JP7488330B2 - ビーム分岐装置及び分岐比調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームを分岐させるビーム分岐装置及び分岐比調整方法に関する。

レーザ加工の効率を高めるために、レーザ発振器から出力されたパルスレーザビームの１つのパルスから２つのパルスを切り出して２本のレーザビームで加工を行う２軸レーザ加工装置が公知である（例えば、下記の特許文献１参照）。特許文献１に開示されたレーザ加工装置においては、パルスレーザビームの１つのパルスが、音響光学素子により時間軸上で２つのパルスに分離され、２つのパルスがそれぞれ異なる光路を伝搬する。音響光学素子は、１つのパルスから加工用のパルスを切り出す機能と、１本の光路を２本の光路に分岐させる機能とを持つ。

特開２０１３－７１１３６号公報

音響光学素子により分岐された２本の光路のなす角度は小さい。このため、分岐後の２本の光路に配置すべき光学部品が空間的に干渉しやすくなり、光学部品を配置する位置が制約を受ける。音響光学素子に代えて、レーザビームを偏光方向に応じて２本の経路に分岐させる偏光ビームスプリッタを用いることにより、１本の光路を２本の光路に分岐させることが可能である。

偏光ビームスプリッタの製造ばらつきにより、レーザビームの分岐比が個体間でばらつく。分岐された２本のレーザビームの強度を目標の値に設定するためには、偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの偏光方向を微調整して、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との強度比を微調整しなければならない。ブリュースターウィンドウを用いてＰ偏光成分とＳ偏光成分との強度比を調整することができる。Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との強度比の調整のためのみにレーザビームの光路にブリュースターウィンドウを挿入すると、光学部品の個数が増加してしまう。増加した光学部品は、レーザビームの収束発散に、熱レンズ効果等の種々の悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、レーザビームの光路に挿入される光学部品の個数を増加させることなく、偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの偏光方向を微調整することが可能なビーム分岐装置及び分岐比調整方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
直線偏光されたレーザビームを分岐させる偏光ビームスプリッタと、
入射するレーザビームを前記偏光ビームスプリッタまで導光する偏光方向調整光学系と
を有し、
前記偏光方向調整光学系は、
前記偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの経路上に、レーザビームの伝搬方向に順番に配置された第１反射鏡、第２反射鏡、及び第３反射鏡と、
前記第１反射鏡への入射光の偏光面と、前記第１反射鏡で反射された反射光の光軸とのなす角度を変化させる方向にあおり調整可能に前記第１反射鏡を支持する第１調整機構と、
前記第１調整機構によって前記第１反射鏡の姿勢を変化させたときに、前記第１反射鏡の反射光が前記第２反射鏡に入射する状態、及び前記第２反射鏡の反射光が前記第３反射鏡に入射する状態を維持させる方向に、移動可能にかつあおり調整可能に前記第２反射鏡を支持する第２調整機構と
を有するビーム分岐装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
直線偏光されたレーザビームを、偏光方向に応じて分岐比を変えて分岐させる偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの経路上に、レーザビームの伝搬方向に順番に第１反射鏡、第２反射鏡、及び第３反射鏡を配置し、
前記第１反射鏡への入射光の偏光面と、前記第１反射鏡で反射された反射光の光軸とのなす角度を変化させる方向に前記第１反射鏡のあおり調整を行い、
前記第２反射鏡の移動及びあおり調整を行うことにより、前記第１反射鏡の姿勢を変化させた後も、前記第１反射鏡の反射光が前記第２反射鏡に入射する状態、及び前記第２反射鏡の反射光が前記第３反射鏡に入射する状態を維持する分岐比調整方法が提供される。

第１反射鏡のあおり調整、及び第２反射鏡の移動及びあおり調整を行うことにより、光学部品の個数を増加させることなく、偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの偏光方向を調整することができる。

図１は、一実施例によるビーム分岐装置の概略斜視図である。 図２Ａは、ビーム分岐装置の各光学部品の配置及びレーザビームの光軸の位置関係を示す概略平面図であり、図２Ｂは、各光学部品の配置及びレーザビームの光軸の位置関係を示す概略側面図である。 図３は、第２調整機構の概略正面図である。 図４は、図１～図３に示した実施例の変形例によるレーザ加工装置の概略図である。 図５は、他の実施例による偏光方向調整光学系の第１反射鏡、第２反射鏡、及び第３反射鏡の位置関係を示す概略図である。

図１～図３を参照して、一実施例によるビーム分岐装置について説明する。
図１は、一実施例によるビーム分岐装置の概略斜視図である。光学定盤１０の上に、レーザ光源２０、偏光方向調整光学系３０、及び偏光ビームスプリッタ４０が支持されている。偏光方向調整光学系３０は、第１反射鏡３１、第２反射鏡３２、第３反射鏡３３、第１調整機構３６、及び第２調整機構３７を含む。光学定盤１０の上面をｘｙ面とし、光学定盤１０の上面の法線方向をｚ軸方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。例えば、ｘｙ面が水平面であり、ｚ軸が鉛直上方を向く。

図２Ａは、各光学部品の配置及びレーザビームの光軸の位置関係を示す概略平面図であり、図２Ｂは、ｘ軸に沿って見たときの各光学部品の配置及びレーザビームの光軸の位置関係を示す概略側面図である。以下の説明では、図１を参照しつつ、必要に応じて図２Ａ及び図２Ｂを参照する。

レーザ光源２０は、直線偏光されたレーザビームを出力する。レーザ光源２０から出力されたレーザビームの光軸は、光学定盤１０の上面に対して平行である。例えば、レーザ光源２０から出力されたレーザビームの光軸はｘｙ面に平行であり、レーザビームはｘ軸の負の向きに伝搬する。本明細書において、ｘｙ面を基準平面という。このレーザビームの偏光方向ＰＤはｙ軸に平行である。すなわち、偏光面はｘｙ面に平行である。レーザ光源２０から出力されたレーザビームは、第１反射鏡３１、第２反射鏡３２、及び第３反射鏡３３で順番に反射されて偏光ビームスプリッタ４０に入射する。

第１反射鏡３１は、入射するレーザビーム（以下、入射光という。）の偏光面、及び入射光の光軸を含み偏光面に対して直交する平面のいずれに対しても、反射したレーザビーム（以下、反射光という。）の光軸が斜めになる方向にレーザビームを反射する。例えば、第１反射鏡３１による反射光の光軸は、基準平面（ｘｙ面）及びｚｘ面のいずれに対しても斜めである（図２Ｂ参照）。また、第１反射鏡３１の反射光の光軸は、入射光の光軸に対して直交する。すなわち、第１反射鏡３１の反射光の光軸はｙｚ面に平行である（図２Ａ参照）。

第１調整機構３６は、第１反射鏡３１への入射光の偏光面と、第１反射鏡３１で反射された反射光の光軸とのなす角度を変化させる方向に、あおり調整可能に第１反射鏡３１を支持する（図２Ｂ参照）。第１反射鏡３１のあおり調整を行うと、第１反射鏡３１による反射光の光軸は、ｙｚ面に平行な面内で変化し、基準平面（ｘｙ面）からの傾斜角（以下、仰角θという。）が変化する。

第２反射鏡３２による反射光の光軸は、基準平面（ｘｙ面）に対して垂直である（図２Ｂ参照）。第２調整機構３７は、第１反射鏡３１のあおり調整を行っても、第１反射鏡３１の反射光が第２反射鏡３２に入射する状態、及び第２反射鏡３２の反射光が第３反射鏡３３に入射する状態を維持する方向に移動可能に、かつあおり調整可能に第２反射鏡３２を支持する（図２Ｂ参照）。第２反射鏡３２が移動しても、第２反射鏡３２の反射光の光軸のｘｙ面内における位置は変化しない。

第３反射鏡３３は、光学定盤１０に固定されている。第３反射鏡３３の反射光の光軸は基準平面（ｘｙ面）に対して平行であり、反射光はｘ軸の正の向きに伝搬する（図２Ａ参照）。すなわち、第３反射鏡３３の反射光の伝搬方向は、第１反射鏡３１の入射光の伝搬方向と反平行である。第３反射鏡３３の反射光が偏光ビームスプリッタ４０に入射する。第３反射鏡３３の反射光の偏光方向ＰＤは、仰角θ（図２Ｂ参照）に応じてｘｙ面に対して傾く。例えば、仰角θが４５°のとき、第３反射鏡３３の反射光の偏光面は、ｘｙ面に対して４５°傾斜する。

偏光ビームスプリッタ４０は、入射するレーザビームを、ｘ軸に平行な光路及びｚ軸に平行な光路の２つの光路に分岐させる。分岐比は、入射するレーザビームの偏光方向に依存する。第３反射鏡３３の反射光の偏光面が、ｘｙ面に対して４５°傾斜しているとき、偏光ビームスプリッタ４０によるレーザビームの分岐比はほぼ１対１になる。

図３は、第２調整機構３７の概略正面図である。光学定盤１０に支持部材５１が固定されている。支持部材５１は、ｙｚ面に平行な案内面を有する。支持部材５１の案内面に、昇降部材５３及び位置決めブロック５２が、ｚ軸方向に移動可能に取り付けられている。例えば、位置決めブロック５２は、ｚ軸方向に長い長孔５５を通して支持部材５１にネジ止めされる。昇降部材５３は、ｚ軸方向に長い複数の長孔５６を通して支持部材５１にネジ止めされる。昇降部材５３の位置決め時には、まず位置決めブロック５２を支持部材５１に固定し、昇降部材５３の下方を向く面を位置決めブロック５２の上方を向く面に接触させる。

昇降部材５３にミラーホルダ５４が取り付けられている。ミラーホルダ５４に、第２反射鏡３２があおり調整可能に支持されている。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、第１調整機構３６によって第１反射鏡３１のあおり調整を行い、仰角θ（図２Ｂ）を調整することにより、偏光ビームスプリッタ４０に入射するレーザビームの偏光方向を調整することができる。すなわち、偏光ビームスプリッタ４０に対するＰ偏光成分とＳ偏光成分の強度比を調整することができる。これにより、偏光ビームスプリッタ４０の製造上のばらつきによる分岐比の個体差を吸収し、分岐された２本のレーザビームの強度を同一にすることができる。

次に、第１反射鏡３１のあおり調整の範囲、及び第２反射鏡３２のｘ軸方向の移動範囲について説明する。第１反射鏡３１のあおり調整の範囲は、偏光ビームスプリッタ４０の分岐比の個体間のばらつきの大きさに依存して設定するとよい。第１反射鏡３１のあおり調整の範囲を大きくすれば、偏光ビームスプリッタ４０の分岐比の個体間の、より大きなばらつきに対応することが可能である。例えば、一般的な偏光ビームスプリッタ４０の分岐比の個体間の通常のばらつきに対応できるようにするために、仰角θ（図２Ｂ）の調整可能範囲が４５°±１°の範囲を含むように、第１反射鏡３１のあおり調整の範囲を設定するとよい。

仰角θの調整可能範囲は、偏光ビームスプリッタ４０の分岐比の個体間のばらつきを吸収できれば十分であり、過度に大きくする必要はない。仰角θ（図２Ｂ）の調性可能範囲を大きくすると、第１反射鏡３１の反射光が第２反射鏡３２に入射する状態を維持するために、第２反射鏡３２の移動可能範囲を大きくしなければならなくなる。すなわち、第２反射鏡３２を移動可能に支持する支持部材５１やミラーホルダ５４（図３）による調整可能範囲を大きくしなければならなくなる。第２反射鏡３２の移動可能範囲を大きくし過ぎると、支持部材５１やミラーホルダ５４による対応が困難になる。このため、仰角θを４５°±５°の範囲内で調整できるように、第１反射鏡３１のあおり調整の範囲を設定するとよい。

第１反射鏡３１の入射光の光軸と、第３反射鏡３３の反射光の光軸との間隔をＬと表記すると、第３反射鏡３３から第２反射鏡３２までの高さはＬ×ｔａｎθになる。仰角θを４５°±５°の範囲で調整できるようにした場合、第２反射鏡３２の高さを、Ｌ×ｔａｎ４０°からＬ×ｔａｎ５０°の範囲内で移動可能にすればよい。この範囲で第２反射鏡３２を移動可能にすれば、第１反射鏡３１のあおり調整を行っても、第１反射鏡３１の反射光が第２反射鏡３２に入射する状態を維持することができる。一例として、間隔Ｌが１４３ｍｍの場合、第３反射鏡３３から第２反射鏡３２までの高さを、１２０．０ｍｍ以上１７０．４ｍｍ以下の範囲で調整可能にするとよい。

また、上記実施例で用いられている第１反射鏡３１、第２反射鏡３２、及び第３反射鏡３３は、一般的に、レーザ光源２０から出力されたレーザビームの偏光方向を４５°旋回させるために必要な光学部品である。上記実施例では、偏光方向を微調整するための専用の光学部品、例えばブリュースターウィンドウ等をレーザビームの光軸上に追加配置することなく、偏光方向を微調整することが可能である。このため、光学部品点数が増加することによるレーザビームの収束発散への影響等を低減することができる。

また、上記実施例では、第１反射鏡３１のあおり調整を行って仰角θ（図２Ｂ）を変化させても、第２反射鏡３２と第３反射鏡３３との間のレーザビームの光軸はｘｙ面内方向に移動しない。このため、偏光方向の調整時に、第３反射鏡３３の位置調整やあおり調整を行う必要はない。さらに、第１反射鏡３１のあおり調整を行っても、レーザ光源２０から出力されたレーザビームの光軸と、偏光ビームスプリッタ４０に入射するレーザビームの光軸との間隔は不変である。したがって、偏光方向の調整を行っても、レーザ光源２０と偏光ビームスプリッタ４０との相対位置関係を調整する必要はない。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、レーザ光源２０から出力されたレーザビームの偏光方向がｙ軸方向と平行であるが、ｚ軸方向と平行であってもよい。また、上記実施例では、レーザ光源２０から出力されたレーザビームの伝搬方向と、偏光ビームスプリッタ４０に入射するレーザビームの伝搬方向が反平行であるが、両者は平行であってもよい。

上記実施例では、偏光ビームスプリッタ４０で反射されたレーザビームの光軸をｚ軸に平行にしているが、ｙ軸に平行にしてもよい。また、上記実施例では、第１反射鏡３１の反射光の光軸をｙｚ面内で変化させているが、ｘ軸に対して傾いた平面内で変化させてもよい。

次に、図４を参照して、他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図４は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。光学定盤１０の上面に、レーザ光源２０、偏光方向調整光学系３０、偏光ビームスプリッタ４０、及び折り返しミラー２３が支持されている。なお、必要に応じて、レーザビームのビーム径や発散収束を調整する光学部品、例えばアパーチャ、ビームエキスパンダ等が配置される。レーザ光源２０から出力されたレーザビームが偏光方向調整光学系３０により、偏光方向を調整されて、偏光ビームスプリッタ４０に入射する。偏光方向調整光学系３０として、図１～図３に示した実施例による偏光方向調整光学系３０が用いられる。

偏光方向調整光学系３０で偏光方向が調整されたレーザビームが、偏光ビームスプリッタ４０によって二分岐される。偏光ビームスプリッタ４０で反射されたレーザビームは、光学定盤１０に設けられた開口を通って、光学定盤１０の下に配置されたビーム走査器２４Ａに入射する。偏光ビームスプリッタ４０を直進したレーザビームは、折り返しミラー２３によって下方に反射され、光学定盤１０に設けられた開口を通って、光学定盤１０の下に配置されたビーム走査器２４Ｂに入射する。

ビーム走査器２４Ａ、２４Ｂで走査されたレーザビームは、それぞれ集光レンズ２５Ａ、２５Ｂを通って加工対象物６０Ａ、６０Ｂに入射する。加工対象物６０Ａ、６０Ｂは、例えばプリント配線基板であり、レーザビームの入射によって穴明け加工が行われる。

加工対象物６０Ａ、６０Ｂは、移動機構７０により、基板面内方向に移動可能に保持されている。移動機構７０に、パワーメータ２６が取り付けられている。２本のレーザビームのうち一方のレーザビームをパワーメータ２６に入射させることにより、レーザビームのパワーを測定することができる。制御装置７１が、レーザ光源２０、ビーム走査器２４Ａ、２４Ｂ、及び移動機構７０を制御する。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
パワーメータ２６で２本のレーザビームのそれぞれのパワーを計測しながら、偏光方向調整光学系３０によって偏光ビームスプリッタ４０に入射するレーザビームの偏光方向を調整することにより、２本のレーザビームのパワーを等しくすることができる。偏光方向調整光学系３０として、図１～図３に示した実施例による偏光方向調整光学系３０が用いられているため、偏光方向を微調整するための専用の光学部品、例えばブリュースターウィンドウ等をレーザビームの光軸上に配置することなく、偏光方向を微調整することが可能である。

次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では１つのパワーメータ２６で２本のレーザビームのそれぞれのパワーを計測する構成をしているが、一変形例として、移動機構７０に２つのパワーメータを取り付けてもよい。２つのパワーメータを取り付けると、２本のレーザビームのパワーを同時に計測することができる。このため、２本のレーザビームのパワーを等しくするための偏光方向調整光学系３０の調整が容易になるという効果が得られる。

次に、図５を参照して、さらに他の実施例による偏光方向調整光学系について説明する。以下、図１～図３に示した実施例による偏光方向調整光学系３０と共通の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例による偏光方向調整光学系３０の第１反射鏡３１、第２反射鏡３２、及び第３反射鏡３３の位置関係を示す概略図である。図２Ｂに示した実施例では、第２反射鏡３２の移動方向がｚ軸に平行である。このため、第１反射鏡３１のあおり調整を行うと、第１反射鏡３１と第２反射鏡３２との間の光路長、及び第２反射鏡３２と第３反射鏡３３との間の光路長との両方が変化する。これに対して本実施例では、第１反射鏡３１のあおり調整時に、第３反射鏡３３のレーザビームの入射点を中心とした円弧３８に沿って第２反射鏡３２が移動する。このため、偏光方向の調整を行っても、第２反射鏡３２と第３反射鏡３３との間の光路長は変化せず、第１反射鏡３１と第２反射鏡３２との間の光路長のみが変化する。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１～図３に示した実施例と同様に、偏光方向を微調整するための専用の光学部品、例えばブリュースターウィンドウ等をレーザビームの光軸上に配置することなく、偏光方向を微調整することが可能である。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、第１反射鏡３１のあおり調整を行う際に、第２反射鏡３２と第３反射鏡３３との間の光路長を変化させず、第１反射鏡３１と第２反射鏡３２との間の光路長を変化させている。その逆に、第１反射鏡３１と第２反射鏡３２との間の光路長を変化させず、第２反射鏡３２と第３反射鏡３３との間の光路長を変化させる構成としてもよい。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 光学定盤
２０ レーザ光源
２３ 折り返しミラー
２４Ａ、２４Ｂ ビーム走査器
２５Ａ、２５Ｂ 集光レンズ
２６ パワーメータ
３０ 偏光方向調整光学系
３１ 第１反射鏡
３２ 第２反射鏡
３３ 第３反射鏡
３６ 第１調整機構
３７ 第２調整機構
３８ 円弧
４０ 偏光ビームスプリッタ
５１ 支持部材
５２ 位置決めブロック
５３ 昇降部材
５４ ミラーホルダ
５５、５６ 長孔
６０Ａ、６０Ｂ 加工対象物
７０ 移動機構
７１ 制御装置

Claims (8)

1. 直線偏光されたレーザビームを分岐させる偏光ビームスプリッタと、
   入射するレーザビームを前記偏光ビームスプリッタまで導光する偏光方向調整光学系と
   を有し、
   前記偏光方向調整光学系は、
   前記偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの経路上に、レーザビームの伝搬方向に順番に配置された第１反射鏡、第２反射鏡、及び第３反射鏡と、
   前記第１反射鏡への入射光の偏光面と、前記第１反射鏡で反射された反射光の光軸とのなす角度を変化させる方向にあおり調整可能に前記第１反射鏡を支持する第１調整機構と、
   前記第１調整機構によって前記第１反射鏡の姿勢を変化させたときに、前記第１反射鏡の反射光が前記第２反射鏡に入射する状態、及び前記第２反射鏡の反射光が前記第３反射鏡に入射する状態を維持させる方向に、移動可能にかつあおり調整可能に前記第２反射鏡を支持する第２調整機構と
   を有するビーム分岐装置。
2. 前記第１調整機構は、前記第１反射鏡への入射光の光軸に対して垂直な平面内で反射光の光軸を変化させる方向にあおり調整可能に前記第１反射鏡を支持し、
   前記第２調整機構は、前記第１反射鏡から前記第２反射鏡までの光路長、及び前記第２反射鏡から前記第３反射鏡までの光路長の少なくとも一方を変化させる方向に移動可能にかつあおり調整可能に前記第２反射鏡を支持する請求項１に記載のビーム分岐装置。
3. 前記第１反射鏡への入射光の光軸と、前記第３反射鏡の反射光の光軸とは、基準平面に対して平行である請求項１または２に記載のビーム分岐装置。
4. 前記第２反射鏡から前記第３反射鏡までのレーザビームの光軸が、前記基準平面に対して垂直であり、
   前記第２調整機構は、前記基準平面に対して直交する方向に移動可能に前記第２反射鏡を支持する請求項３に記載のビーム分岐装置。
5. 直線偏光されたレーザビームを、偏光方向に応じて分岐比を変えて分岐させる偏光ビームスプリッタに入射するレーザビームの経路上に、レーザビームの伝搬方向に順番に第１反射鏡、第２反射鏡、及び第３反射鏡を配置し、
   前記第１反射鏡への入射光の偏光面と、前記第１反射鏡で反射された反射光の光軸とのなす角度を変化させる方向に前記第１反射鏡のあおり調整を行い、
   前記第２反射鏡の移動及びあおり調整を行うことにより、前記第１反射鏡の姿勢を変化させた後も、前記第１反射鏡の反射光が前記第２反射鏡に入射する状態、及び前記第２反射鏡の反射光が前記第３反射鏡に入射する状態を維持する分岐比調整方法。
6. 前記第１反射鏡のあおり調整を行う際に、前記第１反射鏡への入射光の光軸に対して垂直な平面内で反射光の光軸を変化させ、
   前記第２反射鏡の移動及びあおり調整を行う際に、前記第１反射鏡から前記第２反射鏡までの光路長、及び前記第２反射鏡から前記第３反射鏡までの光路長の少なくとも一方を変化させる請求項５に記載の分岐比調整方法。
7. 前記第１反射鏡への入射光の光軸と、前記第３反射鏡の反射光の光軸とは、基準平面に対して平行である請求項５または６に記載の分岐比調整方法。
8. 前記第２反射鏡から前記第３反射鏡までのレーザビームの光軸が、前記基準平面に対して垂直であり、
   前記第２反射鏡の位置及び姿勢を変化させる際に、前記第２反射鏡を前記基準平面に対して直交する方向に移動させる請求項７に記載の分岐比調整方法。
   

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