JP2018505782A - レーザ放射による材料加工のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、レーザ放射によって材料を加工するための装置に関し、この装置は、レーザビームを加工物に集束させるための集束光学部品（１５）と、少なくとも２個の板状光学素子（１０）を備える、強度分布を調節するための調節光学部品（２０）とを備え、これらの板状光学素子が、レーザビーム（１４）のビーム経路に縦に並べて配列され、円周方向に相互に対して回転可能であり、そして、それぞれが、円周方向にそれぞれの平板平面に対して交互に傾斜している扇形ファセットの円形パターンを有する面を有する。

Description

本発明は、レーザ放射によって材料を加工するための装置に関する。

レーザ加工中、すなわち、レーザ溶接又はレーザ切断などのレーザ放射による材料加工中、レーザ光源、例えばレーザファイバの端部から放射されたレーザビームは、ビーム誘導及び集束光学部品によって加工されるべき加工物に集束される。焦点の直径、すなわち、加工物上でのレーザ光源の画像の直径は、誘導及び集束光学部品の個々の光学素子についての光学データから生じる。一般に、レーザ光線が光ファイバを介して供給される、照準器光学部品及び集束光学部品を有するビーム誘導及び集束光学部品を使用する場合、焦点直径は、ファイバコア直径と集束焦点距離との積を照準焦点距離で除すことで得られる。

シートの厚さによって、様々なレーザビーム直径がレーザ切削に必要とされる。このとき、切削されるべき材料の厚さが大きい程、レーザビーム直径は、より大きくなければならない。例えば、約１２５μｍの焦点直径が、最大５ｍｍのシート厚さに使用され、一方、５ｍｍ〜１０ｍｍの厚さを有する切削シートに対しては、２倍の大きさの焦点直径、すなわち約２５０μｍの焦点直径が必要である。１０ｍｍのシート厚さから上では、約６００μｍ以上の焦点直径を提供する誘導及び集束光学部品が使用される。しかし、高い切削エッジ品質は、カスタマイズされたビームコースティックによってのみ達成され得る。さもなければ、溝、隆起、及びバリが切削エッジに形成される。

大きい焦点直径の場合、強度分布の環状プロフィールを焦点に形成することは、より均一な温度分布を切削カーフに生じさせるので、有利である。その結果、溶融物が切削ガスによってより効率的に払拭され得る。

特許文献１が、レーザビームによって材料を穿孔、パンチング、及び溶接するなどの加工するための装置を既に開示しており、この装置では、レーザビームを拡大するための照準器光学部品とレーザビームを加工物に集束させるための集束システムとの間に、軸から離れた及び軸に近接したレーザ加工ビームの断面積の軸対称反転のための透明な屈折材料からなる円錐体（アキシコン）が達成されている。集束光学部品は、次いで、それ自体の変更されたビーム特性に従ってレーザ加工ビームを加工物の環状領域に集束させる。アキシコンを使用することにより、レーザ加工ビームの強度分布が、環状プロフィールが焦点領域で生じるように変更される。

レーザ材料加工での使用のための、特許文献２から公知の光学装置では、２個の屈折光学部品が、集束光学部品とレーザビームに対して横方向に変位させられ得る照準器光学部品との間に提供される。この場合、屈折光学部品は、板状素子として構成され、それらの相互に対向する面は、可変のテーパ角度を有するアキシコンが変位によってシミュレーションされ得るように成形される。それによって、シルクハットプロフィール及び環状プロフィールの両方が生成され得る。リング直径は、連続的に調節され得る。

加工物上の焦点でのビーム特性が、ビーム誘導及び集束光学部品での干渉によっては得られないが、ビーム特性が、レーザ放射をビーム誘導及び集束光学部品に供給する光ファイバのレーザ光線出口端部において得られる装置が、特許文献３から公知である。この目的のために、レーザビームは、変位可能な結合装置によって様々な角度でプロセスファイバに結合されることにより、少数のファイバモードだけを励起させる。その結果、ガウシアン／シルクハットプロフィール並びに環状プロフィールが生成され得る。リング直径は、また、連続的に調節され得る。この場合、ファイバの入口側の開口数が出口側の開口数に等しい光ファイバの物理特性が利用される。

更に、円周方向の鋸歯プロフィールを形成する円周又は方位方向位相斜面を有する反射ガラス板が、既に提案されている。鋸歯プロフィールは、外側よりも内側においてより大きく傾斜している。そのような素子によって、一定の直径を有するリングが生成され得る。

特許文献４は、可変の屈折能を有するレンズ系を開示し、このレンズ系では、２個の平凸レンズが、それらの平表面を相互の頂部に有する光軸の周りに回転可能に配列されている。この事例では、凸レンズ面は、それぞれ、回転軸周りの角度の関数として連続的に増減する屈折能を有するヘリックス状の曲率プロフィール、及びそれぞれのゼロ角度に少なくとも１つの方位方向屈折能ステップを備える。相互に対するレンズの回転中に、屈折能、従って１対のレンズの焦点距離が変化する。方位方向ステップは、被覆されなければならない。

特許文献５は、放射プリズム状光ダイバータを有するＬＥＤエミッタに関する。ＬＥＤの前側の主発光方向に配列された放射プリズム状光ダイバータは、ＬＥＤから離れる方に面する側に、扇形ファセットの円形パターンを有する面を備え、これらのファセットは、円周方向に、それぞれの平板平面に対して交互に傾斜している。

更に、スパッタ及び細孔の形成などのレーザ溶接における問題が、動作レーザビームの高速の周期的偏向によって低減され得ることが公知である。

例えば、レーザ加工ヘッドが特許文献６から公知であり、このレーザ加工ヘッドでは、モータによって回転される楔型平板が、動作レーザビームを円形路に導くために、ビーム経路に配列される。

特許文献７は、更なるレーザ加工ヘッドを開示し、このレーザ加工ヘッドは、ｘ方向の振動運動成分を有する第２の運動がｙ方向のレーザビームの前進速度に重畳されることにより、レーザビームは、加工物を加工するために円形状経路においてそれを横切る。

特許文献８から公知のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザビームの強度分布は、ビーム軸に垂直な方向に振動するミラーによって時間的に平均化される。

特許文献９は、振動ミラー加工ヘッドを開示し、このヘッドに集束ミラー、平面ミラー、及び検流計スキャナが統合されている。レーザビームは、集束ミラーによって集束され、そして、検流計スキャナによって制御される平面ミラーを介して加工物に導かれる。レーザビーム形成は、加工物での強度分布を制御するための駆動機能として、正弦波の調和ビーム振動に基づいて検流計スキャナによって実行される。

特許文献１０は、レーザビーム溶接のための方法を記載し、この方法では、レーザビームが、溶接中に溶接シームに平行及び／又は垂直に空間的に振動運動し、そして、溶融バスの凝固がレーザビーム強度の付加的な時間振動及び／又は空間振動と同期して実行されるレーザビーム視準によって制御される。この場合、レーザビームエネルギの時間振動は、ビーム源のレーザパワーを変えることによって、及び／又は軸方向ビーム方向の視準を調節する、すなわち、光ビームを拡大又は集束することによって達成される。

独国特許発明第２８２１８８３号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３１０２４４２号明細書 国際公開第２０１３／０８６２２７号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１１１３９８０号明細書 米国特許出願公開第２００７／０１３９７９８号明細書 国際公開第２０１４／０３８３９５号明細書 独国特許出願公開第１０２０１２００８９４０号明細書 米国特許第８２３７０８５号明細書 独国特許出願公開第４４３０２２０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１４１０５９４１号明細書

本発明は、レーザ放射によって材料を加工するための装置及び方法を提供するという目的に基づいており、それらの支援によって、焦点直径、及び特に焦点領域でのビーム特性、すなわち、焦点領域でのエネルギー分布の両方が、誘導及び集束光学部品の構成要素を交換することなく、動作中に変えられ得る。

この目的は、請求項１に記載のレーザ放射によって材料を加工するための装置によって、及び請求項２０に記載の方法によって本発明に従って達成される。本発明の有利な実施例及び更なる改善が、それぞれの従属請求項に記載されている。

本発明に従うと、レーザ放射によって材料を加工するための装置は、レーザビームのビーム経路の中の少なくとも１つの板状光学素子を備え、この板状光学素子の１つの面が、円周方向にそれぞれの平板平面に対して交互に傾斜している扇形ファセットの円形パターンを備えている。そのような光学素子によって、レーザ焦点は、ビーム平面で複数の点に分割され、この複数の点は、ビーム経路の光軸の周りに環状に配列される。板状光学素子が、次いでレーザビームのビーム経路の中に及びそれから外に動かされる場合、ビーム平面のレーザビームのパワー密度分布は、点分布（スポット）と環状分布（環）との間で切り替えられ得る。

本発明の更なる態様に従うと、レーザ放射によって材料を加工するための装置は、少なくとも２個の板状光学素子を備え、この板状光学素子は、ビーム経路に縦に並べて配列され、円周方向に相互に対して回転可能である。板状光学素子は、それぞれ、扇形ファセットの円形パターンを有する面を備え、これらのファセットは、円周方向にそれぞれの平板平面に対して交互に傾斜している。狭い扇形で、好ましくは平面のファセットは、従って、レーザビーム束の対応する扇形領域を逆方向に偏向させる楔形平板セクタを交互に形成する。

２個の板状光学素子の相互に対する角度位置に基づいて、集束光学部品の焦点又は焦点面における点状強度分布又は環状強度分布が、本発明に従う調節光学部品によって生成され得る。本発明に従うと、それゆえに、レーザビーム加工中に、板状光学素子を相互に対して回転させることによって、環状プロフィールとガウシアン／シルクハットプロフィールとの間で切り替えることも可能であり、その結果、様々な材料厚さを有するシートも、レーザ加工ヘッドのビーム誘導及び集束光学部品を変えることなく、１つの動作ステップで、又は直接連続して製造され得る。

扇形ファセットが様々な幅を有することが原理的に考えられるけれども、板状光学素子の全ての扇形ファセットが同じ方位方向幅を有する場合、有利である。

調節光学部品の板状光学素子の扇形ファセットの面は、平面若しくは曲面であるか、又は２個以上の様々に傾斜した部分を有する。

有利には、調節光学部品の２個の板状光学素子は、それらの扇形ファセットパターンで相互に面して提供され、調節光学部品の２個の板状光学素子は、レーザビーム束の中心軸と同軸である軸の周りを回転可能であり、調節光学部品の２個の板状光学素子の扇形ファセットパターンは、同数のファセットを有し、ファセット面が同じ角度だけ傾斜しているようにされる。そのような配列は、扇形ファセットパターンを有する２個の光学素子の面が非常に小さい距離をあけて相互に面することにより、２個の面のビーム偏向が、光学素子の角度位置に基づいて理想的に相互に補完及び相殺することを確実にできる。その結果、できるだけ良好である点プロフィール（ガウシアン／シルクハット）並びにできるだけ明瞭である環状プロフィールを得ることが可能である。

本発明の有利な改善では、調節光学部品が扇形ファセットパターンを有する更なる板状光学素子を備えるようにされる。更なる板状素子は、第１の２個の板状素子と同じ特性を有してもよい。焦点面でのエネルギー分布をできるだけ多くの様々な態様で変えることができるように、特に、更なる板状光学素子が第１の２個の板状光学素子の扇形ファセットパターンとは異なる扇形ファセットパターンを備えるようにされる。

この事例では、更なる板状光学素子のファセット面は、第１の２個の板状光学素子の傾斜角度とは異なる、特に、第１の２個の板状光学素子の傾斜角度の合計と同じ大きさである、平板平面に対する角度だけ傾斜していてもよい。３個の板状光学素子をレーザ加工ビームのビーム束の扇形ファセットパターンと結合することによって、２個の異なる環状プロフィールが相互に結合され、その結果、ビーム特性、すなわち、レーザビーム束の強度分布は、その強度分布が目下の材料加工に対して望ましいように広範囲にわたって変えられ得る。

更に、更なる板状光学素子のファセットが、２個の第１の板状光学素子のファセットの方位方向幅と異なる方位方向幅を有することが可能である。

有利には、平板平面に対するファセット面の傾斜角度が、±０．１°と±０．６°との間にあるようにされる。

環状プロフィールでのレーザエネルギの特に一様な分布は、偶数のファセットが１８〜７２、好ましくは２４〜４０、特に３６である場合に達成され得る。

原理的には、本発明に従う調節光学部品をレーザビームの発散又は集束領域に配列することが可能であるけれども、本発明に従って、照準器光学部品がレーザビームを拡大するために提供され、ジーメンススター光学部品が照準器光学部品と集束光学部品との間に配列される。

本発明の有利な実施例では、回転駆動装置が板状光学素子のうちの少なくとも１つに割り当てられることにより、板状光学素子が、レーザ加工プロセス中に一定又は可変速度で回転するように駆動され得る。

調節光学部品が２個以上の板状光学素子を備える場合、それによってレーザビームのパワー密度分布が周期的に変えられることにより、それに対応する高い変調周波数が使用されるときに、焦点での疑似連続的ビーム拡大が達成され得る。

唯１つの板状光学素子が存在する場合、レーザビームのパワー密度分布は、板状光学素子の回転によって変調され得ないが、有利には、環状プロフィール自体が、板状光学素子の平面に平行な平面で回転するので、すなわち、環状プロフィールの個々の光点が、実質的に光軸の周りを回るので、環状プロフィールのパワー密度分布を円周方向に均質化することが可能である。この場合、環状プロフィールの一点でのパワー密度の時間分布は、円周方向の空間分布に一致する。このことが、点構造によって生じるパワー密度の差だけでなく、製造公差に基づく差をも補償する。

有利には、それぞれの回転駆動装置が、板状光学素子のそれぞれに割り当てられ、その回転駆動装置は、板状光学素子のそれぞれの回転速度及び回転方向が自由に選択され得るように独立して駆動可能である。

そのような装置によって、レーザビームのパワー密度分布は、回転速度を介して時間的に、並びに扇形ファセットの選択された幾何形状構造及び個々の回転駆動装置の活性化又は非活性化を介して空間的に、の両方で変えられ得る。

本発明に従う装置を使用してレーザ放射によって材料を加工中に、有利には、板状光学素子のうちの少なくとも１つが、レーザ加工中に一定又は可変速度で回転させられることにより、所望の変調周波数によってパワー密度分布を変える。

有利には、少なくとも２個の板状光学素子の両方が同じ又は異なる速度で逆方向に回転させられることにより、パワー密度分布の変調が、加工業務のそれぞれの必要条件に適合され得る。

レーザ加工中にパワー密度分布だけでなくパワー自体も変えることができるように、１つ又は複数の板状光学素子が回転させられる間にレーザの出力パワーが変調され、レーザの変調周波数がパワー密度分布の変調周波数に結合される。

以下に、本発明は、図面に関して一例として詳細に説明される。

ファセット面の傾斜角度が誇張して示されているジーメンススター幾何形状を有する板状光学素子の斜視図である。 平行光線束を集束させるための集束光学部品の概要図であり、調節光学部品の単一の板状光学素子が光線束中に配列されている。 ８個のファセットを有する調節光学部品の簡略化された板状光学素子の略平面図である。 本発明に従う調節光学部品のための板状光学素子の側面図（展開図）である。 焦点面前側、焦点面内、及び焦点面後側でのビーム特性についての概要図である。 本発明に従う調節光学部品を形成するための２個の板状光学素子の配列を示す。 ２個の板状光学素子を有する調節光学部品が配列されたレーザビーム経路の中のレーザ加工ヘッド内でのレーザ加工のために使用されるようなビーム誘導及び集束システムを示す。 調節光学部品を形成するための、本発明に従う３個の板状光学素子の配列を示し、中央の板状光学素子は、両面がパターン化されている。

図において、対応する構成要素は、同じ参照符号が付されている。

図１は、透明円板、具体的には石英ガラス又は硫化亜鉛でできた平面ガラスから成る板状光学素子１０を示し、この素子は、片面に方位又は円周方向に傾斜したジーメンススター状ファセットを有する。従って、ファセットは、ジーメンススターとして公知の円形テストパターンに類似した狭いセクタ又は円形セクタであり、そして、このファセットは、白色セクタと黒色セクタとを交互に有し、また、円周方向に交互する傾斜を有する。２個の隣接したファセットは、従って、屋根形状又はＶ字型谷形状を形成し、一緒に屋根形状を形成する２個のファセットが、それぞれ、それらの別の隣接したファセットとＶ形状を形成する。ジーメンススターの形状に配列されたファセットを有する板状光学素子は、以下では、画像品質を試験するための公知のジーメンススターに従うジーメンススター光学部品と称される。

平面の対向面と共に、それぞれのセクタのファセット面は、視準ビームの割り当てられた円形セクタの一様なビーム偏向を有する楔型平板を形成する。図では、ファセットの傾斜角度は、誇張された態様で、すなわち±１５°で示されている。ファセット、すなわちセクタは、方位又は円周方向に１０°の角度範囲に及ぶ。このことは、完全円の中に合計３６個のファセット、すなわち傾斜角度毎に１８個のファセットをもたらす。

ジーメンススター光学部品が、図２に示すように、集束光学部品１５の前側にあるレーザビーム源（図示せず）の拡大された平行ビーム経路１４に配列されると、個々の光点（いわゆるスポット）から構成された環状焦点画像が、集束光学部品１５の焦点面Ｆに生成される。個々のファセットから生じる個々のスポットは、焦点面前側の平面Ｉ及び焦点面後側の平面ＩＩに多少ぼやけた態様で示される。

以下において、８個の扇形ファセットを有する高度に簡略化されたジーメンススター幾何形状が説明される。図３ａによると、ジーメンススター光学部品１０は、８個のファセット１〜８を含み、これらのファセットは、屋根線がファセット１と２、３と４、５と６、７と８の間に位置し、一方、谷線がファセット２と３、４と５、６と７、１と８の間に位置するように傾斜している。図３に示すように、それぞれの傾斜角度β１、β２は、従って、交互に正と負とである。傾斜は、そのため、平板の平面に対して、すなわち、板状ジーメンススター光学部品１０の平らな側の平面に対して決定される。

視準化レーザビーム１４は、図２のジーメンススター光学部品１０上に至り、次いで、集束レンズ１５によって集束平面Ｆに集束される。図３ａに示すファセット形成は、様々な方向のビームの区画化態様の偏向をもたらす。図４は、焦点面Ｆの前側（平面Ｉ）、内（焦点面Ｆ）、及び後側（平面ＩＩ）でのビームプロフィールを示す。焦点面Ｆの前後のビームプロフィールでは、ファセットの三角形形状は、焦点外れのために明瞭であり、一方、焦点でのビームプロフィールは、個々の点又はスポットから構成される。

好ましくは傾斜ファセットで視準されたレーザビーム１４の屈折によって生じる偏向角θは、使用材料の傾斜角度β及び屈折率ｎから計算される。偏向角θは、従ってθ＝β（ｎ−１）である。この式は、約５°までの角度に適合する微小角近似
が十分に有効であるという仮定下に適用される。焦点での環状直径は、偏向角θと焦点距離ｆとから計算され、
である。ここに、いくつかの例を示す。

シミュレーションが、ジーメンススター形状のファセット構造を使用して、本発明に従うビーム形成の利点を示すために実行された。

ビーム誘導及び集束光学部品の基本的構造が図６に示され、そして、技術データが次の表で与えられる。

図６に示すように、光ファイバ１６から発現する発散レーザ光束１４’は、照準器光学部品１７によって平行なレーザ光束１４に変換され、そして、集束レンズ１５によって加工物１８上に集束される。図６に従って、調節光学部品２０、すなわち、強度分布を調節するための屈折光学部品が平行なレーザ光束１４の中に挿入される。次のシミュレーションのために、図２に示すように、ファセット構造を有する単一のジーメンススター光学部品が使用された。

この基本構造に関して、次の４つの構成が検討された。

シミュレーションでは、エネルギー分布又はビームプロフィールは、焦点前側３ｍｍで、焦点で、及び焦点後側３ｍｍで決定された。第１の場合、図６に従うビーム誘導及び集束光学部品が、調節光学部品を伴わずに使用される。第２の例では、本発明に従うジーメンススター光学部品が、２個のレンズの間で置かれた。第３のシミュレーションでは、アキシコン、すなわち、０．１°の傾向角度を有する円錐体がビーム経路の中に配列された。ファイバによるビーム形成の代替の可能性として、リングコアを有するステップ屈折率ファイバが使用されたが、更なるビーム形成素子が、再びビーム経路の中に導入されなかった。シミュレーション結果が、以下の表に示される。

従って、シミュレーションは、本発明に従う板状光学素子のジーメンススター形状のファセット構造、すなわち、ジーメンススター光学部品は、焦点面の前後側のできるだけ広範囲にわたって環状プロフィールを生成するのに最適である。

図２に示すように、単一のジーメンススター光学部品１０がレーザビーム１４のビーム経路の中に挿入される場合、上記の構成＃２（環形）に対応する環状パワー密度分布が得られる。上記の構成＃１（スポット）に従う点形状パワー密度分布を得るためには、ジーメンススター光学部品１０をレーザビーム１４のビーム経路から外に取り出すことだけが必要である。スポットモードと環状モードとの間で切り替えてスポットモードに戻るためには、図２の両方向矢印Ｄが示すように、単一のジーメンススター光学部品１０が、レーザビーム１４のビーム経路に挿入され、次いで、再び除去されることだけが必要である。

下記で本発明の更なる実施例についてより詳細に説明されるように、ビーム経路の中に挿入された単一のジーメンススター光学部品１０が、好適な回転駆動装置によって回転させられると、環状プロフィールでの、特に円周方向の焦点面でのパワー密度分布を決定することが可能であり、その理由は、環状プロフィール自体が焦点面で回転するから、すなわち、環状プロフィールの個々の光点又はスポットが実質的に光軸の周りを回るからである。ここに、リングプロフィールの１つの点でのパワー密度の時間分布は、円周方向のパワー密度の空間分布に一致する。このことは、点構造によって生じるパワー密度の差だけでなく、製造公差に基づく差をも補償することを可能にする。

レーザ焦点の点形状プロフィールと環状プロフィールとの間の連続した混合比を達成するために、図１〜４に関して説明した型式の２個のジーメンススター光学部品が本発明に従って使用される。

強度分布（図５を参照）を調節するための本発明に従う調節光学部品２０を形成するための２個のジーメンススター光学部品１０の直列接続は、個々のジーメンススター光学部品１０のビーム偏向の付加をもたらす。２個のジーメンススター光学部品１０の相対角度位置に基づいて、３個の異なる場合が生じる。ジーメンススター光学部品１０が複数のファセット周期角度だけ捩じれることなく又は捩じられることなく相互に面することにより、逆に傾斜したファセットが相互に面する場合、ビーム偏向が建設的に付加され、そして、環状プロフィールが単一のジーメンススター光学部品１０の場合の２倍の大きさの直径を生じさせる。ジーメンススター光学部品が、半分のファセット周期角度だけ相互に捩じれていることにより、同じように傾斜したファセットが相互に面するとき、すなわち、一方のジーメンススター光学部品１０の屋根が他方のジーメンススター光学部品１０の谷と面しているとき、及びその逆のとき、第１のジーメンススター光学部品１０のビーム偏向は、第２のジーメンススター光学部品１０によってほとんど正確に相殺される。この位置では、２個のジーメンススター光学部品１０は、平行平面板のように作用する。その結果、点状焦点が、調節光学部品２０がないが如く、焦点面に生成される。更に、それぞれのファセットが同じように及び逆に傾斜したファセットの両方に対向する、相互に捩じれている全ての別の角度位置もまた可能である。それにより、環及び点から構成された混合プロフィールが生成される。ビームプロフィールにわたるパワー分布は、それぞれの重複領域に依存する。

対応するシミュレーションが、また、本発明に従う調節光学部品２０に類似のものに対して実行された。このために、調節光学部品２０が、図６に示すように、視準器レンズ１７と集束レンズ１５との間に挿入された。示すように、シミュレーションは、視準されたビーム領域での調節光学部品２０の配列に対してのみ実行された。しかし、図６に破線で示すように、本発明に従う偏向原理は、また、収束ビーム領域又は発散ビーム領域（図示せず）において機能しなければならない。

２個の素子を有する調節システム２０についてのシミュレーションでは、板状ジーメンススター光学部品１０が使用され、それのジーメンススター形状ファセット構造は、１０°の角度範囲及び±０．２°のファセットの傾斜角度を有するファセットを有する。素子は、基本的に任意の表面同士が相互に面することができるように配列され得るけれども、光学素子は、この場合、図５と同様に、それらのファセット面同士が１ｍｍの距離のところで相互に面するように配列される。このことは、偏向効果が、下記の表の最後の２行によって示すように、相互に補完するか又は相殺するという利点を有する。

レーザ加工での使用に対する適合性をできるだけ正確に決定できるように、製造公差がシミュレーション中に考慮された。このために、屋根の半径方向に延在する先端部及び谷の溝を１０μｍの方位方向幅で平坦化した。このことは、ビーム形成に従わず、従って常に焦点の中心の点として画像化されるビーム部分をもたらす。シミュレーションによると、この部分は、材料加工での使用において全く無視できる、最大で２％のものである。

シミュレーションでは、ファセットの個々の画像が、焦点面からわずかな軸方向距離（０．３５μｍ）では最早認められず、そして、ほぼ均一な環状プロフィールを生じさせることが明らかになった。説明のために、２つの平面でのビームプロフィールが以下の表において計算された。以下の表は、２個の素子の間の様々な相対角度に対応する結果を示す。

しかし、本発明に従う調節光学部品２０は、例えば、図７に示すように、３個以上の素子によって構成されてもよい。この場合に個々の素子のビーム偏向の完全補償を得るために、及び様々なビームプロフィールを最適に結合することができるためには、素子のファセットの傾斜角度が、傾斜角度が等しい２個の別の光学素子のファセットの傾斜角度の大きさの２倍であるときに有利である。調節光学部品が４個の素子によって構成される場合、第４の素子に対するファセットの傾斜角度が３個の別の素子のファセットの傾斜角度の合計と同じ大きさでなければならない。例えば、傾斜角度が第１の２個の素子について±０．１°であり、第３の素子についての角度が±０．２°であるとき、第４の素子についてのファセットの傾斜角度が±０．４°であるように選択されなければならない。

シミュレーションでは、ジーメンススター形状のファセットを有する３個の光学素子を含む、すなわち、３個のジーメンススター光学部品１０を含む調節光学部品が使用され、素子のうちの１個のファセットは、±０．１°だけ傾斜しているだけの別の２個の素子のファセットの２倍の傾斜度（±０．２°）であった。これらの２個は、個々に回転可能であった。その結果、点形状焦点、異なる直径（６００μｍ及び３００μｍ）を有する２個の環、並びに任意の所望の混合形状が生成され得る。上記のように、考えられる製造公差も、また、先端部及び溝を平坦化することによってここで考慮に入れられた。

シミュレーションの結果を以下の表に示す。

上記の表において、第１の行は、ビーム偏向が最適に付加された素子の相対位置を示し、この位置は、機器によって達成可能な最大直径につながる。行２及び３は、２個の素子の効果が同じ傾斜角度で最適に相殺することにより、環状直径が大きい傾斜角度を有する素子のファセットの傾斜角度によってのみ決定されるような角度位置での結果を示す。第４の行は、強度分布が、素子がそれらのビーム偏向が最適に相殺するように相互に捩じれているときの焦点におけるのと同様であることを示す。この結果は、調節光学部品を伴わない、表の最後の列に示す比較例に対応する。

表の残りの行は、任意の混合形状を示す。

本発明に従う調節光学部品が、例えば、０．１２の開口数を有する１００μｍのファイバを介してレーザ放射を供給される、１００ｍｍのそれぞれの焦点距離を有する視準器レンズ及び集束レンズを有するレーザ切削ヘッドに使用されるとき、環状態と点（先端）状態との間の急速な切替えが本発明に従う２個の素子を含む調節光学部品によって可能である。このことは、大径焦点を必要とする「厚板」動作モードと点形状のレーザ焦点だけを必要とする「薄板」動作モードとの間で切り替えることを可能にする。シミュレーションが示したように、１個未満のファセットだけ、すなわち、ファセットの角度よりも小さい角度だけ回転することによって、環状及び点形状のビーム特性の混合状態を生じさせて、ビームプロフィールでの最適のエネルギー分布が必要に応じてレーザ切削中に選択され得ることもまた可能である。

本発明の実用的な実施例において、次のような態様の調節光学部品が使用され、すなわち、それの板状光学素子（ジーメンススター光学部品）が３０ｍｍの直径を有し、１８個の二重ファセット、すなわち、１０°のセクタ角度を有する３６個のファセットを有し、そして、２個のジーメンススター光学部品を相互に１つのファセットだけ捩じると、エッジが２．６ｍｍだけ変位させられる。そのような変位は、例えば、移動可能な光学部品が、詳細には示されないが、ｖ＝２５０ｍｍ／ｓの速度で回転可能なジーメンススター光学部品のエッジを移動できるステップモータによって駆動される中空シャフトに装着されるときに、高速で実行され得る。次いで、約１０ｍｓの切替え時間が得られることにより、環からスポットへの又はその逆の切替えが、実質的に間断なく実行され得る。

しかし、２個以上のジーメンススター光学部品１０から構成される調節光学部品２０によって、環からスポットへ又はその逆に切り替わることが可能であるだけではなく、高周波で加工物に集束されるレーザビームの空間強度分布を調節することにより、レーザ切削及びレーザ溶接中の品質を向上させることが可能である。このために、２個以上の連続したジーメンススター光学部品１０を有する調節システム２０が必要とされ、それらのうちの少なくとも１個は、光軸の周りに回転可能に取り付けられて回転させられ得る。上記のように、調節光学部品２０は、ビーム経路の視準化された発散又は収束部分に配列されてもよい。

焦点面に生成された強度分布を切り替えるためには、３６０°／２ＮのＮ個の二重セグメント（二重ファセット）を有するジーメンススター光学部品１０の相対的回転が十分である。３６０°／Ｎの相対的回転では、スポットから環への変化及びスポットへの戻りが生じる。これは、振動の周期と一致する。

続いて、強度分布の変調周波数が、ジーメンススター光学部品１０の相対的回転周波数のＮ倍と一致することになる。従って、１対のジーメンススター光学部品１０は、光伝送を提供し、この光伝送は、ジーメンススター光学部品１０のうちの１つ又は全ての小さい回転周波数においてさえ、高い変調周波数を焦点面でのレーザビーム１４の強度分布に提供する。

例えば、ジーメンススター面がそれぞれＮ＝２０個の二重ファセット又はセグメントを有する２個のジーメンススター光学部品１０を有する調節光学部品２０と、１００Ｈｚの回転周波数を有するジーメンススター光学部品１０のうちの少なくとも１つに対する駆動装置とが使用されるとき、強度分布は、２ｋＨｚの周波数でスポットモードと環モードとの間で変調される。

特に、以下の動作モードが考えられる。
− ジーメンススター光学部品１０のうちの一方だけが周波数ｆで回転させられる。変調周波数は、そのとき、Ｎ＊ｆに一致する。
− 両方のジーメンススター光学部品１０が、回転数ｆ１及びｆ２で相互に対して回転させられる。変調周波数は、Ｎ＊（ｆ１＋ｆ２）に一致する。

３個以上のシステムが使用される場合、
− 既に上記で説明したように、様々な直径を有する環状強度分布が生じさせられ得、また、
− 変調周波数が、更に増加され得る。

このためには、すべてのジーメンススター光学部品は、常にそれ自体の隣接するジーメンススター光学部品に対して反対方向に回転しなければならない。回転周波数ｆ_ｉを有する変調周波数は、
として得られる。例えば、それぞれＮ＝２０個の二重ファセット及び１００Ｈｚの回転周波数を有する３個のジーメンススター光学部品が使用されるとき、強度分布は、６ｋＨｚの周波数でスポットモードと環モードとの間で変調される。

一例として、図７に示すような構成が使用することができる。図７に示すように、調節光学部品３０は、３個のジーメンススター光学部品１０．１、１０’．２及び１０．３を含み、中央のジーメンススター光学部品１０’．２は、両側がパターン化されている。合計４個のジーメンススター面Ｏ１、Ｏ２ａ、Ｏ２ｂ、Ｏ３は、従って、それぞれＮ個の二重ファセットを備えている。２個の対向配置されたジーメンススター面Ｏ１とＯ２ａとは、同じファセットピッチ又は傾斜角度β_１を有する。２個の別の相互に対向するスクリーニング面Ｏ２ｂとＯ３とは、同じファセットピッチ又は傾斜角度β_２を有し、傾斜角度β_１は、詳細に特定されない態様で傾斜角度β_２とは異なる。ジーメンススター光学部品１０．１をジーメンススター光学部品１０’．２に対して回転させることによって、ジーメンススター面Ｏ１及びＯ２ａの共通の環状形状が切り替えられ得る。同じことが、ジーメンススター光学部品１０’．２と１０．３、及びジーメンススター面Ｏ２ｂとＯ３とに当てはまる。

図７に示すように、回転駆動装置３１、３２、又は３３は、３個のジーメンススター光学部品１０．１、１０’．２、及び１０．３のそれぞれに割り当てられ、その結果、３個全てのジーメンススター光学部品１０．１、１０’．２、及び１０．３は、周波数ｆで回転可能である。中央ジーメンススター光学部品１０’．２の回転方向は、この場合、回転矢印Ｐの方向によって示すように、別の２つのものの回転方向と反対である。３個のジーメンススター光学部品１０．１、１０’．２、及び１０．３の異なる回転周波数が可能にされる場合、特に、周期中に生成される強度分布の数が増加される。

図７に関して説明した配列の様々な動作モードの選択は、以下の表によって与えられる。

１つ又は複数の対のジーメンススターの光伝送効果を有するジーメンススター光学部品１０；１０．１、１０’．２、１０．３の連続回転の相互作用の結果として、焦点で生成された強度分布は、回転周波数のＮ倍で、又は回転周波数の合計のＮ倍で変調され、ここに、Ｎは、ジーメンススター光学部品１０；１０．１、１０’．２、１０．３毎の二重ファセットの数である。

光伝送効果のために、回転速度に対する必要条件は少ない。２桁又は３桁の回転周波数を有する１つ又は複数のジーメンススター光学部品を回転させるために、異なる駆動機構を有する市販の電気駆動装置が、回転駆動装置として使用されてもよい。

電気駆動装置の代替として、圧縮空気によって回転駆動を実行することも考えられる。圧縮空気（及び／又は切削ガス）が、通常、レーザ加工ヘッドの領域で利用可能であるので、ガス供給装置が一般に提供される。

ジーメンススター光学部品などの光学部品を最大６ｋＨｚの特に高い回転周波数で回転させ得る回転駆動装置が市場に出ている。Ｎ＝２０個の二重ファセットを有する２個のジーメンススター光学部品についての上記の例に適用する場合、最大１２０ｋＨｚの変調周波数が達成される。

２桁のｋＨｚの範囲にある変調周波数から始めると、加工されるべきシートは、変調周期にわたって平均化された強度分布のみを受けるが、その理由は、熱伝導の相対的慣性に起因して、入力パワーが十分に速く再分配され得ないからである。従って、強度分布の変調は、連続ビーム拡大として機能し、そのため複合ズームシステムを置換又は補充できる。

全ての事例及び構成において、本発明に従うレーザ加工ヘッドは、また、好ましくは薄板溶接又は切削に適するが、その理由は、環状整形が、レーザ加工ヘッドをスポットモードで動作させるために使用される全てのジーメンススター光学部品についての好適な固定角度位置によって不活性化され得るからである。

特許文献１０は、レーザビーム溶接のための方法を記載し、この方法では、レーザビームが、溶接中に溶接シームに平行及び／又は垂直に空間的に振動運動し、そして、溶融バスの凝固がレーザビーム強度の付加的な時間振動及び／又は空間振動と同期して実行されるレーザビーム視準によって制御される。この場合、レーザビームエネルギの時間振動は、ビーム源のレーザパワーを変えることによって、及び／又は軸方向ビーム方向の視準を調節する、すなわち、光ビームを拡大又は集束することによって達成される。
米国特許第５５４８４４４号明細書は、光学ビームを均質にするための方法及び装置に関し、そして、入射瞳の領域内のレーザビームの不均一な強度分布を射出瞳の領域内の均質化された強度分布に変えるべきビームホモジナイザについて記載する。ビームホモジナイザは、レーザビームを複数のビームレットに分割するピラミッド形プリズムを含む。ピラミッド形プリズムからある距離のところに、プリズムと湾曲レンズとの組合せとして形成された第２の光学部品が提供される。更に、視野レンズが、第２の光学部品と射出瞳との間に配列される。視野レンズは、エネルギをホモジナイザから後続の光学部品に向けるために使用される。
米国特許出願公開第２００５／００９８２６０号明細書は、レーザビームによってプラスチックを加熱するための方法及び装置に関し、そして、レーザビームのための圧縮及び誘導素子としてガラス球を有する加工ヘッドについて記載する。視準器レンズ及び集束レンズが、加工ヘッド内に配列され、そして、レーザビームを光ファイバーからガラス球を通して焦点面に集束させる。二重楔型平板が、視準器レンズと集束レンズとの間の平行ビーム経路に配列される。二重楔型平板は、レーザビームを２つの部分に分割することにより、２つのレーザポイントが焦点面に形成される。二重楔型平板を回転させることによって、リングが２つのレーザポイントによって形成され得る。ビームの数、従ってレーザポイントの数は、楔の数を増加させることによって増加され得る。

Claims (22)

1. レーザ放射によって材料を加工するための装置であって、
   レーザビーム（１４）を加工物（１８）に集束させるための集束光学部品（１５）と、
   扇形ファセットの円形パターンを有する少なくとも１つの板状光学素子（１０）を含む、強度分布を調節するための調節光学部品（２０）であって、前記扇形ファセットが、円周方向に、それぞれの平板平面に対して交互に傾斜している調節光学部品と、
   を備えることを特徴とする装置。
2. 前記調節光学部品（２０）の板状光学素子（１０）は、前記レーザビーム（１４）のビーム経路の中に及びそれから外に動かされ得る、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記調節光学部品（２０）は、扇形ファセットの円形パターンをそれぞれが有する少なくとも２個の板状光学素子（１０）であって、
   前記扇形ファセットが、円周方向に、それぞれの平板平面に対して交互に傾斜している、少なくとも２個の板状光学素子を含み、
   前記少なくとも２個の板状光学素子（１０）は、前記レーザビーム（１４）のビーム経路に縦に並べて配列され、前記円周方向に相互に対して回転可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 板状光学素子（１０）の全ての扇形ファセットは、同じ方位方向幅を有する、
   ことを特徴とする請求項１、２、又は３に記載の装置。
5. 前記板状光学素子（１０）の扇形ファセットの面は、平面若しくは曲面であるか、又は２個以上の異なるように傾斜した部分を有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記調節光学部品（２０）の２個の板状光学素子（１０）は、それらの扇形ファセットパターンによって相互に面する、
   ことを特徴とする請求項３、４、又は５に記載の装置。
7. 前記調節光学部品（２０）の２個の板状光学素子（１０）は、レーザビーム束（１４）の中心軸と同軸である軸の周りを回転可能である、
   ことを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記調節光学部品（２０）の２個の板状光学素子（１０）の扇形ファセットパターンが、同じ数のファセットを有し、ファセット面が同じ角度（β）だけ傾斜している、
   ことを特徴とする請求項３から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記調節光学部品（２０）は、扇形ファセットパターンを有する更なる板状光学素子（１０）を備える、
   ことを特徴とする請求項の３から８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記更なる板状光学素子（１０）は、扇形ファセットパターンを両面に有し、２個の第１の板状光学素子（１０）の間に配列されている、
    ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
11. 前記更なる板状光学素子（１０）は、２個の第１の板状光学素子（１０）の扇形ファセットパターンと異なる扇形ファセットパターンを有する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
12. 前記更なる板状光学素子（１０）のファセット面は、平板平面に対して角度（β）だけ傾斜し、
    前記角度は、２個の第１の板状光学素子（１０）の傾斜角度と異なり、特に、前記２個の第１の板状光学素子（１０）の傾斜角度の合計と同じ大きさである、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記更なる板状光学素子（１０）のファセットは、前記２個の第１の板状光学素子（１０）のファセットの方位方向幅と異なる方位方向幅を有する、
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記平板平面に対する前記ファセット面の傾斜角度は、±０．１°と±０．６°との間にある、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記ファセットの数は、１８〜７２、好ましくは２４〜４０、特に３６である、
    ことを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の装置。
16. 照準器光学部品（１７）が、前記レーザビーム（１４）を拡大するために提供され、
    前記調節光学部品（２０）が、前記照準器光学部品（１７）と前記集束光学部品（１５）との間に配列される、
    ことを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の装置。
17. 回転駆動装置（３１、３２、３３）が、前記板状光学素子（１０）のうちの少なくとも１つに割り当てられることにより、前記板状光学素子（１０）は、レーザ加工プロセス中、一定又は可変速度で回転するように駆動され得る、
    ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の装置。
18. 回転駆動装置（３１、３２、３３）が、前記板状光学素子（１０；１０．１、１０’．２、１０．３）のそれぞれに割り当てられる、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. 前記回転駆動装置（３１、３２、３３）が、相互から独立して駆動され得ることにより、前記板状光学素子（１０；１０．１、１０’．２、１０．３）のそれぞれの回転速度及び回転方向が選択され得る、
    ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
20. レーザビーム（１４）を加工物（１８）に集束させるための集束光学部品（１５）と、強度分布を調節するための調節光学部品（２０）とを使用して、レーザ放射によって材料を加工するための方法であって、
    前記調節光学部品は、円周方向にそれぞれの平板平面に対して交互に傾斜している扇形ファセットの円形パターンをそれぞれが有する少なくとも２個の板状光学素子（１０）を備え、
    前記少なくとも２個の板状光学素子（１０）は、前記レーザビーム（１４）のビーム経路に縦に並べて配置されて、前記円周方向に回転可能であり、
    レーザ加工中、前記板状光学素子（１０）のうちの少なくとも１個は、一定又は可変速度で回転させられることにより、所望の変調周波数でのパワー密度分布を変える、
    ことを特徴とする方法。
21. 前記少なくとも２個の板状光学素子（１０）の両方は、同じか又は異なる速度で逆方向に回転させられる、
    ことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記レーザの出力パワーは、レーザ加工中、前記板状光学素子（１０）のうちの１個又は複数が回転させられている間に変調され、
    前記レーザの変調周波数は、前記パワー密度分布の変調周波数に結合される、
    ことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の方法。