JP6363718B2 - モジュール式レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の並置可能なレーザモジュールから形成される、幅の広い基材を特別の制限なしにレーザでアニールするための装置に関する。

平坦な基材上に被着したコーティングの局所的な急速レーザアニーリング（レーザフラッシュ加熱）を実施することは知られている。これを行うためには、アニールされるべきコーティングを有する基材にレーザラインの下方を走行させるか、さもなければレーザラインにコーティングの付いた基材の上方を走行させる。

レーザアニーリングは、下にある基材を保護しながら、薄いコーティングを約数百度の高温に加熱することを可能にする。走行速度は、言うまでもなくできるだけ高いことが好ましく、少なくとも毎分数メートルが有利である。

本発明は特に、レーザダイオードを使用するレーザに関する。レーザダイオードは価格及び出力の観点から、現在最良のレーザ光源である。

プロセスを高い走行速度で実施するために必要とされる単位長さ当たりの出力を得るために、非常に多数のレーザダイオードの放射を単一のレーザラインに集中させることが望ましい。このレーザラインの出力密度は、基材の全点を同じアニーリングエネルギーに曝すように、アニールすべきコーティングの付いた基材において一般的にできるだけ均一でなければならない。

その上、フロート法により製造される「特大」サイズ（６ｍ×３．２１ｍ）の平坦なガラスシートなどの、幅の広い基材を高速で処理することができることが望ましい。非常に長いレーザラインを得ることに関する課題は、ライン自体と同じ長さの一体式光学集成装置が必要になることを避けながら、ラインの長さを思うままに増大させることができるように、レーザモジュールの並置を可能にする設備の製作にある。

そのようなモジュール式レーザ装置は、すでに構想されている。例えば、米国特許第６７１７１０５号明細書には、非常に簡単な設計のモジュール式レーザ装置が記載されている。このレーザ装置では、各モジュール（レーザ発振器１ａ、１ｂ、１ｃ）が、形作られてからミラー（４ａ、４ｂ、４ｃ）により反射されてレーザラインの形態で基材（５）に直角に投射されるレーザビームを発生する。レーザビームを形作るための手段（３ａ、３ｂ、３ｃ）は、基材と交差するところでは出力密度が高くて一定である非常に幅の広い中央部分を有し、且つこの平坦部の両側では急勾配で落ちる端部を有するシルクハット型の出力密度プロファイルを有するレーザラインを形成するように設計される（米国特許第６７１７１０５号明細書の図５を参照されたい）。これらのプロファイルは、出力密度分布ができるだけ均一な単一の一体としたラインを作るように、急勾配の両端を重ね合わせることにより組み合わされている。

米国特許第６７１７１０５号明細書

しかしながら、このタイプのシルクハット型レーザラインプロファイルを作り出すレーザモジュールは、モジュールを互いに対して位置合わせするときに生ずる可能性のある誤差に非常に敏感である。具体的に言うと、重ね合わされた横方向の領域における勾配が非常に急であることは、モジュール間の間隔が大きすぎると、つなぎ合わせる部分で出力密度の切れ目が容易に形成され、逆に、間隔が狭すぎるモジュールは出力密度が過度に高いつなぎ合わせの領域を生ずることになることを意味する。

本出願人は、先行技術の場合に一般的であった「シルクハット」型の出力密度プロファイルを作らずに、むしろ「魔女の帽子」タイプのプロファイル、即ちその中央から両端まで徐々に下がっていく勾配を有する三角形に近いプロファイルを作る、マイクロレンズに基づくレーザライン形成光学系を、装置のモジュールに装備することにより、それぞれのレーザモジュールの位置合わせにおける誤差に対するモジュール式レーザ装置の感度を有意に低下させることが可能であることを認知した。

本発明が対象とするのは、作業平面におけるレーザラインを各々が作り出す複数のレーザモジュールを含むレーザ装置であり、前記レーザモジュールは該モジュールにより作り出したレーザラインを一緒にして単一のレーザラインにするように配置されていて、該レーザモジュールの各々が、
・レーザラインを作り出すための少なくとも１つの手段、好ましくはレーザダイオードの線状アレイ、及び、
・前記レーザラインを形作るための手段、
を含むレーザ装置であって、前記レーザラインを形作るための手段は、最終のレーザラインが作業平面において、最大出力密度の９０％のところでの幅（Ｌ₉₀）と最大出力密度の１０％のところでの幅（Ｌ₁₀）とを有し、Ｌ₉₀／Ｌ₁₀比が１／１５と１／５の間、好ましくは１／１２と１／７の間、特に１／１０と１／８の間に含まれる出力密度プロファイルを有するように、マイクロレンズの第１の線状アレイ、収束レンズ、及び該収束レンズの焦点面に配置されたマイクロレンズの第２の線状アレイを含むことを特徴とするレーザ装置である。

それ故、先行技術とは対照的に、本発明では、各々ができるだけ大きい有効な出力平坦部を含む出力密度プロファイルでレーザラインを作り出すレーザモジュールを製造することは求められない。反対に、高い出力の中央領域（Ｌ₉₀）の広がりをモジュールのレーザラインの全長の２０％未満、好ましくは１５％未満、特に１０％未満に減少させることが求められ、そして最大出力の領域の両側の勾配の値を減少させることも求められる。この理由は、各モジュールにより作り出される出力密度プロファイルの２つの端部の勾配が小さいほど、モジュールを位置合わせするときに生ずる誤差がモジュールの線状アレイにより形成される一体とした出力密度プロファイルに及ぼす影響が小さくなるからである。したがって、各モジュールにより作り出されるラインの出力プロファイルの理想的形状は、最大出力に等しい高さ（ｈ）とレーザラインの長さに等しい底辺（ｂ）とを有する三角形である。

それ故、理想的には、出力密度プロファイルの両側の勾配は、この三角形のそれ（２ｈ／ｂ）に等しい。

しかしながら、実際の出力密度プロファイルは、厳密に三角形の形状とは若干異なってもよい。

好ましくは、各レーザモジュールにより作りだした最終のレーザラインは、作業平面において最大出力密度をレーザラインの中央に有する出力密度プロファイルを有し、この出力密度はラインの中央から両端へと徐々に減少し、この減少の勾配は、同じＬ₁₀及びＬ₉₀の完全に三角形のプロファイルの勾配と最大で２０％、好ましくは最大で１０％だけ異なる。ここで、「減少の勾配」という表現は、レーザラインの長さの１／５０に等しい長さにわたって観察される平均の勾配を意味する。

レーザモジュールは、全ての個々の出力密度プロファイルの総計から得られる一体とされたレーザラインの出力密度プロファイルが、装置の一体とされたレーザラインの全長の少なくとも９０％に相当する中央領域を有するシルクハット型プロファイルとなり、その領域では出力密度の変動が最大で１０％、好ましくは最大で５％、特に有利には最大で１％であるように並置される。

各モジュールの三角形のプロファイルの有効な出力領域の幅（Ｌ₉₀）が小さいことは、本発明の装置において２つの隣接するモジュールにより作り出される個々のレーザラインの非常に大きい重なりにより補償される。

具体的に言えば、個々の三角形の「魔女の帽子」型プロファイルからシルクハット型の一体としたプロファイルを作り出すために、最終のプロファイルの殆ど全ての点が部分的に重なり合う少なくとも２つの個々のプロファイルの合算から得られることが不可欠である。

本発明の好ましい実施形態では、レーザモジュールを、レーザモジュールにより作り出されたレーザラインの各端部が隣接するモジュールにより作り出されたレーザラインの中央の直ぐ近傍に位置するようにして並置する。したがって、出力密度が一定である一体としたプロファイルの中央部分において、レーザラインの各点は、２つの異なる隣接するレーザモジュールによりそれぞれ作り出された２つの三角形のレーザプロファイルの一部から作られるのが好ましい。

プロファイルを組み合わせるこのやり方は、複数の個々の「シルクハット型」プロファイルを作り出して一緒にすることが一般に求められて、かつ個々のプロファイルの重なりの領域が、標準的にレーザラインの全長の２〜３パーセントより多くに相当しない先行技術で使用されるそれとは非常に異なる。

実質的に三角形の出力密度プロファイルを有する長さＬ_iのレーザラインを各々が作り出すｎ個のモジュールが単一の「シルクハット型」プロファイル（図１参照）を形成するように並置される本発明の装置の１つの実施形態において、この単一のラインの全長（Ｌ_g）は、
Ｌ_g＝（ｎ＋１）×０．５Ｌ_i
に等しい。

それ故、全長Ｌ_gは好ましくは、各モジュールにより個々に作り出されるレーザラインの長さの半分の倍数に等しい。

レーザラインにシルクハット型の出力密度プロファイルを与えることを可能にするレンズ系は、先行技術で知られている。そのような系は、例えば米国特許出願公開第２０１２／０１２７７２３号明細書に記載されている。それは、各々が複数のマイクロレンズから光を受け入れる、サイズがより大きい収束レンズ（５）と組み合わされた第１のマイクロレンズアレイ（４）を含む。各収束レンズは、焦点面（８）において、比較的幅の広い中央部分及び勾配が比較的急な下がっていく側部（１０）を有するシルクハット型の出力密度プロファイル（９）を作り出す。

本発明では、三角形のプロファイルが得られることを可能にするマイクロレンズアレイを、シルクハット型の出力密度プロファイルを形成する収束レンズの焦点面に配置する。このマイクロレンズアレイは、焦点距離ＤのＮ個の円筒型マイクロレンズの線状アレイを含む。

図１を参照して下記で説明するように、マイクロレンズのこの線状アレイにより形作られるレーザラインの出力密度プロファイルは、マイクロレンズアレイに対する距離と共に変化する。線状のマイクロレンズアレイの直ぐ近くでは、それはシルクハットの形状にされている。それは、線状アレイからの距離があるほど形状がますます三角形になる。

それが三角形の形状を有する正確な距離（Ｄ）は、知られているように、以下の式により計算することができる。
Ｄ＝Ｎ×Ｆ
この式中のＮはマイクロレンズの数を表し、Ｆは各マイクロレンズの焦点距離を表すが、ただし、マイクロレンズアレイは、マイクロレンズアレイとシルクハット型の出力密度プロファイルを形成する収束レンズとの距離に比べて無視し得るサイズであるとする。

有利には、作業平面（基材）は、線状のマイクロレンズアレイからＤ±１５％、好ましくはＤ±５％に等しい距離に、理想的には正確に距離Ｄのところに配置される。

所定の距離Ｄで三角形の出力密度プロファイルを得るために適したマイクロレンズの線状アレイを上の式により選択することは、当業者にとって言うまでもなく可能でありかつ容易である。

本発明のモジュール式レーザ装置は、好ましくは少なくとも５個のモジュール、特に少なくとも１０個のモジュールを含む。

レーザモジュールは、作り出されたレーザラインが一緒になって全長が１．２ｍを超え、好ましくは２ｍを超え、特に３ｍを超える単一のレーザラインになるように並置するのが有利である。

３．２１ｍの幅を有する「特大」基材をレーザ処理することを目的とするなら、出力密度が実質的に一定のレーザラインの中央部分は、３．２０ｍと３．２２ｍの間に含まれる長さを有することが好ましい。

さらに、レーザモジュールは組み立てられて、作り出すレーザラインが基材又は作業平面を、基材の法線に対して好ましくは小さい角度で、典型的には２０°未満、好ましくは１０°未満の角度で横切るように、レーザ装置に搭載される。該装置は、レーザモジュールを固定したままで、処理すべき基材がモジュールの線状アレイの上方又は下方を、一般にレーザラインの主軸線に対して垂直方向に走行するように設計することができる。変形実施形態として、基材を固定したままで、レーザラインを基材上に投射しながら、レーザモジュールの線状アレイが基材の上方又は下方を走行するように装置を設計してもよい。

次に、本発明を添付の図面を参照して説明することにする。

三角形の出力密度プロファイルを有するレーザラインが得られることを可能にする光学系を示す説明用の模式図である。 シルクハット型形状を有する一体とされたプロファイルを得るために複数の三角形の出力密度プロファイルを組み合わせる方法を示す説明用の模式図である。

図１において、マイクロレンズの線状アレイ１と収束レンズ２との組合せが、後者の焦点面４においてシルクハット型の出力密度プロファイルＡを有するレーザラインを生じさせる。マイクロレンズの第２の線状のアレイ３が、収束レンズ２の焦点面４に正確に配置されている。線状アレイ３のマイクロレンズの各々は、最初は収束し、次に焦点を越えて発散するビームを生じさせる。マイクロレンズの線状アレイの両端に位置する２つのマイクロレンズのビームは、点５で交差する。２つの最も外側のビームが重なるレーザラインのこの点５は、マイクロレンズの線状アレイ３に平行な直線状のライン６上に位置しており、そこではレーザラインの出力密度プロファイルは三角形のプロファイルＢを有する。この直線状のライン６は、マイクロレンズの線状アレイ３から距離Ｄのところにある。処理すべき基材（図示せず）は、直線状のライン６が当該基材の平面に位置するように配置しなければならない。Ｄより大きい距離Ｄ’のところで、出力密度プロファイルＣの形状は再びシルクハットのそれに近づく。

マイクロレンズの第１の線状アレイ１、収束レンズ２、そして収束レンズ２の焦点面に配置されるマイクロレンズの第２の線状アレイ３を含む、レーザラインを形作るための手段は、マイクロレンズの線状アレイ１の１個又は２個以上のマイクロレンズの後方に配置された１つ又は２つ以上の個々のレーザ光源が故障した場合に、照射強度の均一性の切れ目から系を保護する。具体的に言えば、モジュールの全てのレーザ光源から発生する光を収束レンズ２で混合して、その後マイクロレンズのアレイ３によりラインを形作る。マイクロレンズの第１の線状アレイのマイクロレンズの後方に配置されたレーザダイオードの故障は、レーザラインの出力の低下をもたらすが、強度の均一性の切れ目は生じさせない。

図２は、本発明に従って並置された４個のモジュール（図示せず）により作り出された４つのレーザラインの出力密度プロファイル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを示している。これら４つのプロファイルは形状が同一である。各プロファイルは、最大出力密度２、最大出力密度の９０％のところで幅Ｌ₉₀、及び最大出力密度の１０％のところでの幅Ｌ₁₀を有する。破線のプロファイル３は、個々の三角形のプロファイルを足し合わせて得られた出力密度プロファイルに対応している。このプロファイルはシルクハット型の形状を有する。レーザモジュール（図示せず）は、総合プロファイル３の平坦部分において、プロファイルの点の各々が２つの隣接するレーザモジュールのプロファイルを足し合わせることで得られるように配置されている。
本発明の態様としては、以下を挙げることができる：
《態様１》
各々が作業平面においてレーザラインを作り出す複数のレーザモジュールを含むレーザ装置であり、前記レーザモジュールは該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって単一のレーザラインになるように配置されていて、該レーザモジュールの各々が、
・レーザラインを作り出すための少なくとも１つの手段、及び、
・前記レーザラインを形作るための手段、
を含むレーザ装置であって、前記レーザラインを形作るための手段が、各レーザモジュールにより作り出された最終のレーザラインが前記作業平面において、最大出力密度の９０％のところでの幅（Ｌ ₉₀ ）と最大出力密度の１０％のところでの幅（Ｌ ₁₀ ）とを有し、Ｌ ₉₀ ／Ｌ ₁₀ 比が１／１５と１／５の間に含まれる出力密度プロファイルを有するように、マイクロレンズの第１の線状アレイ（１）、収束レンズ（２）、及び該収束レンズ（２）の焦点面に配置されたマイクロレンズの第２の線状アレイ（３）を含んでおり、前記レーザモジュールが、当該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって１．２ｍを超える全長を有する単一のレーザラインになるように並置されていることを特徴とするレーザ装置。
《態様２》
Ｌ ₉₀ ／Ｌ ₁₀ 比が１／１２と１／７の間、好ましくは１／１０と１／８の間に含まれることを特徴とする、態様１に記載のレーザ装置。
《態様３》
各レーザモジュールにより作り出された最終のレーザラインが、当該レーザラインの中央に最大出力密度があり、出力密度が当該ラインの中央から両端へと減少し、その減少の勾配が同じＬ ₁₀ 及びＬ ₉₀ の完全に三角形のプロファイルの勾配と最大で２０％、好ましくは最大で１０％だけ異なる出力密度プロファイルを、前記作業平面において有することを特徴とする、態様１又は２に記載のレーザ装置。
《態様４》
前記レーザモジュールが、全ての個々の出力密度プロファイルの総計から得られる一体とされたレーザラインの出力密度プロファイルが、当該装置の一体とされたレーザラインの全長の少なくとも９０％に相当する中央領域を有するシルクハット型プロファイルであり、その領域において出力密度が最大で１０％、好ましくは最大で５％、特に有利には最大で１％だけ変動するように並置されていることを特徴とする、態様１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
《態様５》
前記レーザモジュールが、レーザモジュールにより作り出されたレーザラインの各端部が隣接するモジュールにより作り出されたレーザラインの中央の直ぐ近くに位置するようにして並置されていることを特徴とする、態様１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
《態様６》
少なくとも５個のモジュール、好ましくは少なくとも１０個のモジュールを含むことを特徴とする、態様１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
《態様７》
前記レーザモジュールが、当該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって２ｍを超える、特に３ｍを超える全長を有する単一のレーザラインになるように並置されていることを特徴とする、態様１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

Claims (7)

1. 各々が作業平面においてレーザラインを作り出す複数のレーザモジュールを含むレーザ装置であり、前記レーザモジュールは該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって単一のレーザラインになるように配置されていて、該レーザモジュールの各々が、
   ・レーザラインを作り出すための少なくとも１つの手段、及び、
   ・前記レーザラインを形作るための手段、
   を含むレーザ装置であって、前記レーザラインを形作るための手段が、各レーザモジュールにより作り出された最終のレーザラインが前記作業平面において、最大出力密度の９０％のところでの幅（Ｌ₉₀）と最大出力密度の１０％のところでの幅（Ｌ₁₀）とを有し、Ｌ₉₀／Ｌ₁₀比が１／１５と１／５の間に含まれる出力密度プロファイルを有するように、マイクロレンズの第１の線状アレイ（１）、収束レンズ（２）、及び該収束レンズ（２）の焦点面に配置されたマイクロレンズの第２の線状アレイ（３）を含んでおり、前記レーザモジュールが、当該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって１．２ｍを超える全長を有する単一のレーザラインになるように並置されていることを特徴とするレーザ装置。
2. Ｌ₉₀／Ｌ₁₀比が１／１２と１／７の間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載のレーザ装置。
3. 各レーザモジュールにより作り出された最終のレーザラインが、当該レーザラインの中央に最大出力密度があり、出力密度が当該ラインの中央から両端へと減少し、その減少の勾配が同じＬ₁₀及びＬ₉₀の完全に三角形のプロファイルの勾配と最大で２０％だけ異なる出力密度プロファイルを、前記作業平面において有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記レーザモジュールが、全ての個々の出力密度プロファイルの総計から得られる一体とされたレーザラインの出力密度プロファイルが、当該装置の一体とされたレーザラインの全長の少なくとも９０％に相当する中央領域を有するシルクハット型プロファイルであり、その領域において出力密度が最大で１０％だけ変動するように並置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ装置。
5. 前記レーザモジュールが、レーザモジュールにより作り出されたレーザラインの各端部が隣接するモジュールにより作り出されたレーザラインの中央の直ぐ近くに位置するようにして並置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 少なくとも５個のモジュールを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。
7. 前記レーザモジュールが、当該モジュールにより作り出されたレーザラインが一緒になって２ｍを超える全長を有する単一のレーザラインになるように並置されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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