JP6644377B2 - レーザ加工用システム、並びにレーザ焦点のサイズ及び位置を調整する方法 - Google Patents
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Description
更なる実施形態によれば、前記ビーム(P)を前記ビーム伝搬方向(R)から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット(AE)と、前記調整素子(A2)及び前記ビーム偏向ユニット(AE)を制御することで、加工される材料(M)の表面に対する前記焦点(F)の位置を所定値に調整できる制御器(S)と、を更に備える。
前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)は、加工ビーム(BS)が通過するように構成され、前記第4光学装置(L4)及び前記第5光学装置(L5)は、観察ビーム(BE)が通過するように構成され、前記第4光学装置(L4)は、前記第1光学装置(L1)に結びつけられ、前記第5光学装置(L5)の移動は、前記2光学装置(L2)の移動に結びつけられる。
更なる実施形態によれば、前記焦点(F)のサイズ(g)及び前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の位置(p)を、前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)の移動によって互いに独立して選択可能な所定値に調整するように、前記他の調整素子(A1)及び前記調整素子(A2)を制御する制御器(S)を更に備え、前記焦点(F)の前記サイズ(g)は、前記第1光学装置(L1)を移動させることにより実質的に調整され、前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)は、前記第2光学装置(L2)を移動させることにより実質的に調整され、前記第1光学装置(L1)の前記移動による前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)の変化、及び前記第2光学装置(L2)の前記移動による前記焦点(F)の前記サイズ(g)の変化の少なくとも一方が、前記所定値を調整するために考慮される。
前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)は、加工ビーム(BS)が通過するように構成され、前記第4光学装置(L4)及び前記第5光学装置(L5)は、観察ビーム(BE)が通過するように構成され、前記第4光学装置(L4)の移動は、前記第1光学装置(L1)の移動に結びつけられ、前記第5光学装置(L5)の移動は、前記2光学装置(L2)の移動に結びつけられる。
式1:d0=fK+fO (近軸)
式1は、近軸条件に同等であり、これに従って、コリメート光学系K及び第3光学装置Oは、望遠鏡状の光学配置を形成する。被加工物にファイバ端を映すコリメート光学系K及び第3光学装置Oの配列では、ビーム供給源Zと第3光学装置Oの画像側焦点面Bとの間の全ビーム行路gsは、近軸近似では、全コリメート焦点距離fKと第3光学装置Oの正の焦点距離fOとの和の2倍である。即ち、
式2:gs=2×(fK+fO) (近軸)
図1から図3に図示且つ記載されたコリメート光学系Kを用いると、レーザ加工システムの全ビーム行路gsは、著しく短くなってよい(配列420を参照)。図示を簡単にするために、第1光学装置L1及び第2光学装置L2を、配列420において線として示す。第1光学装置L1は、ビーム供給源Zから離れる光束D用の結像(撮像)光学系としてみなされてよい。第2光学装置L2は、ビーム供給源Z’に集束する光束用の仮想コリメートとして考えられてよい。ビーム伝搬方向Rでの焦点Fの位置pの変位を達成するために、配列420では、第2光学装置L2の移動で十分である。即ち、配列410の如く、全体としてコリメート光学系Kを移動させる必要はない。
式3:d2=f2+fO (近軸)
式3は、近軸条件に同等であり、これに従って、第2光学装置L2及び第3光学装置Oは、望遠鏡状の光学配置を形成する。配列420では、第2光学装置L2は、コリメート光学系Kと第3光学装置Oとの間の距離に関して、配列410での全コリメートの役割を果たす。
式4:gs<2×(fK+fO)
レーザ加工システムの第1実施例では、第1光学装置L1は、ビーム伝搬方向Rに固定(又は不動に)されてよい。言い換えれば、第1光学装置L1は、第1調整素子A1を必要としない。制御器Sは、第2調整素子A2及びビーム偏向ユニットAEを制御する必要があるのみであり、例えば加工される材料Mの表面に対する焦点Fの位置(x,y,z)は、所定値に調整されてよい。
式5:d2≒f2+fO
平均ビーム行路d2に対して、レーザ加工用システムの焦点サイズの不変性に対する典型的要件に及ぶ対応領域も示されてよい。即ち、
式6:f2+0.75×fO<d2<f2+1.25×fO
レーザ加工システムの第2実施例では、第1光学装置L1及び第2光学装置L2は、ビーム伝搬方向Rに可動であってよい。制御器Sは、第1調整素子A1及び第2調整素子A2を調和的に制御してよい。第1光学装置L1の移動によるビーム伝搬方向Rに沿った焦点Fの位置pの変化が、所定位置pを調整するために、この点において制御器Sにより考慮されてよい。ビーム伝搬方向Rに沿った第2光学装置L2の移動による焦点Fのサイズgの変化も、所定サイズgを調整するために、制御器Sにより考慮されてよい。故に、焦点の所望位置p及びサイズgを互いに独立して調整できる。
式7:d2<f2+0.75×fO
第2実施例では、制御器Sは、例えば加工される材料Mの表面に対する焦点Fの位置(x,y,z)、及び焦点Fのサイズgが所定値に調整されるように、第1光学装置L1、第2光学装置L2、及びビーム偏向ユニットAEを制御してよい。
210…平均焦点位置を有する配置
220…離れた焦点位置を有する配置
230…近い焦点位置を有する配置
310…平均焦点サイズを有する配置
320…小さい焦点サイズを有する配置
330…大きい焦点サイズを有する配置
410…既存のレーザ加工システム
420…レーザ加工システム
500…観察光学系を備えるレーザ加工システム
600…反射素子を備えるコリメート光学系
A…射出ビーム
A1…他の調整素子/第1調整素子
A2…調整素子/第2調整素子
AE…ビーム偏向ユニット
B…第3光学装置の画像側焦点面
BE…観察ビーム
BS…加工ビーム
C…観察光学系
D…発散ビーム/入射ビーム
F…焦点
K…コリメート光学系
L…レーザ源
L1…第1光学装置
L2…第2光学装置
L4…第4光学装置
L5…第5光学装置
LS…光ビーム
M…材料
O…第3光学装置
P…コリメートビーム
R…ビーム伝搬方向
S…制御器
S1…第1ミラー
S2…第2ミラー
S3…第3ミラー
S4…第4ミラー
SE…センサ/カメラ
ST…ビームスプリッタ
U…偏向ミラー
Z…ビーム供給源/供給源
Z’…ビーム供給源の虚像
d0…コリメート光学系と第3光学装置との間の平均距離
d…コリメートビームの直径
d1…ビーム供給源と第1光学装置の対象物側主面との間の距離
d2…第2光学装置の画像側主面と第3光学装置の対象物側主面との間の平均距離
d3…ビーム供給源と第3光学装置との間の距離
f1…第1光学装置の焦点距離
f2…第2光学装置の焦点距離
f4…第4光学装置の焦点距離
f5…第5光学装置の焦点距離
fK…全コリメート焦点距離
fO…第3光学装置の焦点距離
g、g1、g2…焦点サイズ
gs…全ビーム行路
hw…半分の発散角
p、p1、p2…ビーム伝搬方向に沿った焦点位置
Claims (18)
- 全コリメート焦点距離(fK)を有しており、発散ビーム(D)用のビーム供給源(Z)と、正の焦点距離(f1)を有する第1光学装置(L1)と、負の焦点距離(f2)を有する第2光学装置(L2)と、を備えて構成されており、前記発散ビーム(D)が、先ず前記第1光学装置(L1)を通過し、その後、前記第2光学装置(L2)を通過して、前記第2光学装置(L2)から少なくとも実質的コリメート状態で離れる、コリメート光学系(K)と、
正の焦点距離(fO)を有する第3光学装置(O)であって、前記コリメート光学系(K)の下流側に配置され、前記コリメート光学系(K)から少なくとも実質的コリメート状態で離れる前記ビーム(P)を焦点(F)に合わせる第3光学装置(O)と、
前記第2光学装置(L2)をビーム伝搬方向(R)に沿って移動させる調整素子(A2)と、
を備え、
前記第2光学装置(L2)の画像側主面と前記第3光学装置(O)の対象物側主面との間の平均ビーム行路(d2)は、前記第2光学装置(L2)及び前記第3光学装置(O)が望遠鏡状の光学配置を形成するように配列されることによって、前記調整素子(A2)を用いて前記第2光学装置(L2)を移動させる際に前記焦点(F)のサイズ(g)が実質的に一定であるように選択され、
前記ビーム供給源(Z)と前記第3光学装置(O)の画像側焦点面(B)との間の全ビーム行路(gs)は、前記第3光学装置(O)の前記正の焦点距離(fO)と前記全コリメート焦点距離(fK)との和の2倍よりも小さく、
前記第2光学装置(L2)の前記画像側主面と前記第3光学装置(O)の前記対象物側主面との間の前記平均ビーム行路(d2)は、
f2+0.75×f0 <d2<f2+1.25×f0、
又は、前記第2光学装置(L2)の前記負の焦点距離(f2)と前記第3光学装置(O)の前記正の焦点距離(fO)との和にほぼ等しい
ことを特徴とするレーザ加工用システム。 - 前記第1光学装置(L1)は、前記ビーム伝搬方向(R)に固定されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
- 前記ビーム(P)を前記ビーム伝搬方向(R)から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット(AE)と、
前記調整素子(A2)及び前記ビーム偏向ユニット(AE)を制御することで、加工される材料(M)の表面に対する前記焦点(F)の位置を所定値に調整できる制御器(S)と、
を更に備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のシステム。 - 前記第1光学装置(L1)の前記正の焦点距離(f1)にほぼ対応する正の焦点距離(f4)を有する第4光学装置(L4)と、
前記第2光学装置(L2)の前記負の焦点距離(f2)にほぼ対応する負の焦点距離(f5)を有する第5光学装置(L5)と、
を更に備え、
前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)は、加工ビーム(BS)が通過するように構成され、
前記第4光学装置(L4)及び前記第5光学装置(L5)は、観察ビーム(BE)が通過するように構成され、
前記第4光学装置(L4)は、前記第1光学装置(L1)に結びつけられ、
前記第5光学装置(L5)の移動は、前記第2光学装置(L2)の移動に結びつけられる
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。 - 全コリメート焦点距離(fK)を有しており、発散ビーム(D)用のビーム供給源(Z)と、正の焦点距離(f1)を有する第1光学装置(L1)と、負の焦点距離(f2)を有する第2光学装置(L2)と、を備えて構成されており、前記発散ビーム(D)が、先ず前記第1光学装置(L1)を通過し、その後、前記第2光学装置(L2)を通過して、前記第2光学装置(L2)から少なくとも実質的コリメート状態で離れる、コリメート光学系(K)と、
正の焦点距離(fO)を有する第3光学装置(O)であって、前記コリメート光学系(K)の下流側に配置され、前記コリメート光学系(K)から少なくとも実質的コリメート状態で離れる前記ビーム(P)を焦点(F)に合わせる第3光学装置(O)と、
前記第1光学装置(L1)をビーム伝搬方向(R)に沿って移動させる他の調整素子(A1)と、
前記第2光学装置(L2)を前記ビーム伝搬方向(R)に沿って移動させる調整素子(A2)と、
を備え、
前記他の調整素子(A1)及び前記調整素子(A2)は、前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)を互いに独立して移動でき、
前記ビーム供給源(Z)と前記第3光学装置(O)の画像側焦点面(B)との間の全ビーム行路(gs)は、前記第3光学装置(O)の前記正の焦点距離(fO)と前記全コリメート焦点距離(fK)との和の2倍よりも小さく、
前記第3光学装置(O)は、前記ビーム供給源(Z)に対して一定の距離を有している
ことを特徴とするレーザ加工用システム。 - 平均ビーム行路(d2)は、前記第2光学装置(L2)の画像側主面と前記第3光学装置(O)の対象物側主面との間で、前記調整素子(A2)を用いて前記第2光学装置(L2)を移動させる際に前記焦点(F)のサイズ(g)が実質的に一定であるように、望遠鏡状の光学配置を形成するように配列された前記第2光学装置(L2)及び前記第3光学装置(O)によって選択されることを特徴とする請求項5に記載のシステム。
- 前記焦点(F)のサイズ(g)及び前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の位置(p)を、前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)の移動によって互いに独立して選択可能な所定値に調整するように、前記他の調整素子(A1)及び前記調整素子(A2)を制御する制御器(S)を更に備え、
前記焦点(F)の前記サイズ(g)は、前記第1光学装置(L1)を移動させることにより実質的に調整され、
前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)は、前記第2光学装置(L2)を移動させることにより実質的に調整され、
前記第1光学装置(L1)の前記移動による前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)の変化、及び前記第2光学装置(L2)の前記移動による前記焦点(F)の前記サイズ(g)の変化の少なくとも一方が、前記所定値を調整するために考慮される
ことを特徴とする請求項5又は6に記載のシステム。 - 前記焦点(F)の前記位置(p)の変化と前記サイズ(g)の変化のうちの少なくとも一方は、
前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)の位置に応じて、前記焦点(F)の前記位置(p)及び前記サイズ(g)の算出又は測定に基づく参照制御データを格納することと、
前記焦点(F)の前記位置(p)及び前記サイズ(g)に対する前記所定値を調整するために、前記格納された参照制御データを用いて、前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)の必要な位置を決定することと、
により認識されることを特徴とする請求項7に記載のシステム。 - 前記ビーム(P)を前記ビーム伝搬方向(R)から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット(AE)を更に備え、
前記制御器(S)は、前記他の調整素子(A1)、前記調整素子(A2)、及び前記ビーム偏向ユニット(AE)を制御することで、前記焦点(F)の前記サイズ(g)と、加工される材料(M)の表面に対する前記焦点(F)の前記位置(p)とを、所定値に調整するように構成される
ことを特徴とする請求項7又は8に記載のシステム。 - 前記第1光学装置(L1)の前記正の焦点距離(f1)にほぼ対応する正の焦点距離(f4)を有する第4光学装置(L4)と、
前記第2光学装置(L2)の前記負の焦点距離(f2)にほぼ対応する負の焦点距離(f5)を有する第5光学装置(L5)と、
を更に備え、
前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)は、加工ビーム(BS)が通過するように構成され、
前記第4光学装置(L4)及び前記第5光学装置(L5)は、観察ビーム(BE)が通過するように構成され、
前記第4光学装置(L4)の移動は、前記第1光学装置(L1)の移動に結びつけられ、
前記第5光学装置(L5)の移動は、前記第2光学装置(L2)の移動に結びつけられる
ことを特徴とする請求項5から9のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記他の調整素子(A1)、及び前記調整素子(A2)は、リニアドライブであり、特にダイレクトドライブであることを特徴とする請求項5から10のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ビーム供給源(Z)と前記第1光学装置(L1)の対象物側主面との間の距離(d1)に対する前記第1光学装置(L1)の前記正の焦点距離(f1)の比率は、0.25から0.75の間であることを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第1光学装置(L1)は、入射ビーム(D)の角度が出射ビーム(A)の角度に等しくなるように配置されることを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ビーム供給源(Z)は、発散レーザ放射を出射する光ファイバの一端に接続されることを特徴とする請求項1から13のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記ビーム偏向ユニット(AE)は、前記ビーム伝搬方向(R)で前記第3光学装置(O)の下流側に配置され、
又は、
前記ビーム偏向ユニット(AE)は、前記ビーム伝搬方向(R)で前記第2光学装置(L2)と前記第3光学装置(O)との間に配置される
ことを特徴とする請求項3又は9に記載のシステム。 - レーザ加工用レーザビームのビーム伝搬方向(R)に沿って、焦点(F)のサイズ(g)と位置(p)を調整する方法であって、
発散ビーム(D)の提供と、
前記発散ビーム(D)の、正の焦点距離(f1)を有する第1光学装置(L1)への供給と、
前記正の焦点距離(f1)を有する前記第1光学装置(L1)を通過したビーム(A)の、負の焦点距離(f2)を有する第2光学装置(L2)への供給と、
により、全コリメート焦点距離(fK)を有する実質的コリメートビーム(P)を生成する工程であって、前記発散ビーム(D)、前記第1光学装置(L1)、及び前記第2光学装置(L2)は、前記第2光学装置(L2)を通過したビーム(P)が実質的にコリメートされるように構成且つ配列されている工程と、
前記実質的コリメートビーム(P)の第3光学装置(O)への供給により前記焦点(F)を生成する工程であって、前記発散ビーム(D)のビーム供給源(Z)と前記第3光学装置(O)の画像側焦点面(B)との間の全ビーム行路(gs)は、前記第3光学装置(O)の前記正の焦点距離(fO)と前記全コリメート焦点距離(fK)との和の2倍よりも小さい工程と、
前記焦点(F)の前記サイズ(g)及び前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)を、互いに独立して選択可能な所定値に調整できるように、前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)を移動させる工程であって、
前記焦点(F)の前記サイズ(g)は、前記ビーム伝搬方向(R)に沿って前記第1光学装置(L1)を移動させることにより実質的に調整され、
前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)は、前記ビーム伝搬方向(R)に沿って前記第2光学装置(L2)を移動させることにより実質的に調整される工程と、
前記第1光学装置(L1)の前記移動による前記ビーム伝搬方向(R)に沿った前記焦点(F)の前記位置(p)の変化と、
前記第2光学装置(L2)の前記移動による前記焦点(F)の前記サイズ(g)の変化と、
のうちの少なくとも一方を、前記所定値を調整するために考慮する工程と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記方法は、前記ビーム(P)を、前記ビーム伝搬方向(R)から、該ビーム伝搬方向(R)以外の方向に偏向させる工程を更に備え、
前記第1光学装置(L1)及び前記第2光学装置(L2)を移動させる工程、並びに前記ビームを偏向させる工程は、前記焦点(F)の前記サイズ(g)と、加工される材料(M)の表面に対する前記焦点(F)の前記位置(p)とを、所定値に調整するために、調和的且つ同時に実行される
ことを特徴とする請求項16に記載の方法。 - 前記第3光学装置(O)と前記発散ビーム(D)用の供給源(Z)とは、互いに対して一定距離(d3)で配列されることを特徴とする請求項16又は17に記載の方法。
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