(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置した光照射装置。
【請求項２】
第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１記載の光照射装置。
【請求項３】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２記載の光照射装置。
【請求項４】
第１の光学手段として２枚以上のレンズから構成される光学系を用いた請求項１から３のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項５】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項１から４のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項６】
第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項１から５のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項７】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過したコヒーレント光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置した光加工装置。
【請求項８】
第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項７記載の光加工装置。
【請求項９】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項８記載の光加工装置。
【請求項１０】
第１の光学手段として２枚以上のレンズから構成される光学系を用いた請求項７から９のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項１１】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項７から１０のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項１２】
第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項７から１１のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項１３】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光照射装置。
【請求項１４】
第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１３記載の光照射装置。
【請求項１５】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項１４記載の光照射装置。
【請求項１６】
第２の光学手段として２枚以上のレンズから構成される光学系を用いた請求項１３から１５のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項１７】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項１３から１６のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項１８】
第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項１３から１７のいずれかに記載の光照射装置。
【請求項１９】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第２の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光加工装置。
【請求項２０】
第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１９記載の光加工装置。
【請求項２１】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２０記載の光加工装置。
【請求項２２】
第２の光学手段として２枚以上のレンズから構成される光学系を用いた請求項１９から２１のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項２３】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項１９から２２のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項２４】
第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項１９から２３のいずれかに記載の光加工装置。
【請求項２５】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置し、光加工を行う光加工方法。
【請求項２６】
第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項２５記載の光加工方法。
【請求項２７】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２６記載の光加工方法。
【請求項２８】
第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項２５から２７のいずれかに記載の光加工方法。
【請求項２９】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項２５から２８のいずれかに記載の光加工方法。
【請求項３０】
第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項２５から２９のいずれかに記載の光加工方法。
【請求項３１】
コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第２の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置し、光加工を行う光加工方法。
【請求項３２】
第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項３１記載の光加工方法。
【請求項３３】
ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項３２記載の光加工方法。
【請求項３４】
第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項３１から３３のいずれかに記載の光加工方法。
【請求項３５】
光源としてレーザ発振器を用いた請求項３１から３４のいずれかに記載の光加工方法。
【請求項３６】
第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項３１から３５のいずれかに記載の光加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にコヒーレントなビームを用いて光照射、光加工を行う光照射装置、光加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述した光加工装置に関する従来技術について特公平８−２５１１を用いて説明する。図９は従来例におけるレーザ加工装置の構成図である。
【０００３】
図９において９０１はレーザ発振機、９０２aはレーザ発振機９０1から出たレーザビーム、９０３と９０４はレーザビーム９０２aの断面強度分布を均一にするための非球面レンズ、９０５と９０６はレーザビーム９０2bの断面形状を変化させるための凸型円筒レンズ、９０７は全反射ミラー、９０８は集光光学装置、９０９は被加工物、９１０はX-Yテーブル、９１１は代表的な集光レンズである平凸レンズである。
【０００４】
以上のように構成されたレーザ加工装置について、その機能を説明する。
【０００５】
レーザ発振機９０1から出たレーザビーム９０2aは、非球面レンズ９０3、９０4によりレーザビームの平行性を保ちつつ、かつ、その断面形状がガウス分布から均一分布へ変換される。均一化されたレーザビーム９０２bは、凸型円筒レンズ９０５により水平方向がいったん集光して広がり、凸型円筒レンズ９０５よりも焦点距離の長い凸型円筒レンズ９０６によってレーザビーム９０２ｂよりも水平方向が拡大された平行なレーザビーム９０２ｃとなる。レーザビーム９０２ｃは、反射ミラー９０７によって集光光学装置９０８に入射し、集光光学装置９０８内の各々の平凸レンズ９１１によりレーザビーム９０２ｅが集光され、多点スポットとして被加工物９０９に照射される。さらに、被加工物９０９は、X-Yテーブル９１０によって移動され、所定の加工が施される。本従来例のように非球面レンズ９０３，９０４を用いてレーザビーム９０２ａの強度分布を均一分分布にし、平凸レンズで集光し、多点スポットとして被加工物９０９上に照射することにより、加工点９１２でのレーザエネルギ密度が等しくなり、中央部でも周辺部でも均一に加工することが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来技術で示したようなレーザ加工装置は以下に記すような課題がある。
レーザ加工では、加工対象物の大きさや材質の種類により、最適な加工条件になるようにレーザの発振条件を変化させる。また同じ加工対象物に対しても例えばパルス発振させたレーザビームを数パルス同じ位置に照射して加工を行う場合があり、このような場合は各ショット毎にレーザ発振条件を変えながら加工を行う場合がある。
【０００７】
レーザ発振機９０１から出力されるレーザビーム９０２ａは共振器内部の光学系の熱レンズ効果等でポインティングベクトルが発振条件の変化に伴い変化することが多い。とくにスラブレーザ等の不安定共振器や共振器内部や外部に波長変換素子等多数の光学素子を配置するレーザ発振機において、発振条件の変化に伴うポインティングベクトルの変化は多く見られる。
【０００８】
このように発振条件の変化に伴うポインティングベクトルの変化が生じると、発振条件に伴い非球面レンズ９０３に入射するレーザビームの位置が変化し、その結果非球面レンズ９０４から出射されるレーザビームの強度分布の均一性が崩れ、結果として多点スポット加工の場所により、加工状態がばらつくという問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、請求項１に記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第1の光学手段を配置した光照射装置としたものであり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した照射が可能となる。
【００１０】
また、請求項２記載の本発明は、第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１記載の光照射装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００１１】
また、請求項３記載の本発明は、ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２記載の光照射装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００１２】
また、請求項４記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項１から３のいずれかに記載の光照射装置であり、安定した光照射が可能となる。
【００１３】
また、請求項５記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項１から４のいずれかに記載の光照射装置であり、安定した光照射が可能となる。
【００１４】
また、請求項６記載の本発明は、第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項１から５のいずれかに記載の光照射装置であり、安定した光照射が可能となる。
【００１５】
また、請求項７記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置し前記第1の光学手段を通過したコヒーレント光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置した光加工装置であり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００１６】
また、請求項８記載の本発明は、第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項７記載の光加工装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光加工が可能となる。
【００１７】
また、請求項９記載の本発明は、ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項８記載の光加工装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光加工が可能となる。
【００１８】
また、請求項１０記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項７から９のいずれかに記載の光加工装置であり、安定した光加工が可能となる。
【００１９】
また、請求項１１記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項７から１０のいずれかに記載の光加工装置であり、安定した光加工が可能となる。
【００２０】
また、請求項１２記載の本発明は、第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項７から１１のいずれかに記載の光加工装置であり、安定した光加工が可能となる。
【００２１】
また、請求項１３記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第1の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光照射装置であり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した照射が可能となる。
【００２２】
また、請求項１４記載の本発明は、第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１３記載の光照射装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００２３】
また、請求項１５記載の本発明は、ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項14記載の光照射装置であり、これによりコヒーレント光のポインティングベクトルが変化しても、ビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置を常に一定に保つことが出来、安定した光照射が可能となる。
【００２４】
また、請求項１６記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項１3から１５のいずれかに記載の光照射装置であり、これにより安定した光照射が可能となる。
【００２５】
また、請求項１７記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項１３から１６のいずれかに記載の光照射装置であり、これにより安定した光照射が可能となる。
【００２６】
また、請求項１８記載の本発明は、第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項１３から１７のいずれかに記載の光照射装置であり、これにより安定した光照射が可能となる。
【００２７】
また、請求項１９記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第２の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光加工装置であり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００２８】
また、請求項２０記載の本発明は、第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項１９記載の光加工装置であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００２９】
また、請求項２１記載の本発明は、ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２０記載の光加工装置であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００３０】
また、請求項２２記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項１９から２１のいずれかに記載の光加工装置であり、これにより安定した加工が可能となる。
【００３１】
また、請求項２３記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項１９から２２のいずれかに記載の光加工装置であり、これにより安定した加工が可能となる。
【００３２】
また、請求項２４記載の本発明は、第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項１９から２３のいずれかに記載の光加工装置であり、これにより安定した加工が可能となる。
【００３３】
また、請求項２５記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置し、光加工を行う光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００３４】
また、請求項２６記載の本発明は、第２の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項２５記載の光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００３５】
また、請求項２７記載の本発明はビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項２７記載の光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００３６】
また、請求項２８記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項２５から２７のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工が可能となる。
【００３７】
また、請求項２９記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項２５から２８のいずれかに記載の光加工方法であり、これにより安定した加工が可能となる。
【００３８】
また、請求項３０記載の本発明は、第２の光学手段と被照射物との光路に第３の光学手段を設けた請求項２５から２９のいずれかに記載の光加工方法であり、これにより安定した加工が可能となる。
【００３９】
また、請求項３１記載の本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第２の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置し、光加工を行う光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化しても第２の光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００４０】
また、請求項３２記載の本発明は、第３の光学手段としてビーム整形光学手段を用いた請求項３１記載の光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビーム整形光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００４１】
また、請求項３３記載の本発明は、ビーム整形光学手段としてビームの強度分布を均一にする光学手段を用いた請求項３２記載の光加工方法であり、これによりポインティングベクトルが変化してもビームの強度分布を均一にする光学手段に入射するコヒーレント光の入射位置は常に一定に保たれ、安定した加工が可能となる。
【００４２】
また、請求項３４記載の本発明は、第１の光学手段としてテレスコープを用いた請求項３１から３３のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工が可能となる。
【００４３】
また、請求項３５記載の本発明は、光源としてレーザ発振器を用いた請求項３１から３４のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工が可能となる。
【００４４】
また請求項３６記載の本発明は、第３の光学手段と被照射物との光路に第４の光学手段を設けた請求項３１から３５のいずれかに記載の光加工方法であり、安定した加工が可能となる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
上記構成によれば、本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置した光照射装置であり、光源の光線のポインティングベクトルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置が変化することなく常に安定した照射が行える。
【００４６】
また、本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被加工物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被加工物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過したコヒーレント光が入射する第２の光学手段を備え、前記光源のコヒーレント光のポインティングベクトルの始点と第２の光学手段の出射面は互いに共役な関係になるように前記第１の光学手段を配置した光加工装置であり、光源の光線のポインティングベクトルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置が変化することなく常に安定した加工が行える。
【００４７】
また、本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第2の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光照射装置であり、光源の光線のポインティングベクトルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置が変化することなく常に安定した照射が行える。
【００４８】
また、本発明は、コヒーレント光を出力する光源と、前記光源と被照射物との光路に配置し前記光源からのコヒーレント光を初めに入射する第１の光学手段と、前記第１の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第１の光学手段を通過した光が入射する第２の光学手段と、前記第２の光学手段と被照射物との光路に配置し前記第２の光学手段を通過した光が入射する第３の光学手段を備え、前記第１の光学系は前記コヒーレント光を前記第１の光学系と前記第２の光学系の間に集光し、第２の光学手段に対し、集光点と第３の光学手段の出射面は共役な関係になるように前記第２の光学手段を配置した光加工装置であり、これにより光源の光線のポインティングベクトルが変化しても、第２の光学手段に入射する光線位置が変化することなく常に安定した照射が行える。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態例を説明する。
（実施の形態１）
図1は本発明の実施の形態1におけるレーザ加工装置の概略構成図である。
【００５０】
図1において１１はレーザ発振器であり、TEM00モードのレーザビームを発振するCO2レーザ発振器を用いた。１２ａは、ＣＯ2レーザビームであり図中にプロファイルを１本の点線で示した。１３は、光伝送光学系であり、本実施例においては凸レンズ2枚から構成される。そして１４は強度変換素子、１５は位相整合素子、１６は変倍投影光学系、１７はマスク、１８は投影レンズ、１９は加工対象物である。
【００５１】
次に動作について説明する。CO2レーザ発振器１１から出射したCO2レーザビーム１２ａは光伝送光学系１３によりビーム径を強度変換素子１４にとって最適な径に調整されながら、強度変換素子１４に入射する。強度変換素子１４を透過したCO2レーザビーム１２ａの強度分布はガウス分布から位相整合素子１５の位置で均一な分布になる。また位相整合素子１５を透過したCO2レーザビーム１２ａの波面は歪みのない平面または球面となる。
【００５２】
図２（a）は、ガウス分布をしているCO2レーザビーム１２の強度変換素子入射面での強度分布、図２(b)は、均一な分布をしているCO2レーザビーム１２の位相整合素子出射面での強度分布を表している。
【００５３】
位相整合素子１５を透過したCO2レーザビーム１２ａは、変倍投影光学系１６を透過し、マスク1７に入射する。変倍投影光学系１６は、位相整合素子１５の位置の像をマスク17の位置に投影する。つまり変倍投影光学系１６にたいし、位相整合素子１５の位置とマスク１７の位置は共役な関係にある。つまり位相整合素子１５の位置で均一な強度分布と揃った位相分布を持つレーザビームは伝播とともに強度分布の均一性が失われるが、変倍投影光学系１６で投影されたマスク１７の位置で再び均一な強度分布になる。なおマスク１７において、位相分布も揃ったものとなる。なお、変倍投影光学系１６の投影倍率は可変でありマスク１７の位置でのレーザビームの強度分布の領域の大きさをマスクの大きさに対して最適な大きさに調整できる。
【００５４】
次にマスク１７の開口部におけるレーザビームの強度分布は、投影レンズ18により加工対象物１９上に投影される。マスク１７の位置と加工対象物１９の位置は、投影レンズ１８からみて共役な関係にあるので、被加工物１９上ににおけるCO2レーザビーム１２の強度分布も均一になる。なお、マスク１７の大きさは可変であり、マスク１７の大きさと投影レンズ１８の積で与えられる加工対象物１９でのCO2レーザビーム１２の強度分布の大きさを必要に応じて変化させることが出来る。なお光伝送光学系１３、強度変換素子１４、位相整合素子１５、変倍投影光学系１６、マスク17及び投影レンズ１８は、CO2レーザビーム１２ａの光軸上に位置ずれ、傾きなく配置される。
【００５５】
ここで光伝送光学系１３の機能についてもう少し詳しく説明する。
【００５６】
レーザ発振器１１から発振されるレーザビーム１２ａは発振器内部の光学系の熱レンズ効果等により、発振条件の変化等に伴い、ポインティングベクトルが変化することが多い。
【００５７】
本実施の形態例のようなレーザ加工の場合、加工対象物の種類により加工に最適な条件にレーザの発振条件を変化させる。また同じ加工対象物に対しても複数のショット数により加工を行い、ショット数によりパルス幅や繰り返し周波数等を変化させ加工を行うことがある。
【００５８】
図３にCO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルが変化している場合の様子を示す。
【００５９】
例えばポインティングベクトルが変化して、CO2レーザビーム１２ｂのようなプロファイルになったとする。なお、図３の中でCO2レーザビーム１２ａを点線で、CO2レーザビーム１２ｂを実線で示した。また図３において３１はレーザビームのポインティングベクトルの始点である。ここで光伝送光学系１３に対し、CO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルの始点と強度変換素子１４の出射面は互いに共役な関係にある。つまり光伝送光学系１３は、CO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルの始点位置の物体を強度変換素子１４の出射面の位置に投影するように配置される。
【００６０】
このように光伝送光学系１３を配置すればCO2レーザビーム１２ｂのようにレーザビームのポインティングベクトルが変化しても常に強度変換素子１４の中心にレーザビームが入射する。一方でCO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルの始点位置と強度変換素子１４の出射面とが共役な関係にならないように、光伝送光学系１３を配置した場合を図４に示す。
【００６１】
この場合強度変換素子１４の中心にCO2レーザビーム１２ｂは入射しない。強度変換素子に入射するレーザビームの入射位置が強度変換素子１４の中心からずれた場合、位相整合素子１５出射面での強度分布は例えば図5に示すように均一性が劣化する。
【００６２】
そこで本実施の形態例では、テレスコープ１３を、CO2レーザビーム１２ａのポインティングベクトルの始点位置の物体を強度変換素子１４の上に投影するように配置することで、CO2レーザビーム１２ｂのようにレーザビームのポインティングベクトルが変化しても常に強度変換素子１４の中心にレーザビームを入射させ、常にレーザビームの強度分布を均一に変換できる工夫を行った。
【００６３】
なお本実施の形態例においてレーザビームはCO2レーザビームとしたが、YAGレーザやHe−Neレーザ等加工に適した光ならばなんでもよい。
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置の概略構成図である。
【００６４】
図６において６０１はレーザ発振器であり、TEM00モードのレーザビームを発振するCO2レーザ発振器を用いた。６０２ａは、ＣＯ2レーザビームであり図中にプロファイルを点線で示した。６０３は、集光光学系であり、本実施例においてはレンズ１枚から構成した。６０４、は光伝送光学系であり、本実施例においてはレンズ2枚から構成した。そして６０５は強度変換素子、６０６は位相整合素子、６０７は変倍投影光学系、６０８はマスク、６０９は投影レンズ、６１０は加工対象物である。
【００６５】
次に動作について説明する。CO2レーザ発振器６０１から出射したCO2レーザビーム６０２ａは集光光学系６０３及び伝送光学系６０４によりビーム径を調整されながら、強度変換素子６０５に入射する。強度変換素子６０５を透過したCO2レーザビーム６０２ａの強度分布はガウス分布から位相整合素子６０６の位置で均一な分布になる。また位相整合素子６０６を透過したCO2レーザビーム６０２ａの波面は平面または球面となる。
【００６６】
図２(a)は、ガウス分布をしているCO2レーザビーム６０２ａの強度変換素子６０５の入射面での強度分布、図２(b)は、均一な分布をしているCO2レーザビーム６０２ａの位相整合素子６０６の出射面での強度分布を表している。
【００６７】
位相整合素子６０６を透過したCO2レーザビーム６０２ａは、変倍投影光学系６０７を透過し、マスク６０８に入射する。変倍投影光学系６０７は、位相整合素子６０６の位置の像をマスク６０８の位置に投影する。つまり変倍投影光学系６０７にたいし、位相整合素子６０６の位置とマスク６０８の位置は共役な関係にある。つまり位相整合素子６０６の位置で均一な強度分布と揃った位相分布を持つレーザビームは伝播とともに強度分布の均一性が失われるが、変倍投影光学系６０７で投影されたマスク６０８の位置で再び均一な強度分布になる。なお、マスク６０８において、位相分布も揃ったものとなる。なお、変倍投影光学系６０６の投影倍率は可変でありマスク６０８の位置でのレーザビームの強度分布の領域の大きさをマスクの大きさに対して最適な大きさに調整できる。
【００６８】
次にマスク６０８の開口部におけるレーザビームの強度分布は、投影レンズ６０９により加工対象物６１０上に投影される。マスク６０８の位置と加工対象物６１０の位置は、投影レンズ６０９からみて共役な関係にあるので、被加工物６１０上ににおけるCO2レーザビーム６０２aの強度分布も均一になる。なおマスク６０８の大きさは可変であり、マスク６０８の大きさと投影レンズ６０９の積で与えられる加工対象物６１０でのCO2レーザビーム６０２ａの強度分布の大きさを必要に応じて変化させることが出来る。なお、集光光学系６０３、光伝送光学系６０４、強度変換素子６０５、位相整合素子６０６、変倍投影光学系６０７、マスク６０８及び投影レンズ６０９は、CO2レーザビーム６０２ａの光軸上に位置ズレ、傾きなく配置される。
【００６９】
ここで集光光学系６０３、伝送光学系６０４の機能についてもう少し詳しく説明する。
【００７０】
レーザ発振器６０１から発振されるレーザビーム６０２ａは発振条件の変化等に伴い、発振器内部の光学系の熱レンズ効果等によりポインティングベクトルが変化することが多い。
【００７１】
本実施の形態例のレーザ加工装置では、加工対象物の種類により加工に最適な条件にレーザの発振条件を変化させる。また同じ加工対象物に対しても複数のショット数により加工を行い、ショット数によりパルス幅や繰り返し周波数等を変化させ加工を行うことがある。
【００７２】
図７にCO2レーザビーム６０２ａのポインティングベクトルが変化している場合の様子を示す。例えばポインティングベクトルが変化して、CO2レーザビーム６０２ｂのような状態になったとする。なお、図７の中でCO2レーザビーム６０２ａを点線で、CO2レーザビーム６０２ｂを実線で示した。
【００７３】
集光光学系６０３は、CO2レーザビーム６０２ａあるいは、CO2レーザビーム６０２ｂを集光光学系６０３と光伝送光学系６０４の間に集光させる。そして、光伝送光学系はこの集光点６１１におけるレーザビームを強度変換素子６０５の出射面上に投影する。つまり伝送光学系６０４に対し、集光点６１１と強度変換素子６０５の出射面は共役な関係にある。また集光光学系６０３からなる光学系の投影倍率は、強度変換素子６０５に入射するレーザビームを所定のビーム径にするように決定される。
【００７４】
図７に示すようにレーザビームのポインティングベクトルの始点がレーザ発振器側に向かって無限遠点にある場合、つまりポインティングベクトルが平行にシフトするような場合において本実施の形態に示すような集光光学系６０３と伝送光学系６０４を用いることで、レーザビームのポインティングベクトルが平行にシフトしてもつねに強度変換素子６０５の中心にレーザビームを入射させることが出来る。
【００７５】
一方で光伝送光学系６０４に対し、集光点６１１と強度変換素子６０５の出射面が共役な関係にならないように、光伝送光学系６０４を配置した場合を図８に示す。
【００７６】
この場合、強度変換素子６０５の中心にCO2レーザビーム６０２ａは入射しない。強度変換素子に入射するレーザビームの入射位置が強度変換素子の中心からずれた場合、位相整合素子６０６出射面での強度分布は例えば図5に示すように均一性が劣化する。そこで本実施例では、集光光学系６０３及び光伝送光学系６０４を用いてCO2レーザビーム６０２ａあるいは、CO2レーザビーム６０２ｂを集光光学系６０３と光伝送光学系６０４の間に集光させ、光伝送光学系６０４で、この集光点６１１におけるレーザビームを強度変換素子６０５の出射面上に投影することで、CO2レーザビーム６０２ｂのようにレーザビームのポインティングベクトルが変化しても常に強度変換素子６０５の中心にレーザビームを入射させ、常にレーザビームの強度分布を均一に変換できる工夫を行った。
【００７７】
また本実施例においてレーザビームはCO2レーザビームとしたが、YAGレーザやHe−Neレーザ等加工に適した光ならばなんでもよい。
【００７８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、レーザビームを均一な強度分布に変換し、加工照射を行う装置において、レーザビームのポインティングベクトルが変化しても、常に均一化を行う光学系の中心にレーザビームを入射させる光学系を均一化光学系の前段に配置することで、常に品質の安定した加工を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザビームの強度分布を示す概念図
【図３】本発明の実施の形態１におけるビーム伝送光学系の構成と機能を表す図
【図４】本発明の実施の形態１におけるビーム伝送光学系が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった場合のレーザビームの振る舞いを表す図
【図５】本発明の実施の形態におけるビーム伝送光学系が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった場合の位相整合素子位置でのレーザビームの強度分布を表す概念図
【図６】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工装置の概略構成図
【図７】本発明の実施の形態２におけるビーム伝送光学系の構成と機能を表す図
【図８】本発明の実施の形態２におけるビーム伝送光学系が本実施の形態の中の正しい場所に配置されなかった場合のレーザビームの振る舞いを表す図
【図９】従来のレーザ加工装置の概略構成図
【符号の説明】
１１  CO2レーザ発振器
１２ａ  CO2レーザビーム
１２ｂ  CO2レーザビーム
１３  ビーム伝送光学系
１４  強度変換素子
１５  位相整合素子
１６  変倍投影光学系
１７  マスク
１８  投影レンズ
１９  加工対象物
６０１  CO2レーザ発振器
６０２ａ  CO2レーザビーム
６０２ｂ  CO2レーザビーム
６０３  集光光学系
６０４  光伝送光学系
６０５  強度変換素子
６０６  位相整合素子
６０７  変倍投影光学系
６０８  マスク
６０９  投影レンズ
６１０  加工対象物
６１１  集光点
【図１】
0003666435.tif 000002
【図２】
0003666435.tif 000003
【図３】
0003666435.tif 000004
【図４】
0003666435.tif 000005
【図５】
0003666435.tif 000006
【図６】
0003666435.tif 000007
【図７】
0003666435.tif 000008
【図８】
0003666435.tif 000009
【図９】
0003666435.tif 000010