JP2018081232A

JP2018081232A - Optical lens and laser processing apparatus

Info

Publication number: JP2018081232A
Application number: JP2016224368A
Authority: JP
Inventors: 千紗子小田; Chisako Oda; 信高小林; Nobutaka Kobayashi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2018-05-24

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical lens which can reduce a focus shift amount caused by heat expansion, in low cost.SOLUTION: An optical lens 1 is selected in a thickness t and a diameter D thereof such that a temperature coefficient dn/dT of a refraction index is negative, and the degree of a focus shift amount fdue to a thermal lens effect is smaller than twice the degree of a focus shift amount fdue to heat expansion.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、焦点位置の変化を低減する光学レンズおよびこれを用いたレーザー加工装置に関する。 The present invention relates to an optical lens that reduces a change in focal position and a laser processing apparatus using the optical lens.

板金レーザー加工機は、レーザー光を集光させてパワー密度を高め、金属、樹脂材料などの被加工物に照射して穴あけ、切断などの加工を行うものである。特に、軟鋼またはステンレスといった金属の切断に広く用いられている。 A sheet metal laser processing machine collects laser light to increase power density and irradiates a workpiece such as a metal or a resin material to perform processing such as drilling and cutting. In particular, it is widely used for cutting metals such as mild steel or stainless steel.

レーザー加工機を用いた加工では、その焦点位置と加工対象物との関係が非常に重要である。焦点位置がずれると、加工速度の低下または切断面の面粗さの増大を引き起こす。レーザー加工機においてレーザー光を集光する光学レンズは、レーザー光が透過する時、その一部を吸収して温度が上昇する。この温度上昇によって、レンズの焦点位置が初期の位置から変化することになる。 In processing using a laser processing machine, the relationship between the focal position and the object to be processed is very important. When the focal position is shifted, the processing speed is reduced or the surface roughness of the cut surface is increased. The optical lens that condenses the laser light in the laser processing machine absorbs a part of the laser light when it is transmitted and the temperature rises. Due to this temperature rise, the focal position of the lens changes from the initial position.

上記のような焦点位置の変化、すなわちフォーカスシフトを低減するための技術としては、焦点位置を検出してレンズ位置を変化させるといった既存技術が存在する。焦点位置がずれるフォーカスシフトは、レーザー光がレンズを透過している時間とともに変化し、フォーカスシフト量は定められた時定数で定常値へ収束していく。フォーカスシフト量とは、焦点距離の変化量である。また、定常値へ収束したフォーカスシフト量は、レーザー光の強度に依存する。なぜならば、フォーカスシフト量を左右するレンズ内部に滞留する熱量は、時間経過およびレーザー光の強度に依存するからである。しかし、レーザー加工機は、連続運転ばかりではなく、運転（ＯＮ）および停止（ＯＦＦ）を頻繁に行うためレンズ内部の温度は温度上昇と温度下降を繰り返すこととなる。つまり、レンズ内部に滞留する瞬時の熱量を判断して、レンズ位置などを補正することは困難である。 As a technique for reducing the focus position change, that is, the focus shift as described above, there is an existing technique of detecting the focus position and changing the lens position. The focus shift that shifts the focal point changes with the time that the laser beam is transmitted through the lens, and the focus shift amount converges to a steady value with a predetermined time constant. The focus shift amount is a change amount of the focal length. Further, the focus shift amount converged to the steady value depends on the intensity of the laser beam. This is because the amount of heat staying inside the lens that affects the focus shift amount depends on the passage of time and the intensity of the laser beam. However, since the laser processing machine frequently performs not only continuous operation but also operation (ON) and stop (OFF), the temperature inside the lens repeatedly increases and decreases. That is, it is difficult to correct the lens position or the like by determining the instantaneous amount of heat staying inside the lens.

そこで、特許文献１では、正の熱ひずみ係数を有する、すなわち屈折率の温度係数が正である物質からなる第１光学部材と、負の熱ひずみ係数を有する、すなわち屈折率の温度係数が負である物質からなる第２光学部材とを備え、第１光学部材と第２光学部材とが平行に移動することで熱レンズ効果を補正することができる透過型光学素子が提案されている。 Therefore, in Patent Document 1, a first optical member made of a material having a positive thermal strain coefficient, that is, a refractive index temperature coefficient is positive, and a negative thermal strain coefficient, that is, a refractive index temperature coefficient being negative. There has been proposed a transmissive optical element that includes a second optical member made of a substance that can correct the thermal lens effect by moving the first optical member and the second optical member in parallel.

特開２０１０−９６７８８号公報JP 2010-96788 A

しかし、フォーカスシフトを発生させる要因は、レンズ内部の温度分布に伴う屈折率分布だけではなく、レンズの温度上昇に伴う熱膨張によるレンズの曲率変化も大きな要因である。特許文献１の技術では、補正素子の熱膨張によるフォーカスシフトを考慮しておらず、補正に誤差が生ずると考えられる。また、特許文献１の技術ではレーザー光の状態を検出器が計測して焦点位置の補正を行っているが、例えば保護レンズといった検出器以降の光路に存在するレンズに起因して発生するフォーカスシフトを補正することは出来ないという問題があった。 However, the factor causing the focus shift is not only the refractive index distribution accompanying the temperature distribution inside the lens, but also the change in the curvature of the lens due to thermal expansion accompanying the temperature rise of the lens. In the technique of Patent Document 1, focus shift due to thermal expansion of the correction element is not considered, and it is considered that an error occurs in correction. In the technique of Patent Document 1, the detector measures the state of the laser light and corrects the focal position. For example, a focus shift caused by a lens existing in the optical path after the detector such as a protective lens. There was a problem that it could not be corrected.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能になる光学レンズを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain an optical lens capable of reducing a focus shift amount caused by thermal expansion at low cost.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であることを特徴とする。さらに、本発明は、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆ_ｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａの大きさの２倍より小さくなるように、厚みｔおよび直径Ｄが選択されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention is characterized in that the temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative. Furthermore, the present invention is, as the size of the focus shift amount f _b by the thermal lens effect is less than 2 times the size of the focus shift amount f _a due to thermal expansion, the thickness t and the diameter D is selected It is characterized by.

本発明によれば、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能になるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to reduce the amount of focus shift caused by thermal expansion at low cost.

本発明の実施の形態１にかかる光学レンズの外観図1 is an external view of an optical lens according to a first embodiment of the present invention. 実施の形態１にかかるレンズホルダーに設置された光学レンズを示す図The figure which shows the optical lens installed in the lens holder concerning Embodiment 1. FIG. 実施の形態１にかかるレンズホルダーに設置された光学レンズの断面図Sectional drawing of the optical lens installed in the lens holder concerning Embodiment 1 実施の形態１にかかるレーザー光を照射された光学レンズの断面図および光学レンズの径方向の内部温度分布を示す図Sectional drawing of the optical lens irradiated with the laser beam concerning Embodiment 1, and the figure which shows internal temperature distribution of the radial direction of an optical lens 実施の形態１にかかる熱膨張した光学レンズの外観図1 is an external view of a thermally expanded optical lens according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態１にかかる光学レンズの熱膨張によるレーザー光の光路変化を示す図The figure which shows the optical path change of the laser beam by the thermal expansion of the optical lens concerning Embodiment 1. 実施の形態１にかかる光学レンズの内部の屈折率分布によるレーザー光の光路変化を示す図The figure which shows the optical path change of the laser beam by the refractive index distribution inside the optical lens concerning Embodiment 1. FIG. 実施の形態３にかかるレーザー加工装置の加工ヘッドの構成を示す図The figure which shows the structure of the process head of the laser processing apparatus concerning Embodiment 3. FIG. Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）の物性値を示す図The figure which shows the physical-property value of S-FSL5 (OHARA) 実施の形態４にかかるレーザー加工装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the laser processing apparatus concerning Embodiment 4. FIG.

以下に、本発明の実施の形態にかかる光学レンズおよびレーザー加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an optical lens and a laser processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光学レンズ１の外観図である。光学レンズ１の直径はＤ、焦点距離はｆ、厚みはｔ、レンズ曲面の高さはｚ、レンズ表面の曲率半径はＲである。図２は、実施の形態１にかかるレンズホルダー１１に設置された光学レンズ１を示す図である。図３は、実施の形態１にかかるレンズホルダー１１に設置された光学レンズ１の断面図である。 Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is an external view of an optical lens 1 according to a first embodiment of the present invention. The diameter of the optical lens 1 is D, the focal length is f, the thickness is t, the height of the lens curved surface is z, and the radius of curvature of the lens surface is R. FIG. 2 is a diagram illustrating the optical lens 1 installed in the lens holder 11 according to the first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view of the optical lens 1 installed in the lens holder 11 according to the first embodiment.

光学レンズ１に使用されているガラス材料の特性を示す値としては、屈折率ｎ、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数α、熱伝導率κ、透過率ζがある。これらの値の具体的な数値は、ガラスメーカーが発行するカタログに記載されていることが多い。また、もし不明な場合は、以下に示す計測方法によって算出することができる。 Values indicating the characteristics of the glass material used for the optical lens 1 include refractive index n, refractive index temperature coefficient dn / dT, linear expansion coefficient α, thermal conductivity κ, and transmittance ζ. Specific values of these values are often described in catalogs issued by glass manufacturers. Moreover, when it is unknown, it can be calculated by the measurement method shown below.

・屈折率ｎ：最小偏角法（ＪＩＳＢ７０７１）
・屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ：光学ガラスの屈折率の温度係数の測定方法（Ｊ１８−２００８）
・線膨張係数α：光学ガラスの常温付近の平均線膨張係数の測定方法（Ｊ１６−２００３）
・熱伝導率κ：レーザーフラッシュ法（ＪＩＳＲ１６１１）
・透過率ζ：光学ガラスの内部透過率の測定方法（Ｊ１７−２０１２） -Refractive index n: Minimum declination method (JIS B 7071)
-Temperature coefficient of refractive index dn / dT: Measuring method of temperature coefficient of refractive index of optical glass (J18-2008)
-Linear expansion coefficient α: Method for measuring the average linear expansion coefficient of optical glass near normal temperature (J16-2003)
-Thermal conductivity κ: Laser flash method (JIS R 1611)
Transmittance ζ: Method for measuring internal transmittance of optical glass (J17-2012)

次に、使用するレーザーの波長および光学レンズ１の厚みｔに対応した吸光度Ａを算出する。吸光度Ａは、光学レンズ１の厚みｔ、光学レンズ１の透過率ζおよび透過率ζの計測長さから算出可能である。また、光学レンズ１の曲率半径Ｒは、焦点距離ｆおよび屈折率ｎから導くことができる。また、曲率半径Ｒおよびレンズ直径Ｄからレンズ曲面の高さｚを算出することが可能である。 Next, the absorbance A corresponding to the wavelength of the laser to be used and the thickness t of the optical lens 1 is calculated. The absorbance A can be calculated from the thickness t of the optical lens 1, the transmittance ζ of the optical lens 1, and the measured length of the transmittance ζ. The radius of curvature R of the optical lens 1 can be derived from the focal length f and the refractive index n. In addition, the height z of the lens curved surface can be calculated from the radius of curvature R and the lens diameter D.

これらの値を用いて、光学レンズ１について以下で説明する。図２に示すように、実施の形態１において、光学レンズ１はレンズホルダー１１などにより保持されている。レンズホルダー１１は、レーザー光２の入射面および出射面となる光学レンズ１の両面の端部周辺に対向して光学レンズ１の端部全体を取り囲むリング状の板１１０，１１１および柄１１２により構成されている。そして、リング状の板１１０の内部には光学レンズ１の端部全体を囲むように冷却水路１２が設けられている。 The optical lens 1 will be described below using these values. As shown in FIG. 2, in the first embodiment, the optical lens 1 is held by a lens holder 11 or the like. The lens holder 11 is configured by ring-shaped plates 110 and 111 and a handle 112 that surround the entire end of the optical lens 1 so as to face the periphery of both ends of the optical lens 1 serving as an incident surface and an output surface of the laser light 2. Has been. A cooling water channel 12 is provided inside the ring-shaped plate 110 so as to surround the entire end of the optical lens 1.

リング状の板１１０の光学レンズ１と接する内円部分に例えばネジ部（図示せず）が設けられていて、これと嵌合するネジ部（図示せず）がもう一方のリング状の板１１１の外周部分に設けられており、リング状の板１１０および１１１が光学レンズ１を挟んで締めることで光学レンズ１は固定される。また、光学レンズ１の側面は冷却水路１２に水を流すことにより冷却されており、光学レンズ１の側面の温度は一定となる。また、以下ではレーザー光２を照射し始めてから一定時間経過後の温度が定常になった場合について説明するが、実施の形態１にかかる光学レンズ１によれば、時間経過およびレーザー光２の強度によらず、以下で説明するのと同様な効果が得られる。 For example, a screw portion (not shown) is provided in an inner circle portion of the ring-shaped plate 110 that is in contact with the optical lens 1, and a screw portion (not shown) that fits into the other ring-shaped plate 111. The optical lens 1 is fixed by the ring-shaped plates 110 and 111 being clamped with the optical lens 1 sandwiched therebetween. Further, the side surface of the optical lens 1 is cooled by flowing water through the cooling water channel 12, and the temperature of the side surface of the optical lens 1 is constant. In the following, the case where the temperature after a lapse of a certain period of time after starting to irradiate the laser beam 2 becomes steady will be described. However, according to the optical lens 1 according to the first embodiment, the lapse of time and the intensity of the laser beam 2 are described. Regardless, the same effects as described below can be obtained.

図４は、実施の形態１にかかるレーザー光２を照射された光学レンズ１の断面図および光学レンズ１の径方向の内部温度分布を示す図である。図４では、レンズホルダー１１および発振器は省略して図示してある。図４の左側は光学レンズ１の断面図を示し、図４の右側は光学レンズ１の径方向の温度分布である。図４の右側に示した温度分布は、具体的には、レンズ中心を通る径方向の軸上における光学レンズ１の温度の分布を示している。以下では、図４の左側に示すように光学レンズ１にレーザー光２を照射する場合について検討する。図５は、実施の形態１にかかる熱膨張した光学レンズ１の外観図である。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the optical lens 1 irradiated with the laser light 2 according to the first embodiment, and a diagram showing an internal temperature distribution in the radial direction of the optical lens 1. In FIG. 4, the lens holder 11 and the oscillator are omitted. The left side of FIG. 4 shows a sectional view of the optical lens 1, and the right side of FIG. 4 shows the temperature distribution in the radial direction of the optical lens 1. The temperature distribution shown on the right side of FIG. 4 specifically shows the temperature distribution of the optical lens 1 on the radial axis passing through the lens center. Hereinafter, a case where the optical lens 1 is irradiated with the laser beam 2 as shown on the left side of FIG. 4 will be considered. FIG. 5 is an external view of the thermally expanded optical lens 1 according to the first embodiment.

レーザー光２の照射後、レーザー光２が光学レンズ１を透過する際に光学レンズ１内に発生する熱は、光学レンズ１の中心部分から外周部分に向かって拡散する。そのため、図４の右側に示すように、光学レンズ１の中央部分では温度が高く、外周部分では相対的に温度が低くなるという温度分布を生じる。 After the laser beam 2 is irradiated, the heat generated in the optical lens 1 when the laser beam 2 passes through the optical lens 1 is diffused from the central portion of the optical lens 1 toward the outer peripheral portion. Therefore, as shown on the right side of FIG. 4, a temperature distribution is generated in which the temperature is high in the central portion of the optical lens 1 and relatively low in the outer peripheral portion.

これにより、図１に示した光学レンズ１の熱膨張が発生して図５に示すように変化する。すなわち、厚みはｔからｔ’へ、レンズ曲面の高さはｚからｚ’へ、レンズ表面の曲率半径はＲからＲ’へと変化する。曲率半径の変化は、レーザー光２を光学レンズ１のより近くに収束させることになる。すなわち、焦点距離がｆからｆ’へと短くなる方向に光学レンズ１の焦点位置を変化させる。 Thereby, the thermal expansion of the optical lens 1 shown in FIG. 1 occurs and changes as shown in FIG. That is, the thickness changes from t to t ', the height of the lens curved surface changes from z to z', and the radius of curvature of the lens surface changes from R to R '. The change in the radius of curvature causes the laser beam 2 to converge closer to the optical lens 1. That is, the focal position of the optical lens 1 is changed in a direction in which the focal length is shortened from f to f ′.

一方、光学レンズ１を構成する材料の屈折率ｎは温度依存性を有している。したがって光学レンズ１が図４の右側に示した温度分布を有する場合、この温度分布がそのまま屈折率分布の原因となり、いわゆる熱レンズ効果を発生する。この屈折率分布も、上記した曲率半径の変化と同様に光学レンズ１の焦点位置を変化させる。このとき、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが正であるガラス材料が用いられていれば焦点距離ｆ’がｆより短くなる方向に焦点位置が変化し、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるガラス材料が用いられていれば焦点距離ｆ’がｆより長くなる方向に焦点位置が変化する。ここで、ｆは光学レンズ１に熱膨張および熱レンズ効果が生ずる前の焦点距離である。 On the other hand, the refractive index n of the material constituting the optical lens 1 has temperature dependence. Therefore, when the optical lens 1 has the temperature distribution shown on the right side of FIG. 4, this temperature distribution directly causes the refractive index distribution, and a so-called thermal lens effect is generated. This refractive index distribution also changes the focal position of the optical lens 1 in the same manner as the change in the radius of curvature described above. At this time, if a glass material having a positive refractive index temperature coefficient dn / dT is used for the optical lens 1, the focal position changes in a direction in which the focal length f ′ becomes shorter than f, and the refractive index temperature coefficient dn. If a glass material with negative / dT is used, the focal position changes in the direction in which the focal length f ′ is longer than f. Here, f is a focal length before thermal expansion and a thermal lens effect occur in the optical lens 1.

まず、レーザー光２を照射した場合に発生する光学レンズ１の熱膨張によるフォーカスシフト量を検討する。上述したように、フォーカスシフト量は、焦点距離の変化量である。図６は、実施の形態１にかかる光学レンズ１の熱膨張によるレーザー光２の光路変化を示す図である。図６は、レーザー光２を照射された光学レンズ１の熱膨張によるレーザー光２の光路変化を示している。 First, a focus shift amount due to thermal expansion of the optical lens 1 generated when the laser beam 2 is irradiated will be examined. As described above, the focus shift amount is a change amount of the focal length. FIG. 6 is a diagram illustrating a change in the optical path of the laser light 2 due to thermal expansion of the optical lens 1 according to the first embodiment. FIG. 6 shows an optical path change of the laser light 2 due to thermal expansion of the optical lens 1 irradiated with the laser light 2.

焦点距離ｆ、直径Ｄである光学レンズ１に、レーザー光２をＱｋＷ照射したとする。その場合、光学レンズ１は透過率ζにしたがいレーザー光２を透過するが、吸光度Ａ、レーザー光２の集光径およびビームプロファイルから算出される熱量を吸収する。光学レンズ１の内部に発生した熱によって、レンズ中心から端部にむかって温度勾配が生ずる。図４の右側に示す様に、光学レンズ１の端部は水冷されているためＴ₀℃であるとすると、吸収した熱量によって、レンズ中心の温度がレンズ端部の温度Ｔ₀℃よりもΔＴ℃上昇してＴ₀＋ΔＴ℃となる。ΔＴ℃は、光学レンズ１の中心と端部との温度差であり、ΔＴを実測しようとするのであれば、放射温度計などで計測することができる。また、図１に示したレンズ曲面の高さｚがレンズ厚さｔよりも十分に小さい場合などは、光学レンズ１を円柱状と仮定することにより、ΔＴを簡易に計算することが可能である。 It is assumed that the optical lens 1 having the focal length f and the diameter D is irradiated with the laser light 2 by QkW. In this case, the optical lens 1 transmits the laser light 2 according to the transmittance ζ, but absorbs the amount of heat calculated from the absorbance A, the condensed diameter of the laser light 2 and the beam profile. The heat generated in the optical lens 1 causes a temperature gradient from the lens center to the end. As shown on the right side of FIG. 4, when the end portion of the optical lens 1 is T ₀ ° C. because it is water cooled, by heat absorbed, the temperature of the lens center is higher than the temperature T ₀ ° C. the lens edge ΔT The temperature rises to T ₀ + ΔT ° C. ΔT ° C. is a temperature difference between the center and the end of the optical lens 1, and can be measured with a radiation thermometer or the like if ΔT is to be measured. Further, when the height z of the curved surface of the lens shown in FIG. 1 is sufficiently smaller than the lens thickness t, ΔT can be easily calculated by assuming that the optical lens 1 is cylindrical. .

光学レンズ１の径方向に沿ったΔＴの分布、すなわち光学レンズ１の径方向に沿った温度分布が生じた結果、光学レンズ１は熱膨張を発生する。この結果、図１に示した光学レンズ１のレンズ曲面の高さｚは、レンズ中心の温度上昇ΔＴ、線膨張係数αおよび厚みｔから計算される図５に示したレンズ曲面の高さｚ’に変化すると考えられる。このｚ’から、新しい焦点距離ｆ’を算出することができる。熱膨張によって、ｚ’はｚよりも大きくなり、レーザー光２照射後のレンズの曲率半径Ｒ’は小さくなる。その結果、図６に示すように、新しい焦点距離ｆ’は熱膨張前の本来の焦点距離ｆよりも短くなる。すなわち、吸収した熱による光学レンズ１の熱膨張は、レーザー光２の光路を収束させる効果を有する。 As a result of the distribution of ΔT along the radial direction of the optical lens 1, that is, the temperature distribution along the radial direction of the optical lens 1, the optical lens 1 generates thermal expansion. As a result, the height z of the curved surface of the optical lens 1 shown in FIG. 1 is calculated from the temperature rise ΔT, the linear expansion coefficient α, and the thickness t at the center of the lens. It is thought that it will change. From this z ', a new focal length f' can be calculated. Due to thermal expansion, z ′ becomes larger than z, and the radius of curvature R ′ of the lens after irradiation with the laser beam 2 becomes smaller. As a result, as shown in FIG. 6, the new focal length f 'is shorter than the original focal length f before thermal expansion. That is, the thermal expansion of the optical lens 1 due to the absorbed heat has an effect of converging the optical path of the laser light 2.

次に、レーザー光２を照射した場合に発生する光学レンズ１の内部の温度分布から生ずる屈折率分布によるフォーカスシフト量を検討する。図７は、実施の形態１にかかる光学レンズ１の内部の屈折率分布によるレーザー光２の光路変化を示す図である。図７は、レーザー光２を照射された光学レンズ１に発生する内部の温度分布に起因する屈折率分布によるレーザー光２の光路変化を示している。 Next, the focus shift amount due to the refractive index distribution generated from the temperature distribution inside the optical lens 1 generated when the laser beam 2 is irradiated will be examined. FIG. 7 is a diagram illustrating an optical path change of the laser light 2 due to the refractive index distribution inside the optical lens 1 according to the first embodiment. FIG. 7 shows an optical path change of the laser light 2 due to a refractive index distribution caused by an internal temperature distribution generated in the optical lens 1 irradiated with the laser light 2.

光学レンズ１は、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負のガラス材料によって作製されている。先にも述べたように、光学レンズ１は、レンズ内部に発生した熱によってレンズ中心の温度がレンズ端部よりもΔＴ℃上昇し、中心から端部にむかって温度勾配を有する。屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合、図７に示すように温度Ｔ₀℃である光学レンズ１の端部における屈折率がｎであるとすると、光学レンズ１の中央部分の屈折率はｎ＋ｄｎ／ｄＴ×ΔＴとなり、レンズ端部の部分に比べて｜ｄｎ／ｄＴ×ΔＴ｜だけ低くなる。その結果、図７に示すように、新しい焦点距離ｆ’は温度分布が生じる前の本来の焦点距離ｆよりも長くなる。すなわち、吸収した熱による光学レンズ１の屈折率分布は、レーザー光２の光路を発散させる効果を有する。 The optical lens 1 is made of a glass material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT. As described above, in the optical lens 1, the temperature at the center of the lens rises by ΔT ° C. from the end of the lens due to heat generated in the lens, and has a temperature gradient from the center to the end. When the temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative, assuming that the refractive index at the end of the optical lens 1 at the temperature T ₀ ° C is n as shown in FIG. The rate is n + dn / dT × ΔT, which is lower by | dn / dT × ΔT | than the end portion of the lens. As a result, as shown in FIG. 7, the new focal length f ′ becomes longer than the original focal length f before the temperature distribution occurs. That is, the refractive index distribution of the optical lens 1 due to the absorbed heat has an effect of diverging the optical path of the laser light 2.

以上説明したように、熱膨張によるフォーカスシフトと、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合の屈折率分布によるフォーカスシフトとは、相反する方向に生ずる性質を有している。そのため、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材料を使用することによりフォーカスシフト量を低減することができる。 As described above, the focus shift due to thermal expansion and the focus shift due to the refractive index distribution when the temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative have properties that occur in opposite directions. Therefore, the focus shift amount can be reduced by using a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT for the optical lens 1.

ここで、熱膨張によるフォーカスシフトにより焦点距離がｆ’となった場合の光線行列は、以下の数式（１）で表される。

Here, the ray matrix when the focal length becomes f ′ due to the focus shift due to thermal expansion is expressed by the following formula (1).

また、厚みがｔであり、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の光学レンズ１において熱レンズ効果が発生した場合の光学行列は、以下の数式（２）で表される。ここで、数式（２）の中のωは、光学レンズ１の屈折率ｎ、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、レンズ中心とレンズ端部との温度差ΔＴ、光学レンズ１の直径Ｄから数式（３）により算出される値である。

The optical matrix when the thermal lens effect occurs in the optical lens 1 having a thickness t and a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is expressed by the following mathematical formula (2). Here, ω in Expression (2) is calculated from the refractive index n of the optical lens 1, the temperature coefficient dn / dT of the refractive index, the temperature difference ΔT between the lens center and the lens end, and the diameter D of the optical lens 1. This is a value calculated by (3).

したがって、熱膨張によるフォーカスシフトと、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合の屈折率分布によるフォーカスシフトとが同時に生じた場合は、数式（１）の光線行列と数式（２）の光線行列とを乗算した結果から両効果が重畳したときの焦点距離が得られる。そして、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負のガラス材料を用いることにより、両効果を重畳させた焦点距離と本来の焦点距離ｆとの差であるフォーカスシフト量を熱膨張のみの効果で生じるフォーカスシフト量より抑制することが出来る。すなわち、新たに、駆動装置、制御系またはレンズなどを追加せずに、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能となる。 Therefore, when the focus shift due to thermal expansion and the focus shift due to the refractive index distribution when the temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative occur at the same time, the ray matrix of Equation (1) and Equation (2) The focal length when both effects are superimposed is obtained from the result of multiplication with the ray matrix. Then, by using a glass material having a negative temperature coefficient dn / dT of the refractive index for the optical lens 1, a focus shift amount, which is a difference between the focal length on which both effects are superimposed and the original focal length f, is only thermally expanded. The amount of focus shift caused by the effect can be suppressed. That is, it is possible to reduce the focus shift amount caused by thermal expansion at a low cost without newly adding a driving device, a control system, or a lens.

実施の形態２．
光学レンズ１の熱膨張によるフォーカスシフトは、光学レンズ１の曲率半径Ｒが小さくなることにより、焦点距離が短くなる方向の変化になる。なお、以下では、本来の焦点距離ｆから変化後の焦点距離を減じた量をフォーカスシフト量とする。 Embodiment 2. FIG.
The focus shift due to thermal expansion of the optical lens 1 changes in a direction in which the focal length is shortened as the radius of curvature R of the optical lens 1 decreases. Hereinafter, an amount obtained by subtracting the changed focal length from the original focal length f is referred to as a focus shift amount.

したがって、熱膨張によるフォーカスシフト量をｆ_ａとすると、ｆ_ａは正の値となる。ここで、熱膨張後のレンズ中心の曲率半径Ｒ’は、熱膨張前のレンズの曲率半径Ｒを用いて、以下の数式（４）で表現され、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａは、以下の数式（５）で表される。

Therefore, if the focus shift amount due to thermal expansion and f _a, f _a is a positive value. Here, the curvature radius R ′ of the lens center after thermal expansion is expressed by the following mathematical formula (4) using the curvature radius R of the lens before thermal expansion, and the focus shift amount f _a due to thermal expansion is as follows: It is expressed by the following formula (5).

また、屈折率分布による熱レンズ効果によるフォーカスシフト量をｆ_ｂとする。実施の形態１に示した数式（２）の光線行列から熱レンズ効果による変化後の焦点距離が求まるので、フォーカスシフト量ｆ_ｂは、以下の数式（６）で表される。

Also, let f _{b be the} focus shift amount due to the thermal lens effect due to the refractive index distribution. Since the focal length after the change due to the thermal lens effect is obtained from the ray matrix of Equation (2) shown in Embodiment 1, the focus shift amount f _b is expressed by Equation (6) below.

上述したように、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の場合は、フォーカスシフト量ｆ_ｂは負の値となるので、最終的なフォーカスシフト量であるｆ_ａ＋ｆ_ｂの大きさである｜ｆ_ａ＋ｆ_ｂ｜を抑制することができる。また、ｆ_ａ＋ｆ_ｂ＜０となるような屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴを選ぶと、熱膨張のみが生じた場合とは逆方向のフォーカスシフトが起きてしまう。 As described above, when the temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative, the focus shift amount f _b is a negative value, and thus the final focus shift amount is f _a + f _b | f _a + f _b | can be suppressed. Further, if the temperature coefficient dn / dT of the refractive index so that f _a + f _b <0 is selected, a focus shift in the direction opposite to the case where only thermal expansion occurs will occur.

ここで、最終的なフォーカスシフト量の大きさを熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａの大きさより小さくするには、｜ｆ_ａ｜＞｜ｆ_ａ＋ｆ_ｂ｜であることが必要である。つまり、屈折率分布によるフォーカスシフト量ｆ_ｂが、０＞ｆ_ｂ＞−２ｆ_ａの範囲であることが要件となる。言い換えると、２｜ｆ_ａ｜＞｜ｆ_ｂ｜＞０が成り立つこと、すなわち熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆ_ｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａの大きさの２倍より小さくなることが要件となる。この不等式を満たす、負の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、レンズ厚みｔおよびレンズ直径Ｄを光学レンズ１に対して選択することで、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆ_ｂを過大にしないで熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａを低減することが可能となる。 Here, in order to make the final focus shift amount smaller than the focus shift amount f _a due to thermal expansion, it is necessary that | f _a |> | f _a + f _b |. That is, the focus shift amount _{f b} by refractive index _{distribution, 0>} it is a requirement in the range of f b> -2f _a. In other _{words, 2 | f a |> |} f b |> 0 is true that, that the size of the focus shift amount f _b by the thermal lens effect is less than 2 times the size of the focus shift amount f _a by thermal expansion Is a requirement. Satisfy this inequality, the temperature coefficient dn / dT of the negative refractive index, a lens thickness t and the lens diameter D by selecting the optical lens 1, without excessive focus shift amount f _b by the thermal lens effect heat it is possible to reduce the amount of focus shift f _a by expansion.

実施の形態３．
図８は、実施の形態３にかかるレーザー加工装置の加工ヘッド２１の構成を示す図である。図８は、光学レンズ１の中心を通る断面図を示しているが、レーザー加工装置に含まれるレーザー光２を発生するレーザー発振器、レーザー光２を加工ヘッド２１まで導く光路系などは省略してある。加工ヘッド２１内のレーザー光２の光路上には、レンズホルダー１１に保持された集光レンズである光学レンズ１およびレンズホルダー１３に保持された保護レンズ２３が順に設けられている。 Embodiment 3 FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the processing head 21 of the laser processing apparatus according to the third embodiment. FIG. 8 shows a cross-sectional view passing through the center of the optical lens 1, omitting a laser oscillator that generates the laser light 2 included in the laser processing apparatus, an optical path system that guides the laser light 2 to the processing head 21, and the like. is there. On the optical path of the laser light 2 in the processing head 21, an optical lens 1 that is a condensing lens held by the lens holder 11 and a protective lens 23 held by the lens holder 13 are sequentially provided.

図８において、レーザー光２はレーザー発振器から光学系を介して加工ヘッド２１に導かれる。加工ヘッド２１に入射したレーザー光２は、加工ヘッド２１内の光学レンズ１に入射して集光され、その後、スパッタなどから光学レンズ１を保護する保護レンズ２３を通過した後、加工物２２上に集光した状態で照射される。 In FIG. 8, a laser beam 2 is guided from a laser oscillator to a processing head 21 via an optical system. The laser beam 2 incident on the processing head 21 is incident on the optical lens 1 in the processing head 21 and condensed, and then passes through a protective lens 23 that protects the optical lens 1 from sputtering or the like, and then on the workpiece 22. Irradiated in a focused state.

加工物２２は、たとえば、軟鋼、ステンレスといった金属である。これらの加工物２２の切断加工においては、加工ヘッド２１が加工物２２の表面と平行すなわち水平方向に移動する、あるいは加工物２２が水平方向に移動することによって切断加工が行われる。ここで使用されるレーザー光２は、たとえば、ファイバーレーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ＣＯ２レーザーなどである。なお、光学レンズ１に使用するガラス材料は使用するレーザーによって異なる。 The workpiece 22 is, for example, a metal such as mild steel or stainless steel. In the cutting process of these workpieces 22, the cutting process is performed by moving the machining head 21 parallel to the surface of the workpiece 22, that is, moving in the horizontal direction, or moving the workpiece 22 in the horizontal direction. The laser beam 2 used here is, for example, a fiber laser, a YAG laser, a semiconductor laser, a CO2 laser, or the like. In addition, the glass material used for the optical lens 1 changes with lasers to be used.

レーザー発振器が発振してレーザー光２を出射した後、加工ヘッド２１に設置されている光学レンズ１はレーザー光２を吸収し、実施の形態１で説明したように、レンズ中心の温度がレンズ端部の温度Ｔ₀℃よりもΔＴ℃上昇し、レンズ中心から端部にむかって温度勾配が生じる。 After the laser oscillator oscillates and emits the laser beam 2, the optical lens 1 installed in the processing head 21 absorbs the laser beam 2, and the temperature at the center of the lens is the lens end as described in the first embodiment. The temperature rises by ΔT ° C from the temperature T ₀ ° C of the part, and a temperature gradient is generated from the center of the lens toward the end.

以下では、光学レンズ１の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合におけるフォーカスシフト量について具体的に説明する。 Hereinafter, the focus shift amount when the temperature coefficient dn / dT of the refractive index of the optical lens 1 is negative will be specifically described.

光学レンズ１の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるＳ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）を使用した場合を考える。図９は、Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）の物性値を示す図である。Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）を用いた光学レンズ１にレーザー光２を照射することにより光学レンズ１に生じた温度分布によって、実施の形態１で説明したように熱膨張および屈折率分布が生じる。 Consider a case where S-FSL5 (OHARA) having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used as the material of the optical lens 1. FIG. 9 is a diagram showing physical property values of S-FSL5 (OHARA). As described in the first embodiment, thermal expansion and refractive index distribution are generated by the temperature distribution generated in the optical lens 1 by irradiating the optical lens 1 using S-FSL5 (OHARA) with the laser beam 2.

Ｓ−ＦＳＬ５を材料に使用した、直径Ｄがφ２５ｍｍ、厚みｔが４ｍｍ、焦点距離ｆが６００ｍｍの光学レンズ１の場合に、ΔＴが例えば１０℃であったと仮定する。このとき、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａは、数式（４）および（５）に基づいて、ｆ_ａ＝０．９２ｍｍとなる。 It is assumed that ΔT is, for example, 10 ° C. in the case of the optical lens 1 using S-FSL5 as a material and having a diameter D of φ25 mm, a thickness t of 4 mm, and a focal length f of 600 mm. At this time, the focus shift amount f _a due to thermal expansion is f _a = 0.92 mm based on Equations (4) and (5).

また、屈折率分布による熱レンズ効果が生じた場合のωは、数式（３）により、ω＝８．６Ｅ−０８となる。数式（１）の光線行列と数式（２）の光線行列とを乗算して、熱膨張の効果および熱レンズ効果を含んだ光線行列を計算して求めたフォーカスシフト量は０．８０ｍｍとなる。従って、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるＳ−ＦＳＬ５を材料に使用した上記条件の光学レンズ１においては、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆ_ａ＝０．９２ｍｍを低減するように屈折率分布による熱レンズ効果が作用している。 Further, ω when the thermal lens effect is caused by the refractive index distribution is ω = 8.6E−08 according to Equation (3). The focus shift amount obtained by multiplying the ray matrix of Equation (1) by the ray matrix of Equation (2) and calculating the ray matrix including the thermal expansion effect and the thermal lens effect is 0.80 mm. Therefore, in the optical lens 1 under the above conditions using S-FSL5 having a negative temperature coefficient dn / dT of the refractive index as the material, the refractive index is reduced so as to reduce the focus shift amount f _a = 0.92 mm due to thermal expansion. The thermal lens effect due to the distribution is acting.

なお、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが−６．８Ｅ−０６程度で、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ以外の物性値がＳ−ＦＳＬ５と同じ材料を使用した、直径Ｄがφ２５ｍｍ、厚みｔが４ｍｍ、焦点距離ｆが６００ｍｍの光学レンズ１の場合には、加工光路系全体の総合的な焦点位置は殆ど変化しない。すなわち、フォーカスシフト量をほぼゼロにすることができる。 In addition, the temperature coefficient dn / dT of refractive index is about -6.8E-06, and the same physical property value as S-FSL5 is used except for the temperature coefficient dn / dT of refractive index. Is 4 mm and the focal length f is 600 mm, the overall focal position of the entire processing optical path system hardly changes. That is, the focus shift amount can be made substantially zero.

なお、実施の形態３においては、Ｓ−ＦＳＬ５で作製された光学レンズ１を用いて説明したが、光学レンズ１の材料はＳ−ＦＳＬ５に限定されるものではない。すなわち、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を光学レンズ１に使用するのであれば、上記と同様の効果を得ることができる。ただし、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数αおよび熱伝導率κは材料ごとに異なり、光学レンズ１の直径Ｄおよび厚みｔによってもフォーカスシフト量は異なる。さらに、透過率ζはレーザー光２の波長に依存するため、使用するレーザー光２またはその他状況に応じて材料は最適なものを選定する。 In the third embodiment, the optical lens 1 manufactured using the S-FSL 5 has been described. However, the material of the optical lens 1 is not limited to the S-FSL 5. That is, if a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used for the optical lens 1, the same effect as described above can be obtained. However, the temperature coefficient dn / dT of the refractive index, the linear expansion coefficient α, and the thermal conductivity κ are different for each material, and the focus shift amount is different depending on the diameter D and the thickness t of the optical lens 1. Furthermore, since the transmittance ζ depends on the wavelength of the laser beam 2, an optimum material is selected according to the laser beam 2 to be used or other circumstances.

また、保護レンズ２３には、両面に曲率を有さない平面ガラスが用いられることが多い。しかし、レーザー出力による熱膨張によって保護レンズ２３に形状変化が起こり、保護レンズ２３がレーザー光２を収束するレンズとしての効果をもつこととなり、結果的にフォーカスシフトを生じさせることがある。これに対して、保護レンズ２３の材料としても光学レンズ１と同様に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いることにより、保護レンズ２３単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。 Further, the protective lens 23 is often made of flat glass having no curvature on both sides. However, a shape change occurs in the protective lens 23 due to thermal expansion due to laser output, and the protective lens 23 has an effect as a lens for converging the laser light 2, and as a result, a focus shift may occur. On the other hand, the protective lens 23 is made of a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT in the same manner as the optical lens 1, thereby reducing the focus shift amount caused by thermal expansion of the protective lens 23 alone. It becomes possible to do.

すなわち、保護レンズ２３に使用する材料に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いる場合も、実施の形態１、２および上記で述べたのと同様な議論が成り立ち、熱膨張によるレーザー光２の収束効果を、屈折率の温度係数が負である材料を用いたことにより生ずるレーザー光２の発散効果で打ち消させることが可能となる。なお、保護レンズ２３は、曲率を有していてもよく、この場合は、実施の形態１、２および上記で述べたのと全く同じ議論が成立する。 That is, even when a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used as the material used for the protective lens 23, the same discussion as in the first and second embodiments and the above is valid, and the laser due to thermal expansion is used. The convergence effect of the light 2 can be canceled by the divergence effect of the laser light 2 generated by using a material having a negative temperature coefficient of refractive index. Note that the protective lens 23 may have a curvature, and in this case, the same discussion as in the first and second embodiments and the above is valid.

さらに、レーザー発振器から出射されたレーザー光２の光路上に備えられたレンズ全てに、実施の形態１、２または上記で説明した屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いても、レンズそれぞれが単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。 Furthermore, even if all the lenses provided on the optical path of the laser beam 2 emitted from the laser oscillator are made of a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT as described in Embodiments 1 and 2 or above, It becomes possible to reduce the focus shift amount caused by thermal expansion of each lens alone.

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００の構成を示す図である。レーザー加工装置１００は、加工ヘッド２１と、レーザー発振器（図示せず）からのレーザー光２を加工ヘッド２１内へと反射する反射鏡２４と、反射鏡２４におけるレーザー光２の収束状態を検出する検出器２５と、検出器２５の検出結果に基づいてレーザー光２の集光位置を動かす駆動装置２６と、を備える。また、図１０において反射鏡２４の左側になるレーザー発振器と反射鏡２４との間にもレンズが通常存在するが、図１０では記載を省いてある。 Embodiment 4 FIG.
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus 100 according to the fourth embodiment. The laser processing apparatus 100 detects a processing head 21, a reflecting mirror 24 that reflects laser light 2 from a laser oscillator (not shown) into the processing head 21, and a convergence state of the laser light 2 in the reflecting mirror 24. The detector 25 and the drive device 26 that moves the condensing position of the laser light 2 based on the detection result of the detector 25 are provided. Further, although a lens is usually present between the laser oscillator on the left side of the reflecting mirror 24 in FIG. 10 and the reflecting mirror 24, the description is omitted in FIG.

加工ヘッド２１内のレーザー光２の光路上には、レンズホルダー１１に保持された集光レンズである光学レンズ１およびレンズホルダー１３に保持された保護レンズ２３が順に設けられている。保護レンズ２３は、レーザー光２の光路上において集光レンズである光学レンズ１の後に設けられており、光学レンズ１といった加工レンズ群をレーザー加工時のスパッタなどから保護するためのレンズである。実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００においては、保護レンズ２３の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質が用いられている。 On the optical path of the laser light 2 in the processing head 21, an optical lens 1 that is a condensing lens held by the lens holder 11 and a protective lens 23 held by the lens holder 13 are sequentially provided. The protective lens 23 is provided after the optical lens 1 that is a condensing lens on the optical path of the laser light 2, and is a lens for protecting a processing lens group such as the optical lens 1 from sputtering during laser processing. In the laser processing apparatus 100 according to the fourth embodiment, a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used as the material of the protective lens 23.

レーザー光２は、光学レンズ１により集光される。検出器２５は、レーザー光２がレーザー発振器から光学レンズ１に入射されるまでの光路において、レーザー光２の収束状態を検出結果として検出することができるセンサーといった計測装置である。レーザー光２の収束状態の具体例は、レーザー光２のビーム径である。したがって、レーザー光２の収束状態を検出する検出位置は、反射鏡２４の位置でなくてもかまわない。駆動装置２６は、検出器２５が検出したレーザー光２の収束状態に基づいて、レーザー光２の光路方向に沿ってレンズホルダー１１および光学レンズ１を前後に駆動することができる。これにより、レーザー光２の集光位置を修正することが可能となるので、光路上の上記検出位置より前に存在するレンズに起因するフォーカスシフトによる集光位置のずれを補正することができ、フォーカスシフトの影響を低減する効果が得られる。 The laser beam 2 is collected by the optical lens 1. The detector 25 is a measuring device such as a sensor that can detect the convergence state of the laser light 2 as a detection result in the optical path from the laser oscillator to the optical lens 1 until it enters the optical lens 1. A specific example of the convergence state of the laser beam 2 is the beam diameter of the laser beam 2. Therefore, the detection position for detecting the convergence state of the laser light 2 may not be the position of the reflecting mirror 24. The driving device 26 can drive the lens holder 11 and the optical lens 1 back and forth along the optical path direction of the laser light 2 based on the convergence state of the laser light 2 detected by the detector 25. Thereby, since it becomes possible to correct the condensing position of the laser beam 2, it is possible to correct the deviation of the condensing position due to the focus shift caused by the lens existing before the detection position on the optical path, An effect of reducing the influence of the focus shift can be obtained.

しかし、検出器２５は、上述したようにレーザー光２がレーザー発振器から光学レンズ１に入射されるまでの光路の中に組み込まれるため、検出位置より後の光路上で生ずるフォーカスシフトは修正できない。 However, since the detector 25 is incorporated in the optical path from the laser oscillator to the optical lens 1 as described above, the focus shift occurring on the optical path after the detection position cannot be corrected.

実施の形態３で説明したように、レーザー出力による熱膨張によって、本来曲率を有していなかった保護レンズ２３に形状変化が起こり、保護レンズ２３がレーザー光２を収束するレンズとしての効果をもつこととなり、結果的にフォーカスシフトを生じさせることがある。この効果は、上記検出位置の後で発生するため、検出器２５および駆動装置２６ではこの効果によるフォーカスシフトを補正することは出来ない。 As described in Embodiment 3, due to thermal expansion due to laser output, the protective lens 23 that originally did not have a curvature changes in shape, and the protective lens 23 has an effect as a lens that converges the laser light 2. As a result, a focus shift may occur. Since this effect occurs after the detection position, the detector 25 and the drive device 26 cannot correct the focus shift due to this effect.

しかし、実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００においては、保護レンズ２３の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いているので、レーザー光２の上記検出位置より後の光路上に保護レンズ２３が設けられていても、実施の形態３と同様に、保護レンズ２３単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。 However, in the laser processing apparatus 100 according to the fourth embodiment, a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used as the material of the protective lens 23, so that the light after the detection position of the laser light 2 is detected. Even if the protective lens 23 is provided on the road, the focus shift amount due to thermal expansion can be reduced by the protective lens 23 alone as in the third embodiment.

また、光学レンズ１の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いれば、光学レンズ１の熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となることは言うまでもない。さらに、検出器２５がレーザー光２の収束状態を検出する検出位置より後の光路上に設けられたレンズ全てに、実施の形態１、２または３で説明した屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いてもよい。これにより、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いたレンズそれぞれが単体で、検出器２５および駆動装置２６では補正できない熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。 Needless to say, if a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT is used as the material of the optical lens 1, it is possible to reduce the focus shift amount due to the thermal expansion of the optical lens 1. Furthermore, the refractive index temperature coefficient dn / dT described in the first, second, or third embodiment is applied to all the lenses provided on the optical path after the detection position where the detector 25 detects the convergence state of the laser light 2. A negative material may be used. This makes it possible to reduce the amount of focus shift caused by thermal expansion that cannot be corrected by the detector 25 and the driving device 26 by using a single lens made of a material having a negative refractive index temperature coefficient dn / dT. .

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration described in the above embodiment shows an example of the contents of the present invention, and can be combined with another known technique, and can be combined with other configurations without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change the part.

１光学レンズ、２レーザー光、１１，１３レンズホルダー、１２冷却水路、２１加工ヘッド、２２加工物、２３保護レンズ、２４反射鏡、２５検出器、２６駆動装置、１１０，１１１リング状の板、１１２柄。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical lens, 2 Laser beam, 11, 13 Lens holder, 12 Cooling water channel, 21 Processing head, 22 Workpiece, 23 Protection lens, 24 Reflective mirror, 25 Detector, 26 Drive apparatus, 110, 111 Ring-shaped board, 112 patterns.

Claims

Temperature coefficient dn / dT of the refractive index is negative, such that the magnitude of the focus shift amount f _b by the thermal lens effect is less than 2 times the size of the focus shift amount f _a due to thermal expansion, the thickness t and An optical lens, wherein the diameter D is selected.

When the radius of curvature is R, the focal length before thermal expansion and the thermal lens effect occurs is f, the refractive index is n, the temperature difference between the center and the end is ΔT ° C., and the linear expansion coefficient is α, the following equation is obtained. All are true

The optical lens according to claim 1.

A laser processing apparatus comprising the optical lens according to claim 1, and processing a workpiece with a laser beam through the optical lens.

The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the optical lens is used as a condenser lens.

5. The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the optical lens is used as a protective lens that is provided behind the condenser lens on the optical path of the laser light and protects the condenser lens.

The laser processing apparatus according to claim 3, wherein the optical lens is used for all lenses provided on an optical path of the laser light.

A detector for detecting a convergence state of the laser beam in an optical path until it is incident on the condenser lens;
A driving device for driving the condenser lens based on the detection result of the detector along the optical path direction;
The laser processing apparatus according to claim 4, comprising:

The laser processing apparatus according to claim 7, wherein the optical lens is used for all the lenses provided on the optical path after the detection position where the detector detects the convergence state.