JP2019191500A - レーザ偏向装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電気光学偏向器により偏向されたレーザの歪みを抑制することができる偏向光学系等のレーザ偏向装置を提供する。【解決手段】レーザＬの光路上に設けられる電気光学結晶４５、及び電気光学結晶４５に対して所定の印加方向に電圧を印加する電極４６を含むＸ軸電気光学偏向器４１と、レーザＬの照射方向においてＸ軸電気光学偏向器４１の下流側に設けられると共に、電極４６の印加方向に偏向されるレーザＬのビーム径を補正するＸ軸補正用光学系４２と、を備え、電極４６による電圧の印加がないときの未偏向となるレーザＬの照射方向を基準光軸Ｌ１とし、Ｘ軸電気光学偏向器４１において偏向されたレーザＬと基準光軸Ｌ１とが為す角度を偏向角度θとすると、Ｘ軸補正用光学系４２は、偏向角度θに応じたビーム径の歪みに応じて、少なくとも印加方向におけるレーザＬのビーム径を補正する光学系となっている。【選択図】図２

Description

本開示は、レーザを偏向するレーザ偏向装置及びレーザ加工装置に関するものである。
従来、電気光学効果を利用する光偏向素子が知られており（例えば、非特許文献１及び非特許文献２）、また、このような光偏向素子を用いて、高電圧を印加した際に発生するビーム歪みを抑制するものが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の光偏向素子は、光導波路と、第１及び第２の上部電極と、第１及び第２の下部電極とを備えている。第１の上部電極と第１の下部電極との間の印加電圧と、第２の上部電極と第２の下部電極との間の印加電圧とは、極性が反対となっている。このため、光偏向素子において、第１の上部電極と第１の下部電極との間の電界と、第２の上部電極と第２の下部電極との間の電界とが、電気的に中和されて空間電荷電場の形成が抑制されることで、ビーム歪みを抑制することができる。
特開２０１４−２２２１号公報 NTT-AT、"ＫＴＮ光スキャナー"、[online]、[平成30年4月23日検索]、インターネット〈URL: http://keytech.ntt-at.co.jp/ktn_crystal/prd_2049.html〉 NTT、"ＫＴＮ結晶による波長可変技術を応用した厚み計測装置向け高安定光源を新開発"、 [online]、2017年1月24、[平成30年4月23日検索]、インターネット、〈URL: http://www.ntt.co.jp/news2017/1701/170124a.html〉
ところで、光偏向素子は、一般的に、電気光学結晶と、電気光学結晶に電圧を印加する正極及び負極からなる電極とを有する電気光学偏向器として構成される。このような電気光学偏向器を用いる場合、電極により電圧を印加すると、ビーム歪みが発生する。特許文献１のような複雑な形状となる電極の構成が困難である場合、または、一般的な電気光学偏向器を用いる場合、電気光学偏向器から出射されるレーザの歪みを低減することは難しい。
そこで、本発明は、電気光学偏向器により偏向されたレーザの歪みを抑制することができるレーザ偏向装置及びレーザ加工装置を提供することを課題とする。
本開示のレーザ偏向装置は、レーザの光路上に設けられる電気光学結晶、及び前記電気光学結晶に対して所定の印加方向に電圧を印加する電極を含む電気光学偏向器と、前記レーザの照射方向において前記電気光学偏向器の下流側に設けられると共に、前記電極の印加方向に偏向される前記レーザのビーム径を補正する補正用光学系と、を備え、前記電極による電圧の印加がないときの未偏向となる前記レーザの照射方向を基準光軸とし、前記電気光学偏向器において偏向された前記レーザと前記基準光軸とが為す角度を偏向角度とすると、前記補正用光学系は、前記偏向角度に応じた前記ビーム径の歪みに応じて、少なくとも前記印加方向における前記レーザの前記ビーム径を補正する光学系となっていることを特徴とする。
この構成によれば、電気光学偏向器によってレーザが偏向される場合であっても、補正用光学系により、偏向されたレーザのビーム径の歪みを補正することができる。このため、電気光学偏向器により偏向されたレーザの歪みを抑制することができる。
また、前記偏向角度がゼロのときの前記ビーム径を基準ビーム径とすると、前記補正用光学系は、前記印加方向において、前記偏向角度がゼロの場合に前記ビーム径の補正量がゼロとなり、前記偏向角度が大きくなるにつれて前記ビームが前記基準ビーム径となるように補正量が大きくなる非球面レンズであることが、好ましい。
この構成によれば、偏向角度が大きくなるにつれて歪みが大きくなるレーザのビーム径を、非球面レンズにより適切に補正することができる。つまり、偏向角度がゼロの場合、ビーム径を補正しないことから、偏向角度がゼロの場合のビーム径が、基準ビーム径となる。そして、偏向角度が大きくなるにつれて、レーザのビーム径が基準ビーム径となるように補正量を大きくすることで、適切にレーザのビーム径を補正することができる。このとき、上記の補正を、非球面レンズを用いることで、簡易な構成でレーザのビーム径を補正することができる。
また、前記電気光学偏向器から出射した前記レーザの前記ビーム径は、前記偏向角度が大きくなるにつれて拡大しており、前記非球面レンズは、入射側が凹面となる入射面と出射側が平面となる出射面とを有する平凹レンズであり、前記偏向角度がゼロの場合において、前記レーザが照射される前記入射面の曲率がゼロとなり、前記偏向角度が大きくなるにつれて、前記レーザが照射される前記入射面の曲率が大きくなることが、好ましい。
この構成によれば、偏向角度が大きくなるにつれて拡大するレーザのビーム径を、平凹レンズにより適切に補正することができる。
また、前記非球面レンズは、前記入射面内における、前記照射方向及び前記印加方向に直交する方向において、前記曲率が一定となるシリンドリカルレンズであることが、好ましい。
この構成によれば、印加方向におけるレーザのビーム径の歪みを、シリンドリカルレンズにより適切に補正することができる。
また、前記非球面レンズは、前記入射面内における、前記照射方向及び前記印加方向に直交する方向において、前記ビーム径の歪みに応じて前記ビーム径を補正する曲率となるレンズであることが、好ましい。
この構成によれば、入射面内において、印加方向の他、印加方向に直交する方向においても、レーザのビーム径を補正することができるため、入射面におけるビーム径の歪みを二次元において補正できるため、より好適にビーム径を補正することができる。
また、前記レーザの光路上における前記電気光学偏向器と前記補正用光学系との間の距離は、２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲となっていることが、好ましい。
この構成によれば、偏向されたレーザのビーム径を補正するにあたって、電気光学偏向器と補正用光学系との間の距離を、適切な距離とすることができる。なお、電気光学偏向器と補正用光学系との間の距離は、２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることがより好ましい。適正距離は、使用するレーザの特性（パワー、パルス幅、ピークパワー、ビーム径等）と使用する偏向特性（偏向速度、偏向角度）に依存しており、概ね上記範囲内で設定される。
本開示のレーザ加工装置は、加工対象物へ向けてレーザを照射するレーザ照射装置と、前記レーザ照射装置から出射した前記レーザが入射する、上記のレーザ偏向装置と、前記レーザ偏向装置から出射した前記レーザを、前記加工対象物上へ集光する集光光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、レーザ偏向装置により偏向された適切なビーム径となるレーザを、加工対象物に向けて照射することができる。このため、加工対象物に対するレーザ加工を適切に行うことができる。
また、前記レーザ偏向装置は、前記レーザの照射方向に直交する面内において、前記レーザをＸ軸方向に偏向するＸ軸偏向光学系と、前記レーザをＹ軸方向に偏向するＹ軸偏向光学系と、を有することが、好ましい。
この構成によれば、加工対象物に対して、レーザを二次元面内に移動させてレーザ加工を行うことができる。このとき、Ｘ軸偏向光学系により、レーザをＸ軸方向に偏向させると共にビーム径を補正することができ、また、Ｙ軸偏向光学系により、レーザをＹ軸方向に偏向させると共にビーム径を補正することができる。
また、前記レーザ偏向装置は、前記電気光学偏向器が、前記レーザをＸ軸方向に偏向するＸ軸電気光学偏向器と、前記レーザをＹ軸方向に偏向するＹ軸電気光学偏向器と、を有し、前記補正用光学系が、前記レーザの照射方向において前記Ｘ軸電気光学偏向器及び前記Ｙ軸電気光学偏向器の下流側に設けられることが、好ましい。
この構成によれば、加工対象物に対して、レーザを二次元面内に移動させてレーザ加工を行うことができる。このとき、Ｘ軸電気光学偏向器及びＹ軸電気光学偏向器により、レーザをＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ偏向させ、補正用光学系によりビーム径を補正することができる。
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。 図２は、実施形態１に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。 図３は、レーザのビーム径の歪み及び補正に関する説明図である。 図４は、レーザの偏向角度に伴って変化するビーム径のグラフである。 図５は、レーザの偏向角度に伴って変化する補正用レンズの曲率のグラフである。 図６は、実施形態１に係る補正用レンズの設計に関するフローチャートである。 図７は、実施形態２に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。 図８は、実施形態３に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。
以下に、本発明に係る幾つかの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図１に示すように、実施形態１に係るレーザ加工装置１０は、加工対象物８にレーザＬを照射することで、加工対象物８に対して切断加工、穴あけ加工等の各種加工を行う装置となっている。なお、加工の種類は特に限定されないが、実施形態１において、レーザ加工装置１０は、穴あけ、切断等のレーザ加工を行っている。
加工対象物８としては、種々の材料を適用することが可能となっており、例えば、インコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）、ステンレス、セラミック、鋼、炭素鋼、セラミックス、シリコン、チタン、タングステン、樹脂、プラスチックス、ガラス等で作成された部材を用いることができる。また、加工対象物８としては、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチック、鋼板以外の鉄合金、アルミ合金等の各種金属、その他複合材料等で作成された材料も用いることができる。
レーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２と、偏向光学系（レーザ偏向装置）１８と、集光光学系２２と、支持台２６と、制御装置２８と、を備える。ここで、実施形態１では、水平面をＸ方向とＸ方向に直交するＹ方向を含むＸＹ平面とし、水平面に直交する鉛直方向をＺ方向とする。
レーザ照射装置１２は、レーザＬを出力する装置である。レーザ照射装置１２には、光ファイバを媒質に用いてレーザＬを出力するファイバレーザ照射装置や、短パルスのレーザＬを出力する短パルスレーザ照射装置を用いることができる。ファイバレーザ照射装置としては、ファブリペロー型ファイバレーザ照射装置またはリング型ファイバレーザ照射装置が例示される。また、ファイバレーザ照射装置は、連続波発振（Continuous Wave Operation）とパルス発振（Plused Operation）のいずれの方式を用いるレーザ照射装置１２でもよい。ファイバレーザ照射装置のファイバには、例えば希土類元素（Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ）を添加したシリカガラスを使用することができる。また、短パルスとは、パルス幅が１００ピコ秒以下のパルスである。短パルスレーザ出力装置のレーザの発生源としては、例えばチタンサファイアレーザーを用いることができる。なお、実施形態１では、非熱加工が可能な短パルスレーザ照射装置を用いている。つまり、実施形態１のレーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２として、短パルスレーザ照射装置を適用したときの構成となっている。
このようなレーザ照射装置１２から照射されるレーザＬは、加工用レーザとなっており、１Ｗ以上の出力となる高出力レーザとなっている。具体的に、レーザＬは、その周波数が１ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度となっており、またその出力が、１００Ｗ〜１０ｋＷ程度となっている。なお、レーザＬの波長については、特に限定されないが、後述する偏向光学系１８に設けられる電気光学結晶であるＫＴＮ結晶に適した波長帯域とすることがよい。
偏向光学系１８は、レーザ照射装置１２から照射されたレーザＬを偏向する光学系である。偏向光学系１８は、レーザＬが照射される照射方向において、レーザ照射装置１２の下流側に設けられている。実施形態１において、偏向光学系１８は、レーザＬを一軸方向に偏向する光学系となっており、例えば、レーザＬをＸ軸方向に偏向している。つまり、偏向光学系１８の光軸は、Ｚ方向に沿う方向を基準光軸としており、偏向光学系１８は、基準光軸に直交する直交面（ＸＹ面）内において、レーザＬをＸ軸方向に偏向している。
集光光学系２２は、偏向光学系１８から出射されたレーザＬを集光し、集光したレーザＬを加工対象物８に照射する光学系である。集光光学系２２は、集光レンズ６５を含んで構成されている。集光レンズ６５は、偏向されたレーザＬを加工対象物８において集光する。
支持台２６は、加工対象物８を所定位置に支持する。なお、支持台２６は、加工対象物８をＸＹ方向に移動させるＸＹステージとしてもよい。
制御装置２８は、レーザ照射装置１２、及び偏向光学系１８を含む各部に接続され、各部を制御することで、レーザ加工装置１０の動作を制御している。制御装置２８は、例えば、レーザ照射装置１２を制御することで、レーザ照射装置１２から照射されるレーザＬの各種条件を調整する。また、制御装置２８は、例えば、偏向光学系１８の後述するＸ軸電気光学偏向器４１を制御することで、レーザＬを偏向させる。
上記のように構成されるレーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１２からレーザＬを照射させ、照射されたレーザＬを、偏向光学系１８に案内する。レーザ加工装置１０は、偏向光学系１８に入射したレーザＬを、偏向光学系１８により適宜偏向させることで、加工対象物８におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置１０は、偏向光学系１８から出射したレーザＬを、集光光学系２２に入射させ、加工対象物８に集光したレーザＬを照射する。
図２は、実施形態１に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。図２に示すように、偏向光学系１８は、Ｘ軸電気光学偏向器４１と、Ｘ軸補正用光学系４２とを有している。
Ｘ軸電気光学偏向器４１は、基準光軸に対してＸ軸方向にレーザＬを偏向する。Ｘ軸電気光学偏向器４１は、電気光学結晶４５と、電気光学結晶４５を挟んでＸ軸方向に対向して設けられる一対の電極４６と、を含んで構成されている。電気光学結晶４５としては、例えば、ＫＴＮ結晶が用いられており、レーザＬの光路上に設けられている。ＫＴＮ結晶は、その大きさが小さく、例えば、１０ｍｍ程度となっている。このＸ軸電気光学偏向器４１は、一対の電極４６により電気光学結晶４５に対して電圧がＸ軸方向に印加されることで、電気光学結晶４５中の屈折率を変化させ、レーザＬをＸ軸方向に偏向させる。
Ｘ軸補正用光学系４２は、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されたレーザＬのビーム径を補正するものである。Ｘ軸補正用光学系４２は、補正用レンズ４７を含む透過型の光学系となっている。補正用レンズ４７は、平凹レンズとなる非球面シリンドリカルレンズが用いられている。なお、実施形態１では、透過型のＸ軸補正用光学系４２に適用して説明するが、この構成に特に限定されず、Ｘ軸補正用光学系４２を反射型のものとしてもよい。ここで、補正用レンズ４７の具体的な説明に先立ち、図３を参照して、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されたレーザＬのビーム径について説明する。
図３は、レーザのビーム径の歪み及び補正に関する説明図である。図４は、レーザの偏向角度に伴って変化するビーム径のグラフである。図３に示すように、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されたレーザＬは、基準光軸Ｌ１に対して偏向角度θの分だけ、Ｘ軸電気光学偏向器４１からの出射角度が偏向される。この偏向角度θは、基準光軸Ｌ１と偏向したレーザＬとが為す角度であり、電極４６によって印加される電圧が大きいほど大きな角度となる。
ここで、図４は、縦軸がレーザのビーム径（Ｘ，Ｙ）となっており、横軸が偏向角度（ｍｒａｄ）となっている。図３及び図４に示すように、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されない、つまり、Ｘ軸電気光学偏向器４１の電極４６によって電圧が印加されない、偏向角度θが０となる基準光軸Ｌ１上のレーザＬは、補正用レンズ４７に入射する前（点Ｐ１ａ）において、そのビーム径が歪みのない円形となっている。つまり、点Ｐ１ａにおけるレーザＬのビーム径は、Ｘ軸方向における直径Ｘと、Ｙ軸方向における直径Ｙとが同じ割合となっており、直径Ｘ／直径Ｙ＝１．０となる基準ビーム径となっている。このため、点Ｐ１ａにおけるレーザＬは、補正用レンズ４７により補正せずに、補正用レンズ４７から出射された後（点Ｐ１ｂ）におけるビーム径を歪みのない円形とする。このため、図４において、偏向角度θが０となる場合、Ｘ軸方向における直径Ｘは、変化がないことから、点Ｐ１ａの直径Ｘ／点Ｐ１ｂの直径Ｘ＝１．０となる。同様に、偏向角度θが０となる場合、Ｙ軸方向における直径Ｙは、変化がないことから、点Ｐ１ａの直径Ｙ／点Ｐ１ｂの直径Ｙ＝１．０となる。
一方で、図３及び図４に示すように、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向された、つまり、Ｘ軸電気光学偏向器４１の電極４６によって電圧が印加された、所定の偏向角度θとなるレーザＬは、補正用レンズ４７に入射する前（点Ｐ２ａ）において、そのビーム径が、例えば、Ｘ軸方向に伸長した楕円形となっている。つまり、点Ｐ２ａにおけるレーザＬのビーム径は、Ｘ軸方向における直径Ｘが、Ｙ軸方向における直径Ｙに比して長くなっており、直径Ｘ／直径Ｙ＞１．０となっている。このため、点Ｐ２ａにおけるレーザＬは、補正用レンズ４７により補正して、補正用レンズ４７から出射された後（点Ｐ２ｂ）におけるビーム径を歪みのない円形とする。このため、図４において、偏向角度θが大きくなると、Ｘ軸方向における直径Ｘは、長くなることから、点Ｐ２ａの直径Ｘ／点Ｐ２ｂの直径Ｘ＞１．０となる。一方で、偏向角度θが大きくなっても、Ｙ軸方向における直径Ｙは、変化がないことから、点Ｐ２ａの直径Ｙ／点Ｐ２ｂの直径Ｙ＝１．０となる。
図５を参照して、補正用レンズ４７について、具体的に説明する。補正用レンズ４７は、偏向角度θに応じたビーム径の歪みに応じて、電極４６の印加方向（Ｘ軸方向）におけるレーザＬのビーム径を補正するレンズとなっている。ここで、電気光学偏向器から出射したレーザＬのＸ軸方向のビーム径は、図４に示すとおり偏向角度θが大きくなるにつれて拡大することから、補正用レンズ４７は、偏向角度θが大きくなるにつれてＸ軸方向のビーム径が基準ビーム径となるように補正量が大きくなるレンズとなっている。
補正用レンズ４７は、入射側が凹面となる入射面４７ａと、出射側が平面となる出射面４７ｂとを有する平凹レンズとなっている。また、補正用レンズ４７は、非球面シリンドリカルレンズとなっていることから、入射面４７ａは、Ｘ軸方向において曲率が変化する曲面となっており、また、Ｙ軸方向において曲率が一定となる曲面となっている。
ここで、レーザＬのビーム径を補正する曲率について説明する。ビーム径をｄとし、焦点距離をｆとし、波長をλとし、入射光半径をＤとし、ビーム品質をＭとすると、ビーム径ｄは、下記する（１）式で表される。
ｄ＝ｆ×λ×Ｍ２／（π×Ｄ） ・・・（１）
補正用レンズ４７の焦点距離ｆは、平凹レンズの場合、入射面４７ａの曲率半径をｒとし、レンズ材料の屈折率をｎとすると、下記する（２）式で表される。
ｆ＝ｒ／（１−ｎ） ・・・（２）
（１）式に、（２）式を代入すると、下記する（３）式で導出される。
ｄ＝ｒ×λ×Ｍ２／｛（π×Ｄ）×（１−ｎ）｝ ・・・（３）
ここで、偏向されることによりビーム径ｄが、ビーム径ｄ´（＝α×ｄ）に拡大した場合、ビーム径ｄ´をビーム径ｄに補正するためには、曲率半径ｒを、曲率半径ｒ´（＝ｒ／α）とすればよい。つまり、ビーム径ｄが拡大した場合、曲率半径ｒを小さくすることで、ビーム径ｄを補正することができる。換言すれば、入射面４７ａの曲率は、曲率半径ｒの逆数となっていることから、ビーム径ｄが拡大した場合、入射面４７ａの曲率（１／ｒ）を大きくすることで、ビーム径ｄを補正することができる。
図４に示すように、レーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄは、偏向角度θが大きくなるにつれて拡大することから、図５に示すように、補正用レンズ４７の入射面４７ａは、基準光軸Ｌ１上においては、平行平面（基準光軸Ｌ１に直交する面）となり、偏向角度θが大きくなるにつれて、入射面４７ａの曲率が大きくなっていく。なお、基準光軸Ｌ１上において平行平面となる部位を、補正用レンズ４７の中央としている。
このような補正用レンズ４７は、Ｘ軸電気光学偏向器４１から出射したレーザＬが入射すると、Ｘ軸方向に偏向されることで歪んだビーム径を、基準ビーム径となるように補正する。
また、レーザＬの光路上におけるＸ軸電気光学偏向器４１とＸ軸補正用光学系４２との間の距離は、２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲となっている。なお、Ｘ軸電気光学偏向器４１とＸ軸補正用光学系４２（補正用レンズ４７）との間の距離は、２ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることがより好ましい。適正距離は、使用するレーザＬの特性（パワー、パルス幅、ピークパワー、ビーム径等）と使用する偏向特性（偏向速度、偏向角度）に依存しており、概ね上記範囲内で設定される。
次に、図６を参照して、上記の補正用レンズ４７を設計する設計方法について説明する。図６は、実施形態１に係る補正用レンズの設計に関するフローチャートである。先ず、補正用レンズ４７を設計するにあたり、Ｘ軸電気光学偏向器４１から出射する偏向角度θに応じたレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄを計測する（ステップＳ１：歪み計測工程）。この歪み計測工程Ｓ１では、レーザＬの照射方向において、Ｘ軸電気光学偏向器４１の下流側におけるレーザＬの光路上の所定の位置に、Ｘ軸方向のビーム径ｄを計測する計測器を配置する。
続いて、歪み計測工程Ｓ１において計測した、偏向角度θに対応するＸ軸方向のビーム径ｄが基準ビーム径となるように、補正用レンズ４７の入射面４７ａの曲率を設計する（ステップＳ２：設計工程）。そして、設計工程Ｓ２により設計された曲率に基づいて、補正用レンズ４７を製作する。
以上のように、実施形態１によれば、Ｘ軸電気光学偏向器４１によってレーザＬが偏向される場合であっても、Ｘ軸補正用光学系４２により、偏向されたレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄの歪みを補正することができる。このため、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されたレーザＬの歪みを抑制することができる。
また、実施形態１によれば、偏向角度θが大きくなるにつれて歪みが大きくなるレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄを、非球面レンズとなる補正用レンズ４７により適切に補正することができる。つまり、偏向角度θがゼロの場合、Ｘ軸方向のビーム径ｄを補正しないことから、偏向角度θがゼロの場合のＸ軸方向のビーム径ｄが、基準ビーム径となる。そして、偏向角度θが大きくなるにつれて、レーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄが基準ビーム径となるように補正量を大きくすることで、適切にレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄを補正することができる。このとき、上記の補正を、非球面レンズとなる補正用レンズ４７を用いることで、簡易な構成でレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄを補正することができる。
また、実施形態１によれば、偏向角度θが大きくなるにつれて拡大するレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄを、平凹レンズとなる補正用レンズ４７により適切に補正することができる。
また、実施形態１によれば、電極４６の印加方向におけるレーザＬのＸ軸方向のビーム径ｄの歪みを、シリンドリカルレンズとなる補正用レンズ４７により適切に補正することができる。
また、実施形態１によれば、偏向されたレーザのＸ軸方向のビーム径を補正するにあたって、Ｘ軸電気光学偏向器４１とＸ軸補正用光学系４２との間の距離を、適切な距離とすることができる。
また、実施形態１によれば、偏向光学系１８により偏向された適切なビーム径となるレーザＬを、加工対象物８に向けて照射することができるため、加工対象物８に対するレーザ加工を適切に行うことができる。
また、実施形態１によれば、Ｘ軸電気光学偏向器４１により偏向されることでＸ軸方向のビーム径ｄが歪むレーザＬを好適に補正する補正用レンズ４を適切に設計することができる。
なお、実施形態１では、補正用レンズ４７として、非球面シリンドリカルレンズを適用したが、この構成に特に限定されない。例えば、補正用レンズ４７として、印加方向の他、入射面４７ａ内における印加方向に直交する方向においても、ビーム径ｄの歪みに応じてビーム径ｄを補正する曲率となる非球面レンズを適用してもよい。この構成によれば、補正用レンズ４７の入射面４７ａにおけるビーム径ｄの歪みを二次元において補正できるため、より好適にビーム径ｄを補正することができる。
［実施形態２］
次に、図７を参照して、実施形態２に係るレーザ加工装置１００について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図７は、実施形態２に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。
実施形態２のレーザ加工装置１００は、偏向光学系１０１が、レーザＬを二軸方向に偏向する光学系となっており、例えば、レーザＬをＸ軸方向及びＹ軸方向に偏向している。つまり、偏向光学系１０１は、基準光軸Ｌ１に直交する直交面（ＸＹ面）内において、レーザＬをＸ軸方向及びＹ軸方向に偏向している。
図７に示すように、偏向光学系１０１は、Ｘ軸偏向光学系１０５と、Ｙ軸偏向光学系１０６と、リレー光学系１０７と、波長板１０８と、を含んで構成されている。Ｘ軸偏向光学系１０５は、実施形態１の偏向光学系１８と同様に、Ｘ軸電気光学偏向器４１及びＸ軸補正用光学系４２を有している。なお、Ｘ軸偏向光学系１０５については、実施形態１の偏向光学系１８と同様であるため、説明を省略する。
Ｙ軸偏向光学系１０６は、Ｙ軸電気光学偏向器１１０及びＹ軸補正用光学系１１１を有している。Ｙ軸偏向光学系１０６は、Ｘ軸偏向光学系１０５のＸ軸方向を、Ｙ軸方向に変更した構成であり、Ｘ軸偏向光学系１０５とほぼ同様の構成であることから、説明を省略する。
リレー光学系１０７は、Ｘ軸偏向光学系１０５とＹ軸偏向光学系１０６との間に設けられ、Ｘ軸偏向光学系１０５から出射したレーザＬを、Ｙ軸偏向光学系１０６へ案内する光学系である。リレー光学系１０７は、複数のリレーレンズ１１５，１１６を有し、Ｘ軸電気光学偏向器４１から出射されたレーザＬを、Ｙ軸電気光学偏向器１１０において結像している。
波長板１０８は、１／２波長板であり、Ｘ軸偏向光学系１０５から出射した、Ｘ軸方向の直線偏光となるレーザＬの偏光方向を、Ｙ軸方向に偏光し、Ｙ軸方向の直線偏光となるレーザＬを、Ｙ軸偏向光学系１０６に入射させる。
以上のように、実施形態２によれば、Ｘ軸偏向光学系１０５とＹ軸偏向光学系１０６との間にリレー光学系１０７を設けることができる。このため、加工対象物８に対して、レーザＬをＸＹ面内に移動させてレーザ加工を行うことができる。このとき、Ｘ軸電気光学偏向器４１及びＹ軸電気光学偏向器１１０により、レーザＬをＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ偏向させ、また、Ｘ軸補正用光学系４２及びＹ軸補正用光学系１１１によりレーザＬのビーム径を補正することができる。
［実施形態３］
次に、図８を参照して、実施形態３に係るレーザ加工装置１２０について説明する。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、実施形態３に係る偏向光学系及び集光光学系を模式的に示す図である。
実施形態３のレーザ加工装置１２０は、偏向光学系１２１が、レーザＬを二軸方向に偏向する光学系となっており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に偏向されたレーザＬのビーム径を、一つの補正用光学系により補正している。
図８に示すように、偏向光学系１２１は、Ｘ軸電気光学偏向器４１と、Ｙ軸電気光学偏向器１１０と、リレー光学系１０７と、波長板１０８と、補正用光学系１２２とを含んで構成されている。Ｘ軸電気光学偏向器４１は、実施形態１と同様であり、また、Ｙ軸電気光学偏向器１１０は、実施形態２と同様であり、Ｘ軸電気光学偏向器４１のＸ軸方向をＹ軸方向に偏光した構成であるため、説明を省略する。また、リレー光学系１０７及び波長板１０８も、実施形態２と同様であるため、説明を省略する。
補正用光学系１２２は、Ｘ軸電気光学偏向器４１及びＹ軸電気光学偏向器１１０によりＸ軸方向及びＹ軸方向に偏向されたレーザＬのビーム径を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において補正するものである。補正用光学系１２２は、補正用レンズ１２５を含む透過型の光学系となっている。補正用レンズ１２５は、平凹レンズとなる非球面レンズが用いられている。
補正用レンズ１２５は、入射側が凹面となる入射面１２５ａと、出射側が平面となる出射面１２５ｂとを有する平凹レンズとなっている。また、補正用レンズ１２５は、非球面レンズとなっていることから、入射面１２５ａは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において曲率が変化する曲面となっている。
このような補正用レンズ１２５は、Ｘ軸電気光学偏向器４１から出射して、Ｙ軸電気光学偏向器１１０を経たレーザＬが入射すると、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に偏向されることで歪んだビーム径を、基準ビーム径となるように補正する。
以上のように、実施形態３によれば、Ｘ軸偏向光学系１０５とＹ軸偏向光学系１０６との間にリレー光学系１０７を設けることができる。このため、加工対象物８に対して、レーザＬをＸＹ面内に移動させてレーザ加工を行うことができる。このとき、Ｘ軸電気光学偏向器４１及びＹ軸電気光学偏向器１１０により、レーザＬをＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ偏向させ、また、Ｘ軸補正用光学系４２及びＹ軸補正用光学系１１１によりレーザＬのビーム径を補正することができる。
８ 加工対象物
１０ レーザ加工装置
１２ レーザ照射装置
１８ 偏向光学系
２２ 集光光学系
２６ 支持台
２８ 制御装置
４１ Ｘ軸電気光学偏向器
４２ Ｘ軸補正用光学系
４５ 電気光学結晶
４６ 電極
４７ 補正用レンズ
４７ａ 入射面
４７ｂ 出射面
６５ 集光レンズ
１００ レーザ加工装置（実施形態２）
１０１ 偏向光学系
１０５ Ｘ軸偏向光学系
１０６ Ｙ軸偏向光学系
１０７ リレー光学系
１０８ 波長板
１１０ Ｙ軸電気光学偏向器
１１１ Ｙ軸補正用光学系
１１５，１１６ リレーレンズ
１２０ レーザ加工装置（実施形態３）
１２１ 偏向光学系
１２２ 補正用光学系
１２５ 補正用レンズ
Ｌ レーザ
Ｌ１ 基準光軸

Claims (9)

  1. レーザの光路上に設けられる電気光学結晶、及び前記電気光学結晶に対して所定の印加方向に電圧を印加する電極を含む電気光学偏向器と、
    前記レーザの照射方向において前記電気光学偏向器の下流側に設けられると共に、前記電極の印加方向に偏向される前記レーザのビーム径を補正する補正用光学系と、を備え、
    前記電極による電圧の印加がないときの未偏向となる前記レーザの照射方向を基準光軸とし、
    前記電気光学偏向器において偏向された前記レーザと前記基準光軸とが為す角度を偏向角度とすると、
    前記補正用光学系は、前記偏向角度に応じた前記ビーム径の歪みに応じて、少なくとも前記印加方向における前記レーザの前記ビーム径を補正する光学系となっていることを特徴とするレーザ偏向装置。
  2. 前記偏向角度がゼロのときの前記ビーム径を基準ビーム径とすると、
    前記補正用光学系は、前記印加方向において、前記偏向角度がゼロの場合に前記ビーム径の補正量がゼロとなり、前記偏向角度が大きくなるにつれて前記ビームが前記基準ビーム径となるように補正量が大きくなる非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ偏向装置。
  3. 前記電気光学偏向器から出射した前記レーザの前記ビーム径は、前記偏向角度が大きくなるにつれて拡大しており、
    前記非球面レンズは、
    入射側が凹面となる入射面と出射側が平面となる出射面とを有する平凹レンズであり、
    前記偏向角度がゼロの場合において、前記レーザが照射される前記入射面の曲率がゼロとなり、前記偏向角度が大きくなるにつれて、前記レーザが照射される前記入射面の曲率が大きくなることを特徴とする請求項２に記載のレーザ偏向装置。
  4. 前記非球面レンズは、
    前記入射面内における、前記照射方向及び前記印加方向に直交する方向において、前記曲率が一定となるシリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ偏向装置。
  5. 前記非球面レンズは、
    前記入射面内における、前記照射方向及び前記印加方向に直交する方向において、前記ビーム径の歪みに応じて前記ビーム径を補正する曲率となるレンズであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ偏向装置。
  6. 前記レーザの光路上における前記電気光学偏向器と前記補正用光学系との間の距離は、２ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ偏向装置。
  7. 加工対象物へ向けてレーザを照射するレーザ照射装置と、
    前記レーザ照射装置から出射した前記レーザが入射する、請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ偏向装置と、
    前記レーザ偏向装置から出射した前記レーザを、前記加工対象物上へ集光する集光光学系と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 前記レーザ偏向装置は、前記レーザの照射方向に直交する面内において、前記レーザをＸ軸方向に偏向するＸ軸偏向光学系と、前記レーザをＹ軸方向に偏向するＹ軸偏向光学系と、を有することを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
  9. 前記レーザ偏向装置は、
    前記電気光学偏向器が、前記レーザをＸ軸方向に偏向するＸ軸電気光学偏向器と、前記レーザをＹ軸方向に偏向するＹ軸電気光学偏向器と、を有し、
    前記補正用光学系が、前記レーザの照射方向において前記Ｘ軸電気光学偏向器及び前記Ｙ軸電気光学偏向器の下流側に設けられることを特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
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