(57)【要約】【課題】熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能になる光学レンズを得ること。【解決手段】光学レンズ１は、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であって、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａの大きさの２倍より小さくなるように、厚みｔおよび直径Ｄが選択されている。【選択図】図１
2018081232.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であって、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａの大きさの２倍より小さくなるように、厚みｔおよび直径Ｄが選択されている
ことを特徴とする光学レンズ。
【請求項２】
曲率半径をＲ、熱膨張および熱レンズ効果が生ずる前の焦点距離をｆ、屈折率をｎ、中心と端部との温度差をΔＴ℃とし、線膨張係数をαとすると、以下の数式が全て成立している
【数１】
2018081232.tif 000009
【数２】
2018081232.tif 000010
【数３】
2018081232.tif 000011
【数４】
2018081232.tif 000012
【数５】
2018081232.tif 000013
ことを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学レンズを備え、前記光学レンズを介してレーザー光により加工物を加工する
ことを特徴とするレーザー加工装置。
【請求項４】
集光レンズに前記光学レンズを使用する
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
【請求項５】
前記レーザー光の光路上において集光レンズの後に設けられて前記集光レンズを保護する保護レンズに前記光学レンズを使用する
ことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザー加工装置。
【請求項６】
前記レーザー光の光路上に備えたレンズ全てに前記光学レンズを使用する
ことを特徴とする請求項３に記載のレーザー加工装置。
【請求項７】
前記集光レンズに入射されるまでの光路において、前記レーザー光の収束状態を検出する検出器と、
前記光路方向に沿って、前記検出器の検出結果に基づいて前記集光レンズを駆動する駆動装置と、
を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のレーザー加工装置。
【請求項８】
前記検出器が前記収束状態を検出する検出位置より後の前記光路上に設けられたレンズ全てに前記光学レンズを使用する
ことを特徴とする請求項７に記載のレーザー加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点位置の変化を低減する光学レンズおよびこれを用いたレーザー加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
板金レーザー加工機は、レーザー光を集光させてパワー密度を高め、金属、樹脂材料などの被加工物に照射して穴あけ、切断などの加工を行うものである。特に、軟鋼またはステンレスといった金属の切断に広く用いられている。
【０００３】
レーザー加工機を用いた加工では、その焦点位置と加工対象物との関係が非常に重要である。焦点位置がずれると、加工速度の低下または切断面の面粗さの増大を引き起こす。レーザー加工機においてレーザー光を集光する光学レンズは、レーザー光が透過する時、その一部を吸収して温度が上昇する。この温度上昇によって、レンズの焦点位置が初期の位置から変化することになる。
【０００４】
上記のような焦点位置の変化、すなわちフォーカスシフトを低減するための技術としては、焦点位置を検出してレンズ位置を変化させるといった既存技術が存在する。焦点位置がずれるフォーカスシフトは、レーザー光がレンズを透過している時間とともに変化し、フォーカスシフト量は定められた時定数で定常値へ収束していく。フォーカスシフト量とは、焦点距離の変化量である。また、定常値へ収束したフォーカスシフト量は、レーザー光の強度に依存する。なぜならば、フォーカスシフト量を左右するレンズ内部に滞留する熱量は、時間経過およびレーザー光の強度に依存するからである。しかし、レーザー加工機は、連続運転ばかりではなく、運転（ＯＮ）および停止（ＯＦＦ）を頻繁に行うためレンズ内部の温度は温度上昇と温度下降を繰り返すこととなる。つまり、レンズ内部に滞留する瞬時の熱量を判断して、レンズ位置などを補正することは困難である。
【０００５】
そこで、特許文献１では、正の熱ひずみ係数を有する、すなわち屈折率の温度係数が正である物質からなる第１光学部材と、負の熱ひずみ係数を有する、すなわち屈折率の温度係数が負である物質からなる第２光学部材とを備え、第１光学部材と第２光学部材とが平行に移動することで熱レンズ効果を補正することができる透過型光学素子が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−９６７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、フォーカスシフトを発生させる要因は、レンズ内部の温度分布に伴う屈折率分布だけではなく、レンズの温度上昇に伴う熱膨張によるレンズの曲率変化も大きな要因である。特許文献１の技術では、補正素子の熱膨張によるフォーカスシフトを考慮しておらず、補正に誤差が生ずると考えられる。また、特許文献１の技術ではレーザー光の状態を検出器が計測して焦点位置の補正を行っているが、例えば保護レンズといった検出器以降の光路に存在するレンズに起因して発生するフォーカスシフトを補正することは出来ないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能になる光学レンズを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であることを特徴とする。さらに、本発明は、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａの大きさの２倍より小さくなるように、厚みｔおよび直径Ｄが選択されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる光学レンズの外観図
【図２】実施の形態１にかかるレンズホルダーに設置された光学レンズを示す図
【図３】実施の形態１にかかるレンズホルダーに設置された光学レンズの断面図
【図４】実施の形態１にかかるレーザー光を照射された光学レンズの断面図および光学レンズの径方向の内部温度分布を示す図
【図５】実施の形態１にかかる熱膨張した光学レンズの外観図
【図６】実施の形態１にかかる光学レンズの熱膨張によるレーザー光の光路変化を示す図
【図７】実施の形態１にかかる光学レンズの内部の屈折率分布によるレーザー光の光路変化を示す図
【図８】実施の形態３にかかるレーザー加工装置の加工ヘッドの構成を示す図
【図９】Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）の物性値を示す図
【図１０】実施の形態４にかかるレーザー加工装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態にかかる光学レンズおよびレーザー加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる光学レンズ１の外観図である。光学レンズ１の直径はＤ、焦点距離はｆ、厚みはｔ、レンズ曲面の高さはｚ、レンズ表面の曲率半径はＲである。図２は、実施の形態１にかかるレンズホルダー１１に設置された光学レンズ１を示す図である。図３は、実施の形態１にかかるレンズホルダー１１に設置された光学レンズ１の断面図である。
【００１４】
光学レンズ１に使用されているガラス材料の特性を示す値としては、屈折率ｎ、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数α、熱伝導率κ、透過率ζがある。これらの値の具体的な数値は、ガラスメーカーが発行するカタログに記載されていることが多い。また、もし不明な場合は、以下に示す計測方法によって算出することができる。
【００１５】
・屈折率ｎ：最小偏角法（ＪＩＳ  Ｂ  ７０７１）
・屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ：光学ガラスの屈折率の温度係数の測定方法（Ｊ１８−２００８）
・線膨張係数α：光学ガラスの常温付近の平均線膨張係数の測定方法（Ｊ１６−２００３）
・熱伝導率κ：レーザーフラッシュ法（ＪＩＳ  Ｒ  １６１１）
・透過率ζ：光学ガラスの内部透過率の測定方法（Ｊ１７−２０１２）
【００１６】
次に、使用するレーザーの波長および光学レンズ１の厚みｔに対応した吸光度Ａを算出する。吸光度Ａは、光学レンズ１の厚みｔ、光学レンズ１の透過率ζおよび透過率ζの計測長さから算出可能である。また、光学レンズ１の曲率半径Ｒは、焦点距離ｆおよび屈折率ｎから導くことができる。また、曲率半径Ｒおよびレンズ直径Ｄからレンズ曲面の高さｚを算出することが可能である。
【００１７】
これらの値を用いて、光学レンズ１について以下で説明する。図２に示すように、実施の形態１において、光学レンズ１はレンズホルダー１１などにより保持されている。レンズホルダー１１は、レーザー光２の入射面および出射面となる光学レンズ１の両面の端部周辺に対向して光学レンズ１の端部全体を取り囲むリング状の板１１０，１１１および柄１１２により構成されている。そして、リング状の板１１０の内部には光学レンズ１の端部全体を囲むように冷却水路１２が設けられている。
【００１８】
リング状の板１１０の光学レンズ１と接する内円部分に例えばネジ部（図示せず）が設けられていて、これと嵌合するネジ部（図示せず）がもう一方のリング状の板１１１の外周部分に設けられており、リング状の板１１０および１１１が光学レンズ１を挟んで締めることで光学レンズ１は固定される。また、光学レンズ１の側面は冷却水路１２に水を流すことにより冷却されており、光学レンズ１の側面の温度は一定となる。また、以下ではレーザー光２を照射し始めてから一定時間経過後の温度が定常になった場合について説明するが、実施の形態１にかかる光学レンズ１によれば、時間経過およびレーザー光２の強度によらず、以下で説明するのと同様な効果が得られる。
【００１９】
図４は、実施の形態１にかかるレーザー光２を照射された光学レンズ１の断面図および光学レンズ１の径方向の内部温度分布を示す図である。図４では、レンズホルダー１１および発振器は省略して図示してある。図４の左側は光学レンズ１の断面図を示し、図４の右側は光学レンズ１の径方向の温度分布である。図４の右側に示した温度分布は、具体的には、レンズ中心を通る径方向の軸上における光学レンズ１の温度の分布を示している。以下では、図４の左側に示すように光学レンズ１にレーザー光２を照射する場合について検討する。図５は、実施の形態１にかかる熱膨張した光学レンズ１の外観図である。
【００２０】
レーザー光２の照射後、レーザー光２が光学レンズ１を透過する際に光学レンズ１内に発生する熱は、光学レンズ１の中心部分から外周部分に向かって拡散する。そのため、図４の右側に示すように、光学レンズ１の中央部分では温度が高く、外周部分では相対的に温度が低くなるという温度分布を生じる。
【００２１】
これにより、図１に示した光学レンズ１の熱膨張が発生して図５に示すように変化する。すなわち、厚みはｔからｔ’へ、レンズ曲面の高さはｚからｚ’へ、レンズ表面の曲率半径はＲからＲ’へと変化する。曲率半径の変化は、レーザー光２を光学レンズ１のより近くに収束させることになる。すなわち、焦点距離がｆからｆ’へと短くなる方向に光学レンズ１の焦点位置を変化させる。
【００２２】
一方、光学レンズ１を構成する材料の屈折率ｎは温度依存性を有している。したがって光学レンズ１が図４の右側に示した温度分布を有する場合、この温度分布がそのまま屈折率分布の原因となり、いわゆる熱レンズ効果を発生する。この屈折率分布も、上記した曲率半径の変化と同様に光学レンズ１の焦点位置を変化させる。このとき、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが正であるガラス材料が用いられていれば焦点距離ｆ’がｆより短くなる方向に焦点位置が変化し、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるガラス材料が用いられていれば焦点距離ｆ’がｆより長くなる方向に焦点位置が変化する。ここで、ｆは光学レンズ１に熱膨張および熱レンズ効果が生ずる前の焦点距離である。
【００２３】
まず、レーザー光２を照射した場合に発生する光学レンズ１の熱膨張によるフォーカスシフト量を検討する。上述したように、フォーカスシフト量は、焦点距離の変化量である。図６は、実施の形態１にかかる光学レンズ１の熱膨張によるレーザー光２の光路変化を示す図である。図６は、レーザー光２を照射された光学レンズ１の熱膨張によるレーザー光２の光路変化を示している。
【００２４】
焦点距離ｆ、直径Ｄである光学レンズ１に、レーザー光２をＱｋＷ照射したとする。その場合、光学レンズ１は透過率ζにしたがいレーザー光２を透過するが、吸光度Ａ、レーザー光２の集光径およびビームプロファイルから算出される熱量を吸収する。光学レンズ１の内部に発生した熱によって、レンズ中心から端部にむかって温度勾配が生ずる。図４の右側に示す様に、光学レンズ１の端部は水冷されているためＴ0℃であるとすると、吸収した熱量によって、レンズ中心の温度がレンズ端部の温度Ｔ0℃よりもΔＴ℃上昇してＴ0＋ΔＴ℃となる。ΔＴ℃は、光学レンズ１の中心と端部との温度差であり、ΔＴを実測しようとするのであれば、放射温度計などで計測することができる。また、図１に示したレンズ曲面の高さｚがレンズ厚さｔよりも十分に小さい場合などは、光学レンズ１を円柱状と仮定することにより、ΔＴを簡易に計算することが可能である。
【００２５】
光学レンズ１の径方向に沿ったΔＴの分布、すなわち光学レンズ１の径方向に沿った温度分布が生じた結果、光学レンズ１は熱膨張を発生する。この結果、図１に示した光学レンズ１のレンズ曲面の高さｚは、レンズ中心の温度上昇ΔＴ、線膨張係数αおよび厚みｔから計算される図５に示したレンズ曲面の高さｚ’に変化すると考えられる。このｚ’から、新しい焦点距離ｆ’を算出することができる。熱膨張によって、ｚ’はｚよりも大きくなり、レーザー光２照射後のレンズの曲率半径Ｒ’は小さくなる。その結果、図６に示すように、新しい焦点距離ｆ’は熱膨張前の本来の焦点距離ｆよりも短くなる。すなわち、吸収した熱による光学レンズ１の熱膨張は、レーザー光２の光路を収束させる効果を有する。
【００２６】
次に、レーザー光２を照射した場合に発生する光学レンズ１の内部の温度分布から生ずる屈折率分布によるフォーカスシフト量を検討する。図７は、実施の形態１にかかる光学レンズ１の内部の屈折率分布によるレーザー光２の光路変化を示す図である。図７は、レーザー光２を照射された光学レンズ１に発生する内部の温度分布に起因する屈折率分布によるレーザー光２の光路変化を示している。
【００２７】
光学レンズ１は、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負のガラス材料によって作製されている。先にも述べたように、光学レンズ１は、レンズ内部に発生した熱によってレンズ中心の温度がレンズ端部よりもΔＴ℃上昇し、中心から端部にむかって温度勾配を有する。屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合、図７に示すように温度Ｔ0℃である光学レンズ１の端部における屈折率がｎであるとすると、光学レンズ１の中央部分の屈折率はｎ＋ｄｎ／ｄＴ×ΔＴとなり、レンズ端部の部分に比べて｜ｄｎ／ｄＴ×ΔＴ｜だけ低くなる。その結果、図７に示すように、新しい焦点距離ｆ’は温度分布が生じる前の本来の焦点距離ｆよりも長くなる。すなわち、吸収した熱による光学レンズ１の屈折率分布は、レーザー光２の光路を発散させる効果を有する。
【００２８】
以上説明したように、熱膨張によるフォーカスシフトと、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合の屈折率分布によるフォーカスシフトとは、相反する方向に生ずる性質を有している。そのため、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材料を使用することによりフォーカスシフト量を低減することができる。
【００２９】
ここで、熱膨張によるフォーカスシフトにより焦点距離がｆ’となった場合の光線行列は、以下の数式（１）で表される。
【数１】
2018081232.tif 000003
【００３０】
また、厚みがｔであり、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の光学レンズ１において熱レンズ効果が発生した場合の光学行列は、以下の数式（２）で表される。ここで、数式（２）の中のωは、光学レンズ１の屈折率ｎ、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、レンズ中心とレンズ端部との温度差ΔＴ、光学レンズ１の直径Ｄから数式（３）により算出される値である。
【数２】
2018081232.tif 000004
【数３】
2018081232.tif 000005
【００３１】
したがって、熱膨張によるフォーカスシフトと、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合の屈折率分布によるフォーカスシフトとが同時に生じた場合は、数式（１）の光線行列と数式（２）の光線行列とを乗算した結果から両効果が重畳したときの焦点距離が得られる。そして、光学レンズ１に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負のガラス材料を用いることにより、両効果を重畳させた焦点距離と本来の焦点距離ｆとの差であるフォーカスシフト量を熱膨張のみの効果で生じるフォーカスシフト量より抑制することが出来る。すなわち、新たに、駆動装置、制御系またはレンズなどを追加せずに、熱膨張で生じるフォーカスシフト量を低コストに低減することが可能となる。
【００３２】
実施の形態２．
光学レンズ１の熱膨張によるフォーカスシフトは、光学レンズ１の曲率半径Ｒが小さくなることにより、焦点距離が短くなる方向の変化になる。なお、以下では、本来の焦点距離ｆから変化後の焦点距離を減じた量をフォーカスシフト量とする。
【００３３】
したがって、熱膨張によるフォーカスシフト量をｆａとすると、ｆａは正の値となる。ここで、熱膨張後のレンズ中心の曲率半径Ｒ’は、熱膨張前のレンズの曲率半径Ｒを用いて、以下の数式（４）で表現され、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａは、以下の数式（５）で表される。
【数４】
2018081232.tif 000006
【数５】
2018081232.tif 000007
【００３４】
また、屈折率分布による熱レンズ効果によるフォーカスシフト量をｆｂとする。実施の形態１に示した数式（２）の光線行列から熱レンズ効果による変化後の焦点距離が求まるので、フォーカスシフト量ｆｂは、以下の数式（６）で表される。
【数６】
2018081232.tif 000008
【００３５】
上述したように、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の場合は、フォーカスシフト量ｆｂは負の値となるので、最終的なフォーカスシフト量であるｆａ＋ｆｂの大きさである｜ｆａ＋ｆｂ｜を抑制することができる。また、ｆａ＋ｆｂ＜０となるような屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴを選ぶと、熱膨張のみが生じた場合とは逆方向のフォーカスシフトが起きてしまう。
【００３６】
ここで、最終的なフォーカスシフト量の大きさを熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａの大きさより小さくするには、｜ｆａ｜＞｜ｆａ＋ｆｂ｜であることが必要である。つまり、屈折率分布によるフォーカスシフト量ｆｂが、０＞ｆｂ＞−２ｆａの範囲であることが要件となる。言い換えると、２｜ｆａ｜＞｜ｆｂ｜＞０が成り立つこと、すなわち熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆｂの大きさが熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａの大きさの２倍より小さくなることが要件となる。この不等式を満たす、負の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、レンズ厚みｔおよびレンズ直径Ｄを光学レンズ１に対して選択することで、熱レンズ効果によるフォーカスシフト量ｆｂを過大にしないで熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａを低減することが可能となる。
【００３７】
実施の形態３．
図８は、実施の形態３にかかるレーザー加工装置の加工ヘッド２１の構成を示す図である。図８は、光学レンズ１の中心を通る断面図を示しているが、レーザー加工装置に含まれるレーザー光２を発生するレーザー発振器、レーザー光２を加工ヘッド２１まで導く光路系などは省略してある。加工ヘッド２１内のレーザー光２の光路上には、レンズホルダー１１に保持された集光レンズである光学レンズ１およびレンズホルダー１３に保持された保護レンズ２３が順に設けられている。
【００３８】
図８において、レーザー光２はレーザー発振器から光学系を介して加工ヘッド２１に導かれる。加工ヘッド２１に入射したレーザー光２は、加工ヘッド２１内の光学レンズ１に入射して集光され、その後、スパッタなどから光学レンズ１を保護する保護レンズ２３を通過した後、加工物２２上に集光した状態で照射される。
【００３９】
加工物２２は、たとえば、軟鋼、ステンレスといった金属である。これらの加工物２２の切断加工においては、加工ヘッド２１が加工物２２の表面と平行すなわち水平方向に移動する、あるいは加工物２２が水平方向に移動することによって切断加工が行われる。ここで使用されるレーザー光２は、たとえば、ファイバーレーザー、ＹＡＧレーザー、半導体レーザー、ＣＯ２レーザーなどである。なお、光学レンズ１に使用するガラス材料は使用するレーザーによって異なる。
【００４０】
レーザー発振器が発振してレーザー光２を出射した後、加工ヘッド２１に設置されている光学レンズ１はレーザー光２を吸収し、実施の形態１で説明したように、レンズ中心の温度がレンズ端部の温度Ｔ0℃よりもΔＴ℃上昇し、レンズ中心から端部にむかって温度勾配が生じる。
【００４１】
以下では、光学レンズ１の屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負である場合におけるフォーカスシフト量について具体的に説明する。
【００４２】
光学レンズ１の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるＳ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）を使用した場合を考える。図９は、Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）の物性値を示す図である。Ｓ−ＦＳＬ５（ＯＨＡＲＡ）を用いた光学レンズ１にレーザー光２を照射することにより光学レンズ１に生じた温度分布によって、実施の形態１で説明したように熱膨張および屈折率分布が生じる。
【００４３】
Ｓ−ＦＳＬ５を材料に使用した、直径Ｄがφ２５ｍｍ、厚みｔが４ｍｍ、焦点距離ｆが６００ｍｍの光学レンズ１の場合に、ΔＴが例えば１０℃であったと仮定する。このとき、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａは、数式（４）および（５）に基づいて、ｆａ＝０．９２ｍｍとなる。
【００４４】
また、屈折率分布による熱レンズ効果が生じた場合のωは、数式（３）により、ω＝８．６Ｅ−０８となる。数式（１）の光線行列と数式（２）の光線行列とを乗算して、熱膨張の効果および熱レンズ効果を含んだ光線行列を計算して求めたフォーカスシフト量は０．８０ｍｍとなる。従って、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負であるＳ−ＦＳＬ５を材料に使用した上記条件の光学レンズ１においては、熱膨張によるフォーカスシフト量ｆａ＝０．９２ｍｍを低減するように屈折率分布による熱レンズ効果が作用している。
【００４５】
なお、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが−６．８Ｅ−０６程度で、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ以外の物性値がＳ−ＦＳＬ５と同じ材料を使用した、直径Ｄがφ２５ｍｍ、厚みｔが４ｍｍ、焦点距離ｆが６００ｍｍの光学レンズ１の場合には、加工光路系全体の総合的な焦点位置は殆ど変化しない。すなわち、フォーカスシフト量をほぼゼロにすることができる。
【００４６】
なお、実施の形態３においては、Ｓ−ＦＳＬ５で作製された光学レンズ１を用いて説明したが、光学レンズ１の材料はＳ−ＦＳＬ５に限定されるものではない。すなわち、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を光学レンズ１に使用するのであれば、上記と同様の効果を得ることができる。ただし、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ、線膨張係数αおよび熱伝導率κは材料ごとに異なり、光学レンズ１の直径Ｄおよび厚みｔによってもフォーカスシフト量は異なる。さらに、透過率ζはレーザー光２の波長に依存するため、使用するレーザー光２またはその他状況に応じて材料は最適なものを選定する。
【００４７】
また、保護レンズ２３には、両面に曲率を有さない平面ガラスが用いられることが多い。しかし、レーザー出力による熱膨張によって保護レンズ２３に形状変化が起こり、保護レンズ２３がレーザー光２を収束するレンズとしての効果をもつこととなり、結果的にフォーカスシフトを生じさせることがある。これに対して、保護レンズ２３の材料としても光学レンズ１と同様に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いることにより、保護レンズ２３単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。
【００４８】
すなわち、保護レンズ２３に使用する材料に屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いる場合も、実施の形態１、２および上記で述べたのと同様な議論が成り立ち、熱膨張によるレーザー光２の収束効果を、屈折率の温度係数が負である材料を用いたことにより生ずるレーザー光２の発散効果で打ち消させることが可能となる。なお、保護レンズ２３は、曲率を有していてもよく、この場合は、実施の形態１、２および上記で述べたのと全く同じ議論が成立する。
【００４９】
さらに、レーザー発振器から出射されたレーザー光２の光路上に備えられたレンズ全てに、実施の形態１、２または上記で説明した屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いても、レンズそれぞれが単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。
【００５０】
実施の形態４．
図１０は、実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００の構成を示す図である。レーザー加工装置１００は、加工ヘッド２１と、レーザー発振器（図示せず）からのレーザー光２を加工ヘッド２１内へと反射する反射鏡２４と、反射鏡２４におけるレーザー光２の収束状態を検出する検出器２５と、検出器２５の検出結果に基づいてレーザー光２の集光位置を動かす駆動装置２６と、を備える。また、図１０において反射鏡２４の左側になるレーザー発振器と反射鏡２４との間にもレンズが通常存在するが、図１０では記載を省いてある。
【００５１】
加工ヘッド２１内のレーザー光２の光路上には、レンズホルダー１１に保持された集光レンズである光学レンズ１およびレンズホルダー１３に保持された保護レンズ２３が順に設けられている。保護レンズ２３は、レーザー光２の光路上において集光レンズである光学レンズ１の後に設けられており、光学レンズ１といった加工レンズ群をレーザー加工時のスパッタなどから保護するためのレンズである。実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００においては、保護レンズ２３の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質が用いられている。
【００５２】
レーザー光２は、光学レンズ１により集光される。検出器２５は、レーザー光２がレーザー発振器から光学レンズ１に入射されるまでの光路において、レーザー光２の収束状態を検出結果として検出することができるセンサーといった計測装置である。レーザー光２の収束状態の具体例は、レーザー光２のビーム径である。したがって、レーザー光２の収束状態を検出する検出位置は、反射鏡２４の位置でなくてもかまわない。駆動装置２６は、検出器２５が検出したレーザー光２の収束状態に基づいて、レーザー光２の光路方向に沿ってレンズホルダー１１および光学レンズ１を前後に駆動することができる。これにより、レーザー光２の集光位置を修正することが可能となるので、光路上の上記検出位置より前に存在するレンズに起因するフォーカスシフトによる集光位置のずれを補正することができ、フォーカスシフトの影響を低減する効果が得られる。
【００５３】
しかし、検出器２５は、上述したようにレーザー光２がレーザー発振器から光学レンズ１に入射されるまでの光路の中に組み込まれるため、検出位置より後の光路上で生ずるフォーカスシフトは修正できない。
【００５４】
実施の形態３で説明したように、レーザー出力による熱膨張によって、本来曲率を有していなかった保護レンズ２３に形状変化が起こり、保護レンズ２３がレーザー光２を収束するレンズとしての効果をもつこととなり、結果的にフォーカスシフトを生じさせることがある。この効果は、上記検出位置の後で発生するため、検出器２５および駆動装置２６ではこの効果によるフォーカスシフトを補正することは出来ない。
【００５５】
しかし、実施の形態４にかかるレーザー加工装置１００においては、保護レンズ２３の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いているので、レーザー光２の上記検出位置より後の光路上に保護レンズ２３が設けられていても、実施の形態３と同様に、保護レンズ２３単体で熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。
【００５６】
また、光学レンズ１の材料として屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いれば、光学レンズ１の熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となることは言うまでもない。さらに、検出器２５がレーザー光２の収束状態を検出する検出位置より後の光路上に設けられたレンズ全てに、実施の形態１、２または３で説明した屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いてもよい。これにより、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴが負の材質を用いたレンズそれぞれが単体で、検出器２５および駆動装置２６では補正できない熱膨張に起因するフォーカスシフト量を低減することが可能となる。
【００５７】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  光学レンズ、２  レーザー光、１１，１３  レンズホルダー、１２  冷却水路、２１  加工ヘッド、２２  加工物、２３  保護レンズ、２４  反射鏡、２５  検出器、２６  駆動装置、１１０，１１１  リング状の板、１１２  柄。
【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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