(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源で発生させたレーザ光を所望の焦点距離で集光させる集光光学系であって、
集光機能を有する第１の光学手段と、球面収差発生機能を有する第２の光学手段とからなると共に、
球面収差を発生させるように構成されており、
次式（ａ）及び（ｂ）を満たすことを特徴とする集光光学系。
（ａ）｜Ｚ８｜≧０．１λ  又は  ｜Ｚ１５｜≧０．０５λ
（ｂ）  Ｚ８／Ｚ１５≧３  又は  Ｚ８／Ｚ１５＜１
但し、λは波長、Ｚ８は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第８番目の係数で３次の球面収差に対応し、Ｚ１５は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第１５番目の係数で５次の球面収差に対応する。
【請求項２】
更に、次式（ｃ）及び（ｄ）を満たす請求項１に記載の集光光学系。
（ｃ）｜Ｚ８｜＜１．４λ
（ｄ）｜Ｚ１５｜＜０．５λ
【請求項３】
前記第２の光学手段が、非球面位相プレート又は回折型位相プレートよりなる請求項１又は２に記載の集光光学系。
【請求項４】
ポリゴンミラー又はガルバノミラーよりなるレーザ光偏向手段を備え、前記第１の光学手段がｆθレンズである請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光光学系。
【請求項５】
レーザ光を発生させるレーザ発振器と、このレーザ発振器から出射される前記レーザ光を伝送する伝送光学系と、前記レーザ光を加工対象物の加工位置に集光させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光光学系とを備えること特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を微小スポットかつ長焦点深度に集光させる集光光学系、並びに集光されたそのレーザ光によって加工対象物にレーザ加工を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、様々な分野でレーザ光が応用されており、そのうちの一つとしてレーザ加工技術が急速に進展してきている。レーザ加工技術には、より高度に精密化、微細化されたものが求められるようになってきており、より小さいスポットにレーザ光を集光させることが必要である。その方法として、集光光学系の開口数を大きく、又はＦナンバを小さくして明るいレンズとすることが考えられる。しかし、焦点距離が短い明るいレンズでは、収差を抑えることができればスポットサイズは焦点距離に比例して小さくなるが、焦点深度が短くなる。そのため、加工対象物の表面への焦点合わせに厳しい精度が要求され、また厚い材料を加工することが難しくなる。このような問題に対して、スポットサイズを変えずに、焦点深度が長くなるような集光光学系が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１の集光光学系では、レンズ表面を同心円状に複数に分割して、それぞれの領域がわずかに異なる焦点距離を有する多焦点レンズとすることで、各領域で集光するスポットの位置をずらし、見かけ上焦点深度を長くしている。また、例えば特許文献２の集光光学系では、ベッセルビームを採用することで、微小スポットに集光し、かつ焦点深度を極めて長くしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２６６４６２５号公報
【特許文献２】特開平９−６４４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の集光光学系では、レンズ表面でレーザ光が分割され、焦点が断続的につながれているので、各領域で集光されるスポットサイズや強度分布が異なる。従って、焦点前後における強度分布が断続化する。また、特許文献２の集光光学系では、ベッセルビームは長い焦点深度を有するものの、ある１点に集光しているレーザ光は、入射光全体の極一部に過ぎない。従って、スポットの強度が極めて低く、高強度が要求される加工には適さない。
【０００６】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑み、焦点前後における強度分布の断続化、及びスポットの強度低下という問題を招来することなく、スポットサイズが小さく、かつ焦点深度が長い集光光学系と、精密化、微細化かつ高出力が要求される加工に適応可能であると共に、焦点合わせが容易で厚い材料の加工が可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち本発明は、レーザ光源で発生させたレーザ光を所望の焦点距離で集光させる集光光学系であって、
集光機能を有する第１の光学手段と、球面収差発生機能を有する第２の光学手段とからなると共に、
球面収差を発生させるように構成されており、
次式（ａ）及び（ｂ）を満たすことを特徴とする。
（ａ）｜Ｚ８｜≧０．１λ  又は  ｜Ｚ１５｜≧０．０５λ
（ｂ）  Ｚ８／Ｚ１５≧３  又は  Ｚ８／Ｚ１５＜１
但し、λは波長、Ｚ８は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第８番目の係数で３次の球面収差に対応し、Ｚ１５は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第１５番目の係数で５次の球面収差に対応する。
【０００８】
上記本発明の集光光学系によれば、球面収差を発生させるように構成されていることで、これが焦点深度に影響を与え、集光スポットのサイズを小さくしたままで、長い焦点深度が得られる。また、従来の多焦点レンズのようにレーザ光の焦点が断続的につながれるものではなく、ベッセルビームとする必要もないため、焦点前後における強度分布の断続化、及びスポットの強度低下という問題を招かない。
【０００９】
上記本発明において、更に、次式（ｃ）及び（ｄ）を満たすことが好ましい。
（ｃ）｜Ｚ８｜＜１．４λ
（ｄ）｜Ｚ１５｜＜０．５λ
この場合、長焦点深度と小さいスポットサイズを維持したまま、高い強度を得ることができる。
【００１０】
また、上記第２の光学手段は、例えば、非球面位相プレート又は回折型位相プレートよりなるものとすればよい。
【００１１】
また、上記本発明における集光光学系が、ポリゴンミラー又はガルバノミラーよりなるレーザ光偏向手段を備え、集光機能を有する上記第１の光学手段がｆθレンズとされていることで、長焦点深度かつ小さいスポットを焦点面上で高速走査することができる。
【００１２】
本発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、このレーザ発振器から出射される前記レーザ光を伝送する伝送光学系と、前記レーザ光を加工対象物の加工位置に集光させる上記集光光学系とを備えることを特徴とするレーザ加工装置である。
【００１３】
上記本発明のレーザ加工装置によれば、集光光学系が球面収差を発生させるように構成されていることで、これが焦点深度に影響を与え、スポットサイズを小さくしたままで、長い焦点深度が得られる。また、従来の多焦点レンズのようにレーザ光の焦点が断続的につながれるものではなく、ベッセルビームとする必要もないため、焦点前後における強度分布の断続化、及びスポットの強度低下という問題を招かない。これにより、精密化、微細化かつ高出力が要求される加工に適応可能でると共に、焦点合わせが容易で厚い材料加工を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
上記の通り、本発明の集光光学系によれば、球面収差を発生させるように構成されているので、焦点前後における強度分布の断続化、及びスポットの強度低下という問題を招来することなく、小さいスポットサイズかつ長い焦点深度を得ることができる。また、本発明のレーザ加工装置によれば、上記集光光学系を備えているので、精密化、微細化かつ高出力が要求される加工に適応可能であると共に、焦点合わせが容易で厚い材料加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態に係るレーザ加工光学装置の概略図である。
【図２】図１の要部模式図である。
【図３】試作品１の焦点近傍の強度分布である。
【図４】試作品２の焦点近傍の強度分布である。
【図５】試作品３の焦点近傍の強度分布である。
【図６】試作品４の焦点近傍の強度分布である。
【図７】試作品５の焦点近傍の強度分布である。
【図８】試作品６の焦点近傍の強度分布である。
【図９】試作品７の焦点近傍の強度分布である。
【図１０】試作品８の焦点近傍の強度分布である。
【図１１】試作品９の焦点近傍の強度分布である。
【図１２】試作品１０の焦点近傍の強度分布である。
【図１３】試作品１１の焦点近傍の強度分布である。
【図１４】試作品１２の焦点近傍の強度分布である。
【図１５】試作品１３の焦点近傍の強度分布である。
【図１６】試作品１４の焦点近傍の強度分布である。
【図１７】試作品１５の焦点近傍の強度分布である。
【図１８】試作品１６の焦点近傍の強度分布である。
【図１９】試作品１７の焦点近傍の強度分布である。
【図２０】試作品１８の焦点近傍の強度分布である。
【図２１】試作品１９の焦点近傍の強度分布である。
【図２２】試作品２０の焦点近傍の強度分布である。
【図２３】試作品２１の焦点近傍の強度分布である。
【図２４】試作品２２の焦点近傍の強度分布である。
【図２５】試作品２３の焦点近傍の強度分布である。
【図２６】試作品２４の焦点近傍の強度分布である。
【図２７】試作品２５の焦点近傍の強度分布である。
【図２８】試作品２６の焦点近傍の強度分布である。
【図２９】試作品２７の焦点近傍の強度分布である。
【図３０】試作品２８の焦点近傍の強度分布である。
【図３１】試作品２９の焦点近傍の強度分布である。
【図３２】試作品３０の焦点近傍の強度分布である。
【図３３】試作品３１の焦点近傍の強度分布である。
【図３４】単一の球面レンズにおけるＺ８、Ｚ１５、Ｚ８／Ｚ１５に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１及び図２は、本発明に係る集光光学系を備えたレーザ加工装置の一実施形態を示す概略図である。このレーザ加工装置１は、レーザ光を発生させるレーザ発振器２と、このレーザ発振器２と加工対象物の間に設けられた集光光学系３と、レーザ発振器２から出射されるレーザ光を伝送する２枚のベントミラー４よりなる伝送光学系と、レーザ発振器２等を制御する制御装置５を備えている。また、上記集光光学系３は複合光学系として構成されたものであり、集光機能を有する第１の光学手段６と、球面収差発生機能を有する第２の光学手段７と、さらにレーザ光偏光手段としての一対のガルバノミラー８及びこれを駆動するガルバノスキャナ９を備えている。
【００１７】
加工対象物はプリント基板１０であり、レーザ照射によりその表面に複数の穴開け加工が行われる。レーザ発振器２から発生するレーザ光は、例えば炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザである。一対のガルバノミラー８及びガルバノスキャナ９は、レーザ発振器２より出射されたレーザ光を、所定の偏向角度で偏向させプリント基板１０上でＸ軸方向及びＹ軸方向に振らせる。
【００１８】
集光機能を有する第１の光学手段６は、ガルバノミラー８により偏向されたレーザ光を加工対象物の加工位置に集光させるｆθレンズ６よりなり、収差発生機能を有する第２の光学手段７は、ベントミラー４と前方のガルバノミラー８との間に配置された非球面位相プレート７よりなる。なお、当該第２の光学手段７として、回折型位相プレートを使用してもよい。このうち、第１の光学手段としてのｆθレンズ６は、後方のガルバノミラー８とプリント基板１０との間に配置されており、像側テレセントリック光学系のものが採用されている。当該ｆθレンズ６を用いることにより、ガルバノミラー８により様々な方向に偏向された光軸上及び光軸外のレーザ光が共に光軸に略平行となり、プリント基板１０の表面に垂直入射し、その表面上で焦点を結ぶ。そうすることで、プリント基板１０の表面に、例えば離散的に配置された複数の穴が開けられる。
【００１９】
ここで、スポットの強度低下を起こさず、かつ小さいスポットサイズのままで長い焦点深度を得ることを目的として、球面収差を発生させることを検討した。具体的には、５次の球面収差に対応する波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第１５番目の係数と、さらに３次の球面収差に対応する同ゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第８番目の係数に着目し、試作品として非球面レンズを用いて各種設計を行った。そして、これら設計を行った各試作品にレーザ光を通したときの焦点近傍の強度分布から、各試作品の焦点深度と強度を測定した。レーザ光の照射条件は、焦点距離：５０ｍｍ、入射瞳径φ２０ｍｍ、入射レーザ光の波長：１．０６４μｍ、レーザビーム径：φ１０ｍｍ（１／ｅ＾２強度径）である。強度分布は、断面強度分布測定機を光軸方向に動かして測定した。表１は、各試作品（１〜３１）の試作条件及び焦点深度、強度、及びそれらの評価であり、図３〜図３３は、各試作品の焦点近傍の強度分布を濃淡平面像（上段）と高さ（下段）で表したものである。但し、λは波長であり、Ｚ８は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第８番目の係数であり、Ｚ１５は波面収差のゼルニケ・フリンジ多項式の係数のうち第１５番目の係数である。それ以外のゼルニケ・フリンジ多項式の係数は全てゼロとしている。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
試作品１は、微小なスポットサイズを得るためＺ８及びＺ１をともに０とし、無収差を狙って設計されたものであり焦点深度が短くなっている。なお、表１における強度は試作品１を基準値とした相対的な値であり、その評価は試作品１を基準値とした相対的な値が０．５０より下回るものを△とし、０．５以上の良好なものを○とした。また、焦点深度は、ピーク強度の半分のレベルの光軸方向の距離（半値全幅）から求めた。焦点深度評価は、試作品１の８０μｍを上回るものを○とし、試作品１と同じ８０μｍのものを×とすることを原則としたが、試作品２，１２，１３，２６については、後述の理由により例外的に前記条件とは異なる判断理由に基づき○、×を与えている。
【００２２】
（Ｚ８の効果：試作品２〜試作品１１）
試作品２〜試作品１１は、Ｚ１５＝０、Ｚ８／Ｚ１５＝∞  で固定し、Ｚ８を０．０５λから１．２０λへ除々に上げていき、−０．０５λから−１．４０λまで除々に下げたものである。
焦点深度をみると、Ｚ８が０．０５λでは８１μｍと短く（８０μｍを上回るが有意差が無いとの判断で試作品２の深度評価は×とした）、０．１０λでは８７μｍと長くなり、これ以上になるとさらに長くなっていくことが認められる。また、Ｚ８が−０．０５λでは８０μｍと短く、−０．１０λでは８２μｍと長くなり、これ以下になるとさらに長くなっていくことが認められる。
強度をみると、Ｚ８が上がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、１．２０λでは０．４８という強度が維持されている。また、Ｚ８が負になると、下がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、−１．４λでは０．４７の強度が維持されている。
これらから、Ｚ８に関しては、｜Ｚ８｜≧０．１λという関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となり、｜Ｚ８｜＜１．４λという関係式を満たすことが強度を維持するための条件となる。
【００２３】
（Ｚ１５の効果：試作品１２〜試作品２０）
試作品１２〜試作品２０は、Ｚ８＝０、Ｚ８／Ｚ１５＝０  で固定し、Ｚ１５を０．０５λから０．５０λへ除々に上げていき、−０．０５λから−０．４０λまで除々に下げたものである。
焦点深度をみると、Ｚ１５が０．０５λと０．１０λでは８０μｍと短く、０．２０λでは１１５μｍと長くなり、これ以上になるとさらに長くなっていくことが認められる。また、Ｚ８が−０．０５λでは８５μｍと長くなり、これ以下になるとさらに長くなっていくことが認められる。但し、Ｚ１５＝０．０５λ（試作品１２）、０．１０λ（試作品１３）は、半値全幅は８０μｍであるが、半値よりも低い強度レベルでの長焦点深度化が認められるので、深度判定を○とした。
強度をみると、Ｚ１５が上がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、０．５０λでは０．４３という強度が維持されている。また、Ｚ１５が負になると、下がるに従って次第に低くなっていくことが認められるが、−０．４０λでは０．４８という強度が維持されている。
これらから、Ｚ１５に関しては、｜Ｚ１５｜≧０．０５λという関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となり、｜Ｚ１５｜＜０．５λという関係式を満たすことが強度を維持するための条件となる。
【００２４】
（Ｚ８／Ｚ１５の効果：試作品２１〜試作品３１）
試作品２１〜試作品３１は、Ｚ１５を上記で導いたＺ１５の条件である｜Ｚ１５｜≧０．０５λ、｜Ｚ１５｜＜０．５λを満たす−０．１０λで固定し、さらに、上記で導いたＺ８の条件である｜Ｚ８｜≧０．１λ、｜Ｚ８｜＜１．４λを満たすことを前提として、Ｚ８を−１．００λから０へ、０〜１．００λへ変えていき、Ｚ８／Ｚ１５を１０〜０、０〜−１０の範囲で変化させたものである。
焦点深度をみると、Ｚ８／Ｚ１５が１０では１４５μｍと長くなっており、Ｚ８／Ｚ１５が下がるに従って短くなっていることが認められ、Ｚ８／Ｚ１５が２と１では、８０μｍ、８２μｍと短くなる（後者は８０μｍよりも長いが有意差は無いと判断されるので、試作品２６の深度評価を×とした）。Ｚ８／Ｚ１５が０になると８８μｍと長くなり、ここからＺ８／Ｚ１５が上がるに従って次第に長くなっていくことが認められる。
強度をみると、Ｚ８／Ｚ１５が１０では０．６２であり、Ｚ８／Ｚ１５が１０から１に向かって下がるに従って次第に高くなっていることが認められ、Ｚ８／Ｚ１５が０から負へ下がるに従って次第に低くなっていくことが認められる。そして、Ｚ８／Ｚ１５が−１０では０．４６の強度が維持されている。
これらから、Ｚ８／Ｚ１５に関しては、Ｚ８／Ｚ１５≧３  又は  Ｚ８／Ｚ１５＜１という関係式を満たすことが長い焦点深度を得る条件となる。強度に関しては、上記の｜Ｚ１５｜＜０．５λあるいは｜Ｚ８｜＜１．４λを満たしていればよい。
【００２５】
（まとめ）
非球面レンズが、小さいスポットサイズのままで長い焦点深度を得るには、次式（ａ）及び（ｂ）を満たすことが条件となり、スポットの強度低下を起こさないためには、次式（ａ）及び（ｂ）に加え、さらに次式（ｃ）及び（ｄ）を満たす設計をすればよい。
（ａ）｜Ｚ８｜≧０．１λ  又は  ｜Ｚ１５｜≧０．０５λ
（ｂ）  Ｚ８／Ｚ１５≧３  又は  Ｚ８／Ｚ１５＜１
（ｃ）｜Ｚ８｜＜１．４λ
（ｄ）｜Ｚ１５｜＜０．５λ
【００２６】
ここで、従来の集光光学系との違いを説明する。従来の非球面レンズや複合レンズ（組レンズ）は無収差（Ｚ８＝０、Ｚ１５＝０など）を狙って設計されていることから、上記各式を満たし球面収差を発生させる非球面レンズと異なることは明らかである。
一方、単一の球面レンズの場合は、一般に球面収差が残存している。球面レンズは２つの面の形状の違いから平凸レンズ、両凸レンズ、メニスカレンズの３つに分類される（凸レンズの場合）。これら各球面レンズのＺ８、Ｚ１５、Ｚ８／Ｚ１５は、例えば図３４に示すグラフのようになる。
【００２７】
横軸の形状因子Ｓは、レンズの第１面と第２面の曲率半径ｒ１、ｒ２（光の進行方向に対して凹面の場合が正、凸面の場合が負）から、（ｒ１＋ｒ２）／（ｒ１−ｒ２）で求められる。最も球面収差の小さいＳ＝０．５（ｒ１＝−３ｒ２）である両凸レンズが選択された場合であっても、Ｚ８＞４λとなり、単一の球面レンズの球面収差は上記各式を満たす非球面レンズの球面収差に比べて非常に大きい。従って、単一の球面レンズが当該非球面レンズと異なることは明らかである。
【００２８】
本実施形態における収差発生機能を有する非球面位相プレート７は、上記式（ａ）〜（ｄ）の関係式を満たす設計を行って製作されたものであり、これによりスポットの強度低下を起こさず、かつ小さいスポットサイズのままで長い焦点深度が得られている。
上述した集光光学系を備えるレーザ加工光学装置１でプリント基板１０に穴開け加工をする場合、レーザ発振器２により発生したレーザ光は、レーザ発振器２のシャッタにより放出され、レーザ発振器２の近傍に設けられた２枚のベントミラー４により進行方向が変えられ、非球面位相プレート７を通り、二枚のガルバノミラー８で偏向されてｆθレンズ６へ導かれる。ガルバノミラー８を出射したレーザ光が、ｆθレンズ６で収束され当該ｆθレンズ６がもつ焦点距離に従ってプリント基板７に照射される。そして、ガルバノミラー８が、レーザ光の進行方向を振る（レーザ光を走査する）ことにより、プリント基板１０上のレーザ光入射位置を変化させ、プリント基板１０に複数の穴開け加工が行われる。
【００２９】
上記本実施形態のレーザ加工光学装置１によれば、集光光学系３のうち球面収差発生機能を有する非球面位相プレート７が、上記式（ａ）〜式（ｄ）を満たすように設計されて球面収差を発生させることで、これが焦点深度に影響を与え、スポットサイズを小さくしたままで、長い焦点深度が得られる。また、従来の多焦点レンズのようにレーザ光の焦点が断続的につながれるものではなく、ベッセルビームとする必要もないため、スポットの強度低下、及び焦点前後での強度分布の断続化という問題が起こらず、高出力が要求される加工に適応可能で、焦点合わせが容易で厚い材料の加工や深い加工を行うことができる。また、本実施形態のレーザ加工装置１は、ソリなどにより加工表面が光軸方向に変位した加工対象物の加工にも適用可能である。また、集光機能を有する第１の光学手段がｆθレンズとされていることで、長焦点深度のスポットを焦点面上で高速走査することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではない。例えば、球面収差を発生させる集光光学系を本実施形態のように複合光学系としたうえで、集光機能を有する第１の光学手段を通常のレンズや凹面鏡などの集光光学部品としてもよい。また、レーザ加工装置において、レーザ光を偏向させるガルバノミラーの代わりにポリゴンミラーを用いてもよい。前記の実施例では、プリント基板の穴開け加工への適用例を示したが、他にも、材料の金属、非金属を問わず、切断、溶接など様々なレーザ加工用途に適用可能であり、長焦点深度化の効果によって優れた加工特性が得られることは容易に類推できる。
【符号の説明】
【００３１】
１  レーザ加工装置
２  レーザ発信器
３  集光光学系
６  ｆθレンズ（第１の光学手段）
７  非球面位相プレート（第２の光学手段）
８  ガルバノミラー
１０  プリント基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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