JP2019202326A

JP2019202326A - レーザー加工装置

Info

Publication number: JP2019202326A
Application number: JP2018098090A
Authority: JP
Inventors: 宗範川村; Munenori Kawamura; 勇一赤毛; Yuichi Akage; 今井　欽之; Kaneyuki Imai; 欽之今井; 藤谷　泰之; Yasuyuki Fujitani; 泰之藤谷; 剛久奥田; Takehisa Okuda
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-05-22
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: JP6990958B2

Abstract

【課題】回折素子を有するレーザー加工装置において、回折素子によって生成した回折像が所望の光強度分布となるようにする。【解決手段】光源からの入射光を入力し、結像面において所望の光強度分布を有する回折像を形成する回折光を出力する回折素子を有するレーザー加工装置において、前記回折光の光強度を所望の時間内で平均化する第１の手段を備えた。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー加工装置に関し、より詳細には、加工に適したレーザー光の光強度分布を生成するための回折素子を有するレーザー加工装置に関する。

現在、レーザー光を用いた加工技術は、３Ｄプリンター、レーザーマーカーといった数百Ｗ程度のレーザー光を用いる加工から、金属板の切断、溶接などの数十ｋＷオーダーのレーザー光を用いる重工業分野の加工まで、様々な加工技術が知られている。レーザー加工では、レンズ、プリズムによってレーザー光を偏向し、レンズまたはプリズムを機械的に上下左右に移動させて、あるいは回転させて、対象物の加工を行う。

一方、構造物の表面の汚れをレーザー光によって溶かし、ガスを噴射して汚れを取り除くガウジングと呼ばれる加工、構造物の補強のためにレーザー光を照射して溶かし、そこに補強材料粉末等を噴射させて固化する肉盛りと呼ばれる溶接加工などの技術への適用も期待されている。このような加工を行う場合、例えば、光源から出射される平面波を回折素子によって所望の光強度分布の回折像を有するレーザー光に変換して、対象物を加工する場合がある。一例として、光強度分布がガウス分布の光をトップハット型の光強度分布の光に変換する回折素子などが考えられる。

特開２０１０−０８５１９６号公報特開２０１４−０２６２２９号公報

金子卓他、「可変焦点レンズを用いた長焦点深度視覚機構」、デンソーテクニカルレビュー、Vol.3, No.1, p.52-58, 1998 （例えば、非特許文献１参照）。

図１に、従来の回折素子により生成される光の光強度分布を示す。図１（ａ）は、回折素子により生成された光の結像面における回折像であって、面内の任意のｘ軸方向の所望の光強度分布である。図１（ｂ）は回折素子により生成された実際の光強度分布である。生成した回折像の光強度分布を見ると、加工に必要な光強度の平坦部分（加工域）に強度ムラがあったり、加工域と消光域との境界部分の傾斜が大きく（なまる）なっている。これに起因して、切削加工の精度が劣化したり、ガウジング、肉盛りの加工において、所望の品質が得られないという問題があった。

本発明の目的は、回折素子によって生成した回折像において、所望の光強度分布を得ることができる回折素子を有するレーザー加工装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、光源からの入射光を入力し、結像面において所望の光強度分布を有する回折像を形成する回折光を出力する回折素子を有するレーザー加工装置において、前記回折光の光強度を所望の時間内で平均化する第１の手段を備えたことを特徴とする。

前記第１の手段は、前記回折素子を、回転振動または前後振動させたり、前記入射光が前記回折素子に入射する入射角を変化させたり、前記回折光の前記結像面までの焦点距離を変化させることができる。

本発明によれば、回折光の光強度を所望の時間内で平均化することにより、所望の光強度分布を得ることが可能となる。

従来の回折素子により生成される光の光強度分布を示す図である。反射型回折素子をレーザー加工に使用する場合の模式図である。本発明の第１の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す図である。第１の実施形態において透過型回折素子を使用する場合の方法を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。第２の実施形態において透過型回折素子を使用する場合の方法を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。本発明の第４の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す図である。可変焦点レンズを説明するための図である。第４の実施形態において透過型回折素子を使用する場合の方法を示す図である。本発明の第５の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す図である。本発明の第６の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図２は、反射型回折素子をレーザー加工に使用する場合の模式図である。光源１から出力された入射光２は、波面が進行方向（ｚ軸）に対して垂直な直線である平面波であり、その強度はガウス分布になっている。回折素子３により反射された入射光２は、回折光４となって、結像面５において所望の光強度分布を有する回折像６を形成し、対象物の加工を行う。図２（ｂ）は、回折像６の任意のｚ軸方向の所望の光強度分布である。図２（ｃ）は、結像面５におる回折像６の形状、すなわち回折光４のビーム形状である。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。光源から出力された入射光２は、光強度分布はガウス分布であり（図３（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図３（ｂ））。

図４に、結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す。本実施形態の加工方法を適用する前には、図４（ａ）に示すように、結像面５において加工に必要な光強度の平坦部分（加工域）は、ｘ軸方向の長さがｗ１であり、平坦部分の光強度が揺らいでいる。

そこで、回折素子３を、入射光の光軸に対して垂直なｘ軸またはｙ軸、またはその両方を軸として所定の周波数で回転振動させることにより、光強度の最大値の揺らぎを平均化する。その結果、図４（ｂ）に示すように、ｘ軸方向の長さｗ２にわたって、平坦な光強度を有する所望の光強度分布を得ることができる。すなわち、図３（ｄ）に示すように、回折像６の任意のｚ軸方向に所望の光強度分布となり、図３（ｅ）に示すように、結像面５におる回折像６の形状は方形になる。

なお、回折光の光強度を平均化するために、回折素子３を回転振動させずに、回折光の光軸に対して垂直なｚ軸上またはｙ軸上において所定の周波数で前後振動させることによっても、同等の効果を奏することができる。

図５に、透過型回折素子をレーザー加工に使用する場合の加工方法を示す。光源から出力された入射光１２は、光強度分布はガウス分布であり（図５（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図５（ｂ））。同様にして、透過型回折素子１３を用いる場合も、入射光の光軸に対して垂直なｘ軸またはｙ軸、またはその両方を軸として所定の周波数で回転振動させる。その結果、図５（ｄ）に示すように、回折像１６の任意のｘ軸方向に所望の光強度分布となり、図５（ｅ）に示すように、結像面１５におる回折像１６の形状は方形になる。

なお、回折光の光強度を平均化するために、回折素子１３を回転振動させずに、回折光の光軸に対して垂直なｘ軸上またはｙ軸上において所定の周波数で前後振動させることにより、同等の効果を奏することもできる。

（第２の実施形態）
図６に、本発明の第２の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。第２の実施形態では、回折素子２３に振動を与えずに、音響光学素子または電気光学素子を用いて入射光を偏向させ、回折素子２３への入射角を変化させる。光源から出力された入射光２２は、光強度分布はガウス分布であり（図６（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図６（ｂ））。

回折素子に振動を与える方法であっても、回折素子への入射光の入射角を変化させる方法であっても、加工対象物の熱伝導率によっては、レーザー光の照射時間が長くなることにより、回折像の周辺にも影響を及ぼし、目的とする加工精度が達成できない場合がある。このような場合には、光の偏向を高速に行うことが重要となる。

そこで、光源から出力された入射光２２を、ニオブ酸タンタル酸カリウム（以下、ＫＴＮという）を用いた光偏向器２７（例えば、特許文献１参照）により偏向させる。ＫＴＮ光偏向器は、数百ｋＨｚオーダーの周波数で光偏向が可能であり、レーザー光出力が数ｋＷ以上でも十分な耐性を有しているので、高出力で高速動作が必要とされる加工に適している。

その結果、図６（ｄ）に示すように、回折像２６の任意のｚ軸方向に所望の光強度分布となり、図６（ｅ）に示すように、結像面２５におる回折像２６の形状は方形になる。なお、図４（ｂ）に示した所望の光強度分布を得ることができるように、目的に応じて、回折素子２３を、ｚ軸上またはｙ軸上において所定の周波数による前後振動、回転振動させてもよい。

図７に、第２の実施形態において透過型回折素子を使用する場合の方法を示す。光源から出力された入射光３２は、光強度分布はガウス分布であり（図７（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図７（ｂ））。入射光３２を光偏向器３７に透過させて、高速で偏向させて、回折素子３３を透過させることにより、図７（ｄ）に示すように、回折像３６の任意のｘ軸方向に所望の光強度分布となり、図７（ｅ）に示すように、結像面３５におる回折像３６の形状は方形になる。なお、回折素子３３を、ｘ軸上またはｙ軸上において所定の周波数で前後振動させてもよい。

（第３の実施形態）
図８に、本発明の第３の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。第３の実施形態においても、回折素子４３に振動を与えずに、ポリゴンミラー、ガルバノミラーなどの角度可変ミラー４７を用いて入射光を偏向させ、回折素子への入射角を変化させる。光源から出力された入射光４２は、光強度分布はガウス分布であり（図８（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図８（ｂ））。

入射光４２を角度可変ミラー４７で反射させ、回折素子４３に入射する角度を変化させることにより、図８（ｄ）に示すように、回折像４６の任意のｚ軸方向に所望の光強度分布となり、図８（ｅ）に示すように、結像面４５におる回折像４６の形状は方形になる。また、回折素子４３に振動を加える方法を併用することもできる。

（第４の実施形態）
図９に、本発明の第４の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。光源から出力された入射光５２は、光強度分布はガウス分布であり（図９（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図９（ｂ））。

図１０に、結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す。本実施形態の加工方法を適用する前には、図１０（ａ）に示すように、結像面５５において加工に必要な光強度の平坦部分（加工域）の値は揺らいでおり、光強度の平均値はｈ１である。

そこで、焦点距離を変化させることができる可変焦点レンズ５７を、回折素子５３と結像面５５との間に設置して、焦点深度を変化させて、光強度の最大値の揺らぎを平均化する。その結果、図１０（ｂ）に示すように、光強度の最大値がｈ２の平坦部分を有する所望の光強度分布を得ることができる。すなわち、図９（ｄ）に示すように、回折像５６の任意のｚ軸方向に所望の光強度分布となり、図９（ｅ）に示すように、結像面５５におる回折像５６の形状は方形になる。

なお、可変焦点レンズは、加工対象物上の結像面と回折素子との間に設置してもよいし、光源と回折素子との間に設置してもよい。

可変焦点レンズ５７，６７は、図１１に示すように、焦点距離を変化させることができるレンズの総称である。上述した電気光学素子であるＫＴＮを用いた可変焦点レンズ（例えば、特許文献１参照）、液体と圧電素子により構成された可変焦点レンズ（例えば、非特許文献１、特許文献２参照）が知られている。上述したように、ＫＴＮ可変焦点レンズは、レーザー光出力が数ｋＷ以上でも十分な耐性を有し、数百ｋＨｚオーダーの周波数で焦点を可変することができ、高出力で高速動作が必要とされる加工に適している。

図１２に、第４の実施形態において透過型回折素子を使用する場合の方法を示す。光源から出力された入射光６２は、光強度分布はガウス分布であり（図１２（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図１２（ｂ））。回折素子６３を透過した回折光６４を可変焦点レンズ６７に透過させて、高速で焦点距離を変化させることにより、図１２（ｄ）に示すように、回折像６６の任意のｘ軸方向に所望の光強度分布となり、図１２（ｅ）に示すように、結像面６５におる回折像６６の形状は方形になる。

また、実際の光強度分布の最大値が所望の値より小さい場合、例えば、回折素子と加工対象物との距離が回折素子からの結像距離と異なっている場合、可変焦点レンズによって結像位置を補正することができる。なお、第１の実施形態の図３に示した構成ではｘ軸上で、図５に示した構成ではｚ軸上で、回折素子を振動させることにより、可変焦点レンズを用いた構成と同様の効果が得ることできる。さらに、回折素子の曲率を高速で変化させて、結像位置を変化させることによっても、同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
図１３に、本発明の第５の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。光源から出力された入射光７２は、光強度分布はガウス分布であり（図１３（ａ））、ｘｙ平面でのビーム形状は円形になっている（図１３（ｂ））。

図１４に、結像面における実際の光強度分布と本実施形態の加工方法による光強度分布とを示す。本実施形態の加工方法を適用する前には、図１４（ａ）に示すように、結像面７５において加工に必要な光強度の平坦部分（加工域）は、ｘ軸方向の長さがｗ１であり、平坦部分の光強度は揺らいでいる。平坦部分の光強度の平均値はｈ１である。

そこで、光源から出力された入射光７２を、光偏向器７７により偏向させるともに、可変焦点レンズ７８を、回折素子７３と結像面７５との間に設置して、所望の光強度分布を得るとともに、焦点深度を変化させて、光強度の最大値の揺らぎを平均化する。

その結果、図１４（ｂ）に示すように、ｘ軸方向の長さｗ２にわたって、光強度の最大値がｈ２の平坦な光強度を有する所望の光強度分布を得ることができる。すなわち、図１３（ｄ）に示すように、回折像７６の任意のｚ軸方向に所望の光強度分布となり、図１３（ｅ）に示すように、結像面７５におる回折像７６の形状は方形になる。また、回折素子４３に振動を加える方法を併用することもできる。

（第６の実施形態）
図１５に、本発明の第６の実施形態にかかるレーザー加工の方法を示す。光源８１から出力された入射光８２は、波面が進行方向（ｚ軸）に対して垂直な直線である平面波であり、その強度はガウス分布になっている。回折素子８３により反射された入射光８２は、回折光８４となって、結像面８５において所望の光強度分布を有する回折像８６を形成し、対象物の加工を行う。図１５（ｂ）は、回折像８６の任意のｚ軸方向の所望の光強度分布である。図１５（ｃ）は、結像面８５におる回折像８６の形状、すなわち回折光８４のビーム形状である。

数ｋＷオーダーのレーザー光を用いる加工においては、回折素子を構成する基板材料、表面の反射膜によっては、入射光のエネルギーの一部を吸収することにより、回折素子が加熱されて、反りが発生したり、破損する可能性が考えられる。

そこで、図１５に示したように、回折素子８３の裏面に冷却機構８７を設置した構造が効果的である。冷却効率を考えると、裏面全体の冷却が可能な反射型回折素子が透過型回折素子と比較して好適である。この構成においても、回転振動や前後振動、光偏向器、可変焦点レンズあるいは回折素子の曲率を変化させる機能のいずれか、または複数の機能を併用することにより、所望の光強度分布を実現することができる。

第１の実施形態の図５に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図４（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子１３で生成された回折光１４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、回折素子１３をｙ軸を回転軸として、周波数１００Ｈｚで回転振動させることにより、所望の光強度分布を得た。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて、金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１時間でガウジングが終了した。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子１３で生成された回折光１４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝０．８×Ｗ２であり、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、回折素子１３をｙ軸方向に周波数１００Ｈｚで前後振動させることにより、所望の光強度分布を得た。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて、金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１時間でガウジングが終了した。

第１の実施形態の図３に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図４（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子３で生成された回折光４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、回折素子３をｙ軸を回転軸として、周波数１００Ｈｚで回転振動させることにより、所望の光強度分布を得た。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて、金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１時間でガウジングが終了した。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子３で生成された回折光４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝０．８×Ｗ２であり、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、回折素子３をｚ軸方向に周波数１００Ｈｚで前後振動させることにより、所望の光強度分布を得た。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて、金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１時間でガウジングが終了した。

第２の実施形態の図７に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図４（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子３３で生成された回折光３４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、ＫＴＮ光偏向器３７によって回折素子３３への光入射角を１００ｋＨｚで変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

実際の光強度分布から所望の光強度分布を得るために、回折素子を振動させるのに必要な周波数は１００Ｈｚであった。従って、レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングに要する時間は、ＫＴＮ光偏向器３７を使用したことにより、実施例１〜４と比較して１０００分の１となり、３．６秒でガウジングが終了した。また、ＫＴＮ光偏向器３７には、高出力レーザーに起因する損傷は確認されなかった。

第２の実施形態の図６に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図４（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子２３で生成された回折光２４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、ＫＴＮ光偏向器２７によって回折素子２３への光入射角を１００ｋＨｚで変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

実際の光強度分布から所望の光強度分布を得るために、回折素子を振動させるのに必要な周波数は１００Ｈｚであった。従って、レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングに要する時間は、ＫＴＮ光偏向器２７を使用したことにより、実施例１〜４と比較して１０００分の１となり、３．６秒でガウジングが終了した。また、ＫＴＮ光偏向器２７には、高出力レーザーに起因する損傷は確認されなかった。

第３の実施形態の図８に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図４（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子４３で生成された回折光４４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、角度可変ミラー（ガルバノミラー）４７によって回折素子４３への光入射角を１ｋＨｚで変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

実際の光強度分布から所望の光強度分布を得るために、回折素子を振動させるのに必要な周波数は１００Ｈｚであった。従って、レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングに要する時間は、角度可変ミラー４７を使用したことにより、実施例１〜４と比較して１０分の１となり、３６０秒でガウジングが終了した。

第４の実施形態の図１２に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図１０（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。金属板表面の凹凸は、±０．５ｍｍの高低差があった。回折素子６３で生成された回折光６４の光強度分布を計測したところ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、液晶式の可変焦点レンズ６７によって結像距離を調整し、焦点深度を変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

このとき金属板上での各位置において、結像距離の補正と焦点深度変化によって所望の光強度分布を得るのに要する時間は１秒であった。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングを行い、３時間でガウジングが終了した。

第４の実施形態の図９に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図１０（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。金属板表面の凹凸は、±０．５ｍｍの高低差があった。回折素子５３で生成された回折光５４の光強度分布を計測したところ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、液晶式の可変焦点レンズ５７によって結像距離を調整し、焦点深度を変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。金属板表面の凹凸は、±０．５ｍｍの高低差があった。回折素子６３で生成された回折光６４の光強度分布を計測したところ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、ＫＴＮ可変焦点レンズ６７によって結像距離を調整し、焦点深度を変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

このとき金属板上での各位置において、結像距離の補正と焦点深度変化によって所望の光強度分布を得るのに要する時間は０．００１秒であった。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１０．８秒でガウジングが終了した。また、ＫＴＮ可変焦点レンズ６７には、高出力レーザーに起因する損傷は確認されなかった。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。金属板表面の凹凸は、±０．５ｍｍの高低差があった。回折素子５３で生成された回折光５４の光強度分布を計測したところ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。そこで、ＫＴＮ可変焦点レンズ５７によって結像距離を調整し、焦点深度を変化させることにより、所望の光強度分布を得た。

このとき金属板上での各位置において、結像距離の補正と焦点深度変化によって所望の光強度分布を得るのに要する時間は０．００１秒であった。レーザー加工装置の加工ヘッドを移動させて金属板表面全域にわたるガウジングを行い、１０．８秒でガウジングが終了した。また、ＫＴＮ可変焦点レンズ５７には、高出力レーザーに起因する損傷は確認されなかった。

第５の実施形態の図１３に示した構成を、金属加工用のレーザー加工装置の加工ヘッドに用いた。レーザーの出力は１０ｋＷである。所望の光強度分布は、図１０（ｂ）に示したトップハット型であり、平坦部分（加工域）の幅Ｗ２＝１０ｍｍ、光強度の最大値はｈ２＝７〜８ｋＷである。

この加工ヘッドを用いて、長さ１ｍ、幅１ｍの金属板表面のガウジングを行う。回折素子７３で生成された回折光７４の光強度分布を計測したところ、加工域の幅Ｗ１＝９ｍｍ、光強度ｈ１は、ｈ２に対して±５％の揺らぎがあった。また、金属板表面の凹凸は、±０．５ｍｍの高低差があった。そこで、ＫＴＮ光偏向器７７とＫＴＮ可変焦点レンズ７８を用いて所望の光強度分布を得ることにより、金属板表面全域にわたるガウジングを１０．８秒で終了した。なお、ＫＴＮ光偏向器７７及びＫＴＮ可変焦点レンズ７８には、高出力レーザーに起因する損傷は確認されなかった。

１，８１光源
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２，８２入射光
３，１３，２３，３３，４３，５３，６３，７３，８３回折素子
４，１４，２４，３４，４４，５４，６４，７４，８４回折光
５，１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，８５結像面
６，１６，２６，３６，４６，５６，６６，７６，８６回折像
２７，３７，７７光偏向器
４７角度可変ミラー
５７，６７，７８可変焦点レンズ
８７冷却機構

Claims

光源からの入射光を入力し、結像面において所望の光強度分布を有する回折像を形成する回折光を出力する回折素子を有するレーザー加工装置において、
前記回折光の光強度を所望の時間内で平均化する第１の手段
を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。
前記第１の手段は、前記回折素子を、前記入射光の光軸に対して垂直な軸の少なくとも１つを中心に回転振動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
前記第１の手段は、前記回折素子を、前記回折光の光軸に対して垂直な軸の少なくとも１つの軸上において前後振動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザー加工装置。
前記第１の手段は、前記入射光が前記回折素子に入射する入射角を変化させる第２の手段を含むことを特徴とする請求項１，２または３に記載のレーザー加工装置。
前記第２の手段は、光偏向器であることを特徴とする請求項４に記載のレーザー加工装置。
前記第２の手段は、角度可変ミラーであることを特徴とする請求項４に記載のレーザー加工装置。
前記第１の手段は、前記回折光の前記結像面までの焦点距離を変化させる第３の手段を含むことを特徴とする請求項１，２または３に記載のレーザー加工装置。
前記第３の手段は、可変焦点レンズであることを特徴とする請求項７に記載のレーザー加工装置。
前記第１の手段は、前記入射光が前記回折素子に入射する入射角を変化させる第２の手段と、前記回折光の前記結像面までの焦点距離を変化させる第３の手段とを含むことを特徴とする請求項１，２または３に記載のレーザー加工装置。
前記回折素子は、冷却機構を含むことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のレーザー加工装置。