WO2020050043A1 - レーザー加工装置 - Google Patents

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宗範 川村
今井　欽之
岡　宗一
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus for removing rust and removing a coating film using a laser beam.
  • the output of the laser used for processing is expected to increase further in the future.
  • the power of the laser output doubles
  • the power absorbed by the optical system also doubles. Therefore, in the method of increasing the transmittance of the lens, it is difficult to cope with the thermal lens effect when the laser output increases.
  • the cooling capacity is increased to suppress the temperature rise, and a method in which the entire optical system is moved.
  • the cooling capacity may be increased by using a cooling device having a high cooling performance such as a cooling water circulation device. Further, even if the temperature of the optical system rises to 200 ° C., since the change in the condensing position is expected to be several mm from simulation, the optical system may be mechanically moved by this distance (Patent Document 1, Patent Document 1). Reference 2).
  • JP 2001-293588 A Japanese Patent No. 5863568
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to enable fine processing to be easily performed even when a higher output laser is used.
  • a laser processing apparatus includes a condensing lens for converging a laser beam supplied from a light source onto a surface of a structure to be processed and irradiating the same with a variable focus disposed on an optical path of the condensing lens.
  • a focusing position control unit that controls the focal position of the varifocal lens so that the difference falls within a set allowable range.
  • the varifocal lens is made of an electro-optic crystal, and the focusing position control unit controls the focus position by applying a voltage to the varifocal lens.
  • an optical deflector that deflects the optical axis of the laser light incident on the variable focus lens
  • an optical axis shift measuring unit that measures a shift amount of the optical axis of the laser light incident on the variable focus lens
  • a deflection amount control unit that controls the amount of deflection of the optical deflecting unit such that the amount of deviation of the optical axis measured by the axis deviation measuring unit is within the allowable range of the set amount of deviation
  • the light deflecting unit is formed of a reflecting mirror whose angle can be changed, and the deflection control unit controls the amount of deflection of the light deflecting unit by changing the angle of the reflecting mirror.
  • the light deflecting unit is constituted by a galvanometer mirror, and the deflection amount control unit controls the amount of deflection of the light deflecting unit by an applied current.
  • the light deflecting unit is made of an electro-optic crystal, and the deflection amount control unit controls the amount of deflection by applying a voltage to the light deflecting unit.
  • the varifocal lens is arranged on the optical path of the condenser lens, even when a laser with a higher output is used, an excellent effect that fine processing can be easily performed is obtained. can get.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a shift of a focal position due to a thermal lens effect.
  • FIG. 3 is a configuration diagram showing a part of the optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a configuration diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the laser processing apparatus includes a condenser lens 101, a variable focus lens 102, a condenser position measuring unit 103, a condenser position control unit 104, an optical system 105, and a light source 111.
  • the condenser lens 101 condenses the laser light supplied from the light source 111 onto a surface 132 to be processed of the structure 131 to be processed and irradiates the laser beam.
  • the laser light supplied from the light source 111 passes through the optical fiber 112, is optically shaped by the optical system 105, and is collected by the condenser lens 101.
  • the optical system 105 adjusts the beam diameter of the laser light emitted from the optical fiber 112 by the lenses 151 and 152, and converts the laser light into parallel light by the collimator lens 153.
  • the collimated laser light is condensed by the condensing lens 101 and, for example, heats the object to be processed.
  • variable focus lens 102 is arranged on the optical path of the condenser lens 101.
  • Variable focus lens 102 is formed of, for example, an electro-optic crystal such as potassium niobate tantalate (KTa 1-x Nb x O 3), it changes the focal length (focal position) by applying a voltage.
  • An electro-optic crystal having an electro-optic effect operates at a high speed with respect to an applied voltage, has a high light transmittance, and is easily cooled.
  • a single crystal of potassium tantalate niobate can be used as the varifocal lens 102 by using a secondary electro-optic effect (Kerr effect) developed in a paraelectric phase, and can be used in a high-power laser processing apparatus.
  • Kerr effect secondary electro-optic effect developed in a paraelectric phase
  • the single crystal of potassium niobate tantalate is colorless and transparent.
  • the light transmittance can be increased to about 99%, and the temperature due to the absorption of laser light can be increased. The rise can be suppressed.
  • the thermal conductivity is higher than other principles, and efficient cooling is possible.
  • the Kerr effect since the Kerr effect is used, the response time is as short as milliseconds or less, and high-speed feedback can be supported.
  • the variable focus lens 102 may be arranged at an optimum position depending on each optical system.
  • a varifocal lens 102 is disposed on the optical path of the laser light immediately before the condenser lens 101.
  • the position of the varifocal lens 102 is not limited to this.
  • the varifocal lens 102 may be disposed immediately after the condenser lens 101 on the optical path of the laser light.
  • the number of variable focus lenses 102 is not limited to one, and a plurality of variable focus lenses 102 may be used.
  • a variable focus lens such as a so-called liquid crystal lens may be used depending on the purpose of processing.
  • the focusing position measuring unit 103 measures the focusing position of the laser light focused by the focusing lens 101.
  • the focusing position measuring unit 103 measures the focusing position of the focusing lens 101 using, for example, light extracted by the semi-reflective mirror 103a.
  • the focusing position measuring unit 103 includes, for example, a two-dimensional image sensor, and measures the focusing position based on the area of the beam diameter captured by the image sensor.
  • the focusing position measuring unit 103 is not limited to the above-described embodiment, and may use a focus control mechanism used for a well-known automatic focusing mechanism or the like.
  • the focus position control unit 104 adjusts the focus of the varifocal lens 102 so that the difference between the focus position measured by the focus position measurement unit 103 and the specified focus position is within the set tolerance. Control the position. For example, when the varifocal lens 102 is made of an electro-optic crystal, the focusing position control unit 104 controls the focus position by applying a voltage to the varifocal lens 102.
  • the light collecting position measured by the light collecting position measuring unit 103 immediately after the use of the present apparatus is started is stored as a prescribed light collecting position. Thereafter, when the thermal lens effect is exhibited by continuing use, the light condensing position of the light condensing lens 101 changes. At this time, the focus position of the varifocal lens 102 is adjusted by the focus position control unit 104 so that the difference between the focus position measured by the focus position measurement unit 103 and the above-described specified focus position is zero. Change (control). With this control, even if the thermal lens effect appears, the initial focal position is maintained.
  • the first embodiment for example, by using a laser with a higher output, even if the thermal lens effect appears, a change in the position where the laser light is focused is suppressed. Further, by using the varifocal lens 102, the light-converging position can be corrected at high speed. Therefore, according to the first embodiment, fine processing can be easily performed even by using a laser with a higher output.
  • FIG. 3 shows a part of the laser processing apparatus shown in FIG.
  • the condensing position is about 2 mm farther from the optical system. Further, it is calculated that the amount of change in the light condensing position described above varies depending on the optical system and varies from about 1 to 5 mm.
  • the present invention uses the variable focus lens 102.
  • the focal length of the varifocal lens 102 without the thermal lens effect is f 1
  • the focal length of the condenser lens 101 is f 2 .
  • a variable focus lens 102 made of potassium tantalate niobate was used.
  • the focal length of the condenser lens 101 is 50 mm, and the distance between the condenser lens 101 and the varifocal lens 102 is 10 mm.
  • a voltage was applied so that the focal length of the variable focus lens 102 was 4000 mm.
  • a maximum shift of the condensing position of 2 mm was measured.
  • the processing could be completed while keeping the focusing position constant in the initial state.
  • This laser processing apparatus includes a condenser lens 101, a variable focus lens 102, a measuring unit 203, a condenser position control unit 104, an optical system 105, and a light source 111. Further, this laser processing apparatus includes a light deflection unit 106 and a deflection amount control unit 107.
  • the condenser lens 101 condenses the laser light supplied from the light source 111 onto a surface 132 to be processed of the structure 131 to be processed and irradiates the laser beam.
  • the laser light supplied from the light source 111 passes through an optical fiber 112, is optically shaped (to be parallel light) by a collimator lens 105a as an optical system, and is collected by a condenser lens 101.
  • the variable focus lens 102 is arranged on the optical path of the condenser lens 101.
  • the varifocal lens 102 is made of, for example, potassium tantalate niobate.
  • the light deflector 106 deflects the optical axis of the laser light incident on the varifocal lens 102.
  • the light deflecting unit 106 includes reflecting mirrors 161, 162, and 163 whose angles can be changed.
  • the reflection mirrors 161, 162, 163 are, for example, optical deflectors such as galvanometer mirrors.
  • the light deflector 106 may be constituted by a light deflector such as a polygon mirror.
  • the measuring unit 203 has the function of the condensing position measuring unit 103 in the first embodiment described above.
  • the measuring unit 203 also has a function as an optical axis deviation measuring unit that measures the amount of deviation of the optical axis of the laser light incident on the variable focus lens 102.
  • the measuring unit 203 measures the light condensing position by the condensing lens 101 using light extracted by the semi-reflective mirror 103a, for example, and also measures the optical axis shift amount.
  • the measurement unit 203 includes, for example, a two-dimensional image sensor, and measures the light condensing position based on the area of the beam diameter captured by the image sensor. Further, the measuring unit 203 measures the shift amount of the optical axis of the laser light based on the imaging position of the beam diameter captured by the image sensor.
  • the focusing position control unit 104 controls the focusing position of the varifocal lens 102 so that the difference between the focusing position measured by the measuring unit 203 and the specified focusing position is within the set allowable range. I do. This is the same as in the first embodiment.
  • the deflection amount control unit 107 controls the deflection amount of the optical deflection unit 106 so that the shift amount of the optical axis measured by the optical axis shift measurement unit falls within the allowable range of the set shift amount.
  • the deflection amount control unit 107 controls the deflection amount of the light deflection unit 106 by, for example, changing the angles of the reflecting mirrors 161, 162, and 163.
  • the deflection amount control unit 107 controls the deflection amount of the light deflection unit 106 by changing the angles of the reflecting mirrors 161, 162, and 163 according to the applied current. .
  • the laser light may be inclined from the optical axis by a certain angle ⁇ . Due to the shift of the optical axis, the light condensing position does not fall on the optical axis, and the laser light cannot be condensed at a desired position. On the other hand, by using the light deflecting unit 106, the laser light can be returned on the optical axis parallel to the optical axis.
  • a galvanomirror is used as an example.
  • the galvanomirror can operate on the order of kHz and can respond instantaneously to feedback control.
  • the light deflecting unit 106 is configured by using three galvanometer mirrors, and the laser light incident on the varifocal lens 102 is returned on the optical axis parallel to the optical axis.
  • the position where the laser light is focused is determined.
  • the change is suppressed.
  • the convergence position can be corrected at high speed by using the varifocal lens 102, even in the second embodiment, fine processing can be easily performed even if a higher output laser is used.
  • the optical axis shift due to the thermal lens effect can be suppressed, and more accurate control of the processing position becomes possible.
  • variable focus lens 102 made of potassium tantalate niobate was used.
  • the focal length of the condenser lens 101 is 50 mm, and the distance between the condenser lens 101 and the varifocal lens 102 is 10 mm. Further, a voltage was applied so that the focal length of the variable focus lens 102 was 4000 mm.
  • the light deflection unit 106 composed of three galvanometer mirrors ⁇ the variable focus lens 102 ⁇ the condensing lens 101 is arranged in this order. .
  • This laser processing apparatus includes a condenser lens 101, a variable focus lens 102, a measuring unit 203, a condenser position control unit 104, an optical system 105, and a light source 111. Further, this laser processing apparatus includes a light deflection unit 106a and a deflection amount control unit 107a.
  • the condenser lens 101 condenses the laser light supplied from the light source 111 onto a surface 132 to be processed of the structure 131 to be processed and irradiates the laser beam.
  • the laser light supplied from the light source 111 passes through an optical fiber 112, is optically shaped (to be parallel light) by a collimator lens 105a as an optical system, and is collected by a condenser lens 101.
  • the variable focus lens 102 is arranged on the optical path of the condenser lens 101.
  • the varifocal lens 102 is made of, for example, potassium tantalate niobate.
  • the light deflector 106a deflects the optical axis of the laser light incident on the varifocal lens 102.
  • the light deflecting unit 106a is composed of, for example, light deflectors 161a, 162a, and 163a made of electro-optic crystals such as potassium tantalate niobate, and the amount of deflection can be changed (controlled) by applying a voltage.
  • An electro-optic crystal having an electro-optic effect operates at a high speed with respect to an applied voltage, has a high light transmittance, and is easily cooled.
  • the optical deflectors 161a, 162a, and 163a made of potassium tantalate niobate deflect light transmitted by voltage application and do not require a mechanical driving unit. Therefore, the optical deflectors are more compact and lighter than those using a galvanometer mirror or the like.
  • a system can be constructed.
  • the laser beam incident on the varifocal lens 102 can be returned on the optical axis parallel to the optical axis by the light deflector 106a configured as described above.
  • potassium tantalate niobate a response of less than millisecond is possible, and the optical axis can be adjusted following high-speed feedback control.
  • the measuring unit 203 has the function of the condensing position measuring unit 103 in the first embodiment described above.
  • the measuring unit 203 also has a function as an optical axis deviation measuring unit that measures the amount of deviation of the optical axis of the laser light incident on the variable focus lens 102.
  • the measuring unit 203 measures the light condensing position by the condensing lens 101 using light extracted by the semi-reflective mirror 103a, for example, and also measures the optical axis shift amount.
  • the measurement unit 203 includes, for example, a two-dimensional image sensor, and measures the light condensing position based on the area of the beam diameter captured by the image sensor. Further, the measuring unit 203 measures the shift amount of the optical axis of the laser light based on the imaging position of the beam diameter captured by the image sensor.
  • the focusing position control unit 104 controls the focusing position of the varifocal lens 102 so that the difference between the focusing position measured by the measuring unit 203 and the specified focusing position is within the set allowable range. I do. This is the same as in the first embodiment.
  • the deflection amount control unit 107a controls the deflection amount of the optical deflection unit 106a so that the shift amount of the optical axis measured by the optical axis shift measuring unit falls within the allowable range of the set shift amount.
  • the deflection amount control unit 107a controls the deflection amount of the light deflection unit 106a by changing the voltage applied to the light deflectors 161a, 162a, and 163a by, for example, potassium tantalate niobate. Note that any method of measuring the amount of change in the condensing position, the angle ⁇ between the optical axis and the laser beam (the amount of deviation of the optical axis), and the method of feeding them back may be used depending on the application.
  • the laser light is condensed even if the thermal lens effect appears.
  • the change in position is suppressed.
  • the varifocal lens 102 the light-converging position can be corrected at high speed. Therefore, even in the third embodiment, fine processing can be easily performed even by using a laser with a higher output.
  • the optical axis shift due to the thermal lens effect can be suppressed, and more accurate control of the processing position becomes possible.
  • variable focus lens 102 made of potassium tantalate niobate was used.
  • the focal length of the condenser lens 101 is 50 mm, and the distance between the condenser lens 101 and the varifocal lens 102 is 10 mm. Further, a voltage was applied so that the focal length of the variable focus lens 102 was 4000 mm.
  • the light deflector 106a composed of three potassium tantalate niobate light deflectors 161a, 162a, 163a ⁇ variable focus.
  • the lens 102 and the condenser lens 101 were arranged in this order.
  • the volume of the optical system including the light deflecting unit 106 can be reduced by 30%, and the weight can be reduced by 20%, as compared with the case where a galvanomirror is used.
  • the varifocal lens is disposed on the optical path of the condenser lens, fine processing can be easily performed even with a higher output laser.

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Abstract

集光レンズ（１０１）の光路上に可変焦点レンズ（１０２）を配置する。可変焦点レンズ（１０２）は、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムなどの電気光学結晶から構成する。集光位置計測部（１０３）で、集光レンズ（１０１）で集光されたレーザー光の集光位置を計測し、集光位置制御部（１０４）で、集光位置計測部（１０３）が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように可変焦点レンズ（１０２）の焦点位置を制御する。

Description

レーザー加工装置
　本発明は、レーザー光を用いた錆取りや塗装膜除去を行うレーザー加工装置に関する。
　レーザー光による材料加工は１９８０年頃から始まり、現在では数十ｋＷの高出力レーザー光による重工業分野、主に厚板の切断や溶接等へ用途が広がっている。高出力レーザーによる加工では、レーザー加工装置内の光学系が、レーザー光を吸収して加熱され、熱膨張する。光学系の熱膨張によって、レンズなどの光学部品の特性が変化する熱レンズ効果が生じる。これにより、光学系を透過した高出力レーザー光の光路長が変化し、レーザー加工装置の最下流の集光レンズから出射したレーザー光の集光位置が変化する。この結果、加工対象物へ照射されるレーザー光のパワー密度が減少し、加工効率が低下するという問題が起こる。
　このような、熱レンズ効果による問題を抑制するために、例えば、各光学素子の透過率を増大させて光学素子が吸収する光を減少させことが考えられる。また、上記問題を抑制するために、冷却によって光学系の熱膨張を抑制することも考えられる。また、上記問題を補正するために、レーザー光が集光される位置が変化したら、光学系全体を動かすことなどが考えられる。
　一方、将来的に加工に用いられるレーザーの出力はさらに増大すると考えられる。例えば、レーザー出力のパワーが２倍になると、光学系が吸収するパワーも２倍になる。このため、レンズの透過率を増大する方法では、レーザー出力が増大した場合の熱レンズ効果への対応が難しくなる。
　従って、将来にわたって熱レンズ効果による問題を抑制、補正するためには、例えば冷却能力を増強させて温度上昇を抑制した、また、光学系全体を動かす方法に限定されるようになる。冷却能力の増大や、光学系の移動はそれほど難しいことではない。冷却能力の増大は、冷却水循環装置などの冷却性能が高い冷却装置を用いればよい。また、光学系の温度が２００℃に上昇したとしても、集光位置の変化は数ｍｍとシミュレーションから予想されるので、機械的にこの距離だけ光学系を移動すれば良い（特許文献１，特許文献２参照）。
特開２００１－２９３５８８号公報 特許第５８６３５６８号公報
　しかしながら、将来的に需要が見込まれる高出力レーザーを用いたμｍオーダーの微細加工においては、精密に光学系の温度を制御する技術、あるいは精密に光学系を移動させる技術が必要とされる。さらに、レーザー出力は常に揺らぐほか、加工対象物およびレーザー加工装置そのものの振動などが加わるため、集光位置補正には、高速なフィードバック機構が必要とされる。このフィードバックには、既存の技術を用いれば良いが、高速にフィードバックがなされても、これに追従して高速に冷却能力を調整し、また、高速に光学系を移動させるのは困難である。このように、関連する技術では、より高い出力のレーザーを用いる場合、より微細な加工を行うことが容易ではないという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より高い出力のレーザーを用いても、微細な加工が容易に実施できるようにすることを目的とする。
　本発明に係るレーザー加工装置は、光源より供給されたレーザー光を処理対象の構造物の表面に集光して照射するための集光レンズと、集光レンズの光路上に配置された可変焦点レンズと、集光レンズで集光されたレーザー光の集光位置を計測する集光位置計測部と、集光位置計測部が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように可変焦点レンズの焦点位置を制御する集光位置制御部とを備える。
　上記レーザー加工装置において、可変焦点レンズは、電気光学結晶から構成され、集光位置制御部は、可変焦点レンズに電圧を印加することで焦点位置を制御する。
　上記レーザー加工装置において、可変焦点レンズに入射するレーザー光の光軸を偏向する光偏向部と、可変焦点レンズに入射するレーザー光の光軸のずれ量を計測する光軸ずれ計測部と、光軸ずれ計測部が計測した光軸のずれ量が、設定されているずれ量の許容範囲となるように光偏向部の偏向量を制御する偏向量制御部とをさらに備えるようにしてもよい。
　上記光偏向部は、角度が変更可能な反射鏡から構成され、偏向量制御部は、反射鏡の角度を変化させることで光偏向部の偏向量を制御する。例えば、光偏向部は、ガルバノミラーから構成され、偏向量制御部は、印加する電流により光偏向部の偏向量を制御する。また、光偏向部は、電気光学結晶から構成され、偏向量制御部は、光偏向部に電圧を印加することで偏向量を制御する。
　以上説明したように、本発明によれば、集光レンズの光路上に可変焦点レンズを配置したので、より高い出力のレーザーを用いても、微細な加工が容易に実施できるという優れた効果が得られる。
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。 図２は、熱レンズ効果による焦点位置のずれについて説明するための説明図である。 図３は、実施の形態１における光学系の一部を取り出して示す構成図である。 図４は、本発明の実施の形態２におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態３におけるレーザー加工装置の構成を示す構成図である。
　以下、本発明の実施の形態おけるレーザー加工装置について説明する。
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の実施の形態１におけるレーザー加工装置について図１を参照して説明する。このレーザー加工装置は、集光レンズ１０１、可変焦点レンズ１０２、集光位置計測部１０３、集光位置制御部１０４、光学系１０５、光源１１１を備える。
　集光レンズ１０１は、光源１１１より供給されたレーザー光を、処理対象の構造物１３１の処理対象表面１３２に集光して照射する。光源１１１より供給されたレーザー光は、光ファイバ１１２を経由し、光学系１０５により光学的に成形されて集光レンズ１０１により集光される。例えば、光学系１０５は、レンズ１５１，レンズ１５２により、光ファイバ１１２より出射したレーザー光のビーム径を調整し、コリメートレンズ１５３により平行光にする。このようにして平行光とされたレーザー光が、集光レンズ１０１により集光され、例えば、加工対象を加熱する。
　可変焦点レンズ１０２は、集光レンズ１０１の光路上に配置されている。可変焦点レンズ１０２は、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウム（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）などの電気光学結晶から構成され、電圧印加により焦点距離（焦点位置）が変更できる。電気光学効果（Ｋｅｒｒ効果）を持つ電気光学結晶は、印加された電圧に対して高速に動作し、光の透過率が高く、冷却しやすい。
　例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムの単結晶は、常誘電相で発現する２次の電気光学効果（Ｋｅｒｒ効果）を利用して可変焦点レンズ１０２とするとが可能であり、高出力なレーザー加工装置には好適である。ニオブ酸タンタル酸カリウムの単結晶は、無色透明であり、結晶表面に誘電体多層膜を形成することで、光の透過率を９９％程度まで上げることが可能であり、レーザー光の吸収による温度上昇を抑制することができる。また、単結晶を用いることから、他の原理と比較して熱伝導率が高く、効率的な冷却が可能である。さらにＫｅｒｒ効果を利用していることから応答時間がミリ秒以下と短く、高速なフィードバックに対応可能である。
　なお、可変焦点レンズ１０２は、各々の光学系によって最適な位置に配置すればよい。図１では、レーザー光の光路上において、集光レンズ１０１の直前に可変焦点レンズ１０２を配置している。可変焦点レンズ１０２の位置は、これに限るものではなく、例えば、レーザー光の光路上において、集光レンズ１０１の直後に配置してもよい。また、可変焦点レンズ１０２は、１つに限らず、複数個用いるようにしてもよい。また、可変焦点レンズ１０２は、加工の用途によって、いわゆる液晶レンズなどの可変焦点レンズを用いても良い。
　集光位置計測部１０３は、集光レンズ１０１で集光されたレーザー光の集光位置を計測する。集光位置計測部１０３は、例えば、半反射ミラー１０３ａにより取り出した光を用い、集光レンズ１０１による集光位置を計測する。集光位置計測部１０３は、例えば、２次元のイメージセンサを備え、イメージセンサで撮像したビーム径の面積により、集光位置を計測する。集光位置計測部１０３は、上述した形態に限るものではなく、よく知られた自動焦点機構などに用いられる焦点制御機構を利用してもよい。
　集光位置制御部１０４は、集光位置計測部１０３が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように可変焦点レンズ１０２の焦点位置を制御する。例えば、可変焦点レンズ１０２が電気光学結晶から構成されている場合、集光位置制御部１０４は、可変焦点レンズ１０２に電圧を印加することで焦点位置を制御する。
　例えば、本装置の使用を開始した直後に集光位置計測部１０３が計測した集光位置を、規定の集光位置として記憶しておく。この後、使用を継続することで、熱レンズ効果が発現すると、集光レンズ１０１による集光位置が変化する。このとき、集光位置計測部１０３が計測した集光位置と、上述した規定の集光位置との差が０となるように、集光位置制御部１０４により、可変焦点レンズ１０２の焦点位置を変更（制御）する。この制御により、熱レンズ効果が発現しても、初期の焦点位置が維持されるようになる。
　上述した実施の形態１によれば、例えば、より高い出力のレーザーを用いることで、熱レンズ効果が発現しても、レーザー光が集光される位置の変化が抑制されるようになる。また、可変焦点レンズ１０２を用いることで、高速に集光位置の補正ができるので、実施の形態１によれば、より高い出力のレーザーを用いても、容易に微細な加工が実施できる。
　ここで、熱レンズ効果について説明する。光学系がレーザー光を吸収し温度が上昇すると、光学素子が熱膨張して焦点距離などの特性が変化し、図２に示すように。レーザー光が集光される位置が、集光位置１０１ａから集光位置１０１ｂに変化する。なお、図３は、図１に示したレーザー加工装置の一部を取り出したものである。この状態を、図３に示す光学系をモデルとしてシミュレーションすると、光学系全体の温度が２００℃まで上昇すると、集光位置が、光学系から約２ｍｍ遠くなる。また、光学系によっては、上述した集光位置の変化量が異なり、１～５ｍｍ程度までは変化することが計算されている。
　このような、熱レンズ効果による焦点位置の変化を補正するために、本発明では、可変焦点レンズ１０２を用いる。熱レンズ効果がない状態における可変焦点レンズ１０２の焦点距離をｆ1、集光レンズ１０１の焦点距離をｆ2とする。また、可変焦点レンズ１０２と集光レンズ１０１との間の距離をｄとする。２枚レンズの合成焦点距離の公式「ｆs＝ｆ1×ｆ2／（ｆ1＋ｆ2－ｄ）」から、室温での合成焦点距離ｆsが計算できる。
　ハイパワーレーザーを用いて加工を行っている間に、集光位置が時刻ｔ1でＡｍｍ変化した場合を考える。まず、可変焦点レンズ１０２は十分冷却されており焦点距離ｆ1は変わらないとして、合成焦点距離のｆs’＝ｆs＋Ａとして熱レンズ効果によって変化した集光レンズ１０１の焦点距離ｆ2’を計算する。次に、合成焦点距離を元のｆsに補正するのに必要な可変焦点レンズ１０２の焦点距離ｆ1’を計算し、可変焦点レンズ１０２の焦点距離をｆ1’に変化させる。可変焦点レンズ１０２が、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成されている場合、印加している電圧を変化させることで焦点距離をｆ1’に設定する。なお、上述した集光位置の変化量の計測方法、およびフィードバック制御の機構は、用途に応じて適宜に選択して用いればよい。
　一例として、２０ｋＷのレーザー光を用いた材料加工を実施した結果について説明する。この加工では、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成した可変焦点レンズ１０２を用いた。また、集光レンズ１０１の焦点距離は５０ｍｍであり、集光レンズ１０１と可変焦点レンズ１０２との間の距離は１０ｍｍである。また、可変焦点レンズ１０２の焦点距離は、４０００ｍｍとなるよう電圧を印加した。加工を開始してから１０分ほどの間に最大で２ｍｍの集光位置のずれが計測された。これに対し、フィードバック制御により可変焦点レンズ１０２の焦点距離を、４０００ｍｍから４０ｍｍまで変化させることで、集光位置を初期の状態に一定に保ちながら加工を終了することができた。
［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２におけるレーザー加工装置ついて図４を参照して説明する。このレーザー加工装置は、集光レンズ１０１、可変焦点レンズ１０２、計測部２０３、集光位置制御部１０４、光学系１０５、光源１１１を備える。また、このレーザー加工装置は、光偏向部１０６および偏向量制御部１０７を備える。
　集光レンズ１０１は、光源１１１より供給されたレーザー光を、処理対象の構造物１３１の処理対象表面１３２に集光して照射する。光源１１１より供給されたレーザー光は、光ファイバ１１２を経由し、光学系としてのコリメートレンズ１０５ａにより光学的に成形（平行光と）されて集光レンズ１０１により集光される。
　可変焦点レンズ１０２は、集光レンズ１０１の光路上に配置されている。可変焦点レンズ１０２は、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成されている。
　光偏向部１０６は、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光の光軸を偏向する。実施の形態２において、光偏向部１０６は、角度が変更可能な反射鏡１６１，１６２，１６３から構成されている。反射鏡１６１，１６２，１６３は、例えば、ガルバノミラーなどの光偏向器である。また、ポリゴンミラーなどの光偏向器より光偏向部１０６を構成してもよい。
　計測部２０３は、前述した実施の形態１における集光位置計測部１０３の機能を備える。加えて、計測部２０３は、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光の光軸のずれ量を計測する光軸ずれ計測部としての機能も有する。計測部２０３は、例えば、半反射ミラー１０３ａにより取り出した光を用い、集光レンズ１０１による集光位置を計測し、また、光軸のずれ量を計測する。計測部２０３は、例えば、２次元のイメージセンサを備え、イメージセンサで撮像したビーム径の面積により、集光位置を計測する。また、計測部２０３は、イメージセンサで撮像したビーム径の撮像位置により、レーザー光の光軸のずれ量を計測する。
　集光位置制御部１０４は、計測部２０３が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように可変焦点レンズ１０２の焦点位置を制御する。これは、前述した実施の形態１と同様である。
　偏向量制御部１０７は、光軸ずれ計測部が計測した光軸のずれ量が、設定されているずれ量の許容範囲となるように光偏向部１０６の偏向量を制御する。偏向量制御部１０７は、例えば、反射鏡１６１，１６２，１６３の角度を変化させることで光偏向部１０６の偏向量を制御する。反射鏡１６１，１６２，１６３が、ガルバノミラーである場合、偏向量制御部１０７は、印加する電流により、反射鏡１６１，１６２，１６３の角度を変化させて光偏向部１０６の偏向量を制御する。
　熱レンズ効果によって、焦点距離の変動に加え、レーザー光が光軸からある角度θだけ傾くことがある。この光軸がずれる現象により、集光位置が光軸上に乗らないことになり所望の位置にレーザー光を集光させることができなくなる。これに対し、光偏向部１０６を用いることにより、レーザー光を光軸上に光軸と平行に戻すことができる。
　実施の形態２では、一例としてガルバノミラーを用いている。ガルバノミラーはｋＨｚオーダーの動作が可能であり、フィードバック制御に対して瞬時に対応できる。実施の形態２では、３つのガルバノミラーを用いて光偏向部１０６を構成し、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光を光軸上に光軸と平行に戻している。
　上述した実施の形態２によれば、前述した実施の形態１と同様に、例えば、より高い出力のレーザーを用いることで、熱レンズ効果が発現しても、レーザー光が集光される位置の変化が抑制されるようになる。また、可変焦点レンズ１０２を用いることで、高速に集光位置の補正ができるので、実施の形態２においても、より高い出力のレーザーを用いても、容易に微細な加工が実施できる。加えて、熱レンズ効果による光軸ずれも抑制できるようになり、より正確な加工位置の制御が可能となる。
　一例として、２０ｋＷのレーザー光を用いた材料加工を実施した結果について説明する。この加工では、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成した可変焦点レンズ１０２を用いた。また、集光レンズ１０１の焦点距離は５０ｍｍであり、集光レンズ１０１と可変焦点レンズ１０２との間の距離は１０ｍｍである。また、可変焦点レンズ１０２の焦点距離は、４０００ｍｍとなるよう電圧を印加した。
　また、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光を偏向して光軸ずれを補正するために、３つのガルバノミラーから構成した光偏向部１０６→可変焦点レンズ１０２→集光レンズ１０１の順に配置にした。
　加工を開始してから１０分ほどの間に最大で２ｍｍの集光位置のずれが計測された。これに対し、フィードバック制御により可変焦点レンズ１０２の焦点距離を、４０００ｍｍから４０ｍｍまで変化させることで、集光位置を初期の状態に一定に保ちながら加工を終了することができた。また、加工を開始してから１０分ほどの間に最大で１０ｍｍｒａｄ光軸が傾いていることが計測された。これに対し、光偏向部１０６により、１０ｍｍｒａｄの光軸補正を行った結果、集光位置を一定に保ちながら加工を終了することができた。
［実施の形態３］
　次に、本発明の実施の形態３におけるレーザー加工装置ついて図５を参照して説明する。このレーザー加工装置は、集光レンズ１０１、可変焦点レンズ１０２、計測部２０３、集光位置制御部１０４、光学系１０５、光源１１１を備える。また、このレーザー加工装置は、光偏向部１０６ａおよび偏向量制御部１０７ａを備える。
　集光レンズ１０１は、光源１１１より供給されたレーザー光を、処理対象の構造物１３１の処理対象表面１３２に集光して照射する。光源１１１より供給されたレーザー光は、光ファイバ１１２を経由し、光学系としてのコリメートレンズ１０５ａにより光学的に成形（平行光と）されて集光レンズ１０１により集光される。
　可変焦点レンズ１０２は、集光レンズ１０１の光路上に配置されている。可変焦点レンズ１０２は、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成されている。
　光偏向部１０６ａは、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光の光軸を偏向する。実施の形態３において、光偏向部１０６ａは、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムなどの電気光学結晶による光偏向器１６１ａ，１６２ａ，１６３ａから構成され、電圧印加により偏向量が変更（制御）できる。電気光学効果（Ｋｅｒｒ効果）を持つ電気光学結晶は、印加された電圧に対して高速に動作し、光の透過率が高く、冷却しやすい。
　ニオブ酸タンタル酸カリウムによる光偏向器１６１ａ，１６２ａ，１６３ａは、電圧印加による透過する光を偏向し、且つ機械駆動部が必要ないので、ガルバノミラーなどを用いる場合よりも、コンパクト且つ軽量化した光学系が構築できる。このように構成した光偏向部１０６ａにより、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光を光軸上に光軸と平行に戻すことができる。ニオブ酸タンタル酸カリウムを用いることで、ミリ秒以下の応答が可能であり、高速なフィードバック制御に追従して光軸調整することが可能である。
　計測部２０３は、前述した実施の形態１における集光位置計測部１０３の機能を備える。加えて、計測部２０３は、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光の光軸のずれ量を計測する光軸ずれ計測部としての機能も有する。計測部２０３は、例えば、半反射ミラー１０３ａにより取り出した光を用い、集光レンズ１０１による集光位置を計測し、また、光軸のずれ量を計測する。計測部２０３は、例えば、２次元のイメージセンサを備え、イメージセンサで撮像したビーム径の面積により、集光位置を計測する。また、計測部２０３は、イメージセンサで撮像したビーム径の撮像位置により、レーザー光の光軸のずれ量を計測する。
　集光位置制御部１０４は、計測部２０３が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように可変焦点レンズ１０２の焦点位置を制御する。これは、前述した実施の形態１と同様である。
　偏向量制御部１０７ａは、光軸ずれ計測部が計測した光軸のずれ量が、設定されているずれ量の許容範囲となるように光偏向部１０６ａの偏向量を制御する。偏向量制御部１０７ａは、例えば、ニオブ酸タンタル酸カリウムによる光偏向器１６１ａ，１６２ａ，１６３ａに印加する電圧を変化させることで光偏向部１０６ａの偏向量を制御する。なお、集光位置の変化量および光軸とレーザー光の角度θ（光軸のずれ量）の計測方法、それらをフィードバックする方法は用途に応じてどのような方法を用いてもよい。
　上述した実施の形態３によれば、前述した実施の形態１，２と同様に、例えば、より高い出力のレーザーを用いることで、熱レンズ効果が発現しても、レーザー光が集光される位置の変化が抑制されるようになる。また、可変焦点レンズ１０２を用いることで、高速に集光位置の補正ができるので、実施の形態３においても、より高い出力のレーザーを用いても、容易に微細な加工が実施できる。加えて、熱レンズ効果による光軸ずれも抑制できるようになり、より正確な加工位置の制御が可能となる。
　一例として、２０ｋＷのレーザー光を用いた材料加工を実施した結果について説明する。この加工では、ニオブ酸タンタル酸カリウムから構成した可変焦点レンズ１０２を用いた。また、集光レンズ１０１の焦点距離は５０ｍｍであり、集光レンズ１０１と可変焦点レンズ１０２との間の距離は１０ｍｍである。また、可変焦点レンズ１０２の焦点距離は、４０００ｍｍとなるよう電圧を印加した。
　また、可変焦点レンズ１０２に入射するレーザー光を偏向して光軸ずれを補正するために、３つのニオブ酸タンタル酸カリウムによる光偏向器１６１ａ，１６２ａ，１６３ａから構成した光偏向部１０６ａ→可変焦点レンズ１０２→集光レンズ１０１の順に配置にした。
　加工を開始してから１０分ほどの間に最大で２ｍｍの集光位置のずれが計測された。これに対し、フィードバック制御により可変焦点レンズ１０２の焦点距離を、４０００ｍｍから４０ｍｍまで変化させることで、集光位置を初期の状態に一定に保ちながら加工を終了することができた。また、加工を開始してから１０分ほどの間に最大で１０ｍｍｒａｄ光軸が傾いていることが計測された。これに対し、光偏向部１０６ａにより、１０ｍｍｒａｄの光軸補正を行った結果、集光位置を一定に保ちながら加工を終了することができた。
　また、ガルバノミラーから構成する場合に比較して、光偏向部１０６を含めた光学系の容積を３０％減少させることが可能となり、また、重量を２０％減少させることができる。
　以上に説明したように、本発明によれば、集光レンズの光路上に可変焦点レンズを配置したので、より高い出力のレーザーを用いても、微細な加工が容易に実施できるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…集光レンズ、１０２…可変焦点レンズ、１０３…集光位置計測部、１０３ａ…半反射ミラー、１０４…集光位置制御部、１０５…光学系、１１１…光源、１１２…光ファイバ、１３１…構造物、１３２…処理対象表面、１５１，１５２…レンズ、１５３…コリメートレンズ。

Claims (6)

  1. 　光源より供給されたレーザー光を処理対象の構造物の表面に集光して照射するための集光レンズと、
    　前記集光レンズの光路上に配置された可変焦点レンズと、
    　前記集光レンズで集光されたレーザー光の集光位置を計測する集光位置計測部と、
    　前記集光位置計測部が計測した集光位置と設定されている規定の集光位置との差が設定されている許容範囲となるように前記可変焦点レンズの焦点位置を制御する集光位置制御部と
    　を備えることを特徴とするレーザー加工装置。
  2. 　請求項１記載のレーザー加工装置において、
    　前記可変焦点レンズは、電気光学結晶から構成され、
    　前記集光位置制御部は、前記可変焦点レンズに電圧を印加することで焦点位置を制御する
    　ことを特徴とするレーザー加工装置。
  3. 　請求項１または２記載のレーザー加工装置において、
    　前記可変焦点レンズに入射するレーザー光の光軸を偏向する光偏向部と、
    　前記可変焦点レンズに入射するレーザー光の光軸のずれ量を計測する光軸ずれ計測部と、
    　前記光軸ずれ計測部が計測した光軸のずれ量が、設定されているズレ量の許容範囲となるように前記光偏向部の偏向量を制御する偏向量制御部と
    　をさらに備えることを特徴とするレーザー加工装置。
  4. 　請求項３記載のレーザー加工装置において、
    　前記光偏向部は、角度が変更可能な反射鏡から構成され、
    　前記偏向量制御部は、前記反射鏡の角度を変化させることで前記光偏向部の偏向量を制御する
    　ことを特徴とするレーザー加工装置。
  5. 　請求項４記載のレーザー加工装置において、
    　前記光偏向部は、ガルバノミラーから構成され、
    　前記偏向量制御部は、印加する電流により前記光偏向部の偏向量を制御する
    　ことを特徴とするレーザー加工装置。
  6. 　請求項３記載のレーザー加工装置において、
    　前記光偏向部は、電気光学結晶から構成され、
    　前記偏向量制御部は、前記光偏向部に電圧を印加することで偏向量を制御する
    　ことを特徴とするレーザー加工装置。
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