(57)【要約】【課題】  大掛かりな設備を設けることなく、動的且つ正確に熱レンズ効果を補正することができる透過型光学素子、レーザー発振器、及びレーザー加工機を提供する。【解決手段】  透過型光学素子は、正の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第１光学部材と、負の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第２光学部材とを備え、第１光学部材のウェッジ面と第２光学部材のウェッジ面とを向かい合わせに配置して、第１光学部材と第２光学部材とが相対的に平面に平行に移動し、レーザービームに生じる熱レンズ効果を補正する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームが入射する透過型光学素子であって、
正の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第１光学部材と、
負の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第２光学部材と、を備え、
前記第１光学部材のウェッジ面と前記第２光学部材のウェッジ面とを向かい合わせに配置して、前記第１光学部材と前記第２光学部材とが相対的に前記平面に平行に移動し、前記レーザービームに生じる熱レンズ効果を補正することを特徴とする透過型光学素子。
【請求項２】
前記熱レンズ効果の状態を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、前記第１光学部材及び前記第２光学部材を相対的に移動させる駆動部と、
を備えることを特徴とする請求項２に記載の透過型光学素子。
【請求項３】
前記第１光学部材及び前記第２光学部材がそれぞれ二対用意され、
前記一方の前記第１光学部材及び前記第２光学部材と、他方の第１光学部材及び前記第２光学部材とが相対的に前記平面に平行に移動して、前記二対の前記第１光学部材及び前記第２光学部材を透過する前記レーザービームの光路長を調整することを特徴とする請求項１に記載の透過型光学素子。
【請求項４】
前記熱レンズ効果の状態を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて、前記一方の第１光学部材及び前記第２光学部材と他方の第１光学部材及び前記第２光学部材とを相対的に移動させる駆動部と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の透過型光学素子。
【請求項５】
前記レーザービームは所定のビーム径を有しており、前記所定のビーム径において前記ウェッジ面によって発生した収差を打ち消すように二対の光学部材が配置されていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の透過型光学素子。
【請求項６】
前記第１光学部材及び前記第２光学部材のうち一方が前記レーザービームの入射面側に配置され、前記入射面に反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の透過光学素子。
【請求項７】
前記第１光学部材及び前記第２光学部材がオプティカル・コンタクトされていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の透過光学素子。
【請求項８】
前記第１光学部材の正の熱ひずみ係数χは、
【数１】
2010096788.tif 000009
の条件を満たし、
前記第２光学部材の負の熱ひずみ係数χは、
【数２】
2010096788.tif 000010
の条件を満たし、
なお、（ｄｎ／ｄＴ）は前記光学部材の屈折率の温度依存係数、ｎは屈折率、αは線膨張係数を示すことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の透過光学素子。
【請求項９】
前記レーザービームを射出するレーザー光源と、
前記レーザー光源を収納する筐体と、
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の透過光学素子を前記レーザービームの射出窓として前記筐体に取り付けられたことを特徴とするレーザー発振器。
【請求項１０】
被加工物を載置するテーブルと、
請求項９に記載のレーザー発振器と、を備え、
前記レーザー発振器から射出されたレーザービームで前記被加工物を加工することを特徴とするレーザー加工機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型光学素子、並びにそれを有するレーザー発振器及びレーザー加工機に関し、特に、発生する熱レンズ効果を、大掛かりな設備を設けることなく、動的且つ正確に補正し、光束の収差を悪化させることのない透過型光学素子、並びに当該透過型光学素子を有するレーザー発振器及びレーザー加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー発振器からのレーザーを伝搬して、対象物に照射して加工を行うレーザー加工機が様々な分野で使用されている。これらのレーザー加工機は、テーラードブランク溶接、薄板切断加工、アルミニュウム溶接、樹脂溶着、異材接合、樹脂と金属の接合、異形部品溶接等の目的で使うことができる。
【０００３】
図７は、従来のレーザー加工機の構造を示す模擬図である。図７に示したように、従来のレーザー加工機１０は、レーザー発振器８と、レーザービームの射出窓３と、ダクト１４と、反射鏡１５と、集光レンズ１６と、加工テーブル１８とを備える。レーザー発振器８から発信されたレーザー光５は、レーザービームの射出窓３を透過し、ダクト１４で覆われた伝搬光路内で、複数の反射鏡１５により光路が変化される。その後に集光レンズ１６で集光されて、加工テーブル１８に搭載されている加工対象物１７に対して加工する。
【０００４】
レーザービームの射出窓３は、レーザー光５に対して透過性の高い材料で製造されるが、実際は完全に透過されるのが不可能で、射出窓３で少量の光吸収が生ずる。この光吸収は、レーザー光５のエネルギーが高いほど、使用される時間が長いほど、吸収される光量も多くなる。この光吸収に従って、レーザービームの射出窓３の温度が高くなり、屈折率も変化し、レーザービームの射出窓３の形状歪み等の不良が生ずる。
【０００５】
このような熱レンズ効果の影響により、レーザー加工機は、そのビーム集光位置において、収差やデフォーカスを生ずる場合がある。これにより、レーザー光５の集中の度合いが落ちて加工性が低下され、又は焦点の位置がずれて切断性能が低下される。なお、レーザービームが異常な位置に極度に集中し、レーザー加工機の光学系を損害し、レーザー加工機のライフが短くなる問題がある。従って、その構造、利用方法、利用目的によって、大きな問題となる熱レンズ効果を、動的かつ正確に補正できる光学素子の開発が求められている。
【０００６】
特許文献１は、レーザー加工機において、レーザー発振器窓の熱レンズ作用によるレーザービーム伝送光学系の損傷を防ぎ、装置の耐久性を向上させるレーザー加工機を開示した。特許文献１において、レーザービーム加工機は、熱レンズ効果を補正するために、光路中に厚みの一様でない透過型光学素子を配置する、もしくはコリメーションミラーの形状を熱レンズ効果の補正に合わせて設計される。
【０００７】
特許文献２は、図７に示した冷却用ガスボンベ１１を有するレーザー加工機を提案した。特許文献２に係るレーザー加工機は、透過窓材に対するガスの吹き付けの角度、流速、流量を工夫しながら、冷却を行って熱レンズ効果の発生を抑える機構と、透過窓材周辺に、レーザー光を吸収して熱レンズ効果を打ち消すような屈折率分布を生じるガスを流す機構とを備える。
【特許文献１】特開平５―８０７４号公報
【特許文献２】特許第３１５９６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に係るレーザー加工機において、熱レンズ効果がどのように発生するか、正確に予測することは大変難しくなる。なお、特許文献１に係る技術手段では、熱レンズ効果を十分に補正することができなく、光学素子の形状によってはかえって、レーザービームの収差を増やしてしまう危険性もある。また、補正用光学素子の形状のみが波面の補正に影響を与えるので、レーザー出力の変化や、温度変化といった経時変化に対応することができない。
【０００９】
特許文献２に係るレーザー加工機において、大掛かりなガス設備を設けることにより、コストが大変高くなり、レーザー出力の変化に応じて流速や流量を制御する必要がある。その上、窓の表面にガスを吹き付けるため、透過窓材内部において光軸方向に温度勾配を生じ、そのことにより収差の増大を招く可能性もある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、発生する熱レンズ効果を、大掛かりな設備を設けることなく、動的且つ正確に補正し、光束の収差を悪化させることのない透過型光学素子、並びに当該透過型光学素子を有するレーザー発振器及びレーザー加工機を提供することにその目的がある。
【００１１】
本発明の第一観点において、レーザービームが入射する透過型光学素子であって、正の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第一光学部材と、負の熱ひずみ係数を有する物質からなりウェッジ面と平面とを有する第二光学部材とを備え、第一光学部材のウェッジ面と第二光学部材のウェッジ面とを向かい合わせに配置して、第一光学部材と第二光学部材とが相対的に平面に平行に移動し、レーザービームに生じる熱レンズ効果を補正する。
【００１２】
本発明の第一観点によれば、第一光学部材又は第二光学部材の何れか一つを光軸に対して垂直な方向に移動させることにより、光束が透過する第一光学部材と第二光学部材の割合をリアルタイムに調整しながら、熱レンズ効果を補正することができる。
【００１３】
本発明の他の観点によれば、レーザー発振器であって、レーザービームを射出するレーザー光源と、レーザー光源を収納する筐体とを備え、本発明の第一観点に記載の透過光学素子がレーザービームの射出窓として筐体に取り付けられている。これにより、レーザービームの射出窓における熱レンズ効果の発生を抑え、レーザービームが異常な位置で集束することを防ぎ、光学素子を破損から守ることができる。このため、レーザー発振機の長寿命を実現することができる。また、熱レンズ効果を動的に補正することが可能なので、常に安定したビーム拡がりを持つレーザー光を射出し続けることができる。
【００１４】
本発明のもう一つの観点によれば、レーザー加工機であって、被加工物を載置するテーブルと、本発明の観点に係るレーザー発振器とを備え、レーザー発振器から射出されたレーザービームで被加工物を加工する。これにより、レーザービームの射出窓における熱レンズ効果の発生を抑え、レーザービームが異常な位置で集束することを防ぎ、光学素子を破損から守ることができる。このため、レーザー発振機の長寿命を実現することができる。また、熱レンズ効果の補正により、加工に用いるレーザービームスポットにデフォーカスや収差が発生することを抑え、結果としてビームスポット径を小さく保つことができ、レーザー加工機の加工性能の向上にも貢献することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る透過型光学素子によれば、大掛かりな設備を設けることなく、動的且つ正確に熱レンズ効果を補正し、光束の収差を悪化させることを防止することができる。さらに、当該透過型光学素子により、光学系中の光学部材に損害がなく、かつ安定したビーム拡がりを持つレーザービームを射出し続けられる長寿命のレーザー発振器、及び、高い加工性能を保ち続けることが可能なレーザー加工機を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る実施形態を添付の図面に基づいて詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるわけではない。なお、本発明において、レーザー加工機とは、テーラードブランク溶接、薄板切断加工、アルミニュウム溶接、樹脂溶着、異材接合、樹脂と金属の接合、異形部品溶接等を目的とするレーザー光を使用した加工機である。なお、本発明において、レーザー光は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーで、その波長は１０６４ｍｍである。
【００１７】
＜透過型光学素子＞
＜実施例１：第一透過型光学素子２０＞
図１（ａ）は、本実施例１に係る第一透過型光学素子２０の拡大図で、図１（ｂ）は、第一透過型光学素子２０が従来のレーザー加工機の光学系に設置されている図面である。図１（ａ）に示したように、第一透過型光学素子２０は、ウェッジ面と平面を有する第一光学部材２０Ａと、ウェッジ面と平面を有する第二光学部材２０Ｂからなる。
【００１８】
本実施例において、第一光学部材２０Ａのウェッジ面の傾度は、第二光学部材２０Ｂのウェッジ面の傾度と同じである。なお、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとは、透過型光学部材である。図１（ａ）に示したように、第一透過型光学素子２０は、第一光学部材２０Ａのウェッジ面と第二光学部材２０Ｂのウェッジ面とをお互い向かい合わせて配置してなる。
【００１９】
本実施例１において、第一光学部材２０Ａは、合成石英を基板材とし、光の入射面と出射面には反射防止コートが設けられている。第二光学部材２０Ｂは、蛍石を基板材とし、光の入射面と出射面には反射防止コートが施されている。
【００２０】
また、第一光学部材２０Ａを構成する合成石英は、波長１０６４ｎｍにおいて、以下の数式１を満たしている。即ち、合成石英からなる第一光学部材２０Ａは、プラスの熱ひずみ特性を有する。
【数１】
2010096788.tif 000003
……数式１
【００２１】
第二光学部材２０Ｂを構成する蛍石は、波長１０６４ｎｍにおいて、以下の数式２を満たしている。即ち、蛍石からなる第二光学部材２０Ｂは、マイナスの熱ひずみ特性を有する。
【数２】
2010096788.tif 000004
……数式２
数式１及び数式２中の各パラメータの数値は、表１に示されている。
【００２２】
第一透過型光学素子２０にレーザー光が透過されて熱レンズ効果が生ずる場合、熱レンズ効果によって生じるレンズパワーΔΦは、第一透過型光学素子２０の厚さｔ、上記の係数χ、光束中心と周辺部の温度差ΔＴに比例し、下記の数式３の関係が成立することが知られている。
ΔΦ∞ｔ×χ×ΔＴ      ……数式３
【００２３】
このとき、温度差ΔＴが第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの吸収係数ρに比例すると仮定すると、下記の数式４が成立する。
ΔΦ∞ｔ×χ×ρ      ……数式４
【００２４】
また、本発明の実施例１において、第一光学部材２０Ａでプラスのレンズパワーが生じ、第二光学部材２０Ｂでマイナスのレンズパワーが生じる。従って、第一光学部材２０ＡのレンズパワーΔΦＡと第二光学部材２０ＢのレンズパワーΔΦＢとが相同する場合、それらの熱レンズ効果を打ち消すことができる。これにより、第一透過型光学素子２０で生じた熱レンズ効果を取り消すことができる。
【００２５】
即ち、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの熱レンズ効果を打ち消すためには、下記の数式５が成立すればよい。
ΔΦＡ＝-ΔΦＢ      ……数式５
【００２６】
数式４から見ると、上記数式５が成立するためには、下記の数式６が成立する必要がある。即ち、下記の数式６が成立すれば、第一透過型光学素子２０で生じた熱レンズ効果を打ち消すことができる。
ｔＡ×χＡ×ρＡ＝-ｔＢ×χＢ×ρＢ……数式６
【００２７】
【表１】
2010096788.tif 000005
【００２８】
第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとを構成する材料が決まっている限り、χとρの値も決められている。従って、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの熱レンズ効果を打ち消すためには、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比ｔＡ／ｔＢを調節すればよい。
【００２９】
本実施例１において、ｔＡ／ｔＢ＝-（χＢ×ρＢ）／（χＡ×ρＡ）@０．５と求まる。したがって、図１（ａ）において、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比であるｔＡ／ｔＢが１：２になれば、第一透過型光学素子２０で生じた熱レンズ効果を打ち消すことができる。
【００３０】
しかしながら、例えば、反射防止膜、各光学部材の熱伝導、光学部材周辺の大気による熱伝導、長時間のレーザー照射による経時変化などが、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとに影響を及ぼす。従って、上記厚さの比の設定だけでは、理論的に熱レンズ効果を防止することに過ぎない。以下の実施例では、実際の使用状態における様々な影響に対応できるようにした。
【００３１】
即ち、上記のような影響を考慮し、熱レンズ効果が発生した際の情報をリアルタイムに検出する。この検出された熱レンズ効果の情報に応じて、第一透過型光学素子２０を構成する第一光学部材２０Ａまたは第二光学部材２０Ｂの少なくとも一つを、光軸に対して垂直する方向に移動させる。
【００３２】
これにより、光束が透過する第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比を調整することができる。即ち、熱レンズ効果の発生状態をリアルタイムに検出し、検出された熱レンズ効果の情報に応じて、ΔΦＡ及びΔΦＢの値を変化させて、熱レンズ効果をより一層正確に補正することが可能になる。
【００３３】
以下、上記の構成に対して、詳しく説明する。具体的には、図１（ｂ）に示したように、第一透過型光学素子２０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている。即ち、本実施例に係る第一透過型光学素子２０は、レーザービームの射出窓３と反射鏡１５との間に設けられている。これにより、レーザー発振器８から発信されたレーザー光は、レーザービームの射出窓３を透過し、第一透過型光学素子２０に照射される。その後、第一透過型光学素子２０を透過して、反射鏡１５に照射される。
【００３４】
なお、図１（ｂ）に示したように、本実施例において、第一透過型光学素子２０には、第一透過型光学素子２０の熱レンズ効果に関する状態をリアルタイムに検出するための検出器３０と、検出器３０からの情報に応じて第一透過型光学素子２０を構成する第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの何れか一つを移動させる駆動機構４０とを備える。
【００３５】
検出器３０は、第一透過型光学素子２０を透過した光束が反射鏡１５に照射される状態を検出することができるものであれば、特に限定はなく、従来のＣＣＤカメラなどを使用することができる。本実施例において、検出器３０は、反射鏡１５と電気的に接続されて、第一透過型光学素子２０の熱レンズ効果による反射鏡１５での集光又は発散された光束の状態をリアルタイムに検出する。
【００３６】
なお、検出器３０には、計算ユニット３１が含まれている。計算ユニット３１は、検出器３０の検出結果に基づいて、反射鏡１５で正常の光束を形成することに必要な第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの厚さの比を計算する。
【００３７】
なお、検出器３０は、駆動機構４０と電気的に接続されて、計算ユニット３１の計算結果を駆動機構４０に送信する。駆動機構４０は、光学部材を垂直方向に移動させるものであれば、特に限定はなく、従来のステッピングモータ又はピエゾアクチュエータ等を使用することができる。
【００３８】
本実施例において、駆動機構４０は、第一透過型光学素子２０の第一光学部材２０Ａと電気的に接続されている。駆動機構４０は、計算ユニット３１の計算結果に応じて、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの厚さが計算結果に一致するように、第一光学部材２０Ａを光軸と垂直する方向に従って移動させる。これにより第一透過型光学素子２０に生ずる熱レンズ効果を低減することができる。
【００３９】
図２（ａ）は、プラスの熱レンズ効果が生じた場合の模擬図で、図２（ｂ）は、マイナスの熱レンズ効果が生じた場合の模擬図である。具体的に図２（ａ）と、図２（ｂ）に基づいて説明する。
【００４０】
図２（ａ）に示したように、ΔΦＡの値がΔΦＢの値より大きくて、第一透過型光学素子２０にプラスの熱レンズ効果が生じた場合、第一透過型光学素子２０を透過した平行光束は、反射鏡１５において集光光束になる。この場合、反射鏡１５における光束の直径は、正常の直径ｄ０から直径ｄ１に変更されて小さくなる。
【００４１】
検出部３０は、反射鏡１５における光束の直径をリアルタイムに検出する。なお、計算ユニット３１は、反射鏡１５における正常な光束の直径と、実際に検出部３０で検出された光束の直径と、第一透過型光学素子２０から反射鏡１５までの距離と、光学部材の各光学パラメータとに基づいて、反射鏡１５で正常の光束を形成することに必要する第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比を計算する。
【００４２】
駆動機構４０は、計算ユニット３１からの計算結果に応じて、反射鏡１５で正常な光束が形成する第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの比になるように、第一光学部材２０Ａを、図２（ａ）の点線で示したように上方に移動させる。これにより、光束の透過する第一光学部材２０Ａの割合が減少し、逆に光束の透過する第二光学部材２０Ｂの割合は増加する。これにより、ΔΦＡの値は減少し、プラスの熱レンズ効果が低減されることになる。
【００４３】
その反面、図２（ｂ）に示したように、マイナスの熱レンズ効果が発生した場合、平行光束が第一透過型光学素子２０を透過した後に、反射鏡１５で発散光束となる。この場合、反射鏡１５における光束の直径は、正常の直径ｄ０から直径ｄ２に変更されて大きくなる。
【００４４】
この場合、検出器３０は反射鏡１５での光束の直径を検出し、計算ユニット３１は、上と同じようにこの検出された光束の直径と、他の予めに記憶された情報とに基づいて、反射鏡１５で正常な光束を形成することに必要する第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比を計算する。
【００４５】
駆動機構４０は、計算ユニット３１からの計算結果に応じて、反射鏡１５で正常の光束が形成される第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの比になるように、第一光学部材２０Ａを、図２（ｂ）の点線で示したように下方に移動させる。これにより、光束の透過する第一光学部材２０Ａの割合が増加し、逆に光束の透過する第二光学部材２０Ｂの割合は減少する。これにより、ΔΦＡの値は増加し、マイナスの熱レンズ効果が低減されることになる。
【００４６】
また、本実施例において、駆動機構４０は、第一光学部材２０Ａと電気的に接続されて、第一光学部材２０Ａを上下方向に移動させたが、第二光学部材２０Ｂと電気的に接続されて、第二光学部材２０Ｂを上下方向に移動させるように構成されてもよい。駆動機構４０は、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂに同時に電気的に接続されて、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂを上下方向にお互いに稼働して、光束が透過する光学部材の厚さの比を調節してもよい。
【００４７】
このような場合、光束の直径が小さい場合、光束の中心部と外周部における第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの厚さの比は略同じである。しかしながら、光束の直径が大きい場合、光束の中心部と外周部において、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとの厚さの比は、ある程度のばらつきが生ずる。
【００４８】
なお、本実施例において、検出器３０は、反射鏡１５での光束の集光又は発散により、プラス又はマイナスの熱レンズ効果であるかを判断し、反射鏡１５での光束の直径により計算ユニット３１で正常な光束になる光学部材の厚さの比を計算した。それに、駆動機構４０は、熱レンズ効果が低減されるように、計算ユニット３１の結果に基づいて、それに接続されている光学部材を移動させる。
【００４９】
しかしながら、これに限定されるわけではなく、下記のように変形することもできる。即ち、検出器３０は、反射鏡１５における面積当たりの光束のエネルギーを検出する。エネルギーが正常な光束のエネルギーと比べて大きくなると、プラスの熱レンズ効果であると判断し、小さくなるとマイナスの熱レンズ効果であると判断する。
【００５０】
その後、計算ユニット３１は、検出されたエネルギーの差により、第一光学部材２０Ａ又は第二光学部材２０Ｂの移動量を計算する。駆動機構４０は、この計算結果に基づいて、熱レンズ効果が低減されるように、第一光学部材２０Ａ及び／又は第二光学部材２０Ｂを移動させる。
【００５１】
以上の説明では、反射鏡１５における光束の直径又は面積当たりのエネルギーにより光学部材を移動させた。しかしながら、面積当たりの輝度等を検出して、これに基づいて光学部材を移動させてもよい。なお、本実施例において、一組の第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂからなる第一透過型光学素子２０を設置したが、二組の第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂからなる第一透過型光学素子２０を設置しても良い。
【００５２】
その際、光束の中心部から外周部に渡って、光線の透過する光学部材の光路長の割合が第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂとで等しくなるように、二組の透過型光学素子が設置されることが望ましい。そうすることによって、透過光学素子全体としてウェッジの影響による収差を打ち消すことが可能となる。
【００５３】
この場合、その中の一組の第一透過型光学素子２０を一体として移動させ、または二組の第一透過型光学素子２０をお互いに移動させて、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚みの比を調節することもできる。
【００５４】
＜実施例２：第二透過型光学素子６０＞
続いて、本発明の実施例２に係る第二透過型光学素子６０について説明する。第一透過型光学素子２０と異なる部分だけを説明し、相同する部分の説明を省略する。
【００５５】
図３（ａ）は、実施例２に係る第二透過型光学素子６０の拡大図で、図３（ｂ）は、第二透過型光学素子６０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている図面である。実施例２に係る第二透過型光学素子６０は、第一光学素子６１と第二光学素子６２とからなる。即ち、二組の透過型光学素子からなる。なお、第一光学素子６１は、第一光学部材６１Ａと第二光学部材６１Ｂがオプティカルコンタクトによって接合されてなる。第二光学素子６２は、第三光学部材６２Ａと第四光学部材６２Ｂがオプティカルコンタクトによって接合されてなる。
【００５６】
第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａは、同じ材質で構成され、第二光学部材６１Ｂと第四光学部材６２Ｂは同じ材質で構成される。なお、第一光学素子６１と第二光学素子６２は、同じ材質から構成される第二光学部材６１Ｂと第四光学部材６２Ｂが隣接するように並列配置されている。もちろん、同じ材質から構成される第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａが隣接するように並列配置されでもよい。
【００５７】
実施例２において、第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａは、透過型光学部材であるＳ−ＰＨＭ５２（オハラ社製）からなり、第一光学部材６１Ａの光束の入射面及び第三光学部材６２Ａの光束の出射面には、反射防止コートが施されている。第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａとが隣接するように並列配置された場合、逆に第一光学部材６１Ａの光束の出射面及び第三光学部材６２Ａの光束の入射面に、反射防止コートが施されていればよい。
【００５８】
また、第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａを構成するＳ−ＰＨＭ５２は、波長１０６４ｎｍにおいて、以下の数式７を満たす。即ち、第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａはプラスの熱ひずみ特性を有する。
【数３】
2010096788.tif 000006
……数式７
数式７における各パラメータの数値は表２に示している。
【００５９】
同様に、第二光学部材６１Ｂと第四光学部材６２Ｂとは、透過型光学部材であるＳ−ＦＰＬ５３（オハラ社製）からなり、第二光学部材６１Ｂの光の出射面及び第四光学部材６２Ｂの光の入射面には、反射防止コートが施されている。第一光学部材６１Ａと第三光学部材６２Ａとが隣接するように並列配置された場合、逆に第二光学部材６１Ｂの光束の入射面及び第四光学部材６２Ｂの光束の出射面に、反射防止コートが施されていればよい。
【００６０】
また、第二光学部材６１Ｂ及び第四光学部材６２Ｂを構成するＳ−ＦＰＬ５３は、波長１０６４ｎｍにおいて、以下の数式８を満たす。即ち、第二光学部材６１Ｂ及び第四光学部材６２Ｂはマイナスの熱ひずみ特性を有する。
【数４】
2010096788.tif 000007
……数式８
数式８における各パラメータの数値は表２に示している。
【００６１】
【表２】
2010096788.tif 000008
【００６２】
第二透過型光学素子６０で生じた熱レンズ効果を打ち消すために、プラスの熱ひずみ特性を有する第一光学部材６１Ａ及び第三光学部材６２Ａの厚さとマイナスの熱ひずみ特性を有する第二光学部材６１Ｂ及び第四光学部材６２Ｂの厚さの割合ｔＡ／ｔＢは、ｔＡ／ｔＢ＝-（χＢ×ρＢ）／（χＡ×ρＡ）＝０．２２５と求まる。したがって、実施例２におけるプラスの透過部材Ａ及びマイナスの透過部材Ｂの厚さの比は、光束の中心部において、ｔＡ／ｔＢ@１：４．４となれば、熱レンズ効果を打ち消すことができる。
【００６３】
実施例２において、駆動機構４０は、第一光学素子６１と電気的に接続させている。なお、第一光学部材６１Ａと第二光学部材６１Ｂとがオプティカルコンタクトによって接合されているので、駆動機構４０は第一光学部材６１Ａと第二光学部材６１Ｂを同時に上下方向に移動させる。もちろん、駆動機構４０は、第二光学素子６２と電気的に接続されて、第二光学素子６２を上下方向に移動させても良い。なお、第一光学素子６１及び第二光学素子６２に同時に電気的に接続されて、第一光学素子６１及び第二光学素子６２をお互い移動させてもよい。
【００６４】
本実施例２においても、実施例１と同じように、検出部３０から反射鏡１５での光束の状態を検出し、計算ユニット３１で正常なるｔＡ／ｔＢの値を計算する。それに、駆動機構４０は計算ユニット３１の計算結果に基づいて、図３（ｂ）において点線で示したように、第一光学素子６１を上方向に移動させたり、下方向に移動させたりする。
【００６５】
本実施例２においては、実施例１で採用した合成石英や蛍石のような高価な材料でなく、比較的安価に入手可能な光学ガラスを採用し、かつ第一光学部材６１Ａと第二光学部材６１Ｂ、及び第三光学部材６２Ａと第四光学部材６２Ｂをオプティカルコンタクトによって接合することにより、本発明の低コスト化を目指している。
【００６６】
なお、実施例１に係る透過型光学素子を、本実施例２のように、二組を組み合わせて使用する場合において、合成石英と蛍石とをオプティカルコンタクトによって接合する必要がある。しかしながら、合成石英と蛍石との線膨張係数が大幅に異なるため、接合することができない。
【００６７】
従って、実施例２のように結合して光学部材を一体化した透過型光学素子の二組を組み合わせることができなく、光学部材が其々別体である透過型光学素子の二組を、金属金具などを使って組み合わせるしかない。また、構成材質の吸収係数が比較的小さいため、反射防止膜の影響等、本発明において考慮されていない外部要因の影響が相対的に大きく表われ易いと予想される。
【００６８】
それに対し、実施例２においては、Ｓ−ＰＨＭ５２とＳ−ＦＰＬ５３との線膨張係数の違いが比較的小さいため、接合が可能である。そのことにより透過型光学素子の製作コスト及び周辺部の機械保持部材の製作コストが低減される。接合は接着剤を用いることもできるが、接着剤による光の吸収が存在する可能性があるから、オプティカルコンタクトであることが、光の吸収を抑え、できるだけ熱レンズ効果の発生を抑えるという点で、より好ましい。
【００６９】
二組の光学素子を配置することにより、光学部材のウェッジにおいて生じた収差を打消すことができる。なお、本発明に係るレーザー光は、所定の直径を有するので、所定の直径の周辺と中心において、ウェッジ面による収差が生じる。
【００７０】
＜実施例３：第三透過型光学素子８０＞
続いて、本発明の実施例３に係る第三透過型光学素子８０について説明する。第一透過型光学素子２０と異なる部分だけを説明し、相同する部分の説明を省略する。
【００７１】
図４（ａ）は、実施例３に係る第三透過型光学素子８０の拡大図で、図４（ｂ）は、第三透過型光学素子８０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている図面である。図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したように、第三透過型光学素子８０は、第一光学素子８１と第二光学素子８２とからなり、レーザー加工機の光学系の光路において、光軸に対して４５°になるように傾斜状に設けられている。
【００７２】
第一光学素子８１は、第一光学部材２０Ａと同じものである第一光学部材８１Ａと、ウェッジ面と平面とを有する第二光学部材２０Ｂと同じものである第二光学部材８１Ｂと、光束の入射面である第一光学部材８１Ａの表面に形成された偏光ビームスプリッター層（ＰＢＳ）８１Ｃとを備える。当該偏光ビームスプリッター層（ＰＢＳ）８１Ｃにより、第三透過型光学素子８０に対して４５°付近、もしくはブリュースター角付近で入射された光の内、Ｓ偏光成分は主に反射され、Ｐ偏光成分は主に透過していく構成となっている。
【００７３】
第二光学素子８２は、第一光学部材２０Ａと同じものである第三光学部材８２Ａと、ウェッジ面と平面とを有する第二光学部材２０Ｂと同じものである第四光学部材８２Ｂとを備える。本実施例において、駆動機構４０は、第二光学素子８２と接続されて、前と同じように、検出部３０の計算ユニット３１の計算結果に基づいて、第二光学素子８２を傾斜方向に従って移動させる。これにより、第三透過型光学素子８０に生ずる熱レンズ効果を低減することができる。検出部３０の検出、計算ユニット３１の計算、及び駆動機構４０の駆動は、前の実施例と同じであるので、ここでその詳しい説明を省略する。
【００７４】
従来の場合、偏光ビームスプリッター層において、光の強度を分割する原理的な要請から、光の一部が光学素子を透過する必要があり、反射系だけで構成することができない。そのため、高エネルギーレーザ光学系等におけるビームスプリッター層では、熱レンズ効果が問題となることが多い。
【００７５】
しかしながら、本発明の実施例３に係る第三透過型光学素子８０により、透過型光学素子に生ずる熱レンズ効果を低減することができる。さらに、第一光学素子８１及び／又は第二光学素子８２を平行に移動させることによって、熱レンズ効果をより正確に補正することを可能としている。即ち、従来の問題を解決することが可能である。
【００７６】
＜レーザー発振器１００＞
以下、本発明に係るレーザー発振器１００について説明する。図５は、本発明に係るレーザー発振器１００の構造を示す概略断面図である。
【００７７】
図５に示したように、本発明に係るレーザー発振器１００は、レーザービームを射出するレーザー光源１０２と、このレーザー光源１０２を収納する筐体１０１と、筐体１０１に取り付けられたレーザービームの射出窓１０３とを備える。
【００７８】
レーザー光源１０２として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光を発生する光源であれば、特に限定はない。筐体１０１は通常のレーザー発振器用の筐体により構成することができる。なお、筐体１０１内には、レーザー光源１０２からのＮｄ：ＹＡＧレーザー光を伝送する光学系が設けられているが、通常のものを用いることができ、ここでその説明を省略する。
【００７９】
本実施例に係るレーザービームの射出窓１０３として、二組の実施例１に係る第一透過型光学素子２０を組み合わせたものである。本実施例において、駆動機構４０は、その中の一組の第一透過型光学素子２０と電気的に接続されて、一組の第一透過型光学素子２０を一体として上下方向に同時に移動させる。
【００８０】
なお、筐体１０１は、第一透過型光学素子２０が上下方向に移動する空間を提供するための収納部１０４が設けられている。この収納部１０４は、移動しようとする第一透過型光学素子２０の上下位置と対応する位置に設置すればよい。なお、この収納部１０４は、第一透過型光学素子２０の長さと同じように設けられて、熱レンズ効果を低減することができる光学部材の光路長を最大範囲内で調節することができる。
【００８１】
検出器３０及び計算ユニット３１は、前に説明した通りに、外部の反射鏡１５と電気的に接続して、熱レンズ効果の状態を検出し、又は光学部材の移動量に必要する情報を計算する。この部分は前で説明されたのでここでその説明を省略する。
【００８２】
本実施例において、実施例１に係る第一透過型光学素子２０を代表としてレーザービームの射出窓１０３を設けた。しかしながら、実施例２及び実施例３に係る透過型光学素子を用いることも可能である。なお、一組の第一透過型光学素子２０を一体として移動したが、二組の第一透過型光学素子２０をお互いに移動させても良い。
【００８３】
＜レーザー加工機２００＞
以下、図６に基づいて本発明に係るレーザー加工機２００に対して説明する。図６は、本発明に係るレーザー加工機２００の構造を示す概略断面図である。本実施例に係るレーザー加工機２００は、本発明のレーザー発振器１００と、ダクト１４と、反射鏡１５と、集光レンズ１６と、加工対象物１７を搭載するための加工テーブル１８とを備える。
【００８４】
図６に示したように、検出器３０は、反射鏡１５と電気的に接続されて、反射鏡１５におけるレーザー光の集光又は発散された光束の状態を検出する。なお、計算ユニット３１は、検出器３０の検出結果に基づいて、熱レンズ効果を低減するためのレーザービームの射出窓１０３における各光学部材の厚みを計算する。駆動機構４０は、計算ユニット３１の計算結果に基づいて、レーザービームの射出窓１０３における光学素子を移動させる。
【００８５】
これにより、リアルタイムにレーザービームの射出窓１０３における各光学素子を移動させて、熱レンズ効果を有効に低減することができる。結果として、レーザー加工機２００における光学系の破損等を有効に防止し、加工に用いるレーザービームスポットに発生するデフォーカスや収差を抑えることが可能となる。
【００８６】
レーザー加工機２００において、レーザービームの射出窓１０３の構成素子として、本発明の範囲内で任意に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】（ａ）は、実施例１に係る第一透過型光学素子２０の拡大図で、（ｂ）は、第一透過型光学素子２０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている図面である。
【図２】（ａ）は、プラスの熱レンズ効果が生ずる場合の模擬図で、（ｂ）は、マイナスの熱レンズ効果が生ずる場合の模擬図である。
【図３】（ａ）は、実施例２に係る第二透過型光学素子６０の拡大図で、（ｂ）は、第二透過型光学素子６０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている図面である。
【図４】（ａ）は、実施例３に係る第三透過型光学素子８０の拡大図で、（ｂ）は、第三透過型光学素子８０が従来のレーザー加工機の光学系の光路に設置されている図面である。
【図５】本発明に係るレーザー発振器１００の構造を示す概略断面図である。
【図６】本発明に係るレーザー加工機２００の構造を示す概略断面図である。
【図７】従来のレーザー加工機の構造を示す模擬図である。
【符号の説明】
【００８８】
３    …  射出窓
５    …  レーザー光
８    …  レーザー発振器
１０    …  レーザー加工機
１１    …  冷却用ガスボンベ
１４    …  ダクト
１５    …  反射鏡
１６    …  集光レンズ
１７    …  加工対象物
１８    …  加工テーブル
２０    …  第一透過型光学素子
２０Ａ    …  第一光学部材
２０Ｂ    …  ウェッジ面と平面を有する第二光学部材
３０    …  検出器
３１    …  計算ユニット
４０    …  駆動機構
６０    …  第二透過型光学素子
６１    …  第一光学素子
６２    …  第二光学素子
６１Ａ    …  第一光学部材
６１Ｂ    …  第二光学部材
６２Ａ    …  第三光学部
６２Ｂ    …  第四光学部材
８０    …  第三透過型光学素子
８１    …  第一光学素子
８１Ａ    …  第一光学部材
８１Ｂ    …  第二光学部材
８１Ｃ    …  偏光ビームスプリッター層（ＰＢＳ）
８２    …  第二光学素子
８２Ａ    …  第三光学部材
８２Ｂ    …  第四光学部材
１００    …  レーザー発振器
１０１    …  筐体
１０２    …  レーザー光源
１０３    …  レーザービームの射出窓
２００    …  レーザー加工機
【図１】
2010096788.tif 000011
【図２】
2010096788.tif 000012
【図３】
2010096788.tif 000013
【図４】
2010096788.tif 000014
【図５】
2010096788.tif 000015
【図６】
2010096788.tif 000016
【図７】
2010096788.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月4日(2009.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
第一透過型光学素子２０にレーザー光が透過されて熱レンズ効果が生ずる場合、熱レンズ効果によって生じるレンズパワーΔΦは、第一透過型光学素子２０の厚さｔ、上記の係数χ、光束中心と周辺部の温度差ΔＴに比例し、下記の数式３の関係が成立することが知られている。
【数１】
2010096788.tif 000018
…  数式３
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
このとき、温度差ΔＴが第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの吸収係数ρに比例すると仮定すると、下記の数式４が成立する。
【数２】
2010096788.tif 000019
…  数式４
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
本実施例１において、
【数３】
2010096788.tif 000020
と求まる。したがって、図１（ａ）において、第一光学部材２０Ａと第二光学部材２０Ｂの厚さの比であるｔＡ／ｔＢが１：２になれば、第一透過型光学素子２０で生じた熱レンズ効果を打ち消すことができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
第二透過型光学素子６０で生じた熱レンズ効果を打ち消すために、プラスの熱ひずみ特性を有する第一光学部材６１Ａ及び第三光学部材６２Ａの厚さとマイナスの熱ひずみ特性を有する第二光学部材６１Ｂ及び第四光学部材６２Ｂの厚さの割合ｔＡ／ｔＢは、ｔＡ／ｔＢ＝-（χＢ×ρＢ）／（χＡ×ρＡ）＝０．２２５と求まる。したがって、実施例２におけるプラスの透過部材Ａ及びマイナスの透過部材Ｂの厚さの比は、光束の中心部において、
【数４】
2010096788.tif 000021
となれば、熱レンズ効果を打ち消すことができる。