JP5767315B2 - レーザー光をフォーカシングするためのビーム整形ユニット、および、ビーム整形ユニットの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光をフォーカシングするためのビーム整形ユニット、および、ビーム整形ユニットの駆動方法に関する。

レーザー材料加工の分野では、レーザー光を種々のプロセスおよびアプリケーションに対して繰り返し適合させなければならない。そのつど必要な出力レベルを調整することに加え、特に、レーザー光の焦点直径および焦点位置の調整も重要である。多くの場合、例えば、レーザー切削において、薄い金属板から厚い金属板へもしくは厚い金属板から薄い金属板へ材料が変化する場合には、レーザー光の適合化のために、処理光学系ないし加工ヘッド全体の交換が必要となる。この交換による損失時間は、使用されているレーザー材料加工装置の生産性を低下させる。

レーザー光の最小ビーム径の動作点で種々の焦点直径を調整するために、日本国公開第２００９−２２６４７３号から、拡散性のレーザー光をまず可動集光レンズへ入射させる装置および方法が公知である。光伝搬方向で後置されるフォーカシング光学系によって被加工材上に結像される焦点直径は、光伝搬方向での集光レンズの位置に依存して、すなわち、レーザー光軸に沿って、調整可能である。ただし、焦点直径の変化によって焦点位置も影響を受けるので、一定の動作点を得るには、この焦点位置を事後調整しなければならない。これは例えば集光レンズとフォーカシング光学系とのあいだに配置されたアダプティブミラーによって行われ、その可変の曲率半径によって、焦点位置の事後調整が可能となる。しかし、アダプティブミラーによって実現可能な事後調整領域は比較的小さい。結像品質を良好に保持しようとすれば、焦点距離２００ｍｍの集光レンズの事後調整領域は１０ｍｍより小さくなる。また、アダプティブミラーの別の欠点として、煩雑な形状が挙げられ、この場合、線形の装置構造が不可能となってしまう。

上掲の日本国公開第２００９−２２６４７３号には、アダプティブミラーの使用に代えて、集光レンズに似たフォーカシング光学系を光伝搬方向で可動となるように配置し、焦点直径の変化に応じて焦点位置を適合化することも示されている。しかし、フォーカシング光学系を移動させるには、精密なガイドエレメントはもちろん、フォーカシング光学系の移動時に光学空間を気密に封止するための封止部材も必要となる。こうした要求のためにビームガイド装置の構造は複雑となる。また、フォーカシング光学系のうち光学空間の反対側で支配的なガス圧のために、相応の移動も簡単には実現されない。

発明が解決しようとする課題
したがって、本発明の課題は、構造技術的に簡単で、焦点直径および焦点位置をフレキシブルに調整できるビーム整形ユニットおよびその駆動方法を提供することである。特に、焦点位置を後方領域へ拡張できることが望ましい。

対象発明
この課題は、レーザー材料加工のためのレーザー光を被加工材へフォーカシングするために、レーザー光の入射する第１の光学素子と、光伝搬方向で第１の光学素子に後置される第２の光学素子と、光伝搬方向で第２の光学素子に後置されるフォーカシング光学系と、第１の光学素子に対応し、この第１の光学素子を制御することによって焦点直径を設定する第１の焦点設定装置と、第２の光学素子に対応し、この第２の光学素子を制御することによってレーザー光の光伝搬方向での焦点位置を設定する第２の焦点設定装置とを備える、本発明のビーム整形ユニットにおいて、レーザー光が第１の光学素子を通り中間焦点を経て第２の光学素子へ結像されることにより解決される。

本発明のごとく、第１の光学素子と第２の光学素子とのあいだに中間焦点を設けることにより、焦点直径を大きな範囲にわたって変化させることができる。このために、有利な実施形態では、第１の光学素子は、透過性光学素子、特にレンズとして形成されており、この透過性光学素子は、５０ｍｍより小さい焦点距離、有利には４０ｍｍよりも小さい焦点距離、特に有利には約３０ｍｍ程度の焦点距離を有する。

有利には、第１の光学素子は、自身に対応する、焦点直径を設定するための第１の焦点設定装置により、レーザー光の光軸に沿って移動可能である。このために、第１の焦点設定装置は、モータもしくは同等の駆動手段を備えている。

また、有利には、第２の光学素子も、有利には透過性光学素子、特にレンズとして形成されている。ビーム整形ユニットにおいて、第１の光学素子からフォーカシング光学系までのあいだに各透過性光学素子を配置して用いることにより、ビーム整形ユニットのリニア型構造が達成され、ユニットの複雑さおよび大きな寸法を低減できる。

本発明の特に有利な実施形態では、第２の光学素子は、第１の光学素子と同様に、対応する第２の焦点設定装置により、レーザー光の光軸に沿って移動可能である。第１の焦点設定装置および第２の焦点設定装置の各移動過程は、相互に結合されていても相互に独立であってもよい。

これに代えて、第２の光学素子の曲率半径ひいては第２の光学素子の結像特性を、第２の焦点設定装置により変更して、焦点位置を調整することができる。この場合、有利には、第２の光学素子は、結像特性を変更する第２の焦点設定装置と協働するアダプティブレンズとして構成される。ここでの協働は、例えば、レンズの曲率半径を変更してアダプティブレンズにかかる圧力を調整することにより行われる。

第１の焦点設定装置および第２の焦点設定装置の双方とも、焦点直径および／または焦点位置を調整するために、制御ユニットにより、特にプロセス監視装置の測定データに基づくアプリケーション固有の設定値およびその時点の補正値に基づいて、駆動可能である。ここで、アプリケーション固有の設定値とは、所定の加工タスクに対して設定すべき光特性であって、場合により、設定から生じる焦点直径と焦点位置との相互作用を少なくとも１つのパラメータの変化時に考慮ないし補償するものである。これとは異なり、その時点の補正値は、プロセス中に、例えばビーム整形ユニットの個々の部品の結像特性の熱誘導変化によって、もしくは、ビーム整形ユニットと被加工材との距離変化によって生じる。距離変化は被加工材に形成される輪郭に基づいて補償しなければならない。相応の制御ユニットは、ビーム整形ユニットの要素であっても、周辺部品、例えばビーム整形ユニットを含むレーザー材料加工装置の一部のいずれであってもよい。

有利な実施形態では、さらに、第１の光学素子および第２の光学素子およびこれらの支承部材によって複数の室に分割されたケーシングが設けられ、複数の室間にガス交換および圧力交換のための上方流路が設けられる。これは、ビーム整形ユニットからフォーカシング光学系にいたるまでの領域において純粋空間条件の生じる状況を考慮してなされる。ただし、第１の光学素子および／または第２の光学素子の移動により、可変の室内ボリュームが規定されるのであれば、上方流路なしでも、相応の正圧状況もしくは負圧状況を生じさせることができる。

有利には、ビーム整形ユニットは、レーザー材料加工装置、特にレーザー切削機の加工ヘッドに組み込まれるか、もしくは、加工ヘッドの少なくとも１つの要素となっている。フォーカシング光学系と処理加工すべき被加工材とのあいだには、光伝搬方向でフォーカシング光学系に後置される別の光学系が配置されている。この別の光学系は、特には、ビーム整形ユニットをガス圧に対して遮閉するための保護ガラス（プレーンウィンドウ）である。プレーンガラスパラレルウィンドウの形態の保護ガラスは、ビーム整形ユニットもしくは加工ヘッド内に支承されている。これにより、一方では、ビーム整形ユニットをガス圧に対して封止でき、他方では、レーザー光を事後的にセンタリングする必要なく、加工位置に面する光学系（ここでは保護ガラス）を交換したり洗浄したりできる。

本発明の有利な実施形態では、フォーカシング光学系と別の光学系とのあいだに、衝突防止のための分離部が設けられ、分離部の領域は弾性を有するシースによって覆われる。衝突防止は、過負荷時に、保護ガラスの支承部材とフォーカシング光学系とのあいだを分離することにより達成される。分離が行われる領域は弾性を有するシース、例えばアコーディオン式緩衝材によって包囲されるので、分離後には、保護ガラスとフォーカシング光学系とのあいだの領域、特にフォーカシング光学系上には、粒子が侵入しない。

本発明のビーム整形ユニットは、有利には、レーザー材料加工装置で使用される。レーザー材料加工装置のレーザー光源はソリッドステートレーザーであり、約１μｍの近赤外領域のレーザー基本波長を有するレーザーである。こうした構造の装置では、レーザー光源からビーム整形ユニットないし加工ヘッドまでのレーザー光の供給は、有利には、輸送ファイバを介して行われる。ビーム整形ユニットの第１の光学素子は光伝搬方向で見て輸送ファイバに続いて配置されているため、レーザー光は第１の光学素子へ向かって拡散するように出射される。

本発明は、さらに、複数の焦点設定装置をアプリケーション固有の設定値に基づいて駆動する、前述したビーム整形ユニットの駆動方法にも関する。本発明によれば、複数の焦点設定装置を駆動する際に、その時点の補正値が考慮される。

このために、制御ユニットが設けられており、第１の焦点設定装置および第２の焦点装置に対して、加工点でのフォーカシングに関する所望の光特性が得られるよう、第１の光学素子および／または第２の光学素子を制御するための制御信号を設定する。ここで、制御ユニットは、アプリケーション固有の設定値およびその時点の補正値にアクセス可能である。前述したように、アプリケーション固有の設定値とは、所定の加工タスクに対して設定すべき光特性であって、場合により、設定から生じる焦点直径と焦点位置との相互作用を少なくとも１つのパラメータの変化時に考慮ないし補償するものである。こうした相互作用の補償のために、制御ユニットは、例えば、格納されている複数の特性マップもしくは関係機能部を利用する。さらに、定義された限界値が超過された場合にのみ補償が行われるようにしてもよい。また、考慮されるべきその時点の補正値を、例えば光出力および照射時間に依存して場合により設けられるプロセス監視部の測定データもしくは特性マップから取得してもよい。

本発明の方法の有利な実施形態では、その時点の補正値が用いられて、熱によってビーム整形ユニットに発生する結像誤差が補償される。結像誤差は、特に、光成分の照射時間および／または汚れの増大につれて発生し、望ましくない焦点位置の変化を引きおこす。補正値を求めて各焦点設定装置を駆動するための相応の制御信号を形成する際には、少なくとも１つのパラメータが変化する場合の焦点直径と焦点位置との既知の相互作用が考慮される。

有利には、その時点の補正値は、照射時間と、ビーム整形ユニットの少なくとも１つの光学部品に供給されるレーザーパワーとに基づいて求められる。熱によって生じる結像誤差は、この場合、レーザーパワーおよび照射時間に依存して、例えば制御ユニット内に格納される。

これに代えて、その時点の補正値が、ビーム整形ユニットの少なくとも１つの光学部品での温度測定によって求められてもよい。実際の測定温度は、熱によって生じる結像誤差に相関する。特に有利には、温度は少なくとも１つの光学部品の中心で求められる。ここでの測定は当業者に周知の非接触の測定手段（温度センサ）によって行われる。

温度測定に関する特に有利な実施形態として、レーザー光の光伝搬方向の最後方に配置された光学部品すなわちフォーカシング光学系もしくは保護ガラスの温度測定のみが行われる。この場合、求められた補正値により、レーザーパワーおよび照射時間に起因して保護ガラスの吸収度が高まることによる焦点位置ずれだけでなく、プロセスでの汚れに起因して保護ガラスの吸収度が高まることによる焦点位置のずれも考慮される。このような保護ガラスの監視により、温度測定によって汚れの度合も求められ、あらかじめ定義された限界値に達した場合のプロセスの遮断が保証される。また、さらなる信号処理の際にも、温度測定値を焦点位置の制御に利用することができる。

その時点の補正値は熱によって結像誤差が生じる場合の焦点位置に関連するので、補償に用いられる制御信号は、通常、第２の焦点設定装置のみに伝達される。

本発明のその他の利点は、図示の実施例から得られる。上述した本発明の各特徴は、単独でも任意に組み合わせても利用可能である。なお、図示の実施例は説明のための例であり、本発明を限定するものではない。

焦点直径ないし焦点位置を３つの異なる値に設定した場合のビーム整形ユニットの実施例を示す概略図である。 図１のａ，ｂ，ｃのビーム整形ユニットをケーシング内に集積した構造の装置を示す図である。

図１のａには、拡散性のレーザー光３を小さい焦点距離（典型的には約５０ｍｍより短く、特には約３０ｍｍ前後）を有する第１のレンズ５へ照射し、中間焦点６を介して、ビーム径Ｄ_１の第２のレンズ７へ結像するビーム整形ユニット１が示されている。第２のレンズ７によってコリメートされるレーザー光３は、フォーカシング光学系８として用いられる定置の別のレンズを介して、レーザー材料加工のための被加工材表面９へフォーカシングされる。被加工材表面９での作業点に形成されるレーザー焦点はここでは径ｄ_１を有する。

アプリケーションの交換時、例えば、切削すべき被加工材である金属板の厚さが変わった場合もしくは金属板の材料が変わった場合には、被加工材９上の焦点直径ｄ_１を変更する必要がある。例えば、より小さな焦点直径ｄ_２（ｄ_２＜ｄ_１）を選定しなければならない。

焦点直径を種々に設定するために、ビーム整形ユニット１には第１の焦点設定装置１０が設けられている。この第１の焦点設定装置１０は、（図示されていない）駆動機構、例えばリニアモータによって、第１のレンズ５をレーザー光３の光軸１１に沿って移動させることができる。

図１のｂに示されているように、レーザー光３の光伝搬方向における光軸１１に沿った第１のレンズ５の移動量がΔＺ_Ｌ１であるとき、第２のレンズ７上に生じるレーザー光３の光直径は低減される（Ｄ_２＜Ｄ_１）。第１のレンズ５の移動量ΔＺ_Ｌ１は、ここでは、第２のレンズ７の光直径の低減（Ｄ_１からＤ_２への低減）によって焦点直径の所望の低減（ｄ_１からｄ_２への低減）が生じるように選定される。

さらに図１のｂからわかるように、第１のレンズ５の移動量はレーザー光３の光伝搬方向における焦点位置の移動量ΔＺ_Ｆを生じさせる。焦点位置の移動量ΔＺ_Ｆを補償してレーザー焦点を再び被加工材表面９に位置決めするには、第２の焦点設定装置１２が用いられ、第２のレンズ７が光伝搬方向でレーザー光３の光軸１１に沿って値ΔＺ_Ｌ２だけ移動される。この値は、被加工部材側の焦点位置が被加工材表面９の作業位置に再び一致するように選定されている。このことは、図１のｃに示されている。この場合、第２のレンズ７の位置変更によって焦点位置が変化するが、焦点直径ｄ_２は変化しない。第２のレンズ７が（設定可能な曲率半径を有する）アダプティブレンズであるなら、第２のレンズ７の移動に代えてもしくはこれに加えて、第２の焦点設定装置１２によって第２のレンズ７の曲率を調整することによっても、焦点位置の移動量ΔＺ_Ｆの補償を行うことができる。

図２には、ビーム整形ユニット１がケーシング２に組み込まれた状態で示されている。ここには、近赤外領域の約１μｍのレーザー基本波長を有するレーザー光３が輸送ファイバ４を介して入力される。焦点設定装置１０，１２のほか、ずれが起こったときにレーザー光３の光軸１１に沿って第１のレンズ５ないし第２のレンズ７をガイドするため、それぞれ、レンズ支承部材１３，１４が設けられている。レンズ支承部材１３，１４は、レンズ５，７が移動される場合にも、ケーシング２に密に固定されているので、２つのレンズ５，７およびレンズ支承部材１３，１４とともに、３つの室１７，１８，１９を画定している。第１のレンズ５ないし第２のレンズ７をガイドするレンズ支承部材１３，１４は、ここでは、レンズ５，７が移動した場合に室１７，１８，１９間での圧力補償を行うための上方流路１５，１６を有している。

フォーカシング光学系８の光伝搬方向において、ビーム整形ユニット１の後方に、保護ガラス／圧力ウィンドウ２０が配置されている。詳細には図示されていないが、衝突保護部も設けられており、これにより、フォーカシング光学系８と保護ガラス／圧力ウィンドウ２０とのあいだの領域に衝突防止のための分離部２１ａが形成される。この分離部の近傍ではビーム整形ユニット１のケーシング２にアコーディオン式緩衝材２１が取り付けられているので、汚染粒子の侵入が阻止され、汚れが直接にフォーカシング光学系８に沈着するおそれがなくなる。

焦点設定装置１０，１２による焦点位置および焦点直径の設定は、制御ユニット２２が設定する制御信号によって行われる。この制御信号はアプリケーション固有の設定値２３およびその時点の補正値２４に基づいて定められる。設定値２３によって定められる制御信号は、第１の焦点設定装置１０および第２の焦点設定装置１２の双方へ供給され、第１のレンズ５および第２のレンズ７の相応の移動へ変換される。図２に示されているケースでは、その時点での補正値は、熱によって生じる結像誤差、ひいては、これが主としてもたらす焦点位置ずれを補償するためのものであり、よって、焦点位置ずれの補償のためのその時点の補正値の変化に基づいて用いられる制御信号は、第２の焦点設定装置１２のみに供給されればよい。

その時点の補正値に基づいて、定められた限界値が超過された場合にのみ、焦点位置ずれの補償が行われるので、焦点位置の変化がわずかな場合には、レンズ５，７の移動が阻止される。付加的に考慮されるその時点の補正値は、プロセス監視の測定データから得られる。この測定データは、図２に示されている実施例では、保護ガラス２０の温度監視のための温度センサ２５によって形成される。温度センサ２５によって測定された実際温度は、制御ユニット２２内で、相応に熱によって生じる結像誤差に相関しており、そこから、焦点位置を補正するためのその時点の補正値２４が計算される。

これに代えてもしくはこれに加えて、制御ユニット２２はその時点の補正値２４を求めるために、負荷に依存する特性マップを利用してもよい。この特性マップには、ビーム整形ユニット１ないしその個々の部品に熱によって生じる結像誤差が、レーザーパワーおよび照射時間に依存して格納されている。ここで、負荷に依存する特性マップと温度測定とを組み合わせることにより、保護ガラス２０の汚れを求め、その時点での補正値２４を求めて焦点位置制御を行うことに対する作用を考慮することができる。

詳細には図示されていない実施例において、アプリケーション固有の設定値２３を計算するための入力量として、その時点の補正値２４を利用することもできる。

Claims (12)

1. レーザー材料加工のために、レーザー光（３）を被加工材（９）へフォーカシングするビーム整形ユニット（１）であって、
   前記ビーム整形ユニット（１）は、
   拡散するレーザー光（３）の入射する第１の光学素子（５）と、
   光伝搬方向で前記第１の光学素子（５）に後置された第２の光学素子（７）と、
   前記光伝搬方向で前記第２の光学素子（７）に後置されたフォーカシング光学系（８）と、
   を含み、
   前記第１の光学素子（５）に、前記第１の光学素子（５）を制御することによって焦点直径（Ｄ）を設定する第１の焦点設定装置（１０）が対応しており、
   前記第２の光学素子（７）に、前記第２の光学素子（７）を制御することによって前記レーザー光（３）の光伝搬方向での焦点位置を設定する第２の焦点設定装置（１２）が対応している、
   ビーム整形ユニット（１）において、
   前記拡散するレーザー光（３）は、前記第１の光学素子（５）を通り、中間焦点（６）を経て、前記第２の光学素子（７）へ結像され、
   前記光伝搬方向で前記フォーカシング光学系（８）に後置される別の光学系（２０）が、前記ビーム整形ユニット（１）をガス圧に対して遮閉するために設けられており、
   前記フォーカシング光学系（８）と前記別の光学系（２０）とのあいだに、衝突防止のための分離部（２１ａ）が設けられており、前記分離部（２１ａ）の領域は弾性を有するシース（２１）によって覆われている、
   ことを特徴とするビーム整形ユニット（１）。
2. 前記第１の光学素子（５）は、５０ｍｍより小さい焦点距離を有するレンズ（５）によって形成されている、
   請求項１記載のビーム整形ユニット（１）。
3. 前記第１の光学素子（５）は、前記焦点直径（Ｄ）を設定する前記第１の焦点設定装置（１０）により、前記レーザー光（３）の光軸（１１）に沿って移動可能である、
   請求項１または２記載のビーム整形ユニット（１）。
4. 前記第２の光学素子（７）は、レンズ（７）によって形成されており、前記第２の光学素子（７）は、前記焦点位置を設定する前記第２の焦点設定装置（１２）により、前記レーザー光（３）の光軸（１１）に沿って移動可能である、および／または、その結像特性を変更可能である、
   請求項１から３までのいずれか１項記載のビーム整形ユニット（１）。
5. 前記第１の焦点設定装置（１０）および／または前記第２の焦点設定装置（１２）をアプリケーション固有の設定値（２３）およびその時点の補正値（２４）に基づいて駆動する制御ユニット（２２）が設けられており、前記設定値および前記その時点の補正値は、プロセス監視装置（２５）の測定データに基づいている、
   請求項１から４までのいずれか１項記載のビーム整形ユニット（１）。
6. さらに、前記第１の光学素子（５）および前記第２の光学素子（７）および各素子の支承部材（１３，１４）によって複数の室（１７，１８，１９）に分割されたケーシング（２）が設けられており、前記複数の室（１７，１８，１９）間でのガス交換および圧力交換のために上方流路（１５，１６）が設けられている、
   請求項１から５までのいずれか１項記載のビーム整形ユニット（１）。
7. 前記ビーム整形ユニット（１）は、光伝搬方向で見て前記第１の光学素子（５）に前置された輸送ファイバ（４）を含み、前記輸送ファイバ（４）から前記レーザー光（３）が拡散するように出射される、
   請求項１から６までのいずれか１項記載のビーム整形ユニット（１）
8. 複数の焦点設定装置（１０，１２）をアプリケーション固有の設定値（２３）に基づいて駆動する、請求項１から７までのいずれか１項記載のビーム整形ユニット（１）の駆動方法において、
   前記複数の焦点設定装置（１０，１２）を駆動する際に、その時点の補正値（２４）を考慮する、
   ことを特徴とする駆動方法。
9. 前記その時点の補正値（２４）を用いて、熱によって前記ビーム整形ユニット（１）に発生する結像誤差を補償する、
   請求項８記載の駆動方法。
10. 前記その時点の補正値（２４）を、照射時間と、前記ビーム整形ユニット（１）の少なくとも１つの光学部品（２０）に供給されるレーザーパワーと、に基づいて求める、
    請求項８または９記載の駆動方法。
11. 前記その時点の補正値（２４）を前記ビーム整形ユニット（１）の少なくとも１つの光学部品での温度測定によって求める、
    請求項８から１０までのいずれか１項記載の駆動方法。
12. 前記少なくとも１つの光学部品は、光伝搬方向の最後方に配置された光学部品（２０）である、
    請求項１１記載の駆動方法。

Images