JPH11145537A - レーザ光のパワー密度分布平坦化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光軸対称では無いレーザ光でも、レーザ光のパ
ワー密度分布を確実に、かつ自動的に平坦化可能なレー
ザ光のパワー密度分布平坦化装置を実現する。 【解決手段】レーザ発振器７から出力されたレーザ光１
は、偏光素子９により直線偏光に変換されビムサンプラ
１０で一部が結像レンズ４ａからカメラ１１に結像され
る。偏光素子９からのレーザ光のうちサンプラ１０を通
過したものは、液晶１２に入射する。制御部１３は検出
したレーザ光のパワー密度分布の非対称部分を反転させ
た形状の透過率パターンとなるように、液晶１２の透過
率を制御し、液晶１２に入射したレーザ光１は均一な密
度パターンとなる。したがって、液晶１２を通過し、マ
スク６の開口部を透過したレーザ光１が結像レンズ４に
よりワークピース５に照射された場合、かすれの無い、
均一なマーキングが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光束の進行
方向に垂直な面における光のパワー密度分布（空間分
布）を均一にする、レーザ光のパワー密度分布平坦化方
法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザ光のパワー密度平坦化技術
には、カライドスコープやフライアイレンズ等がある。
図９は、上述したカライドスコープを用いた場合のレー
ザ光のパワー密度分布平坦化装置（ホモジナイザ）の例
を概略的に示す図である。図９において、凸レンズ２を
通過したレーザ光１は、カライドスコープ３に入射し、
このカライドスコープ３内で多重反射されて、均一化さ
れる。そして、均一化されたレーザ光は、結像レンズ４
を通過してワークピース５上に結像される。

【０００３】ここで、カライドスコープ３に入射される
レーザ光１のパワー密度分布が、図１０の（ａ）に示す
様な正規分布状の分布となっている場合、結像レンズ４
によりワークピース５上に結像されるレーザ光１のパワ
ー密度分布は、図１０の（ａ）に示した分布のピーク付
近の部分が平坦化され、図１０の（ｂ）に示すような形
状の分布となる。

【０００４】従来、図９に示したパワー密度平坦化技術
を利用した例として、特開平６−１０８１４０号公報に
記載されたレーザ焼き入れなどに用いた例がある。ま
た、フライアイレンズは小さなレンズ群を通過させ、結
像させることによりレーザのパワー密度を均一化させる
方法であり、従来、この方法を利用した例としては、特
開平４−３０７７２７号公報に記載されているような、
シリコン半導体層のアニーリングに用いられた例があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の方法の場合、レーザ光が、光軸に対し対称
のパワー分布である場合は、ある程度の均一化が望める
が、レーザ出力のパワー密度分布は光軸対称とは限ら
ず、結像面での一部のパワー密度が低かったり、または
高すぎたりする場合が発生する。

【０００６】また、結像範囲や対象ワークを変更する際
の条件設定の変更や装置の環境等の影響で安定した印字
をすることが難しかった。つまり、条件設定の変更等が
あった場合には、レーザ光の均一化を作業者の肉眼で行
っていたため、その調整が困難で、長時間必要であっ
た。

【０００７】本発明の目的は、光軸対称では無いレーザ
光であっても、レーザ光のパワー密度分布を、確実に、
かつ自動的に平坦化可能なレーザ光のパワー密度分布平
坦化方法及び装置を実現することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るため、本発明は、次のように構成される。すなわち、
レーザ光のパワー密度分布平坦化方法において、レーザ
発振器から出力されたレーザ光を、このレーザ光のパワ
ー密度分布のうち、光軸に関して非対称である部分を反
転させた形状に比例する透過率を有する、階調表現可能
シャッタリング素子マトリックスに入射させることによ
り、レーザ光のパワー密度分布を平坦化する。

【０００９】（２）好ましくは、上記（１）において、
レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
を検出し、このパワー密度分布のうち、上記レーザ光の
光軸に関して非対称である部分を反転させた形状に比例
する透過率となるように、階調表現可能シャッタリング
素子マトリックスの透過率を制御し、上記レーザ光を上
記階調表現可能シャッタリング素子マトリックスに入射
させることにより、レーザ光のパワー密度分布を平坦化
する。

【００１０】（３）また、レーザ光のパワー密度分布平
坦化方法において、レーザ発振器から出力されたレーザ
光を、このレーザ光のパワー密度分布のうち、光軸に関
して非対称である部分の形状に反比例する反射率を有す
る、階調表現可能シャッタリング素子マトリックスに入
射させることにより、反射レーザ光のパワー密度分布を
平坦化する。

【００１１】（４）好ましくは、上記（３）において、
レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
を検出し、このパワー密度分布のうち、上記レーザ光の
光軸に関して非対称である部分の形状に反比例する反射
率となるように、階調表現可能シャッタリング素子マト
リックスの反射率を制御し、上記レーザ光を上記階調表
現可能シャッタリング素子マトリックスに入射させるこ
とにより、反射レーザ光のパワー密度分布を平坦化す
る。

【００１２】（５）また、レーザ発振器から出力された
レーザ光のパワー密度分布を平坦化するレーザ光のパワ
ー密度分布平坦化装置において、上記レーザ光のパワー
密度分布のうち、光軸に関して非対称である部分を反転
させた形状に比例する透過率を有する、階調表現可能シ
ャッタリング素子マトリックスを備え、上記レーザ光を
上記階調表現可能シャッタリング素子マトリックスに入
射させることにより、レーザ光のパワー密度分布を平坦
化する。

【００１３】（６）好ましくは、上記（５）において、
レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
を検出する検出手段と、上記パワー密度分布のうち、上
記レーザ光の光軸に関して非対称である部分を反転させ
た形状に比例する透過率となるように、階調表現可能シ
ャッタリング素子マトリックスの透過率を制御する制御
手段と、を備える。 （７）また、レーザ発振器から出力されたレーザ光のパ
ワー密度分布を平坦化するレーザ光のパワー密度分布平
坦化装置において、上記レーザ光のパワー密度分布のう
ち、光軸に関して非対称である部分の形状に反比例する
反射率を有する、階調表現可能シャッタリング素子マト
リックスを備え、上記レーザ光を上記階調表現可能シャ
ッタリング素子マトリックスに入射させることにより、
反射レーザ光のパワー密度分布を平坦化する。

【００１４】（８）好ましくは、上記（７）において、
レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
を検出する検出手段と、上記パワー密度分布のうち、上
記レーザ光の光軸に関して非対称である部分の形状に反
比例する反射率となるように、階調表現可能シャッタリ
ング素子マトリックスの反射率を制御する制御手段と、
を備える。

【００１５】レーザ光のパワー密度分布の平坦化を行な
うためには、出力されるレーザ光を階調表現可能シャッ
タリング素子マトリックスに通過または反射させる。こ
の階調表現可能シャッタリング素子マトリックスは、印
加される電圧値によりレーザ光の透過率又は反射率が変
更可能な素子であり、出力されるレーザ光のパワー密度
分布を基に、レーザパワー密度の高い部分は透過率を下
げ（反射率を下げ）、レーザパワー密度の低い部分は透
過させるように、階調表現可能シャッタリング素子マト
リックスに印加する印加電圧を設定しておく。この事に
より、出力されるレーザ光のパワー密度分布は平坦化さ
れる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施形態を
添付図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態であるレーザ光のパワー密度分布平坦化装置の概
略構成図である。この実施形態は、本発明を液晶を用い
たホモジナイザを有するレーザマーカーに適用した例で
ある。

【００１７】まず、本発明の第１の実施形態の説明に先
立ち、上記液晶を用いたホモジナイザを有しない場合の
レーザマーカの光学系を図６により説明する。図６にお
いて、レーザマーカは、レーザを出力するレーザ発振器
７と、レーザ発振器７より出力されたレーザ光１を所望
のパターンに整形するマスク６と、マスク６の開口部を
透過したレーザ光１を対象ワーク（ワークピース）５に
結像するレンズ４とが配置される。

【００１８】レーザ発振器７から出力されたレーザ光１
は、マスク６を通過し、所望の形状に整形され、結像レ
ンズ４により、ワークピース５に結像される。ここで、
レーザ光１の図６のＢに示す位置でのパワー密度分布
（空間分布）が図７に示す様に、偏りがある場合（この
例では、左肩上がり）、ワークピース５に結像されたパ
ターンは、図８に示すようなかすれ８（Ｈの文字の下方
部分）が生じ、均一な印字ができないという問題が発生
する。

【００１９】これに対し、本発明における第１の実施形
態である、ホモジナイザ（レーザ光のパワー密度分布平
坦化装置）を用いたレーザマーカは、レーザ光にパワー
密度分布の偏りがある場合であっても、ワークピース５
に結像されるパターンに、かすれが無く、均一な印字を
マーク可能とするものである。

【００２０】図１において、レーザ発振器７から出力さ
れたレーザ光１は、偏光素子９により直線偏光に変換さ
れる（レーザ出力が直線偏光の場合はこの偏光素子９は
不必要である）。偏光素子９により直線偏光に変換され
たレーザ光１は、ビームサンプラー１０により、その一
部が、結像レンズ４ａを介して観察カメラ１１に結像さ
れる。

【００２１】そして、この観察カメラ１１からの情報が
制御部１３に伝達され、参照される。制御部１３は、観
察カメラ１１からの情報に基づいて、後述するように、
現在出力されているレーザ光１のパワー密度分布を検出
し、ＴＮ液晶（階調表現可能シャッタリング素子マトリ
ックス）１２を制御する。偏光素子９からのレーザ光の
うち、ビームサンプラー１０を通過したものは、ＴＮ液
晶１２に入射する。

【００２２】制御部１３により検出されたレーザ光のパ
ワー密度分布が、図１中のＣにて、例えば、図２に示す
ような分布をしているとする（パワー密度分布が、光軸
に関して、Ｐ1以上の部分で非対称であり、左肩上がり
の分布となっている）。このレーザ光のパワー密度分布
に対して、制御部１３は、ＴＮ液晶１２の透過パターン
を図３に示すように決定する。つまり、位置Ｄ0から位
置Ｄ1まで、並びに位置Ｄ2から位置Ｄ3までは、ＴＮ液
晶１２の透過率をほぼ１００％とし、位置Ｄ1からＤ2ま
では、図２の位置Ｄ1からＤ2までの、パワー分布を、パ
ワーＰ1を中心として反転させた形状に比例する透過率
パターンとする。

【００２３】ＴＮ液晶１２の透過率と、印加電圧との関
係は、図４に示すように、一定の電圧値までは、透過率
は１００％であり、上記一定の電圧を越えると、その電
圧値が上昇するに従って透過率が減少する関係となって
いる。

【００２４】したがって、制御部１３は、図３に示すよ
うな形状の透過率パターンに対し、図４のＴＮ液晶１２
のレーザ透過率の関係に基づきＴＮ液晶１２に印加する
電圧を決定し、決定した電圧をＴＮ液晶１２に印加す
る。

【００２５】これにより、液晶１２に入射した、図２の
ようなパワー密度を持つレーザ光１は、液晶１２を通過
することにより、図５に示すような、位置Ｄ1から位置
Ｄ2までが、パワーＰ1で一定とされた、均一なパターン
となる（図１に示すＤにおけるパターン）。

【００２６】したがって、ＴＮ液晶１２を通過し、マス
ク６の開口部を透過したレーザ光１が結像レンズ４によ
りワークピース５に照射された場合、かすれの無い、均
一なマーキングが可能である。

【００２７】以上のように、本発明の第１の実施形態に
よれば、光軸対称では無いレーザ光であっても、レーザ
光のパワー密度分布を、確実に、かつ自動的に平坦化可
能なレーザ光のパワー密度分布平坦化方法及び装置を実
現することができる。

【００２８】また、レーザ光１を常時モニタリングする
ことにより、例えば条件設定の変更や、環境の変化に対
して、レーザ光１のパワー密度分布が不均一になって
も、光学的な調整等を必要とせずに、均一なパワー密度
分布を持つレーザ光１が得られる。

【００２９】本発明の第２の実施形態としては、階調表
現可能シャッタリング素子マトリックスのレーザ光の反
射率を制御することにより、レーザ光のパワー密度分布
平坦化する方法及び装置がある。

【００３０】つまり、図２に示したパーワ密度分布の非
対称部分を、図３に示すように、反転するのでは無く、
Ｄ0からＤ1までは、反射率を０、Ｄ1からＤ2までは、図
２に示すパワー密度分布の形状に比例する形状の反射率
とし、Ｄ2からＤ3までは、反射率を０とするように、制
御部１３により制御する。この第２の実施形態のように
構成しても、第１の実施形態と同様な効果を得ることが
できる。

【００３１】なお、上述した例は、本発明をレーザマー
カに適用した場合の例であるが、レーザマーカに限ら
ず、レーザ光のパワー密度分布が対称であることが望ま
しい他の装置、例えば、レーザ加工装置に適用すること
ができる。

【００３２】また、上述した例においては、階調表現可
能シャッタリング素子マトリックスとして、ＴＮ液晶を
用いたが、階調表現可能な透過素子であれば他のものを
使用することも可能である。

【００３３】

【発明の効果】光軸対称では無いレーザ光であっても、
レーザ光のパワー密度分布を、確実に、かつ自動的に平
坦化可能なレーザ光のパワー密度分布平坦化方法及び装
置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態であるレーザ光のパワ
ー密度分布平坦化装置の概略構成図である。

【図２】レーザ発振器から出力されたレーザ光がパワー
密度分布において偏りがある場合を示す図である。

【図３】制御部により算出されたＴＮ液晶の透過率分布
を示す図である。

【図４】ＴＮ液晶の印加電圧に対する透過率の変化曲線
を示す図である。

【図５】本発明おける光学系により均一化されたレーザ
光のパワー密度分布を示す図である。

【図６】液晶ホモジナイザを有しない場合のマスクマー
カの一例における光学系の構成を示す図である。

【図７】パワー密度分布において偏りがある場合のレー
ザ光を示す図である。

【図８】図７のような偏りのあるパワー密度を持つレー
ザ光を用いマーキングした場合の例を示す図である。

【図９】従来例であるカライドスコープを用いた場合の
ホモジナイザの構成を示す図である。

【図１０】カライドスコープに入射及び出射されるレー
ザ光のパワー密度分布を示す図である。

【符号の説明】

１ レーザ光 ４、４ａ 結像レンズ ５ ワークピース ６ マスク ７ レーザ発振器 ８ かすれ ９ 偏光素子 １０ ビームサンプラー １１ 観察カメラ １２ ＴＮ液晶 １３ 制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 美野本 泰 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機エ ンジニアリング株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器から出力されたレーザ光を、
   このレーザ光のパワー密度分布のうち、光軸に関して非
   対称である部分を反転させた形状に比例する透過率を有
   する、階調表現可能シャッタリング素子マトリックスに
   入射させることにより、レーザ光のパワー密度分布を平
   坦化することを特徴とするレーザ光のパワー密度分布平
   坦化方法。
2. 【請求項２】請求項１記載のレーザ光のパワー密度分布
   平坦化方法において、レーザ発振器から出力されたレー
   ザ光のパワー密度分布を検出し、このパワー密度分布の
   うち、上記レーザ光の光軸に関して非対称である部分を
   反転させた形状に比例する透過率となるように、階調表
   現可能シャッタリング素子マトリックスの透過率を制御
   し、上記レーザ光を上記階調表現可能シャッタリング素
   子マトリックスに入射させることにより、レーザ光のパ
   ワー密度分布を平坦化することを特徴とするレーザ光の
   パワー密度分布平坦化方法。
3. 【請求項３】レーザ発振器から出力されたレーザ光を、
   このレーザ光のパワー密度分布のうち、光軸に関して非
   対称である部分の形状に反比例する反射率を有する、階
   調表現可能シャッタリング素子マトリックスに入射させ
   ることにより、反射レーザ光のパワー密度分布を平坦化
   することを特徴とするレーザ光のパワー密度分布平坦化
   方法。
4. 【請求項４】請求項３記載のレーザ光のパワー密度分布
   平坦化方法において、レーザ発振器から出力されたレー
   ザ光のパワー密度分布を検出し、このパワー密度分布の
   うち、上記レーザ光の光軸に関して非対称である部分の
   形状に反比例する反射率となるように、階調表現可能シ
   ャッタリング素子マトリックスの反射率を制御し、上記
   レーザ光を上記階調表現可能シャッタリング素子マトリ
   ックスに入射させることにより、反射レーザ光のパワー
   密度分布を平坦化することを特徴とするレーザ光のパワ
   ー密度分布平坦化方法。
5. 【請求項５】レーザ発振器から出力されたレーザ光のパ
   ワー密度分布を平坦化するレーザ光のパワー密度分布平
   坦化装置において、 上記レーザ光のパワー密度分布のうち、光軸に関して非
   対称である部分を反転させた形状に比例する透過率を有
   する、階調表現可能シャッタリング素子マトリックスを
   備え、上記レーザ光を上記階調表現可能シャッタリング
   素子マトリックスに入射させることにより、レーザ光の
   パワー密度分布を平坦化することを特徴とするレーザ光
   のパワー密度分布平坦化装置。
6. 【請求項６】請求項５記載のレーザ光のパワー密度分布
   平坦化装置において、 レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
   を検出する検出手段と、 上記パワー密度分布のうち、上記レーザ光の光軸に関し
   て非対称である部分を反転させた形状に比例する透過率
   となるように、階調表現可能シャッタリング素子マトリ
   ックスの透過率を制御する制御手段と、を備えることを
   特徴とするレーザ光のパワー密度分布平坦化装置。
7. 【請求項７】レーザ発振器から出力されたレーザ光のパ
   ワー密度分布を平坦化するレーザ光のパワー密度分布平
   坦化装置において、 上記レーザ光のパワー密度分布のうち、光軸に関して非
   対称である部分の形状に反比例する反射率を有する、階
   調表現可能シャッタリング素子マトリックスを備え、上
   記レーザ光を上記階調表現可能シャッタリング素子マト
   リックスに入射させることにより、反射するレーザ光の
   パワー密度分布を平坦化することを特徴とするレーザ光
   のパワー密度分布平坦化装置。
8. 【請求項８】請求項７記載のレーザ光のパワー密度分布
   平坦化装置において、 レーザ発振器から出力されたレーザ光のパワー密度分布
   を検出する検出手段と、 上記パワー密度分布のうち、上記レーザ光の光軸に関し
   て非対称である部分の形状に反比例する反射率となるよ
   うに、階調表現可能シャッタリング素子マトリックスの
   反射率を制御する制御手段と、を備えることを特徴とす
   るレーザ光のパワー密度分布平坦化装置。