JP6430523B2 - 表面のレーザ加工のための機械加工装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、さらに、対応する方法に関するものでもある。
したがって、本発明の目的は、レーザで非常に高いレーザ出力で、高精度な表面の再加工を可能にする、表面のレーザ加工のための機械加工装置を示すことである。
さらに、その目的は、レーザ加工のための、対応する方法を示すことである。
本発明によれば、表面のレーザ加工のための機械加工装置が示され、複数の部分光線が加工される面上を移動する。
機械加工装置は、レーザ光線が放射されるレーザ光線入口部を有する。レーザ光線が放射される方向は、ここで、放射方向と称される。放射されたレーザ光線の放射方向は、このシステムの光軸を定義する。このシステムの光軸は、ここで連続直線として理解されるべきで、しかし、おそらく現在の偏向ミラーの場合には、対応して曲げられる。
ここでは、光線、例えば、特に、レーザ光線、部分光線、好ましくは、主光線から、対応する光線の主光線周りに特定角度範囲で、あるいは、特定の間隔範囲(好ましくは、主光線に垂直方向で計測される)で、広がっている、ある量の光線、と理解すべきである。したがって、好ましくは、主光線、及びこの主光線周りのある量の光線は、各光線に割り当てられる。その角度範囲及び間隔範囲は、有限次元あるいは微小であってもよい。部分光線が平行にされた場合、その部分光線は、好ましくは、角度範囲の代わりに間隔範囲で定義される。ここで、光線、好ましくは、光子の飛行路又は光線の波面に垂直な直線によって理解される。
また、光線は、幾何光学のイメージで、多数の光線として記載されており、主光線に対して、それぞれ、自由伝搬で変化しない角度をそれぞれ有している。全体で、主光線と他の光線間の全角度の総計から、角度分布は定義され得る。主光線は、入射ひとみの中心を通り広がる光線であり得る。好ましくは、入射ひとみは、この光学システムへのレーザ放射入口の自由開口部である。レーザ光線は、光軸に垂直な面内に、強度分布を形成し、その強度分布は、一時的な平均として、レーザ光線の局所エネルギー分布を表す。
本発明によれば、前記放射方向で前記レーザ光線入口部の後ろに回転部が配置され、該回転部によって前記レーザ光線が前記光軸に対して平行にオフセット方向の間隔で配置され、前記オフセット方向が前記光軸周りに一時的に回転する。この間隔は、好ましくは、0より大きく、しかし0でもあり得る。
回転部が放射方向でレーザ光線入口部の後ろに配置されているということは、レーザ入口で放射方向で光軸上で出射されたレーザ光線が、機械加工装置に入射した後、回転部に到達することを意味する。回転部は、上記した間隔で、光軸に対して平行にレーザ光線を配置する。したがって、レーザ光線が光軸上の回転部に入射し、光軸に対して上記間隔で、しかし、回転部に対して平行に、その回転部から去る。回転部を去る光線に対する光軸の方向は、ここで、オフセット方向として示されるべきである。本発明によれば、オフセット方向は、一時的に光軸周りに回転する。回転部から現れるレーザ光線は、したがって、光軸に対して垂直な面内の光路として記載され、光軸周りに回転する。上記した間隔が0の場合、オフセット方向は定義されない。
好ましくは、オフセット方向は、光軸周りに閉じられた路に沿って、特に、好ましくは、円で回転し、上記した路は円である。
本発明に係る機械加工装置は、さらに、前記放射方向で前記回転部の後ろに配置された拡散部を有する。該拡散部によって前記レーザ光線が複数の部分光線にファンアウトされる。拡散部は、好ましくは、分光器として考えてもよい。部分光線は、それにより、前記光軸に対して垂直な面内に、連続の強度分布を形成してもよく、しかし、好ましくは、各部分光線が上記した光軸に垂直な面内において、強度の局所最大値を有する強度分布を有していてもよい。この場合、部分光線は、それぞれ、個別のレーザ光線として、考えられ、あるいは、構成され得る。部分光線は、それにより、光軸に沿って、部分領域内のその端領域で部分光線と隣接して、重畳される、あるいは、相互から完全に離れて、存在してもよい。後者の場合、上記した面の強度分布は、不連続である。部分光線の分布は、分光器の構成によって決定される。
前記レーザ光線が複数の部分光線にファンアウトされるということは、好ましくは、部分光線の主光線が拡散して拡散部の後ろで広がるという意味である。拡散部のこの機能は、好ましくは、拡散部が、主光線を、光軸に対する方向でそれぞれ異なる、有限数あるいは無限数の新主光線に分割するように記載され得る。各新主光線に対して、ある量の光線が存在し、その光線は、新主光線に対して、拡散部に入射するレーザ光線の光線と同一の角度分布を有している。新主光線は、このある量の光線と共に、部分光線として、考慮され得る。拡散部は、したがって、角度アパーチュアにおける入射レーザ光線の強度分布において、変化をもたらす。
連続強度分布は、それ自体で、拡散部により形成される一貫した光度分布であり得る。第1モジュールによって、各部分光線は、近軸の幾何光学の意味で、光軸に対し垂直方向で共通の焦点面上の点に集束され得る。その連続の場合、したがって、無限数の点が焦点面に存在し、したがって、無限数の部分光線が存在する。
不連続強度分布の例は、レーザ光線を有限数の部分光線に分割する分光器(4倍の4つの部分光線の回折格子に分解する)である。第1モジュールの焦点面において、局所的に、分けられた焦点は、したがって、近軸光学の概念で集束することで生成され得る。屈折制限光学の概念では、焦点領域は焦点面上に生成され得る。
連続強度分布及び不連続強度分布の組合せは、拡散部によって影響され得る。この例として、4倍の4つの領域の形成が述べられ、それぞれ、“F”を形成している。
拡散部により生成された部分光線の総計は、ここで、全光線と称されるべきである。
拡散部は、しかし、上記の光軸に垂直な面内にいかなる強度分布を生成することができる。最も簡単な場合で、例えば、拡散部は、回折格子式に従って、光線を生成することができる。
複雑な複数の強度分布の2次元回折格子が、ここで生成され得る。
上述したように、拡散部は、光軸に対し垂直なイメージ面内に、連続強度分布を形成する部分光線を、形成することができる。この場合、隣接する部分光線は、一方を他方に統合する。強度分布は、それにより、いかなる形状をも想定でき、強度分布のその形状は、拡散部により定められる。部分光線の上述した定義は、いかなる拡散部に対しても利用可能である。拡散部により形成される各全光線は、いかなる部分光線の数、角度範囲、又は間隔範囲、から構成されるものとして、表現され得て、対応する主光線周りに広がる一定の部分光線の光線は、無限小であり得る。他の拡散部は、しかし、不連続部分光線を生成でき、その不連続部分光線は、重複することなく、との光線は、対応する主光線まわりで、有限、失消しない角度範囲又は間隔範囲内で広がる。
拡散部は、好ましくは、マイクロ及び/又はナノ構成のパターンを有する回折光学要素であり得る。分光器は、さらに、ダイクロイック分光器、屈折光学要素、例えば、マイクロレンズアレイ、または固定又は動的な回折格子ようなもの、例えば、空間光変調器、ホログラム、回折格子光バルブようなもの、であり得る。
好ましくは、拡散部は、平行な部分光線を生成する。
本発明の好ましい実施形態では、拡散部は、少なくとも1つの軸、特に光軸周り、好ましくは、相互に垂直である2又は3つの軸で、特に好ましくは光軸を含む軸周りに回転可能に設けられていてもよい。
本発明に係る機械加工装置は、さらに、第1モジュールを有し、第1モジュールは放射方向で拡散部の後ろに配置され、それにより、複数の部分光線は、それぞれ、集束され得る。したがって、拡散部により生成された各部分光線において、対応する部分光線の光線は、相互に対して偏向され、1つの焦点でそれぞれ交差する。
好ましくは、部分光線の主光線の角度は、さらに、第1モジュールによって、相互に対しより小さくなってもよく、特に好ましくは、全部分光線の主光線は、相互に平行になってもよい。部分光線は、したがって、第1モジュールによって偏向され、第1モジュールの後ろの主光線方向は、相互に平行に広がってもよい。仮に拡散部により生成された部分光線が個別のレーザ光線または個別のレーザ光束である場合、これらは第1モジュール後ろで相互に平行に広がることができる。第1モジュールは第1リレーモジュールと称されてもよい。
モジュールは、好ましくは、拡散部が第1モジュールの入射ひとみに位置するように配置される。
本発明に係る機械加工装置は、さらに、選択部を有し、選択部は放射方向で第1モジュールの後ろに配置され、選択部によって部分光線の一部が第1モジュールにより生成された全光線から除去される。好ましくは、選択部は光軸に沿った領域内に配置され、その領域内で、第1モジュールによる集束によって、部分光線は相互に重複することがない。
本発明の好ましい実施形態において、選択部は、除去される部分光線の放射路に導入される吸収部を有していてもよく、好ましくは、ミラーによって除去される部分光線が吸収部に偏向されてもよい。この目的のために、ミラーは、好ましくは、2次元上で移動可能であってもよい。結果として、特定の部分光線が全光線から選択され、残りの部分光線は、妨げられることなく選択部を通過し、機械加工装置のさらなる放射路にしたがってもよい。
また、選択部は、好ましくは、除去される部分光線の放射路に導入される吸収部を有していてもよい。
選択部は、除去される部分光線の放射路で移動可能なマスクを有していてもよい。このマスクは、この目的のために、好ましくは、2次元内で動的に移動可能であってもよい。
本発明の一実施形態において、選択部は、マイクロミラーアレイを有していてもよく、そこで、個別の部分光線は、1又はそれ以上の移動可能なミラーに当たり、そのミラーは、対応する部分光線を全光線の放射路から吸収部に導き、あるいは、全部分光線を反射し、その全部分光線は、機械加工装置の光軸方向の全光線から除去されず、除去される部分光線は、例えば偏向されることなく吸収部に当たってもよい。
選択部は、さらに、付加的に又は選択的に、除去される部分光線を平行にする及び/又は吸収する、マスクを有していてもよい。そのようなマスクは、全光線から部分光線を除去することができる。そのようなマスクは、ミラー、マスク、静的又は動的なマイクロミラーアレイのような、前に述べた部に加えて、放射方向でこの対応する装置の後ろで用いられ、選択部の第1部分によって除去されない部分光線から、さらに、部分光線を全光線から除去してもよい。
例えば、拡散部が回折格子である場合、入って来るレーザ光線は、それを主とより高い次数に分割する。さらに、0次数は存在し、拡散部に結合されるレーザ光線の回折しない光に対応している。0およびより高い回折次数は、しばしば望まれず、その理由は、拡散部の効率を下げ、加工される表面における機械加工処理を妨げる可能性があるからである。そのような0及びより高い次数は、好ましくは、全光線から、選択部、特にマスクによって除去されてもよい。
マスクは、例えば、金属シートの、被覆の、及び透明の基板であってもよく、その場合不透明の被覆は、穿孔からなる適切な回折格子を有する適切な開口部又はミラーを有していてもよい。そのマスクにより、望まれる主次数が影響を受けずに伝搬し、0及びより高い回折次数が、選択され、吸収部に吸収又は偏向される。
好ましくは、少なくとも1つの部分光線は、選択部により除去され、部分光線は回折光学要素によって生成される回折パターンの主次数であってもよい。
本発明の好ましい実施形態において、選択部は、ミラー又はマスクを有し、これらは上記したように、光軸に対し垂直に移動可能であり、さらに、開口部を有するマスクであってもよい。開口部を有するマスクは、それにより、移動可能なミラー又は移動可能なマスクの前、又は好ましくは後ろに、配置されてもよい。
本発明に係る機械加工装置は、さらに、第2モジュールを有し、その第2モジュールは放射方向で第1モジュールの後ろ、好ましくは選択部の後ろに配置されてもよく、それにより、部分光線の光線角度はそれぞれ相互に対しより小さくなる。したがって、光線角度は、第2モジュール上に入射する各部分光線において、第2モジュールによって、相互により小さくなる。好ましくは、部分光線は、第2モジュールで平行になってもよい。
好ましくは、さらに、本発明の実施形態において、部分光線の光線角度は、相互に対して、第2モジュールによって、それぞれより小さくなり、それら角度に対する部分光線は、光軸上の対応する角度のように、点反射され、対応する部分光線の光線は、相互に対し、第1モジュール内に入射してもよい。したがって、部分光線の1つを考える場合、その光線は相互に対して特定角度で第1モジュールに入射する。この好ましい実施形態において、光線は、相互に対して同一角度で第2モジュールを去り、しかし、光軸上で点反射される。したがって、部分光線は、第2モジュールを去った後、第1モジュールに入射するのに対し、さかさまになる。
本発明の好ましい実施形態において、部分光線の主光線は、第2モジュールによって、集束できる。主光線が集束され得るということは、それら主光線が第2モジュールによって偏向され、相互に近づくという、意味である。部分光線の主放射方向は、したがって、第2モジュールによって変更され、部分光線の主光線間の間隔は、光軸に対し垂直方向に、光軸に沿って、最小間隔の点まで、より小さくなる。
第2モジュールは、第2リレーモジュールと称されてもよい。リレーモジュールは、放射方向の前に位置する要素と共に、特に全光線内において、第1モジュールによって、低減されてもよく、選択部によって、除去された部分光線を光線面内にイメージし、その光線面内では、主光線が相互に対して最小間隔を有していてもよい。全光線は、ここで、最小径を有している。この面内において、各部分光線の主光線は、交差することができる。
本発明に係る機械加工装置は、放射方向に第2モジュールの後ろで、好ましくは集束部の前に、偏向部を有しており、これにより、部分光線は時間関数として偏向されてもよい。
偏向部によって、部分光線の主光線の放射方向は、偏向されてもよい。好ましくは、偏向部によって、その点で、部分光線の効率的な偏向が可能となり、その点で主光線は、第2モジュールによる集束により、相互からの最小間隔を有する。
偏向部により、好ましくは、加工物の加工面内、例えば、機械加工される面上、に高度な力学で、部分光線の調整可能な偏向が可能となる。好ましくは、偏向部は、2つの偏向部を有し、それら偏向部は、相互に対し垂直に配置され、2つの空間方向で光線偏向が可能となる。好ましくは、ガルバノメータースキャナーは、偏向部として用いられる。他の動的な光線偏向部、例えば、ポリゴンスキャナー、共鳴スキャナー、圧電スキャナー、MEM反射部、音響あるいは電光偏向器(AOD又はEOD)などを用いることができる。
本発明に係る機械加工装置は、さらに、集束部を有し、それにより、全光線の残りの部分光線は夫々集束され得る。好ましくは、それら部分光線は、それにより、加工される表面上に集束され得る。
集束部は、好ましくは、放射方向で、偏向部の後ろに配置される。好ましくは、集束部は、さらに、放射方向の点の後ろに配置され、その点で、部分光線の主光線は第2モジュールによって集束され、相互に対して最小間隔を有する。この場合、集束部は、したがって、光軸に沿って、第2モジュールに対してある間隔で配置され、第2モジュール内で、部分光線の主光線は再度離れて移動する。集束部の後ろで、部分光線は、相互に平行に広がることができる。
集束部は、例えば、テレセントリック特性を有するFθ補正レンズであってもよい。光線偏向部によって、結果の焦点は、好ましくは、加工される表面上のいかなる2次元路上に偏向されてもよい。回転部によって生じる回転光線オフセットは、部分光線の移動を、放射面内で半径r′の軌道で生じさせ、その放射面内では、部分光線の主光線が、相互に対する最小間隔を、第2モジュールの後ろで、有する。この光線オフセットは、集束部の光軸に対する光線の位置を導き、その光線は、光軸に対する主光線の角度βで加工物に当たる。
平行レーザ光線が機械加工装置のレーザ光線入口で入射する場合、それは好ましい。好ましくは、レーザ光線は、拡散部により、複数のそれぞれ平行な部分光線にファンアウトされる。
本発明の好ましい実施形態において、第1モジュールは、部分光線を、それぞれ、好ましくは共通の面に集束し、その共通の面は、特に好ましくは放射方向に垂直である。結果として、全光線の部分光線が放射方向で第1モジュールの後ろで重複しない領域が生じる。
好ましくは、選択部は、この領域内に配置され、その領域では、部分光線が重複しない。
本発明のこの実施形態において、上記面の後ろでは、部分光線がそれぞれ初期に発散して広がる。好ましくは、部分光線は、それぞれ、第2モジュールによって平行になり、部分光線は、それぞれ、平行に、第2モジュールの後ろで、広がる。部分光線は、この場合、特に、その部分光線が、第2モジュールによる偏向のため、集束する場合に、平行に広がる。
本発明の好ましい実施形態において、拡散部、第1モジュール及び第2モジュールは、相互に対する間隔で配置され、拡散部は、上記した面内で、イメージされ、その面内で、部分光線が、第2モジュールの後、相互に対する最小間隔を有する。
好ましい実施形態において、第1モジュール及び第2モジュールは、それぞれ、2つの正のレンズ及び1つの負のレンズを有することができ、それらレンズは、ペッツヴァルの和で定義され、その値は好ましくは0に近い又は0に等しい。第1モジュールは、それにより、好ましくは、正確に、第2モジュールに対し逆に、配置されている。
本発明の好ましい実施形態において、機械加工装置は拡大システムを有していてもよく、さらに、拡大システムは、放射方向で拡散部の後ろ、好ましくは第1モジュールの後ろに配置され、それにより、部分光線間又は部分光線の主光線間の間隔は変更されてもよい。拡大システムは、したがって、好ましくは、部分光線が、主光線が相互に平行な状態で、相互に対し主光線の特定の間隔で、拡大システム内に入射し、主光線が相互に対し平行で主光線の異なる間隔で出射するように、設計されている。
特に好ましいものとして、拡大システムは、光軸に沿って、選択部と第2モジュールとの間に配置されてもよい。
拡大システムは、好ましくは、全光線を拡縮し、相互に対する部分光線の間隔における変化に影響を与えてもよい。有限又は微小の部分光線の任意の連続強度分布の場合に、これは拡大システムによって拡縮され得る。
好ましくは、拡大システムは、選択部と第2モジュールとの間に、放射方向に配置される。
拡大システムは、例えば、固定焦点距離レンズ、自由あるいは連続した位置または動作要素を有する移動レンズ、例えば、液体レンズ、を有してもよく、特に好ましくは動力化されてもよい。好ましくは、拡大システムは、それにより、回転対称であり、特に好ましくは、球面又は非球面レンズによるものであってもよい。それは、結果として、光軸に垂直な両空間方向に共通で、拡縮され得る。また、拡大システムは、例えば、円柱又は非円柱の表面によって設計されてよく、その拡縮は、光軸に対して夫々垂直方向で別に変化され得る。さらに、この拡大機能は、好ましくは、アナモフィックプリズムによって生成されてもよい。
可能な拡大範囲は、数10%であるより大きい範囲を有していてもよい。
さらに、拡大システムを拡散部と集束部との間のいずれの位置に、位置させることもできる。さらに、それは、この領域内のレンズ群の整数要素であってもよい。
本発明の好ましい実施形態において、拡大システムは、複数の回転対称レンズを有し、このレンズは、レンズ軸が光軸に対し同軸であり、特に好ましくは、相互に光軸に沿って移動可能である。相互に対するレンズの間隔を調整することで、相互に対する部分光線の間隔は、調整されてもよい。好ましくは、偶数、特に好ましくは4、のこれらレンズが用いられる。その理由は、結果として、部分光線は、相互に平行に入射し、拡大システムを相互に平行に去るからである。
本発明のさらなる好ましい実施形態において、拡大システムは、第1グループのアナモフィックプリズム又はくさびプレート及び、好ましくは、さらに、第2グループのアナモフィックプリズム又はくさびプレート、を有することができる。第2グループのアナモフィックプリズム又はくさびプレートは、第1グループに対する光軸周りに90°回転されたものである。第2グループに対し第1グループは光軸周りに90°回転されるということは、それにより、その回転が、光軸が第1グループから第2グループまで直線として延びているという仮定の元で、示されている、ことを意味している。仮に光軸が第1グループと第2グループとの間で曲がっている場合、例えば、偏向ミラーによって、そのグループは、相互に対して回転し、その曲りが無い場合に、それらは、90°、光軸周りに相互に回転される。
本発明のさらなる好ましい実施形態において、拡大システムは、第1グループの円柱レンズおよび、好ましくは、さらに、第1グループに対し光軸周りに90°回転した第2グループの円柱レンズを有することができる。第1グループは90°、光軸周りに第2グループに対して回転されるということは、その回転が、光軸が第1グループから第2グループまで直線として延びているという仮定の元で、示されている、ことを意味している。仮に、光軸は、第1グループと第2グループとの間で曲がっている場合、例えば、偏向ミラーによって、そのグループは、相互に対して回転し、その曲りが無い場合に、それらは、90°、光軸周りに相互に回転される。
この実施形態において、第1対のプリズム又は円柱レンズおよび、第2対のプリズム又は円柱レンズは、それぞれ、相互に対して軸周りに回転可能であり、その軸は、光軸に垂直で、プリズム又はくさびプレートの平行でない表面に平行に、あるいは、円柱レンズの曲面に平行に配置されている。それにより、部分光線は、プリズム又はくさびプレートの平行でない表面の1つによって、後段に入射し、そのプリズム又はくさびプレートを、平行でない表面の異なる1つを介して去る、ということが仮定され、それは、放射方向が結果として変化し得るからである。同一のことが、円柱レンズの曲面に対して適用される。
そのグループのプリズムは、それぞれ、プリズムが回転可能な軸が相互に各グループで平行となるように、配置されている。これら軸は、第2グループの場合、90°、光軸周りに、第1対の軸に対して、上記したように、回転する。
本発明の好ましい実施形態において、各グループは、正確には、2つのプリズム、又は、2つのくさびプレート、又は、4つの円柱レンズを有する。
本発明のさらなる好ましい実施形態において、機械加工装置は、さらに、レーザシステムを有し、それにより、平行なレーザ光線が生成され、レーザ光線は、放射方向で、光軸上で、レーザ光線入口で放射されてもよい。好ましくは、レーザシステムは、レーザ光線を生成するために、非パルス状レーザ、マイクロ秒レーザ、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、フェムト秒レーザを有していてもよい。レーザ光線の波長は、赤外線範囲で例えば1064nm又は1030nmであり、可視線範囲で例えば532nm又は515nmであり、紫外線範囲で例えば355nm又は348nmであり得る。
本発明の好ましい実施形態において、回転部は平面平行プレートとして設計されてもよく、それは、例えば、ガラスプレートであり、好ましくは、光軸に対し角度≠0°及び≠90°で傾斜して配置され、光軸周りに回転可能である。レーザ光線は、光軸上、面平行プレート内に当たる場合、光軸に対しオフセットして平行に後段を去る。
本発明のさらなる好ましい実施形態において、回転部は、少なくとも2つのくさびプレートを有することができ、それらプレートは、連続して光軸に沿って配置され、あるいは、それからなり、光軸周りに回転可能である。光軸に沿ってくさびプレートに入射するレーザ光線が、くさびプレートを通過するときに、平行にオフセットし、レーザ光線がしたがって、光軸からの間隔が0よりも大きく、しかし、光軸に平行に去る、ように、くさびプレートは配置されている。
好ましくは、くさびプレートは、同一のくさび角度及び屈折率を有する。特に、好ましくは、相互に対する各グループのくさびプレートの間隔は、それぞれ、変更可能で、それにより、各グループによるオフセットは変更される。
好ましくは、くさびプレートは光軸に垂直な面のまわりで配置され、反射される。
本発明の好ましい実施形態において、回転部は、2つの面平行プレートを有することができ、それらプレートは、連続して、光軸に沿って配置され、光軸に対して相互に独立して傾斜され得る。
本発明のさらなる好ましい実施形態において、回転部は、2つのミラー間に配置された面平行プレートを有することができる。光軸に沿ったミラーの一方上に入射したレーザ光線が、該ミラーによって面平行プレートへ反射され、該面平行プレートを通過し、他のミラー上に入射し、そこから、光軸に対し平行方向で、光軸に対して0よりも大きい間隔で、反射されるように、ミラーと前記面平行プレートは、配置され、面平行プレートは回転可能である。好ましくは、ミラーは光軸に対して平行方向で配置されてもよい。好ましくは、ミラーは、さらに、光軸に対し垂直でミラー表面に対して平行な軸周りに回転可能である。この構成によって、出て行くレーザ光線が光軸に対してオフセットする、間隔が調整されてもよい。
両ミラーを動作させ、傾斜角度を適合させることで、面平行プレート上へのレーザ光線の入射角度は、調整され得る。光線オフセット及び軌道半径は、それにより、面平行プレートによって調整され、半径は入射角度を変化させることで、変化され得る。好ましくは、2つのミラーは、常時、対応して対称に配置され、面平行プレート上のレーザ光線の入射点は、回転部の回転の軸に対応し、回転光線の回転軸は第2ミラー上の反射後、全角度調整に対して、同一である。
回転部は、さらに、Schmidt-Pechanプリズム、回転K−ミラー、あるいは、ドーププリズムを有し、あるいは、それで構成され、光軸周りに回転可能である。
本発明の好ましい実施形態において、機械加工装置は、好ましくは、さらに、偏光部を有し、それにより、レーザ光線の偏光状態が変化されてもよい。レーザ光線の偏光方向は、それにより、光軸周り、好ましくは偏光部によって回転可能である。特に好ましくは、偏光部は放射方向で回転部の前に配置されている。
本発明によれば、偏光部は、本発明のこの実施形態において、光軸周りに回転可能である。偏光部の回転により、偏光部の偏光方向も、それにより光軸周りに回転する。
好ましくは、偏光部が光軸周りに回転する回転周期は、回転部のオフセット方向が光軸周りに回転する回転周期の半分の大きさである。結果として、レーザ光線の移動方向及び位置に対する、偏光ベクトルの定義された向きが達成され得る。
特に好ましくは、偏光部は、ここで、半波プレートである。また、偏光部は、円偏光の生成のために1/4波プレート、又は、他種の偏光の生成のためにリターダープレートの組合せ、を有していて、あるいは、であってもよい。特に、偏光ベクトルがレーザ光線の強度分布の中心に対して半径方向を向いている場合に、半径方向偏光がこれにより生成され得る。偏光ベクトルがレーザ光線の強度分布の中心に対して接線方向を向いている場合に、接線方向偏光を生成することもできる。これは、区分された半波あるいは1/4プレートを用いることで可能となる。偏光部は、さらに、接線方向偏光部、半径方向偏光部、又は、リターダープレートの組合せ、であってもよい。
上記した偏向部は、好ましくは、光軸周りに回転可能に設けられた、(ガルバノメータスキャナー、ポリゴンスキャナー、共鳴スキャナー、圧電スキャナー、MEMミラー)、であってもよく、及び/又は、光軸周りに回転可能に設けられた、(音響光偏向器又は電光偏向器又は、くさびプレート又は面平行プレートの組合せ、)を有していてもよい。偏向部として述べられた装置は、個別或いは組合せで生成されてもよく、1又はそれ以上の上記装置が用いられてもよい。
好ましくは、偏向部の回転の有効点が、第1及び第2モジュールにより生成された拡大部のイメージが位置する面内に位置するように、偏向部は位置している。偏向部の2つの偏向軸間の空間中心(図心)は、好ましくは、回転の有効点として考えられてもよい。
本発明の好ましい実施形態において、機械加工装置は、処理気体ノズルを有していてもよく、それにより、少なくとも1つの気体噴射が、1又はそれ以上の部分光線によって加工される表面の領域を目標にする。好ましくは、処理気体ノズルは、集束部と加工される表面との間に配置される。処理気体ノズルは、気体噴射を機械加工の点上に直接当て、そこで、液体又は気体状の材料の排出を引き起こす。好ましくは、処理気体ノズルは、複数の部分ノズルを有していてもよく、それにより、部分光線の動作領域がそれぞれ目標とされ得る。
本発明に係る機械加工装置は、好ましくは、レーザアブレーションによる広領域の周期的な構成の生成、レーザアブレーションによる強度分布の生成、複数の加工点で平行レーザ穴開け、レーザ切断、および、螺旋状穴開け、のために用いられてもよい。一般に、本発明に係る機械加工装置は、加工点あるいは強度分布の固定されたパターンでのレーザ加工、または、複数の部分光線での平行加工のために用いられてもよく、異なる光線分布は、各面の除去において調整され、結果として、より大きい及び非周期的な除去の幾何の場合、部分光線の数に対応して増加した排出力が、達成される。さらに、本発明に係る装置は、薄い金属箔における周期的な構成の広い領域の生成に用いられてもよい。生成される光線の数に応じて、標準的な1の光線加工に対する少なくとも100の係数で処理速度における有効な増加がここで示されている。特に、超短パルス機械加工の分野において、日に達成されなかった生産率が達成され得る。
本発明の好ましい実施形態において、機械加工装置はさらに焦点変更部を有していてもよく、焦点変更部は、光軸に沿って、放射方向に、レーザ光線入口部の後ろで回転部の前に、配置されており、それにより、レーザ光線の光線間の角度が調整され、光線は、光軸上で焦点変更部の後ろの点に向けて先細りになり、あるいは、光軸上で焦点変更部の前又は中における点からの光線の放射で離れて移動し、焦点変更部からの光軸に沿った対応する点の間隔は変化する。その間隔は、好ましくは動的に変化してもよい。焦点変更部は、したがって、好ましくは、その間隔における変化を可能にする調整装置を有している。関連する部は、第1モジュールの前に第1モジュールの焦点を配置することから、焦点変更部という言葉が選択されている。第1モジュールは、したがって、焦点変更部と共に、第1モジュールの前にだけ第1モジュールに対して配置された焦点を有する。
本発明は、さらに、表面のレーザ加工のための方法に関するものであり、レーザ光線が光軸上の放射方向で放射され、前記レーザ光線が前記光軸に対してオフセット方向の間隔で平行に配置され、前記オフセット方向が前記光軸周りに一時的に回転し、前記レーザ光線が複数の部分光線にファンアウトされ、該複数の部分光線が前記光軸に対して径方向に、連続又は不連続の強度分布を形成し、該複数の部分光線が全光線を表し、前記部分光線がそれぞれ集束され、前記部分光線の一部が前記全光線から除去され、前記残りの部分光線の光線間の角度がそれぞれより小さくなり、前記部分光線が時間の関数として偏向され、それぞれ、前記部分光線の光線間の角度が減少し、前記全光線の残りの部分光線がそれぞれ集束される。
好ましくは、偏向部が前記光線の円偏向を導く動作を行う。部分光線は、したがって、好ましくは、螺旋状の穴開け動作を実施する。
レーザ技術で使用される言葉で、本方法は、多数の部分光線で同期的な螺旋状穴開けとして考えられ得る。
好ましくは、回転部の前記回転は、前記偏向部の偏向と同期していてもよい。偏向部は、したがって、同一周期で同一局面のファイで回転部として、移動され、軌道を描いてもよい。この方法で、表面における垂直の穴が生成され得る。
前記部分光線は、好ましくは、前記加工される表面上の周期で、焦点の周期的な配置を形成してもよく、レーザ加工は、第1加工工程で前記焦点で実施され、その後、さらなる加工工程で、前記表面は、前記焦点に対して、ある距離で前記表面の面内に前記焦点の周期配置の方向で配置され、前記配置後、前記表面のさらなるレーザ加工が実施され、前記周期は前記距離の整数倍であってもよい。この方法で、回折格子における表面の等距離加工が可能となる。
好ましい実施形態において、分光器は、機械加工中、光軸周りに回転可能であり、加工物は、機械加工装置に対して移動され、切削間隔が加工物に生成される。
続いて、本発明は、いくつかの図を参照して、例によって説明される。同一符号は、それにより、同一又は対応する特徴で特徴づけられている。例で記載された特徴は、例間で組合せることができ、独立して具体例を生成することができる。
連続強度分布は、それ自体で、一貫した強度分布であるのが好ましく、拡散部によって形成される。第1モジュールによって、各部分光線は、近軸の幾何光学で、光軸に垂直な方向で、1つの共通の焦点面に集束され得る。連続する場合においては、焦点面には無限の数の点が存在するのが好ましい。この例として、文字“F”の生成が述べられている。“F”の一貫した強度分布は拡散部によって形成される。第1モジュールで集束することで、文字“F”の形式で強度分布は、第1モジュールの焦点面に生成される。強度分布の各点は、個別の部分光線によって形成されている。
不連続強度分布の一例は、分光器(4倍の4部分光線の回折格子に分割)であり、レーザ光線を有限数の部分光線に分割する。第1モジュールの焦点面で、近軸光学の概念で集束を行った結果、局所的に分かれた焦点が生成される。回折を制限した光学の概念では、焦点領域は、焦点面に生成される。
連続強度分布および不連続強度分布の組合せは、拡散部によって影響され得る。この一例として、4倍の4領域の回折格子の形成が、述べられており、それぞれ、“F”を形成している。
分光器の構成に従って、強度分布又は複雑な強度分布の2次元回折格子が生成され得る。
所望の部分光線に加えて、望まない高い次数の回折が分光器3で起こり得る。これらは、同様に、全光線4の一部であり得る。
放射方向で、マスク8及び面10の後ろで、さらに、光線偏向器11が配置されている。この光線偏向器11は、光軸に対して45°の角度を向いており、その表面は通常のものであり、従がって、部分光線、光軸、及び放射方向を90°偏向する。
符号は、拡大システムは、拡散部3及び集束部20間の位置に選択的に配置され、この領域内における装置及びレンズ群の1つの必須要素であり得る、という事実を表している。
光線面25において、全光線15の部分光線の光軸は第2モジュール14から現れ、交差することができる。
概要では、図1の例は、したがって、次のように生成され得る。
図示された構成要素は、図1に示され、記載されたものに対応している。図2において、拡大システム12は、例によって、4つの回転対称レンズによって生成され、そのレンズは光軸に沿って相互に配置され得る。
本発明の構成の他の要素は、明確性のためにここで省略されている。
上方の部分光線7aの主光線は、71aとして、下方の部分光線の主光線7bは71bとして示されている。
各主光線71a又は71bに対する個別の光線の角度は、図14で既に示したように、第2モジュール14によってより小さくなる。
Claims (43)
- 表面のレーザ加工のための機械加工装置であって、
レーザ光線が光軸上の放射方向で放射されるレーザ光線入口部と、
前記放射方向で前記レーザ光線入口部の後ろに配置された回転部であって、該回転部によって前記レーザ光線が前記光軸に対して平行にオフセット方向の間隔で配置され、前記オフセット方向が前記光軸周りに一時的に回転する、前記回転部と、
前記放射方向で前記回転部の後ろに配置された少なくとも1つの拡散部であって、該拡散部によって前記レーザ光線が複数の部分光線にファンアウトされ、該複数の部分光線が前記光軸に対して径方向に、連続又は不連続の強度分布を形成し、該複数の部分光線が全光線を表す、前記拡散部と、
前記放射方向で前記拡散部の後ろに配置された第1モジュールであって、該第1モジュールによって、前記部分光線がそれぞれ集束される、前記第1モジュールと、
前記放射方向で前記第1モジュールの後ろに配置された選択部であって、該選択部によって、前記部分光線の一部が前記全光線から除去される、前記選択部と、
前記放射方向で前記第1モジュールの後ろに配置された第2モジュールであって、該第2モジュールによって、前記部分光線の光線角度がそれぞれ相互に対してより小さくなる、前記第2モジュールと、
前記放射方向で前記第2モジュールの後ろに配置された偏向部であって、該偏向部によって、前記部分光線が時間の関数として偏向される、前記偏向部と、
前記放射方向で前記第2モジュールの後ろに配置された集束部であって、該集束部によって、前記全光線の残りの部分光線がそれぞれ集束される、前記集束部と、
を備える、機械加工装置。 - 請求項1記載の機械加工装置であって、
前記第2モジュールは、前記放射方向で、前記選択部の後ろに配置されている、機械加工装置。 - 請求項1又は2に記載の機械加工装置であって、
前記放射方向で前記拡散部の後ろ、又は前記第1モジュールの後ろに配置された拡大システムをさらに有し、前記拡大システムによって、前記全光線の部分光線間、及び/又は前記部分光線の主光線間、の間隔が拡縮される、機械加工装置。 - 請求項3記載の機械加工装置であって、
前記拡大システムは、前記光軸に沿って、前記選択部と前記第2モジュールとの間に配置される、機械加工装置。 - 請求項1乃至4のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記レーザ光線は、前記拡散部によって、複数のそれぞれ平行な部分光線にファンアウトされ、
前記第1モジュールは、前記部分光線をそれぞれ共通のプレートに集束し、前記部分光線は前記光軸に平行であり、前記部分光線は領域内で放射方向に前記共通のプレート前後で重複せず、
前記選択部は、前記部分光線が重複しない前記領域内に配置される、
機械加工装置。 - 請求項1乃至5のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記複数の部分光線の主光線間の角度は、前記第1モジュールによって変更され、前記部分光線の主光線は、前記第1モジュールによって、相互に平行になる、機械加工装置。 - 請求項1乃至6のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記拡散部は、前記光軸周りに、及び/又は、前記光軸に対して垂直な軸周りに、回転可能に設けられている、
機械加工装置。 - 請求項1乃至7のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記拡散部は、1又はそれ以上の回折光学要素、1又はそれ以上のダイクロイック分光器、1又はそれ以上の屈折光学要素、1又はそれ以上のマイクロレンズアレイ、1又はそれ以上の固定又は動的な回折格子、1又はそれ以上の空間光変調器、1又はそれ以上のホログラム、および/または、1又はそれ以上の回折格子光バルブ、を有するグループの中から選択された、1又はそれ以上のものを有する、または、ものである、
機械加工装置。 - 請求項1乃至8のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記選択部は、前記除去される部分光線の放射路に導入される吸収部を有する、または、
前記選択部は、前記除去される部分光線の放射路に導入されるミラーを有し、該ミラーによって前記除去される部分光線が吸収部に偏向される、
機械加工装置。 - 請求項1乃至9のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記選択部は、多数のマイクロミラーを有する静的又は動的なマイクロミラーアレイを有し、1又はそれ以上の除去される部分光線は、それぞれ、マイクロミラーによって吸収部上に偏向される、
機械加工装置。 - 請求項1乃至10のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記選択部は、前記除去される部分光線をマスク及び/又は吸収するマスクを有し、
前記マスクは、好ましくは移動可能であり、前記除去される部分光線の放射路に移動される、
機械加工装置。 - 請求項1乃至11のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記放射方向で、前記第1モジュールの前に配置された選択部をさらに有し、
前記選択部によって、前記部分光線の一部がマスクされる、
機械加工装置。 - 請求項1乃至12のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記拡散部は、回折光学要素、好ましくは、回折格子であり、
前記拡散部によって、前記回折光学要素により生成される回折パターンの全次数は、前記光線から除去され、前記次数は主次数ではなく、または0次数でない、
機械加工装置。 - 請求項1乃至13のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記拡散部は、回折光学要素、好ましくは、回折格子であり、
前記選択部によって、少なくとも1つの部分光線は除去され、該部分光線は、前記回折光学要素により生成される回折パターンの主次数である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至14のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記拡散部は、相互に対して前記残りの部分光線の主光線を集束する前記第1モジュール及び/又は前記第2モジュールの入射ひとみに配置されており、
前記主光線は、前記光軸に沿った前記第2モジュールと前記集束部との間の面内において、相互に対して最小の間隔をとり、前記面の後ろで前記集束部まで離れて移動する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至15のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記第2モジュールによって、前記部分光線の光線角度は、前記光軸上で点反射した対向する角度のような光線角度に対して、相互にそれぞれより小さくなり、
前記対応する部分光線の光線が、相互に対し、前記第1モジュールへの入射時に、前記部分光線を夫々有し、該部分光線が好ましくは平行である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至16のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記集束部は、前記残りの部分光線の主光線を相互に平行にする、
機械加工装置。 - 請求項1乃至17のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記集束部は、前記残りの部分光線の主光線を前記機械加工する表面上に集束する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至18のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
レーザシステムを更に有し、
前記レーザシステムによって、レーザ光線は、前記放射方向に前記光軸上に生成され、前記レーザ光線は、前記レーザ光線入口部に入射する、
機械加工装置。 - 請求項19に記載の機械加工装置であって、
前記レーザシステムは、前記レーザ光線を生成するために、非パルス状レーザ、マイクロ秒レーザ、ナノ秒レーザ、ピコ秒レーザ、又はフェムト秒レーザを有する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至20のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記第1及び/又は第2モジュールは、定義されたペッツヴァルの和又は該ペッツヴァルの和で構成されている、少なくとも1つの正レンズ、及び、少なくとも1つの負レンズ、を有する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至21のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記光軸に沿って、前記放射方向に、前記レーザ光線入口部の後ろで前記回転部の前に、配置された焦点変更部を更に有し、
前記焦点変更部により、前記レーザ光線の光線間の角度が調整され、前記光線は、前記光軸上で前記焦点変更部の後ろの点に向けて先細りになり、あるいは、前記光軸上で前記焦点変更部の前又は中における点からの光線の放射で離れて移動し、前記対応する点の間隔は、前記焦点変更部によって、前記光軸に沿って変化する、
機械加工装置。 - 請求項3又は4記載の機械加工装置であって、
前記拡大システムは、複数の回転対称のレンズを有し、該レンズは、前記光軸に対して同軸のレンズ軸で配置され、相互に前記光軸に沿って移動可能である、
機械加工装置。 - 請求項3又は4記載の機械加工装置であって、
前記拡大システムは、第1グループのアナモフィックプリズム、及び、前記第1グループに対し光軸周りに90°回転した第2グループのアナモフィックプリズムを有し、
前記第1グループのプリズム及び前記第2グループのプリズムは、前記光軸に対し垂直であり前記プリズムの非平行面に平行な軸周りにそれぞれ相互に回転可能であり、
前記第1グループは前記拡散部と前記第1モジュールとの間に配置され、前記第2グループは前記選択部と前記第2モジュールとの間に配置されている、
機械加工装置。 - 請求項3又は4記載の機械加工装置であって、
前記拡大システムは、第1グループの円柱レンズと、前記第1グループに対し光軸周りに90°回転した第2グループの円柱レンズと、を有し、
前記第1グループの円柱レンズ及び前記第2グループの円柱レンズは、前記光軸に沿って相互にそれぞれ配置され、
前記第1グループは前記拡散部と前記第1モジュールとの間に配置され、前記第2グループは前記選択部と前記第2モジュールとの間に配置されている、
機械加工装置。 - 請求項1乃至25のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記回転部は、前記光軸に対し傾斜して配置され、前記光軸周りに回転可能な平面平行プレートを有する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至26のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記回転部は、少なくとも2つのくさびプレートを有する構成を有しており、前記くさびプレートは、前記光軸周りに回転可能である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至27のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記回転部は、Schmidt-Pechanプリズム、回転K−ミラー、又は回転ドーププリズムを有し、前記プリズムは前記光軸周りに回転可能である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至28のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記回転部は、2つのミラー間に配置された面平行プレートを有し、
前記光軸に沿った前記ミラーの一方上に入射したレーザ光線が、該ミラーによって前記面平行プレートへ反射され、該面平行プレートを通過し、他の前記ミラー上に入射し、そこから、前記光軸に対し平行方向で、前記光軸に対して0よりも大きい間隔で、反射されるように、前記ミラーと前記面平行プレートは、配置され、
前記面平行プレートは回転可能であり、前記ミラーは前記光軸に対して平行方向で配置されている、
機械加工装置。 - 請求項1乃至29のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記光軸に対し回転可能な偏光部を更に有し、
該偏光部によって前記レーザ光線の偏光状態は変化し、前記光線の偏光方向は前記偏光部によって前記光軸周りに回転可能であり、前記偏光部は前記回転部の前に前記放射方向で配置されている、
機械加工装置。 - 請求項30記載の機械加工装置であって、
前記偏光部が前記光軸周りに回転する回転周期は、前記回転部の前記オフセット方向が前記光軸周りに回転する回転周期の半分の大きさである、
機械加工装置。 - 請求項30又は31に記載の機械加工装置であって、
前記偏光部は、半波プレート、1/4波プレート、接線方向偏光部、半径方向偏光部、又は、リターダープレートの組合せ、である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至32のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記偏向部は、前記光軸周りに回転可能に設けられた、1又はそれ以上のガルバノメータスキャナー、1又はそれ以上のポリゴンスキャナー、1又はそれ以上の共鳴スキャナー、1又はそれ以上の圧電スキャナー、1又はそれ以上のMEMミラー、1又はそれ以上のマイクロミラースキャナー、1又はそれ以上の音響光偏光器あるいは電光偏向器、及び/又は、くさびプレート又は面平行プレートの組合せ、を有するグループの中から選択された1又はそれ以上のものを有する、
機械加工装置。 - 請求項1乃至33のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記偏向部の回転の有効点が前記第1及び第2モジュールにより生成された前記拡散部のイメージに合うように、前記偏向部は位置している、
機械加工装置。 - 請求項1乃至34のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記集束部は、F−θレンズを有する、又は、である、
機械加工装置。 - 請求項1乃至35のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
前記偏向部は、前記光軸に沿って、前記集束部の前に配置されている、
機械加工装置。 - 請求項1乃至36のうちいずれか1項記載の機械加工装置であって、
少なくとも1つの処理気体ノズルをさらに有し、
前記処理気体ノズルによって、少なくとも1つの気体噴射は、1又はそれ以上の前記部分光線により加工された前記表面の領域上を目標とする、
機械加工装置。 - 請求項37に記載の機械加工装置であって、
前記処理気体ノズルは、前記部分光線によって加工される表面をそれぞれ目標にした複数の部分ノズルを有する、
機械加工装置。 - 表面のレーザ加工のための方法であって、
レーザ光線が光軸上の放射方向で放射され、
前記レーザ光線が前記光軸に対してオフセット方向の間隔で平行に配置され、前記オフセット方向が前記光軸周りに一時的に回転し、
前記レーザ光線が複数の部分光線にファンアウトされ、該複数の部分光線が前記光軸に対して径方向に、連続又は不連続の強度分布を形成し、
該複数の部分光線が全光線を表し、
前記部分光線がそれぞれ集束され、
前記部分光線の一部が前記全光線から除去され、
前記部分光線の光線間の角度がそれぞれより小さくなり、
前記部分光線が時間の関数として偏向され、それぞれ、前記部分光線の光線間の角度が減少し、
前記全光線の残りの部分光線がそれぞれ集束される、
方法。 - 請求項39に記載の方法であって、
偏向部が前記光線の円偏向を導く動作を行う、
方法。 - 請求項40に記載の方法であって、
回転部の前記回転は、前記偏向部の偏向と同期している、
方法。 - 請求項39乃至41のうちいずれか1項記載の方法であって、
前記部分光線は、前記加工される表面上の周期で、焦点の周期的な配置を形成し、
レーザ加工は、第1加工工程で前記焦点で実施され、その後、さらなる加工工程で、前記表面は、前記焦点に対して、ある距離で前記表面の面内に前記焦点の周期配置の方向で配置され、前記配置後、前記表面のさらなるレーザ加工が実施され、前記周期は前記距離の整数倍である、
方法。 - 請求項42に記載の方法であって、
前記方法は、請求項1乃至38のうちいずれか1項記載の機械加工装置で実施される、
方法。
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