(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024128516
(43)【公開日】2024-09-24
(54)【発明の名称】レーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/073 20060101AFI20240913BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20240913BHJP
【ＦＩ】
B23K26/073
B23K26/064 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023037512
(22)【出願日】2023-03-10
(71)【出願人】
【識別番号】000133227
【氏名又は名称】株式会社タムロン
(74)【代理人】
【識別番号】100124327
【弁理士】
【氏名又は名称】吉村 勝博
(72)【発明者】
【氏名】小森 一範
(72)【発明者】
【氏名】坂本 敬志
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD07
4E168BA87
4E168CB17
4E168DA02
4E168DA24
4E168DA28
4E168DA29
4E168DA39
4E168EA13
4E168EA15
4E168EA17
(57)【要約】
【課題】本件発明は、レーザビームのエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適した、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状とすることができるレーザ加工装置の光学系を提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸上の位置は、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置であり、照射点における光軸に垂直な面において、領域Ａを透過したレーザビームは光軸及び光軸の周辺部の点状の像Ａを形成し、領域Ｂを透過したレーザビームは像Ａの周囲であって光軸を中心とした環状の像Ｂを形成するレーザ加工装置の光学系を採用した。
【選択図】図１
【解決手段】この目的を達成するため、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸上の位置は、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置であり、照射点における光軸に垂直な面において、領域Ａを透過したレーザビームは光軸及び光軸の周辺部の点状の像Ａを形成し、領域Ｂを透過したレーザビームは像Ａの周囲であって光軸を中心とした環状の像Ｂを形成するレーザ加工装置の光学系を採用した。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、
光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、
前記複数の領域は前記光軸を中心とした同心円状の領域であり、
前記被加工物への前記レーザビームの照射点の前記光軸上の位置は、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置であり、
前記領域Ａは前記光軸を含む領域であり、
前記照射点における前記光軸に垂直な面において、前記領域Ａを透過した前記レーザビームは前記光軸及び前記光軸の周辺部に点状の像Ａを形成し、前記領域Ｂを透過した前記レーザビームは前記像Ａの周囲に前記光軸を中心とした環状の像Ｂを形成する、
ことを特徴とするレーザ加工装置の光学系。
光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、
前記複数の領域は前記光軸を中心とした同心円状の領域であり、
前記被加工物への前記レーザビームの照射点の前記光軸上の位置は、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置であり、
前記領域Ａは前記光軸を含む領域であり、
前記照射点における前記光軸に垂直な面において、前記領域Ａを透過した前記レーザビームは前記光軸及び前記光軸の周辺部に点状の像Ａを形成し、前記領域Ｂを透過した前記レーザビームは前記像Ａの周囲に前記光軸を中心とした環状の像Ｂを形成する、
ことを特徴とするレーザ加工装置の光学系。
【請求項2】
前記光学面は前記光軸を含む断面で曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状であり、
前記非球面が以下の条件式（１）の偶数次非球面式で表されるとき、以下の条件式（２）を満たす請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系。
ｚ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ２ｒ２＋ａ４ｒ４＋ａ６ｒ６＋ａ８ｒ８＋ａ１０ｒ１０＋ａ１２ｒ１２＋ａ１４ｒ１４＋ａ１６ｒ１６ ・・・（１）
０．９＜Ｃｒ／Ｃ０＜１．０ ・・・（２）
但し、
ｚ（ｒ）：前記光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での前記光軸方向の面位置（サグ量）。
ｃ：曲率半径の逆数。
ｋ：円錐定数。
a２～ａ１６：２次から１６次の非球面係数。
Ｃｒ：前記非球面の前記領域Ｂにおけるタンジェンシャル方向の曲率。
Ｃ０：前記非球面の前記領域Ａにおける前記光軸の位置の曲率。
前記非球面が以下の条件式（１）の偶数次非球面式で表されるとき、以下の条件式（２）を満たす請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系。
ｚ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ２ｒ２＋ａ４ｒ４＋ａ６ｒ６＋ａ８ｒ８＋ａ１０ｒ１０＋ａ１２ｒ１２＋ａ１４ｒ１４＋ａ１６ｒ１６ ・・・（１）
０．９＜Ｃｒ／Ｃ０＜１．０ ・・・（２）
但し、
ｚ（ｒ）：前記光軸に対して垂直に距離ｒ離れた位置での前記光軸方向の面位置（サグ量）。
ｃ：曲率半径の逆数。
ｋ：円錐定数。
a２～ａ１６：２次から１６次の非球面係数。
Ｃｒ：前記非球面の前記領域Ｂにおけるタンジェンシャル方向の曲率。
Ｃ０：前記非球面の前記領域Ａにおける前記光軸の位置の曲率。
【請求項3】
以下の条件式（３）を満たす請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系。
０．９＜ｆＢ／ｆＡ＜１．１ ・・・（３）
但し、
ｆＡ：最も前記被加工物に近い最像側光学面から前記焦点位置Ａまでの距離。
ｆＢ：最も前記被加工物に近い最像側光学面から前記焦点位置Ｂまでの距離。
０．９＜ｆＢ／ｆＡ＜１．１ ・・・（３）
但し、
ｆＡ：最も前記被加工物に近い最像側光学面から前記焦点位置Ａまでの距離。
ｆＢ：最も前記被加工物に近い最像側光学面から前記焦点位置Ｂまでの距離。
【請求項4】
前記光学面への前記レーザビームの入射側に、前記レーザビームを平行光にするためのコリメートレンズを備える請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系。
【請求項5】
請求項１に記載のレーザ加工装置の光学系を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本件発明は、レーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、レーザビームが種々の製品の加工に広く用いられている。レーザビームは、１点に集光して被加工物に照射することによって被加工物の表面温度を急激に上昇させ、被加工物の被照射面を融解もしくは蒸発させる。このレーザビームを用いるレーザ加工装置は、このようにして、被加工物へ切断や穴開け、溶接といった加工を施す装置である。そして、レーザビームを１点に集光するため、ピンポイントで精密かつ微細な加工が可能である。また、より高エネルギーのレーザビームを用いることで、加工時間を短縮することができ、かつ、刃物での加工が困難な高硬度の被加工物の加工も可能である。
【0003】
ここで、レーザ加工装置はレーザ加工装置の光学系を備えている。そして、このレーザ加工装置の光学系は、レーザビームをスポットの１点に集光する機能に加えて、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を円形で、エネルギー強度分布がガウシアン状やトップハット状のものとして照射する機能を有するものが従来採用されてきた。しかしながら、この従来のスポットのスポット形状を採用したレーザ加工においては、被加工物の切断や溶接、穴開けの際、レーザビームによって溶融した被加工物が切断面や穴部に残存してしまい、加工品質が悪化する問題があった。そこで、近年、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を環状、又は中心部を有する環状にすることによって、溶融した被加工物を適切に飛ばして切断面や穴部に残存させないレーザ加工が提案されている。特に、スポットにおけるレーザビームのスポット形状が中心部を有する環状とすることによって、中心部のレーザビームで溶融することによって発生するスパッタを環状のレーザビームが抑えることによって飛び散るスパッタを大幅に抑制することが可能となり、加工品質が良くなることが知られはじめている。
【0004】
スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状にするために、例えば特許文献１では、回折光学素子を用いてレーザビームを空間的に分岐して、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状とするレーザ溶接装置を開示している。また、特許文献２では、円錐台形レンズを用いて、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状とするレーザ加工装置を開示している。また、特許文献３では、球面レンズ及び球面収差を発生可能な非球面レンズとの少なくとも一方を用いて、レーザビームの中心領域にあった光線を周辺領域へ倒置させ、かつ、レーザビームの周辺領域にあった光線を中心領域に倒置させることによって、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状とするレーザ加工ヘッドを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１５－２０５３２７号公報
【特許文献2】特開２０１６－０６８１３１号公報
【特許文献3】国際公開第２０１２／１６４６６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、特許文献１に記載のレーザ溶接装置は、回折光学素子を用いてレーザビームを空間的に分岐していることから、不要な回折光が発生することによってレーザビームのエネルギー利用効率が良くない。また、特許文献２に記載のレーザ加工装置は、円錐台形レンズの円錐部と平坦部との境目にエッジ部ができ、レーザビームのエネルギーが高い場合はエッジ部付近が破損する恐れがあり、さらに、円錐台形レンズとは別に、スポットにレーザビームを集光させる集光レンズが必要となり、光学系のコストが増加する。また、特許文献３に記載のレーザ加工ヘッドは、照射点において、中心部のレーザビームと環状のレーザビームとの間の領域にもレーザビームのエネルギーが残存しており、中心部と環状との境界が不明瞭であることから、上述した、スポットにおけるレーザビームのスポット形状が中心部を有する環状とした場合のスパッタの抑制効果を十分に発揮できない。
【0007】
本件発明は、レーザビームのエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適した、スポットにおけるレーザビームのスポット形状を中心部を有する環状とすることができるレーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決するために、鋭意研究の結果、以下の発明に想到した。
【0009】
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザビームを照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置の光学系であって、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、前記複数の領域は前記光軸を中心とした同心円状の領域であり、前記被加工物への前記レーザビームの照射点の前記光軸上の位置は、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、前記光学面における前記複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置であり、前記領域Ａは前記光軸を含む領域であり、前記照射点における前記光軸に垂直な面において、前記領域Ａを透過した前記レーザビームは前記光軸及び前記光軸の周辺部に点状の像Ａを形成し、前記領域Ｂを透過した前記レーザビームは前記像Ａの周囲に前記光軸を中心とした環状の像Ｂを形成することを特徴としている。
【0010】
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述のレーザ加工装置の光学系を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、被加工物への前記レーザビームの照射点における光軸に垂直な面において、光軸及び光軸の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸を中心とした環状の像を形成することができる。これによって、レーザビームのエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適したレーザ加工を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図である。
【図2】本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図である。
【図3】本実施の形態に係るレーザ加工装置の概略図である。
【図4】実施例１の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図5】実施例１の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【図6】実施例２の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図7】実施例２の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【図8】実施例３の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図9】実施例３の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【図10】実施例４の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図11】実施例４の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【図12】実施例５の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図13】実施例５の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【図14】実施例６の照射点におけるレーザビームのスポット形状図である。
【図15】実施例６の照射点におけるレーザビームのエネルギー強度分布図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系、及びレーザ加工装置の実施の形態を説明する。なお、以下に説明するものは、単に一態様を示したものであり、以下の記載内容に限定解釈されるものではない。
【0014】
１．レーザ加工装置の光学系の実施の形態
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に用いる光学系である。当該光学系は、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、この複数の領域は光軸を中心とした同心円状の領域である。そして、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸上の位置は、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置である。なお、領域Ａは光軸を含む領域である。このとき、照射点における光軸に垂直な面において、領域Ａを透過したレーザビームは光軸及び光軸の周辺部に点状の像Ａを形成し、領域Ｂを透過したレーザビームは像Ａの周囲に光軸を中心とした環状の像Ｂを形成するものである。
本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザ光を照射することによって被加工物を加工するレーザ加工装置に用いる光学系である。当該光学系は、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を設けた光学面を有し、この複数の領域は光軸を中心とした同心円状の領域である。そして、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸上の位置は、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ａの焦点位置Ａと同じ位置であり、かつ、光学面における複数の領域のうち少なくとも領域Ｂの焦点位置Ｂとは異なる位置である。なお、領域Ａは光軸を含む領域である。このとき、照射点における光軸に垂直な面において、領域Ａを透過したレーザビームは光軸及び光軸の周辺部に点状の像Ａを形成し、領域Ｂを透過したレーザビームは像Ａの周囲に光軸を中心とした環状の像Ｂを形成するものである。
【0015】
このとき、被加工物のレーザビームの照射点（スポット）における光軸に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、上述した像Ａと像Ｂとの合成した像となることから、光軸及び光軸の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸を中心とした環状の像とを合成した像となる。
【0016】
本件発明によれば、照射点（スポット）における光軸に垂直な面のレーザビームのスポット形状が中心部の点状及び点状の周囲の環状とからなることから、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を採用したレーザ加工装置を用いることによって、アルミニウム材など光の反射率が高い被加工物を溶接や切断することができ、かつ、レーザビームのエネルギーの使用効率が高く、スパッタが少なく品質の良いレーザ加工を行うことが可能となる。
【0017】
レーザ発振器から光ファイバを介して光学面に入射されるレーザビームは、レーザ加工用に用いることができるレーザビームであれば、いかなるレーザビームであっても用いることができる。特に、ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）、ファイバレーザ（波長１０７０ｎｍ）、ディスクレーザ（波長１０３０ｎｍ）、半導体レーザ（波長９３５ｎｍ、９４０ｎｍ、９８０ｎｍ、９４０～９８０ｎｍ、９４０～１０２５ｎｍ）に代表される発振波長が約９２０～１０８０ｎｍの近赤外レーザビームであることが好ましい。そして、レーザ加工用に用いることができるレーザビームであれば、青、緑、紫外線域のレーザビームであっても良い。また、光学面に入射されるレーザビームの光軸に垂直な面におけるエネルギー分布は、中心部（光軸部分）のエネルギーが強いガウシアン状であっても、均一であっても良い。
【0018】
なお、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系は、レーザ加工を行うことができる限りにおいて、どのような光学系を含むこともできる。例えば、ガルバノミラーを備えたガルバノ光学系を含んでも良い。また、ビームスプリッターを用いてレーザビームを分岐して、被加工物の照射点に照射するレーザビームのスポット形状やエネルギー強度分布等を観測する観測系を含んでも良い。
【0019】
〔第一の実施形態〕
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図を図１に示す。図１ａ及び図１ｂは第一の実施形態である第一の光学系１及び第一の光学系１’を示している。図１ａは、光学面３を有する光学素子が配置されている側から、光学面３へレーザビームを入射した場合の、光学面３から出射されるレーザビームの略軌跡を示している。光軸１０は、光学面３の光学中心を通っている。光学面３は、領域Ｂ１１、領域Ｂ２１、領域Ａ１２、領域Ａ２２で示す領域を有している。そして、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１で示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｂである。また、領域Ａ１２と領域Ａ２２で示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ａである。すなわち、光学面３において、領域Ａは光軸１０を含む領域である。このとき、領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面３は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。
本実施の形態に係るレーザ加工装置の光学系の概略断面図を図１に示す。図１ａ及び図１ｂは第一の実施形態である第一の光学系１及び第一の光学系１’を示している。図１ａは、光学面３を有する光学素子が配置されている側から、光学面３へレーザビームを入射した場合の、光学面３から出射されるレーザビームの略軌跡を示している。光軸１０は、光学面３の光学中心を通っている。光学面３は、領域Ｂ１１、領域Ｂ２１、領域Ａ１２、領域Ａ２２で示す領域を有している。そして、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１で示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｂである。また、領域Ａ１２と領域Ａ２２で示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ａである。すなわち、光学面３において、領域Ａは光軸１０を含む領域である。このとき、領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面３は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。
【0020】
領域Ａの焦点位置Ａは、光軸１０の位置Ａ５０の位置にある。一方、領域Ｂの焦点位置Ｂは、光軸１０の位置Ｂ５１の位置にある。このように、第一の光学系１は、光軸１０上に複数の異なる焦点を設けた光学面３を有している。なお、図１ａにおいて、領域Ｂ１１から出射されるレーザビームの光線１０１と、領域Ｂ２１から出射されるレーザビームの光線２０１と、領域Ａ１２から出射されるレーザビームの光線１０２と、領域Ａ２２から出射されるレーザビームの光線２０２は、光学面３のそれぞれの領域から出射されるレーザビームの光線を、１本の線で簡略化して表現している。
【0021】
ここで、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１とで示す光学面３の同心円状の領域から出射される光線１０１及び光線２０１は、光軸１０の位置Ｂ５１の位置で１点に収束し、位置Ｂ５１を通過後、徐々に拡散状に広がりながら光軸１０の位置Ａ５０を通過する。また、領域Ａ１２と領域Ａ２２とで示す光学面３の同心円状の領域から出射される光線１０２及び光線２０２は、光軸１０の位置Ａ５０の位置で１点に収束する。このとき、領域Ａ１２と領域Ａ２２とで示す領域を出射した光線１０２及び光線２０２は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する。そして、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１とで示す領域を出射した光線１０１及び光線２０１は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成する。すなわち、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸１０上の位置を位置Ａ５０とすることによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、上述した像Ａと像Ｂとの合成した像であり、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像となる。
【0022】
図１ａにおいて、光学面３への入射光は、レーザ発振器から光ファイバを介して入射されるレーザビームであり、拡散状に広がるレーザビームであっても、コリメートレンズを用いて平行光にしたレーザビームであっても良い。このことから、第一の光学系１において、光学面３へのレーザビームの入射側にコリメートレンズを備えても良い。
【0023】
なお、図１ａにおいては、集光機能を有する光学素子が光学面３を備えている。一方、第一の実施形態においては、図１ｂに示す第一の光学系１’の構成も可能である。第一の光学系１’においては、コリメート機能を有する光学素子が光学面３を備えている。第一の光学系１’の場合であっても、光学面３における領域Ｂ１１、領域Ｂ２１、領域Ａ１２、領域Ａ２２については、第一の光学系１で説明したものと同じ規定である。そして、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１とで示す光学面３の同心円状の領域から出射される光線１０１及び光線２０１は、集光レンズ５で集光され、光軸１０の位置Ｂ５１の位置で１点に収束し、位置Ｂ５１を通過後、徐々に拡散状に広がりながら光軸１０の位置Ａ５０を通過する。また、領域Ａ１２と領域Ａ２２とで示す光学面３の同心円状の領域から出射される光線１０２及び光線２０２は、集光レンズ５で集光され、光軸１０の位置Ａ５０の位置で１点に収束する。このとき、領域Ａ１２と領域Ａ２２とで示す領域を出射した光線１０２及び光線２０２は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する。そして、領域Ｂ１１と領域Ｂ２１とで示す領域を出射した光線１０１及び光線２０１は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成する。すなわち、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸１０上の位置を位置Ａ５０とすることによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、上述した像Ａと像Ｂとの合成した像であり、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像となる。
【0024】
上述の領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面３は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。この非球面は、以下の条件式（１）の偶数次非球面式で表すことができる。
【0025】
ｚ（ｒ）＝ｃｒ２／［１＋｛１－（１＋ｋ）・ｃ２ｒ２｝１／２］＋ａ２ｒ２＋ａ４ｒ４＋ａ６ｒ６＋ａ８ｒ８＋ａ１０ｒ１０＋ａ１２ｒ１２＋ａ１４ｒ１４＋ａ１６ｒ１６ ・・・（１）
但し、
ｚ（ｒ）：光軸１０に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸１０方向の面位置（サグ量）
ｃ：曲率半径の逆数
ｋ：円錐定数
a２～ａ１６：２次から１６次の非球面係数
但し、
ｚ（ｒ）：光軸１０に対して垂直に距離ｒ離れた位置での光軸１０方向の面位置（サグ量）
ｃ：曲率半径の逆数
ｋ：円錐定数
a２～ａ１６：２次から１６次の非球面係数
【0026】
このとき、以下の条件式（２）を満たすことが好ましい。光学面３の非球面の形状が条件式（２）を満たすことによって、光軸１０上の焦点の位置が異なる複数の領域を光学面３に備えることになり、そのことから、上述したように、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状を、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像とすることができるからでる。
【0027】
０．９＜Ｃｒ／Ｃ０＜１．０ ・・・（２）
但し、
Ｃｒ：非球面の領域Ｂにおけるタンジェンシャル方向の曲率。
Ｃ０：非球面の領域Ａにおける光軸の位置の曲率。
但し、
Ｃｒ：非球面の領域Ｂにおけるタンジェンシャル方向の曲率。
Ｃ０：非球面の領域Ａにおける光軸の位置の曲率。
【0028】
また、位置Ａ５０及び位置Ｂ５１について、以下の条件式（３）を満たすことが好ましい。位置Ａ５０及び位置Ｂ５１の位置関係が条件式（３）を満たすことによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状において、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂの大きさ（光軸１０を中心とする直径）が、像Ａを形成するレーザビームで溶融することによって発生するスパッタが飛び散ることを抑制するのに適切な大きさになるからである。
【0029】
０．９＜ｆＢ／ｆＡ＜１．１ ・・・（３）
但し、
ｆＡ：最も被加工物に近い最像側光学面から位置Ａ５０までの距離。
ｆＢ：最も被加工物に近い最像側光学面から位置Ｂ５１までの距離。
但し、
ｆＡ：最も被加工物に近い最像側光学面から位置Ａ５０までの距離。
ｆＢ：最も被加工物に近い最像側光学面から位置Ｂ５１までの距離。
【0030】
ここで、条件式（３）のｆＡ、ｆＢの定義における「最像側光学面」とは、光学系に配置した光学素子において、最も被加工物に近い、すなわち最も像側に配置された光学素子の、像側の光学面のことである。第一の実施形態においては、図１ａの第一の光学系１の場合は光学面３であり、図１ｂの第一の光学系１’の場合は集光レンズ５の像側の光学面である。なお、カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは、仮に最も被加工物に近くても、「最も被加工物に近い最像側光学面」からは除かれる。
【0031】
上述では、光軸上の焦点の位置が位置Ａ５０と位置Ｂ５１との２つある場合について説明した。しかし、第一の実施形態においては、光学面３における領域Ｂの外側に、さらに１つ又は複数の領域を備えることによって光軸上の焦点の位置を３つ以上とすることも可能である。例えば、光学面３における領域Ｂの外側に光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｃを設け、領域Ｃの焦点の位置を位置Ｂ５１よりもレーザビームの光源側となる焦点位置Ｃとする。この場合、領域Ｃから出射した光線は焦点位置Ｃで１点に収束し、焦点位置Ｃを通過後、徐々に拡散状に広がりながら光軸１０の位置Ａ５０を通過する。このとき、領域Ｃを出射した光線は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光線１０１及び光線２０１による光軸１０を中心とした環状の像Ｂよりも外側に、光軸１０を中心とした環状の像Ｃを形成することができる。したがって、位置Ａ５０を照射点とした光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂと、環状の像Ｂの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｃとを合成した像となる。
【0032】
なお、上述のように、光軸上の焦点の位置が異なる３つ以上の領域を設けた光学面を採用した場合、条件式（２）で用いられるＣｒの定義は、光学面の領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある光軸１０を中心とした同心円状の領域（上述の場合領域Ｃ）におけるタンジェンシャル方向の曲率である。すなわち、条件式（２）においては、領域Ｂは、その領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある光軸１０を中心とした同心円状の領域（上述の場合領域Ｃ）に置き換えて適用するものである。また、条件式（３）におけるｆＢの定義は、最も被加工物に近い最像側光学面から、光学面の領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある焦点の位置（上述の場合焦点位置Ｃ）までの距離である。すなわち、条件式（３）においては、位置Ｂ５１は、その領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある焦点の位置（上述の場合焦点位置Ｃ）に置き換えて適用するものである。
【0033】
また、上述のように、光学面３が、光軸１０上の焦点の位置が異なる複数の領域として、光軸１０を中心として同心円状に順に領域Ａと領域Ｂと領域Ｃとを有している場合において、領域Ａの焦点の位置が照射点の位置であって、かつ、領域Ａから出射した光線が照射点の位置で光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する限りにおいて、領域Ｃから出射した光線が照射点の位置で点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｃを形成し、領域Ｂから出射した光線が照射点の位置で環状の像Ｃの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成するようにしても良い。
【0034】
また、上述では、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を、同一の光学素子の光学面に設けた場合で説明したが、例えば、コリメート機能を有する光学素子の光学面に領域Ｂを備え、集光機能を有する光学素子の光学面に領域Ａを備えることもできる。
【0035】
上述の点状の像Ａと点状の像Ａの周囲の環状の像Ｂとの、光軸１０に垂直な面における光軸１０を含む任意の直線上のエネルギー強度分布は、光軸１０に対して対称に分布するものである。ここで、図１の光学面３よりもレーザ発振器側に、レーザビームを光軸１０に対してチルトもしくはシフトする機構を備えても良い。チルトは、光軸１０に平行していたレーザビームの進路方向を、光軸１０に対して傾けることである。また、シフトは、光軸１０に一致させていたレーザビームの中心の位置を、光軸１０とは異なる位置に光軸１０に平行にずらすことである。このように、チルト、もしくはシフトさせたレーザビームを光学面３に入射することによって、位置Ａ５０を照射点とした光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって環状の像Ｂとの合成した像であり、かつ、点状の像Ａ及び環状の像Ｂの光軸１０に垂直な面における光軸１０を含む任意の直線上のエネルギー強度分布が光軸１０に対して対称ではない分布となる。具体的には、エネルギー強度分布はチルトもしくはシフトした方向に対して強弱の分布を有するようになる。レーザ加工時のレーザビームの進行方向に対して、このエネルギー強度分布の強弱について、進行方向に強と配したり、進行方向に弱と配したり、進行方向の左右に強弱を配したりすることによって、様々な材料の被加工物を加工することができる。
【0036】
なお上記はレーザビームを光軸１０に対してチルトもしくはシフトさせる内容で説明したが、光学面３を有する光学素子を光軸１０に対してチルトもしくはシフトさせても良い。この場合であっても、上述の効果を奏するものである。
【0037】
〔第二の実施形態〕
次に、図２を参照して第二の実施形態を説明する。図２ａ及び図２ｂは第二の実施形態である第二の光学系２及び第二の光学系２’を示している。図２ａは、光学面４を有する光学素子が配置されている側から、光学面４へレーザビームを入射した場合の、光学面４から出射されるレーザビームの略軌跡を示している。光軸１０は、光学面４の光学中心を通っている。光学面４は、領域Ｂ３１、領域Ｂ４１、領域Ａ３２、領域Ａ４２で示す領域を有している。そして、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｂである。また、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ａである。すなわち、光学面４において、領域Ａは光軸１０を含む領域である。このとき、領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面４は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。
次に、図２を参照して第二の実施形態を説明する。図２ａ及び図２ｂは第二の実施形態である第二の光学系２及び第二の光学系２’を示している。図２ａは、光学面４を有する光学素子が配置されている側から、光学面４へレーザビームを入射した場合の、光学面４から出射されるレーザビームの略軌跡を示している。光軸１０は、光学面４の光学中心を通っている。光学面４は、領域Ｂ３１、領域Ｂ４１、領域Ａ３２、領域Ａ４２で示す領域を有している。そして、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｂである。また、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す領域は、光軸１０を中心とする同心円状の領域Ａである。すなわち、光学面４において、領域Ａは光軸１０を含む領域である。このとき、領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面４は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。
【0038】
領域Ａの焦点位置Ａは、光軸１０の位置Ａ５０の位置にある。一方、領域Ｂの焦点位置Ｂは、光軸１０の位置Ｂ５１の位置にある。このように、第二の光学系２は、光軸１０上に複数の異なる焦点を設けた光学面４を有している。なお、図２ａにおいて、領域Ｂ３１から出射されるレーザビームの光線３０１と、領域Ｂ４１から出射されるレーザビームの光線４０１と、領域Ａ３２から出射されるレーザビームの光線３０２と、領域Ａ４２から出射されるレーザビームの光線４０２は、光学面４のそれぞれの領域から出射されるレーザビームの光線を、１本の線で簡略化して表現している。
【0039】
ここで、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す光学面４の同心円状の領域から出射される光線３０１及び光線４０１は、徐々に収束しながら光軸１０の位置Ａ５０を通過後、光軸１０の位置Ｂ５１の位置で１点に収束する。また、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す光学面４の同心円状の領域から出射される光線３０２及び光線４０２は、光軸１０の位置Ａ５０の位置で１点に収束する。このとき、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す領域を出射した光線３０２及び光線４０２は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する。そして、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す領域を出射した光線３０１及び光線４０１は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成する。すなわち、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸１０上の位置を位置Ａ５０とすることによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、上述した像Ａと像Ｂとの合成した像であり、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像となる。
【0040】
図２ａにおいて、光学面４への入射光は、レーザ発振器から光ファイバを介して入射されるレーザビームであり、拡散状に広がるレーザビームであっても、コリメートレンズを用いて平行光にしたレーザビームであっても良い。このことから、第二の光学系２において、光学面４へのレーザビームの入射側にコリメートレンズを備えても良い。
【0041】
なお、図２ａにおいては、集光機能を有する光学素子が光学面４を備えている。一方、第二の実施形態においては、図２ｂに示す第二の光学系２’の構成も可能である。第二の光学系２’においては、コリメート機能を有する光学素子が光学面４を備えている。第二の光学系２’の場合であっても、光学面４における領域Ｂ３１、領域Ｂ４１、領域Ａ３２、領域Ａ４２については、第二の光学系２で説明したものと同じ規定である。そして、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す光学面４の同心円状の領域から出射される光線３０１及び光線４０１は、集光レンズ６で集光され、徐々に収束しながら位置Ａ５０を通過後、光軸１０の位置Ｂ５１の位置で１点に収束する。また、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す光学面４の同心円状の領域から出射される光線３０２及び光線４０２は、集光レンズ５で集光され、光軸１０の位置Ａ５０の位置で１点に収束する。このとき、領域Ａ３２と領域Ａ４２とで示す領域を出射した光線３０２及び光線４０２は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する。そして、領域Ｂ３１と領域Ｂ４１とで示す領域を出射した光線３０１及び光線４０１は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成する。すなわち、被加工物へのレーザビームの照射点の光軸１０上の位置を位置Ａ５０とすることによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、上述した像Ａと像Ｂとの合成した像であり、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像となる。
【0042】
上述の領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面４は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。この非球面は、第一の実施形態で説明した条件式（１）の偶数次非球面式で表される。
【0043】
このとき、光学面４は、第一の実施形態で説明した条件式（２）を満たすことが好ましい。光学面４の非球面の形状が条件式（２）を満たすことによって、光軸１０上の焦点の位置が異なる複数の領域を光学面４に備えることになり、そのことから、上述したように、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状を、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂとを合成した像とすることができるからでる。
【0044】
また、位置Ａ５０及び位置Ｂ５１について、第一の実施形態で説明した条件式（３）を満たすことが好ましい。位置Ａ５０及び位置Ｂ５１の位置関係が条件式（３）を満たすことによって、照射点における光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状において、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂの大きさ（光軸１０を中心とする直径）が、像Ａを形成するレーザビームで溶融することによって発生するスパッタが飛び散ることを抑制するのに適切な大きさになるからである。
【0045】
ここで、条件式（３）のｆＡ、ｆＢの定義における「最像側光学面」とは、光学系に配置した光学素子において、最も被加工物に近い、すなわち最も像側に配置された光学素子の、像側の光学面のことである。第二の実施形態においては、図２ａの第二の光学系２の場合は光学面４であり、図２ｂの第二の光学系２’の場合は集光レンズ６の像側の光学面である。なお、カバーガラスなど光学的に意味を持たないものは、仮に最も被加工物に近くても、「最も被加工物に近い最像側光学面」からは除かれる。
【0046】
上述では、光軸上の焦点の位置が位置Ａ５０と位置Ｂ５１との２つある場合について説明した。しかし、第二の実施形態においては、光学面４における領域Ｂの外側に、さらに１つ又は複数の領域を備えることによって光軸上の焦点の位置を３つ以上とすることも可能である。例えば、光学面４における領域Ｂの外側に光軸１０を中心とする同心円状の領域Ｃを設け、領域Ｃの焦点の位置を位置Ｂ５１よりもレーザビームの光源側と反対方向に離れた焦点位置Ｃとする。この場合、領域Ｃから出射した光線は、徐々に収束しながら光軸１０の位置Ａ５０を通過後、光軸１０の焦点位置Ｃで１点に収束する。このとき、領域Ｃを出射した光線は、位置Ａ５０における光軸１０に垂直な面において、光線３０１及び光線４０１による光軸１０を中心とした環状の像Ｂよりも外側に、光軸１０を中心とした環状の像Ｃを形成することができる。したがって、位置Ａ５０を照射点とした光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂと、環状の像Ｂの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｃとを合成した像となる。
【0047】
なお、上述のように、光軸上の焦点の位置が異なる３つ以上の領域を設けた光学面を採用した場合、条件式（２）で用いられるＣｒの定義は、光学面の領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある光軸１０を中心とした同心円状の領域（上述の場合領域Ｃ）におけるタンジェンシャル方向の曲率である。すなわち、条件式（２）においては、領域Ｂは、その領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある光軸１０を中心とした同心円状の領域（上述の場合領域Ｃ）に置き換えて適用するものである。また、条件式（３）におけるｆＢの定義は、最も被加工物に近い最像側光学面から、光学面の領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある焦点の位置（上述の場合焦点位置Ｃ）までの距離である。すなわち、条件式（３）においては、位置Ｂ５１は、その領域の焦点が照射点の位置から一番離れた位置にある焦点の位置（上述の場合焦点位置Ｃ）に置き換えて適用するものである。
【0048】
また、上述のように、光学面３が、光軸１０上の焦点の位置が異なる複数の領域として、光軸１０を中心として同心円状に順に領域Ａと領域Ｂと領域Ｃとを有している場合において、領域Ａの焦点の位置が照射点の位置であって、かつ、領域Ａから出射した光線が照射点の位置で光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像Ａを形成する限りにおいて、領域Ｃから出射した光線が照射点の位置で点状の像Ａの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｃを形成し、領域Ｂから出射した光線が照射点の位置で環状の像Ｃの周囲であって光軸１０を中心とした環状の像Ｂを形成するようにしても良い。
【0049】
また、上述では、光軸上の焦点の位置が異なる複数の領域を、同一の光学素子の光学面に設けた場合で説明したが、例えば、コリメート機能を有する光学素子の光学面に領域Ｂを備え、集光機能を有する光学素子の光学面に領域Ａを備えることもできる。
【0050】
上述の点状の像Ａと点状の像Ａの周囲の環状の像Ｂとの、光軸１０に垂直な面における光軸１０を含む任意の直線上のエネルギー強度分布は、光軸１０に対して対称に分布するものである。ここで、図２の光学面４よりもレーザ発振器側に、レーザビームを光軸１０に対してチルトもしくはシフトする機構を備えても良い。チルトは、光軸１０に平行していたレーザビームの進路方向を、光軸１０に対して傾けることである。また、シフトは、光軸１０に一致させていたレーザビームの中心の位置を、光軸１０とは異なる位置に光軸１０に平行にずらすことである。このように、チルト、もしくはシフトさせたレーザビームを光学面４に入射することによって、位置Ａ５０を照射点とした光軸１０に垂直な面のレーザビームのスポット形状は、点状の像Ａと、点状の像Ａの周囲であって環状の像Ｂとの合成した像であり、かつ、点状の像Ａ及び環状の像Ｂの光軸１０に垂直な面における光軸１０を含む任意の直線上のエネルギー強度分布が光軸１０に対して対称ではない分布となる。具体的には、エネルギー強度分布はチルトもしくはシフトした方向に対して強弱の分布を有するようになる。レーザ加工時のレーザビームの進行方向に対して、このエネルギー強度分布の強弱について、進行方向に強と配したり、進行方向に弱と配したり、進行方向の左右に強弱を配したりすることによって、様々な材料の被加工物を加工することができる。
【0051】
なお上記はレーザビームを光軸１０に対してチルトもしくはシフトさせる内容で説明したが、光学面４を有する光学素子を光軸１０に対してチルトもしくはシフトさせても良い。この場合であっても、上述の効果を奏するものである。
【0052】
２．レーザ加工装置の実施の形態
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述の本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を備えている。図３に、本実施の形態に係るレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ加工装置８０は、レーザ発振器８１、光路８２、光学系８３、加工ステージ８４を含む構成となっている。加工ステージ８４上には、被加工物８５が設置される。そして、レーザ加工装置８０は、光学系８３からレーザビーム８６を被加工物８５に照射することによって、被加工物８５をレーザ加工するものである。このとき、レーザ発振器８１は加工に用いるレーザビームを出力する装置である。被加工物８５の材料や、加工の厚み、加工精度などによって使用するレーザビームの種類や出力が選ばれる。光路８２は、レーザ発振器８１から出力されたレーザビームを光学系８３へ伝送するためのものであり、反射ミラーを利用するタイプや、光ファイバーを用いるタイプがある。そして光学系８３は、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を採用したものであって、伝送されたレーザビームを、被加工物８５にレーザビーム８６として照射するものである。加工ステージ８４は被加工物８５を固定して設置し、被加工物８５の照射点の移動にあわせて、被加工物８５もしくは光学系８３、あるいはその両方を動かすための装置を備えている。
本件発明に係るレーザ加工装置は、上述の本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を備えている。図３に、本実施の形態に係るレーザ加工装置の概略図を示す。レーザ加工装置８０は、レーザ発振器８１、光路８２、光学系８３、加工ステージ８４を含む構成となっている。加工ステージ８４上には、被加工物８５が設置される。そして、レーザ加工装置８０は、光学系８３からレーザビーム８６を被加工物８５に照射することによって、被加工物８５をレーザ加工するものである。このとき、レーザ発振器８１は加工に用いるレーザビームを出力する装置である。被加工物８５の材料や、加工の厚み、加工精度などによって使用するレーザビームの種類や出力が選ばれる。光路８２は、レーザ発振器８１から出力されたレーザビームを光学系８３へ伝送するためのものであり、反射ミラーを利用するタイプや、光ファイバーを用いるタイプがある。そして光学系８３は、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を採用したものであって、伝送されたレーザビームを、被加工物８５にレーザビーム８６として照射するものである。加工ステージ８４は被加工物８５を固定して設置し、被加工物８５の照射点の移動にあわせて、被加工物８５もしくは光学系８３、あるいはその両方を動かすための装置を備えている。
【0053】
このとき、光学系８３は、本件発明に係るレーザ加工装置の光学系を採用したものであることから、被加工物８５へのレーザビーム８６の照射点における光軸に垂直な面において、光軸及び光軸の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸を中心とした環状の像とを形成する。すなわち、レーザ加工装置８０は、レーザビームのエネルギー利用効率が高く、様々な素材の加工対象物に適したレーザ加工を行うことが可能となる。
【0054】
以上説明した本件発明に係る実施の形態は、本件発明の一態様であり、本件発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、以下実施例を挙げて本件発明をより具体的に説明するが、本件発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例0055】
図１ａで説明した、第一の光学系１の実施例を説明する。実施例１で用いる光学素子は、当該光学素子の光学面３に領域Ｂ及び領域Ａを有している。ここで、この領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面３は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。この非球面は、上述の条件式（１）の偶数次非球面式で表される。
【0056】
実施例１の光学素子として、光学面３の有効径が４５ｍｍである光学素子を用いる。ここで、領域Ｂの非球面は、条件式（１）を用いると以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－０．５７９８２０７
a２～ａ１６＝０．０
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－０．５７９８２０７
a２～ａ１６＝０．０
【0057】
同様に、領域Ａの非球面は、条件式（１）を用いると以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－１３７２００７．９
ａ２＝４．４５０１９１７×１０－３
ａ４＝３．６９２１１６１×１０－８
ａ６～ａ１６＝０．０
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－１３７２００７．９
ａ２＝４．４５０１９１７×１０－３
ａ４＝３．６９２１１６１×１０－８
ａ６～ａ１６＝０．０
【0058】
ここで、Ｃｒ＝０．００８５８９、Ｃ０＝０．００８８９７であることから、Ｃｒ／Ｃ０＝０．９６５であり、条件式（２）を満足している。
【0059】
また、領域Ｂの焦点の位置Ｂ５１は、最も被加工物に近い光学面、すなわち光学面３からの距離がｆＢ＝２４５．３７ｍｍであった。そして、領域Ａの焦点の位置Ａ５０は、最も被加工物に近い光学面、すなわち光学面３からの距離がｆＡ＝２４７．１７ｍｍであった。このとき、ｆＢ／ｆＡ＝２４５．３７／２４７．１７＝０．９９３であることから、条件式（３）を満足している。
【0060】
実施例１の光学系について、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図４及び図５に示す。図４は、実施例１の照射点における光軸に垂直な平面上のレーザビームのスポット形状をモノクロの濃淡で表したものである。図５は、実施例１の照射点における光軸に垂直な平面上において図４のｘ位置がゼロのｙ位置軸上におけるレーザビームのエネルギー強度分布を最大値を１．０とした強度比として表したものである。図４及び図５から、実施例１は、光軸１０の位置Ａ５０の位置における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸１０を中心とした環状の像とを形成することが明らかになった。
【実施例0061】
図２ａで説明した、第二の光学系２の実施例を説明する。実施例２で用いる光学素子は、当該光学素子の光学面４に領域Ｂ及び領域Ａを有している。ここで、この領域Ｂ及び領域Ａを有する光学面４は、光軸１０を含む断面において曲率が連続的に変化するなめらかな非球面の形状である。この非球面は、上述の条件式（１）の偶数次非球面式で表される。
【0062】
実施例２の光学素子として、光学面４の有効径が４５ｍｍである光学素子を用いる。ここで、領域Ｂの非球面は、条件式（１）を用いると以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－０．５７９８２０７
a２～ａ１６＝０．０
ｃ＝０．００８８９７
ｋ＝－０．５７９８２０７
a２～ａ１６＝０．０
【0063】
同様に、領域Ａの非球面は、条件式（１）を用いると以下の数値を満足する形状である。
ｃ＝－０．００８８９７
ｋ＝－１３７０９４６．７
ａ２＝４．４４６５９１６×１０－３
ａ４＝３．８１５４１３１×１０－８
ａ６～ａ１６＝０．０
ｃ＝－０．００８８９７
ｋ＝－１３７０９４６．７
ａ２＝４．４４６５９１６×１０－３
ａ４＝３．８１５４１３１×１０－８
ａ６～ａ１６＝０．０
【0064】
ここで、Ｃｒ＝０．００８５９９、Ｃ０＝０．００８８９７であることから、Ｃｒ／Ｃ０＝０．９６６であり、条件式（２）を満足している。
【0065】
また、領域Ｂの焦点の位置Ｂ５１は、最も被加工物に近い光学面、すなわち光学面３からの距離がｆＢ＝２４８．９７ｍｍであった。そして、領域Ａの焦点の位置Ａ５０は、最も被加工物に近い光学面、すなわち光学面３からの距離がｆＡ＝２４７．１７ｍｍであった。このとき、ｆＢ／ｆＡ＝２４８．９７／２４７．１７＝１．００７であることから、条件式（３）を満足している。
【0066】
実施例２の光学系について、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図６及び図７に示す。図６は、実施例２の照射点における光軸に垂直な平面上のレーザビームのスポット形状をモノクロの濃淡で表したものである。図７は、実施例２の照射点における光軸に垂直な平面上において図６のｘ位置がゼロのｙ位置軸上におけるレーザビームのエネルギー強度分布を最大値を１．０とした強度比として表したものである。図６及び図７から、実施例２は、光軸１０の位置Ａ５０の位置における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸１０を中心とした環状の像とを形成することが明らかになった。
【実施例0067】
実施例３では、実施例１の光学面３を有する光学素子を拡散状に広がって入射するレーザビームのコリメートレンズとして使用し、光学面３を有する光学素子よりも像側に通常のコリメートレンズを追加して配置し、横倍率－１で結像させる構成を用いた。
【0068】
実施例３の光学系について、Ｚｅｍａｘ社のＯｐｔｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒｏｇｒａｍを用いて光学シミュレーションを行った結果を図８及び図９に示す。図８は、実施例３の照射点における光軸に垂直な平面上のレーザビームのスポット形状をモノクロの濃淡で表したものである。図９は、実施例３の照射点における光軸に垂直な平面上において図８のｘ位置がゼロのｙ位置軸上におけるレーザビームのエネルギー強度分布を最大値を１．０とした強度比として表したものである。図８及び図９から、実施例３は、光軸１０の位置Ａ５０の位置における光軸１０に垂直な面において、光軸１０及び光軸１０の周辺部の点状の像と、点状の像の周囲であって光軸１０を中心とした環状の像とを形成することが明らかになった。