JP6019244B2 - 遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ及びレーザ加工デバイス - Google Patents

Description

本発明は、光学技術の分野に関し、より具体的には、遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ及びレーザ加工デバイスに関する。

レーザ加工技術の発展と共に、高出力切断のためのレーザ機械は、重工業分野に広範囲にわたって適用されている。厚肉（約５０ｍｍ）の鋼鉄板を切断するためには、高出力レーザが必要である。現在、技術的に成熟し、最も高い性能コスト比を有する高出力レーザは、ＣＯ₂レーザである。このレーザは、５０００〜１００００ワット又は更にそれ以上に達する出力を有する。しかし、ＣＯ₂レーザの作動波長は、波長λ＝１０６４０ｎｍ（１０．６４μｍ）のように過度に長く、レイリーの法則に従って以下のことを結論付けることができる。

レーザ切断に対する理論的解像距離は、ｄ＝２．４４λｆ／Ｄである。

ｄは、２つの点の間の最小解像距離を表している。

λは、処理レーザの波長を表している。

ｆは、光学レンズの焦点距離を表している。

Ｄは、光学レンズの入射瞳直径を表している。

波長は、一般的な使用波長１０６４ｎｍの１０倍であり、レーザの解像度比率は、波長１０６４ｎｍの僅か１０分の１であり、切断精度を低下させる。上述の式に示すように、解像度比率を高めるべき場合に、焦点距離を低減することを必要とするか又は入射瞳直径を増大させることが必要である。しかし、入射瞳直径を増大させることにより、レンズ容積の急激な増加が引き起こされ、解像度の改善はそれ程明確ではない。従って、容積を制限するという前提の下で高解像度要件を満たすことは、遠赤外線レーザ切断のためのＦθレンズの設計課題として残っている。

技術的問題

本発明の目的は、高精度の切断及び穿孔の要件を満たし、一方で同時にレンズの小型化を確実にする遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズを提供することである。

技術的ソリューション

上述の目的は、以下のように達成され、すなわち、遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズは、入射光ビームの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第１のレンズ、第２のレンズ、及び第３のレンズを含む。

第１のレンズは、負のメニスカスレンズであり、第２及び第３のレンズは、正のメニスカスレンズである。

第１、第２、及び第３のレンズの中間部分は、入射光ビームの伝達方向に向けて突出する。

遠赤外線レーザと、この遠赤外線レーザをフォーカスしてレーザ加工を実施するように構成された光学レンズとを含む、レーザ加工デバイスを更に提供する必要があり、光学レンズは、遠赤外線レーザ加工のための上述のＦθレンズである。

利点

上述の構造に従ってレンズを設計することにより、一方で、Ｆθレンズは、結像品質及び解像距離が理想的な程度に達することを可能にし、非点収差及び歪曲を効果的に較正し、高次収差の影響を低減し、レーザフォーカスの高いエネルギ集中度及び高い処理精度を有し、それによって切断又は穿孔のための要件を完全に満たし、その一方、レンズの容積が効果的に制限される。このＦθレンズは、遠赤外線レンズのコスト抑制について重要な意義を有する小型の遠赤外線Ｆθレンズである。

本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの概略図である。 本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの非点収差を示すグラフである。 本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの歪曲を示すグラフである。 本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの光学伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆ特性を示すグラフである。 本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズのスポットの図である。 本発明の実施形態による遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズのエネルギ集中度特性を示すグラフである。

本発明のこれら及び他の特徴は、以下に続く明細書及び図面の更に別の精査によって直ちに明らかになるであろう。しかし、本発明の様々な実施形態は、多くの異なる形態に具現化することができ、これらの実施形態は、本明細書に示す実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。

以下に続く詳細説明は、本発明を実施することができる特定の詳細及び実施形態を例示的に示す添付図面を参照する。

図１は、本発明の実施形態によって達成される遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの概略図である。例示を容易にするために、図１は、この実施形態に関連付けられる遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの一部分だけを示している。

遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズは、入射レーザの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第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、負のメニスカスレンズであり、第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３の両方は、正のメニスカスレンズであり、第１のレンズＬ１の入射面の曲率半径は、第１のレンズＬ１の射出面の曲率半径よりも小さい。第２及び第３のレンズの入射面の曲率半径は、射出面の曲率半径よりも大きく、すなわち、第２のレンズＬ２及び第３のレンズＬ３の中間部分は、入射光ビームの伝達方向に向けて突出し、すなわち、像側に向けて突出する。

これに加えて、第１のレンズＬ１、第２のレンズＬ２、及び第３のレンズＬ３の材料は、第１のレンズの材料のアッベ数に対する屈折率の比Ｎｄ／Ｖｄが１．７４／０．０２６であるガラス材料から選択することができ、Ｎｄ／Ｖｄの公差は５％である。

更に、この実施形態において、レンズの面曲率及び厚み等のパラメータが最適化される。具体的には、第１のレンズＬ１は、第１の面Ｓ１と第２の面Ｓ２を含み、第１の面Ｓ１及び第２の面Ｓ２の曲率半径は、それぞれ、−５０ｍｍ及び−６０ｍｍであり、第２のレンズＬ２は、第３の面Ｓ３と第４の面Ｓ４を含み、第３の面Ｓ３及び第４の面Ｓ４の曲率半径は、それぞれ、−６８ｍｍ及び−５０ｍｍであり、第３のレンズＬ３は、第５の面Ｓ５と第６の面Ｓ６を含み、曲率半径は、それぞれ、−５００ｍｍ及び−１８０ｍｍであり、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、プラス又はマイナスのない数値はプラスを表し、プラスは、曲面の球中心が曲面の像側に位置することを示している。上述の第１の面から第６の面までは、レーザの伝達方向に沿って連続的に配置され、上述の各曲率半径は、唯一の選択肢ではなく、かつ５％の許容範囲を有する。

更に、この実施形態において、第１のレンズから第３のレンズの中心厚Ｄ及び面間距離ｄは、特定的に設計される。具体的には、第１から第３のレンズの中心厚Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３は、それぞれ、５ｍｍ、８ｍｍ、及び８ｍｍであり、各々は、５％の許容範囲を有する。更に、第１のレンズＬ１の第２の面Ｓ２と第２のレンズＬ２の第３の面Ｓ３との間の光軸上距離ｄ１は、５ｍｍであり、第２のレンズＬ２の第４の面Ｓ４と第３のレンズＬ３の第５の面Ｓ５との間の光軸上距離ｄ２は、０．５ｍｍである。上述の面距離は、５％の公差を有する。

第１から第３のレンズの半径Ｒ、レンズの中心厚Ｄ、及び面距離ｄを用いてレンズを設計した後に、良好な結像品質及び高いレーザマーキング精度が得られる。更に、この実施形態において、第３のレンズＬ３の光射出側に第４のレンズＬ４が追加的に位置決めされる。好ましくは、第４のレンズＬ４は、平面レンズであり、第７の面Ｓ７と第８の面Ｓ８を含み、第７の面Ｓ７及び第８の面Ｓ８の曲率半径は、∞であり、第４のレンズＬ４は、主として他の結像レンズを保護するために適用され、他の結像レンズが粉塵、湿気、高温及び低温等による影響を受けることを回避する。

詳細には、第４のレンズＬ４は、他のレンズと同じ材料で製造することができる。第４のレンズＬ４の中心厚Ｄ４は、３ｍｍとすることができ、公差は、５％である。これに加えて、第４のレンズＬ４の第７の面Ｓ７と第３のレンズＬ３の第６の面Ｓ６との間の光軸上距離ｄ３は、４ｍｍであり、公差は、５％である。

遠赤外線レーザ加工のための特定の構造を有するＦθレンズは、以下のように達成され、詳細に関しては表１を参照されたい。

遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズは、以下のような光学特性を有する。

光学波長λ＝１０６４０ｎｍ

焦点距離ｆ＝１６０ｍｍ

入射瞳直径Ｄ_in＝３０ｍｍ

処理範囲Ａ＝１００^*１００ｍｍ²

視野角２ω＝５０°

光学材料の最大外径Ｄ_max＝１００ｍｍ

レンズの全長Ｌ_total＝１００ｍｍ

一方で、Ｆθレンズは、結像品質及び解像距離が理想的な程度に達することを可能にし、非点収差及び歪曲を効果的に較正し、高次収差の影響を低減し、レーザフォーカスの高いエネルギ集中度及び高い処理精度を有し、それによって切断又は穿孔のための要件を完全に満たし、他方で、レンズの容積が効果的に制限され、光学全長が１００ｍｍまで縮小され、最大外径は１００ｍｍに過ぎない。このＦθレンズは、遠赤外線レンズのコスト抑制について重要な意義を有する小型の遠赤外線Ｆθレンズである。

遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの結像品質を図２から図６を参照して異なる観点から分析する。

図２及び図３は、それぞれ、遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズの非点収差及び歪曲を表しており、横軸の単位はμｍであり、縦軸は、中心から縁部までの経線方向に沿った距離を表している。両方共に理論値に達するか、又はそれよりも小さく、理論値は１３．５μｍである。

図４は、光学伝達関数Ｍ．Ｔ．Ｆを表しており、縦軸は百分率を示し、横軸は視野を示している。解像度が１０ｌｐ／ｍｍ（１０個の線対）に達しても、Ｍ．Ｔ．Ｆは、それにも関わらず３０％よりも高い。軸上点と軸外点の間に有意な差はなく、結像効果は安定しており、平坦視野の視準を達成する。

図５及び図６は、それぞれ、スポットの図及びレンズのエネルギ集中度特性を表している。図６の横軸の単位はμｍであり、縦軸は百分率を表している。エネルギ集中度グラフは、理論値１３．５μｍとの一致を示しており、Ｆθレンズの超小型化に基づいて、結像品質が理想的な水準に達し、エネルギ集中度が高く、正確な処理を提供することができることを証明している。

本発明によって達成される遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズは、より優れた結像品質及びより良好な処理精度を確実にし、同時にレンズの容積が効果的に制限され、レンズの小型化が確実にされ、高い解像度及び小さい容積を実現するという従来の遠赤外線レンズの問題が解決される。コストが効果的に制限され、このレンズは、様々なレーザ加工／切断／穿孔デバイスへの応用に適している。

本発明は、更に、遠赤外線レーザと、この遠赤外線レーザをフォーカスしてレーザ加工を実施するように構成された光学レンズとを含む、レーザ加工デバイスを提供する。光学レンズは、本発明によって提供される遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズとすることができる。このレンズは、１０６４０ｎｍの波長を有するレーザに特に適切であり、従って、遠赤外線レーザの放出波長は、好ましくは１０６４０ｎｍである。

本発明をその実施形態及び本発明を実施するための最良モードを参照して記述したが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって定められるように意図した本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変形を加えることができることが明らかであろう。

Ｌ レンズ
Ｓ レンズの面
ｄ レンズの面間距離
Ｄ レンズの中心厚

Claims (9)

1. 遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズであって、
   入射光ビームの伝達方向に沿って連続的に同軸に配置された第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のレンズは、負のメニスカスレンズであり、前記第２及び第３のレンズは、正のメニスカスレンズであり、該第１、該第２、及び該第３のレンズの中間部分が、前記入射光ビームの前記伝達方向に向けて突出し、
   前記第１のレンズは、第１の面と第２の面を含み、前記第２のレンズは、第３の面と第４の面を含み、前記第３のレンズは、第５の面と第６の面を含み、該第１の面から第６の面は、前記入射光ビームの前記伝達方向に沿って配置され、
   前記第１の面から第６の面の曲率半径が、それぞれ、−５０ｍｍ、−６０ｍｍ、−６８ｍｍ、−５０ｍｍ、−５００ｍｍ、及び−１８０ｍｍであり、各々が、５％の公差を有する、
   ことを特徴とするＦθレンズ。
2. 前記第１のレンズから前記第３のレンズの中心厚が、それぞれ、５ｍｍ、８ｍｍ、及び８ｍｍであり、各々が、５％の公差を有することを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
3. 前記第２の面と前記第３の面の間の光軸上の距離が、５ｍｍ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、０．５ｍｍであり、
   前記距離の各々が、５％の公差を有する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
4. 前記第１、第２、及び第３のレンズのアッベ数に対する屈折率の比が、１．７４／０．０２６であり、各屈折率及びアッベ数が、５％の公差を有することを特徴とする請求項１に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
5. 前記第３のレンズの光射出側に位置決めされた第４のレンズを更に含み、
   前記第４のレンズは、第７の面と第８の面を含み、該第７の面及び第８の面の曲率半径が、∞である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
6. 前記第４のレンズのアッベ数に対する屈折率の比が、１．７４／０．０２６であり、前記公差は、５％であることを特徴とする請求項５に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
7. 前記第４のレンズの中心厚が、３ｍｍであり、前記公差は、５％であり、
   前記第６の面と前記第７の面の間の前記光軸上の距離が、５％の公差を有して４ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項５に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズ。
8. レーザ加工デバイスであって、
   遠赤外線レーザと、
   前記遠赤外線レーザをフォーカスしてレーザ加工を実施するように構成された光学レンズと、
   を含み、
   前記光学レンズは、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の遠赤外線レーザ加工のためのＦθレンズである、
   ことを特徴とするレーザ加工デバイス。
9. 前記遠赤外線レーザの放出光波長が、１０６４０ｎｍであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工デバイス。