JPH082511B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JPH082511B2
JPH082511B2 JP1114706A JP11470689A JPH082511B2 JP H082511 B2 JPH082511 B2 JP H082511B2 JP 1114706 A JP1114706 A JP 1114706A JP 11470689 A JP11470689 A JP 11470689A JP H082511 B2 JPH082511 B2 JP H082511B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザ加工装置に関するものである。
従来の技術 以下図面を参照しながら、上述した従来のレーザ加工
装置の一例について説明する。
第10図は従来のレーザ加工装置のうち、Ｘ−Ｙテーブ
ル型の構成図である。第10図において、１はレーザ発振
器、２はレーザ・ビーム、７は反射ミラー、11bは集光
レンズ、９は被加工物、10はＸ−Ｙテーブルである。レ
ーザ発振器１から出たレーザ・ビーム２は、反射ミラー
７により90゜偏向され、集光レンズ11bにより被加工物
９上に照射される。さらに、被加工物９は、Ｘ−Ｙテー
ブル10にて移動され、所定の加工が施される。
一方、第11図は、従来のレーザ加工装置のうちガルバ
ノ・メータ型ビーム走査装置の構成図である。第11図に
おいて、15はカルバノ・メータ、16はガルバノ・ミラ
ー、17はｆθレンズである。レーザ発振器１から出たレ
ーザ・ビーム２はカルバノ・メータ15によって動かされ
る２枚のガルバノ・ミラー16により平面上を走査されな
がら、ｆθレンズ17により被加工物９上に照射され、所
定の加工が施される。
しかしながら、上記のような加工跡を１本のレーズ・
ビーム２で形成する方法では、同一形状の加工を繰り返
し被加工物９に施す場合には、加工に時間がかかり十分
な生産能力が得られない。そのため、第12図に示す様な
多点同時加工できるレーザ加工装置がよく用いられてい
る。
第12図において3bと4bはレーザ・ビーム2aのビーム径
を拡大させるための凸レンズ、５と６はレーザ・ビーム
2dの断面形状を変形させるための凸型円筒レンズ、８は
集光光学装置、11は平凸レンズである。
以上のように構成されたレーザ加工装置において、そ
の機能を説明する。
レーザ発振器１から出たレーザ・ビーム2aは凸レンズ3b
を通過した後、一旦集光して再び拡がり、凸レンズ3bよ
りも焦点距離の長い凸レンズ4bによって、レーザ・ビー
ム2aよりもビーム径が大きく平行なレーザ・ビーム2dと
なる。レーザ・ビーム2dは凸型円筒レンズ５によって水
平方向が一旦集光して再び拡がり、凸型円筒レンズ５よ
りも焦点距離の長い凸型円筒レンズ６によって、レーザ
・ビーム2dよりも水平方向が拡大された平行なレーザ・
ビーム2eとなる。レーザ・ビーム2eは、反射ミラー７に
よって集光光学装置８に入射し、集光光学装置８内の各
々の平凸レンズ11によりレーザ・ビーム2eが集光され、
多点スポットとして被加工物９に照射される。さらに、
被加工物９は、Ｘ−Ｙテーブル10によって移動され、所
定の加工が施される。
発明が解決しようとする課題 一般に、固体レーザ（Nd−YAGレーザ等）や気体レー
ザ（CO2レーザ等）から発振されるレーザ・ビームの断
面強度分布は、一様ではなく、第13図（ａ）に示すよう
なガウス分布をしている。また、例えば第12図で示した
レーザ加工装置のように、発振器１から出たレーザ・ビ
ー2aのビーム径を拡げたり、ビームの断面形状を変形さ
せても、レーザ・ビーム2eの断面強度分布は、相変わら
ずガウス分布をしている。つまり、第13図（ａ）に示す
ように、レーザ・ビーム2eの中心で強度が最も強く、周
辺に遠ざかるに従って指数関数的に減少していく。
また、このようなガウス分布をしているレーザ・ビー
ム2eを、平凸レンズ11で構成されている集光光学装置８
で集光し、多点スポットとして被加合物９に照射した
時、各加工点12でのレーザ・エネルギ密度（単位面積当
たりのレーザ・ビーム強度）も、ガウス分布となり、加
工領域の中央部で強く、周辺部で弱くなる。
第13図（ｂ）は、レーザ・ビーム強度に対する加工条
件幅と加工可能領域との関係を表しており、図中の斜線
部分は、有効に加工に使われるレーザ・ビーム2eのエネ
ルギ量を表している。逆に、図中の斜線以外の部分は、
有効に使われないエネルギ量を表している。
つまり、レーザ・ビーム2eの断面強度分布が一様では
なくガウス分布をしているため、加工可能領域はレーザ
・ビーム強度の加工条件幅により制限を受け、レーザ・
ビーム2eの全エネルギを有効に加工に利用することがで
きないという課題を有していた。
例えば、連続発振YAGレーザをＱスイッチでパルス化
して、Al膜1000Åの蒸着フィルムに照射し、フィルムに
損傷を与えることなく、フィルム上のAl膜だけを除去す
るという加工を考える。第12図で示したようなレーザ加
工装置を用いて上記の加工を行った場合、レーザ・エネ
ルギ密度が２×103J/cm2以上になるとフィルムに損傷が
入り、1.6×103J/cm2以下では、蒸着フィルム上のAl膜
が除去されなかった。つまり、レーザ・エネルギ密度の
加工条件幅が1.6×103〜２×103J/cm2と非常に狭いた
め、加工可能領域も小さくなり、また、レーザ・ビーム
の全エネルギに対して、約３割程度しか有効に利用して
いないことが判明した。
そこで本発明はこの課題を解決するため、集光光学装
置８内の各集光レンズ11に入射するレーザのエネルギ量
を等しくし、さらに各加工点12でのレーザ・エネルギ密
度を等しくするレーザ加工装置を提供するものである。
課題を解決するための手段 上記課題を解決するための本発明の１の発明は、レー
ザ発振器と、このレーザ発振器から出たレーザ・ビーム
の断面強度を均一にすべく、中央部ではレーザ・ビーム
を拡げ、かつ周辺部ではレーザ・ビームを拡げない形状
とした非球面を有する第１の非球面レンズと、前記第１
の非球面レンズにより断面強度を均一化されたレーザ・
ビームを平行ビームに戻す形状とした非球面を有する第
２の非球面レンズと、前記第２の非球面レンズを通過し
たレーザ・ビームの光路内に平面上に１列もしくは複数
列に集光レンズを配置して構成した集光光学装置とを備
えたレーザ加工装置である。
本発明の第２の発明は、レーザ発振器と、このレーザ
発振器から出たレーザ・ビームの光路内に平面上に１列
もしくは複数列に配置された複数の集光レンズからな
り、かつ前記複数の集光レンズにおいて、各々の集光レ
ンズに入射するレーザ・ビームのエネルギ量を等しくす
べく、中央部に位置するものより周辺部に位置するもの
がレンズ径が大きくなるよう構成したことを特徴とする
レーザ加工装置である。
作用 本発明の第１の発明によれば、非球面レンズを用いる
ことにより、ガウス分布をしているレーザ・ビームの断
面強度分布な均一分布となり、その均一化されたレーザ
・ビームはいくつかの集光レンズで構成される集光光学
装置に照射される。各々の集光レンズに入射するレーザ
・ビームの強度は均一であるため、集光レンズで集光さ
れた各加工点でのレーザ・エネルギ密度も等しくなる。
そのため、加工領域の中央部でも周辺部でも均一に加工
することができる。さらに、レーザ・ビームのエネルギ
の大部分を有効に加工に利用できるようになるため、加
工可能領域を拡げることができる。
また、本発明の第２の発明によれば、集光光学装置内
の集光レンズの形状（レンズ径）を中央部に位置するも
のより周辺部に位置するものがレンズ径が大きくなるよ
う構成することにより、各々の集光レンズに入射するレ
ーザ・ビームのエネルギ量を等しくすることができる。
実施例 本発明の実施例について以下図面を参照しながら説明
する。
第１図は本発明の第１の発明の一実施例におけるレー
ザ加工装置の構成図である。同図において、１はレーザ
発振器、2aはレーザ発振器１から出たレーザ・ビーム、
３と４はレーザ・ビーム2aの断面強度分布を均一分布に
するための非球面レンズ、５と６はレーザ・ビーム2bの
断面形状を変化させるための凸型円筒レンズ、７は全反
射ミラー、８は集光光学装置、９は被加工物、10はＸ−
Ｙテーブル、11は代表的な集光レンズである平凸レンズ
である。
以上のように構成されたレーザ加工装置について、そ
の機能を説明する。レーザ発振器１から出たレーザ・ビ
ーム2aは、非球面レンズ3,4によりレーザ・ビーム2aの
平行性を保ちつつ、かつ、その断面強度がガウス分布か
ら均一分布へ変換される。均一化されたレーザ・ビーム
2bは、凸型円筒レンズ５によって水平方向が一旦集光し
て拡がり、凸型円筒レンズ５よりも焦点距離の長い凸型
円筒レンズ６によってレーザ・ビーム2bよりも水平方向
が拡大された平行なレーザ・ビーム2cとなる。レーザ・
ビーム2cは、反射ミラー７によって集光光学装置８に入
射し、集光光学装置８内の各々の平凸レンズ11によりレ
ーザ・ビーム2eが集光され、多点スポットとして被加工
物９に照射される。さらに、被加工物９は、Ｘ−Ｙテー
ブル10によって移動され、所定の加工が施される。
次に、レーザ・ビーム2aの断面強度分布をガウス分布
から均一分布へ変換する非球面レンズ3,4の機能につい
て定性的に説明する。第２図は、第１図のレーザ加工装
置における非球面レンズ3,4光学系の拡大図であり、ビ
ームの強度分布を光線密度で表わしている。非球面レン
ズ３の非球面部において、ビーム強度の強い中央部では
ビームを拡げ、逆にビーム強度の弱い周辺部ではビーム
を拡げないようにして、ビーム強度を均一にする。一
方、非球面レンズ４の非球面部において、拡げられた各
ビームを元の平行ビームに戻す。第３図（ａ）は、ガウ
ス分布をしているレーザ・ビーム2aの断面Ａ−Ａのビー
ム強度、第３図（ｂ）は、均一化されたレーザ・ビーム
2bの断面Ｂ−Ｂのビーム強度を表している。さらに、こ
の均一化されたレーザ・ビーム2bを、集光光学装置８内
の平凸レンズ11で集光し、多点スポットとして被加工物
９に照射すると、その加工点12でのエネルギ密度はすべ
て等しくなる。
また、第４図は、レーザ・ビーム強度に対する加工条
件幅と加工可能領域との関係を表わしており、（ａ）は
従来のレーザ加工装置の場合であり、（ｂ）は本実施例
におけるレーザ加工装置の場合である。図中の斜線部分
は有効に加工に利用できるレーザ・ビームのエネルギ量
を表わしている。
以上のように本実施例によれば、非球面レンズ3,4を
用いてレーザ・ビーム2aの断面強度分布を均一分布に
し、平凸レンズ11で集光し、多点スポットとして被加工
物９上に照射することにより、各加工点12でのレーザ・
エネルギ密度が等しくなり、中央部でも周辺部でも均一
に加工することができる。さらに、レーザ・ビームのエ
ネルギの大部分を有効に加工に利用できるようになり、
加工可能領域を拡げることができる。
第５図は本発明の第１の発明と同様の効果を狙ったレ
ーザ加工装置（参考例）の構成図である。同図におい
て、第１図と同一物には同一番号を付し説明を省略す
る。同図において、第１図と異なる点は、非球面レンズ
3,4の代わりに、非球面ミラー3a,4aを用いている点であ
る。
このレーザ加工装置の機能は、第１の実施例の場合と
ほぼ同じであり、異なっている点は、ガウス分布をして
いるレーザ・ビーム2aの断面強度分布を均一分布に変換
する手段が、非球面レンズ3,4から非球面ミラーに代わ
っている点だけである。
従って、この参考例においても、前述の実施例と同様
の効果が得られる。
第６図は本発明の第２の発明の一実施例におけるレー
ザ加工装置の構成図である。同図において、第１図と同
一物には同一番号を付し説明を省略する。同図におい
て、第１図の構成と異なる点は２つあり、その一つは、
非球面レンズ3,4を使用せず、球面の凸レンズ3b,4bを使
用している点である。そのため、レーザ発振器１から出
たレーザ・ビーム2aは凸レンズ3bを通過した後、一旦集
光して再び拡がり、凸レンズ3bよりも焦点距離の長い凸
レンズ4bによって、レーザ・ビーム2aよりも直径が大き
く平行なレーザ・ビーム2dとなる。ここで注意しなけれ
ばならないことは、レーザ・ビーム2dの断面強度分布が
第１の実施例のように均一分布ではなく、依然としてガ
ウス分布をしている点である。
もう一つの異なる点は、集光光学装置8aである。第７
図は第２の実施例における集光光学装置8aの拡大図であ
り、６個の平凸レンズ11aで構成されており、ビームの
強度分布は光線密度で表わされている。
次に、この集光光学装置8aの機能を第７図を参照しな
がら説明する。まず、集光光学装置8aに入射するレーザ
・ビーム2eの断面強度分布は均一分布ではなく、ガウス
分布となっている。そのため、集光光学装置8a内の６個
の平凸レンズ11aの形状は、レーザ・ビーム2eのビーム
強度分布に合わせて変えている。つまり、具体的には、
各々の平凸レンズ11aに入射するレーザ・ビーム2eのエ
ネルギ量が等しくなるように、その平凸レンズ11aの大
きさ（断面積）を変えている。ガウス分布は中央部で強
度が強く、周辺へ遠ざかるに従って弱くなるため、集光
光学装置8a内の平凸レンズ11aの大きさは、中央部では
小さく、逆に、周辺部では大きくなる。さらに、第７図
の１点鎖線で示すように、各々の平凸レンズ11aの光軸
と加工点12とを合わせているため、レーザ・ビーム2eは
各々の平凸レンズ11aにより各々の加工点12に集光され
る。
従って、各加工点12でのレーザ・エネルギ密度は等し
くなり、中央部でも周辺部でも均一に加工することがで
きる。つまり、本実施例においても第１の実施例と同様
の効果が得られる。
第８図は本発明の第２の発明と同様の効果を狙ったレ
ーザ加工装置（参考例）の構成図である。同図におい
て、第１図と同一物には同一番号を付し説明を省略す
る。同図において、第１図の構成と異なる点は２つあ
り、その一つは、非球面レンズ3,4を使用しないで、球
面の凸レンズ3b,4bを使用している点である。
もう一つの異なる点は、反射ミラー７と集光光学装置
８との間に、レーザ・ビーム2eのエネルギを等しく分割
するビーム分割装置13が配置されている点である。第９
図は６個のプリズム14で構成されているビーム分割装置
13と、６個の平凸レンズ11で構成されている集光光学装
置８の拡大図である。同図において、斜線部分は、レー
ザ・ビーム2eの通過する領域を示している。
次に、このビーム分割装置13の機能を第９図を参照し
ながら説明する。まず、ビーム分割装置13に入射するレ
ーザ・ビーム2eの断面強度分布はガウス分布となってい
る。そのため、ビーム分割装置13内の６個の各々のプリ
ズム14の形状は、レーザ・ビーム2eのビーム強度分布に
合わせて変えている。つまり、具体的には、各々のプリ
ズム14に入射するレーザ・ビーム2eのエネルギ量が等し
くなるように、そのプリズム14の大きさ（断面積）を変
えている。また、各々のプリズム14はレーザ・ビーム2e
の光軸に対して傾けて配置されているため、レーザ・ビ
ーム2eはプリズム14に入射する時外側へ屈折し、逆に、
プリズム14から出射する時内側へ屈折する。さらに、各
々のプリズム14を通過したレーザ・ビーム2fが、集光光
学装置８内の各々の平凸レンズ11に入射するように、各
々のプリズム14の長さを変えている。
従って、各々の平凸レンズ11に入射するレーザ・エネ
ルギの量は等しくなり、各加工点12でのレーザ・エネル
ギ密度も等しくなる。
発明の効果 本発明の第１の発明及び第２の発明に対して、集光光
学装置内の各々の集光レンズに入射するレーザ・ビーム
のエネルギ量が等しく、集光レンズの光軸に対して垂直
にレーザ・ビームが入射するため、集光レンズで集光さ
れた各加工点でのレーザ・エネルギ密度は等しくなる。
そのため、加工領域の中央部でも周辺部でも均一に加工
することができる。さらに、レーザ・ビームのエネルギ
の大部分を有効に加工に利用できるため、加工可能領域
を拡げることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の発明の一実施例におけるレーザ
加工装置の構成図、第２図は第１図のレーザ加工装置に
おける非球面レンズ光学系の拡大図、第３図は非球面レ
ンズ光学系通過前後におけるレーザ・ビームの断面強度
分布図、第４図はレーザ・ビーム強度の加工条件幅と加
工可能領域との関係を表わした図、第５図は本発明の第
１の発明と同様の効果を狙ったレーザ加工装置（参考
例）の構成図、第６図は本発明の第２の発明の一実施例
におけるレーザ加工装置の構成図、第７図は第６図のレ
ーザ加工装置における集光光学装置の拡大図、第８図は
本発明の第２の発明と同様の効果を狙ったレーザ加工装
置（参考例）の構成図、第９図は第８図のレーザ加工装
置におけるビーム分割装置と集光光学装置の拡大図、第
10図は従来のレーザ加工装置のうちＸ−Ｙテーブル型の
構成図、第11図は従来のレーザ加工装置のうちガルバノ
・メータ型ビーム走査装置の構成図、第12図は従来の多
点同時加工可能なレーザ加工装置の構成図、第13図は従
来のレーザ加工装置におけるレーザ・ビームの断面強度
分布及びレーザ・ビーム強度の加工条件幅と加工可能領
域との関係を表した図である。 １……レーザ発振器、2,2a〜2e……レーザ・ビーム、3,
4……非球面レンズ、11,11a,11b……集光レンズ、8,8a
……集光光学装置、3a,4a……非球面ミラー、13……ビ
ーム分割装置。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−108318（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−191689（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−105780（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−50583（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザ発振器と、このレーザ発振器から出
    たレーザ・ビームの断面強度を均一にすべく、中央部で
    はレーザ・ビームを拡げ、かつ周辺部ではレーザ・ビー
    ムを拡げない形状とした非球面を有する第１の非球面レ
    ンズと、前記第１の非球面レンズにより断面強度を均一
    化されたレーザ・ビームを平行ビームに戻す形状とした
    非球面を有する第２の非球面レンズと、前記第２の非球
    面レンズを通過したレーザ・ビームの光路内に平面上に
    １列もしくは複数列に集光レンズを配置して構成した集
    光光学装置とを備えたレーザ加工装置。
  2. 【請求項２】レーザ発振器と、このレーザ発振器から出
    たレーザ・ビームの光路内に平面上に１列もしくは複数
    列に配置された複数の集光レンズからなり、かつ前記複
    数の集光レンズにおいて、各々の集光レンズに入射する
    レーザ・ビームのエネルギ量を等しくすべく、中央部に
    位置するものより周辺部に位置するものがレンズ径が大
    きくなるよう構成したことを特徴とするレーザ加工装
    置。
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