JP7780862B2 - Laser processing device, optical system of laser processing device - Google Patents
Laser processing device, optical system of laser processing deviceInfo
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Description
本件発明は、レーザ加工装置、およびレーザ加工装置の光学系に関する。 This invention relates to a laser processing device and an optical system for the laser processing device.
レーザ加工装置は、レーザ光を１点に集光して被加工物に照射することによって、被加工物の表面温度を急激に上昇させ、被加工物の被照射面が融解もしくは蒸発することによって、被加工物へ切断や穴開け、溶接といった加工を施す装置である。レーザ光を１点に集光するため、ピンポイントで精密かつ微細な加工が可能である。また、より高エネルギーのレーザ光を用いることで、加工時間を短縮することができ、かつ、刃物での加工が困難な高硬度の被加工物の加工も可能である。 A laser processing device focuses laser light onto a single point and irradiates it onto the workpiece, rapidly raising the surface temperature of the workpiece and causing the irradiated surface to melt or evaporate, thereby performing processes such as cutting, drilling, and welding on the workpiece. Because the laser light is focused onto a single point, precise and fine processing can be performed with pinpoint accuracy. Furthermore, by using a higher-energy laser light, processing time can be shortened and it is also possible to process high-hardness workpieces that are difficult to process with blades.
ここで、レーザ光の集光において、レーザ光の照射点におけるレーザ光の強度分布は、照射点の平面において環状であることが好ましいことが知られている。しかしながら、照射点での環径が大きいと、光エネルギーを十分に集中できないために被加工物の融解に時間を要したり、加工断面の品質が悪化したりする。また、一定の環径を維持する焦点深度が浅いと、被加工物の厚さ方向に加工寸法が異なるといった問題が生じる。 When focusing laser light, it is known that the intensity distribution of the laser light at the irradiation point is preferably annular on the plane of the irradiation point. However, if the ring diameter at the irradiation point is large, the light energy cannot be sufficiently concentrated, which can result in a long time required to melt the workpiece or a deterioration in the quality of the processed cross section. Furthermore, if the focal depth required to maintain a constant ring diameter is shallow, problems arise such as variations in the processed dimensions along the thickness of the workpiece.
そこで、特許文献１では、集光前のレーザ光において、レーザ光の断面中央部にレーザ光を遮断するマスクを設置して中心部のレーザ光を遮断する。これによって、マスクで遮断されなかったレーザ光は環状となり、環状となったレーザ光を集光するレーザ照射ヘッドを用いたレーザ加工方法が開示されている。 Patent Document 1 therefore discloses a laser processing method in which a mask that blocks the laser light is placed in the center of the cross section of the laser light before it is focused, blocking the laser light in the center. As a result, the laser light that is not blocked by the mask becomes annular, and the method uses a laser irradiation head that focuses the annular laser light.
また、特許文献２では、集光レンズの凸面中央部を凹面状にカットした集光レンズを用いてレーザ光を集光することによって、レーザ光の強度分布が中央部より周辺部の方が高くなるレーザ光を照射して用いるレーザ溶接装置が開示されている。 Patent Document 2 also discloses a laser welding device that uses a focusing lens in which the central convex surface is cut into a concave shape to focus the laser light, thereby emitting laser light whose intensity distribution is higher at the periphery than at the center.
さらに、特許文献３では、レーザ光を集光させるための球面レンズおよび球面収差を発生可能な非球面レンズの少なくとも一方を用いて、レーザ光の強度分布が、中心領域よりも周辺領域のほうが高い、強度分布が環状であり、かつ焦点位置が被加工物の照射点からずれたレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドが開示されている。 Furthermore, Patent Document 3 discloses a laser processing head that uses at least one of a spherical lens for focusing laser light and an aspherical lens capable of generating spherical aberration, and irradiates laser light with an annular intensity distribution in which the intensity is higher in the peripheral region than in the central region, and whose focal position is shifted from the irradiation point on the workpiece.
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工装置の光学系は、レーザ光の断面中央部にレーザ光を遮断するマスクを設置して中心部のレーザ光を遮断することによって、強度分布が環状のレーザ光を得ている。このため、被加工物のレーザ光による加工において、レーザ発振器から出力されたレーザ光のエネルギーの利用効率が悪い。また、被加工物への照射点において必要なレーザ光のエネルギーを得るために、より大出力のレーザ発振器が必要となってしまう。 However, the optical system of the laser processing device described in Patent Document 1 obtains laser light with a ring-shaped intensity distribution by placing a mask that blocks the laser light in the center of the cross section of the laser light. As a result, when processing a workpiece with laser light, the energy of the laser light output from the laser oscillator is used inefficiently. Also, a laser oscillator with a higher output is required to obtain the necessary laser light energy at the irradiation point on the workpiece.
また、特許文献２に記載のレーザ加工装置の光学系は、集光レンズの凸面中央部を凹面状にカットした集光レンズを用いてレーザ光を集光することによって、レーザ光の強度分布が中央部より周辺部の方が高くなるレーザ光を得ている。ここで、集光レンズの凹面状部を通過するレーザ光は、中心から拡散する方向へ屈折される。このため、集光レンズの凹面状部で屈折するレーザ光は、被加工物の照射点へ集光されることがない。つまり、被加工物のレーザ光による加工において、レーザ発振器から出力されたレーザ光のエネルギーの利用効率が悪い。 Furthermore, the optical system of the laser processing device described in Patent Document 2 focuses laser light using a focusing lens in which the central convex portion of the focusing lens is cut into a concave shape, thereby obtaining laser light whose intensity distribution is higher at the periphery than at the center. Here, laser light passing through the concave portion of the focusing lens is refracted in a direction that diverges from the center. As a result, laser light refracted by the concave portion of the focusing lens is not focused onto the irradiation point on the workpiece. In other words, when processing a workpiece with laser light, the energy of the laser light output from the laser oscillator is used inefficiently.
また、特許文献３に記載のレーザ加工装置の光学系は、レーザ光を集光する光学系がレーザ光によって加熱されると、光学系を構成するレンズにおいて加熱された部分の屈折率が変化（熱レンズ効果）する。その屈折率の変化によって焦点ずれが発生すると、環状のレーザ光強度分布に変化が生じる。具体的には、環径が大きくなって加工点におけるレーザ強度が弱くなってしまう、もしくはレーザ光の強度分布が環状から異なった形状になってしまうため、所望の加工ができない可能性がある。 Furthermore, in the optical system of the laser processing device described in Patent Document 3, when the optical system that focuses the laser light is heated by the laser light, the refractive index of the heated portion of the lens that makes up the optical system changes (thermal lens effect). If this change in refractive index causes defocusing, the annular laser light intensity distribution changes. Specifically, the annular diameter increases, weakening the laser intensity at the processing point, or the laser light intensity distribution changes from an annular shape, which may prevent the desired processing from being performed.
本件発明は、レーザ光のエネルギー利用効率が高く、熱レンズ効果によって焦点位置がずれても、照射点におけるレーザ光の強度分布形状が変わらないレーザ加工装置の光学系、およびそのようなレーザ加工装置の光学系を用いたレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide an optical system for a laser processing device that has high energy utilization efficiency of laser light and that does not change the intensity distribution shape of the laser light at the irradiation point even if the focal position shifts due to the thermal lens effect, and a laser processing device that uses such an optical system for a laser processing device.
上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下の発明に想到した。 In order to solve the above-mentioned problems, we conducted extensive research and came up with the following invention.
本件発明に係るレーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置は、同じ光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有する光学系を備え、前記被加工物における前記レーザ光の照射点は前記焦点とは異なる位置にあり、前記照射点において、前記光軸に垂直な面における前記レーザ光の強度分布が、前記光軸を中心とした少なくとも環状であることを特徴としている。 The laser processing device of the present invention processes a workpiece by irradiating it with laser light. The device is equipped with an optical system having an optical surface with multiple different focal points on the same optical axis, and the irradiation point of the laser light on the workpiece is located at a position different from the focal point, and the intensity distribution of the laser light at the irradiation point in a plane perpendicular to the optical axis is at least annular with the optical axis as its center.
また、本件出願に係るレーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に備えられる光学系は、同じ光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を備え、前記複数の異なる焦点を設けた光学面は、複数の異なる球面及び／又は非球面であることを特徴としている。 Furthermore, the optical system provided in the laser processing device according to the present application, which processes a workpiece by irradiating it with laser light, is characterized by having an optical surface with multiple different focal points on the same optical axis, and the optical surface with multiple different focal points being multiple different spherical and/or aspherical surfaces.
本件発明に係るレーザ加工装置は、レーザ加工装置に用いる光学系に同じ光軸上に複数の焦点を設けた光学面を備えることによって、光学系の焦点が被加工物の照射点と異なる位置にあって、かつ、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状とすることができる。これによって、熱レンズ効果によって焦点位置がずれても、照射点におけるレーザ光の強度分布形状及び強度が変わらず、安定したレーザ加工が可能となる。 The laser processing device of the present invention is equipped with an optical surface with multiple focal points on the same optical axis in the optical system used in the laser processing device. This allows the focal point of the optical system to be located at a position different from the irradiation point on the workpiece, and the intensity distribution of the laser light on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece can be at least annular with the optical axis as the center. As a result, even if the focal point position shifts due to the thermal lens effect, the intensity distribution shape and intensity of the laser light at the irradiation point do not change, enabling stable laser processing.
以下、本件発明に係るレーザ加工装置、及びレーザ加工装置に用いる光学系の実施の形態を説明する。 The following describes embodiments of the laser processing device and the optical system used in the laser processing device according to the present invention.
１．レーザ加工装置、及びレーザ加工装置に用いる光学系の実施の形態
本件発明に係るレーザ加工装置、及びレーザ加工装置に用いる光学系は、レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置と、そのレーザ加工装置に備えられている光学系であり、当該光学系は同じ光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を備えている。本件発明に係るレーザ加工装置は、当該光学系による被加工物におけるレーザ光の照射点が各焦点とは異なる位置にあり、照射点において光軸に垂直な平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状になるようレーザ光を照射する。また、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、当該レーザ加工装置のレーザ光の照射点において光軸に垂直な平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状になるように形成されている。
1. Embodiments of a laser processing apparatus and an optical system used therein The laser processing apparatus and the optical system used therein according to the present invention are a laser processing apparatus that processes a workpiece by irradiating it with laser light, and an optical system provided in the laser processing apparatus, and the optical system has an optical surface with multiple different focal points on the same optical axis. The laser processing apparatus according to the present invention irradiates the workpiece with laser light by the optical system at points different from each focal point, and irradiates the workpiece with laser light so that the intensity distribution of the laser light on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point is at least annular, centered on the optical axis. Furthermore, the optical system of the laser processing apparatus according to the present invention is formed so that the intensity distribution of the laser light on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point of the laser light of the laser processing apparatus is at least annular, centered on the optical axis.
本件発明によれば、後述するように、本件発明に係るレーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置は、レーザ加工装置に備えた光学系に同じ光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を備え、かつ、被加工物におけるレーザ光の照射点が焦点とは異なる位置にある。これによって、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上でのレーザ光の強度分布（以降、「照射点における平面上でのレーザ光の強度分布」と略す）が、光軸を中心とした少なくとも環状であり、また、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上における光軸を含む直線上でのレーザ光の強度分布（以降、「照射点における直線上でのレーザ光の強度分布」と略す）が、光軸を中心とした少なくとも双峰状である。そして、熱レンズ効果によって焦点ズレが発生しても、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布（レーザ光の強度ピークの位置、及びピーク値）がほとんど変化しない。これによって、被加工物の加工品質が維持される。 According to the present invention, as described below, a laser processing device that processes a workpiece by irradiating it with laser light according to the present invention has an optical system equipped with an optical surface having multiple different focal points on the same optical axis, and the irradiation point of the laser light on the workpiece is located at a position different from the focal point. As a result, the intensity distribution of the laser light on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece (hereinafter abbreviated as "laser light intensity distribution on a plane at the irradiation point") is at least annular, centered on the optical axis. Furthermore, the intensity distribution of the laser light on a line including the optical axis on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece (hereinafter abbreviated as "laser light intensity distribution on a line at the irradiation point") is at least bimodal, centered on the optical axis. Furthermore, even if focus shift occurs due to the thermal lens effect, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point (the position and peak value of the laser light intensity peak) remains almost unchanged. This maintains the processing quality of the workpiece.
１－１．複数の異なる焦点を設けた光学面の実施の形態
本件発明に係る複数の異なる焦点を設けた光学面は、複数の異なる球面及び／又は非球面からなることが好ましい。複数の異なる球面及び／又は非球面の界面で屈折した入射光がそれぞれ異なる焦点へ収束することによって、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となるからである。
1-1. Embodiments of Optical Surface with Multiple Different Foci The optical surface with multiple different focal points according to the present invention preferably comprises multiple different spherical and/or aspherical surfaces. This is because incident light refracted at the interfaces of the multiple different spherical and/or aspherical surfaces converges to different focal points, causing the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point to be at least annular with the optical axis as the center.
ここで、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、少なくとも１つの光学面が非球面であることが好ましい。非球面は球面では実現しがたい横収差を得ることが容易なため、本件発明に係る複数の光学面に、異なる焦点を設けることが可能だからである。 Here, it is preferable that at least one of the multiple different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention is an aspherical surface. This is because aspherical surfaces can easily achieve lateral aberration that is difficult to achieve with spherical surfaces, and it is possible to provide different focal points on the multiple optical surfaces according to the present invention.
また、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの光学面であることが好ましい。本件発明に係る複数の異なる焦点を設けた光学面からなる光学系を、簡素に構成できるからである。 Furthermore, it is preferable that the multiple different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention are each two different optical surfaces. This is because the optical system according to the present invention, which is made up of optical surfaces with multiple different focal points, can be simply constructed.
また、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、それぞれ異なる２つの非球面であることが好ましい。非球面は球面では実現しがたい横収差を得ることが容易なため、本件発明に係る複数の異なる焦点を設けた光学面からなる光学系を、簡素に構成でき、焦点距離の調整も容易だからである。 Furthermore, the multiple different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention are preferably two different aspherical surfaces. This is because aspherical surfaces can easily achieve lateral aberration that is difficult to achieve with spherical surfaces, making it possible to simply configure an optical system according to the present invention that is made up of optical surfaces with multiple different focal points, and also making it easy to adjust the focal length.
以降、具体的な実施形態として非球面を例に説明する。 The following describes a specific embodiment using an aspherical surface as an example.
１－２．複数の異なる非球面の実施の形態１
上述した、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、同一の光学面における光軸を中心とする複数の同心円状の異なる領域に設けることが好ましい。同じ光軸上にレーザ光を集光するためである。図１に、同一の光学面に異なる非球面を備える光学素子１０の概略断面図を示す。光学素子１０は基材１１からなり、基材１１は光学材料を用いて形成されたものであればその材質に特に限定はない。基材１１は、レーザ光を通過させる光学面１２と光学面１３とを備えており、破線Ｏは光学素子１０の中心軸を示している。そして、光学面１２上に、非球面２１と非球面２２との２つの非球面を、光学素子の中心軸であるＯを中心として同心円状に設けている。このとき、２つの同心円状の非球面２１と非球面２２との界面で屈折した入射光は、それぞれ２つの異なる焦点へ収束する。
1-2. Embodiment 1: Multiple Different Aspherical Surfaces
The above-described plurality of different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention are preferably provided in different concentric regions on the same optical surface, centered on the optical axis. This is to focus laser light on the same optical axis. FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an optical element 10 having different aspherical surfaces on the same optical surface. The optical element 10 is made of a substrate 11, and the material of the substrate 11 is not particularly limited as long as it is made of an optical material. The substrate 11 has optical surfaces 12 and 13 through which laser light passes, and the dashed line O indicates the central axis of the optical element 10. Two aspherical surfaces, namely, aspherical surface 21 and aspherical surface 22, are provided on the optical surface 12 in a concentric arrangement centered on the central axis O of the optical element. In this case, incident light refracted at the interface between the two concentric aspherical surfaces 21 and 22 converges to two different focal points.
１－３．複数の異なる非球面の実施の形態２
また、本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面は、複数の異なる光学面において、それぞれ異なる光束が通過する領域であって、光軸を中心とする複数の同心円状の異なる領域に設けることが好ましい。同じ光軸上にレーザ光を集光するためである。ここで、複数の異なる光学面とは、同一の光学素子における異なる光学面であっても良いし、異なる光学素子における光学面であっても良い。
1-3. Embodiment 2: Multiple Different Aspherical Surfaces
Furthermore, the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention are preferably provided in different concentric regions around the optical axis, each of which is a region through which a different light beam passes, on a plurality of different optical surfaces. This is to focus the laser beam onto the same optical axis. Here, the plurality of different optical surfaces may be different optical surfaces on the same optical element, or may be optical surfaces on different optical elements.
図２に、同一の光学素子における異なる２つの光学面に異なる非球面を備える光学素子１０’の概略断面図を示す。光学素子１０’は基材１１’からなり、基材１１’はレーザ光を通過させる光学面１２’と光学面１３’とを備えている。そして、光学面１２’上に非球面２１’と、光学面１３’上にと非球面２２’とを、光学素子の中心軸であるＯ’を中心として同心円状に設けている。このとき、非球面２１’と非球面２２’とは、それぞれ異なる光束が通過する位置にある。そして、２つの同心円状の非球面２１’と非球面２２’との界面で屈折した入射光は、それぞれ２つの異なる焦点へ収束する。 Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of optical element 10', which has different aspherical surfaces on two different optical surfaces of the same optical element. Optical element 10' is made of substrate 11', which has optical surfaces 12' and 13' that allow laser light to pass through. Aspherical surface 21' is provided on optical surface 12', and aspherical surface 22' is provided on optical surface 13', concentrically around O', the central axis of the optical element. Aspherical surfaces 21' and 22' are located at positions where different light beams pass through. Incident light refracted at the interface between the two concentric aspherical surfaces 21' and 22' converges to two different focal points.
２．レーザ加工装置、及びレーザ加工装置に用いる光学系の特性における実施の形態
２－１．焦点距離の実施形態
本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面のうち少なくとも２つの非球面は、それぞれの焦点距離が異なり、焦点距離はそれぞれ１５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下であることが好ましい。また、焦点距離の異なる非球面は２つであることが、非球面形状を複雑化しない観点などから好ましい。ここで、複数の異なる非球面のそれぞれの焦点距離をｆ１、ｆ２とすると、ｆ１＜ｆ２のとき、ｆ１／ｆ２が０．２より大０．８より小であることが好ましい。また、ｆ１＞ｆ２のとき、ｆ２／ｆ１が０．２より大０．８より小であることが好ましい。ただし、ｆ１、ｆ２の単位はｍｍである。
2. 2-1. Embodiments of Characteristics of a Laser Processing Apparatus and an Optical System Used Therein. Focal Length Embodiments At least two of the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention preferably have different focal lengths, each of which is 150 mm or more and 1000 mm or less. Furthermore, it is preferable to have two aspherical surfaces with different focal lengths, from the viewpoint of not complicating the aspherical shape. Here, assuming that the focal lengths of the plurality of different aspherical surfaces are f1 and f2, when f1 < f2, it is preferable that f1/f2 be greater than 0.2 and less than 0.8. When f1 > f2, it is preferable that f2/f1 be greater than 0.2 and less than 0.8. Note that f1 and f2 are expressed in mm.
ｆ１＜ｆ２のときｆ１／ｆ２が０．２以下であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。ｆ１＜ｆ２のときｆ１／ｆ２が０．８以上であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。 When f1 < f2, if f1/f2 is 0.2 or less, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular, centered on the optical axis. When f1 < f2, if f1/f2 is 0.8 or more, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular, centered on the optical axis.
また、ｆ１＞ｆ２のときｆ２／ｆ１が０．２以下であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。ｆ１＞ｆ２のときｆ２／ｆ１が０．８以上であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。 Furthermore, when f1 > f2, if f2/f1 is 0.2 or less, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular, centered on the optical axis. When f1 > f2, if f2/f1 is 0.8 or more, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular, centered on the optical axis.
２－２．曲率半径の実施形態
本件発明に係る複数の異なる球面及び／又は非球面のうち２つの非球面の曲率半径を、それぞれｒ１、ｒ２とすると、ｒ１／ｒ２の絶対値が０．５より大、２より小であることが好ましい。ただし、ｒ１、ｒ２の単位はｍｍである。ｒ１／ｒ２の絶対値が０．５以下であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状形状とならない。ｒ１／ｒ２の絶対値が２以上であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状形状とならない。
2-2. Embodiment of Radius of Curvature When the radii of curvature of two aspherical surfaces among the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces according to the present invention are r1 and r2, respectively, it is preferable that the absolute value of r1/r2 is greater than 0.5 and less than 2. However, the units of r1 and r2 are mm. When the absolute value of r1/r2 is 0.5 or less, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece does not have a ring shape centered on the optical axis. When the absolute value of r1/r2 is 2 or more, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece does not have a ring shape centered on the optical axis.
ここで、非球面の光学面形状は、以下の（１）式のように偶数次非球面式にてあらわすことができる。
ｚ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋k）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋ａ５ｒ１０＋ａ６ｒ１２＋ａ７ｒ１４＋ａ８ｒ１６ ・・・（１）
但し、
ｚ（ｒ）：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
ｋ：円錐定数
ａｎ：ｎ次の非球面係数、である。
Here, the aspherical optical surface shape can be expressed by an even-order aspherical equation as in equation (1) below.
z(r)=cr 2 /[1+{1-(1+k)・c 2 r 2 } 1/2 ]+a 1 r 2 +a 2 r 4 +a 3 r 6 +a 4 r 8 +a 5 r 10 +a 6 r 12 +a 7 r 14 +a 8 r 16 ...(1)
however,
z(r): Surface position in the optical axis direction at a distance r perpendicular to the optical axis (amount of sag)
c: the inverse of the central radius of curvature, k: the conic constant, and an : the n-th order aspherical coefficient.
２－３．曲率の実施形態
光学面の光学有効領域の任意の位置における曲率Ｃについて、光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とする座標系において、ｒ軸上において光軸の位置を原点とし光学有効領域端の位置までを１０等分したとき、原点の曲率をＣ０．０（ｍ－１）、光学有効領域端の位置での曲率をＣ１．０（ｍ－１）とする。
2-3. Embodiment of curvature With regard to the curvature C at any position in the optically effective area of the optical surface, in a coordinate system in which the optical axis is the z-axis and the axis perpendicular to the z-axis is the r-axis, when the position of the optical axis on the r-axis is taken as the origin and the area up to the edge of the optically effective area is divided into 10 equal parts, the curvature at the origin is taken as C 0.0 (m −1 ), and the curvature at the edge of the optically effective area is taken as C 1.0 (m −1 ).
このとき、複数の異なる球面及び／又は非球面のうち少なくとも２つの非球面において、Ｃ０．０＞Ｃ１．０のときは、Ｃ１．０／Ｃ０．０の絶対値は０．９より小であることが好ましい。Ｃ１．０／Ｃ０．０の絶対値が０．９より大きいと、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。 In this case, when C0.0 > C1.0 , it is preferable that the absolute value of C1.0 / C0.0 is smaller than 0.9 for at least two aspherical surfaces among the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces. If the absolute value of C1.0 / C0.0 is larger than 0.9, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular with the optical axis as the center.
また、Ｃ０．０＜Ｃ１．０のときは、Ｃ０．０／Ｃ１．０の絶対値は０．９より小であることが好ましい。Ｃ０．０／Ｃ１．０の絶対値が０．９より大きいと、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。 Furthermore, when C0.0 < C1.0 , the absolute value of C0.0 / C1.0 is preferably smaller than 0.9. If the absolute value of C0.0 / C1.0 is greater than 0.9, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece will not be annular with the optical axis as the center.
つぎに、複数の異なる球面及び／又は非球面のうち少なくとも２つの非球面において、上述のｒ軸の座標系において１０等分した１／１０における位置での曲率をＣ０．１（ｍ－１）としたとき、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値は０より大、４より小であることが好ましい。Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値が４以上であると、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした環状とならない。 Next, for at least two aspherical surfaces among the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces, when the curvature at a position at 1/10 of the r-axis coordinate system is defined as C 0.1 (m −1 ), it is preferable that the absolute value of C 0.1 /C 0.0 is greater than 0 and less than 4. When the absolute value of C 0.1 /C 0.0 is 4 or more, the intensity distribution of the laser light on a plane at the irradiation point on the workpiece does not become annular with the optical axis as the center.
さらに、複数の異なる球面及び／又は非球面のうち少なくとも２つの非球面において、上述のｒ軸の座標系において１０等分した２／１０における位置での曲率をＣ０．２（ｍ－１）、１０等分の８／１０における位置での曲率をＣ０．８（ｍ－１）としたとき、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値は０．５より大、１．５より小であることが好ましい。Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値が０．５以下であると、レーザ光が集光しない。Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値が１．５以上であると適切なバックフォーカスが得られない。 Furthermore, in at least two aspherical surfaces among the plurality of different spherical and/or aspherical surfaces, when the curvature at a position at 2/10 of the 10th division in the above-mentioned r-axis coordinate system is C0.2 (m -1 ), and the curvature at a position at 8/10 of the 10th division is C0.8 (m -1 ), it is preferable that the absolute value of C0.8 / C0.2 is greater than 0.5 and less than 1.5. If the absolute value of C0.8 / C0.2 is 0.5 or less, the laser light will not be focused. If the absolute value of C0.8 / C0.2 is 1.5 or more, an appropriate back focus will not be obtained.
３．被加工物の照射点におけるレーザ光の強度分布特性における実施の形態
３－１．本件発明における被加工物の照射点におけるレーザ光の強度分布特性
まず、横収差について説明する。横収差とは、入射光の集光状態を評価しようとする評価面において、評価面の原点に対するズレ量である。そして横収差図は、入射光の入射瞳面上の通過座標に対して、入射光の集光状態を評価しようとする評価面における到達座標とを対応づけた図である。
3. Embodiment 3-1 of Intensity Distribution Characteristics of Laser Beam at Irradiation Point on Workpiece in the Present Invention First, we will explain transverse aberration. Transverse aberration is the amount of deviation from the origin of an evaluation plane on which the focusing state of incident light is to be evaluated. A transverse aberration diagram is a diagram that associates the passing coordinates on the entrance pupil plane of incident light with the arrival coordinates on the evaluation plane on which the focusing state of incident light is to be evaluated.
複数の異なる非球面の界面で屈折したレーザ光は、それぞれ光軸上の異なる焦点に向かって収束する。このとき、焦点とは異なる位置にある被加工物におけるレーザ光の照射点において、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となる。また、照射点における直線上でのレーザ光の強度分布は、光軸を中心とした少なくとも双峰状となる。 Laser light refracted at the interfaces of multiple different aspherical surfaces converges toward different focal points on the optical axis. At this time, at the irradiation point of the laser light on the workpiece, which is located at a position different from the focal point, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point is at least annular, centered on the optical axis. Furthermore, the intensity distribution of the laser light on the line at the irradiation point is at least bimodal, centered on the optical axis.
図３（ａ）に、図１に示す光学素子における非球面２１の焦点が照射点より奥にあり非球面２２の焦点が照射点より手前にある場合の入射瞳と照射点間のレーザ光の概略光路を示す。それぞれハッチングをかけた部分がレーザ光の光路である。非球面２１で屈折したレーザ光は、被加工物におけるレーザ光の照射点より奥にある焦点へ向かって進行し、進行途中にある被加工物におけるレーザ光の照射点において一定の横収差で収束する。非球面２２で屈折したレーザ光は、被加工物におけるレーザ光の照射点より手前にある焦点へ向かって進行し、さらに光軸部で交差して進行し、被加工物におけるレーザ光の照射点において、非球面２１で屈折したレーザ光と同じ横収差で収束する。 Figure 3(a) shows the schematic optical path of the laser light between the entrance pupil and the irradiation point when the focal point of aspherical surface 21 in the optical element shown in Figure 1 is behind the irradiation point and the focal point of aspherical surface 22 is in front of the irradiation point. The hatched areas in each case represent the optical path of the laser light. The laser light refracted by aspherical surface 21 travels toward a focal point on the workpiece that is behind the irradiation point of the laser light, and converges with a constant lateral aberration at the irradiation point of the laser light on the workpiece along the way. The laser light refracted by aspherical surface 22 travels toward a focal point on the workpiece that is in front of the irradiation point of the laser light, and further intersects at the optical axis to converge with the same lateral aberration as the laser light refracted by aspherical surface 21 at the irradiation point of the laser light on the workpiece.
図３（ｂ）に、図１に示す光学素子における非球面２１の焦点が照射点より奥にあり非球面２２の焦点が照射点より手前にある場合の入射瞳座標と照射点座標とにおける横収差図を示す。このように、非球面２１と非球面２２とで屈折したそれぞれのレーザ光は、同じ横収差で被加工物の照射点に収束する。このとき、被加工物の照射点における平面上での、非球面２１と非球面２２とで屈折したそれぞれのレーザ光の合成したレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となる。 Figure 3(b) shows a lateral aberration diagram of the entrance pupil coordinates and the irradiation point coordinates when the focal point of aspherical surface 21 in the optical element shown in Figure 1 is behind the irradiation point and the focal point of aspherical surface 22 is in front of the irradiation point. In this way, the laser light refracted by aspherical surface 21 and aspherical surface 22 converges at the irradiation point on the workpiece with the same lateral aberration. In this case, the intensity distribution of the combined laser light refracted by aspherical surface 21 and aspherical surface 22 on the plane at the irradiation point on the workpiece is at least annular, centered on the optical axis.
また、図３（ｂ）に示す横収差図から、入射瞳座標の原点付近の横収差がなめらかに変化しており、原点付近以外の入射瞳座標においては、一定の横収差になっていることがわかる。なお、図３（ａ）のレーザ光の光路図は概略図であるため、上述の横収差の変化に対して、入射瞳座標の原点および原点付近の入射光の光路は図３（ａ）において表現していない。 Furthermore, from the lateral aberration diagram shown in Figure 3(b), it can be seen that the lateral aberration near the origin of the entrance pupil coordinate system changes smoothly, and that the lateral aberration remains constant at entrance pupil coordinate systems other than those near the origin. Note that because the optical path diagram of the laser light in Figure 3(a) is a schematic diagram, the optical path of the incident light at and near the origin of the entrance pupil coordinate system is not shown in Figure 3(a) in relation to the above-mentioned change in lateral aberration.
図４（ａ）に、図１に示す光学素子における非球面２１の焦点が照射点より手前にあり非球面２２の焦点が照射点より奥にある場合の入射瞳と照射点間のレーザ光の概略光路を示す。それぞれハッチングをかけた部分がレーザ光の光路である。非球面２１で屈折したレーザ光は、被加工物におけるレーザ光の照射点より手前にある焦点へ向かって進行し、さらに光軸部で交差して進行し、進行途中にある被加工物におけるレーザ光の照射点において一定の横収差で収束する。非球面２２で屈折したレーザ光は、被加工物におけるレーザ光の照射点より奥にある焦点へ向かって進行し、被加工物におけるレーザ光の照射点において、非球面２１で屈折したレーザ光と同じ横収差で収束する。 Figure 4(a) shows the schematic optical path of the laser light between the entrance pupil and the irradiation point when the focus of aspherical surface 21 in the optical element shown in Figure 1 is in front of the irradiation point and the focus of aspherical surface 22 is behind the irradiation point. The hatched areas in each case represent the optical path of the laser light. The laser light refracted by aspherical surface 21 travels toward a focus in front of the irradiation point of the laser light on the workpiece, then intersects with the optical axis and travels forward, converging with a constant lateral aberration at the irradiation point of the laser light on the workpiece along its path. The laser light refracted by aspherical surface 22 travels toward a focus behind the irradiation point of the laser light on the workpiece, and converges with the same lateral aberration as the laser light refracted by aspherical surface 21 at the irradiation point of the laser light on the workpiece.
図４（ｂ）に、図１に示す光学素子における非球面２１の焦点が照射点より手前にあり非球面２２の焦点が照射点より奥にある場合の入射瞳座標と照射点座標とにおける横収差図を示す。このように、非球面２１と非球面２２とで屈折したレーザ光は、同じ横収差で被加工物の照射点に収束する。このとき、被加工物の照射点における平面上での、非球面２１と非球面２２とで屈折したそれぞれのレーザ光の合成したレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となる。 Figure 4(b) shows a lateral aberration diagram of the entrance pupil coordinates and the irradiation point coordinates when the focus of aspherical surface 21 in the optical element shown in Figure 1 is in front of the irradiation point and the focus of aspherical surface 22 is behind the irradiation point. In this way, the laser light refracted by aspherical surfaces 21 and 22 converges at the irradiation point on the workpiece with the same lateral aberration. In this case, the intensity distribution of the combined laser light refracted by aspherical surfaces 21 and 22 on the plane at the irradiation point on the workpiece is at least annular, centered on the optical axis.
また、図４（ｂ）に示す横収差図横収差図から、入射瞳座標の原点付近の横収差がなめらかに変化しており、原点付近以外の入射瞳座標においては、一定の横収差になっていることがわかる。なお、図４（ａ）のレーザ光の光路図は概略図であるため、上述の横収差の変化に対して、入射瞳座標の原点および原点付近の入射光の光路は図４（ａ）において表現していない。 Furthermore, from the lateral aberration diagram shown in Figure 4(b), it can be seen that the lateral aberration near the origin of the entrance pupil coordinate system changes smoothly, and that the lateral aberration remains constant at entrance pupil coordinate systems other than those near the origin. Note that because the optical path diagram of the laser light in Figure 4(a) is a schematic diagram, the optical path of the incident light at and near the origin of the entrance pupil coordinate system is not shown in Figure 4(a) in relation to the above-mentioned change in lateral aberration.
非球面が３つ以上の場合は、上述と同様にして、３つ以上の非球面は、それぞれ異なる非球面であり、それぞれ異なる非球面で屈折したレーザ光は、被加工物におけるレーザ光の照射点とは異なる位置にある焦点へ向かって進行し、被加工物におけるレーザ光の照射点において同じ横収差で収束する。そして、このとき、被加工物の照射点における平面上での、それぞれ異なる非球面で屈折したそれぞれのレーザ光の合成したレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となる。 If there are three or more aspherical surfaces, as described above, the three or more aspherical surfaces are each different, and the laser light refracted by each different aspherical surface travels toward a focal point at a different position from the irradiation point of the laser light on the workpiece, and converges with the same lateral aberration at the irradiation point of the laser light on the workpiece. At this time, the intensity distribution of the combined laser light, which is the result of the laser light refracted by each different aspherical surface on the plane at the irradiation point of the workpiece, is at least annular, centered on the optical axis.
３－２．熱レンズ効果発生時のレーザ光の強度分布特性
まず、熱レンズ効果について説明する。レーザ加工装置は、金属などの被加工物を加工するのに用いるものであるため、使用するレーザ光のエネルギーが非常に高い。透過型の光学素子の場合、使用するレーザ光の波長に適した反射防止膜が光学素子の表面に形成され、高い透過率の光学素子としてレーザ加工装置の光学系に用いられる。しかしながら、１００％の透過率は実現困難であることから、透過しなかったレーザ光のエネルギーは光学素子の基材に吸収され、光エネルギーは熱エネルギーに変換される。光学素子の基材や反射防止膜は、温度が上昇した部分において密度が変化し、屈折率が変化してしまう。これを一般的に熱レンズ効果と言う。
3-2. Intensity distribution characteristics of laser light when the thermal lens effect occurs First, let us explain the thermal lens effect. Laser processing equipment is used to process workpieces such as metals, and therefore the energy of the laser light used is very high. In the case of transmissive optical elements, an anti-reflection film appropriate for the wavelength of the laser light used is formed on the surface of the optical element, and these elements are used in the optical system of the laser processing equipment as optical elements with high transmittance. However, since it is difficult to achieve 100% transmittance, the energy of the laser light that does not transmit is absorbed by the substrate of the optical element, and the light energy is converted into thermal energy. The density of the substrate or anti-reflection film of the optical element changes in the areas where the temperature rises, causing a change in the refractive index. This is generally referred to as the thermal lens effect.
光学素子において、熱レンズ効果によって屈折率の変化と部分的凸化が生じると、焦点位置が移動してしまう。基材の屈折率や非球面の曲率などの光学特性の違いによって異なるが、例えば、焦点距離が２００ｍｍの場合に熱レンズ効果によって焦点距離が５ｍｍから１０ｍｍ程度短くなることがある。その影響によって、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が変化してしまうと、被加工物の加工品質が劣化するなどの問題が発生することがある。 In optical elements, when the thermal lens effect causes a change in refractive index and partial convexity, the focal position shifts. This varies depending on differences in optical properties such as the refractive index of the substrate and the curvature of the aspherical surface, but for example, when the focal length is 200 mm, the thermal lens effect can shorten the focal length by approximately 5 to 10 mm. This can change the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece, potentially causing problems such as a deterioration in the processing quality of the workpiece.
ここで、図５（ａ）に、図３（ａ）において熱レンズ効果が発生した場合の入射瞳と照射点間のレーザ光の概略光路を示す。それぞれハッチングをかけた部分がレーザ光の光路である。また、図５（ｂ）に、そのときの入射瞳座標と照射点座標とにおける横収差図を示す。非球面２２は熱レンズ効果によって屈折率が変化し、非球面２２の焦点がさらに手前へ移動する。そのため、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、非球面２２で屈折したレーザ光は、移動した焦点へ向かって収束し、光軸部で交差して進行する。そして、被加工物におけるレーザ光の照射点において、入射瞳座標において原点から遠ざかるにつれて、当初の横収差から徐々に横収差が増加する方向に変化する横収差特性で収束する。 Figure 5(a) shows a schematic optical path of the laser light between the entrance pupil and the irradiation point when the thermal lens effect occurs in Figure 3(a). The hatched areas in each case represent the optical path of the laser light. Figure 5(b) also shows a lateral aberration diagram at the entrance pupil coordinates and irradiation point coordinates at that time. The refractive index of the aspherical surface 22 changes due to the thermal lens effect, causing the focus of the aspherical surface 22 to move further forward. Therefore, as shown in Figures 5(a) and 5(b), the laser light refracted by the aspherical surface 22 converges toward the moved focus and intersects at the optical axis before traveling. Then, at the irradiation point of the laser light on the workpiece, the convergence occurs with a lateral aberration characteristic that gradually increases from the initial lateral aberration as the laser light moves away from the origin in the entrance pupil coordinates.
一方、非球面２１は、基材中央部に存在するため、熱による線膨張の影響を受けにくく、熱レンズ効果による屈折率の変化はほとんど無い。そのため、非球面２１で屈折したレーザ光は、熱の影響を受ける前と同じ横収差を維持する。したがって、熱レンズ効果によって非球面２２の焦点が移動したとしても、被加工物におけるレーザ光の照射点における平面上での、非球面２１と非球面２２とで屈折したそれぞれのレーザ光の合成したレーザ光の強度分布は、ほとんど変化せず光軸を中心とした少なくとも環状を維持している。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）における、入射瞳座標の原点および原点付近の表現に関しては、上述での説明と同様である。 On the other hand, because aspherical surface 21 is located in the center of the substrate, it is less susceptible to thermal linear expansion, and there is almost no change in refractive index due to the thermal lens effect. As a result, the laser light refracted by aspherical surface 21 maintains the same lateral aberration as before it was affected by heat. Therefore, even if the focal point of aspherical surface 22 moves due to the thermal lens effect, the intensity distribution of the combined laser light refracted by aspherical surface 21 and aspherical surface 22 on the plane at the irradiation point of the laser light on the workpiece changes very little, and maintains at least a ring shape centered on the optical axis. Note that the representation of the origin and vicinity of the origin of the entrance pupil coordinates in Figures 5(a) and 5(b) is the same as that described above.
同様に、図６（ａ）に、図４（ａ）において熱レンズ効果が発生した場合の入射瞳と照射点間のレーザ光の概略光路を示す。それぞれハッチングをかけた部分がレーザ光の光路である。また、図６（ｂ）に、そのときの入射瞳座標と照射点座標とにおける横収差図を示す。非球面２２は熱レンズ効果によって屈折率が変化し、非球面２２の焦点がさらに奥へ移動する。そのため、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、非球面２２で屈折したレーザ光は、移動した焦点へ向かって進行する。そして、被加工物におけるレーザ光の照射点において、入射瞳座標において原点から遠ざかるにつれて、当初の横収差から徐々に横収差が増加する方向に変化する横収差特性で収束する。 Similarly, Figure 6(a) shows the schematic optical path of the laser light between the entrance pupil and the irradiation point when the thermal lens effect occurs in Figure 4(a). The hatched areas in each case represent the optical path of the laser light. Figure 6(b) also shows a lateral aberration diagram at the entrance pupil coordinates and irradiation point coordinates at that time. The refractive index of the aspherical surface 22 changes due to the thermal lens effect, causing the focal point of the aspherical surface 22 to move further back. Therefore, as shown in Figures 6(a) and 6(b), the laser light refracted by the aspherical surface 22 travels toward the moved focal point. Then, at the irradiation point of the laser light on the workpiece, the lateral aberration converges with a lateral aberration characteristic that gradually changes from the initial lateral aberration to an increasing lateral aberration as the laser light moves away from the origin in the entrance pupil coordinates.
一方、非球面２１は、基材中央部に存在するため、熱による線膨張の影響を受けにくく、熱レンズ効果による屈折率の変化はほとんど無い。そのため、非球面２１で屈折したレーザ光は、熱の影響を受ける前と同じ横収差を維持する。したがって、熱レンズ効果によって非球面２２の焦点が移動したとしても、被加工物におけるレーザ光の照射点における平面上での、非球面２１と非球面２２とで屈折したそれぞれのレーザ光の合成したレーザ光の強度分布は、ほとんど変化せず光軸を中心とした少なくとも環状を維持している。なお、図６（ａ）、図６（ｂ）における、入射瞳座標の原点および原点付近の表現に関しては、上述での説明と同様である。 On the other hand, because aspherical surface 21 is located in the center of the substrate, it is less susceptible to thermal linear expansion, and there is almost no change in refractive index due to the thermal lens effect. As a result, the laser light refracted by aspherical surface 21 maintains the same lateral aberration as before it was affected by heat. Therefore, even if the focal point of aspherical surface 22 moves due to the thermal lens effect, the intensity distribution of the combined laser light refracted by aspherical surface 21 and aspherical surface 22 on the plane at the irradiation point of the laser light on the workpiece changes very little, and maintains at least a ring shape centered on the optical axis. Note that the representation of the origin and vicinity of the origin of the entrance pupil coordinates in Figures 6(a) and 6(b) is the same as that described above.
以上のように、熱レンズ効果によって焦点ズレが発生したとしても、被加工物の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布がほとんど変化しない。すなわち、本件発明に係る光学系は、被加工物の照射点におけるレーザ光の環状の強度分布を維持する焦点深度が深い。これによって、レーザ加工装置において、加工中に熱レンズ効果が発生したとしても、被加工物の加工品質が維持される。 As described above, even if a focus shift occurs due to the thermal lens effect, the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point on the workpiece remains almost unchanged. In other words, the optical system of the present invention has a deep focal depth that maintains the annular intensity distribution of the laser light at the irradiation point on the workpiece. This allows the laser processing device to maintain the processing quality of the workpiece, even if a thermal lens effect occurs during processing.
４．レーザ加工装置の実施の形態
本件発明に係るレーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置は、上述のとおり、同じ光軸上に複数の異なる焦点を設けた光学面を有する光学系を備え、被加工物におけるレーザ光の照射点は焦点とは異なる位置にあり、照射点において、光軸に垂直な面におけるレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状であることを特徴としている。
4. Embodiments of the Laser Processing Apparatus The laser processing apparatus according to the present invention, which processes a workpiece by irradiating it with laser light, is characterized in that, as described above, it comprises an optical system having an optical surface with a plurality of different focal points on the same optical axis, the irradiation point of the laser light on the workpiece is located at a position different from the focal point, and the intensity distribution of the laser light at the irradiation point on a plane perpendicular to the optical axis is at least annular with the optical axis as the center.
図７に、本実施の形態に係るレーザ加工装置５０を示す。レーザ加工装置５０は、レーザ発振器５１、光路５２、光学系５３、加工ステージ５４から概略なっている。そして、加工ステージ５４上には、被加工物６０が設置される。レーザ発振器５１は加工に用いるレーザ光を出力する装置である。被加工物６０の材料や、加工の厚み、加工精度などによって使用するレーザ光の種類や出力が選ばれる。光路５２は、レーザ発振器から出力されたレーザ光を光学系へ伝送するためのものであり、反射ミラーを利用するタイプや、光ファイバーを用いるタイプがある。そして光学系５３は、伝送されたレーザ光を所定の形状に集光して、被加工物６０の照射点に照射する。加工ステージ５４は被加工物６０を固定して設置し、被加工物６０の照射点の移動にあわせて、被加工物６０もしくは光学系５３、あるいはその両方を動かすための装置を備えている。 Figure 7 shows a laser processing device 50 according to this embodiment. The laser processing device 50 is generally composed of a laser oscillator 51, an optical path 52, an optical system 53, and a processing stage 54. The workpiece 60 is placed on the processing stage 54. The laser oscillator 51 outputs the laser light used for processing. The type and output of the laser light to be used are selected depending on the material of the workpiece 60, the thickness to be processed, and the processing precision. The optical path 52 transmits the laser light output from the laser oscillator to the optical system, and can be a type that uses a reflecting mirror or an optical fiber. The optical system 53 then focuses the transmitted laser light into a predetermined shape and irradiates the irradiation point on the workpiece 60. The processing stage 54 holds the workpiece 60 in place and is equipped with a device for moving the workpiece 60, the optical system 53, or both, in accordance with the movement of the irradiation point on the workpiece 60.
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述の光学系５３に用いることによって、被加工物６０の照射点における平面上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも環状となる。そして、熱レンズ効果によって焦点ズレが発生しても、本件発明に係る光学系は、被加工物の照射点におけるレーザ光の環状の強度分布を維持する焦点深度が深いため、被加工物６０の照射点におけるレーザ光の強度分布がほとんど変化しない。これによって、被加工物６０の加工品質が維持される。 When used with the above-described optical system 53, the laser processing device of the present invention ensures that the intensity distribution of the laser light on a plane at the irradiation point on the workpiece 60 is at least annular, centered on the optical axis. Even if defocusing occurs due to the thermal lens effect, the optical system of the present invention has a deep focal depth that maintains the annular intensity distribution of the laser light at the irradiation point on the workpiece 60, so the intensity distribution of the laser light at the irradiation point on the workpiece 60 changes very little. This maintains the processing quality of the workpiece 60.
以下に本件発明の実施例を示す。なお、各実施例では図１に示す光学素子を例に説明する。 Examples of the present invention are described below. Each example will be explained using the optical element shown in Figure 1 as an example.
光学面１２の有効径が１８．５ｍｍである光学素子を用いる。そして、光学面１２に、非球面２１と非球面２２と同心円状に設けるものである。そして、図３に示すように、非球面２１の焦点が照射点より奥にあり、非球面２２の焦点が照射点より手前にある。そして、非球面２１は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝－０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
An optical element is used in which the effective diameter of the optical surface 12 is 18.5 mm. Aspherical surfaces 21 and 22 are provided concentrically on the optical surface 12. As shown in Figure 3, the focal point of aspherical surface 21 is located behind the irradiation point, and the focal point of aspherical surface 22 is located in front of the irradiation point. Using equation (1), aspherical surface 21 has a shape that satisfies the following values:
c = -0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
同様に、非球面２２は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
Similarly, the aspherical surface 22 has a shape that satisfies the following numerical values when formula (1) is used:
c=0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
ここで、光学面１２において、光軸を原点として半径８ｍｍまでの範囲を非球面２１とし、半径８ｍｍから半径１８．５ｍｍまでの範囲を非球面２２とした。このとき、光軸に垂直に離れた各位置での非球面における曲率Ｃ（単位ｍ－１）を表１に示す。ここで、表１における距離Ａ（単位ｍｍ）は光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とするｒ軸座標系でのｚ軸からの距離、位置Ｂはｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置を示す。また、ｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置と曲率Ｃとの関係のグラフを図８に示す。 Here, on optical surface 12, the range up to a radius of 8 mm, with the optical axis as the origin, is designated as aspherical surface 21, and the range from a radius of 8 mm to a radius of 18.5 mm is designated as aspherical surface 22. In this case, the curvature C (unit: m −1 ) of the aspherical surface at each position away from the optical axis perpendicularly is shown in Table 1. Here, distance A (unit: mm) in Table 1 is the distance from the z axis in an r-axis coordinate system in which the optical axis is the z axis and the axis perpendicular to the z axis is the r axis, and position B indicates a position on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, and the position is divided into 10 equal parts. Furthermore, a graph of the relationship between the curvature C and the positions on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, is shown in FIG.
上述の偶数次非球面式から、非球面２１と非球面２２との近軸焦点距離はそれぞれｆ１＝５０５．７ｍｍ、ｆ２＝１５４．６ｍｍとなった。このとき、ｆ１＞ｆ２なのでｆ２／ｆ１の値と、非球面２１と非球面２２との曲率半径の比ｒ１／ｒ２の絶対値と、Ｃ０．０＜Ｃ１．０なのでＣ０．０／Ｃ１．０の絶対値と、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値とを表２に示す。 From the above even-order aspherical equation, the paraxial focal lengths of aspherical surfaces 21 and 22 are f1 = 505.7 mm and f2 = 154.6 mm, respectively. In this case, since f1 > f2, the value of f2/f1, the absolute value of the ratio r1/r2 of the radii of curvature of aspherical surfaces 21 and 22, and since C0.0 < C1.0 , the absolute values of C0.0 / C1.0 , C0.1 / C0.0 , and C0.8 / C0.2 are shown in Table 2.
光学面１２の有効径が１８．５ｍｍである光学素子を用いる。そして、光学面１２に、非球面２１と非球面２２と同心円状に設けるものである。そして、図４に示すように、非球面２１の焦点が照射点より手前にあり、非球面２２の焦点が照射点より奥にある。そして、非球面２１は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
An optical element is used in which the effective diameter of the optical surface 12 is 18.5 mm. Aspherical surfaces 21 and 22 are provided concentrically on the optical surface 12. As shown in Figure 4, the focal point of aspherical surface 21 is located in front of the irradiation point, and the focal point of aspherical surface 22 is located behind the irradiation point. Using equation (1), aspherical surface 21 has a shape that satisfies the following values:
c=0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
同様に、非球面２２は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝－０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
Similarly, the aspherical surface 22 has a shape that satisfies the following numerical values when formula (1) is used:
c = -0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
ここで、光学面１２において、光軸を原点として半径８ｍｍまでの範囲を非球面２１とし、半径８ｍｍから半径１８．５ｍｍまでの範囲を非球面２２とした。このとき、光軸に垂直に離れた各位置での非球面における曲率Ｃ（単位ｍ－１）を表３に示す。ここで、表３における距離Ａ（単位ｍｍ）は光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とするｒ軸座標系でのｚ軸からの距離、位置Ｂはｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置を示す。また、ｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置と曲率Ｃとの関係のグラフを図９に示す。 Here, on optical surface 12, the range up to a radius of 8 mm, with the optical axis as the origin, is designated as aspherical surface 21, and the range from a radius of 8 mm to a radius of 18.5 mm is designated as aspherical surface 22. In this case, the curvature C (unit: m −1 ) of the aspherical surface at each position away from the optical axis perpendicularly is shown in Table 3. Here, distance A (unit: mm) in Table 3 is the distance from the z axis in an r-axis coordinate system in which the optical axis is the z axis and the axis perpendicular to the z axis is the r axis, and position B indicates a position on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the end of the optical effective area is 1, and the position is divided into 10 equal parts. Furthermore, a graph of the relationship between the curvature C and the positions on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the end of the optical effective area is 1, is shown in FIG.
上述の偶数次非球面式から、非球面２１と非球面２２との近軸焦点距離はそれぞれｆ１＝１５４．６ｍｍ、ｆ２＝５０５．７ｍｍとなった。このとき、ｆ１＜ｆ２なのでｆ１／ｆ２の値と、非球面２１と非球面２２との曲率半径の比ｒ１／ｒ２の絶対値と、Ｃ０．０＞Ｃ１．０なのでＣ１．０／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値とを表４に示す。 From the above even-order aspherical surface equation, the paraxial focal lengths of aspherical surfaces 21 and 22 are f1 = 154.6 mm and f2 = 505.7 mm, respectively. In this case, since f1 < f2, the value of f1/f2, the absolute value of the ratio r1/r2 of the radii of curvature of aspherical surfaces 21 and 22, and since C0.0 > C1.0 , the absolute values of C1.0 / C0.0 , C0.1 / C0.0 , and C0.8 / C0.2 are shown in Table 4.
光学面１２の有効径が１８．５ｍｍである光学素子を用いる。そして、光学面１２に、非球面２１と非球面２２と同心円状に設けるものである。そして、図５に示すように、非球面２１の焦点が照射点より奥にあり、非球面２２の焦点が照射点より手前にある。そして、非球面２１は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝－０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
An optical element is used in which the effective diameter of the optical surface 12 is 18.5 mm. Aspherical surfaces 21 and 22 are provided concentrically on the optical surface 12. As shown in Figure 5, the focal point of aspherical surface 21 is located behind the irradiation point, and the focal point of aspherical surface 22 is located in front of the irradiation point. Using equation (1), aspherical surface 21 has a shape that satisfies the following values:
c = -0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
非球面２２は、その焦点を－１．５ｍｍずらす設定とした。このとき、非球面２２は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７３３×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
The aspherical surface 22 is set to have its focus shifted by −1.5 mm. In this case, the aspherical surface 22 has a shape that satisfies the following values when formula (1) is used:
c=0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.733× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
ここで、光学面１２において、光軸を原点として半径８ｍｍまでの範囲を非球面２１とし、半径８ｍｍから半径１８．５ｍｍまでの範囲を非球面２２とした。このとき、光軸に垂直に離れた各位置での非球面における曲率Ｃ（単位ｍ－１）を表５に示す。ここで、表５における距離Ａ（単位ｍｍ）は光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とするｒ軸座標系でのｚ軸からの距離、位置Ｂはｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置を示す。また、ｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置と曲率Ｃとの関係のグラフを図１０に示す。 Here, on optical surface 12, the range up to a radius of 8 mm, with the optical axis as the origin, is designated as aspherical surface 21, and the range from a radius of 8 mm to a radius of 18.5 mm is designated as aspherical surface 22. In this case, the curvature C (unit: m −1 ) of the aspherical surface at each position away from the optical axis perpendicularly is shown in Table 5. Here, distance A (unit: mm) in Table 5 is the distance from the z axis in an r-axis coordinate system in which the optical axis is the z axis and the axis perpendicular to the z axis is the r axis, and position B indicates a position on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, and the position is divided into 10 equal parts. Furthermore, a graph of the relationship between the curvature C and the positions on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, is shown in FIG.
上述の偶数次非球面式から、非球面２１と非球面２２との近軸焦点距離はそれぞれｆ１＝５０５．７ｍｍ、ｆ２＝１５４．０ｍｍとなった。このとき、ｆ１＞ｆ２なのでｆ２／ｆ１の値と、非球面２１と非球面２２との曲率半径の比ｒ１／ｒ２の絶対値と、Ｃ０．０＜Ｃ１．０なのでＣ０．０／Ｃ１．０の絶対値と、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値とを表６に示す。 From the above even-order aspherical surface equation, the paraxial focal lengths of aspherical surfaces 21 and 22 are f1 = 505.7 mm and f2 = 154.0 mm, respectively. In this case, since f1 > f2, the value of f2/f1, the absolute value of the ratio r1/r2 of the radii of curvature of aspherical surfaces 21 and 22, and since C0.0 < C1.0 , the absolute values of C0.0 / C1.0 , C0.1 / C0.0 , and C0.8 / C0.2 are shown in Table 6.
光学面１２の有効径が１８．５ｍｍである光学素子を用いる。そして、光学面１２に、非球面２１と非球面２２と同心円状に設けるものである。そして、図６に示すように、非球面２１の焦点が照射点より手前にあり、非球面２２の焦点が照射点より奥にある。そして、非球面２１は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．７０２×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
An optical element is used in which the effective diameter of the optical surface 12 is 18.5 mm. Aspherical surfaces 21 and 22 are provided concentrically on the optical surface 12. As shown in Figure 6, the focal point of aspherical surface 21 is located in front of the irradiation point, and the focal point of aspherical surface 22 is located behind the irradiation point. Using equation (1), aspherical surface 21 has a shape that satisfies the following values:
c=0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.702× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
非球面２２は、その焦点を＋１．５ｍｍずらす設定とした。このとき、非球面２２は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝－０．００５
ｋ＝－５．０×１０５
ａ２＝４．６７０×１０－３
ａ４＝４．４５０×１０－８
The aspherical surface 22 is set to have its focus shifted by +1.5 mm. In this case, the aspherical surface 22 has a shape that satisfies the following values when formula (1) is used:
c = -0.005
k=-5.0×10 5
a 2 =4.670× 10-3
a 4 =4.450× 10-8
ここで、光学面１２において、光軸を原点として半径８ｍｍまでの範囲を非球面２１とし、半径８ｍｍから半径１８．５ｍｍまでの範囲を非球面２２とした。このとき、光軸に垂直に離れた各位置での非球面における曲率Ｃ（単位ｍ－１）を表７に示す。ここで、表７における距離Ａ（単位ｍｍ）は光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とするｒ軸座標系でのｚ軸からの距離、位置Ｂはｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置を示す。また、ｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置と曲率Ｃとの関係のグラフを図１１に示す。 Here, on optical surface 12, the range up to a radius of 8 mm, with the optical axis as the origin, is designated as aspherical surface 21, and the range from a radius of 8 mm to a radius of 18.5 mm is designated as aspherical surface 22. In this case, the curvature C (unit: m −1 ) of the aspherical surface at each position away from the optical axis perpendicularly is shown in Table 7. Here, distance A (unit: mm) in Table 7 is the distance from the z axis in an r-axis coordinate system in which the optical axis is the z axis and the axis perpendicular to the z axis is the r axis, and position B indicates a position on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, and the position is divided into 10 equal parts. Furthermore, a graph of the relationship between the curvature C and the positions on the r axis, where the position of the optical axis is the origin 0 and the position at the edge of the optical effective area is 1, is shown in FIG.
上述の偶数次非球面式から、非球面２１と非球面２２との近軸焦点距離はそれぞれｆ１＝１５４．６ｍｍ、ｆ２＝５１３．２ｍｍとなった。このとき、ｆ１＜ｆ２なのでｆ１／ｆ２の値と、非球面２１と非球面２２との曲率半径の比ｒ１／ｒ２の絶対値と、Ｃ０．０＞Ｃ１．０なのでＣ１．０／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値とを表８に示す。 From the above even-order aspherical equation, the paraxial focal lengths of aspherical surfaces 21 and 22 are f1 = 154.6 mm and f2 = 513.2 mm, respectively. In this case, since f1 < f2, the value of f1/f2, the absolute value of the ratio r1/r2 of the radii of curvature of aspherical surfaces 21 and 22, and since C0.0 > C1.0 , the absolute values of C1.0 / C0.0 , C0.1 / C0.0 , and C0.8 / C0.2 are shown in Table 8.
光学面の有効径が１８．５ｍｍである光学素子を用いる。そして、光学面に、１つの非球面を設けるものである。当該光学素子の非球面の焦点は１つであり、照射点より奥にある。このとき、当該非球面は、（１）式を用いると、以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００５５
ｋ＝－１．３２７×１０６
ａ２＝２．２７６×１０－３
An optical element with an effective diameter of the optical surface of 18.5 mm is used. One aspherical surface is provided on the optical surface. The aspherical surface of the optical element has one focal point, which is located behind the irradiation point. In this case, the aspherical surface has a shape that satisfies the following values when using equation (1):
c=0.0055
k=-1.327× 106
a 2 =2.276× 10-3
このとき、光軸に垂直に離れた各位置での非球面における曲率Ｃ（単位ｍ－１）を表９に示す。ここで、表９における距離Ａ（単位ｍｍ）は光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とするｒ軸座標系でのｚ軸からの距離、位置Ｂはｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置を示す。また、ｒ軸上において、光軸の位置を原点０とし光学有効領域端の位置を１として１０等分した位置と曲率Ｃとの関係のグラフを図１２に示す。 In this case, the curvature C (unit: m −1 ) of the aspherical surface at each position away from the optical axis perpendicularly is shown in Table 9. Here, distance A (unit: mm) in Table 9 is the distance from the z axis in an r-axis coordinate system in which the optical axis is the z axis and the axis perpendicular to the z axis is the r axis, and position B indicates a position on the r axis, which is obtained by dividing the optical axis position into 10 equal parts, with the origin 0 being the position of the optical axis and the position at the end of the optical effective area being 1. Also, a graph of the relationship between the curvature C and the positions on the r axis, which is obtained by dividing the optical axis position into 10 equal parts, with the origin 0 being the position of the optical axis and the position at the end of the optical effective area being 1, is shown in FIG.
上述の偶数次非球面式から、当該非球面の近軸焦点距離はｆ１＝１３２．３ｍｍとなった。このとき、Ｃ０．０＞Ｃ１．０なのでＣ１．０／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．１／Ｃ０．０の絶対値と、Ｃ０．８／Ｃ０．２の絶対値とを表１０に示す。 From the above even-order aspherical surface formula, the paraxial focal length of the aspherical surface is f1 = 132.3 mm. In this case, since C0.0 > C1.0 , the absolute values of C1.0 / C0.0 , C0.1 / C0.0 , and C0.8 / C0.2 are shown in Table 10.
〔評価結果〕
実施例１～実施例４の光学素子を用いたときの、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上における光軸を含む直線上でのレーザ光の強度分布をＺｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行い確認した。シミュレーション時の光源は、ファイバーレーザ光源を想定し、その条件はコア径φ１００μｍ、８０ｍｒａｄとした。それぞれのシミュレーション結果を図１４～図１７に示す。横軸は被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上における光軸を含む直線上での座標位置であり、単位はｍｍである。また、図１４～図１７における各図上の－１ｍｍ、０ｍｍ、＋１ｍｍという数値は、図３（ｂ）～図６（ｂ）の横収差図に表される状態の照射点位置を０ｍｍとした照射点位置におけるレーザ光の強度分布を示しており、－１ｍｍ、＋１ｍｍが照射点位置から光軸に沿ってそれぞれ－１ｍｍ、＋１ｍｍの位置におけるレーザ光強度分布を示している。ここでのマイナスは、照射点位置よりも手前（光学系側）を意味する。
[Evaluation results]
Optical simulations were performed using Zemax's Optical Design Program to confirm the intensity distribution of laser light on a line including the optical axis on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece when the optical elements of Examples 1 to 4 were used. The simulations were performed using a fiber laser light source with a core diameter of 100 μm and a power dissipation of 80 mrad. The results of each simulation are shown in FIGS. 14 to 17. The horizontal axis represents the coordinate position on a line including the optical axis on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece, in units of mm. The numerical values -1 mm, 0 mm, and +1 mm in each of FIGS. 14 to 17 indicate the intensity distribution of laser light at the irradiation point, where the irradiation point position in the state shown in the lateral aberration diagrams of FIGS. 3(b) to 6(b) is set to 0 mm. The values -1 mm and +1 mm indicate the laser light intensity distribution at positions -1 mm and +1 mm, respectively, along the optical axis from the irradiation point position. Here, the minus sign means in front of the irradiation point position (toward the optical system).
また、比較例の光学素子を用いたときの被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上における光軸を含む直線上でのレーザ光の強度分布をＺｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行い確認した。シミュレーション時のレーザ光の光源の条件は、コア径φ１００μｍ、８０ｍｒａｄとした。シミュレーション結果を図１８に示す。図の説明は上述と同じである。 In addition, an optical simulation was performed using Zemax's Optical Design Program to confirm the intensity distribution of the laser light on a line including the optical axis on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece when using the optical element of the comparative example. The laser light source conditions used in the simulation were a core diameter of 100 μm and 80 mrad. The simulation results are shown in Figure 18. The explanation for the figure is the same as above.
なお、図１３は比較例における照射点の位置から－３ｍｍの位置のレーザ光の強度分布のシミュレーション結果である。比較例は光学面に１つの非球面を設けており、その焦点は１つであることから、レーザ光の強度分布がガウシアン分布となる位置が存在する。図１４～図１８のシミュレーション結果の図の縦軸は、図１３のレーザ光強度に対する相対的なレーザ光強度としてプロットしたものである。 Note that Figure 13 shows the simulation results for the laser light intensity distribution at a position -3 mm from the irradiation point in the comparative example. The comparative example has one aspherical surface on the optical surface, and since it has one focal point, there is a position where the laser light intensity distribution becomes a Gaussian distribution. The vertical axis of the simulation results in Figures 14 to 18 is plotted as the laser light intensity relative to the laser light intensity in Figure 13.
図１４、図１５から、本件出願に係る光学系を用いることによって、照射点における直線上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも双峰状であることが明らかである。これは、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上では、レーザ光の強度分布が光軸を中心とした少なくとも環状であることを意味する。そして、照射点位置から－１ｍｍ、１ｍｍずれた位置であっても、レーザ光の強度ピークの位置、及びピーク値がほとんど変化しないことが明らかとなった。 From Figures 14 and 15, it is clear that by using the optical system according to the present application, the intensity distribution of the laser light on a straight line at the irradiation point is at least bimodal, centered on the optical axis. This means that on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece, the intensity distribution of the laser light is at least annular, centered on the optical axis. It was also revealed that the position and peak value of the laser light intensity peak hardly change even at positions shifted -1 mm or 1 mm from the irradiation point position.
図１６、図１７から、本件出願に係る光学系を用いることによって、非球面の焦点位置がずれても、照射点における直線上でのレーザ光の強度分布が、光軸を中心とした少なくとも双峰状であることが明らかである。これは、被加工物の照射点において光軸に垂直な平面上では、レーザ光の強度分布が光軸を中心とした少なくとも環状であることを意味する。そして、照射点位置から－１ｍｍ、１ｍｍずれた位置であっても、レーザ光の強度ピークの位置、及びピーク値がほとんど変化しないことが明らかとなった。 Figures 16 and 17 clearly show that by using the optical system according to the present application, even if the focal position of the aspherical surface shifts, the intensity distribution of the laser light on a straight line at the irradiation point is at least bimodal, centered on the optical axis. This means that on a plane perpendicular to the optical axis at the irradiation point on the workpiece, the intensity distribution of the laser light is at least annular, centered on the optical axis. It was also revealed that the position and peak value of the laser light intensity remain almost unchanged even at positions shifted -1 mm or 1 mm from the irradiation point position.
一方、図１８から、比較例の光学系を用いた場合、レーザ光の強度分布は光軸を中心とした双峰状になるものの、照射点位置から－１ｍｍ、１ｍｍずれた位置において、レーザ光の強度ピークの位置、及びピーク値が大きく変化してしまうことが明らかとなった。 On the other hand, Figure 18 reveals that when the optical system of the comparative example is used, the intensity distribution of the laser light is bimodal centered on the optical axis, but the position and peak value of the laser light intensity peak change significantly at positions shifted -1 mm and 1 mm from the irradiation point position.
すなわち、レーザ加工装置は、本件出願に係るレーザ加工装置に用いる光学系に同じ光軸上に複数の焦点を設けた光学面を備えることによって、光学系の焦点が被加工物の照射点と異なる位置にあって、かつ、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布を光軸を中心とした少なくとも環状とすることができる。そして、本件出願に係る光学系に入射されたレーザ光の大部分を、照射点において環状のレーザ光として利用できることから、レーザ光のエネルギー利用効率が高い。また、焦点位置がずれても、照射点におけるレーザ光の強度分布形状及び強度ピークの位置、及びピーク値が変わらないレーザ光を得ることができることが明らかとなった。 In other words, by providing an optical surface with multiple focal points on the same optical axis in the optical system used in the laser processing device according to the present application, the focal point of the optical system can be located at a position different from the irradiation point on the workpiece, and the intensity distribution of the laser light on the plane at the irradiation point can be at least annular, centered on the optical axis. Furthermore, since most of the laser light incident on the optical system according to the present application can be used as annular laser light at the irradiation point, the energy utilization efficiency of the laser light is high. It has also been revealed that it is possible to obtain laser light whose intensity distribution shape, intensity peak position, and peak value at the irradiation point remain unchanged even if the focal position is shifted.
本件発明に係るレーザ加工装置は、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布を光軸を中心とした少なくとも環状とすることができ、熱レンズ効果によって焦点位置がずれても、照射点における平面上でのレーザ光の強度分布及び強度が変わらないことから、被加工物へ切断や穴開けといった加工を施すレーザ加工装置に用いる光学系に好適である。そして、本件発明に係るレーザ加工装置を用いることによって、安定したレーザ加工が可能となり、被加工物の加工品質が維持される。 The laser processing device of the present invention can make the intensity distribution of the laser light on a plane at the irradiation point at least circular, centered on the optical axis. Even if the focal position shifts due to the thermal lens effect, the intensity distribution and intensity of the laser light on the plane at the irradiation point do not change, making it suitable for use in optical systems used in laser processing devices that perform processes such as cutting and drilling on workpieces. Furthermore, use of the laser processing device of the present invention enables stable laser processing, maintaining the processing quality of the workpiece.
１０ 光学素子（レンズ）
１１ 基材
１２ 光学面
１３ 光学面
２１ 非球面
２２ 非球面
１０’ 光学素子（レンズ）
１１’ 基材
１２’ 光学面
１３’ 光学面
２１’ 非球面
２２’ 非球面
５０ レーザ加工装置
５１ レーザ発振器
５２ 光路
５３ 光学系
５４ 加工ステージ
６０ 被加工物
10 Optical elements (lenses)
11: Substrate 12: Optical surface 13: Optical surface 21: Aspherical surface 22: Aspherical surface 10': Optical element (lens)
11' Base material 12' Optical surface 13' Optical surface 21' Aspherical surface 22' Aspherical surface 50 Laser processing device 51 Laser oscillator 52 Optical path 53 Optical system 54 Processing stage 60 Workpiece
Claims (11)
同じ光軸上に２つの異なる焦点を設けた光学面を有する光学系を備え、
前記２つの異なる焦点の位置において、前記２つの異なる焦点を設けた光学面から出射された前記レーザ光はそれぞれが横収差を有して前記光軸と交差し、
前記被加工物における前記レーザ光の照射点の位置は、前記２つの異なる焦点の位置の間であって、かつ、前記２つの異なる焦点を設けた光学面からそれぞれ出射された前記レーザ光が略同値の横収差を有して環状に収束する位置にあり、
前記照射点の位置において、前記２つの異なる焦点を設けた光学面からそれぞれ出射された前記レーザ光を合成した前記レーザ光の前記光軸に垂直な面における強度分布が、前記光軸を中心とした環状であることを特徴とするレーザ加工装置。 A laser processing device that processes a workpiece by irradiating it with laser light,
an optical system having an optical surface with two different focal points on the same optical axis,
At the positions of the two different focal points, the laser beams emitted from the optical surface on which the two different focal points are provided intersect with the optical axis while having lateral aberrations,
a position of an irradiation point of the laser beam on the workpiece is between the positions of the two different focal points, and is at a position where the laser beams emitted from the optical surfaces on which the two different focal points are provided converge into an annular shape with substantially the same value of transverse aberration ;
A laser processing apparatus characterized in that, at the position of the irradiation point, the intensity distribution in a plane perpendicular to the optical axis of the laser light obtained by combining the laser light respectively emitted from the optical surfaces having the two different focal points is annular with the optical axis as the center .
ただし、ｆ１、ｆ２の単位はｍｍである。 6. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the two different aspherical surfaces have different focal lengths, and when f1<f2, f1/f2 is greater than 0.2 and smaller than 0.8, and when f1>f2, f2/f1 is greater than 0.2 and smaller than 0.8, where f1 is the focal length of the two different aspherical surfaces and f2 is the focal length of the two different aspherical surfaces.
However, the units of f1 and f2 are mm.
ただし、ｒ１、ｒ２の単位はｍｍである。 7. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein the absolute value of r1/r2 is greater than 0.5 and less than 2, where r1 and r2 are the radii of curvature of the two different aspherical surfaces, respectively.
However, the units of r1 and r2 are mm.
ただし、光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とする座標系において、ｒ軸上において、前記光軸の位置を原点とし前記２つの異なる非球面における光学有効領域端の位置までを１０等分した場合、原点の曲率をＣ０．０（ｍ－１）、前記光学有効領域端の位置での曲率をＣ１．０（ｍ－１）とする。 8. The laser processing apparatus according to claim 2, wherein, in the two different aspherical surfaces, when C0.0 > C1.0 , the absolute value of C1.0 / C0.0 is smaller than 0.9, and when C0.0 < C1.0 , the absolute value of C0.0 / C1.0 is smaller than 0.9.
However, in a coordinate system in which the optical axis is the z-axis and the axis perpendicular to the z-axis is the r-axis, when the position of the optical axis on the r-axis is taken as the origin and the area up to the end of the optical effective area of the two different aspherical surfaces is divided into 10 equal parts, the curvature at the origin is C 0.0 (m −1 ) and the curvature at the end of the optical effective area is C 1.0 (m −1 ).
ただし、光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とする座標系において、ｒ軸上において、前記光軸の位置を原点とし前記光学有効領域端の位置までを１０等分した場合、前記１０等分の１／１０における位置での曲率をＣ０．１（ｍ－１）とする。 9. The laser processing apparatus according to claim 8, wherein the absolute value of C0.1 / C0.0 is greater than 0 and less than 4 for the two different aspherical surfaces.
However, in a coordinate system in which the optical axis is the z-axis and the axis perpendicular to the z-axis is the r-axis, when the position of the optical axis on the r-axis is taken as the origin and the area up to the end of the optical effective area is divided into 10 equal parts, the curvature at a position that is 1/10 of the 10 equal parts is defined as C 0.1 (m −1 ).
ただし、光軸をｚ軸とし、ｚ軸と直交する軸をｒ軸とする座標系において、ｒ軸上において、前記光軸の位置を原点とし前記光学有効領域端の位置までを１０等分した場合、前記１０等分の２／１０における位置での曲率をＣ０．２（ｍ－１）、前記１０等分の８／１０における位置での曲率をＣ０．８（ｍ－１）とする。 10. The laser processing apparatus according to claim 8, wherein the absolute value of C0.8 / C0.2 is greater than 0.5 and less than 1.5 for the two different aspherical surfaces.
However, in a coordinate system in which the optical axis is the z-axis and the axis perpendicular to the z-axis is the r-axis, if the position of the optical axis on the r-axis is taken as the origin and the area up to the end of the optically effective area is divided into 10 equal parts, the curvature at a position that is 2/10 of the 10 equal parts is C 0.2 (m -1 ), and the curvature at a position that is 8/10 of the 10 equal parts is C 0.8 (m -1 ).
同じ光軸上に２つの異なる焦点を設けた光学面を備え、
前記２つの異なる焦点を設けた光学面は、２つの異なる球面及び／又は非球面であることを特徴とする光学系。 An optical system provided in the laser processing apparatus according to claim 1,
An optical surface having two different focal points on the same optical axis,
An optical system characterized in that the optical surfaces having the two different focal points are two different spherical and/or aspherical surfaces.
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