(57)【要約】  本発明は、環状レーザビームの強度プロファイルを作り出すための複数のマイクロアキシコン１１を特徴とする２次元アキシコン配列１０を備える、レーザビームを使用して材料を機械加工するためのビーム形成レンズ系に関し、マイクロアキシコン１１には、湾曲した外側面１１３を設ける。本発明は、前記種類のビーム形成レンズ系と、レーザビームを工作物１８上に集束するための集束レンズ系１５とを備える、レーザビームを使用して材料を機械加工するための装置にも関する。ビーム形成レンズ系は、環状レーザビームの強度プロファイルを集束レンズ系１５の焦点面Ｆにおいて作り出すように設計される。
2019515356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを使用して材料を機械加工するためのビーム形成レンズ系であって、
前記レーザビームの環状強度プロファイルを作り出すための複数のマイクロアキシコン（１１）を有する２次元アキシコン配列（１０）を備え、
前記マイクロアキシコン（１１）が、湾曲した表面エリア（１１３）を有し、および／または異なる形状にされることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項２】
請求項１に記載のビーム形成レンズ系であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の前記表面エリア（１１３）が、非球面に湾曲されることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項３】
請求項１または２に記載のビーム形成レンズ系であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の頂点（１１１）および／または少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の間の谷部（１１２）が、概数で表されることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のビーム形成レンズ系であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、亀甲模様で配列されることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のビーム形成レンズ系であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、規則的な格子構造でまたは不規則に配列されることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のビーム形成レンズ系であって、前記２次元アキシコン配列（１０）が、円錐状マイクロアキシコン（１１）を備え、または円錐状マイクロアキシコン（１１）からなることを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のビーム形成レンズ系であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）が、円形外周を有することを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のビーム形成レンズ系であって、少なくとも少数のマイクロアキシコンが、二等辺三角形の形の横断面を有することを特徴とするビーム形成レンズ系。
【請求項９】
レーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、
請求項１から８のいずれかに記載のビーム形成レンズ系と、
前記レーザビームを工作物（１８）上に集束するための集束レンズ系（１５）とを備え、
前記ビーム形成レンズ系が、前記レーザビームの環状強度プロファイルを前記集束レンズ系（１５）の焦点面（Ｆ）において作り出すように設計されることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記ビーム形成レンズ系が、コリメートレーザビーム（１４）において配置されることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、
前記焦点面（Ｆ）における前記強度プロファイルの環径を変えるために可変焦点距離を有する少なくとも１つのレンズをさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記ビーム形成レンズ系を前記装置のビーム経路に選択的に挿入し得ることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、好ましくはレーザ切断用の、レーザビームを使用して材料を機械加工するためのビーム形成レンズ系に関し、ならびに少なくとも１つのそのようなビーム形成レンズ系を備える、レーザビームを使用して材料を機械加工するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接またはレーザ切断など、レーザビームを用いる材料加工において、レーザ光源、例えば光ファイバの端部から出射されたレーザビームは、ビーム誘導および集束レンズ系を活用して、機械加工すべき工作物上に集束される。この場合、焦点の直径、すなわち、工作物上のレーザ光源の像の直径は、ビーム誘導および集束レンズ系の個々の光学素子の光学データから生じる。レーザ光が光ファイバを介して供給される、コリメータレンズ系と集束レンズ系とを有する標準レーザ加工ヘッドを使用するとき、焦点径は、ファイバコア径と、コリメーション焦点距離で割った集束焦点距離との積から生じる。レーザ切断工程では、シートメタル厚により、異なる焦点径、すなわち、焦点におけるレーザビーム径が必要とされる。この文脈では、レーザビーム径は、切断すべき材料の厚さに比例して増大するはずである。例えば、約１２５μｍの焦点径が、最大で５ｍｍまでのシートメタル厚に使用されるが、２倍の大きさの焦点径、すなわち、約２５０μｍの焦点径が、５ｍｍから１０ｍｍの間の厚さを有する金属板を切断するのに所望される。１０ｍｍのシートメタル厚から開始して、使用される誘導および集束レンズ系は、約６００μｍの焦点径を提供する。
【０００３】
大きな焦点径において、焦点における強度分布の環状プロファイルを実現することは有利である。それにより、切り口においてより均一な温度分布が実現されるからである。結果として、溶融材料は、切断ガスによってより効率的に排出することができる。
【０００４】
従来のレーザ加工ヘッドは、１：１から１：３の間の固定または可変再生産率で計画し、１００μｍから１５００μｍの間の焦点径を作り出すことができる。例えば、高い最先端品質を有する、薄い金属板と厚い金属板とを切断するためのレーザ加工ヘッドは、工作物上に、例えば、焦点面において環状強度分布を作り出すためのそれぞれ最適なレーザ出力密度分布を調整する選択肢を必要とする。
【０００５】
ビーム形成レンズ系はこの目的で使用される。ビーム形成レンズ系とは、それぞれレーザビームの強度分布または形状を変更するためのレンズ系または複数のレンズ系を表す。例えば、ビーム形成レンズ系は、焦点面において板状および／または環状強度プロファイルを作り出すことができる。ビーム形成レンズ系は、例えば、１つ以上の回折または屈折光学素子を備えることができる。屈折光学素子の利点は、それらが高い伝達効率を有し、高出力レーザシステムにおける永続使用に適切であり、波長に依存しないという点において見ることができる。
【０００６】
レーザビームを活用して材料を機械加工するための、例えば穴あけ、打抜きおよび溶接工程用の装置が、独国特許第２８２１８８３（Ｃ２）号からすでに周知であり、透明な屈折材料（アキシコン）からなる円錐が、レーザ加工ビームの軸方向に近接したおよび軸方向に遠隔の断面エリアの軸対称反転を実現するために、レーザビームを拡大するためのコリメータレンズ系と、レーザビームを工作物上に集束するための集束レンズ系との間に配置される。次いで、集束レンズ系は、その変更されたビーム特性に従って、環状領域内のレーザ加工ビームを工作物上に集束する。したがって、アキシコンの使用により、レーザ加工ビーム内の強度分布は、環状プロファイルが結果として焦点の領域内となるように変更される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許第２８２１８８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、レーザビームを使用して材料を機械加工するための（特にレーザ切断用の）ビーム形成レンズ系、ならびにそのようなビーム形成レンズ系とともにレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置を利用可能にする目的に基づいており、均一性を高め、レイリー長を増大させた環状強度プロファイルを、それぞれ前記ビーム形成レンズ系および前記装置を用いて実現することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するためのビーム形成レンズ系、ならびにそのようなビーム形成レンズ系とともにレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置を用いて達成される。本発明の有利な実施形態および向上点は、従属請求項に記載される。
【００１０】
レーザビームを使用して材料を機械加工するための、特にレーザ切断用の発明のビーム形成レンズ系は、例えば、上流または下流の集束レンズ系の焦点面においてレーザビームの板状および／または環状強度プロファイルを作り出すための複数のマイクロアキシコンを有するアキシコン配列を備える。環状強度プロファイルの均一性は、改善することができ、２次元配列により、高い横方向の位置決め公差を提供することができる。アキシコン配列は、屈折光学素子の形で実現することができる。言い換えれば、アキシコン配列の構造サイズは、レーザビームの波長よりも顕著に大きくてもよい。この場合、回折の結果としての光偏向は、無視できるほどである。
【００１１】
環状プロファイルの厚さ、環径、中央の消光などは、アキシコン配列のマイクロアキシコンまたはアキシコンユニットの形状、例えば、それらの高さ、アキシコンの角度、直径、それらの外側面または表面エリアの表面曲率などにより変更することができる。
【００１２】
各マイクロアキシコンの外側面または表面エリア、すなわち、円錐状の表面は、好ましくは、ドーム状形状が作り出されるように湾曲され、またはアーチ状に曲げられる。この文脈では、「湾曲される」とは、それぞれビーム成形レンズ系の光軸に沿った、または２次元アキシコン配列が延びる平面に垂直の方向の、またはマイクロアキシコンの頂点からその底面エリアまでの垂直線に平行の湾曲を表す。マイクロアキシコンの外側面または表面エリアは、非球面に湾曲することができる。レーザビームの達成可能なレイリー長は、マイクロアキシコンの湾曲した外側面により増大させることができる。この文脈では、レイリー長とは、レーザビームがビームウェストから開始してその最大強度を半減するのに必要とする光軸に沿った長さを表す。したがって、焦点深度を高めることができる。このようにして、焦点面における強度プロファイルの環の厚さを、同時に増大させることができ、それにより、ピークまたは最大強度を低下させることができる。これは結果として軸方向のより均一な最大強度となる。
【００１３】
さらに、マイクロアキシコンの頂点および／またはマイクロアキシコン間の谷部は、概数で表すことができる。これにより、簡略化した製造が可能になるだけでなく、ゼロよりも大きい強度を環状分布の中心で実現することができるように強度分布の中心への意図した配光をすることも可能になる。
【００１４】
マイクロアキシコンは、それぞれ、格子状または規則的なやり方でアキシコン配列で配列することができる。マイクロアキシコンは、好ましくは、亀甲模様または格子状で配列される。このようにして、最適占積率を実現することができ、環状プロファイルに沿った強度分布の均一性を最大化することができる。
【００１５】
別の好ましい例示的な実施形態において、アキシコン配列は、それらの形状に関して異なるマイクロアキシコンを含むことができる。例えば、アキシコン配列は、真っ直ぐなおよび湾曲した外側面を有するマイクロアキシコンを含むことができる。マイクロアキシコンは、異なるアキシコンの角度および／または外側面の湾曲および／または高さおよび／または直径および／または底面エリアの形状および／または底面エリアのサイズを有することもできる。この文脈では、「高さ」とは、（本質的に）２次元アキシコン配列の平面にある、マイクロアキシコンの頂点からその底面エリアまでの垂直線を表す。マイクロアキシコン間の距離は、それらがそれぞれ異なる底面エリアまたは直径を有する場合、規則的でなくてもよい。アキシコン配列は、それら自体内で非対称である、例えば、それらの外側面の湾曲および／または底面エリアに対するマイクロアキシコンの頂点の配列に関して、例えば、底面エリアより上の頂点の分散配列の形でマイクロアキシコンも含むことができる。異なるビーム形成を重ね合せることができ、および／またはアキシコン配列内に異なる形状をしたマイクロアキシコンを用いて、より均一な強度分布を実現することができる。したがって、同一の形状をしたマイクロアキシコンからなるアキシコン配列を用いて作り出すことができないビームプロファイルを作り出すことが可能である。
【００１６】
アキシコン配列は、ビーム形成レンズ系の光軸に垂直のアキシコン配列の基板平面において配列される、複数のマイクロアキシコンからなることができる。マイクロアキシコンは、好ましくはアキシコン配列上に入射する好適コリメートレーザビームのビーム径よりも小さい距離だけ互いに離隔される。このようにして、レーザビームは、複数のマイクロアキシコンを通過することができる。個々のマイクロアキシコンを通過する部分的レーザビーム（いわゆるビームレット）をそれぞれ焦点面においてまたは工作物上に重ね合せることによってビームエネルギーの損失なしで均一化されたビームプロファイルを作り出すことができる。
【００１７】
レーザビームは、単一モードレーザに比較して自己干渉を低減し、より大きな焦点径を実現できるようにマルチモードレーザビームでもよい。
【００１８】
さらに、レーザビームを使用して材料を機械加工するための発明の装置は、説明する例示的な実施形態のうちの１つによる少なくとも１つのビーム形成レンズ系と、工作物上にレーザビームを集束するための集束レンズ系とを備える。
【００１９】
ビーム形成レンズ系は、好ましくは、集束レンズ系、例えば、集束レンズの上流の装置のビーム経路に配置される。
【００２０】
装置は、レーザビームを拡大するためのコリメータレンズ系を備えることもできる。ビーム形成レンズ系は、好ましくは、コリメートレーザビームにおいて配置されるが、基本的に発明のビーム形成レンズ系をレーザビームの発散または収束領域内に配置することも可能であるはずである。ビーム形成レンズ系をレーザビームを拡大するためのコリメータレンズ系と集束レンズ系との間に配置することが特に好ましい。
【００２１】
装置は、焦点面における強度プロファイルの環径を変えるための可変焦点距離を有する少なくとも１つのレンズをさらに備えることができる。可変焦点距離は、例えば、１つ以上のレンズを光軸に沿って移動させることによって実現することができる。代替案として、液体レンズまたはポリマーレンズを使用してもよい。
【００２２】
レーザビームを使用して材料を機械加工するための装置は、好ましくは、レーザ切断ヘッドまたはレーザ加工ヘッドを備える。
【００２３】
本発明は、図面に示す例示的な実施形態を参照して以下に、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】アキシコン配列の概略的上面図である。
【図２ａ】湾曲した外側面なしのアキシコンユニットを備えるアキシコン配列の概略的側面図である。
【図２ｂ】湾曲した外側面を有するアキシコンユニットを備える発明のアキシコン配列の概略的側面図である。
【図３】レーザビームを集束するための下流の集束レンズ系を有する、コリメートレーザビームにおける発明のアキシコン配列の概略図である。
【図４ａ】発明のアキシコン配列の３次元表面形状の概略図である。
【図４ｂ】発明のアキシコン配列の２次元表面形状の概略図である。
【図５】湾曲した外側面なしのアキシコンユニットを備えるアキシコン配列ならびに湾曲した外側面を有するアキシコンユニットを備える発明のアキシコン配列の火面を示す図である。
【図６ａ】焦点面における、湾曲した外側面なしのアキシコンユニットを備えるアキシコン配列の模擬ビームプロファイルを示す図である。
【図６ｂ】焦点面における、湾曲した外側面を有するアキシコンユニットを備える発明のアキシコン配列の模擬ビームプロファイルを示す図である。
【図６ｃ】湾曲した外側面なしのアキシコンユニットを備えるアキシコン配列のｚ位置の関数としての最大強度の模擬分布を示すグラフである。
【図６ｄ】湾曲した外側面を有するアキシコンユニットを備えるアキシコン配列のｚ位置の関数としての最大強度の模擬分布を示すグラフである。
【図７】発明のアキシコン配列を有するレーザ加工工程用のレーザ加工ヘッドに使用される種類のビーム誘導および集束レンズ系を示す図である。
【図８】湾曲した外側面なしのアキシコンユニットを備えるアキシコン配列と、湾曲した外側面を有するアキシコンユニットを備える発明のアキシコン配列との間の比較の表である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図において、対応する構成部品は、同じ参照符号で識別される。
【００２６】
図１は、環状強度プロファイルを作り出すためのビーム形成レンズ系用の複数のマイクロアキシコン１１を有するアキシコン配列１０の概略的上面図を示す。マイクロアキシコン１１は、好ましくは、規則的な構造の形でアキシコン配列１０の表面または基板平面１２上に配列される。図１に示す例において、マイクロアキシコン１１は、六角格子または亀甲模様で配列される。最適占積率は、マイクロアキシコン１１を亀甲模様で配列することによって実現することができる。アキシコン配列１０の外周は、当然ながら、円形以外の、例えば、長方形、長円形などの形状を有することもできる。この文脈では、アキシコン配列１０の外周とは、マイクロアキシコン１１の２次元配列の平面におけるアキシコン配列１０の縁部を表す。言い換えれば、アキシコン配列１０の外周とは、アキシコン配列１０の光軸に垂直の平面におけるアキシコン配列１０の縁部を表す。アキシコン配列１０は、好ましくは、１０ｍｍから５０ｍｍの間の直径を有する、または、基板平面が長方形または正方形の形状を有する場合、例えば、最大１００ｍｍまでの縁部の長さを有する基板平面１２を有する。例えば、アキシコン配列１０は、石英ガラス、サファイアまたはＺｎＳｅ製でもよい。
【００２７】
各マイクロアキシコン１１は、頂点１１１および表面エリアまたは外側面１１３を有する円錐状の構造を有する（図２ａおよび２ｂ参照）。谷部１１２は、隣接したマイクロアキシコン１１の間のアキシコン配列１０において形成される。基板平面１２にあるマイクロアキシコン１１の頂点１１１から底面エリアまでの垂直線の長さは、高さと称される。以下の説明において、マイクロアキシコン１１の直径または外周は、それぞれ、マイクロアキシコン１１の底面エリアの直径または外周を表す。マイクロアキシコン１１の頂点１１１において外側面１１３によって形成された開口角は、アキシコンの角度１１４と称される。
【００２８】
図２ａは、真っ直ぐな外側面または表面エリアを有する複数のマイクロアキシコン１１を備えるアキシコン配列の側面図を示す。この場合、マイクロアキシコン１１の側面図は、真っ直ぐな表面エリアまたは外側面１１３を有する二等辺三角形に対応する。
【００２９】
図２ｂは、ドーム状の構造が側面図において作り出されるように、湾曲した外側面１１３を有する複数のマイクロアキシコン１１を備えるアキシコン配列１０の好ましい実施形態を示す。この場合、マイクロアキシコン１１の外側面１１３は、非球面の形状にすることができる。さらに、マイクロアキシコン１１の頂点１１１および／またはマイクロアキシコン１１の間の谷部１１２は、アキシコン配列１０の製造を簡略化し、環状強度分布の中心への配光を実現することもできるように概数で表すことができる。マイクロアキシコン１１は、好ましくは、規則的にアキシコン配列で、すなわち、図１を参照して上記に説明したように格子または模様構造の形で配列される。
【００３０】
別の好ましい例示的な実施形態において、マイクロアキシコン１１は、均一の形状にされず、むしろ、高さ、直径、アキシコンの角度、外側面の湾曲、底面エリアのサイズおよび／または形状などのパラメータのうちの少なくとも１つに関して異なることがある。マイクロアキシコン１１は、それ自体内に非対称の形状にすることもできる。例えば、頂点１１１は、結果として得られるマイクロアキシコン１１の頂点１１１から外周までの距離が異なるように、マイクロアキシコン１１の底面エリアより上に中心に配列されない可能性がある。別の例において、マイクロアキシコンの外側面１１３の湾曲は、例えば、外側面１１３の１つの領域が頂点１１１からの垂直線に対して対向する領域よりもより顕著に湾曲されるように変えることができる。したがって、アキシコン配列１０は、異なる形状をしたマイクロアキシコン１１からなることができる。例えば、アキシコン配列１０は、湾曲した外側面１１３を有し（図２ｂ参照）、および真っ直ぐな外側面１１３を有する（図２ａ参照）マイクロアキシコン１１を含むことができる。異なる形状をしたマイクロアキシコン１１は、不規則にまたは規則的に配列することができる。この点において、異なる底面エリアまたは直径は、異なる形状を有する谷部を用いて補償することができる。アキシコンユニットにおける異なる形状をしたマイクロアキシコン１１は、結果として異なるビーム形成の重なり合いとなり、したがって、同一の形状をしたマイクロアキシコン１１を備えるアキシコン配列１０を用いて作り出すことができないビームプロファイルを作り出すことが可能である。
【００３１】
マイクロアキシコン１１は、０．５ｍｍから５ｍｍの間のサイズを有することができる。アキシコンの角度１１４（開口角または頂角とも称される）は、所望の環径により選択することができ、好ましくは０．１°から１°の間にある。湾曲した外側面１１３を有するマイクロアキシコン１１において、アキシコンの角度１１４は、頂点１１１に近接した外側面１１３上の接線によって画定される。マイクロアキシコン１１は、理想的には、アキシコン配列１０にぎっしりと、すなわち、隣接したマイクロアキシコン１１の間に隙間なく詰め込まれる。しかし、製造技術に関して、隣接したマイクロアキシコン１１の間の谷部のある概数表示が可能になることは有利であり、したがって、隙間は効果的に０ｍｍより大きいが、依然として顕著に１ｍｍ未満になる。
【００３２】
図３は、下流の集束レンズ１５を有するレーザ、例えば、ファイバレーザ、ディスクレーザまたはダイオードレーザのビーム経路におけるアキシコン配列１０の例示的な配列を示す。コリメートレーザビーム１４が、アキシコン配列１０を通過した後、拡大され、その後、集束レンズ１５によって環状ビームプロファイルの形で集束レンズの焦点面Ｆに投影される。この場合、到達環径は、５００μｍから１５００μｍの間にあることができ、環の厚さは、３００μｍから１，０００μｍの間にあることができる。図３において、形成されたレーザビーム１４ｂは破線で描かれているが、通常のコリメートレーザビーム１４（アキシコン配列なし）のビーム経路は実線で描かれている。ｎのマイクロアキシコン１１を有するアキシコン配列１０は、レーザビーム１４をｎの部分的ビームまたはビームレットに分割する。下流の集束レンズは、ｎのビームレットを集束レンズ１５の焦点面Ｆにおいて重ね合せ、したがって、それらは均一な環状強度プロファイルを作り出す（図６ａおよび６ｂ参照）。
【００３３】
図４ａは、アキシコン配列１０の３次元表面形状の斜視図を示す（縮尺通りではない）。図４ｂは、アキシコン配列１０の２次元表面形状を示す。数値データは最大豊隆線をｍｍで表す。
【００３４】
図５は、それぞれ、異なるｚ位置に、すなわち、光軸に沿って、湾曲した外側面を有する、および湾曲した外側面なしのアキシコンユニット、すなわち、マイクロアキシコンを備えるアキシコン配列の火面（像部分１．５ｍｍｘ１．５ｍｍ）を示す。階調レベルの拡大縮小は、任意の単位、例えばＷ／ｃｍ２における低強度（スケールの下端）から高強度（スケールの上端）までのスケールに対応し、図６ａおよび６ｂに示すスケールと同一でもよい。アキシコン配列１０を通過するレーザビームのレイリー長は、マイクロアキシコン１１のアーチ形の外側面１１３により増大される。この場合、結果として得られる環状強度プロファイルの焦点面における環の厚さも増大され、したがって、ピーク強度が低下される。湾曲または円弧は、焦点面の外側ではほとんど効果がない（図５参照）。環状強度プロファイルは、主として、焦点（ｚ＝０）において存在し、高い均一性を有することを推測することもできる。
【００３５】
図８による表は、２つのＺＥＭＡＸ模擬に基づく例示的なやり方におけるこれらの効果を示す。この場合、湾曲した表面エリアなしのアキシコン配列と、湾曲した表面エリアを有するアキシコン配列とが互いに比較される。表の１行目では、湾曲した外側面なしのアキシコン配列（左）の模擬表面形状（側面図）と、湾曲した外側面を有する発明のアキシコン配列（右）とが比較される。高さプロファイルｚ（ｒ）は、多項式ｚ（ｒ）＝Ｃｏｅｆｆ１＊ｒ＋Ｃｏｅｆｆ２＊ｒ２＋．．．．により画定される。より高い係数Ｃｏｅｆｆ２のうちの１つが０に等しくない場合、湾曲した表面が生じる。湾曲した表面エリアにより、レイリー長は、３．４ｍｍから９．４ｍｍに増大させることができる。
【００３６】
図６ａおよび６ｂは、それぞれ、湾曲した外側面なしのアキシコン配列と、湾曲した外側面を有する発明のアキシコン配列との焦点面ｚ＝０における対応する模擬ビームプロファイルを示す。ｚ位置の関数としての最大強度（光軸に沿って）は、図６ｃの湾曲した外側面なしのアキシコン配列に対して、および図６ｄの湾曲した外側面を有する発明のアキシコン配列に対して示される。図６ａ〜６ｄによれば、焦点面におけるビームプロファイルは、湾曲した外側面を有するマイクロアキシコンを備えるアキシコン配列に対してより均一であり、最大強度は、ｚ方向に、より均一に分布される。
【００３７】
図７は、特にレーザ切断工程のためのレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置、例えばレーザ加工ヘッドのビーム経路におけるアキシコン配列１０を有するビーム形成レンズ系を示す。この例示的な配列において、ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０は、それぞれ、コリメータレンズ系１７と集束レンズ系１５との間のコリメートレーザビーム１４において配列される。コリメータレンズ系１７は、光ファイバ１６から出射された発散レーザビームを平行またはコリメートレーザビーム１４に変換し、コリメートレーザビーム１４は、集束レンズ系１５によって工作物１８上に集束される。代替案として、ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０は、それぞれ、集束レンズ１５の下流に配列することができる。ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０は、一般に発散または収束レーザビームにおいて配列することもできる。
【００３８】
アキシコン配列１０を有するビーム形成レンズ系は、任意のレンズ系と組み合わせることができる。可変焦点距離を有する１つ以上のレンズとの組合せにおいて、強度プロファイルの作り出された環径は、焦点面において変えることができ、したがって、個々に材料および材料の厚さに適合させることができる。したがって、アキシコン配列１０を有するビーム形成レンズ系と可変焦点距離を有するレンズ系とを備えるレーザ加工ヘッドを用いて厚い金属板および薄い金属板を機械加工することが可能である。焦点距離は、例えば、個々のまたは複数のレンズを光軸に沿って移動させること（ｚ変位）によって変えることができる。代替案として、液体レンズまたはポリマーレンズなどの可変焦点距離を有するレンズを使用してもよい。
【００３９】
ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０は、好ましくは、装置またはレーザ加工ヘッドに挿入し、それから取り外すことができる。これは、ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０が装置またはレーザ加工ヘッド内に、好ましくはビーム経路のコリメート部分内に、または代替案としてビーム経路の発散または収束部分内に移動可能に取り付けられることを意味する。このようにして、焦点面における強度プロファイルの環形成は、オンおよびオフに選択的に切り替えることができる。永続的な環形成には、当然ながら、ビーム形成レンズ系またはアキシコン配列１０をビーム経路において永続的に据え付けることもできる。
【００４０】
マイクロアキシコンの表面の湾曲により、発明のアキシコン配列は、レーザビームの達成可能なレイリー長を増大させることを可能にし、したがって、焦点面における環の厚さは増大され、ピーク強度は低下される。これにより、工作物上の均一な環状強度分布、およびそれから生じるより均一な温度分布が可能になる。可変焦点距離を有するレンズを使用するとき、環状焦点の直径をそれぞれの工作物に合わせて変更し、適合させることもできる。このようにして、発明のアキシコン配列を有するレーザ加工ヘッドを多様なやり方で使用することができる。
【図１】
2019515356.tif 000003
【図２ａ】
2019515356.tif 000004
【図２ｂ】
2019515356.tif 000005
【図３】
2019515356.tif 000006
【図４ａ】
2019515356.tif 000007
【図４ｂ】
2019515356.tif 000008
【図５】
2019515356.tif 000009
【図６ａ】
2019515356.tif 000010
【図６ｂ】
2019515356.tif 000011
【図６ｃ】
2019515356.tif 000012
【図６ｄ】
2019515356.tif 000013
【図７】
2019515356.tif 000014
【図８】
2019515356.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成30年9月3日(2018.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、
前記レーザビームの環状強度プロファイルを作り出すための複数のマイクロアキシコン（１１）を有する２次元アキシコン配列（１０）を特徴とするビーム形成レンズ系であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、それぞれ、ドーム状形状が作り出されるように湾曲した表面エリア（１１３）を有するビーム形成レンズ系と、
前記レーザビームを工作物（１８）上に集束するための集束レンズ系（１５）であって、前記ビーム形成レンズ系が、前記個々のマイクロアキシコンを通過する部分的ビームを重ね合せることによって、前記レーザビームの均一化された環状強度プロファイルを前記集束レンズ系（１５）の焦点面（Ｆ）において作り出すように設計される集束レンズ系（１５）とを備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の前記表面エリア（１１３）が、非球面に湾曲されることを特徴とする装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の頂点（１１１）および／または少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）の間の谷部（１１２）が、概数で表されることを特徴とする装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、亀甲模様で配列されることを特徴とする装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、規則的な格子構造でまたは不規則に配列されることを特徴とする装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記２次元アキシコン配列（１０）が、円錐状マイクロアキシコン（１１）を備え、または円錐状マイクロアキシコン（１１）からなることを特徴とする装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、少なくとも少数のマイクロアキシコン（１１）が、円形外周を有することを特徴とする装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、少なくとも少数のマイクロアキシコンが、二等辺三角形の形の横断面を有することを特徴とする装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記レーザビームを拡大するためのコリメータレンズ系（１７）をさらに備え、前記ビーム形成レンズ系が、前記コリメータレンズ系（１７）の下流の前記ビーム経路において配置されることを特徴とする装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、
前記焦点面（Ｆ）における前記強度プロファイルの環径を変えるために可変焦点距離を有する少なくとも１つのレンズをさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記ビーム形成レンズ系を前記装置のビーム経路に選択的に挿入することができることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載のレーザビームを使用して材料を機械加工するための装置であって、前記マイクロアキシコン（１１）が、異なる形状にされることを特徴とする装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
レーザビームを活用して材料を機械加工するための、例えば穴あけ、打抜きおよび溶接工程用の装置が、独国特許第２８２１８８３（Ｃ２）号からすでに周知であり、透明な屈折材料（アキシコン）からなる円錐が、レーザ加工ビームの軸方向に近接したおよび軸方向に遠隔の断面エリアの軸対称反転を実現するために、レーザビームを拡大するためのコリメータレンズ系と、レーザビームを工作物上に集束するための集束レンズ系との間に配置される。次いで、集束レンズ系は、その変更されたビーム特性に従って、環状領域内のレーザ加工ビームを工作物上に集束する。したがって、アキシコンの使用により、レーザ加工ビーム内の強度分布は、環状プロファイルが結果として焦点の領域内となるように変更される。
米国特許第６，３２６，９９８（Ｂ２）号は、複数のアキシコンを有する光学ぼかしフィルタを説明している。国際公開第２０１６／０１０９５４（Ａ２）号は、可変長および可変直径を有するレーザビームの焦線を使用して透明な材料を機械加工するための材料加工システムを説明している。米国特許出願公開第２０１４／０１２６０６１（Ａ１）号は、放物線の頂点を有する複数の円錐状アキシコンミラーを特徴とする配列を備える光学素子を説明している。特開２００６−１４２３３５号公報は、複数の円錐状レンズを備えるアキシコン組立品を用いて基板上のレーザ加工工程をいくつかの位置において同時に実行することができるレーザ加工装置に関する。独国特許第１０２００５０５９７５５（Ｂ３）号は、マイクロアキシコンの配列を用いた超短レーザパルスの波面のスペクトル分解特性の配列に関する。米国特許出願公開第２０１４／０００９８１６（Ａ１）号は、例えば、アキシコンレンズの配列を有する、鏡面反射の方向から視野角を遠ざけるために反射ディスプレイ用の拡散器に関する。米国特許出願公開第２００９／００５９３９４（Ａ１）号は、大きな直径を有する複数のレンズ、例えば、アキシコンが、あるやり方でセグメント化され、選択されたレンズセグメントが、ある配列で配置される、光を均一化するための方法に関する。パワーフォトニック（Ｐｏｗｅｒ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ）社によってインターネットで公開された「アキシコン配列ホモジナイザ」は、環の厚さまたは環の中心における消光比を、配列のアキシコンの特性がそれに応じて変更されるという点において調整することができるアキシコン配列に関する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【特許文献１】独国特許第２８２１８８３号
【特許文献２】米国特許第６，３２６，９９８号
【特許文献３】国際公開第２０１６／０１０９５４号
【特許文献４】米国特許出願公開第２０１４／０１２６０６１号
【特許文献５】特開２００６−１４２３３５号公報
【特許文献６】独国特許第１０２００５０５９７５５号
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１４／０００９８１６号
【特許文献８】米国特許出願公開第２００９／００５９３９４号
【国際調査報告】
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