JPS6229152B2 - - Google Patents
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- JPS6229152B2 JPS6229152B2 JP56005497A JP549781A JPS6229152B2 JP S6229152 B2 JPS6229152 B2 JP S6229152B2 JP 56005497 A JP56005497 A JP 56005497A JP 549781 A JP549781 A JP 549781A JP S6229152 B2 JPS6229152 B2 JP S6229152B2
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明はレーザビームを二次元に集光・走査す
る光学装置に関し、特に走査領域全体に亘つて均
一なスポツト径を実現させうる光学系の改良に係
るものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an optical device that condenses and scans a laser beam two-dimensionally, and particularly to an improvement in an optical system that can realize a uniform spot diameter over the entire scanning area.
レーザビームを試料に集光しかつ走査する方法
を大別すると、光学系を固定し試料を二次元で走
査する方法と、試料を固定しレーザビームを二次
元に走査する方法がある。集光されたレーザビー
ムのスポツト径の変位を最小にするという観点で
いえば、光学系固定方式が優れているが、試料の
周辺部の雰囲気を制御したり試料の変換を自動化
したりする場合には試料固定式の方が優れてい
る。したがつて、レーザ走査の目的に応じて走査
方式が選択されることになる。 Methods for focusing and scanning a laser beam on a sample can be roughly divided into two methods: a method in which the optical system is fixed and the sample is scanned in two dimensions, and a method in which the sample is fixed and the laser beam is scanned in two dimensions. From the perspective of minimizing the displacement of the spot diameter of the focused laser beam, the fixed optical system method is superior, but when controlling the atmosphere around the sample or automating sample conversion, The sample-fixed type is better for this purpose. Therefore, the scanning method is selected depending on the purpose of laser scanning.
レーザ加工における走査光学系も上述した二つ
の方式が目的により使いわけられているが、レー
ザ加工の特長を生かした自動加工機の増加により
試料固定型の走査方法が増えつつある。 The above-mentioned two types of scanning optical systems in laser processing are used depending on the purpose, but with the increase in the number of automatic processing machines that take advantage of the features of laser processing, the number of sample-fixed scanning methods is increasing.
試料固定型として従来採用されているものとし
て、ガルバノメータ型や回転鏡を用いてレーザビ
ームを或る角度内でスキヤンし、スキヤンレンズ
を用いてレーザビームの角度を二次元の位置に変
換し同時に集光する方法がある。他の方法とし
て、二次元に可動なXYテーブルに光学系を載せ
集光および走査を行なうものがある。ガルバノメ
ータ型の走査光学系の場合、応答速度が早いとい
う利点があるが、スキヤンレンズの設計製作の困
難さから広い範囲の走査には向いていない。これ
に対して、XYテーブル式の走査光学系は広い範
囲に亘つて集光・走査が可能であることから大き
な資料への走査に適している。 Conventionally used methods for fixing the sample include scanning the laser beam within a certain angle using a galvanometer type or rotating mirror, converting the angle of the laser beam to a two-dimensional position using a scan lens, and focusing it at the same time. There is a way to shine. Another method is to place an optical system on a two-dimensionally movable XY table and perform light collection and scanning. A galvanometer-type scanning optical system has the advantage of fast response speed, but it is not suitable for scanning a wide range because of the difficulty in designing and manufacturing the scan lens. On the other hand, an XY table type scanning optical system is suitable for scanning large materials because it can focus and scan light over a wide range.
次に従来のXYテーブル式走査光学系の構成と
集光について図面を参照しながら説明する。第１
図は従来のレーザ走査装置の構成を示す概略図で
あり、１はレーザ装置２，４，５，６は反射鏡、
３はビームエキスパンダ、７は集光用対物レン
ズ、８はＸテーブル、９はＹテーブルである。反
射鏡５はＸテーブル８に固定されており、反射鏡
６と対物レンズ７はＹテーブル９に固定されてい
る。Ｙテーブル９はＸテーブル８の上に載つてお
り、Ｘテーブルが矢印の方向に移動するときには
Ｙテーブルもその方向に移動する。又、Ｙテーブ
ル９が別の矢印の方向に移動するときには、それ
によつてＸテーブル８が移動することはない。こ
のようにして対物レンズ７によつて集束されるレ
ーザビームは二次元で走査されることになる。 Next, the configuration and light focusing of a conventional XY table type scanning optical system will be explained with reference to the drawings. 1st
The figure is a schematic diagram showing the configuration of a conventional laser scanning device, in which 1 is a laser device 2, 4, 5, 6 is a reflecting mirror;
3 is a beam expander, 7 is a focusing objective lens, 8 is an X table, and 9 is a Y table. The reflecting mirror 5 is fixed to an X table 8, and the reflecting mirror 6 and objective lens 7 are fixed to a Y table 9. The Y table 9 is placed on the X table 8, and when the X table moves in the direction of the arrow, the Y table also moves in that direction. Furthermore, when the Y table 9 moves in the direction of another arrow, the X table 8 does not move accordingly. In this way, the laser beam focused by the objective lens 7 is scanned in two dimensions.
第２図は第１図で示した走査光学系でのレーザ
ビームの伝播の様子を示すための展開図で、第２
図ａは、走査光学系が右手前（第１図でレーザビ
ームがＡの位置にくる）に寄つた場合で、このと
き反射鏡４と５の距離および反射鏡５と６の距離
が最も大きくなる。第２図ｂは左奥（第１図でＢ
の位置）にある場合で、各々の反射鏡間の距離が
最も小さくなる。図において、５′と５″は反射鏡
５の位置、６′と６″は反射鏡６の位置を示してい
る。 Figure 2 is a developed view showing the propagation of the laser beam in the scanning optical system shown in Figure 1.
Figure a shows a case where the scanning optical system is moved to the right front (the laser beam is at position A in Figure 1), and at this time, the distance between reflecting mirrors 4 and 5 and the distance between reflecting mirrors 5 and 6 are the largest. Become. Figure 2 b is in the back left (B in Figure 1)
position), the distance between each reflecting mirror is the smallest. In the figure, 5' and 5'' indicate the position of the reflecting mirror 5, and 6' and 6'' indicate the position of the reflecting mirror 6.
レーザビームの発振横モードがTEM00である
場合、よく知られているように、ビームエキスパ
ンダ３から出射したレーザビームはＣの距離にビ
ームウエストW0を作る。このウエストW0と対物
レンズ７の距離Ｚおよび対物レンズの焦点距離
から、対物レンズ７により変換された次のビーム
ウエストＷおよびレンズ７からウエストＷまで距
離ｄは次の式で示されることが知られている。 When the oscillation transverse mode of the laser beam is TEM 00 , the laser beam emitted from the beam expander 3 creates a beam waist W 0 at a distance C, as is well known. From the distance Z between this waist W 0 and the objective lens 7 and the focal length of the objective lens, it is known that the next beam waist W converted by the objective lens 7 and the distance d from the lens 7 to the waist W are expressed by the following formula. It is being
（１／Ｗ）２＝（１／Ｗ０）２（１−Ｚ／）２＋（１／）２（πＷ０／λ）２ …… ここでλは波長を表わす。 (1/W) 2 = (1/W 0 ) 2 (1-Z/) 2 + (1/) 2 (πW 0 /λ) 2 ... Here, λ represents the wavelength.
この式からビームウエストＷおよび対物レンズ
からビームウエストまでの距離ｄはＺにより変動
することがわかる。 From this equation, it can be seen that the beam waist W and the distance d from the objective lens to the beam waist vary depending on Z.
また、対物レンズにより集束されるビームウエ
ストＷを大きくするには、コリメータによるビー
ムウエストＷpを小さくすることが必要となる。
このような場合XYテーブルの移動によるＺの変
動はビームウエストＷを大きく変動させることに
なる。 Furthermore, in order to increase the beam waist W focused by the objective lens, it is necessary to decrease the beam waist W p by the collimator.
In such a case, a change in Z due to movement of the XY table will cause a large change in the beam waist W.
したがつて、上述したような光学系で試料に対
しレーザビームを走査するときのビームのスポツ
ト径は場所により変動することになり、均一な照
射を行なうことができない。 Therefore, when a sample is scanned with a laser beam using the optical system as described above, the spot diameter of the beam varies depending on the location, and uniform irradiation cannot be achieved.
本発明の目的は、従来のXYテーブル式走査光
学系の欠点を補い、走査範囲全域にわたつて均一
なスポツト径によるレーザビームの照射を可能と
するレーザ走査装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a laser scanning device that compensates for the drawbacks of the conventional XY table type scanning optical system and enables irradiation of a laser beam with a uniform spot diameter over the entire scanning range.
その日的を達成するため、本発明のレーザ走査
装置は、レーザ装置と、二次元に可動するXYテ
ーブルと、該XYテーブルに搭載され前記レーザ
装置から出射されたレーザビームを試料に集光す
る対物レンズを含む走査光学系と、前記レーザ装
置と前記走査光学系との中間に設置されレーザビ
ームの光軸調整およびレーザビームの拡大を行な
う中間光学系とを含んで構成されるレーザ走査装
置において、中間光学系によつて平行ビームを形
成し、前記走査光学系に対物レンズと一定の距離
を保つて配置されたレーザビーム径の変倍機構を
付加したことを特徴とする。 In order to achieve this goal, the laser scanning device of the present invention includes a laser device, an XY table movable in two dimensions, and an objective mounted on the XY table that focuses the laser beam emitted from the laser device onto a sample. A laser scanning device that includes a scanning optical system including a lens, and an intermediate optical system that is installed between the laser device and the scanning optical system and adjusts the optical axis of the laser beam and expands the laser beam, The present invention is characterized in that a parallel beam is formed by an intermediate optical system, and a variable magnification mechanism for the diameter of the laser beam is added to the scanning optical system and is arranged at a constant distance from the objective lens.
本発明に用いられるレーザビーム変倍機構の役
目を図を参照しながら説明する。第３図はレーザ
ビーム変倍機構を付加したときのレーザビームの
伝播を示す図であり、１０は変倍機構部である。
この変倍機構１０はXYテーブルの移動があつて
も対物レンズ７との距離Ｓが変化しない位置に設
けられる。第３図中のレーザビーム変倍機構はビ
ームエキスパンダ３側に凸レンズ、対物レンズ７
側に凹レンズを配置したもので、レーザビーム径
を縮小する作用が有る。光ビーム径を拡大、縮小
する光学系は他の複数のレンズの組合せからなる
ものが知られており、凸レンズと凹レンズの組合
せだけに限らない。このような構成において、レ
ーザビームはビームエキスパンダ３により十分大
きく拡大され、そのビームウエストが等価的に無
限大となるように調整される。すなわち、ビーム
エキスパンダ３の出力ビーム径が最小になる位置
が、ビームエキスパンダ３からきわめて離れた位
置となるよう調整される。この場合、ビームエキ
スパンダ３とレーザビーム変倍機構１０との間を
通るレーザビームは平行光とみなせる。第３図ａ
は光路が最も長くなつた場合で、このときレーザ
ビームは直径Ｄaの寸法で変倍機構に入射する。
第３図ｂは光路長が最も短かくなつた場合で、直
径Ｄbで変倍機構に入射する。入射ビームの径が
十分大きい場合Da＝Dbとなるため、変倍機構か
ら出たレーザビームは第３図ａ，ｂともほぼ同じ
姿態で対物レンズ７に入射し、試料面でのビーム
スポツト径の変化は無視しうる程度になる。 The role of the laser beam variable magnification mechanism used in the present invention will be explained with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing the propagation of a laser beam when a laser beam variable magnification mechanism is added, and 10 is a variable magnification mechanism section.
This variable magnification mechanism 10 is provided at a position where the distance S to the objective lens 7 does not change even if the XY table moves. The laser beam variable magnification mechanism in Figure 3 includes a convex lens on the beam expander 3 side and an objective lens 7.
A concave lens is placed on the side, which has the effect of reducing the laser beam diameter. Optical systems for enlarging or reducing the diameter of a light beam are known to consist of a combination of a plurality of other lenses, and are not limited to the combination of a convex lens and a concave lens. In such a configuration, the laser beam is sufficiently expanded by the beam expander 3 and adjusted so that the beam waist becomes equivalently infinite. That is, the position where the output beam diameter of the beam expander 3 is minimized is adjusted to be extremely far away from the beam expander 3. In this case, the laser beam passing between the beam expander 3 and the laser beam variable magnification mechanism 10 can be regarded as parallel light. Figure 3a
is the case where the optical path is the longest, and at this time the laser beam enters the variable magnification mechanism with a diameter D a .
FIG. 3b shows the case where the optical path length is the shortest, and the light enters the variable magnification mechanism with a diameter D b . When the diameter of the incident beam is sufficiently large, Da=Db, so the laser beam emitted from the variable magnification mechanism enters the objective lens 7 in almost the same configuration in Figure 3a and b, and the beam spot diameter on the sample surface is Changes will be negligible.
次に本発明のレーザ走査装置について、図面を
参照して説明する。第４図は本発明の一実施例の
構成を示す概略図である。図において、１０はレ
ーザビーム変倍機構部で、反射鏡５と反射鏡６の
中間にＹテーブル９に固定されている。このよう
な構成において、レーザ装置１から出たレーザビ
ームは反射鏡２を経てビームエキスパンダ３に入
り、拡大された後反射鏡４を経て反射鏡５に到
る。（反射鏡２、ビームエキスパンダ３および反
射鏡４からなるブロツクを中間光学系と称してい
る。）
反射鏡５を通過したレーザビームは変倍機構１
０によりビーム径を変えられ反射鏡６を経て対物
レンズ７に到る。対物レンズ７はレーザビームを
集束し、図示しない試料面を照射する。 Next, a laser scanning device of the present invention will be explained with reference to the drawings. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 10 denotes a laser beam variable magnification mechanism section, which is fixed to a Y table 9 between the reflecting mirrors 5 and 6. In such a configuration, a laser beam emitted from a laser device 1 enters a beam expander 3 via a reflecting mirror 2, and after being expanded, passes through a reflecting mirror 4 and reaches a reflecting mirror 5. (The block consisting of the reflector 2, beam expander 3, and reflector 4 is called an intermediate optical system.) The laser beam that has passed through the reflector 5 is transmitted to the variable magnification mechanism 1.
The beam diameter is changed by 0, and the beam passes through a reflecting mirror 6 and reaches an objective lens 7. The objective lens 7 focuses the laser beam and irradiates it onto a sample surface (not shown).
このとき試料面での照射スポツト径は第３図で
説明したように、Ｘテーブル８及びＹテーブル９
の移動によつても変化することはない。 At this time, the diameter of the irradiation spot on the sample surface is determined by the X table 8 and Y table 9, as explained in FIG.
It does not change even with the movement of.
このように本発明のレーザ走査装置によれば、
XYテーブルの移動を行なつても集光照射される
レーザのスポツト径は変るこがとなく、走査範囲
全域にわたつて均一なスポツトで照射を行なうこ
とができる。 As described above, according to the laser scanning device of the present invention,
Even if the XY table is moved, the diameter of the focused laser spot does not change, making it possible to irradiate a uniform spot over the entire scanning range.
本実施例では反射鏡５と６の中間にレーザビー
ム変倍機構を配置したが、対物レンズと変倍機構
の距離がXYテーブルの移動によつても不変であ
る場所ならどのような位置に変倍機構を設置して
も、本発明の効果があることはいうまでもない。
以上の説明によつて明らかなように、本発明によ
れば、広い範囲にわたつて均一なスポツト径でレ
ーザビームの照射を行なうことができる。また、
この変倍機構のレンズ間距離を変化させることに
より集光スポツト径を変えることもできる他、レ
ンズ構成を変えることによつてもスポツト径を変
えることができる。 In this embodiment, the laser beam variable magnification mechanism is placed between the reflecting mirrors 5 and 6, but it can be moved to any position as long as the distance between the objective lens and the variable magnification mechanism remains unchanged even when the XY table is moved. It goes without saying that the effects of the present invention can be obtained even if a multiplication mechanism is installed.
As is clear from the above description, according to the present invention, laser beam irradiation can be performed over a wide range with a uniform spot diameter. Also,
In addition to being able to change the focal spot diameter by changing the distance between the lenses of this variable magnification mechanism, the spot diameter can also be changed by changing the lens configuration.
第１図は従来のレーザ走査装置の構成を示す
図、第２図ａ，ｂは従来のレーザ走査装置でのレ
ーザビームの伝播の様子を示す図、第３図ａ，ｂ
は本発明によるレーザ走査装置でのレーザビーム
の伝播を示す図、第４図は本発明のレーザ走査装
置の一実施例の構成概略図である。
１……レーザ装置、２，４，５，６……反射
鏡、３……ビームエキスパンダ、７……集光用対
物レンズ、８……Ｘテーブル、９……Ｙテーブ
ル、１０……変倍機構である。
Fig. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional laser scanning device, Fig. 2 a, b is a diagram showing the state of laser beam propagation in a conventional laser scanning device, Fig. 3 a, b
4 is a diagram showing the propagation of a laser beam in a laser scanning device according to the present invention, and FIG. 4 is a schematic diagram of the configuration of an embodiment of the laser scanning device according to the present invention. 1... Laser device, 2, 4, 5, 6... Reflector, 3... Beam expander, 7... Focusing objective lens, 8... X table, 9... Y table, 10... Variable It is a double mechanism.
Claims (1)
と、該XYテーブルに搭載され前記レーザ装置か
ら出射されたレーザビームを試料に集光する対物
レンズを含む走査光学系と、前記レーザ装置と前
記走査光学系との間に設置されレーザビームの光
軸調整およびレーザビームの拡大を行なう中間光
学系とを含むレーザ走査装置において、前記中間
光学系によつて平行ビームを形成し、前記走査光
学系に前記対物レンズと一定の距離を保つて配置
されたレーザビーム径の変倍機構を付加したこと
を特徴とするレーザ走査装置。1. A laser device, a two-dimensionally movable XY table, a scanning optical system including an objective lens mounted on the XY table and condensing a laser beam emitted from the laser device onto a sample, and the laser device and the scanning optical system. In the laser scanning device, the intermediate optical system is installed between the scanning optical system and the scanning optical system, and the intermediate optical system adjusts the optical axis of the laser beam and expands the laser beam. A laser scanning device characterized by adding a variable magnification mechanism for a laser beam diameter arranged at a constant distance from an objective lens.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56005497A JPS57118881A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Laser scanning device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56005497A JPS57118881A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Laser scanning device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57118881A JPS57118881A (en) | 1982-07-23 |
| JPS6229152B2 true JPS6229152B2 (en) | 1987-06-24 |
Family
ID=11612857
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56005497A Granted JPS57118881A (en) | 1981-01-16 | 1981-01-16 | Laser scanning device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57118881A (en) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5994596A (en) * | 1982-11-22 | 1984-05-31 | Toshiba Corp | Fusion cutting device by laser |
| JPS6037287A (en) * | 1983-08-09 | 1985-02-26 | Mitsubishi Electric Corp | Beam moving type laser working device |
| JPS60240396A (en) * | 1984-05-15 | 1985-11-29 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Pulse-oscillated laser welding device |
| JP2583919B2 (en) * | 1987-11-11 | 1997-02-19 | 松下電器産業株式会社 | Optical scanning device |
| JP2583920B2 (en) * | 1987-11-13 | 1997-02-19 | 松下電器産業株式会社 | Optical scanning device |
| DE102010004084B4 (en) * | 2010-01-06 | 2023-08-03 | Gunnar Held | Laser processing device for large dimensioned components |
| CN102176085B (en) * | 2011-03-09 | 2013-07-03 | 清华大学 | Mechanism for achieving large-range movement and scanning of laser beam |
-
1981
- 1981-01-16 JP JP56005497A patent/JPS57118881A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57118881A (en) | 1982-07-23 |
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