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JP2021146395A - Laser unit and laser marker device - Google Patents

Laser unit and laser marker device Download PDF

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JP2021146395A
JP2021146395A JP2020051736A JP2020051736A JP2021146395A JP 2021146395 A JP2021146395 A JP 2021146395A JP 2020051736 A JP2020051736 A JP 2020051736A JP 2020051736 A JP2020051736 A JP 2020051736A JP 2021146395 A JP2021146395 A JP 2021146395A
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imaging
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崇 佐々木
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Nobuyuki Arai
伸幸 新井
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Abstract

To provide a multi-beam laser marker which imparts a uniform field depth expanding effect to each ray of light.SOLUTION: A laser unit has a laser light source in which a plurality of light-emitting parts for emitting a laser beam are arranged, an imaging lens system for condensing of the laser beam, and an imaging position change element for changing imaging positions of the plurality of laser beams in the optical axis direction so that the imaging positions are different on the optical axis of the imaging lens system. In the imaging position change element, the imaging positions are different depending on an incident position in a vertical position to the optical axis direction.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、レーザーユニット及びレーザーマーカー装置に関する。 The present invention relates to a laser unit and a laser marker device.

感熱紙等の記録媒体上にレーザー光を集光し、対象物に熱エネルギーを加えることで発色させるレーザーマーカー装置が知られている。
レーザーマーカー装置においては、レーザー光の結像位置(集光点)におけるビーム径が印字可能なドット径に相当し、かかるドット径を維持しつつ、記録媒体に十分な熱エネルギーを印加できる範囲が所定の印字可能深度として定められている。すなわち、レーザーマーカー装置では、印字可能深度の影響で印字対象物の高さが一定の範囲(印字深度内)に収まっている必要がある。そのため、印字対象の振動によるばたつきや、印字対象の厚みばらつきがあっても印字可能なように、ある程度印字位置に対してロバストなレーザーマーカーが求められている。
There is known a laser marker device that collects laser light on a recording medium such as thermal paper and develops color by applying thermal energy to an object.
In the laser marker device, the beam diameter at the imaging position (condensing point) of the laser light corresponds to the printable dot diameter, and the range in which sufficient thermal energy can be applied to the recording medium while maintaining the dot diameter is It is defined as a predetermined printable depth. That is, in the laser marker device, the height of the object to be printed needs to be within a certain range (within the print depth) due to the influence of the printable depth. Therefore, there is a demand for a laser marker that is robust to the printing position to some extent so that printing can be performed even if the printing target flutters due to vibration or the thickness of the printing target varies.

このような深度拡大技術としては、例えばレンズ拡散板やソフトフォーカスレンズ等が挙げられる。しかしながら、こうした深度拡大技術は一般的にはシングルビームが想定されている。
また、その他深度拡大技術としては位相型光学素子を用いる技術も知られている(例えば特許文献1)が、光学素子の形状が同心円状であって、像高のあるマルチビームを入射させると、各像高に対して異なる屈折を与えてしまい、収差の原因となってしまう懸念がある。
Examples of such a depth enlargement technique include a lens diffuser and a soft focus lens. However, such depth expansion technology is generally assumed to be a single beam.
Further, as another depth enlargement technique, a technique using a phase type optical element is also known (for example, Patent Document 1), but when a multi-beam having a concentric shape of the optical element and a high image height is incident, There is a concern that different refractions will be given to each image height, causing aberrations.

このような課題を解決するため、本発明に係るレーザーユニットでは、レーザー光を出射する複数の発光部が配置されたレーザー光源と、前記レーザー光の集光を行う結像レンズ系と、複数の前記レーザー光の結像位置を前記結像レンズ系の光軸上において異ならせるように該光軸方向に変化させる結像位置変更素子と、を有し、前記結像位置変更素子は、前記光軸方向に対して鉛直方向の入射位置によって前記結像位置が異なることを特徴とする。 In order to solve such a problem, in the laser unit according to the present invention, a laser light source in which a plurality of light emitting units for emitting laser light are arranged, an imaging lens system for condensing the laser light, and a plurality of imaging lens systems are used. It has an imaging position changing element that changes the imaging position of the laser beam in the optical axis direction so as to be different on the optical axis of the imaging lens system, and the imaging position changing element is the light. The imaging position is different depending on the incident position in the vertical direction with respect to the axial direction.

本発明によれば、共通の光学系を用いたマルチビームレーザーマーカーにおいて、各光線に対して均一に深度拡大の効果を持たせることができる。 According to the present invention, in a multi-beam laser marker using a common optical system, it is possible to uniformly give the effect of depth expansion to each light beam.

本発明に係るレーザーマーカー装置を備えた巻き取り搬送装置の一形態の概略構成を示す図である。It is a figure which shows the schematic structure of one form of the take-up transfer apparatus provided with the laser marker apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るレーザーマーカー装置を備えた巻き取り搬送装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the take-up transfer apparatus provided with the laser marker apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るレーザーマーカー装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the laser marker apparatus which concerns on this invention. 図3に示したレーザーヘッドのY方向から見た構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the laser head shown in FIG. 3 seen from the Y direction. 図3に示したレーザーヘッドのX方向から見た構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the laser head shown in FIG. 3 seen from the X direction. 本発明に係る階段状プリズムの構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure of the stepped prism which concerns on this invention. 本発明に係る階段状プリズムの効果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the effect of the stepped prism which concerns on this invention. 本発明に係るレーザーマーカー装置と比較例との出力結果の差を示す図である。It is a figure which shows the difference of the output result between the laser marker apparatus which concerns on this invention, and a comparative example. 本発明に係るレーザーマーカー装置の制御の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the control of the laser marker apparatus which concerns on this invention. 本発明に係るレーザーマーカー装置の印字時の出力の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the output at the time of printing of the laser marker apparatus which concerns on this invention. 異屈折率合板を用いた構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the structure using the different refractive index plywood. 図3に示したレーザーマーカー装置の他の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of another configuration of the laser marker apparatus shown in FIG. 図3に示したレーザーマーカー装置の他の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of another configuration of the laser marker apparatus shown in FIG. 本発明に係る階段状プリズムの構成の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the structure of the stepped prism which concerns on this invention.

以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて順次説明する。実施形態において、同一機能や同一構成を有するものには同一の符号を付し、重複説明は適宜省略する。図面は一部構成の理解を助けるために部分的に省略あるいは簡素化して記載する場合もある。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be sequentially described with reference to the drawings. In the embodiment, the same functions and the same configurations are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate. Drawings may be partially omitted or simplified to aid understanding of some configurations.

本発明に係るレーザーマーカー装置たる印字装置100は、レーザーユニットを構成する装置本体部30と、レーザー光を出射するためのレーザーヘッド20と、記録媒体としての感熱紙たるシートSと、シートSを搬送するための搬送部10と、を有している。
なお、本実施形態における印字装置100は、シートSの表面にレーザー光を照射することで熱エネルギーによって印字するレーザーマーカー装置として機能するが、文字に限定されるものではなく、文字、記号、線、図形、ベタ画像あるいはこれらの組み合わせ、バーコード、2次元コード等の画像を印刷するものであって良い。
The printing device 100, which is a laser marker device according to the present invention, comprises a device main body 30 constituting a laser unit, a laser head 20 for emitting laser light, a sheet S, which is a thermal paper as a recording medium, and a sheet S. It has a transport unit 10 for transporting.
The printing device 100 in the present embodiment functions as a laser marker device that prints by heat energy by irradiating the surface of the sheet S with a laser beam, but the printing device 100 is not limited to letters, and is not limited to letters, symbols, and lines. , A graphic, a solid image, or a combination thereof, a bar code, a two-dimensional code, or the like may be printed.

シートSは、本実施形態における印字対象物であって、感熱紙の他、光を吸収して熱に変換し色相や反射率等の変化を生じる材料であれば何でも良く、例えば金属への刻印なども含まれる。また、シートSは、シート状に限定されるものではなく、様々な形状をとって良い。
なお、シートSを構成する「熱により色相や反射率等の変化を生じる材料」としては、例えば従来の感熱紙に用いられる電子供与性染料前駆体と電子受容性顕色剤との組み合わせ等が使用できる。また、熱により色相や反射率等の変化を生じる材料としては、熱と光の複合反応、例えばジアセチレン系化合物の加熱と紫外光照射による固相重合に伴う変色反応などの変化を生じる材料も含まれる。
The sheet S is an object to be printed in the present embodiment, and may be any material other than thermal paper, which absorbs light and converts it into heat to cause changes in hue, reflectance, etc., for example, engraving on metal. Etc. are also included. Further, the sheet S is not limited to the sheet shape, and may take various shapes.
As the "material that causes changes in hue, reflectance, etc. due to heat" constituting the sheet S, for example, a combination of an electron-donating dye precursor and an electron-accepting color developer used in conventional thermal paper is used. Can be used. In addition, as a material that causes a change in hue, reflectance, etc. due to heat, a material that causes a change such as a combined reaction of heat and light, for example, a discoloration reaction due to solid phase polymerization due to heating of a diacetylene compound and irradiation with ultraviolet light is also available. included.

搬送部10は、本実施形態では図1に示すように、シートSが巻きかけられており、所定の方向に回動することでシートSを送出する送り出し用の操出ローラ11と、シートSを巻き取る巻取ローラ12と、を有する搬送手段である。
また、搬送部10のシートSの搬送経路上には、シートSの速度を検知するための検知手段たるエンコーダ49が設けられており、シートSの搬送速度と、レーザーへッド20の書き込み速度とが合致するための制御を行う。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the transport unit 10 is wound with a sheet S, and is rotated in a predetermined direction to send out the sheet S, and a feeding roller 11 and a sheet S. It is a transport means including a take-up roller 12 for taking up a wind-up roller 12.
Further, an encoder 49, which is a detection means for detecting the speed of the sheet S, is provided on the transport path of the sheet S of the transport unit 10, and the transport speed of the sheet S and the writing speed of the laser head 20 are provided. Controls to match with.

印字装置100におけるシートSの移動経路上には、レーザーヘッド20が取り付けられ、シートSに向かってレーザー光を照射する。
なお、本実施形態におけるシートSは、シートSの送り方向と直交する幅方向の長さがレーザーヘッド20の照射可能な幅よりも広い。
そのため、レーザーヘッド20を複数、互いに重複しない位置に取り付けることで、印字幅を確保しているが、かかる構成に限定されるものではなく、単一のレーザーヘッド20を用いても良い。このように、印字するべき範囲がレーザーヘッド20の照射範囲よりも広い場合にも、複数のレーザーヘッド20を設けることで十分な印字幅を確保することができる。
A laser head 20 is attached on the moving path of the sheet S in the printing device 100, and irradiates the sheet S with a laser beam.
The length of the sheet S in the present embodiment in the width direction orthogonal to the feeding direction of the sheet S is wider than the irradiable width of the laser head 20.
Therefore, the printing width is secured by mounting a plurality of laser heads 20 at positions that do not overlap each other, but the present invention is not limited to this, and a single laser head 20 may be used. As described above, even when the printing range is wider than the irradiation range of the laser head 20, a sufficient printing width can be secured by providing the plurality of laser heads 20.

装置本体部30には、画像情報を出力するパーソナルコンピュータなどの画像情報出力部47と、冷却装置50と、エンコーダ49と、が接続されている。
装置本体部30とレーザーヘッド20とは、単一あるいは複数の光ファイバ42で接続されており、後述するように装置本体部30で発振されたレーザー光は光ファイバ42を経てレーザーヘッド20を介してシートSに照射される。
このように印字装置100はレーザー発光素子41から出射したレーザ光を光ファイバ42とレーザーヘッド20とを介して記録媒体たるシートSに照射し、描画単位からなる画像(可視像)を記録する。
An image information output unit 47 such as a personal computer that outputs image information, a cooling device 50, and an encoder 49 are connected to the device main unit 30.
The device main body 30 and the laser head 20 are connected by a single or a plurality of optical fibers 42, and the laser light oscillated by the device main body 30 passes through the optical fiber 42 and the laser head 20 as described later. Is irradiated to the sheet S.
In this way, the printing device 100 irradiates the sheet S, which is a recording medium, with the laser light emitted from the laser emitting element 41 via the optical fiber 42 and the laser head 20, and records an image (visible image) composed of drawing units. ..

装置本体部30は、例えば図2に示すように、レーザー発光素子41と、駆動ドライバ45と、あたるコントローラ46と、レーザー発光素子41に電力を供給するための電源部48と、を有している。
装置本体部30はまた、レーザアレイ部14aとファイバアレイ部14bとを有するレーザ照射装置14を有している。本実施形態においては、レーザ照射装置14は、複数の光ファイバ42の出射側の端面を記録対象物たるシートSの移動方向であるX軸方向と直交するZ軸方向にアレイ状に配置したファイバアレイである。
本実施形態では、かかるレーザー光を出射するための制御を行う装置本体部30と、レーザー光をシートSに向けて出射するための制御を行うレーザーヘッド20とが1つの「レーザーユニット」として機能する。
As shown in FIG. 2, for example, the apparatus main body 30 includes a laser emitting element 41, a drive driver 45, a controller 46, and a power supply unit 48 for supplying electric power to the laser emitting element 41. There is.
The apparatus main body portion 30 also has a laser irradiation apparatus 14 having a laser array portion 14a and a fiber array portion 14b. In the present embodiment, the laser irradiation device 14 is a fiber in which the end faces of the plurality of optical fibers 42 on the exit side are arranged in an array in the Z-axis direction orthogonal to the X-axis direction, which is the movement direction of the sheet S as the recording object. It is an array.
In the present embodiment, the apparatus main body 30 that controls to emit such laser light and the laser head 20 that controls to emit the laser light toward the sheet S function as one "laser unit". do.

コントローラ46には、電源部48および画像情報出力部47が接続されている。
コントローラ46は、画像情報出力部47から出力された画像情報に基づいて、レーザー発光素子41の発光させるパターンを生成して、信号として出力する発光制御部である。
A power supply unit 48 and an image information output unit 47 are connected to the controller 46.
The controller 46 is a light emission control unit that generates a pattern for emitting light from the laser light emitting element 41 based on the image information output from the image information output unit 47 and outputs it as a signal.

レーザー発光素子41は、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、色素レーザなどを用いることができる。レーザー発光素子41は、これらの中でも、波長選択性が広い点、小さいことから装置の小型化が可能な点、及び低価格化が可能な点から、半導体レーザが好ましい。 The laser emitting element 41 can be appropriately selected depending on the intended purpose, and for example, a semiconductor laser, a solid-state laser, a dye laser, or the like can be used. Among these, the laser light emitting element 41 is preferably a semiconductor laser from the viewpoints of wide wavelength selectivity, small size, so that the device can be miniaturized, and low price.

また、レーザー発光素子41が出射するレーザ光の波長としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、好ましくは700nm〜2000nmが好ましく、780nm〜1600nmがより好ましい。 The wavelength of the laser light emitted by the laser light emitting element 41 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but is preferably 700 nm to 2000 nm, more preferably 780 nm to 1600 nm.

出射手段であるレーザー発光素子41においては、印加するエネルギーの全てがレーザ光に変換されることはない。通常、レーザー発光素子41においては、レーザ光に変換されないエネルギーが熱に変換されることで発熱する。そのため、冷却手段である冷却装置50によりレーザー発光素子41を冷却する。
また、本実施形態のレーザ照射装置14は、ファイバアレイ部14bを用いることで、各レーザー発光素子41を離して配置することが可能となっている。これにより、隣接するレーザー発光素子41からの熱の影響を小さくすることが可能となり、レーザー発光素子41の冷却を効率的に行うことが出来るので、レーザー発光素子41の温度上昇、バラツキを回避することが出来、レーザ光の出力バラツキを低減出来、濃度ムラ、白抜けを改善できる。
なお、レーザ光の出力とはパワーメータで計測される平均出力である。レーザ光の出力制御方法としては2種類あり、ピークパワーを制御する方法と、パルスの発光比率(デューティー:レーザ発光時間/周期時間)を制御する方法とがある。
In the laser emitting element 41 which is an emitting means, not all of the applied energy is converted into laser light. Normally, in the laser light emitting element 41, energy that is not converted into laser light is converted into heat to generate heat. Therefore, the laser emitting element 41 is cooled by the cooling device 50 which is a cooling means.
Further, in the laser irradiation device 14 of the present embodiment, by using the fiber array unit 14b, it is possible to arrange the laser emitting elements 41 apart from each other. As a result, the influence of heat from the adjacent laser emitting element 41 can be reduced, and the laser emitting element 41 can be cooled efficiently, so that the temperature rise and variation of the laser emitting element 41 can be avoided. It is possible to reduce the output variation of the laser beam, and to improve density unevenness and whiteout.
The output of the laser beam is the average output measured by the power meter. There are two types of laser light output control methods, one is to control the peak power and the other is to control the pulse emission ratio (duty: laser emission time / period time).

冷却装置50は、冷却液を循環させてレーザー発光素子41を冷却する液冷方式であり、冷却液が各レーザー発光素子41から熱を受ける受熱部51と、冷却液の熱を放熱する放熱部52とを備えている。受熱部51と放熱部52とは、冷却パイプ53a、53bにより接続されている。受熱部51は、良熱伝導性部材で形成されたケース内部に良熱伝導性部材で形成された冷却液が流れるための冷却管が設けられている。複数のレーザー発光素子41は、受熱部51にアレイ状に配置されている。 The cooling device 50 is a liquid cooling system that circulates a cooling liquid to cool the laser emitting element 41, and has a heat receiving unit 51 in which the cooling liquid receives heat from each laser emitting element 41 and a heat radiating unit that dissipates heat from the cooling liquid. It is equipped with 52. The heat receiving unit 51 and the heat radiating unit 52 are connected by cooling pipes 53a and 53b. The heat receiving portion 51 is provided with a cooling tube for flowing the cooling liquid formed of the good thermal conductive member inside the case formed of the good thermal conductive member. The plurality of laser light emitting elements 41 are arranged in an array on the heat receiving unit 51.

放熱部52は、ラジエータと、冷却液を循環させるためのポンプとを備えている。放熱部52のポンプにより送り出された冷却液は、冷却パイプ53aを通って、受熱部51へ流入する。そして、冷却液は、受熱部51内の冷却管を移動しながら受熱部51に配列されたレーザー発光素子41の熱を奪ってレーザー発光素子41を冷やす。受熱部51から流出したレーザー発光素子41の熱を奪って温度上昇した冷却液は、冷却パイプ53b内を移動して放熱部52のラジエータへ流れ込み、ラジエータにより冷却される。ラジエータにより冷却された冷却液は、再びポンプにより受熱部51へ送り出される。 The heat radiating unit 52 includes a radiator and a pump for circulating the coolant. The coolant sent out by the pump of the heat radiating unit 52 flows into the heat receiving unit 51 through the cooling pipe 53a. Then, the coolant takes the heat of the laser emitting elements 41 arranged in the heat receiving unit 51 while moving the cooling tube in the heat receiving unit 51, and cools the laser emitting element 41. The cooling liquid that has taken the heat of the laser light emitting element 41 flowing out from the heat receiving unit 51 and whose temperature has risen moves in the cooling pipe 53b, flows into the radiator of the heat radiating unit 52, and is cooled by the radiator. The coolant cooled by the radiator is pumped again to the heat receiving unit 51.

ファイバアレイ部14bは、レーザー発光素子41に対応して設けられた複数の光ファイバ42と、これら光ファイバ42のレーザー出射部となる端部付近を、上下方向(Z軸方向)にアレイ状に保持するアレイヘッド44と、を備えている。
また、光ファイバ42の各レーザー入射部は、対応するレーザー発光素子41のレーザ出射面に取り付けられている。
The fiber array portion 14b forms an array in the vertical direction (Z-axis direction) of a plurality of optical fibers 42 provided corresponding to the laser light emitting element 41 and the vicinity of the end portion of the optical fiber 42 serving as the laser emitting portion. It includes an array head 44 for holding.
Further, each laser incident portion of the optical fiber 42 is attached to the laser emitting surface of the corresponding laser emitting element 41.

なお、一つのアレイヘッド44ですべての光ファイバ42を保持しようとした場合、アレイヘッド44が長尺となり、変形しやすくなる。その結果、一つのアレイヘッド44では、ビーム配列の直線性やビームピッチの均一性を保つのが難しい。このため、アレイヘッド44は、光ファイバ42を100個〜200個保持するものとすることが望ましい。また、レーザ照射装置14は、100個〜200個の光ファイバ42を保持した複数のアレイヘッド44を、シートSの移動方向に対して直交する方向であるZ軸方向に並べて配設するのが好ましい。本実施形態においては、アレイヘッド44には1つあたり192個の光ファイバ42がY方向に並べて配設されている。
なお、アレイヘッド44を本実施形態ではY方向に一次元に配列された光ファイバアレイとしているが、光ファイバ42の配置は例えばジグザグや2列、あるいは二次元に配列されていても良い。
If one array head 44 tries to hold all the optical fibers 42, the array head 44 becomes long and easily deformed. As a result, it is difficult for one array head 44 to maintain the linearity of the beam arrangement and the uniformity of the beam pitch. Therefore, it is desirable that the array head 44 holds 100 to 200 optical fibers 42. Further, in the laser irradiation device 14, a plurality of array heads 44 holding 100 to 200 optical fibers 42 are arranged side by side in the Z-axis direction, which is a direction orthogonal to the moving direction of the sheet S. preferable. In the present embodiment, 192 optical fibers 42 are arranged side by side in the Y direction on the array head 44.
In the present embodiment, the array heads 44 are optical fiber arrays arranged one-dimensionally in the Y direction, but the arrangement of the optical fibers 42 may be, for example, zigzag, two rows, or two-dimensionally arranged.

図3は、レーザアレイの配列状態について説明する図である。図3に示すように、アレイヘッド44における光ファイバ42は、シートS上に集光された焦点位置において、レーザー光を照射して発色して形成されるドット径Rが連なるように配列される。 FIG. 3 is a diagram illustrating an arrangement state of the laser array. As shown in FIG. 3, the optical fibers 42 in the array head 44 are arranged so that the dot diameters R formed by irradiating the laser beam to develop colors at the focal position focused on the sheet S are continuous. ..

本実施形態では、レーザーヘッド20は固定されており、所謂「走査」は行わない非走査式のレーザーヘッドとして用いているが、便宜上、光ファイバ42が配列されたアレイ方向であるY方向を「主走査方向」とし、シートSが移動するX方向を「副走査方向」とする。主走査方向と副走査方向とは互いに直交する。 In the present embodiment, the laser head 20 is fixed and used as a non-scanning laser head that does not perform so-called "scanning". However, for convenience, the Y direction, which is the array direction in which the optical fibers 42 are arranged, is set to "Y direction". The "main scanning direction" is defined, and the X direction in which the sheet S moves is defined as the "secondary scanning direction". The main scanning direction and the sub scanning direction are orthogonal to each other.

なお、アレイヘッド44とシートSとを相対的に移動させてシートSに画像を記録するため、アレイヘッド44がシートSに対して移動してもよく、シートSがアレイヘッド44に対して移動してもよい。 Since the array head 44 and the sheet S are relatively moved to record an image on the sheet S, the array head 44 may move with respect to the sheet S, and the sheet S may move with respect to the array head 44. You may.

レーザーヘッド20は、図4、図5に示すように、アレイヘッド44から射出されたレーザー光を集光するための結像レンズ系21と、結像レンズ系21よりも出射側すなわちZ方向側に配置された結像位置変更素子たる階段状プリズム22と、を有している。
なお、図4は当該レーザーヘッド20を副走査方向たるX方向側から見た図であり、図5は同じくレーザーヘッド20を主走査方向たるY方向側から見た図である。
図5においては手前方向に向かって複数の発光点たるレーザー出射部42aが並べて配置されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the laser head 20 includes an imaging lens system 21 for condensing the laser light emitted from the array head 44, and an emitting side, that is, a Z direction side with respect to the imaging lens system 21. It has a stepped prism 22 which is an imaging position changing element arranged in.
Note that FIG. 4 is a view of the laser head 20 viewed from the X direction side, which is the sub-scanning direction, and FIG. 5 is a view of the laser head 20 viewed from the Y direction side, which is also the main scanning direction.
In FIG. 5, laser emitting portions 42a, which are a plurality of light emitting points, are arranged side by side toward the front.

結像レンズ系21は、各光ファイバ42から出射した発散光束のレーザー光を平行光束に変換する前側レンズ系21aと、光学絞り21bと、レーザー光の照射面であるシートSの表面にレーザ光を集光する後側レンズ系21cと、を有する複数のレンズ等の光学部品で構成された光学系である。図4、図5には、結像レンズ系21の主要な光線図を付している。
本実施形態では、前側レンズ系21aと後側レンズ系21cとは、前側レンズ系21aの像側焦点面(図4、図5における光学絞り21bの位置)を中心として対称に形成されている。
また、光ファイバ42の各端面が配置されたアレイヘッド44の位置が、レーザー光をマルチビームレーザー光源として出射する疑似的な発光部として機能するから、光ファイバ42の端面たるレーザー出射部42aが「レーザー光を出射するための複数の発光部が配置されたレーザー光源」に相当する。なお、本実施形態では、レーザー出射部42aにおけるレーザー光の出力波形はトップハット型のレーザー光であるが、かかる構成に限定されるものではなく、ガウス分布の出力波形を持った光でも良い。
The imaging lens system 21 has a front lens system 21a that converts the laser light of the divergent light emitted from each optical fiber 42 into a parallel light beam, an optical aperture 21b, and a laser beam on the surface of the sheet S that is the irradiation surface of the laser light. It is an optical system composed of an optical component such as a plurality of lenses having a rear lens system 21c for condensing light. 4 and 5 are attached with a main ray diagram of the imaging lens system 21.
In the present embodiment, the front lens system 21a and the rear lens system 21c are formed symmetrically about the image side focal plane (position of the optical diaphragm 21b in FIGS. 4 and 5) of the front lens system 21a.
Further, since the position of the array head 44 on which each end face of the optical fiber 42 is arranged functions as a pseudo light emitting portion that emits laser light as a multi-beam laser light source, the laser emitting portion 42a that is the end face of the optical fiber 42 functions. It corresponds to "a laser light source in which a plurality of light emitting units for emitting laser light are arranged". In the present embodiment, the output waveform of the laser beam in the laser emitting unit 42a is a top hat type laser beam, but the present invention is not limited to this configuration, and light having a Gaussian distribution output waveform may be used.

前側レンズ系21aと後側レンズ系21cとは共に3枚のメニスカスレンズで構成されており、前側レンズ系21aは、物体側から像側へ向かって順に、凹面を物体側に向けた正の第1メニスカスレンズLN1と、凸面を物体側に向けた正の第2メニスカスレンズLN2と、凹面を像側に向けた負の第3メニスカスレンズLN3と、を有している。 Both the front lens system 21a and the rear lens system 21c are composed of three meniscus lenses, and the front lens system 21a is a positive th lens with a concave surface facing the object side in order from the object side to the image side. It has a 1 meniscus lens LN1, a positive second meniscus lens LN2 with a convex surface facing the object side, and a negative third meniscus lens LN3 with a concave surface facing the image side.

同様に、後側レンズ系21cは、第1メニスカスレンズLN6と、凸面を像側に向けた第2メニスカスレンズLN5と、凹面を物体側に向けた第3メニスカスレンズLN4と、が物体側から像側へ、前側レンズ系21aとは逆順で配置されている。 Similarly, in the rear lens system 21c, the first meniscus lens LN6, the second meniscus lens LN5 with the convex surface facing the image side, and the third meniscus lens LN4 with the concave surface facing the object side are images from the object side. It is arranged on the side in the reverse order of the front lens system 21a.

階段状プリズム22は、本実施形態では、複数のレーザー光の結像位置を結像レンズ系21の光軸O上において異ならせるようにZ方向に変化させる結像位置変更素子としての機能を有する光学部材である。 In the present embodiment, the stepped prism 22 has a function as an imaging position changing element that changes the imaging position of a plurality of laser beams in the Z direction so as to be different on the optical axis O of the imaging lens system 21. It is an optical member.

階段状プリズム22は、図6に示すように、7枚のサイズの異なる平板状のBK7製の無機光学材料23が積層された構成を有している。
無機光学材料23のうち、最も+Z側に配置されたものよりも更に像側には、防塵用の窓であり防塵部として機能する合成石英製の板状部材24が取り付けられている。
階段状プリズム22は、図5に示すように、アレイヘッド44の並び方向たるY方向に対して鉛直なX方向において、階段状の異なる厚み分布を有し、かかる構成により、入射した各光束の結像位置をX方向に入射した各段ごとに異なる結像位置に変更する。言い換えるとレーザー光の光軸方向に対して鉛直方向であるX方向にレーザー光を分割し、分割されたレーザー光のそれぞれに異なる結像位置を与える。つまり1つのレーザー出射部42aから出た光束が、X方向の入射位置によって複数の結像位置を与えられてシートSへと射出される。
具体的には、図7(a)に模式的に光線図を示すように、無機光学材料23を透過する光の光学距離が、無機光学材料23の屈折率:n、無機光学材料23の1枚当たりの厚み:lとしたとき、X方向の入射位置によって通過する無機光学材料23の枚数が変わるから、光路長がxnl(x=1,2,3・・・,7)だけ変化することとなる。
かかる光路長の差によって、図7(a)、(b)に例示するように、X方向の各無機光学材料23を通った光束は、結像位置が光軸O上において多焦点化される。
すなわち、集光されたレーザー光がシートSに照射されて与える熱エネルギーが、シートSの深さ方向についてそれぞれ図8(a)〜(c)に示すように分布する。
なお、図8(a)〜(c)においては、階段状プリズム22を図7の位置に設けた場合のレーザー光の光強度を実線で示すとともに比較例として階段状プリズム22を設けない場合のレーザー光の光強度を破線で示している。
また図8(a)〜(c)においては、階段状プリズム22無しのときの結像位置をdef=0として、手前方向にずらした位置をdef-0.5mm、奥側にずらした位置をdef+0.5mmとした。また、横軸がレーザー光の光軸Oの中心を0としたときの測定座標を示し、縦軸がレーザー光の放射照度(W/mm2)を示している。すなわち、図8(a)〜(c)において所定値以上の放射照度が測定される領域がレーザー光のビーム径を表している。
As shown in FIG. 6, the stepped prism 22 has a structure in which seven flat plate-shaped inorganic optical materials 23 made of BK7 having different sizes are laminated.
Among the inorganic optical materials 23, a plate-shaped member 24 made of synthetic quartz, which is a dust-proof window and functions as a dust-proof portion, is attached to the image side of the inorganic optical material 23, which is arranged on the most + Z side.
As shown in FIG. 5, the stepped prism 22 has different stepped thickness distributions in the X direction, which is vertical to the Y direction, which is the arrangement direction of the array heads 44. The imaging position is changed to a different imaging position for each step incident in the X direction. In other words, the laser beam is divided in the X direction, which is the vertical direction with respect to the optical axis direction of the laser beam, and different imaging positions are given to each of the divided laser beams. That is, the luminous flux emitted from one laser emitting unit 42a is given a plurality of imaging positions depending on the incident position in the X direction and is emitted to the sheet S.
Specifically, as shown schematically in the ray diagram in FIG. 7A, the optical distance of the light transmitted through the inorganic optical material 23 is the refractive index of the inorganic optical material 23: n, 1 of the inorganic optical material 23. When the thickness per sheet is l, the number of the inorganic optical materials 23 passing through changes depending on the incident position in the X direction, so that the optical path length changes by xnl (x = 1,2,3 ..., 7). It becomes.
Due to such a difference in optical path length, as illustrated in FIGS. 7A and 7B, the luminous flux passing through each of the inorganic optical materials 23 in the X direction has an image formation position multifocal on the optical axis O. ..
That is, the heat energy given by irradiating the sheet S with the focused laser light is distributed as shown in FIGS. 8 (a) to 8 (c) in the depth direction of the sheet S, respectively.
In FIGS. 8A to 8C, the light intensity of the laser beam when the stepped prism 22 is provided at the position shown in FIG. 7 is shown by a solid line, and the stepped prism 22 is not provided as a comparative example. The light intensity of the laser beam is shown by a broken line.
Further, in FIGS. 8A to 8C, the imaging position without the stepped prism 22 is def = 0, the position shifted toward the front is def-0.5 mm, and the position shifted toward the back is def. It was set to +0.5 mm. The horizontal axis shows the measurement coordinates when the center of the optical axis O of the laser light is 0, and the vertical axis shows the irradiance of the laser light (W / mm 2 ). That is, in FIGS. 8A to 8C, the region where the irradiance above a predetermined value is measured represents the beam diameter of the laser beam.

図8(a)〜(c)のグラフから明らかなように、階段状プリズム22を設けることでシートSの深度方向について、各光線に対して均一に深度拡大の効果を持たせることができるので、熱エネルギーの分布が深さ方向にも均一化されて、印字可能深度が拡大する。 As is clear from the graphs of FIGS. 8A to 8C, by providing the stepped prism 22, the depth expansion effect can be uniformly given to each light ray in the depth direction of the sheet S. , The distribution of thermal energy is made uniform in the depth direction, and the printable depth is expanded.

さて、かかる構成の印字装置100を用いて、シートSに対して印字を行う際の動作について説明する。
まず、パーソナルコンピュータなどの画像情報出力部47は、画像情報をコントローラ46に入力する。コントローラ46は、入力された画像情報に基づいて各駆動ドライバ45を駆動するための駆動信号(制御パルス)を生成する。コントローラ46は、生成された駆動信号(制御パルス)を各駆動ドライバ45へ送信する。具体的には、コントローラ46は、クロックジェネレータを備えている。
コントローラ46は、クロックジェネレータが発振するクロック数が、規定のクロック数となったら、各駆動ドライバ45を駆動するための駆動信号(制御パルス)を各駆動ドライバ45へ送信する。
Now, the operation when printing is performed on the sheet S by using the printing device 100 having such a configuration will be described.
First, the image information output unit 47 of a personal computer or the like inputs image information to the controller 46. The controller 46 generates a drive signal (control pulse) for driving each drive driver 45 based on the input image information. The controller 46 transmits the generated drive signal (control pulse) to each drive driver 45. Specifically, the controller 46 includes a clock generator.
When the number of clocks oscillated by the clock generator reaches the specified number of clocks, the controller 46 transmits a drive signal (control pulse) for driving each drive driver 45 to each drive driver 45.

各駆動ドライバ45は、駆動信号(制御パルス)を受信すると、電流パルスを送信して対応するレーザー発光素子41を駆動する。レーザー発光素子41は、駆動ドライバ45の駆動に従い、発光パルスを出力してレーザー光を照射する。レーザー発光素子41から照射されたレーザ光は、対応する光ファイバ42に入射し、光ファイバ42のレーザー出射部42aから出射される。光ファイバ42のレーザー出射部42aから出射されたレーザー光は、結像レンズ系21を透過した後、結像位置変更素子たる階段状プリズム22を経て記録対象物であるシートSの表面に照射される。シートSの表面に照射されたレーザ光により加熱されることにより、シートSの表面にはレーザー光のスポット径を解像度として画像が記録される。 When each drive driver 45 receives a drive signal (control pulse), it transmits a current pulse to drive the corresponding laser light emitting element 41. The laser light emitting element 41 outputs a light emitting pulse and irradiates the laser light according to the drive of the drive driver 45. The laser light emitted from the laser light emitting element 41 enters the corresponding optical fiber 42 and is emitted from the laser emitting portion 42a of the optical fiber 42. The laser light emitted from the laser emitting portion 42a of the optical fiber 42 passes through the imaging lens system 21 and then irradiates the surface of the sheet S, which is the recording object, through the stepped prism 22 which is the imaging position changing element. NS. By being heated by the laser beam applied to the surface of the sheet S, an image is recorded on the surface of the sheet S with the spot diameter of the laser beam as the resolution.

図9は、制御パルスと発光パルスとの関係について説明する図である。図9(a)は制御パルスと発光パルスのタイミングチャートを示し、図9(b)はレーザのI−L特性を
示す。図9に示すように、発光パルスの立ち上がりが電流パルスよりも少し遅れているのは、レーザ出力と電流値のI−L特性という相関関係の中で、ある一定の電流値をかけないとレーザが発光しないためである。
FIG. 9 is a diagram illustrating the relationship between the control pulse and the light emission pulse. FIG. 9A shows a timing chart of the control pulse and the emission pulse, and FIG. 9B shows the IL characteristics of the laser. As shown in FIG. 9, the rise of the emission pulse is slightly delayed from that of the current pulse because the laser is not applied with a certain current value in the correlation between the laser output and the IL characteristic of the current value. Is not emitted.

ところで、印字装置として、ガルバノミラーを用いてレーザ光を偏向して記録対象物に画像を記録する、所謂走査式のレーザーマーカーを用いた場合、文字等の画像は、ガルバノミラーの回転と駆動ドライバのパルス制御とで、レーザ光を照射して記録する。
そのため、ある一定の情報量を記録対象物に記録する場合には、ガルバノミラーの回転速度が書き込み速度の制限となってしまう場合が多く、高速書き込みが難しいという問題が生じていた。
By the way, when a so-called scanning laser marker, which deflects a laser beam by using a galvano mirror and records an image on a recording object, is used as a printing device, an image such as characters is produced by rotating the galvano mirror and driving a driver. With the pulse control of, laser light is irradiated and recorded.
Therefore, when recording a certain amount of information on a recording object, the rotation speed of the galvanometer mirror often limits the writing speed, which causes a problem that high-speed writing is difficult.

一方、本実施形態におけるレーザーヘッド20は、複数のレーザー出射部42aをアレイ状に配置したレーザアレイを用いたマルチビームレーザー光源である。
したがって、各画素に対応するレーザー発光素子41のON/OFF制御で、シートSに画像を記録することができる。これにより、情報量が多くても、シートSの搬送速度を低下させることなく、シートSに画像を記録することができる。よって、本実施形態における印字装置100によれば、多くの情報を記録対象物に記録する場合でも、生産性を落とさずに、画像を記録することができる。
なお、搬送部10のシートSの搬送速度は、求められる速度に応じて適宜設定して構わないが、例えば10m/s程度の搬送速度で十分に書き込み可能である。
On the other hand, the laser head 20 in the present embodiment is a multi-beam laser light source using a laser array in which a plurality of laser emitting portions 42a are arranged in an array.
Therefore, an image can be recorded on the sheet S by ON / OFF control of the laser emitting element 41 corresponding to each pixel. As a result, even if the amount of information is large, the image can be recorded on the sheet S without reducing the transport speed of the sheet S. Therefore, according to the printing apparatus 100 of the present embodiment, even when a large amount of information is recorded on the recording object, the image can be recorded without reducing the productivity.
The transport speed of the sheet S of the transport unit 10 may be appropriately set according to the required speed, but for example, a transport speed of about 10 m / s is sufficient for writing.

さて、レーザー照射装置14は、レーザー光を照射してシートSを加熱する原理上、シートSに高速で熱エネルギーを与えて画像を記録するため、搬送部10の搬送速度が高速化する場合には高出力のレーザー発光素子41を用いる必要がある。具体的にはレーザー発光素子41の1個当たりの出力数が10W/個程度であって、レーザー発光素子41の発熱量が多い。
また、本実施形態では、解像度を200dpi程度とするために、192個のレーザー出射部42aがピッチ127μmでアレイヘッド44にアレイ状に配列されている。かかる構成により、高出力のレーザー光が密集しているため、発熱量が多い。
By the way, since the laser irradiation device 14 records an image by applying thermal energy to the sheet S at high speed in principle of irradiating the sheet S with laser light to heat the sheet S, when the transfer speed of the transfer unit 10 is increased. Needs to use a high-power laser emitting element 41. Specifically, the number of outputs per laser emitting element 41 is about 10 W / piece, and the amount of heat generated by the laser emitting element 41 is large.
Further, in the present embodiment, 192 laser emitting portions 42a are arranged in an array on the array head 44 at a pitch of 127 μm in order to set the resolution to about 200 dpi. Due to this configuration, high-power laser light is densely packed, so that a large amount of heat is generated.

そこで、レーザ照射装置14においては、冷却装置50を設けて、レーザー発光素子41を液冷することで、レーザー発光素子41の温度上昇をより一層抑制することができる。その結果、レーザ照射装置14によれば、さらに、レーザー発光素子41の発光間隔を短くすることができ、シートSの搬送速度をあげることができ、生産性を高めることができる。なお、本実施形態の冷却装置50は、レーザー発光素子41を液冷しているが、冷却ファンなどを用いてレーザー発光素子41を空冷するようにしてもよい。液冷の方が空冷より冷却効率が高く、レーザー発光素子41を良好に冷却できるというメリットがある。一方、空冷とすることで、液冷より冷却効率は落ちるが、安価にレーザー発光素子41を冷却することができるというメリットがある。 Therefore, in the laser irradiation device 14, the temperature rise of the laser light emitting element 41 can be further suppressed by providing the cooling device 50 and liquid-cooling the laser light emitting element 41. As a result, according to the laser irradiation device 14, the light emission interval of the laser light emitting element 41 can be further shortened, the transport speed of the sheet S can be increased, and the productivity can be increased. In the cooling device 50 of the present embodiment, the laser emitting element 41 is liquid-cooled, but the laser emitting element 41 may be air-cooled by using a cooling fan or the like. Liquid cooling has a higher cooling efficiency than air cooling, and has the advantage that the laser emitting element 41 can be cooled satisfactorily. On the other hand, air cooling has the advantage that the laser emitting element 41 can be cooled at low cost, although the cooling efficiency is lower than that of liquid cooling.

ここで、シートSに印字される様子を説明する。 Here, the state of being printed on the sheet S will be described.

図10は、シートSの印字について説明する図である。説明を単純化するためにシートSが静止している場合について述べるが、シートSの搬送においても、シートSがレーザーヘッド20の照射範囲を通過するまでに同様の現象が生じるとしてよい。
レーザー発光素子41から照射されたレーザー光は、シートS表面のレーザースポット位置、言い換えると結像レンズ系21による結像位置に熱エネルギーとして伝わる。
図10に示すように、熱エネルギーは、一般的に中心部が高く、端部が低くなるガウス分布のようになる。
FIG. 10 is a diagram illustrating printing on the sheet S. The case where the sheet S is stationary will be described for the sake of simplification of the description, but the same phenomenon may occur before the sheet S passes through the irradiation range of the laser head 20 in the transportation of the sheet S.
The laser light emitted from the laser emitting element 41 is transmitted as thermal energy to the laser spot position on the surface of the sheet S, in other words, the imaging position by the imaging lens system 21.
As shown in FIG. 10, the thermal energy generally has a Gaussian distribution in which the central portion is high and the edge portion is low.

シートSには、発色閾値が存在しており、発色閾値を超えた部分が発色する。発色濃度は、熱エネルギーの大きさに比例する。また、発色閾値は、シートSの材料によって異なる。 The sheet S has a color development threshold value, and a portion exceeding the color development threshold value develops color. The color development density is proportional to the magnitude of thermal energy. Further, the color development threshold differs depending on the material of the sheet S.

レーザー光の結像レンズ系21による結像位置をdef=0としたとき、既に図8(a)〜(c)で説明したように、レーザー光の出力は結像位置からZ方向、すなわちシートSの厚さ方向にずれるほど大きく変化する。
かかる出力の変化が大きくなるほど、かかる発色閾値を満たさなくなって発色するべき位置が十分に発色しない等の問題が生じうる。
そこで本実施形態では、階段状プリズム22によって、同一光軸上で結像位置を変化させることで、各光線に対して均一に深度拡大の効果を持たせることができる。
When the imaging position of the laser beam imaging lens system 21 is set to def = 0, the output of the laser beam is in the Z direction from the imaging position, that is, the sheet, as already described in FIGS. 8A to 8C. The greater the deviation in the thickness direction of S, the greater the change.
As the change in the output becomes larger, there may be a problem that the color development threshold value is not satisfied and the position where the color should be developed is not sufficiently developed.
Therefore, in the present embodiment, by changing the imaging position on the same optical axis by the stepped prism 22, it is possible to uniformly give the effect of depth expansion to each light ray.

さて、光学系に用いられるレンズ等の光学部材は、一般には光軸Oを中心として同心円状に光学特性が同一になるように設計される。
そのため、単にソフトフォーカス化、あるいはマルチフォーカス化を行うためには、レンズ拡散板やソフトフォーカスレンズ等を入れることが考えられる。
しかしながら、本実施形態のようにアレイ状のマルチビームレーザー光源を用いた場合には、アレイヘッド44の端部に配置されたレーザー出射部42aからのレーザー光が結像レンズ系21に斜めに入射することで、光線の横ずれによって非点収差化してしまう虞がある。
そこで本実施形態では、階段状プリズム22は、アレイ方向たるY方向に延びて形成され、X方向に複数に分割された光路長を与える。かかる構成により、アレイ状に配置されたマルチビームレーザー光源であっても、アレイ方向に並んだ複数の光線に対して均一に多焦点化を行うことができる。
階段状プリズム22は、レーザー光のX方向の入射位置によって入射したレーザー光を分割し、分割されたそれぞれのレーザー光についてZ方向における結像位置が異なる。
さらに、階段状プリズム22を用いることにより、レンズ拡散板やソフトフォーカスレンズのようにレーザー光の損失や不均一化を招くことがなく、かつ光束の一部について結像位置のみを光軸O上で変化させることができる。
An optical member such as a lens used in an optical system is generally designed to have the same optical characteristics concentrically around the optical axis O.
Therefore, in order to simply make the soft focus or multi-focus, it is conceivable to insert a lens diffuser, a soft focus lens, or the like.
However, when an array-shaped multi-beam laser light source is used as in the present embodiment, the laser light from the laser emitting portion 42a arranged at the end of the array head 44 is obliquely incident on the imaging lens system 21. As a result, there is a risk of astigmatism due to lateral displacement of the light beam.
Therefore, in the present embodiment, the stepped prism 22 is formed so as to extend in the Y direction, which is the array direction, and gives an optical path length divided into a plurality of X directions. With such a configuration, even a multi-beam laser light source arranged in an array can uniformly multifocalize a plurality of light rays arranged in the array direction.
The stepped prism 22 divides the incident laser light according to the incident position of the laser light in the X direction, and the imaging position in the Z direction is different for each of the divided laser lights.
Further, by using the stepped prism 22, unlike the lens diffuser and the soft focus lens, the loss and non-uniformity of the laser light are not caused, and only the imaging position of a part of the luminous flux is on the optical axis O. Can be changed with.

また本実施形態においては、階段状プリズム22は、レーザー光のビーム径に対して階段数が最大になるように、レーザー光の直径に対して複数段の段差を設けている。
かかる構成により、各光線に対して均一に深度拡大の効果を持たせることができる。
Further, in the present embodiment, the stepped prism 22 is provided with a plurality of steps with respect to the diameter of the laser beam so that the number of steps is maximized with respect to the beam diameter of the laser beam.
With such a configuration, it is possible to uniformly give the effect of depth expansion to each light ray.

また本実施形態においては、階段状プリズム22を、サイズの異なる複数の平板状の光学部材を積層することで形成している。
かかる構成により、安価に階段状プリズム22を製作することができる。
なお、階段状プリズム22は、このように平板状の光学材料の積層によるもの以外にも、切削等によって単一の光学材料から一体の光学部材として製作することもできる。
このように切削によって階段状プリズム22を製作することとすれば、平板同士の界面が存在しなくなるために、光量損失を低減することができる。
Further, in the present embodiment, the stepped prism 22 is formed by laminating a plurality of flat plate-shaped optical members having different sizes.
With such a configuration, the stepped prism 22 can be manufactured at low cost.
The stepped prism 22 can be manufactured as an integral optical member from a single optical material by cutting or the like, in addition to the one obtained by laminating flat plate-shaped optical materials in this way.
If the stepped prism 22 is manufactured by cutting in this way, the light amount loss can be reduced because the interface between the flat plates does not exist.

また本実施形態では、階段状プリズム22は、レーザー光の入射側と出射側とのうち少なくとも一方の面に反射防止膜を有する。
かかる構成により、階段状プリズム22の表面での反射率を低減して、迷光の低減や光量損失の低減に寄与する。
Further, in the present embodiment, the stepped prism 22 has an antireflection film on at least one surface of the incident side and the emitted side of the laser beam.
With such a configuration, the reflectance on the surface of the stepped prism 22 is reduced, which contributes to the reduction of stray light and the reduction of light amount loss.

また本実施形態では、階段状プリズム22は、結像レンズ系21よりもレーザー光の進行方向において下流側に配置される。
かかる構成により、階段状プリズム22が結像レンズ系21の結像位置と、結像レンズ系21との間に配置されるから、像側から見たときにレーザー出射部42aが各位置において光軸方向にずれて配置されたのと同様の効果となるから、光学性能に影響を与えることなく、各光線について均一に深度拡大のこうかを持たせることができる。
Further, in the present embodiment, the stepped prism 22 is arranged downstream of the imaging lens system 21 in the traveling direction of the laser beam.
With this configuration, the stepped prism 22 is arranged between the imaging position of the imaging lens system 21 and the imaging lens system 21, so that the laser emitting portion 42a emits light at each position when viewed from the image side. Since the effect is the same as when the lenses are arranged so as to be offset in the axial direction, it is possible to give each ray a uniform depth-enhancing lens without affecting the optical performance.

また本実施形態では、階段状プリズム22は、レーザー光の最も出射側の面に硬度の高い防塵部たる合成石英製の板状部材24を備え、板状部材24はレーザーヘッド20の筐体の開口部を覆うように取り付けられている。
かかる構成により、部品点数の増加を抑えることで、レーザーヘッド20の小型化を容易とする。
Further, in the present embodiment, the stepped prism 22 is provided with a plate-shaped member 24 made of synthetic quartz, which is a dust-proof portion having high hardness, on the surface on the most emitting side of the laser beam, and the plate-shaped member 24 is a housing of the laser head 20. It is installed so as to cover the opening.
With such a configuration, the laser head 20 can be easily miniaturized by suppressing an increase in the number of parts.

さて、本発明の第2の実施形態として、図11にレーザーヘッド20の異なる構成例について示す。
なお、図11においては、第1の実施形態として既に説明した構成と同様の部分については同一の付番をして説明を適宜省略する。
As a second embodiment of the present invention, FIG. 11 shows a different configuration example of the laser head 20.
In FIG. 11, the same parts as those already described as the first embodiment are numbered in the same manner, and the description thereof will be omitted as appropriate.

本実施形態では、レーザーヘッド20は、結像レンズ系21と結像位置との間に配置され、X方向に複数の屈折率の異なる平板であるセル25を備えた異屈折率合板26を有している。
セル25は、アレイ方向たるY方向と、光軸Oの方向たるZ方向とに対して鉛直方向であるX方向に複数設けられており、それぞれのセル25について厚みzが同一で異なる屈折率n1〜nxを有している。
異屈折率合板26は、かかる構成により、それぞれのセル25に入射したレーザー光の光路を、それぞれn1×z、n2×z、n3×z・・・nx×z、の光学的距離とするから、光路差が与えられて多焦点化されたレーザー光を得ることができる。
In the present embodiment, the laser head 20 has a different refractive index plywood 26 which is arranged between the imaging lens system 21 and the imaging position and includes cells 25 which are flat plates having a plurality of different refractive indexes in the X direction. doing.
A plurality of cells 25 are provided in the X direction, which is a vertical direction with respect to the Y direction, which is the array direction, and the Z direction, which is the direction of the optical axis O, and each cell 25 has the same thickness z and a different refractive index n1. It has ~ nx.
With this configuration, the different refractive index plywood 26 sets the optical path of the laser light incident on each cell 25 to the optical distances of n1 × z, n2 × z, n3 × z ... nxxz, respectively. , It is possible to obtain a multifocal laser beam given an optical path difference.

また、かかる構成においては、n1〜nxは+X方向側で低屈折率、−X方向側で高屈折率となるように段階的に変化しているので、n1<n2<n3・・・<nxである。
低い屈折率のセル25に入射した光線は、相対的に手前側に結像し、高屈折率なセル25に入射した光線は相対的に奥側に結像する。
このように、異屈折率合板26は、結像レンズ系21のレーザー光の結像位置を変化させる結像位置変更素子として機能する。
Further, in such a configuration, n1 to nx are gradually changed so as to have a low refractive index on the + X direction side and a high refractive index on the −X direction side, so that n1 <n2 <n3 ... <nx Is.
The light rays incident on the cell 25 having a low refractive index are imaged relatively on the front side, and the light rays incident on the cell 25 having a high refractive index are imaged relatively on the back side.
In this way, the different refractive index plywood 26 functions as an imaging position changing element that changes the imaging position of the laser beam of the imaging lens system 21.

なお、かかる異屈折率合板26については、各セル25の厚み、大きさ、硝材の並び順、数、種類等は問わない。
また、異屈折率合板26の形状は、本実施形態では、厚みzの平板形状を選択したが、適宜設計によって形状を変更しても良い。
Regarding the different refractive index plywood 26, the thickness, size, arrangement order, number, type, etc. of each cell 25 are not limited.
Further, as the shape of the different refractive index plywood 26, a flat plate shape having a thickness z is selected in this embodiment, but the shape may be changed as appropriate according to the design.

また、上述の第1、第2の実施形態においては、結像位置変更素子として機能する階段状プリズム22、異屈折率合板26の何れも、結像レンズ系21と、結像レンズ系21の結像位置との間に配置したが、かかる位置に限定されるものではない。
また、階段状プリズム22の形状についても、以下に述べるように様々な変形例を撮っても良い。
Further, in the first and second embodiments described above, both the stepped prism 22 and the different refractive index plywood 26 that function as the imaging position changing element are the imaging lens system 21 and the imaging lens system 21. Although it is placed between the image formation position and the image formation position, it is not limited to such a position.
Further, with respect to the shape of the stepped prism 22, various modified examples may be taken as described below.

例えば階段状プリズム22は、図12に示すように結像レンズ系21よりも−Z方向側に配置されるとしても良い。
あるいは、階段状プリズム22は、図13に示すように結像レンズ系21の光学絞り21bの近傍に配置されるとしても良い。なお、図13においては光学絞り21bのZ方向下流側に配置したが、上流側であっても良い。
また、「光学絞り21bの近傍」とは前側レンズ系21aと、後側レンズ系21cと、の間に配置されているものを含む。
For example, the stepped prism 22 may be arranged on the −Z direction side of the imaging lens system 21 as shown in FIG.
Alternatively, the stepped prism 22 may be arranged in the vicinity of the optical diaphragm 21b of the imaging lens system 21 as shown in FIG. In FIG. 13, the optical diaphragm 21b is arranged on the downstream side in the Z direction, but it may be on the upstream side.
Further, "near the optical diaphragm 21b" includes those arranged between the front lens system 21a and the rear lens system 21c.

また、階段状プリズム22は、図14に示すように、両側が階段形状になったものであっても良いし、それぞれの無機光学材料23の角の部分に面取りを施しても良い。 Further, as shown in FIG. 14, the stepped prism 22 may have a stepped shape on both sides, or the corners of the respective inorganic optical materials 23 may be chamfered.

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに異なる実施形態や変形例を適宜に組み合わせてもよい。 Although the embodiments according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and at the implementation stage, the components can be modified and embodied within a range that does not deviate from the gist thereof. .. In addition, various inventions can be formed by an appropriate combination of the plurality of components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be removed from all the components shown in the embodiments. Further, different embodiments and modifications may be combined as appropriate.

10 搬送部
14 レーザー照射装置
20 レーザーユニット(レーザーヘッド)
21 結像レンズ系
22 結像位置変更素子(階段状プリズム)
23 無機光学材料
24 防塵部(板状部材)
25 セル(結像位置変更素子)
26 異屈折率合板(結像位置変更素子)
41 レーザー発光素子
42 光ファイバ
100 レーザーマーカー装置(印字装置)
LN1、LN6 第1メニスカスレンズ
LN2、LN5 第2メニスカスレンズ
LN3、LN4 第3メニスカスレンズ
S 記録媒体(シート)
10 Transport unit 14 Laser irradiation device 20 Laser unit (laser head)
21 Imaging lens system 22 Imaging position changing element (stepped prism)
23 Inorganic optical material 24 Dustproof part (plate-shaped member)
25 cells (imaging position changing element)
26 Different refractive index plywood (imaging position changing element)
41 Laser light emitting element 42 Optical fiber 100 Laser marker device (printing device)
LN1, LN6 1st meniscus lens LN2, LN5 2nd meniscus lens LN3, LN4 3rd meniscus lens S Recording medium (sheet)

特許第5357790号公報Japanese Patent No. 5357790

Claims (11)

レーザー光を出射する複数の発光部が配置されたレーザー光源と、
前記レーザー光の集光を行う結像レンズ系と、
複数の前記レーザー光の結像位置を前記結像レンズ系の光軸上において異ならせるように該光軸方向に変化させる結像位置変更素子と、
を有し、
前記結像位置変更素子は、前記光軸方向に対して鉛直方向の入射位置によって前記結像位置が異なることを特徴とするレーザーユニット。
A laser light source in which multiple light emitting parts that emit laser light are arranged, and
An imaging lens system that collects laser light and
An imaging position changing element that changes the imaging position of the plurality of laser beams in the optical axis direction so as to be different on the optical axis of the imaging lens system.
Have,
The imaging position changing element is a laser unit characterized in that the imaging position differs depending on the incident position in the vertical direction with respect to the optical axis direction.
請求項1に記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記光軸方向の厚さが段階的に変化する階段状プリズムであることを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to claim 1.
The imaging position changing element is a laser unit characterized by being a stepped prism whose thickness in the optical axis direction changes stepwise.
請求項2に記載のレーザーユニットであって、
前記階段状プリズムは、複数の大きさの異なる平板形状のプリズムを重ね合わせることで構成されることを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to claim 2.
The stepped prism is a laser unit characterized in that it is formed by superimposing a plurality of flat plate-shaped prisms having different sizes.
請求項2に記載のレーザーユニットであって、
前記階段状プリズムは、単一の材料から一体に形成されたことを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to claim 2.
The stepped prism is a laser unit characterized in that it is integrally formed of a single material.
請求項2乃至4の何れか1つに記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記レーザー光の入射側と出射側とのうち少なくとも一方の面に反射防止膜を有することを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to any one of claims 2 to 4.
The imaging position changing element is a laser unit having an antireflection film on at least one surface of an incident side and an emitted side of the laser light.
請求項1に記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記光軸方向に対して鉛直方向に複数の屈折率の異なる領域を有することを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to claim 1.
The imaging position changing element is a laser unit characterized by having a plurality of regions having different refractive indexes in the vertical direction with respect to the optical axis direction.
請求項1乃至6の何れか1つに記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記結像レンズ系よりも前記レーザー光の進行方向下流側に配置されることを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to any one of claims 1 to 6.
The laser unit is characterized in that the imaging position changing element is arranged on the downstream side in the traveling direction of the laser beam with respect to the imaging lens system.
請求項7に記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記レーザー光の最も出射側の面に硬度の高い防塵部を備え、前記防塵部は当該レーザーユニットの筐体の開口部を覆うように取り付けられたことを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to claim 7.
The imaging position changing element is characterized in that the surface on the most emitting side of the laser beam is provided with a dustproof portion having high hardness, and the dustproof portion is attached so as to cover an opening of a housing of the laser unit. Laser unit to do.
請求項1乃至6の何れか1つに記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記結像レンズ系よりも前記レーザー光の進行方向上流側に配置されることを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to any one of claims 1 to 6.
The laser unit is characterized in that the imaging position changing element is arranged on the upstream side in the traveling direction of the laser beam with respect to the imaging lens system.
請求項1乃至6の何れか1つに記載のレーザーユニットであって、
前記結像位置変更素子は、前記結像レンズ系の絞り近傍に配置されたことを特徴とするレーザーユニット。
The laser unit according to any one of claims 1 to 6.
The imaging position changing element is a laser unit characterized in that it is arranged in the vicinity of the diaphragm of the imaging lens system.
請求項1乃至10の何れか1つに記載のレーザーユニットと、
前記レーザーユニットから照射されるレーザー光の前記結像位置を通過するように記録媒体を搬送する搬送部と、
前記レーザー光の照射位置を制御する制御部と、を有し、
前記記録媒体に印字するレーザーマーカー装置。
The laser unit according to any one of claims 1 to 10.
A transport unit that transports the recording medium so as to pass through the imaging position of the laser beam emitted from the laser unit, and a transport unit.
It has a control unit that controls the irradiation position of the laser beam.
A laser marker device that prints on the recording medium.
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