JP2003509222A - 材料加工に使用するレーザ装置 - Google Patents
材料加工に使用するレーザ装置Info
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- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
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Abstract
(57)【要約】
レーザは、対向して設けられた透明窓（４、５）の間に結像光学素子（３）を配置したハウジング（２）を含む集光系を有する。ハウジング（２）には、圧縮ガスをハウジングのキャビティ内へ導入するための入口（７）も設けられている。結像光学素子（３）は、屈折／反射レンズ素子（８、９）と、位相限定フィルタ（１０）とを含む。フィルタ（１０）は、それぞれ特定の位相ずれを割り当てられている異なった領域を含み、空間光変調器のピクセルで、または、各々の領域でのシリカの残留厚さによって異なった位相遅れを得ることができるように、異なった深さに食刻された領域を有する融解シリカ構造体を使用して実現することができる。フィルタ（１０）によって、例えば、切断しようとする加工物に入射したレーザビームが、少なくとも１つの寸法で焦点を越えて延在する強度分布を確実に有するようにすることができる。このレーザにより、最適化された光分布を使用して、高精度かつ高速の切断または溶接を実施することができる。
Description
【０００１】
本発明は、材料加工に使用されるレーザ装置に関し、特に、これらに限定され
るわけではないが、材料の切断、溶接、機械加工および他の関連処理技法に使用
されるレーザ装置に関する。
るわけではないが、材料の切断、溶接、機械加工および他の関連処理技法に使用
されるレーザ装置に関する。
【０００２】
従来のレーザ切断、溶接および機械加工システムでは、ＣＷ（連続波）レーザ
またはパルスレーザからの光は、屈折レンズ素子および／または反射鏡を使用し
て、ほぼ回折限界スポット（diffraction limited spot）に集光される。焦点を
加工物と接触させた時、焦点の非常に高い光の強度によって加工物が局部的に加
熱され、したがって材料の局部的な溶解、蒸発または融蝕が発生する。通常、光
学系と同軸的なガス流を供給することにより、放出された物質（sputtered mate
rial）をレンズ素子から離れる方向に押し進めてレンズ素子を保護すると共に、
切断、溶接または機械加工処理を促進する。溶接の場合、ガスは、一般的に不活
性であるが、切断の場合、ガスを腐食性にして、切断処理に寄与できるようにし
てもよい。加工物を所定領域内で溶接、切断または機械加工できるように、焦点
および加工物を互いに対して移動させなければならない。
またはパルスレーザからの光は、屈折レンズ素子および／または反射鏡を使用し
て、ほぼ回折限界スポット（diffraction limited spot）に集光される。焦点を
加工物と接触させた時、焦点の非常に高い光の強度によって加工物が局部的に加
熱され、したがって材料の局部的な溶解、蒸発または融蝕が発生する。通常、光
学系と同軸的なガス流を供給することにより、放出された物質（sputtered mate
rial）をレンズ素子から離れる方向に押し進めてレンズ素子を保護すると共に、
切断、溶接または機械加工処理を促進する。溶接の場合、ガスは、一般的に不活
性であるが、切断の場合、ガスを腐食性にして、切断処理に寄与できるようにし
てもよい。加工物を所定領域内で溶接、切断または機械加工できるように、焦点
および加工物を互いに対して移動させなければならない。
【０００３】
しかし、多くの場合、上述した処理に最適の光の強度分布は、単一回折限界焦
点（single diffraction limited focused spot）に対応したものではない。む
しろ、場合によっては、数ｍｍ離れた２つの焦点を使用することが好都合である
場合があることが分かった。
点（single diffraction limited focused spot）に対応したものではない。む
しろ、場合によっては、数ｍｍ離れた２つの焦点を使用することが好都合である
場合があることが分かった。
【０００４】
国際特許出願公開第ＷＯ９８／１４３０２号には、多重レンズまたは湾曲反射
面によって、レーザからの光を共通軸線上の２つの分離した焦点に結像するレー
ザ切断装置が記載されている。同様に、米国特許第５５２１３５２号には、レー
ザからの光を２つのビームに分割するために、半銀鏡（semi-silvered mirror）
を使用した、金属加工物を切断するレーザ装置が記載されている。そして、従来
型反射光学系を用いて、２つのビームを加工物の相対する表面に送る。
面によって、レーザからの光を共通軸線上の２つの分離した焦点に結像するレー
ザ切断装置が記載されている。同様に、米国特許第５５２１３５２号には、レー
ザからの光を２つのビームに分割するために、半銀鏡（semi-silvered mirror）
を使用した、金属加工物を切断するレーザ装置が記載されている。そして、従来
型反射光学系を用いて、２つのビームを加工物の相対する表面に送る。
【０００５】
以上に参照した書類に記載されている装置では、従来型屈折／反射光学素子を
使用して、レーザビームからの光を２つの分離した焦点に集光する。一般的に、
その装置は、自由度が非常に限られており、融通性がない。例えば、国際特許出
願公開第ＷＯ９８／１４３０２号では、選択可能な設計パラメータは、レンズ素
子の中心領域の半径と、この中心領域および環状領域（annulus）間での曲率の
差だけである。これによって、焦点の離隔距離、出力分割比（power split rati
o）および焦点の軸方向および空間解像度などの特性を選択できる範囲が大きく
制限され、場合によっては、そのような特性の選択の機会が得られない。
使用して、レーザビームからの光を２つの分離した焦点に集光する。一般的に、
その装置は、自由度が非常に限られており、融通性がない。例えば、国際特許出
願公開第ＷＯ９８／１４３０２号では、選択可能な設計パラメータは、レンズ素
子の中心領域の半径と、この中心領域および環状領域（annulus）間での曲率の
差だけである。これによって、焦点の離隔距離、出力分割比（power split rati
o）および焦点の軸方向および空間解像度などの特性を選択できる範囲が大きく
制限され、場合によっては、そのような特性の選択の機会が得られない。
【０００６】
また、一旦設計パラメータを選択し、中心領域および環状領域の適当な半径を
持つレンズ素子を設けても、上記の装置は、そのレンズ素子によって決定された
２つの焦点を発生することができるだけである。装置の性能特性を変更するには
、現存のレンズ素子の代わりに、全く新しい他のレンズ素子を用いなければなら
ないであろう。さらに、上記書類に記載されているレーザ切断装置は、２つの分
離した焦点と関連した特定の強度分布に制限されることに注意されたい。
持つレンズ素子を設けても、上記の装置は、そのレンズ素子によって決定された
２つの焦点を発生することができるだけである。装置の性能特性を変更するには
、現存のレンズ素子の代わりに、全く新しい他のレンズ素子を用いなければなら
ないであろう。さらに、上記書類に記載されているレーザ切断装置は、２つの分
離した焦点と関連した特定の強度分布に制限されることに注意されたい。
【０００７】
英国特許第２２７８４５８号には、単一焦点全体にわたるレーザビームの強度
プロフィールを調整するレーザ用コンバータが記載されている。このコンバータ
は、０またはπラジアンの位相遅れを発生するようにランダムに配置された二次
元配列の最密構造回折フレネルゾーンプレート（two dimensional array of clo
se packed diffracting Fresnel zone plate）からなる位相ゾーンプレート配列
（phase zone plate array）からなる。コンバータは、焦点全体での強度の変動
を減少させるために使用され、それによって、より均一な焦点を確実に生じるこ
とができる。しかし、コンバータでは、焦点自体の全体にわたる強度だけが調整
されて、調整分布が、コンバータを配置しない場合に生じる焦点を越えて延在す
るように強度分布が変更されることはない。さらに、強度の均一性を向上させる
ための強度分布の調整は、光軸に垂直な平面に限定される。コンバータは、他の
いずれの方法でもレーザビームの強度分布を変更することができない。英国特許
第２２７８４５８号に記載されているコンバータを使用しても、特に光の強度の
全体分布、強度の「包絡線」および／または焦点の数を変更することができない
。
プロフィールを調整するレーザ用コンバータが記載されている。このコンバータ
は、０またはπラジアンの位相遅れを発生するようにランダムに配置された二次
元配列の最密構造回折フレネルゾーンプレート（two dimensional array of clo
se packed diffracting Fresnel zone plate）からなる位相ゾーンプレート配列
（phase zone plate array）からなる。コンバータは、焦点全体での強度の変動
を減少させるために使用され、それによって、より均一な焦点を確実に生じるこ
とができる。しかし、コンバータでは、焦点自体の全体にわたる強度だけが調整
されて、調整分布が、コンバータを配置しない場合に生じる焦点を越えて延在す
るように強度分布が変更されることはない。さらに、強度の均一性を向上させる
ための強度分布の調整は、光軸に垂直な平面に限定される。コンバータは、他の
いずれの方法でもレーザビームの強度分布を変更することができない。英国特許
第２２７８４５８号に記載されているコンバータを使用しても、特に光の強度の
全体分布、強度の「包絡線」および／または焦点の数を変更することができない
。
【０００８】
それに対して、本発明は、特定のレーザ加工作業に最適化することができる任
意の所定三次元光強度分布を生じることができる新規な光学装置を提供しようと
している。
意の所定三次元光強度分布を生じることができる新規な光学装置を提供しようと
している。
【０００９】
本発明は、加工物の材料加工に使用されるレーザ装置であって、干渉性光源と
、１つまたは複数の集光素子および位相フィルタを収容しているハウジングとを
含み、位相フィルタは、それぞれ複数の可能な位相ずれから前もって決定された
位相ずれを割り当てられている複数の領域を有しており、複数の領域の位相ずれ
は、加工物に入射した光の、少なくとも１つの空間次元において、フィルタがな
い場合に装置によって生じる焦点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選
択されるレーザ装置を提供している。
、１つまたは複数の集光素子および位相フィルタを収容しているハウジングとを
含み、位相フィルタは、それぞれ複数の可能な位相ずれから前もって決定された
位相ずれを割り当てられている複数の領域を有しており、複数の領域の位相ずれ
は、加工物に入射した光の、少なくとも１つの空間次元において、フィルタがな
い場合に装置によって生じる焦点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選
択されるレーザ装置を提供している。
【００１０】
好適な実施形態では、位相フィルタは、１つまたは複数の集光素子と加工物と
の間に取り付けられる。位相フィルタは、ハウジング内に取り外し可能に取り付
けられる取り外し式カートリッジ内に設けてもよい。
の間に取り付けられる。位相フィルタは、ハウジング内に取り外し可能に取り付
けられる取り外し式カートリッジ内に設けてもよい。
【００１１】
別の態様では、本発明は、加工物の材料加工に使用されるレーザ調整装置であ
って、位相フィルタを収容しているアダプタハウジングを含み、アダプタハウジ
ングは、干渉性光源と１つまたは複数の集光素子との間にアダプタハウジングを
取り付けるための連結手段を有しており、位相フィルタは、それぞれ複数の可能
な位相ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を
有しており、複数の領域の位相ずれは、加工物に入射した光の、少なくとも１つ
の空間次元において、フィルタがない場合に装置によって生じる焦点を越えて延
在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ調整装置を提供している。
って、位相フィルタを収容しているアダプタハウジングを含み、アダプタハウジ
ングは、干渉性光源と１つまたは複数の集光素子との間にアダプタハウジングを
取り付けるための連結手段を有しており、位相フィルタは、それぞれ複数の可能
な位相ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を
有しており、複数の領域の位相ずれは、加工物に入射した光の、少なくとも１つ
の空間次元において、フィルタがない場合に装置によって生じる焦点を越えて延
在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ調整装置を提供している。
【００１２】
理想的には、フィルタの複数の位相ずれ領域は、少なくとも１つの空間次元に
おいて、回折限界焦点を越えて延在する強度分布を生じる。位相フィルタは、所
望の三次元形状の強度分布を生じるように配置することができる。あるいは、ま
たは追加して、位相フィルタが複数の分離した強度ピークを生じてもよい。
おいて、回折限界焦点を越えて延在する強度分布を生じる。位相フィルタは、所
望の三次元形状の強度分布を生じるように配置することができる。あるいは、ま
たは追加して、位相フィルタが複数の分離した強度ピークを生じてもよい。
【００１３】
フィルタの複数の領域における位相ずれは、加工物に入射する光の所望の強度
分布に関して繰り返し最適化され、好ましくはフィルタの複数の領域の位相ずれ
は、直接二分探索法（direct binary search）を使用して、繰り返し最適化され
る。
分布に関して繰り返し最適化され、好ましくはフィルタの複数の領域の位相ずれ
は、直接二分探索法（direct binary search）を使用して、繰り返し最適化され
る。
【００１４】
別の態様では、本発明は、レーザ材料加工装置に使用される位相フィルタを製
造する方法であって、加工物に入射した光の、少なくとも１つの空間次元におい
て、フィルタがない場合にレーザ材料加工装置によって生じる焦点を越えて延在
する所望の強度分布を決定する段階と、フィルタの複数の領域にそれぞれの初期
位相ずれを割り当てる段階と、割り当てられた位相ずれを使用して発生する強度
分布と所望の強度分布との類似性に関する誤差の係数を決定する段階と、フィル
タの各領域の最終位相ずれを決定するために、各領域に割り当てられた位相ずれ
を繰り返し最適化する段階と、繰り返し最適化段階によって決定された最終位相
ずれをそれぞれ有する複数の領域を備えた位相フィルタを生じる段階とを含む方
法を提供している。
造する方法であって、加工物に入射した光の、少なくとも１つの空間次元におい
て、フィルタがない場合にレーザ材料加工装置によって生じる焦点を越えて延在
する所望の強度分布を決定する段階と、フィルタの複数の領域にそれぞれの初期
位相ずれを割り当てる段階と、割り当てられた位相ずれを使用して発生する強度
分布と所望の強度分布との類似性に関する誤差の係数を決定する段階と、フィル
タの各領域の最終位相ずれを決定するために、各領域に割り当てられた位相ずれ
を繰り返し最適化する段階と、繰り返し最適化段階によって決定された最終位相
ずれをそれぞれ有する複数の領域を備えた位相フィルタを生じる段階とを含む方
法を提供している。
【００１５】
本発明では、位相限定フィルタ（phase-only filter）の設計の自由度が非常
に大きく、これによってレンズ焦点の周りの三次元体積に定められたほとんど総
ての所望の強度分布を得ることが可能になる。これによって、次に、レーザを使
用して高精度かつ高速で効率的な材料加工が可能になる。さらに、レーザ装置は
、位相限定フィルタを変更または交換するだけで、別の強度分布を生じるように
容易に調整することができ、装置の主要でより高価な部品である集光レンズをそ
のままにして再利用することができる。空間光変調器（spatial light modulato
r）を位相限定フィルタとして使用する場合、強度分布の変更は、単に変調器の
再プログラミングの問題であり、そのため、レーザ装置は、融通性が非常に高く
、個々の加工作業の個別強度分布要件に対応することができる。
に大きく、これによってレンズ焦点の周りの三次元体積に定められたほとんど総
ての所望の強度分布を得ることが可能になる。これによって、次に、レーザを使
用して高精度かつ高速で効率的な材料加工が可能になる。さらに、レーザ装置は
、位相限定フィルタを変更または交換するだけで、別の強度分布を生じるように
容易に調整することができ、装置の主要でより高価な部品である集光レンズをそ
のままにして再利用することができる。空間光変調器（spatial light modulato
r）を位相限定フィルタとして使用する場合、強度分布の変更は、単に変調器の
再プログラミングの問題であり、そのため、レーザ装置は、融通性が非常に高く
、個々の加工作業の個別強度分布要件に対応することができる。
【００１６】
勿論、本明細書では、レーザ光源に関して説明しているが、これは干渉性およ
び部分干渉性の両方のレーザ光源を包括的に包含することを意図したものである
ことは理解されるであろう。
び部分干渉性の両方のレーザ光源を包括的に包含することを意図したものである
ことは理解されるであろう。
【００１７】
次に、添付図面を参照した例によって本発明の実施形態を説明する。
【００１８】
図１ａ、図１ｂおよび図１ｃに示されているように、加工物の加工に使用する
のに適したレーザ集光系は、ほぼ円筒形であって内部に結像光学素子３を配置し
たハウジング２からなる。ハウジング２の各端部には、対向窓４、５が、結像光
学素子３と整列する位置に設けられており、これらの窓を介してレーザビームが
通過する。ハウジング２は、また、使用時に加工物の上方に配置されるノズル６
と、圧縮ガスをハウジングのキャビティ内へ導入するための流体入口７とを含む
。図示されていないが、レーザの形の光源は、窓４、５と整列しており、集光系
を通って加工物を照射する。レーザは、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザまたは
ＹＡＧレーザなどの商業的に利用可能な多くのレーザのいずれでもよい。これら
のレーザは、例えば、エキシマレーザの場合の１９３ｎｍから炭酸ガスレーザの
場合の１０．６μｍまでの広範囲の波長の光を発生することができる。
のに適したレーザ集光系は、ほぼ円筒形であって内部に結像光学素子３を配置し
たハウジング２からなる。ハウジング２の各端部には、対向窓４、５が、結像光
学素子３と整列する位置に設けられており、これらの窓を介してレーザビームが
通過する。ハウジング２は、また、使用時に加工物の上方に配置されるノズル６
と、圧縮ガスをハウジングのキャビティ内へ導入するための流体入口７とを含む
。図示されていないが、レーザの形の光源は、窓４、５と整列しており、集光系
を通って加工物を照射する。レーザは、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザまたは
ＹＡＧレーザなどの商業的に利用可能な多くのレーザのいずれでもよい。これら
のレーザは、例えば、エキシマレーザの場合の１９３ｎｍから炭酸ガスレーザの
場合の１０．６μｍまでの広範囲の波長の光を発生することができる。
【００１９】
結像光学素子３は、単一回折限界焦点を生じるための屈折／反射レンズ素子８
、９（図１には屈折レンズが示されている）と、位相限定フィルタ１０とで構成
されている。位相限定フィルタ１０は、図１ａに示されているように、集光レン
ズ素子のひとみ面（pupil plane）上に配置することができる。あるいは、図１
ｂに示されているように、位相限定フィルタ１０をレンズ素子８、９と加工物と
の間に、あるいは図１ｃに示されているように、レンズ素子８、９とレーザとの
間に配置してもよい。位相限定フィルタ１０は、結像光学素子３内に固定しても
よいが、結像光学素子内へ取り外し可能に挿入されるカートリッジに入れて設け
ることによって、実行する個々の加工作業に最適なフィルタに応じて、位相限定
フィルタ１０を別の位相限定フィルタと簡単に交換できるようにしてもよい。
、９（図１には屈折レンズが示されている）と、位相限定フィルタ１０とで構成
されている。位相限定フィルタ１０は、図１ａに示されているように、集光レン
ズ素子のひとみ面（pupil plane）上に配置することができる。あるいは、図１
ｂに示されているように、位相限定フィルタ１０をレンズ素子８、９と加工物と
の間に、あるいは図１ｃに示されているように、レンズ素子８、９とレーザとの
間に配置してもよい。位相限定フィルタ１０は、結像光学素子３内に固定しても
よいが、結像光学素子内へ取り外し可能に挿入されるカートリッジに入れて設け
ることによって、実行する個々の加工作業に最適なフィルタに応じて、位相限定
フィルタ１０を別の位相限定フィルタと簡単に交換できるようにしてもよい。
【００２０】
図２に示されているように、アダプタ１１の形のレーザ調整装置を円筒管の形
で設けて、その内部に位相限定フィルタ１０を取り付けるようにしてもよい。ア
ダプタ１１は、該アダプタをレーザとハウジングの窓との間で従来型レーザ集光
系のハウジングに連結するための係合手段を含む。このようにして、従来型レー
ザ集光系に位相限定フィルタを組み込むことによって、材料加工に使用するため
にレーザ集光系によって発生する強度分布の融通性を高めることができる。
で設けて、その内部に位相限定フィルタ１０を取り付けるようにしてもよい。ア
ダプタ１１は、該アダプタをレーザとハウジングの窓との間で従来型レーザ集光
系のハウジングに連結するための係合手段を含む。このようにして、従来型レー
ザ集光系に位相限定フィルタを組み込むことによって、材料加工に使用するため
にレーザ集光系によって発生する強度分布の融通性を高めることができる。
【００２１】
位相限定フィルタは、好ましくは、正方形または円形であり、理想的には、レ
ンズ素子の直径と一致した、たとえば３８ｍｍの直径を有する。位相限定フィル
タは、各々がそれぞれの位相ずれを割り当てられている複数の個別領域からなり
、各領域の位相ずれは、元のレンズ焦点の周りの三次元体積内に定められた所定
の、または目標強度分布を達成するように、最適化ソフトウェアを使用して決定
される。位相限定フィルタが二分フィルタ（binary filter）である場合、フィ
ルタの個々のピクセルが０またはπラジアンの位相遅れを生じる。しかし、さら
に１／２πラジアンおよび３／２πラジアンなどの位相ずれを追加して組み込ん
だより複雑なフィルタも考えられる。位相限定フィルタは、プログラマブル空間
光変調器などの形のピクセル化フィルタ（pixellated filter）でもよい。１つ
の好適なフィルタは、１２８×１２８配列を用いるが、１，０００×１，０００
以上の配列も考えられる。別のフィルタでは、それぞれに所定の位相ずれが割り
当てられたリング形、六角形、さらには不規則形領域を組み込むこともできる。
ンズ素子の直径と一致した、たとえば３８ｍｍの直径を有する。位相限定フィル
タは、各々がそれぞれの位相ずれを割り当てられている複数の個別領域からなり
、各領域の位相ずれは、元のレンズ焦点の周りの三次元体積内に定められた所定
の、または目標強度分布を達成するように、最適化ソフトウェアを使用して決定
される。位相限定フィルタが二分フィルタ（binary filter）である場合、フィ
ルタの個々のピクセルが０またはπラジアンの位相遅れを生じる。しかし、さら
に１／２πラジアンおよび３／２πラジアンなどの位相ずれを追加して組み込ん
だより複雑なフィルタも考えられる。位相限定フィルタは、プログラマブル空間
光変調器などの形のピクセル化フィルタ（pixellated filter）でもよい。１つ
の好適なフィルタは、１２８×１２８配列を用いるが、１，０００×１，０００
以上の配列も考えられる。別のフィルタでは、それぞれに所定の位相ずれが割り
当てられたリング形、六角形、さらには不規則形領域を組み込むこともできる。
【００２２】
位相限定フィルタ１０は、従来技術を使用して、融解シリカ基板（fused sili
ca substrate）から形成することができる。例えば、フォトレジスト層を融解シ
リカ基板の表面に付着させる。次に、クロムマスクおよび従来の密着焼付法（co
ntact printing）または投射リトグラフ技法（projection lithographic techni
ques）を用いて、フィルタの所定デザインの模様をフォトレジストにつける。次
に、クロムマスクを通して露出したフォトレジストを食刻して、シリカ基板の一
部を露出させてから、シリカの露出領域を残りのフォトレジストを通して食刻す
ることによって、露出シリカに模様をつける。露出シリカは、所望の位相遅れΦ
が得られるように、所定深さまで食刻した後、残りのフォトレジストを除去する
。食刻深さは、次式、
ca substrate）から形成することができる。例えば、フォトレジスト層を融解シ
リカ基板の表面に付着させる。次に、クロムマスクおよび従来の密着焼付法（co
ntact printing）または投射リトグラフ技法（projection lithographic techni
ques）を用いて、フィルタの所定デザインの模様をフォトレジストにつける。次
に、クロムマスクを通して露出したフォトレジストを食刻して、シリカ基板の一
部を露出させてから、シリカの露出領域を残りのフォトレジストを通して食刻す
ることによって、露出シリカに模様をつける。露出シリカは、所望の位相遅れΦ
が得られるように、所定深さまで食刻した後、残りのフォトレジストを除去する
。食刻深さは、次式、
【００２３】
【数１】
【００２４】
を用いて計算することができ、この式において、ｈは食刻深さ、λは入射光の波
長、ｎは基板の屈折率、そして、ｎ0は環境の屈折率である。従って、πラジア
ンの位相遅れの場合、食刻深さは、λ／２（ｎ−ｎ0）になる。
長、ｎは基板の屈折率、そして、ｎ0は環境の屈折率である。従って、πラジア
ンの位相遅れの場合、食刻深さは、λ／２（ｎ−ｎ0）になる。
【００２５】
総ての個々の目標強度分布を得るためのフィルタの設計を決定するために使用
される最適化ソフトウェアは、フィルタの個々の設計を決定するために、直接二
分探索法（Direct Binary Search）または反復逆フーリエ変換（iterative inve
rse Fourier transform）などの反復アルゴリズムを使用することができる。例
えば、元のレンズ限定焦点（original lens-only focus）およびその周囲の目標
強度分布がＩT（ｘ、ｙ、ｚ）であるフィルタを設計するために、１組のＮT離散
点（ｘm、ｙm、ｚm）を、それらの点での強度ＩTm（ｘm、ｙm、ｚm）が連続分布
ＩT（ｘ、ｙ、ｚ）の代表組として機能できるようにして選択する。
される最適化ソフトウェアは、フィルタの個々の設計を決定するために、直接二
分探索法（Direct Binary Search）または反復逆フーリエ変換（iterative inve
rse Fourier transform）などの反復アルゴリズムを使用することができる。例
えば、元のレンズ限定焦点（original lens-only focus）およびその周囲の目標
強度分布がＩT（ｘ、ｙ、ｚ）であるフィルタを設計するために、１組のＮT離散
点（ｘm、ｙm、ｚm）を、それらの点での強度ＩTm（ｘm、ｙm、ｚm）が連続分布
ＩT（ｘ、ｙ、ｚ）の代表組として機能できるようにして選択する。
【００２６】
次に、レンズひとみおよび位相限定フィルタをＮP個の領域（ピクセル）に分
割する。フーリエ光学理論を使用するか、光学回析積分を直接的に評価すること
によって、個々のレンズ領域、すなわちレンズピクセルによる複素振幅を目標点
で計算する。これらのレンズ限定「ピクセル貢献（pixel contributions）」は
、ＡLmnで表され、ここで、ｍ＝１．．．ＮTで、ｎ＝１．．．ＮPである。
割する。フーリエ光学理論を使用するか、光学回析積分を直接的に評価すること
によって、個々のレンズ領域、すなわちレンズピクセルによる複素振幅を目標点
で計算する。これらのレンズ限定「ピクセル貢献（pixel contributions）」は
、ＡLmnで表され、ここで、ｍ＝１．．．ＮTで、ｎ＝１．．．ＮPである。
【００２７】
また、位相限定フィルタの作用は、各ピクセル内の一定のΦn位相ずれである
と仮定する。その場合、レンズおよびフィルタの組み合わせによる複素振幅ピク
セル貢献は、Ａmn＝ＡLmn ｅｘｐ（ｉΦn）として表すことができる。
と仮定する。その場合、レンズおよびフィルタの組み合わせによる複素振幅ピク
セル貢献は、Ａmn＝ＡLmn ｅｘｐ（ｉΦn）として表すことができる。
【００２８】
ある所定の組のΦnピクセル位相ずれの値に対して、目標点での複素振幅およ
び強度は、式（１）のようにして、総てのピクセルでの合計で得ることができる
。
び強度は、式（１）のようにして、総てのピクセルでの合計で得ることができる
。
【００２９】
【数２】
【００３０】
次に、所望ＩT分布とレンズ／フィルタ組み合わせによって生じる分布Ｉとの
密接度（closeness）の測定基準として、ｇ誤差関数を、式（２）で定める。
密接度（closeness）の測定基準として、ｇ誤差関数を、式（２）で定める。
【００３１】
【数３】
【００３２】
ここで、反復設計アルゴリズムは、以下の段階を含む。すなわち、
１） ＡLmnピクセル貢献を計算する。
２） Φnピクセル位相ずれをランダム値または所定値に初期化する。
３） 式（１）および式（２）を使用して、初期誤差関数ｇ0を計算する。
４） ランダムピクセルインデックス（random pixel index）を選択する。
５） 選択されたピクセルの位相ずれの値を変更する。
６） 誤差関数を計算し直す。
７） 新しい誤差関数値が先の値より小さい場合、新しいピクセル位相ずれ
値を保持し、そうでない場合には、ピクセル位相および誤差関数を先の値に設定
し直す。 ８） 誤差関数ｇの変化が所定限界より小さくなるまで、４）〜７）を繰り
返す。
値を保持し、そうでない場合には、ピクセル位相および誤差関数を先の値に設定
し直す。 ８） 誤差関数ｇの変化が所定限界より小さくなるまで、４）〜７）を繰り
返す。
【００３３】
アルゴリズムの重要な要素は、初期フィルタ位相値、誤差関数の形、および「
ランダム」ピクセルインデックスを生成する方法である。誤差関数は、式（２）
に示されたものより遥かに複雑にすることができる。例えば、それは極めて非線
形にすることができるが、アルゴリズムの進行に伴って自動的に変化させること
もできる。
ランダム」ピクセルインデックスを生成する方法である。誤差関数は、式（２）
に示されたものより遥かに複雑にすることができる。例えば、それは極めて非線
形にすることができるが、アルゴリズムの進行に伴って自動的に変化させること
もできる。
【００３４】
図３、図４および図５は、０．１ＮＡ集光レンズおよびλ＝１０．６μｍのレ
ーザの場合の様々なフィルタ設計の例を示し、黒および白が０およびπ位相ずれ
を表す。図面の第２欄は、フィルタ設計の概略図であり、第３および第４欄は、
それぞれＸＺおよびＹＺ面における光の強度分布を示し（ｚ軸は光軸に平行であ
るが、ＸおよびＹ軸は光軸に垂直である）、そして、第５欄は、軸上強度線走査
(on-axis intensity line scans)を示す。図３の（ａ）は、レンズがレンズ自体
上でもたらした単一焦点を示す。上記パラメータの場合、単一焦点は、（光軸に
沿った）長さが〜０．５３ｍｍで、幅が〜５３μｍである。図３ｂ〜図３ｅは、
２つの軸上焦点を一定範囲の離隔距離で生じるように設計されたフィルタを示す
。従って、図３ｂは、５ｍｍだけ離れた２つの軸上焦点を示すのに対して、図３
ｅの、フィルタを使用して生じる焦点は２０ｍｍだけ離れている。図３ｂ〜図３
ｅのフィルタは、フレネルゾーンプレートに似ているが、それらは（一連の回折
オーダー全体（a whole series of diffraction orders）ではなく）２つの焦点
だけを生じるように最適化されているため、本発明のフィルタの効率は、従来の
フレネルゾーンプレートを使用して得られる効率より高い。
ーザの場合の様々なフィルタ設計の例を示し、黒および白が０およびπ位相ずれ
を表す。図面の第２欄は、フィルタ設計の概略図であり、第３および第４欄は、
それぞれＸＺおよびＹＺ面における光の強度分布を示し（ｚ軸は光軸に平行であ
るが、ＸおよびＹ軸は光軸に垂直である）、そして、第５欄は、軸上強度線走査
(on-axis intensity line scans)を示す。図３の（ａ）は、レンズがレンズ自体
上でもたらした単一焦点を示す。上記パラメータの場合、単一焦点は、（光軸に
沿った）長さが〜０．５３ｍｍで、幅が〜５３μｍである。図３ｂ〜図３ｅは、
２つの軸上焦点を一定範囲の離隔距離で生じるように設計されたフィルタを示す
。従って、図３ｂは、５ｍｍだけ離れた２つの軸上焦点を示すのに対して、図３
ｅの、フィルタを使用して生じる焦点は２０ｍｍだけ離れている。図３ｂ〜図３
ｅのフィルタは、フレネルゾーンプレートに似ているが、それらは（一連の回折
オーダー全体（a whole series of diffraction orders）ではなく）２つの焦点
だけを生じるように最適化されているため、本発明のフィルタの効率は、従来の
フレネルゾーンプレートを使用して得られる効率より高い。
【００３５】
次に、図４ａ〜図４ｄを参照すると、位相限定フィルタは、３つ以上の軸上焦
点を生じるように設計されており、図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、同一強度の
焦点を有する。それに対して、図４ｄは、３つの軸上焦点を２：３：４の強度比
で生じる４レベルフィルタ（このフィルタに示された中間レベル（grey levels
）は０、１／２πおよび３／２π位相ずれに対応する）を示している。図５ａ〜
図５ｆは、より複雑な強度分布を生じるフィルタ設計を示している。従って、図
５ａは、各端部に、すなわち〜１５ｍｍの離隔距離で５０％強度のスポットを有
する１０ｍｍ長さの軸方向線分布を生じるフィルタを示し、図５ｂは、図５ａと
同様な強度分布を生じるが、スポットの強度が線の強度と同一であるフィルタを
示している。図５ｃでは、強度分布が図５ａおよび図５ｂと同様であるが、線の
強度がスポットの５０％である。図５ｄのフィルタは、強度分布が円柱対称性（
cylindrical symmetry）を有する必要がないことを示しており、このフィルタは
、ｙ軸に対して２°傾斜した１０ｍｍの線を生じる。図５ｅおよび図５ｆは、Ｘ
−Ｚ面上に複数の強度ピークを生じるさらなるフィルタ設計を示している。
点を生じるように設計されており、図４ａ、図４ｂおよび図４ｃは、同一強度の
焦点を有する。それに対して、図４ｄは、３つの軸上焦点を２：３：４の強度比
で生じる４レベルフィルタ（このフィルタに示された中間レベル（grey levels
）は０、１／２πおよび３／２π位相ずれに対応する）を示している。図５ａ〜
図５ｆは、より複雑な強度分布を生じるフィルタ設計を示している。従って、図
５ａは、各端部に、すなわち〜１５ｍｍの離隔距離で５０％強度のスポットを有
する１０ｍｍ長さの軸方向線分布を生じるフィルタを示し、図５ｂは、図５ａと
同様な強度分布を生じるが、スポットの強度が線の強度と同一であるフィルタを
示している。図５ｃでは、強度分布が図５ａおよび図５ｂと同様であるが、線の
強度がスポットの５０％である。図５ｄのフィルタは、強度分布が円柱対称性（
cylindrical symmetry）を有する必要がないことを示しており、このフィルタは
、ｙ軸に対して２°傾斜した１０ｍｍの線を生じる。図５ｅおよび図５ｆは、Ｘ
−Ｚ面上に複数の強度ピークを生じるさらなるフィルタ設計を示している。
【００３６】
従って、図示したように、本発明では、本発明のレーザ装置を使用して発生す
ることができる目標強度分布に対する制約がほとんどない。本発明では、焦点の
数、焦点の空間位置、ピーク強度、軸方向解像度、半径方向解像度および包絡線
関数（envelope function）に関するレーザ装置の焦点の所望特性に合わせて、
位相フィルタを設計することができる。実際に、本発明を使用して、総ての三次
元で任意の強度分布を生じることができる。焦点の強度分布を総ての三次元で設
計することができるので、加工物の表面を高アスペクト比で機械加工することが
可能である。特に、機械加工中にレーザの焦点を合わせ直すために、加工物また
はレーザ装置を移動させる必要なく、チャネルを機械加工するのに適した同一強
度の長い軸上線を生じることができる。位相限定のフィルタについて述べてきた
が、フィルタが必ずしも位相限定である必要はないことは明らかである。
ることができる目標強度分布に対する制約がほとんどない。本発明では、焦点の
数、焦点の空間位置、ピーク強度、軸方向解像度、半径方向解像度および包絡線
関数（envelope function）に関するレーザ装置の焦点の所望特性に合わせて、
位相フィルタを設計することができる。実際に、本発明を使用して、総ての三次
元で任意の強度分布を生じることができる。焦点の強度分布を総ての三次元で設
計することができるので、加工物の表面を高アスペクト比で機械加工することが
可能である。特に、機械加工中にレーザの焦点を合わせ直すために、加工物また
はレーザ装置を移動させる必要なく、チャネルを機械加工するのに適した同一強
度の長い軸上線を生じることができる。位相限定のフィルタについて述べてきた
が、フィルタが必ずしも位相限定である必要はないことは明らかである。
【００３７】
以上に、従来の切断、溶接および機械加工処理に関して本発明を説明してきた
が、上記レーザ装置では、０．２５μｍ程度の小さい寸法の基板の微細加工を行
うことができる。そのような微細加工は、通常、ＬＩＧＡ処理を使用して行われ
ている。本発明の位相フィルタを従来のレンズ素子と組み合わせて使用すること
によって、レーザでの微細加工を、ｘ線で得られるものに匹敵するアスペクト比
で行うことができる。さらに、レーザ装置は、鋼などの金属、木材、ＰＭＭＡな
どのポリマを含むプラスチック、セラミックおよびシリコンを含む広範囲の材料
の切断または他の加工に適している。
が、上記レーザ装置では、０．２５μｍ程度の小さい寸法の基板の微細加工を行
うことができる。そのような微細加工は、通常、ＬＩＧＡ処理を使用して行われ
ている。本発明の位相フィルタを従来のレンズ素子と組み合わせて使用すること
によって、レーザでの微細加工を、ｘ線で得られるものに匹敵するアスペクト比
で行うことができる。さらに、レーザ装置は、鋼などの金属、木材、ＰＭＭＡな
どのポリマを含むプラスチック、セラミックおよびシリコンを含む広範囲の材料
の切断または他の加工に適している。
【図１ａ】 本発明に従ったレーザ集光系の、位相限定フィルタをさまざま
な位置に示す概略図である。
な位置に示す概略図である。
【図１ｂ】 本発明に従ったレーザ集光系の、位相限定フィルタをさまざま
な位置に示す概略図である。
な位置に示す概略図である。
【図１ｃ】 本発明に従ったレーザ集光系の、位相限定フィルタをさまざま
な位置に示す概略図である。
な位置に示す概略図である。
【図２】 本発明に従った位相限定フィルタを組み込んだアダプタを備えた
従来型レーザ集光系の概略図である。
従来型レーザ集光系の概略図である。
【図３】 位相限定フィルタの設計、およびフィルタを使用して生じるＸＺ
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
【図４】 位相限定フィルタの設計、およびフィルタを使用して生じるＸＺ
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
【図５】 位相限定フィルタの設計、およびフィルタを使用して生じるＸＺ
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
およびＹＺ面上の強度分布の表である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年９月２８日（２００１．９．２８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、加工物の材料加工に使用されるレーザ装置であって、干渉性光源と
、１つまたは複数の集光素子および位相フィルタを収容しているハウジングとを
含み、位相フィルタは、それぞれ複数の可能な位相ずれから前もって決定された
位相ずれを割り当てられている複数の領域を有しており、複数の領域の位相ずれ
は、加工物に入射した光の、光軸と平行な少なくとも１つの空間次元において、
フィルタがない場合に装置によって生じる焦点を越えて延在する所望の強度分布
に依存して選択されるレーザ装置を提供している。
、１つまたは複数の集光素子および位相フィルタを収容しているハウジングとを
含み、位相フィルタは、それぞれ複数の可能な位相ずれから前もって決定された
位相ずれを割り当てられている複数の領域を有しており、複数の領域の位相ずれ
は、加工物に入射した光の、光軸と平行な少なくとも１つの空間次元において、
フィルタがない場合に装置によって生じる焦点を越えて延在する所望の強度分布
に依存して選択されるレーザ装置を提供している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
別の態様では、本発明は、加工物の材料加工に使用されるレーザ調整装置であ
って、位相フィルタを収容しているアダプタハウジングを含み、アダプタハウジ
ングは、干渉性光源と１つまたは複数の集光素子との間にアダプタハウジングを
取り付けるための連結手段を有しており、位相フィルタは、それぞれ複数の可能
な位相ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を
有しており、複数の領域の位相ずれは、加工物に入射した光の、光軸と平行な少
なくとも１つの空間次元において、フィルタがない場合に装置によって生じる焦
点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ調整装置を提供
している。
って、位相フィルタを収容しているアダプタハウジングを含み、アダプタハウジ
ングは、干渉性光源と１つまたは複数の集光素子との間にアダプタハウジングを
取り付けるための連結手段を有しており、位相フィルタは、それぞれ複数の可能
な位相ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を
有しており、複数の領域の位相ずれは、加工物に入射した光の、光軸と平行な少
なくとも１つの空間次元において、フィルタがない場合に装置によって生じる焦
点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ調整装置を提供
している。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 グッドオール、フランシス・ニコラス
イギリス国、オックスフォードシャー・オ
ーエックス11・０キューエックス、ディド
コット、チルトン、セントラル・マイクロ
ストラクチャー・ファシリティ、ルーサー
フォード・アップルトン・ラボラトリーズ
Ｆターム(参考） 2H049 AA04 AA37 AA64 AA68
4E068 CD05 CD15
Claims (12)
- 【請求項１】 加工物の材料加工に使用されるレーザ装置であって、干渉性
または部分干渉性光源と、１つまたは複数の集光素子および位相フィルタを収容
しているハウジングとを含み、前記位相フィルタは、それぞれ複数の可能な位相
ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を有して
おり、該複数の領域の前記位相ずれは、前記加工物に入射した光の、少なくとも
１つの空間次元において、前記位相フィルタがない場合に該レーザ装置によって
生じる焦点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ装置。 - 【請求項２】 前記位相フィルタは、前記１つまたは複数の集光素子のひと
み面上に取り付けられている請求項１記載のレーザ装置。 - 【請求項３】 前記位相フィルタは、前記ハウジング内に取り外し可能に取
り付けられる取り外し可能カートリッジ内に設けられている請求項１記載のレー
ザ装置。 - 【請求項４】 加工物の材料加工に使用されるレーザ調整装置であって、位
相フィルタを収容しているアダプタハウジングを含み、該アダプタハウジングは
、干渉光源と１つまたは複数の集光素子との間に該アダプタハウジングを取り付
けるための連結手段を有しており、前記位相フィルタは、それぞれ複数の可能な
位相ずれから前もって決定された位相ずれを割り当てられている複数の領域を有
しており、該複数の領域の前記位相ずれは、加工物に入射した光の、少なくとも
１つの空間次元において、前記フィルタがない場合に前記レーザ装置によって生
じる焦点を越えて延在する所望の強度分布に依存して選択されるレーザ調整装置
。 - 【請求項５】 前記位相フィルタは、プログラマブル空間光変調器である先
行する請求項の内のいずれか１項記載の装置。 - 【請求項６】 前記フィルタの各領域は、０またはπラジアンの位相ずれを
有する先行する請求項の内のいずれか１項記載の装置。 - 【請求項７】 前記位相フィルタは、前記加工物に入射する光の所望の三次
元形状を生成する先行する請求項の内のいずれか１項記載の装置。 - 【請求項８】 前記位相フィルタは、複数の分離した強度ピークを生じる先
行する請求項の内のいずれか１項記載の装置。 - 【請求項９】 前記位相フィルタの複数の領域における前記位相ずれは、前
記加工物に入射する前記光の所望の強度分布に対して繰り返し最適化される先行
する請求項の内のいずれか１項記載の装置。 - 【請求項１０】 前記位相フィルタの複数の領域における前記位相ずれは、
直接二分探索法を使用して繰り返し最適化される請求項９記載の装置。 - 【請求項１１】 レーザ材料加工装置に使用される位相フィルタを製造する
方法であって、加工物に入射した光の、少なくとも１つの空間次元において、前
記フィルタがない場合に前記レーザ材料加工装置によって生じる焦点を越えて延
在する所望の強度分布を決定する段階と、前記位相フィルタの複数の領域にそれ
ぞれの初期位相ずれを割り当てる段階と、前記割り当てられた位相ずれを使用し
て発生する前記強度分布と前記所望の強度分布との類似性に関する誤差の係数を
決定する段階と、前記位相フィルタの各領域の最終位相ずれを決定するために、
各領域に前記割り当てられた位相ずれを繰り返し最適化する段階と、該繰り返し
最適化段階によって決定された最終位相ずれをそれぞれ有する複数の領域を備え
た位相フィルタを生成する段階と、を含む方法。 - 【請求項１２】 前記割り当てられた位相ずれは、直接二分探索法を用いて
繰り返し最適化される請求項１１記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB9922082.4A GB9922082D0 (en) | 1999-09-17 | 1999-09-17 | Laser apparatus for use in material processing |
| GB9922082.4 | 1999-09-17 | ||
| PCT/GB2000/003496 WO2001021353A1 (en) | 1999-09-17 | 2000-09-12 | Laser apparatus for use in material processing |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003509222A true JP2003509222A (ja) | 2003-03-11 |
Family
ID=10861157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001524763A Withdrawn JP2003509222A (ja) | 1999-09-17 | 2000-09-12 | 材料加工に使用するレーザ装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1212166B1 (ja) |
| JP (1) | JP2003509222A (ja) |
| AT (1) | ATE269184T1 (ja) |
| DE (1) | DE60011634T2 (ja) |
| GB (1) | GB9922082D0 (ja) |
| WO (1) | WO2001021353A1 (ja) |
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| JP2015028564A (ja) * | 2013-07-30 | 2015-02-12 | 京セラドキュメントソリューションズ株式会社 | 光源ユニット及びこれを用いた画像形成装置 |
| US11235420B2 (en) | 2017-09-14 | 2022-02-01 | Futaba Industrial Co., Ltd. | Laser welding apparatus and manufacturing method of component |
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| DE102014116958B9 (de) | 2014-11-19 | 2017-10-05 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Optisches System zur Strahlformung eines Laserstrahls, Laserbearbeitungsanlage, Verfahren zur Materialbearbeitung und Verwenden einer gemeinsamen langgezogenen Fokuszone zur Lasermaterialbearbeitung |
| KR102138964B1 (ko) | 2014-11-19 | 2020-07-28 | 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하 | 비대칭 광학 빔 정형을 위한 시스템 |
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1999
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-
2000
- 2000-09-12 EP EP00960831A patent/EP1212166B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-12 DE DE60011634T patent/DE60011634T2/de not_active Expired - Lifetime
- 2000-09-12 AT AT00960831T patent/ATE269184T1/de not_active IP Right Cessation
- 2000-09-12 JP JP2001524763A patent/JP2003509222A/ja not_active Withdrawn
- 2000-09-12 WO PCT/GB2000/003496 patent/WO2001021353A1/en active IP Right Grant
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