JP2001129679A - レーザ装置、レーザ加工装置および非球面レンズ - Google Patents
レーザ装置、レーザ加工装置および非球面レンズInfo
- Publication number
- JP2001129679A JP2001129679A JP30803499A JP30803499A JP2001129679A JP 2001129679 A JP2001129679 A JP 2001129679A JP 30803499 A JP30803499 A JP 30803499A JP 30803499 A JP30803499 A JP 30803499A JP 2001129679 A JP2001129679 A JP 2001129679A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- intensity distribution
- laser
- laser beam
- processing
- beam intensity
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lenses (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ加工を行う場合に、熱影響の小さい加
工を行うことができるビーム強度分布を得ること、その
他、加工に適したビーム強度分布を得ること。 【解決手段】 レーザ発振器から発生したレーザビーム
の光軸上に配置された非球面レンズによって、この非球
面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、周辺部
にエネルギーが偏った強度分布に変換する。
工を行うことができるビーム強度分布を得ること、その
他、加工に適したビーム強度分布を得ること。 【解決手段】 レーザ発振器から発生したレーザビーム
の光軸上に配置された非球面レンズによって、この非球
面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、周辺部
にエネルギーが偏った強度分布に変換する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は精密穴あけ加工の
ようなレーザ加工に用いるレーザ装置およびそれに用い
られるレンズに関するものである。
ようなレーザ加工に用いるレーザ装置およびそれに用い
られるレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１９は、特開平10-223946号公報に示
された従来のレーザ装置を示す構成図である。図１９に
おいて、1はレーザ発振器、2はレーザ発振器1から発生
したレーザビーム、3はレーザビーム２のビーム強度分
布を模式的に示したもの、55はビーム強度分布を制御す
る機能をもつ非球面レンズ、120は非球面レンズ55によ
りレーザビーム2の強度分布が設計強度分布に変換され
る位置6aにおけるビームプロファイル、110は非球面レ
ンズ後に配置されたコリメート光学系である。14は強度
分布を適当に成形されたレーザビームにより例えば穴あ
けのような加工をされる加工対象である。
された従来のレーザ装置を示す構成図である。図１９に
おいて、1はレーザ発振器、2はレーザ発振器1から発生
したレーザビーム、3はレーザビーム２のビーム強度分
布を模式的に示したもの、55はビーム強度分布を制御す
る機能をもつ非球面レンズ、120は非球面レンズ55によ
りレーザビーム2の強度分布が設計強度分布に変換され
る位置6aにおけるビームプロファイル、110は非球面レ
ンズ後に配置されたコリメート光学系である。14は強度
分布を適当に成形されたレーザビームにより例えば穴あ
けのような加工をされる加工対象である。
【０００３】図２０は図１９の非球面レンズ55の動作原
理を説明する図である。図２０において、非球面レンズ
の均一な収束性球面曲率成分の収束パワーをP+、ビーム
強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分のパワーを
P-(r)、非球面レンズ位置でのビーム強度分布をD1(r)、
収束性曲率成分に対応する焦点位置におけるビーム強度
分布をD2(r)、同焦点位置からビームの収束位置までの
距離をf'(r)とすると、f+=1/P+、f(r)=1/（P+-P
-(r)）、f'(r)=M(r)f(r)として、非球面レンズの構成か
ら、 P-(r)=KD1(r) （Kは比例定数） ビーム強度比の幾何学的関係から、D2(r)=D1(r)/M(r)と
あらわすことができ、 M(r)=f'(r)/f(r)=（f(r)-f+）/f(r)=P-(r)/P+ の関係から、 D2(r)=D1(r)/M(r)=（P-(r)/K）/（P-(r)/P+）=P+／K （rに依存しない。） が成り立つ。すなわち、局所的発散パワーP-(r)が非球
面レンズ位置のビーム強度分布D1(r)に比例していれ
ば、非球面レンズからf+の位置でのビーム強度分布D
2(r)は均一となる。この関係は任意のKについて成り立
ち、Kの値を変えると均一ビームの得られる位置（f+）
でのビーム断面径が変わる。図１９のように構成された
レーザ装置においては、レーザ発振器1より発生された
レーザビーム2は、3のようなビーム強度分布をもつ。非
球面レンズ55を通過した後のレーザビームは設計された
所定の位置6aにおいて、120のようなトップハット形状
の均一なビーム強度分布を持つ。位置6aにおいて一定の
ビーム強度分布を持つレーザビーム120はコリメート光
学系110により適当なサイズに変換され加工対象14上へ
転写され穴あけ等の用途に用いられる。使用されるビー
ムはビーム断面全体において均一な強度分布をもつトッ
プハット形状である。
理を説明する図である。図２０において、非球面レンズ
の均一な収束性球面曲率成分の収束パワーをP+、ビーム
強度分布に比例する局所的な発散性曲率成分のパワーを
P-(r)、非球面レンズ位置でのビーム強度分布をD1(r)、
収束性曲率成分に対応する焦点位置におけるビーム強度
分布をD2(r)、同焦点位置からビームの収束位置までの
距離をf'(r)とすると、f+=1/P+、f(r)=1/（P+-P
-(r)）、f'(r)=M(r)f(r)として、非球面レンズの構成か
ら、 P-(r)=KD1(r) （Kは比例定数） ビーム強度比の幾何学的関係から、D2(r)=D1(r)/M(r)と
あらわすことができ、 M(r)=f'(r)/f(r)=（f(r)-f+）/f(r)=P-(r)/P+ の関係から、 D2(r)=D1(r)/M(r)=（P-(r)/K）/（P-(r)/P+）=P+／K （rに依存しない。） が成り立つ。すなわち、局所的発散パワーP-(r)が非球
面レンズ位置のビーム強度分布D1(r)に比例していれ
ば、非球面レンズからf+の位置でのビーム強度分布D
2(r)は均一となる。この関係は任意のKについて成り立
ち、Kの値を変えると均一ビームの得られる位置（f+）
でのビーム断面径が変わる。図１９のように構成された
レーザ装置においては、レーザ発振器1より発生された
レーザビーム2は、3のようなビーム強度分布をもつ。非
球面レンズ55を通過した後のレーザビームは設計された
所定の位置6aにおいて、120のようなトップハット形状
の均一なビーム強度分布を持つ。位置6aにおいて一定の
ビーム強度分布を持つレーザビーム120はコリメート光
学系110により適当なサイズに変換され加工対象14上へ
転写され穴あけ等の用途に用いられる。使用されるビー
ムはビーム断面全体において均一な強度分布をもつトッ
プハット形状である。
【０００４】さらに、特開平10-153750号公報には、図
２１に示すように、レーザビームの強度分布をトップハ
ット状に変換する非球面レンズ55の前に、ビーム径を調
整するためのコリメートレンズ等の光学素子130を挿入
し、発振器からのレーザビーム径が変わった場合でも非
球面レンズ55に入射するビーム径が変化しないように調
整し、ビーム強度分布の変換が設計通り行われるように
する技術が記載されている。この公報にはまた、非球面
レンズの後方に位相補正素子100を設けて、非球面レン
ズにより強度分布変換したときに乱れる位相を補正する
技術も記載されている。
２１に示すように、レーザビームの強度分布をトップハ
ット状に変換する非球面レンズ55の前に、ビーム径を調
整するためのコリメートレンズ等の光学素子130を挿入
し、発振器からのレーザビーム径が変わった場合でも非
球面レンズ55に入射するビーム径が変化しないように調
整し、ビーム強度分布の変換が設計通り行われるように
する技術が記載されている。この公報にはまた、非球面
レンズの後方に位相補正素子100を設けて、非球面レン
ズにより強度分布変換したときに乱れる位相を補正する
技術も記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のレーザ
装置における光学系は、ある半径内で強度が均一な強度
分布（トップハット状）のレーザビームを発生し、使用
することを目的としている。例えば、スルーホール加工
等では、ある半径内で強度が均一な強度分布（トップハ
ット状）のビームを加工に用いた場合、熱影響により目
的とする品質の加工穴が得られない場合があった。
装置における光学系は、ある半径内で強度が均一な強度
分布（トップハット状）のレーザビームを発生し、使用
することを目的としている。例えば、スルーホール加工
等では、ある半径内で強度が均一な強度分布（トップハ
ット状）のビームを加工に用いた場合、熱影響により目
的とする品質の加工穴が得られない場合があった。
【０００６】この発明はかかる問題点を解決するために
なされたものであり、加工に用いた場合に熱影響の小さ
い加工を行うことができるビーム強度分布を得ること、
その他、加工に適したビーム強度分布を得ること、ま
た、発生させたビームを実用に適したビーム径、位相分
布に制御し、かつ上述のようなビーム形状を長時間、安
定に保つことを目的とする。
なされたものであり、加工に用いた場合に熱影響の小さ
い加工を行うことができるビーム強度分布を得ること、
その他、加工に適したビーム強度分布を得ること、ま
た、発生させたビームを実用に適したビーム径、位相分
布に制御し、かつ上述のようなビーム形状を長時間、安
定に保つことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ装
置は、レーザ発振器から発生したレーザビームの光路上
に配置されたビーム強度分布変換光学素子を備え、この
ビーム強度分布変換光学素子に入射するレーザビームの
強度分布を、レーザビーム光路上のビーム強度分布形成
位置におけるレーザビーム強度分布が、全ビームエネル
ギーの９０％のエネルギーが含まれる円の半径をa2とし
て、半径a1（a1＜a2）の円内に含まれるエネルギーを
E1、半径a1の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギ
ーをE2とした場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)とな
るよう変換するものである。
置は、レーザ発振器から発生したレーザビームの光路上
に配置されたビーム強度分布変換光学素子を備え、この
ビーム強度分布変換光学素子に入射するレーザビームの
強度分布を、レーザビーム光路上のビーム強度分布形成
位置におけるレーザビーム強度分布が、全ビームエネル
ギーの９０％のエネルギーが含まれる円の半径をa2とし
て、半径a1（a1＜a2）の円内に含まれるエネルギーを
E1、半径a1の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギ
ーをE2とした場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)とな
るよう変換するものである。
【０００８】また、3a1＞a2としたものである。
【０００９】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
非球面レンズとしたものである。
非球面レンズとしたものである。
【００１０】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
ホログラム素子としたものである。
ホログラム素子としたものである。
【００１１】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
フライアイレンズとしたものである。
フライアイレンズとしたものである。
【００１２】さらに、この発明に係るレーザ装置は、非
球面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるビー
ム中心からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)
が、I(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞
a1）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r＞an-1、nは2以上の自
然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関
数。）となるよう変換するものである。
球面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるビー
ム中心からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)
が、I(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞
a1）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r＞an-1、nは2以上の自
然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関
数。）となるよう変換するものである。
【００１３】また、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*m
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数としたものである。
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数としたものである。
【００１４】また、n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2、
1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）としたものである。
1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）としたものである。
【００１５】さらに、3a1＞a2としたものである。
【００１６】また、レーザ発振器から発生するレーザビ
ームの強度分布がガウス分布であるものである。
ームの強度分布がガウス分布であるものである。
【００１７】また、レーザビーム光路上にマスクを配置
したものである。
したものである。
【００１８】また、この発明に係るレーザ加工装置は、
上記のレーザ装置から発生したレーザビームを加工対象
に照射するものである。
上記のレーザ装置から発生したレーザビームを加工対象
に照射するものである。
【００１９】また、この発明に係る非球面レンズは、入
射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路上
の所定の位置におけるビームの中心からの距離rに対す
るレーザビーム強度分布I(r)が、I(r)=f1(r)（0＜r＜
a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・・・I（r）=fn(r)
（an＞r＞an-1、nは２以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)
のうち２つ以上は異なる値。）となるよう変換するもの
である。
射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路上
の所定の位置におけるビームの中心からの距離rに対す
るレーザビーム強度分布I(r)が、I(r)=f1(r)（0＜r＜
a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・・・I（r）=fn(r)
（an＞r＞an-1、nは２以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)
のうち２つ以上は異なる値。）となるよう変換するもの
である。
【００２０】また、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*m
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数としたものである。
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数としたものである。
【００２１】また、n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2、
1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）としたものである。
1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）としたものである。
【００２２】さらに、この発明による非球面レンズは、
入射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路
上のビーム強度分布形成位置におけるレーザビーム強度
分布が、全ビームエネルギーの９０％のエネルギーが含
まれる円の半径をa2として、半径a1（a1＜a2）の円内に
含まれるエネルギーをE1、半径a1の円から半径a2の円の
間に含まれるエネルギーをE2とした場合、E1/E2＜a1 2/
(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換するものである。
入射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路
上のビーム強度分布形成位置におけるレーザビーム強度
分布が、全ビームエネルギーの９０％のエネルギーが含
まれる円の半径をa2として、半径a1（a1＜a2）の円内に
含まれるエネルギーをE1、半径a1の円から半径a2の円の
間に含まれるエネルギーをE2とした場合、E1/E2＜a1 2/
(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換するものである。
【００２３】また、3a1>a2としたものである。
【００２４】また、入射するレーザビームの強度分布を
ガウス分布としたものである。
ガウス分布としたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１を示す概略図である。図１において、1は
レーザ発振器、2はレーザ発振器から発生したレーザビ
ーム、5はビーム強度分布変換光学素子としての非球面
レンズ、3は非球面レンズ5に入射する前のレーザビーム
強度分布、6はレーザビーム2の強度分布が非球面レンズ
5の作用により設計強度分布に変換される位置（以後、
ビーム強度分布形成位置という）、4はビーム強度分布
形成位置6におけるビーム強度分布を示す。なお、3およ
び4で示す強度分布は、中心軸を対称軸とする回転対称
分布を有し、図に示した一次元の図形は、実際の強度分
布を、回転対称軸を含む平面で切った際に現れる断面を
示したものである。
実施の形態１を示す概略図である。図１において、1は
レーザ発振器、2はレーザ発振器から発生したレーザビ
ーム、5はビーム強度分布変換光学素子としての非球面
レンズ、3は非球面レンズ5に入射する前のレーザビーム
強度分布、6はレーザビーム2の強度分布が非球面レンズ
5の作用により設計強度分布に変換される位置（以後、
ビーム強度分布形成位置という）、4はビーム強度分布
形成位置6におけるビーム強度分布を示す。なお、3およ
び4で示す強度分布は、中心軸を対称軸とする回転対称
分布を有し、図に示した一次元の図形は、実際の強度分
布を、回転対称軸を含む平面で切った際に現れる断面を
示したものである。
【００２６】図１において、レーザ発振器1から発生し
たレーザビーム2は、非球面レンズ5へ入射し、ビーム強
度分布形成位置6上で所望の強度分布に変換され利用さ
れる。ビーム強度分布形成位置６上に形成されるビーム
強度分布は、周囲に強い強度を有する凹字状の分布であ
り、ビーム断面全体で強度分布が一様平坦なトップハッ
ト形状ではない。
たレーザビーム2は、非球面レンズ5へ入射し、ビーム強
度分布形成位置6上で所望の強度分布に変換され利用さ
れる。ビーム強度分布形成位置６上に形成されるビーム
強度分布は、周囲に強い強度を有する凹字状の分布であ
り、ビーム断面全体で強度分布が一様平坦なトップハッ
ト形状ではない。
【００２７】非球面レンズ5およびその動作機構につい
て説明する。図２は、非球面レンズ5の動作機構を説明
するために示した、非球面レンズ5入射前（位置Aとす
る）のビーム強度分布3と非球面レンズ通過後のビーム
が、目的とするビーム強度分布4が形成されるビーム強
度分布形成位置6へ伝播する様子を示した図である。図
２において非球面レンズ位置のビーム強度分布3をI
1(r)、ビーム強度分布形成位置6のビーム強度分布４をI
2(u)とする。r、uはそれぞれ、ビームの中心軸からの距
離である。I1(r)、I2(u)は共通の中心軸ｃをもつ軸対象
なビーム強度分布であり、非球面レンズへの入射ビーム
の位置Aにおける位相分布は平坦（コリメートビーム）
と仮定する。計算例として、非球面レンズ入射前のビー
ム強度分布I1(r)（ガウス分布、I1(r)=exp(-2r2/w2)）
が、凹字状のビーム（I2(u)=I0, (0<u<a1)、I2(u)=I1,
(a1<u<a2)）へ変換される場合を考える。以下では、非
球面レンズ5がビームに与える位相分布式を導出する。
図２の矢印のように、ビームが位置ｒから位置u(r)へ伝
播するとき、波面がビーム進行方向に対して直交してい
ることから、非球面レンズ5透過後のビーム位相の変化
率は、
て説明する。図２は、非球面レンズ5の動作機構を説明
するために示した、非球面レンズ5入射前（位置Aとす
る）のビーム強度分布3と非球面レンズ通過後のビーム
が、目的とするビーム強度分布4が形成されるビーム強
度分布形成位置6へ伝播する様子を示した図である。図
２において非球面レンズ位置のビーム強度分布3をI
1(r)、ビーム強度分布形成位置6のビーム強度分布４をI
2(u)とする。r、uはそれぞれ、ビームの中心軸からの距
離である。I1(r)、I2(u)は共通の中心軸ｃをもつ軸対象
なビーム強度分布であり、非球面レンズへの入射ビーム
の位置Aにおける位相分布は平坦（コリメートビーム）
と仮定する。計算例として、非球面レンズ入射前のビー
ム強度分布I1(r)（ガウス分布、I1(r)=exp(-2r2/w2)）
が、凹字状のビーム（I2(u)=I0, (0<u<a1)、I2(u)=I1,
(a1<u<a2)）へ変換される場合を考える。以下では、非
球面レンズ5がビームに与える位相分布式を導出する。
図２の矢印のように、ビームが位置ｒから位置u(r)へ伝
播するとき、波面がビーム進行方向に対して直交してい
ることから、非球面レンズ5透過後のビーム位相の変化
率は、
【数１】 （1） （k=2π/λ、zは位置Aとビーム強度分布形成位置6の間
の距離）で与えられる。
の距離）で与えられる。
【００２８】今、非球面レンズ5とビーム強度分布形成
位置6間を伝播中にビームが交差しない（raがuaへ移
り、rbがubへ移る場合、ra＜rbなら、必ずua＜ub）と仮
定すると、非球面レンズ5における中心から半径rまでの
ビーム強度の積分
位置6間を伝播中にビームが交差しない（raがuaへ移
り、rbがubへ移る場合、ra＜rbなら、必ずua＜ub）と仮
定すると、非球面レンズ5における中心から半径rまでの
ビーム強度の積分
【数２】 と、ビーム強度分布形成位置6における中心から半径u
(r)までのビーム強度の積分
(r)までのビーム強度の積分
【数３】 の間には、
【数４】 （2） の関係が成り立つ。レーザビーム断面内の全ビーム強度
の和が強度変換前と強度変換後で等しいことから、
の和が強度変換前と強度変換後で等しいことから、
【数５】 から、
【数６】 （3） が成り立つ。
【００２９】非球面レンズ5入射前の位置Aにおいて、中
心からr1までの範囲のビームが、ビーム強度分布形成位
置6における0＜u＜a1へ伝播し、位置Aのr1＜rの範囲の
ビームがビーム強度分布形成位置6のa1＜u＜a2の範囲へ
伝播すると仮定すると、
心からr1までの範囲のビームが、ビーム強度分布形成位
置6における0＜u＜a1へ伝播し、位置Aのr1＜rの範囲の
ビームがビーム強度分布形成位置6のa1＜u＜a2の範囲へ
伝播すると仮定すると、
【数７】 （4） の関係が成り立ち（4）よりr1が求まる。以下では、r＞
r1の範囲と、r＜r1の範囲を分けて位相分布を導出す
る。
r1の範囲と、r＜r1の範囲を分けて位相分布を導出す
る。
【００３０】（ａ）r＜r1（I2(u(r))=I0,(u<a1)）の範
囲の位相分布 （2）より、
囲の位相分布 （2）より、
【数８】
【数９】 （5） であり、（5）を（1）へ代入して両辺を積分すると、r
＜r1の位相分布は、
＜r1の位相分布は、
【数１０】 （r＜r1） （6）となる。
【００３１】（ｂ）r＞r1（I2(u(r))=I1,(a1<u<a2)）の
範囲の位相分布 （２）より、
範囲の位相分布 （２）より、
【数１１】
【数１２】 であり、
【数１３】 （7） となる。
【００３２】（7）を（1）へ代入して両辺を積分する
と、r＞r1の位相分布は、
と、r＞r1の位相分布は、
【数１４】 （r＞r1） （8） となる。
【００３３】以上をまとめると、非球面レンズ透過後の
ビーム位相分布は、
ビーム位相分布は、
【数１５】 （r＜r1） （6）
【数１６】 （r＞r1） （8） で与えられる。ただし、ここで、r1は、
【数１７】 （4）で与えられる。
【００３４】（5）より求まるu(r1)と（7）より求まるu
(r1)とが一致する。つまり、位相分布の傾きdΦ/drに不
連続点がなく、位相分布Φに変曲点なく、図２に示した
ような強度分布を与えるような非球面レンズを形成でき
る。また、上記においては、所定位置のビーム強度分布
を、ビーム断面内において、ビーム強度が中心からの距
離に応じて、２段階に別れる場合に限って示したが、ビ
ーム断面内をより多い領域に区切って設計することもで
きる。
(r1)とが一致する。つまり、位相分布の傾きdΦ/drに不
連続点がなく、位相分布Φに変曲点なく、図２に示した
ような強度分布を与えるような非球面レンズを形成でき
る。また、上記においては、所定位置のビーム強度分布
を、ビーム断面内において、ビーム強度が中心からの距
離に応じて、２段階に別れる場合に限って示したが、ビ
ーム断面内をより多い領域に区切って設計することもで
きる。
【００３５】すなわち、レーザビーム光路上の所定の位
置におけるレーザビーム強度分布I(r)が、 I(r)=f1(r)（r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1＞0）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r ＞an-1、n=2以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関数） （9） となるよう変換する非球面レンズを設計することができ
る。ここで、ビームの外周、すなわちanは、設計上はそ
れより外部にはビームが存在しないビーム半径で定義で
きる。しかし、後述のように、実際にはanより外側にも
少しエネルギーが存在することが多いため、anは例えば
ビームの全エネルギーの９０％以上が含まれるビーム半
径と定義することが好ましい。
置におけるレーザビーム強度分布I(r)が、 I(r)=f1(r)（r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1＞0）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r ＞an-1、n=2以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関数） （9） となるよう変換する非球面レンズを設計することができ
る。ここで、ビームの外周、すなわちanは、設計上はそ
れより外部にはビームが存在しないビーム半径で定義で
きる。しかし、後述のように、実際にはanより外側にも
少しエネルギーが存在することが多いため、anは例えば
ビームの全エネルギーの９０％以上が含まれるビーム半
径と定義することが好ましい。
【００３６】非球面レンズを製作する際、レンズ形状に
変曲点がなければ安価で精度の良い非球面レンズに加工
ができる。上記に示したような非球面レンズは、位相分
布に変曲点がないため安価で容易に製作が可能である。
変曲点がなければ安価で精度の良い非球面レンズに加工
ができる。上記に示したような非球面レンズは、位相分
布に変曲点がないため安価で容易に製作が可能である。
【００３７】また、上記の実施例においては、凹字状の
ビームへの変換の例を示したが、変換された後のビーム
強度分布形状は、図１や、図３の(a)に示した凹字状の
ビームに限るものではなく、図３（b）に示したビーム
強度分布に曲面を含むものでもよいし、図３（c）に示
したビーム強度分布に傾斜を含むものも形成可能であ
る。また、図３（d）のような凸字形状のビームへの変
換も可能である。すなわち、上記（9）式におけるfi(r)
は様々な関数とすることができる。
ビームへの変換の例を示したが、変換された後のビーム
強度分布形状は、図１や、図３の(a)に示した凹字状の
ビームに限るものではなく、図３（b）に示したビーム
強度分布に曲面を含むものでもよいし、図３（c）に示
したビーム強度分布に傾斜を含むものも形成可能であ
る。また、図３（d）のような凸字形状のビームへの変
換も可能である。すなわち、上記（9）式におけるfi(r)
は様々な関数とすることができる。
【００３８】図２においては、ガウス分布型の強度分布
から凹字を回転させた、ビーム周辺部が強度が強い分布
への変換を例にとって説明したが、それ以外の強度分
布、位相分布のビームを入射ビームとして用いた場合に
は、強度分布については、I1(r)を入射ビームに合わせ
て変えてやれば良く、入射ビーム強度分布はガウス分布
に限るものではない。しかしながら、レーザ発振器の一
般的な性質として、ガウス分布型の強度分布を持つレー
ザビームを出力させた場合に、ビーム断面全体で位相が
一様なビームを発生し易い。加えて、入射ビームをガウ
ス分布のビームとすることにより、より安定な、設計通
りの分布が得やすい。また、図２においては、位相分布
が一様平坦である場合について説明を示したが、位相分
布が平坦でない場合は、非球面レンズ入射前のビーム位
相分布を平坦に補正する位相分布を非球面レンズの設計
に加えてやれば、上記の例と同じように所望のビーム強
度分布を所定の位置で形成できるように非球面レンズを
設計することができる。
から凹字を回転させた、ビーム周辺部が強度が強い分布
への変換を例にとって説明したが、それ以外の強度分
布、位相分布のビームを入射ビームとして用いた場合に
は、強度分布については、I1(r)を入射ビームに合わせ
て変えてやれば良く、入射ビーム強度分布はガウス分布
に限るものではない。しかしながら、レーザ発振器の一
般的な性質として、ガウス分布型の強度分布を持つレー
ザビームを出力させた場合に、ビーム断面全体で位相が
一様なビームを発生し易い。加えて、入射ビームをガウ
ス分布のビームとすることにより、より安定な、設計通
りの分布が得やすい。また、図２においては、位相分布
が一様平坦である場合について説明を示したが、位相分
布が平坦でない場合は、非球面レンズ入射前のビーム位
相分布を平坦に補正する位相分布を非球面レンズの設計
に加えてやれば、上記の例と同じように所望のビーム強
度分布を所定の位置で形成できるように非球面レンズを
設計することができる。
【００３９】図４〜８に実際の計算例を示す。ここで、
非球面レンズ入射ビームのパラメータは波長355nmで、
図４に示すように位相分布が一様、強度分布はガウス分
布 （I1(r)=exp(-2r2/w2)、w=3mm） である。
非球面レンズ入射ビームのパラメータは波長355nmで、
図４に示すように位相分布が一様、強度分布はガウス分
布 （I1(r)=exp(-2r2/w2)、w=3mm） である。
【００４０】図５、６は内径0.3mm、外径0.5mmの円環状
の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm先の
位置に実現されるよう設計した場合の計算結果である。
図５は上記に説明した方法で設計した非球面レンズ透過
後のビーム強度分布と位相分布である。強度分布につい
ては図４と変化ないが、位相分布は非球面レンズの作用
を受けている。図６は非球面レンズから150mm先に形成
されたビームの強度と位相の計算結果である。リップル
の他は、ほぼ、設計どおりの強度分布を与える計算結果
となっている。
の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm先の
位置に実現されるよう設計した場合の計算結果である。
図５は上記に説明した方法で設計した非球面レンズ透過
後のビーム強度分布と位相分布である。強度分布につい
ては図４と変化ないが、位相分布は非球面レンズの作用
を受けている。図６は非球面レンズから150mm先に形成
されたビームの強度と位相の計算結果である。リップル
の他は、ほぼ、設計どおりの強度分布を与える計算結果
となっている。
【００４１】図７に、半径0〜0.3mmの範囲での強度分布
I0に対して、半径0.3〜0.5mmの範囲の強度I1が、I1=3
I0、となり、半径0.5mm以上にはビームが存在しない凹
字状の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm
先の位置に実現されるよう設計した場合のビームの強度
と位相の計算結果を示す。リップルの他は、ほぼ、設計
どおりの強度分布を与える計算結果となっている。
I0に対して、半径0.3〜0.5mmの範囲の強度I1が、I1=3
I0、となり、半径0.5mm以上にはビームが存在しない凹
字状の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm
先の位置に実現されるよう設計した場合のビームの強度
と位相の計算結果を示す。リップルの他は、ほぼ、設計
どおりの強度分布を与える計算結果となっている。
【００４２】図８に、半径0〜0.3mmの範囲での強度分布
I0に対して、半径0.3〜0.5mmの範囲の強度I1が、I0=3
I1、となり、半径0.5mm以上にはビームが存在しない凸
字状の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm
先の位置に実現されるよう設計した場合の、ビームの強
度と位相の計算結果を示す。リップルの他は、ほぼ、設
計どおりの強度分布を与える計算結果となっている。
I0に対して、半径0.3〜0.5mmの範囲の強度I1が、I0=3
I1、となり、半径0.5mm以上にはビームが存在しない凸
字状の強度分布を有するビームが非球面レンズの150mm
先の位置に実現されるよう設計した場合の、ビームの強
度と位相の計算結果を示す。リップルの他は、ほぼ、設
計どおりの強度分布を与える計算結果となっている。
【００４３】実施の形態２．図９は本発明の実施の形態
２を示す概略図である。図９において、5はビーム強度
分布を変換する機能をもつ非球面レンズ、7はマスク、4
および4bはそれぞれマスク透過前とマスク透過後のビー
ム強度分布を模式的に示したものである。8はレンズで
あり、9は加工対象14上のビーム強度分布を模式的に示
したものである。
２を示す概略図である。図９において、5はビーム強度
分布を変換する機能をもつ非球面レンズ、7はマスク、4
および4bはそれぞれマスク透過前とマスク透過後のビー
ム強度分布を模式的に示したものである。8はレンズで
あり、9は加工対象14上のビーム強度分布を模式的に示
したものである。
【００４４】図９のように構成されたレーザ装置におい
ては、レーザ発振器1から発生したレーザビーム2は非球
面レンズ5によって、マスク7の位置に4のような強度分
布を形成する。4の強度分布は、マスク7によって外周部
が切り取られ、実際に使用されるビーム強度分布4bとな
る。また、レンズ8によりマスク7の位置の強度分布はそ
のまま、加工対象14上へ集光転写される。もちろん単に
転写、あるいは集光されるように設計することもでき
る。
ては、レーザ発振器1から発生したレーザビーム2は非球
面レンズ5によって、マスク7の位置に4のような強度分
布を形成する。4の強度分布は、マスク7によって外周部
が切り取られ、実際に使用されるビーム強度分布4bとな
る。また、レンズ8によりマスク7の位置の強度分布はそ
のまま、加工対象14上へ集光転写される。もちろん単に
転写、あるいは集光されるように設計することもでき
る。
【００４５】図９のように構成されたレーザ装置におい
ては、ビームの形状を非球面レンズ5だけでなく、マス
ク7によっても制御している。そのため、非球面レンズ
によって整形されたビームの真円度をさらに高めること
ができる。また、マスク7位置のビーム形状、強度分布
をそのまま、加工対象14上へ転写しているため、マスク
入射前のビーム形状に関わらず、安定した形状のビーム
を加工対象上へ照射できる。また、レーザ発振器1から
のビーム位相分布、強度分布が変化したことによって、
4で示すマスク入射前の強度分布が変化した場合でもマ
スク7が存在することによって、実際に使用されるビー
ム強度分布4bのビーム強度分布、ビーム径を安定に保つ
ことが可能である。ここで、ビームの強度分布形状は４
で示したものに限るものではないのは言うまでもない。
ては、ビームの形状を非球面レンズ5だけでなく、マス
ク7によっても制御している。そのため、非球面レンズ
によって整形されたビームの真円度をさらに高めること
ができる。また、マスク7位置のビーム形状、強度分布
をそのまま、加工対象14上へ転写しているため、マスク
入射前のビーム形状に関わらず、安定した形状のビーム
を加工対象上へ照射できる。また、レーザ発振器1から
のビーム位相分布、強度分布が変化したことによって、
4で示すマスク入射前の強度分布が変化した場合でもマ
スク7が存在することによって、実際に使用されるビー
ム強度分布4bのビーム強度分布、ビーム径を安定に保つ
ことが可能である。ここで、ビームの強度分布形状は４
で示したものに限るものではないのは言うまでもない。
【００４６】実施の形態３．図１０は本発明の実施の形
態３を示す構成図である。図１０において、10は位相補
正素子、11は拡大縮小転写光学系、である。また、4cは
位相補正素子10の位置でのビーム強度分布を、12、12a
はそれぞれマスク7透過前、透過後のビーム強度分布を
模式的に示したものである。
態３を示す構成図である。図１０において、10は位相補
正素子、11は拡大縮小転写光学系、である。また、4cは
位相補正素子10の位置でのビーム強度分布を、12、12a
はそれぞれマスク7透過前、透過後のビーム強度分布を
模式的に示したものである。
【００４７】図１０のように構成されたレーザ装置にお
いては、レーザビーム2は非球面レンズ5により、位相補
正素子10の位置で4cのような強度分布を持つよう強度分
布変換される。ビーム拡大縮小転写光学系11はいわゆる
ズームレンズのように転写倍率を可変できるものであ
り、位相補正素子10の位置で位相分布を実用に適した一
様な位相分布に変換された後、ビーム拡大縮小転写光学
系11によりマスク7上へ適当な大きさに転写される。転
写されたビームはマスク7によりマスク通過前のビーム
強度分布12からマスク透過後のビーム強度分布12aへと
変換され、レンズ8により加工対象上に、9aに示したビ
ーム強度分布へ集光転写される。
いては、レーザビーム2は非球面レンズ5により、位相補
正素子10の位置で4cのような強度分布を持つよう強度分
布変換される。ビーム拡大縮小転写光学系11はいわゆる
ズームレンズのように転写倍率を可変できるものであ
り、位相補正素子10の位置で位相分布を実用に適した一
様な位相分布に変換された後、ビーム拡大縮小転写光学
系11によりマスク7上へ適当な大きさに転写される。転
写されたビームはマスク7によりマスク通過前のビーム
強度分布12からマスク透過後のビーム強度分布12aへと
変換され、レンズ8により加工対象上に、9aに示したビ
ーム強度分布へ集光転写される。
【００４８】図１０のように構成されたレーザ装置にお
いては、位相補正光学素子10を非球面レンズ5の後に配
置したことによって、非球面レンズにより生じた位相の
歪、乱れを含む位相分布を、一様な位相分布等の実用上
に適した位相分布に変換することができるため、非球面
レンズ透過後のビームの取扱いが容易である。なお、位
相補正後の位相分布は、一様な位相分布に限るものでは
ない。また、ビーム拡大縮小転写光学素子11を配置した
ことにより、ズームレンズのようにビーム径を変化させ
て、マスク7上にビーム径を変化させつつ、転写するこ
とができるため、マスク7のサイズを変える等により、
ワーク上のビーム径をビーム強度分布の形状を変えるこ
となく変化させることができる。
いては、位相補正光学素子10を非球面レンズ5の後に配
置したことによって、非球面レンズにより生じた位相の
歪、乱れを含む位相分布を、一様な位相分布等の実用上
に適した位相分布に変換することができるため、非球面
レンズ透過後のビームの取扱いが容易である。なお、位
相補正後の位相分布は、一様な位相分布に限るものでは
ない。また、ビーム拡大縮小転写光学素子11を配置した
ことにより、ズームレンズのようにビーム径を変化させ
て、マスク7上にビーム径を変化させつつ、転写するこ
とができるため、マスク7のサイズを変える等により、
ワーク上のビーム径をビーム強度分布の形状を変えるこ
となく変化させることができる。
【００４９】実施の形態４．図１１は本発明の実施の形
態４を示す構成図である。図１１において13はビーム径
を変更する機能を持つズームレンズ等の光学素子であ
る。また、4dは位相補正素子10の位置でのビーム強度分
布を示す。
態４を示す構成図である。図１１において13はビーム径
を変更する機能を持つズームレンズ等の光学素子であ
る。また、4dは位相補正素子10の位置でのビーム強度分
布を示す。
【００５０】図１１のように構成されたレーザ装置にお
いては、レーザビーム2はビーム径変更光学素子13を通
過し適当なサイズに変更された後、非球面レンズ5に入
射する。非球面レンズ5に入射したレーザビームは位相
補正素子10上に、ビーム断面全面で平坦でないビーム強
度分布を持つビームに変換され、ビーム拡大縮小転写光
学素子11により、マスク7上に転写されるとともにビー
ム径を変更される。7上のビームはマスク通過前のビー
ム強度分布12bからマスク通過後のビーム強度分布12cへ
と、マスク7によって整形され、レンズ8によってマスク
上へ9bで示すような強度分布で転写される。
いては、レーザビーム2はビーム径変更光学素子13を通
過し適当なサイズに変更された後、非球面レンズ5に入
射する。非球面レンズ5に入射したレーザビームは位相
補正素子10上に、ビーム断面全面で平坦でないビーム強
度分布を持つビームに変換され、ビーム拡大縮小転写光
学素子11により、マスク7上に転写されるとともにビー
ム径を変更される。7上のビームはマスク通過前のビー
ム強度分布12bからマスク通過後のビーム強度分布12cへ
と、マスク7によって整形され、レンズ8によってマスク
上へ9bで示すような強度分布で転写される。
【００５１】図１１のように構成されたレーザ装置にお
いては、非球面レンズ前にビーム径を制御するズームレ
ンズ等のビーム径変更光学素子13を配置したことによっ
て、非球面レンズ5に入射するレーザビームのビーム径
を変化させることができる。一般にビーム強度分布を変
換する機能をもつ非球面レンズは入射するビーム径が変
化すると、形成するビーム強度分布が変化することが知
られている。図１１のように構成されたレーザ装置にお
いては、レーザ発振器1から発生するビーム2のビーム径
が安定しない場合等、ビーム２のビーム径が変化する場
合に、ビーム径変更光学素子13によって5へ入射するビ
ーム径を一定に制御することができ、実際に使用するビ
ームの強度分布を安定化することができる。
いては、非球面レンズ前にビーム径を制御するズームレ
ンズ等のビーム径変更光学素子13を配置したことによっ
て、非球面レンズ5に入射するレーザビームのビーム径
を変化させることができる。一般にビーム強度分布を変
換する機能をもつ非球面レンズは入射するビーム径が変
化すると、形成するビーム強度分布が変化することが知
られている。図１１のように構成されたレーザ装置にお
いては、レーザ発振器1から発生するビーム2のビーム径
が安定しない場合等、ビーム２のビーム径が変化する場
合に、ビーム径変更光学素子13によって5へ入射するビ
ーム径を一定に制御することができ、実際に使用するビ
ームの強度分布を安定化することができる。
【００５２】実施の形態５．図１２は本発明の実施の形
態５を示す構成図である。この実施の形態は上記で説明
した実施の形態１から４までのレーザ装置によるレーザ
ビームで加工対象を加工する実施の形態である。図１２
において、14はスルーホール（貫通）穴明け加工される
加工対象の加工された断面を示すもので、141は穴あけ
され除去された部分を示す。99は実施の形態４までに説
明したように、非球面レンズを通過して凹字状に強度分
布を変換されたビームを、例えばレンズで加工対象14上
に転写した場合のビーム強度分布を模式的に示したもの
である。
態５を示す構成図である。この実施の形態は上記で説明
した実施の形態１から４までのレーザ装置によるレーザ
ビームで加工対象を加工する実施の形態である。図１２
において、14はスルーホール（貫通）穴明け加工される
加工対象の加工された断面を示すもので、141は穴あけ
され除去された部分を示す。99は実施の形態４までに説
明したように、非球面レンズを通過して凹字状に強度分
布を変換されたビームを、例えばレンズで加工対象14上
に転写した場合のビーム強度分布を模式的に示したもの
である。
【００５３】レーザ加工は、レーザビームが照射された
箇所が短い時間に蒸発、除去されることにより加工され
る。図１３(a)はレーザビーム強度とレーザ加工速度の
関係を模式的に示したものだが、図１３(a)に示すよう
に、レーザビーム強度がある一定値以上に達してレーザ
加工速度が飽和する特性を示すまでは、レーザビーム照
射密度が高いほど、加工速度は速くなる。また、図１３
(b)は加工対象に対するレーザビーム全照射エネルギー
と加工穴のテーパー、穴の拡がりといった熱影響による
加工品質の劣化の関係を模式的に示したものである。加
工品質の軸は、上方が加工品質が良い、すなわち加工穴
形状の劣化が少ないことを示す。全照射エネルギーが大
きくなると、加工穴の形状の劣化が大きくなる。
箇所が短い時間に蒸発、除去されることにより加工され
る。図１３(a)はレーザビーム強度とレーザ加工速度の
関係を模式的に示したものだが、図１３(a)に示すよう
に、レーザビーム強度がある一定値以上に達してレーザ
加工速度が飽和する特性を示すまでは、レーザビーム照
射密度が高いほど、加工速度は速くなる。また、図１３
(b)は加工対象に対するレーザビーム全照射エネルギー
と加工穴のテーパー、穴の拡がりといった熱影響による
加工品質の劣化の関係を模式的に示したものである。加
工品質の軸は、上方が加工品質が良い、すなわち加工穴
形状の劣化が少ないことを示す。全照射エネルギーが大
きくなると、加工穴の形状の劣化が大きくなる。
【００５４】図１２に示した穴あけ加工においては、ビ
ームの強度分布を制御して加工に必要な加工穴周辺部分
にレーザビーム強度が集中するようにしたため、従来の
ようにトップハット状の、ビームの中央部にもビーム周
辺部と同じ強度を有する均一なビームで加工する場合に
比較して、全エネルギーが同じ場合には、加工に要する
時間を短くすることができる。また、同じ時間で加工す
る場合、従来に比べて、加工対象に照射されるレーザビ
ームの全エネルギーを小さくすることができる。
ームの強度分布を制御して加工に必要な加工穴周辺部分
にレーザビーム強度が集中するようにしたため、従来の
ようにトップハット状の、ビームの中央部にもビーム周
辺部と同じ強度を有する均一なビームで加工する場合に
比較して、全エネルギーが同じ場合には、加工に要する
時間を短くすることができる。また、同じ時間で加工す
る場合、従来に比べて、加工対象に照射されるレーザビ
ームの全エネルギーを小さくすることができる。
【００５５】ここで、a2をビームの全エネルギーの９０
％のエネルギーが含まれる円の半径、周辺部のa1＜r＜a
2におけるビーム強度がI1で一定、および、中央部のr＜
a1におけるビーム強度がI2で一定、すなわち、（9）式
において、n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2であって、I
2>1.5*I1であるような凹字状の強度分布であれば上記効
果が発揮できる。また、I2>3*I1であるような凹字状の
強度分布であればより好ましい。以上の場合、3a1>a2で
あればより効果が発揮できる。
％のエネルギーが含まれる円の半径、周辺部のa1＜r＜a
2におけるビーム強度がI1で一定、および、中央部のr＜
a1におけるビーム強度がI2で一定、すなわち、（9）式
において、n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2であって、I
2>1.5*I1であるような凹字状の強度分布であれば上記効
果が発揮できる。また、I2>3*I1であるような凹字状の
強度分布であればより好ましい。以上の場合、3a1>a2で
あればより効果が発揮できる。
【００５６】さらに、ビーム強度が一定ではなくとも、
周辺部（a1＜r＜a2）エネルギーと中央部（r＜ａ1）エ
ネルギーの比が、上記のように周辺部にエネルギーが集
中した強度分布になるようにした場合、すなわち、ビー
ムの半径a1の円内に含まれるエネルギーをＥ1、半径a1
の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギーをＥ2と
した場合、Ｅ1/Ｅ2＜a1 2/(1.5*(a2 2-a1 2))となるように
すれば同様に効果を良好に発揮できる。また、Ｅ1/Ｅ2
＜a1 2/(3*(a2 2-a1 2))となるようにすればより好まし
い。これらの場合、r=a1近傍でビーム強度分布Ｉ(r)が
ｒに依存して急激に変化していることが好ましい。さら
に、3a1>a2であればより効果が発揮できる。
周辺部（a1＜r＜a2）エネルギーと中央部（r＜ａ1）エ
ネルギーの比が、上記のように周辺部にエネルギーが集
中した強度分布になるようにした場合、すなわち、ビー
ムの半径a1の円内に含まれるエネルギーをＥ1、半径a1
の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギーをＥ2と
した場合、Ｅ1/Ｅ2＜a1 2/(1.5*(a2 2-a1 2))となるように
すれば同様に効果を良好に発揮できる。また、Ｅ1/Ｅ2
＜a1 2/(3*(a2 2-a1 2))となるようにすればより好まし
い。これらの場合、r=a1近傍でビーム強度分布Ｉ(r)が
ｒに依存して急激に変化していることが好ましい。さら
に、3a1>a2であればより効果が発揮できる。
【００５７】また、周辺部のビーム強度の最大値を中央
部のビーム強度の最大値の1.5倍以上、すなわち、（9）
式において、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*max(f
1(r)（0＜r＜a1））<max(f2(r)（a2＞r＞a1＞0）)とな
る関数(maxは領域中の最大値を表す。)であっても同様
に効果を発揮できる。この場合も、3a1>a2であればより
効果が発揮できる。
部のビーム強度の最大値の1.5倍以上、すなわち、（9）
式において、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*max(f
1(r)（0＜r＜a1））<max(f2(r)（a2＞r＞a1＞0）)とな
る関数(maxは領域中の最大値を表す。)であっても同様
に効果を発揮できる。この場合も、3a1>a2であればより
効果が発揮できる。
【００５８】上記により、加工点での発熱量、加工時間
を減らすことができ、テーパーの少ない加工、横壁のき
れいな加工等の、高品質加工が高速にできる。また、図
１２は穴あけ加工を例にとって実施例を説明したが、加
工用途として穴あけ加工に限るものでなく、レーザビー
ム断面内の加工に必要な部分のビーム強度を高く、それ
以外の部分のビーム強度を低くして、高品質、高速の加
工を行う目的で、その他の加工に用いてもよい。例え
ば、99のような形状のビームを走査することによって、
高品質、高速の溝掘り加工や切断を行っても良い。
を減らすことができ、テーパーの少ない加工、横壁のき
れいな加工等の、高品質加工が高速にできる。また、図
１２は穴あけ加工を例にとって実施例を説明したが、加
工用途として穴あけ加工に限るものでなく、レーザビー
ム断面内の加工に必要な部分のビーム強度を高く、それ
以外の部分のビーム強度を低くして、高品質、高速の加
工を行う目的で、その他の加工に用いてもよい。例え
ば、99のような形状のビームを走査することによって、
高品質、高速の溝掘り加工や切断を行っても良い。
【００５９】図１２においては、例として凹字型のビー
ムを用いた場合を示したが、環状のビーム、すなわちビ
ーム中央部にエネルギーがないビームを用いてもよい。
すなわち、図３の（b）や（c）等のビーム強度分布をも
つビームを用いてもよい。
ムを用いた場合を示したが、環状のビーム、すなわちビ
ーム中央部にエネルギーがないビームを用いてもよい。
すなわち、図３の（b）や（c）等のビーム強度分布をも
つビームを用いてもよい。
【００６０】実施の形態６．図１４は本発明の実施の形
態６を説明する図である。この実施の形態は本発明のレ
ーザ装置によるレーザビームで加工対象を加工する他の
実施の形態である。図１４において、140は材質の異な
る２層の部材141、142が積層された加工対象で、例えば
積層プリント基板である。一般に、レーザ加工において
は、材質ごとに、熱伝導率、レーザ光の吸収率、加工閾
値（加工が開始するのに必要なビーム強度（ピークパワ
ー密度、平均パワー密度、パルス光を用いた場合はパル
スエネルギー密度））、エッチレート（パルスビームで
加工を行った場合のレーザビーム1パルスあたりの材料
除去深さ）が異なる。また、このようなパラメータはレ
ーザ光の波長と加工材料の組み合わせに依存する。波長
400nm以下の紫外光を用いた場合を例にとると、具体的
には、加工されやすい材料としてはガラスエポキシ系材
料、ポリイミド、エポキシ系材料等の樹脂が挙げられ、
加工されにくい材料としては銅のような金属材料が挙げ
られる。
態６を説明する図である。この実施の形態は本発明のレ
ーザ装置によるレーザビームで加工対象を加工する他の
実施の形態である。図１４において、140は材質の異な
る２層の部材141、142が積層された加工対象で、例えば
積層プリント基板である。一般に、レーザ加工において
は、材質ごとに、熱伝導率、レーザ光の吸収率、加工閾
値（加工が開始するのに必要なビーム強度（ピークパワ
ー密度、平均パワー密度、パルス光を用いた場合はパル
スエネルギー密度））、エッチレート（パルスビームで
加工を行った場合のレーザビーム1パルスあたりの材料
除去深さ）が異なる。また、このようなパラメータはレ
ーザ光の波長と加工材料の組み合わせに依存する。波長
400nm以下の紫外光を用いた場合を例にとると、具体的
には、加工されやすい材料としてはガラスエポキシ系材
料、ポリイミド、エポキシ系材料等の樹脂が挙げられ、
加工されにくい材料としては銅のような金属材料が挙げ
られる。
【００６１】レーザ加工が進みやすい材料（レーザビー
ムの吸収率が高く、加工閾値が低く、エッチレートが高
い材料）とレーザ加工が進みにくい材料（レーザビーム
の吸収率が低く、加工閾値が高く、エッチレートが低い
材料）を組み合わせてスルーホールを形成する加工を行
った場合には、レーザビームの強度分布を図１４の9eに
示したような凹字状のものとしたり、中央部にエネルギ
ーがほとんど存在しない環状として制御性よく高品質で
高速の加工を行うのが好ましい。
ムの吸収率が高く、加工閾値が低く、エッチレートが高
い材料）とレーザ加工が進みにくい材料（レーザビーム
の吸収率が低く、加工閾値が高く、エッチレートが低い
材料）を組み合わせてスルーホールを形成する加工を行
った場合には、レーザビームの強度分布を図１４の9eに
示したような凹字状のものとしたり、中央部にエネルギ
ーがほとんど存在しない環状として制御性よく高品質で
高速の加工を行うのが好ましい。
【００６２】図１４において、901は、従来用いられて
いた非球面レンズを通過して形状をトップハット状に制
御された加工対象140上のビーム強度分布を模式的に示
したものである。この場合には図に示すようにレーザ加
工が進みやすい材料141の部分で穴径が広がる等、加工
品質の劣化が大きくなる。これに対し、本発明の、非球
面レンズを通過して形状を9eで示す凹字状の強度分布に
したビームで加工した場合、図のように、レーザ加工が
進みやすい材料141の部分の加工品質の劣化が小さい。
いた非球面レンズを通過して形状をトップハット状に制
御された加工対象140上のビーム強度分布を模式的に示
したものである。この場合には図に示すようにレーザ加
工が進みやすい材料141の部分で穴径が広がる等、加工
品質の劣化が大きくなる。これに対し、本発明の、非球
面レンズを通過して形状を9eで示す凹字状の強度分布に
したビームで加工した場合、図のように、レーザ加工が
進みやすい材料141の部分の加工品質の劣化が小さい。
【００６３】レーザビームの強度分布を9eで示したよう
な凹字状のものとしたり、環状とした場合に、高品質の
加工が行える理由を以下に説明する。図１５(a)は材料1
41、142への照射レーザビーム強度と加工速度の関係を
模式的に示したものである。上述のように同じレーザビ
ーム強度で比較すると、142より141の方が加工速度が速
い。図１５(b)は加工穴1個についてのレーザビーム全照
射エネルギーと加工品質の関係を模式的に示したもので
ある。加工品質の値が大きい、すなわち縦軸の上方ほ
ど、テーパーや、穴の拡がり等の加工形状の熱影響によ
る劣化が少ないことを示す。
な凹字状のものとしたり、環状とした場合に、高品質の
加工が行える理由を以下に説明する。図１５(a)は材料1
41、142への照射レーザビーム強度と加工速度の関係を
模式的に示したものである。上述のように同じレーザビ
ーム強度で比較すると、142より141の方が加工速度が速
い。図１５(b)は加工穴1個についてのレーザビーム全照
射エネルギーと加工品質の関係を模式的に示したもので
ある。加工品質の値が大きい、すなわち縦軸の上方ほ
ど、テーパーや、穴の拡がり等の加工形状の熱影響によ
る劣化が少ないことを示す。
【００６４】図で示すように、材料141も142もエネルギ
ーが大きいビームで加工するほど、熱影響の大きい、加
工形状の劣化の大きい加工となっており、同じレーザビ
ーム照射エネルギーで比較した場合、材料141の方が加
工されやすいため加工形状の劣化も大きい。加工速度の
異なる材料を組み合わせて積層構造とした場合、従来用
いられていた、強度分布をが一様平坦なトップハット状
のビームやレーザ発振器から取り出したそのままの強度
分布のビームを加工に用いると、材料142を加工する時
間が長くかかるため、材料142を加工する間に、大きな
エネルギーを照射し過ぎて141の加工品質の劣化が進ん
でしまい、所望の加工品質を得ることが難しい場合があ
った。また、材料142を加工する加工閾値に達するだけ
のエネルギーを持つレーザビームを照射すると、材料14
1が加工されすぎてしまい、加工穴が拡がる等の加工品
質の劣化が起こる場合があった。このような場合、凹字
状のビームを加工に用いると、材料142の加工にかかる
時間を短縮することができるため、142を加工している
間に起こる材料141での加工品質の劣化を小さいものと
することができる。このような加工の高速化、高品質化
はビーム断面の周辺部の強度が高いビーム強度分布とす
れば達成できる。従って、図3の（b）や（c）のような
強度分布を用いても良い。
ーが大きいビームで加工するほど、熱影響の大きい、加
工形状の劣化の大きい加工となっており、同じレーザビ
ーム照射エネルギーで比較した場合、材料141の方が加
工されやすいため加工形状の劣化も大きい。加工速度の
異なる材料を組み合わせて積層構造とした場合、従来用
いられていた、強度分布をが一様平坦なトップハット状
のビームやレーザ発振器から取り出したそのままの強度
分布のビームを加工に用いると、材料142を加工する時
間が長くかかるため、材料142を加工する間に、大きな
エネルギーを照射し過ぎて141の加工品質の劣化が進ん
でしまい、所望の加工品質を得ることが難しい場合があ
った。また、材料142を加工する加工閾値に達するだけ
のエネルギーを持つレーザビームを照射すると、材料14
1が加工されすぎてしまい、加工穴が拡がる等の加工品
質の劣化が起こる場合があった。このような場合、凹字
状のビームを加工に用いると、材料142の加工にかかる
時間を短縮することができるため、142を加工している
間に起こる材料141での加工品質の劣化を小さいものと
することができる。このような加工の高速化、高品質化
はビーム断面の周辺部の強度が高いビーム強度分布とす
れば達成できる。従って、図3の（b）や（c）のような
強度分布を用いても良い。
【００６５】実施の形態７．図１６は本発明の実施の形
態７を説明する図である。図１６は、数種類のビーム強
度分布をもつビームを用いてスルーホール加工をした場
合のビーム形状と加工穴を模式的に示したものであり、
901は従来行われていた一様平坦な（トップハット）ビ
ーム強度分布をもつビームを大きな径を持つ穴空けに適
用した場合のビーム強度分布とそのビームによる加工穴
を模式的に示したもの、9fは本発明による環状のビーム
を用いて加工を行った際のビーム強度分布と加工穴形状
を模式的に示したもの、902は、従来行われていた、小
さく集光したビームを円状に回転させてスルーホール加
工を行った際のビーム強度分布と加工穴を模式的に示し
たものである。
態７を説明する図である。図１６は、数種類のビーム強
度分布をもつビームを用いてスルーホール加工をした場
合のビーム形状と加工穴を模式的に示したものであり、
901は従来行われていた一様平坦な（トップハット）ビ
ーム強度分布をもつビームを大きな径を持つ穴空けに適
用した場合のビーム強度分布とそのビームによる加工穴
を模式的に示したもの、9fは本発明による環状のビーム
を用いて加工を行った際のビーム強度分布と加工穴形状
を模式的に示したもの、902は、従来行われていた、小
さく集光したビームを円状に回転させてスルーホール加
工を行った際のビーム強度分布と加工穴を模式的に示し
たものである。
【００６６】図１６において、従来用いられていた901
のようなビームを用いて加工を行った場合は、ビームの
単位面積あたりの強度が足りないために、加工速度が遅
くなったり、加工開始閾値に達しないために加工ができ
ないことがあった。また、従来用いられていた902のよ
うなビームを円状に回転させて加工を行った場合（トレ
パニング加工とも呼ばれる）においては、加工速度を一
定以上に上げることができず、また、ビームと光学素子
のアライメントが複雑で熟練を要し、レーザ装置のメン
テナンス等で一旦装置の設定を変えると、再度、加工を
開始するまで長い時間が必要とされ、生産性を大きく低
下させていた。一方、本発明による9fのように中央部に
エネルギーのない環状のビームを用いて加工を行うと、
大口径の穴でもビーム周辺部の加工に必要な部分にだけ
集中してビームが照射されるため、面倒なアライメント
が必要なく、なおかつ速い加工速度が実現できる。ま
た、加工閾値の高い加工対象に対しても加工を行うこと
が可能である。また、加工速度が上がるため、高品質な
加工が可能である。
のようなビームを用いて加工を行った場合は、ビームの
単位面積あたりの強度が足りないために、加工速度が遅
くなったり、加工開始閾値に達しないために加工ができ
ないことがあった。また、従来用いられていた902のよ
うなビームを円状に回転させて加工を行った場合（トレ
パニング加工とも呼ばれる）においては、加工速度を一
定以上に上げることができず、また、ビームと光学素子
のアライメントが複雑で熟練を要し、レーザ装置のメン
テナンス等で一旦装置の設定を変えると、再度、加工を
開始するまで長い時間が必要とされ、生産性を大きく低
下させていた。一方、本発明による9fのように中央部に
エネルギーのない環状のビームを用いて加工を行うと、
大口径の穴でもビーム周辺部の加工に必要な部分にだけ
集中してビームが照射されるため、面倒なアライメント
が必要なく、なおかつ速い加工速度が実現できる。ま
た、加工閾値の高い加工対象に対しても加工を行うこと
が可能である。また、加工速度が上がるため、高品質な
加工が可能である。
【００６７】実施の形態８．図１７は本発明の実施の形
態８を示す概略図である。図において2はレーザ発振器
より発生したレーザビーム、51はビーム強度分布変換光
学素子であるホログラム素子、8、11はレンズ、14は加
工対象である。図中、レンズ11の下に示すのは、ホログ
ラム素子を出射したレーザビームの、レンズ11上でのビ
ーム強度分布であり、その右横の図はＡ−Ａ断面でのビ
ーム強度分布である。
態８を示す概略図である。図において2はレーザ発振器
より発生したレーザビーム、51はビーム強度分布変換光
学素子であるホログラム素子、8、11はレンズ、14は加
工対象である。図中、レンズ11の下に示すのは、ホログ
ラム素子を出射したレーザビームの、レンズ11上でのビ
ーム強度分布であり、その右横の図はＡ−Ａ断面でのビ
ーム強度分布である。
【００６８】レーザ発振器より発生したレーザビーム2
はホログラム素子51を通過することにより分割されると
ともに進行方向が変わる。この時、レンズ11上でビーム
全体として図に示すような円環状のビームを形成するよ
うに、分割されたビームの進行方向が変わるようホログ
ラムを設計しておくと、これまでの実施の形態で述べて
きた、非球面レンズで得た中央部にエネルギーがほとん
どない円環状の強度分布と同じようなビーム強度分布が
得られることになる。このようにして形成された円環状
のビームはレンズ11でコリメートされ、さらにレンズ8
で加工対象上に集光される、あるいは集光転写される。
従って、図１２の99や、図１４の9eで示すのと同様、周
辺部の強度が強いビームとして加工対象上に照射され、
加工対象を良質に加工することができる。また、ホログ
ラム素子の場合、入射ビームの強度分布が歪んでいて
も、さらには、入射ビームの位置や角度が少しずれて
も、確実に周辺部の強度が強いビームが得られる。
はホログラム素子51を通過することにより分割されると
ともに進行方向が変わる。この時、レンズ11上でビーム
全体として図に示すような円環状のビームを形成するよ
うに、分割されたビームの進行方向が変わるようホログ
ラムを設計しておくと、これまでの実施の形態で述べて
きた、非球面レンズで得た中央部にエネルギーがほとん
どない円環状の強度分布と同じようなビーム強度分布が
得られることになる。このようにして形成された円環状
のビームはレンズ11でコリメートされ、さらにレンズ8
で加工対象上に集光される、あるいは集光転写される。
従って、図１２の99や、図１４の9eで示すのと同様、周
辺部の強度が強いビームとして加工対象上に照射され、
加工対象を良質に加工することができる。また、ホログ
ラム素子の場合、入射ビームの強度分布が歪んでいて
も、さらには、入射ビームの位置や角度が少しずれて
も、確実に周辺部の強度が強いビームが得られる。
【００６９】なお、図１７においては、ホログラム素子
によって分割されたビームがレンズ11上で一重の円環状
に並ぶ場合について示したが、複数の円環状に並ぶよう
に、すなわち円環全体の幅が広くなるようホログラムを
設計してもよい。この場合、より安定な加工が行なえ
る。
によって分割されたビームがレンズ11上で一重の円環状
に並ぶ場合について示したが、複数の円環状に並ぶよう
に、すなわち円環全体の幅が広くなるようホログラムを
設計してもよい。この場合、より安定な加工が行なえ
る。
【００７０】実施の形態９．図１８は本発明の実施の形
態９を示す概略図である。ここでは、ビーム強度分布変
換光学素子として、多数のマイクロレンズの集まりであ
るフライアイレンズ52を用いている。フライアイレンズ
52によりフライアイレンズ52に入射するレーザビーム22
を、レンズ11上での径方向のビーム強度分布が図中レン
ズ11の下に示すような、円環状の強度分布になるように
変換する。すなわち、フライアイレンズ52は、入射した
ビームを各マイクロレンズが順次円環の位置に集光する
ようなマイクロレンズの組み合わせになっている。な
お、フライアイレンズ52に入射するビームはガウス分布
のビームでもよいが、ビーム径がフライアイレンズと同
等の径を有するトップハット状の均一なビームが望まし
い。レンズ11以降は実施の形態８と同様にして加工対象
14上に集光照射されて、周辺強度が強いビームにより加
工対象を良質に加工することができる。また、フライア
イレンズの場合、入射ビームの位置が少しずれても確実
に周辺強度が強いビームが得られるという効果もある。
態９を示す概略図である。ここでは、ビーム強度分布変
換光学素子として、多数のマイクロレンズの集まりであ
るフライアイレンズ52を用いている。フライアイレンズ
52によりフライアイレンズ52に入射するレーザビーム22
を、レンズ11上での径方向のビーム強度分布が図中レン
ズ11の下に示すような、円環状の強度分布になるように
変換する。すなわち、フライアイレンズ52は、入射した
ビームを各マイクロレンズが順次円環の位置に集光する
ようなマイクロレンズの組み合わせになっている。な
お、フライアイレンズ52に入射するビームはガウス分布
のビームでもよいが、ビーム径がフライアイレンズと同
等の径を有するトップハット状の均一なビームが望まし
い。レンズ11以降は実施の形態８と同様にして加工対象
14上に集光照射されて、周辺強度が強いビームにより加
工対象を良質に加工することができる。また、フライア
イレンズの場合、入射ビームの位置が少しずれても確実
に周辺強度が強いビームが得られるという効果もある。
【００７１】
【発明の効果】この発明は以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００７２】この発明に係るレーザ装置は、レーザ発振
器から発生したレーザビームの光路上に配置されたビー
ム強度分布変換光学素子を備え、このビーム強度分布変
換光学素子に入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるレー
ザビーム強度分布が、全ビームエネルギーの９０％のエ
ネルギーが含まれる円の半径をa2として、半径a1（a1＜
a2）の円内に含まれるエネルギーをE1、半径a1の円から
半径a2の円の間に含まれるエネルギーをE2とした場合、
E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換するよう
にしたので、加工に適したビーム強度分布を安価で単純
な構成で提供できる。
器から発生したレーザビームの光路上に配置されたビー
ム強度分布変換光学素子を備え、このビーム強度分布変
換光学素子に入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるレー
ザビーム強度分布が、全ビームエネルギーの９０％のエ
ネルギーが含まれる円の半径をa2として、半径a1（a1＜
a2）の円内に含まれるエネルギーをE1、半径a1の円から
半径a2の円の間に含まれるエネルギーをE2とした場合、
E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換するよう
にしたので、加工に適したビーム強度分布を安価で単純
な構成で提供できる。
【００７３】また、3a1＞a2とすることで、より加工に
適したビーム強度分布が得られる。
適したビーム強度分布が得られる。
【００７４】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
非球面レンズとしたので、所望のビーム強度分布を得る
ことができる。
非球面レンズとしたので、所望のビーム強度分布を得る
ことができる。
【００７５】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
ホログラム素子としたので、入射ビームの位置や入射角
度が少しずれても、また、強度分布が変化しても、確実
に上記分布が得られる。
ホログラム素子としたので、入射ビームの位置や入射角
度が少しずれても、また、強度分布が変化しても、確実
に上記分布が得られる。
【００７６】また、上記ビーム強度分布変換光学素子を
フライアイレンズとしたので、入射ビームの位置精度や
位相精度が低いものでも確実に上記分布が得られる。
フライアイレンズとしたので、入射ビームの位置精度や
位相精度が低いものでも確実に上記分布が得られる。
【００７７】さらに、この発明に係るレーザ装置は、非
球面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるビー
ム中心からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)
が、I(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞
a1）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r＞an-1、nは2以上の自
然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関
数。）となるよう変換するようにしたので、レーザ発振
器から発したレーザビームを光路上の所定の位置におい
て、ビーム断面内の強度分布を中心からの距離に応じて
制御できる装置を、安価で単純な構成で提供できる。
球面レンズに入射するレーザビームの強度分布を、レー
ザビーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるビー
ム中心からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)
が、I(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞
a1）、・・・I(r)=fn(r)（an＞r＞an-1、nは2以上の自
然数、f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関
数。）となるよう変換するようにしたので、レーザ発振
器から発したレーザビームを光路上の所定の位置におい
て、ビーム断面内の強度分布を中心からの距離に応じて
制御できる装置を、安価で単純な構成で提供できる。
【００７８】また、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*m
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数とした、あるいはf
1(r)=I1、f2(r)=I2、1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）と
したので、安価で単純な構成で、レーザ発振器から発生
したレーザビームを、光路上の所定の位置において、加
工に適した、ビーム断面の周辺部にエネルギーが偏った
レーザビーム強度分布に変換できるものを提供できる。
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数とした、あるいはf
1(r)=I1、f2(r)=I2、1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）と
したので、安価で単純な構成で、レーザ発振器から発生
したレーザビームを、光路上の所定の位置において、加
工に適した、ビーム断面の周辺部にエネルギーが偏った
レーザビーム強度分布に変換できるものを提供できる。
【００７９】さらに、3a1＞a2とすることで、より加工
に適したビーム強度分布が得られる。
に適したビーム強度分布が得られる。
【００８０】また、レーザ発振器から発生するレーザビ
ームの強度分布をガウス分布とすることで、確実に所望
のビーム強度分布が得られる。
ームの強度分布をガウス分布とすることで、確実に所望
のビーム強度分布が得られる。
【００８１】また、レーザビーム光路上にマスクを配置
したので、ビーム強度分布変換光学素子入射前および後
のレーザビーム形状が変化した場合でもマスク透過後の
ビーム形状を一定とすることができるため、ビーム強度
分布変換光学素子前に配置した場合にはビーム強度分布
変換光学素子からの出射ビームの形状を安定化すること
ができる。また、ビーム強度分布変換光学素子後に配置
した場合にはビーム強度分布変換光学素子により変換さ
れたビームの形状を安定化することが可能である。
したので、ビーム強度分布変換光学素子入射前および後
のレーザビーム形状が変化した場合でもマスク透過後の
ビーム形状を一定とすることができるため、ビーム強度
分布変換光学素子前に配置した場合にはビーム強度分布
変換光学素子からの出射ビームの形状を安定化すること
ができる。また、ビーム強度分布変換光学素子後に配置
した場合にはビーム強度分布変換光学素子により変換さ
れたビームの形状を安定化することが可能である。
【００８２】また、この発明に係るレーザ加工装置は、
上記のレーザ装置から発生したレーザビームを加工対象
に照射するようにしたので、加工対象に応じて、ビーム
強度分布を変化させることができるため、高品質で高速
の加工を提供できる。
上記のレーザ装置から発生したレーザビームを加工対象
に照射するようにしたので、加工対象に応じて、ビーム
強度分布を変化させることができるため、高品質で高速
の加工を提供できる。
【００８３】また、この発明に係る非球面レンズは、入
射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路上
の所定の位置におけるビームの中心からの距離rに対す
るレーザビーム強度分布I(r)が、I(r)=f1(r)（0＜r＜
a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・・・I（r）=fn(r)
（an＞r＞an-1、nは２以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)
のうち２つ以上は異なる値。）となるよう変換するよう
にしたので、用途に応じたビーム強度分布を確実に得ら
れる。
射するレーザビームの強度分布を、レーザビーム光路上
の所定の位置におけるビームの中心からの距離rに対す
るレーザビーム強度分布I(r)が、I(r)=f1(r)（0＜r＜
a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・・・I（r）=fn(r)
（an＞r＞an-1、nは２以上の自然数、f1(r)・・・fn(r)
のうち２つ以上は異なる値。）となるよう変換するよう
にしたので、用途に応じたビーム強度分布を確実に得ら
れる。
【００８４】また、n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*m
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数とした、あるいは、f1
(r)=I1、f2(r)=I2、1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）とし
たので、特に加工に適したビーム強度分布を提供する。
ax(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（m
axは領域内の最大値）となる関数とした、あるいは、f1
(r)=I1、f2(r)=I2、1.5*I1＜I2、（I1、I2は定数）とし
たので、特に加工に適したビーム強度分布を提供する。
【００８５】さらに、入射するレーザビームの強度分布
を、レーザビーム光路上のビーム強度分布形成位置にお
けるレーザビーム強度分布が、全ビームエネルギーの９
０％のエネルギーが含まれる円の半径をa2として、半径
a1（a1＜a2）の円内に含まれるエネルギーをE1、半径a1
の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギーをE2とし
た場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換
するようにしたので、より加工に適したビーム強度分布
を提供する。
を、レーザビーム光路上のビーム強度分布形成位置にお
けるレーザビーム強度分布が、全ビームエネルギーの９
０％のエネルギーが含まれる円の半径をa2として、半径
a1（a1＜a2）の円内に含まれるエネルギーをE1、半径a1
の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギーをE2とし
た場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換
するようにしたので、より加工に適したビーム強度分布
を提供する。
【００８６】また、3a1>a2とすることで、さらに加工に
適したビーム強度分布を提供する。
適したビーム強度分布を提供する。
【００８７】また、入射するレーザビームの強度分布を
ガウス分布としたので、確実に所望のビーム強度分布が
得られる。
ガウス分布としたので、確実に所望のビーム強度分布が
得られる。
【図１】 本発明の実施の形態１によるレーザ装置を示
す概略図である。
す概略図である。
【図２】 半発明の実施の形態１における非球面レンズ
の機能説明のための図である。
の機能説明のための図である。
【図３】 本発明において形成可能なビーム形状の例を
示した図である。
示した図である。
【図４】 本発明の実施の形態１のレーザ装置による、
非球面レンズ入射前のビーム強度分布と位相分布の計算
値を示したものである。
非球面レンズ入射前のビーム強度分布と位相分布の計算
値を示したものである。
【図５】 本発明の実施の形態１のレーザ装置による、
非球面レンズ通過直後のビーム強度分布と位相分布の計
算値の一例を示したものである。
非球面レンズ通過直後のビーム強度分布と位相分布の計
算値の一例を示したものである。
【図６】 本発明の実施の形態１のレーザ装置による、
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値の一例を示したものである。
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値の一例を示したものである。
【図７】 本発明の実施の形態１のレーザ装置による、
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値の他の一例を示したものである。
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値の他の一例を示したものである。
【図８】 本発明の実施の形態1のレーザ装置による、
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値のさらに他の一例を示したものである。
ビーム強度分布形成位置でのビーム強度分布と位相分布
の計算値のさらに他の一例を示したものである。
【図９】 本発明の実施の形態２によるレーザ装置を示
す概略図である。
す概略図である。
【図１０】 本発明の実施の形態３によるレーザ装置を
示す概略図である。
示す概略図である。
【図１１】 本発明の実施の形態４によるレーザ装置を
示す概略図である。
示す概略図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５を説明する図であ
る。
る。
【図１３】 図１２の加工対象の加工状態を模式的に示
した図である。
した図である。
【図１４】 本発明の実施の形態６を説明する図であ
る。
る。
【図１５】 図１４の加工対象の加工状態を示す図であ
る。
る。
【図１６】 本発明の実施の形態７および従来のレーザ
加工装置による加工を説明する図である。
加工装置による加工を説明する図である。
【図１７】 本発明の実施の形態８によるレーザ装置の
要部を示す概略図である。
要部を示す概略図である。
【図１８】 本発明の実施の形態９によるレーザ装置の
要部を示す概略図である。
要部を示す概略図である。
【図１９】 従来例のレーザ装置を示す概略図である。
【図２０】 従来例のレーザ装置の動作を説明する図で
ある。
ある。
【図２１】 従来例の他のレーザ装置を示す概略図であ
る。
る。
1 レーザ発振器 2 レーザビーム 3 ビーム強度分布変換光学素子への入射ビーム強度分
布 4、4a、4b、4c、4d ビーム強度分布形成位置でのビー
ム強度分布 5、55 ビーム強度分布変換光学素子としての非球面レ
ンズ 51 ビーム強度分布変換光学素子としてのホログラム素
子 52 ビーム強度分布変換光学素子としてのフライアイレ
ンズ 6、6a ビーム強度分布形成位置 7 マスク 14、140 加工対象
布 4、4a、4b、4c、4d ビーム強度分布形成位置でのビー
ム強度分布 5、55 ビーム強度分布変換光学素子としての非球面レ
ンズ 51 ビーム強度分布変換光学素子としてのホログラム素
子 52 ビーム強度分布変換光学素子としてのフライアイレ
ンズ 6、6a ビーム強度分布形成位置 7 マスク 14、140 加工対象
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩城 邦明 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 西前 順一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 小島 哲夫 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2H087 KA26 RA01 4E068 CD05 CD10 CD13
Claims (18)
- 【請求項１】 レーザ発振器から発生したレーザビーム
の光路上に配置されたビーム強度分布変換光学素子を備
え、このビーム強度分布変換光学素子に入射するレーザ
ビームの強度分布を、レーザビーム光路上のビーム強度
分布形成位置におけるレーザビーム強度分布が、全ビー
ムエネルギーの９０％のエネルギーが含まれる円の半径
をa2として、半径a1（a1＜a2）の円内に含まれるエネル
ギーをE1、半径a1の円から半径a2の円の間に含まれるエ
ネルギーをE2とした場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-
a1 2）)となるよう変換することを特徴とするレーザ装
置。 - 【請求項２】 3a1＞a2であることを特徴とする請求項
１記載のレーザ装置。 - 【請求項３】 上記ビーム強度分布変換光学素子が非球
面レンズであることを特徴とする請求項１記載のレーザ
装置。 - 【請求項４】 上記ビーム強度分布変換光学素子がホロ
グラム素子であることを特徴とする請求項１記載のレー
ザ装置。 - 【請求項５】 上記ビーム強度分布変換光学素子がフラ
イアイレンズであることを特徴とする請求項１記載のレ
ーザ装置。 - 【請求項６】 レーザ発振器から発生したレーザビーム
の光路上に配置された非球面レンズを備え、この非球面
レンズに入射するレーザビームの強度分布を、レーザビ
ーム光路上のビーム強度分布形成位置におけるビーム中
心からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)が、I
(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・
・・I(r)=fn(r)（an＞r＞an-1、nは2以上の自然数、f
1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる関数。）とな
るよう変換することを特徴とするレーザ装置。 - 【請求項７】 n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*max(f
1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（maxは
領域内の最大値）となる関数であることを特徴とする請
求項６記載のレーザ装置。 - 【請求項８】 n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2、1.5*I
1＜I2、（I1、I2は定数）であることを特徴とする請求
項６記載のレーザ装置。 - 【請求項９】 3a1＞a2であることを特徴とする請求項
７または８記載のレーザ装置。 - 【請求項１０】 上記レーザ発振器から発生するレーザ
ビームの強度分布がガウス分布であることを特徴とする
請求項１乃至９いずれかに記載のレーザ装置。 - 【請求項１１】 レーザビーム光路上にマスクを配置
したことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記
載のレーザ装置。 - 【請求項１２】 上記、請求項１乃至１１のいずれか
に記載のレーザ装置から発生したレーザビームを加工対
象に照射することを特徴とするレーザ加工装置。 - 【請求項１３】 入射するレーザビームの強度分布を、
レーザビーム光路上の所定の位置におけるビームの中心
からの距離rに対するレーザビーム強度分布I(r)が、I
(r)=f1(r)（0＜r＜a1）、I(r)=f2(r)（a2＞r＞a1）、・
・・I（r）=fn(r)（an＞r＞an-1、nは２以上の自然数、
f1(r)・・・fn(r)のうち２つ以上は異なる値。）となる
よう変換することを特徴とする非球面レンズ。 - 【請求項１４】 n=2であり、f1(r)とf2(r)は、1.5*max
(f1(r)（0＜r＜a1））＜max(f2(r)（a2＞r＞a1）)（max
は領域内の最大値）となる関数であることを特徴とする
請求項１３記載の非球面レンズ。 - 【請求項１５】 n=2であり、f1(r)=I1、f2(r)=I2、1.5
*I1＜I2、（I1、I2は定数）であることを特徴とする請
求項１３記載の非球面レンズ。 - 【請求項１６】 入射するレーザビームの強度分布を、
レーザビーム光路上のビーム強度分布形成位置における
レーザビーム強度分布が、全ビームエネルギーの９０％
のエネルギーが含まれる円の半径をa2として、半径a
1（a1＜a2）の円内に含まれるエネルギーをE1、半径a1
の円から半径a2の円の間に含まれるエネルギーをE2とし
た場合、E1/E2＜a1 2/(1.5*（a2 2-a1 2）)となるよう変換
することを特徴とする非球面レンズ。 - 【請求項１７】3a1>a2としたことを特徴とする請求項１
４乃至１６いずれかに記載の非球面レンズ。 - 【請求項１８】 入射するレーザビームの強度分布がガ
ウス分布であることを特徴とする請求項１３乃至１７い
ずれかに記載の非球面レンズ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30803499A JP3855563B2 (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | レーザ装置およびレーザ加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30803499A JP3855563B2 (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | レーザ装置およびレーザ加工方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001129679A true JP2001129679A (ja) | 2001-05-15 |
| JP3855563B2 JP3855563B2 (ja) | 2006-12-13 |
Family
ID=17976101
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30803499A Expired - Fee Related JP3855563B2 (ja) | 1999-10-29 | 1999-10-29 | レーザ装置およびレーザ加工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3855563B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006326618A (ja) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | レーザ加工装置 |
| WO2012080883A1 (en) | 2010-12-16 | 2012-06-21 | Bystronic Laser Ag | Laser beam machining device and a process of laser machining comprising a single lens for light focussing |
| RU2674916C2 (ru) * | 2014-10-13 | 2018-12-14 | Эвана Текнолоджис, Уаб | Способ лазерной обработки для разделения или скрайбирования подложки путем формирования клиновидных поврежденных структур |
| KR20190021429A (ko) * | 2016-07-29 | 2019-03-05 | 상하이 마이크로 일렉트로닉스 이큅먼트(그룹) 컴퍼니 리미티드 | 레이저 패키징 방법 및 레이저 패키징 장치 |
| CN117233931A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 河南百合特种光学研究院有限公司 | 一种百瓦级紫外光刻镜头 |
-
1999
- 1999-10-29 JP JP30803499A patent/JP3855563B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006326618A (ja) * | 2005-05-24 | 2006-12-07 | Mitsubishi Electric Corp | レーザ加工装置 |
| JP4527003B2 (ja) * | 2005-05-24 | 2010-08-18 | 三菱電機株式会社 | レーザ加工装置 |
| RU2607500C2 (ru) * | 2010-12-16 | 2017-01-10 | Бистроник Лейзер Аг | Устройство для лазерной обработки и способ лазерной обработки, содержащие синглетную линзу для фокусировки |
| CN103260813A (zh) * | 2010-12-16 | 2013-08-21 | 百超激光股份公司 | 包括用于光聚焦的单透镜的激光束机械加工装置和激光机械加工的方法 |
| JP2014503359A (ja) * | 2010-12-16 | 2014-02-13 | バイストロニック レーザー アクチェンゲゼルシャフト | 光合焦用レンズが単一のレーザビームマシニング装置及びレーザマシニング方法 |
| CN103260813B (zh) * | 2010-12-16 | 2016-08-10 | 百超激光股份公司 | 包括用于光聚焦的单透镜的激光束机械加工装置和激光机械加工的方法 |
| WO2012080883A1 (en) | 2010-12-16 | 2012-06-21 | Bystronic Laser Ag | Laser beam machining device and a process of laser machining comprising a single lens for light focussing |
| EP3693122A1 (en) | 2010-12-16 | 2020-08-12 | Bystronic Laser AG | Laser beam machining device comprising a single lens for light focussing |
| US11154948B2 (en) | 2010-12-16 | 2021-10-26 | Bystronic Laser Ag | Laser beam machining device and a process of laser machining comprising a single lens for light focussing |
| RU2674916C2 (ru) * | 2014-10-13 | 2018-12-14 | Эвана Текнолоджис, Уаб | Способ лазерной обработки для разделения или скрайбирования подложки путем формирования клиновидных поврежденных структур |
| KR20190021429A (ko) * | 2016-07-29 | 2019-03-05 | 상하이 마이크로 일렉트로닉스 이큅먼트(그룹) 컴퍼니 리미티드 | 레이저 패키징 방법 및 레이저 패키징 장치 |
| KR102191003B1 (ko) * | 2016-07-29 | 2020-12-14 | 상하이 마이크로 일렉트로닉스 이큅먼트(그룹) 컴퍼니 리미티드 | 레이저 패키징 방법 및 레이저 패키징 장치 |
| CN117233931A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 河南百合特种光学研究院有限公司 | 一种百瓦级紫外光刻镜头 |
| CN117233931B (zh) * | 2023-11-10 | 2024-01-30 | 河南百合特种光学研究院有限公司 | 一种百瓦级紫外光刻镜头 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3855563B2 (ja) | 2006-12-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107003530B (zh) | 用于射束成形的光学系统 | |
| US5684642A (en) | Optical transmission system and light radiating method | |
| JP5832412B2 (ja) | 光学系及びレーザ加工装置 | |
| EP2716397B1 (en) | Optical system for laser working device, laser working head with such optical system, laser working device with such head, laser focusing method, and laser working method using such method | |
| US9035217B2 (en) | Method for machining material using laser radiation and apparatus for carrying out the method | |
| TWI530348B (zh) | 用於分離的鐳射裝置和分離方法 | |
| WO2010137475A1 (ja) | レーザ加工装置およびレーザ加工方法 | |
| WO2020050320A1 (ja) | 溶接方法および溶接装置 | |
| JP2000005892A (ja) | レーザ加工方法 | |
| JP5188764B2 (ja) | レーザ加工装置およびレーザ加工方法 | |
| CN115453767A (zh) | 一种点环分布激光光学系统及使用方法 | |
| US20170182597A1 (en) | Drilling Device, Method, and Use | |
| JP2001129679A (ja) | レーザ装置、レーザ加工装置および非球面レンズ | |
| JP2001121282A (ja) | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 | |
| JP5758237B2 (ja) | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 | |
| JPH0436794B2 (ja) | ||
| JP6752232B2 (ja) | 加工対象物切断方法 | |
| JPS5913588A (ja) | レ−ザ加工装置 | |
| JP2000227576A (ja) | レーザ加工装置用出射光学系 | |
| JP2002023099A (ja) | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 | |
| JPH0722685A (ja) | 光線の焦点合成方法及びその焦点合成装置 | |
| JPH1177344A (ja) | 光加工装置 | |
| JP2005186099A (ja) | レーザ加工装置およびレーザ加工方法 | |
| JP2000317668A (ja) | レーザー加工方法およびその装置 | |
| KR102148012B1 (ko) | 레이저 홀 가공장치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20040629 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050921 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20051004 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051130 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060606 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060801 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20060822 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20060904 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090922 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100922 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110922 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120922 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130922 Year of fee payment: 7 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |