JPH08309573A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JPH08309573A
JPH08309573A JP7113178A JP11317895A JPH08309573A JP H08309573 A JPH08309573 A JP H08309573A JP 7113178 A JP7113178 A JP 7113178A JP 11317895 A JP11317895 A JP 11317895A JP H08309573 A JPH08309573 A JP H08309573A
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JP
Japan
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laser beam
laser
axis direction
incident
lens
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Pending
Application number
JP7113178A
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English (en)
Inventor
Takuya Sawai
卓哉 澤井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH08309573A publication Critical patent/JPH08309573A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】集光系光学部品へ入射するレーザビームの発散
角の大小に関わらず、その集光ビーム形状が直線状とな
るような集光ビームを得て、加工領域全般にわたって一
様な加工品質が得ることのできるレーザ加工装置を提供
すること。 【構成】集光したレーザビームを被加工物へ入射するこ
とにより加工を行うレーザ加工装置において、レーザビ
ームの集光形状を直線状とする集光レンズ及び集光ミラ
ーを備えているので、この直線状の集光レーザビームを
平板上へ照射することによって、より均一なレーザ表面
改質加工を施すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレーザ加工装置に係り、
特に広範囲にわたり表面処理加工を行うレーザ加工装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、レーザ技術の著しい進歩に伴いレ
ーザ加工技術の分野においても多種多様なレーザ加工装
置が実用化されている。このようなレーザ加工装置のう
ち、特に、焼き入れや薄膜除去などの表面改質加工を行
うレーザ加工装置の一例を図3について説明する。
【0003】図3はレーザ加工装置の模式図である。同
図はレーザビーム1をシリンドリカルレンズ2を介して
平面状の被加工物6に入射して表面改質を施す場合の配
置構成を示している。すなわち、平板上の広範囲にわた
って表面改質加工を施す場合は、レーザビーム1の外形
を線状に形成し、Y軸に沿ってレーザビーム1または被
加工物6を走査するのが有利である。そのためシリンド
リカルレンズ2は、X軸方向では曲率形状を有さず、Y
軸方向のみに曲率形状を有する構成をなしている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のレーザ加工装置には、以下のような問題があっ
た。シリンドリカルレンズ2への入射レーザビーム1
は、特にコリメータ用光学部品で平行ビームに変換しな
い限り、ある一定の発散角θを有している。従って、こ
の発散角θが大きくなるほど集光点でのビーム形状3
は、直線上から外れ弧を描くようになる。このような集
光レーザビームを用いて被加工物6を加工を施した場
合、ビーム中心部で加工を施した加工部4と、ビーム外
周部で加工を施した加工部5では、加工品質に差異が生
じ、加工条件の設定が複雑になるなどの問題があった。
【0005】本発明は、上記問題を解決するためになさ
れたもので、その目的は、シリンドリカルレンズへ入射
するレーザビームの発散角の大小に係わらず、その集光
ビーム形状が直線状であり、平板表面に改質加工を施し
た場合、その加工領域全般にわたって一様な加工品質を
容易に得ることのできるレーザ加工装置を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1は、集光したレーザビームを被加
工物へ入射することにより加工を行うレーザ加工装置に
おいて、前記レーザビームの集光形状を直線状とする集
光レンズ及び集光ミラーを備えたことを特徴とする。
【0007】本発明の請求項2は、請求項1記載のレー
ザ加工装置において、Z軸方向で伝搬してくる発散角θ
(半角)のレーザビームが集光レンズ(平凸形状)に入
射すると、集光レンズ表面の曲面形状(凸側)は、X軸
方向ではレーザビーム集光性能を得るための加工は成さ
れてなく、X軸に直交するY軸方向では、その表面が下
記(1)式 R(x)=f0 (n−1){1+(2x/D・tanθ)2 0.5 ・・(1) ここで、f0 はビーム中心における任意の焦点距離、n
はレンズ材質の屈折率、Dは入射ビーム直径、で表され
る曲率分布加工が成されていることを特徴とする。
【0008】本発明の請求項3は、請求項1記載のレー
ザ加工装置において、Z軸方向で伝搬してくる発散角θ
(半角)のレーザビームが集光ミラーに入射すると、集
光ミラー表面の曲面形状は入射面に垂直なX軸方向では
レーザビーム集光性能を得るための加工は成されてな
く、反射伝搬方向のY軸方向では、その表面が下記
(2)式 Z(x,y) =y2 /(2f0 ){1+(2x/D・tanθ)2 -0.5・・(2) ここで、f0 はビーム中心における任意の焦点距離、D
は入射ビーム直径、で表される曲率分布加工が成されて
いることを特徴とする。
【0009】本発明の請求項4は、請求項1または請求
項2記載のレーザ加工装置において、前記集光レンズ及
び集光ミラーを透過または反射後のレーザビームの偏光
面が、前記X軸に垂直であることを特徴とする。
【0010】
【作用】以上のような構成を有する本発明のレーザ加工
装置に設置された集光レンズには、シリンドリカルレン
ズを使用するが、このシリンドリカルレンズのY軸方向
(集光方向)の曲率は、原点(レンズ中心)からX軸
(集光されない方向)上の距離に応じて逐次変化してお
り、原点からの距離が大きくなるほど曲率は大となり、
最終的にレーザビームをこのレンズへ入射した場合、集
光形状が弧を描かず直線状となるように制御されてい
る。この曲率変化は、(1)式で表されるものであり、
レンズからの被加工物までの距離f0 (ビーム中心にお
ける任意の焦点距離)、レンズ設置点でのビーム直径
D、ビーム発散角θ、レンズ材質のレーザ波長に対する
屈折率nが決まれば、上記の性能が得られる曲率分布シ
リンドリカルレンズを設計することが可能である。
【0011】また、入射レーザビームの偏光が直線偏光
なら、その偏光面がX軸に垂直となるようにレンズの姿
勢を調整し、被加工物の走査方向をY軸方向とすれば、
結局、偏光面と平行な方向に被加工物が移動するため、
レーザビームの被加工物への吸収率向上等の効果が得ら
れるので、加工条件をより容易にすることが可能であ
る。
【0012】さらに、上記のような透過集光方式により
直線状集光ビームを得るのではなく、反射ミラーを用い
て直線状集光ビームを得るには、やはり、X軸方向(入
射面に垂直な方向)に曲率分布を有さないシリンドリカ
ル放物面ミラーを用いて、原点[(y,z)=(0,,
0)]からX軸方向の距離に応じた放物面の変化が必要
である。この放物面の変化は、(2)式で表されるもの
であり、ミラーから被加工物までの距離f0 (ビーム中
心における任意の焦点距離)、ミラー設置点でのビーム
直径D、ビーム発散角θが決まれば、上記の特性が得ら
れる放物面分布シリンドリカルミラーを設計することが
可能である。ここで、Z軸の方向はミラー入射以前のビ
ーム伝搬方向であり、Y軸の方向は必然的にミラーで反
射後のビーム伝搬方向となる。
【0013】また、入射レーザビームの偏光が直線偏光
なら、レンズの場合と同様に、その偏光面がX軸に垂直
となるようにミラーの姿勢を調整し、被加工物の走査方
向をZ軸方向とすれば、偏光面と平行な方向に被加工物
が移動するため、同様に、レーザビームの被加工物への
吸収率向上等の効果が得られるので、加工条件を容易に
することが可能である。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を参照して説明す
る。図1は本発明のレーザビームの透過集光方式をレー
ザ加工装置に適用した代表的な一実施例の模式図であ
り、既に説明した図3の従来のレーザ加工装置と同一部
分には同一符号を付し、重複説明は省略する。
【0015】同図において、7は曲率分布シリンドリカ
ルレンズ、8は曲率分布シリンドリカルレンズ7により
集光された集光ビーム形状、9は集光ビーム形状8によ
りレーザ加工を施された被加工物6の加工部である。
【0016】次に、本実施例の作用について説明する。
発散角θを有するレーザビーム1は、曲率分布シリンド
リカルレンズ7を透過した後、X軸方向は発散角θを保
持したまま、曲率分布シリンドリカルレンズ7の影響を
受けることなく伝搬するが、Y軸方向は原点からX軸上
の距離に依存して分布している式(1)で表される曲率
変化の影響を受けるため、集光ビーム形状8のように直
線状に集光する。
【0017】従って、この集光ビーム形状8の直線上は
全て集光点であるためほぼ同一の光強度分布を有してい
るので、平面である被加工物6の表面にこの直線状の集
光ビーム形状8を入射し、レーザビームもしくは被加工
物6を走査すれば広域にわたり、均一な表面改質加工が
実現できる。
【0018】図2は本発明の他の実施例の模式図であ
り、上記した図1の実施例と同一部分には同一符号を付
し、重複説明は省略する。同図において、10は放物面
分布シリンドリカルミラーである。本実施例では、反射
集光方式を選択して被加工物へレーザ加工を施した場
合、加工現象や光学部品へのレーザビーム光強度を考慮
し、レンズ系光学部品よりも比較的損傷しきい値の高い
金属反射鏡を用いた方が安全性が向上するという観点に
基づいている。
【0019】次に、本実施例の作用について説明する。
Z軸上を発散角θで伝搬してきたレーザビーム1は、放
物面分布シリンドリカルミラー10により直角に折り曲
げられY軸上を被加工物6の表面に向かって伝搬してい
くが、この入射面に対して垂直なX軸方向に関してレー
ザビーム1は、曲面の制約を受けないため発散角θを保
持しながらY軸方向に伝搬していく。しかし、放物面分
布シリンドリカルミラー10は、原点[(y,z)=
(0,0)]からX軸上の距離に応じて逐次放物線の特
性が式(2)に示す如く変化するので、その結果、集光
形状8は上記実施例と同様に直線状となる。
【0020】従って、放物面分布シリンドリカルミラー
10により集光されたレーザビームを用いた表面改質加
工も、上記実施例と同様に被加工物6の表面上により均
一な加工を実現することができる。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ加
工装置によると、集光レーザビームの形状を直線状とす
ることができるので、この直線状の集光レーザビームを
平板上へ照射することによって、より均一なレーザ表面
改質加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の模式図。
【図2】本発明の他の実施例の模式図。
【図3】従来のレーザ加工装置の模式図。
【符号の説明】
1…レーザビーム、2…シリンドリカルレンズ、3,8
…集光ビーム形状、4,5.9…加工部、6…被加工
物、7…曲率分布シリンドリカルレンズ、10…放物面
分布シリンドリカルミラー。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集光したレーザビームを被加工物へ入射
    することにより加工を行うレーザ加工装置において、前
    記レーザビームの集光形状を直線状とする集光レンズ及
    び集光ミラーを備えたことを特徴とするレーザ加工装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザ加工装置におい
    て、Z軸方向で伝搬してくる発散角θのレーザビームが
    集光レンズに入射すると、集光レンズ表面の曲面形状
    は、X軸方向ではレーザビーム集光性能を得るための加
    工は成されてなく、X軸に直交するY軸方向では、その
    表面が下記(1)式 R(x)=f0 (n−1){1+(2x/D・tanθ)2 0.5 ・・(1) ここで、f0 はビーム中心における任意の焦点距離、n
    はレンズ材質の屈折率、Dは入射ビーム直径、で表され
    る曲率分布加工が成されていることを特徴とするレーザ
    加工装置。
  3. 【請求項3】 請求項1記載のレーザ加工装置におい
    て、Z軸方向で伝搬してくる発散角θのレーザビームが
    集光ミラーに入射すると、集光ミラー表面の曲面形状は
    入射面に垂直なX軸方向ではレーザビーム集光性能を得
    るための加工は成されてなく、反射伝搬方向のY軸方向
    では、その表面が下記(2)式 Z(x,y) =y2 /(2f0 ){1+(2x/D・tanθ)2 -0.5・・(2) ここで、f0 はビーム中心における任意の焦点距離、D
    は入射ビーム直径、で表される曲率分布加工が成されて
    いることを特徴とするレーザ加工装置。
  4. 【請求項4】 請求項1または請求項2記載のレーザ加
    工装置において、前記集光レンズ及び集光ミラーを透過
    または反射後のレーザビームの偏光面が、前記X軸に垂
    直であることを特徴とするレーザ加工装置。
JP7113178A 1995-05-11 1995-05-11 レーザ加工装置 Pending JPH08309573A (ja)

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JP7113178A JPH08309573A (ja) 1995-05-11 1995-05-11 レーザ加工装置

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JP (1) JPH08309573A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010040784A (ja) * 2008-08-05 2010-02-18 Fanuc Ltd レーザ加工装置
JP2022049044A (ja) * 2020-09-16 2022-03-29 株式会社東芝 光学加工装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010040784A (ja) * 2008-08-05 2010-02-18 Fanuc Ltd レーザ加工装置
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