JP3531199B2 - 光伝送装置 - Google Patents
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- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
- G03F7/2002—Exposure; Apparatus therefor with visible light or UV light, through an original having an opaque pattern on a transparent support, e.g. film printing, projection printing; by reflection of visible or UV light from an original such as a printed image
- G03F7/2004—Exposure; Apparatus therefor with visible light or UV light, through an original having an opaque pattern on a transparent support, e.g. film printing, projection printing; by reflection of visible or UV light from an original such as a printed image characterised by the use of a particular light source, e.g. fluorescent lamps or deep UV light
- G03F7/2006—Exposure; Apparatus therefor with visible light or UV light, through an original having an opaque pattern on a transparent support, e.g. film printing, projection printing; by reflection of visible or UV light from an original such as a printed image characterised by the use of a particular light source, e.g. fluorescent lamps or deep UV light using coherent light; using polarised light
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、金属・セラミックス
・樹脂などの材料を加工するレーザ加工装置に使用され
る光伝送装置、とくに加工や表面処理の目的でレーザ光
を伝送するための光伝送装置に関するものである。
・樹脂などの材料を加工するレーザ加工装置に使用され
る光伝送装置、とくに加工や表面処理の目的でレーザ光
を伝送するための光伝送装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図30は例えば特公平2−55157号
公報に示された従来の光伝送装置である。図30におい
て、1はレーザ発振器、2は発振器からの光を集光して
ファイバ3へ入射させる集光レンズ、4はファイバ3か
ら出射した光を被照射物5に照射する照射レンズ、1
1、12、13、16はレーザ光である。このとき、効
率よくレーザエネルギーを利用するために、集光レンズ
2および照射レンズ4の焦点距離、各光学系の位置関係
を最適化している。
公報に示された従来の光伝送装置である。図30におい
て、1はレーザ発振器、2は発振器からの光を集光して
ファイバ3へ入射させる集光レンズ、4はファイバ3か
ら出射した光を被照射物5に照射する照射レンズ、1
1、12、13、16はレーザ光である。このとき、効
率よくレーザエネルギーを利用するために、集光レンズ
2および照射レンズ4の焦点距離、各光学系の位置関係
を最適化している。
【0003】次に動作について説明する。レーザ発振器
1から出力されたレーザ光11は集光レンズ2によって
集光され(レーザ光12)、光ファイバ3へ導入され
る。導入された光は光ファイバ3の他方の端から出射す
る(レーザ光13)。出射した光13は照射レンズ4に
よって被照射物5上で結像される。
1から出力されたレーザ光11は集光レンズ2によって
集光され(レーザ光12)、光ファイバ3へ導入され
る。導入された光は光ファイバ3の他方の端から出射す
る(レーザ光13)。出射した光13は照射レンズ4に
よって被照射物5上で結像される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の光伝送装置は以
上のように構成されており、従来の光学系において、使
用されているレンズは図30に示されたように球面レン
ズであり、伝送されるレーザ光は光の進行方向に対して
軸対象となっている。従って、被照射物上に照射される
レーザビームの形状は円形のスポット形状に限られ、し
かも通常、ビームを最も細く絞るには照射レンズ4によ
ってファイバ出力端のビーム分布を縮小転写する構成を
とるため、被照射部に照射されるビーム分布はファイバ
出力端における強度分布(通常はトップハット形状)を反
映してトップハット形状に限られている。また、結像点
からさらに進行する方向のビームは、一つのレンズ群に
よる結像光学系では、拡がりが大きいため、被加工物に
照射した場合に焦点深度の深い加工ができないという問
題点があった。
上のように構成されており、従来の光学系において、使
用されているレンズは図30に示されたように球面レン
ズであり、伝送されるレーザ光は光の進行方向に対して
軸対象となっている。従って、被照射物上に照射される
レーザビームの形状は円形のスポット形状に限られ、し
かも通常、ビームを最も細く絞るには照射レンズ4によ
ってファイバ出力端のビーム分布を縮小転写する構成を
とるため、被照射部に照射されるビーム分布はファイバ
出力端における強度分布(通常はトップハット形状)を反
映してトップハット形状に限られている。また、結像点
からさらに進行する方向のビームは、一つのレンズ群に
よる結像光学系では、拡がりが大きいため、被加工物に
照射した場合に焦点深度の深い加工ができないという問
題点があった。
【0005】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、光軸に垂直な面内で最適な光強
度分布を有する光を被照射物に照射して、任意の加工が
できる光伝送装置を提供することである。
ためになされたもので、光軸に垂直な面内で最適な光強
度分布を有する光を被照射物に照射して、任意の加工が
できる光伝送装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の光伝送装置
は、レーザ発振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、
伝播された光を被照射物上に照射する際に、被照射物付
近での、光軸に垂直な面内での光強度分布を所定の光強
度分布に調整する調整手段を有するものであって、照射
光学系及び調整手段を、収差をともなって像を形成する
第1のレンズと、第1のレンズによる上記像のうち、所
定の光強度分布を有する位置の像を被照射物上に結像す
る第2のレンズで構成したものである。
は、レーザ発振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、
伝播された光を被照射物上に照射する際に、被照射物付
近での、光軸に垂直な面内での光強度分布を所定の光強
度分布に調整する調整手段を有するものであって、照射
光学系及び調整手段を、収差をともなって像を形成する
第1のレンズと、第1のレンズによる上記像のうち、所
定の光強度分布を有する位置の像を被照射物上に結像す
る第2のレンズで構成したものである。
【0007】この発明の光伝送装置は、上記第1のレン
ズと上記第2のレンズの間の距離を可変できる可変機構
を備えたものである。
ズと上記第2のレンズの間の距離を可変できる可変機構
を備えたものである。
【0008】この発明の光伝送装置は、上記第1のレン
ズによる像位置にマスクを設置したものである。
ズによる像位置にマスクを設置したものである。
【0009】この発明の光伝送装置は、上記マスクの形
状を円形にして、円形部分のみ光を透過するようにした
ものである。
状を円形にして、円形部分のみ光を透過するようにした
ものである。
【0010】この発明の光伝送装置は、上記マスクの形
状を円環状にして、円環状の部分のみ光を透過させるよ
うにしたものである。
状を円環状にして、円環状の部分のみ光を透過させるよ
うにしたものである。
【0011】
【作用】この発明の光伝送装置においては、収差をとも
なって像を形成する第1のレンズを備えており、第1の
レンズによる像は光軸に垂直な方向に種々の光強度分布
を有する像が得られる。第2のレンズはこれらの像の中
から所定の光強度分布を有する位置の像を被照射物上に
結像するので、被照射物上に所望の光強度分布を有する
像を結像することができ、任意の加工ができる。
なって像を形成する第1のレンズを備えており、第1の
レンズによる像は光軸に垂直な方向に種々の光強度分布
を有する像が得られる。第2のレンズはこれらの像の中
から所定の光強度分布を有する位置の像を被照射物上に
結像するので、被照射物上に所望の光強度分布を有する
像を結像することができ、任意の加工ができる。
【0012】この発明の光伝送装置においては、上述の
第1のレンズと第2のレンズの間の距離を可変機構によ
り変えることにより、第1のレンズによる、種々の光強
度分布の像の中から所望の光強度分布を有する像を選択
して照射物上に結像できるので、種々のビーム形状の加
工ビームが上記距離を変えるだけで容易に得られる。
第1のレンズと第2のレンズの間の距離を可変機構によ
り変えることにより、第1のレンズによる、種々の光強
度分布の像の中から所望の光強度分布を有する像を選択
して照射物上に結像できるので、種々のビーム形状の加
工ビームが上記距離を変えるだけで容易に得られる。
【0013】この発明の光伝送装置においては、上記第
1のレンズによる像位置にマスクを設置し、マスクを通
過する光を被照射物上に結像するので、マスク形状に応
じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得られる。
1のレンズによる像位置にマスクを設置し、マスクを通
過する光を被照射物上に結像するので、マスク形状に応
じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得られる。
【0014】この発明の光伝送装置においては、上記マ
スクの形状を円形することにより、円形の加工ビームが
得られ、均一な光が照射できる。
スクの形状を円形することにより、円形の加工ビームが
得られ、均一な光が照射できる。
【0015】この発明の光伝送装置においては、上記マ
スクの形状を円環状にすることにより、円環状の加工ビ
ームが得られ、ビームを走査して加工する場合にも均一
な光照射が可能になる。
スクの形状を円環状にすることにより、円環状の加工ビ
ームが得られ、ビームを走査して加工する場合にも均一
な光照射が可能になる。
【0016】
【実施例】実施例1.
以下、この発明の一実施例を図1に従って説明する。図
1において、1はレーザ発振器であり、このレーザ発振
器1から出力されたレーザ光11は集光レンズ2によっ
て光ファイバ3へ導入される(レーザ光12)。導入さ
れた光は光ファイバ3の他方の端から出射する(レーザ
光13)。出射した光13は球面収差を有する第1のレ
ンズ6によってマスク7付近で結像される(レーザ光1
4)。ここで形成された光強度分布の一部をマスク7で
除去し、除去後の光強度分布を高解像度の第2のレンズ
4によって被照射物5上に転写する。15はマスク7で
一部除去された後のレーザ光、16は被照射物5への結
像ビームである。
1において、1はレーザ発振器であり、このレーザ発振
器1から出力されたレーザ光11は集光レンズ2によっ
て光ファイバ3へ導入される(レーザ光12)。導入さ
れた光は光ファイバ3の他方の端から出射する(レーザ
光13)。出射した光13は球面収差を有する第1のレ
ンズ6によってマスク7付近で結像される(レーザ光1
4)。ここで形成された光強度分布の一部をマスク7で
除去し、除去後の光強度分布を高解像度の第2のレンズ
4によって被照射物5上に転写する。15はマスク7で
一部除去された後のレーザ光、16は被照射物5への結
像ビームである。
【0017】以下、光学系の光路にしたがって詳細を説
明する。図1において、光ファイバ3は途中で折り曲げ
の回転半径を調節するようにしている。この、回転半径
を変化させると、光のファイバ内における反射状況が複
雑になり、ランダムな重ね合わせの効果を生むので、フ
ァイバ出射光のコヒーレンシーを変化させることができ
る。また、ファイバ3を使わず、複数の反射鏡などで光
を伝播させる場合には、レーザ発振器1からの高いコヒ
ーレンシーを持った光がそのままレンズ6に入射すると
考える。第1のレンズ6に入射したレーザ光13は、第
1のレンズが収差を有しているために、結像位置付近で
の結像パターンが図2に示すように、光軸方向に対して
変化する。即ち、デフォーカスに対して、急峻なピーク
をもつ形状Aからリング状の形状B、トップハットの形
状Cへと変化している。
明する。図1において、光ファイバ3は途中で折り曲げ
の回転半径を調節するようにしている。この、回転半径
を変化させると、光のファイバ内における反射状況が複
雑になり、ランダムな重ね合わせの効果を生むので、フ
ァイバ出射光のコヒーレンシーを変化させることができ
る。また、ファイバ3を使わず、複数の反射鏡などで光
を伝播させる場合には、レーザ発振器1からの高いコヒ
ーレンシーを持った光がそのままレンズ6に入射すると
考える。第1のレンズ6に入射したレーザ光13は、第
1のレンズが収差を有しているために、結像位置付近で
の結像パターンが図2に示すように、光軸方向に対して
変化する。即ち、デフォーカスに対して、急峻なピーク
をもつ形状Aからリング状の形状B、トップハットの形
状Cへと変化している。
【0018】次に、上述した第1のレンズ6のデフォー
カスによって異なる光強度分布を、被照射物5上に転写
する場合を図3を用い説明する。図3(a)において、
レンズ6に対する入射光13はデフォーカス位置に応じ
てピーク形状A、リング形状B、またはトップハット形
状Cをとる。被照射物に照射される所望の分布形状が例
えばトップハット形状である場合には、トップハット形
状Cをとるデフォーカス位置に、さらにビーム分布の裾
をカットして整形するために、図3(b)に示すような
円形のマスク7を設置する。つぎに、マスク7により整
形されたビーム分布を高解像度の第2のレンズ4によ
り、被照射物上に縮小転写して、微小なトップハット形
状の分布をえる。同様にして、第1のレンズ6の位置、
またはマスク7と第2のレンズ4の位置を変え、第1の
レンズ6のデフォーカスを変化させることで最終的な第
2のレンズ4による分布形状を、リング状あるいはピー
ク形状にすることができる。なお、図3において、必ず
しもマスク7を設けなくてもよく、第1のレンズ6と第
2のレンズ4の間の距離を調整することで所望の形状の
結像パターンを有するレーザ光が得られる。
カスによって異なる光強度分布を、被照射物5上に転写
する場合を図3を用い説明する。図3(a)において、
レンズ6に対する入射光13はデフォーカス位置に応じ
てピーク形状A、リング形状B、またはトップハット形
状Cをとる。被照射物に照射される所望の分布形状が例
えばトップハット形状である場合には、トップハット形
状Cをとるデフォーカス位置に、さらにビーム分布の裾
をカットして整形するために、図3(b)に示すような
円形のマスク7を設置する。つぎに、マスク7により整
形されたビーム分布を高解像度の第2のレンズ4によ
り、被照射物上に縮小転写して、微小なトップハット形
状の分布をえる。同様にして、第1のレンズ6の位置、
またはマスク7と第2のレンズ4の位置を変え、第1の
レンズ6のデフォーカスを変化させることで最終的な第
2のレンズ4による分布形状を、リング状あるいはピー
ク形状にすることができる。なお、図3において、必ず
しもマスク7を設けなくてもよく、第1のレンズ6と第
2のレンズ4の間の距離を調整することで所望の形状の
結像パターンを有するレーザ光が得られる。
【0019】図4(a)(b)(C)はいずれも第1の
レンズ6による光強度分布がトップハット形状の分布と
なる位置に、先の場合と同様にビーム分布の裾の部分を
整形するため、マスク7を使用し、マスク7を出た光を
高解像度の第2のレンズにより転写するものであるが、
図4(b)(c)に示すように、マスク形状として微小
な円形状や、輪帯状のものを使用してもよい。この場
合、エネルギー的には図3の場合よりも損失となるが、
レンズ間の距離の調整をしなくても、マスク7を交換す
るだけで微小なスポットビームやリング状の強度分布を
容易に得ることができる。
レンズ6による光強度分布がトップハット形状の分布と
なる位置に、先の場合と同様にビーム分布の裾の部分を
整形するため、マスク7を使用し、マスク7を出た光を
高解像度の第2のレンズにより転写するものであるが、
図4(b)(c)に示すように、マスク形状として微小
な円形状や、輪帯状のものを使用してもよい。この場
合、エネルギー的には図3の場合よりも損失となるが、
レンズ間の距離の調整をしなくても、マスク7を交換す
るだけで微小なスポットビームやリング状の強度分布を
容易に得ることができる。
【0020】なお、上記実施例において、第1のレンズ
6として球面収差を有するレンズを用いたが、こま収差
や、非点収差を有するレンズを用い、同様にして種々の
形状の結像パターンを実現するようにしてもよい。
6として球面収差を有するレンズを用いたが、こま収差
や、非点収差を有するレンズを用い、同様にして種々の
形状の結像パターンを実現するようにしてもよい。
【0021】参考例1.
次に、この発明の参考例を図について説明する。従来、
光ファイバを伝播光学系に用いるものにおいて、光ファ
イバの光軸に対して平行にビームを入射していたのに対
して、本参考例においては、光ファイバの光軸に対し
て、角度を持たせて光を導入することにより、ファイバ
出力光の光分布をトップハット形状から円環状まで制御
して変化させる。図5は本参考例による光伝送装置の構
成図である。図5において、1はレーザ発振器、2は集
光レンズ、3は光ファイバ、9は光ファイバ3の入射口
32とXYθステージ8とからなる入射角度制御機構、
33は光ファイバ出射口である。
光ファイバを伝播光学系に用いるものにおいて、光ファ
イバの光軸に対して平行にビームを入射していたのに対
して、本参考例においては、光ファイバの光軸に対し
て、角度を持たせて光を導入することにより、ファイバ
出力光の光分布をトップハット形状から円環状まで制御
して変化させる。図5は本参考例による光伝送装置の構
成図である。図5において、1はレーザ発振器、2は集
光レンズ、3は光ファイバ、9は光ファイバ3の入射口
32とXYθステージ8とからなる入射角度制御機構、
33は光ファイバ出射口である。
【0022】以下、光学系の光路にしたがって詳細を説
明する。図5において、レーザ発振器1を出射したレー
ザ光11は、集光レンズ2を通過し、光ファイバ3の入
射口32へと集束せられる(レーザ光12)。光ファイ
バ3の入射口32は集光レンズ2の焦点位置に設置され
ている。また入射口32はXYθステージ8と連結され
ており、入射角度制御機構9を構成する。前記機構9に
より、入射口32の中心位置がレーザ光12の集束点1
8からずれることなく、光ファイバ端面の光軸との角度
だけが変化するような制御がなされる。図6にXYθス
テージ8の移動の軌跡を示す。図6を参照して、XYθ
ステージ8と光ファイバ3の入射口32との連結点81
は、レーザ光の集光レンズ2による集束点18を原点と
して、次式で示される軌跡を描いて移動する。 X(θ)=R×cosθ Y(θ)=R×sinθ ただし、Rは入射端面の中心18とXYθステージ8と
光ファイバ3との連結部分の中心81との距離、θは光
軸と光ファイバ中心軸とのなす角度である。このよう
に、光ファイバ3に対して入射角度をつけると、光ファ
イバ出射端面から一定距離以上離れた位置20(モード
変換面と呼ぶ)においてビームの強度分布が変化するの
である。以下にヘリウムネオンレーザを用いて行った実
験の結果を示す。
明する。図5において、レーザ発振器1を出射したレー
ザ光11は、集光レンズ2を通過し、光ファイバ3の入
射口32へと集束せられる(レーザ光12)。光ファイ
バ3の入射口32は集光レンズ2の焦点位置に設置され
ている。また入射口32はXYθステージ8と連結され
ており、入射角度制御機構9を構成する。前記機構9に
より、入射口32の中心位置がレーザ光12の集束点1
8からずれることなく、光ファイバ端面の光軸との角度
だけが変化するような制御がなされる。図6にXYθス
テージ8の移動の軌跡を示す。図6を参照して、XYθ
ステージ8と光ファイバ3の入射口32との連結点81
は、レーザ光の集光レンズ2による集束点18を原点と
して、次式で示される軌跡を描いて移動する。 X(θ)=R×cosθ Y(θ)=R×sinθ ただし、Rは入射端面の中心18とXYθステージ8と
光ファイバ3との連結部分の中心81との距離、θは光
軸と光ファイバ中心軸とのなす角度である。このよう
に、光ファイバ3に対して入射角度をつけると、光ファ
イバ出射端面から一定距離以上離れた位置20(モード
変換面と呼ぶ)においてビームの強度分布が変化するの
である。以下にヘリウムネオンレーザを用いて行った実
験の結果を示す。
【0023】図7(a)は実験装置の構成図である。図
7(a)において、50はヘリウムネオンレーザ、60
は焦点距離40mmの平凸レンズ、8はXYθステー
ジ、70はコア系400μm、長さ5m、NA=0.2の
ステップインデックス型光ファイバ、90はCCDカメ
ラである。ヘリウムネオンレーザ光51を焦点距離40
mmの平凸レンズ60で光ファイバ70の入射端面72
に集光して入射させ(入射光52)、出射端面73から
約20mmの位置での出射光53の強度分布をCCDカ
メラ90を用いて計測した。図7(b)(c)(d)に
結果を示す。図7(b)から(d)へと入射角度を0度
から徐々に大きくするとビームの強度分布が略ガウス状
から略矩形状、さらには、略円環状へと変化することが
分かる。このように、光ファイバへの入射角度を変化さ
せることにより出射光の強度分布を制御することができ
る。
7(a)において、50はヘリウムネオンレーザ、60
は焦点距離40mmの平凸レンズ、8はXYθステー
ジ、70はコア系400μm、長さ5m、NA=0.2の
ステップインデックス型光ファイバ、90はCCDカメ
ラである。ヘリウムネオンレーザ光51を焦点距離40
mmの平凸レンズ60で光ファイバ70の入射端面72
に集光して入射させ(入射光52)、出射端面73から
約20mmの位置での出射光53の強度分布をCCDカ
メラ90を用いて計測した。図7(b)(c)(d)に
結果を示す。図7(b)から(d)へと入射角度を0度
から徐々に大きくするとビームの強度分布が略ガウス状
から略矩形状、さらには、略円環状へと変化することが
分かる。このように、光ファイバへの入射角度を変化さ
せることにより出射光の強度分布を制御することができ
る。
【0024】図5において、光ファイバ3を出射したレ
ーザ光13は、第1のレンズ6により前記モード変換面
20上の光強度分布の像がマスク7付近で結像される。
ここで形成された光強度分布の一部をマスク7で除去
し、除去後の光強度分布を高解像度の第2のレンズ4に
より被照射物5上に転写し、溶接・切断・表面改質など
の加工・処理を行なう。
ーザ光13は、第1のレンズ6により前記モード変換面
20上の光強度分布の像がマスク7付近で結像される。
ここで形成された光強度分布の一部をマスク7で除去
し、除去後の光強度分布を高解像度の第2のレンズ4に
より被照射物5上に転写し、溶接・切断・表面改質など
の加工・処理を行なう。
【0025】なお、本参考例ではモード変換面20上の
光強度分布の像を第1のレンズ6により一旦マスク7付
近で結像し、形成された光強度分布の一部をマスク7で
除去し、除去後の光強度分布を、高解像度の第2のレン
ズ4により被照射物5上に転写したが、伝播された光を
被照射物上に照射する照射光学系としては、一つのレン
ズによってモード変換面20上の光強度分布の像を被照
射物上に転写する光学系としてもよい。
光強度分布の像を第1のレンズ6により一旦マスク7付
近で結像し、形成された光強度分布の一部をマスク7で
除去し、除去後の光強度分布を、高解像度の第2のレン
ズ4により被照射物5上に転写したが、伝播された光を
被照射物上に照射する照射光学系としては、一つのレン
ズによってモード変換面20上の光強度分布の像を被照
射物上に転写する光学系としてもよい。
【0026】参考例2.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図8に示す
ような構成をとるものを示す。図8において、前記集光
レンズ2は、光ファイバ3の入射口32と互いに光軸中
心を一致させた状態で、かつ集光レンズ2の焦点位置が
入射端面にくるようにフレーム100により固定されて
いる。前記フレーム100は光軸に垂直な面内を移動で
きるステージ101に取付られている。このような構成
の光学系にレーザ光の光軸中心と前記光学系の光軸中心
とを平行に保った状態で、前記フレーム100ごとステ
ージ101により光軸に垂直な面内で移動すると、レー
ザ光の集束点を光ファイバ入射口32の中心上に保った
まま入射角度だけを変化させることができる。その他の
部分については前記参考例1と同様であるので説明を省
略する。この様な構成とすることにより、参考例1と比
べ、易しい制御で入射角度の変化が実現できる。
参考例においては、入射角度制御機構として図8に示す
ような構成をとるものを示す。図8において、前記集光
レンズ2は、光ファイバ3の入射口32と互いに光軸中
心を一致させた状態で、かつ集光レンズ2の焦点位置が
入射端面にくるようにフレーム100により固定されて
いる。前記フレーム100は光軸に垂直な面内を移動で
きるステージ101に取付られている。このような構成
の光学系にレーザ光の光軸中心と前記光学系の光軸中心
とを平行に保った状態で、前記フレーム100ごとステ
ージ101により光軸に垂直な面内で移動すると、レー
ザ光の集束点を光ファイバ入射口32の中心上に保った
まま入射角度だけを変化させることができる。その他の
部分については前記参考例1と同様であるので説明を省
略する。この様な構成とすることにより、参考例1と比
べ、易しい制御で入射角度の変化が実現できる。
【0027】参考例3.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図9に示す
ような構成をとるものを示す。図9において、110は
平面ミラー、111、112はウェッジ基板である。平
面ミラー110の設置角度はウェッジ基板111を通過
した後のレーザ光が光軸と平行となるように以下に示す
式に従い設定される。すなわち平面ミラー110の設置
角度は、図10を参照して、ウェッジ基板112のウェ
ッジ角度をθW、ウェッジ構成材料の屈折率をnW、レー
ザ入射角をθLとしたとき、 θL=(π/2+sin-1(nW×sinθW)−θW)/
2 であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。また、図10において113はレーザ光の進
路、110aは平面ミラー110の回転中心軸である。
入射角度は例えば異なるウェッジ角度を持つウェッジ基
板112に変更すると同時に、前記平面ミラーの角度を
前記式から求められる角度とすることにより変化させ
る。その他の部分については前記参考例1と同様である
ので説明を省略する。この様な構成とすることにより、
参考例1、2と比べ、簡単な構成で、しかも光ファイバ
の入射口が動くより高速に駆動できる。
参考例においては、入射角度制御機構として図9に示す
ような構成をとるものを示す。図9において、110は
平面ミラー、111、112はウェッジ基板である。平
面ミラー110の設置角度はウェッジ基板111を通過
した後のレーザ光が光軸と平行となるように以下に示す
式に従い設定される。すなわち平面ミラー110の設置
角度は、図10を参照して、ウェッジ基板112のウェ
ッジ角度をθW、ウェッジ構成材料の屈折率をnW、レー
ザ入射角をθLとしたとき、 θL=(π/2+sin-1(nW×sinθW)−θW)/
2 であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。また、図10において113はレーザ光の進
路、110aは平面ミラー110の回転中心軸である。
入射角度は例えば異なるウェッジ角度を持つウェッジ基
板112に変更すると同時に、前記平面ミラーの角度を
前記式から求められる角度とすることにより変化させ
る。その他の部分については前記参考例1と同様である
ので説明を省略する。この様な構成とすることにより、
参考例1、2と比べ、簡単な構成で、しかも光ファイバ
の入射口が動くより高速に駆動できる。
【0028】参考例4.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図11に示
すような構成をとるものを示す。図11(a)におい
て、120は例えば2種類のウェッジ角度を有する特殊
ウェッジ基板(図11(b)参照)である。平面ミラー
110の設置角度は特殊ウェッジ基板120を通過した
後のレーザ光が光軸と平行となるように以下に示す式に
従い設定される。すなわち平面ミラー110の設置角度
は、前記参考例3と同様に、特殊ウェッジ基板120の
ウェッジ角度をθW1、θW2、ウェッジ構成材料の屈折率
をnW、レーザ入射角をθL1、θL2としたとき、 θL1=(π/2+sin-1(nW×sinθW1)−
θW1)/2 θL2=(π/2+sin-1(nW×sinθW2)−
θW2)/2 であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。特殊ウェッジ基板のウェッジ角度はここで示
したように2個に限定されるものではなく3個以上有し
ているような構造でもよい。また、図11において、1
10aは平面ミラー110の回転中心軸である。入射角
度は、前記特殊ウェッジ基板の各ウェッジ角度に対応し
た前記平面ミラーの角度を前記式から求められる角度と
することにより変化させる。その他の部分については前
記参考例1と同様であるので説明を省略する。この様な
構成とすることにより、参考例3と比べ、高速に光強度
分布を変化させることができる。
参考例においては、入射角度制御機構として図11に示
すような構成をとるものを示す。図11(a)におい
て、120は例えば2種類のウェッジ角度を有する特殊
ウェッジ基板(図11(b)参照)である。平面ミラー
110の設置角度は特殊ウェッジ基板120を通過した
後のレーザ光が光軸と平行となるように以下に示す式に
従い設定される。すなわち平面ミラー110の設置角度
は、前記参考例3と同様に、特殊ウェッジ基板120の
ウェッジ角度をθW1、θW2、ウェッジ構成材料の屈折率
をnW、レーザ入射角をθL1、θL2としたとき、 θL1=(π/2+sin-1(nW×sinθW1)−
θW1)/2 θL2=(π/2+sin-1(nW×sinθW2)−
θW2)/2 であらわされる角度とする。ここで角度の単位はラジア
ンである。特殊ウェッジ基板のウェッジ角度はここで示
したように2個に限定されるものではなく3個以上有し
ているような構造でもよい。また、図11において、1
10aは平面ミラー110の回転中心軸である。入射角
度は、前記特殊ウェッジ基板の各ウェッジ角度に対応し
た前記平面ミラーの角度を前記式から求められる角度と
することにより変化させる。その他の部分については前
記参考例1と同様であるので説明を省略する。この様な
構成とすることにより、参考例3と比べ、高速に光強度
分布を変化させることができる。
【0029】参考例5.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図12に示
すような構成をとるものを示す。図12(a)におい
て、130はウェッジ角度の異なるウェッジ基板を円周
方向に連続的に並べたような特殊基板、131はモータ
ーである。また、図12(b)は前記特殊基板130の
上面図、図12(c)は図12(b)のA−A線での断
面図である。平面ミラー110の設置角度は特殊ウェッ
ジ基板130を通過した後のレーザ光が光軸と平行とな
るよう、前記参考例3と同様の式に従い制御される。ま
た図12において、110aは平面ミラー110の回転
中心軸である。入射角度は前記平面ミラーと前記特殊基
板を同期させて回転させることにより変化させる。その
他の部分については前記参考例1と同様であるので説明
を省略する。この様な構成とすることにより、参考例4
と比べ、多数の角度を使用できるようになり、より滑ら
かで、高速な光強度分布の変化が実現できる。
参考例においては、入射角度制御機構として図12に示
すような構成をとるものを示す。図12(a)におい
て、130はウェッジ角度の異なるウェッジ基板を円周
方向に連続的に並べたような特殊基板、131はモータ
ーである。また、図12(b)は前記特殊基板130の
上面図、図12(c)は図12(b)のA−A線での断
面図である。平面ミラー110の設置角度は特殊ウェッ
ジ基板130を通過した後のレーザ光が光軸と平行とな
るよう、前記参考例3と同様の式に従い制御される。ま
た図12において、110aは平面ミラー110の回転
中心軸である。入射角度は前記平面ミラーと前記特殊基
板を同期させて回転させることにより変化させる。その
他の部分については前記参考例1と同様であるので説明
を省略する。この様な構成とすることにより、参考例4
と比べ、多数の角度を使用できるようになり、より滑ら
かで、高速な光強度分布の変化が実現できる。
【0030】参考例6.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図13に示
すような構成をとるものを示す。図13(a)におい
て、140は半径方向にウェッジ角度が一定でかつ円周
方向に連続的に前記半径方向のウェッジ角度の変化があ
るような特殊ウェッジ基板である。また、図13(b)
は前記特殊ウェッジ基板140の上面図、図13(c)
は図13(b)のA−A線での断面図である。平面ミラ
ー110の設置角度は特殊ウェッジ基板140を通過し
た後のレーザ光が光軸と平行となるよう、前記参考例3
と同様の式に従い制御される。また図13において、1
10aは平面ミラー110の回転中心軸である。入射角
度は前記平面ミラーと前記特殊ウェッジ基板を同期させ
て回転させることにより変化させる。その他の部分につ
いては前記参考例1と同様であるので説明を省略する。
この様な構成とすることにより、参考例5において発生
するウェッジ基板の境目による光強度分布の乱れが防止
できる。
参考例においては、入射角度制御機構として図13に示
すような構成をとるものを示す。図13(a)におい
て、140は半径方向にウェッジ角度が一定でかつ円周
方向に連続的に前記半径方向のウェッジ角度の変化があ
るような特殊ウェッジ基板である。また、図13(b)
は前記特殊ウェッジ基板140の上面図、図13(c)
は図13(b)のA−A線での断面図である。平面ミラ
ー110の設置角度は特殊ウェッジ基板140を通過し
た後のレーザ光が光軸と平行となるよう、前記参考例3
と同様の式に従い制御される。また図13において、1
10aは平面ミラー110の回転中心軸である。入射角
度は前記平面ミラーと前記特殊ウェッジ基板を同期させ
て回転させることにより変化させる。その他の部分につ
いては前記参考例1と同様であるので説明を省略する。
この様な構成とすることにより、参考例5において発生
するウェッジ基板の境目による光強度分布の乱れが防止
できる。
【0031】参考例7.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図14に示
すような構成をとるものを示す。図14において、15
0は頂点に開口部のある放物面ミラー、110は平面ミ
ラーである。平面ミラー110の回転中心軸110aは
放物面ミラー150の焦点に設置されている。入射角度
の変化は、前記平面ミラー110の角度を変化させるこ
とにより行う。その他の部分については前記参考例1と
同様であるので説明を省略する。この様な構成とするこ
とにより、前記各参考例に比べ、構成が簡単で、駆動部
も少なく、かつかつ高速に入射角度の変化が実現でき
る。
参考例においては、入射角度制御機構として図14に示
すような構成をとるものを示す。図14において、15
0は頂点に開口部のある放物面ミラー、110は平面ミ
ラーである。平面ミラー110の回転中心軸110aは
放物面ミラー150の焦点に設置されている。入射角度
の変化は、前記平面ミラー110の角度を変化させるこ
とにより行う。その他の部分については前記参考例1と
同様であるので説明を省略する。この様な構成とするこ
とにより、前記各参考例に比べ、構成が簡単で、駆動部
も少なく、かつかつ高速に入射角度の変化が実現でき
る。
【0032】参考例8.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図15に示
すような構成をとるものを示す。図15において、16
0は例えば2枚のレンズにより構成されたレーザ光を拡
大するズーム光学系、170は遮光板である。レーザ光
はズーム光学系160によりビーム径が拡大される。ズ
ーム光学系を出射したレーザ光は、遮光板170により
その中心部分が円形に遮光され円環状に整形される。円
環状に整形されたレーザ光は集光レンズ2により光ファ
イバ入射端面の中心に集光される。入射角度の変化は、
前記遮光板170を内径、外径の異なるものに変更する
ことにより行う。また、前記ズーム光学系は前記構成に
限定されるものではなくビーム径を拡大するような機能
を有するものであれば良い。また、ビーム径が充分大き
ければ無くてもよい。その他の部分については前記参考
例1と同様であるので説明を省略する。この様な構成と
することにより、得られる加工ビームの軸対称性がよく
なる。
参考例においては、入射角度制御機構として図15に示
すような構成をとるものを示す。図15において、16
0は例えば2枚のレンズにより構成されたレーザ光を拡
大するズーム光学系、170は遮光板である。レーザ光
はズーム光学系160によりビーム径が拡大される。ズ
ーム光学系を出射したレーザ光は、遮光板170により
その中心部分が円形に遮光され円環状に整形される。円
環状に整形されたレーザ光は集光レンズ2により光ファ
イバ入射端面の中心に集光される。入射角度の変化は、
前記遮光板170を内径、外径の異なるものに変更する
ことにより行う。また、前記ズーム光学系は前記構成に
限定されるものではなくビーム径を拡大するような機能
を有するものであれば良い。また、ビーム径が充分大き
ければ無くてもよい。その他の部分については前記参考
例1と同様であるので説明を省略する。この様な構成と
することにより、得られる加工ビームの軸対称性がよく
なる。
【0033】参考例9.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図16に示
すような構成をとるものを示す。図16において、16
0は例えば2枚のレンズにより構成されたレーザ光を拡
大するズーム光学系、180、181はアクシコンレン
ズ、182は光軸方向に移動可能なステージである。レ
ーザ光はズーム光学系160によりビーム径が拡大され
る。ズーム光学系を出射したレーザ光は、2個の互いに
対向して設置されたアクシコンレンズ180、181を
通過する。アクシコンレンズの一方は光軸方向に移動可
能なステージ182上に設置されている。アクシコンレ
ンズを通過したレーザ光は円環状に変換される。変換さ
れたレーザ光の径は、ステージ182により一方のアク
シコンレンズを光軸方向に移動することにより変化させ
る。これにより光ファイバへの入射角度の制御を行う。
また、前記ズーム光学系は前記構成に限定されるもので
はなくビーム径を拡大するような機能を有するものであ
れば良い。その他の部分については前記参考例1と同様
であるので説明を省略する。この様な構成とすることに
より、参考例8に比べ、遮光板でのエネルギーのロスが
防げる。
参考例においては、入射角度制御機構として図16に示
すような構成をとるものを示す。図16において、16
0は例えば2枚のレンズにより構成されたレーザ光を拡
大するズーム光学系、180、181はアクシコンレン
ズ、182は光軸方向に移動可能なステージである。レ
ーザ光はズーム光学系160によりビーム径が拡大され
る。ズーム光学系を出射したレーザ光は、2個の互いに
対向して設置されたアクシコンレンズ180、181を
通過する。アクシコンレンズの一方は光軸方向に移動可
能なステージ182上に設置されている。アクシコンレ
ンズを通過したレーザ光は円環状に変換される。変換さ
れたレーザ光の径は、ステージ182により一方のアク
シコンレンズを光軸方向に移動することにより変化させ
る。これにより光ファイバへの入射角度の制御を行う。
また、前記ズーム光学系は前記構成に限定されるもので
はなくビーム径を拡大するような機能を有するものであ
れば良い。その他の部分については前記参考例1と同様
であるので説明を省略する。この様な構成とすることに
より、参考例8に比べ、遮光板でのエネルギーのロスが
防げる。
【0034】参考例10.
次に、この発明の他の参考例を図について説明する。本
参考例においては、入射角度制御機構として図17に示
すような構成をとるものを示す。図17において、19
0は頂点に開口部を有する楕円ミラー、110は平面ミ
ラーである。平面ミラー110の回転中心軸110aは
楕円ミラー190の第1焦点に設置し、光ファイバの入
射端面32は前記楕円ミラーの第2焦点に設置する。楕
円ミラーの第1焦点を発した光は第2焦点へと集束する
性質を有しているので、平面ミラー110の角度を変化
させることにより入射角度の制御ができる。その他の部
分については前記参考例1と同様であるので説明を省略
する。この様な構成とすることにより、参考例7と同
様、構成が簡単で、駆動部も少なく、かつかつ高速に入
射角度の変化が実現できる。
参考例においては、入射角度制御機構として図17に示
すような構成をとるものを示す。図17において、19
0は頂点に開口部を有する楕円ミラー、110は平面ミ
ラーである。平面ミラー110の回転中心軸110aは
楕円ミラー190の第1焦点に設置し、光ファイバの入
射端面32は前記楕円ミラーの第2焦点に設置する。楕
円ミラーの第1焦点を発した光は第2焦点へと集束する
性質を有しているので、平面ミラー110の角度を変化
させることにより入射角度の制御ができる。その他の部
分については前記参考例1と同様であるので説明を省略
する。この様な構成とすることにより、参考例7と同
様、構成が簡単で、駆動部も少なく、かつかつ高速に入
射角度の変化が実現できる。
【0035】参考例11.
次に、この発明のさらに他の参考例を図について説明す
る。本参考例においては、照射光学系として、球面レン
ズを使用していたところに、図18に示すような円筒面
レンズを二枚使用し、長円形のビームを実現できるもの
を示す。図18(a)において、15はマスクを出射し
た光、41は図のx方向に屈折力を持った円筒面レン
ズ、42は図のy方向に屈折力を持った円筒面レンズで
ある。それぞれのレンズの焦点距離f1、f2は異なる値
を持たせてある。レンズ41およびレンズ42による結
像位置はA’の位置にくるようにしている。この時の倍
率はx方向とy方向とで異なりそれぞれM1、M2であ
り、この時レンズは所望の倍率M1、M2に対して、次の
式で与えられる焦点距離のものを使用すればよい。 f1=L・M1/(1+1/M1)2 f2=L・M2/(1+1/M2)2 ここで、Lはマスク7と被照射物5との距離、M1、M2
はそれぞれ、x方向、y方向の倍率である。従って、f
1、f2を任意に選ぶことにより、被照射物上に照射する
ビームの形状を長楕円形状にして結像することができ
る。
る。本参考例においては、照射光学系として、球面レン
ズを使用していたところに、図18に示すような円筒面
レンズを二枚使用し、長円形のビームを実現できるもの
を示す。図18(a)において、15はマスクを出射し
た光、41は図のx方向に屈折力を持った円筒面レン
ズ、42は図のy方向に屈折力を持った円筒面レンズで
ある。それぞれのレンズの焦点距離f1、f2は異なる値
を持たせてある。レンズ41およびレンズ42による結
像位置はA’の位置にくるようにしている。この時の倍
率はx方向とy方向とで異なりそれぞれM1、M2であ
り、この時レンズは所望の倍率M1、M2に対して、次の
式で与えられる焦点距離のものを使用すればよい。 f1=L・M1/(1+1/M1)2 f2=L・M2/(1+1/M2)2 ここで、Lはマスク7と被照射物5との距離、M1、M2
はそれぞれ、x方向、y方向の倍率である。従って、f
1、f2を任意に選ぶことにより、被照射物上に照射する
ビームの形状を長楕円形状にして結像することができ
る。
【0036】図18(b)には倍率M1≒M2とした場合
の例を示している。このように、M1≒M2の場合には結
像位置A’ではほぼマスク面上の分布が再現されるが、
デフォーカス点Cの位置では方形の強度分布を得ること
もできる。
の例を示している。このように、M1≒M2の場合には結
像位置A’ではほぼマスク面上の分布が再現されるが、
デフォーカス点Cの位置では方形の強度分布を得ること
もできる。
【0037】なお、図18においては、例えば実施例1
におけるマスク位置のビーム形状をそのまま、あるいは
形状を変えて転写するものを示したが、マスクの無いも
のであっても良いし、また、図30に示すような従来の
系においても、光ファイバから出射するビーム形状を同
様にして、二枚の円筒面レンズにより結像して、光軸に
垂直方向の光強度分布を調整するようにしてもよい。
におけるマスク位置のビーム形状をそのまま、あるいは
形状を変えて転写するものを示したが、マスクの無いも
のであっても良いし、また、図30に示すような従来の
系においても、光ファイバから出射するビーム形状を同
様にして、二枚の円筒面レンズにより結像して、光軸に
垂直方向の光強度分布を調整するようにしてもよい。
【0038】参考例12.
次にこの発明の他の参考例について説明する。本参考例
は前記各参考例における結像光学系4に関するもので、
光軸方向の光強度分布を調整するもの、即ち加工を考慮
した場合の焦点深度を改善したものである。まず図19
に、レーザービーム11のモデル化を示した。図19に
おいて、通常のレーザービーム11はコヒーレンシーが
非常に高く、レーザ発振器1から出射するビーム11
は、たとえ有限の幅を持っていても、レーザ出射面にお
ける波面の曲率中心にある点光源1aから光がくるもの
と見なすことができる。これに対して、光ファイバの出
射端面あるいはその結像点からの光はいくつかの点光源
の集まり、すなわち、面状の光源200からの光と見な
さなければならない。この状況を光線によって表現する
と図20の様に書くことができる。この場合の光強度分
布を図示すると図21のように表される。すなわち、光
ファイバ端面では矩形状の強度分布であったものが伝播
するに従い、なだらかな裾を持つ山形に変化する。
は前記各参考例における結像光学系4に関するもので、
光軸方向の光強度分布を調整するもの、即ち加工を考慮
した場合の焦点深度を改善したものである。まず図19
に、レーザービーム11のモデル化を示した。図19に
おいて、通常のレーザービーム11はコヒーレンシーが
非常に高く、レーザ発振器1から出射するビーム11
は、たとえ有限の幅を持っていても、レーザ出射面にお
ける波面の曲率中心にある点光源1aから光がくるもの
と見なすことができる。これに対して、光ファイバの出
射端面あるいはその結像点からの光はいくつかの点光源
の集まり、すなわち、面状の光源200からの光と見な
さなければならない。この状況を光線によって表現する
と図20の様に書くことができる。この場合の光強度分
布を図示すると図21のように表される。すなわち、光
ファイバ端面では矩形状の強度分布であったものが伝播
するに従い、なだらかな裾を持つ山形に変化する。
【0039】以上のような光ビームを被照射物5上に結
像する従来の光学系を図22に示す。これは、単レンズ
4一つ、或は同様の機能を持つ組レンズからなる光学系
であり、そのレンズ4、或は組レンズの焦点距離をf、
光ファイバ端200からレンズ4、或は組レンズの第1
主平面までの距離をa、第2主平面までの距離をbとし
たとき、 1/f=1/a+1/b、 の関係を満たしている。この場合の光線の状況は図22
に示したように、ファイバ端200のAの結像位置A’
から遠ざかる方向に行くにしたがい、ビームが拡がる構
成になっているので、焦点深度が浅いという問題があ
る。
像する従来の光学系を図22に示す。これは、単レンズ
4一つ、或は同様の機能を持つ組レンズからなる光学系
であり、そのレンズ4、或は組レンズの焦点距離をf、
光ファイバ端200からレンズ4、或は組レンズの第1
主平面までの距離をa、第2主平面までの距離をbとし
たとき、 1/f=1/a+1/b、 の関係を満たしている。この場合の光線の状況は図22
に示したように、ファイバ端200のAの結像位置A’
から遠ざかる方向に行くにしたがい、ビームが拡がる構
成になっているので、焦点深度が浅いという問題があ
る。
【0040】これに対して、この参考例では図23にし
めすように、光ファイバからの光13を被照射物5上に
照射するのに、2群のレンズからなる光学系4を使用し
ている。図23において、401は第1のレンズ群、4
02は第2のレンズ群、415はレーザ光である。第1
のレンズ群401の像側焦点位置F1’と第2のレンズ
群402の物側焦点位置F2は一致させて設置する、す
なわち、第1のレンズ群401の第2主平面と第2のレ
ンズ群402の第1主平面との距離d1を、第1のレン
ズ群の焦点距離f1および第2のレンズ群の焦点距離f2
を用いてd1=f1+f2とする。また、第1のレンズ群
401の物側焦点位置F1とファイバ端Aとの距離を
z1、第2のレンズ群の像側焦点位置F2’と被照射物の
位置A’との距離をz2としたとき、次の関係式を満た
すように設置する。 z2=M2z1、M=f2/f1 この場合の光線の状況は図23に示したように、ファイ
バ端Aの結像位置A’から遠ざかる方向を見ると、先の
一群からなる結像系の場合と比較して、光16が被照射
物5に対してほぼ垂直に照射されるので、ビームエネル
ギーの集束性がよく、深い焦点深度が得られる。
めすように、光ファイバからの光13を被照射物5上に
照射するのに、2群のレンズからなる光学系4を使用し
ている。図23において、401は第1のレンズ群、4
02は第2のレンズ群、415はレーザ光である。第1
のレンズ群401の像側焦点位置F1’と第2のレンズ
群402の物側焦点位置F2は一致させて設置する、す
なわち、第1のレンズ群401の第2主平面と第2のレ
ンズ群402の第1主平面との距離d1を、第1のレン
ズ群の焦点距離f1および第2のレンズ群の焦点距離f2
を用いてd1=f1+f2とする。また、第1のレンズ群
401の物側焦点位置F1とファイバ端Aとの距離を
z1、第2のレンズ群の像側焦点位置F2’と被照射物の
位置A’との距離をz2としたとき、次の関係式を満た
すように設置する。 z2=M2z1、M=f2/f1 この場合の光線の状況は図23に示したように、ファイ
バ端Aの結像位置A’から遠ざかる方向を見ると、先の
一群からなる結像系の場合と比較して、光16が被照射
物5に対してほぼ垂直に照射されるので、ビームエネル
ギーの集束性がよく、深い焦点深度が得られる。
【0041】上記の構成をさらに進めて改良したものが
図24に示す構成である。図24において、第1のレン
ズ群401の第2主平面から第2のレンズ群402の第
1主平面までの距離d2は、 d2=f1+f2+Δd、(Δd>0) とした。この時の結像関係式は次のように表される。 z2=M(f2/f1)z1、 M=f1f2/(z1Δd+f1 2)。 これらを書き換えると z1=f1f2z2/(z1Δd+f1 2) ここで、Δdを変化させることにより、被照射物上A’
以降のビーム伝播の状況を変化させることができ、Δd
=0の単純な場合に比較してさらに、焦点深度を深くす
ることができる。とくに、 f1〉0、f2〉0、Δd>0、かつ −f1 2/(f2+Δd)<z1<f1、 の条件を満足させると上記の効果がおおきくなる。
図24に示す構成である。図24において、第1のレン
ズ群401の第2主平面から第2のレンズ群402の第
1主平面までの距離d2は、 d2=f1+f2+Δd、(Δd>0) とした。この時の結像関係式は次のように表される。 z2=M(f2/f1)z1、 M=f1f2/(z1Δd+f1 2)。 これらを書き換えると z1=f1f2z2/(z1Δd+f1 2) ここで、Δdを変化させることにより、被照射物上A’
以降のビーム伝播の状況を変化させることができ、Δd
=0の単純な場合に比較してさらに、焦点深度を深くす
ることができる。とくに、 f1〉0、f2〉0、Δd>0、かつ −f1 2/(f2+Δd)<z1<f1、 の条件を満足させると上記の効果がおおきくなる。
【0042】以上では、焦点深度を深くする光学系につ
いて説明してきたが、実際の加工では被照射物5からは
加工に伴う飛散物が発散しており、レンズ4が被照射物
5の近くにあるとレンズ表面に付着物が堆積し、光の透
過率を低下させるなどの問題を生じる。従って、被照射
物5とレンズ4との距離(ワークディスタンス)はでき
るだけ長い方が望ましい。そこで、この参考例では次に
説明するワークディスタンスの長い組レンズを一つのレ
ンズ群として使用する場合がある。
いて説明してきたが、実際の加工では被照射物5からは
加工に伴う飛散物が発散しており、レンズ4が被照射物
5の近くにあるとレンズ表面に付着物が堆積し、光の透
過率を低下させるなどの問題を生じる。従って、被照射
物5とレンズ4との距離(ワークディスタンス)はでき
るだけ長い方が望ましい。そこで、この参考例では次に
説明するワークディスタンスの長い組レンズを一つのレ
ンズ群として使用する場合がある。
【0043】図25に示す凹レンズ403/凸レンズ4
04の構成では二つのレンズの合成が一つのレンズ40
2と同様の働きをする。このとき、凹/凸レンズの焦点
距離および相互の間隔を適切に設定することにより、こ
の合成レンズの第1主平面の位置と第2主平面の位置と
を凸レンズ404の右側に持ってくることができる。即
ち、凹レンズ403の焦点距離をfA、凸レンズ404
の焦点距離をfB、凹レンズ403の第2主平面と凸レ
ンズの第1主平面との距離をd3としたとき、合成レン
ズの焦点距離f2は次の式で与えられる。 f2=fAfB/(fA+fB−d3) また、凹レンズ403の第1主平面と合成レンズの第1
主平面との距離をzA、凸レンズ404の第2主平面と
合成レンズの第2主平面との距離をzBとすると、それ
ぞれ次の式で与えられる。 zB=−d3f2/fA (zBは正値のとき右方向にと
る) zA=−d3f2/fB (zAは負値のとき右方向にと
る) ここで、fA は凹レンズ403の焦点距離なのでfA<
0、合成の焦点距離f2>0、d3>0なのでzB>0と
なる。d3、fA、f2 の値を適切に選ぶことで合成レン
ズの第2主平面を物側へ持ってくることができ、従っ
て、焦点距離f2 の単レンズを持ってきた場合と比較し
てレンズと被照射物との距離を離すことができる。
04の構成では二つのレンズの合成が一つのレンズ40
2と同様の働きをする。このとき、凹/凸レンズの焦点
距離および相互の間隔を適切に設定することにより、こ
の合成レンズの第1主平面の位置と第2主平面の位置と
を凸レンズ404の右側に持ってくることができる。即
ち、凹レンズ403の焦点距離をfA、凸レンズ404
の焦点距離をfB、凹レンズ403の第2主平面と凸レ
ンズの第1主平面との距離をd3としたとき、合成レン
ズの焦点距離f2は次の式で与えられる。 f2=fAfB/(fA+fB−d3) また、凹レンズ403の第1主平面と合成レンズの第1
主平面との距離をzA、凸レンズ404の第2主平面と
合成レンズの第2主平面との距離をzBとすると、それ
ぞれ次の式で与えられる。 zB=−d3f2/fA (zBは正値のとき右方向にと
る) zA=−d3f2/fB (zAは負値のとき右方向にと
る) ここで、fA は凹レンズ403の焦点距離なのでfA<
0、合成の焦点距離f2>0、d3>0なのでzB>0と
なる。d3、fA、f2 の値を適切に選ぶことで合成レン
ズの第2主平面を物側へ持ってくることができ、従っ
て、焦点距離f2 の単レンズを持ってきた場合と比較し
てレンズと被照射物との距離を離すことができる。
【0044】図23あるいは図24にあるような2群か
らなる結像光学系の場合には、焦点深度が深くなる半
面、1群のレンズによる結像光学系の場合と比較してワ
ークディスタンスが短いという問題がある。そこで、上
で説明したような、第2主平面をレンズ位置から移動さ
せるような組レンズを使用して、ワークディスタンスを
延ばすことができる。図26には図23あるいは図24
の2群からなる結像光学系の第2群のレンズ402を凹
403/凸404の組レンズにより構成し、ワークディ
スタンスを延ばした例である。各距離関係の計算は以上
で説明してきたとおりである。
らなる結像光学系の場合には、焦点深度が深くなる半
面、1群のレンズによる結像光学系の場合と比較してワ
ークディスタンスが短いという問題がある。そこで、上
で説明したような、第2主平面をレンズ位置から移動さ
せるような組レンズを使用して、ワークディスタンスを
延ばすことができる。図26には図23あるいは図24
の2群からなる結像光学系の第2群のレンズ402を凹
403/凸404の組レンズにより構成し、ワークディ
スタンスを延ばした例である。各距離関係の計算は以上
で説明してきたとおりである。
【0045】また、図22で説明した1群のレンズ4か
らなる結像光学系の場合にも凹/凸の組レンズを使用す
ることにより、図27に示すようにワークディスタンス
の長い光学系を構成することができる。
らなる結像光学系の場合にも凹/凸の組レンズを使用す
ることにより、図27に示すようにワークディスタンス
の長い光学系を構成することができる。
【0046】なお、上記参考例では光ファイバの出射端
面からの光を面状の光源200からの光と見なした場合
について述べたが、その結像点からの光を、即ち、例え
ば実施例1におけるマスク位置からの光を面状の光源2
00からの光と見なし、同様の構成としてもよい。
面からの光を面状の光源200からの光と見なした場合
について述べたが、その結像点からの光を、即ち、例え
ば実施例1におけるマスク位置からの光を面状の光源2
00からの光と見なし、同様の構成としてもよい。
【0047】また、図18に示した、2群からなる円筒
面レンズを使用した光学系に対しても、それぞれの円筒
面レンズをさらに2群からなる光学系にすることによ
り、焦点深度を深くする光学系を形成することができ
る。
面レンズを使用した光学系に対しても、それぞれの円筒
面レンズをさらに2群からなる光学系にすることによ
り、焦点深度を深くする光学系を形成することができ
る。
【0048】参考例13.
以上各参考例において述べた光伝送装置を用いて加工を
行なう場合、被照射物の一定の領域毎に、照射光の光強
度分布を変化させるようにしてもよい。図28はこの照
射方法の概念を示すものである。図28に示すように、
領域Aではフラット強度を、領域Bでは中抜け強度を、
領域Cではピークが大きい強度分布を用いるといった照
射を行う。このようにすることにより、一回の加工で溶
接と切断、マーキング等を一括して行うことができる。
また、領域毎に厚みや材質の異なる場合にも対応でき
る。
行なう場合、被照射物の一定の領域毎に、照射光の光強
度分布を変化させるようにしてもよい。図28はこの照
射方法の概念を示すものである。図28に示すように、
領域Aではフラット強度を、領域Bでは中抜け強度を、
領域Cではピークが大きい強度分布を用いるといった照
射を行う。このようにすることにより、一回の加工で溶
接と切断、マーキング等を一括して行うことができる。
また、領域毎に厚みや材質の異なる場合にも対応でき
る。
【0049】参考例14.
本発明の光伝送装置においては、レーザ発振器としてパ
ルス発振のものを用いて、レーザの1パルス中に光強度
分布を変化させ、かつ1パルス中の変化を1パルス毎に
繰り返し行ってもよい。図29はこの照射方法の概念を
示すものである。出力パルスがONの状態(レーザ光が
出力される)において、図29に示すように、領域Aで
はピーク強度の大きい強度分布形状、領域Bではピーク
が小さくフラットな強度分布とする。このようにするこ
とによって、材料に対するエネルギー密度を可変にで
き、品質のよい溶接、切断、穴あけができる。
ルス発振のものを用いて、レーザの1パルス中に光強度
分布を変化させ、かつ1パルス中の変化を1パルス毎に
繰り返し行ってもよい。図29はこの照射方法の概念を
示すものである。出力パルスがONの状態(レーザ光が
出力される)において、図29に示すように、領域Aで
はピーク強度の大きい強度分布形状、領域Bではピーク
が小さくフラットな強度分布とする。このようにするこ
とによって、材料に対するエネルギー密度を可変にで
き、品質のよい溶接、切断、穴あけができる。
【0050】なお、本参考例において、前記1パルス中
での強度分布形状の選択方法は、これに限定されるもの
ではなく任意に組み合わせて用いてよい。
での強度分布形状の選択方法は、これに限定されるもの
ではなく任意に組み合わせて用いてよい。
【0051】
【発明の効果】以上のように、本発明によればレーザ発
振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、伝播された光
を被照射物上に照射する際に、被照射物付近での、光軸
に垂直な面内での光強度分布を所定の光強度分布に調整
する調整手段を有するものであって、照射光学系及び調
整手段を、収差をともなって像を形成する第1のレンズ
と、第1のレンズによる上記像のうち、所定の光強度分
布を有する位置の像を被照射物上に結像する第2のレン
ズで構成したので、被照射物上で光軸に垂直な方向に所
望の光強度分布を有する像を結像することができ、任意
の加工ができる。
振器からのレーザ光を所定の距離伝播し、伝播された光
を被照射物上に照射する際に、被照射物付近での、光軸
に垂直な面内での光強度分布を所定の光強度分布に調整
する調整手段を有するものであって、照射光学系及び調
整手段を、収差をともなって像を形成する第1のレンズ
と、第1のレンズによる上記像のうち、所定の光強度分
布を有する位置の像を被照射物上に結像する第2のレン
ズで構成したので、被照射物上で光軸に垂直な方向に所
望の光強度分布を有する像を結像することができ、任意
の加工ができる。
【0052】また、この発明によれば、上記第1のレン
ズと上記第2のレンズの間の距離を可変できる可変機構
を備えたので、種々のビーム形状の加工ビームが上記距
離を変えるだけで容易に得られる効果がある。
ズと上記第2のレンズの間の距離を可変できる可変機構
を備えたので、種々のビーム形状の加工ビームが上記距
離を変えるだけで容易に得られる効果がある。
【0053】また、この発明によれば、上記第1のレン
ズによる像位置にマスクを設置したので、マスク形状に
応じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得られる
効果がある。
ズによる像位置にマスクを設置したので、マスク形状に
応じた種々のビーム形状の加工ビームが容易に得られる
効果がある。
【0054】また、この発明によれば、上記マスクの形
状を円形にして、円形部分のみ光を透過するようにした
ので、円形の加工ビームが得られ、均一な光が照射でき
る効果がある。
状を円形にして、円形部分のみ光を透過するようにした
ので、円形の加工ビームが得られ、均一な光が照射でき
る効果がある。
【0055】また、この発明によれば、上記マスクの形
状を円環状にして、円環状の部分のみ光を透過させるよ
うにしたので、円環状の加工ビームが得られ、ビームを
走査して加工する場合にも均一な光照射が可能になる。
状を円環状にして、円環状の部分のみ光を透過させるよ
うにしたので、円環状の加工ビームが得られ、ビームを
走査して加工する場合にも均一な光照射が可能になる。
【図1】この発明の実施例1による光伝送装置を示す構
成図である。
成図である。
【図2】この発明の実施例1に係わる第1のレンズの動
作を説明する説明図である。
作を説明する説明図である。
【図3】この発明の実施例1による光伝送装置の動作を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図4】この発明の実施例1による他の光伝送装置の動
作を説明する説明図である。
作を説明する説明図である。
【図5】この発明の参考例1による光伝送装置を示す構
成図である。
成図である。
【図6】この発明の参考例1に係わる入射角度の制御を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図7】レーザ光の入射角度と出射レーザ光の強度分布
との関係を示す説明図である。
との関係を示す説明図である。
【図8】この発明の参考例2による光伝送装置の主要部
を示す構成図である。
を示す構成図である。
【図9】この発明の参考例3による光伝送装置の主要部
を示す構成図である。
を示す構成図である。
【図10】ウェッジ角と平面ミラーの回転角との関係を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図11】この発明の参考例4による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図12】この発明の参考例5による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図13】この発明の参考例6による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図14】この発明の参考例7による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図15】この発明の参考例8による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図16】この発明の参考例9による光伝送装置の主要
部を示す構成図である。
部を示す構成図である。
【図17】この発明の参考例10による光伝送装置の主
要部を示す構成図である。
要部を示す構成図である。
【図18】この発明の参考例11による光伝送装置の主
要部を示す構成図である。
要部を示す構成図である。
【図19】レーザ発振器からの出射光をモデル化した説
明図である。
明図である。
【図20】光ファイバからの出射光をモデル化した説明
図である。
図である。
【図21】光ファイバからの出射光の強度分布の変化を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図22】従来の転写光学系を示す説明図である。
【図23】この発明の参考例12に係わる2群のレンズ
からなる結像光学系を説明する説明図である。
からなる結像光学系を説明する説明図である。
【図24】この発明の参考例12に係わる2群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図25】この発明の参考例12に係わる2群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図26】この発明の参考例12に係わる2群のレンズ
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
からなる他の結像光学系を説明する説明図である。
【図27】この発明の参考例12に係わる1群のレンズ
からなる結像光学系を説明する説明図である。
からなる結像光学系を説明する説明図である。
【図28】この発明の参考例13における光照射方法を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図29】この発明の参考例14における光照射方法を
説明する説明図である。
説明する説明図である。
【図30】従来の光伝送装置を示す構成図である。
1 レーザ発振器
2 集光レンズ
3 光ファイバ
4 第2のレンズ
5 被照射物
6 第1のレンズ
7 マスク
8 XYθステージ
9 入射角度制御機構
11 レーザ光
12 レーザ光
13 レーザ光
14 レーザ光
15 レーザ光
16 レーザ光
20 モード変換面
41 円筒面レンズ
42 円筒面レンズ
100 フレーム
101 ステージ
110 平面ミラー
111 ウェッジ基板
112 ウェッジ基板
120 特殊ウェッジ基板
130 特殊ウェッジ基板
140 特殊ウェッジ基板
150 放物面ミラー
170 遮光板
180 アクシコンレンズ
181 アクシコンレンズ
190 楕円ミラー
401 第1のレンズ群
402 第2のレンズ群
403 凹レンズ
404 凸レンズ
フロントページの続き
(72)発明者 田中 正明
尼崎市塚口本町8丁目1番1号 三菱電
機株式会社 生産技術研究所内
(56)参考文献 特開 平3−236003(JP,A)
特開 平5−69169(JP,A)
特開 平5−196845(JP,A)
特開 平1−236050(JP,A)
特開 平3−221287(JP,A)
特開 昭62−189780(JP,A)
特開 平1−228690(JP,A)
特開 昭62−201416(JP,A)
実開 昭58−57385(JP,U)
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
B23K 26/00 - 26/42
Claims (5)
- 【請求項1】 レーザ発振器、このレーザ発振器からの
光を所定の距離伝播する伝播光学系、伝播された光を被
照射物上に照射する照射光学系、及び被照射物付近で
の、光軸に垂直な面内での光強度分布を調整する調整手
段を備えた光伝送装置において、上記照射光学系及び上
記調整手段は、収差をともなって像を形成する第1のレ
ンズと、第1のレンズによる上記像のうち、所定の光強
度分布を有する位置の像を被照射物上に結像する第2の
レンズで構成されたことを特徴とする光伝送装置。 - 【請求項2】 第1のレンズと第2のレンズの間の距離
を可変できる可変機構を備えたことを特徴とする請求項
1記載の光伝送装置。 - 【請求項3】 第1のレンズによる像位置にマスクを設
置したことを特徴とする請求項1または2に記載の光伝
送装置。 - 【請求項4】 マスクの形状を円形にして、円形部分の
み光を透過するようにしたことを特徴とする請求項3記
載の光伝送装置。 - 【請求項5】 マスクの形状を円環状にして、円環状の
部分のみ光を透過させるようにしたことを特徴とする請
求項3記載の光伝送装置。
Priority Applications (5)
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GB9416650A GB2286900B (en) | 1994-02-22 | 1994-08-17 | Laser optical transmission system and radiating method |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JPH07227686A JPH07227686A (ja) | 1995-08-29 |
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ID=12133555
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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