JP4917123B2 - Laser beam optical system and laser processing apparatus - Google Patents
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本発明は、レーザビームの強度分布を制御するためのレーザビーム光学系に関する。また本発明は、レーザビームを用いて、孔あけ、切断、溶接などの加工を行うためのレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser beam optical system for controlling the intensity distribution of a laser beam. The present invention also relates to a laser processing apparatus for performing processing such as drilling, cutting, and welding using a laser beam.
従来の電子基板用レーザ加工装置では、ビーム強度分布を凹型に整形するために単一の非球面レンズを使用している(特許文献1参照)。 A conventional laser processing apparatus for an electronic substrate uses a single aspheric lens in order to shape the beam intensity distribution into a concave shape (see Patent Document 1).
レーザ加工を実施する際、加工内容やワークの形状、材質等に応じて、ワークに照射するビームの強度分布を任意のプロファイルに制御できることが望ましい。 When performing laser processing, it is desirable that the intensity distribution of the beam irradiated to the workpiece can be controlled to an arbitrary profile according to the processing content, the shape and material of the workpiece.
従来のレーザ加工装置では、ワーク上でのビーム強度分布を変化させたい場合、非球面レンズを別の非球面レンズに交換する必要がある。また、ビーム強度分布を凹型に整形する非球面レンズの場合、ビーム強度分布のエッジ部での強度と中心部での強度の比率は、個々のレンズ毎に固定されているため、この強度比を変えたい場合であっても別の非球面レンズに交換する必要がある。 In the conventional laser processing apparatus, when it is desired to change the beam intensity distribution on the workpiece, it is necessary to replace the aspherical lens with another aspherical lens. In addition, in the case of an aspherical lens that shapes the beam intensity distribution into a concave shape, the ratio of the intensity at the edge and the intensity at the center of the beam intensity distribution is fixed for each individual lens. Even if you want to change it, you need to replace it with another aspherical lens.
レンズ交換は、一般に、光学系の再調整作業が不可欠となるため、メンテナンス費用が増加し、レーザ加工装置の稼働率も低下する。 In general, lens replacement requires re-adjustment of the optical system, which increases maintenance costs and reduces the operating rate of the laser processing apparatus.
また、レーザ発振器の取り出しミラーの性能が寸法誤差や熱ひずみによって変動すると、レーザ発振器から出射されるビームの発散角が変動するので、非球面レンズに所定のビーム径を持つビームが入力されなくなる。すると、非球面レンズによって整形されるビーム強度分布が変化したり、時間経過とともに不安定になることがある。 Further, if the performance of the laser oscillator take-off mirror fluctuates due to dimensional error or thermal distortion, the divergence angle of the beam emitted from the laser oscillator fluctuates, so that a beam having a predetermined beam diameter is not input to the aspherical lens. Then, the beam intensity distribution shaped by the aspherical lens may change or become unstable over time.
本発明の目的は、共振器から出射されるビームの発散角が変動しても、安定した加工を可能とするレーザビーム光学系およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laser beam optical system and a laser processing apparatus using the same, which enable stable processing even if the divergence angle of the beam emitted from the resonator varies.
本発明に係るレーザビーム光学系は、レーザ発振器の取り出しミラーから出射されるレーザビームの強度分布を、トップハット形状と凹形状の範囲の形状に変換する非球面レンズのビーム強度分布変換素子と、
取り出しミラーとビーム強度分布変換素子の間に設けられ、取り出しミラー上でのビーム像をビーム強度分布変換素子の上に転写するための転写光学系とを備え、
該転写光学系は、光線行列ABCDのB要素がゼロであることを特徴とする。
A laser beam optical system according to the present invention includes a beam intensity distribution conversion element of an aspheric lens that converts the intensity distribution of a laser beam emitted from a take-out mirror of a laser oscillator into a shape of a top hat shape and a concave shape range ,
A transfer optical system provided between the take-out mirror and the beam intensity distribution conversion element and for transferring a beam image on the take-out mirror onto the beam intensity distribution conversion element ;
The transfer optical system is characterized in that the B element of the ray matrix ABCD is zero .
また本発明に係るレーザビーム光学系は、レーザ発振器の取り出しミラーから出射されるレーザビームの強度分布を、トップハット形状と凹形状の範囲の形状に変換する非球面レンズのビーム強度分布変換素子と、
取り出しミラーとビーム強度分布変換素子の間に設けられ、取り出しミラーより手前の1/0.1411(m)以上で1/0.0411(m)以下の範囲内にあるビームプロファイルを、ビーム強度分布変換素子の上に転写するための転写光学系とを備えたことを特徴とする。
A laser beam optical system according to the present invention includes an aspherical lens beam intensity distribution conversion element that converts the intensity distribution of a laser beam emitted from a take-out mirror of a laser oscillator into a shape in a top hat shape and a concave shape range. ,
A beam profile provided between the take-out mirror and the beam intensity distribution conversion element and having a beam profile within a range of 1 / 0.1411 (m) to 1 / 0.0411 (m) in front of the take-off mirror And a transfer optical system for transferring onto the conversion element.
本発明によれば、レーザ発振器の取り出しミラーの性能が寸法誤差や熱ひずみによって変動し、レーザ発振器から出射されるビームの発散角が変動したとしても、ビーム強度分布変換素子の手前の転写光学系によってビーム強度分布変換素子上のビーム径が変動しないため、安定したレーザ加工を実施できる。 According to the present invention, even if the performance of the laser oscillator take-off mirror fluctuates due to dimensional error or thermal distortion, and the divergence angle of the beam emitted from the laser oscillator fluctuates, the transfer optical system in front of the beam intensity distribution conversion element Since the beam diameter on the beam intensity distribution conversion element does not fluctuate, stable laser processing can be performed.
実施の形態1.
図1は、本発明の第1実施形態を示す構成図である。レーザ加工装置は、ガスレーザや固体レーザなどのレーザ発振器1と、レーザ発振器1から出射されるレーザビームを加工対象ワークまで伝達するためのレーザビーム光学系LAなどで構成される。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. The laser processing apparatus includes a
レーザ発振器1は、レーザ媒質と光共振器などを含み、必要に応じて出力向上のための光増幅器が組み込まれており、図1ではレーザビームを外部へ出力するための取り出しミラー2を示している。
The
レーザビーム光学系LAは、転写レンズ系3と、第1のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ4と、第2のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ5と、レンズ6と、倍率可変転写光学系7と、マスク8と、加工レンズ9などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。なお、必要に応じて光軸を屈曲させるための折れ返しミラーや光路長を調整するためのリレーレンズなどが介在しても構わない。
The laser beam optical system LA includes a
転写レンズ系3は、複数のレンズを含み、レーザ発振器1からのレーザビームを非球面レンズ4に伝達する。非球面レンズ4,5は、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。レンズ6は、非球面レンズ4の像面位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換する。
The
倍率可変転写光学系7は、変倍ビームエキスパンダなどで構成され、レンズ6上でのビーム強度分布を所望の倍率で拡大または縮小して、マスク8上に転写する。マスク8は、円形や矩形などのアパーチャを有し、レーザビームを部分的に遮断することによってビーム整形を行う。加工レンズ9は、ワークWの直前に配置される対物レンズであり、マスク8を通過したビームを縮小転写する。
The variable magnification transfer
こうした構成により、レーザ発振器1の取り出しミラー2でのビームプロファイルは、転写レンズ系3によって非球面レンズ4上に転写され、非球面レンズ4でのビームプロファイルは、非球面レンズ5によってレンズ6上に整形されたビームプロファイルを形成し、レンズ6でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系7によってマスク8上に転写され、マスク8でのビームプロファイルは、加工レンズ9によってワークW上に転写される。
With this configuration, the beam profile at the
図2は、非球面レンズ4の機能を示す説明図である。ここでは、非球面レンズ4自体の機能について説明するため、非球面レンズ5が存在しない状態を示している。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the function of the
転写レンズ系3から入力されるレーザビームは、非球面レンズ4上でガウシアン形状のビーム強度分布Piを示す。非球面レンズ4は、レンズの片面または両面が非球面となるように設計されており、球面収差などの光学収差を積極的に利用することによって、所定距離隔てて配置されたレンズ6の位置において任意のビーム強度分布Poに変換することができる。
The laser beam input from the
ここでは、図2に示すように、レンズ6の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Poに整形することによって、半径方向に均一な強度分布を有するビームが得られる。
Here, as shown in FIG. 2, a beam having a uniform intensity distribution in the radial direction is obtained by shaping the beam intensity distribution Po in a top hat shape at the position of the
図3は、非球面レンズ5の機能を示す説明図である。ここでは、非球面レンズ4とレンズ6との間に、光軸方向に移動可能な非球面レンズ5が介在した状態を示している。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the function of the
上述と同様に、転写レンズ系3から入力されるレーザビームは、非球面レンズ4上でガウシアン形状のビーム強度分布Piを示す。非球面レンズ5も、非球面レンズ4と同様に、レンズの片面または両面が非球面となるように設計されており、球面収差などの光学収差を積極的に利用することによって、非球面レンズ5上でのビーム強度分布Pmを、レンズ6の位置において非球面レンズ4が単独で変換する強度分布とは異なる任意のビーム強度分布Poに変換することができる。
As described above, the laser beam input from the
ここでは、図3に示すように、非球面レンズ4と非球面レンズ5を組み合わせることによって、レンズ6の位置でのビーム強度分布Poを図2に示すトップハット形状から凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現している。
Here, as shown in FIG. 3, by combining the
図4は、非球面レンズ5が後方に移動した状態を示す説明図である。非球面レンズ5が、図3に示す初期位置からレンズ6側に移動した場合、レンズ6の位置でのビーム強度分布Poは、図3に示す凹形状から図2に示すトップハット形状へ遷移する中間形状になる。さらに、非球面レンズ5が後方に移動して、光学理論上でレンズ6の位置と完全に一致した場合、図2に示した光学系と同じになり、レンズ6の位置でのビーム強度分布Poは、図2に示すトップハット形状と一致する。なお、実際のレンズは一定のレンズ厚さを有するため、非球面レンズ5をレンズ6に可能な限り接近させることになる。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a state in which the
従って、非球面レンズ5の位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、非球面レンズ4の像面位置におけるビーム強度分布Poを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークW上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。
Accordingly, the beam intensity distribution Po at the image plane position of the
次に、非球面レンズ4,5の設計手法について説明する。まず1枚目の非球面レンズ4に関して、図5(a)に示すように、非球面レンズ4の位置をAとし、非球面レンズ4の像面位置(レンズ6の位置)をBとして、位置Aと位置Bとの間の距離をLABとする。
Next, a design method for the
図5(b)はビーム強度分布の変換前と変換後の状態を示し、横軸はビーム中心からの半径方向の位置で、縦軸は光強度である。ここでは理解容易のため、ビーム強度分布が軸対称である例を示すが、光軸に対して垂直なX方向とY方向について独立に設計することも可能である。 FIG. 5B shows a state before and after the conversion of the beam intensity distribution. The horizontal axis is the radial position from the beam center, and the vertical axis is the light intensity. Here, for easy understanding, an example in which the beam intensity distribution is axially symmetric is shown, but it is also possible to design the X direction and the Y direction perpendicular to the optical axis independently.
位置Aでのビーム強度分布IAは、位置Aでの半径位置rAについての関数f(rA)で表現でき、位置Bでのビーム強度分布IBは、位置Bでの半径位置rBについての関数f(rB)で表現できる。図5(b)では、関数f(rA)がガウス関数で、関数f(rB)レクタングル関数である場合を示しているが、関数f(rA),f(rB)ともに任意の関数に設定可能である。 Beam intensity distribution I A at position A, can be expressed by a function f (r A) of the radial position r A at position A, the beam intensity distribution I B at position B, the radial position r B at position B Can be expressed by a function f (r B ). FIG. 5B shows a case where the function f (r A ) is a Gaussian function and a function f (r B ) rectangle function, but both the functions f (r A ) and f (r B ) are arbitrary. It can be set to a function.
そこで、ビーム強度分布IA,IBをビーム中心から半径方向で積分すると、図5(c)に示すようなエネルギー関数EA,EBが得られる。なお、変換効率を100%とすると、エネルギー関数EA,EBともに1で規格化される。 Therefore, when the beam intensity distributions I A and I B are integrated in the radial direction from the beam center, energy functions E A and E B as shown in FIG. 5C are obtained. If the conversion efficiency is 100%, both energy functions E A and E B are normalized to 1.
位置A,Bでの振幅uA,uBは、式(3)(4)で表される。但し、jは虚数単位、ΦA,ΦBは位相である。 Position A, the amplitude u A in B, u B is represented by the formula (3) (4). However, j is an imaginary unit, and Φ A and Φ B are phases.
エネルギー関数EA,EBはビーム強度分布IA,IBの積分値で、EA(r1A),EB(r1B)はビーム中心から各半径位置r1A,r1Bまでのエネルギー含有率を示す。 The energy functions E A and E B are integral values of the beam intensity distributions I A and I B , and E A (r 1A ) and E B (r 1B ) are energy contents from the beam center to the respective radial positions r 1A and r 1B. Indicates the rate.
ここで、エネルギー含有率が等しいときのr1A,r1Bの関係は、式(7)で表される。 Here, the relationship between r 1A and r 1B when the energy contents are equal is expressed by Expression (7).
EA,EBはともに単調増加関数であるため、r1BはEBの関数hで表すことができ、さらにr1Aの関数で表される。 Since E A and E B are both monotonically increasing functions, r 1B can be represented by a function h of E B and further represented by a function of r 1A .
次に、r1Aからr1Bへ伝搬する光線の傾きをθとすると、式(9)が成立し、これを書き換えると式(10)が得られる。 Next, if the inclination of the light beam propagating from r 1A to r 1B is θ, Equation (9) is established, and when this is rewritten, Equation (10) is obtained.
このとき位相Φ1は式(11)で表され、式(10)を用いて書き換えると式(12)(13)が得られる。 At this time, the phase Φ 1 is expressed by Expression (11), and Expressions (12) and (13) are obtained by rewriting using Expression (10).
式(12)は数値計算により求めることができ、つまりEA(rA)の形状が分かれば設計が可能であり、位置Aでの位相分布をΦ1に変換することにより、位置Bでのビーム強度分布IBを任意の形状に変換することができる。 Expression (12) can be obtained by numerical calculation, that is, design is possible if the shape of E A (r A ) is known, and the phase distribution at position A is converted to Φ 1 by converting the phase distribution at position A to Φ 1 . it is possible to convert the beam intensity distribution I B into an arbitrary shape.
次に、2枚目の非球面レンズ5の設計手法について説明する。図6(a)に示すように、非球面レンズ4の位置Aと像面位置Bとの間にある位置Cに非球面レンズ5を配置して、図6(b)に示すように、位置Bでのビーム強度分布IBを上述と異なるビーム強度分布に設定することを考える。ここで、位置Cと位置Bとの間の距離をLCBとする。
Next, a design method for the second
このとき位置Cでの振幅は、軸対称の円柱座標系でのフレネル回折式を用いて、下記の式(14)で表される。 At this time, the amplitude at the position C is expressed by the following formula (14) using the Fresnel diffraction formula in an axially symmetric cylindrical coordinate system.
ここで、式(1)〜(13)と同様に、位置Cでのビーム強度分布ICから位置Bでのビーム強度分布I’Bへの変換を考える。ビーム強度分布ICは、位置Cでの半径位置rCについての関数fC(rC)で表現でき、位置Bでの新たなビーム強度分布I’Bは、位置Bでの半径位置rBについての関数f’B(rB)で表現できる。 Here, the conversion from the beam intensity distribution I C at the position C to the beam intensity distribution I ′ B at the position B is considered as in the equations (1) to (13). Beam intensity distribution I C may be represented by a function f C (r C) of the radial position r C at position C, the new beam intensity distribution I 'B at position B, the radial position r B at position B Can be expressed by a function f ′ B (r B ).
位置C,Bでの振幅uC,u’Bは、式(17)(18)で表される。但し、jは虚数単位、ΦC,Φ’Bは位相である。 Position C, the amplitude u C in B, u 'B is represented by the formula (17) (18). Here, j is an imaginary unit, and Φ C and Φ ′ B are phases.
また、下記のEC(r2C),E’B(r2B)はビーム中心から各半径位置r2C,r2Bまでのエネルギー含有率を示す。 The following E C (r 2C ) and E ′ B (r 2B ) indicate energy contents from the beam center to the radial positions r 2C and r 2B .
ここで、I’Bは、1枚目と2枚目の非球面レンズによりBの位置にできるビーム強度分布を示し、式(1)〜(13)に示したIBとは異なる強度分布である。前記(1)〜(13)の場合と同様に考えると、エネルギー含有率はともに単調増加関数であるため、r2BはE’Bの関数gで表すことができる。 Here, I 'B shows the beam intensity distribution can be in position B by one sheet and the second sheet of the aspheric lens, a different intensity distribution and I B shown in Formula (1) - (13) is there. Considering the same as in the cases (1) to (13), since the energy content is a monotonically increasing function, r 2B can be represented by a function g of E ′ B.
式(9)〜(12)と同様に解くと、Cの位置で必要な位相分布Φ2は式(20b)で示される。 Solving in the same manner as equations (9) to (12), the phase distribution Φ 2 required at the position of C is expressed by equation (20b).
従って、2枚目の非球面レンズ5を用いて、位相分布をΦCからΦ2に変換することにより、位置Bで所望のビーム強度分布I’Bを得ることができる。
Therefore, by using the second
なお本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として2つの非球面レンズ4,5を使用した例を説明したが、3つ以上の非球面レンズを使用することも可能である。
In the present embodiment, the example in which the two
実施の形態2.
図7は、本発明の第2実施形態を示す構成図である。レーザ加工装置は、ガスレーザや固体レーザなどのレーザ発振器1と、レーザ発振器1から出射されるレーザビームを加工対象ワークまで伝達するためのレーザビーム光学系LAなどで構成される。
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. The laser processing apparatus includes a
レーザ発振器1は、レーザ媒質と光共振器などを含み、必要に応じて出力向上のための光増幅器が組み込まれており、図1ではレーザビームを外部へ出力するための取り出しミラー2を示している。
The
レーザビーム光学系LAは、転写光学系17と、第1のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ4と、第2のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ5と、レンズ6と、倍率可変転写光学系7と、マスク8と、加工レンズ9などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。なお、必要に応じて光軸を屈曲させるための折れ返しミラーや光路長を調整するためのリレーレンズなどが介在しても構わない。
The laser beam optical system LA includes a transfer
転写光学系17は、複数のレンズを含み、レーザ発振器1からのレーザビームを非球面レンズ4に伝達する。非球面レンズ4,5は、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。レンズ6は、非球面レンズ4の像面位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換する。
The transfer
倍率可変転写光学系7は、変倍ビームエキスパンダなどで構成され、レンズ6上でのビーム強度分布を所望の倍率で拡大または縮小して、マスク8上に転写する。マスク8は、円形や矩形などのアパーチャを有し、レーザビームを部分的に遮断することによってビーム整形を行う。加工レンズ9は、ワークWの直前に配置される対物レンズであり、マスク8を通過したビームを縮小転写する。
The variable magnification transfer
こうした構成により、レーザ発振器1の取り出しミラー2でのビームプロファイルは、転写光学系17によって非球面レンズ4上に転写され、非球面レンズ4でのビームプロファイルは、非球面レンズ5によってレンズ6上に整形されたビームプロファイルを形成し、レンズ6でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系7によってマスク8上に転写され、マスク8でのビームプロファイルは、加工レンズ9によってワークW上に転写される。
With this configuration, the beam profile at the
図8は、転写光学系17の機能を示す説明図である。レーザ発振器1の取り出しミラー2が、熱による屈折率変化などに起因してレンズ効果が生ずると、取り出しミラー2から出射するレーザビームの発散角が変動する。図8に示すビーム18は初期のビームであり、ビーム19はレンズ効果によって発散角が変動したビームである。また、取り出しミラー2の製作誤差や汚れにより光吸収率のばらつきが生じた場合も、レーザビームの発散角が変動することがある。
FIG. 8 is an explanatory view showing the function of the transfer
次に、転写光学系17の設計手法について説明する。転写光学系17は、取り出しミラー2直後のビームを後段の非球面レンズ4に転写する機能を有し、その光線行列ABCDのB要素がゼロの値となる光学系である。
Next, a design method for the transfer
取り出しミラー2の位置でのビームパラメータQ0は、行列ABCDを用いた下記の式(21)によって非球面レンズ4でのビームパラメータQ1に変換される。ビームパラメータQは、式(22)のように、レーザ波長λ、ビーム曲率半径R、ビーム半径ω、虚数単位jで表され、さらにパラメータP,Ωで書き換えられる。
The beam parameter Q 0 at the position of the
そこで、式(22)を式(21)に代入し、非球面レンズ4の位置でのパラメータΩ1について整理する。
Therefore, Equation (22) is substituted into Equation (21), and the parameter Ω 1 at the position of the
ここで、Ω0は取り出しミラー直後のビーム径、P0は取り出しミラー直後のビーム発散角、Ω1は非球面レンズ4の位置でのビーム径を意味する。
Here, Ω 0 means the beam diameter immediately after the extraction mirror, P 0 means the beam divergence angle immediately after the extraction mirror, and Ω 1 means the beam diameter at the position of the
転写光学系17の場合、光線行列ABCDのB要素がゼロであることから、ビーム径Ω1はビーム径Ω0と行列ABCDのA要素によって決定される。このことは、図8に示すように、取り出しミラー2から出射するレーザビームの発散角が変動したとしても、非球面レンズ4に転写されるビーム径Ω1は変化しないことを意味する。
In the case of the transfer
従って、レーザ発振器1の取り出しミラー2の性能が寸法誤差や熱ひずみによって変動し、取り出しミラー2から出射されるビームの発散角が変動したとしても、転写光学系17を採用することによって、非球面レンズ4でのビーム径を一定に維持することができ、さらに非球面レンズ4,5によって整形されたビーム形状も安定化することができる。
Therefore, even if the performance of the
図9は、転写光学系17の一例を示す構成図である。転写光学系17は、2枚のレンズ22,23などで構成され、レンズ22とレンズ23との間の距離をL2に設定し、取り出しミラー2とレンズ22との間の距離をL1に設定し、レンズ23と非球面レンズ4との間の距離をL3に設定している。
FIG. 9 is a configuration diagram illustrating an example of the transfer
ここで、レンズ22の焦点距離をf1、レンズ23の焦点距離をf2として、下記の式(24)が成立するように、距離L1,L2,L3および焦点距離f1,f2を決定することにより、ビーム発散角の変動の影響を排除できる転写光学系を実現できる。
Here, assuming that the focal length of the
なお本実施形態では、転写光学系17として2つのレンズ22,23を使用した例を説明したが、3つ以上のレンズを使用することも可能である。
In the present embodiment, the example in which the two
実施の形態3.
図10は、本発明の第3実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図7と同様に、取り出しミラー2を含むレーザ発振器1と、レーザビーム光学系LAなどで構成される。レーザビーム光学系LAは、図7に示した転写光学系17とは異なる光学特性を有する転写光学系24と、以下、図7に示した非球面レンズ4、非球面レンズ5、レンズ6、倍率可変転写光学系7、マスク8および加工レンズ9などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。
FIG. 10 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention. As in FIG. 7, the laser processing apparatus of the present embodiment includes a
図11は、転写光学系24の機能を示す説明図である。転写光学系24は、取り出しミラー2から距離LVIだけ前方に隔てた位置VIでのビームプロファイルを非球面レンズ4上に転写するように構成される。図11において、符号20は、熱の影響を受ける前、すなわち初期ビーム18の発振器取り出しミラー直後のビーム波面曲率と、発振器取り出しミラーの熱の影響により波面曲率が変動したビーム19の発振器取り出しミラー直後のビーム波面曲率との平均の波面曲率を持つビームの、幾何光学的なビーム伝播の様子を示す。この波面曲率を持つ幾何光学的ビーム20の発振器取り出しミラーより手前の焦点位置をVIとする。つまり、このとき発振器取り出しミラーはないものとする。このVIの位置の一点から出射されたビーム20が、転写光学系24を通って非球面レンズ4上の一点に集光される幾何光学的なビームを示したものが符号21である。つまり転写光学系24は、このVIの位置のビームプロファイルを非球面レンズ上に転写する光学系となっている。
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the function of the transfer
符号20で示されるビームは初期ビーム18と波面曲率が変動したビーム19の平均の波面曲率を持っているため、ビームが符号18から符号19に変化したときビームプロファイルの変動は共振器取り出しミラーの手前ではVIの位置で最も小さくなる。つまりVIの位置のビームを非球面レンズに転写する転写光学系24を採用することにより、非球面レンズ上のビーム径の変動を最小限に抑えることができる
Since the beam indicated by
次に、転写光学系24の設計手法について説明する。位置VIから取り出しミラー2までの距離LVIは、下記の式(25)によって表される。但し、初期ビーム18の波面曲率をP0、取り出しミラー2の熱の影響を受けたビーム19の波面曲率をP1とする。
Next, a design method for the transfer
取り出しミラー2の熱の影響が小さい場合は、P1の値はP0の値を採用してもよい。この場合、式(25)は1/LVI=−P0となる。また、転写光学系24の光線行列ABCDは、下記の式(26)を満たすようにする。
If the influence of
例えば、P0=0.1411(m−1)、P1=0.0411(m−1)の場合、LVI=−10.98mとなる。この場合、式(26)は下記の式(27)が成り立つ。 For example, when P 0 = 0.1411 (m −1 ) and P 1 = 0.0411 (m −1 ), L VI = −10.98 m. In this case, the following equation (27) holds for the equation (26).
LVIの値は、−1(m−1)≦1/LVI≦1(m−1)を満たす範囲が好ましい。 The value of L VI, the range satisfying -1 (m -1) ≦ 1 / L VI ≦ 1 (m -1) is preferred.
図12は、転写光学系24の一例を示す構成図である。転写光学系24は、2枚のレンズ25,26などで構成され、レンズ25とレンズ26との間の距離をL2に設定し、取り出しミラー2とレンズ25との間の距離をL1に設定し、レンズ26と非球面レンズ4との間の距離をL3に設定している。
FIG. 12 is a configuration diagram illustrating an example of the transfer
ここで、レンズ25の焦点距離をf1、レンズ26の焦点距離をf2として、下記の式(28)が成立するように、距離L1,L2,L3および焦点距離f1,f2を決定することにより、ビーム発散角の変動の影響を排除できる転写光学系を実現できる。
Here, assuming that the focal length of the
なお本実施形態では、転写光学系24として2つのレンズ25,26を使用した例を説明したが、3つ以上のレンズを使用することも可能である。
In this embodiment, the example in which the two
実施の形態4.
図13は、本発明の第4実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図1と同様に、取り出しミラー2を含むレーザ発振器1と、レーザビーム光学系LAなどで構成される。レーザビーム光学系LAは、図1に示した転写光学系3と、第1のビーム強度分布変換素子として機能するフレネルレンズ4aと、第2のビーム強度分布変換素子として機能するフレネルレンズ5aと、以下、図1に示したレンズ6、倍率可変転写光学系7、マスク8および加工レンズ9などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。
FIG. 13 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention. As in FIG. 1, the laser processing apparatus of the present embodiment includes a
フレネルレンズ4aは図1に示した非球面レンズ4と同様な機能を有し、フレネルレンズ5aは図1に示した非球面レンズ5と同様な機能を有し、これらのフレネルレンズ4a,5aは、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。
The Fresnel lens 4a has the same function as the
こうした構成において、レーザ発振器1の取り出しミラー2でのビームプロファイルは、転写レンズ系3によってフレネルレンズ4a上に転写され、フレネルレンズ4aでのビームプロファイルは、フレネルレンズ5aによってレンズ6上に転写され、レンズ6でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系7によってマスク8上に転写され、マスク8でのビームプロファイルは、加工レンズ9によってワークW上に転写される。
In such a configuration, the beam profile at the
図14は、フレネルレンズ4a,5aの設計手法を示す説明図である。図14(a)は、レンズの非球面形状の一例を示し、波面曲率ゼロの光が入射する様子を2π間隔の等位相波面で示している。レンズ面形状のピークを基準位置として、2π間隔の等位相波面でレンズ面を輪切りにして、分割したレンズ厚みを位相周期の整数倍だけ引き算し、基準位置から一周期までの範囲で再び接合すると、図14(b)に示す断面形状が得られ、残りのレンズ面を平面状に形成した場合、図14(c)に示すような断面形状を有するフレネルレンズが得られる。フレネルレンズは、正面から見ると光軸を中心とした輪帯状の曲面が多数形成されており、これらは単レンズと同等な集光作用を有する。 FIG. 14 is an explanatory diagram showing a design method for the Fresnel lenses 4a and 5a. FIG. 14A shows an example of the aspherical shape of the lens, and shows a state where light having a wavefront curvature of zero is incident with an equiphase wavefront at intervals of 2π. When the lens surface shape peak is used as a reference position, the lens surface is cut into circles with equiphase wavefronts at intervals of 2π, and the divided lens thickness is subtracted by an integral multiple of the phase period, and then joined again within the range from the reference position to one period. When the cross-sectional shape shown in FIG. 14B is obtained and the remaining lens surfaces are formed in a flat shape, a Fresnel lens having a cross-sectional shape as shown in FIG. 14C is obtained. When viewed from the front, the Fresnel lens has a large number of ring-shaped curved surfaces centered on the optical axis, and these have a light-collecting action equivalent to that of a single lens.
従って、フレネルレンズ4aは、非球面レンズ4と同様に、ガウシアン形状のビーム強度分布を有するレーザビームをレンズ6の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Poに整形することができる。また、フレネルレンズ5aは、非球面レンズ5と同様に、フレネルレンズ4aとの組合せによって、レンズ6の位置でのビーム強度分布Poを凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現することができる。さらに、フレネルレンズ5aの位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、フレネルレンズ4aの像面位置におけるビーム強度分布Poを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークW上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。
Accordingly, the Fresnel lens 4 a can shape a laser beam having a Gaussian-shaped beam intensity distribution into a top-hat-shaped beam intensity distribution Po at the position of the
また、フレネルレンズ4a,5aは、光学素子自体の薄型化が可能であるため、光学系全体の小型化、軽量化が図られる。 Further, since the Fresnel lenses 4a and 5a can reduce the thickness of the optical element itself, the entire optical system can be reduced in size and weight.
本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として2つのフレネルレンズ4a,5aを使用した例を説明したが、3つ以上のフレネルレンズを使用することも可能であり、さらに非球面レンズとフレネルレンズとの組合せも可能である。 In the present embodiment, the example in which the two Fresnel lenses 4a and 5a are used as the beam intensity distribution conversion element has been described. However, it is possible to use three or more Fresnel lenses, and further, an aspheric lens, a Fresnel lens, Combinations of these are also possible.
実施の形態5.
図15は、本発明の第5実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図1と同様に、取り出しミラー2を含むレーザ発振器1と、レーザビーム光学系LAなどで構成される。レーザビーム光学系LAは、図1に示した転写光学系3と、第1のビーム強度分布変換素子として機能する位相シフトマスク4bと、第2のビーム強度分布変換素子として機能する位相シフトマスク5bと、以下、図1に示したレンズ6、倍率可変転写光学系7、マスク8および加工レンズ9などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。
FIG. 15 is a block diagram showing a fifth embodiment of the present invention. As in FIG. 1, the laser processing apparatus of the present embodiment includes a
位相シフトマスク4bは図1に示した非球面レンズ4と同様な機能を有し、位相シフトマスク5bは図1に示した非球面レンズ5と同様な機能を有し、これらの位相シフトマスク4b,5bは、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。
The phase shift mask 4b has the same function as the
こうした構成において、レーザ発振器1の取り出しミラー2でのビームプロファイルは、転写レンズ系3によって位相シフトマスク4b上に転写され、位相シフトマスク4bでのビームプロファイルは、位相シフトマスク5bによってレンズ6上に転写され、レンズ6でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系7によってマスク8上に転写され、マスク8でのビームプロファイルは、加工レンズ9によってワークW上に転写される。
In such a configuration, the beam profile at the
図16は、位相シフトマスク4b,5bの設計手法を示す説明図である。図16(a)は、レンズの非球面形状の一例を示し、波面曲率ゼロの光が入射する様子をπ間隔の等位相波面で示している。レンズ面形状のピークを基準位置として、3π間隔の等位相波面でレンズ面を輪切りにして、分割したレンズ厚みを位相周期の整数倍だけ引き算し、基準位置から一周期までの範囲で再び接合すると、図16(b)に示す断面形状が得られる。さらに、基準位置から位相πまでの範囲にある曲面は基準位置での平面に変換し、位相πから位相2πまでの範囲にある曲面は位相πの位置での平面に変換し、位相2πから位相3πまでの範囲にある曲面は位相2πの位置での平面に変換すると、図16(c)に示す断面形状が得られる。そして、光出射面を平面状に形成した場合、図16(d)に示すような断面形状を有する位相シフトマスクが得られる。位相シフトマスクは、所定の屈折率を有する透明材料で形成され、正面から見ると光軸を中心とした輪帯状の平面が多数形成されており、これらは全体として単レンズと同等な集光作用を有する。 FIG. 16 is an explanatory diagram showing a design method of the phase shift masks 4b and 5b. FIG. 16A shows an example of the aspherical shape of the lens, and the appearance of light having a wavefront curvature of zero is shown as an equiphase wavefront with π intervals. When the lens surface shape peak is used as a reference position, the lens surface is cut into circles with equiphase wavefronts at intervals of 3π, and the divided lens thickness is subtracted by an integral multiple of the phase period, and then joined again within the range from the reference position to one period. The cross-sectional shape shown in FIG. 16B is obtained. Furthermore, a curved surface in the range from the reference position to the phase π is converted into a plane at the reference position, and a curved surface in the range from the phase π to the phase 2π is converted into a plane at the position of the phase π, and the phase from the phase 2π to the phase When a curved surface in the range up to 3π is converted into a plane at the position of phase 2π, the cross-sectional shape shown in FIG. 16C is obtained. When the light emission surface is formed in a planar shape, a phase shift mask having a cross-sectional shape as shown in FIG. The phase shift mask is made of a transparent material having a predetermined refractive index, and when viewed from the front, a large number of ring-shaped planes centered on the optical axis are formed. Have
従って、位相シフトマスク4bは、非球面レンズ4と同様に、ガウシアン形状のビーム強度分布を有するレーザビームをレンズ6の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Poに整形することができる。また、位相シフトマスク5bは、非球面レンズ5と同様に、位相シフトマスク4bとの組合せによって、レンズ6の位置でのビーム強度分布Poを凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現することができる。さらに、位相シフトマスク5bの位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、位相シフトマスク4bの像面位置におけるビーム強度分布Poを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークW上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。
Therefore, the phase shift mask 4b can shape a laser beam having a Gaussian-shaped beam intensity distribution into a top-hat-shaped beam intensity distribution Po at the position of the
また、位相シフトマスク4b,5b、光学素子自体の薄型化が可能であるため、光学系全体の小型化、軽量化が図られる。 Further, since the phase shift masks 4b and 5b and the optical element itself can be reduced in thickness, the entire optical system can be reduced in size and weight.
本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として2つの位相シフトマスク4b,5bを使用した例を説明したが、3つ以上の位相シフトマスクを使用することも可能であり、さらに非球面レンズ、フレネルレンズおよび位相シフトマスクの組合せも可能である。 In the present embodiment, an example in which two phase shift masks 4b and 5b are used as the beam intensity distribution conversion element has been described. However, three or more phase shift masks can be used, and an aspheric lens, Fresnel A combination of lens and phase shift mask is also possible.
また各実施形態において、レーザ発振器1として、CO2レーザ、YAGレーザ、YAG2倍高調波レーザ、YAG3倍高調波レーザまたはYAG4倍高調波レーザなどを使用することによって、高出力のレーザビームが得られるため、レーザ加工の作業効率を大幅に改善できる。
In each embodiment, a high output laser beam can be obtained by using a CO 2 laser, a YAG laser, a YAG second harmonic laser, a YAG third harmonic laser, a YAG fourth harmonic laser, or the like as the
1 レーザ発振器、 2 取り出しミラー、 3 転写レンズ系、
4,5 非球面レンズ、 4a,5a フレネルレンズ、
4b,5b 位相シフトマスク、 6 レンズ、 7 倍率可変転写光学系、
8 マスク、 9 加工レンズ、 17,24 転写光学系、
18,19,20,21 ビーム、 22,23,25,26 レンズ、
LA レーザビーム光学系、 W ワーク。
1 laser oscillator, 2 extraction mirror, 3 transfer lens system,
4,5 aspherical lens, 4a, 5a Fresnel lens,
4b, 5b phase shift mask, 6 lens, 7 magnification variable transfer optical system,
8 mask, 9 processing lens, 17, 24 transfer optical system,
18, 19, 20, 21 beams, 22, 23, 25, 26 lenses,
LA laser beam optical system, W work.
Claims (3)
取り出しミラーとビーム強度分布変換素子の間に設けられ、取り出しミラー上でのビーム像をビーム強度分布変換素子の上に転写するための転写光学系とを備え、
該転写光学系は、光線行列ABCDのB要素がゼロであることを特徴とするレーザビーム光学系。 A beam intensity distribution conversion element of an aspheric lens that converts the intensity distribution of the laser beam emitted from the take-out mirror of the laser oscillator into a shape in a range of a top hat shape and a concave shape ;
A transfer optical system provided between the take-out mirror and the beam intensity distribution conversion element and for transferring a beam image on the take-out mirror onto the beam intensity distribution conversion element ;
The transfer optical system is a laser beam optical system characterized in that the B element of the ray matrix ABCD is zero .
取り出しミラーとビーム強度分布変換素子の間に設けられ、取り出しミラーより手前の1/0.1411(m)以上で1/0.0411(m)以下の範囲内にあるビームプロファイルを、ビーム強度分布変換素子の上に転写するための転写光学系とを備えたことを特徴とするレーザビーム光学系。 A beam intensity distribution conversion element of an aspheric lens that converts the intensity distribution of the laser beam emitted from the take-out mirror of the laser oscillator into a shape in a range of a top hat shape and a concave shape ;
A beam profile provided between the take-out mirror and the beam intensity distribution conversion element and having a beam profile within a range of 1 / 0.1411 (m) to 1 / 0.0411 (m) in front of the take-off mirror A laser beam optical system comprising: a transfer optical system for transferring onto the conversion element.
請求項1または2記載のレーザビーム光学系とを備え、
レーザ発振器は、CO 2 レーザ、YAGレーザ、YAG2倍高調波レーザ、YAG3倍高調波レーザまたはYAG4倍高調波レーザで構成されることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser oscillator for generating a laser beam;
A laser beam optical system according to claim 1 or 2 ,
A laser processing apparatus , wherein the laser oscillator includes a CO 2 laser, a YAG laser, a YAG second harmonic laser, a YAG third harmonic laser, or a YAG fourth harmonic laser .
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