JP7443099B2 - 環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置 - Google Patents

環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置 Download PDF

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Description

本件発明は、環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置に関する。
従来より、金属部材の切断や金属部材同士を接合させる等の加工を施す手段として、レーザ加工が採用されている。このレーザ加工は、光学素子等により集光したエネルギー密度の高いレーザビームを加工対象に照射し、照射先の母材金属を溶融させて行うのが一般的である。レーザビームは、光学素子によって極めて小さな面積に集光することができ、照射先の母材金属を溶融させるのに十分な程度にまでエネルギー密度を高めることができる。また、加工用レーザは高出力であるため、レーザ加工によれば、他の溶接加工方法を採用するよりも加工時間の短縮が図られ、困難とされる融点の異なる金属部材同士の溶接も可能となる。
ところで、照射されたレーザビームにより加工対象物を溶接又は切断等の加工をする部分（加工点）では、レーザビームのエネルギー強度分布が、中心領域よりも周辺領域の方が高くなることで、より溶接品質や切断品質を向上させられることが知られている。例えば、特許文献１には、コリメートレンズと円錐状のアキシコンレンズ、フォーカス系レンズ群を用い、リング形状のプロファイルとしてレーザ光を加工対象物に照射するレーザ加工装置が記載されている。また、特許文献２には、第１の面を平面とし、この第１の面に対向する第２の面を奇数次非球面とする光学レンズを用い、リング形状のプロファイルとしてレーザ光を加工対象物に照射することが記載されている。
特開２０１４－０９４４０６号公報 ＷＯ２０１７／１９５６９１号公報
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工装置で用いる、環状像を形成する円錐状のアキシコンレンズは、円錐面中心に欠陥が生じやすい尖鋭部があり、そこから劣化する恐れがある。また、特許文献２に記載の光学レンズでは、非球面係数が１次の項の非球面を用いているので、特許文献１に記載のアキシコンレンズ同様にレンズ中心部に尖鋭部があり、そこから劣化する恐れがある。
そこで、本件発明では、耐久性向上と環状像の形成を両立させた環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、レーザ加工用の環状ビーム成形光学系であって、有効範囲における光学面形状が光軸を含む断面で曲率が連続的に変化する滑らかな非球面形状の光学素子を有し、前記光学素子の非球面形状は、以下の条件式（１）のように偶数次非球面式で表され、且つ、当該条件式（１）のｒが正の場合に以下の条件式（２）を満たし、当該条件式（１）のｒが負の場合に以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする
ｚ＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋ａ５ｒ１０＋ａ６ｒ１２＋ａ７ｒ１４＋ａ８ｒ１６ ・・・（１）
０＜｜Ｃ１．０／Ｃ０｜＜０．８ ・・・（２）
０＜｜Ｃ０／Ｃ１．０｜＜０．８ ・・・（３）
但し、
ｚ：光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）
ｃ：中心曲率半径の逆数（中心曲率）
ｒ：近軸曲率半径
ｋ：円錐定数
ａ１～ａ８：２次から１６次の非球面係数
Ｃ１．０：光学面形状の有効範囲端位置の曲率
Ｃ０：光学面形状の光軸上の曲率
本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、有する光学素子の有効範囲における光学面に欠陥が生じやすい尖鋭部が無いため、耐久性の向上を図ることができる。従って、本件発明に係る環状ビーム成形光学系およびそれを用いたレーザ加工装置によれば、環状像を従来よりも長期間に亘り形成することができ、従来よりも溶接品質や切断品質の向上を図ることができる。
本件発明の一実施形態としてのレーザ加工装置の構成を例示する概略構成図である。 実施例１の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。 実施例２の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。 実施例３の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。 実施例４の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。 実施例５の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。 実施例６の光学素子における光線高さ（割合）と曲率との関係を示すグラフである。
以下、本件発明に係る環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置は本件発明の一態様であって、以下の態様に限定されるものではない。
１．本件発明に係る環状ビーム成形光学系
本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、有効範囲（光学有効面）における光学面形状が、光軸を含む断面で曲率が連続的に変化する滑らかな、つまり、有効範囲内で一次微分値が連続する滑らかな非球面形状の光学素子を有し、この光学素子の非球面形状が、所定の条件を満たしている。上述した光学面形状の所定の条件としては、非球面の光学面形状が以下の条件式（１）のような偶数次非球面式で表され、且つ、当該条件式（１）のｒが正の場合に以下の条件式（２）を満たし、当該条件式（１）のｒが負の場合に以下の条件式（３）を満たしている。
ｚ＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋ａ５ｒ１０＋ａ６ｒ１２＋ａ７ｒ１４＋ａ８ｒ１６ ・・・（１）
０＜｜Ｃ１．０／Ｃ０｜＜０．８ ・・・（２）
０＜｜Ｃ０／Ｃ１．０｜＜０．８ ・・・（３）
但し、
ｚ：光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）
ｃ：中心曲率半径の逆数（中心曲率）
ｒ：近軸曲率半径
ｋ：円錐定数
ａ１～ａ８：２次から１６次の非球面係数
Ｃ１．０：光学面形状の有効範囲端位置の曲率
Ｃ０：光学面形状の光軸上の曲率
本件発明の光学素子は、その有効範囲における光学面形状が、上記条件式（１）を満足する回転対称な非球面形状を少なくとも１面備えている。条件式（１）は、光学素子の非球面形状を規定する偶数次非球面式である。上記条件式（１）を満足することにより、本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、加工対象の表面におけるレーザビームの照射パターンを真円に近い円環状とすることが可能となる。また、上記条件式（１）を満足すると、光学素子の有効範囲における光学面形状が尖鋭部の無い滑らかな形状となるため、レーザビームによる破損が生じ難く、円錐状のアキシコンレンズや奇数次非球面レンズを用いた場合に比して耐久性に優れたものとなる。
換言すれば、本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、有効範囲における光学面形状が光軸を含む断面で曲率が連続的に変化する滑らかな（つまり、微分可能な）非球面形状の面を少なくとも１面備える光学素子を有する。そして、当該光学素子の非球面形状は、この非球面形状の近軸曲率半径をｒとしたときに、ｒの値が正の場合に以下の条件式（２）を満たし、ｒの値が負の場合に以下の条件式（３）を満たす。なお、条件式（２）および（３）については後述する。
ここで、上記条件式（１）において、ａ１は０でないことが好ましい。本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、上記条件式（１）において、ａ１が２次の項であることで、環状像に光束を集光させることが可能となると共に、尖鋭部の無いアキシコンレンズ（頂点が曲面の略円錐形状を有するレンズ）を有することが可能となる。従って、上記条件式（１）のａ１が０でないことで、本件発明の光学素子について耐久性の向上が図られると共に、環状に分布する光束を径方向に収束させ、溶接品質および切断品質をより向上させた環状ビーム成形光学系の実現が可能となる。
また、上記条件式（１）において、ａ１が０であり、且つ、ａ２からａ８のうち少なくとも一つが０でないことも好ましい。本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、上記条件式（１）において、２次の項（ａ１）を用いない場合には、４次以降の項（ａ２からａ８のうち少なくとも一つ）を使って球面収差を補うことにより、環状像に光束を集光させることが可能となると共に、本件発明の光学素子について尖鋭部の無いアキシコンレンズ（頂点が曲面の略円錐形状を有するレンズ）とすることが可能となる。
また、本件発明の光学素子は、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（１）と共に上記条件式（２）又は上記条件式（３）を満足することで、より確実に尖鋭部を無くして、この光学面形状の滑らかさを高めることができる。従って、上記条件式（２）又は上記条件式（３）を満たすことは、本件発明の目的である、耐久性向上と環状像の形成とを両立させる上でより好ましい。
ここで、上記条件式（２）では、下限値が０．１以下となると、焦点距離が近くなってスパッタがレンズや保護ガラスに付着して、焼き付きによる損傷が生じるため好ましくない。一方、上限値が０．９以上となると、焦点距離が遠くなり過ぎて、溶接品質および切断品質の低下を招くため好ましくない。
なお、本件発明の光学素子は、本件発明の目的である、耐久性向上と環状像の形成とを両立させる上で、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（２）よりも以下の条件式（５）を満足することがより好ましい。
０．２＜｜Ｃ１．０／Ｃ０｜＜０．８ ・・・（５）
但し、
Ｃ１．０：光学面形状の有効範囲端位置の曲率
Ｃ０：光学面形状の光軸上の曲率
またここで、上記条件式（３）では、下限値が０．１以下となると、焦点距離が近くなってスパッタがレンズや保護ガラスに付着して、焼き付きによる損傷が生じるため好ましくない。一方、上限値が０．９以上となると、焦点距離が遠くなり過ぎて、溶接品質および切断品質の低下を招くため好ましくない。
なお、本件発明の光学素子は、本件発明の目的である、耐久性向上と環状像の形成とを両立させる上で、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（３）よりも以下の条件式（６）を満足することがより好ましい。
０．２＜｜Ｃ０／Ｃ１．０｜＜０．８ ・・・（６）
但し、
Ｃ０：光学面形状の光軸上の曲率
Ｃ１．０：光学面形状の有効範囲端位置の曲率
そして、本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、以下の条件式（４）を満たす光学素子を有することも好ましい。
－２００＜ｋ／ｒ２＜－１０ ・・・（４）
但し、
ｋ：円錐定数
ｒ：近軸曲率半径
本件発明の光学素子は、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（４）を満足することで、光軸近傍で曲率が大きく変化し、光を効率的に環状像に収束させることが可能となる。その結果、本件発明に係る環状ビーム成形光学系は、エネルギー強度分布が保たれた状態で、レーザビームを環状に集光させることが可能となる。従って、上述した光学面形状が上記条件式（４）を満足することは、本件発明の目的である耐久性向上と環状像の形成の両立を達成する上でより効果的である。
ここで、上記条件式（４）では、下限値が－２００以下となると、光軸近傍の曲率が大き過ぎて光学面に欠陥が生じやすくなるため好ましくない。一方、上限値が－１０以上となると、環状像の光量が低下し過ぎて、溶接品質および切断品質の低下を招くため好ましくない。
なお、本件発明の光学素子は、本件発明の目的である、耐久性向上と環状像の形成とを両立させる上で、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（４）よりも以下の条件式（７）を満足することがより好ましい。
－１００＜ｋ／ｒ２＜－１０ ・・・（７）
但し、
ｋ：円錐定数
ｒ：近軸曲率半径
また、本件発明に係る環状ビーム成形光学系において、光学素子が光透過性を有する材料で形成され、上述した光学面形状は、以下の条件式（８）に示す条件を満たすことが好ましい。
０．００６＜（ｎ－１）・Ｄ／｛λ・（－ｋ）１／２｝ ・・・（８）
但し、
ｎ：光学素子の屈折率
Ｄ：光学素子の有効直径
λ：レーザの使用波長
ｋ：円錐定数
本件発明の光学素子は、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（８）を満足することで、より明瞭な環状像を形成することが可能となり、溶接品質や切断品質を向上させる上でより効果的となる。この効果を得る上で、上記条件式（８）の下限値は０．００６を超えた値であることが好ましい。仮に、上記条件式（８）の下限値が０．００６以下になると、回折の影響によって環状像が明瞭でなくなり、上述した効果が十分に得られなくなる。
また、本件発明に係る環状ビーム成形光学系において、光学素子が光透過性を有する材料で形成され、上述した光学面形状は、以下の式（９）に示す条件を満たすことが好ましい。
５＜（ｎ－１）・Ｌ／｛λ・（－ｋ）１／２｝＜１０００ ・・・（９）
但し、
ｎ：光学素子の屈折率
Ｌ：光学面から環状像が収束する位置までの距離
λ：レーザの使用波長
ｋ：円錐定数
本件発明の光学素子は、その有効範囲における光学面形状が上記条件式（９）を満足することで、より明瞭な環状像を形成することが可能となり、溶接品質や切断品質を向上させる上でより効果的となる。この効果を得る上で、上記条件式（９）は、下限値が５を超えた値であり、上限値が１０００未満の値であることが好ましい。仮に、上記条件式（９）の下限値が５以下になると、深度が狭くなり使い勝手が悪い光学素子となる上、回折の影響によって環状像が明瞭でなくなるため好ましくない。一方、上記条件式（９）の上限値が１０００以上になると、光学系が長大化すると共に、環状像のエネルギー密度が下がるため好ましくない。
２．本件発明に係るレーザ加工装置
次に、本件発明に係るレーザ加工装置について説明する。本件発明に係るレーザ加工装置は、上記環状ビーム成形光学系を備えたことを特徴とする。よって、本件発明に係るレーザ加工装置によれば、良好なレーザ加工性能を長期間安定して確保することが可能となる。
以下、本件発明に係るレーザ加工装置の動作を説明しつつ、その効果について述べる。図１は、本件発明の一実施形態としてのレーザ加工装置の構成を例示する概略構成図である。図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザビーム源２から射出されたレーザビーム１０を整形するコリメータレンズ３と、コリメータレンズ３から射出されたレーザビーム１０を円環状に集光させる環状ビーム成形レンズ４と、環状ビーム成形レンズ４を移動させて加工対象物１１の表面にレーザビーム結像位置を形成する結像位置調整機構５とを備える。
まず、レーザビーム源２より、加工用のレーザビーム１０が射出される。レーザビーム源２は、加工対象物１１の種類等に応じて媒体や発振方式等を適宜選択することができる。ちなみに、媒体として、固体レーザ（ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等）やガスレーザ（アルゴンイオンレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ等）等の使用が可能である。また、発振方式として、断続的にレーザビームを射出するパルスレーザー、又は連続的にレーザビームを射出するＣＷレーザ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ）を使用することができる。
次に、コリメータレンズ３により、レーザビーム源２から入射されたレーザビーム１０が略平行とされ、後述する環状ビーム成形レンズ４に向けて射出される。コリメータレンズ４を備えることで、環状ビーム成形レンズ４には略平行のレーザビーム１０が入射され、環状ビーム成形レンズ４によりレーザビーム１０を所望の形状に集光させると共に、結像面（不図示）におけるレーザビーム１０の強度分布を略均一にする等所望の強度分布にすることができるようになる。
次に、環状ビーム成形レンズ４により、レーザビーム源２から射出されたレーザビーム１０が円環状に集光され、加工用のレーザビーム１０へ変換される。この加工用のレーザビーム１０は、環状ビーム成形レンズ４から焦点位置２０に向かって縮径するビームプロファイルを有するものである。この加工用のレーザビーム１０を用いることで、加工対象物１１の表面のレーザビーム照射領域にボケが生ぜず、安定して高品質のレーザ加工を行うことが可能となる。
なお、図１では、環状ビーム成形レンズ４と上述のコリメータレンズ３が別体により示されているが、環状ビーム成形レンズ４は、コリメータレンズ３と接合させて一体化させることもできる。
次に、本件発明の光学素子の具体的な実施例１～６を挙げ、本件発明の特徴を示す。ただし、本件発明の光学素子は以下の実施例に限定されるものではない。
以下の表１～５に、実施例１の光学素子データを示す。表１には、光学素子の有効範囲における光学面形状を下記式のように偶数次非球面式で定義したときの数値を示す。
ｚ＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋ａ５ｒ１０＋ａ６ｒ１２＋ａ７ｒ１４＋ａ８ｒ１６
上記式において、「ｚ」は光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）、「ｃ」は中心曲率半径の逆数（中心曲率）、「ｒ」は近軸曲率半径、「ｋ」は円錐定数、「ａ１～ａ８」は２次から１６次の非球面係数とする。また、表１において、「ｈ ｍａｘ」は最大光線高さを示す。
表２には、レンズの仕様を示す。表２において、「ｎ」は光学素子の屈折率、「Ｄ」は光学素子の有効直径、「λ」はレーザの使用波長、「ｆ」は焦点距離（近軸焦点距離）を示す。
を示す。
表３には、上記条件式（２）又は（３），（４），（８），（９）の値を示す。表３において、「Ｃ１．０」は光学素子における光学面形状の有効範囲端位置での曲率、「Ｃ０」は光学素子における光学面形状の光軸上の曲率、「ｋ」は円錐定数、「ｒ」は近軸曲率半径、「ｎ」は光学素子の屈折率、「Ｄ」は光学素子の有効直径、「λ」はレーザの使用波長を示す。
表４には、光学面から環状像が収束する位置までの距離「Ｌ（ｉｎ ａｉｒ）」での環状ビームの半径「（ｎ－１）・Ｌ／（－ｋ）１／２」を示す。
表５には、光線高さ「ｈ」（割合として表示）、曲率「Ｃ」との関係を示す。なお、上述の「割合」は、光軸を基準として光学面形状の有効範囲端位置での光線高さを１としたときの割合のことである（以下同様である）。
また、図２には、実施例１の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表１］
r 200.000
k -5.000E+05
a2 4.702E-03
a4 4.450E-08
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表２］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 154.6 (mm)
［表３］
Lower lim. Upper lim.
|C1.0/C0| 0.636 0 0.8
k/r2 -12.50 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 21.96 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 94.95 5 1000
［表４］
L(in air) 160.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.153 (mm)
［表５］
h C
1.00 18.50 9.156
0.90 16.65 9.202
0.80 14.80 9.243
0.70 12.95 9.280
0.60 11.10 9.312
0.50 9.25 9.340
0.40 7.40 9.362
0.30 5.55 9.381
0.20 3.70 9.395
0.10 1.85 9.418
0.00 0.00 14.404
以下の表６～１０に、実施例２の光学素子データを示す。表６～１０に関する事項は、実施例１で示す表１～５と同じであるため、ここでの説明を省略する。また、図３には、実施例２の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表６］
r 200.000
k -5.000E+05
a2 4.733E-03
a4 4.450E-08
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表７］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 154.0 (mm)
［表８］
Lower lim. Upper lim.
|C1.0/C0| 0.637 0 0.8
k/r2 -12.50 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 21.96 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 94.95 5 1000
［表９］
L(in air) 160.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.102 (mm)
［表１０］
h C
1.00 18.50 9.209
0.90 16.65 9.257
0.80 14.80 9.300
0.70 12.95 9.338
0.60 11.10 9.371
0.50 9.25 9.400
0.40 7.40 9.423
0.30 5.55 9.442
0.20 3.70 9.457
0.10 1.85 9.480
0.00 0.00 14.466
以下の表１１～１５に、実施例３の光学素子データを示す。表１１～１５に関する事項は、実施例１で示す表１～５と同じであるため、ここでの説明を省略する。また、図４には、実施例３の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表１１］
r -200.000
k -5.000E+05
a2 4.702E-03
a4 4.450E-08
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表１２］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 505.7 (mm)
［表１３］
Lower lim. Upper lim.
|C0/C1.0| 0.480 0 0.8
k/r2 -12.50 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 21.96 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 94.95 5 1000
［表１４］
L(in air) 160.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.102 (mm)
［表１５］
h C
1.00 18.50 9.169
0.90 16.65 9.214
0.80 14.80 9.254
0.70 12.95 9.290
0.60 11.10 9.320
0.50 9.25 9.346
0.40 7.40 9.367
0.30 5.55 9.383
0.20 3.70 9.393
0.10 1.85 9.385
0.00 0.00 4.404
以下の表１６～２０に、実施例３の光学素子データを示す。表１６～２０に関する事項は、実施例１で示す表１～５と同じであるため、ここでの説明を省略する。また、図５には、実施例４の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表１６］
r -200.000
k -5.000E+05
a2 4.670E-03
a4 4.450E-08
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表１７］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 513.2 (mm)
［表１８］
Lower lim. Upper lim.
|C0/C1.0| 0.476 0 0.8
k/r2 -12.50 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 21.96 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 94.95 5 1000
［表１９］
L(in air) 160.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.102 (mm)
［表２０］
h C
1.00 18.50 9.113
0.90 16.65 9.156
0.80 14.80 9.195
0.70 12.95 9.230
0.60 11.10 9.259
0.50 9.25 9.284
0.40 7.40 9.305
0.30 5.55 9.320
0.20 3.70 9.330
0.10 1.85 9.321
0.00 0.00 4.340
以下の表２１～２５に、実施例３の光学素子データを示す。表２１～２５に関する事項は、実施例１で示す表１～５と同じであるため、ここでの説明を省略する。また、図６には、実施例５の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表２１］
r 181.000
k -1.327E+06
a2 2.276E-03
a4 0.000E+00
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表２２］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 221.0 (mm)
［表２３］
Lower lim. Upper lim.
|C1.0/C0| 0.447 0 0.8
k/r2 -40.51 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 13.48 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 94.71 5 1000
［表２４］
L(in air) 260.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.101 (mm)
［表２５］
h C
1.00 18.50 4.503
0.90 16.65 4.512
0.80 14.80 4.520
0.70 12.95 4.528
0.60 11.10 4.534
0.50 9.25 4.539
0.40 7.40 4.544
0.30 5.55 4.547
0.20 3.70 4.550
0.10 1.85 4.555
0.00 0.00 10.077
以下の表２６～３０に、実施例３の光学素子データを示す。表２６～３０に関する事項は、実施例１で示す表１～５と同じであるため、ここでの説明を省略する。また、図７には、実施例６の光学素子における光線高さｈ（割合として表示）と曲率Ｃとの関係をグラフにより示す。
［表２６］
r 180.500
k -1.100E+06
a2 2.770E-03
a4 0.000E+00
a6 0.000E+00
a8 0.000E+00
a10 0.000E+00
a12 0.000E+00
a14 0.000E+00
a16 0.000E+00
a18 0.000E+00
a20 0.000E+00
h_max. 18.50 (mm)
［表２７］
n 1.449
D 37.000 (mm)
λ 1.070 (μm)
f 201.0 (mm)
［表２８］
Lower lim. Upper lim.
|C1.0/C0| 0.492 0 0.8
k/r2 -33.76 -200 -10
(n-1)・D/{λ・(-k)1/2} 14.80 0.006 -
(n-1)・L/{λ・(-k)1/2} 96.02 5 1000
［表２９］
L(in air) 240.000 (mm)
(n-1)・L/(-k)1/2 0.103 (mm)
［表３０］
h C
1.00 18.50 5.452
0.90 16.65 5.469
0.80 14.80 5.483
0.70 12.95 5.496
0.60 11.10 5.508
0.50 9.25 5.517
0.40 7.40 5.525
0.30 5.55 5.532
0.20 3.70 5.537
0.10 1.85 5.543
0.00 0.00 11.080
本件発明によれば、一つのレンズ（単レンズ）で加工対象物の表面におけるレーザビームの照射パターンを安定して円環状にすることができ、また、長期間に亘りレーザビームの光強度の均一化を図ることが可能となる。よって、本件発明に係る環状ビーム成形光学系、およびそれを用いたレーザ加工装置は、様々な種類のレーザ加工に好適に用いることができる。
１ レーザ加工装置
２ レーザビーム源
３ コリメータレンズ
４ 環状ビーム成形レンズ
５ 結像位置調整機構
１０ レーザビーム
１１ 加工対象物
２０ 中央焦点距離
Ｌ 光軸

Claims (9)

  1. レーザ加工用の環状ビーム成形光学系であって、
    入射したレーザビームを少なくとも円環状に変換する環状ビーム成形レンズを有し、
    前記環状ビーム成形レンズは、有効範囲における光学面形状が光軸を含む断面で曲率が連続的に変化する滑らかな非球面形状であり、
    前記非球面形状は、以下の条件式（１）のように偶数次非球面式で表され、且つ、当該条件式（１）のｒが正の場合に以下の条件式（２）を満たし、当該条件式（１）のｒが負の場合に以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする環状ビーム成形光学系。
    ｚ＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋ａ５ｒ１０＋ａ６ｒ１２＋ａ７ｒ１４＋ａ８ｒ１６ ・・・（１）
    ０＜｜Ｃ１．０／Ｃ０｜＜０．８ ・・・（２）
    ０＜｜Ｃ０／Ｃ１．０｜＜０．８ ・・・（３）
    但し、
    ｚ：光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸方向の面位置（サグ量）
    ｃ：中心曲率半径の逆数（中心曲率）
    ｒ：近軸曲率半径
    ｋ：円錐定数
    a１～ａ８：２次から１６次の非球面係数
    Ｃ１．０：前記光学面形状の有効範囲端位置の曲率
    Ｃ０：前記光学面形状の光軸上の曲率
  2. 以下の条件式（４）を満たす前記環状ビーム成形レンズを有する請求項１に記載の環状ビーム成形光学系。
    －２００＜ｋ／ｒ２＜－１０ ・・・（４）
    但し、
    ｋ：円錐定数
    ｒ：近軸曲率半径
  3. 前記条件式（１）のｒが正の場合に以下の条件式（５）の条件を満たし、前記条件式（１）のｒが負の場合に以下の条件式（６）の条件を満たす前記環状ビーム成形レンズを有する請求項１又は請求項２に記載の環状ビーム成形光学系。
    ０．２＜｜Ｃ１．０／Ｃ０｜＜０．８ ・・・（５）
    ０．２＜｜Ｃ０／Ｃ１．０｜＜０．８ ・・・（６）
    但し、
    Ｃ１．０：前記光学面形状の有効範囲端位置の曲率
    Ｃ０：前記光学面形状の光軸上の曲率
  4. 以下の条件式（７）を満たす請求項２に記載の環状ビーム成形光学系。
    －１００＜ｋ／ｒ２＜－１０ ・・・（７）
  5. 前記条件式（１）において、ａ１が０でない請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の環状ビーム成形光学系。
  6. 前記条件式（１）において、ａ１が０であり、且つ、ａ２からａ８のうち少なくとも一つが０でない請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の環状ビーム成形光学系。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の環状ビーム成形光学系を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
  8. 前記環状ビーム成形レンズが光透過性を有する材料で形成され、
    前記光学面形状は、以下の条件式（８）に示す条件を満たす請求項７に記載のレーザ加工装置。
    ０．００６＜（ｎ－１）・Ｄ／｛λ・（－ｋ）１／２｝ ・・・（８）
    但し、
    ｎ：前記環状ビーム成形レンズの屈折率
    Ｄ：前記環状ビーム成形レンズの有効直径
    λ：レーザの使用波長
    ｋ：円錐定数
  9. 前記環状ビーム成形レンズが光透過性を有する材料で形成され、
    前記光学面形状は、以下の式（９）に示す条件を満たす請求項７又は請求項８に記載のレーザ加工装置。
    ５＜（ｎ－１）・Ｌ／｛λ・（－ｋ）１／２｝＜１０００ ・・・（９）
    但し、
    ｎ：前記環状ビーム成形レンズの屈折率
    Ｌ：光学面から環状像が収束する位置までの距離
    λ：レーザの使用波長
    ｋ：円錐定数
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