JPH07227686A - 光伝送装置及び光照射方法 - Google Patents

光伝送装置及び光照射方法

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JPH07227686A
JPH07227686A JP6024271A JP2427194A JPH07227686A JP H07227686 A JPH07227686 A JP H07227686A JP 6024271 A JP6024271 A JP 6024271A JP 2427194 A JP2427194 A JP 2427194A JP H07227686 A JPH07227686 A JP H07227686A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光軸方向または光軸に垂直な面内で最適な光
強度分布を有する光を被照射物に照射し、任意の加工が
できる光伝送装置を提供する。 【構成】 レーザ発振器１、このレーザ発振器１からの
光を所定の距離伝播する光ファイバ３、レーザ発振器１
からの光を集束して光ファイバ３に入射させる集光レン
ズ２、光ファイバ３から出射する光を収差をともなって
像を形成する第１のレンズ６、第１のレンズ６による像
のうち所定の光強度分布を有する位置に設置したマスク
７、及びマスク７を通過する像を被照射物５上に結像す
る第２のレンズ４により光伝送装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、金属・セラミックス
・樹脂などの材料を加工するレーザ加工装置に使用され
る光伝送装置、とくに加工や表面処理の目的でレーザ光
を伝送するための光伝送装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図３０は例えば特公平２−５５１５７号
公報に示された従来の光伝送装置である。図３０におい
て、１はレーザ発振器、２は発振器からの光を集光して
ファイバ３へ入射させる集光レンズ、４はファイバ３か
ら出射した光を被照射物５に照射する照射レンズ、１
１、１２、１３、１６はレーザ光である。このとき、効
率よくレーザエネルギーを利用するために、集光レンズ
２および照射レンズ４の焦点距離、各光学系の位置関係
を最適化している。
【０００３】次に動作について説明する。レーザ発振器
１から出力されたレーザ光１１は集光レンズ２によって
集光され（レーザ光１２）、光ファイバ３へ導入され
る。導入された光は光ファイバ３の他方の端から出射す
る（レーザ光１３）。出射した光１３は照射レンズ４に
よって被照射物５上で結像される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の光伝送装置は以
上のように構成されており、従来の光学系において、使
用されているレンズは図３０に示されたように球面レン
ズであり、伝送されるレーザ光は光の進行方向に対して
軸対象となっている。従って、被照射物上に照射される
レーザビームの形状は円形のスポット形状に限られ、し
かも通常、ビームを最も細く絞るには照射レンズ４によ
ってファイバ出力端のビーム分布を縮小転写する構成を
とるため、被照射部に照射されるビーム分布はファイバ
出力端における強度分布(通常はトップハット形状)を反
映してトップハット形状に限られている。また、結像点
からさらに進行する方向のビームは、一つのレンズ群に
よる結像光学系では、拡がりが大きいため、被加工物に
照射した場合に焦点深度の深い加工ができないという問
題点があった。
【０００５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、光軸方向または光軸に垂直な面
内で最適な光強度分布を有する光を被照射物に照射し
て、任意の加工ができる光伝送装置を提供することであ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明の光伝送装置
は、レーザ発振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、
伝播された光を被照射物上に照射する際に、被照射物付
近での、光軸方向または光軸に垂直な面内での光強度分
布を所定の光強度分布に調整する調整手段を有するもの
である。
【０００７】この発明の請求項２による光伝送装置は、
照射光学系及び調整手段を、収差をともなって像を形成
する第１のレンズと、第１のレンズによる上記像のう
ち、所定の光強度分布を有する位置の像を被照射物上に
結像する第２のレンズで構成したものである。
【０００８】この発明の請求項３による光伝送装置は、
第１のレンズと第２のレンズの間の距離を可変できる可
変機構を備えたものである。
【０００９】この発明の請求項４による光伝送装置は、
第１のレンズによる像位置にマスクを設置したものであ
る。
【００１０】この発明の請求項５による光伝送装置は、
上記マスクの形状を円形にして、円形部分のみ光を透過
するようにしたものである。
【００１１】この発明の請求項６による光伝送装置は、
上記マスクの形状を円環状にして、円環状の部分のみ光
を透過させるようにしたものである。
【００１２】この発明の請求項７による光伝送装置は、
請求項１の光伝送装置において、伝播光学系を光ファイ
バと、レーザ発振器からのレーザ光を集束して上記光フ
ァイバに入射させる集光レンズで構成し、照射光学系を
光ファイバの出射端面から一定距離離れた光軸に垂直な
面の像を被照射物上に転写する転写光学系で構成し、調
整手段を集光レンズにより集束されたレーザ光の、上記
光ファイバへの入射角度を調整する調整手段で構成した
ものである。
【００１３】この発明の請求項８による光伝送装置は、
上記調整手段を、光ファイバの入射端面の中心を光軸中
心と一致させた状態のまま、上記光ファイバ入射端面の
角度を変えることにより実現するものである。
【００１４】この発明の請求項９による光伝送装置は、
上記調整手段を、集光レンズの光軸中心と光ファイバの
光軸中心とを一致させた状態で、かつ上記集光レンズの
焦点位置に光ファイバの入射端面を固定し、レーザ発振
器からのレーザ光の光軸中心と固定された光学系の光軸
中心とを平行に保った状態で、上記固定された光学系を
光軸に垂直な面内で移動することにより実現するもので
ある。
【００１５】この発明の請求項１０による光伝送装置
は、上記調整手段を、集光レンズの焦点位置に光ファイ
バの入射端面を固定し、レーザ発振器からのレーザ光の
光軸中心と集光レンズの光軸中心とを平行に保った状態
で、上記レーザ光を光軸に垂直な面内で移動することに
より実現するものである。
【００１６】この発明の請求項１１による光伝送装置
は、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発
振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な
平面ミラーとウェッジ基板とを設置し、上記平面ミラー
の角度を変えると同時に、上記ウェッジ基板を異なるウ
ェッジ角度のものに交換することにより行うものであ
る。
【００１７】この発明の請求項１２による光伝送装置
は、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発
振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な
平面ミラーと複数の種類のウェッジ角度を有する特殊ウ
ェッジ基板とを設置し、上記平面ミラーの角度を変える
ことにより行うものである。
【００１８】この発明の請求項１３による光伝送装置
は、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発
振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な
平面ミラーと円盤状の基板であってそれぞれウェッジ角
度の異なるウェッジ基板を円周方向に連続的に並べた構
成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラーの角度の変化
と同期して上記特殊基板を回転させることにより行うも
のである。
【００１９】この発明の請求項１４による光伝送装置
は、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発
振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な
平面ミラーと円盤状の基板であって半径方向にウェッジ
角度が一定でかつ円周方向に連続的にウェッジ角度の変
化がある構成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラーの
角度の変化と同期して上記特殊基板を回転させることに
より行うものである。
【００２０】この発明の請求項１５による光伝送装置
は、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発
振器と集光レンズとの間に放物面ミラーを設置するとと
もに、上記放物面ミラーの焦点に角度可変な平面ミラー
を設置し、上記平面ミラーの角度を変化させることによ
り行うものである。
【００２１】この発明の請求項１６による光伝送装置
は、上記調整手段を、集光レンズへ入射するレーザ光の
光軸に垂直な面内での光強度分布を任意の内径外径を有
する円環状に整形することにより実現するものである。
【００２２】この発明の請求項１７による光伝送装置
は、任意の内径外径を有する円環状へのレーザ光の整形
を、レーザ発振器と集光レンズとの間に互いに対向して
設置された２個のアクシコンレンズを設置して、上記ア
クシコンレンズの間隔を変化させることにより行うもの
である。
【００２３】この発明の請求項１８による光伝送装置
は、上記調整手段を、集光レンズと光ファイバの入射端
面との間に楕円ミラーを設置するとともに、上記楕円ミ
ラーの第１焦点に光軸に対し角度可変な平面ミラーを設
置し、かつ、上記光ファイバの入射端面を上記楕円ミラ
ーの第２焦点に設置し、上記平面ミラーの角度を変える
ことにより実現するものである。
【００２４】この発明の請求項１９による光伝送装置
は、照射光学系が、互いに直交する方向に曲率を持つ二
群の円筒面レンズによる結像光学系を有するものであ
る。
【００２５】この発明の請求項２０による光伝送装置
は、照射光学系における結像光学系が、２つのレンズ群
からなり、第１のレンズ群の第２主平面から第２のレン
ズ群の第１主平面までの距離をｄ、第１のレンズ群の焦
点距離をｆ1、第２のレンズ群の焦点距離をｆ2、伝播さ
れた光の所定の位置から第１のレンズ群の物側焦点位置
までの距離をｚ1、第２のレンズ群の像側焦点位置から
被照射物までの距離ｚ2としたとき、 ｄ＝ｆ1＋ｆ2＋Δｄ ｚ1＝ｆ1ｆ2ｚ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2） を満足するものである。
【００２６】この発明の請求項２１による光伝送装置
は、上記結像光学系がさらに、 −ｆ1 2／（ｆ2＋Δｄ）＜ｚ1＜ｆ1 ｆ1〉０、ｆ2〉０ Δｄ＞０ を満足するものである。
【００２７】この発明の請求項２２による光伝送装置
は、上述の第２のレンズ群が凹レンズと凸レンズの組で
あり、合成レンズの焦点距離をｆ2、凹レンズ４０３の
焦点距離をｆA、凸レンズ４０４の焦点距離をｆB、凹レ
ンズの第２主平面と凸レンズの第１主平面との距離をｄ
3、凹レンズの第１主平面と合成レンズの第１主平面と
の距離をｚA、凸レンズの第２主平面と合成レンズの第
２主平面との距離をｚBとすると ｆ2＝ｆAｆB／（ｆA＋ｆB−ｄ3） ｚB＝−ｄ3ｆ2／ｆA （ｚBは正値のとき右方向にと
る） ｚA＝−ｄ3ｆ2／ｆB （ｚAは負値のとき右方向にと
る） を満足するものである。
【００２８】この発明の請求項２３による光伝送装置
は、上記光伝送装置において、伝播された光の所定の位
置として光ファイバの出射端面をおいたものである。
【００２９】この発明の請求項２４による光照射方法
は、上記各光伝送装置を用いて被照射物にレーザ光を照
射する際、被照射物の一定の領域毎に照射光の光強度分
布を変化させるものである。
【００３０】この発明の請求項２５による光照射方法
は、上記各光伝送装置のレーザ発振器をパルス発振のも
のとして被照射物へのレーザ光の照射の際に、レーザ光
の１パルス中に光強度分布を変化させ、かつ１パルス中
の変化を１パルス毎に繰り返し行うものである。
【００３１】
【作用】この発明の光伝送装置においては、被照射物付
近での、光軸方向または光軸に垂直な面内での光強度分
布を所定の光強度分布に調整する調整手段を有するの
で、任意の形状の加工ビームや焦点深度が調整でき、任
意の加工ができる。
【００３２】この発明の請求項２の光伝送装置において
は、収差をともなって像を形成する第１のレンズを備え
ており、第１のレンズによる像は光軸に垂直な方向に種
々の光強度分布を有する像が得られる。第２のレンズは
これらの像の中から所定の光強度分布を有する位置の像
を被照射物上に結像するので、被照射物上に所望の光強
度分布を有する像を結像することができ、任意の加工が
できる。
【００３３】この発明の請求項３の光伝送装置において
は、上述の第１のレンズと第２のレンズの間の距離を可
変機構により変えることにより、第１のレンズによる、
種々の光強度分布の像の中から所望の光強度分布を有す
る像を選択して照射物上に結像できるので、種々のビー
ム形状の加工ビームが上記距離を変えるだけで容易に得
られる。
【００３４】この発明の請求項４の光伝送装置において
は、第１のレンズによる像位置にマスクを設置し、マス
クを通過する光を被照射物上に結像するので、マスク形
状に応じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得ら
れる。
【００３５】この発明の請求項５の光伝送装置において
は、上記マスクの形状を円形することにより、円形の加
工ビームが得られ、均一な光が照射できる。
【００３６】この発明の請求項６の光伝送装置において
は、上記マスクの形状を円環状にすることにより、円環
状の加工ビームが得られ、ビームを走査して加工する場
合にも均一な光照射が可能になる。
【００３７】この発明の請求項７の光伝送装置において
は、伝播光学系を光ファイバと、レーザ発振器からのレ
ーザ光を集束して上記光ファイバに入射させる集光レン
ズで構成し、集光レンズにより集束されたレーザ光の、
上記光ファイバへの入射角度を調整して光ファイバの出
射端面から一定距離離れた光軸に垂直な面の光強度分布
を調整し、この面の像を被照射物上に転写することによ
り、種々のビーム形状の加工ビームを得る。
【００３８】この発明の請求項８の光伝送装置において
は、光ファイバの入射端面の中心を光軸中心と一致させ
た状態のまま、光ファイバ入射端面の角度を変えるの
で、レーザ光を光ファイバ入射口の中心上に保ったまま
入射角度だけを変化させることができる。
【００３９】この発明の請求項９の光伝送装置において
は、集光レンズの光軸中心と光ファイバの光軸中心とを
一致させた状態で、かつ上記集光レンズの焦点位置に光
ファイバの入射端面を固定し、レーザ発振器からのレー
ザ光の光軸中心と固定された光学系の光軸中心とを平行
に保った状態で、上記固定された光学系を光軸に垂直な
面内で移動するので、易しい制御で入射角度の変化が実
現できる。
【００４０】この発明の請求項１０の光伝送装置におい
ては、集光レンズの焦点位置に光ファイバの入射端面を
固定し、レーザ発振器からのレーザ光の光軸中心と集光
レンズの光軸中心とを平行に保った状態で、上記レーザ
光を光軸に垂直な面内で移動するので、光ファイバの入
射口が動くより高速に駆動できる。
【００４１】この発明の請求項１１の光伝送装置におい
ては、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ
発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変
な平面ミラーとウェッジ基板とを設置し、上記平面ミラ
ーの角度を変えると同時に、上記ウェッジ基板を異なる
ウェッジ角度のものに交換することにより行うので、構
成が簡単になる。
【００４２】この発明の請求項１２の光伝送装置におい
ては、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ
発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変
な平面ミラーと複数の種類のウェッジ角度を有する特殊
ウェッジ基板とを設置し、上記平面ミラーの角度を変え
ることにより行うので、高速に光強度分布を変化させる
ことができる。
【００４３】この発明の請求項１３の光伝送装置におい
ては、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ
発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変
な平面ミラーと円盤状の基板であってそれぞれウェッジ
角度の異なるウェッジ基板を円周方向に連続的に並べた
構成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラーの角度の変
化と同期して上記特殊基板を回転させることにより行う
ので、より滑らかで、高速な光強度分布の変化が実現で
きる。
【００４４】この発明の請求項１４の光伝送装置におい
ては、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ
発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変
な平面ミラーと円盤状の基板であって半径方向にウェッ
ジ角度が一定でかつ円周方向に連続的にウェッジ角度の
変化がある構成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラー
の角度の変化と同期して上記特殊基板を回転させること
により行うので、ウェッジ基板の境目による光強度分布
の乱れが防止できる。
【００４５】この発明の請求項１５の光伝送装置におい
ては、レーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ
発振器と集光レンズとの間に放物面ミラーを設置すると
ともに、上記放物面ミラーの焦点に角度可変な平面ミラ
ーを設置し、上記平面ミラーの角度を変化させることに
より行うので、構成が簡単で、駆動部も少なく、かつ高
速に入射角度の変化が実現できる。
【００４６】この発明の請求項１６の光伝送装置におい
ては、集光レンズへ入射するレーザ光の光軸に垂直な面
内での光強度分布を任意の内径外径を有する円環状に整
形し、この径により光ファイバへの入射角度を調整する
ので、得られる加工ビームの軸対称性がよくなる。
【００４７】この発明の請求項１７の光伝送装置におい
ては、任意の内径外径を有する円環状へのレーザ光の整
形を、レーザ発振器と集光レンズとの間に互いに対向し
て設置された２個のアクシコンレンズを設置して、上記
アクシコンレンズの間隔を変化させることにより行うの
で、遮光板でのエネルギーのロスが防げる。
【００４８】この発明の請求項１８の光伝送装置におい
ては、集光レンズと光ファイバの入射端面との間に楕円
ミラーを設置するとともに、上記楕円ミラーの第１焦点
に光軸に対し角度可変な平面ミラーを設置し、かつ、上
記光ファイバの入射端面を上記楕円ミラーの第２焦点に
設置し、上記平面ミラーの角度を変えることにより、光
ファイバへの入射角度を調整するので、構成が簡単で、
駆動部も少なく、かつ高速に入射角度の変化が実現でき
る。
【００４９】この発明の請求項１９の光伝送装置におい
ては、照射光学系が、互いに直交する方向に曲率を持つ
二群の円筒面レンズによる結像光学系を有し、各レンズ
の焦点距離を任意に選ぶことにより、被照射物上に照射
するビームの形状を長楕円形状、あるいは任意のビーム
形状にすることができる。
【００５０】この発明の請求項２０の光伝送装置におい
ては、照射光学系における結像光学系が、２つのレンズ
群からなり、第１のレンズ群の第２主平面から第２のレ
ンズ群の第１主平面までの距離をｄ、第１のレンズ群の
焦点距離をｆ1、第２のレンズ群の焦点距離をｆ2、伝播
された光の所定の位置から第１のレンズ群の物側焦点位
置までの距離をｚ1、第２のレンズ群の像側焦点位置か
ら被照射物までの距離ｚ2としたとき、 ｄ＝ｆ1＋ｆ2＋Δｄ ｚ1＝ｆ1ｆ2ｚ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2） を満足するように構成することにより、光軸方向の光強
度分布が調整でき、結果、被照射物に対してビームがほ
ぼ垂直に照射されるので、ビームエネルギーの集束性が
よく、深い焦点深度が得られる。
【００５１】この発明の請求項２１の光伝送装置におい
ては、上記結像光学系がさらに、 −ｆ1 2／（ｆ2＋Δｄ）＜ｚ1＜ｆ1 ｆ1〉０、ｆ2〉０ Δｄ＞０ を満足するように構成することにより、より焦点深度を
深くすることができる。
【００５２】この発明の請求項２２の光伝送装置におい
ては、上述の第２のレンズ群を凹レンズと凸レンズの組
で構成し、合成レンズの焦点距離をｆ2、凹レンズ４０
３の焦点距離をｆA、凸レンズ４０４の焦点距離をｆB、
凹レンズの第２主平面と凸レンズの第１主平面との距離
をｄ3、凹レンズの第１主平面と合成レンズの第１主平
面との距離をｚA、凸レンズの第２主平面と合成レンズ
の第２主平面との距離をｚBとした時 ｆ2＝ｆAｆB／（ｆA＋ｆB−ｄ3） ｚB＝−ｄ3ｆ2／ｆA （ｚBは正値のとき右方向にと
る） ｚA＝−ｄ3ｆ2／ｆB （ｚAは負値のとき右方向にと
る） を満足するように構成することにより、合成レンズの第
２主平面を物側へ持ってくることができ、従って、焦点
距離ｆ2の単レンズを持ってきた場合と比較してレンズ
と被照射物との距離を離すことができる。
【００５３】この発明の請求項２３の光伝送装置におい
ては、伝播された光の所定の位置として光ファイバの出
射端面をおくことで、光軸に垂直な方向の光強度分布を
調整したものだけでなく、従来構成の光伝送装置に対し
ても焦点深度を深くとることができる。
【００５４】この発明の請求項２４の光照射方法におい
ては、上記各光伝送装置を用いて被照射物にレーザ光を
照射する際、被照射物の一定の領域毎に照射光の光強度
分布を変化させるので、一回の加工で溶接と切断、マー
キング等を一括して行うことができる。また、領域毎に
厚みや材質の異なる場合にも対応できる。
【００５５】この発明の請求項２５の光照射方法におい
ては、上記各光伝送装置のレーザ発振器をパルス発振の
ものとして被照射物へのレーザ光の照射の際に、レーザ
光の１パルス中に光強度分布を変化させ、かつ１パルス
中の変化を１パルス毎に繰り返し行うので、材料に対す
るエネルギー密度を可変にでき、品質のよい溶接、切
断、穴あけができる。
【００５６】
【実施例】
実施例１．以下、この発明の一実施例を図１に従って説
明する。図１において、１はレーザ発振器であり、この
レーザ発振器１から出力されたレーザ光１１は集光レン
ズ２によって光ファイバ３へ導入される（レーザ光１
２）。導入された光は光ファイバ３の他方の端から出射
する（レーザ光１３）。出射した光１３は球面収差を有
する第１のレンズ６によってマスク７付近で結像される
（レーザ光１４）。ここで形成された光強度分布の一部
をマスク７で除去し、除去後の光強度分布を高解像度の
第２のレンズ４によって被照射物５上に転写する。１５
はマスク７で一部除去された後のレーザ光、１６は被照
射物５への結像ビームである。
【００５７】以下、光学系の光路にしたがって詳細を説
明する。図１において、光ファイバ３は途中で折り曲げ
の回転半径を調節するようにしている。この、回転半径
を変化させると、光のファイバ内における反射状況が複
雑になり、ランダムな重ね合わせの効果を生むので、フ
ァイバ出射光のコヒーレンシーを変化させることができ
る。また、ファイバ３を使わず、複数の反射鏡などで光
を伝播させる場合には、レーザ発振器１からの高いコヒ
ーレンシーを持った光がそのままレンズ６に入射すると
考える。第１のレンズ６に入射したレーザ光１３は、第
１のレンズが収差を有しているために、結像位置付近で
の結像パターンが図２に示すように、光軸方向に対して
変化する。即ち、デフォーカスに対して、急峻なピーク
をもつ形状Ａからリング状の形状Ｂ、トップハットの形
状Ｃへと変化している。
【００５８】次に、上述した第１のレンズ６のデフォー
カスによって異なる光強度分布を、被照射物５上に転写
する場合を図３を用い説明する。図３（ａ）において、
レンズ６に対する入射光１３はデフォーカス位置に応じ
てピーク形状Ａ、リング形状Ｂ、またはトップハット形
状Ｃをとる。被照射物に照射される所望の分布形状が例
えばトップハット形状である場合には、トップハット形
状Ｃをとるデフォーカス位置に、さらにビーム分布の裾
をカットして整形するために、図３（ｂ）に示すような
円形のマスク７を設置する。つぎに、マスク７により整
形されたビーム分布を高解像度の第２のレンズ４によ
り、被照射物上に縮小転写して、微小なトップハット形
状の分布をえる。同様にして、第１のレンズ６の位置、
またはマスク７と第２のレンズ４の位置を変え、第１の
レンズ６のデフォーカスを変化させることで最終的な第
２のレンズ４による分布形状を、リング状あるいはピー
ク形状にすることができる。なお、図３において、必ず
しもマスク７を設けなくてもよく、第１のレンズ６と第
２のレンズ４の間の距離を調整することで所望の形状の
結像パターンを有するレーザ光が得られる。
【００５９】図４（ａ）（ｂ）（Ｃ）はいずれも第１の
レンズ６による光強度分布がトップハット形状の分布と
なる位置に、先の場合と同様にビーム分布の裾の部分を
整形するため、マスク７を使用し、マスク７を出た光を
高解像度の第２のレンズにより転写するものであるが、
図４（ｂ）（ｃ）に示すように、マスク形状として微小
な円形状や、輪帯状のものを使用してもよい。この場
合、エネルギー的には図３の場合よりも損失となるが、
レンズ間の距離の調整をしなくても、マスク７を交換す
るだけで微小なスポットビームやリング状の強度分布を
容易に得ることができる。
【００６０】なお、上記実施例において、第１のレンズ
６として球面収差を有するレンズを用いたが、こま収差
や、非点収差を有するレンズを用い、同様にして種々の
形状の結像パターンを実現するようにしてもよい。
【００６１】実施例２．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。従来、光ファイバを伝播光学系に
用いるものにおいて、光ファイバの光軸に対して平行に
ビームを入射していたのに対して、本実施例において
は、光ファイバの光軸に対して、角度を持たせて光を導
入することにより、ファイバ出力光の光分布をトップハ
ット形状から円環状まで制御して変化させる。図５は本
実施例による光伝送装置の構成図である。図５におい
て、１はレーザ発振器、２は集光レンズ、３は光ファイ
バ、９は光ファイバ３の入射口３２とＸＹθステージ８
とからなる入射角度制御機構、３３は光ファイバ出射口
である。
【００６２】以下、光学系の光路にしたがって詳細を説
明する。図５において、レーザ発振器１を出射したレー
ザ光１１は、集光レンズ２を通過し、光ファイバ３の入
射口３２へと集束せられる（レーザ光１２）。光ファイ
バ３の入射口３２は集光レンズ２の焦点位置に設置され
ている。また入射口３２はＸＹθステージ８と連結され
ており、入射角度制御機構９を構成する。前記機構９に
より、入射口３２の中心位置がレーザ光１２の集束点１
８からずれることなく、光ファイバ端面の光軸との角度
だけが変化するような制御がなされる。図６にＸＹθス
テージ８の移動の軌跡を示す。図６を参照して、ＸＹθ
ステージ８と光ファイバ３の入射口３２との連結点８１
は、レーザ光の集光レンズ２による集束点１８を原点と
して、次式で示される軌跡を描いて移動する。 Ｘ（θ）＝Ｒ×ｃｏｓθ Ｙ（θ）＝Ｒ×ｓｉｎθ ただし、Ｒは入射端面の中心１８とＸＹθステージ８と
光ファイバ３との連結部分の中心８１との距離、θは光
軸と光ファイバ中心軸とのなす角度である。このよう
に、光ファイバ３に対して入射角度をつけると、光ファ
イバ出射端面から一定距離以上離れた位置２０（モード
変換面と呼ぶ）においてビームの強度分布が変化するの
である。以下にヘリウムネオンレーザを用いて行った実
験の結果を示す。
【００６３】図７（ａ）は実験装置の構成図である。図
７（ａ）において、５０はヘリウムネオンレーザ、６０
は焦点距離４０ｍｍの平凸レンズ、８はＸＹθステー
ジ、７０はコア系４００μｍ、長さ５ｍ、ＮＡ=０.２の
ステップインデックス型光ファイバ、９０はＣＣＤカメ
ラである。ヘリウムネオンレーザ光５１を焦点距離４０
ｍｍの平凸レンズ６０で光ファイバ７０の入射端面７２
に集光して入射させ（入射光５２）、出射端面７３から
約２０ｍｍの位置での出射光５３の強度分布をＣＣＤカ
メラ９０を用いて計測した。図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）に
結果を示す。図７（ｂ）から（ｄ）へと入射角度を０度
から徐々に大きくするとビームの強度分布が略ガウス状
から略矩形状、さらには、略円環状へと変化することが
分かる。このように、光ファイバへの入射角度を変化さ
せることにより出射光の強度分布を制御することができ
る。
【００６４】図５において、光ファイバ３を出射したレ
ーザ光１３は、第１のレンズ６により前記モード変換面
２０上の光強度分布の像がマスク７付近で結像される。
ここで形成された光強度分布の一部をマスク７で除去
し、除去後の光強度分布を高解像度の第２のレンズ４に
より被照射物５上に転写し、溶接・切断・表面改質など
の加工・処理を行なう。
【００６５】なお、本実施例ではモード変換面２０上の
光強度分布の像を第１のレンズ６により一旦マスク７付
近で結像し、形成された光強度分布の一部をマスク７で
除去し、除去後の光強度分布を、高解像度の第２のレン
ズ４により被照射物５上に転写したが、伝播された光を
被照射物上に照射する照射光学系としては、一つのレン
ズによってモード変換面２０上の光強度分布の像を被照
射物上に転写する光学系としてもよい。
【００６６】実施例３．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図８に示すような構成をとるものを示す。
図８において、前記集光レンズ２は、光ファイバ３の入
射口３２と互いに光軸中心を一致させた状態で、かつ集
光レンズ２の焦点位置が入射端面にくるようにフレーム
１００により固定されている。前記フレーム１００は光
軸に垂直な面内を移動できるステージ１０１に取付られ
ている。このような構成の光学系にレーザ光の光軸中心
と前記光学系の光軸中心とを平行に保った状態で、前記
フレーム１００ごとステージ１０１により光軸に垂直な
面内で移動すると、レーザ光の集束点を光ファイバ入射
口３２の中心上に保ったまま入射角度だけを変化させる
ことができる。その他の部分については前記実施例２と
同様であるので説明を省略する。この様な構成とするこ
とにより、実施例２と比べ、易しい制御で入射角度の変
化が実現できる。
【００６７】実施例４．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図９に示すような構成をとるものを示す。
図９において、１１０は平面ミラー、１１１、１１２は
ウェッジ基板である。平面ミラー１１０の設置角度はウ
ェッジ基板１１１を通過した後のレーザ光が光軸と平行
となるように以下に示す式に従い設定される。すなわち
平面ミラー１１０の設置角度は、図１０を参照して、ウ
ェッジ基板１１２のウェッジ角度をθW、ウェッジ構成
材料の屈折率をｎW、レーザ入射角をθLとしたとき、 θL＝（π／２＋ｓｉｎ-1（ｎW×ｓｉｎθW）−θW）／２ であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。また、図１０において１１３はレーザ光の進
路、１１０ａは平面ミラー１１０の回転中心軸である。
入射角度は例えば異なるウェッジ角度を持つウェッジ基
板１１２に変更すると同時に、前記平面ミラーの角度を
前記式から求められる角度とすることにより変化させ
る。その他の部分については前記実施例２と同様である
ので説明を省略する。この様な構成とすることにより、
実施例２、３と比べ、簡単な構成で、しかも光ファイバ
の入射口が動くより高速に駆動できる。
【００６８】実施例５．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図１１に示すような構成をとるものを示
す。図１１（ａ）において、１２０は例えば２種類のウ
ェッジ角度を有する特殊ウェッジ基板（図１１（ｂ）参
照）である。平面ミラー１１０の設置角度は特殊ウェッ
ジ基板１２０を通過した後のレーザ光が光軸と平行とな
るように以下に示す式に従い設定される。すなわち平面
ミラー１１０の設置角度は、前記実施例４と同様に、特
殊ウェッジ基板１２０のウェッジ角度をθW1、θW2、ウ
ェッジ構成材料の屈折率をｎW、レーザ入射角をθL1、
θL2としたとき、 θL1＝（π／２＋ｓｉｎ-1（ｎW×ｓｉｎθW1）−θW1）／２ θL2＝（π／２＋ｓｉｎ-1（ｎW×ｓｉｎθW2）−θW2）／２ であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。特殊ウェッジ基板のウェッジ角度はここで示
したように２個に限定されるものではなく３個以上有し
ているような構造でもよい。また、図１１において、１
１０ａは平面ミラー１１０の回転中心軸である。入射角
度は、前記特殊ウェッジ基板の各ウェッジ角度に対応し
た前記平面ミラーの角度を前記式から求められる角度と
することにより変化させる。その他の部分については前
記実施例２と同様であるので説明を省略する。この様な
構成とすることにより、実施例４と比べ、高速に光強度
分布を変化させることができる。
【００６９】実施例６．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図１２に示すような構成をとるものを示
す。図１２（ａ）において、１３０はウェッジ角度の異
なるウェッジ基板を円周方向に連続的に並べたような特
殊基板、１３１はモーターである。また、図１２（ｂ）
は前記特殊基板１３０の上面図、図１２（ｃ）は図１２
（ｂ）のＡ−Ａ線での断面図である。平面ミラー１１０
の設置角度は特殊ウェッジ基板１３０を通過した後のレ
ーザ光が光軸と平行となるよう、前記実施例４と同様の
式に従い制御される。また図１２において、１１０ａは
平面ミラー１１０の回転中心軸である。入射角度は前記
平面ミラーと前記特殊基板を同期させて回転させること
により変化させる。その他の部分については前記実施例
２と同様であるので説明を省略する。この様な構成とす
ることにより、実施例５と比べ、多数の角度を使用でき
るようになり、より滑らかで、高速な光強度分布の変化
が実現できる。
【００７０】実施例７．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図１３に示すような構成をとるものを示
す。図１３（ａ）において、１４０は半径方向にウェッ
ジ角度が一定でかつ円周方向に連続的に前記半径方向の
ウェッジ角度の変化があるような特殊ウェッジ基板であ
る。また、図１３（ｂ）は前記特殊ウェッジ基板１４０
の上面図、図１３（ｃ）は図１３（ｂ）のＡ−Ａ線での
断面図である。平面ミラー１１０の設置角度は特殊ウェ
ッジ基板１４０を通過した後のレーザ光が光軸と平行と
なるよう、前記実施例４と同様の式に従い制御される。
また図１３において、１１０ａは平面ミラー１１０の回
転中心軸である。入射角度は前記平面ミラーと前記特殊
ウェッジ基板を同期させて回転させることにより変化さ
せる。その他の部分については前記実施例２と同様であ
るので説明を省略する。この様な構成とすることによ
り、実施例６において発生するウェッジ基板の境目によ
る光強度分布の乱れが防止できる。
【００７１】実施例８．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図１４に示すような構成をとるものを示
す。図１４において、１５０は頂点に開口部のある放物
面ミラー、１１０は平面ミラーである。平面ミラー１１
０の回転中心軸１１０ａは放物面ミラー１５０の焦点に
設置されている。入射角度の変化は、前記平面ミラー１
１０の角度を変化させることにより行う。その他の部分
については前記実施例２と同様であるので説明を省略す
る。この様な構成とすることにより、前記各実施例に比
べ、構成が簡単で、駆動部も少なく、かつかつ高速に入
射角度の変化が実現できる。
【００７２】実施例９．次に、この発明の他の実施例を
図について説明する。本実施例においては、入射角度制
御機構として図１５に示すような構成をとるものを示
す。図１５において、１６０は例えば２枚のレンズによ
り構成されたレーザ光を拡大するズーム光学系、１７０
は遮光板である。レーザ光はズーム光学系１６０により
ビーム径が拡大される。ズーム光学系を出射したレーザ
光は、遮光板１７０によりその中心部分が円形に遮光さ
れ円環状に整形される。円環状に整形されたレーザ光は
集光レンズ２により光ファイバ入射端面の中心に集光さ
れる。入射角度の変化は、前記遮光板１７０を内径、外
径の異なるものに変更することにより行う。また、前記
ズーム光学系は前記構成に限定されるものではなくビー
ム径を拡大するような機能を有するものであれば良い。
また、ビーム径が充分大きければ無くてもよい。その他
の部分については前記実施例２と同様であるので説明を
省略する。この様な構成とすることにより、得られる加
工ビームの軸対称性がよくなる。
【００７３】実施例１０．次に、この発明の他の実施例
を図について説明する。本実施例においては、入射角度
制御機構として図１６に示すような構成をとるものを示
す。図１６において、１６０は例えば２枚のレンズによ
り構成されたレーザ光を拡大するズーム光学系、１８
０、１８１はアクシコンレンズ、１８２は光軸方向に移
動可能なステージである。レーザ光はズーム光学系１６
０によりビーム径が拡大される。ズーム光学系を出射し
たレーザ光は、２個の互いに対向して設置されたアクシ
コンレンズ１８０、１８１を通過する。アクシコンレン
ズの一方は光軸方向に移動可能なステージ１８２上に設
置されている。アクシコンレンズを通過したレーザ光は
円環状に変換される。変換されたレーザ光の径は、ステ
ージ１８２により一方のアクシコンレンズを光軸方向に
移動することにより変化させる。これにより光ファイバ
への入射角度の制御を行う。また、前記ズーム光学系は
前記構成に限定されるものではなくビーム径を拡大する
ような機能を有するものであれば良い。その他の部分に
ついては前記実施例２と同様であるので説明を省略す
る。この様な構成とすることにより、実施例９に比べ、
遮光板でのエネルギーのロスが防げる。
【００７４】実施例１１．次に、この発明の他の実施例
を図について説明する。本実施例においては、入射角度
制御機構として図１７に示すような構成をとるものを示
す。図１７において、１９０は頂点に開口部を有する楕
円ミラー、１１０は平面ミラーである。平面ミラー１１
０の回転中心軸１１０ａは楕円ミラー１９０の第１焦点
に設置し、光ファイバの入射端面３２は前記楕円ミラー
の第２焦点に設置する。楕円ミラーの第１焦点を発した
光は第２焦点へと集束する性質を有しているので、平面
ミラー１１０の角度を変化させることにより入射角度の
制御ができる。その他の部分については前記実施例２と
同様であるので説明を省略する。この様な構成とするこ
とにより、実施例８と同様、構成が簡単で、駆動部も少
なく、かつかつ高速に入射角度の変化が実現できる。
【００７５】実施例１２．次に、この発明のさらに他の
実施例を図について説明する。本実施例においては、照
射光学系として、球面レンズを使用していたところに、
図１８に示すような円筒面レンズを二枚使用し、長円形
のビームを実現できるものを示す。図１８（ａ）におい
て、１５はマスクを出射した光、４１は図のｘ方向に屈
折力を持った円筒面レンズ、４２は図のｙ方向に屈折力
を持った円筒面レンズである。それぞれのレンズの焦点
距離ｆ1、ｆ2は異なる値を持たせてある。レンズ４１お
よびレンズ４２による結像位置はＡ’の位置にくるよう
にしている。この時の倍率はｘ方向とｙ方向とで異なり
それぞれＭ1、Ｍ2であり、この時レンズは所望の倍率Ｍ
1、Ｍ2に対して、次の式で与えられる焦点距離のものを
使用すればよい。 ｆ1＝Ｌ・Ｍ1／（１＋１／Ｍ1）２ ｆ2＝Ｌ・Ｍ2／（１＋１／Ｍ2）２ ここで、Ｌはマスク７と被照射物５との距離、Ｍ1、Ｍ2
はそれぞれ、ｘ方向、ｙ方向の倍率である。従って、ｆ
1、ｆ2を任意に選ぶことにより、被照射物上に照射する
ビームの形状を長楕円形状にして結像することができ
る。
【００７６】図１８（ｂ）には倍率Ｍ1≒Ｍ2とした場合
の例を示している。このように、Ｍ1≒Ｍ2の場合には結
像位置Ａ’ではほぼマスク面上の分布が再現されるが、
デフォーカス点Ｃの位置では方形の強度分布を得ること
もできる。
【００７７】なお、図１８においては、例えば実施例１
におけるマスク位置のビーム形状をそのまま、あるいは
形状を変えて転写するものを示したが、マスクの無いも
のであっても良いし、また、図３０に示すような従来の
系においても、光ファイバから出射するビーム形状を同
様にして、二枚の円筒面レンズにより結像して、光軸に
垂直方向の光強度分布を調整するようにしてもよい。
【００７８】実施例１３．次にこの発明の他の実施例に
ついて説明する。本実施例は前記各実施例における結像
光学系４に関するもので、光軸方向の光強度分布を調整
するもの、即ち加工を考慮した場合の焦点深度を改善し
たものである。まず図１９に、レーザービーム１１のモ
デル化を示した。図１９において、通常のレーザービー
ム１１はコヒーレンシーが非常に高く、レーザ発振器１
から出射するビーム１１は、たとえ有限の幅を持ってい
ても、レーザ出射面における波面の曲率中心にある点光
源１ａから光がくるものと見なすことができる。これに
対して、光ファイバの出射端面あるいはその結像点から
の光はいくつかの点光源の集まり、すなわち、面状の光
源２００からの光と見なさなければならない。この状況
を光線によって表現すると図２０の様に書くことができ
る。この場合の光強度分布を図示すると図２１のように
表される。すなわち、光ファイバ端面では矩形状の強度
分布であったものが伝播するに従い、なだらかな裾を持
つ山形に変化する。
【００７９】以上のような光ビームを被照射物５上に結
像する従来の光学系を図２２に示す。これは、単レンズ
４一つ、或は同様の機能を持つ組レンズからなる光学系
であり、そのレンズ４、或は組レンズの焦点距離をｆ、
光ファイバ端２００からレンズ４、或は組レンズの第１
主平面までの距離をａ、第２主平面までの距離をｂとし
たとき、 １／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ、 の関係を満たしている。この場合の光線の状況は図２２
に示したように、ファイバ端２００のＡの結像位置Ａ’
から遠ざかる方向に行くにしたがい、ビームが拡がる構
成になっているので、焦点深度が浅いという問題があ
る。
【００８０】これに対して、この実施例では図２３にし
めすように、光ファイバからの光１３を被照射物５上に
照射するのに、２群のレンズからなる光学系４を使用し
ている。図２３において、４０１は第１のレンズ群、４
０２は第２のレンズ群、４１５はレーザ光である。第１
のレンズ群４０１の像側焦点位置Ｆ1’と第２のレンズ
群４０２の物側焦点位置Ｆ2は一致させて設置する、す
なわち、第１のレンズ群４０１の第２主平面と第２のレ
ンズ群４０２の第１主平面との距離ｄ1を、第１のレン
ズ群の焦点距離ｆ1および第２のレンズ群の焦点距離ｆ2
を用いてｄ1＝ｆ1＋ｆ2とする。また、第１のレンズ群
４０１の物側焦点位置Ｆ1とファイバ端Ａとの距離を
ｚ1、第２のレンズ群の像側焦点位置Ｆ2’と被照射物の
位置Ａ’との距離をｚ2としたとき、次の関係式を満た
すように設置する。 ｚ2＝Ｍ2ｚ1、Ｍ＝ｆ2／ｆ1 この場合の光線の状況は図２３に示したように、ファイ
バ端Ａの結像位置Ａ’から遠ざかる方向を見ると、先の
一群からなる結像系の場合と比較して、光１６が被照射
物５に対してほぼ垂直に照射されるので、ビームエネル
ギーの集束性がよく、深い焦点深度が得られる。
【００８１】上記の構成をさらに進めて改良したものが
図２４に示す構成である。図２４において、第１のレン
ズ群４０１の第２主平面から第２のレンズ群４０２の第
１主平面までの距離ｄ2は、 ｄ2＝ｆ1＋ｆ2＋Δｄ、（Δｄ＞０） とした。この時の結像関係式は次のように表される。 ｚ2＝Ｍ（ｆ2／ｆ1）ｚ1、 Ｍ＝ｆ1ｆ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2）。 これらを書き換えると ｚ1＝ｆ1ｆ2ｚ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2） ここで、Δｄを変化させることにより、被照射物上Ａ’
以降のビーム伝播の状況を変化させることができ、Δｄ
＝０の単純な場合に比較してさらに、焦点深度を深くす
ることができる。とくに、 ｆ1〉０、ｆ2〉０、Δｄ＞０、かつ −ｆ1 2／（ｆ2＋Δｄ）＜ｚ1＜ｆ1、 の条件を満足させると上記の効果がおおきくなる。
【００８２】以上では、焦点深度を深くする光学系につ
いて説明してきたが、実際の加工では被照射物５からは
加工に伴う飛散物が発散しており、レンズ４が被照射物
５の近くにあるとレンズ表面に付着物が堆積し、光の透
過率を低下させるなどの問題を生じる。従って、被照射
物５とレンズ４との距離（ワークディスタンス）はでき
るだけ長い方が望ましい。そこで、この実施例では次に
説明するワークディスタンスの長い組レンズを一つのレ
ンズ群として使用する場合がある。
【００８３】図２５に示す凹レンズ４０３／凸レンズ４
０４の構成では二つのレンズの合成が一つのレンズ４０
２と同様の働きをする。このとき、凹／凸レンズの焦点
距離および相互の間隔を適切に設定することにより、こ
の合成レンズの第１主平面の位置と第２主平面の位置と
を凸レンズ４０４の右側に持ってくることができる。即
ち、凹レンズ４０３の焦点距離をｆA、凸レンズ４０４
の焦点距離をｆB、凹レンズ４０３の第２主平面と凸レ
ンズの第１主平面との距離をｄ3としたとき、合成レン
ズの焦点距離ｆ2は次の式で与えられる。 ｆ2＝ｆAｆB／（ｆA＋ｆB−ｄ3） また、凹レンズ４０３の第１主平面と合成レンズの第１
主平面との距離をｚA、凸レンズ４０４の第２主平面と
合成レンズの第２主平面との距離をｚBとすると、それ
ぞれ次の式で与えられる。 ｚB＝−ｄ3ｆ2／ｆA （ｚBは正値のとき右方向にと
る） ｚA＝−ｄ3ｆ2／ｆB （ｚAは負値のとき右方向にと
る） ここで、ｆA は凹レンズ４０３の焦点距離なのでｆA＜
０、合成の焦点距離ｆ2＞０、ｄ3＞０なのでｚB＞０と
なる。ｄ3、ｆA、ｆ2 の値を適切に選ぶことで合成レン
ズの第２主平面を物側へ持ってくることができ、従っ
て、焦点距離ｆ2 の単レンズを持ってきた場合と比較し
てレンズと被照射物との距離を離すことができる。
【００８４】図２３あるいは図２４にあるような２群か
らなる結像光学系の場合には、焦点深度が深くなる半
面、１群のレンズによる結像光学系の場合と比較してワ
ークディスタンスが短いという問題がある。そこで、上
で説明したような、第２主平面をレンズ位置から移動さ
せるような組レンズを使用して、ワークディスタンスを
延ばすことができる。図２６には図２３あるいは図２４
の２群からなる結像光学系の第２群のレンズ４０２を凹
４０３／凸４０４の組レンズにより構成し、ワークディ
スタンスを延ばした例である。各距離関係の計算は以上
で説明してきたとおりである。
【００８５】また、図２２で説明した１群のレンズ４か
らなる結像光学系の場合にも凹／凸の組レンズを使用す
ることにより、図２７に示すようにワークディスタンス
の長い光学系を構成することができる。
【００８６】なお、上記実施例では光ファイバの出射端
面からの光を面状の光源２００からの光と見なした場合
について述べたが、その結像点からの光を、即ち、例え
ば実施例１におけるマスク位置からの光を面状の光源２
００からの光と見なし、同様の構成としてもよい。
【００８７】また、図１８に示した、２群からなる円筒
面レンズを使用した光学系に対しても、それぞれの円筒
面レンズをさらに２群からなる光学系にすることによ
り、焦点深度を深くする光学系を形成することができ
る。
【００８８】実施例１４．以上各実施例において述べた
本発明の光伝送装置を用いて加工を行なう場合、被照射
物の一定の領域毎に、照射光の光強度分布を変化させる
ようにしてもよい。図２８はこの照射方法の概念を示す
ものである。図２８に示すように、領域Ａではフラット
強度を、領域Ｂでは中抜け強度を、領域Ｃではピークが
大きい強度分布を用いるといった照射を行う。このよう
にすることにより、一回の加工で溶接と切断、マーキン
グ等を一括して行うことができる。また、領域毎に厚み
や材質の異なる場合にも対応できる。
【００８９】実施例１５．本発明の光伝送装置において
は、レーザ発振器としてパルス発振のものを用いて、レ
ーザの１パルス中に光強度分布を変化させ、かつ１パル
ス中の変化を１パルス毎に繰り返し行ってもよい。図２
９はこの照射方法の概念を示すものである。出力パルス
がＯＮの状態（レーザ光が出力される）において、図２
９に示すように、領域Ａではピーク強度の大きい強度分
布形状、領域Ｂではピークが小さくフラットな強度分布
とする。このようにすることによって、材料に対するエ
ネルギー密度を可変にでき、品質のよい溶接、切断、穴
あけができる。
【００９０】なお、本実施例において、前記１パルス中
での強度分布形状の選択方法は、これに限定されるもの
ではなく任意に組み合わせて用いてよい。
【００９１】
【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１によれ
ばレーザ発振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、伝
播された光を被照射物上に照射する際に、被照射物付近
での、光軸方向または光軸に垂直な面内での光強度分布
を所定の光強度分布に調整する調整手段を有するので、
任意の加工ができる効果がある。
【００９２】また、本発明の請求項２によれば照射光学
系及び調整手段を、収差をともなって像を形成する第１
のレンズと、第１のレンズによる上記像のうち、所定の
光強度分布を有する位置の像を被照射物上に結像する第
２のレンズで構成したので、被照射物上で光軸に垂直な
方向に所望の光強度分布を有する像を結像することがで
き、任意の加工ができる。
【００９３】また、この発明の請求項３によれば、第１
のレンズと第２のレンズの間の距離を可変できる可変機
構を備えたので、種々のビーム形状の加工ビームが上記
距離を変えるだけで容易に得られる効果がある。
【００９４】また、この発明の請求項４によれば、第１
のレンズによる像位置にマスクを設置したので、マスク
形状に応じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得
られる効果がある。
【００９５】また、この発明の請求項５によれば、上記
マスクの形状を円形にして、円形部分のみ光を透過する
ようにしたので、円形の加工ビームが得られ、均一な光
が照射できる効果がある。
【００９６】また、この発明の請求項６によれば、上記
マスクの形状を円環状にして、円環状の部分のみ光を透
過させるようにしたので、円環状の加工ビームが得ら
れ、ビームを走査して加工する場合にも均一な光照射が
可能になる。
【００９７】さらに、この発明の請求項７によれば、請
求項１の光伝送装置において、伝播光学系を光ファイバ
と、レーザ発振器からのレーザ光を集束して上記光ファ
イバに入射させる集光レンズで構成し、照射光学系を光
ファイバの出射端面から一定距離離れた光軸に垂直な面
の像を被照射物上に転写する転写光学系で構成し、調整
手段を集光レンズにより集束されたレーザ光の、上記光
ファイバへの入射角度を調整する調整手段で構成したの
で、種々のビーム形状の加工ビームを得ることができ
る。
【００９８】また、この発明の請求項８によれば、上記
調整手段を、光ファイバの入射端面の中心を光軸中心と
一致させた状態のまま、上記光ファイバ入射端面の角度
を変えることにより実現したので、レーザ光を光ファイ
バ入射口の中心上に保ったまま入射角度だけを変化させ
ることができる。
【００９９】また、この発明の請求項９によれば、上記
調整手段を、集光レンズの光軸中心と光ファイバの光軸
中心とを一致させた状態で、かつ上記集光レンズの焦点
位置に光ファイバの入射端面を固定し、レーザ発振器か
らのレーザ光の光軸中心と固定された光学系の光軸中心
とを平行に保った状態で、上記固定された光学系を光軸
に垂直な面内で移動することにより実現したので、易し
い制御で入射角度の変化が実現できる。
【０１００】また、この発明の請求項１０によれば、上
記調整手段を、集光レンズの焦点位置に光ファイバの入
射端面を固定し、レーザ発振器からのレーザ光の光軸中
心と集光レンズの光軸中心とを平行に保った状態で、上
記レーザ光を光軸に垂直な面内で移動することにより実
現したので、光ファイバの入射口が動くより高速に駆動
できる効果がある。
【０１０１】また、この発明の請求項１１によれば、レ
ーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発振器と
集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な平面ミ
ラーとウェッジ基板とを設置し、上記平面ミラーの角度
を変えると同時に、上記ウェッジ基板を異なるウェッジ
角度のものに交換することにより行うので、構成が簡単
になる効果がある。
【０１０２】また、この発明の請求項１２によれば、レ
ーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発振器と
集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な平面ミ
ラーと複数の種類のウェッジ角度を有する特殊ウェッジ
基板とを設置し、上記平面ミラーの角度を変えることに
より行うので、高速に光強度分布を変化させることがで
きる。
【０１０３】また、この発明の請求項１３によれば、レ
ーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発振器と
集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な平面ミ
ラーと円盤状の基板であってそれぞれウェッジ角度の異
なるウェッジ基板を円周方向に連続的に並べた構成の特
殊基板とを設置し、上記平面ミラーの角度の変化と同期
して上記特殊基板を回転させることにより行うので、よ
り滑らかで、高速な光強度分布の変化が実現できる。
【０１０４】また、この発明の請求項１４によれば、レ
ーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発振器と
集光レンズとの間に、光軸に対する角度が可変な平面ミ
ラーと円盤状の基板であって半径方向にウェッジ角度が
一定でかつ円周方向に連続的にウェッジ角度の変化があ
る構成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラーの角度の
変化と同期して上記特殊基板を回転させることにより行
うので、光強度分布を変化させるにあたりウェッジ基板
の境目による光強度分布の乱れが防止できる。
【０１０５】また、この発明の請求項１５によれば、レ
ーザ光の光軸に垂直な面内での移動を、レーザ発振器と
集光レンズとの間に放物面ミラーを設置するとともに、
上記放物面ミラーの焦点に角度可変な平面ミラーを設置
し、上記平面ミラーの角度を変化させることにより行う
ので、構成が簡単で、駆動部も少なく、かつ高速に入射
角度の変化が実現できる。
【０１０６】また、この発明の請求項１６によれば、上
記調整手段を、集光レンズへ入射するレーザ光の光軸に
垂直な面内での光強度分布を任意の内径外径を有する円
環状に整形することにより実現するので、得られる加工
ビームの軸対称性がよくなる。
【０１０７】また、この発明の請求項１７によれば、任
意の内径外径を有する円環状へのレーザ光の整形を、レ
ーザ発振器と集光レンズとの間に互いに対向して設置さ
れた２個のアクシコンレンズを設置して、上記アクシコ
ンレンズの間隔を変化させることにより行うので、遮光
板でのエネルギーのロスが防げる。
【０１０８】また、この発明の請求項１８によれば、上
記調整手段を、集光レンズと光ファイバの入射端面との
間に楕円ミラーを設置するとともに、上記楕円ミラーの
第１焦点に光軸に対し角度可変な平面ミラーを設置し、
かつ、上記光ファイバの入射端面を上記楕円ミラーの第
２焦点に設置し、上記平面ミラーの角度を変えることに
より実現するので、構成が簡単で、駆動部も少なく、か
つ高速に入射角度の変化が実現できる。
【０１０９】さらに、この発明の請求項１９によれば、
照射光学系が、互いに直交する方向に曲率を持つ二群の
円筒面レンズによる結像光学系を有するので、被照射物
上に照射するビームの形状を長楕円形状、あるいは任意
のビーム形状にすることができる。
【０１１０】さらに、この発明の請求項２０によれば、
照射光学系における結像光学系が、２つのレンズ群から
なり、第１のレンズ群の第２主平面から第２のレンズ群
の第１主平面までの距離をｄ、第１のレンズ群の焦点距
離をｆ1、第２のレンズ群の焦点距離をｆ2、伝播された
光の所定の位置から第１のレンズ群の物側焦点位置まで
の距離をｚ1、第２のレンズ群の像側焦点位置から被照
射物までの距離ｚ2としたとき、 ｄ＝ｆ1＋ｆ2＋Δｄ ｚ1＝ｆ1ｆ2ｚ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2） を満足するので、光軸方向の光強度分布が調整でき、深
い焦点深度が得られる。
【０１１１】また、この発明の請求項２１によれば、上
記結像光学系がさらに、 −ｆ1 2／（ｆ2＋Δｄ）＜ｚ1＜ｆ1 ｆ1〉０、ｆ2〉０ Δｄ＞０ を満足するので、より焦点深度を深くすることができ
る。
【０１１２】また、この発明の請求項２２によれば、上
述の第２のレンズ群が凹レンズと凸レンズの組であり、
合成レンズの焦点距離をｆ2、凹レンズ４０３の焦点距
離をｆA、凸レンズ４０４の焦点距離をｆB、凹レンズの
第２主平面と凸レンズの第１主平面との距離をｄ3、凹
レンズの第１主平面と合成レンズの第１主平面との距離
をｚA、凸レンズの第２主平面と合成レンズの第２主平
面との距離をｚBとすると ｆ2＝ｆAｆB／（ｆA＋ｆB
−ｄ3） ｚB＝−ｄ3ｆ2／ｆA （ｚBは正値のとき右方向にと
る） ｚA＝−ｄ3ｆ2／ｆB （ｚAは負値のとき右方向にと
る） を満足するので、レンズと被照射物との距離を離すこと
ができ、加工に伴う被照射物からの飛散物がレンズ表面
に付着堆積して、光の透過率を低下させる恐れが減少す
る。
【０１１３】また、この発明の請求項２３によれば、上
記光伝送装置において、伝播された光の所定の位置とし
て光ファイバの出射端面をおいたので、従来構成の光伝
送装置に対しても焦点深度を深くとることができる。
【０１１４】さらに、この発明の請求項２４によれば、
上記各光伝送装置を用いて被照射物にレーザ光を照射す
る際、被照射物の一定の領域毎に照射光の光強度分布を
変化させるので、一回の加工で溶接と切断、マーキング
等を一括して行うことができる。また、領域毎に厚みや
材質の異なる場合にも対応できる。
【０１１５】また、この発明の請求項２５によれば、上
記各光伝送装置のレーザ発振器をパルス発振のものとし
て被照射物へのレーザ光の照射の際に、レーザ光の１パ
ルス中に光強度分布を変化させ、かつ１パルス中の変化
を１パルス毎に繰り返し行うので、材料に対するエネル
ギー密度を可変にでき、品質のよい溶接、切断、穴あけ
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１による光伝送装置を示す構
成図である。
【図２】この発明の実施例１に係わる第１のレンズの動
作を説明する説明図である。
【図３】この発明の実施例１による光伝送装置の動作を
説明する説明図である。
【図４】この発明の実施例１による他の光伝送装置の動
作を説明する説明図である。
【図５】この発明の実施例２による光伝送装置を示す構
成図である。
【図６】この発明の実施例２に係わる入射角度の制御を
説明する説明図である。
【図７】レーザ光の入射角度と出射レーザ光の強度分布
との関係を示す説明図である。
【図８】この発明の実施例３による光伝送装置の主要部
を示す構成図である。
【図９】この発明の実施例４による光伝送装置の主要部
を示す構成図である。
【図１０】ウェッジ角と平面ミラーの回転角との関係を
説明する説明図である。
【図１１】この発明の実施例５による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
【図１２】この発明の実施例６による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
【図１３】この発明の実施例７による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
【図１４】この発明の実施例８による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
【図１５】この発明の実施例９による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
【図１６】この発明の実施例１０による光伝送装置の主
要部を示す構成図である。
【図１７】この発明の実施例１１による光伝送装置の主
要部を示す構成図である。
【図１８】この発明の実施例１２による光伝送装置の主
要部を示す構成図である。
【図１９】レーザ発振器からの出射光をモデル化した説
明図である。
【図２０】光ファイバからの出射光をモデル化した説明
図である。
【図２１】光ファイバからの出射光の強度分布の変化を
説明する説明図である。
【図２２】従来の転写光学系を示す説明図である。
【図２３】この発明の実施例１３に係わる２群のレンズ
からなる結像光学系を説明する説明図である。
【図２４】この発明の実施例１３に係わる２群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図２５】この発明の実施例１３に係わる２群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図２６】この発明の実施例１３に係わる２群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図２７】この発明の実施例１３に係わる１群のレンズ
からなる結像光学系を説明する説明図である。
【図２８】この発明の実施例１４における光照射方法を
説明する説明図である。
【図２９】この発明の実施例１５における光照射方法を
説明する説明図である。
【図３０】従来の光伝送装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器 ２ 集光レンズ ３ 光ファイバ ４ 第２のレンズ ５ 被照射物 ６ 第１のレンズ ７ マスク ８ ＸＹθステージ ９ 入射角度制御機構 １１ レーザ光 １２ レーザ光 １３ レーザ光 １４ レーザ光 １５ レーザ光 １６ レーザ光 ２０ モード変換面 ４１ 円筒面レンズ ４２ 円筒面レンズ １００ フレーム １０１ ステージ １１０ 平面ミラー １１１ ウェッジ基板 １１２ ウェッジ基板 １２０ 特殊ウェッジ基板 １３０ 特殊ウェッジ基板 １４０ 特殊ウェッジ基板 １５０ 放物面ミラー １７０ 遮光板 １８０ アクシコンレンズ １８１ アクシコンレンズ １９０ 楕円ミラー ４０１ 第１のレンズ群 ４０２ 第２のレンズ群 ４０３ 凹レンズ ４０４ 凸レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２３Ｋ 26/08 Ｋ (72)発明者 田中 正明 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電機 株式会社生産技術研究所内

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ発振器、このレーザ発振器からの
    光を所定の距離伝播する伝播光学系、伝播された光を被
    照射物上に照射する照射光学系、及び被照射物付近で
    の、光軸方向または光軸に垂直な面内での光強度分布を
    調整する調整手段を備えた光伝送装置。
  2. 【請求項２】 照射光学系及び調整手段は、収差をとも
    なって像を形成する第１のレンズと、第１のレンズによ
    る上記像のうち、所定の光強度分布を有する位置の像を
    被照射物上に結像する第２のレンズで構成されたことを
    特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
  3. 【請求項３】 第１のレンズと第２のレンズの間の距離
    を可変できる可変機構を備えたことを特徴とする請求項
    ２記載の光伝送装置。
  4. 【請求項４】 第１のレンズによる像位置にマスクを設
    置したことを特徴とする請求項２または３に記載の光伝
    送装置。
  5. 【請求項５】 マスクの形状を円形にして、円形部分の
    み光を透過するようにしたことを特徴とする請求項４記
    載の光伝送装置。
  6. 【請求項６】 マスクの形状を円環状にして、円環状の
    部分のみ光を透過させるようにしたことを特徴とする請
    求項４記載の光伝送装置。
  7. 【請求項７】 レーザ発振器、このレーザ発振器からの
    光を所定の距離伝播する光ファイバ、上記レーザ発振器
    からのレーザ光を集束して上記光ファイバに入射させる
    集光レンズ、上記光ファイバの出射端面から一定距離離
    れた光軸に垂直な面の像を被照射物上に転写する転写光
    学系、及び上記集光レンズにより集束されたレーザ光
    の、上記光ファイバへの入射角度を調整する調整手段を
    備えたことを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
  8. 【請求項８】 調整手段は、光ファイバの入射端面の中
    心を集光レンズの光軸中心と一致させた状態のまま、上
    記光ファイバ入射端面の角度を変えることにより、集光
    レンズにより集束されたレーザ光の、上記光ファイバへ
    の入射角度を調整することを特徴とする請求項７記載の
    光伝送装置。
  9. 【請求項９】 調整手段は、集光レンズの光軸中心と光
    ファイバの光軸中心とを一致させた状態で、かつ上記集
    光レンズの焦点位置に光ファイバの入射端面を固定し、
    レーザ発振器からのレーザ光の光軸中心と固定された光
    学系の光軸中心とを平行に保った状態で、上記固定され
    た光学系を光軸に垂直な面内で移動することにより、上
    記集光レンズにより集束されたレーザ光の、上記光ファ
    イバへの入射角度を調整することを特徴とする請求項７
    記載の光伝送装置。
  10. 【請求項１０】 調整手段は、集光レンズの焦点位置に
    光ファイバの入射端面を固定し、レーザ発振器からのレ
    ーザ光の光軸中心と集光レンズの光軸中心とを平行に保
    った状態で、上記レーザ光を光軸に垂直な面内で移動す
    ることにより、上記集光レンズにより集束されたレーザ
    光の、上記光ファイバへの入射角度を調整することを特
    徴とする請求項７記載の光伝送装置。
  11. 【請求項１１】 レーザ光の光軸に垂直な面内での移動
    は、レーザ発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する
    角度が可変な平面ミラーとウェッジ基板とを設置し、上
    記平面ミラーの角度を変えると同時に、上記ウェッジ基
    板を異なるウェッジ角度のものに交換することにより行
    うことを特徴とする請求項１０記載の光伝送装置。
  12. 【請求項１２】 レーザ光の光軸に垂直な面内での移動
    は、レーザ発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する
    角度が可変な平面ミラーと複数の種類のウェッジ角度を
    有する特殊ウェッジ基板とを設置し、上記平面ミラーの
    角度を変えることにより行うことを特徴とする請求項１
    ０記載の光伝送装置。
  13. 【請求項１３】 レーザ光の光軸に垂直な面内での移動
    は、レーザ発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する
    角度が可変な平面ミラーと円盤状の基板であってそれぞ
    れウェッジ角度の異なるウェッジ基板を円周方向に連続
    的に並べた構成の特殊基板とを設置し、上記平面ミラー
    の角度の変化と同期して上記特殊基板を回転させること
    により行うことを特徴とする請求項１０記載の光伝送装
    置。
  14. 【請求項１４】 レーザ光の光軸に垂直な面内での移動
    は、レーザ発振器と集光レンズとの間に、光軸に対する
    角度が可変な平面ミラーと円盤状の基板であって半径方
    向にウェッジ角度が一定でかつ円周方向に連続的にウェ
    ッジ角度の変化がある構成の特殊基板とを設置し、上記
    平面ミラーの角度の変化と同期して上記特殊基板を回転
    させることにより行うことを特徴とする請求項１０記載
    の光伝送装置。
  15. 【請求項１５】 レーザ光の光軸に垂直な面内での移動
    は、レーザ発振器と集光レンズとの間に放物面ミラーを
    設置するとともに、上記放物面ミラーの焦点に角度可変
    な平面ミラーを設置し、上記平面ミラーの角度を変化さ
    せることにより行うことを特徴とする請求項１０記載の
    光伝送装置。
  16. 【請求項１６】 調整手段は、集光レンズへ入射するレ
    ーザ光の光軸に垂直な面内での光強度分布を任意の内径
    外径を有する円環状に整形することにより、上記集光レ
    ンズにより集束されたレーザ光の、上記光ファイバへの
    入射角度を調整することを特徴とする請求項７記載の光
    伝送装置。
  17. 【請求項１７】 任意の内径外径を有する円環状へのレ
    ーザ光の整形は、レーザ発振器と集光レンズとの間に互
    いに対向して設置された２個のアクシコンレンズを設置
    し、上記アクシコンレンズの間隔を変化させることによ
    り行うことを特徴とする請求項１６記載の光伝送装置。
  18. 【請求項１８】 調整手段は、集光レンズと光ファイバ
    の入射端面との間に楕円ミラーを設置するとともに、上
    記楕円ミラーの第１焦点に光軸に対し角度可変な平面ミ
    ラーを設置し、かつ、上記光ファイバの入射端面を上記
    楕円ミラーの第２焦点に設置し、上記平面ミラーの角度
    を変えることにより、上記集光レンズにより集束された
    レーザ光の、上記光ファイバへの入射角度を調整するこ
    とを特徴とする請求項７記載の光伝送装置。
  19. 【請求項１９】 照射光学系は、互いに直交する方向に
    曲率を持つ二群の円筒面レンズによる結像光学系を有す
    ることを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
  20. 【請求項２０】 照射光学系は、光源からの光を所定の
    倍率で被照射物上に結像させる結像光学系が、２つのレ
    ンズ群からなり、第１のレンズ群の第２主平面から第２
    のレンズ群の第１主平面までの距離をｄ、第１のレンズ
    群の焦点距離をｆ1、第２のレンズ群の焦点距離をｆ2、
    伝播された光の所定の位置から第１のレンズ群の物側焦
    点位置までの距離をｚ1、第２のレンズ群の像側焦点位
    置から被照射物までの距離ｚ2としたとき、 ｄ＝ｆ1＋ｆ2＋Δｄ ｚ1＝ｆ1ｆ2ｚ2／（ｚ1Δｄ＋ｆ1 2） を満足する請求項１記載の光伝送装置。
  21. 【請求項２１】 結像光学系が２つのレンズ群からな
    り、第１のレンズ群の焦点距離をｆ1、第２のレンズ群
    の焦点距離をｆ2、伝播された光の所定の位置から第１
    のレンズ群の物側焦点位置までの距離をｚ1としたと
    き、 −ｆ1 2／（ｆ2＋Δｄ）＜ｚ1＜ｆ1 ｆ1〉０、ｆ2〉０ Δｄ＞０ を満足する請求項２０記載の光伝送装置。
  22. 【請求項２２】 第２のレンズ群が凹レンズと凸レンズ
    の組であり、合成レンズの焦点距離をｆ2、凹レンズ４
    ０３の焦点距離をｆA、凸レンズ４０４の焦点距離を
    ｆB、凹レンズの第２主平面と凸レンズの第１主平面と
    の距離をｄ3、凹レンズの第１主平面と合成レンズの第
    １主平面との距離をｚA、凸レンズの第２主平面と合成
    レンズの第２主平面との距離をｚBとすると ｆ2＝ｆAｆB／（ｆA＋ｆB−ｄ3） ｚB＝−ｄ3ｆ2／ｆA （ｚBは正値のとき右方向にと
    る） ｚA＝−ｄ3ｆ2／ｆB （ｚAは負値のとき右方向にと
    る） を満足する請求項２０または２１記載の光伝送装置。
  23. 【請求項２３】 伝播された光の所定の位置として光フ
    ァイバの出射端面をおいたことを特徴とする請求項２０
    ないし２２のいずれかに記載の光伝送装置。
  24. 【請求項２４】 レーザ光の照射において、被照射物の
    一定の領域毎に照射光の光強度分布を変化させることを
    特徴とする請求項１ないし２３のいずれかに記載の光伝
    送装置における光照射方法。
  25. 【請求項２５】 レーザ発振器はパルス発振のものであ
    って、レーザ光の照射において、上記レーザ光の１パル
    ス中に光強度分布を変化させ、かつ１パルス中の変化を
    １パルス毎に繰り返し行うことを特徴とする請求項１な
    いし２４のいずれかに記載の光伝送装置における光照射
    方法。
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