(57)【要約】【目的】加工サイズの拡大、加工テーパ角度の減少及び円環照明調整時の中心光線の一定化を実現することができるレーザ加工装置を提供すること。【構成】レーザを光源とし、そこから出射される光束に対して光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子と、放射された光束が重なり合う光軸上の位置が入射節点近傍となるように配置されたレンズと、加工面に結像するためのレンズを含んでレーザ加工装置を構成する。ここで、光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子は、円錐状プリズムである。又、放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズを最低２つの光学素で構成し、レンズ内部及び表面から節点を引き離した構造であり、そのレンズのパワーを変化させる場合、入射節点と放射光束の関係を満足する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを光源とし、そこから出射される光束に対して光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子と、放射された光束が重なり合う光軸上の位置が入射節点近傍となるように配置されたレンズと、加工面に結像するためのレンズを有することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子は、円錐状プリズムであることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズを最低２つの光学素で構成し、レンズ内部及び表面から節点を引き離した構造であり、そのレンズのパワーを変化させる場合、入射節点と放射光束の関係を満足することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズに連なるレンズは放光束の中心光線が発散的且つ収束的な角度となるように結像することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
加工対象面に形成される円環の中心直径を対象物の光軸方向の位置、円環の幅を放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズのパワーで調整することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力レーザを光源としたレーザ加工装置における光学系に関するもので、特に、瞳面での強度分布が円環上であることを特徴とする光学系を有するレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザを光源として対象物を加工するレーザ加工装置には、レーザを光学系で集光し、その集光点に形成されるスポットを熱源に加工する方式、或は光学的な結像関係を利用し、マスクを用いて加工する方式等がある。そのうち、集光して加工する方式には、瞳上での強度分布を細工してスポットの特性を変化させ、加工特性（加工品位、加工時間等）を改善する等がある。そして、特許文献１で提案されているように、対象物面で形成される温度分布を均一にするための円環状の結像する場合、特許文献２で示しているように瞳状での強度分布を円環状にして同軸で測プローブを挿入し且つ焦点深度を増大している。
【特許文献１】
特開昭５４ー１５２２９９号公報
【特許文献２】
特開２０００ー２１８３８６号公報
【発明が解決しようとする課題】
レーザ加工で必要なことは、他の加工と同様に加工品質、加工単価、加工時間である。このうち、加工品質は加工面の３次元形状が問題となり、光源、光学系が持つ特性を強く反映したものである。３次元形状を決める要因はそれ以外にもプロセス的な因子も関与しており、複雑なものとなっている。このあたりは対象物決後の加工条件決定が可成り支配するが、その中には系統的な因子もあり、先ずこの因子を調べるのが常道なっている。その因子としてあるのが先に述べた光源特性、光学特性である。
【０００３】
光源特性はエネルギー、ビーム径、波長、発散角である。光学系は像側ＮＡ、収差特性、透過率等である。加工条件決定はこれらの因子がどのような配分で３次元形状に影響を与えるかを調べることと等価である。光源特性は或る意味一本である。つまり、独立した変数である。
【０００４】
しかし、光学特性は相互に関連する因子であり、片方を固定して、その他を変化させることは難しい。逆に、このような独立した変化を実現することはレーザ加工特性を調べる上で重要なことである。
形成される３次元形状にて問題となることとして、加工面は光軸方向にテーパを持つことである。その他の加工方法でも微視的な視点で見ればこのような傾向にあると考えられる。レーザ加工では肉眼でも断できるような形状となり、要求仕様にこのような特性が問題となる場面も少なくない。一般に、テーパの少ない加工は加工エネルギーが強力な場合が顕著であり、よりエネルギーの注入が必要となる。
テーパ形状を形成すると同時にプロセス的な側面も見逃せない。特に、閾値の存在は重要な事柄ある。これは或る強度分布を対象物面に形成したとき、対象物質の吸収により加工サイズが変化すること意味し、一般的に強度分布より小さい加工領域を形成する。微細化には有意義であるが、大きい必要な場は困ることになる。そのため、ビームを加工時移動させて大きくするような方法も実用化されている。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、加工サイズの拡大、加工テーパ角度の減少及び円環照明調整時の中心光線の一定化を実現することができるレーザ加工装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載発明は、レーザを光源とし、そこから出射される光束に対して光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子と、放射された光束が重なり合う光軸上の位置が入射節点近傍となるように配置されたレンズと、加工面に結像するためのレンズを含んでレーザ加工装置を構成したことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、光軸を中心軸に円錐状に放射する光学素子は、円錐状プリズムであることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズを最低２つの光学素で構成し、レンズ内部及び表面から節点を引き離した構造であり、そのレンズのパワーを変化させる場合、入射節点と放射光束の関係を満足することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズに連なるレンズは放光束の中心光線が発散的且つ収束的な角度となるように結像することを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、加工対象面に形成される円環の中心直径を対象物の光軸方向の位置、円環の幅を放射光束が重なり合う位置と入射節点と一致されているレンズのパワーで調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明に係るレーザ加工装置の構成図、図２はレンズ５，６の配置の違いによる加工対象面７近傍に形成される光路を示す図、図３は加工対象面７に形成される円環照明を示す図である。
【００１３】
図１において、１は光源であるレーザ、２はビーム径変換光学系、３は絞り、４は円錐プリズム、５，６はレンズ、７は加工対象面である。光源１から出射された光束は、ビーム径変換光学系２で平行光束のまま、そのビーム径のみを変え、絞り３へ入射する。絞り３はガラス片面に蒸着したものを用い、出射側に蒸着面を配置したものである。この絞り３により、次の円錐プリズム４から出射される光束の幅を決める。
【００１４】
絞り３から出射された光束は次の円錐プリズム４に入射する。円錐プリズム４から出射される光束は、図１で示したように、光軸に対して対称であり、且つ、図１の光線１，２が示すように、断面的には一定角度をもって平行な状態となる。レンズ５は、この光線１，２が交差した光軸上の点の所に入射主平面が来るように配する。この交差ポイントは或る意味エネルギーが集中したポイントであり、レンズ５の耐久を考えると、組レンズにして、主平面をレンズ内から移動させておくことが望ましい。
【００１５】
又、このように交差位置を主平面と一致させることで、空気中では光線１，２の出射光線も出射主平面から入射角度を保ったまま出ることになる。これは空気中では主点と節点が同一であるという性質を利用している。レンズ６は、レンズ５から出射された光を加工対象面７に集光するように配置されている。
【００１６】
レンズ５，６の間隔、レンズ５のパワーを選択することで加工対象面７に入射する中心光線（光線１，２）の角度が収束的、発散的であったすることが可能であり、加断面形状を制御要素となり得る。加工対象面７での円環照明を図３に示す。円環の直径（Ｄ）を変化させのは加工対象面７の位置を光軸方向に移動させ、円環の幅（ｄ）を変えるのはレンズ５のパワーを変化させることで実現できる。
【００１７】
尚、ビーム径変換光学系が無い光学系でも問題はない。又、円錐プリズムの代わりに回折光学素子を用いても問題はない。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１記載の発明によれば、加工サイズの拡大、加工テーパ角度の減少、円環照明調整時の中心光線の一定化が実現できることになる。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、光源から出射された光束を円錐状に放射することが可能となる。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、放射された円錐光束の中心光線がレンズパワーを変更しても出射角度が一定になることが可能となる。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、加工対象面への円錐放射光の中心光線のなす角度を収束的或は発散的にすることが可能となる。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、加工対象面に形成される円環照明の直径と幅を制御可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の構成図である。
【図２】本発明に係るレーザ加工装置におけるレンズの配置の違いによる加工対象面近傍に形成される光路を示す図である。
【図３】加工対象面に形成される円環照明を示す図である。
【符号の説明】
１        光源
２        ビーム径変換光学系
３        絞り
４        円錐プリズム
５        レンズ
６        レンズ
７        加工対象面
【図１】
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【図２】
2005014018.tif 000004
【図３】
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