１次回折光の照射領域は、線状であって、長軸方向が２２μｍ（≒φＬ_３）であり、短軸方向が４ｍｍ（＝Ｌ_３）となる。

変調ビームＬ３３が、長軸方向および短軸方向の双方において、１枚の凸レンズにより光路上の同じ位置（すなわち、当該凸レンズの後側焦点位置）に集光される光学装置（以下、「比較例の光学装置」と呼ぶ。）を想定する。この比較例の光学装置では、後側焦点位置に配置された遮光部上において、１次回折光が点状の照射領域に照射される。例えば、当該凸レンズの焦点距離を２４０ｍｍとした場合、当該遮光部上における１次回折光の照射領域の直径は約３２６μｍとなる。したがって、本実施形態に係る光学装置１２では、比較例の光学装置に比べて、短軸側遮光部２３６上における１次回折光のパワー密度、および、長軸側遮光部２３５上における１次回折光のパワー密度が、１／１０以下まで低減される。

レーザマーカ１では、走査部１３による変調ビームＬ３３の再投影像が対象物９の表面を走査する。コリメートレンズ１３３およびスキャニングレンズ１３４の焦点距離を同じとすると、短軸方向に３３μｍ、長軸方向に７ｍｍの像をスキャニングすることとなる。制御部１５は、画像データにしたがって、空間光変調器２２の変調要素２２４ごとに、照射面１３５に導かれる変調ビームＬ３３の反射光の量を制御する。これにより、長軸方向において光量に強弱がつけられた変調ビームＬ３３が、対象物９に照射される。そして、光量に応じて厚さが異なる酸化膜、または、光量に応じた微細構造が対象物９の表面に形成される。これにより、対象物９の表面に、複数の色で表現される画像が形成される。

レーザ光Ｌ３１の短軸方向および長軸方向の強度分布をビームシェイパ２１３によってトップハット分布とすることにより、空間光変調器２２に入射する平行ビームＬ３２の最大パワー密度を低下させつつ投入総光量を増大させることができる。したがって、空間光変調器２２の損傷リスクを低減しつつ、空間光変調器２２への投入光量を増大させることができる。また、投影光学系２３を上記構成とすることにより、空間光変調器２２にトップハット分布（短軸方向および長軸方向）にて入射した平行ビームＬ３２を、主たるピークを有するｓｉｎｃ分布（短軸方向）の変調ビームＬ３３として対象物９上に好適に集光することができる。その結果、対象物９に照射される変調ビームＬ３３のパワー密度を好適に増大させることができる。

投影光学系２３では、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置することが好ましい。換言すれば、第３レンズ２３３は、第２レンズ２３２と第４レンズ２３４との間に配置されることが好ましい。仮に、第２レンズ２３２が第３レンズ２３３よりも変調ビームＬ３３の進行方向に位置すると、長軸方向において空間光変調器２２の各位置から出射される主光線が、異なる角度で第２レンズ２３２に入射するため、収差が生じる可能性がある。一方、上述のように、第３レンズ２３３を第２レンズ２３２よりも変調ビームＬ３３の進行方向に配置することにより、長軸方向において空間光変調器２２の各位置から出射される主光線が、第２レンズ２３２に対して略垂直に入射するため、収差の発生を低減することができる。

図５は、線状の変調ビームＬ３３で走査される対象物９の表面を示す斜視図である。レーザマーカ１によれば、線状の変調ビームＬ３３で走査するため、スポット状のシングルビームの走査によって描画を行う場合と比較して、一度に広範囲を描画することができるため、効率よく描画できる。したがって、生産性を向上できる。

また、シングルビームの走査によって描画を行った場合、１個のピクセル内で酸化膜の膜厚が、不均一な分布を示す可能性がある。これに対して、変調ビームＬ３３で走査する場合、１回の走査で一定幅の領域を描画できる。このため、当該領域内で不均一な加工（例えば、膜厚が不均一な酸化膜の形成、あるいは、不均一な微細構造の形成）を抑制できる。例えば、変調ビームＬ３３をすべてオンにした場合、変調ビームＬ３３の全幅にわたって、均一な光量を持つ変調ビームＬ３３で対象物９を走査できるため、変調ビームＬ３３の全幅にわたって均一に加工できる。

また、酸化膜の厚みまたは微細構造は、レーザ照射によって発生する熱エネルギー（フルエンス）により変化する。ＬＰＬＶは、多値の光量制御が可能な素子であるため、光量を制御することによって、対象物９の表面が所望の色に発色するように加工できる。つまり、１回の走査で均一な発色を得るだけでなく、変調ビームＬ３３内で多値の光量分布を形成することにより、変調ビームＬ３３内でも対象物９の表面を所望の色で発色させることが可能となる。すなわち、変調ビームＬ３３内において複数色でマーキングできる。

図６は、隣接する領域を一色で塗りつぶしを行う場合の変調ビームＬ３３の強度分布Ｄ１，Ｄ２を示す図である。なお、図６においては、強度分布Ｄ１に対応する第１の走査ＳＣ１および強度分布Ｄ２に対応する第２の走査ＳＣ２も示されている。

塗りつぶしを行うために、変調ビームＬ３３の変調像の強度分布を最大強度とした場合、変調ビームＬ３３の変調像の強度分布はトップハット分布となる。しかしながら、強度分布を完全な矩形状にすることは困難であり、長軸方向における変調ビームＬ３３の変調像の端部では、強度分布が均一ではなく、最大強度よりも小さくなる。このため、１回の走査だけでは、レーザ光が充分に照射されない領域が生じる。このため、隣接する２つの領域について、それらの境界部分を重複して走査するように、変調ビームＬ３３の変調像の照射位置が調整される。

例えば、図６に示されるように、第１の走査ＳＣ１によって第１領域Ａ１を走査した後、第１領域Ａ１と副走査方向Ｘ（変調ビームＬ３３の長軸方向と平行な方向）に隣接する第２領域Ａ２を走査する第２の走査ＳＣ２を行う場合を想定する。この場合、第２の走査ＳＣ２では、副走査方向Ｘにおいて、変調ビームＬ３３の端部は、第１領域Ａ１の端部と重ねられる。これにより、端部領域Ａ１１に対して、第１の走査ＳＣ１および第２の走査ＳＣ２により変調ビームＬ３３が重複して照射される。

また、制御部１５は、空間光変調器２２を制御することにより、端部領域Ａ１１に照射されるレーザ光の総エネルギー量を、端部領域Ａ１１と隣接する領域に照射される光の総エネルギー量と一致させる。例えば、図６に示されるように、走査ＳＣ１，ＳＣ２における変調ビームＬ３３の強度分布Ｄ１，Ｄ２が調整される。より詳細には、強度分布Ｄ１，Ｄ２における端部領域Ａ１１以外の部分の強度は、最大強度Ｉ_Ｍａｘとされる。また、強度分布Ｄ１における端部領域Ａ１１の強度、および、強度分布Ｄ２における端部領域Ａ１１の強度は、それらの合計値が最大強度Ｉ_Ｍａｘとなる値にそれぞれ調整される。

また、端部領域Ａ１１に対するレーザ光の強度を調整するため、端部領域Ａ１１の幅Ｗ（副走査方向Ｘにおける長さ）は、空間光変調器２２のＮ個の変調要素２２４の１つ分に対応する幅とされる。すなわち、走査部１３は、複数の変調要素２２４の１つ分だけ重複させて端部領域Ａ１１を２回走査する。なお、端部領域Ａ１１の幅Ｗ（副走査方向Ｘにおける長さ）は、空間光変調器２２のＮ個の変調要素２２４の２つ、もしくはそれ以上の個数に対応する幅としてもよい。

上記のように、強度分布Ｄ１，Ｄ２が調整されることにより、強度分布Ｄ１，Ｄ２の合計値、すなわち、総エネルギー量（図６中、破線で示される強度分布Ｄ３）を、第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、およびこれらの境界部分（端部領域Ａ１１）において、最大強度に一致させることができる。したがって、端部領域Ａ１１において、加工ムラおよび加工ムラによる発色ムラの発生することを抑制できる。

ＬＰＬＶの反射面は、例えば、Ａｌ蒸着される。ＬＰＬＶの反射面を像面に投影する際、倍率が等倍以上とすると、対象物９にマーキングするために必要なエネルギー密度をえることが困難となる。一方で、ＬＰＬＶの表面は、金属（Ａｌ）であるため、マーキング対象となる対象物９の表面金属と同等のフルエンスを持つ場合がある。この場合、対象物９を加工すると、ＬＰＬＶの表面も加工されてしまうおそれがある。このようなＬＰＬＶの加工を避けるため、投影光学系２３は、変調ビームＬ３３を縮小する縮小光学系であることが好ましい。具体的には、対象物９のフルエンスに対し、ＬＰＬＶの表面のフルエンスが１／５以下となるように、投影光学系２３の縮小倍率が設定されることが好ましい。投影光学系２３を縮小光学系とすることにより、空間光変調器２２に照射されるレーザ光（平行ビームＬ３２）のエネルギー密度を、対象物９に照射される際のレーザ光（変調ビームＬ３３）のエネルギー密度よりも小さくすることができる。このため、空間光変調器２２の表面がレーザ光によって加工されることを抑制できる。なお、投影光学系２３の倍率は、長軸方向および短軸方向のそれぞれについて、一致していてもよいし、異なっていてもよい。

この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

１ レーザマーカ
９ 対象物
１１ レーザ光源
１２ 光学装置
１３ 走査部
１５ 制御部
２１ 照明光学系
２２ 空間光変調器（ＬＰＬＶ）
２２４ 変調要素
２３ 投影光学系
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ１１ 端部領域
Ｌ３１ レーザ光
Ｌ３２ 平行ビーム
Ｌ３３ 変調ビーム

Claims (7)

1. 金属表面を有する対象物にレーザ光を照射してマークを形成するレーザマーカであって、
   レーザ光を出射するレーザ光源と、
   レーザ光を線状の平行ビームに整形する照明光学系と、
   長軸方向に並ぶ複数の変調要素を有し、前記複数の変調要素によって前記平行ビームを線状の変調ビームに変調する空間光変調器と、
   前記変調ビームを前記対象物に導く投影光学系と、
   前記変調ビームで前記対象物の表面を走査する走査部と、
   を備える、レーザマーカ。
2. 請求項１に記載のレーザマーカであって、
   前記空間光変調器は、ＰＬＶ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）を有する、レーザマーカ。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザマーカであって、
   前記複数の変調要素は、多値の光量制御がそれぞれ可能である、レーザマーカ。
4. 請求項３に記載のレーザマーカであって、
   前記走査部は、先に走査される第１領域に隣接した第２領域を走査する際に、前記変調ビームの端部を、前記第１領域の端部に重ねて走査する、レーザマーカ。
5. 請求項４に記載のレーザマーカであって、
   前記第１領域の走査と前記第２領域の走査によって前記第１領域の端部に照射されるレーザ光の総エネルギー量は、第１領域の端部と隣接する領域に照射される光の総エネルギー量と一致する、レーザマーカ。
6. 請求項５に記載のレーザマーカであって、
   前記第１領域の端部の幅は、前記複数の変調要素のうち少なくとも１つ分に対応する幅である、レーザマーカ。
7. 請求項１または請求項２に記載のレーザマーカであって、
   前記投影光学系は、前記変調ビームを縮小する縮小光学系である、レーザマーカ。

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