JP2008134468A - Condensing optical system and optical processing device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は集光光学系および光加工装置に関する。 The present invention relates to a condensing optical system and an optical processing apparatus.
光エネルギを利用する加工（光加工）を行う光加工装置は従来から種々のものが知られている。これらのうちで、レーザ光源からの光を光ファイバにより導光し、光ファイバの射出端から射出するレーザ光を、集光光学系と２枚のウェッジプリズムとにより２光路に分割して各々を光スポットとして加工部に集光し、２枚のウェッジプリズムを「あおり機構」により光束光軸に対して傾かせ、この傾きである「あおり角」の調整により「２つの光スポットの間隔」を調整するものが特許文献１に記載されている。 2. Description of the Related Art Various types of optical processing apparatuses that perform processing using optical energy (optical processing) have been known. Among these, the light from the laser light source is guided by an optical fiber, and the laser light emitted from the exit end of the optical fiber is divided into two optical paths by a condensing optical system and two wedge prisms. The two wedge prisms are tilted with respect to the light beam optical axis by the “tilting mechanism” as a light spot, and the “tilting angle”, which is the tilt, adjusts the “distance between two light spots”. What is adjusted is described in Patent Document 1.
このようにすることにより、被加工物の２点で同時に光加工することができ、加工する２点の間隔を調整することが可能であるところから被加工物の種類に対する自由度が大きい。しかしながら、特許文献１記載の光加工装置では「あおり機構」が複雑になり易く、また、同時に光加工できるのは２点に限られてしまう。 By doing so, optical processing can be performed simultaneously at two points on the workpiece, and the interval between the two points to be processed can be adjusted, so that the degree of freedom with respect to the type of workpiece is great. However, in the optical processing apparatus described in Patent Document 1, the “tilting mechanism” is likely to be complicated, and only two points can be optically processed at the same time.
この発明は、光加工するための集光部を、２以上の点状に設定することも、１以上の線状に設定することも可能であり、点状の集光部の間隔や、線状の集光部の大きさも調整可能にでき、集光光束の光束外周部の大きさの調整も可能にできる新規な光加工装置とこの光加工装置に用いられる集光光学系の実現を課題とする。 In the present invention, it is possible to set the light condensing part for optical processing to two or more point shapes, or to set one or more line shapes. Of a new optical processing device that can adjust the size of the light condensing part and adjust the size of the outer periphery of the condensed light beam, and a condensing optical system used in this optical processing device And
この発明の集光光学系は「微小な光放射部から放射される光束を、２以上の点状および／または１以上の線状に集光させる集光光学系」であって、第１および第２のコリメートレンズと、光束変換光学素子とを有する（請求項１）。
「第１のコリメートレンズ」は、微小な光放射部からの発散光束を、光軸に実質的に平行な平行光束にし得るように配置される。
「第２のコリメートレンズ」は、第１のコリメートレンズと同軸、即ち「光軸を合致」させて配置され、第１のコリメートレンズを透過した光束を集光させる。
The condensing optical system of the present invention is a “condensing optical system for condensing a light beam radiated from a minute light emitting portion into two or more dots and / or one or more lines”. A second collimating lens and a light beam conversion optical element are included.
The “first collimating lens” is arranged so that the divergent light beam from the minute light emitting portion can be a parallel light beam substantially parallel to the optical axis.
The “second collimating lens” is arranged coaxially with the first collimating lens, that is, “matches the optical axis”, and condenses the light beam transmitted through the first collimating lens.
「光束変換光学素子」は、第１のコリメートレンズと微小な光放射部との間に配置され、微小な光放射部からの発散光束を「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる１以上の光束」とする光学機能を有する。
光束変換光学素子および第２のコリメートレンズのうち、少なくとも一方は、第１のコリメートレンズに対して上記光軸の方向において変位可能とされる。
以下、単に「光軸」というとき、この光軸は「第１および第２のコリメートレンズの光軸」を意味するものとする。また、光束変換光学素子についても、これを第１、第２のコリメートレンズと組合せた状態を想定して、上記光軸に合致する方向を「光束変換光学素子の光軸方向」とする。
The “light beam conversion optical element” is disposed between the first collimating lens and the minute light emitting part, and the divergent light beam from the minute light emitting part intersects the optical axes of the first and second collimating lenses. It has an optical function of “one or more luminous fluxes”.
At least one of the light beam converting optical element and the second collimating lens can be displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens.
Hereinafter, when simply referred to as “optical axis”, this optical axis means “optical axis of the first and second collimating lenses”. In addition, regarding the light beam conversion optical element, assuming that this is combined with the first and second collimating lenses, the direction matching the optical axis is defined as “the optical axis direction of the light beam conversion optical element”.
付言すると、上記の如く、微小な光放射部と第１のコリメートレンズとの間に、光束変換光学素子が配置される。第１のコリメートレンズが「微小な光放射部からの発散光束を、光軸に実質的に平行な平行光束にし得るように配置」されるとは、光放射部と第１のコリメートレンズとの間に光束変換光学素子が無い場合には「光放射部からの発散光束を、光軸に実質的に平行な平行光束となし得る」ことを意味する。従って、第１のコリメートレンズは、微小な光放射部との位置関係においては「微小な光放射部が、物体側焦点となる光学位置（光束変換光学素子の介在を考慮した焦点位置）」に位置するように配置される。 In addition, as described above, the light beam conversion optical element is disposed between the minute light emitting portion and the first collimating lens. That the first collimating lens is “arranged so that the divergent light beam from the minute light emitting portion can be made into a parallel light beam substantially parallel to the optical axis” means that the light emitting portion and the first collimating lens When there is no light beam conversion optical element between them, it means that “the divergent light beam from the light emitting portion can be made into a parallel light beam substantially parallel to the optical axis”. Therefore, the first collimating lens is located at the “optical position where the minute light emitting portion becomes the object side focal point (focal position in consideration of the intervention of the light beam conversion optical element)” in the positional relationship with the minute light emitting portion. It is arranged to be located.
微小な光放射部からの発散光束は、光束変換光学素子により「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる１以上の光束」に変換される。「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる光束」は１以上であるから、発散光束が、光束変換光学素子により「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる単一の光束」となるようにすることも、「光軸に交わる２以上の光束」となるようにすることもできる。 The divergent light beam from the minute light emitting portion is converted into “one or more light beams crossing the optical axes of the first and second collimating lenses” by the light beam converting optical element. Since “the light beam intersecting the optical axes of the first and second collimating lenses” is 1 or more, the divergent light beam is “single light beam intersecting the optical axes of the first and second collimating lenses” by the light beam converting optical element. Or “two or more light fluxes intersecting the optical axis”.
「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる単一の光束」は、光軸に直交する断面上の光束断面形状が「円形状あるいは楕円形状（光束変換光学素子が凹面を有する場合）」あるいは「円形もしくは楕円形のリング状（光束変換光学素子が凸面を有する場合）」であり、光束の外周面あるいは内周面が、円錐面もしくは楕円錐面をなすようにして、光束変換光学素子の物体側もしくは像側で、光軸に交わるように進行する光束である。このような光束は、第２のコリメートレンズの作用により、結像面上に「円形状もしくは楕円形状のリング状」に集光する。
なお、第１、第２のコリメータレンズは球面レンズでもよいが、一方または両方の面が非球面形状であるレンズであることが好ましい。
The “single light beam intersecting the optical axis of the first and second collimating lenses” has a cross-sectional shape of the light beam on the cross section perpendicular to the optical axis “circular or elliptical (when the light beam converting optical element has a concave surface). Or “circular or elliptical ring shape (when the light beam conversion optical element has a convex surface)”, and the outer peripheral surface or inner peripheral surface of the light beam forms a conical surface or an elliptical conical surface, thereby converting the light beam. It is a light beam that travels on the object side or image side of the element so as to intersect the optical axis. Such a light beam is condensed into a “circular or elliptical ring shape” on the imaging surface by the action of the second collimating lens.
The first and second collimator lenses may be spherical lenses, but it is preferable that one or both surfaces be aspherical.
「第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる２以上の光束」は、光放射部からの発散光束が２以上に分離し、分離した個々の光束が、光束変換光学素子の物体側もしくは像側で、光軸に交わるように進行する光束である。このような２以上の光束は、第２のコリメートレンズの作用により結像面上に２以上の点状に集光する。 “Two or more light beams intersecting the optical axes of the first and second collimating lenses” means that the divergent light beam from the light emitting part is separated into two or more, and the separated individual light beams are the object side of the light beam conversion optical element or On the image side, the light beam travels so as to cross the optical axis. Such two or more light beams are condensed into two or more points on the image plane by the action of the second collimating lens.
上記「結像面」は、光加工が行われるときには、被加工面もしくはその近傍に合致させられる。結像面を被加工面に合致させれば、非加工面上にエネルギ密度の高い「リング状の像」もしくは「複数の点状の像」を結像させることができる。また、被加工面と結像面とを意図的にずらして、被加工面を結像面の近傍に設定すれば、上記リング状もしくは点状の像はデフォーカスによりぼやけ、非加工面におけるエネルギの集中の度合いを調整することができる。 When the optical processing is performed, the “imaging surface” is matched with the processing surface or the vicinity thereof. If the imaging surface is matched with the surface to be processed, a “ring-shaped image” or “a plurality of point-shaped images” with high energy density can be formed on the non-processed surface. Also, if the processing surface and the imaging surface are intentionally shifted and the processing surface is set in the vicinity of the imaging surface, the ring-shaped or dot-shaped image will be blurred by defocusing, and the energy on the non-processing surface will be reduced. The degree of concentration can be adjusted.
請求項１記載の集光光学系においては「光束変換光学素子を、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ変位可能」としても良いし（請求項２）、「第２のコリメートレンズを、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ変位可能」としてもよく（請求項３）、勿論「光束変換光学素子と第２のコリメートレンズとを共に、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ独立に変位可能」としてもよい（請求項４）。 In the condensing optical system according to claim 1, “the light beam conversion optical element can be displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens” (claim 2) or “second collimating lens” May be displaceable in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens. (Claim 3) Of course, “both the light beam conversion optical element and the second collimating lens are arranged with respect to the first collimating lens. It may be possible to displace independently in the direction of the optical axis.
光束変換光学素子を、光放射部と第１のコリメートレンズ（これらの間隔は固定的である。）との間で光軸の方向へ変位させると、上記結像面上で「リング状の像の大きさ」を変化させ、あるいは「２以上の点状の像の間隔」を変化させることができる。
また、第１、第２のコリメートレンズの間隔を変化させると、結像面に入射する集光光束の「照射角の大きさ」を調整することができる。「照射角」については後述する。
When the light beam converting optical element is displaced in the direction of the optical axis between the light emitting portion and the first collimating lens (the distance between them is fixed), a “ring-shaped image” is formed on the image plane. The “size of” can be changed, or “the interval between two or more point images” can be changed.
Further, by changing the distance between the first and second collimating lenses, it is possible to adjust the “size of the irradiation angle” of the condensed light beam incident on the imaging surface. “Irradiation angle” will be described later.
光束変換光学素子の形態としては種々のものが可能である。まず、光放射部からの発散性の光束を「光軸に交わる２以上の光束に変換する」機能を持つものの場合について見ると、請求項５記載の光束変換光学素子のように「光軸に直交する面に対して傾く２以上の平面を物体側および／または像側に有し、光放射部からの発散光束を、第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる２以上の光束とする透明体」であることができる。 Various forms of the light beam conversion optical element are possible. First, in the case of a device having a function of “converting a divergent light beam from the light emitting portion into two or more light beams crossing the optical axis”, as in the light beam converting optical element according to claim 5, Two or more planes that have two or more planes that are inclined with respect to the orthogonal plane on the object side and / or the image side, and the divergent light flux from the light radiating portion is two or more light fluxes that intersect the optical axes of the first and second collimating lenses Transparent body ".
請求項５記載の集光光学系における「光束変換光学素子」は、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を、物体側および／または像側に有し、２つの平面のなす稜角が１２０度〜２４０度の範囲に設定されているものであることができる（請求項６）。この場合、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を「物体側および像側」にそれぞれ有する場合「物体側の２つの平面のなす稜線」と「像側の２つの平面のなす稜線」とは、互いに平行もしくは直交することができる（請求項７）。上記物体側の稜線と、像側の稜線とが、互いに平行である場合には、変換された光束は、互いに分離して光軸に交わる２光束であり、上記両稜線が直交する場合には、変換された光束は、互いに分離して光軸に交わる４光束である。 6. The “beam converting optical element” in the condensing optical system according to claim 5, wherein two planes inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis are provided on the object side and / or the image side, and a ridge angle formed by the two planes. Can be set in the range of 120 degrees to 240 degrees (claim 6). In this case, when there are two planes on the “object side and image side” that are inclined with respect to the plane orthogonal to the optical axis, “the ridge line formed by the two planes on the object side” and “the ridge line formed by the two planes on the image side” "Can be parallel or orthogonal to each other (Claim 7). When the ridge line on the object side and the ridge line on the image side are parallel to each other, the converted light beams are two light beams that are separated from each other and intersect the optical axis, and when both the ridge lines are orthogonal to each other The converted light beams are four light beams that are separated from each other and intersect the optical axis.
請求項５記載の集光光学系における光束変換光学素子はまた「光軸に対して６０度〜１２０度の範囲の角度をもって傾いた３以上の平面を組合せた面を、物体側および／または像側に有するもの」であることができる（請求項８）。この場合における「光束変換光学素子の物体側および／または像側の３以上の平面の光軸に対する傾き」は同一であることができる（請求項９）が、これに限らず、上記３以上の平面の光軸に対する傾きが互いに異なっていても良い。 The light beam converting optical element in the condensing optical system according to claim 5 may also be described as "a surface combining three or more planes inclined at an angle in the range of 60 degrees to 120 degrees with respect to the optical axis, the object side and / or the image. It can be “having on the side” (claim 8). In this case, “the inclination of the three or more planes on the object side and / or the image side of the light beam converting optical element with respect to the optical axis” can be the same (Claim 9). The inclination of the plane with respect to the optical axis may be different from each other.
請求項１〜４の任意の１に記載の集光光学系における光束変換光学素子はまた「１２０度〜２４０度の範囲の頂角を有する円錐面もしくは楕円錐面を、物体側および／または像側に有する透明体」であることができる（請求項１０）。この場合には、光束変換光学素子により変換された光束は、前述した「光軸に直交する断面上の光束断面形状が、円形状あるいは楕円形状、または円形もしくは楕円形のリング状であり、光束の外周面もしくは内周面が、円錐面もしくは楕円錐面をなすようにして、光束変換光学素子の物体側もしくは像側で、光軸に交わるように進行する光束」である。 The light beam converting optical element in the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4, wherein the condensing surface or the elliptical conical surface having an apex angle in a range of 120 degrees to 240 degrees is formed on the object side and / or the image. It can be a "transparent body on the side" (claim 10). In this case, the light beam converted by the light beam conversion optical element is the light beam cross-sectional shape on the cross section orthogonal to the optical axis described above is a circular shape or an elliptical shape, or a circular or elliptical ring shape. The light beam travels so as to cross the optical axis on the object side or the image side of the light beam converting optical element so that the outer peripheral surface or the inner peripheral surface of the light beam forms a conical surface or an elliptical conical surface.
請求項１〜４の任意の１に記載の集光光学系における光束変換光学素子はまた「光軸に直交する面に対して傾く２以上の球面もしくは２以上の非球面を物体側および／または像側に有し、光放射部からの発散光束を第１、第２のコリメートレンズに交わる２以上の光束とする透明体」であることができる（請求項１１）。 The light beam conversion optical element in the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4, may also be expressed as “two or more spherical surfaces or two or more aspheric surfaces inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis on the object side and / or. A transparent body that is provided on the image side and has a divergent light beam from the light radiating portion as two or more light beams that intersect the first and second collimating lenses.
請求項１〜４の任意の１に記載の集光光学系における光束変換光学素子は「光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体」であることもできる（請求項１２）。 The light beam conversion optical element in the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4, wherein “the optical axis is symmetrical and a cross-sectional shape including the optical axis forms a curved surface on the object side and / or the image side. It can also be a “transparent body” (claim 12).
請求項１〜１２の任意の１に記載の集光光学系における光束変換光学素子は「樹脂又はガラスを材料とする一体構造」であることも（請求項１３）、「樹脂又はガラスを材料とする複数のピース部材を一体的に組合せた構成」であることもできる（請求項１４）。 The light beam conversion optical element in the condensing optical system according to any one of claims 1 to 12 may be “an integral structure made of resin or glass” (claim 13), or “resin or glass as material. It is also possible to adopt a configuration in which a plurality of piece members are integrally combined.
「複数のピース部材を一体的に組合せる」とは、複数のピース部材が全体として一体不可分となることを意味し、一体的に組合せる方法としては、接着による方法や、オプチカルコンタクト、あるいは「外形押さえ部材」による相互固定の方法を利用できる。 “Combining a plurality of piece members integrally” means that the plurality of piece members are inseparable as a whole, and as a method of integrally combining, a method by adhesion, an optical contact, or “ A mutual fixing method using an “outer holding member” can be used.
請求項１〜１４の任意の１に記載の集光光学系における光束変換光学素子は「光軸の回わりの回転変位および／または光軸に直交する方向への直交変位」が可能であることが好ましい。 The light beam converting optical element in the condensing optical system according to any one of claims 1 to 14 is capable of "rotational displacement of the rotation of the optical axis and / or orthogonal displacement in a direction perpendicular to the optical axis". Is preferred.
請求項１〜１５の任意の１に記載の集光光学系は「第２のコリメートレンズから射出して、２以上の点状および／または１以上の線状に集光する集光部もしくは集光部近傍での光束の形状（光束断面形状や集光部での集光形状）や光強度分布を調整するための絞り手段」を有することができる（請求項１６）。この「絞り手段」は光束変換光学素子の物体側に設けても良いし像側に設けてもよく、光束内の強度分布を調整する機能を有していても良い。 The condensing optical system according to any one of claims 1 to 15, wherein “the condensing unit or the condensing unit that emits light from the second collimating lens and condenses into two or more dots and / or one or more lines”. A diaphragm means for adjusting the shape of the light beam in the vicinity of the light part (the light beam cross-sectional shape or the light collecting shape at the light collecting part) and the light intensity distribution ”can be provided. This “aperture means” may be provided on the object side or the image side of the light beam conversion optical element, and may have a function of adjusting the intensity distribution in the light beam.
この発明の光加工装置は「微小な光放射部から光束を放射し、集光光学系により、所望の被加工面上に２以上の点状および／または１以上の線状に集光させて光加工を行う」ものであって、集光光学系として、請求項１〜１６の任意の１に記載の集光光学系を用いることを特徴とする（請求項１７）。光加工に用いられる光を放射する「微小な光放射部」は、導光路の端部であって、レーザ光源から導光路により導光した加工用光を上記端部から照射するものであることができる（請求項１８）。 The optical processing apparatus according to the present invention “radiates a light beam from a minute light emitting portion, and condenses it into two or more dots and / or one or more lines on a desired processing surface by a condensing optical system. The light collecting optical system according to any one of claims 1 to 16 is used as the light collecting optical system (claim 17). The “micro light emitting part” that emits light used for optical processing is the end of the light guide, and irradiates the processing light guided from the laser light source through the light guide from the end. (Claim 18).
上記「導光路」としては、光ファイバを好適に用いることができるが、それ以外にもインテグレータや導波管、導波路などを用いることができ、これらの導光路の微小な射出端を光放射部とすることができる。
「微小な光放射部」は、ＬＤやＬＥＤ等の発光素子の発光部であることもできる（請求項１９）。
As the “light guide”, an optical fiber can be preferably used, but in addition to that, an integrator, a waveguide, a waveguide, or the like can be used. Part.
The “micro light emitting portion” may be a light emitting portion of a light emitting element such as an LD or an LED (claim 19).
請求項１７〜１９の任意の１に記載の光加工装置は「微小な光放射部が、コリメートレンズの光軸方向および／または上記光軸に直交する方向に位置調整可能な構成」であることができる（請求項２０）。
請求項１７〜２０の任意の１に記載の光加工装置は、微小な光放射部と光束変換光学素子との間に、透明な平行平板を「光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能に」に設けた構成とすることができる（請求項２１）。
請求項１７〜２１の任意の１に記載の光加工装置は、光加工として「樹脂構成物間の光溶接を行うもの」であり、一方の樹脂構成物に対して他方の樹脂構成物を押圧するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する押さえ手段を有することができる（請求項２２）。相互に光溶着する樹脂構成物は例えば、後述する「樹脂製レンズと樹脂製の鏡筒」などである。
光加工装置による光加工としては、溶着や半田溶融、溶接・切断加工や、固着、密閉等の加工が可能である。
The optical processing device according to any one of claims 17 to 19, wherein "the minute light emitting portion is configured to be positionally adjustable in an optical axis direction of the collimating lens and / or a direction orthogonal to the optical axis". (Claim 20).
The optical processing device according to any one of claims 17 to 20, wherein a transparent parallel plate is provided between the minute light emitting portion and the light beam converting optical element, "of the three axes including the optical axis and orthogonal to each other. It is possible to adopt a configuration in which it can swing around two axes (claim 21).
The optical processing apparatus according to any one of claims 17 to 21, which is "optical welding between resin components" as optical processing, and presses the other resin component against one resin component. In addition, it is possible to have a pressing means having a light guiding function for guiding a focused light beam as welding light toward the welding portion (claim 22). Examples of the resin components that are light-welded to each other include a “resin lens and a resin barrel” described later.
As optical processing by the optical processing apparatus, welding, solder melting, welding / cutting processing, fixing, sealing, and the like are possible.
以上に説明したように、この発明による光加工装置は、この発明の集光光学系を用いることにより、光加工するための集光部を、２以上の点状に設定することも、１以上の線状に設定することも可能であり、点状の集光部の間隔や、線状の集光部の大きさも調整可能にでき、集光光束の「照射角の大きさ」の調整も可能にできる。 As described above, the optical processing apparatus according to the present invention can set the condensing unit for optical processing to two or more points by using the condensing optical system of the present invention. It is also possible to set the interval between the spot-shaped condensing parts, the size of the linear condensing part, and the adjustment of the “irradiation angle size” of the condensed light flux. It can be made possible.
以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は光加工装置の実施の１形態を説明するための図である。
図１（ａ）において、符号ＬＤ１、ＬＤ２、・・ＬＤＮは複数個（Ｎ個）の半導体レーザを示す。これら複数個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮからのレーザ光は、ビーム合成手段１００に入射し、ビーム合成手段１００により合成されてカップリング光ＣＰとなって、単一の光ファイバＦの入射端ＦＩにカップリングし、光ファイバＦ内を伝搬して光ファイバＦの射出端ＦＯから射出する。
Embodiments of the invention will be described below.
FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of an optical processing apparatus.
In FIG. 1A, symbols LD1, LD2,... LDN indicate a plurality (N) of semiconductor lasers. The laser beams from the plurality of semiconductor lasers LD1 to LDN are incident on the
具体的には、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮとしては、波長：９７０ｎｍ帯で高出力の半導体レーザを用いることができ、光ファイバＦとしては、コア径：φ１００μｍでＮＡ：０．２２の石英系マルチモードファイバを用いることができる。また、独立したＮ個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤＮに代えて、半導体レーザアレイ（例えば、上記波長：９７０ｎｍ帯の高出力の発光部がアレイ配列したもの）を好適に用いることができる。
この例では、光ファイバＦが「導光路」であり、光ファイバＦの射出端ＦＯが「微小な光放射部」である。
Specifically, as the semiconductor lasers LD1 to LDN, high-power semiconductor lasers with a wavelength of 970 nm band can be used, and as the optical fiber F, a quartz multimode with a core diameter of φ100 μm and NA of 0.22 is used. Fiber can be used. Further, in place of the N semiconductor lasers LD1 to LDN which are independent of each other, a semiconductor laser array (for example, an array of high-power light emitting portions in the above-mentioned wavelength: 970 nm band) can be suitably used.
In this example, the optical fiber F is a “light guide”, and the emission end FO of the optical fiber F is a “micro light emitting portion”.
図１において、符号ＣＬ１は第１のコリメートレンズ、符号ＣＬ２は第２のコリメートレンズ、符号ＦＴは光束変換光学素子、符号ＩＰは結像面を示す。結像面ＩＰは光加工時には、被加工面に合致する位置もしくは近傍の位置に設定される。 In FIG. 1, reference sign CL1 denotes a first collimating lens, reference sign CL2 denotes a second collimating lens, reference sign FT denotes a light beam conversion optical element, and reference sign IP denotes an image plane. The imaging surface IP is set at a position that matches or is close to the processing surface during optical processing.
第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は、図１においてはそれぞれ単レンズとして描かれているが、これに限らず、２枚以上のレンズで構成しても良い。また、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は同一のもの（同一の焦点距離を有するもの。）であっても良いし「焦点距離の異なるもの」であってもよい。また、これらコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２のレンズ面は球面でもよいが、一方または両方の面が非球面形状であるレンズであることが好ましい。 Although the first and second collimating lenses CL1 and CL2 are depicted as single lenses in FIG. 1, they are not limited to this, and may be composed of two or more lenses. Further, the first and second collimating lenses CL1 and CL2 may be the same (having the same focal length) or “different focal lengths”. The lens surfaces of these collimating lenses CL1 and CL2 may be spherical surfaces, but it is preferable that one or both surfaces be aspherical.
光束変換光学素子ＦＴは後述するような種々の形態が可能であるが、ここでは、説明の具体性のため、図２に示すようなものを想定する。
図２に示す光束変換光学素子ＦＴは、入射側の面（図２において下方の面）が平面であり、射出側の面（図２で上方の面）は、光軸に対して対称的に傾いた２つの平面ＰＬ１、ＰＬ２を「屋根型に組合せた形状」となっている。
The light beam conversion optical element FT can have various forms as will be described later, but here, for the sake of concreteness of description, the one shown in FIG. 2 is assumed.
In the light beam converting optical element FT shown in FIG. 2, the incident side surface (lower surface in FIG. 2) is a flat surface, and the emission side surface (upper surface in FIG. 2) is symmetrical with respect to the optical axis. The two inclined planes PL1 and PL2 are “a shape combined with a roof shape”.
図１（ａ）に示すように、光ファイバＦの微小な光放射部（射出端面）ＦＯは、光束変換光学素子ＦＴを介して、第１のコリメートレンズＣＬ１の物体側焦点位置に位置し、光放射部ＦＯから放射される発散性の光束は、まず、光束変換光学素子ＦＴに入射し、同素子の作用により、コリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２の光軸に交わる２光束に変換されて第１のコリメートレンズＣＬ１に入射し、同コリメートレンズＣＬ１の作用により「互いに光軸に近づくような２つの平行光束」となる。 As shown in FIG. 1A, the minute light emitting portion (exit end face) FO of the optical fiber F is located at the object-side focal position of the first collimating lens CL1 via the light flux conversion optical element FT. The divergent light beam emitted from the light emitting unit FO first enters the light beam conversion optical element FT, and is converted into two light beams intersecting with the optical axes of the collimating lenses CL1 and CL2 by the action of the element. The light enters the collimator lens CL1 and becomes “two parallel light fluxes that are close to the optical axis” by the action of the collimator lens CL1.
これら２つの平行光束は第２のコリメートレンズＣＬ２により２本の集光光束に変換され、結像面ＩＰ上の２点Ｐ１、Ｐ２に点状に集光する。即ち、集光点Ｐ１、Ｐ２には、光放射部の２つの像が点状に結像する。これら２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の間隔を図の如く、集光点間隔：ＤＰとする。また、図１（ａ）に符号βで示すのは第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する「２光束の照射角」を表している。 These two parallel light beams are converted into two condensed light beams by the second collimating lens CL2, and are condensed in two points P1 and P2 on the image plane IP. That is, two images of the light emitting part are formed in a point shape at the condensing points P1 and P2. The interval between these two condensing points P1 and P2 is the condensing point interval DP as shown in the figure. Also, the symbol β in FIG. 1A represents “the irradiation angle of two light beams” collected by the second collimating lens CL2.
変位手段３００は、この例において、光束変換光学素子ＦＴと第２のコリメートレンズＣＬ２とを、第１のコリメートレンズＣＬ１に対して、光軸方向に変位させる機能を有している。変位手段３００としては、ズームレンズ等においてレンズ群を変位させる機構として従来から知られているものを適宜に用いることができる。 In this example, the displacement means 300 has a function of displacing the light beam conversion optical element FT and the second collimating lens CL2 in the optical axis direction with respect to the first collimating lens CL1. As the displacement means 300, a conventionally known mechanism for displacing a lens group in a zoom lens or the like can be used as appropriate.
変位手段３００は手動によるものでも電動によるものでもよく、図示されないマイクロコンピュータ等の制御手段により「変位をプログラム制御する」ように構成することもできることは言うまでもない。また、変位手段３００による光束変換光学素子ＦＴの変位と、第２のコリメートレンズＣＬ２の変位とは独立に行われる。 Needless to say, the displacement means 300 may be manually operated or electrically operated, and may be configured to “program and control displacement” by a control means such as a microcomputer (not shown). Further, the displacement of the light beam conversion optical element FT by the displacement means 300 and the displacement of the second collimating lens CL2 are performed independently.
なお、変位手段３００のうちの少なくとも駆動機構と、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２、光束変換光学素子ＦＴとは、適宜のケーシング内に収納されることは言うまでもない。 Needless to say, at least the drive mechanism of the displacement means 300, the first and second collimating lenses CL1 and CL2, and the light beam converting optical element FT are housed in an appropriate casing.
図１（ｂ）は、図１（ａ）の状態において、光束変換光学素子ＦＴを光軸方向において光放射部ＦＯに近づくように変位させた状態を示している。このように光束変換光学素子ＦＴを第１のコリメートレンズＣＬ１から遠ざけると、２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の集光点間隔：ＤＰが、図１（ａ）の状態に対して小さくなる。即ち、第１のコリメートレンズＣＬ１と光束変換光学素子ＦＴとの間隔を調整することにより、集光点間隔：ＤＰを調整することができる。 FIG. 1B shows a state in which the light beam conversion optical element FT is displaced so as to approach the light emitting unit FO in the optical axis direction in the state of FIG. When the light beam conversion optical element FT is thus moved away from the first collimating lens CL1, the condensing point interval DP between the two condensing points P1 and P2 becomes smaller than the state shown in FIG. That is, by adjusting the distance between the first collimating lens CL1 and the light beam converting optical element FT, the focal point distance DP can be adjusted.
図１（ｃ）は、図１（ａ）の状態において、第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけるように変位させた状態（これに伴い、結像面ＩＰも第１のコリメートレンズ側へ移動している。）を示している。
このように第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけると、図１（ｃ）に示すように、集光点間隔：ＤＰは、図１（ａ）の場合と同じであるが、
第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する「２光束の照射角：β」は、図１（ａ）の場合よりも小さくなっている。図１（ｃ）において、照射角は小さいため、符号：βは図示されていない。照射角：βは第２のコリメートレンズＣＬ２の作用で集光する光束の、光束外周部が光軸に対してなす角である。
FIG. 1C shows a state in which the second collimating lens CL2 is displaced so as to approach the first collimating lens CL1 in the state of FIG. It is moving to the collimating lens side).
When the second collimating lens CL2 is brought close to the first collimating lens CL1 in this way, as shown in FIG. 1C, the condensing point interval DP is the same as in FIG. 1A. ,
“An irradiation angle of two light beams: β” condensed by the second collimating lens CL2 is smaller than that in the case of FIG. In FIG.1 (c), since irradiation angle is small, code | symbol (beta) is not illustrated. Irradiation angle: β is an angle formed by the outer peripheral portion of the light beam collected by the action of the second collimating lens CL2 with respect to the optical axis.
即ち、第１、第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２の間隔を調整することにより、集光する照射角：βを調整することができる。
従って、光束変換光学素子ＦＴおよび／または第２のコリメートレンズＣＬ２の変位を独立に組合せることにより、集光点間隔：ＤＰおよび／または照射角：βの大きさを任意に調整することができる。
In other words, by adjusting the distance between the first and second collimating lenses CL1 and CL2, it is possible to adjust the irradiation angle β that is collected.
Therefore, by independently combining the displacements of the light beam conversion optical element FT and / or the second collimating lens CL2, the size of the focal point interval: DP and / or the irradiation angle: β can be arbitrarily adjusted. .
勿論、図１の実施の形態の変形例として、光束変換光学素子ＦＴのみ、または第２のコリメートレンズＣＬ２のみを変位可能とし、集光点間隔：ＤＰまたは照射角：βのみを調整するようにしてもよい。 Of course, as a modification of the embodiment of FIG. 1, only the light beam conversion optical element FT or only the second collimating lens CL2 can be displaced, and only the focusing point interval: DP or the irradiation angle: β is adjusted. May be.
図１に示す光加工装置による光加工として「溶着」の場合を想定し、具体例として、図３に示すようなレンズＬＮを鏡筒４００に光溶着する場合を説明する。
レンズＬＮは樹脂レンズであって、図３（ａ）に示すように鏡筒４００の「受け部」に落とし込まれ、レンズ周辺の平面状部分と鏡筒４００の受け部の底面部とが密接して溶着面（図１における結像面ＩＰ）４０１となる。
Assuming the case of “welding” as optical processing by the optical processing apparatus shown in FIG. 1, a case where a lens LN as shown in FIG. 3 is optically welded to the
The lens LN is a resin lens, and is dropped into the “receiving portion” of the
図３（ｂ）は、図３（ａ）の状態をレンズＬＮの光軸方向から見た状態であり、最内部の「破線の円」はレンズ面ＬＮ１の輪郭、その外側の円はレンズ面ＬＮ２の輪郭であり、符号４０１は溶着面である。
図３（ｂ）における符号Ｐ１１〜Ｐ１４は「溶着部（溶着スポット）」を示している。即ち、レンズＬＮは４つの溶着部Ｐ１１〜Ｐ１４において鏡筒４００に光溶着される。レンズＬＮは勿論、レーザ光波長の光を透過させるが、鏡筒４００は「レーザ光を吸収する樹脂」で構成されている。このような「加工用のレーザ光を吸収する樹脂」は、黒色等の有色樹脂や「黒色等に着色された樹脂」であることができるが、加工用のレーザ光を吸収しやすい色の塗料を「レーザ光の波長の光を透過させる樹脂の表面に塗布した構成」としてもよい。
FIG. 3B shows the state of FIG. 3A viewed from the optical axis direction of the lens LN. The innermost “dashed circle” is the contour of the lens surface LN1, and the outer circle is the lens surface. It is the outline of LN2, and the code |
Symbols P11 to P14 in FIG. 3B indicate “welding portions (welding spots)”. That is, the lens LN is optically welded to the
溶着用光を溶着部に集光すると、集光したレーザ光の光エネルギが鏡筒４００の溶着部に吸収され、鏡筒４００を局部的に発熱させて溶解させる。発熱した熱はまた、樹脂製のレンズＬＮも溶解させ、溶解した鏡筒部分とレンズ部分とが相融して、相互に強固に溶着する。
When the welding light is condensed on the welding portion, the light energy of the collected laser light is absorbed by the welding portion of the
図１の光加工装置では、点状の集光点は２個（Ｐ１、Ｐ２）であるから、図１の光加工装置で、上記溶着ポイントＰ１１〜Ｐ１４を溶着するのであれば、２つの集光点Ｐ１、Ｐ２の集光点間隔：ＤＰが、溶着点Ｐ１１、Ｐ１２の間隔に等しくなるように、光束変換光学素子ＦＴの位置を調整して、図４（ａ）に示すように「図３の２つの溶着点Ｐ１１、Ｐ１２」に光を集光させて溶着を行い、その後、鏡筒４００と光加工装置の位置関係を、光軸の回りに相対的に９０度回転させ、２つの集光点が「図３の溶着点Ｐ１３、Ｐ１４」に合致するようにして溶着を行えば良い。
In the optical processing apparatus of FIG. 1, since there are two point-shaped condensing points (P1, P2), if the welding points P11 to P14 are welded by the optical processing apparatus of FIG. As shown in FIG. 4A, the position of the light beam conversion optical element FT is adjusted so that the focal point interval between the light spots P1 and P2 is equal to the interval between the welding points P11 and P12. 3 is welded by condensing light at two welding points P11 and P12 ", and then the positional relationship between the
４つの溶着点Ｐ１１〜Ｐ１４を順次に溶着する場合だと４回の溶着工程を必要とするが、２点ずつの溶着を行うことにより２回の溶着工程ですみ、溶着の作業効率が向上する。 When four welding points P11 to P14 are sequentially welded, four welding processes are required. However, by performing welding at two points, only two welding processes are required, and the work efficiency of welding is improved. .
図４（ｂ）は、レンズＬＮを溶着される鏡筒４００Ａの「筒長が大きい場合」の溶着状態を示している。図４（ｂ）のように、レンズＬＮが鏡筒４００Ａの「深い部分」に溶着される場合、図４（ａ）のような溶着状態であると、第２のコリメートレンズＣＬ２により集光する２光束の照射角が大きいため、集光光束の一部が鏡筒４００Ａに「蹴られ」てしまい、溶着ポイントに有効に光エネルギを集中させることができない。
FIG. 4B shows a welded state of the
このような場合、図４（ｂ）に示すように、第２のコリメートレンズＣＬ２を第１のコリメートレンズＣＬ１に近づけることにより、図１（ｃ）に即して説明したように、収束点間隔：ＤＰを保ったまま、照射角を小さくして、鏡筒による光束の「蹴られ」をなくすことによりレンズＬＮを鏡筒４００Ａに良好に溶着することができる。
In such a case, as shown in FIG. 4B, by bringing the second collimating lens CL2 closer to the first collimating lens CL1, as described with reference to FIG. : The lens LN can be satisfactorily welded to the
以下、光束変換光学素子を説明する。
図２に示した光束変換光学素子ＦＴは上に説明したような機能を持ち、光軸方向の一方の側が平面ＰＬ１、ＰＬ２の屋根型の組合せで、他方の側が平面である。この場合、平面ＰＬ１、ＰＬ２の稜角：θは１２０度〜２４０度の囲が適当である。平面ＰＬ１、ＰＬ２は「稜をなして組合せられる」ので稜角：１８０度はありえない。稜角：θが１８０度より小さければ平面ＰＬ１、ＰＬ２は図２のように凸をなし、稜角：θが１８０度より多きければ平面ＰＬ１、ＰＬ２は「凹」をなす。このように、平面ＰＬ１、ＰＬ２が凹をなすように組合せられることも可能である。
Hereinafter, the light beam conversion optical element will be described.
The light beam conversion optical element FT shown in FIG. 2 has the function described above, and one side in the optical axis direction is a combination of the roof types of the planes PL1 and PL2, and the other side is a plane. In this case, it is appropriate that the ridge angle θ between the planes PL1 and PL2 is 120 ° to 240 °. Since the planes PL1 and PL2 are “combined in a ridge”, the ridge angle cannot be 180 degrees. If the ridge angle: θ is smaller than 180 degrees, the planes PL1 and PL2 are convex as shown in FIG. 2, and if the ridge angle: θ is larger than 180 degrees, the planes PL1 and PL2 are “concave”. Thus, the planes PL1 and PL2 can be combined so as to form a recess.
図５（ａ）に示す光束変換光学素子ＦＴ１は、光軸方向の両側（物体側と像側）ともに「２つの平面を屋根型に組合せたもの」であり、光軸方向の一方の側で稜角：θ１、他方の側で稜角：θ２である。これら稜角：θ１、θ２も１２０度〜２４０度の範囲が好適である。
図５（ａ）の光束変換光学素子ＦＴ１では光軸方向の両側における「２つの平面のなす稜線」は互いに平行である。この場合、形成される集光点は２つであり、図５（ｂ）に示すように集光点Ｐ１、Ｐ２は「稜線に直交する方向において光軸に対称」に形成される。集光点Ｐ１、Ｐ２の間隔は、稜角：θ１、θ２にも依存する。
The light beam converting optical element FT1 shown in FIG. 5A is “a combination of two planes in a roof shape” on both sides (object side and image side) in the optical axis direction, and on one side in the optical axis direction. The ridge angle is θ1, and the ridge angle is θ2 on the other side. These ridge angles: θ1 and θ2 are also preferably in the range of 120 degrees to 240 degrees.
In the light beam conversion optical element FT1 in FIG. 5A, “ridge lines formed by two planes” on both sides in the optical axis direction are parallel to each other. In this case, two condensing points are formed, and as shown in FIG. 5B, the condensing points P1 and P2 are formed “symmetric with respect to the optical axis in the direction perpendicular to the ridgeline”. The interval between the condensing points P1 and P2 also depends on the ridge angles: θ1 and θ2.
図６（ａ）に示す光束変換光学素子ＦＴ２は、光軸方向の両側とも「２つの平面を屋根型に組合せたもの」であるが、この例では、光軸方向の両側における２つの平面のなす稜線は互いに直交している。光軸方向の各側における稜角：θ１、θ２は１２０度〜２４０度の範囲が好適である。 The light beam conversion optical element FT2 shown in FIG. 6A is “a combination of two flat surfaces in a roof shape” on both sides in the optical axis direction. In this example, the two planes on both sides in the optical axis direction are The ridgelines formed are orthogonal to each other. The ridge angles θ1 and θ2 on each side in the optical axis direction are preferably in the range of 120 degrees to 240 degrees.
このような光束変換光学素子ＦＴ２を用いるときの集光点は４個であり、４個の集光点Ｐ１〜Ｐ４は図６（ｂ）に示すように、それぞれの稜線に直交する位置に、光軸に関してＰ１とＰ２、Ｐ３とＰ４がそれぞれ対称に形成される。稜角：θ１および／またはθ２を調整することにより、集光点Ｐ１とＰ２の集光点間隔、集光点Ｐ３、Ｐ４の間の集光点間隔を調整できる。この場合、光束変換光学素子を光軸方向に変位させると、集光点Ｐ１〜Ｐ４は「配列パターンを保った状態で相似的に変位」する。 When such a light beam conversion optical element FT2 is used, there are four condensing points, and the four condensing points P1 to P4 are located at positions orthogonal to the respective ridgelines as shown in FIG. P1 and P2, and P3 and P4 are formed symmetrically with respect to the optical axis. By adjusting the ridge angle: θ1 and / or θ2, the focal point interval between the focal points P1 and P2 and the focal point interval between the focal points P3 and P4 can be adjusted. In this case, when the light beam conversion optical element is displaced in the optical axis direction, the condensing points P1 to P4 are “similarly displaced while maintaining the arrangement pattern”.
図６（ｃ）〜（ｅ）に、４つの集光点を形成できる光束変換光学素子の例を３例示す。これらの光束変換光学素子ＦＴ３〜ＦＴ５は、何れも４つの平面を「正４角錐状」に組合せたものであり、その外周形状が異なるのみである。図６（ｃ）に示す光束変換光学素子ＦＴ３では外周形状が正方形形状であり、組合せられた４つの平面の稜線は光軸方向から見て（即ち、光軸に直交する平面に射影すると）外周形状の対角線をなす。 FIGS. 6C to 6E show three examples of light beam conversion optical elements that can form four condensing points. Each of these light beam conversion optical elements FT3 to FT5 is a combination of four planes in a “regular quadrangular pyramid shape”, and only the outer peripheral shape thereof is different. In the light beam conversion optical element FT3 shown in FIG. 6C, the outer peripheral shape is a square shape, and the ridge lines of the four planes combined are viewed from the optical axis direction (that is, projected onto a plane orthogonal to the optical axis). Make a diagonal of the shape.
図６（ｄ）に示す光束変換光学素子ＦＴ４では外周形状が円形状であり、組合せられた４つの平面の稜線は光軸方向から見て外周形状の直径をなす。図６（ｅ）に示す光束変換光学素子ＴＦ５は外周形状が正方形であるが、組合せられた４つの平面の稜線は光軸方向から見て外周形状の各辺に平行である。 In the light beam converting optical element FT4 shown in FIG. 6D, the outer peripheral shape is circular, and the ridgelines of the four planes combined form a diameter of the outer peripheral shape when viewed from the optical axis direction. The luminous flux conversion optical element TF5 shown in FIG. 6E has a square outer peripheral shape, but the ridgelines of the four planes combined are parallel to each side of the outer peripheral shape when viewed from the optical axis direction.
これら、光束変換光学素子ＦＴ３〜ＦＴ５は、４つの平面が正４角錐状に組合せられているので、形成される４つの集光点は「正方形状のパターン」をなす。
このように、光束変換光学素子が、光軸方向の片側もしくは両側に「光軸に直交する平面に対して傾く複数の平面」を組合せた形状のものである場合「各平面の光軸に直交する面に対する傾き」により、形成される複数の集光点の配列パターンが定まる。
In these light beam conversion optical elements FT3 to FT5, since four planes are combined in a regular quadrangular pyramid shape, the four condensing points to be formed form a “square pattern”.
Thus, when the light beam converting optical element has a shape in which “a plurality of planes inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis” is combined on one side or both sides in the optical axis direction, “perpendicular to the optical axis of each plane” The arrangement pattern of a plurality of condensing points to be formed is determined by “the inclination with respect to the surface to be performed”.
光束変換光学素子の光軸方向の片側にのみ「ｎ角錐状の面」が形成されている場合であれば、集光点はｎ個形成され、これらｎ個の集光点は同一円周上に配列する。 If an “n-pyramidal surface” is formed only on one side in the optical axis direction of the light beam converting optical element, n condensing points are formed, and these n condensing points are on the same circumference. Array.
光束変換光学素子において組合せられる平面の「光軸に直交する平面に対する傾き」は、上に説明した各例では同一であるが、上記傾きは必ずしも同一である必要はなく、形成される複数個の集光点が「所望の配列パターン」をなすように設定することができる。 The “inclination with respect to the plane orthogonal to the optical axis” of the planes combined in the light beam conversion optical element is the same in each example described above, but the above-mentioned inclination is not necessarily the same, and a plurality of formed The condensing points can be set so as to form a “desired arrangement pattern”.
光学変換光学素子において、光束変換のために組合せる複数の平面の「光軸に直交する面に対する傾き角」は、集光光束の集光点での収差を抑えるために、各平面が光軸に対して成す角は６０度〜１２０度の範囲（光軸に直交する平面に対しての傾きで±３０度の範囲）が好ましい。 In the optical conversion optical element, the “inclination angle with respect to a plane orthogonal to the optical axis” of a plurality of planes combined for light beam conversion is set so that each plane has an optical axis in order to suppress aberrations at the focal point of the condensed light flux. Is preferably in the range of 60 to 120 degrees (in the range of ± 30 degrees with respect to a plane perpendicular to the optical axis).
図７（ａ）に示す光束変換光学素子ＦＴ６では、光軸方向の片側において４つの平面が組合せられているが、これら４つの平面は「傾斜方向が同一で、傾斜角度がそれぞれ異なる」ように組合せられており、この場合の集光点Ｐ１〜Ｐ４は、図７（ｂ）に示すように直線状に配列する。このとき集光点間の間隔は各平面の傾き角により調整可能である。 In the light beam converting optical element FT6 shown in FIG. 7A, four planes are combined on one side in the optical axis direction, but these four planes are “the same tilt direction and different tilt angles”. The condensing points P1 to P4 in this case are arranged in a straight line as shown in FIG. 7B. At this time, the interval between the focal points can be adjusted by the inclination angle of each plane.
上に説明した光束変換光学素子ＦＴ、ＦＴ１〜ＦＴ６は、樹脂やガラス等による「所定の波長（光加工に用いられる波長領域の光）が透過する透明体」であり、成形、研磨、切削等により「組合せられる複数の平面」が１部材として一体に形成されることで、継ぎ目がなく光量ロスが少ない素子として実現できる。 The light beam conversion optical elements FT and FT1 to FT6 described above are "transparent bodies that transmit a predetermined wavelength (light in a wavelength region used for optical processing)" such as resin and glass, and are molded, polished, cut, and the like. As a result, the “multiple planes to be combined” are integrally formed as one member, so that it can be realized as an element with no seam and less light loss.
しかし、光束変換光学素子は、１部材として一体に形成される必要は必ずしもなく、請求項１４記載のように、樹脂又はガラスを材料とする「複数のピース部材」を一体的に組合せた構成とすることもできる。例えば、図６に示した光束変換光学素子ＦＴ３〜ＦＴ５の場合、光束変換光学素子を「光軸と各稜線とを含む平面」で切断すれば「４角錐の１／４の形状のピース部材」が得られる。このようなピース部材を独立に製造しておき、互いに組合せて一体とすることによっても、所望の光束変換光学素子を得ることができる。 However, the light beam conversion optical element does not necessarily have to be integrally formed as one member, and has a configuration in which “a plurality of piece members” made of resin or glass are integrally combined as described in claim 14. You can also For example, in the case of the light beam conversion optical elements FT3 to FT5 shown in FIG. 6, if the light beam conversion optical element is cut along a “plane including the optical axis and each ridge line”, “a piece member having a quarter shape of a quadrangular pyramid” Is obtained. A desired light flux conversion optical element can also be obtained by manufacturing such piece members independently and combining them together.
ピース部材の組合せ方法として、接着による方法で組合せることが考えられるが、接着剤によっては透過光の波長やパワーにより、接着面の劣化や発煙等の悪影響が懸念される場合もあり、そのような場合には、オプチカルコンタクトまたは外形押さえにより組合せればよい。 As a method of combining the piece members, it is conceivable to combine them by a method using adhesion, but depending on the adhesive, there may be concerns about adverse effects such as deterioration of the bonded surface or smoke due to the wavelength or power of the transmitted light. In such a case, they may be combined by optical contact or outer shape holding.
上に説明した光束変換光学素子では、互いに組合せられる「光軸に直交する平面に対して傾いた複数の平面」の傾斜角によっては、各面で分割された光束が「良好に集光」しない場合がある。このような場合、請求項１１に記載のように「光軸に直交する面に対して傾く２以上の面」を、球面もしくは非球面とすることにより「光束を良好に集光」させることができる。 In the light beam conversion optical element described above, the light beams divided on each surface may not be “concentrated well” depending on the inclination angle of “a plurality of planes inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis” combined with each other. There is a case. In such a case, as described in claim 11, “two or more surfaces inclined with respect to a surface orthogonal to the optical axis” are made spherical or aspherical so that “light flux can be condensed well”. it can.
図８（ａ）に示す光束変換光学素子ＦＴ７は、光軸方向の片側に円錐面が形成された形状である。容易に理解されるように、このような光束変換光学素子ＦＴ７を用いれば、集光光学系の結像面に集光するパターンは、図８（ｂ）に示すような「円形のリング状」のパターンＰＴである。円錐面に代えて「楕円錐面」を用いれば、楕円形のリング状の集光パターンを得ることができる。即ち、このような光束変換光学素子を用いることにより、微小な光放射部から放射される光束を「線状に集光」させることもできるのである。 The light beam conversion optical element FT7 shown in FIG. 8A has a shape in which a conical surface is formed on one side in the optical axis direction. As can be easily understood, when such a light beam conversion optical element FT7 is used, the pattern condensed on the imaging surface of the condensing optical system has a “circular ring shape” as shown in FIG. Pattern PT. If an “elliptical conical surface” is used instead of the conical surface, an elliptical ring-shaped condensing pattern can be obtained. That is, by using such a light beam conversion optical element, the light beam emitted from the minute light emitting portion can be “condensed linearly”.
光束変換光学素子ＦＴ７の円錐面形状は、図８（ｃ）に示すように、光軸からの距離：ｒの位置における光軸方向のサグ量：ｈ、傾斜をαとして、
ｈ＝α×ｒ ただし ｒ＝√（Ｘ２＋Ｙ２） （１）
（Ｘ、Ｙは光軸に直交する平面の、光軸を原点とする２次元直交座標）
で表すことができる。傾斜：αは、傾斜角をθとして「α＝ｔａｎθ」である。リング状に形成され集光部における収差を抑えるために、円錐断面の頂角（１８０−２θ）は１２０度〜２４０度の範囲が好ましい。
As shown in FIG. 8C, the conical surface shape of the light beam converting optical element FT7 has a sag amount in the optical axis direction at a position r from the optical axis: h, and an inclination α.
h = α × r where r = √ (X 2 + Y 2 ) (1)
(X and Y are two-dimensional orthogonal coordinates of the plane orthogonal to the optical axis, with the optical axis as the origin)
Can be expressed as Inclination: α is “α = tan θ” where the inclination angle is θ. In order to suppress the aberration in the condensing part formed in a ring shape, the apex angle (180-2θ) of the conical section is preferably in the range of 120 degrees to 240 degrees.
光束変換光学素子ＦＴ７のように「円錐面を持った光束変換光学素子」材は、樹脂やガラス等による「所定の波長（光加工に用いられる波長領域の光）が透過する透明体」であり、成形、研磨、切削等で作製することができる。 Like the light beam conversion optical element FT7, the “light beam conversion optical element having a conical surface” is a “transparent material through which a predetermined wavelength (light in a wavelength region used for light processing) is transmitted, such as resin or glass”. It can be produced by molding, polishing, cutting or the like.
図８（ｃ）のような円錐面は「直線状の円錐断面」を有し上記の式（１）で表されるが、傾斜：αによっては、リング状の集光部で収差が発生して「リングが太く」なる場合がある。集光部でリングを「よりきれいに細く（即ち光エネルギの集中を高めて）形成」するには、図８（ｄ）に断面形状を示す光束変換光学素子ＦＴ８のように、光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体で構成し、その曲面形状の調整により収差を補正することができる（請求項１２）。 The conical surface as shown in FIG. 8C has a “linear conical section” and is expressed by the above formula (1). Depending on the inclination: α, an aberration occurs in the ring-shaped condensing part. May cause the ring to become thicker. In order to “make the ring more beautifully thin (that is, increase the concentration of light energy)” at the condensing part, the optical axis is symmetric as in the light beam conversion optical element FT8 having a cross-sectional shape in FIG. A surface having a curved cross-sectional shape including the optical axis is formed of a transparent body on the object side and / or the image side, and aberration can be corrected by adjusting the curved surface shape.
このような曲面形状は、図８（ｄ）のｒ、ｈを用いて、周知の非球面式：
ｈ＝（ｒ２／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）２｝
＋Ａ１・ｒ＋Ａ２・ｒ２＋・・Ａｎ・ｒｎ・・ （２）
で現されるような断面形状において、曲率半径：Ｒ、コーニック定数：ｋ、非球面係数：Ａｎを調整することにより実現できる。
Such a curved surface shape can be obtained by using the well-known aspherical surface formula using r and h in FIG.
h = (r 2 / R) / [1 + √ {1- (1 + k) (r / R) 2 }
+ A 1・ r + A 2・ r 2 + ・ ・ A n・ r n・ ・ (2)
In the cross-sectional shape as revealed, the radius of curvature: R, conic constant: k, aspherical surface coefficients: can be achieved by adjusting the A n.
上に説明したような各種の光束変換光学素子においては、機械的な誤差等により、光束の変換が均等に行われず、例えば、光束を複数光束に分割するような場合（光束変換光学素子ＦＴ、ＦＴ１〜ＦＴ５、ＦＴ６）、分割された各光束に光エネルギが均等に割り振られないことがあり得る。この問題を解消するには、請求項１５記載のように、光束変換光学素子を「光軸の回りの回転変位および／または光軸に直交する方向への直交変位」を可能にし、これらの変位を行うことにより、分割集光される各光束の光エネルギのバランス調整が可能となる。 In the various light flux conversion optical elements as described above, the light flux conversion is not performed uniformly due to mechanical errors or the like. For example, when the light flux is divided into a plurality of light fluxes (light flux conversion optical element FT, FT1 to FT5, FT6), and the light energy may not be evenly allocated to the divided light beams. In order to solve this problem, as described in claim 15, the light beam conversion optical element can be "rotated around the optical axis and / or orthogonally displaced in the direction perpendicular to the optical axis". By performing the above, it is possible to adjust the balance of the light energy of each light beam that is divided and condensed.
また、図１に即して説明した光加工装置において、上に説明した各種の光束変換光学素子を用いる場合、微小な光放射部である光ファイバの射出端ＦＯから射出する光束の光軸が、光ファイバの取付け誤差や射出端面の傾きのため、光束変換光学素子の光軸と一致しない場合がある。このような光軸の不一致があると、光束変換光学素子により変換された光束に光エネルギが均等に配分されず、集光点相互で光エネルギが不均一になり、あるいはリング状の集光部で光エネルギが均一にならないなどの問題が生じる。 Further, in the optical processing apparatus described with reference to FIG. 1, when the various light beam conversion optical elements described above are used, the optical axis of the light beam emitted from the emission end FO of the optical fiber which is a minute light emitting portion is The optical axis may not coincide with the optical axis of the light beam converting optical element due to an installation error of the optical fiber and an inclination of the exit end face. If there is such an optical axis mismatch, the light energy is not evenly distributed to the light beam converted by the light beam conversion optical element, the light energy becomes non-uniform at the condensing points, or a ring-shaped light condensing part This causes problems such as uneven light energy.
この問題は、光軸をＺ方向としたとき、光ファイバの射出端または光束変換光学素子をＸＹ平面上で変位調整することにより有効に軽減させることができる。光ファイバの射出端は光軸方向へ調整可能とすることもでき、この調整により、第１のコリメートレンズとの位置関係を良好に設定できる。
しかしながら、上記変位調整に高い精度を必要とする場合、高精度の変位調整を実現するのに「高分解能のステージ」等が必要になり、光学ユニットが高価になる。
This problem can be effectively reduced by adjusting the displacement of the exit end of the optical fiber or the light beam converting optical element on the XY plane when the optical axis is in the Z direction. The exit end of the optical fiber can be adjusted in the optical axis direction, and this adjustment can favorably set the positional relationship with the first collimating lens.
However, when high accuracy is required for the displacement adjustment, a “high resolution stage” or the like is required to realize highly accurate displacement adjustment, and the optical unit becomes expensive.
この場合、容易に集光部もしくは集光点相互の「光量ムラ」を調整する方法として、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、光ファイバの射出端ＦＯと光束変換光学素子ＦＴとの間に透明な平行平板９００を設け、これを「光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能」とし、平行平板９００の揺動により光束変換光学素子ＦＴへの入射光束の光軸を、光軸に直交する方向へ２次元的に調整する方法がある。
In this case, as a method of easily adjusting the “light intensity unevenness” between the condensing portions or the condensing points, as shown in FIGS. 9A and 9B, the exit end FO of the optical fiber and the light beam converting optical element FT A transparent
図９（ａ）は、平行平板９００を、光軸の周りと「図面に直交する軸の回り」とに揺動可能とする場合であり、同図（ｂ）は、平行平板９００を、図面に直交する軸の回りと、図面内にあってこの軸と光軸とに直交する軸の回りとに揺動可能とする場合である。
FIG. 9A shows a case in which the
上に説明した光束変換光学素子や光ファイバの射出端ＦＯの「光軸直交方向への変位や回転変位」や、平行平板９００の揺動は、変位手段３００により行うように構成できる。
“Displacement or rotational displacement in the direction orthogonal to the optical axis” of the light beam conversion optical element or the optical fiber exit end FO described above and the swing of the
ところで、上に説明した光束変換光学素子ＦＴ２〜ＦＴ６等では、変換された光束は複数個であり、これらの光束が集光するとき、集光途上における光束断面形状は「扇形や四角形などの尖った形状」となり、集光位置で光束が良好に集光しない場合や、集光位置からデフォーカスした位置では「スポットの形状に集光途上の光束断面形状が反映されて良好な集光形状が得られない」ことがある。 By the way, in the light beam conversion optical elements FT2 to FT6 and the like described above, there are a plurality of converted light beams. When these light beams are collected, the cross-sectional shape of the light beam during the light collection is “a sharp shape such as a sector or a rectangle. If the light beam does not converge well at the condensing position, or if it is defocused from the condensing position, the “spot shape reflects the cross-sectional shape of the light beam that is being condensed and a good condensing shape is achieved. It may not be obtained.
例えば「被加工面を結像面と合致させ、集光光束を被加工面上に集光させた場合、光エネルギの集中が強すぎて被加工面が損傷する」ような場合には、被加工面を結像面から意図的にずらして集光光束のデフォーカス状態で光加工を行う場合があり、このような場合「スポット形状に集光途上の光束断面形状が反映」するのが好ましくない場合もある。 For example, if the surface to be processed is aligned with the imaging surface and the condensed light beam is focused on the surface to be processed, the concentration of light energy is too strong and the surface to be processed is damaged. In some cases, the processing surface is intentionally shifted from the imaging surface, and the optical processing is performed in the defocused state of the condensed light beam. In such a case, it is preferable that “the cross-sectional shape of the light beam during condensing is reflected in the spot shape”. There may be no.
また、光束変換光学素子ＦＴ７やＦＴ８では、集光部の形状はリング状となるが、光加工に利用する上でリング状ではなく「リングの一部」を利用したい場合などがある。
このような問題に対処するには、集光光束の「所望の集光形状」を得るため、光束変換光学素子の「光軸上の前または後ろ」の位置に適当な「絞り手段」を配置すれば良い。
Further, in the light beam conversion optical elements FT7 and FT8, the shape of the condensing part is a ring shape, but there are cases where it is desired to use “a part of the ring” instead of the ring shape for use in optical processing.
In order to deal with such a problem, an appropriate “aperture means” is arranged at a position “front or rear on the optical axis” of the light beam conversion optical element in order to obtain a “desired light collecting shape” of the light flux. Just do it.
例えば、光束変換光学素子がＦＴ３〜ＦＴ５であるような場合、図１０（ａ）に示すような楕円形状の開口部（あるいは円形状の開口部）を持つ絞りＳ１を、その開口部が「４分割された各光束に対応する」ように配置することにより、集光位置のみならず、デフォーカスした位置においても、略楕円形または略円形の集光形状を得ることが出来る。 For example, when the light beam converting optical elements are FT3 to FT5, an aperture S1 having an elliptical opening (or a circular opening) as shown in FIG. By arranging so as to correspond to each of the divided light beams, a substantially elliptical or substantially circular condensing shape can be obtained not only at the condensing position but also at the defocused position.
また、絞りの効果だけでなく、集光光束の集光位置からデフォーカスした位置で「所望の強度分布」を得るため、光束変換光学素子の光軸上の前または後に、分割された光束に対応するように「遮光フィルタやＮＤフィルタ、拡散板」など「変換された各光束の強度分布を調整する手段」を配置することで「所望の強度分布を持った集光光束」を実現することができる。 In addition to the effect of the aperture, in order to obtain a “desired intensity distribution” at a position defocused from the condensing position of the condensed light beam, the light beam is divided into light beams that are split before or after the optical axis of the light beam converting optical element. "Condensed light flux with desired intensity distribution" is realized by arranging "means for adjusting the intensity distribution of each converted light flux" such as "light-shielding filter, ND filter, diffuser plate" correspondingly Can do.
たとえば、図１０（ｂ）に示すように変換された各光束（４分割されている。）に対応した「ドーナツ状の遮光フィルタ」を用いると、このフィルタを透過する「楕円の光束の中央部分の光束」が減光され、集光位置からデフォーカスした位置での集光光束の「中心部の光量が抑えられた強度分布」を実現できる。 For example, when a “doughnut-shaped shading filter” corresponding to each converted light beam (divided into four parts) is used as shown in FIG. ”Is reduced, and a“ intensity distribution in which the amount of light in the central portion is suppressed ”of the condensed light beam at a position defocused from the condensing position can be realized.
また、絞りとして、図１１（ａ）、（ｂ）に示すような「光束変換光学素子ＦＴ７やＦＴ８の光軸に一致した中心から放射状の開口部を持つ絞り」を用いることにより、リング状の集光光束の一部を遮光し、図１２（ａ）に示すような「リングを分割した集光部」を持つ集光形状を実現できる。また、図１１（ｃ）に示すような、光束変換光学素子ＦＴ７やＦＴ８の光軸と中心を一致させた「扇状の遮光部」を有する絞りを用いることにより、図１２（ｂ）に示す如き「リングの一部のみの集光形状」を得ることが出来る。 Further, by using a “diaphragm having a radial opening from the center coincident with the optical axis of the light beam conversion optical element FT7 or FT8” as shown in FIGS. A part of the condensed light beam is shielded, and a condensing shape having a “condensing part obtained by dividing the ring” as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 11B, by using a stop having a “fan-shaped light shielding portion” whose center coincides with the optical axis of the light beam conversion optical elements FT7 and FT8 as shown in FIG. “Condensing shape of only a part of the ring” can be obtained.
また、絞りの効果だけでなく、集光位置からデフォーカスした際に「集光光束の所望の強度分布」を得るため、光束変換光学素子の光軸上の前または後に「変換された光束に対応する遮光フィルタやＮＤフィルタ、拡散板」などを配置することにより、分割光束の強度分布を調整し、所望の強度分布を持った強度分布を被加工面上に実現できる。 In addition to the effect of the diaphragm, in order to obtain a “desired intensity distribution of the condensed light beam” when defocused from the light collecting position, “to the converted light beam” before or after on the optical axis of the light beam converting optical element. By arranging the corresponding light shielding filter, ND filter, diffuser plate, etc., the intensity distribution of the divided light beam can be adjusted, and an intensity distribution having a desired intensity distribution can be realized on the processing surface.
たとえば、図１３に示すような「光束変換光学素子の光軸に中心を合致させた同心円状の減光フィルタ」により、透過する光束の中央部分の光束を減光し、結像面からデフォーカスした位置で「光束変換光学素子の中央部を通る光束の光量が抑えられた強度分布」を実現できる。 For example, as shown in FIG. 13, a “concentric attenuating filter whose center coincides with the optical axis of the light beam converting optical element” is used to reduce the light beam at the center of the transmitted light beam and defocus it from the imaging surface. In this position, “intensity distribution in which the light amount of the light beam passing through the central portion of the light beam conversion optical element is suppressed” can be realized.
図１４を参照して、請求項２１記載の光加工装置の実施の１形態を説明する。
図１４（ａ）、（ｂ）に示す光加工装置は、集光光学系として、図９に示した構成のものを用いている。また、光束変換光学素子ＦＴ７は、図８に即して説明した円錐面を光入射側に有するものである。符号ＣＬ１およびＣＬ２は第１および第２のコリメートレンズ、符号９００は透明な平行平板を示す。光束変換光学素子ＦＴ７、第１および第２のコリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２は、第１のケーシングＣ１内に配設されており、第２のコリメートレンズＣＬ２、光束変換光学素子ＦＴ７、平行平板９００は、図示されない変位手段により上記各種の変位を行い得るようになっている。
With reference to FIG. 14, an embodiment of the optical processing apparatus according to claim 21 will be described.
The optical processing apparatus shown in FIGS. 14A and 14B uses the configuration shown in FIG. 9 as the condensing optical system. The light beam conversion optical element FT7 has the conical surface described with reference to FIG. 8 on the light incident side. Reference numerals CL1 and CL2 denote first and second collimating lenses, and
第１のケーシングＣ１の図における上部には、光ファイバＦがホルダＨＬに保持され、その射出端ＦＯが集光光学系の光軸上で、第１のコリメートレンズＣＬ１の焦点位置（光束変換光学素子ＦＴ７と平行平板９００を介した光学的な焦点位置）に位置するようにしてケーシングＣ１に一体化されている。
In the upper portion of the first casing C1 in the figure, the optical fiber F is held by the holder HL, and its emission end FO is on the optical axis of the condensing optical system, and the focal position of the first collimating lens CL1 (light beam conversion optics). It is integrated with the casing C1 so as to be positioned at an optical focus position via the element FT7 and the
図１４（ａ）において、ケーシングＣ１の図における下部側には、第２のケーシングＣ２がケーシングＣ１と別体で接続され、ケーシングＣ２の光束射出側端部には、光加工対象物５００に適した押さえ手段６００が設けられている。
In FIG. 14A, the second casing C2 is connected separately from the casing C1 on the lower side of the casing C1 in the drawing, and the light beam emission side end of the casing C2 is suitable for the
この光加工装置が行う光加工は「溶着」であり、光加工対象物５００は、図３に示したタイプのものであり、樹脂製の鏡筒に樹脂製のレンズが保持されており、保持されたレンズが鏡筒に溶着される。溶着の態様は図４に即して説明した如くであり、溶着面が被加工面である。
The optical processing performed by this optical processing apparatus is “welding”, and the
この実施の形態では、円錐面を有する光束変換光学素子ＦＴ７が用いられるため、集光部形状はリング状であり、図３に即して言えば、溶着面４０１において、レンズＬＮと鏡筒４００がリング状に溶着される。
In this embodiment, since the light beam conversion optical element FT7 having a conical surface is used, the shape of the light condensing part is a ring shape, and in accordance with FIG. 3, the lens LN and the
光による溶着が行われるときには、図１の状態から、ケーシングＣ１がケーシングＣ２と一体となって図の下方であるＺ方向へ降下され、図１４（ｂ）に示すような溶着態勢になる。 When welding by light is performed, the casing C1 is lowered integrally with the casing C2 in the Z direction, which is the lower side of the figure, from the state of FIG. 1, and a welding state as shown in FIG. 14B is obtained.
押さえ手段６００は、溶着光に対して透明な材料により、図１４（ｃ）に示すような断面形状をしており、下方の部分６０１は中空シリンダ状で内壁はテーパを付けられており、下端部６０２はリング状に形成され、この下端部６０２が図１４（ｂ）に示すように、一方の樹脂構成物であるレンズを他方の樹脂構成物である鏡筒に対して押圧する。
The holding means 600 is made of a material transparent to welding light and has a cross-sectional shape as shown in FIG. 14C. The
押さえ手段６００は、図１４（ｂ）に示すように、溶着が行われるときには第２のコリメートレンズＣＬ２から射出する溶着用の集光光束（光軸に直交する面内での光束断面形状が円形状である。）を溶着部へ向けて導光する導光手段の機能をも有する。 As shown in FIG. 14B, the pressing means 600 has a welded condensed light beam emitted from the second collimating lens CL2 when welding is performed (the cross-sectional shape of the light beam in a plane orthogonal to the optical axis is circular). It also has a function of a light guide means for guiding the light toward the welding portion.
具体的に説明すると、図１４に図示されない光源側は、波長：９７０ｎｍ帯の高出力ＬＤアレイからの光が合成されて、コア径：φ＝１００μｍでＮＡ：０．２２の「石英系でマルチモード」の光ファイバＦへ入射され、この光ファイバＦの射出端ＦＯから溶着用の光として射出する。 More specifically, on the light source side not shown in FIG. 14, light from a high-power LD array with a wavelength of 970 nm band is synthesized, and the core diameter is φ = 100 μm and NA is 0.22. It enters the optical fiber F in the “mode” and exits from the exit end FO of the optical fiber F as welding light.
第１および第２のコリメートレンズＣＬ１およびＣＬ２は同一種のレンズで、焦点距離：ｆ＝３７．３５ｍｍ、有効径：φ＝１８ｍｍの「ガラスモールドで成形された非球面の単レンズ」である。 The first and second collimating lenses CL1 and CL2 are the same type of lenses, and are “aspherical single lenses formed by a glass mold” having a focal length of f = 37.35 mm and an effective diameter of φ = 18 mm.
光束変換光学素子ＦＴ７は、ＢＳＬ７相当のガラス材質によるもので、中心厚み：６ｍｍ、円錐面は研磨により形成され、円錐面の形状は、コリメートレンズＣＬ１からＣＬ２に向かう方向を＋Ｚ軸方向とし、このＺ方向のサグ：ｈと光軸からの距離：ｒ、傾斜：αにより、前述の式（１）：
ｈ＝α×ｒ ただし ｒ＝√（ｘ２＋Ｙ２）
で表され、傾斜：αは「−０．３０≦α≦−０．２９」の範囲にある。
The light beam conversion optical element FT7 is made of a glass material equivalent to BSL7. The center thickness is 6 mm, the conical surface is formed by polishing. The sag in the Z direction: h and the distance from the optical axis: r, the inclination: α, the above formula (1):
h = α × r where r = √ (x 2 + Y 2 )
Inclination: α is in the range of “−0.30 ≦ α ≦ −0.29”.
ケーシングＣ１内には、前述の如く、光ファイバＦの射出端ＦＯ、光束変換光学素子ＦＴ７、コリメートレンズＣＬ１、ＣＬ２を「光軸が一致する」よう配置し、コリメートレンズＣＬ１は「光ファイバＦの射出端ＦＯが焦点の位置になるように固定」される。射出端ＦＯとコリメートレンズＣＬ１の間に配置される光束変換光学素子ＦＴ７は、コリメートレンズＣＬ１との間隔が１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で変位可能である。 In the casing C1, as described above, the exit end FO of the optical fiber F, the light beam conversion optical element FT7, and the collimating lenses CL1 and CL2 are disposed so that the optical axes coincide with each other. The exit end FO is fixed so as to be at the focal point. The light beam converting optical element FT7 disposed between the exit end FO and the collimating lens CL1 can be displaced within a range of 1 mm to 20 mm from the collimating lens CL1.
この範囲での光束変換光学素子ＦＴ７を変位させることにより、溶着面上の「リング状の集光部」のリング径（直径）：Φが４．０ｍｍ〜９．７ｍｍの間で調整可能である。また、コリメートレンズＣＬ２は、コリメートレンズＣＬ１との間隔が２５ｍｍ〜５０ｍｍの範囲で変位可能である。この変位により、リング状の光束断面形状を持つ集光光束の光束外周面の光軸に対する傾きである照射角（図１（ａ）の「β」）を「最大５度の範囲」で調整することができ、これにより、光外周面の大きさを変化させることができる。 By displacing the light beam conversion optical element FT7 within this range, the ring diameter (diameter) of the “ring-shaped condensing part” on the welding surface: Φ can be adjusted between 4.0 mm and 9.7 mm. . Further, the collimating lens CL2 can be displaced within a range of 25 mm to 50 mm with respect to the collimating lens CL1. With this displacement, the irradiation angle (“β” in FIG. 1A), which is the inclination of the light beam outer peripheral surface of the condensed light beam having a ring-shaped light beam cross-sectional shape with respect to the optical axis, is adjusted within a “maximum 5 degree range”. Thus, the size of the outer peripheral surface of the light can be changed.
平行平板９００は、ＢＳＬ７相当のガラス材料で形成され、厚み：５ｍｍ〜１０ｍｍ程度で「リング状の集光部における光エネルギの不均一」を調整可能である。照射エネルギの調整は、光ファイバの射出端ＦＯを保持するホルダＨＬをＸＹ方向に変位させることでも可能である。
The
ケーシングＣ２は、溶着部へ集光される集光光束に対して、押さえ手段６００が適切な位置になるように、押さえ手段６００をＸＹＺ方向に変位させ得る機構を有する。押さえ手段６００をＸＹ方向に変位させることで、押さえ手段６００の中心軸にケーシングＣ１からのリング状の集光光束の光軸を合わせ、押さえ手段６００をＺ方向に変位させることで、集光光束の集光位置からのデフォーカス位置を定め、溶着物体を考慮した最適な溶着位置を調整することができる。
The casing C2 has a mechanism capable of displacing the pressing means 600 in the XYZ directions so that the
押さえ手段６００の材料は、溶着用光が透過できるものであれば良く、樹脂製でも良いが、上記の如く「溶着を繰り返す場合にキズが付きにくく、また溶着の際に発生する熱に対して耐熱性を有するＢＳＬ７などのガラス材」が好ましい。 The material of the holding means 600 may be any material as long as it can transmit the welding light, and may be made of resin. However, as described above, “it is difficult to be scratched when welding is repeated, and is resistant to heat generated during welding. A glass material such as BSL7 having heat resistance is preferable.
光加工対象物５００は、樹脂製の鏡筒に樹脂製のレンズＬＮが保持された状態のものであるが、押さえ手段６００の外筒部と樹脂製の鏡筒の内筒部がおよそ嵌まり合って位置決めされ、レンズ有効径に干渉しない形状にする。
The
上記の如き光加工装置により、レンズの溶着を図１４（ｂ）のような溶着態勢で行うことができ、押さえ手段６００と光加工対象物５００が嵌合しあうことで、正確に溶着を行うことができる。また、光加工対象物によっては、溶着部を押さえ手段６００により圧着しながら溶着光を抑え手段６００で導光しつつ溶着を行うことができ、溶着用光を遮ることなく上下から力量をかけながら溶着を行うことが出来る。
With the optical processing apparatus as described above, the lens can be welded in a welding state as shown in FIG. 14B, and the
なお、図１４において、光加工対象物の一方である鏡筒の上部が、レンズの上面よりもさらに上方へ突出しているような場合、鏡筒の内周面と、押さえ部材６００の「下方の部分６０１の外周面」とが当接しあうように上記部分６０１の外周径を設定すると、押さえ部材６００でレンズＬＮを押さえるのみで、レンズＬＮと鏡筒との溶着位置を精度良く位置だしすることができる。
In FIG. 14, when the upper part of the lens barrel, which is one of the optical processing objects, protrudes further upward than the upper surface of the lens, the inner peripheral surface of the lens barrel and the “lower side of the
また、上に説明した実施の各形態において、光加工における光エネルギの有効な利用のために、光束変換光学素子や第１、第２のコリメート等、光源と被加工面との間にある光学素子の光学面の１以上に「反射防止膜（ＡＲコート）」を形成することが好ましい。 In each of the embodiments described above, an optical element between the light source and the surface to be processed, such as a light beam conversion optical element and first and second collimators, for effective use of light energy in optical processing. It is preferable to form an “antireflection film (AR coat)” on one or more of the optical surfaces of the element.
ＦＯ 光ファイバの射出端（微小な光放射部）
ＦＴ 光束変換光学素子
ＣＬ１ 第１のコリメートレンズ
ＣＬ２ 第２のコリメートレンズ
ＩＰ 結像面
Ｐ１、Ｐ２ 集光点
FO Optical fiber exit end (micro light emitting part)
FT beam conversion optical element
CL1 First collimating lens CL2 Second collimating lens IP Image plane P1, P2 Focusing point
Claims (22)
微小な光放射部からの発散光束を、光軸に実質的に平行な平行光束とし得るように配置される第１のコリメートレンズと、
この第１のコリメートレンズと同軸で、上記第１のコリメートレンズを透過した光束を集光させる第２のコリメートレンズと、
上記第１のコリメートレンズと上記微小な光放射部との間に配置されて、上記光放射部からの発散光束を上記第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる１以上の光束とする光束変換光学素子とを有し、
上記光束変換光学素子および第２のコリメートレンズのうち少なくとも一方を、上記第１のコリメートレンズに対して、上記光軸の方向に変位可能としとしたことを特徴とする集光光学系。 A condensing optical system for condensing a light beam emitted from a minute light emitting portion into two or more dots and / or one or more lines,
A first collimating lens arranged so that a divergent light beam from a minute light emitting portion can be a parallel light beam substantially parallel to the optical axis;
A second collimating lens that is coaxial with the first collimating lens and collects the light beam that has passed through the first collimating lens;
Disposed between the first collimating lens and the minute light emitting portion, the divergent light beam from the light emitting portion is set to one or more light beams intersecting the optical axes of the first and second collimating lenses. A light beam conversion optical element,
A condensing optical system characterized in that at least one of the light beam conversion optical element and the second collimating lens can be displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens.
光束変換光学素子を、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ変位可能としたことを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 1,
A condensing optical system characterized in that the light beam conversion optical element can be displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens.
第２のコリメートレンズを、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ変位可能としたことを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 1,
A condensing optical system characterized in that the second collimating lens can be displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens.
光束変換光学素子と第２のコリメートレンズとを共に、第１のコリメートレンズに対して光軸の方向へ独立に変位可能としたことを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 1,
A condensing optical system characterized in that both the light beam conversion optical element and the second collimating lens can be independently displaced in the direction of the optical axis with respect to the first collimating lens.
光束変換光学素子が、光軸に直交する面に対して傾く２以上の平面を物体側および／または像側に有し、光放射部からの発散光束を第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる２以上の光束とする透明体であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4,
The light beam conversion optical element has two or more planes that are inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis on the object side and / or the image side, and the divergent light beam from the light radiating unit is the light of the first and second collimating lenses. A condensing optical system characterized by being a transparent body having two or more light beams intersecting with an axis.
光束変換光学素子が、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を、物体側および／または像側に有し、上記２つの平面のなす稜角が１２０度〜２４０度の範囲に設定されていることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 5,
The light beam converting optical element has two planes inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis on the object side and / or the image side, and the ridge angle formed by the two planes is set in a range of 120 degrees to 240 degrees. A condensing optical system characterized by that.
光束変換光学素子が、光軸に直交する面に対して傾く２つの平面を、物体側および像側にそれぞれ有し、物体側の２つの平面の稜線と、像側の２つの平面の稜線とが、互いに平行もしくは直交することを特徴とする集光光学系。 The condensing optical system according to claim 6,
The light beam conversion optical element has two planes that are inclined with respect to a plane orthogonal to the optical axis on the object side and the image side, respectively, and the ridge lines of the two planes on the object side and the ridge lines of the two planes on the image side Are condensing optical systems characterized by being parallel or orthogonal to each other.
光束変換光学素子が、光軸に対して、６０度〜１２０度の範囲の角度をもって傾いた３以上の平面を組合せた面を、物体側および／または像側に有することを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 5,
The light beam conversion optical element has a surface on the object side and / or the image side having a combination of three or more planes inclined at an angle in the range of 60 to 120 degrees with respect to the optical axis. Optical system.
光束変換光学素子の物体側および／または像側の３以上の平面の、光軸に対する傾きが同一であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to claim 8,
A condensing optical system, wherein three or more planes on the object side and / or image side of the light beam converting optical element have the same inclination with respect to the optical axis.
光束変換光学素子が、１２０度〜２４０度の範囲の頂角を有する円錐面もしくは楕円錐面を、物体側および／または像側に有する透明体であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4,
A condensing optical system, wherein the light beam conversion optical element is a transparent body having a conical surface or an elliptical conical surface having an apex angle in a range of 120 to 240 degrees on the object side and / or the image side.
光束変換光学素子が、光軸に直交する面に対して傾く２以上の球面もしくは２以上の非球面を物体側および／または像側に有し、光放射部からの発散光束を、第１、第２のコリメートレンズの光軸に交わる２以上の光束とする透明体であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4,
The light beam converting optical element has two or more spherical surfaces or two or more aspheric surfaces inclined with respect to a surface orthogonal to the optical axis on the object side and / or the image side, and the divergent light beam from the light emitting portion is first, A condensing optical system, characterized in that the condensing optical system is a transparent body having two or more light beams intersecting the optical axis of the second collimating lens.
光束変換光学素子が、光軸対称で、光軸を含む断面形状が曲線をなす面を、物体側および／または像側に有する透明体であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 4,
A condensing optical system, wherein the light beam conversion optical element is a transparent body having an optical axis symmetry and a surface having a curved cross-sectional shape including the optical axis on the object side and / or the image side.
光束変換光学素子が樹脂又はガラスを材料とする一体構造であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 12,
A condensing optical system, wherein the light beam conversion optical element has an integral structure made of resin or glass.
光束変換光学素子が樹脂又はガラスを材料とする複数のピース部材を一体的に組合せた構成であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 12,
A condensing optical system characterized in that the light beam conversion optical element has a structure in which a plurality of piece members made of resin or glass are integrally combined.
光束変換光学素子の、光軸の回りの回転変位および／または光軸に直交する方向への直交変位が可能であることを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 14,
A condensing optical system characterized in that the light beam converting optical element is capable of rotational displacement around the optical axis and / or orthogonal displacement in a direction perpendicular to the optical axis.
第２のコリメートレンズから射出して２以上の点状および／または１以上の線状に集光する集光部もしくはその近傍での光束の形状や光強度分布を調整するための絞り手段を有することを特徴とする集光光学系。 In the condensing optical system according to any one of claims 1 to 15,
A condensing unit that exits from the second collimating lens and condenses in two or more points and / or one or more lines, or a diaphragm unit for adjusting the shape and light intensity distribution of the light beam in the vicinity thereof A condensing optical system characterized by that.
集光光学系として、請求項１〜１６の任意の１に記載の集光光学系を用いることを特徴とする光加工装置。 An optical processing apparatus that performs optical processing by radiating a light beam from a minute light emitting portion and condensing it into two or more dots and / or one or more lines on a desired processing surface by a condensing optical system. There,
An optical processing apparatus using the condensing optical system according to any one of claims 1 to 16 as the condensing optical system.
微小な光放射部が導光路の端部であって、レーザ光源から上記導光路により導光した加工用光を上記端部から放射することを特徴とする光加工装置。 The optical processing apparatus according to claim 17, wherein
An optical processing apparatus, wherein a minute light emitting portion is an end portion of a light guide path, and processing light guided by the light guide path from a laser light source is emitted from the end portion.
微小な光放射部がＬＤやＬＥＤ等の発光素子の発光部であることを特徴とする光加工装置。 The optical processing apparatus according to claim 17, wherein
An optical processing apparatus, wherein the minute light emitting portion is a light emitting portion of a light emitting element such as an LD or an LED.
微小な光放射部が、コリメートレンズの光軸方向および／または光軸直交方向に位置調整可能であることを特徴とする光加工装置。 The optical processing apparatus according to any one of claims 17 to 19, wherein
An optical processing apparatus characterized in that the position of a minute light emitting portion can be adjusted in the optical axis direction and / or the optical axis orthogonal direction of the collimating lens.
微小な光放射部と光束変換光学素子との間に、透明な平行平板を、光軸を含み互いに直交する３軸のうちの２軸の回りに揺動可能に設けたことを特徴とする光加工装置。 The optical processing apparatus according to any one of claims 17 to 20, wherein
A light characterized in that a transparent parallel plate is provided between a minute light emitting part and a light beam converting optical element so as to be swingable around two of three axes including the optical axis and orthogonal to each other. Processing equipment.
光加工として、樹脂構成物間の光溶接を行うものであり、一方の樹脂構成物に対して他方の樹脂構成物を押圧するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する押さえ手段を有することを特徴とする光加工装置。 The optical processing apparatus according to any one of claims 17 to 21,
As optical processing, optical welding is performed between resin components, the other resin component is pressed against one resin component, and a focused light beam as welding light is guided toward the welded portion. An optical processing apparatus comprising a pressing means having a light guiding function.
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