JP5444448B2 - 集光光学系及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
すなわち本発明は、レーザ光源で発生させたレーザ光を所望の焦点距離で集光させる集光光学系であって、
集光機能を有する第1の光学手段と、球面収差発生機能を有する第2の光学手段とからなると共に、
球面収差を発生させるように構成されており、
次式(a)及び(b)を満たすことを特徴とする。
(a)|Z8|≧0.1λ 又は |Z15|≧0.05λ
(b) Z8/Z15≧3 又は Z8/Z15<1
但し、λは波長、Z8は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第8番目の係数で3次の球面収差に対応し、Z15は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数で5次の球面収差に対応する。
(c)|Z8|<1.4λ
(d)|Z15|<0.5λ
この場合、長焦点深度と小さいスポットサイズを維持したまま、高い強度を得ることができる。
試作品2〜試作品11は、Z15=0、Z8/Z15=∞ で固定し、Z8を0.05λから1.20λへ除々に上げていき、−0.05λから−1.40λまで除々に下げたものである。
焦点深度をみると、Z8が0.05λでは81μmと短く(80μmを上回るが有意差が無いとの判断で試作品2の深度評価は×とした)、0.10λでは87μmと長くなり、これ以上になるとさらに長くなっていくことが認められる。また、Z8が−0.05λでは80μmと短く、−0.10λでは82μmと長くなり、これ以下になるとさらに長くなっていくことが認められる。
強度をみると、Z8が上がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、1.20λでは0.48という強度が維持されている。また、Z8が負になると、下がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、−1.4λでは0.47の強度が維持されている。
これらから、Z8に関しては、|Z8|≧0.1λという関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となり、|Z8|<1.4λという関係式を満たすことが強度を維持するための条件となる。
試作品12〜試作品20は、Z8=0、Z8/Z15=0 で固定し、Z15を0.05λから0.50λへ除々に上げていき、−0.05λから−0.40λまで除々に下げたものである。
焦点深度をみると、Z15が0.05λと0.10λでは80μmと短く、0.20λでは115μmと長くなり、これ以上になるとさらに長くなっていくことが認められる。また、Z8が−0.05λでは85μmと長くなり、これ以下になるとさらに長くなっていくことが認められる。但し、Z15=0.05λ(試作品12)、0.10λ(試作品13)は、半値全幅は80μmであるが、半値よりも低い強度レベルでの長焦点深度化が認められるので、深度判定を○とした。
強度をみると、Z15が上がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、0.50λでは0.43という強度が維持されている。また、Z15が負になると、下がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、−0.40λでは0.48という強度が維持されている。
これらから、Z15に関しては、|Z15|≧0.05λという関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となり、|Z15|<0.5λという関係式を満たすことが強度を維持するための条件となる。
試作品21〜試作品31は、Z15を上記で導いたZ15の条件である|Z15|≧0.05λ、|Z15|<0.5λを満たす−0.10λで固定し、さらに、上記で導いたZ8の条件である|Z8|≧0.1λ、|Z8|<1.4λを満たすことを前提として、Z8を−1.00λから0へ、0〜1.00λへ変えていき、Z8/Z15を10〜0、0〜−10の範囲で変化させたものである。
焦点深度をみると、Z8/Z15が10では145μmと長くなっており、Z8/Z15が下がるに従って短くなっていることが認められ、Z8/Z15が2と1では、80μm、82μmと短くなる(後者は80μmよりも長いが有意差は無いと判断されるので、試作品26の深度評価を×とした)。Z8/Z15が0になると88μmと長くなり、ここからZ8/Z15が上がるに従って次第に長くなっていくことが認められる。
強度をみると、Z8/Z15が10では0.62であり、Z8/Z15が10から1に向かって下がるに従って次第に高くなっていることが認められ、Z8/Z15が0から負へ下がるに従って次第に低くなっていくことが認められる。そして、Z8/Z15が−10では0.46の強度が維持されている。
これらから、Z8/Z15に関しては、Z8/Z15≧3 又は Z8/Z15<1という関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となる。強度に関しては、上記の|Z15|<0.5λあるいは|Z8|<1.4λを満たしていればよい。
非球面レンズが、小さいスポットサイズのままで長い焦点深度を得るには、次式(a)及び(b)を満たすことが条件となり、スポットの強度低下を起こさないためには、次式(a)及び(b)に加え、さらに次式(c)及び(d)を満たす設計をすればよい。
(a)|Z8|≧0.1λ 又は |Z15|≧0.05λ
(b) Z8/Z15≧3 又は Z8/Z15<1
(c)|Z8|<1.4λ
(d)|Z15|<0.5λ
一方、単一の球面レンズの場合は、一般に球面収差が残存している。球面レンズは2つの面の形状の違いから平凸レンズ、両凸レンズ、メニスカレンズの3つに分類される(凸レンズの場合)。これら各球面レンズのZ8、Z15、Z8/Z15は、例えば図34に示すグラフのようになる。
上述した集光光学系を備えるレーザ加工光学装置1でプリント基板10に穴開け加工をする場合、レーザ発振器2により発生したレーザ光は、レーザ発振器2のシャッタにより放出され、レーザ発振器2の近傍に設けられた2枚のベントミラー4により進行方向が変えられ、非球面位相プレート7を通り、二枚のガルバノミラー8で偏向されてfθレンズ6へ導かれる。ガルバノミラー8を出射したレーザ光が、fθレンズ6で収束され当該fθレンズ6がもつ焦点距離に従ってプリント基板7に照射される。そして、ガルバノミラー8が、レーザ光の進行方向を振る(レーザ光を走査する)ことにより、プリント基板10上のレーザ光入射位置を変化させ、プリント基板10に複数の穴開け加工が行われる。
2 レーザ発信器
3 集光光学系
6 fθレンズ(第1の光学手段)
7 非球面位相プレート(第2の光学手段)
8 ガルバノミラー
10 プリント基板
Claims (5)
- レーザ光源で発生させたレーザ光を所望の焦点距離で集光させる集光光学系であって、
集光機能を有する第1の光学手段と、球面収差発生機能を有する第2の光学手段とからなると共に、
球面収差を発生させるように構成されており、
次式(a)及び(b)を満たすことを特徴とする集光光学系。
(a)|Z8|≧0.1λ 又は |Z15|≧0.05λ
(b) Z8/Z15≧3 又は Z8/Z15<1
但し、λは波長、Z8は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第8番目の係数で3次の球面収差に対応し、Z15は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第15番目の係数で5次の球面収差に対応する。 - 更に、次式(c)及び(d)を満たす請求項1に記載の集光光学系。
(c)|Z8|<1.4λ
(d)|Z15|<0.5λ - 前記第2の光学手段が、非球面位相プレート又は回折型位相プレートよりなる請求項1又は2に記載の集光光学系。
- ポリゴンミラー又はガルバノミラーよりなるレーザ光偏向手段を備え、前記第1の光学手段がfθレンズである請求項1〜3のいずれか一項に記載の集光光学系。
- レーザ光を発生させるレーザ発振器と、このレーザ発振器から出射される前記レーザ光を伝送する伝送光学系と、前記レーザ光を加工対象物の加工位置に集光させる請求項1〜4のいずれか一項に記載の集光光学系とを備えること特徴とするレーザ加工装置。
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