JP4350558B2

JP4350558B2 - レーザビーム光学系およびレーザ加工装置

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Publication number: JP4350558B2
Application number: JP2004065338A
Authority: JP
Inventors: 達也山本; 友博京藤; 満樹黒澤; 順一西前
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2009-10-21
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Also published as: JP2005257735A

Description

本発明は、レーザビームの強度分布を制御するためのレーザビーム光学系に関する。また本発明は、レーザビームを用いて、孔あけ、切断、溶接などの加工を行うためのレーザ加工装置に関する。

従来の電子基板用レーザ加工装置では、ビーム強度分布を凹型に整形するために単一の非球面レンズを使用している（特許文献１参照）。

特開２００１−１２９６７９号公報（４頁、７頁、図１、図１０）

レーザ加工を実施する際、加工内容やワークの形状、材質等に応じて、ワークに照射するビームの強度分布を任意のプロファイルに制御できることが望ましい。

従来のレーザ加工装置では、ワーク上でのビーム強度分布を変化させたい場合、非球面レンズを別の非球面レンズに交換する必要がある。また、ビーム強度分布を凹型に整形する非球面レンズの場合、ビーム強度分布のエッジ部での強度と中心部での強度の比率は、個々のレンズ毎に固定されているため、この強度比を変えたい場合であっても別の非球面レンズに交換する必要がある。

レンズ交換は、一般に、光学系の再調整作業が不可欠となるため、メンテナンス費用が増加し、レーザ加工装置の稼働率も低下する。

また、レーザ発振器の取り出しミラーの性能が寸法誤差や熱ひずみによって変動すると、レーザ発振器から出射されるビームの発散角が変動するので、非球面レンズに所定のビーム径を持つビームが入力されなくなる。すると、非球面レンズによって整形されるビーム強度分布が変化したり、時間経過とともに不安定になることがある。

本発明の目的は、ビーム整形レンズを交換することなく、ビーム強度分布を所望のプロファイルに容易に制御できるレーザビーム光学系およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することである。

本発明は、ＣＯ _２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧ２倍高調波レーザ、ＹＡＧ３倍高調波レーザまたはＹＡＧ４倍高調波レーザから供給されるレーザビームの強度分布を変換するためのレーザビーム光学系であって、
所定位置においてトップハット形状の強度分布に変換するための第１ビーム強度分布変換素子と、
該所定位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換するための波面曲率変換素子と、
該第１ビーム強度分布変換素子と該波面曲率変換素子との間に縦列配置され、該波面曲率変換素子配置位置において第１ビーム強度分布変換素子が変換するトップハット形状とは異なる凹形状の強度分布に変換するための第２ビーム強度分布変換素子とを備え、
第２ビーム強度分布変換素子は光軸方向に移動可能であることによって、該波面曲率変換素子配置位置におけるビーム強度分布が、トップハット形状から凹形状に連続的に可変であることを特徴とする。
また本発明は、ＣＯ _２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧ２倍高調波レーザ、ＹＡＧ３倍高調波レーザまたはＹＡＧ４倍高調波レーザから供給される、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを任意の強度分布に変換するためのレーザビーム光学系であって、
所定位置においてトップハット形状の強度分布に変換するための第１ビーム強度分布変換素子と、
該所定位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換するための波面曲率変換素子と、
該第１ビーム強度分布変換素子と該波面曲率変換素子との間に縦列配置され、該波面曲率変換素子配置位置において第１ビーム強度分布変換素子が変換するトップハット形状とは異なる任意の強度分布に変換するための第２ビーム強度分布変換素子とを備え、
第２ビーム強度分布変換素子は光軸方向に移動可能であることによって、該波面曲率変換素子配置位置におけるビーム強度分布が、トップハット形状から任意の形状に連続的に可変であることを特徴とする。

本発明によれば、レーザビームの光軸に沿って第１および第２ビーム強度分布変換素子を縦列配置し、このうち第２ビーム強度分布変換素子が光軸方向に移動可能であることによって、ビーム強度分布変換素子間の距離は連続的に変化できる。そのため、波面曲率変換素子配置位置におけるビーム強度分布は、第１ビーム強度分布変換素子によって整形されるビーム強度分布Ｐａと、第１および第２ビーム強度分布変換素子によって整形されるビーム強度分布Ｐｂとの間で連続的に変化させることが可能になる。従って、ビーム強度分布変換素子間の距離を変化させるだけで、ワークにおけるビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。レーザ加工装置は、ガスレーザや固体レーザなどのレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されるレーザビームを加工対象ワークまで伝達するためのレーザビーム光学系ＬＡなどで構成される。

レーザ発振器１は、レーザ媒質と光共振器などを含み、必要に応じて出力向上のための光増幅器が組み込まれており、図１ではレーザビームを外部へ出力するための取り出しミラー２を示している。

レーザビーム光学系ＬＡは、転写レンズ系３と、第１のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ４と、第２のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ５と、レンズ６と、倍率可変転写光学系７と、マスク８と、加工レンズ９などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。なお、必要に応じて光軸を屈曲させるための折れ返しミラーや光路長を調整するためのリレーレンズなどが介在しても構わない。

転写レンズ系３は、複数のレンズを含み、レーザ発振器１からのレーザビームを非球面レンズ４に伝達する。非球面レンズ４，５は、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。レンズ６は、非球面レンズ４の像面位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換する。

倍率可変転写光学系７は、変倍ビームエキスパンダなどで構成され、レンズ６上でのビーム強度分布を所望の倍率で拡大または縮小して、マスク８上に転写する。マスク８は、円形や矩形などのアパーチャを有し、レーザビームを部分的に遮断することによってビーム整形を行う。加工レンズ９は、ワークＷの直前に配置される対物レンズであり、マスク８を通過したビームを縮小転写する。

こうした構成により、レーザ発振器１の取り出しミラー２でのビームプロファイルは、転写レンズ系３によって非球面レンズ４上に転写され、非球面レンズ４でのビームプロファイルは、非球面レンズ５によってレンズ６上に整形されたビームプロファイルを形成し、レンズ６でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系７によってマスク８上に転写され、マスク８でのビームプロファイルは、加工レンズ９によってワークＷ上に転写される。

図２は、非球面レンズ４の機能を示す説明図である。ここでは、非球面レンズ４自体の機能について説明するため、非球面レンズ５が存在しない状態を示している。

転写レンズ系３から入力されるレーザビームは、非球面レンズ４上でガウシアン形状のビーム強度分布Ｐｉを示す。非球面レンズ４は、レンズの片面または両面が非球面となるように設計されており、球面収差などの光学収差を積極的に利用することによって、所定距離隔てて配置されたレンズ６の位置において任意のビーム強度分布Ｐｏに変換することができる。

ここでは、図２に示すように、レンズ６の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Ｐｏに整形することによって、半径方向に均一な強度分布を有するビームが得られる。

図３は、非球面レンズ５の機能を示す説明図である。ここでは、非球面レンズ４とレンズ６との間に、光軸方向に移動可能な非球面レンズ５が介在した状態を示している。

上述と同様に、転写レンズ系３から入力されるレーザビームは、非球面レンズ４上でガウシアン形状のビーム強度分布Ｐｉを示す。非球面レンズ５も、非球面レンズ４と同様に、レンズの片面または両面が非球面となるように設計されており、球面収差などの光学収差を積極的に利用することによって、非球面レンズ５上でのビーム強度分布Ｐｍを、レンズ６の位置において非球面レンズ４が単独で変換する強度分布とは異なる任意のビーム強度分布Ｐｏに変換することができる。

ここでは、図３に示すように、非球面レンズ４と非球面レンズ５を組み合わせることによって、レンズ６の位置でのビーム強度分布Ｐｏを図２に示すトップハット形状から凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現している。

図４は、非球面レンズ５が後方に移動した状態を示す説明図である。非球面レンズ５が、図３に示す初期位置からレンズ６側に移動した場合、レンズ６の位置でのビーム強度分布Ｐｏは、図３に示す凹形状から図２に示すトップハット形状へ遷移する中間形状になる。さらに、非球面レンズ５が後方に移動して、光学理論上でレンズ６の位置と完全に一致した場合、図２に示した光学系と同じになり、レンズ６の位置でのビーム強度分布Ｐｏは、図２に示すトップハット形状と一致する。なお、実際のレンズは一定のレンズ厚さを有するため、非球面レンズ５をレンズ６に可能な限り接近させることになる。

従って、非球面レンズ５の位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、非球面レンズ４の像面位置におけるビーム強度分布Ｐｏを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークＷ上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。

次に、非球面レンズ４，５の設計手法について説明する。まず１枚目の非球面レンズ４に関して、図５（ａ）に示すように、非球面レンズ４の位置をＡとし、非球面レンズ４の像面位置（レンズ６の位置）をＢとして、位置Ａと位置Ｂとの間の距離をＬ_ＡＢとする。

図５（ｂ）はビーム強度分布の変換前と変換後の状態を示し、横軸はビーム中心からの半径方向の位置で、縦軸は光強度である。ここでは理解容易のため、ビーム強度分布が軸対称である例を示すが、光軸に対して垂直なＸ方向とＹ方向について独立に設計することも可能である。

位置Ａでのビーム強度分布I_Ａは、位置Ａでの半径位置ｒ_Ａについての関数ｆ（ｒ_Ａ）で表現でき、位置Ｂでのビーム強度分布I_Ｂは、位置Ｂでの半径位置ｒ_Ｂについての関数ｆ（ｒ_Ｂ）で表現できる。図５（ｂ）では、関数ｆ（ｒ_Ａ）がガウス関数で、関数ｆ（ｒ_Ｂ）レクタングル関数である場合を示しているが、関数ｆ（ｒ_Ａ），ｆ（ｒ_Ｂ）ともに任意の関数に設定可能である。

そこで、ビーム強度分布I_Ａ，I_Ｂをビーム中心から半径方向で積分すると、図５（ｃ）に示すようなエネルギー関数Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂが得られる。なお、変換効率を１００％とすると、エネルギー関数Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂともに１で規格化される。

位置Ａ，Ｂでの振幅ｕ_Ａ，ｕ_Ｂは、式（３）（４）で表される。但し、ｊは虚数単位、Φ_Ａ，Φ_Ｂは位相である。

エネルギー関数Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂはビーム強度分布I_Ａ，I_Ｂの積分値で、Ｅ_Ａ（ｒ_１Ａ），Ｅ_Ｂ（ｒ_１Ｂ）はビーム中心から各半径位置ｒ_１Ａ，ｒ_１Ｂまでのエネルギー含有率を示す。

ここで、エネルギー含有率が等しいときのｒ_１Ａ，ｒ_１Ｂの関係は、式（７）で表される。

Ｅ_Ａ，Ｅ_Ｂはともに単調増加関数であるため、ｒ_１ＢはＥ_Ｂの関数ｈで表すことができ、さらにｒ_１Ａの関数で表される。

次に、ｒ_１Ａからｒ_１Ｂへ伝搬する光線の傾きをθとすると、式（９）が成立し、これを書き換えると式（１０）が得られる。

このとき位相Φ_１は式（１１）で表され、式（１０）を用いて書き換えると式（１２）（１３）が得られる。

式（１２）は数値計算により求めることができ、つまりＥ_Ａ（ｒ_Ａ）の形状が分かれば設計が可能であり、位置Ａでの位相分布をΦ_１に変換することにより、位置Ｂでのビーム強度分布I_Ｂを任意の形状に変換することができる。

次に、２枚目の非球面レンズ５の設計手法について説明する。図６（ａ）に示すように、非球面レンズ４の位置Ａと像面位置Ｂとの間にある位置Ｃに非球面レンズ５を配置して、図６（ｂ）に示すように、位置Ｂでのビーム強度分布I_Ｂを上述と異なるビーム強度分布に設定することを考える。ここで、位置Ｃと位置Ｂとの間の距離をＬ_ＣＢとする。

このとき位置Ｃでの振幅は、軸対称の円柱座標系でのフレネル回折式を用いて、下記の式（１４）で表される。

ここで、式（１）〜（１３）と同様に、位置Ｃでのビーム強度分布I_Ｃから位置Ｂでのビーム強度分布I’_Ｂへの変換を考える。ビーム強度分布I_Ｃは、位置Ｃでの半径位置ｒ_Ｃについての関数ｆ_Ｃ（ｒ_Ｃ）で表現でき、位置Ｂでの新たなビーム強度分布I’_Ｂは、位置Ｂでの半径位置ｒ_Ｂについての関数ｆ’_Ｂ（ｒ_Ｂ）で表現できる。

位置Ｃ，Ｂでの振幅ｕ_Ｃ，ｕ’_Ｂは、式（１７）（１８）で表される。但し、ｊは虚数単位、Φ_Ｃ，Φ’_Ｂは位相である。

また、下記のＥ_Ｃ（ｒ_２Ｃ），Ｅ’_Ｂ（ｒ_２Ｂ）はビーム中心から各半径位置ｒ_２Ｃ，ｒ_２Ｂまでのエネルギー含有率を示す。

ここで、I’_Ｂは、１枚目と２枚目の非球面レンズによりＢの位置にできるビーム強度分布を示し、式（１）〜（１３）に示したI_Ｂとは異なる強度分布である。前記（１）〜（１３）の場合と同様に考えると、エネルギー含有率はともに単調増加関数であるため、ｒ_２ＢはＥ’_Ｂの関数ｇで表すことができる。

式（９）〜（１２）と同様に解くと、Ｃの位置で必要な位相分布Φ_２は式（２０ｂ）で示される。

従って、２枚目の非球面レンズ５を用いて、位相分布をΦ_ＣからΦ_２に変換することにより、位置Ｂで所望のビーム強度分布I’_Ｂを得ることができる。

なお本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として２つの非球面レンズ４，５を使用した例を説明したが、３つ以上の非球面レンズを使用することも可能である。

実施の形態２．
図７は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。レーザ加工装置は、ガスレーザや固体レーザなどのレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出射されるレーザビームを加工対象ワークまで伝達するためのレーザビーム光学系ＬＡなどで構成される。

レーザビーム光学系ＬＡは、転写光学系１７と、第１のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ４と、第２のビーム強度分布変換素子として機能する非球面レンズ５と、レンズ６と、倍率可変転写光学系７と、マスク８と、加工レンズ９などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。なお、必要に応じて光軸を屈曲させるための折れ返しミラーや光路長を調整するためのリレーレンズなどが介在しても構わない。

転写光学系１７は、複数のレンズを含み、レーザ発振器１からのレーザビームを非球面レンズ４に伝達する。非球面レンズ４，５は、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。レンズ６は、非球面レンズ４の像面位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換する。

こうした構成により、レーザ発振器１の取り出しミラー２でのビームプロファイルは、転写光学系１７によって非球面レンズ４上に転写され、非球面レンズ４でのビームプロファイルは、非球面レンズ5によってレンズ6上に整形されたビームプロファイルを形成し、レンズ６でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系７によってマスク８上に転写され、マスク８でのビームプロファイルは、加工レンズ９によってワークＷ上に転写される。

図８は、転写光学系１７の機能を示す説明図である。レーザ発振器１の取り出しミラー２が、熱による屈折率変化などに起因してレンズ効果が生ずると、取り出しミラー２から出射するレーザビームの発散角が変動する。図８に示すビーム１８は初期のビームであり、ビーム１９はレンズ効果によって発散角が変動したビームである。また、取り出しミラー２の製作誤差や汚れにより光吸収率のばらつきが生じた場合も、レーザビームの発散角が変動することがある。

次に、転写光学系１７の設計手法について説明する。転写光学系１７は、取り出しミラー２直後のビームを後段の非球面レンズ４に転写する機能を有し、その光線行列ＡＢＣＤのＢ要素がゼロの値となる光学系である。

取り出しミラー２の位置でのビームパラメータＱ_０は、行列ＡＢＣＤを用いた下記の式（２１）によって非球面レンズ４でのビームパラメータＱ_１に変換される。ビームパラメータＱは、式（２２）のように、レーザ波長λ、ビーム曲率半径Ｒ、ビーム半径ω、虚数単位ｊで表され、さらにパラメータＰ，Ωで書き換えられる。

そこで、式（２２）を式（２１）に代入し、非球面レンズ４の位置でのパラメータΩ_１について整理する。

ここで、Ω_０は取り出しミラー直後のビーム径、Ｐ_０は取り出しミラー直後のビーム発散角、Ω_１は非球面レンズ４の位置でのビーム径を意味する。

転写光学系１７の場合、光線行列ＡＢＣＤのＢ要素がゼロであることから、ビーム径Ω_１はビーム径Ω_０と行列ＡＢＣＤのＡ要素によって決定される。このことは、図８に示すように、取り出しミラー２から出射するレーザビームの発散角が変動したとしても、非球面レンズ４に転写されるビーム径Ω_１は変化しないことを意味する。

従って、レーザ発振器１の取り出しミラー２の性能が寸法誤差や熱ひずみによって変動し、取り出しミラー２から出射されるビームの発散角が変動したとしても、転写光学系１７を採用することによって、非球面レンズ４でのビーム径を一定に維持することができ、さらに非球面レンズ４，５によって整形されたビーム形状も安定化することができる。

図９は、転写光学系１７の一例を示す構成図である。転写光学系１７は、２枚のレンズ２２，２３などで構成され、レンズ２２とレンズ２３との間の距離をＬ_２に設定し、取り出しミラー２とレンズ２２との間の距離をＬ_１に設定し、レンズ２３と非球面レンズ４との間の距離をＬ_３に設定している。

ここで、レンズ２２の焦点距離をｆ_１、レンズ２３の焦点距離をｆ_２として、下記の式（２４）が成立するように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３および焦点距離ｆ_１，ｆ_２を決定することにより、ビーム発散角の変動の影響を排除できる転写光学系を実現できる。

なお本実施形態では、転写光学系１７として２つのレンズ２２，２３を使用した例を説明したが、３つ以上のレンズを使用することも可能である。

実施の形態３．
図１０は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図７と同様に、取り出しミラー２を含むレーザ発振器１と、レーザビーム光学系ＬＡなどで構成される。レーザビーム光学系ＬＡは、図７に示した転写光学系１７とは異なる光学特性を有する転写光学系２４と、以下、図７に示した非球面レンズ４、非球面レンズ５、レンズ６、倍率可変転写光学系７、マスク８および加工レンズ９などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。

図１１は、転写光学系２４の機能を示す説明図である。転写光学系２４は、取り出しミラー２から距離Ｌ_ＶＩだけ前方に隔てた位置ＶＩでのビームプロファイルを非球面レンズ４上に転写するように構成される。図１１において、符号２０は、熱の影響を受ける前、すなわち初期ビーム１８の発振器取り出しミラー直後のビーム波面曲率と、発振器取り出しミラーの熱の影響により波面曲率が変動したビーム１９の発振器取り出しミラー直後のビーム波面曲率との平均の波面曲率を持つビームの、幾何光学的なビーム伝播の様子を示す。この波面曲率を持つ幾何光学的ビーム２０の発振器取り出しミラーより手前の焦点位置をＶＩとする。つまり、このとき発振器取り出しミラーはないものとする。このＶＩの位置の一点から出射されたビーム２０が、転写光学系２４を通って非球面レンズ４上の一点に集光される幾何光学的なビームを示したものが符号２１である。つまり転写光学系２４は、このＶＩの位置のビームプロファイルを非球面レンズ上に転写する光学系となっている。

符号２０で示されるビームは初期ビーム１８と波面曲率が変動したビーム１９の平均の波面曲率を持っているため、ビームが符号１８から符号１９に変化したときビームプロファイルの変動は共振器取り出しミラーの手前ではＶＩの位置で最も小さくなる。つまりＶＩの位置のビームを非球面レンズに転写する転写光学系２４を採用することにより、非球面レンズ上のビーム径の変動を最小限に抑えることができる

次に、転写光学系２４の設計手法について説明する。位置ＶＩから取り出しミラー２までの距離Ｌ_ＶＩは、下記の式（２５）によって表される。但し、初期ビーム１８の波面曲率をＰ_０、取り出しミラー２の熱の影響を受けたビーム１９の波面曲率をＰ_１とする。

取り出しミラー２の熱の影響が小さい場合は、Ｐ_１の値はＰ_０の値を採用してもよい。この場合、式（２５）は１／Ｌ_ＶＩ＝−Ｐ_０となる。また、転写光学系２４の光線行列ＡＢＣＤは、下記の式（２６）を満たすようにする。

例えば、Ｐ_０＝０．１４１１（ｍ^−１）、Ｐ_１＝０．０４１１（ｍ^−１）の場合、Ｌ_ＶＩ＝−１０．９８ｍとなる。この場合、式（２６）は下記の式（２７）が成り立つ。

Ｌ_ＶＩの値は、−１（ｍ^−１）≦１／Ｌ_ＶＩ≦１（ｍ^−１）を満たす範囲が好ましい。

図１２は、転写光学系２４の一例を示す構成図である。転写光学系２４は、２枚のレンズ２５，２６などで構成され、レンズ２５とレンズ２６との間の距離をＬ_２に設定し、取り出しミラー２とレンズ２５との間の距離をＬ_１に設定し、レンズ２６と非球面レンズ４との間の距離をＬ_３に設定している。

ここで、レンズ２５の焦点距離をｆ_１、レンズ２６の焦点距離をｆ_２として、下記の式（２８）が成立するように、距離Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３および焦点距離ｆ_１，ｆ_２を決定することにより、ビーム発散角の変動の影響を排除できる転写光学系を実現できる。

なお本実施形態では、転写光学系２４として２つのレンズ２５，２６を使用した例を説明したが、３つ以上のレンズを使用することも可能である。

実施の形態４．
図１３は、本発明の第４実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図１と同様に、取り出しミラー２を含むレーザ発振器１と、レーザビーム光学系ＬＡなどで構成される。レーザビーム光学系ＬＡは、図１に示した転写光学系３と、第１のビーム強度分布変換素子として機能するフレネルレンズ４ａと、第２のビーム強度分布変換素子として機能するフレネルレンズ５ａと、以下、図１に示したレンズ６、倍率可変転写光学系７、マスク８および加工レンズ９などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。

フレネルレンズ４ａは図１に示した非球面レンズ４と同様な機能を有し、フレネルレンズ５ａは図１に示した非球面レンズ５と同様な機能を有し、これらのフレネルレンズ４ａ，５ａは、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。

こうした構成において、レーザ発振器１の取り出しミラー２でのビームプロファイルは、転写レンズ系３によってフレネルレンズ４ａ上に転写され、フレネルレンズ４ａでのビームプロファイルは、フレネルレンズ５ａによってレンズ６上に転写され、レンズ６でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系７によってマスク８上に転写され、マスク８でのビームプロファイルは、加工レンズ９によってワークＷ上に転写される。

図１４は、フレネルレンズ４ａ，５ａの設計手法を示す説明図である。図１４（ａ）は、レンズの非球面形状の一例を示し、波面曲率ゼロの光が入射する様子を２π間隔の等位相波面で示している。レンズ面形状のピークを基準位置として、２π間隔の等位相波面でレンズ面を輪切りにして、分割したレンズ厚みを位相周期の整数倍だけ引き算し、基準位置から一周期までの範囲で再び接合すると、図１４（ｂ）に示す断面形状が得られ、残りのレンズ面を平面状に形成した場合、図１４（ｃ）に示すような断面形状を有するフレネルレンズが得られる。フレネルレンズは、正面から見ると光軸を中心とした輪帯状の曲面が多数形成されており、これらは単レンズと同等な集光作用を有する。

従って、フレネルレンズ４ａは、非球面レンズ４と同様に、ガウシアン形状のビーム強度分布を有するレーザビームをレンズ６の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Ｐｏに整形することができる。また、フレネルレンズ５ａは、非球面レンズ５と同様に、フレネルレンズ４ａとの組合せによって、レンズ６の位置でのビーム強度分布Ｐｏを凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現することができる。さらに、フレネルレンズ５ａの位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、フレネルレンズ４ａの像面位置におけるビーム強度分布Ｐｏを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークＷ上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。

また、フレネルレンズ４ａ，５ａは、光学素子自体の薄型化が可能であるため、光学系全体の小型化、軽量化が図られる。

本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として２つのフレネルレンズ４ａ，５ａを使用した例を説明したが、３つ以上のフレネルレンズを使用することも可能であり、さらに非球面レンズとフレネルレンズとの組合せも可能である。

実施の形態５．
図１５は、本発明の第５実施形態を示す構成図である。本実施形態のレーザ加工装置は、図１と同様に、取り出しミラー２を含むレーザ発振器１と、レーザビーム光学系ＬＡなどで構成される。レーザビーム光学系ＬＡは、図１に示した転写光学系３と、第１のビーム強度分布変換素子として機能する位相シフトマスク４ｂと、第２のビーム強度分布変換素子として機能する位相シフトマスク５ｂと、以下、図１に示したレンズ６、倍率可変転写光学系７、マスク８および加工レンズ９などで構成され、これらはレーザビームの光軸に沿って縦列的に配置される。

位相シフトマスク４ｂは図１に示した非球面レンズ４と同様な機能を有し、位相シフトマスク５ｂは図１に示した非球面レンズ５と同様な機能を有し、これらの位相シフトマスク４ｂ，５ｂは、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを非ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームに変換する。

こうした構成において、レーザ発振器１の取り出しミラー２でのビームプロファイルは、転写レンズ系３によって位相シフトマスク４ｂ上に転写され、位相シフトマスク４ｂでのビームプロファイルは、位相シフトマスク５ｂによってレンズ６上に転写され、レンズ６でのビームプロファイルは、倍率可変転写光学系７によってマスク８上に転写され、マスク８でのビームプロファイルは、加工レンズ９によってワークＷ上に転写される。

図１６は、位相シフトマスク４ｂ，５ｂの設計手法を示す説明図である。図１６（ａ）は、レンズの非球面形状の一例を示し、波面曲率ゼロの光が入射する様子をπ間隔の等位相波面で示している。レンズ面形状のピークを基準位置として、３π間隔の等位相波面でレンズ面を輪切りにして、分割したレンズ厚みを位相周期の整数倍だけ引き算し、基準位置から一周期までの範囲で再び接合すると、図１６（ｂ）に示す断面形状が得られる。さらに、基準位置から位相πまでの範囲にある曲面は基準位置での平面に変換し、位相πから位相２πまでの範囲にある曲面は位相πの位置での平面に変換し、位相２πから位相３πまでの範囲にある曲面は位相２πの位置での平面に変換すると、図１６（ｃ）に示す断面形状が得られる。そして、光出射面を平面状に形成した場合、図１６（ｄ）に示すような断面形状を有する位相シフトマスクが得られる。位相シフトマスクは、所定の屈折率を有する透明材料で形成され、正面から見ると光軸を中心とした輪帯状の平面が多数形成されており、これらは全体として単レンズと同等な集光作用を有する。

従って、位相シフトマスク４ｂは、非球面レンズ４と同様に、ガウシアン形状のビーム強度分布を有するレーザビームをレンズ６の位置においてトップハット形状のビーム強度分布Ｐｏに整形することができる。また、位相シフトマスク５ｂは、非球面レンズ５と同様に、位相シフトマスク４ｂとの組合せによって、レンズ６の位置でのビーム強度分布Ｐｏを凹形状に整形して、光強度がビーム中心よりビームエッジ付近で高くなるプロファイルを実現することができる。さらに、位相シフトマスク５ｂの位置を初期位置を基準として光軸に沿って連続的に変化させることによって、位相シフトマスク４ｂの像面位置におけるビーム強度分布Ｐｏを初期プロファイルから連続的に変化させることができる。その結果、ワークＷ上でのビーム強度分布を所望のプロファイルに制御することができ、加工内容やワークの形状、材質等に応じてビーム強度分布の最適化を容易に達成できる。

また、位相シフトマスク４ｂ，５ｂ、光学素子自体の薄型化が可能であるため、光学系全体の小型化、軽量化が図られる。

本実施形態では、ビーム強度分布変換素子として２つの位相シフトマスク４ｂ，５ｂを使用した例を説明したが、３つ以上の位相シフトマスクを使用することも可能であり、さらに非球面レンズ、フレネルレンズおよび位相シフトマスクの組合せも可能である。

また各実施形態において、レーザ発振器１として、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧ２倍高調波レーザ、ＹＡＧ３倍高調波レーザまたはＹＡＧ４倍高調波レーザなどを使用することによって、高出力のレーザビームが得られるため、レーザ加工の作業効率を大幅に改善できる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。非球面レンズ４の機能を示す説明図である。非球面レンズ５の機能を示す説明図である。非球面レンズ５が後方に移動した状態を示す説明図である。非球面レンズ４の設計手法を示す説明図である。非球面レンズ５の設計手法を示す説明図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。転写光学系１７の機能を示す説明図である。転写光学系１７の一例を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。転写光学系２４の機能を示す説明図である。転写光学系２４の一例を示す構成図である。本発明の第４実施形態を示す構成図である。フレネルレンズ４ａ，５ａの設計手法を示す説明図である。本発明の第５実施形態を示す構成図である。位相シフトマスク４ｂ，５ｂの設計手法を示す説明図である。

符号の説明

１レーザ発振器、２取り出しミラー、３転写レンズ系、４，５非球面レンズ、４ａ，５ａフレネルレンズ、４ｂ，５ｂ位相シフトマスク、６レンズ、７倍率可変転写光学系、８マスク、９加工レンズ、１７，２４転写光学系、１８，１９，２０，２１ビーム、２２，２３，２５，２６レンズ、ＬＡレーザビーム光学系、Ｗワーク。

Claims

ＣＯ _２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧ２倍高調波レーザ、ＹＡＧ３倍高調波レーザまたはＹＡＧ４倍高調波レーザから供給されるレーザビームの強度分布を変換するためのレーザビーム光学系であって、
所定位置においてトップハット形状の強度分布に変換するための第１ビーム強度分布変換素子と、
該所定位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換するための波面曲率変換素子と、
該第１ビーム強度分布変換素子と該波面曲率変換素子との間に縦列配置され、該波面曲率変換素子配置位置において第１ビーム強度分布変換素子が変換するトップハット形状とは異なる凹形状の強度分布に変換するための第２ビーム強度分布変換素子とを備え、
第２ビーム強度分布変換素子は光軸方向に移動可能であることによって、該波面曲率変換素子配置位置におけるビーム強度分布が、トップハット形状から凹形状に連続的に可変であることを特徴とするレーザビーム光学系。
ＣＯ _２レーザ、ＹＡＧレーザ、ＹＡＧ２倍高調波レーザ、ＹＡＧ３倍高調波レーザまたはＹＡＧ４倍高調波レーザから供給される、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザビームを任意の強度分布に変換するためのレーザビーム光学系であって、
所定位置においてトップハット形状の強度分布に変換するための第１ビーム強度分布変換素子と、
該所定位置に配置され、レーザビームの波面曲率を変換するための波面曲率変換素子と、
該第１ビーム強度分布変換素子と該波面曲率変換素子との間に縦列配置され、該波面曲率変換素子配置位置において第１ビーム強度分布変換素子が変換するトップハット形状とは異なる任意の強度分布に変換するための第２ビーム強度分布変換素子とを備え、
第２ビーム強度分布変換素子は光軸方向に移動可能であることによって、該波面曲率変換素子配置位置におけるビーム強度分布が、トップハット形状から任意の形状に連続的に可変であることを特徴とするレーザビーム光学系。
各ビーム強度分布変換素子は、非球面レンズ、フレネルレンズまたは位相シフトマスクで構成されることを特徴とする請求項１または２記載のレーザビーム光学系。
レーザビームを発生するレーザ発振器と、
レーザ発振器からのレーザビームの強度分布を変換する請求項１〜３のいずれかに記載のレーザビーム光学系とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。