JP5965068B2 - 赤外線レーザーズームビーム拡大システム及びレーザー加工機器 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工技術の分野に関し、より詳細には赤外線レーザーズームビーム拡大システム及びレーザー加工機器に関する。

レーザー加工分野において、レーザービームの出射光の直径Φは比較的小さい（約１ｍｍ）。このような狭い光ビームが直接集束される場合には、より大きなレイリーディスクが得られることになる。レイリーディスクの式によれば、δ＝２．４４λｆ／Ｄであり、式中、δはレイリーディスクの直径を表し、Ｄは入射瞳径を表し、ｆは焦点距離を表しており、Ｄが小さいほど、すなわちδが大きいほど、焦点に対するパワーが弱くなり、従って、システムの加工精度が大きく低下することが推測される。従って、レーザーから放射される狭い光ビームを拡大するために、レーザー加工に使用する光学系においてビーム拡大器が常に使用され、光ビームは、レーザー加工焦点レンズによって集束されることになる。

ラグランジュの不変定理によれば、Ｊ＝ｎＤθ＝ｎ’Ｄ’θ’であり、式中、ｎ及びｎ’はそれぞれ、光学系の物体視野及び像視野における媒質の屈折率を表し、物体側及び像側の媒質が両方とも空気であるときに、ｎ＝ｎ’＝１となる。Ｄ及びＤ’はそれぞれ、光学系の入射瞳径及び射出瞳径を表す。θ及びθ’はそれぞれ、入射光及び出射光の画角を表し、小さすぎる場合にはラジアンで表すことができる。θが比較的大きいときには、光ビームは、その後にレーザー加工するためにビーム拡大器によりβ＝Ｄ／Ｄ´倍に拡大できることが推測される。

加工中、様々な加工物体に適応するレーザー波長λは、λ＝１０６４ｎｍ、λ＝５３２ｎｍ、λ＝２６６ｎｍなどのように異なっているので、異なる波長を有するレーザーに適応する様々な光学ビーム拡大器が出現する。同時に、光学ビーム拡大器は、より広い適用範囲を有し、すなわち、異なる射出瞳径、レーザーの発散角のような異なる適用環境に対応することができることが要求される。加えて、光学ビーム拡大器は、理想的結合を達成するために異なるレーザー加工焦点レンズに適応することが必要である。従って、ズームビーム拡大器は、レーザー加工の分野において研究の中心となっている。現在のところ、ズームビーム拡大器の一般的な倍率は２ｘ〜８ｘであり、これはレーザー加工の要求を満たすには小さすぎるものである。より大きなズーム値を必要とする場合には、固定倍率のビーム拡大器を使用する必要があり、その結果、単一のビーム拡大器によってだけでは複数のズーム値の要求を達成することはできず、単一ビーム拡大器は、レーザー加工においては不便であり、レーザー加工の効率に影響を与えることになる。

本発明の目的は、従来のズームビーム拡大器の限られた拡大能力及び狭い適応性の問題を解決するための赤外線レーザーズームビーム拡大システムを提供することである。

本発明は、以下の解決策によって達成される。赤外線レーザーズームビーム拡大システムは、入射光の透過方向に沿って順次的に同軸で配置された、第１のレンズ、第２のレンズ、及び第３のレンズを含み、第１のレンズ及び第３のレンズは平凸正レンズであり、第２のレンズは凹凸負レンズであり、第１のレンズは、第１の面及び第２の面を含み、第２のレンズは第３の面及び第４の面を含み、第３のレンズは第５の面及び第６の面を含み、第１の面から第６の面は、入射光の透過方向に沿って順次的に配置され、第１の面から第６の面の曲率半径は、それぞれ∞、−２７ｍｍ、１０ｍｍ、１．７ｍｍ、∞、−１０３ｍｍであり、第１のレンズから第３のレンズの中心厚みは、それぞれ２ｍｍ、１ｍｍ、４ｍｍであり、第１のレンズから第３のレンズの外径は、それぞれ１０ｍｍ、３ｍｍ、３４ｍｍであり、第１のレンズから第３のレンズの屈折率対アッベ数の比率は、それぞれ１．８：２５、１．４８：６８、１．８：２５であり、第２の面と第３の面の間の光軸上の距離は、１０〜２７ｍｍに及び、第４の面と第５の面の間の光軸上の距離は、１１９〜１２５ｍｍに及び、曲率半径、中心厚み、外径、屈折率対アッベ数の比率、及び距離の許容差は５％である。

本発明の別の目的は、レーザーと、レーザーにより放射されるレーザービームを拡大するように構成された拡大システムと、拡大された光ビームを集束するように構成された集束レンズを備え、拡大システムが上述の赤外線レーザーズームビーム拡大システムであるレーザー加工機器を提供することである。

有利な効果
本発明において、拡大システムのレンズの上述の構成によって、赤外線レーザービームは、元の２〜１６倍に拡大することができ、これは、従来のビーム拡大器の倍率範囲を遙かに超え、その結果、拡大システムは、異なる直径及び発散角を有するより多くのレーザーに適応することができるようになり、従って、拡大システムの使用の範囲が拡大し、レーザー加工の効率が改善される。その上、システムの最大倍率は、従来のビーム拡大器の倍率よりも大きいので、ビームに対する成形効果はより良好であり、ビームの集束性能並びにレーザー加工精度が有効に改善される。

拡大システムは、より大きな倍率範囲を有し、高度に適応性があるので、拡大システムを導入するレーザー加工機器は、改善された加工精密度及びより高い加工効率を有する。

本発明の実施形態による赤外線レーザーズームビーム拡大システムの断面図である。 本発明の実施形態による赤外線レーザーズームビーム拡大システムのスポットダイアグラムである。 本発明の実施形態による赤外線レーザーズームビーム拡大システムのＭＴＦ特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による赤外線レーザーズームビーム拡大システムのエネルギ濃度を示すグラフである。

本発明のこれら及び他の特徴は、以下の明細書及び図面を更に精査することで容易に明らかになるであろう。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。

以下の詳細な説明は、例証として本発明を実施することができる具体的な詳細事項及び実施形態を示した添付図面を参照する。

図１は、本発明の実施形態による赤外線レーザーズームビーム拡大システムの断面図を示す。説明を容易にするために、図１は、実施形態に関連する赤外線レーザーズームビーム拡大システムの一部のみを示している。

赤外線レーザーズームビーム拡大システムは、主として、赤外線光、特に１０６４ｎｍの波長を有する赤外線光に適用される。図１を参照すると、本システムは、入射光の透過方向に沿って順に同軸で配置された、第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、及び第３のレンズＬ３を含む。第１のレンズＬ１は平凸正レンズであり、第２のレンズＬ２は凹凸負レンズであり、第３のレンズＬ３は平凸正レンズである。第１のレンズＬ１は、入射光の透過方向に沿って順次同軸上に配置された第１の面Ｓ１及び第２の面Ｓ２を含み、すなわち第１の面Ｓ１及び第２の面Ｓ２は、それぞれ入光面及び出光面として機能する。同様に、第２のレンズＬ２は、第３の面Ｓ３及び第４の面Ｓ４を含み、第３のレンズＬ３は、第５の面Ｓ５及び第６の面Ｓ６を含む。入射光は、第１の面Ｓ１から第６の面Ｓ６の方向に沿って透過し、ズームビーム拡大システム全体を通り抜ける結果拡大される。

本システムにおいて、第１のレンズＬ１の第１の面Ｓ１は平面であり、第１の面Ｓ１の曲率半径は無限大（∞）であり、第１のレンズＬ１の第２の面Ｓ２は、第１の面Ｓ１に対して外向きに突出し、第２の面Ｓ２の曲率半径は−２７ｍｍである。マイナスは、曲面の球中心が、曲面の物体側に位置することを示し、プラス（本実施形態においては、マイナスなしの数値は正の値を表す）は、曲面の球中心が、曲面の像側に位置することを示し、以下の説明において、数値全体にわたって上記定義が適用される。その上、第１のレンズＬ１の中心厚みｄ１（すなわち、光軸上の第１のレンズＬ１の厚み）は２ｍｍであり、第１のレンズＬ１の外径Ｄ１は１０ｍｍである。第１のレンズＬ１の屈折率Ｎｄ１対アッベ数Ｖｄ１の比はｌ．８：２５である。上述の各パラメータは、唯一の選択肢ではなく、５％の許容差範囲を有し、すなわち各パラメータは±５％内で変動する可能性がある。

第２のレンズＬ２の第３の面Ｓ３は物体側に向かって突出し、第３の面Ｓ３の曲率半径は１０ｍｍであり、第４の面Ｓ４はまた、物体側に向かって突出するが、第３の面Ｓ３に対して凹面であり、第４の面Ｓ４の曲率半径は１．７ｍｍである。第２のレンズＬ２の屈折率Ｎｄ３対アッベ数Ｖｄ３の比は、１．４８：６８であり、第２のレンズＬ２の中心厚みｄ３は１ｍｍであり、第２のレンズＬ２の外径Ｄ２は３ｍｍである。第２のレンズＬ２の各パラメータの許容差範囲は依然として５％である。

第３のレンズＬ３の第５の面Ｓ５は平面で、第５の面Ｓ５の曲率半径は∞であり、第６の面Ｓ６は第５の面Ｓ５に対して外向きに突出し、第６の面Ｓ６の曲率半径は−１０３ｍｍである。第３のレンズＬ３の屈折率Ｎｄ５対アッベ数Ｖｄ５の比率は１．８：２５であり、第３のレンズＬ３の中心厚みｄ５は４ｍｍであり、第３のレンズＬ３の外径Ｄ３は３４ｍｍである。第３のレンズＬ３の各パラメータの許容差範囲は同様に５％である。

更に、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２の間の距離、及び第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３の間の距離は、本明細書では制限されている。具体的には、第１のレンズＬ１の出光面（第２の面Ｓ２）と第２のレンズＬ２の入光面（第３の面Ｓ３）の間の光軸上の距離ｄ２は、１０〜２７ｍｍであり、距離ｄ２の許容差は５％であり、第２のレンズＬ２の出光面（第４の面Ｓ４）と第３のレンズＬ３の入光面（第５の面Ｓ５）の間の光軸上の距離ｄ４は、１１９〜１２５ｍｍであり、距離ｄ４の許容差は５％である。

上記解決策は、以下の表でより明確に示されるであろう。

各レンズが上記設計パラメータに従って構成された後、入射赤外線レーザービームは、ビーム拡大システムによって２〜１６倍に拡大することができ、その拡大範囲は、従来のビーム拡大器の倍率範囲を遙かに超えており、その結果、拡大システムは、異なる直径及び発散角を有するより多くのレーザーに適応できるようになり、従って、拡大システムの使用範囲が拡大され、レーザー加工の効率が改善される。その上、ラグランジュの不変定理により、ビームが拡大されると、その発散角は減少し、システムの最大倍率は従来のビーム拡大器の倍率よりも大きく、これはまた、従来のビーム拡大レンズによって拡大される光ビームよりも優れた光ビーム発散角の収縮効果をもたらし、出射光のより高度な平行度及びより良好な集束効果を得ることが可能となり、及びひいてはレーザー加工の過程でより良好な後続の成形及び集束をもたらし、加工精度が改善される。

本システムは、±２〜４ミリラジアンの発散角（すなわち、発散角の角度値が２〜４ミルラジアン）を有するレーザーに適応することができる。レーザーの入射瞳径範囲は２〜８ｍｍであり、射出瞳径範囲は最大４〜３２ｍｍであり、光学的長さは１５０ｍｍ内に制御することができる。２ｍｍの最大射出径を有する赤外線レーザービームにおいて、ビーム拡大システムは、赤外線レーザービームを２〜１６倍に拡大することができ、８ｍｍの最大射出径を有する赤外線レーザービームにおいては、ビーム拡大システムは、赤外線レーザービームを２〜４倍に拡大することができる。

図２、図３及び図４は、赤外線レーザーズームビーム拡大システムのスポットダイアグラム、ＭＴＦ特性及びエネルギ濃度を示す。上記の添付図面から、ズームビーム拡大システムによって拡大された出射光は、より良好な集束能力（その錯乱ディスクが規則的で、錯乱範囲が小さい）を有し、エネルギ濃度は比較的高く、レーザー加工の高い効率及び精密度を確保されることが推測される。

好ましくは、第１、第２、及び第３のレンズの曲率半径、屈折率対アッベ数の比率、中心厚み、及び外径は、上記に提供された具体的なパラメータから選択することができ、すなわち、第１の曲面Ｓ１の曲率半径は∞、第２の曲面Ｓ２の曲率半径は−２７ｍｍ、中心厚みｄ１は２ｍｍ、外径Ｄ１は１０ｍｍ、第１のレンズＬ１の屈折率Ｎｄ１対アッベ数Ｖｄ１の比率は１．８：２５である。第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３は、同様の方法で構成される。好ましい解決策は、より良好な倍率効果を処理することができ、具体的には波長１０６４ｎｍの赤外線光に適応される。

更に、主要な解決策又は好ましい解決策に基づいて、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２、及び第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、異なるビーム倍率βを得るように異なって構成することができる。幾つかの具体的な好ましい解決策を以下に示す。

第１の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、２６．６ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１１９ｍｍとして設定され、このようなパラメータは確かに好ましいパラメータであり、距離の許容差は同様に５％である。ここでシステムのビーム倍率βは２である。

第２の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、２４．８ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２２．１ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは４である。

第３の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、２２．４ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２３．３ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは６である。

第４の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、２０ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２３．９ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは８である。

第５の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、１７．６ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２４．２ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは１０である。

第６の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、１５．２ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２４．４ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは１２である。

第７の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、１２．８ｍｍとして設定され、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２４．６ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは１４である。

第８の好ましい解決策として、第２の面Ｓ２と第３の面Ｓ３の間の光軸上の距離ｄ２は、１０．４ｍｍとして設定することができ、第４の面Ｓ４と第５の面Ｓ５の間の光軸上の距離ｄ４は、１２４．７ｍｍとして設定され、距離の許容差は５％であり、システムのビーム倍率βは１６である。

上記解決策は、以下の表でより明確に示される。

上述の好ましい解決策によれば、２〜１６倍の倍率効果を得ることができる。レーザーマーキングプロセスにおいて、３つのレンズの間の距離は、実際のレーザーの射出瞳径及び発散角に応じて調節することができ、焦点レンズの具体的な条件、すなわち曲面ｄ２及びｄ４間の距離は、レーザービームに対して適切なビーム拡大手順を実施するように調整され、これによって、拡大したレーザービームがレーザー加工の加工精密度要件を満たし、理想的結合を達成するよう異なるレーザー加工焦点レンズに適合させることができ、その結果、レーザー加工精密度及び加工品質が改善されるようになる。

本発明は、従来のビーム拡大器の倍率範囲を遙かに超える、２〜１６倍のビーム倍率を達成することができる赤外線レーザーズームビーム拡大システムを提供する。赤外線レーザーズームビーム拡大システムは、レーザー加工精密度及び加工品質を著しく改善することができ、より広い適用範囲を有し、様々な赤外線レーザー加工デバイスによって導入されるのに好適であり、レーザーにより放射される光ビームを拡大するためのデバイスの拡大システムとして機能し、その結果、拡大された光ビームは、焦点レンズによって加工されることになる加工物に集束される。

拡大システムは、より大きな倍率範囲を有し、高度に適応可能であるので、拡大システムを導入するレーザー加工機器は、改善された加工精密度及びより高い加工効率を有するようになる。

本発明の実施形態及び本発明を実施するための最良の形態を参照して、本発明を説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義されることを意図している本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行なうことができることは、当業者には明らかである。

Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ レンズ
ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４、ｄ５ 中心厚み
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 入射瞳径
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６ レンズの面

Claims (10)

1. 赤外線レーザーズームビーム拡大システムであって、入射光の透過方向に沿って順次的に同軸で配置された第１のレンズ、第２のレンズ、及び第３のレンズから構成され、前記第１のレンズ及び前記第３のレンズが平凸正レンズであり、前記第２のレンズが凹凸負レンズであり、
   前記第１のレンズが、第１の面及び第２の面を含み、前記第２のレンズが第３の面及び第４の面を含み、前記第３のレンズが第５の面及び第６の面を含み、前記第１の面から第６の面が前記入射光の前記透過方向に沿って順次的に配置され、
   前記第１の面から第６の面の曲率半径が、それぞれ、∞、−２７ｍｍ、１０ｍｍ、１．７ｍｍ、∞、−１０３ｍｍであり、
   前記第１のレンズから第３のレンズの中心厚みが、それぞれ、２ｍｍ、１ｍｍ、４ｍｍであり、
   前記第１のレンズから第３のレンズの外径が、それぞれ、１０ｍｍ、３ｍｍ、３４ｍｍであり、
   前記第１のレンズから第３のレンズの屈折率対アッベ数の比率が、それぞれ、１．８：２５、１．４８：６８、１．８：２５であり、
   前記第２の面と第３の面の間の光軸上の距離が、１０〜２７ｍｍの範囲に及び、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１１９〜１２５ｍｍの範囲に及び、
   前記曲率半径、前記中心厚み、前記外径、前記屈折率対アッベ数の比率、及び前記距離の許容差が５％である、赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
2. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が２６．６ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１１９ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
3. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が２４．８ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２２．１ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
4. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が２２．４ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２３．３ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
5. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が２０ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２３．９ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
6. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が１７．６ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２４．２ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
7. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が１５．２ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２４．４ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
8. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が１２．８ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２４．６ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
9. 前記第２の面と前記第３の面の間の前記光軸上の距離が１０．４ｍｍであり、前記第４の面と前記第５の面の間の前記光軸上の距離が１２４．７ｍｍである、請求項１に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システム。
10. 赤外線レーザーと、該赤外線レーザーにより放射されるレーザービームを拡大するよう構成された拡大システムと、前記拡大されたビームを集束するよう構成された集束レンズを備えたレーザー加工機器であって、前記拡大システムが請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の赤外線レーザーズームビーム拡大システムである、レーザー加工機器。

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