JP2022101887A - レーザ加工装置の光学系、レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置の光学系、レーザ加工装置 Download PDF

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Abstract

Figure 2022101887000001
【課題】本件発明は、レーザ光のエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適したエネルギー強度分布の照射点（スポット）を選択することができるレーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有し、光軸に垂直な面におけるレーザ光のエネルギー強度分布が、光軸上の位置によって異なり、光軸上の異なる位置を被加工物のレーザ光の照射点とすることによって、被加工物のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を選択可能とするレーザ加工装置の光学系を採用した。
【選択図】図１

Description

本件発明は、レーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置に関する。
レーザ加工装置は、レーザ光を１点に集光して被加工物に照射することによって、被加工物の表面温度を急激に上昇させ、被加工物の被照射面が融解もしくは蒸発することによって、被加工物へ切断や穴開け、溶接といった加工を施す装置である。レーザ光を１点に集光するため、ピンポイントで精密かつ微細な加工が可能である。また、より高エネルギーのレーザ光を用いることで、加工時間を短縮することができ、かつ、刃物での加工が困難な高硬度の被加工物の加工も可能である。
ここで、レーザ光の集光において、レーザ光の照射点におけるレーザ光の強度分布は、照射点の平面において環状であることが好ましいことが知られている。しかしながら、照射点での環径が大きいと、光エネルギーを十分に集中できないために被加工物の融解に時間を要したり、加工断面の品質が悪化したりする。また、一定の環径を維持する焦点深度が浅いと、熱レンズ効果などで焦点がずれたりしたときに照射点でのレーザ光の強度分布が環状でなくなるなどして、被加工物の溶接品質が悪化するといった問題が生じる。
また、特許文献１では、集光レンズの凸面中央部を凹面状にカットした集光レンズを用いてレーザ光を集光することによって、レーザ光の強度分布が中央部より周辺部の方が高くなるレーザ光を照射して用いるレーザ溶接装置が開示されている。
特許文献２では、光学系にレーザ光の位相をシフトさせる機能を導入し、レーザ光の光束の一部に位相差を設けることによって、エネルギー強度分布がガウシアン状の入力レーザ光を、その合成光のスポットにおけるエネルギー強度分布を強度分布が環状（双峰状）、またはトップハット状に変換する光学システムを開示している。
特開２００３－３０５５８１号公報 米国特許９２８５５９３号
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工装置の光学系は、集光レンズの凸面中央部を凹面状にカットした集光レンズを用いてレーザ光を集光することによって、レーザ光の強度分布が中央部より周辺部の方が高くなるレーザ光を得ている。ここで、集光レンズの凹面状部を通過するレーザ光は、中心から拡散する方向へ屈折される。このため、集光レンズの凹面状部で屈折するレーザ光は、被加工物の照射点へ集光されることがない。つまり、被加工物のレーザ光による加工において、レーザ発振器から出力されたレーザ光のエネルギーの利用効率が悪い。
また、特許文献２に記載のレーザ加工装置の光学系は、光の反射率が高い加工対象物に適していない。
本件発明は、レーザ光のエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適したエネルギー強度分布の照射点（スポット）を選択することができるレーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下の発明に想到した。
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有し、前記光軸に垂直な面における前記レーザ光のエネルギー強度分布が、前記光軸上の位置によって異なり、前記光軸上の異なる位置を前記被加工物の前記レーザ光の照射点（スポット）とすることによって、前記被加工物の前記レーザ光の照射点（スポット）における前記レーザ光の前記エネルギー強度分布を選択可能とすることを特徴としている。
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述のレーザ加工装置の光学系を備えることを特徴としている。
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有することによって、光軸に垂直な面におけるレーザ光のエネルギー強度分布が、光軸上の位置によって異なり、光軸上の異なる位置を被加工物のレーザ光の照射点（スポット）とすることによって、前記被加工物の前記レーザ光の照射点（スポット）におけるレーザ光のネルギー強度分布を選択可能とすることができる。これによって、加工対象物に合わせて適切なスポットにおけるエネルギー強度分布を選択してレーザ加工を行うことが可能となる。
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図である。 同一の光学面に異なる球面及び／又は非球面を備える光学素子の概略断面図である。 異なる２つの光学面に異なる球面及び／又は非球面を備える光学素子の概略断面図である。 本実施の形態に係るレーザ加工装置の概略断面図である。 実施例１のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例１のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例１のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 実施例１のエネルギー強度分布がリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例１のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例１のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 実施例１のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例１のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例１のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例２のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布が中心部を有するリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布がリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例２のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 実施例２のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 実施例２のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 比較例のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がガウシアン状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における入射瞳座標に対する横収差図である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む直線上でのレーザ光の強度比である。 比較例のエネルギー強度分布がリング状である照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。
以下、本件発明に係るレーザ加工装置に用いる光学系、及びレーザ加工装置の実施の形態を説明する。
１．レーザ加工装置に用いる光学系の実施の形態
本件発明に係るレーザ加工装置に用いる光学系、及びレーザ加工装置は、レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に用いる光学系と、当該光学系を備えたレーザ加工装置である。当該光学系は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有している。これによって、光軸に垂直な面におけるレーザ光のエネルギー強度分布は、光軸上の位置によって異なるものとなる。
このとき、当該光学系は、光軸上の異なる位置を前記被加工物の前記レーザ光の照射点（スポット）とすることによって、前記被加工物の照射点における前記レーザ光の前記エネルギー強度分布を選択可能とすることができる。具体的には、当該光学系は、被加工物のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を、ガウシアン状と、リング状（環状、双峰状）と、中心部を有するリング状（環状と環状の中心部からなる形状）との、少なくとも３モードに入射レーザ光を変換し、選択することができる。
本件発明によれば、後述するように、スポットにおけるエネルギー強度分布が、例えばガウシアン状の場合は鉄などの溶接や切断などに、環状の場合は銅や溶融亜鉛めっき鋼板など被加工物の重ね溶接や突合せ溶接などに、環状と環状の中心部からなるものの場合はアルミニウム材など光の反射率が高い被加工物の溶接や切断などにと、加工対象物に合わせてスポットにおける適切なエネルギー強度分布を選択してレーザ加工を行うことが可能となる。
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図を図１に示す。図１ａは、レーザ光の光軸１０上の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、エネルギー分布制御用光学素子５側から順に、ガウシアン状、リング状、中心部を有するリング状である、エネルギー強度分布の第一の配置を示している。また、図１ｂは、レーザ光の光軸１０上の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、エネルギー分布制御用光学素子６側から順に、中心部を有するリング状、リング状、ガウシアン状である、エネルギー強度分布の第二の配置を示している。
〔エネルギー強度分布の第一の配置の光学系〕
まず、図１ａを参照して第一の配置の光学系１を説明する。図１ａは、エネルギー分布制御用光学素子５の配置されている側から、エネルギー分布制御用光学素子５へレーザ光を入射した場合の、エネルギー分布制御用光学素子５から出射されるレーザ光の略軌跡を示している。光軸１０は、エネルギー分布制御用光学素子５の光学中心を通っている。エネルギー分布制御用光学素子５は、光学面の領域１１、光学面の領域１２、光学面の領域２１、光学面の領域２２を有している。そして、光学面の領域１１と光学面の領域２１とは、エネルギー分布制御用光学素子５の光学中心を中心とする、同じ同心円の領域である。また、光学面の領域１２と光学面の領域２２とは、エネルギー分布制御用光学素子５の光学中心を中心とする、同じ同心円の領域である。
光学面の領域１１と光学面の領域２１とを含むエネルギー分布制御用光学素子５の同心円状の領域の焦点は、光軸１０の照射点Ｃ５１の位置にある。一方、光学面の領域１２と光学面の領域２２とを含むエネルギー分布制御用光学素子５の同心円状の領域の焦点は、光軸１０の照射点Ｇ５２の位置にある。このように、第一の配置の光学系１は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有している。なお、図１ａにおいて、光学面の領域１１から出射されるレーザ光の光束１０１と、光学面の領域２１から出射されるレーザ光の光束２０１と、光学面の領域１２から出射されるレーザ光の光束１０２と、光学面の領域２２から出射されるレーザ光の光束２０２は、それぞれの光学面の領域から出射されるレーザ光の光束を、１本の線で簡略化して表現している。
ここで、光学面の領域１１から出射されるレーザ光の光束１０１と、光学面の領域２１から出射されるレーザ光の光束２０１とを含む、エネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、照射点Ｃ５１の位置で１点に収束する。そして、当該光束は、照射点Ｃ５１の位置を通過後、照射点Ｒ５０の位置と照射点Ｇ５２の位置とを、徐々に拡散状に広がりながら通過する。また、光学面の領域１２から出射されるレーザ光の光束１０２と、光学面の領域２２から出射されるレーザ光の光束２０２とを含む、エネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、焦点に向けて徐々に収束しながら照射点Ｃ５１の位置と照射点Ｒ５０の位置とを通過する。そして、当該光束は、照射点Ｇ５２の位置で１点に収束する。
このとき、照射点Ｃ５１の位置においては、レーザ光の光束１０２とレーザ光の光束２０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、レーザ光の光束１０１とレーザ光の光束２０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束の近傍を通過する。したがって、照射点Ｇ５１の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心とした中心部を有するリング状となる。
また、レーザ光の光束１０１とレーザ光の光束２０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、照射点Ｃ５１の位置で焦点に収束した後、拡散状に広がりながら照射点Ｒ５０の位置に至る。一方、レーザ光の光束１０２とレーザ光の光束２０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、照射点Ｃ５２の位置にある焦点へ向かって収束しながら照射点Ｒ５０の位置に至る。このようにして、レーザ光の光束１０１とレーザ光の光束２０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束と、レーザ光の光束１０２とレーザ光の光束２０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束とは、光軸１０に垂直な面の同じ位置を通過する。したがって、照射点Ｒ５０の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心としたリング状となる。
さらに、照射点Ｇ５２の位置においては、レーザ光の光束１０１とレーザ光の光束２０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子５から出射される光束は、照射点Ｃ５１の位置を通過後、徐々に拡散状に広がる。したがって、照射点Ｇ５２の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心としたガウシアン状となる。
すなわち、エネルギー強度分布の第一の配置の光学系１は、レーザ光の光軸１０上の照射点Ｃ５１の位置、照射点Ｒ５０の位置、及び照射点Ｇ５２の位置における光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、順に、中心部を有するリング状、リング状、ガウシアン状となる、エネルギー強度分布の第一の配置を有している。このとき、加工対象物を照射点Ｃ５１の位置に設置することによって、中心部を有するリング状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。また、加工対象物を照射点Ｒ５０の位置の位置に設置することによって、リング状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。さらに、加工対象物を照射点Ｇ５２の位置に設置することによって、ガウシアン状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。
上述したエネルギー強度分布の第一の配置の光学系１は、以下の条件式（１）を満たすことが好ましい。エネルギー強度分布の第一の配置の光学系１が、条件式（１）を満たすことによって、レーザ光の光軸１０上の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、エネルギー分布制御用光学素子５側から順に、中心部を有するリング状、リング状、ガウシアン状となるからである。
ｆＢ１＜ｆＢ０＜ｆＢ２ ・・・（１）
但し、ｆＢ０：レーザ光の光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がリング状となる光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面（カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは除く）からの距離。
ｆＢ１：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布が中心部を有するリング状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面（カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは除く）からの距離。
ｆＢ２：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がガウシアン状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面（カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは除く）からの距離。
〔エネルギー強度分布の第二の配置の光学系〕
次に、図１ｂを参照して第二の配置の光学系２を説明する。図１ｂは、エネルギー分布制御用光学素子６の配置されている側から、エネルギー分布制御用光学素子６へレーザ光を入射した場合の、エネルギー分布制御用光学素子６から出射されるレーザ光の略軌跡を示している。光軸１０は、エネルギー分布制御用光学素子６の光学中心を通っている。エネルギー分布制御用光学素子６は、光学面の領域３１、光学面の領域３２、光学面の領域４１、光学面の領域４２を有している。そして、光学面の領域３１と光学面の領域４１とは、エネルギー分布制御用光学素子６の光学中心を中心とする、同じ同心円の領域である。また、光学面の領域３２と光学面の領域４２とは、エネルギー分布制御用光学素子６の光学中心を中心とする、同じ同心円の領域である。
光学面の領域３１と光学面の領域４１とを含むエネルギー分布制御用光学素子６の同心円状の領域の焦点は、光軸１０の照射点Ｃ５１の位置にある。一方、光学面の領域３２と光学面の領域４２とを含むエネルギー分布制御用光学素子６の同心円状の領域の焦点は、光軸１０の照射点Ｇ５２の位置にある。このように、第二の配置の光学系２は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有している。なお、図１ｂにおいて、光学面の領域３１から出射されるレーザ光の光束３０１と、光学面の領域４１から出射されるレーザ光の光束４０１と、光学面の領域３２から出射されるレーザ光の光束３０２と、光学面の領域４２から出射されるレーザ光の光束４０２は、それぞれの光学面の領域から出射されるレーザ光の光束を、１本の線で簡略化して表現している。
ここで、光学面の領域３１から出射されるレーザ光の光束３０１と、光学面の領域４１から出射されるレーザ光の光束４０１とを含む、エネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、焦点に向けて徐々に収束しながら照射点Ｇ５２の位置と照射点Ｒ５０の位置とを通過する。そして、当該光束は、照射点Ｃ５１の位置で１点に収束する。また、光学面の領域３２から出射されるレーザ光の光束３０２と、光学面の領域４２から出射されるレーザ光の光束４０２とを含む、エネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、照射点Ｇ５２の位置で１点に収束する。そして、当該光束は、照射点Ｇ５２の位置を通過後、照射点Ｒ５０の位置と照射点Ｃ５１の位置とを、徐々に拡散状に広がりながら通過する。
このとき、照射点Ｇ５２の位置においては、レーザ光の光束３０１とレーザ光の光束４０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、照射点Ｇ５２の位置においては光軸１０に対して収束しきっていない。したがって、照射点Ｇ５２の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心としたガウシアン状となる。
また、レーザ光の光束３０１とレーザ光の光束４０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、照射点Ｃ５１の位置にある焦点へ向かって収束しながら照射点Ｒ５０の位置に至る。一方、レーザ光の光束３０２とレーザ光の光束４０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、照射点Ｇ５２の位置で焦点に収束した後、拡散状に広がりながら照射点Ｒ５０の位置に至る。このようにして、レーザ光の光束３０１とレーザ光の光束４０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束と、レーザ光の光束３０２とレーザ光の光束４０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束とは、光軸１０に垂直な面の同じ位置を通過する。したがって、照射点Ｒ５０の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心としたリング状となる。
さらに、照射点Ｃ５１の位置においては、レーザ光の光束３０２とレーザ光の光束４０２とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束は、レーザ光の光束３０１とレーザ光の光束４０１とを含むエネルギー分布制御用光学素子６から出射される光束の近傍を通過する。したがって、照射点Ｃ５１の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布は、光軸１０を中心とした中心部を有するリング状となる。
すなわち、エネルギー強度分布の第二の配置の光学系２は、レーザ光の光軸１０上の照射点Ｇ５２の位置、照射点Ｒ５０の位置、及び照射点Ｃ５１の位置における光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、順に、ガウシアン状、リング状、中心部を有するリング状となる、エネルギー強度分布の第二の配置を有している。このとき、加工対象物を照射点Ｇ５２の位置に設置することによって、ガウシアン状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。また、加工対象物を照射点Ｒ５０の位置の位置に設置することによって、リング状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。さらに、加工対象物を照射点Ｃ５１の位置に設置することによって、中心部を有するリング状のスポットにおけるエネルギー強度分布でレーザ加工を施すことができる。
上述したエネルギー強度分布の第二の配置の光学系２は、以下の条件式（２）を満たすことが好ましい。エネルギー強度分布の第二の配置の光学系２が、条件式（２）を満たすことによって、レーザ光の光軸１０上の位置における、光軸１０に垂直な面でのエネルギー強度分布が、エネルギー分布制御用光学素子６側から順に、ガウシアン状、リング状、中心部を有するリング状となるからである。
ｆＢ２＜ｆＢ０＜ｆＢ１ ・・・（２）
〔エネルギー強度分布の第一の配置の光学系及び第二の配置の光学系に共通の条件〕
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系は、以下の条件式（３）を満たすことが好ましい。本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系が、条件式（３）を満たすことによって、照射点Ｒ５０と照射点Ｃ５１との間の距離を適切に保つことができる。このことによって、複数の異なる焦点を設けた光学面を有する光学素子がレーザ光により温められ焦点がずれたとしても、照射点におけるエネルギー強度分布が変わらず、溶接、切断などの加工ができなくなることを防ぐことができるからである。
１ｍｍ≦｜ｆＢ０－ｆＢ１｜ ・・・（３）
なお、上記の効果を得るうえで、条件式（３）の下限値は、２ｍｍであることがより好ましい。また、条件式（３）の上限値は特に限定する必要はないが、例えば５０ｍｍであれば、照射点におけるエネルギー強度分布を変更する際に、図４における光学系８３と被加工物８５との距離の調整が容易となるため好ましく、４０ｍｍであることがより好ましく、２０ｍｍであることが更に好ましい。
さらに、本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系は、以下の条件式（４）を満たすことが好ましい。本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系が、条件式（４）を満たすことによって、照射点Ｒ５０と照射点Ｇ５２との間の距離を適切に保つことができる。複数の異なる焦点を設けた光学面を有する光学素子がレーザ光により温められ焦点がずれたとしても、照射点におけるエネルギー強度分布が変わらず、溶接、切断などの加工ができなくなることを防ぐことができるからである。
１ｍｍ≦｜ｆＢ０－ｆＢ２｜ ・・・（４）
なお、上記の効果を得るうえで、条件式（４）の下限値は、２ｍｍであることがより好ましい。また、条件式（４）の上限値は特に限定する必要はないが、例えば５０ｍｍであれば、照射点におけるエネルギー強度分布を変更する際に、図４における光学系８３と被加工物８５との距離の調整が容易となるため好ましく、４０ｍｍであることがより好ましく、２０ｍｍであることが更に好ましい。
〔異なる焦点を設けた光学面〕
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有している。図１ａ及び図１ｂに示した光学系においては、エネルギー分布制御用光学素子５及びエネルギー分布制御用光学素子６が、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有しているものである。このとき、複数の異なる焦点を設けた光学面は、複数の異なる球面及び／又は非球面であることが好ましい。光学面が、複数の異なる球面及び／又は非球面であることによって、当該光学面に、複数の異なる焦点を設けることができるからである。
そして、前述の、複数の異なる球面及び／又は非球面は、同一光学面における同心円状の複数の異なる領域に設けたものであることが好ましい。図２に、同一の光学面に異なる球面及び／又は非球面を備える光学素子７０の概略断面図を示す。光学素子７０は基材７１からなり、基材１１は光学材料を用いて形成されたものであればその材質に特に限定はない。基材１１は、レーザ光を通過させる光学面７２と光学面７３とを備えており、破線Ｏは光学素子７０の中心軸を示している。そして、光学面７２上に、第１の光学領域７４と第２の光学領域７５との２つの球面及び／又は非球面を、光学素子の中心軸であるＯを中心として同心円状に設けている。このとき、２つの同心円状の第１の光学領域７４と第２の光学領域７５との界面で屈折した入射光は、それぞれ２つの異なる焦点へ収束する。
これは、エネルギー分布制御用光学素子５であれば、光学面の領域１２及び光学面の領域２２が第１の光学領域７４に相当し、光学面の領域１１及び光学面の領域２１が第２の光学領域７５に相当するものである。そして、エネルギー分布制御用光学素子６であれば、光学面の領域３２及び光学面の領域４２が第１の光学領域７４に相当し、光学面の領域３１及び光学面の領域４１が第２の光学領域７５に相当するものである。
また、複数の異なる球面及び／又は非球面は、異なる複数の光学面のそれぞれ異なる光束が通過する領域であり、かつ、同心円状の複数の異なる領域に設けたものであることも好ましい。図３に、同一の光学素子における異なる２つの光学面に異なる球面及び／又は非球面を備える光学素子７０’の概略断面図を示す。光学素子７０’は基材７１’からなり、基材７１’はレーザ光を通過させる光学面７２’と光学面７３’とを備えている。そして、光学面７２’上に第１の光学領域７４’と、光学面７３’上に第２の光学領域７５’との２つの球面及び／又は非球面を、光学素子の中心軸であるＯ’を中心として同心円状に設けている。このとき、第１の光学領域７４’と第２の光学領域７５’とは、それぞれ異なる光束が通過する位置にある。そして、２つの同心円状の、第１の光学領域７４’と第２の光学領域７５’との界面で屈折した入射光は、それぞれ２つの異なる焦点へ収束する。
これは、エネルギー分布制御用光学素子５であれば、光学面の領域１２及び光学面の領域２２が第１の光学領域７４’に相当し、光学面の領域１１及び光学面の領域２１が第２の光学領域７５’に相当するものである。そして、エネルギー分布制御用光学素子６であれば、光学面の領域３２及び光学面の領域４２が第１の光学領域７４’に相当し、光学面の領域３１及び光学面の領域４１が第２の光学領域７５’に相当するものである。
ここで、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、少なくとも１つの光学面が非球面であることが好ましい。非球面は球面では実現しがたい横収差を得ることが容易なため、本件発明に係る複数の光学面に、異なる焦点を設けることが可能だからである。
また、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの光学面であることが好ましい。本件発明に係る複数の異なる焦点を設けた光学面からなる光学系を、簡素に構成できるからである。
さらに、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの非球面であることが好ましい。非球面は球面では実現しがたい横収差を得ることが容易なため、本件発明に係る複数の異なる焦点を設けた光学面からなる光学系を、簡素に構成でき、焦点距離の調整も容易だからである。
２．レーザ加工装置の実施の形態
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述のレーザ加工装置の光学系を備えている。このとき、光学系において、光軸上の異なる位置を被加工物のレーザ光の照射点とすることによって、被加工物のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を選択可能とすることができる。具体的には、被加工物のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を、ガウシアン状と、環状（双峰状）と、環状と環状の中心部からなるものとの、少なくとも３モードに入射レーザ光を変換し、選択することができる。
図４に、本実施の形態に係るレーザ加工装置８０を示す。レーザ加工装置８０は、レーザ発振器８１、光路８２、光学系８３、加工ステージ８４から概略なっている。光学系８３は、上述のレーザ加工装置の光学系である。そして、加工ステージ８４上には、被加工物８５が設置される。レーザ発振器８１は加工に用いるレーザ光を出力する装置である。被加工物８５の材料や、加工の厚み、加工精度などによって使用するレーザ光の種類や出力が選ばれる。光路８２は、レーザ発振器８１から出力されたレーザ光を光学系８３へ伝送するためのものであり、反射ミラーを利用するタイプや、光ファイバーを用いるタイプがある。そして光学系８３は、伝送されたレーザ光を所定の形状に集光して、被加工物８５の照射点に照射する。加工ステージ８４は被加工物８５を固定して設置し、被加工物８５の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を選択するために、被加工物８５もしくは光学系８３、あるいはその両方を動かすための装置を備えている。
レーザ加工装置８０は、上述の光学系８３を用いることによって、光軸上の異なる位置を被加工物８５のレーザ光の照射点とすることによって、被加工物８５のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を、ガウシアン状と、環状（双峰状）と、環状と環状の中心部からなるものとの、少なくとも３モードに入射レーザ光を変換し、選択することができる。このことによって、スポットにおけるエネルギー強度分布が、例えばガウシアン状の場合は鉄の溶接や切断などに、環状の場合は銅や溶融亜鉛めっき鋼板など被加工物の重ね溶接や突合せ溶接などに、環状と環状の中心部からなるものの場合は光の反射率が高いアルミニウム材など光の反射率が高い被加工物の溶接や切断などにと、加工対象物に合わせて適切なスポットにおけるエネルギー強度分布を選択してレーザ加工を行うことが可能となる。
レーザ加工装置８０の光学系８３は、レーザ光を略平行光にするコリメートレンズや、レーザ光を集光する集光レンズなどを備えていてもよい。また、エネルギー分布制御用光学素子５（又はエネルギー分布制御用光学素子６）にコリメートレンズとしての機能を併せ持たせ、かつ、当該エネルギー分布制御用光学素子５（又はエネルギー分布制御用光学素子６）の被加工物側に集光レンズを配置してもよい。これらの場合、上述のｆＢ０、ｆＢ１、ｆＢ２は、光学系８３が備える最も被加工物に近い光学面（カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは除く）からの距離となる。
以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、以下実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
図１ａで説明した、エネルギー強度分布の第一の配置の実施例を説明する。実施例１で用いるエネルギー分布制御用光学素子は、図２に示すような、複数の異なる焦点を設けた光学面を、同一光学面における同心円状の複数の異なる領域に設けたものである。ここで、非球面の光学面形状は、以下の（５）式のように偶数次非球面式にてあらわすことができる。
ｚ（ｒ）＝（ｒ２／Ｒ）／［１＋｛１－ε・ｒ２／Ｒ２｝１／２］＋Ａｒ２＋Ｂｒ４＋Ｃｒ６＋Ｄｒ８＋Ｅｒ１０ ・・・（５）
但し、
ｚ（ｒ）：光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）。
Ｒ：曲率半径。
ε：（１＋ｋ）であり、ｋは円錐定数。
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ：非球面係数。
実施例１のエネルギー強度分布制御用光学素子として、光学面の有効径が３７．３ｍｍである光学素子を用いる。当該光学素子の、図２の第１の光学領域７４に相当する部分は、面径１６．０ｍｍ以内の領域であり、この領域の非球面は、（５）式を用いると以下の数値を満足する形状である。
Ｒ＝－２００．０
ε＝－１．５２３７×１０６
Ａ＝２．６８０３×１０－３
Ｂ＝９．１２７９×１０－１０
Ｃ＝０．０
Ｄ＝０．０
Ｅ＝０．０
同様に、当該光学素子の、図２の第２の光学領域７５に相当する部分は、面径１６．０ｍｍ以上の領域であり、この領域の非球面は、（５）式を用いると以下の数値を満足する形状である。
Ｒ＝２００．０
ε＝－１．５２３７×１０６
Ａ＝２．６９７４×１０－３
Ｂ＝４．５６４８×１０－９
Ｃ＝０．０
Ｄ＝０．０
Ｅ＝０．０
このとき、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１９．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図５に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図５において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例１の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、ほぼ一定の大きさの横収差量を示している。一方、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差は、横収差値がゼロに近い値を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図６及び図７に示す。図６は、図５の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図７は、図５の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図６及び図７から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１９．４ｍｍの位置にあって、図５の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、中心部を有するリング状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２１．９ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図８に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図８において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例１の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、ほぼ一定の大きさの横収差量を示している。同様に、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差も、一定の大きさの横収差量を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図９及び図１０に示す。図９は、図８の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図１０は、図８の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図９及び図１０から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２１．９ｍｍの位置にあって、図８の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、リング状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２８．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図１１に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図１１において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例１の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、全体として横収差の少ない特性を示している。一方、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差は、横収差が大きく、かつ、入射瞳座標の原点から離れるにつれてより大きな横収差となる特性を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図１２及び図１３に示す。図１２は、図１１の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図１３は、図１１の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図１２及び図１３から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２８．４ｍｍの位置にあって、図１１の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、ガウシアン状であることが明らかとなった。
以上のことから、実施例１の光学系は、エネルギー強度分布特性が光学素子側から順に、中心部を有するリング状、リング状、ガウシアン状となる照射点を有することが明らかになった。そして、光学素子の光学面からの光軸上の各照射点の距離は、ｆＢ１＝２１９．４ｍｍ、ｆＢ０＝２２１．９ｍｍ、ｆＢ２＝２２８．４ｍｍであった。すなわち、実施例１の光学系は、条件式（１）を満足することが明らかとなった。
さらに、
｜ｆＢ０－ｆＢ１｜＝２．５
｜ｆＢ０－ｆＢ２｜＝６．５
であることから、実施例１の光学系は、条件式（３）、条件式（４）を満足することが明らかとなった。
次に、図１ｂで説明した、エネルギー強度分布の第二の配置の実施例を説明する。実施例２で用いるエネルギー分布制御用光学素子は、図２に示すような、複数の異なる焦点を設けた光学面を、同一光学面における同心円状の複数の異なる領域に設けたものである。
実施例２のエネルギー強度分布制御用光学素子として、光学面の有効径が３７．３ｍｍである光学素子を用いる。当該光学素子の、図２の第１の光学領域７４に相当する部分は、面径１６．０ｍｍ以内の領域であり、この領域の非球面は、（５）式を用いると以下の数値を満足する形状である。
Ｒ＝２００．０
ε＝－１．５２３７×１０６
Ａ＝２．６７９１×１０－３
Ｂ＝４．９８０２×１０－９
Ｃ＝０．０
Ｄ＝０．０
Ｅ＝０．０
同様に、当該光学素子の、図２の第２の光学領域７５に相当する部分は、面径１６．０ｍｍ以上の領域であり、この領域の非球面は、（５）式を用いると以下の数値を満足する形状である。
Ｒ＝－２００．０
ε＝－１．５２３７×１０６
Ａ＝２．６６２６×１０－３
Ｂ＝３．５９２１×１０－９
Ｃ＝０．０
Ｄ＝０．０
Ｅ＝０．０
このとき、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１８．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図１４に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図１４において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例２の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、全体として横収差の少ない特性を示している。一方、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差は、横収差が大きく、かつ、入射瞳座標の原点から離れるにつれてより大きな横収差となる特性を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図１５及び図１６に示す。図１５は、図１４の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図１６は、図１４の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図１５及び図１６から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１８．４ｍｍの位置にあって、図１４の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、ガウシアン
状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２４．９ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図１７に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図１７において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例２の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、ほぼ一定の大きさの横収差量を示している。同様に、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差も、一定の大きさの横収差量を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図１８及び図１９に示す。図１８は、図１７の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図１９は、図１７の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図１８及び図１９から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２４．９ｍｍの位置にあって、図１７の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、リング状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２７．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図２０に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図２０において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、実施例２の光学素子は、上述のように異なる焦点を設けたことから、入射瞳座標における第１の光学領域７４に相当する部分と、第２の光学領域７５に相当する部分との横収差特性が異なっている。具体的には、第１の光学領域７４に相当する部分の横収差は、ほぼ一定の大きさの横収差量を示している。一方、第２の光学領域７５に相当する部分に相当する部分の横収差は、横収差値がゼロに近い値を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図２１及び図２２に示す。図２１は、図２０の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図２２は、図２０の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図２１及び図２２から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２７．４ｍｍの位置にあって、図２０の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、中心部を有するリング状であることが明らかとなった。
以上のことから、実施例２の光学系は、エネルギー強度分布特性が光学素子側から順に、ガウシアン状、リング状、中心部を有するリング状となる照射点を有することが明らかになった。そして、光学素子の光学面からの光軸上の各照射点の距離は、ｆＢ２＝２１８．４ｍｍ、ｆＢ０＝２２４．９ｍｍ、ｆＢ１＝２２７．４ｍｍであった。すなわち、実施例２の光学系は、条件式（２）を満足することが明らかとなった。
さらに、
｜ｆＢ０－ｆＢ１｜＝２．５
｜ｆＢ０－ｆＢ２｜＝６．５
であることから、実施例２の光学系は、条件式（３）、条件式（４）を満足することが明らかとなった。
比較例
比較例で用いるエネルギー分布制御用光学素子は、単一の焦点を設けたものである。比較例のエネルギー強度分布制御用光学素子として、光学面の有効径が３７．３ｍｍである光学素子を用いる。当該光学素子の非球面は、（５）式を用いると以下の数値を満足する形状である。
Ｒ＝２００．０
ε＝－１．４６６６×１０６
Ａ＝２．６７４７×１０－３
Ｂ＝１．３５８６×１０－８
Ｃ＝０．０
Ｄ＝０．０
Ｅ＝０．０
このとき、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１８．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図２３に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図２３において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、比較例の光学素子は、上述のように単一の焦点を設けたことから、入射瞳座標の原点以外では、急激に変化する横収差特性は示さない。そして、入射瞳座標の原点から離れるに従って、緩やかに横収差値が変化し、かつ、入射瞳座標の途中位置において、横収差値がゼロとなる。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図２４及び図２５に示す。図２４は、図２３の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図２５は、図２３の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図２４及び図２５から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２１８．４ｍｍの位置にあって、図２３の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、ガウシアン状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２３．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図２６に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図２６において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、比較例の光学素子は、上述のように単一の焦点を設けたことから、入射瞳座標の原点以外では、急激に変化する横収差特性は示さない。そして、横収差は一定の大きさの横収差量を示している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図２７及び図２８に示す。図２７は、図２６の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図２８は、図２６の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図２７及び図２８から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２３．４ｍｍの位置にあって、図２６の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、リング状であることが明らかとなった。
次に、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２７．４ｍｍの位置における、入射瞳座標に対する横収差図を図２９に示す。ここで、Ｐｘは任意の入射瞳座標であり、ＰｙはＰｘに直交した入射瞳座標である。そして、ｅｘ、ｅｙは横収差量を示している。
図２９において、入射瞳座標のＰｘ、Ｐｙは共に、同じ横収差特性を示している。すなわち、横収差は光軸に対して回転対称である。そして、比較例の光学素子は、上述のように単一の焦点を設けたことから、入射瞳座標の原点以外では、急激に変化する横収差特性は示さない。そして、入射瞳座標の原点から離れるに従って、緩やかに横収差値が変化している。
このような横収差特性を示す照射点におけるエネルギー強度分布特性を、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図３０及び図３１に示す。図３０は、図２９の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上の光軸を含む任意の直線上でのレーザ光の強度比である。図３１は、図２９の横収差特性を示す照射点における光軸に垂直な平面上のレーザ光の強度比である。図３０及び図３１から、当該光学素子の光学面からの光軸上の距離が２２７．４ｍｍの位置にあって、図２９の横収差特性を示す照射点のエネルギー強度分布は、リング状であることが明らかとなった。
以上のことから、比較例の光学系は、エネルギー強度分布特性が光学素子側から順に、ガウシアン状、リング状、リング状となることが明らかになった。すなわち、比較例は、単一の焦点を有し、複数の異なる焦点を有していないため、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系が満足する「エネルギー強度分布の第一の配置」、「エネルギー強度分布の第二の配置」を満足しないことが明らかとなった。同様に、比較例は、条件式（１）、条件式（２）、条件式（３）、条件式（４）を満足しないことが明らかとなった。
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有することによって、光軸に垂直な面におけるレーザ光のエネルギー強度分布が、光軸上の位置によって異なり、光軸上の異なる位置を被加工物のレーザ光の照射点とすることによって、被加工物のレーザ光の照射点におけるレーザ光のエネルギー強度分布を、ガウシアン状と、環状（双峰状）と、環状と環状の中心部からなるものとの、少なくとも３モードに入射レーザ光を変換し、選択することができる。これによって、スポットにおけるエネルギー強度分布が、例えばガウシアン状の場合は鉄の溶接や切断などに、環状（双峰状）の場合は銅や溶融亜鉛めっき鋼板の重ね溶接や突合せ溶接などに、環状と環状の中心部からなるものの場合は光の反射率が高いアルミニウム材の溶接や切断などにと、加工対象物に合わせて適切なスポットにおけるエネルギー強度分布を選択してレーザ加工を行うことが可能となる。すなわち、レーザ光を集光して被加工物に照射することによって被加工物へ切断や穴開け、溶接といった加工を施すレーザ加工装置に好適である。
１ 第一の配置の光学系
２ 第二の配置の光学系
５ エネルギー分布制御用光学素子
６ エネルギー分布制御用光学素子
１０ 光軸
１１ 光学面の領域
１２ 光学面の領域
２１ 光学面の領域
２２ 光学面の領域
３１ 光学面の領域
３２ 光学面の領域
４１ 光学面の領域
４２ 光学面の領域
５０ 照射点Ｒ（リング状、環状）
５１ 照射点Ｃ（中心部を有するリング状）
５２ 照射点Ｇ（ガウシアン状）
７０ 光学素子
７１ 基材
７２ 光学面
７３ 光学面
７４ 第１の光学領域
７５ 第２の光学領域
７０’ 光学素子
７１’ 基材
７２’ 光学面
７３’ 光学面
７４’ 第１の光学領域
７５’ 第２の光学領域
８０ レーザ加工装置
８１ レーザ発振器
８２ 光路
８３ 光学系
８４ 加工ステージ
８５ 被加工物
１０１ 光束
１０２ 光束
２０１ 光束
２０２ 光束
３０１ 光束
３０２ 光束
４０１ 光束
４０２ 光束

Claims (13)

  1. レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、
    光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有し、
    前記光軸に垂直な面における前記レーザ光のエネルギー強度分布が、前記光軸上の位置によって異なり、
    前記光軸上の異なる位置を前記被加工物の前記レーザ光の照射点とすることによって、前記被加工物の照射点における前記レーザ光の前記エネルギー強度分布を選択可能とすることを特徴とするレーザ加工装置の光学系。
  2. 前記光軸上の位置によって異なる前記エネルギー強度分布の配置は、
    レーザ発振器側から前記被加工物側へ向かって順に、中心部を有するリング状、リング状、ガウシアン状である第一の配置と、
    レーザ発振器側から前記被加工物側へ向かって順に、ガウシアン状、リング状、中心部を有するリング状である第二の配置との、いずれか一方である請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系。
  3. 前記エネルギー強度分布の前記第一の配置において、以下の条件を満たす請求項２に記載のレーザ加工装置の光学系。
    ｆＢ１＜ｆＢ０＜ｆＢ２ ・・・（１）
    但し、ｆＢ０：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がリング状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
    ｆＢ１：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布が中心部を有するリング状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
    ｆＢ２：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がガウシアン状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
  4. 前記エネルギー強度分布の前記第二の配置において、以下の条件を満たす請求項２に記載のレーザ加工装置の光学系。
    ｆＢ２＜ｆＢ０＜ｆＢ１ ・・・（２）
    但し、ｆＢ０：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がリング状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
    ｆＢ１：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布が中心部を有するリング状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
    ｆＢ２：前記レーザ光の前記光軸に垂直な面におけるエネルギー強度分布がガウシアン状となる前記光軸上の位置であり、最も被加工物に近い光学面からの距離。
  5. 以下の条件を満たす請求項３又は請求項４に記載のレーザ加工装置の光学系。
    １ｍｍ≦｜ｆＢ０－ｆＢ１｜ ・・・（３）
  6. 以下の条件を満たす請求項３又は請求項４に記載のレーザ加工装置の光学系。
    １ｍｍ≦｜ｆＢ０－ｆＢ２｜ ・・・（４）
  7. 前記複数の異なる焦点を設けた光学面は、複数の異なる球面及び／又は非球面から構成される請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の光学系。
  8. 前記複数の異なる球面及び／又は非球面は、同一光学面における同心円状の複数の異なる領域に設けたものである請求項７に記載のレーザ加工装置の光学系。
  9. 前記複数の異なる球面及び／又は非球面は、異なる複数の光学面のそれぞれ異なる光束が通過する領域であり、かつ、同心円状の複数の異なる領域に設けたものである請求項７に記載のレーザ加工装置の光学系。
  10. 前記複数の異なる球面及び／又は非球面は、少なくとも１つの光学面が非球面である請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の光学系。
  11. 前記複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの光学面である請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の光学系。
  12. 前記複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの非球面である請求項７から請求項９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の光学系。
  13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のレーザ加工装置の光学系を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
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