JPH02295692A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JPH02295692A
JPH02295692A JP1114706A JP11470689A JPH02295692A JP H02295692 A JPH02295692 A JP H02295692A JP 1114706 A JP1114706 A JP 1114706A JP 11470689 A JP11470689 A JP 11470689A JP H02295692 A JPH02295692 A JP H02295692A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザ加工装置に関するものである。
従来の技術 以下図面を参照しながら、上述した従来のレーザ加工装
置の一例について説明する。
第１０図は従来のレーザ加工装置のうち、Ｘ一Ｙテーブ
ル型の構成図である。第１０図において、１はレーザ発
据器、２はレーザ・ビーム、７は反射ミラー　１ｌｂは
集光レンズ、９は被加工物、１０はＸ−Ｙテーブルであ
る。レーザ発振器１から出たレーザ・ビーム２は、反射
ミラー７により９０”偏向され、集光レンズｌｌｂによ
り被加工物９上に照射される。さらに、被加工物９は、
Ｘ一Ｙテーブル１０にて移動され、所定の加工が施され
る。
一方、第１１図は、従来のレーザ加工装置のうち、ガル
バノ・メータ型ビーム走査装置の構成図である。第１１
図において、１５はガルノくノ・メータ、１６はガルバ
ノ・ミラー　１７はｆθレンズである。レーザ発振器１
から出たレーザ・ビーム２はガルバノ・メータ１５によ
って動かされる２枚のガルバノ・ミラー１６により平面
上を走査されながら、ｆθレンズ１７により被加工物９
上に照射され、所定の加工が施される。
しかしながら、上記のような加工跡を１本のレーザ・ビ
ーム２で形成する方法では、同一形状の加工を繰り返し
被加工物９に施す場合には、加工に時間がかかり十分な
生産能力が得られない。
そのため、第１２図に示す様な多点同時加工できるレー
ザ加工装置がよく用いられている。
第１２図において３ｂと４ｂはレーザ・ビーム２ａのビ
ーム径を拡大させるための凸レンズ、５と６はレーザ・
ビーム２ｄの断面形状を変形させるための凸型円柱レン
ズ、８は集光光学装置、１１は平凸レンズである。
以上のように構成されたレーザ加工装置について、その
機能を説明する。レーザ発娠器１から出たレーザ・ビー
ム２ａは凸レンズ３ｂを通過した後、一旦集光して再び
拡がり、凸レンズ３ｂよりも焦点距離の長い凸レンズ４
ｂによって、レーザ・ビーム２ａよりもビーム径が大き
く平行なレーザ・ビーム２ｄとなる。レーザ・ビーム２
ｄは凸型円筒レンズ５によって水平方向が一旦集光して
再び拡がり、凸型円筒レンズ５よりも集点距離の長い凸
型円筒レンズ６によって、レーザ・ビーム２ｄよりも水
平方向が拡大された平行なレーザ・ビーム２ｅとなる。
レーザ・ビーム２ｅは、反射ミラー７によって集光光学
装置８に入射し、集光光学装置８内の各々の平凸レンズ
１１によりりレーザ・ビーム２ｅが集光され、多点スポ
ットとして被加工物９に照射される。さらに、被加工物
９は、Ｘ−Ｙテーブル１０によって移動され、所定の加
工が施される。
発明が解決しようとする課題 一般に、固体レーザ（Ｎｄ−ＹＡＧレーザ等）や気体レ
ーザ（Ｃｏ，レーザ等）から発振されるレーザ・ビーム
の断面強度分布は、一様ではな《、第１３図（ａ）に示
すようなガウス分布をしている。
また、例えば第１２図で示したレーザ加工装置のように
、発娠器１から出たレーザ・ビーム２ａのビーム径を拡
げたり、ビームの断面形状を変形させても、レーザ・ビ
ーム２ｅの断面強度分布は、相変わらずガウス分布をし
ている。つまり、第１３図（ａ）に示すように、レーザ
・ビーム２ｅの中心で強度が最も強く、周辺に遠ざかる
に従って指数関数的に減少していく。
また、このようなガウス分布をしているレーザ・ビーム
２ｅを、平凸レンズ１１で構成されている集光光学装置
８で集光し、多点スポットとして被加工物９に照射した
時、各加工点１２゛でのレーザ・エネルギ密度（単位面
積当たりのレーザ・ビーム強度）も、ガウス分布となり
、加工領域の中央部で強《、周辺部で弱くなる。
第１３図（ｂ）は、レーザ・ビーム強度に対する加工条
件幅と加工可能領域との関係を表しており、図中の斜線
部分は、有効に加工に使われるレーザ・ビーム２ｅのエ
ネルギ量を表している。逆に、図中の斜線以外の部分は
、有効に使われないエネルギ量を表している。
つまり、レーザ・ビーム２ｅの断面強度分布が一様では
なくガウス分布をしているため、加工可能領域はレーザ
・ビーム強度の加工条件幅により制限を受け、レーザ・
ビーム２ｅの全エネルギを有効に加工に利用することが
できないという課題を有していた。
例えば、連続発振ＹＡＧレーザをＱスイッチでパルス化
して、Ａｔ膜１０００Ａの蒸着フイルムに照射し、フイ
ルムに損傷を与えることなく、フィルム上のＡＩ膜だけ
を除去するという加工を考える。第１２図で示したよう
なレーザ加工装置を用いて上記の加工を行った場合、レ
ーザ・エネルギ密度が２Ｘ１０Ｊ／ｃｉ以上になるとフ
ィルムに損傷が入り、１．６　Ｘ　１　０　　Ｊ　／ｃ
！以下では、蒸着フィルム上のＡｌｌ］ｌが除去されな
かった。つまり、レーザ・エネルギ密度の加工条件幅が
１．６Ｘ１０　〜２Ｘ１０Ｊ／ｃ−と非常に狭いため、
加工可能領域も小さくなり、また、レーザ・ビームの全
エネルギに対して、約３割程度しか有効に利用していな
いことが判明した。
そこで本発明はこの課題を解決するため、集光光学装置
８内の各集光レンズ１１に入射するレーザのエネルギ量
を等しくし、さらに各加工点１２でのレーザ・エネルギ
密度を等しくするレーザ加工装置を提供するものである
。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するための本発明の第１の発明は、レー
ザ発振器と、レーザ・ビームの断面強度を均一にする非
球面レンズと、均一化されたレーザ・ビームの光路内に
いくつかの集光レンズが平面上に配置されている集光光
学装置とを備えていることを特徴とするレーザ加工装置
である。
また、本発明の第２の発明は、第１の発明におけるレー
ザ加工装置において、非球面レンズの代わりに非球面ミ
ラーを備えていることを特徴とするレーザ加工装置であ
る。
また、本発明の第３の発明は、レーザ発振器と、レーザ
・ビームの光路内にい《つかの集光レンズが平面上に配
置されており、かつ、各集光レンズに入射するレーザ・
ビームのエネルギ量が等しくなるようにそのレンズの形
状が設定されている集光光学装置とを備えていることを
特徴とするレーザ加工装置である。
更に、本発明の第４の発明は、レーザ発振器と、レーザ
・ビームのエネルギを等分割するビーム分割装置と、分
割されたレーザ・ビームの光路内にい《つかの集光レン
ズが平面上に配置されている集光光学装置とを備えてい
ることを特徴とするレーザ加工装置である。
作　　　用 本発明の第１の発明によれば、非球面レンズを用いるこ
とにより、ガウス分布をしてぃるレーザ・ビームの断面
強度分布は均一分布となり、その均一化されたレーザ・
ビームはいくつかの集光レンズで構成される集光光学装
置に照射される。各々の集光レンズに入射するレーザ・
ビームの強度は均一であるため、集光レンズで集光され
た各加工点でのレーザ・エネルギ密度も等しくなる。そ
のため、加工領域の中央部でも周辺部でも均一に加工す
ることができる。さらに、レーザ・ビームのエネルギの
大部分を有効に加工に利用できるようになるため、加工
可能、領域を拡げることができる。
また、本発明の第２の発明による作用は、第１の発明に
よる作用とほぼ同じであり、異なっている点は、ガウス
分布をしてぃるレーザ・ビームの断面強度分布を均一分
布に変換させるための非球面レンズの代わりに、非球面
ミラーを使用している点である。
また、本発明の第３の発明によれば、集光光学装置内の
各々の集光レンズの形状（大きさ、光軸の位Ｍ）を、レ
ーザ・ビームの断面強度分布に合わせて適当に変えるこ
とにより、各々の集光レンズに入射するレーザ・ビーム
のエネルギ量を等しくすることができる。そのため、第
３の発明においても、第１の発明と同様の効果が得られ
る。
更に、本発明の第４の発明によれば、ビーム分割装置を
用いてレーザ・ビームのエネルギを等分割することによ
り、集光光学装置内の各々の集光レンズに入射するレー
ザ・ビームのエネルギ量を等しくすることができる。そ
のため、第４の発明においても、第１の発明と同様の効
果が得られる。
実施例 本発明の実施例について以下図面を参照しながら説明す
る。
第１図は本発明の第１の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図である。同図において、１はレーザ発振器、２
ａはレーザ発振器１から出たレーザ・ビーム、３と４は
レーザ・ビーム２ａの断面強度分布を均一分布にするた
めの非球面レンズ、５と６はレーザ・ビーム２ｂの断面
形状を変化させるための凸型円筒レンズ、７は全反射ミ
ラー、８は集光光学装置、９は被加工物、１０はＸＹテ
ーブル、１１は代表的な集光レンズである平凸レンズで
ある。
以上のように構成されたレーザ加工装置について、その
機能を説明する。レーザ発振器１から出たレーザ・ビー
ム２ａは、非球面レンズ３、４によりレーザ・ビーム２
ａの平行性を保ちつつ、かつ、その断面強度かガウス分
布から均一分布へ変換される。均一化されたレーザ・ビ
ーム２ｂは、凸型円筒レンズ５によって水平方向が一旦
集光して拡がり、凸型円筒レンズ５よりも焦点距離の長
い凸型円筒レンズ６によってレーザ・ビーム２ｂよりも
水平方向が拡大された平行なレーザ・ビーム２ｃとなる
。レーザ・ビーム２Ｃは、反射ミラー７によって集光光
学装置８に入射し、集光光学装置８内の各々の平凸レン
ズ１１によりレーザ・ビーム２ｅが集光され、多点スポ
ットとして被加工物９に照射される。さらに、被加工物
９は、Ｘ−Ｙテーブル１０によって移動され、所定の加
工が施される。
次に、レーザ・ビーム２ａの断面強度分布をガウス分布
から均一分布へ変換する非球面レンズ３、４の機能につ
いて定性的に説明する。第２図は、第１図のレーザ加工
装置における非球面レンズ３、４光学系の拡大図であり
、ビームの強度分布を光線密度で表わしている。非球面
レンズ３の非球面部において、ビーム強度の強い中央部
ではビームを拡げ、逆にビーム強度の弱い周辺部ではビ
ームを拡げないようにして、ビーム強度を均一にする。
一方、非球面レンズ４の非球面部において、拡げられた
各ビームを元の平行ビームに戻す。第３図（ａ）は、ガ
ウス分布をしているレーザ・ビーム２ａの断面Ａ−Ａの
ビーム強度、第３図（ｂ）は、均一化されたレーザ・ビ
ーム２ｂの断面Ｂ−Ｂのビーム強度を表している。さら
に、この均一化されたレーザ・ビーム２ｂを、集光光学
装置８内の平凸レンズ１１で集光し、多点スポットとし
て被加工物９に照射すると、その加工点１２でのエネル
ギ密度はすべて等しくなる。
また、第４図は、レーザ・ビーム強度に対する加工条件
幅と加工可能領域との関係を表わしており、（ａ）は従
来のレーザ加工装置の場合であり、（ｂ）は本実施例に
おけるレーザ加工装置の場合である。
図中の斜線部分は有効に加工に利用できるレーザ・ビー
ムのエネルギ量を表わしている。
以上のように本実施例によれば、非球面レンズ３、４を
用いてレーザ・ビーム２ａの断面強度分布を均一分布に
し、平凸レンズ１１で集光し、多点スポットとして被加
工物９上に照射することにより、各加工点ｌ２でのレー
ザ・エネルギ密度が等しくなり、中央部でも周辺部でも
均一に加工することができる。さらに、レーザ・ビーム
のエネルギの大部分を有効に加工に利用できるようにな
り、加工可能領域を拡げることができる。
第５図は本発明の第２実施例におけるレーザ加工装置の
構成図である。同図において、第１図と同一物には同一
番号を付し説明を省略する。同図において、第１図と異
なる点は、非球面レンズ３、４の代わりに、非球面ミラ
ー３ａ、４ａを用いている点である。
本実施例におけるレーザ加工装置の機能は、第１の実施
例の場合とほぼ同じであり、異なっている点は、ガウス
分布をしているレーザ・ビーム２ａの断面強度分布を均
一分布に変換する手段が、非球面レンズ３、４から非球
面ミラーに代わっている点だけである。
従って、本実施θ１においても、第１の実施例と同様の
効果が得られる。
第６図は本発明の第３の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図である。同図において、第１図と同一物には同
一番号を付し説明を省略する。同図において、第１図の
構成と異なる点は２つあり、その一つは、非球面レンズ
３、４を使用せず、球面の凸レンズ３ｂ、４ｂを使用し
ている点である。
そのため、レーザ発振器ｌから出たレーザ・ビーム２ａ
は凸レンズ３ｂを通過した後、一旦集光して再び拡がり
、凸レンズ３ｂよりも焦点距離の長い凸レンズ４ｂによ
って、レーザ・ビーム２ａよりも直径が太き《平行なレ
ーザ・ビーム２ｄとなる。ここで注意しなければならな
いことは、レーザ・ビーム２ｄの断面強度分布が第１の
実施例のように均一分布ではなく、依然としてガウス分
布をしている点である。
もう一つの異なる点は、集光光学装置８ａである。第７
図は第３の実施例における集光光学装置８ａの拡大図で
あり、６個の平凸レンズｌｌａで構成されており、ビー
ムの強度分布は光線密度で表わされている。
次に、この集光光学装置８ａの機能を第７図を参照しな
がら説明する。まず、集光光学装置８ａに入射するレー
ザ・ビーム２ｅの断面強度分布は均一分布ではな《、ガ
ウス分布となっている。そのため、集光光学装置８ａ内
の６個の平凸レンズ１１ａの形状は、レーザ・ビーム２
ｅのビーム強度分布に合わせて変えている。つまり、具
体的には、各々の平凸レンズｌｌａに入射するレーザ・
ビーム２ｅのエネルギ量が等しくなるように、その平凸
レンズｌｌａの大きさ（断面積）を゛変えている。ガウ
ス分布は中央部で強度が強く、周辺へ遠ざかるに従って
弱くなるため、集光光学装置８ａ内の平凸レンズ１１　
ａの大きさは、中央部では小さ《、逆に、周辺部では大
きくなる。さらに、第７図の１点鎖線で示すように、各
々の平凸レンズｌｌａの光軸と加工点１２とを合わせて
いるため、レーザ・ビーム２ｅは各々の平凸レンズ１１
ａにより各々の加工点１２に集光される。
従って、各加工点１２でのレーザ・エネルギ密度は等し
くなり、中央部でも周辺部でも均一に加工することがで
きる。つまり、本実施例においても第１の実施例と同様
の効果が得られる。
第８図は本発明の第４の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図である。同図において、第１図と同一物には同
一番号を付し説明を省略する。同図において、第１図の
構成と異なる点は２つあり、その一つは、非球面レンズ
３、４を使用しないで、球面の凸レンズ３ｂ，４ｂを使
用している点である。この点においては、本発明の第３
の実施例と同じであるため、説明は省略する。
もう一つの異なる点は、反射ミラー７と集光光学装置８
との間に、レーザービーム２ｅのエネルギを等しく分割
するビーム分割装置１３が配置されている点である。第
９図は６個のプリズム１４で構成されているビーム分割
装置１３と、６個の平凸レンズ１１で構成されている集
光光学装置８の拡大図である。同図において、斜線部分
は、レーザ・ビーム２ｅの通過する領域を示している。
次に、このビーム分割装置１３の機能を第９図を参照し
ながら説明する。まず、ビーム分割装置１３に入射する
レーザ・ビーム２ｅの断面強度分希はガウス分布となっ
ている。そのため、ビーム分割装置１３内の６個の各々
のプリズム１４の形状は、レーザ・ビーム２ｅのビーム
強度分布に合わせて変えている。つまり、具体的には、
各々のプリズム１４に入射するレーザ・ビーム２ｅのエ
ネルギ量が等しくなるように、そのプリズムｌ４の大き
さく断面積）を変えている。また、各々のプリズム１４
はレーザ・ビーム２ｅの光軸に対して傾けて配置されて
いるため、レーザ・ビーム２ｅはプリズム１４に入射す
る時外側へ屈折し、逆に、プリズム１４がら出射する時
内側へ屈折する。
さらに、各々のプリズム１４を通過したレーザ・ビーム
２ｆが、集光非受額装置８内の各々の平凸レンズ１１に
入射するように、各々のプリズム１４の長さを変えてい
る。
従って、各々の平凸レンズ１１に入射するレーザ・エネ
ルギの量は等しくなり、各加工点１２でのレーザ・エネ
ルギ密度も等しくなる。つまり、本実施例においても、
第１の実施例と同様の効果が得られる。
発明の効果 本発明の第１の発明から第４の発明のすべてに対して、
集光光学装置内の各々の集光レンズに入射するレーザ・
ビームのエネルギ量が等しく、集光レンズの光軸に対し
て垂直にレーザ・ビームが入射するため、集光レンズで
集光された各加工点でのレーザ・エネルギ密度は等しく
なる。そのため、加工領域の中央部でも周辺部でも均一
に加工することができる。さらに、レーザ・ビームのエ
ネルギの大部分を有効に加工に利用できるため、加工可
能領域を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例におけるレーザ加工装置
の構成図、第２図は第１図のレーザ加工装置における非
球面レンズ光学系の拡大図、第３図は非球面レンズ光学
系通過前後におけるレーザ・ビームの断面強度分布図、
第４図はレーザ・ビーム強度の加工条件幅と加工可能領
域との関係を表わした図、第５図は本発明の第２の実施
例におけるレーザ加工装置の構成図、第６図は本発明の
第３の実施例におけるレーザ加工装置の構成図、第７図
は第６図のレーザ加工装置における集光光学装置の拡大
図、第８図は本発明の第４の実施例におけるレーザ加工
装置の構成図、第９図は第８図のレーザ加工装置におけ
るビーム分割装置と集光光学装置の拡大図，第１０図は
従来のレーザ加工装置のうちＸ−Ｙテーブル型の構成図
、第１１図は従来のレーザ加工装置のうちガルバノ・メ
ータ型ビーム走査装置の構成図、第１２図は従来の多点
同時加工可能なレーザ加工装置の構成図、第１３図は従
来のレーザ加工装置におけるレーザ・ビームの断面強度
分布及びレーザ・ビーム強度の加工条件幅と加工可能領
域との関係を表した図である。 １・・・・・・レーザ発振器、２，２ａ〜２ｅ・・・・
・・レーザ・ビーム、３，４・・・・・・非球面レンズ
、１１，１１ａ，ｌｌｂ・・・・・・集光レンズ、８，
８ａ・・・・・・集光光学装置、３ａ，４ａ・・・・・
・非球面ミラー　１３・・・・・・ビーム分割装置。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第２図 ｔ−ｂ−ｖ’＊ざ．ν己、象 ２，Ｌ−ｋ−−−　Ｌ−−サ゛ど一乙５３，４・一弁月
ｂ句レンズ゜ 第　３　図 ＜ｃＬ＞ （ｂ〕 第 図 Ｉ′刀ＵＬミエ力乏レ会灸上蓼なζ−一−→一第 図 イ 第１０図 第１１ 図 ｆｏ 第 第１２ 図 図 イ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）レーザ発振器と、このレーザ発振器から出たレー
    ザ・ビームの断面強度を均一にする非球面レンズと、こ
    の非球面レンズにより均一化されたレーザ・ビームの光
    路内に平面上に１列もしくは複数列に集光レンズを配置
    して構成した集光光学装置とを備えたレーザ加工装置。
  2. （２）レーザ発振器と、このレーザ発振器から出たレー
    ザ・ビームの断面強度を均一にする非球面ミラーと、こ
    の非球面ミラーにより均一化されたレーザ・ビームの光
    路内に平面上に１列もしくは複数列に集光レンズを配置
    して構成した集光光学装置とを備えたレーザ加工装置。
  3. （３）レーザ発振器と、このレーザ発振器から出たレー
    ザ・ビームの光路内に平面上に１列もしくは複数列に配
    置されており、かつ、各々の集光レンズに入射するレー
    ザ・ビームのエネルギーが等しくなるようにそのレンズ
    の形状が設定されている集光レンズによって構成された
    集光光学装置とを備えたレーザ加工装置。
  4. （４）レーザ発振器と、このレーザ発振器から出たレー
    ザ・ビームのエネルギを等しく分割するビーム分割装置
    と、分割されたレーザ・ビームの光路内に平面上に１列
    もしくは複数列に集光レンズを配置した集光光学装置と
    を備えたレーザ加工装置。
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