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3Dトップハット ビームシェイパー｜Midel

仮
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研究室での「安定性」を、過酷な生産現場でも！
焦点深度を拡張し、安定した加工品質を実現。

Midelの3D Top-Hat Beam Shaperは、Top-Hatビームを焦点面だけでなく、
広い焦点範囲で安定して維持できるよう設計されています。
独自の反射型DOE技術を採用することで、焦点位置やアライメントのわずかな変化があっても
Top-Hatビームを安定して維持し、再調整の負担を軽減するとともに、安定した加工品質を実現します。

■ 適合レーザー仕様

  • 　[対応波長]　343 / 515 / 1030 nm帯
  • 　[レーザー耐性] CW～最短300 fs (高反射率99.9%超)
  • 　[適合ビーム品質]　M² ≦ 1.3 (TEM₀₀)

製品仕様
3D トップハットビームシェイパーの特長
3D Top-Hatの安定性
用途・システム構成

製品仕様

Top-Hatビームの主要仕様および使用条件をまとめています。

項目 仕様値 説明・適合規格
出力ビーム形状 円形Top-Hat ガウシアンビームを円形Top-Hatへ変換します。
ビームシェイピング効率 85%以上 Encircled energy（1/e⁴）を全エネルギーで除した比率です。
Top-Hat品質 均一性　≤ 0.1
平坦度　≥ 0.9		 ISO 13694に基づく評価指標です。
最強サイドオーダー 強度 ≤ 5% Top-Hatプラトーに対する相対強度です。

入力ビーム品質（M²）による性能変化

入力ビーム品質により、成形ビーム径と安定z軸領域が変化します。

入力ビーム品質（M²） 成形ビーム径
（回折限界DL比）		 安定z軸領域
（レイリー長比・全幅）
M² = 1.0 1.8 × DL（1/e²） 1.2 × zRL
M² = 1.1 1.7 × DL（1/e²） 1.0 × zRL
M² = 1.2 1.6 × DL（1/e²） 0.6 × zRL
M² = 1.3 1.5 × DL（1/e²） 0.3 × zRL

※安定z軸領域はメーカー仕様書記載の全幅値です。M²=1.0では中心から±0.6×zRLに相当します。

入力ビーム条件

入力ビーム TEM00ガウシアンビーム、M² ≤ 1.3
対応レーザー CW ～ 最短300 fs
入力ビーム径（1/e²） 2.5 mm / 5.0 mm / 8.0 mm
対応波長 343–355 nm / 515–532 nm / 1030–1064 nm
必要クリアアパーチャ 入力ビーム径（1/e²）の2倍以上
システム条件 コリメートビーム内に設置し、集光レンズと組み合わせて使用
アライメント 横方向の位置調整が必要
入射角 45°

素子仕様

素子 Micro-structured Mirror（Continuous Reflective DOE）
基板 平面溶融石英基板
コーティング Dielectric HR coating（誘電体高反射コーティング）
反射率 45°入射時 99.9%超
外径 φ25.0 mm（+0.0 / −0.1 mm）
厚さ 6.35 mm（±0.10 mm）

※性能値は、DOE面において回折限界に近い波面品質（λ/10 RMS以下）を持つTEM₀₀ガウシアン入力、および十分なクリアアパーチャを前提としています。システム収差や入力ビーム品質により、実際の性能は変化します。

3D トップハットビームシェイパーの特長

従来のTop-Hat加工が抱える課題と、Midel 3D Top-Hat Beam Shaperのアプローチ・導入メリットを紹介します。

従来方式の課題

従来のTop-Hat整形では、一般的に焦点位置のごく近傍でしか安定しません。この特性が、産業用途では以下のような課題につながります。

焦点位置への高い感度 アライメント許容差が厳しくなります。
頻繁な再調整 焦点ズレのたびに調整作業が発生します。
限定的な加工条件 プロセスウィンドウが狭くなります。
歩留まりの不安定化 不良品発生のリスクが高まります。

結果：不良率の上昇、段取り時間の増加、部品あたりコストの増加につながります。

3D Top-Hatとは

3D-Top-Hat Beam Shaperは、Top-Hat形状が維持される焦点深度（DOF）を拡張することで、この課題に対応します。
Top-Hat整形の原理そのものを変えるのではなく、焦点位置やアライメントの変化があっても、広い焦点範囲でTop-Hat形状を安定して維持できるよう設計されています。
その結果、24時間365日の生産現場でも安定した加工品質を実現します。

【焦点深度（DOF）におけるビームプロファイル比較】

従来の2DシェイパーとMidel 3D Top-Hatの焦点深度におけるビームプロファイル比較

従来の2Dビームシェイパー（左）では焦点から少し外れるだけでビームプロファイル（形状）が崩れてしまいますが、Midel 3D Top-Hat（右）はZ軸方向（焦点前後）にわたって安定したTop-Hat形状（緑色の領域）を保持していることが分かります。

導入メリット

最大5倍の加工可能領域 従来のTop-Hatソリューションと比較して、使用可能な加工領域が最大5倍に拡大。ダウンタイムと手戻りの削減につながります。
フォーカスずれ・アライメント変動への耐性 焦点シフトやアライメント変化に対する感度が低く、再調整の手間を軽減。シフトや装置間でも安定した結果が得られます。
均一なエネルギー分布 最小スポットサイズにおいても一貫したエネルギー分布を実現し、高い加工品質と歩留まりに貢献します。
パイロットから量産への高い移行信頼性 パイロット生産から量産へスケールアップする際の再現性への信頼度が高まります。
産業用レーザーシステム向け設計 理想的な実験室環境だけでなく、実際の産業用レーザーシステムでの使用を前提に設計されています。

3D Top-Hatの安定性

従来のTop-Hatソリューションは、主に焦点面でビームを整形します。Midel 3D Top-Hat Beam Shaperは、焦点深度方向の挙動を設計し、定められた軸方向範囲でTop-Hat形状を維持します。

従来のTop-Hatソリューション Midel 3D Top-Hat

主に焦点面でTop-Hatを形成

焦点深度方向の広い範囲での維持性能については、個別製品およびシステム条件に依存します。

定められた軸方向範囲でTop-Hatを維持

M² = 1.0では、安定z軸領域は全幅1.2 × zRL（中心から±0.6 × zRL）です。

※上記はメーカー資料に基づく比較です。従来方式の安定範囲を定量的に示すものではありません。

主要性能

安定z軸領域（M² = 1.0）

全幅 1.2 × zRL

ビームシェイピング効率

85%以上

平坦度（Flatness）

0.9以上

均一性（Plateau Uniformity）

0.1以下

メーカー資料掲載の計算例

以下は、メーカー資料に掲載された条件例です。

ビーム径（1/e²） 5 mm
波長 355 nm
M² 1.1
焦点距離 100 mm
OK基準 平坦度 ≥ 0.90、 均一性 ≤ 0.10
安定範囲 z = 210 µm（DOF比 約55%）
Top-Hatサイズ（1/e²） 16.5 µm（回折限界スポット径の約1.65倍）

用途・システム構成

3D Top-Hat Beam Shaperの適用分野と、光学系への組み込み例を紹介します。

主な用途

均一なエネルギー分布・小スポット・厳しいプロセスウィンドウが求められる用途で、安定したTop-Hatプロファイルは特に重要です。

用途 効果 主な業界
高品質マーキング
（ブラックマーキング）		 深く均一なコントラストを実現し、ホットスポットのない高品質な仕上がりに。 民生電子機器、自動車
レーザーリフトオフ
（LLO）		 制御された剥離と均一なエネルギー供給を実現。 ディスプレイ（OLED、µLED、フレキシブル基板）
精密穴あけ テーパーおよび熱影響部を最小限に抑制。 PCB、半導体パッケージング、TGV、ガラス
表面微細構造化 再現性の高いテクスチャ形成と機能表面の付与。 医療機器、自動車、太陽電池（PV）
ファインカッティング 滑らかなエッジと再付着・バリの最小化。 ウェハダイシング、医療機器、ディスプレイ

システム構成例

システム構成例
構成 概要
Parallel /
Z-Folded		 レーザー光をミラー（45°）で方向転換し、Beam Shaper→集光レンズの順に配置する構成です。Shaperとレンズ間の距離は任意に設定できます。
Folded Beam Shaperを45°で配置し、光路を1回折り返して集光レンズへ導く構成です。Shaperとレンズ間の距離は任意に設定できます。
Scanner Beam Shaper通過後、ガルバノスキャナーとF-Thetaレンズを介して集光する構成です。スキャン方式の加工システムへの組み込みに対応します。

代表的なアプリケーション

微細加工 高出力加工 高精度マーキング ディスプレイ加工 半導体加工

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