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JP3522670B2 - レーザマーキング方法 - Google Patents

レーザマーキング方法

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JP3522670B2
JP3522670B2 JP2000257182A JP2000257182A JP3522670B2 JP 3522670 B2 JP3522670 B2 JP 3522670B2 JP 2000257182 A JP2000257182 A JP 2000257182A JP 2000257182 A JP2000257182 A JP 2000257182A JP 3522670 B2 JP3522670 B2 JP 3522670B2
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JP
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laser
mark
diffracted
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glass substrate
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C23/00Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments
    • C03C23/0005Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation
    • C03C23/0025Other surface treatment of glass not in the form of fibres or filaments by irradiation by a laser beam
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03HHOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/0005Adaptation of holography to specific applications
    • G03H2001/0094Adaptation of holography to specific applications for patterning or machining using the holobject as input light distribution
    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03H1/00Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
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    • G03H2001/2292Using scanning means

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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、レーザマーキング
装置、マーキング方法及びマーキングされた光学部材に
関し、特にマークの視認性を高めることが可能なレーザ
マーキング装置、マーキング方法、及びマーキングされ
た光学部材に関する。 【0002】 【従来の技術】ガラス等の透明材料内にレーザビームを
集光させて多光子吸収を起こすと、その部分の屈折率が
変化する。屈折率の変化した点を所望の位置に分布させ
ることによりマークを構成することができる。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】レーザビームを集光す
ることによって屈折率の変化する領域は微少であるた
め、屈折率の変化した点の集合で構成されたマークを視
認することは困難である。マークを構成する複数の点の
各々を大きくすることにより、マークの視認性を高める
ことができる。しかし、個々の点を大きくするために
は、大きな加工エネルギが必要とされ、加工対象物のマ
ーク周辺がダメージを受けることにもなる。 【0004】本発明の目的は、加工対象物に与えるダメ
ージを少なくし、かつマークの視認性を高めることが可
能なマーキング装置及びマーキング方法を提供すること
である。 【0005】 【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、ホログラム板で回折された回折ビームを、加工対象
物内に集光し、複数箇所で同時に多光子吸収を生じさ
せ、多光子吸収の生じた部分の屈折率を変化させ、屈折
率の変化した複数の点で構成された単位要素を形成する
工程と、前記ホログラム板で回折された回折ビームの各
々の光軸を振り、前記加工対象物内に複数の単位要素を
形成する工程とを有するレーザマーキング方法が提供さ
れる。 【0006】 【0007】複数の回折ビームを用い、同時に複数箇所
において屈折率の変化を生じさせることができる。屈折
率変化の生じた各々の点は微少であるため、加工対象物
の埋めるダメージを少なくすることができる。また、同
時に複数箇所で屈折率変化を生じさせることができるた
め、マーキング時間の短縮を図ることが可能になる。ま
た、単位要素自体が複数の点の集合で構成されるため、
1つの単位要素のみで回折を生じさせることができる。
このため、マークの視認性を高めることができる。 【0008】 【0009】 【0010】 【0011】 【発明の実施の形態】図1に、本発明の実施例によるレ
ーザマーキング装置10の概略斜視図を示す。マーキン
グ装置10は、レーザ光源11、ビーム整形器12、ホ
ログラム板16、ガルバノスキャナ13、fθレンズ1
4、及びステージ15を含んで構成される。ステージ1
5の上に、加工対象物である透明ガラス基板1が載置さ
れている。 【0012】レーザ光源11として、例えばモードロッ
クしたTi:サファイアレーザ発振器が用いられる。こ
のTi:サファイアレーザ発振器は、例えばパルス幅1
30fs、波長800nm、平均出力1W、繰返し同波
数1kHzのパルス状レーザビームを出力する。この波
長域の光は、加工対象物である透明ガラス基板1を透過
する。レーザ光源11として、Ti:サファイアレーザ
以外に、YAGレーザ、YLFレーザ等のレーザダイー
ド(LD)励起型固体レーザ発振器を用いることもでき
る。また、それらのレーザ発振器から出力された基本波
の高調波を生成する各種レーザ光源を用いることもでき
る。 【0013】ビーム整形器12は、レーザ光源11から
出射したレーザビームの断面形状を整形する。整形され
たレーザビームが、ホログラム板16に入射する。ホロ
グラム板16は、所定の位相分布に相当する凹凸が付さ
れた石英基板である。ホログラム板16は、その表面に
付された凹凸に対応する位相分布に応じて、レーザビー
ムを回折させる。 【0014】ガルバノスキャナ13は、ホログラム板1
6で回折された回折ビームの各々の光軸を振る。fθレ
ンズ14は、光軸を振られた回折ビームを、透明ガラス
基板1の所望の深さの位置に集光させる。ガルバノスキ
ャナ13で回折ビームの各々の光軸を振ることにより、
透明ガラス基板1の内部に形成される回折ビームの集光
位置を所望の位置に移動させることができる。ステージ
15は、透明ガラス基板1を、その表面に平行な2次元
方向に移動させることができる。 【0015】ガルバノスキャナ13は、一対のガルバノ
ミラー13aを回転駆動するミラー駆動装置と高感度の
位置検出装置とを備えている。また、ガルバノスキャナ
13は、駆動部13bを介してコンピュータ20により
制御される。コンピュータ20は、ガルバノスキャナ1
3の駆動をレーザ光源11のパルス発振に同期させる。 【0016】fθレンズ14は、透明ガラス基板1の内
部に回折ビーム3を集光させるだけでなく、ガルバノス
キャナ13による走査中も回折ビーム3の集光位置を一
定の深さに保つ。 【0017】fθレンズ14によって形成された回折ビ
ーム3の各々の集光位置に、多光子吸収により屈折率変
化が生じた変質部分が形成される。レーザ光源11がフ
ェムト秒オーダの極短パルスを発生させるので、集光位
置で多光子吸収が効率的に生じる。このような多光子吸
収を利用すれば、本来吸収のない赤外レーザ光によるエ
ネルギの注入が可能になる。これにより、集光位置に限
定して比較的大きな屈折率等の光学的特性の変化を生じ
させることができる。このような特性変化は、透明ガラ
ス基板1の密度変化や結合状態の変化等に起因して形成
される光学的非線型現象であり、変質部分が恒久的にガ
ラス中に残存する。 【0018】透明ガラス基板1は、レーザ光源11から
のレーザビームを透過させ、かつこのレーザビームに対
して効率的な多光子吸収が生ずるものであればよい。た
だし、内部に形成されるマークを視覚的に認識するため
には、可視光をほぼ透過させるものである必要もある。
例えば、GeO2−SiO2ガラス等を用いることができ
る。また、ソーダ石灰ガラス、石英ガラス等各種の材料
にマークを形成できることが確認されている。 【0019】回折ビーム3の集光位置に形成される複数
の変質部分の分布は、ホログラム板16の位相分布に依
存する。ホログラム板の位相分布の求め方は、例えば
M.A. Seldwitz等によるAppl. Op
t,26,pp2788−2798(1987)に説明
されている。 【0020】図2(A)に、透明ガラス基板1の内部に
形成される変質部分の分布の一例を示す。変質部分30
が、5行5列の行列を構成するように分布している。行
方向及び列方向のピッチaは、例えば4μmである。各
変質部分30は、回折ビームの光軸に沿った棒状の形状
を有し、その長さは約20〜30μm、太さは約1μm
である。この5行5列の行列を構成する変質部分30の
群を単位要素と呼ぶこととする。 【0021】次に、図1のレーザマーキング装置を用い
てマーキングを行う方法を説明する。まず、透明ガラス
基板1をステージ15の上に載置し、マーキングを行う
べき部位をfθレンズ14の直下に移動させる。次に、
レーザ光源11をレーザ発振させるとともに、ガルバノ
スキャナ13を動作させて、回折ビームの集光位置を走
査する。ガルバノスキャナ13の走査の軌跡に沿って、
複数の単位要素が透明ガラス基板1の内部に形成され
る。 【0022】図2(B)に、複数の単位要素で構成され
たマークの一例を示す。11個の単位領域で、アルファ
ベットの「H」が描かれている。単位要素を行方向及び
列方向に移動させる最小ピッチbが、ピッチaの6倍と
されている。 【0023】次に、レーザ光の走査を一時中断し、ステ
ージ15を動作させて透明ガラス基板1を移動させる。
これにより、次にマークを形成すべき位置がfθレンズ
14の直下に移動する。 【0024】ガルバノスキャナ13とレーザ光源11と
を、両者が同期するように動作させて、レーザビームの
集光点を走査する。以上の工程を繰り返すことにより、
所望の位置に所望のマークを順次形成することができ
る。 【0025】複数の単位要素を分布させて構成したマー
クは、可視光を回折させる。これにより、マークが視覚
的に認識される。図2(B)に示したピッチbをピッチ
aの整数倍とすると、近傍の単位要素からの回折光同士
が強めあい、マークの視認性を高めることができるであ
ろう。 【0026】上記実施例では、単位要素を5行5列の行
列状に配置した25個の点で構成したが、その他の構成
としてもよい。ホログラム板の位相分布を設計し直すこ
とにより、単位要素内の点の配置を種々変化させること
ができる。また、単位要素を複数の点で構成する代わり
に、複数の直線で構成することも可能である。例えば、
単位要素を、回折格子として働くグレーティングとする
こともできる。 【0027】ステージ15は、透明ガラス基板1をZ方
向に微動させることもできる。これにより、透明ガラス
基板1の内部に形成されるマークの深さを調節すること
ができる。例えば、透明ガラス基板1の第1の深さの位
置に第1のマークを形成し、第2の深さの位置に第2の
マークを形成すれば、多層構造のマークを形成すること
ができる。さらに、単位要素を形成しつつステージ15
を3次元的にステップ移動させることにより、立体的な
形状を有するマークを形成することもできる。 【0028】上記実施例では、小さな点が集まった単位
要素を分布させることによりマークが形成される。この
ため、個々の点を大きくすることなく、視認性の高いマ
ークが得られる。 【0029】上記実施例では、ひとつのマークを構成す
る複数の単位要素をすべて合同なパターンとしたが、単
位要素内の各点のピッチを変えて、単位要素の各々を相
互に相似関係のパターンとしてもよい。この場合には、
各単位要素が、異なる色と認識されるであろう。 【0030】上記実施例では、1回のパルスレーザ照射
により、屈折率の変化した複数の点を形成することがで
きる。このため、マーキング時間の短縮を図ることが可
能になる。また、1回のパルスレーザ照射で1つの点を
形成する場合において、1パルスあたりのエネルギが好
適な値よりも大きいとき、アッテネータ等によりレーザ
ビームを減衰させる必要がある。上記実施例の場合にお
いて、1本のビームから得られた複数の回折ビームの1
パルスあたりのエネルギが好適な範囲内であるときに
は、アッテネータを挿入することなくレーザビームのエ
ネルギを有効に利用することができる。 【0031】上記実施例では、加工対象物の内部に屈折
率変化を生じさせる場合を説明したが、加工対象物の表
面上に回折格子パターンからなる単位要素を形成しても
よい。例えば、シリコン等の半導体基板表面にレーザビ
ームを照射して、局所的に溶融させて凹凸を形成しても
よい。シリコンを加工する場合には、シリコンを透過し
ないArFレーザ等を用いることができる。また、金属
部材の表面にレーザビームを照射して局所的に酸化させ
ることにより、変色させてもよい。溶融させたり、酸化
させたりする場合には、照射するレーザビームはパルス
的である必要はなく、連続発振したレーザビームを用い
ることができる。 【0032】表面上に、回折格子パターンを形成する場
合も、凹部や変色した領域は微少であるため、単純な点
を分散させてマーキングする場合に比べて、加工対象物
に与えるダメージを少なくすることができる。なお、加
工時間に制約がない場合には、ホログラム板を用いず、
1本のレーザビームを走査することにより単位要素を形
成してもよい。 【0033】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれら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。 【0034】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
1回のパルスレーザ照射で複数の点を形成することがで
きるため、マーキング時間の短縮を図ることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】 本発明の実施例によるマーキング装置の概略
斜視図である。 【図2】 図2(A)は、マーキングを行う際の単位要
素の一例を示す平面図であり、図2(B)は、単位要素
で構成したマークの一例を示す平面図である。 【符号の説明】 1 透明ガラス基板 3 レーザビーム 10 マーキング装置 11 レーザ光源 12 ビーム整形器 13 ガルバノスキャナ 14 fθレンズ 15 ステージ 16 ホログラム板 20 コンピュータ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI G02B 5/18 G02B 5/32 5/32 B41J 3/00 Q (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/42

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 ホログラム板で回折された回折ビーム
    を、加工対象物内に集光し、複数箇所で同時に多光子吸
    収を生じさせ、多光子吸収の生じた部分の屈折率を変化
    させ、屈折率の変化した複数の点で構成された単位要素
    を形成する工程と、 前記ホログラム板で回折された回折ビームの各々の光軸
    を振り、前記加工対象物内に複数の単位要素を形成する
    工程とを有するレーザマーキング方法。
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