(57)【要約】【課題】波長の異なる中赤外光のレーザ光と可視光とを、被加工物に対して適切に照射する。【解決手段】このレーザ加工装置は、中赤外光のレーザ光を出射すると同時に可視光を出射するレーザ光出力部１０と、第１光学系１１と、第２光学系１２と、を備えている。第１光学系１１は、レーザ光出力部１０から出力されるレーザ光及び可視光が透過可能であり、レーザ光及び可視光を平行光にする。第２光学系１２は、第１光学系１１からのレーザ光及び可視光が透過可能であり、レーザ光及び可視光の軸上色収差を補正して被加工物に照射する。【選択図】図１
2015226919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中赤外光のレーザ光を出射すると同時に可視光を出射するレーザ光出力部と、
前記レーザ光出力部から出力されるレーザ光及び可視光が透過可能であり、前記レーザ光及び可視光を平行光にするための第１光学系と、
前記第１光学系からのレーザ光及び可視光が透過可能であり、前記レーザ光及び前記可視光の軸上色収差を補正して被加工物に照射する第２光学系と、
を備えたレーザ加工装置。
【請求項２】
前記第２光学系は、レーザ光の入射側に配置された凸レンズと、前記凸レンズに対向して前記被加工物側に配置された凹レンズと、を有している、請求項１に記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記第１光学系は、レーザ光の入射側に配置された凹レンズと、前記凹レンズに対向して前記被加工物側に配置された凸レンズと、を有している、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記凸レンズは、フッ化カルシウムを主成分とし、波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過するように形成され、
前記凹レンズは、波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過するガラスで形成されている、
請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記レーザ光出力部は、波長が２．７μｍ以上３．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光と、波長が５１０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光と、を出射する、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記レーザ光出力部はＥｒファイバレーザを含む、請求項５に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置、特に、中赤外光のレーザ光を用いたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用のレーザメス等に用いられるレーザ照射装置では、赤外光用光ファイバが用いられている。ここでは、赤外光用光ファイバから出射された赤外光レーザが集光されて被加工物の所定位置に照射され、治療や加工が行われている。
【０００３】
また、不可視である赤外光レーザを可視化してレーザ光の照射位置を確認するために、特許文献１では、レーザ光源として、赤外光と同時に可視光の蛍光を発する希土類元素添加光ファイバを発光媒質としている。これにより得られたレーザ光と可視光とは、同一の光路を有している。したがって、赤外光レーザと同時に照射される可視光によって、赤外光レーザの照射位置が明示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８８８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、波長２．８μｍの赤外光レーザと波長０．５μｍの可視光とが被加工物に対して照射されることによって、赤外光レーザの照射位置が明示されることが記載されている。
【０００６】
しかし、この特許文献１では、ファイバの構成に関しては具体的な実施例が開示されているものの、光学系についての具体的な構成はまったく開示されていない。したがって、赤外光レーザと可視光とをどのようにして被加工物に対して集光するのか、この特許文献１では不明であって、実施可能な程度に記載されていない。
【０００７】
本発明の課題は、波長の異なる中赤外光のレーザ光と可視光とを、被加工物に対して適切に照射することができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、中赤外光のレーザ光を出射すると同時に可視光を出射するレーザ光出力部と、第１光学系と、第２光学系と、を備えている。第１光学系は、レーザ光出力部から出力されるレーザ光及び可視光が透過可能であり、レーザ光及び可視光を平行光にする。第２光学系は、第１光学系からのレーザ光及び可視光が透過可能であり、レーザ光及び可視光の軸上色収差を補正して被加工物に照射する。
【０００９】
この装置では、レーザ光出力部において中赤外光のレーザ光を発振させると、レーザ光と同時に可視光も出射される。第１及び第２光学系は、レーザ光及び可視光が透過可能である。そして、レーザ光出力部から出力されたレーザ光及び可視光は第１光学系によって平行光にされ、さらに第２光学系によって、レーザ光及び可視光の軸上色収差が補正されて被加工物に照射される。
【００１０】
ここでは、第２光学系によってレーザ光及び可視光が光軸上の同じ位置に集光するようにすれば、可視光によってレーザ光の加工位置及び加工位置に集光していることを確認することができる。また、可視光を集光させずに、被加工物のある程度広い範囲を照射するようにすれば、可視光をレーザ加工時の照明光として使用することが可能である。
【００１１】
本発明の別の側面に係るレーザ加工装置では、第２光学系は、レーザ光の入射側に配置された凸レンズと、凸レンズに対向して被加工物側に配置された凹レンズと、を有している。
【００１２】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、第１光学系は、レーザ光の入射側に配置された凹レンズと、凹レンズに対向して被加工物側に配置された凸レンズと、を有している。
【００１３】
これにより、レーザ光出力部から出力された中赤外光のレーザ光及び可視光を平行光にすることができる。
【００１４】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、凸レンズは、フッ化カルシウムを主成分とし、波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過するように形成され、凹レンズは、波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過するガラスで形成されている。
【００１５】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、レーザ光出力部は、波長が２．７μｍ以上３．０μｍ以下の中赤外光のレーザ光と、波長が５１０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光と、を出射する。
【００１６】
本発明のさらに別の側面に係るレーザ加工装置では、レーザ光出力部はＥｒファイバレーザを含む。
【発明の効果】
【００１７】
以上のような本発明では、波長の異なる中赤外光のレーザ光と可視光とを被加工物に対して適切に照射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態によるレーザ加工装置の概略構成図。
【図２】Ｅｒファイバレーザにおいて、レーザ光と同時に出射される緑色光のスペクトル図。
【図３】第１光学系の構成を示す図。
【図４】第１光学系の球面収差を示す図。
【図５】第２光学系の構成を示す図。
【図６】第２光学系の球面収差を示す図。
【図７】第１光学系及び第２光学系を組み合わせた場合の球面収差を示す図。
【図８】第２実施形態による第３光学系の構成を示す図。
【図９】第３光学系の球面収差を示す図。
【図１０】第３実施形態による第４光学系の構成を示す図。
【図１１】第４光学系の球面収差を示す図。
【図１２】第４実施形態による第５光学系の構成を示す図。
【図１３】第５光学系の球面収差を示す図。
【図１４】第５光学系と第３光学系の組み合わせによる結像光学系の構成図。
【図１５】図１４に示した光学系の球面収差を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
−第１実施形態−
［全体構成］
本発明の第１実施形態によるレーザ加工装置１の模式図を図１に示す。このレーザ加工装置１は、赤外光のレーザ光を被加工物Ｗに照射して加工を行うものである。レーザ加工装置１は、レーザ光出力部１０と、第１光学系１１と、第２光学系１２と、を備えている。
【００２０】
［レーザ光出力部１０］
レーザ光出力部１０は、励起用ダイオードやＥｒファイバレーザを含んでいる。ここで、Ｅｒファイバレーザは、中赤外光である波長２．８μｍで発振してレーザ光を出射するが、同時に、可視光である緑色の蛍光も出射する。この緑色の蛍光スペクトルを図２に示している。なお、Ｅｒファイバレーザ発振器から出射される上記の中赤外光のレーザ光および緑色の蛍光には、それぞれ２．７μｍ以上３．０μｍ以下の中赤外光および５１０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下の緑色光が含まれている。
【００２１】
［第１光学系１１］
第１光学系１１は、図３に示すように、凹レンズ１４と凸レンズ１５とから構成されている。凹レンズ１４はレーザ光出力部１０側に配置されている。凸レンズ１５は、凹レンズ１４に対して軸方向に所定の隙間をあけて対向して、第２光学系１２側に配置されている。ここでは、凹レンズ１４は、ガラスで形成されており、具体的には株式会社住田光学ガラス製のＫ−ＧＩＲ７９又はＫ−ＧＩＲ１４０（いずれも商品名）である。また、凸レンズ１５はフッ化カルシウム（ＣａＦ2：蛍石）を主成分とするレンズであり、いずれも波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過する。なお、ここで「透過する」とは、レンズとして使用する際に十分な透過率であればよく、例えば、厚さ１０ｍｍのレンズにおいて透過率が９９％以上であれば「透過する」と言える。
【００２２】
第１光学系１１の具体的な仕様（設計値）は、以下に示す表１の通りである（記号については図３を参照）。また、焦点距離は８０ｍｍ、瞳径は１０ｍｍである。
【００２３】
【表１】
2015226919.tif 000003
また、図４に第１光学系１１のレンズ１５から平行光を入射させた場合の球面収差を示している。図４から明らかなように、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光との軸上色収差は補正されており（色消しされており）、したがって、この第１光学系１１を通過したレーザ光及び緑色光は、共に平行光となる。
【００２４】
［第２光学系１２］
第２光学系１２は、図５に示すように、凸レンズ１６と凹レンズ１７とから構成されている。凸レンズ１６は第１光学系１１側に配置されている。凹レンズ１７は、凸レンズ１６に対して軸方向に所定の隙間をあけて対向して、被加工物Ｗ側に配置されている。第１光学系１１と同様に、凸レンズ１６はフッ化カルシウム（ＣａＦ2：蛍石）を主成分とするレンズである。また、凹レンズ１７は、ガラスで形成されており、具体的には株式会社住田光学ガラス製のＫ−ＧＩＲ７９又はＫ−ＧＩＲ１４０（いずれも商品名）である。いずれのレンズも波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過する。
【００２５】
第２光学系１２の具体的な設計値（一例）は、以下の表２に示す通りである（記号については図５を参照）。また、焦点距離は４０ｍｍ、瞳径は１０ｍｍである。
【００２６】
【表２】
2015226919.tif 000004
また、図６に第２光学系１２の球面収差を示している。図６から明らかなように、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光との軸上色収差は補正されている（色消しされている）。
【００２７】
［第１光学系１１＋第２光学系１２］
本装置では、以上のような第１光学系１１と第２光学系１２とが組み合わされており、これにより、２つの光学系の焦点距離の比を横倍率とする結像光学系が構成されている。
【００２８】
以上の光学系の球面収差を図７に示している。前述のように、第１及び第２光学系１１，１２のいずれにおいても軸上色収差が補正されているので、２つの光学系１１，１２を組み合わせた系においても、図７に示すように、軸上色収差は補正されている。すなわち、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光との軸上色収差は補正されており、この第１及び第２光学系１１，１２を通過したレーザ光及び緑色光は、被加工物上において、ほぼ同じ位置に集光することになる。
【００２９】
［特徴］
本実施形態の装置では、レーザ光及び可視光である緑色光をレーザ光出力部１０から出射し、レーザ光および緑色光を被加工物Ｗ上の同じ位置に集光させることができる。したがって、緑色光を集光させて、この状態を目で確認すれば、レーザ光が同じ位置に集光されていることになる。このため、レーザ以外の別光源を必要とすることなく、加工位置を緑色光で確認することができる。
【００３０】
また、レーザ光と緑色光とは、同じファイバから出射されるので、２つの光の位置ずれ等を調整することが不要になる。
【００３１】
−第２実施形態−
図８に、第１実施形態における第１及び第２光学系１１，１２に代わる第３光学系２０を示している。この第３光学系２０は、第１凸レンズ２１と、第１凹レンズ２２と、第２凸レンズ２３と、第２凹レンズ２４と、ウィンドウ２５と、から構成されている。
【００３２】
第３光学系２０を第１実施形態における第２光学系１２として使用する場合は、図８に示す順に配置すればよい。すなわち、第１凸レンズ２１は第１光学系１１側に配置されている。第１凹レンズ２２は、第１凸レンズ２１に対して軸方向に近接して被加工物Ｗ側に配置されている。第２凸レンズ２３は、第１凹レンズ２２の被加工物Ｗ側に、軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。第２凹レンズ２４は、第２凸レンズ２３に対して軸方向に近接して被加工物Ｗ側に配置されている。ウィンドウ２５は、第２凹レンズ２４の被加工物Ｗ側に、軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。
【００３３】
第１及び第２凸レンズ２１，２３とウィンドウ２５とは、フッ化カルシウム（ＣａＦ2：蛍石）を主成分とするレンズである。また、第１及び第２凹レンズ２２，２４は、ガラスで形成されており、具体的には株式会社住田光学ガラス製のＫ−ＧＩＲ７９又はＫ−ＧＩＲ１４０（いずれも商品名）である。いずれのレンズも波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過する。
【００３４】
第３光学系２０の具体的な仕様（設計値）は、以下の表３に示す通りである（記号については図８を参照）。また、焦点距離は２０ｍｍ、瞳径は１０ｍｍである。
【００３５】
【表３】
2015226919.tif 000005
また、図９に第３光学系２０の球面収差を示している。図９から明らかなように、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光との軸上色収差は補正されている（色消しされている）。
【００３６】
なお、この第３光学系２０を第１実施形態の第１光学系１１として使用する場合は、配置を軸方向において図８に示す配置と逆にすればよい。
【００３７】
−第３実施形態−
図１０に、第１実施形態における第１及び第２光学系１１，１２に代わる第４光学系３０を示している。この第４光学系３０は、第１凹レンズ３１と、第１凸レンズ３２と、第２凸レンズ３３と、第２凹レンズ３４と、ウィンドウ３５と、から構成されている。
【００３８】
第４光学系３０を第１実施形態における第２光学系１２として使用する場合は、図１０に示す順に配置すればよい。すなわち、第１凹レンズ３１は第１光学系１１側に配置されている。第１凸レンズ３２は、第１凹レンズ３１の被加工物Ｗ側に、軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。第２凸レンズ３３は、第１凸レンズ３２に軸方向に近接して被加工物Ｗ側に配置されている。第２凹レンズ３４は、第２凸レンズ３３に対して軸方向に近接して被加工物Ｗ側に配置されている。ウィンドウ３５は、第２凹レンズ３４の被加工物Ｗ側に、軸方向に所定の間隔を隔てて配置されている。
【００３９】
第１及び第２凹レンズ３１，３４は、ガラスで形成されており、具体的には株式会社住田光学ガラス製のＫ−ＧＩＲ７９又はＫ−ＧＩＲ１４０（いずれも商品名）である。また、第１及び第２凸レンズ３２，３３とウィンドウ３５とは、フッ化カルシウム（ＣａＦ2：蛍石）を主成分とするレンズである。いずれのレンズも波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過する。
【００４０】
第４光学系３０の具体的な仕様（設計値）は、以下に示す表４の通りである（記号については図１０を参照）。また、焦点距離は２０ｍｍ、瞳径は８ｍｍである。
【００４１】
【表４】
2015226919.tif 000006
また、図１１に第４光学系３０の球面収差を示している。図１１から明らかなように、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光との軸方向色収差は補正されている（色消しされている）。
【００４２】
なお、この第４光学系３０を第１実施形態の第１光学系１１として使用する場合は、配置を軸方向において図１０に示す配置と逆にすればよい。
【００４３】
−第４実施形態−
図１２に、別の実施形態における第５光学系４０を示している。第５光学系４０は、第１凸レンズ４１と、第２凸レンズ４２と、から構成されている。この第５光学系４０では、軸上色収差は補正されず、波長２．８μｍのレーザ光に対してのみ球面収差補正がされる。
【００４４】
第１及び第２凹レンズ４１，４２ともに、ガラスで形成されており、具体的には株式会社住田光学ガラス製のＫ−ＧＩＲ７９又はＫ−ＧＩＲ１４０（いずれも商品名）であり、波長が５１０ｎｍ以上３．５μｍ以下の光を透過する。
【００４５】
第５光学系４０の具体的な仕様（設計値）は、以下に示す表５の通りである（記号については図１２を参照）。また、焦点距離は２０ｍｍ、瞳径は１０ｍｍである。
【００４６】
【表５】
2015226919.tif 000007
また、図１３に第５光学系４０の球面収差を示している。
【００４７】
−第５実施形態−
図１４に第５実施形態を示す。この実施形態では、第１実施形態の第１光学系１１として、第４実施形態の第５光学系４０（但し、配置は軸方向において図１２に示した例と逆にしている）を用い、第２光学系１２として第３実施形態の第３光学系２０（図８参照）を用いたものである。ここでは、１倍の結像光学系が構成されている。
【００４８】
前述のように、第３光学系２０は、軸上色収差が補正されており、波長が２．８μｍのレーザ光と緑色光とはほぼ同じ位置に集光される。一方、第５光学系４０においては、波長が２．８μｍのレーザ光は球面収差が補正されているが、レーザ光と緑色光の軸上色収差が補正されていない。図１５に図１４に示した光学系の球面収差を示している。
【００４９】
このような構成では、レーザ光は図１４（ａ）に示すように、被加工物の加工位置で集光するが、緑色光は、図１４（ｂ）に示すように、ある大きさのスポット光として被加工物の加工位置に照射される。
【００５０】
［他の実施形態］
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形又は修正が可能である。
【００５１】
前記実施形態では、レーザ光出力部にＥｒファイバレーザを用いたが、レーザ光と同時に可視光を出射するものであれば、Ｅｒファイバレーザに限定されない。
【符号の説明】
【００５２】
１  レーザ加工装置
１０  レーザ光出力部
１１  第１光学系
１２  第２光学系
１４，１７，２２，２４，３１，３４，４１，４２  凹レンズ
１５，１６，２１，２３，３２，３３  凸レンズ
２０  第３光学系
３０  第４光学系
４０  第５光学系
【図１】
2015226919.tif 000008
【図２】
2015226919.tif 000009
【図３】
2015226919.tif 000010
【図４】
2015226919.tif 000011
【図５】
2015226919.tif 000012
【図６】
2015226919.tif 000013
【図７】
2015226919.tif 000014
【図８】
2015226919.tif 000015
【図９】
2015226919.tif 000016
【図１０】
2015226919.tif 000017
【図１１】
2015226919.tif 000018
【図１２】
2015226919.tif 000019
【図１３】
2015226919.tif 000020
【図１４】
2015226919.tif 000021
【図１５】
2015226919.tif 000022