JPH08338962A - ビームホモジナイザ及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 カライドスコープのように筒状の構造を持
つことがなく、任意の縦横比の方形レーザスポットを形
成できるビームホモジナイザを提供すること。 【構成】 本発明のビームホモジナイザは、反射面を
対向させて設けられる第一のミラ−対３及び第二のミラ
ー対４に対しそれぞれ第一の駆動系７、第二の駆動系８
を設け、それぞれのミラー対に対応させたシリンドリカ
ルレンズからなる集光手段たるレンズ１、レンズ２及び
結像手段たるレンズ５、レンズ６を一光軸上に配置して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光束の進行方向に垂直な
断面内における光強度分布を均一にするホモジナイザ、
及びそれを備えたレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工装置は従来の加工機に比して
自動化に適しておりメンテナンス性も良いことから、切
断・計測・熱処理・印刷などの様々な用途に応用されて
用いられている。これらレーザ加工装置では、そこで用
いられているレーザ発振器から出射されるレーザ光が被
加工物に照射されるとき、照射された部位における光強
度分布は必ずしも均一でない。したがって、例えば非晶
質シリコンのアニール処理等にレーザ光を用いようとす
る場合には、このレーザ光が被加工物上に形成するレー
ザスポット内の光強度分布を均一にする手段を講じる必
要がある。この均一化の手段として、内面が一様な反射
膜等で形成された反射部材で構成されている中空の角柱
状の光学部品であるカライドスコープに入射レンズや結
像レンズを組み合わせてなるビームホモジナイザを用い
る事がある。

【０００３】従来用いられていたビームホモジナイザの
構成を図を用いて説明する。図２に示すビームホモジナ
イザは入射レンズ１０とカライドスコープ１１と結像レ
ンズ１２とから構成されている。レーザ発振器から出射
したレーザ光を入射レンズに入射させる。入射レンズに
よって集光された光束をカライドスコープの一端に入射
させる。入射された光束はカライドスコープ内で幾度も
反射を繰り返しながら進行して他端から出射される。こ
のとき出射される光束の光強度分布は均一化されてい
る。この光束を結像レンズによって任意の倍率で被加工
物上に結像させることによって被加工物上に形成される
レーザスポット内の光強度分布が均一となり品質の良い
加工を行うことができる。被加工物上に結像されるレー
ザスポットの形状は、用いるカライドスコープの光束が
出射される開口の形状によって決定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成の従来のビームホモジナイザでは、以下に述べ
るような問題点が発生してくる。カライドスコープは筒
状の光学部品であり、この筒の内部には一様な反射膜が
形成されている。カライドスコープに入射する光はこの
反射膜によって幾度かの反射を繰り返しつつ進行するこ
とによって光強度の均一化が成されるのであるから、こ
の反射膜の品質がカライドスコープの品質に大きく影響
を及ぼす。しかし、何らかの部材によって筒を形成し、
その後この筒内部に一様な反射膜を形成するということ
は現在一般に用いられる技術水準では非常に困難なこと
である。

【０００５】また、カライドスコープを通過した光束の
形状や大きさはカライドスコープに設けられた開口の形
状や大きさによって決定される。一般に工場で生産され
る工業製品のうち類似の製品は同じ製造ラインの上で生
産されている。このような多品種製造ライン上において
は、それぞれの品種に適した加工条件に加工装置を調整
する必要がある。これはレーザ加工装置においても同様
であり、レーザ加工装置によって被加工物上に形成され
るレーザスポットの形状や大きさをそれぞれの製品につ
いて最適化したい場合がある。しかし、これまでのカラ
イドスコープを用いたビームホモジナイザではレーザス
ポットの形状や大きさを変更する際に、その形状に対応
したカライドスコープに交換する必要があるため複数の
異なる仕様のカライドスコープが必要となるという事が
あり、新規に製造ラインに組み込まれた製品に対して、
これに対応したカライドスコープを用意しなければなら
ないという問題があった。

【０００６】本発明は上記のような技術的課題を解決す
るために、カライドスコープのように固定された筒状の
構造を持つことがなく、矩形レーザスポットの縦横比の
設定が容易なビームホモジナイザ及びこのビームホモジ
ナイザを備えたレーザ加工装置を提供することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第一の発明は、レーザ発
振器から出射されるレーザ光を受光し集光させる集光手
段と、反射面を互いに対向させてなり、一端において前
記集光手段により集光された光束を受光し、他端からこ
の光束を出射するミラー対と、前記ミラー対から出射し
た光束を受光し、この光束を集光する結像手段と、前記
ミラー対の前記反射面の間の距離を調整するミラー駆動
系と、を具備することを特徴とするビームホモジナイザ
である。

【０００８】第二の発明は、上記ビームホモジナイザが
同一光路上に複数個組み合わされてなることを特徴とす
る複合型ビームホモジナイザである。第三の発明は、レ
ーザ発振器から出射されるレーザ光を受光し第一の方向
に集光させる第一の集光手段と、前記レーザ光を受光し
前記第一の方向に垂直な方向である第二の方向に集光さ
せる第二の集光手段と、前記第一の集光手段によって集
光された前記レーザ光を受光する反射面を互いに対向さ
せてなる第一のミラー対と、前記第二の集光手段によっ
て集光された前記レーザ光を受光する反射面を互いに対
向させてなる第二のミラー対と、前記第一のミラー対か
ら出射された光を受光し、結像させる第一の結像手段
と、前記第二のミラー対から出射された光を受光し、結
像させる第二の結像手段と、を同一光路上に備え、前記
第一のミラー対及び前記第二のミラー対の前記反射面の
間の距離を調整するミラー駆動系、を具備することを特
徴とするビームホモジナイザである。第四の発明は、上
記したいずれかのビームホモジナイザを備えたことを特
徴とするレーザ加工装置である。

【０００９】

【作用】本発明のビームホモジナイザは上記のような構
成により以下の作用を奏する。 第一の発明はレーザ
発振器から出射されたレーザ光が集光手段に入射し、ミ
ラー対の一端に向けて集光される。ミラー対に入射した
光は対向して設けられる反射面によって幾度も反射を繰
り返されながら進行し、ミラー対の他端から出射する。
この出射光を結像手段によって被加工物上に結像するこ
とにより光強度分布が均一化されたレーザスポットを形
成する事ができる。レーザスポットのプロファイルはミ
ラー対を成す反射面間の距離を変化させる事により変形
させることが可能である。ミラー対には反射面間の距離
を調整するためのミラー駆動系が設けられているから、
これを用いてミラー対の反射面の間隔を変化させる。

【００１０】第二の発明は、上記したビームホモジナイ
ザを一光軸上に複数設け、これらに対してレーザ光を入
射させる。入射した光はミラー対の対向方向にのみ均一
化される。また、出射する光はミラー対の配置によって
決まる形状に整形される。したがって本発明によって結
像されるレーザスポットは、単一のミラー対を用いた場
合に比してレーザスポット内全域にわたり強度分布が均
一化されている。ミラー対の各々にはミラー駆動系が設
けられているからレーザスポットの形状や大きさを変形
させることができる。

【００１１】第三の発明は、外部光源から出射される光
が第一の集光手段及び第二の集光手段によりそれぞれに
対応する第一のミラー対及び第二のミラー対の受光部分
に対して集光される。ミラー対の一端から入射した光が
ミラー対内部で反射を繰り返され、強度分布を均一にさ
れてミラー対の他端から出射する。この出射された光を
第一の結像手段及び第二の結像手段により被加工物上に
結像する。第一のミラー対及び第二のミラー対に設けら
れるミラー駆動系によって上記ミラー対の反射面間の距
離を変化させる。

【００１２】第四の発明は、上記したようにビームホモ
ジナイザから出射される強度分布が均一化されたレーザ
光を被加工物上に照射する事により被加工物に対して加
工を行う。

【００１３】

【実施例】本発明のビームホモジナイザは入射する光に
対し、ミラー対の対向方向にのみこの光を均一化する。
第一の発明はミラー対を一組設けてなり、第二の発明は
ミラー対を複数設けてなる。一般にアレイレンズなどで
ラインビームを生成した場合、このラインビームの長さ
方向の光強度分布は均一である。しかしこのラインビー
ムの幅方向の光強度分布は均一でない。このように一方
向の強度分布のみ均一化させればよい場合には第一の発
明を用いる。一方、結像させるレーザスポットの形状を
多角形にして加工を行う場合がある。このような場合に
はミラー対の配置によってビームのプロファイルを決
め、同時にこのビームの断面内の均一化を行う。このと
き第二の発明を用いる。本実施例においては矩形のレー
ザスポットを得るビームホモジナイザについて記す。

【００１４】本発明を実施するための装置の構成例を図
を用いて説明する。図１に第三の発明のビームホモジナ
イザの模式構成図を示す。図１のビームホモジナイザは
図示せぬエキシマレーザレーザ装置から出射した２０ｍ
ｍ×１０ｍｍの矩形レーザ光を入射させる仕様として作
成した。図１中の点Ｘから点Ｙまでがビームホモジナイ
ザを成しており、点Ｙから点Ｚまでがビームホモジナイ
ザと被加工物との距離を表している。図１のビームホモ
ジナイザでは、点Ｘの位置には第一の集光手段たる口径
４５ｍｍのシリンドリカルレンズ１（以下、レンズ１）
が、点Ｘから１０ｍｍの位置には第二の集光手段たる口
径４５ｍｍのシリンドリカルレンズ２（以下、レンズ
２）が、レンズ２から６０ｍｍの位置には１００ｍｍの
長さの第一のミラー対３が、第一のミラー対３から５ｍ
ｍの位置には２９０ｍｍの長さの第二のミラー対４が、
第二のミラー対４から５ｍｍの位置には第二の結像手段
たる口径１１０ｍｍのシリンドリカルレンズ５（以下、
レンズ５）が、レンズ５から１４７．５ｍｍの位置には
第一の集光手段たる口径１１０ｍｍのシリンドリカルレ
ンズ６（以下、レンズ６）が、それぞれ一直線上に設け
られており、レンズ６から被加工物までの距離は１５
２．５ｍｍに固定されている。レンズ１及びレンズ２の
焦点距離はそれぞれ７０ｍｍ，１６５ｍｍであり、レン
ズ５及びレンズ６は被加工物に対して結像倍率が約１．
０倍となる位置に設けている。レンズ６については２０
ｍｍ程度の大きさでも十分に集光系として機能するが、
レンズ５とのバランスを考えて同じ大きさの１１０ｍｍ
としている。第一のミラー対及び第二のミラー対にはそ
れぞれ第一の駆動系７及び第二の駆動系８が設けられて
おり、それぞれ図示せぬ駆動系制御装置により制御され
る。本実施例の装置ではそれぞれ２．０〜５．０ｍｍの
範囲でミラー対の反射面間距離を変化させた。ミラー駆
動系は正確な位置決め精度を得る目的から、ウォームギ
アからなる駆動系を用いた。結像手段は結像倍率が等倍
になるように設けてあることから、ミラー対の反射面間
の距離と同じ大きさのレーザスポットが得ることができ
た。

【００１５】第三の発明のビームホモジナイザを組み込
んだレーザ加工装置を用いて液晶表示素子の非晶質シリ
コンのアニールを行った。面状の被加工物に対してアニ
ールを行う場合には、レーザスポットを照射したときの
ムラができる限り少ない方が好ましい。そのため長方形
のレーザスポットを用いて、この長方形の短辺方向にレ
ーザスポットを走査させることによりアニールを行う方
法がある。前述したように一つのライン上で複数種類の
製品を製造しなければならないために、異なる種類の部
品毎に長方形レーザスポットのサイズを変更するという
ことがある。しかし本発明ではビームホモジナイザの全
長を変化させることなくビームサイズのみを変化させる
ことが可能である事や、その際の集光手段や結像手段の
交換が不要であることなどもあり、本発明のビームホモ
ジナイザを組み込んだレーザ加工装置を用いることによ
り装置の調整時間が大きく短縮された。また加工の品質
も、カライドスコープを用いたときと比べて遜色のない
ものとなった。

【００１６】本実施例ではレンズのサイズや配置する位
置などを明記しているが、これら数値に限定される物で
はない。第一のミラー対３及び第二のミラー対４をなす
反射面がそれぞれ平行に設けられているが、角度をつけ
て設けてもよい。円状のレーザスポットを生成する場合
には凹面ミラーからなるミラー対を用いてもよい。また
本実施例のレーザ加工装置ではレーザアニールについて
記しているが、溶接や切断などレーザ加工全般にわたる
他の用途でも利用することができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明のビームホモジナイザ及びレーザ
加工装置は、カライドスコープのように筒状の構造を持
つことがなく、矩形レーザスポットの変形やサイズ変更
が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のビームホモジナイザの実施例を示す
模式構成図。

【図２】 従来のビームホモジナイザを示す模式図。

【符号の説明】

１…シリンドリカルレンズ（第一の集光手段） ２…シリンドリカルレンズ（第二の集光手段） ３…第一のミラー対 ４…第二のミラー対 ５…シリンドリカルレンズ（第一の結像手段） ６…シリンドリカルレンズ（第二の結像手段） ７…第一の駆動系 ８…第二の駆動系 ９…駆動系制御装置 １０…入射レンズ １１…カライドスコープ １２…結像レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器から出射されるレーザ光を受
   光し集光させる集光手段と、 反射面を互いに対向させてなり、一端において前記集光
   手段により集光された光束を受光し、他端からこの光束
   を出射するミラー対と、 前記ミラー対から出射した光束を受光し、この光束を集
   光する結像手段と、 前記ミラー対の前記反射面の間の距離を調整するミラー
   駆動系と、を具備することを特徴とするビームホモジナ
   イザ。
2. 【請求項２】請求項１記載のビームホモジナイザが同一
   光路上に複数個組み合わされてなることを特徴とする複
   合型ビームホモジナイザ。
3. 【請求項３】レーザ発振器から出射されるレーザ光を受
   光し第一の方向に集光させる第一の集光手段と、 前記レーザ光を受光し前記第一の方向に垂直な方向であ
   る第二の方向に集光させる第二の集光手段と、 前記第一の集光手段によって集光された前記レーザ光を
   受光する反射面を互いに対向させてなる第一のミラー対
   と、 前記第二の集光手段によって集光された前記レーザ光を
   受光する反射面を互いに対向させてなる第二のミラー対
   と、 前記第一のミラー対から出射された光を受光し、結像さ
   せる第一の結像手段と、 前記第二のミラー対から出射された光を受光し、結像さ
   せる第二の結像手段と、を同一光路上に備え、 前記第一のミラー対及び前記第二のミラー対の前記反射
   面の間の距離を調整するミラー駆動系、を具備すること
   を特徴とするビームホモジナイザ。
4. 【請求項４】請求項１、２または３記載のビームホモジ
   ナイザを備えたことを特徴とするレーザ加工装置。