JP2748853B2 - ビームエキスパンダおよび光学系およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】レーザビーム出力の極端な不均一
性を補正するビームエキスパンダおよびそのビームエキ
スパンダを適用したレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のビームエキスパンダは、図１１に
示すように２つのレンズブロック３０、３１を有し、入
射されるレーザ光の径を単に拡大するだけのものであっ
た。

【０００３】この従来のビームエキスパンダを適用した
一般的なスキャニング型レーザマーカについて、図１０
を参照して説明する。

【０００４】従来のスキャニング型レーザマーカは、Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ発振器１６から出射されたレーザ光を
ビームエキスパンダ２６に導く導光ミラー２５と、前記
導光ミラー２５により導かれたレーザ光の径を拡大する
前記ビームエキスパンダ２６と、対応するガルバノメー
タ２７により駆動され、前記ビームエキスパンダ２６に
より拡大されたレーザ光を反射する２つの回転ミラー２
８と、この反射されたレーザ光を２次元面内でスキャン
するｆθレンズ２９とを有する。

【０００５】この従来のレーザマーカでは、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇレーザ発振器１６から出射される連続発振のレーザ光
または、このレーザ光をＱスイッチでパルス化したレー
ザ光が、導光ミラー２５により導かれて、ビームエキス
パンダ２６に入射され、次に、前記ビームエキスパンダ
２６において、径が拡大された前記レーザ光は、２つの
ガルバノメータ２７によって駆動される回転ミラー２８
およびｆθレンズ２９で２次元面内に位置決めされた
後、スキャンすることにより被加工物上にマーキングを
行っていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パワー密度分布がガウ
ス関数で与えられるレーザのビームは、中心部が周辺部
よりもパワー密度が高いので、このビームを用いた従来
のレーザマーカでは、レーザビームをスキャンして連ね
ていって、１本の線を描くと線の中心部が周辺部と比較
して深く加工され、加工の均一性やエッジのシャープさ
が得られなかった。

【０００７】また、上記問題点を解決するためにホモジ
ナイザを用いてビームのパワー密度を均一化する方法も
あるが、装置が大きくなるという問題点がある。

【０００８】また、入射するレーザビームの中心部の透
過率を小さくするようにコーティングされたフィルタを
用いる方法や、レーザ光の光軸上に、レーザビームの特
にパワーが高い真ん中の部分を通過させないようにマス
クを配置する方法もあるが、どちらも、レーザ光の一部
を反射させるために、ビームパワーの損失や、戻り光の
処理が必要であるという問題点がある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明のビームエキスパンダは、入射されるレー
ザ光の径を拡大して出射する第一のビーム拡大部と、前
記ビーム拡大部から出射されたレーザ光のうち周辺部分
のレーザ光の径のみを縮小する周辺部ビーム縮小部とを
有する。

【００１０】さらには、前記第一のビーム拡大部から出
射されたレーザ光の一部を周辺方向にシフトする反射ミ
ラーブロックを有する。

【００１１】または、入射されるレーザ光をその光軸中
心から周辺にいくに従って連続的に拡大率が小さくなる
ように拡大して出射する第二のビーム拡大部と、前記第
二のビーム拡大部から出射されたレーザ光を平行光線に
変換する平行ビーム変換部とを有する。

【００１２】

【実施例】次に、本発明のビームエキスパンダの第一の
実施例について図１、図２および図３を参照して詳細に
説明する。

【００１３】図１は、第一の実施例の構成を示す図であ
り、図２は、図１における反射ミラーブロックを示す斜
視図であり、図３は、図２の反射ミラーブロックを構成
する第一のミラーブロックを示す図であり、図４は、図
２の反射ミラーブロックを構成する第二のミラーブロッ
クを示す図であり、図５は、第一の実施例におけるレー
ザビームのパワー密度分布の変換を示す図である。

【００１４】この第一の実施例におけるビームエキスパ
ンダは、ビーム拡大部１、反射ミラーブロック２、周辺
部ビーム縮小部５および外筒７を備えている。ビーム拡
大部１は、入射したレーザ光６の径を拡大する。反射ミ
ラーブロック２は、前記ビーム拡大部１において拡大さ
れたレーザ光６の一部を周辺部分に導き、さらに、その
周辺部に導かれた前記レーザ光６の一部を周辺部ビーム
縮小部５に入射させる。前記周辺部ビーム縮小部５は、
前記ビーム拡大部１において径が拡大されたレーザ光６
のうち中心部分のレーザ光６は拡大されたまま出射さ
せ、周辺部のレーザ光６は径を縮小させて出射させる。
外筒７は、円筒形をしており、前記ビーム拡大部１、反
射ミラーブロック２および周辺部ビーム縮小部５をその
内部で固定する。

【００１５】図２に示すように、前記反射ミラーブロッ
ク２は、輪切りにした円錐形でその表面に入射側ミラー
３を有する第一のミラーブロック８と、その外側に同様
に輪切りにした円錐形をし、その裏面に出射側ミラー４
を有する第二のミラーブロック９とを有し、入射したレ
ーザ光６の中心部分および周辺部分はそのまま透過さ
せ、一部分のレーザ光６を前記入射側ミラー３に反射さ
せて周辺部に導き、さらに、前記出射側ミラー４で反射
させて前記周辺ビーム縮小部５に入射させる。また、こ
の反射ミラーブロック２は、前記入射側ミラー３の部分
を除き、入射されるレーザ光６を透過するようにその入
射面には無反射コーティングが施されている。

【００１６】次に、本実施例の動作について説明する。

【００１７】ＴＥＭ00モードで発振し、ガウス分布を示
すパワー密度を有するシングルモードのレーザ光６また
は、ビーム中心部分のパワー密度が特に大きく発振して
いるマルチモードのレーザ光６をビーム拡大部１に入射
させる。

【００１８】次に、この入射されたレーザ光６は前記ビ
ーム拡大部１においてその径がｍ倍に拡大され、反射ミ
ラーブロック２に入射される。

【００１９】次に、レーザ光６ａおよびレーザ光６ｃ
は、前記ビーム拡大部１で径がｍ倍に拡大された後、そ
のまま前記反射ミラーブロック２を透過し、周辺部ビー
ム縮小部５に入射される。レーザ光６ｂは、前記ビーム
拡大部１で径がｍ倍に拡大された後、前記反射ミラーブ
ロック２の入射側ミラー３で反射され、周辺部に導かれ
た後、出射側ミラー４で反射され、前記周辺部ビーム縮
小部５に入射される。

【００２０】次に、前記周辺部ビーム縮小部５に入射さ
れたレーザ光６ａは、前記ビーム拡大部１で径がｍ倍に
拡大された状態で出射され、レーザ光６ｂおよびレーザ
光６ｃは、前記周辺部ビーム縮小部５においてその径が
１／ｎに縮小されて出射される。

【００２１】ここで、ｍ＞ｎ＞１とし、周辺部における
レーザ光６に対するトータルのビーム拡大率も１より大
きくする。

【００２２】また、レーザ光６ｃはビームの一部分が途
中で前記反射ミラーブロック２の出射側ミラー４を有す
る第二のミラーブロック９などに当たるが、この第二の
ミラーブロック９の表面がレーザ光６の入射方向からの
ビームは透過させるようにコーティングされているので
影響はない。

【００２３】本実施例の動作例としてｍ＝８、ｎ＝２と
した場合、入射されたレーザ光の中心部分のビームは８
倍に拡大されるが、周辺部分のビームは４倍にしか拡大
されない。したがって、中心部分のパワー密度の周辺部
分のパワー密度に対する割合は、本ビームエキスパンダ
を通ることにより、相対的に１／４に下げられる。

【００２４】次に、ｘｙ平面では（式１）で表されるガ
ウス分布のパワー密度関数Ｐを持つレーザ光が本実施例
のビームエキスパンダに入射された場合にこのビームエ
キスパンダから出射されるレーザ光のパワー密度関数に
ついて説明する。

【００２５】

【００２６】ここで、

【００２７】

【００２８】とおく。

【００２９】さらに、中心部と周辺部との境界のドーナ
ッツ状の部分の内径をｇ、外径をｈとし、また、この部
分は反射ミラーブロック２によってパワー位置が周辺部
の方にシフトされるが、そのシフトする量をｓ（ｓは反
射ミラーブロック内の入射側ミラー３および出射側ミラ
ー４間の距離に比例）とすると、ビームエキスパンダの
出射面でのレーザ光のパワー密度関数は、以下のように
なる。 （１） ０≦ｒ＜ｇの範囲で

【００３０】

【００３１】（２） ｇ≦ｒ＜ｇ＋ｓ、ｈ＋ｓ≦ｒの範
囲で

【００３２】

【００３３】（３） ｇ＋ｓ≦ｒ＜ｈ＋ｓの範囲で

【００３４】

【００３５】なお、ビームを分割した境界が開口となる
ために、分割された出射ビームの各部分では空間周波数
の低周波数は遮断され、図５のパワー密度分布１１に示
すようなレーザ出力を得る。

【００３６】次に、本発明の第二の実施例について図面
を参照して詳細に説明する。

【００３７】図６は第二の実施例の構成を示す図であ
り、図７は第二の実施例におけるレーザビームのパワー
密度分布の変換を示す図である。

【００３８】この第二の実施例におけるビームエキスパ
ンダは、ビーム拡大部１２および平行ビーム変換部１３
を備える。ビーム拡大部１２は、中心から周辺にいくに
したがって、入射されるレーザ光１４に対する屈折率が
連続的に小さくなっていく特性を有し、入射されるレー
ザ光１４の径を拡大する。平行ビーム変換部１３は、前
記ビーム拡大部１２により径が拡大されたレーザ光１４
を平行ビームに変換する。

【００３９】ここで、前記ビーム拡大部１２は、入射側
に凹レンズ、出射側に凸レンズを有し、前記凹レンズ
は、光を屈折させる要因であるガラス中のイオン分布
を、同心円状に外側にいくにしたがって、密度が薄くな
るように分極率の小さいイオンに交換し、中心部には分
極率の大きいイオンを多く配して、その部分の屈折率を
大きくしてある。また、このガラスを作成する際、所定
の二次関数で屈折率が分布するように、イオン注入の時
間およびイオン濃度を調整する。

【００４０】次に、第二の実施例の動作について図面を
参照して説明する。

【００４１】ビーム拡大部１２に入射されたＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ光１４は、中心部が周辺部よりも連続的により
大きく拡大されて出射される。このビーム拡大部１２に
おいて拡大されたレーザ光１４は、平行ビーム変換部１
３に入射され、平行ビームに変換されて出射される。

【００４２】ここで、前記ビーム拡大部１２における屈
折率の値を、ビームエキスパンダの拡大倍率の値ｚに換
算した場合、

【００４３】

【００４４】となるように設計する。

【００４５】ただし、上記値ｚは、レーザ光の光軸の中
心を原点とし、レーザ光の進行方向に垂直な平面をｘ−
ｙ平面とし、この面を入射面として、その面上の各点
（ｘ，ｙ）に対するビームエキスパンダの倍率値とす
る。

【００４６】このときガウス分布のパワー密度関数を有
するレーザ光に対しては、入射面上での各点（ｘ，ｙ）
に対応する点でのレーザビームのパワー密度関数は、ビ
ームエキスパンダの倍率の二乗に反比例するので、ビー
ムエキスパンダのレーザビーム出射面では、

【００４７】

【００４８】となる。

【００４９】この関数は、原点で極小値ｑをとり、

【００５０】

【００５１】で極大値

【００５２】

【００５３】をとる。この値は、

【００５４】

【００５５】のときは必ずｑよりも大きい。

【００５６】したがって、この第二の実施例では、図７
のパワー密度分布１５に示すようなレーザ出力を得る。

【００５７】次に、本発明のビームエキスパンダを適用
したレーザマーカおよびレーザトリミング装置について
図面を参照して説明する。

【００５８】図８は本発明のビームエキスパンダを含む
光学系を適用したスキャニング型レーザマーカの構成を
示す図であり、本発明のレーザマーカは、レーザ光２１
を出射するＱスイッチを有するＮｄ：ＹＡＧレーザ発振
器１６と、そのレーザ発振器１６から出射されたパワー
密度がガウス関数型であるレーザ光２１を図５または図
７に示すパワー密度分布を有するレーザ光２２に変換す
る本発明の第一の実施例または第二の実施例の構成を有
するビームエキスパンダを含む光学系１７と、そのレー
ザ光２２が照射されることによりマーキングされる被加
工物１８を載せる載物台１９と、前記レーザ発振器１６
の出力および前記光学系１７（ガルバノメータ等）の駆
動を制御する制御部２０とを有する。

【００５９】ここで、前記光学系１７は、大部分が前述
の従来技術の欄で図１１を参照して説明した構成と同様
で、ビームエキスパンダ２６の部分に本発明のビームエ
キスパンダが適用されているためその構成の説明は省略
する。

【００６０】次に、本発明のスキャニング型レーザマー
カの動作について図８を参照して説明する。

【００６１】前記レーザ発振器１６から出射されたパワ
ー密度がガウス分布を示すレーザ光２１は、光学系１７
において、図５または図７に示すパワー密度分布１１ま
たは１５を有するレーザ光２２に変換される。このレー
ザ光２２を載物台１９上に設置された被加工物１８上に
照射することにより、この被加工物にマーキングを行
う。

【００６２】図９は本発明のビームエキスパンダを含む
光学系を適用したレーザトリミング装置の構成を示す図
であり、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ発振器１６、光学系１７お
よび載物台１９は前述のスキャニング型レーザマーカ装
置と同様の構成であり、重複部分の説明は省略する。

【００６３】図９において、ＸＹテーブル２３は、Ｘ軸
方向およびＹ軸方向に駆動して被加工物１８を載せた載
物台１９の位置を動かす。制御部２４は、レーザ発振器
１６の出力、光学系１７（ガルバノメータ等）の駆動お
よび前記ＸＹテーブル２３の駆動を制御する。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のビームエ
キスパンダは、連続発振のＹＡＧレーザ光または、この
レーザ光を超音波Ｑスイッチでパルス化したレーザ光の
中央部のパワー密度をその周辺の一部分と比較して小さ
いパワー密度となるようにパワー密度分布を変換するこ
とができる。

【００６５】このビームエキスパンダをレーザ加工装置
に適用した場合、加工深さが均一で、エッジの部分がシ
ャープな加工ラインを描くことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の構成を示す図。

【図２】第一の実施例の反射ミラーブロックを示す斜視
図。

【図３】反射ミラーブロックの第一のミラーブロックを
示す図。

【図４】反射ミラーブロックの第二のミラーブロックを
示す図。

【図５】第一の実施例により変換されるレーザ光のパワ
ー密度分布を示す図。

【図６】本発明の第二の実施例の構成を示す図。

【図７】第二の実施例により変換されるレーザ光のパワ
ー密度分布を示す図。

【図８】本発明のビームエキスパンダを適用したスキャ
ニング型レーザマーカの構成を示す図。

【図９】本発明のビームエキスパンダを適用したレーザ
トリミング装置の構成を示す図。

【図１０】一般的なスキャニング型レーザマーカの光学
系（レーザ発振器を含む）を示す図。

【図１１】従来のビームエキスパンダの構成を示す図。

【符号の説明】 １ ビーム拡大部 ２ 反射ミラーブロック ３ 入射側ミラー ４ 出射側ミラー ５ 周辺部ビーム縮小部 ６ レーザ光 ７ 外筒 ８ 第一のミラーブロック ９ 第二のミラーブロック １０ ガウス分布 １１ パワー密度分布 １２ ビーム拡大部 １３ 平行ビーム変換部 １４ レーザ光 １５ パワー密度分布 １６ レーザ発振器 １７ 光学系 １８ 被加工物 １９ 載物台 ２０ 制御部 ２１ レーザ光 ２２ レーザ光 ２３ ＸＹテーブル ２４ 制御部 ２５ 導光ミラー ２６ ビームエキスパンダ ２７ ガルバノメータ ２８ 回転ミラー ２９ ｆθレンズ ３０、３１ レンズブロック

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射されるレーザ光の径を拡大して出射
   する第一のビーム拡大部と、 前記ビーム拡大部から出射されたレーザ光のうち周辺部
   分のレーザ光の径のみを縮小する周辺部ビーム縮小部と
   を有することを特徴とするビームエキスパンダ。
2. 【請求項２】 入射されるレーザ光のうち、前記第一の
   ビーム拡大部により拡大され、次いで、前記周辺部ビー
   ム縮小部により縮小される周辺部分のレーザ光の径のト
   ータルの拡大率は１よりも大きいことを特徴とする前記
   請求項１に記載のビームエキスパンダ。
3. 【請求項３】 前記第一のビーム拡大部から出射された
   レーザ光の一部を周辺方向にシフトする反射ミラーブロ
   ックを有することを特徴とする前記請求項１または２に
   記載のビームエキスパンダ。
4. 【請求項４】 前記反射ミラーブロックは、 輪切りにした円錐形の表面に反射面を有し、前記第一の
   ビーム拡大部から出射されたレーザ光の一部を周辺方向
   に導く第一のミラーブロックと、 前記入射側ミラーの外側に配置され、輪切りにした円錐
   形の裏面に反射面を有し、前記入射側ミラーにより周辺
   方向に導かれたレーザ光を前記周辺部ビーム縮小部に導
   く第二のミラーブロックとを有することを特徴とする前
   記請求項３に記載のビームエキスパンダ。