(57)【要約】      （修正有）【解決手段】ビームシェイパの光学素子１，２は、光軸に沿って前後に配置され，光軸に垂直な軸ｘに沿って互いに対して相対変位Δｘで変位可能である。光学素子１，２の自由曲面１.１，２.１は、有限個の多項式次数においてゼロとは異なる多項式係数を有する多項式展開として記述される高さプロファイルを有する。３を超える多項式次数に割り当てられた少なくとも１つの多項式係数はゼロとは異なる。自由曲面１.１，２.１の高さプロファイルは、ガウスビーム密度プロファイルで光軸を中心に回転対称に分布した入力ビームＥＳが、受光平面において矩形断面内に制限され、光軸を中心に均一に分布した出力ビームに回折されるように選択される。【効果】受光平面の距離および制限矩形断面の範囲は、光学素子１，２の相対変位Δｘによって互いに関連して変化させることができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸(ｚ)に沿って互いに前後に配置される第１の光学素子(１)および第２の光学素子(２)を少なくとも有するビームシェイパ(Ｆ)であって、
前記光学素子(１，２)は、それぞれ、少なくとも１つの光学的に機能する自由曲面(１.１，２.１)を有し、
前記光学素子(１，２)は、前記光軸(ｚ)に垂直な少なくとも１つの軸(ｘ)に沿って互いに対して相対変位(Δｘ)で変位可能に配置され、
光学的に機能する前記自由曲面(１.１，２.１)は、有限個の多項式次数においてゼロとは異なる多項式係数を有する多項式展開として記述される高さプロファイル(Δｚ(ｘ，ｙ))を有し、
３より大きい多項式次数に割り当てられた少なくとも１つの多項式係数がゼロとは異なり、
少なくとも２つの前記自由曲面(１.１，２.１)の前記高さプロファイル(Δｚ(ｘ，ｙ))は、ガウスビーム密度プロファイルを有し前記光軸(ｚ)を中心に回転対称に分布する入力ビーム(ＥＳ)が、受光平面(Ｂ，Ｂ')において矩形断面内に制限され、前記光軸(ｚ)を中心に均一に分布する出力ビーム(ＡＳ)に回折されるように選択され、
前記受光平面(Ｂ，Ｂ')の距離および制限された前記矩形断面の範囲が、少なくとも２つの前記光学素子(１，２)の前記相対変位(Δｘ)によって互いに関連して変更される、
ことを特徴とするビームシェイパ(Ｆ)。
【請求項２】
制限された前記矩形断面は正方形である、ことを特徴とする請求項１に記載のビームシェイパ(Ｆ)。
【請求項３】
前記第１および第２の自由曲面(１.１，２.１)の前記高さプロファイル(Δｚ(ｘ，ｙ))は、前記光軸(ｚ)を中心とする１８０度の回転に対して反対称に形成され、かつ、互いに対向して配置されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のビームシェイパ(Ｆ)。
【請求項４】
前記光学素子(１，２)がシリカガラスからなる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のビームシェイパ(Ｆ)。
【請求項５】
レーザ光源(１１)と、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光軸(ｚ)に沿って下流に位置するビームシェイパ(Ｆ)とを備え、前記レーザ光源(１１)は、前記光軸(ｚ)を中心に回転対称なガウスビーム密度プロファイルを有するコリメートされたレーザ光を放射するように設置されている、ことを特徴とするレーザ光学系(１０)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、矩形ビーム密度プロファイルを生成するために、光軸に垂直に移動可能な光学自由曲面を有するビームシェイパに関する。矩形ビーム密度プロファイルは、光軸の周りで光軸に垂直な矩形断面内で均質なビーム密度を有する。矩形断面の外側では、矩形ビーム密度プロファイルは、ビーム密度が全くないか、または無視できるほど低い。
【背景技術】
【０００２】
光軸に垂直な入口平面における分布が入力ビーム密度分布によって決定されるコリメートされた入力ビームの束が、光軸に垂直な出口平面における分布が出力ビーム密度分布によって決定されるコリメートされた出力ビームの束に変換されるビームシェイパは、従来から知られている。例えば、入力ビーム密度分布が回転対称ガウスプロファイルによって決定され、出力ビーム密度分布がトップハットプロファイルによって決定されるビームシェイパが知られている。
【０００３】
さらに、部分表面を有する２つの光学素子を光軸に垂直なｘ方向に沿って移動させることで、焦点距離がｚ方向に位置する光軸に沿って変化し、かつ、前記部分表面が自由曲面として形成されている様々な集束光学システムが従来から知られている。互いに垂直でかつｚ光軸に垂直なｘ，ｙ方向に沿ってのび、ｚ光軸の方向に距離εだけ離れた２つの等しく成形された部分表面は（以下の数１参照）、焦点距離の変化をもたるすことが知られている。
【０００４】
【数１】
2019023721.tif 000003
【０００５】
ｘ軸に沿ってΔｘだけ変位した場合の焦点距離は、以下の数２である。
【０００６】
【数２】
2019023721.tif 000004
ここで、ｎは、材料の屈折率であって両光学素子で同じであり、光学素子間の自由ビーム通過は空気中で生じる。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、回転対称ガウスプロファイルに対応する入力ビーム密度分布を有するコリメートされた入力ビームが、出力ビーム密度が受光平面において矩形ビーム密度プロファイルに従う出力ビームに変換され、そのプロファイルが少なくとも一次元に沿って可変であるビームシェイパを提供するという目的に基づく。特に、本発明は、特に短い全長を可能にするこの種のビームシェイパを提供するという目的に基づく。さらに、本発明は、異なるビーム密度および/または異なる作業距離に対する調整が特に容易であり、改善された加工品質を有するレーザ材料加工用のレーザ光学系を提供するという目的に基づく。
【０００８】
本発明によるビームシェイパに関する目的は、請求項１の特徴を有するビームシェイパによって達成される。レーザ光学系に関する目的は、請求項５の特徴を有するレーザ光学系によって達成される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１０】
ビームシェイパは、少なくとも１つの第１の光学素子と、光軸に沿って第１の光学素子の後に配置された第２の光学素子とを有する。第１および第２の光学素子は、光軸に垂直に設けられた少なくとも１つの変位軸に沿って互いに対して変位可能である。
【００１１】
第１および第２の光学素子はそれぞれ、少なくとも１つの光学的に機能する自由曲面を有する。各自由曲面は、高さプロファイルによって記述することができ、これは、自由曲面の基準点に対する光軸の方向の距離として自由曲面の各点に高さの差を割り当てる。好ましくは、基準点は、自由曲面の中心に位置するように選択される。
【００１２】
第２の光学素子に対する第１の光学素子の各変位に対して、ビームシェイパの光学効果は、ビーム経路における各入射入力ビームに対してもたらされる変化の全体から生じる。所定の自由曲面を有する光学素子では、ビームシェイパの光学効果は、幾何光学の限界内で原則的に任意の精度でビーム計算によって決定することができる。自由曲面を有する光学素子のビーム計算方法は、従来から知られている。
【００１３】
自由曲面の高さプロファイルは、多項式展開によって記述することができ、当該多項式展開は、有限個の多項式次数においてゼロとは異なる多項式係数を有し、３より大きい多項式次数に割り当てられた少なくとも１つの多項式係数は、ゼロとは異なる。
【００１４】
そのような多項式展開の多項式係数は、ビーム密度分布が、焦点距離でビームシェイパの出口側に設けられた受光平面において矩形ビーム密度プロファイルに従うように、光学素子の各自由曲面に対して選択され、焦点距離および矩形ビーム密度プロファイルの範囲は、第２の光学素子に対する第１の光学素子の変位に応じて可変である。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態では、それぞれの場合において、第１および第２の光学素子の自由曲面は、光軸に沿って互いに対向して配置され、これらの自由曲面の高さプロファイルは、光軸を中心とする１８０度の回転に対して反対称（逆対称）に形成される。
【００１６】
この実施形態は、第１および第２の光学素子が同様に作成され、互いに対して光軸の周りに１８０度だけ回転した状態でビームシェイパ内に取り付けられることができるという利点を提供する。これは、ビームシェイパの製造コストを低減する。
【００１７】
本発明の別の実施形態では、光学素子はシリカガラスからなる。シリカガラスは、特に温度変化に耐性があり、熱膨張係数が低い。したがって、この実施形態は、高レーザパワーでのレーザビームのビーム整形に特に適している。さらに、この実施形態の好ましい変形例では、光学損失およびそれらの熱への変換を低減するために、光学素子の光学的に機能する表面に、反射防止コーティングが設けられる。
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面を用いてより詳細に説明する。図面は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、零点位置に自由曲面を有する２つの光学素子を概略的に示す。
【図２】図２は、自由曲面の表面プロファイルを概略的に示す。
【図３】図３は、自由曲面を有する互いに変位した２つの光学素子を概略的に示す。
【図４】図４Ａ、図４Ｂは、異なる変位位置における２つの自由曲面を有するビームシェイパのビーム経路を概略的に示す。
【図５】図５は、ビームシェイパを通るビームに対する、入口平面内の入口点の、受光平面内の受光点への割り当てを概略的に示す。
【図６】図６は、ビームシェイパを有するレーザ光学系を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
すべての図において、互いに対応する部分には同じ参照符号が付されている。
【００２１】
図１は、屈折率ｎ＞１を有する光学的に密な材料からなる第１の光学素子１および第２の光学素子２を有するビームシェイパＦを示す。光学素子１，２は、自由曲面１.１，２.１を有し、これらの自由曲面は、ｚ光軸に沿って互いに対向して配置されている。光学素子１，２は、ｚ光軸に垂直な第１の水平なｘ軸に沿って互いに変位可能であり、ｚ光軸と第１のｘ軸の双方に垂直な第２のｙ軸に沿って互いに不動に配置される。しかしながら、光学素子１，２が第２のｙ軸に沿ってさらに変位可能である本発明の例示的な実施形態も可能である。
【００２２】
ｚ光軸に垂直に変位可能な光学素子の配置のための機械的装置は、従来から知られている。例えば、光学素子１，２は、詳細には示されていない、スピンドルスクリューを介してｘ方向に互いに対して変位可能なマウント内に取り付けることができる。光学素子１，２がｘ方向に互いに対しておよびｚ光軸に対して変位可能である解決策が知られている。しかし、第１の光学素子１がｚ光軸に対して不動に配置され、他方の光学素子２がｚ光軸に対して変位可能であり、したがって第１の光学素子１に対してｘ方向にも変位可能であることも可能である。
【００２３】
各光学素子１，２は、ｚ光軸に垂直な平面１.２，２.２と反対側に自由曲面１.１，２.１を有する。しかし、自由曲面１.１，１.２の反対側の表面が平坦にされない本発明の実施形態も可能である。さらに、光学素子の平坦面１.２，２.２が互いに対向して配置され、自由曲面１.１，２.１が互いに離れる方向に向いて配置される実施形態が可能である。
【００２４】
自由曲面１.１，２.１は、相補的に作られ、そして、零点位置において次々に設けられ、ｚ光軸に沿ってオフセットεだけ離されており、第１の自由曲面１.１は、以下の数３の関数ｚ(1)として記述され、第２の自由曲面２.１は、以下の数４の関数ｚ(2)として記述される。
【００２５】
【数３】
2019023721.tif 000005
【００２６】
【数４】
2019023721.tif 000006
【００２７】
図２は、それぞれの基準点１.１.１，２.１.１で中心高さに対しての自由曲面１.１, ２.１の高さプロファイルΔｚ(ｘ,ｙ)（以下の数５参照）を概略的に示し、基準点は、自由曲面１.１，２.１においてｚ光軸の通過点ｘ＝０、ｙ＝０として定義される。したがって、高さプロファイルΔｚ(ｘ,ｙ)は、ｚ光軸に垂直なデカルト座標ｘ,ｙの関数として、ｚ光軸に沿った自由曲面１.１，２.１の高さの変化を記述し、この高さ変化は、基準点ｘ＝０，ｙ＝０に対して与えられる。
【００２８】
【数５】
2019023721.tif 000007
【００２９】
光学素子１，２は、ｘ，ｙ平面において円形断面を有する。しかしながら、異なる断面形状を有する例示的な実施形態も可能である。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態では、自由曲面１.１，２.１が以下の数６の通り反対称に形成される。
【００３１】
【数６】
2019023721.tif 000008
【００３２】
そして、光学素子１、２は、同じ設計を有するが、自由曲面１.１，２.１が互いに対向するようにｚ光軸の周りに１８０°回転されて配置されており、したがって、自由曲面１.１，２.１の相補的な対を形成する。
【００３３】
自由曲面１.１，２.１の高さプロファイルは、デカルト座標の形式においてｚ光軸に対する横方向距離ｘ、ｙに依存する多項式展開（数７参照）によって記述することができる。
【００３４】
【数７】
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【００３５】
さらに、他の座標系、例えば極座標の多項式展開が可能である。デカルト座標の多項式展開から別の座標系の多項式展開への変換は、従来から知られている。
【００３６】
本発明によれば、多項式次数Ｍ，Ｎのうちの少なくとも１つは、３より大きいものとして選択される。
【００３７】
図１に示す配置では、零点位置において、したがって、水平オフセットΔｘ＝０において、基準点１.１.１，２.１.１は、ｘ軸およびｙ軸に沿って一致して位置し、ｚ光軸に沿ってオフセットεだけ互いに離れている。この零点位置では、ｚ光軸に対してコリメートされ、ガウスプロファイルに従って分布された入力ビームＥＳは、ビームシェイパＦを通過するときにビーム方向に偏向され、その結果、ビームシェイパＦの出口側で受光平面Ｂにおいて受光される出力ビームＡＳは、図４Ａに概略的に示されるように、矩形ビーム密度プロファイルに従って分布される。この実施形態の場合、矩形ビーム密度プロファイルは、一般性を失うことなく正方形である。
【００３８】
図３に概略的に示されるように、本発明のビームシェイパＦにおける光学素子１，２は、ｚ光軸に垂直なｘ軸に沿って互いに対してシフト可能であり、したがって零点位置から移動可能である。第１の光学素子１の第１のオフセットΔｘ１の変位は、以下の数８の関数ｚ(1)(ｘ,ｙ)に従って第１の自由曲面１.１を生成する。
【００３９】
【数８】
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【００４０】
第２の光学素子２の第２のオフセットΔｘ２の変位は、以下の数９の関数ｚ(2) (ｘ,ｙ)に従って第２の自由曲面２.１を生成する。
【００４１】
【数９】
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【００４２】
光学効果については、この場合、自由曲面１.１，２.１間の相対変位Δｘ＝Δｘ１−Δｘ２だけが重要である、というのも、両光学素子１，２の同様の変位だけがｚ光軸のオフセットをもたらすからである。
【００４３】
ガウス入力ビーム密度分布が変化しない場合の相対変位Δｘは、潜在的に各出力ビームＡＳの位置および方向を変化させる。特に、相対変位Δｘは、零点位置Δｘ＝０に対する受光平面Ｂと対向するようにｚ光軸に沿ってシフトされた受光平面Ｂ'において矩形ビーム密度分布が生じるという効果を有する。さらに、相対変位Δｘは、シフトされた受光平面Ｂ'において、零点位置に対して寸法が変化し、したがってビーム密度も変化した矩形ビーム密度分布を形成するという効果を有することができる。
【００４４】
相対変位Δｘに依存する受光平面Ｂ'の位置、および、矩形ビーム密度分布の寸法は、異なる変位Δｘ≠０に対して図４Ｂに概略的に示される。
【００４５】
所望の光学効果が相対変位Δｘの関数として達成されるように自由曲面１.２，２.１についての高さプロファイルΔｚ(ｘ,ｙ)を決定する問題は、入口平面内の入口点ｘＳ，ｙＳを有する複数のビームＳにおいて、対応する受光点ｘ'ｓ，ｙ'ｓが、所望の光学効果またはビーム整形に対応する仮想受光平面Ｂ，Ｂ'に対して確立され得るように定式化され得る。ビームＳの所望の経路が達成される高さプロファイルΔｚ(ｘ,ｙ)に対する補間点は、様々な相対変位Δｘに対してビーム計算によって入口点ｘｓ，ｙｓおよび割り当てられた受光点ｘ'ｓ，ｙ'ｓの設定から決定することができる。
【００４６】
高さプロファイルΔｚ(ｘ，ｙ)に対しての補間点の数値決定のための方法、およびそこから導出される、高さプロファイルΔｚ(ｘ,ｙ)自体の数値決定のための方法は、当該技術分野で周知である。特に、高さプロファイルΔｚ(ｘ，ｙ)の近似を表す、所定の多項式次数Ｍ，Ｎについての多項式展開Δｚ(ハット)(ｘ，ｙ)の係数ｃｍ,ｎを決定できる方法は周知である。
【００４７】
例えば、相対変位Δｘ＝０で、入口点ｘｓ，ｙｓが入口平面内のガウス回転対称ビーム密度に従って分布していると、受光点ｘ'ｓ，ｙ'ｓは、受光平面Ｂに割り当てられ、図５に概略的に示されるように、光軸(ｚ)を中心とする正方形断面内で実質的に均一に分布する。
【００４８】
同様に、相対変位Δｘ>０で、入口点ｘｓ，ｙｓが入口平面内でガウス状に分布していると、受光点ｘ'ｓ，ｙ'ｓは、同じく均一に分布するが、距離が短縮されて受光平面Ｂ'に割り当てられ、この受光平面Ｂ'がビームシェイパＦに近づくにつれて受光点ｘ'ｓ，ｙ'ｓの密度が増加する。零点位置から取られる相対変位Δｘの光学効果が図４Ｂに概略的に示される。この光学効果は、相対変位Δｘ＞０の増加と共に増加しかつ相対変位Δｘから決定される各受光平面Ｂ'における矩形断面内で均一なビーム密度にも対応する。
【００４９】
このような光学効果を有するビームシェイパＦによって、例えば、ガウス状に分布した概してほぼ回転対称なビーム密度を有する、レーザ源から出てくるレーザビームを、光軸(ｚ)を中心とした矩形または正方形の断面を有する均一に分布したビーム密度に変換することが可能である。このような均一なビーム密度分布は、ガウスビーム密度分布よりも多くの利点を有し、特に、レーザによる材料加工、例えば、均一で、境界がシャープな材料除去に対して有利である。
【００５０】
図６は、レーザ光源１１およびビームシェイパＦを有するレーザ光学系１０を概略的に示す。レーザ光源１１は、ｚ光軸に対してコリメートされ、ｚ光軸に対して回転対称なガウスビーム密度プロファイルを有するレーザ光を放射するように設置されている。
【００５１】
第１および第２の光学素子１，２を有する本発明のビームシェイパＦは、ｚ光軸に沿って下流側に位置される。ワークピース１２の加工表面１２.１，１２.２，１２.３は、光学素子１，２の相対変位Δｘに相互に依存する受光平面Ｂ，Ｂ'に配置される。この場合、第１の処理表面１２.１は、光学素子１，２がシフトされていない(Δｘ＝０)場合の零点位置の受光平面Ｂにある。第２の処理表面１２.２は、正の相対変位Δｘ＞０の場合の受光平面Ｂ'内にある。第３の処理表面１２.３は、負の相対変位Δｘ＜０の場合の受光平面Ｂ'内にある。
【００５２】
したがって、相対変位Δｘを調整することによって、レーザ光学系１０とワークピース１１との間の異なる作業距離に対して、常に均一または均質なビーム密度分布を達成することができる。
【００５３】
これに加えて、またはこれに代えて、光学素子間の相対変位Δｘを調整することによって、均一なビーム密度分布の矩形断面の広がりを変化させることができ、同時に、ワークピース１２の処理表面１２.１，１２.２，１２.３を、ｚ光軸に沿った移動によって、対応する受光平面Ｂ，Ｂ'と整合させることも可能である。これにより、断面が矩形の均質なビーム密度分布のビーム密度を変化させることができる。したがって、例えば、特に簡単な方法でアブレーションレーザ加工する場合に、除去速度または除去深さを変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１，２ 第１，第２の光学素子
１.１, ２.１ 自由曲面
１.２， ２.２  平坦面
１.１.１，２.１.１ 基準点
１０  レーザ光学系
１１  レーザ源
１２  ワークピース
１２.１, １２.２, １２.３ 第１，第２，第３の作業表面
ＡＳ  出力ビーム
Ｂ  受光平面
ＥＳ  入力ビーム
Ｆ  ビームシェイパ
Ｓ ビーム
ｘ 第１の軸
Δｘ 相対変位
ｙ 第２の軸
ｚ 光軸
Δｚ(ｘ，ｙ) 高さプロファイル
ｘｓ，ｙｓ 入口点
ｘ'ｓ,ｙ'ｓ 出口点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2019023721.tif 000015
【図５】
2019023721.tif 000016
【図６】
2019023721.tif 000017
【外国語明細書】
2019023721000001.pdf