JP4928687B2

JP4928687B2 - 超短パルスレーザーを用いた表面剥離洗浄方法とその装置

Info

Publication number: JP4928687B2
Application number: JP2001235422A
Authority: JP
Inventors: 陽一郎細川; 由多加松本; 宏増原; 節哉佐藤
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-08-02
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2021-08-02
Also published as: JP2003047841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、表面剥離洗浄方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、洗浄が必要な箇所だけを極めて細かい精度で選択的に洗浄するのに有用な超短パルスレーザーを用いた表面剥離洗浄方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
歴史的価値の高い古典絵画や、遺跡、化石等については、実体に損傷を与えることなく表面に付着した不要物を剥離洗浄することがしばしば必要となる。しかし、これらの作業は大きな手間と長い時間が必要とされることが問題となっていた。
【０００３】
たとえば古典絵画は、度重なる修復によりニスや絵の具などの顔料が幾層にもわたり塗り足されている。このため、古典絵画の修復においては、幾層にも塗り足された顔料の除去作業が不可欠である。原画を損なわないように不要な顔料のみを取り除く作業は、極めて慎重に行なわれる必要があり、専門家の地道な手作業によって実現されている。
【０００４】
このような手作業による不要物の剥離洗浄の作業は労力において、費用において極めて負担が大きく、しかも長期の時間が必要とされていた。
そこで、この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、繊細かつ慎重な作業が必要とされる表面剥離洗浄を正確かつ短時間に行なうことを実現する表面剥離洗浄方法を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１に、洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄方法であって、フェムト秒レーザーかピコ秒レーザーの照射により不要物を励起し、洗浄対象物と不要物との間に急激な応力上昇を発生させ、不要物を断片化し、洗浄対象物表面より剥離することを特徴とする表面剥離洗浄方法を提供する。
【０００６】
また、この発明は、第２に、洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄方法であって、不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後それぞれにおける洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを比較し、これらが相違するまで不要物に対してフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射することを特徴とする表面剥離洗浄方法を、第３には、古典絵画の表面剥離洗浄方法を提供する。
【０００７】
さらに、この出願の発明は、第４に、洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄装置であって、不要物にフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射するための超短パルスレーザー光源を備え、超短パルスレーザー光源からのフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーの照射により不要部を励起し、洗浄対象物と不要物との間に急激な応力上昇を発生させ、不要物を断片化し、洗浄対象物表面より剥離することを特徴とする表面剥離洗浄装置を、第５に、洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄装置であって、不要物にフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射するための超短パルスレーザー光源と、洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを測定するための分光スペクトル測定器とを備え、不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後において、分光スペクトル測定器で洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを測定し、フェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後で分光スペクトルが相違するまで不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射を継続することを特徴とする表面剥離洗浄装置を、第６には、古典絵画の表面剥離洗浄装置を提供するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、その実施の形態について説明する。
【０００９】
この出願の発明の表面剥離洗浄方法においては、洗浄対象物の表面に付着した不要物に対して超短パルスレーザーを照射することで、不要物を表面より剥離する。この場合の超短パルスレーザーとしては、代表的にはフェムト秒レーザーやピコ秒レーザーが例示される。図１は、この出願の発明である表面剥離洗浄方法の原理について示した概要図である。この例においては、フェムト秒レーザー（１）により不要物（２）を励起することで、洗浄対象物（３）と不要物（２）との間に急激な応力上昇が発生するようにしている。発生した応力により、レーザー照射部に存在する不要物（２）は、断片化され、洗浄対象物（３）の表面より剥離される。
【００１０】
図２は、有機固体にフェムト秒レーザーを照射したときのエッチング形状を示した図である。図３に、比較例として、有機固体にナノ秒レーザーを照射したときのエッチング形状について示す。ナノ秒レーザー照射と比較して、フェムト秒レーザーを照射することで、より離散的なエッチングが実現していることがわかる。これは、上述の原理に基づき、フェムト秒レーザー照射を行なうことで有機固体中に急激な応力変化が発生するためである。同様に、ピコ秒レーザーを照射する場合にも、離散的なエッチングが実現されることになる。
【００１１】
図４は、有機固体にフェムト秒レーザーを照射した場合およびナノ秒レーザーを照射した場合におけるアブレーション過程について示した図である。ナノ秒レーザーを照射した場合は、レーザー励起後約１０ナノ秒で急激な昇温が発生し、有機固体表面においては熱的なエッチングがなされる。一方、フェムト秒レーザー励起が行なわれる場合には、大きな熱上昇が生起する前に、急激な内部応力上昇による破壊が発生する。このため、有機固体内部が断片化され、離散的なエッチングが行なわれることとなる。以上の現象を利用し、この出願の発明の表面剥離洗浄方法においては、不要物のみを的確に除去する。すなわち、照射するレーザーが超短パルスレーザーであることで、不要物の熱的な溶解に伴う洗浄対象物表面の汚染が発生することなく、不要物を選択的に断片化し洗浄対象物表面より剥離させることが可能となる。
【００１２】
この出願の発明の表面剥離洗浄方法においては、洗浄対象物の洗浄がなるべく人の手を介さず自動的に行われるよう、不要物に対する超短パルスレーザー照射前と照射後のそれぞれにおいて洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを測定し、それらを比較することが考慮される。超短パルスレーザー照射の前後の分光スペクトルを比較し、これらが相違するまで不要物に対して超短パルスレーザーの照射を継続することで、不要物の除去のチェックが自動的に行なわれる。
【００１３】
図５は、以上で説明したこの出願の発明の表面剥離洗浄方法を実現する表面剥離洗浄装置の構成の一例を示すものである。また、図６は、図５に示した装置による表面剥離洗浄の手順を示した流れ図である。
【００１４】
洗浄対象物（５１）は、ＸＹステージ（５２）上に設置される。光路ガイド用レーザー（５３）から出射される光路ガイド用レーザー光は、たとえばフェムト秒レーザー光が照射する洗浄対象物（５１）表面上の座標を照射するように固定されている。
【００１５】
まず、ＣＣＤカメラ（５４）により、光路ガイド用レーザー光が示す箇所を撮影し、撮影された画像を目視で確認することで、洗浄が必要か否かを判断する。洗浄が必要である判断した場合、フェムト秒レーザー光源（５５）から出力されるレーザー光はハーフミラー（５６）により２本に分離され、一方は、洗浄対象物（５１）表面の不要物（５７）を剥離するための剥離用レーザー光として不要物（５７）に対して照射され、また、分岐した他方のレーザー光は、白色光発生装置（５８）に入力され白色レーザー光として不要物（５７）に対して照射される。なお、シャッタ（５９）により、剥離用レーザー光の洗浄対象物（５１）への照射時間の制御が行われる。また、光強度調節装置（６０）により、剥離用レーザー光強度の制御が行なわれる。
【００１６】
洗浄対象物（５１）へ照射された白色レーザー光の拡散反射光の分光スペクトルは、分光スペクトル測定装置（６１）により測定される。この分光スペクトルは、洗浄対象物（５１）表面のレーザー照射部における表面状態を表す。剥離用レーザー光が照射される前に、予め分光スペクトルを測定しておき、剥離用レーザー光が照射された後の分光スペクトルと比較し、これらが十分に相違するまで、剥離用レーザーの照射を繰り返す。ＸＹステージ（５２）を走査しつつ、以上の剥離洗浄を繰り返し、洗浄対象物（５１）表面の洗浄を行なう。
【００１７】
この表面剥離洗浄装置においては、ＣＣＤカメラ（５４）による画像情報、および、分光スペクトル測定装置（６１）により測定される分光スペクトルは、中央制御装置（６２）に入力される。そして、入力されたこれらの情報により、中央制御装置（６２）からＸＹステージ（５２）、シャッタ（５９）、および、光強度調節装置（６０）に対して制御信号が送られ、半自動的な剥離洗浄処理が実施される。
【００１８】
この出願の発明である表面剥離洗浄方法の用途としては、古典絵画などの美術品の修復、化石や遺跡発掘品などの付着物の洗浄、塗料の洗浄、精密機器の洗浄など様々なものが考慮されることは言うまでもない。この出願の発明である表面剥離洗浄方法は、付着した不要物が微細である場合に特に適しており、熱影響の少ない応力上昇を利用した方法であり、不要物により洗浄対象物が汚染する可能性が極めて低い。また、レーザー分光により洗浄評価を自動化することで、手作業と比較して作業時間が格段に短縮される。
【００１９】
【発明の効果】
この出願の発明によって、以上詳しく説明したとおり、繊細かつ慎重な作業が必要とされる表面剥離洗浄を正確かつ短時間に行なうことを実現する表面剥離洗浄方法が提供される。この出願の発明により、これまで地道な手作業でのみ行なわれてきた作業の半自動化が実現し、高精度かつ高効率の表面剥離洗浄が実用化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明である表面剥離洗浄方法の原理について示した概要図である。
【図２】有機固体にフェムト秒レーザーを照射したときのエッチング形状を示した図である。
【図３】有機固体にナノ秒レーザーを照射したときのエッチング形状を示した図である。
【図４】有機固体にフェムト秒レーザーを照射した場合およびナノ秒レーザーを照射した場合におけるアブレーション過程について示したグラフである。
【図５】この出願の発明の表面剥離洗浄装置の構成の一例を示す概要図である。
【図６】図５に示した装置による表面剥離洗浄の手順を示した流れ図である。
【符号の説明】
１フェムト秒レーザー
２不要物
３洗浄対象物
５１洗浄対象物
５２ＸＹステージ
５３光路ガイド用レーザー
５４ＣＣＤカメラ
５５フェムト秒レーザー光源
５６ハーフミラー
５７不要物
５８白色光発生装置
５９シャッタ
６０光強度調節装置
６１分光スペクトル測定装置
６２中央制御装置

Claims

洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄方法であって、フェムト秒レーザーかピコ秒レーザーの照射により不要物を励起し、洗浄対象物と不要物との間に急激な応力上昇を発生させ、不要物を断片化し、洗浄対象物表面より剥離することを特徴とする表面剥離洗浄方法。
請求項１の洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄方法であって、不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後それぞれにおける洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを比較し、これらが相違するまで不要物に対してフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射することを特徴とする表面剥離洗浄方法。
請求項１または２の方法により、古典絵画の表面剥離洗浄を行うことを特徴とする表面剥離洗浄方法。
洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄装置であって、不要物にフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射するための超短パルスレーザー光源を備え、超短パルスレーザー光源からのフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーの照射により不要部を励起し、洗浄対象物と不要物との間に急激な応力上昇を発生させ、不要物を断片化し、洗浄対象物表面より剥離することを特徴とする表面剥離洗浄装置。
請求項４の洗浄対象物の表面に付着した不要物を剥離洗浄するための表面剥離洗浄装置であって、不要物にフェムト秒レーザーかピコ秒レーザーを照射するための超短パルスレーザー光源と、洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを測定するための分光スペクトル測定器とを備え、不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後において、分光スペクトル測定器で洗浄対象物表面の散乱光強度の分光スペクトルを測定し、フェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射前後で分光スペクトルが相違するまで不要物に対するフェムト秒レーザーかピコ秒レーザー照射を継続することを特徴とする表面剥離洗浄装置。
請求項４または５の装置であって、古典絵画の表面剥離洗浄を行うことを特徴とする表面剥離洗浄装置。