JPS6377178A

JPS6377178A - レ−ザ用集光鏡

Info

Publication number: JPS6377178A
Application number: JP61221677A
Authority: JP
Inventors: Norio Karube; 規夫軽部
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1986-09-19
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1988-04-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は金属の表面等の熱処理に使用するレーザ用集光
鏡に関し、特に、複数の平面鏡セグメントによって一定
の拡がりを有し、その強さが均一であるようなレーザ光
を集光するレーザ用集光鏡に関する。

〔従来の技術〕

レーザを用いた金属加工において、切断加工等において
は、レーザ光のビームをできるだけ小さなスポットに絞
る必要があるが、金属の焼き入れ等の表面処理では、一
定の面積を有し、その範囲内でビームの強さが一定であ
るレーザ光ビームが望ましい。即ち第８図に示すような
均一の強さを有するレーザ光が理想的である。

このようなレーザ光ビームを実現するために、小さなレ
ーザ光ビームを重ねて、均一のビームをつくることや、
また大口径のレーザ光ビームを大口径の集光レンズをと
うして集光する方法がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、小さなレーザ光ビームを重ねる方法は第９図に
示すように、ビームの強さの凹凸が生じ、全体を均一に
することが困難である。

又、大口径のレーザ光ビームを大口径の集光レンズで集
光する方法は大口径のレーザ光ビーム自身の強さ分布が
均一でなく、さらに、集光後のレーザ光ビームもレンズ
の収差のためにその強さが均一にならないという°問題
点がある。

本発明の目的は上記問題点を解決し、複数の平面鏡セグ
メントによって一定の拡がりを有し、その強さが均一で
あるようなレーザ光を集光するレーザ用集光鏡を提供す
ることにある。

〔問題点４を解決するための手段〕本発明では上記の問題点を解決するために、パラボラ回
転曲面に外接するように配置された複数の平面鏡セグメ
ントからなるレーザ用集光鏡であって、該甚平面鏡セグ
メントの集光像が焦点面に同一形状に重畳するように構
成されたことを特徴とするレーザ用集光鏡を、採用した。

〔作用〕

集光前のレーザビーム強度が分布を有し不均一であって
も各平面鏡セグメントの受けるレーザ光は各平面鏡セグ
メント面内では略均−であり、これを、焦点面に、同一
形状に重畳させることにより、所定の面積を有し、且つ
、均一の強さを有するレーザ光を得ることができる。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図面に基すいて説明する。

第１図に本発明の一実施例の構成図を示す。図はパラボ
ラ回転曲面の回転軸で切断した切断図である。図におい
て、１０はレーザ光であり、パラボラ回転面の回転軸に
対し平行になっている。２０は複数の平面鏡セグメント
からなるセグメントパラボラ鏡である。２１〜２５は平
面鏡セグメントであり、各平面鏡セグメントは焦点をＰ
とするパラボラ回転曲面に外接するように配置されてい
る。又、紙面に垂直の方向にもパラボラ回転曲面に外接
するように、回転面にそって平面鏡セグメントが配置さ
れている。。この矩形の形状については後述する。３０
は焦点面であり、レーザ光がこの面に集光する。４０は
焦点面上の集光像であり、各平面鏡セグメントの反射鏡
２１〜２５の集光像が同一形状で重畳する。

次に各セグメントの形状について述べる。第２図にセグ
メントの形状を決めるためのパラボラ曲線を示す。即ち
、このパラボラ曲線はパラボラ回転曲面を切断した曲線
である。図において、点線はパラボラ曲線を示し、この
曲線は式％式％）で表すことができる。１１はレーザ光であり、２１はセ
グメントの１つを表し、線分ＣＢであり、その長さはａ
、である。レーザ光１１はこのセグメント２１で反射し
て、Ｙ軸上の焦点Ｐを中心にして、線分ＤＢに集光する
。焦点面のＹ軸の長さＤＢをａとする。

ここで、焦点Ｐにおける像のＹ軸上の線分の長さａを決
めれば、セグメントのＹ軸方向の長さａ、ｌが求められ
る。即ち、三角形ＡＢＣにおいて正弦定理から、ＢＣ／ｓ　ｉｎ／ＣＡＢ＝ＡＢ／ｓ　ｉｎ／ＡｃＢ・・
−・・−（１）第３図から、／ｃＡＢ＝θ＋π／２　　　　　　・・・・・−（２）
ＺＡＣＢ＝φ−θ　　　　　　　　−・−・・・（３）
ｔａｎθ＝　（ｙ　−ｆ　）　／ｘ　　　　　−−−−
−−（４）ｔａｎφ＝　ｄ　ｙ　／　ｄ　ｘ　＝　ｘ　
／　ｆ　　　・・・−−−−（５）（２）〜（５）式を
整理して（１）式に適用すると、ａ、＝ａｘｃｏｓθ、／５ｉｎ（θ２−θｌ）−・・・
（６）となる。但し、 θ＋　−ａｒｃｔａｎ　（（ｘ”　−２ｆ”　）　／２
　ｆ　ｘ）θ２°ａｒｃｔａｎ　（ｘ　／　ｆ　）この
ようにして、集光面のＹ軸方向（縦方向）の距ｆｉａが
定まれば、平面鏡セグメントのＹ軸方向の辺の長さａｌ
が求められる。この弐を満足する長さであれば、焦点面
での集光像の大きさは一定となるのである。

このように、平面鏡セグメント２１の縦方向の長さ　ａ
、が求まり、平面鏡セグメント２１を帯状にパラボラ回
転面に沿うように構成することもできるが、これでは以
下の不具合が生じる。即ち、Ｙ軸上の集光面でレーザ光
の強度が、Ｄの方がＥよりも強くなる。これはセグメン
トのＢの部分よりＣの部分の方が円周の長さが δＸ”ａｌ　Ｘ　ＣＯＳφ　　　　　　・−−−−−−
（７）だけ大きく、その分反射面積が大きく強度が強く
なるのである。

この不具合を除くために、パラボラ回転曲面の回転軸の
方向にもミラーを分割して、ミラーの平面鏡セグメント
を矩形状にする必要がある。この時Ｙ軸とＸ軸に対し直
角の方向にも拡がりを生じ、集光像は矩形状になる。こ
の矩形の横方向の形状がどのセグメントからの反射光か
らも、同一になるための寸法を求める。第３図にセグメ
ントパラボラをパラボラの回転軸方向から見た図を示す
。

図において、２９は平面鏡セグメントの１つを示したも
のである。３０は焦点面であり、点Ｐはパラボラ回転曲
面の焦点であり、４０は焦点面３０上の集光像を示す。

この平面鏡セグメント２９の反射光によってつくられる
集光像の長さをｂとし、平面鏡セグメント２９と焦点面
のなす角度をＴとすると、平面鏡セグメント２９の横の
長さは、ｂ、＝ｂｘｓ　ｉｎｙ　　　　　　　　−４（
８）で求めることができる。

以上説明したように、パラボラ回転曲面に外接し、且つ
、各辺ａ、、ｂｚがそれぞれ（６）式及び（８）弐で表
せる矩形状の平面鏡セグメントを設けることにより、口
径の大きいレーザ光に対しても、収差を生じることなく
、強度分布が一定である辺ａ、ｂを有する矩形の集光像
を形成することができる。このような矩形状のレーザ光
は金属の表面処理等の応用に有用なものである。

第４図にセグメントパラボラの構造を示す。

レーザビーム断面が円形であるときセグメントパラボラ
は楕円形になり、そのなかに上記の式（６）及び（８）
を満足する辺を有する矩形の平面鏡セグメントが緻密に
配置されている。平面鏡セグメント間の隙間が多いと全
体の反射率が低下するので平面鏡セグメントは相互にで
きるだけ隙間のないように配置しなければならない。

しかし、第４図から明らかなように、楔形の空間が不可
避であり、このためのある程度の反射率の低下は避けら
れない。この隙間部分の反射光が焦点面に届くとレーザ
光の焦点面の集光像の強度の均一性を乱すので、それを
避けるための手段が必要となる。

第１の方法は比較的低い出力の場合に使用するものであ
って、隙間部の表面を反射率の高い拡散反射面にしてお
くことである。

第２の方法は第１の方法と逆に隙間部を光の吸収体とし
て、出力レベルに応じて、空冷或いは水冷により冷却す
る方法である。この方法では相当の高出力でも適用でき
、レーザ光の散乱がないので安全である。

レーザ光も光であり、回折現象を生じる。例えば、１つ
の平面鏡セグメントからの反射光は第５図に示すように
サイドローブを生じる。又、各平面鏡セグメントの位置
及び角度のずれから周辺のレーザ光の強度は均一にはな
らない。このようなサイドローブや平面鏡セグメントの
ずれによって、均一な矩形状のレーザ光が得られず、周
辺の一部のレーザ光の強度が均一ではなくなる。

そこで、第６図に示すように、被加工体５０の表面に近
接してマスク５１を置（。このマスクは集光像のレーザ
光の強度が均一ではない周辺の部分を取り除き、第７図
に示すように強度の均一のレーザ光を被加工体に照射す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、パラボラ回転曲面に外
接して各平面鏡セグメントの集光像が同一になるように
構成したので、レーザ光の強度が均一な矩形状のレーザ
光ビーム得ることができ、金属の表面加工等に有用であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセグメントパラボラの切断
図、第２図はセグメントの縦の辺を求めるためのパラボラ曲
線を示す図、第３図はセグメントの横の辺を求めるためのセグメント
パラボラをレーザ光の方向から見た図、第４図はセグメ
ントパラボラの全体の平面鏡セグメントの配置を示す図
、第５図は平面鏡セグメントからの反射光を示す図、第６図はマスクを示す図、第７図はマスクによって、周辺の不均一な部分を取り除
いた後のレーザ光を示す図、第８図は本発明で求める均一な強度を有するレーザ光を
の強度を示す図、第９図は従来の小口径のレーザ光を集めて作られたレー
ザ光の強度分布を示す図である。１０−・・・・・−レーザ光１１−・・−レーザ光２１〜２５．２９−・−・一平面鏡セグメント３０−・
・−・・・焦点面４０−・−・・−集光像５１・・・−マスクＰ・−・−・−パラボラの焦点特許出願人　ファナック株式会社代理人　　　弁理士　　服部毅巖第２図第３図第４図第５図第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）パラボラ回転曲面に外接するように配置された複
数の平面鏡セグメントからなるレーザ用集光鏡であって
、該各平面鏡セグメントの集光像が焦点面に同一形状に
重畳するように構成されたことを特徴とするレーザ用集
光鏡。
（２）前記集光像の縦の辺をａ、横の辺をｂとする矩形
とし、前記平面鏡セグメントの縦の辺をａ＿１、横の辺
をｂ＿１とするとき、各平面鏡セグメントの大きさが、ａ＿１＝ａ×ｃｏｓθ＿１／ｓｉｎ（θ＿２−θ＿１）
ｂ＿１＝ｂ×ｓｉｎ＿γ を満足するような矩形であることを特徴とする特許請求
の範囲第２項記載のレーザ用集光鏡。
（３）前記各平面鏡セグメントの隙間部分が高い反射率
を有する拡散反射面であることを特徴とする特許請求の
範囲第１項又は第２項のレーザ用集光鏡。
（４）各平面鏡セグメントの間隔部分が完全吸収体であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項又は
第３項記載のレーザ用集光鏡。
（５）前記完全吸収体を冷却液で冷却するように構成し
たことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のレーザ
用集光鏡。
（６）焦点面近傍に集光像の周辺部分を取り除くマスク
を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２
項、第３項、第４項又は第５項記載のレーザ用集光鏡。