JP2007310368A - ホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法およびそれを用いたレ−ザ加工光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガウシアンビームをある範囲で強度均一分布にする強度変換レンズＬ１とそれを位相の揃った平行ビームに変換する位相補正レンズＬ２とからなるレンズ型ホモジナイザにおいてディセンタが僅かでもあるとビームが非平行になりある程度の距離伝搬するとパワーが不均一になる。位相補正レンズＬ２のすぐ間近に被加工物を置くことができないので、ディセンタがあると、均一パワー分布で被加工物の加工ができない。
【解決手段】 位相補正レンズＬ２の下流側に転写レンズ系Ｔを設け位相補正レンズＬ２直後の源像Ｕを下流側のある位置に設定された像面Ｉに均一パワーの転写像Ｊを形成する。レ−ザ加工装置とする場合は、像面Ｉの位置にマスクを置き、マスクの後に走査装置を設け、結像レンズによってビームを集光して被照射物へ照射する。
【選択図】図１８

Description

この発明は、ホモジナイザによって均一パワー分布にした整形ビームは伝搬すると不均一パワー分布になるが、前方の対象物へ照射する位置で再び均一パワーにさせる方法に関する。炭酸ガスレ−ザ、ＹＡＧレ−ザなどの強いレ−ザビームによって金属、プラスチック、セラミックなどの被加工物に穿孔、溶接、熱処理などの熱加工をすることがある。材料を急速加熱することによって穿孔、溶接などの処理をするのだからパワーの大きいパルスレ−ザが使われることが多い。炭酸ガスレ−ザの場合は通常の石英レンズの吸収が大きく使えないのでＺｎＳｅのレンズが用いられる。

レ−ザビームのパワー分布は中央部で強く周辺部で弱い不均一の分布になっている。理想的にはガウス分布になっている。そのような不均一のパワー分布のビームで穴を開けると真ん中の部分は貫通穴になるが周辺部は浅い窪みにしかならないということがある。穴の直径が先へ行くにしたがって狭くなるというような場合もある。それでは役に立たない。直径が一定の穴を開けるためにはパワー分布が均一であることが必要である。熱処理する場合でも被加工物面でパワーが均一である方が良いということがある。そのように空間的な不均一分布を持つレ−ザビームをある空間の範囲で均一のパワー密度に変換する素子をホモジナイザという。

レーザビームのパワー空間分布は様々の場合がある。理想的な分布であって取扱いが容易なのはパワー密度がガウス分布するビームである。レーザビームは簡単のためガウス分布していると仮定する。この明細書においてパワー密度がガウス分布するレ−ザビームのことを簡単にガウシアンビームということがある。均一パワービームのことをパワー密度分布グラフの形状が山高帽に似ていることからトップハット（ｔｏｐｈａｔ）ということがある。

ガウシアンビームを均一パワー密度分布のビームに整形するホモジナイザには大別して３種類のものがある。

一つはカライドスコープ、セグメントミラーなど正方形微小格子によって光を分割屈折あるいは分割反射して重ね合わせある焦点位置に均一パワー密度のビームを形成するものである。これによって生成された均一ビームは焦点位置だけで均一であるが位相関係は乱れておりそれより前後の位置では不均一である。焦点より前方へ伝搬すると著しく不均一の分布になる。

二番目の均一化のための光学部品は回折型光学部品（ＤＯＥ）である。多数の微小な画素の厚みを段階的に変化させ光の回折によって均一パワービームを焦点の位置に形成する。これもある焦点位置では均一パワー密度分布になるがその前後では不均一であり焦点位置よりも遠く伝搬させると波形が乱れ不均一になる。

特開２００２−２０２４１４号「ビーム変換素子、該ビーム変換素子を用いた照明光学系、露光装置、レーザ加工機及び投射装置」

特開平０９−０６１６１０号「バイナリーオプティクス及びそれを用いた集光光学系並びにレーザ加工装置」

ＵＳＰ６，４３３，３０１（Ｄｕｎｓｋｙ ｅｔ ａｌ．）

特許文献１、２、３は回折型光学部品によってガウシアンビームを均一パワー分布に変換して対象物に均一パワービームを照射するようにしている。回折型光学部品を用いて均一パワー分布にするものは、ビーム強度が焦点位置だけで均一でありその前後では不均一である。位相は乱れておりもはや回復することはできない。特許文献３は焦点位置にビームの周辺部を遮光するアパーチャマスクを置き周辺部の不均一部分を除去している。そのようにすると伝搬に伴う不均一性の増加が一層著しくなる。

パワー密度均一化手段のもう一つはレンズによるものである。レンズ曲面の屈折作用によってガウシアンビームから均一パワー密度のビームを作りだす。これは乱れた位相関係をある程度復元できる。より優れた手法である。本発明はこのカテゴリ−に属するので詳しく述べる。

ＵＳＰ３，４７６，４６３（Ｊｕｓｔｉｎ Ｋｒｅｕｚｅｒ）

特許文献４は、二つの非球面レンズを前後に並べて屈折によってガウシアンビームを均一パワー密度のビーム（トップハット）にする光学系を提案している。これは解析的に正確な曲面関数を計算することができ有用で重要な発明である。

図１４にレンズホモジナイザの概略を示す。最初のレンズＬ１はガウシアンビームをある位置で均一分布にするもので強度変換レンズという。レ−ザビームが入射する入射面は平坦で出射面は中央で凹型、周辺部で凸型になっている。ガウシアンビーム中央部の高い密度の光を分散させるために中央では凹型になっているのである。ガウシアンビームの周辺部の薄い密度の光を集合させるため周辺部は凸型になっている。強度変換レンズＬ１は半径Ｒのガウシアンビームをある位置において半径Ｒのトップハットビームに変換する非球面レンズである。

焦点位置ｆでパワーが均一になったといってもビームの位相は乱れているし方向もまちまちである。そこで位相を揃え平行ビームに直すための非球面レンズＬ２が均一になる位置に設けられる。それは位相補正レンズＬ２という。位相補正レンズＬ２を用いることができるというのがレンズ方式の大きな利点である。

レンズ方式の場合位相乱れはあるが規則正しい乱れなので位相補正レンズＬ２によって回復することができる。位相補正レンズＬ２は強度変換レンズＬ１と相補的な形状をした非球面レンズである。入射側が曲面に出射側が平坦面になっている。中央部では光線が（Ｌ１で広げられたので）外側を向いているからそれを平行に直すため凸型になっている。周辺部では（Ｌ１で縮められたので）光線が内側を向いているから凹型になっている。

図１４において、光線Ｋ３は光軸に沿うもので一直線である。レーザビームの中心付近のビームＫ４，Ｋ２はパワー密度が高いので強度変換レンズＬ１によって外方へ広げられる。発散するビームである。ビームＫ５は丁度半径Ｒのものでありこれは中立である。だから直進する。それより外の光線Ｋ１は中心に向けて集められる。

半径Ｒのガウシアンビームを強度変換レンズＬ１で半径Ｒで均一パワーにし、位相補正レンズＬ２で半径Ｒで均一で平行なビームとする。半径Ｒの輪のことを額輪と呼ぶ。ガウシアンビームの半径ｒは中央部のパワー密度を１として、ｅｘｐ（−２）にパワーが低下した位置を半径と定義する。強度変換レンズＬ１で一定密度分布になったビームはＩ（ｒ）＝Ｉ_０（ｒ≦Ｒ），Ｉ（ｒ）＝０（ｒ＞Ｒ）という密度分布をとるトップハット型ビームである。しかしここでは位相が乱れビームは非平行である。位相補正レンズＬ２で位相を元へ戻し平行性も回復させる。だから位相補正レンズＬ２の後は、強度分布はＩ（ｒ）＝Ｉ_０（ｒ≦Ｒ），Ｉ（ｒ）＝０（ｒ＞Ｒ）のトップハットであるしビームは位相が揃いしかも平行である。

特許文献１のレンズは強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２を組み合わせたもので理想的なものであるが、これはガウシアンビームの大きさ（半径Ｒ）、強度変換レンズＬ１の大きさ（額輪の半径Ｒ），位相補正レンズＬ２の大きさ（額輪の半径Ｒ）が同一であるという条件がある。初めのガウシアンビームと同じ大きさのトップハットビームを作りだすものである。解析的に正確な解が求まるのは半径が共通だという好都合の条件があるからである。特許文献４（Ｋｒｅｕｚｅｒ）は優れた光学系であるがビームの大きさを縮小したり拡大したりすることはできない。少し工夫をして強度変換レンズＬ１でビーム縮小しながら均一ビームを作り出すことができる。それを位相補正レンズＬ２で位相を揃えるようにすることもできる。

特開平１０−１５３７５０号「レ−ザビーム整形光学部品」

特許文献５は、拡大縮小が可能なホモジナイザを二枚の非球面レンズで構成している。一枚目のレンズはある半径Ｒ_１内で一様強度Ｉ_０にその外側で強度０に強度変換する強度変換レンズである。その後に設けられるレンズは一様強度にしたものを一定位相で平行なビームに直すものであり位相補正レンズである。位相補正レンズの後ではＩ（ｒ）＝Ｉ_０（ｒ≦Ｒ_１），Ｉ（ｒ）＝０（ｒ＞Ｒ_１）ガウシアンビームの半径Ｒと、均一ビームの半径Ｒ１が必ずしも同一でなくてもよい（Ｒ_１≠Ｒ）。これは特許文献４よりも自由度の高いものである。しかし特許文献４のような半径の同一性がないのでもはや解析的な計算ができない。それで波動光学的な近似計算によってレンズ面の曲面形状を計算しなければならない。近似計算であり必ずしも最適解が得られるとは限らない。近似であるから位相補正レンズの後でも厳密には均一ではなく平行になっていない部分もある。

特開２００３−３４４７６２号「レ−ザビーム整形用レンズとレ−ザビーム整形レンズの設計方法」（特願２００２−１４９１０１号）

特許文献６は炭酸ガスレ−ザのガウシアンビームを強度変換レンズＬ１で均一分布にし位相補正レンズで平行で位相の揃ったビームに変換するレンズ型のホモジナイザを用いてトップハットビームを生成しても所定位置で均一パワー分布になるだけでその先方へさらに伝搬させると位相、分布が乱れてしまうということを問題にする。理想的な強度変換レンズと位相補正レンズを製造できていれば位相補正レンズの後は平行で位相の揃ったビームになるはずである。その後どれだけ長い距離を伝搬しても強度分布は乱れないはずである。

特許文献６は実はそうではなくて色々な要因が重なって所定の位置以外では不均一非平行のビームになる、と述べている。その要因は次のようである。もともとの炭酸ガスレ−ザのビーム強度分布が理想的なガウシアンビームからずれている。強度変換レンズ、位相補正レンズの曲面が近似計算で決められている。そのような誤差のために、所定位置では一瞬均一になるがそれより以後では不均一になる。実は誤差があるということだけでなく誤差がなくてもそのような伝搬による乱れが発生する。それは位相補正レンズで生成するトップハット（Ｉ（ｒ）＝Ｉ_０（ｒ≦Ｒ），Ｉ（ｒ）＝０（ｒ＞Ｒ））というようなｒ＝Ｒで非連続特異性のある波形の場合、位相補正レンズより後で回折現象が甚だしく起こりそれがためにビームの平行、位相整合性が著しく乱れるのだということが分かってきた、と特許文献６は述べている。

位相補正レンズ以後のビーム伝搬ということがなぜ重要かというと、次のようなことである。位相補正レンズの直後ではビーム均一性が優れているのであるが位相補正レンズ直後に被加工物を置くことはできない。被加工物の搬送のための空間が必要である。レーザビームを当てると被加工物から火花が出るのでレンズがすぐ近くにあるとレンズに蒸発物が付着し劣化する。そのためにレンズよりもかなり前方に被加工物を置く必要がある。だから位相補正レンズからかなり自由空間をビームが伝搬した後のパワー分布が均一であるということが望まれる。

特許文献６は、トップハットビームは数多くの並列同等ガウシアンビームの重ね合わせと考える。トップハットの肩が鋭利であればあるほどガウシアンビームの数が増える。複数並列ガウシアンビームは等間隔に分布するので強い回折現象を引き起こす。回折のため伝搬距離が増えるとパワー不均一が甚だしくなる。回折角は格子間隔が狭いほど大きい。ｒ＝Ｒ（トップハットの肩）での特異性が強いほど多数の細いガウシアンビームが必要になる。つまりｒ＝Ｒでの特異性が大きいと回折も大きく伝搬による乱れが大きくなる。

それで特許文献６は、レンズ型ホモジナイザにおいて位相補正レンズの後で急峻な特異点を持つトップハット分布にせずに、ｒ＝Ｒで連続性を持つスーパーガウシアン関数にしている。スーパーガウシアンというのはｅｘｐ（−２（ｓ／ω）^ｍ）という形の関数である。ｍはスーパーガウシアンの係数で特にｍ＝５〜５０が良いと特許文献３は述べている。ここでホモジナイザはトップハット型でなくスーパーガウシアン型の分布関数なのでｒ＝Ｒでの特異性が消滅する。そのために所定位置（焦点位置）以後伝搬しても平行性の乱れ、位相の乱れ、分布の乱れが少なくなる。

非球面レンズを組み合わせたホモジナイザは強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の位置が少しでもずれると、位相補正レンズＬ２から離れた位置で強度分布が著しく不均一になる。何れも非球面レンズであって、均一化されたビームのｒ＝Ｒでの特異性が強い。そのためレンズの位置・方向のずれ（ｘｙ方向、ｚ方向、傾き）があると位相補正レンズＬ２を出た後におけるパワー均一性、ビーム平行性、位相同一性が乱される。位相補正レンズＬ２を出た直後ではそれは大したずれではない。しかし位相補正レンズＬ２からビームがさらに前方に伝搬するとそのようなずれは拡大されて行く。図１５にビームがずれてゆく様子をしめす。数十ｍｍ〜数百ｍｍ伝搬したビームは、パワー不均一、非平行、位相不一致という欠点を持つようになる。レンズずれによるビームの品質劣化がビームの伝搬によって増大するのである。

そのようなレンズ位置・方向誤差によるビーム乱れは特許文献６のように強度変換レンズでのパワー分布をトップハットでなくスーパーガウシアンにするという手法では解決できない。

図１は二枚レンズのレンズ型ホモジナイザの構成図である。一枚目が強度変換レンズＬ１であり、二枚目が位相補正レンズＬ２である。入射レ−ザビームＢ１はガウシアンビームである。それが強度変換レンズＬ１によって位相補正レンズＬ２前面で強度が一様になるようなトップハット分布のビームＢ２に変換される。位相補正レンズＬ２はそれを位相の揃った平行でパワー均一分布のビームＢ３に変換する。ガウシアンビームの直径（Ｄ１）と均一化されたビームの直径（Ｄ２）が異なる（Ｄ１≠Ｄ２）。これはビームをＬ１で絞っているので強度変換レンズＬ１が凸レンズの機能を兼ねている。しかしそうではなくてＤ１＝Ｄ２であっても問題は同じことである。

第三のビームＢ３は均一パワー分布で位相が揃っておりしかも平行であるというのが理想である。しかし実際にはなかなかそうはならない。幾分かの不均一性がある。また平行性も不完全である。さらに位相が完全に揃っていない。そのために位相補正レンズＬ２からさらに伝搬すると不均一性が増大する。

位相補正レンズＬ２よりさらに前方でのビームＢ３の乱れを問題にするので、位相補正レンズＬ２の直後の点をｚ＝０の点として、位相補正レンズＬ２の前方にとった距離をｚで表現する。

図２は位相補正レンズＬ２の出射直後（ｚ＝０）の強度分布を示すグラフである。横軸はある直径上の座標ｘを表す。ビーム強度は円筒対称なのでｘ方向もｙ方向も同じである。縦軸は最大値を１にしたパワー密度である。ｘ＝０が中央点で右左に±０．５ｍｍ程度までパワー分布は１であり、±０．５５ｍｍから急激にパワー密度が低下し±０．６４ｍｍで０に落ちる。位相補正レンズＬ２の直後では、直径が約１ｍｍの円形ビームできれいなトップハット型の分布になっている。図２はある直径に沿った分布であるが先述のようにそのほかの直径に沿った座標ではかっても同じような均一分布をしている。

図３はレンズの関係が理想的に正確な場合の位相補正レンズＬ２より前方５０ｍｍ（ｚ＝５０ｍｍ）でのパワー分布を示すグラフである。前方というのは下流側ということである。ｘが−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍでほぼ一様なパワー分布を持っている。エッジに近づくとパワーが脈動し、ｘ±０．５２ｍｍ程度で最大となりそれよりｘが増えるとパワーが減少し±０．６５ｍｍ程度で０に落ちている。それは位相補正レンズＬ２で位相の揃った平行のビームになっているのでその後の伝搬によってビームが広がらず均一性が保持されるからである。それは理想的な場合を示している。

ところが強度変換レンズＬ１も位相補正レンズＬ２も複雑な形状をした非球面レンズであるから少しでもディセンタ（軸ずれ；ｘｙ方向のずれ）や傾き（θ）などがあると大きい誤差を引き起こす。

図４は、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の間に１０μｍのディセンタが発生したときの位相補正レンズＬ２の後方５０ｍｍ（ｚ＝５０ｍｍ）でのビームパワー密度を表すグラフである。ディセンタというのは、前後のレンズの中心軸線がずれることである。平行性は維持しているが軸線と直交方向に軸がずれていることをいう。ｘ＝−０．５ｍｍの辺りでパワー密度が大きく増大している。ｘ＝−０．５ｍｍ〜−０．３ｍｍでパワーの脈動が大きい。ｘ＝−０．３ｍｍ〜＋０．４５ｍｍまでほぼパワー密度は０．６程度であり一様であるがｘ＝＋０．５ｍｍではすでに減衰が始まっている。左右が非対称になっており直径方向ｚ＝−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍで一様とはいえない。

そのような非均一性がたった１０μｍのディセンタで引き起こされる。それは強度変換レンズＬ１による均一化ビームを位相補正レンズＬ２がうまく平行ビームに変換できないということを意味する。パワー分布は均一であるがビームの角度が軸線平行でなく非平行になっている。非平行だからそこからある程度の距離伝搬するとパワーは著しく不均一になる。僅かなディセンタだからパワー密度は均一であるが方向が狂うのである。

前後のレンズの軸合わせの精度を±１０μｍ程度にするのは難しい。そのような僅かなディセンタでもそこから５０ｍｍ伝搬すると、図４のような著しいパワー不均一が発生する。

ここはディセンタのある例を示すがその他に、レンズの傾き、レンズの厚みの誤差、などの誤差がある。僅かな誤差であっても、位相補正レンズＬ２の先において５０ｍｍ〜１００ｍｍ伝搬するだけで大きいパワー不均一性が引き起こされる。それではホモジナイザとして機能しない。

本発明は、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２を組み合わせたレンズ型ホモジナイザに続けて転写レンズ系Ｔを設ける。転写レンズＴは位相補正レンズＬ２後面での像Ｕを拡大・維持・縮小して像面Ｉの位置に正しく転写像Ｊとして形成するようにする。転写像Ｊは源像Ｕの転写位置にあるから源像Ｕのパワー分布が均一であれば均一パワーとなる。また強度変換レンズＬ１、位相補正レンズＬ２の位置ズレがある場合もある。そのため位相補正レンズからでたビームが全体的に発散ビーム或いは収束ビームである場合もある。その場合は、発散ビームを平行ビームに直すように転写レンズ系を構成する。

転写レンズＴの下流側の転写位置に被加工物を置くようにすれば強度変換レンズＬ１・位相補正レンズＬ２の位置・方向の誤差があっても伝搬後のビームの乱れを打ち消し非均一を少なくして被加工物に照射することができる。転写レンズＴは像の拡大縮小をしないものでも良いが、拡大縮小をさせても良い。拡大率をＭとする。Ｍ＝１でも良いが、０．１≦Ｍ≦１０でも良いということである。

転写レンズ系Ｔを定義しなければならない。図５は本発明の光学系の概略図である。それは四つのレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４からなっている。前二つのレンズは強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２である。それらはホモジナイザＨを構成する。更に前方（下流側）にある二枚のレンズＬ３、Ｌ４が転写レンズ系Ｔを構成する。転写レンズ系Ｔは二枚に限らず一枚、三枚、四枚、五枚…であっても良い。レーザビームＢ１はガウシアンビームである。それがホモジナイザＨの強度変換レンズＬ１によって均一化ビームＢ２となる。位相補正レンズＬ２によって平行で均一で位相の揃ったビームＢ３となる。それが転写レンズＬ３で収束・発散ビームＢ４となり、Ｌ４でほぼ平行のビームＢ５となる。

ここでは転写レンズ系Ｔが二枚レンズＬ３、Ｌ４の場合を説明する。その後一枚レンズ系、三枚以上のレンズ系についても述べる。

図８、９、１０によって符号を説明する。位相補正レンズＬ２の後面のビームを源像Ｕとする。レンズＬ２、Ｌ３、Ｌ４，像面Ｉの中心点をＯ２、Ｏ３、Ｏ４、Ｏ５とする。レンズＬ３、Ｌ４の焦点距離をｆ１、ｆ２とする。位相補正レンズＬ２から出た平行ビームがＬ３によって収束する点を収束点Ｃとする。位相補正レンズＬ２と第３レンズＬ３の距離をａとする（Ｏ２Ｏ３＝ａ）。第４レンズＬ４と像面Ｉの距離をｂとする。ここまでは分かりやすい定義である。これからの符号の説明は通常の光学から少しずれるので注意すべきである。位相補正レンズＬ２の後面の源像ＵのレンズＬ３による像がＫ点にできるとする。Ｋ点にできた像をさらにレンズＬ４が像面Ｉの像Ｊとして結像するとする。

つまり源像ＵがＫからＪと転写されるとする。源像Ｕといってもそれは結像したものではない。位相補正レンズＬ２から出たビームは平行であるから無限遠にビーム源となる像がある。それがＬ３の焦点Ｃに集光する。Ｃにできるものは光学的な像である。ところがＫ点の像はＵの像であり光学的にまとまりのある像とはいえない。

レンズＬ３から中間像Ｋまでの距離をｄとする。中間像ＫからレンズＬ４までの距離をｅとする。ａ、ｄ、ｆ１はレンズの公式によって関係付けられる。ｅ、ｂ、ｆ２もレンズの公式によって関係付けられる。

位相補正レンズＬ２から出たビームは理想的にはＬ２直後では平行で位相の揃った均一パワー分布のビームである。しかし実際にはレンズの位置設定の誤差があって、位相補正レンズＬ２を出たあと平行にならない成分がある。位相補正レンズＬ２の直後でパワーは均一であるが、方向に乱れがあるという場合がある。これを補正して像面で均一パワー分布にすること、これが転写レンズＴのひとつの役割である。これについて説明する。さらに位相補正レンズを出たあと平行にならず拡大ビームとなる場合もある。その場合は焦点距離の和がレンズ間隔ｗより狭い（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）転写レンズ系で拡大ビームを平行になおす。位相補正レンズをでたあと縮小ビームとなることもある。その場合は焦点距離ｆ１、ｆ２の和よりレンズ間隔Ｗが狭い（ｆ１＋ｆ２＞ｗ）転写レンズ系で縮小ビームを平行ビームになおす。

図８は転写レンズ系ＴのレンズＬ３・Ｌ４間距離ｗを焦点距離ｆ１、ｆ２の和に等しくしＬ４の焦点距離よりも近くに像面Ｉを置いたものをしめす。ｗ＝ｆ１＋ｆ２である。このような配置であって、ａ＝ｆ１、ｂ＝ｆ２のときをテレセントリックという。このようにＬ４のすぐ近くに像面Ｉがあると、原像Ｕを像面Ｉに転写できない（ａ，ｄ，ｅ，ｂが転写条件を満足しない）。位相補正レンズＬ２の直後のビームがパワー均一分布であるが非平行成分をふくむというようなビーム乱れの場合は、これでは修正できない。図８のようなｗ＝ｆ１＋ｆ２はこの場合役に立たない。

図９は転写レンズ系ＴのレンズＬ３・Ｌ４間距離ｗを焦点距離ｆ１、ｆ２の和より狭くし、Ｌ４の焦点距離よりも近くに像面Ｉを置いたものをしめす。ｗ＜ｆ１＋ｆ２である。このようにＬ４の近くに像面Ｉがあると、原像Ｕを像面Ｉに転写できない。位相補正レンズＬ２の直後のビームがパワー均一分布であるが非平行成分をふくむというようなビーム乱れの場合はこのレンズ系では修正できない。だからそのようなばあい、図９のようなｗ＜ｆ１＋ｆ２は役に立たない。

しかし位相補正レンズＬ２を出たビームの乱れはそのようなランダム非平行の場合だけではない。位相補正レンズを出たビームが平行でなく、縮小ビームである場合とか拡大ビームであるという場合もある。

位相補正レンズＬ２を出たビームが拡大ビームだという場合は、図１６のような転写レンズ系を用いることができる。凸レンズＬ３とＬ４の組み合わせであるが、焦点距離の和ｆ１＋ｆ２よりもレンズ間隔ｗが広い。ｆ１＋ｆ２＜ｗ。拡大ビームがいったんＣ点で収束しそれがＬ４によって平行ビームに直される。像面Ｉには平行なビームとして入射する。これは均一化ビームである。

位相補正レンズを出たビームが縮小ビームだという場合は、図１７のような転写レンズ系を用いる。凸レンズＬ３とＬ４の組み合わせであるが、焦点距離の和よりもレンズ間隔ｗが狭い。ｆ１＋ｆ２＜ｗ。縮小ビームがいったんＣ点で収束しそれがＬ４によって平行ビームに直される。像面Ｉには平行なビームとして入射する。

上に述べたものは、強度変換レンズＬ１で均一化でき、位相補正レンズで位相をそろえようとしたところが僅かにずれがあり、平行ビームにならなかったというような場合である。レンズＬ２・Ｌ３間の距離ａ発散或いは収束の度合いによってきまる。

図１６において、発散ビームの発散角を２βとし、ビームの直径を２Ｒとしたとき、Ｌ３・Ｃの間隔は
Ｌ３・Ｃ＝ｆ１（Ｒ＋ａβ）／｛Ｒ＋β（ａ−ｆ１）） （１）
によって与えられる。これはｆ１より大きい。ｗ＞ｆ１＋ｆ２である。

図１７において、収束ビームの収束角を２γとし、ビームの直径を２Ｒとしたとき、Ｌ３・Ｃの間隔は
Ｌ３・Ｃ＝ｆ１（Ｒ―aγ）／（Ｒ+γ（ｆ１―a） （２）
によって与えられる。これはｆ１より小さい。ｗ＜ｆ１＋ｆ２である。このように、転写レンズ系の焦点距離の和ｆ１＋ｆ２よりレンズ間距離ｗを大きくし或いは小さくすることによって位相補正レンズから発散、収束ビームがでているばあいは転写レンズ系で平行ビームに直すことが出来る。

強度変換レンズと位相補正レンズの誤差はそのようなものだけではない。位相補正レンズＬ２の後面でパワー分布は均一であるが、方向が乱れているという場合もありうる。そのような場合は位相補正レンズＬ２の後面を正しく像面Ｉに転写しなければならない。それは図８のｗ＝ｆ１＋ｆ２のような転写系では不可能である。また図９のｗ＜ｆ１＋ｆ２のような転写系でも不可能である。ＵのＬ３による像はＣ点よりＬ４側にある。それはＬ４の前焦点よりＬ４側にある。だからＯ４によって平行ビームにすることができない。

残る可能性はｗ＞ｆ１＋ｆ２ということになる（図１０）。つまりレンズＬ３、Ｌ４をｆ１＋ｆ２よりも遠ざけることである。ｇだけ遠くへずらせるとする。Ｏ３Ｏ４＝ｆ１＋ｆ２＋ｇとするのである。ｇは正の定数である。平行ビームＢ３の収束点はＣである。ここから発散ビームとなりレンズＬ４で絞られてレンズＬ４の右側Ｓ２点に倒立の実像を形成する。レンズＬ４とビーム像Ｓ２の距離をｓとする。
ｓ＝ｆ２（ｇ＋ｆ２）／ｇ （３）
である。ビーム像ｓはビームの結像のことであり、転写像Ｊとは違う。ビーム像Ｓと転写像Ｊを区別しなければならない。源像Ｕの転写はまた別の問題となる。Ｌ３で点Ｋに実像を作り、これがＬ４で実像をＩ面のＪ像として形成する、というのが目的になる。Ｉ面のＪ像はビーム像Ｓ２よりまだ下流側に存在する。それは必ずｓ＜ｂとなるからである。図１０において、ＵＬ３の距離ａ（Ｏ２Ｏ３）、Ｌ３Ｋの距離ｄ（Ｏ３Ｋ）、ＫＬ４の距離ｅ（ＫＯ４）、Ｌ４Ｉの距離ｂ（Ｏ４Ｏ５）はレンズの公式を満足しなければならない。

１／ａ＋１／ｄ＝１／ｆ１ （４）
１／ｅ＋１／ｂ＝１／ｆ２ （５）
ｄ＋ｅ＝ｆ１＋ｆ２＋ｇ （６）

レンズＬ２Ｌ３間の距離ａを与えると、（４）によって中間像点ｄが決まる。（６）によってｄの値からｅが決まる。それが決まると（５）によって像面Ｉでの転写像Ｊの位置が決まる。だからレンズＬ３Ｌ４間距離ｆ１＋ｆ２＋ｇを決め、Ｌ２Ｌ３距離ａを決めると像面Ｉの位置が上の式から決まる。Ｊ点では源像Ｕと同じく均一パワー分布が成り立っている。ビームの向きは平行でないがＪ点に対象物をおいて加工することによって均一パワー加工が可能になる。
図１０はＬ３Ｌ４間のＣ点で一旦集光させたものであるが、そうでなく凸凹レンズの組み合わせで中間の集光点がなくて凹レンズでほぼ平行のビームにするという二枚レンズ組も考えられる。

図１１にそれを示す。Ｌ３が凸（ｆ１正）、Ｌ４が凹（ｆ２が負）その場合もＯ３Ｏ４＝ｆ１＋ｆ２（ｆ２が負であることに注意）とするとＢ５が平行ビームになりＵを転写できない。この場合もＯ３Ｏ４＝ｆ１＋ｆ２＋ｇとしてＬ４後のビームＢ５を集光させる。集光点Ｓ２の先に像面Ｉを置けば転写像Ｊがそこにできる。同じような式が成り立つ。

１／ａ＋１／ｄ＝１／ｆ１ （７）
１／ｅ＋１／ｂ＝１／ｆ２ （８）
ｄ＋ｅ＝ｆ１＋ｆ２＋ｇ （９）

中間像ＫはＬ４より右側にある。ビーム像Ｓ２もＬ４より右側にある。像面はＳ２より下流側にある。（７）のｆ１、ａ、ｄは正であるが、（８）のｆ２は負、ｅも負でｂは正である。ビーム像Ｓ２までの距離ｓはｓ＝−ｆ２（ｆ２＋ｇ）／ｇである。これは正の値であるが、必ずｂ＞ｓとなるので像面は、集光点Ｓ２より下流側にできる。

初めのレンズＬ３が凹で、次のレンズＬ４が凸ということも可能である。図１２にそれを示す。これもレンズ中間に集光点Ｃがない。ビームは拡大する。その場合もＬ４の凸レンズで集光させる（Ｓ２点）。その先に像面Ｉを置きそこへ均一パワー分布の像Ｊを形成するのである。両方とも凹凹レンズという組み合わせは禁止される。

以上に述べたものは二枚レンズであるが、一枚レンズでも均一パワーにすることは可能である。図１３にそれを示す。集光点Ｃの後ろに像面Ｉを置けば像Ｊが形成される。ＪはＵの転写像でありＵが均一パワーであるからＪ面でも均一パワーである。一枚レンズの場合はより簡単な転写の式となる。

１／ａ＋１／ｄ＝１／ｆ１ （１０）

三枚レンズ（Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５）の場合でも同じように転写系を構成することができる。凸凸凹、凸凸凸、凸凹凹などのレンズの組み合わせが可能である。その場合も最終のビームが平行ビームになる条件をまず定める。それよりレンズ間距離を少し増やしてビームを平行でなく収束ビームに変える。収束点より先に像面Ｉを置き均一パワー像Ｊを形成することができる。

本発明はホモジナイザＨの下流側に転写レンズ系Ｔを設け、位相補正レンズＬ２の後面の均一分布の源像Ｕを下流側の像面Ｉに転写する。転写したのであるからそのまま縮小、拡大、等倍されるのである。源像Ｕが均一パワーであれば下流側の像面Ｉにできた転写像Ｊも均一パワーである。これによってレンズから離隔した位置で再び均一パワーを復元することができる。転写像Ｊの位置に被加工物を置くようにする。そのようにして加工すれば被加工物を均一パワーレーザビームで加工できるようになる。

[実施例１（ビームホモジナイザと転写レンズ系）]
ＹＡＧレーザの直径２ｍｍのガウシアンビームを石英からなる強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２を含むホモジナイザＨで１ｍｍ径で均一になるようにした。さらにそのあとに凸凸レンズよりなる転写レンズ系Ｔを設けた。転写レンズＴは石英である。
位相補正レンズＬ２出射直後のパワー分布は図２に示す通りである。図２に示すように源像Ｕは直径１ｍｍのビーム径の中では均一パワー分布となっている。図６はＬ１、Ｌ２間にディセンタのない場合の、転写レンズ出射後５０ｍｍの位置での強度分布である。直径１ｍｍ程度で均一パワーとなっている。１０μｍのディセンタがあった場合の転写レンズ出射後５０ｍｍでの強度分布を図７に示す。１０μｍのディセンタがあるにも拘らず１ｍｍの直径の範囲で均一パワーとなっている。それは本発明が優れたものであることを意味する。

［実施例２（レーザ加工装置への応用；加工装置の全体；図１８）］
図１８にガウシアン分布するレーザビームを適当な径に拡大しホモジナイザで均一分布にし、転写レンズ系によってビーム径を適当な直径に直しマスクでビーム形状を決めガルバノミラーで走査し結像レンズで縮小して対象物を微小なスポット状に照射するようにしたレーザ加工光学系の全体を示す。
このレーザ加工光学系は、レーザ装置１、ズーム光学系２、ビームホモジナイザ３、転写レンズ系４、転写光学系５を含む。これまで述べた光学系はビームホモジナイザと転写レンズ系だけであるが、実際にはレーザビームを拡大するズーム光学系がホモジナイザの前にあり、転写レンズ系の後には、均一化したビームを対象物に当てる転写光学系５を最後に有する。転写光学系５はビームの外側を除去しビーム形状を決定するマスク６と、マスク６からの光を走査するガルバノミラーとマスクの像を結像する結像レンズ７と、ビームの集光面となる像面８よりなる。像面８は実際には被加工物である。レ−ザ光を被加工物の上に集光して、被加工物に対し切断、穴あけ、溶接、熱処理などの処理を行なうのである。
この例では、転写光学系は、ビームを左右に走査する一次元ガルバノミラーＭ、或いは左右上下に二次元走査するガルバノミラーＭ１、Ｍ２を有する（図１８では、ミラーの表記を模式的に略している。実際は３次元的に配置され、光路が立体的に折り返される）。マスク６の穴でビームの断面形状を決める。所望の断面形状を持つビームを先述の一次元あるいは二次元ガルバノミラーで走査して像面の多数の点に同等の形状、パワーのビームが入射するようにする。例えば二次元走査して被加工物の面に多数の穴を短時間で明けるようにできる。一次元走査して被加工物をある線に沿って切断することができる。また一次元走査して二つの被加工物を溶接することもできる。微小なスポットを像面に形成することが必要な場合、入射レーザビームの直径よりもずっと小さく絞る必要がある。そのために結像レンズは高い比率でビームを縮小しなければならない。ここでは転写レンズ系があるので、これによってビーム径を小さくすることができ、その後の結像レンズに要求される縮小比を緩和することができる。
（１）レーザ装置
種別：ＹＡＧレーザ
波長：１．０６４μｍ
モード：シングル
発振形式：パルス
レーザ加工の被加工物は金属、プラスチック、セラミックなど様々である。加工目的は溶接、切断、熱処理、穴あけなどである。レーザは被加工物の性質や加工目的に応じた大出力、中出力のものを用いる。ＹＡＧレーザやその高調波（波長１．０６４μｍ、５３２ｎｍ、３５５ｎｍなど）や炭酸ガスレ−ザ（１０．６μｍ）を用いることもできる。連続発振（ＣＷ）レーザを用いることもある。パルス発振するレーザを用いることもできる。ここではＹＡＧのパルスレーザを用いている。レーザビームはガウシアンパワー分布をしている。ビーム径はパワーが中心の１／ｅ^２に低下する両側部分の距離として決める。ここで、ＹＡＧレ−ザのビーム径はφ１ｍｍ〜２ｍｍである。レーザ光は平行ビームである。
（２）ズーム光学系
倍率：１〜２倍
強度変換レンズと位相補正レンズからなるホモジナイザは適当なガウシアン入射ビーム径が決まっている。ホモジナイザに均一化する前にビームをホモジナイザの寸法に対応した十分な広がりに変換する必要がある。それを行なうのがズーム光学系２である。平行ビームを直径の異なる平行ビームに変えたものである。前焦点が合致するように置いた凹凸レンズの組み合わせ、或いは後前焦点が合致するように置いた凸凸レンズの組み合わせによってビーム直径を変倍できる。ここでは１〜２倍程度にビーム径を拡大する。ＹＡＧの波長が１．０６４μｍなので、レンズは光学ガラス、石英で作ることができる。
（３）ビームホモジナイザ
入射ビーム径： φ２ｍｍ（１／ｅ^２径）
出射ビーム径： φ１ｍｍ（均一強度径）
第１レンズ（Ｌ１）第１面形状： 平面
第１レンズ（Ｌ１）第２面形状： 非球面
第２レンズ（Ｌ２）第１面形状： 非球面
第２レンズ（Ｌ２）第２面形状： 平面
第１レンズＬ１ー第２レンズＬ２間距離： ５０ｍｍ
レンズの組み合わせによってガウシアン分布ビームを均一分布ビーム（トップハット）に変換する。図１に示すような２枚レンズからなる。第１レンズＬ１は強度変換レンズである。第２レンズＬ２は位相補正レンズである。Ｌ１、Ｌ２の面形状によって、入射ビーム径と出射ビーム径を等しくすることもできる。このように出射ビームを小さくすることもできる。ホモジナイザのレンズも光学ガラスや石英で作る事ができる。
（４）転写レンズ系
転写倍率： １／２
第１レンズ焦点距離： １００ｍｍ
第２レンズ焦点距離： ５０ｍｍ
ビームホモジナイザ・第１レンズ間距離：１００ｍｍ
第１・第２レンズ間距離： １５０ｍｍ
第２レンズ・マスク間距離： ５０ｍｍ
これが本発明でこれまで述べてきたものである。ホモジナイザから出たビームをさらに適当な直径に変換する。これは焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）だけ離隔させて置いた凸凸レンズの組み合わせである。倍率はｆ２／ｆ１で決まる。ここでは１／２となっている。マスク径よりもホモジナイザの出力ビーム径を２倍にできる。ホモジナイザのパターン精度に余裕ができる。ホモジナイザがディセンタしてもホモジナイザ出力の不均一性が強く増加しない。転写レンズ系がディセンタによる強度分布乱れを減らす作用がある。またビーム径を減らして後に結像レンズでの縮小比を緩和している。ここではホモジナイザの第２レンズＬ２から出た１ｍｍφの均一化ビームをマスク面に０．５ｍｍφのビームとして投影する。
ここではｆ１／ｆ２を大きくすることによってホモジナイザのディセンタの影響を抑えているが、これまでに述べたような転写レンズ系を用いても良い。
（５）転写光学系
マスク開口径： φ０．５ｍｍ
転写倍率： １／１０
結像レンズ種別： ｆθレンズ
焦点距離： １００ｍｍ
走査範囲： ２５ｍｍ×２５ｍｍ
入射瞳径： φ１０ｍｍ
マスク・ガルバノミラー間距離： ８５５ｍｍ
Ｘ−Ｙガルバノミラー間距離： ３０ｍｍ
ガルバノミラー・ｆθレンズ間距離： ３０ｍｍ
ｆθレンズ・像面間距離： １００ｍｍ
スポットサイズ： φ０．０５ｍｍ
マスク面に至るビームの均一化半径はφ０．５ｍｍであるが周辺ノイズがあるのでマスクでそれを除去する。開口部直径を均一化直径と同じとしているが、均一化半径より小さくすることもある。
マスク通過後のビームをそのまま直進させ、像面（対象物）に照射することもできる。或いは一つのガルバノミラーで一次元走査することもできる。さらに直交方向に二つのガルバノミラーを組み合わせて、ＸＹ二方向に主走査、副走査することもできる。パルスレーザ光であれば走査することによって被加工物上に一定間隔にスポット照射できる。
そのままではスポットが大きくなりすぎるので結像レンズ７で像面８にマスクの像を結像する。結像レンズが通常のｆｔａｎθレンズだと、一定角速度で走査すると、スポットの間隔がｓｅｃ^２θとなる。スポット分布が中心で密、周辺で粗になる。
そこで走査ビームを像面で等間隔に照射するには、ｆθレンズを用いる。これは像面で中心からビームの角度に比例した距離にビームを結像させる。だから結像レンズとしてｆθレンズを使っている。ｆθは３枚〜５枚程度のレンズを組み合わせて構成することができる。多少の収差を許容するなら１枚レンズで作ることもできる。ここでは、スポットでの所望のビーム径が０．０５ｍｍである。マスク開口部の直径が０．５ｍｍだから１／１０に縮小投影しなければならない。これによって結像レンズの倍率が決まる。ここでは結像レンズの倍率を１／１０にしている。先ほどの転写レンズ系でビーム径をすでに１／２に縮小しているから、ここではスポットをφ０．０５ｍｍにするのに結像レンズでの縮小比は１／１０で良いのである。もしも転写レンズ系がなければ、結像レンズで１／２０に絞る必要がある。すると焦点深度が浅くなる。ｆθ性も低下する。ところがここでは１／１０の縮小比で済む。それは転写レンズ系４を設けた利点の一つである。なお、マスクはスポットの形状精度（真円度など）の向上、均一強度のエッジの立ち上がりの急峻性向上、マスク変更による加工形状やサイズの変更を目的に使用されるが、マスクを用いないで転写レンズの出力（実施例では０．５ｍｍφの均一化ビーム）をそのまま結像レンズで像面に結像しても良い。この場合も、本願発明の効果は失われない。

ガウシアンビームを入射して均一パワービームに変換する強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２からなるレンズ型ホモジナイザの概略図。

位相補正レンズＬ２を出射した直後のビームのある直径に沿った強度分布グラフ。ある範囲で均一パワー分布している。

レンズ間にディセンタがない場合において位相補正レンズＬ２出射後５０ｍｍ伝搬したビームの直径に沿う強度分布グラフ。

強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の間に１０μｍのディセンタが発生したとき、位相補正レンズＬ２出射後５０ｍｍ伝搬したビームの直径に沿う強度分布グラフ。左にパワーが偏って均一性がなくなっていることが分かる。

ホモジナイザＨの下流側に転写レンズ系Ｔを設けて下流のある像面の位置で均一パワー分布とすることを示すための光学系構成図。

ホモジナイザ下流側に転写レンズを設けた本発明の光学系において、ディセンタがない場合の、転写レンズＬ４出射後５０ｍｍの位置でのビームの強度分布グラフ。

ホモジナイザ下流側に転写レンズを設けた本発明の光学系において、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の間に１０μｍのディセンタがある場合、転写レンズＬ４出射後５０ｍｍ伝搬したビームの強度分布グラフ。

凸凸の 転写レンズＬ３、Ｌ４の焦点を一致させ平行ビームを平行ビームに変換する配置に二つのレンズを置いた場合（Ｏ３Ｏ４＝ｆ１＋ｆ２）においてどこに像面Ｉを置いても位相補正レンズＬ２背後の源像Ｕを転写できないことを説明するための光学系図。

凸凸の転写レンズＬ３、Ｌ４の焦点を内側へ食い違うようにし平行ビームを発散ビームに変換する配置に二つのレンズを置いた場合（Ｏ３Ｏ４＜ｆ１＋ｆ２）においてどこに像面Ｉを置いても位相補正レンズＬ２背後の源像Ｕを転写できないことを説明するための光学系図。

凸凸転写レンズＬ３、Ｌ４の焦点を外側へずらせ平行ビームを収束ビームに変換する配置に二つのレンズを置いた場合（Ｏ３Ｏ４＞ｆ１＋ｆ２）においてビーム収束点Ｓ２より下流側に像面Ｉを置けばそこに均一パワーの転写像Ｊが得られることを説明するための図。

凸凹転写レンズＬ３、Ｌ４の焦点を外側へずらせ平行ビー ムを収束ビームに変換する配置に二つのレンズを置いた場合（Ｏ３Ｏ４＞ｆ１＋ｆ２）においてビーム収束点Ｓ２より下流側に像面Ｉを置けばそこに均一パワーの転写像Ｊが得られることを説明するための図。

凹凸転写レンズＬ３、Ｌ４の焦点を外側へずらせ平行ビームを収束ビームに変換する配置に二つのレンズを置いた場合（Ｏ３Ｏ４＞ｆ１＋ｆ２）においてビーム収束点Ｓ２より下流側に像面Ｉを置けばそこに均一パワーの転写像Ｊが得られることを説明するための図。

一枚の凸転写レンズＬ３であっても、ビーム収束点Ｓ２より下流側に像面Ｉを置けばそこに均一パワーの転写像Ｊが得られることを説明するための図。

同じ大きさの強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２からなる等倍のレンズホモジナイザの概略断面図。

強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２とからなるホモジナイザにおいて、位相補正レンズがすこしディセンタ(軸ずれ)すると長い伝播距離があるばあい像面でのビーム分布が不均一になることをしめすビーム系の説明図。

位相補正レンズＬ２の直後でビームが平行でなく発散ビームであるばあい、レンズ間距離ｗを焦点距離の和より大きく（ｗ＞ｆ１＋ｆ２）することによって像面に平行ビームを生成できることを示す図。

位相補正レンズＬ２の直後でビームが平行でなく収束ビームであるばあい、レンズ間距離ｗを焦点距離の和より小さく（ｗ＜ｆ１＋ｆ２）することによって像面に平行ビームを生成できることを示す図。 ビームホモジナイザ、転写レンズ系を含むレーザ加工装置の全体構成図。

符号の説明

１レーザ装置
２ズーム光学系
３ビームホモジナイザ
４転写レンズ系
５転写光学系
６マスク
７結像レンズ
８像面（被加工物）
Ｌ１ 強度変換レンズ
Ｌ２ 位相補正レンズ
Ｌ３ 転写レンズ（第３レンズ）
Ｌ４ 転写レンズ（第４レンズ）
ｆ１ Ｌ３の焦点距離
ｆ２ Ｌ４の焦点距離
Ｕ 位相補正レンズ直後の源像
Ｃ 集光点 （収束点、焦点）
Ｋ 中間像点
Ｉ 像面
Ｊ 転写像
Ｓ２ ビーム像 （集光点）
Ｈ ホモジナイザ
Ｔ 転写レンズ系
ａ 位相補正レンズとＬ３の距離
ｄ Ｌ３と中間像の距離
ｅ 中間像とＬ４の距離
ｂ Ｌ４と像面Ｉの距離
ｗ Ｌ３とＬ４の距離

Claims (17)

1. 強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２から構成されほぼ均一パワー分布ほぼ平行のビームを生成するホモジナイザＨにおいて、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の位置ずれによるパワー分布不均一を抑制するため、ホモジナイザＨの下流側に位相補正レンズＬ２出射直後の源像Ｕの像を下流側に形成する転写レンズ系Ｔを設け転写レンズ系Ｔの下流側の像面位置Ｉに均一パワー分布を形成することを特徴とするホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
2. 転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広くして（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
3. 転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凹の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広くして（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
4. 転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凹凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広くして（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
5. 転写レンズ系Ｔが凸の１枚レンズよりなり転写レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
6. 転写レンズ系Ｔが３枚以上のレンズよりなり、最終の転写レンズから平行ビームが出るという条件よりレンズ間距離ｗを増やし最終のレンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
7. 位相補正レンズＬ２から出たビームが発散ビームであって、転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広く（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）し、転写レンズの中間に集光点Cを形成し、転写レンズの後方に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
8. 位相補正レンズＬ２から出たビームが収束ビームであって転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より狭く（ｆ１＋ｆ２＞ｗ）し、転写レンズの中間に集光点Cを形成し、転写レンズの後方に像面Ｉを置きその上に均一パワーの転写像Ｊを形成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のホモジナイザを用いた整形ビームの伝搬方法。
9. レーザビームを発生するレーザ装置と、レーザビームの直径を変化させるズーム光学系と、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２からなりズーム光学系を出たレーザビームを均一パワー分布の平行ビームに変換するビームホモジナイザと、強度変換レンズＬ１と位相補正レンズＬ２の位置ずれによるパワー不均一を抑制するためビームホモジナイザの下流側に設けられ均一パワービームを生成する転写レンズ系と、転写レンズ系から出た均一パワービームを結像し対象物に照射するための転写光学系とよりなることを特徴とするレーザ加工光学系。
10. 転写光学系は、ビームを走査するための一つ或いは二つのガルバノミラーとｆθレンズよりなることを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工光学系。
11. 転写レンズ系は凸凸の２枚レンズよりなり、レンズ間距離ｗが焦点距離ｆ１、ｆ２の和に等しく（ｆ１＋ｆ２＝ｗ）し、転写レンズの中間に集光点Ｃを形成し、ビームホモジナイザの均一ビーム径を大きくしておき、ｆ１／ｆ２＞１として、ビームホモジナイザで生成された大きいビーム径を縮小して出力するものであることを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
12. 転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凹の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広くして（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
13. 転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凹凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広くして（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
14. 転写レンズ系Ｔが凸の１枚レンズよりなり転写レンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
15. 転写レンズが３枚以上のレンズよりなり、最終の転写レンズから平行ビームが出るという条件よりレンズ間距離ｗを増やし最終のレンズの下流側に集光点Ｓ２を形成しそのさらに下流側に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
16. 位相補正レンズＬ２から出たビームが発散ビームであって、転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より広く（ｆ１＋ｆ２＜ｗ）し、転写レンズの中間に集光点Ｃを形成し、転写レンズの後方に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。
17. 位相補正レンズＬ２から出たビームが収束ビームであって、転写レンズ系Ｔが焦点距離ｆ１、ｆ２の凸凸の２枚レンズよりなりレンズ間距離ｗを焦点距離の和（ｆ１＋ｆ２）より狭く（ｆ１＋ｆ２＞ｗ）し、転写レンズの中間に集光点Ｃを形成し、転写レンズの後方に均一パワーのビームを投影するようにしたことを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工光学系。

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