特許 7176826 レーザ反射装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-14

(45)【発行日】2022-11-22

(54)【発明の名称】レーザ反射装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20221115BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20221115BHJP

   G02B 5/08 20060101ALI20221115BHJP

   G02B 7/198 20210101ALI20221115BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 101

G02B26/08 E

G02B5/08 A

G02B7/198

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019116214

(22)【出願日】2019-06-24

(65)【公開番号】P2021001997

(43)【公開日】2021-01-07

【審査請求日】2022-02-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000233332

【氏名又は名称】ビアメカニクス株式会社

(72)【発明者】

【氏名】大槻 治明

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１２－５２４２９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２６２３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２３７３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１４４５８０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】独国実用新案第２０２００５００９３７４（ＤＥ，Ｕ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

Ｇ０２Ｂ ５／０８

Ｇ０２Ｂ ７／１９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ発振器からの入射光を反射させる反射面を有する凹面ミラーと、前記入射光と直交する方向に前記凹面ミラーを駆動するアクチュエータを備えるレーザ反射装置において、
前記アクチュエータの駆動に伴い前記凹面ミラーで反射された反射光が共通の偏向点を通過し、前記偏向点から前記反射光が照射される位置までの距離を前記凹面ミラー上の入射光の反射点から前記偏向点までの距離より小さくしたことを特徴とするレーザ反射装置。

【請求項2】

請求項１に記載のレーザ反射装置において、
前側焦点が前記偏向点と一致し中心軸が前記アクチュエータの駆動方向と平行になるｆθレンズが設けられていることを特徴とするレーザ反射装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を反射するためのレーザ反射装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のレーザ反射装置には、例えば特許文献１の図１に示すように、圧電素子などのアクチュエータにより曲面形状のミラーを直線駆動させ、アクチュエータの直線変位に基づいて反射光の反射角度を制御するものがある。

【0003】

しかしながら、上記のようなレーザ反射装置を用いた場合、ミラーから反射光の照射位置までの距離が長いほど、アクチュエータの変位量に対する反射光の照射位置における走査距離が大きくなり、照射位置におけるレーザ光の走査分解能が低下する欠点がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表2012-524294号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

そこで本発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を反射するためのレーザ反射装置において、レーザ光の走査分解能を向上させることができるレーザ反射装置を提供することを目的とするものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本願において開示される発明のうち、代表的なレーザ反射装置は、レーザ発振器からの入射光を反射させる反射面を有する凹面ミラーと、前記入射光と直交する方向に前記凹面ミラーを駆動するアクチュエータを備えるレーザ反射装置において、前記アクチュエータの駆動に伴い前記凹面ミラーで反射された反射光が共通の偏向点を通過し、前記偏向点から前記反射光が照射される位置までの距離を前記凹面ミラー上の入射光の反射点から前記偏向点までの距離より小さくしたことを特徴とする。

【0007】

なお、本願において開示される発明の代表的な特徴は以上の通りであるが、ここで説明していない特徴については、後述する発明を実施するための形態において説明しており、また特許請求の範囲にも示した通りである。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、レーザ発振器から出射されたレーザ光を反射するためのレーザ反射装置において、レーザ光の走査分解能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施例に係るレーザ反射装置の動作を説明するための図である。

【図2】本発明の一実施例に係るレーザ反射装置の構造を説明するための図である。

【図3】本発明の一実施例に係るレーザ反射装置の反射面を説明するための図である。

【図4】本発明の一実施例に係るレーザ反射装置のレーザ光の反射を説明するための図である。

【図5】本発明の他の実施例に係るレーザ反射装置の動作を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態を実施例に沿って説明する。なお、以下の説明において、同等な各部には同一の符号を付して説明を省略する。

【0011】

図１は本発明の一実施例に係るレーザ反射装置の動作を説明するための図である。１はレーザ発振器、２はレーザ反射装置、３はレーザ反射装置に設けられた凹面ミラーである。レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｂ１は凹面ミラー３へ入射され、レーザ反射装置２を駆動すると、凹面ミラー３で反射されたレーザ光Ｂ２が照射の対象となる基板４上で走査される。なお、レーザ反射装置２で反射されたレーザ光Ｂ２は全て偏向点Ｐを通過する。Ｌは凹面ミラー３の反射点から偏向点Ｐまでの距離、ＬＡは偏向点Ｐから基板４までの距離である。

【0012】

５は基板４を載置するテーブルであり、図においてレーザ反射装置２に対して相対移動できるようになっている。６はレーザ発振器１、レーザ反射装置２、テーブル５の動作を制御するための制御部であり、例えばプログラム制御の処理装置を主体にしたものによって実現される。

【0013】

図２（ａ）および（ｂ）は、図１のレーザ反射装置２の構造を説明するための図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図１と同じものには同じ番号を付けてあり、実施例を説明するために必要な部分のみを示してある。

【0014】

３は凹面ミラーで、レーザ発振器１から入射されたレーザ光Ｂ１を反射して基板４へレーザ光Ｂ２を出射する。凹面ミラー１２は、レーザ光Ｂ１が凹面ミラー１２で反射して偏向する方向にのみ曲率を有している。１３は支持部材（Ａ）で、紙面右側に凹面ミラー３が固定され、紙面左側に積層圧電素子などのアクチュエータ１４が取付けられている。なお、アクチュエータ１４は圧電素子に限定されること無く、ボイスコイル型電磁アクチュエータや超磁歪材料を用いた磁歪アクチュエータなども使用できる。１５は支持部材（Ｂ）で、紙面右側にアクチュエータ１４が取付けられている。１６はフレーム１７に設けられているガイドで支持部材（Ａ）１３および支持部材（Ｂ）１５が紙面左右方向に摺動自在に取付けられている。ガイド１６はすべり案内のような支持部材（Ａ）１３および支持部材（Ｂ）１５が摺動しても摩擦の少ないもので構成されていて、支持部材（Ａ）１３および支持部材（Ｂ）１５の紙面上下方向の変位を拘束し、紙面左右方向の変位をスムーズにする。なお、ガイド１６はすべり案内に限定されること無く、転がり案内、静圧流体案内、磁気浮上案内などを用いたものであっても良い。１８は板バネで、フレーム１７に固定されていて支持部材（Ａ）１３を紙面左方向へ押し付けている。１９はボルトで、弛み止めのロックナット２０が取付けられ、フレーム１７に設けられたネジ穴（図示を省略）を介して支持部材（Ｂ）１５を紙面右方向へ押圧する。したがって、板バネ１８とボルト１９によってアクチュエータ１４に圧縮力を加える構造となっている。なお、アクチュエータ１４に圧縮力を加える押圧機構は、板バネとボルトによるものに限定されること無く、永久磁石や電磁石等の吸引・反発力、ガス圧力などを用いたものであっても良い。

【0015】

図３は、凹面ミラー３の反射面を説明するための図である。図では凹面ミラー３の反射面の断面をｘ軸およびｙ軸が交差した直交座標系で示し、Ｏはｘ軸とｙ軸が交差する原点であり、凹面ミラー３の反射面の断面形状が数式１の関数で定義される。

【0016】

【数1】

【0017】

このミラーがｘ方向に－δ変位したとき、断面形状は数式２となる。

【0018】

【数2】

【0019】

ここで、ｙ軸に沿って上方から入射するレーザ光Ｂ１が、ミラー上の反射点Ｒ（ｒ_ｘ、ｒ_ｙ）で反射して偏向点Ｐ（ｐ_ｘ，ｐ_ｙ）に進む場合を考える。この場合反射点Ｒがｙ軸上に偏向点Ｐがｘ軸上に位置し、数式３の関係が成り立つ。なお、ｒ_ｘは反射点Ｒのｘ軸方向の座標、ｒ_ｙは反射点Ｒのｙ軸方向の座標、ｐ_ｘは偏向点Ｐのｘ軸方向の座標、ｐ_ｙは偏向点Ｐのｙ軸方向の座標、Ｌは原点Ｏから偏向点Ｐまでの距離である。

【0020】

【数3】

【0021】

次に、ΔＰＱＲがＲＰ＝ＲＱとなる二等辺三角形になるようにレーザ光Ｂ１上すなわちｙ軸上に点Ｑを定めると、数式４の関係が成り立つ。ｑ_ｘは点Ｑのｘ軸方向の座標、ｑ_ｙは点Ｑのｙ軸方向の座標である。

【0022】

【数4】

【0023】

ここで、反射の法則を考慮して、線分ＰＱの中点をＭとすると、
∠ＱＲＭ＝∠ＰＲＭ
となり、すなわち、凹面ｆは前記二等辺三角形ΔＰＱＲの反射点Ｒと底辺ＰＱの中点Ｍとを結ぶ線分ＲＭが反射点Ｒでの法線Ｎと重なるような断面形状となり、ＰＱの中点Ｍの座標は数式５のようになる。なお、ｍ_ｘは中点Ｍのｘ軸方向の座標、ｍ_ｙは中点Ｍのｙ軸方向の座標である。

【0024】

【数5】

【0025】

また、線分ＲＭの傾きｓは、数式６となる。

【0026】

【数6】

【0027】

一方、反射点Ｒにおける凹面ｆの法線Ｎの方程式は数式７となる。

【0028】

【数7】

【0029】

線分ＲＭの傾きｓが凹面ｆの法線Ｎの傾きと等しいとすると、次式が成り立つ。

【0030】

【数8】

【0031】

ここで、ｙ＝ｆ（δ）とすれば、数式９の微分方程式を得る。

【0032】

【数9】

【0033】

そして、ｆの逆関数をδ＝ｇ（ｙ）として上式を積分すれば、数式１０のようになる。

【0034】

【数10】

【0035】

ただしＣは積分定数である。ｙ＝０でδ＝０としてＣを定めると数式１１となる。

【0036】

【数11】

【0037】

これを数式１０に代入して、数式１２となる。

【0038】

【数12】

【0039】

従属変数をｘとして、凹面ミラー３の形状が数式１３のように定まる。

【0040】

【数13】

【0041】

ｙ＝ｆ（ｘ）という形式で考えれば、関数ｆは関数ｇの逆関数として決定される。曲面ミラーがこの形状を持てば、ミラーをｘ軸方向に直線変位させることで、ｙ軸の＋側から入射するレーザ光を、偏向点Ｐを維持しながら所望の角度に反射することができる。そして、変位量δと、対応する偏向角αの関係は、次式から求まる。

【0042】

【数14】

【0043】

そして、ｆ（δ）の値を求めるには、数式１５を解いてｙ＝ｆ（δ）の値を求める。

【0044】

【数15】

【0045】

図４は、本実施例に係るレーザ反射装置２のレーザ光の反射を説明するための図である。凹面ミラー３の位置をｘ軸方向に５通りに変位させた場合に反射されるレーザ光Ｂ２を示している。図中上方から入射するレーザ光Ｂ１は、凹面ミラー３の反射面上の反射点Ｒ（ｒ_ｘ，ｒ_ｙ）に入射する。凹面ミラー３の横方向の移動量に応じて、反射点Ｒのｙ軸方向の位置が変化し、これに伴って凹面ミラー３でレーザ光の反射方向が変化することによって、レーザ光Ｂ２の反射角度が変化する。なお、偏向点Ｐの位置は凹面を定める関数中の定数Ｌによって定まり、変位量δの影響を受けない。すなわち、凹面ミラー３の変位量あるいは反射光の反射角度によらず、反射光は共通の偏向点Ｐを通る。
このとき、レーザ光Ｂ２の基板４上での走査距離Ｓは、凹面ミラー３の反射点Ｒから偏向点Ｐまでの距離Ｌと偏向点Ｐから基板４までの距離ＬＡの比に比例する。したがって、凹面ミラー３の移動量が同じでも、偏向点Ｐから基板４上にレーザ光Ｂ２が照射される位置までの距離ＬＡを凹面ミラー３の反射点Ｒから偏向点Ｐまでの距離Ｌより小さくなる位置（すなわち、ＬＡ＜Ｌとなる位置）に偏向点Ｐの位置を設定することにより、レーザ光Ｂ２の基板４上での走査距離Ｓを小さくできる。そのため、凹面ミラー３の移動量（すなわち、アクチュエータの変位量）に対して走査距離Ｓを小さくして走査分解能を向上させることができる。

【0046】

図５は他の実施例に係るレーザ反射装置２の動作を説明するための図である。この実施例においてはレーザ反射装置２の後方に、ｆθレンズ７を設けてもよい。この場合、ｆθレンズ７をテレセンレンズとし、凹面ミラー３の偏向点Ｐがｆθレンズ７の前側焦点Ｆに一致し、かつレーザ光Ｂ１と直交する方向に反射されるレーザ光Ｂ２がｆθレンズの中心軸を通る位置にｆθレンズ７を設けると、レーザ光Ｂ２をレーザ光Ｂ３のような平行光として基板４に入射できる。そのため、基板表面に対する穴角度を常に一定にでき、穴の形状を均一にできる。

【0047】

以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は当該実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもなく、様々な変形例が含まれる。

【符号の説明】

【0048】

１：レーザ発振器
２：レーザ反射装置
３：凹面ミラー
４：基板
５：テーブル
６：制御部
７：ｆθレンズ
１３：支持部材（Ａ）
１４：アクチュエータ
１５：支持部材（Ｂ）
１６：ガイド
１７：フレーム
１８：板バネ
１９：ボルト
２０：ロックナット

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】