JP7186937B1 - レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

レーザ加工ヘッド（１１６）は、加工対象物へ向けて照射させるレーザ光（１４４）の伝搬方向に向かってレーザ光（１４４）が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、レーザ光（１４４）が伝搬するコリメート光学系と、を備える。収差光学系のうち収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値がコリメート光学系の屈折力の１０分の１以下である。収差光学系のうち中心軸からの距離が境界値を超える領域である周辺領域は、中心軸に平行な光線を周辺領域へ入射させた場合に中心軸から離れた位置の光線ほど収差光学系と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。

Description

本開示は、レーザ光の照射により加工対象物を局所的に溶融させて加工対象物を加工するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法に関する。

近年、ファイバレーザ、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ、またはダイレクトダイオードレーザ（Direct Diode Laser：ＤＤＬ）といった、近赤外領域のレーザ光を出力する近赤外レーザの高集束化および高出力化が進み、近赤外レーザを光源として使用するレーザ加工装置が開発されている。

特許文献１には、レーザ光を集光する第１レンズと、第１レンズと同一の光軸上に配置される第２レンズとにより構成される光学系を備えるレーザ加工ヘッドが開示されている。特許文献１に記載される光学系において、第２レンズのうち光軸上に位置する第１領域はレンズ特性を有さず、かつ、第２レンズのうち第１領域を囲む第２領域はレーザ光を発散させる。

特開２０１４－７３５２６号公報

特許文献１に記載される従来のレーザ加工ヘッドでは、光学系へ入射するレーザ光の発散角の変化等によって、レーザ光のうち光軸から離れた部分である周辺部分のエネルギー強度が変化し得る。周辺部分のエネルギー強度が変化する場合、加工対象物に形成されるキーホールの不安定化またはスパッタの発生といった不具合によって、加工が不安定になる。このため、従来のレーザ加工ヘッドでは、加工が不安定になる場合があるという問題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した加工を実現可能とするレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ加工ヘッドは、加工対象物へ向けて照射させるレーザ光の伝搬方向に向かってレーザ光が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、レーザ光が伝搬するコリメート光学系と、を備える。収差光学系のうち収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値がコリメート光学系の屈折力の１０分の１以下である。収差光学系のうち中心軸からの距離が境界値を超える領域である周辺領域は、中心軸に平行な光線を周辺領域へ入射させた場合に中心軸から離れた位置の光線ほど収差光学系と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。

本開示にかかるレーザ加工ヘッドは、安定した加工の実現が可能となるという効果を奏する。

実施の形態１における横収差の定義について説明するための第１の図 実施の形態１における横収差の定義について説明するための第２の図 実施の形態１の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第１の図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第２の図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第３の図 図４に示すレーザ光のビーム形状を示す図 図５に示すレーザ光のビーム形状を示す図 図６に示すレーザ光のビーム形状を示す図 実施の形態１の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１の第２の例において収差レンズを移動させることによる横収差の変化について説明するための図 実施の形態１の第３の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１の第３の例において収差レンズを移動させることによる横収差の変化について説明するための図 実施の形態１における収差光学系の構成について説明するための図 実施の形態１において収差レンズの非球面形状を変化させる場合における横収差と発散角との関係の変化について説明するための図 実施の形態１において収差レンズの非球面形状を変化させる場合におけるビームプロファイルの変化について説明するための図 実施の形態１における非球面係数と横収差との関係の例を示す図 図１７に示す関係である特性を有する収差レンズについてのパラメータの例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹ_Oと非球面係数Ａ₄との関係の例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹ_Oと収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、非球面係数Ａ₄と収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹ_Oと非球面係数Ａ₄との関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹ_Oと収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、非球面係数Ａ₄と収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 図１９から図２１に示す関係である特性を有する収差レンズと、図２２から図２４に示す関係である特性を有する収差レンズとについてのパラメータの例を示す図 実施の形態２の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態２における収差光学系の構成について説明するための図 実施の形態２の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態２の第３の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態３にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図

以下に、実施の形態にかかるレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
実施の形態１にかかるレーザ加工装置についての説明に先立ち、実施の形態１における横収差の定義について説明する。ここで説明する横収差の定義は、実施の形態１と後述する実施の形態２および３との各々において共通であるものとする。

図１は、実施の形態１における横収差の定義について説明するための第１の図である。図１には、光源から出射される光線がコリメート光学系および集光光学系を通過して集光する様子を模式的に示す。図１において、光源は点光源１１１である。図１の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角の光線が点光源１１１から出射される場合における光線の振る舞いの違いを表す。図１の（Ａ）には、発散角θ₁の光線が点光源１１１から出射される場合の様子を示す。図１の（Ｂ）には、発散角θ₂の光線が点光源１１１から出射される場合の様子を示す。ただし、θ₁＞θ₂＞０とする。発散角は、半角により表す。

以下の説明では、コリメート光学系は、単レンズであるコリメートレンズ１１２とする。集光光学系は、単レンズである集光レンズ１１３とする。コリメートレンズ１１２は、収差を生じさせないレンズとする。コリメートレンズ１１２は、無視できるほどに小さい収差を生じさせるレンズでも良い。集光レンズ１１３は、球面収差を生じる球面レンズとする。コリメートレンズ１１２は、点光源１１１からの距離がｆ_cである位置に配置される。距離ｆ_cは、コリメートレンズ１１２の焦点距離である。距離ｆ_fは、集光レンズ１１３の焦点距離である。ｚ方向は、コリメート光学系および集光光学系の各々の中心軸の方向とする。レーザ光の光軸は、中心軸と重なる。ｒ方向は、中心軸に垂直な方向の１つであって、コリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３の各々の径方向とする。

光線１２１は、点光源１１１から発散角θ₁で出射する光線とする。光線１２２は、点光源１１１から発散角θ₂で出射する光線とする。コリメートレンズ１１２を通過した光線１２１は、平行化により、光軸からの高さがｈ₁である光線となる。コリメートレンズ１１２を通過した光線１２２は、平行化により、光軸からの高さがｈ₂である光線となる。ｈ_i＝ｆ_cｔａｎθ_i（i＝１，２）が成り立つ。θ_iが十分に小さく、ｔａｎθ_i≒θ_iの近似が成り立つ場合、ｈ_i≒ｆ_cθ_iが成り立つ。なお、以下の説明では、光軸からの光線の高さを、光線高さと称する。

平行化された光線１２１，１２２は、集光レンズ１１３によって集光される。発散角θ₁の場合、平行化された光線１２１が集光レンズ１１３によって集光され、近軸焦点１１７において横収差ΔＹ₁を生じる。発散角θ₂の場合、平行化された光線１２２が集光レンズ１１３によって集光され、近軸焦点１１７において横収差ΔＹ₂を生じる。

図２は、実施の形態１における横収差の定義について説明するための第２の図である。図２には、横収差ΔＹと光線高さｈとの関係を表すグラフを示す。球面収差によって生じる横収差ΔＹ_iは、光線高さｈ_iの３乗に比例する（ΔＹ_i∝ｈ_i ^３）。ｔａｎθ_i≒θ_iの近似が成り立つ場合、ｈ_i≒ｆ_cθ_iにより、横収差ΔＹ_iは、発散角θ_iの３乗に比例する（ΔＹ_i∝θ_i ^３）。

図１において、発散角θ_iが正であるときにおける光線高さｈ_iが正であるように、径方向であるｒ方向が定義される。図１に示されるΔＹ_iは、ｒの負方向に生じることから、負の横収差である。この結果から、θ₁＞θ₂であるとき、ΔＹ₁＜ΔＹ₂であって、かつ、｜ΔＹ₁｜＞｜ΔＹ₂｜が成り立つ。以下、ｒの負方向に生じる横収差を負の横収差、ｒの正方向に生じる横収差を正の横収差と定義する。

なお、図１では、横収差と発散角との関係を簡易的に説明するため、点光源１１１から発散角θ₁で出射する光線１２１と、点光源１１１から発散角θ₂で出射する光線１２２とを説明に用いた。以下の各実施の形態では、光ファイバの出射端といった出射部から出射するレーザ光のうち発散角に相当する角度で出射する光線についてレーザ光の横収差を定義し、当該光線について定義した横収差を、点光源１１１の場合と同様に横収差と称する。

次に、実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成について説明する。実施の形態１では、３つの構成例を説明する。図３は、実施の形態１の第１の例にかかるレーザ加工装置２１の構成を示す図である。レーザ加工装置２１は、レーザ光の照射により加工対象物を局所的に溶融させて加工対象物を加工する。レーザ加工装置２１は、切断、溶接、または熱処理といったレーザ加工を行う。

レーザ加工装置２１は、光源であるレーザ発振器１４１と、レーザ光１４４の伝送路である光ファイバ１４２と、レーザ加工ヘッド１１６とを備える。レーザ加工ヘッド１１６は、レーザ光が伝搬するコリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３を備える。以下、コリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３で構成される光学系を、加工光学系１１４と称する。

レーザ発振器１４１は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、またはＤＤＬといった、近赤外領域のレーザ光１４４を出力するレーザである。ＹＡＧレーザは、ディスク状の媒体を用いたディスクレーザであっても良い。レーザ発振器１４１は、例えば、金属等を加工できるキロワット級の出力を有する。レーザ発振器１４１のレーザ出力は、典型的には１ｋＷであって、厚い金属等を加工する場合は４ｋＷ以上が望ましい。レーザ発振器１４１のレーザ出力は、１０ｋＷ以上でも良い。

レーザ発振器１４１から出力されたレーザ光１４４は、光ファイバ１４２を伝搬する。光ファイバ１４２は、例えば、キロワット級のレーザ光１４４が伝搬可能な光ファイバである。光ファイバ１４２の出射端におけるビームの強度分布は、例えばトップハット状である。光ファイバ１４２のコア直径φ₀は、例えば、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、または３００μｍ等である。プロファイル１１８は、光ファイバ１４２の出射端におけるレーザ光１４４のビームプロファイルである。プロファイル１１９は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビームプロファイルである。

光ファイバ１４２から出射したレーザ光１４４は、発散する。レーザ光１４４の発散角θとビームウェスト半径ω₀とによって、ビームパラメータ積（Beam Parameter Products：ＢＰＰ）は、ω₀θと表される。光ファイバ１４２の出射端におけるビームプロファイルがトップハット状であるとき、ビームウェスト半径ω₀はφ₀／２である。したがって、ＢＰＰ＝φ₀θ／２と表せる。

光ファイバ１４２から出力されるレーザ光１４４のＢＰＰは、レーザ発振器１４１の種類ごとに異なる場合がある。また、光ファイバ１４２から出力されるレーザ光１４４のＢＰＰは、同じ種類のレーザ発振器１４１であっても、レーザ発振器１４１の個体ごとに異なる場合がある。コア直径φ₀が１００μｍである場合、ＢＰＰは、例えば、２．５ｍｍ・ｍｒａｄから５．５ｍｍ・ｍｒａｄ程度である。コア直径φ₀が２００μｍである場合、ＢＰＰは、例えば、５．０ｍｍ・ｍｒａｄから１１．０ｍｍ・ｍｒａｄ程度である。これらのＢＰＰの範囲は、５０ｍｒａｄから１１０ｍｒａｄの発散角θに対応する。

図３に示す加工光学系１１４は、収差を生じる。コリメートレンズ１１２は、光ファイバ１４２の出射端からの距離がｆ_cである位置に配置される。コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４は、集光レンズ１１３を通過し、加工対象物１４３にて集光される。

コリメートレンズ１１２の焦点距離である距離ｆ_c、および集光レンズ１１３の焦点距離である距離ｆ_fの各々は、例えば、５０ｍｍから６００ｍｍ程度である。かかる距離ｆ_cおよび距離ｆ_fを焦点距離の逆数である屈折力に換算すると、コリメートレンズ１１２の屈折力および集光レンズ１１３の屈折力の各々は、１．６７Ｄから２０Ｄ程度である。Ｄは、屈折力の単位であるディオプトリであり、ＳＩ基本単位で表すとｍ^-1である。例えば、距離ｆ_cが２００ｍｍであって、かつ距離ｆ_fが２００ｍｍである場合、光学倍率が１倍である加工光学系１１４が構成される。距離ｆ_cが２００ｍｍであって、かつ距離ｆ_fが４００ｍｍである場合、光学倍率が２倍である加工光学系１１４が構成される。さらに、コリメートレンズ１１２の焦点距離と集光レンズ１１３の焦点距離との組み合わせを変えることで、その他の光学倍率の加工光学系１１４も構成できる。

なお、コリメートレンズ１１２と集光レンズ１１３との各々は、単レンズに限られず、２つ以上のレンズで構成されても良い。この場合、コリメートレンズ１１２の焦点距離は、２つ以上のレンズの組み合わせの合成焦点距離である。集光レンズ１１３の焦点距離は、２つ以上のレンズの組み合わせの合成焦点距離である。

加工対象物１４３は、例えば、軟鋼、銅、アルミニウム、ステンレス、または亜鉛メッキ鋼といった金属を材料とする金属製製造物である。金属製製造物は、金属製の部品であっても良く、金属板等であっても良い。レーザ溶接を行うレーザ加工装置２１は、例えば、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物との各々にレーザ光１４４を照射し、突合せ溶接、隅肉溶接、または重ね溶接といった既存の溶接継手によってレーザ溶接を行っても良い。第１の金属製製造物と第２の金属製製造物との各々は、レーザ溶接における加工対象物１４３である。レーザ加工装置２１は、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物とのレーザ溶接によって、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物とが接合された第３の金属製製造物を製造できる。

次に、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明する。図４は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第１の図である。図５は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第２の図である。図６は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第３の図である。

図４から図６では、加工対象物１４３へのレーザ光１４４の照射によって加工対象物１４３の加工が行われている様子を模式的に表す。図４には、収差を生じない加工光学系１１４を用いてレーザ光１４４を集光する場合の例を示す。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。図５および図６には、収差を生じる加工光学系１１４を用いてレーザ光１４４を集光する場合の例を示す。図６には、図５に示す状態と比べて横収差の絶対値が小さい場合の状態を示す。なお、図４から図６では、加工光学系１１４の図示を省略する。ｘ方向およびｙ方向は、互いに垂直な方向であって、かつｚ方向に垂直な方向とする。進行方向１２０は、加工対象物１４３における加工の進行方向とする。進行方向１２０は、加工対象物１４３におけるレーザ光１４４の走査方向ともいえる。図４から図６において、進行方向１２０は、ｘ方向である。

図４に示すように、収差を生じない加工光学系１１４を用いる場合、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、光ファイバ１４２の出射端におけるプロファイル１１８を光学倍率Ｍ＝ｆ_f／ｆ_cで拡大したトップハット状のプロファイル１４５である。

図７は、図４に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図７に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、図７に示すように円形である。

トップハット状のプロファイル１４５を持つレーザ光１４４の強度Ｉが例えば２００ｋＷ／ｃｍ²以上のとき、照射したレーザ光１４４によって加工対象物１４３が溶融され、加工対象物１４３にキーホール１４７が形成される。このとき、キーホール１４７の前壁１４８および後壁１４９の各々は、キーホール１４７の底部１５２から加工対象物１４３の表面１５３における開口部１５５まで、基準面１５４に対して垂直に近い状態となる。前壁１４８は、キーホール１４７のうち進行方向１２０における前方の壁である。後壁１４９は、キーホール１４７のうち進行方向１２０における後方の壁である。表面１５３は、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４が入射する表面である。基準面１５４は、加工光学系１１４の中心軸に垂直な面であって、例えば、加工対象物１４３が置かれる面である。基準面１５４に加工対象物１４３が置かれた状態において、表面１５３は、基準面１５４と平行であるものとする。

図４において、溶融金属１５１の流れである溶融金属流１５０は、底部１５２から開口部１５５の方へ、後壁１４９に沿って速い速度で上昇する。かかる溶融金属流１５０によって、溶融金属１５１の一部は、スパッタ１４６となって飛散する。このため、図４に示すように、収差を生じない加工光学系１１４を用いる場合、スパッタ１４６の発生によって加工が不安定となり得る。

図５に示すように、収差を生じる加工光学系１１４を用いる場合、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、中心部の主ビーム１６０と、主ビーム１６０を取り囲む周辺ビーム１６１とを有するウィッチハット状のプロファイル１６５である。

図８は、図５に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図８に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、主ビーム１６０の円形と周辺ビーム１６１の円形との同心円である。周辺ビーム幅１６６は、周辺ビーム１６１の円形と主ビーム１６０の円形との間の幅とする。

図５に示す場合において、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７において生じる横収差の絶対値は、例えば、０．２ｍｍ以上である。以下の説明では、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７を、単に、加工光学系１１４の近軸焦点１１７と称する。レーザ加工ヘッド１１６を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７を、単に、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７と称する。

ウィッチハット状のプロファイル１６５を持つレーザ光１４４の強度Ｉが例えば２００ｋＷ／ｃｍ²以上のとき、照射した主ビーム１６０によって加工対象物１４３が溶融され、加工対象物１４３にキーホール１４７が形成される。この場合において、周辺ビーム１６１の強度Ｉは、例えば、５０ｋＷ／ｃｍ²から２００ｋＷ／ｃｍ²程度である。なお、周辺ビーム１６１の強度Ｉは、キーホール１４７を形成しない程度の強度であれば良い。

周辺ビーム１６１の照射によって溶融金属１５１の表面から溶融金属１５１が蒸発することで、金属蒸気１６３が発生する。金属蒸気１６３の発生による蒸発反力１６２は、キーホール１４７の開口部１５５において、溶融金属１５１の表面から加工対象物１４３の内部へ向けて作用する。蒸発反力１６２の作用によって、進行方向１２０における後方において、後壁１４９を上昇する溶融金属流１５０は、表面１５３に垂直な方向から表面１５３に平行な方向へ変化する。溶融金属流１５０のこのような変化によって、開口部１５５がホーン状に拡げられる。開口部１５５がホーン状に拡げられることによって、溶融金属流１５０は、表面１５３から加工対象物１４３の内部へ向けられる。かかる溶融金属流１５０によって、キーホール１４７が安定化され、かつ、溶融金属１５１の一部がスパッタ１４６となって飛散することが低減される。

また、開口部１５５がホーン状に拡げられることによって、キーホール１４７では前壁１４８から開口部１５５へ金属蒸気１６３が逃げ易くなる。金属蒸気１６３が逃げ易くなることによって、キーホール１４７が安定化され、かつ、溶融金属１５１の一部がスパッタ１４６となって飛散することが低減される。このようにして、図５に示す加工の場合、キーホール１４７の安定化とスパッタ１４６の低減とによって、安定した加工が可能となる。

図６に示す場合では、収差を生じる加工光学系１１４を用いるが、生じる横収差の絶対値が、図５に示す場合に比べて小さい。加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、中心部の主ビーム１６０と、主ビーム１６０を取り囲む周辺ビーム１６１とを有するウィッチハット状のプロファイル１６７である。

図９は、図６に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図９に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、主ビーム１６０の円形と周辺ビーム１６１の円形との同心円である。図９に示す周辺ビーム幅１６６は、図８に示す周辺ビーム幅１６６に比べて小さい。

図６に示す場合において、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７において生じる横収差の絶対値は、例えば、０．２ｍｍよりも小さい。図６に示すウィッチハット状のプロファイル１６７を持つレーザ光１４４では、図５に示す場合に比べて周辺ビーム幅１６６が小さいため、開口部１５５をホーン状に拡げることができない。このため、図６に示す場合では、加工光学系１１４によって収差が生じて周辺ビーム１６１が形成されるものの、図５に示す場合と比べてスパッタ１４６の飛散を低減させることができない。このように、図６に示すように、生じる横収差の絶対値が図５に示す場合に比べて小さい場合、スパッタ１４６の発生によって加工が不安定となり得る。

図４から図６を参照して説明するように、加工光学系１１４によって生じる収差の量が変化すると、照射位置におけるレーザ光１４４のビーム形状が変化することによって、加工の安定性が変化し得る。したがって、一定の量の収差を生じさせることが可能であれば、ビーム形状が安定し、安定した加工を実現することが可能となる。

上述するように、光ファイバ１４２の出射端におけるレーザ光１４４の発散角は、例えば、５０ｍｒａｄから１００ｍｒａｄである。また、レーザ光１４４の発散角は、レーザ発振器１４１の種類ごとに異なる場合があり、同じ種類のレーザ発振器１４１であっても個体ごとに異なる場合がある。図１に示すように、球面収差に起因する横収差は、レーザ光１４４の発散角によって変化する。このため、同じ加工光学系１１４を用いても、レーザ発振器１４１の種類ごとに、またはレーザ発振器１４１の個体ごとに横収差が変化することによって、照射位置におけるビーム形状が変化してしまう場合がある。このようなビーム形状の変化によって、レーザ加工装置２１の加工状態が変化し、さらにレーザ加工装置２１の加工品質も変化する場合がある。

図１０は、実施の形態１の第２の例にかかるレーザ加工装置３１の構成を示す図である。レーザ加工装置３１は、図３に示すレーザ加工装置２１と同様の構成に加えて、収差を生じさせる収差光学系を備える。第２の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７１とする。収差レンズ１７１は、非球面である凸面を有する凸レンズである。

レーザ加工ヘッド１１６は、収差レンズ１７１、コリメートレンズ１１２、および集光レンズ１１３を備える。また、レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７１を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置３１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。第２の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図１０では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。

収差レンズ１７１は、光ファイバ１４２の出射端とコリメートレンズ１１２との間におけるレーザ光１４４の光路上に配置される。収差レンズ１７１は、加工対象物１４３へ向けて照射させるレーザ光１４４の伝搬方向、すなわち加工対象物１４３へ近づく方向へ向かってレーザ光１４４が拡がる範囲内の位置に配置される。収差レンズ１７１は、横収差を生じさせる。

図１０の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角のレーザ光１４４が光ファイバ１４２の出射端から出射される場合におけるレーザ光１４４の振る舞いの違いを表す。図１０の（Ｂ）には、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角が図１０の（Ａ）に示す場合に比べて小さい場合における様子を示す。レーザ加工装置３１は、図１０の（Ｂ）に示す状態では、図１０の（Ａ）に示す状態のときよりも、加工対象物１４３へ近づく方向へ移動量ｄだけ収差レンズ１７１を移動させている。

レーザ加工装置３１は、レーザ光１４４の発散角が変化する場合に、ｚ方向における収差レンズ１７１の位置を変化させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差を一定の横収差ΔＹ₂に維持させることができる。レーザ加工装置３１は、横収差を維持させることによって、レーザ発振器１４１の種類ごとまたはレーザ発振器１４１の個体ごとの、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させる。これにより、レーザ加工装置３１は、安定した加工を実現できる。

図１１は、実施の形態１の第２の例において収差レンズ１７１を移動させることによる横収差の変化について説明するための図である。図１１には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。図１１において、破線である線１９０は、図１０の（Ａ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。図１１において、実線である線１９１は、図１０の（Ｂ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。

図１０の（Ａ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ₁であるものとする。図１０の（Ｂ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ₂であるものとする。ただし、θ₁＞θ₂とする。図１０の（Ａ）に示す場合と図１０の（Ｂ）に示す場合との双方において発生する横収差ΔＹはΔＹ₂である。

図２を参照して説明したように、横収差ΔＹは、発散角θの３乗に比例する。比例定数をα₁として、ΔＹ＝α₁θ^３が成り立つ。つまり、収差レンズ１７１によって発生する横収差ΔＹの発散角θに対する依存性は、球面収差の場合と同様である。光軸の方向において収差レンズ１７１を移動させることによって、比例定数α₁が変化する。比例定数α₁が変化することによって、発散角θがθ₁およびθ₂のいずれである場合も、横収差ΔＹは同じΔＹ₂となる。すなわち、発散角θがθ₁からθ₂へ変化しても、横収差ΔＹはΔＹ₂のまま維持される。

図１０に示すレーザ加工ヘッド１１６では、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７１が配置される。コリメートレンズ１１２は、収差レンズ１７１を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。集光レンズ１１３は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。

収差レンズ１７１は、光ファイバ１４２の出射端とコリメートレンズ１１２との間の、レーザ光１４４が発散している光路上に配置されるものに限られない。収差レンズ１７１は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間の、レーザ光１４４が集光される光路上に配置されるものであっても良い。この場合、コリメートレンズ１１２は、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に配置される。集光レンズ１１３は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。収差レンズ１７１は、集光レンズ１１３を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。

レーザ加工ヘッド１１６は、発散または集光されているレーザ光１４４の光路上において光軸の方向に収差レンズ１７１を移動させることで、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差を変化させることができる。ここで、発散とは、レーザ光１４４が伝搬するに従ってビーム径が拡大することを指す。集光とは、レーザ光１４４が伝搬するに従ってビーム径が縮小することを指す。

図１０に示すようにレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７１が配置されることによって、収差レンズ１７１の位置はレーザ光１４４の照射位置から離される。収差レンズ１７１の位置がレーザ光１４４の照射位置から離されることによって、加工対象物１４３からスパッタ１４６が飛散する場合において収差レンズ１７１へのスパッタ１４６の付着が防がれる。これにより、レーザ加工装置３１は、スパッタ１４６が付着した収差レンズ１７１をレーザ光１４４が通過することによって収差レンズ１７１が損傷するといった事態を防ぐことができる。

レーザ加工装置３１には、スパッタ１４６の付着による損傷から加工光学系１１４および収差レンズ１７１を保護するための保護板が備えられても良い。保護板は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間におけるレーザ光１４４の光路上に配置される。保護板は、レーザ光１４４に対して透明な材料により作られ、レーザ光１４４を通過させる。また、加工光学系１１４および収差レンズ１７１の保護のために、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７１との間におけるレーザ光１４４の光路上に保護板が配置されても良い。

収差レンズ１７１は、例えば、非球面であって凸面である第１の面１８１と平面である第２の面１８２とを有する平凸非球面レンズである。図１０に示すレーザ加工装置３１では、第１の面１８１はレーザ光１４４が入射する入射面であって、第２の面１８２はレーザ光１４４が出射する出射面である。または、第１の面１８１がレーザ光１４４の出射面であって、第２の面１８２がレーザ光１４４の入射面であっても良い。

一般に、非球面の形状は、レンズの中心軸の方向の切削量であるサグ量により定義される。サグ量ｚ（ｒ）は、次の式（１）により表される。

Ｃ₀は中心軸上での曲率Ｃ、ｋはコーニック定数、Ａ_jは非球面係数とする。ｊは４以上の偶数とする。曲率Ｃは、次の式（２）により定義される。

ただし、ｚ’（ｒ）＝ｄｚ／ｄｒ、およびｚ’’（ｒ）＝ｄ²ｚ／ｄｒ²が成り立つ。Ｃ₀は、ｒ＝０の場合における曲率Ｃである。第１の面１８１が、ゼロ以外の値であるＣ₀を持つ非球面であって、かつ第２の面１８２が平面である場合、光軸の方向における収差レンズ１７１の移動に伴って、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置も光軸の方向において移動する。そこで、収差レンズ１７１の第１の面１８１は、Ｃ₀＝０である非球面としても良い。式（１）より、Ｃ₀＝０である場合のサグ量ｚ（ｒ）は、次の式（３）により表される。

第１の面１８１を、Ｃ₀＝０であって式（３）に示される形状の非球面とし、かつ、第２の面１８２を平面とすれば、光軸の方向において収差レンズ１７１を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置は移動しない。レーザ加工装置３１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が移動しないことによって、レーザ光１４４の照射位置を一定に保つことができる。また、例えば、式（３）において６次以上の非球面形状をゼロとし、式（３）の左辺には４次の項であるＡ₄の項までを使用する場合、収差レンズ１７１における非球面係数Ａ₄の値は正の値となる。

図１２は、実施の形態１の第３の例にかかるレーザ加工装置４１の構成を示す図である。レーザ加工ヘッド１１６は、収差レンズ１７３、コリメートレンズ１１２、および集光レンズ１１３を備える。また、レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７３を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置４１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。なお、図１２では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。

レーザ加工装置４１は、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７３が設けられている点が、図１０に示すレーザ加工装置３１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置４１は、レーザ加工装置３１と同様であるものとする。第３の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７３とする。収差レンズ１７３は、非球面である凹面を有する凹レンズである。例えば、式（３）において６次以上の非球面形状をゼロとし、式（３）の左辺には４次の項であるＡ₄の項までを使用する場合、収差レンズ１７３におけるＡ₄の値は負の値となる。

図１２の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角のレーザ光１４４が光ファイバ１４２の出射端から出射される場合におけるレーザ光１４４の振る舞いの違いを表す。図１２の（Ｂ）には、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角が図１２の（Ａ）に示す場合に比べて小さい場合における様子を示す。レーザ加工装置４１は、図１２の（Ｂ）に示す状態では、図１２の（Ａ）に示す状態のときよりも、加工対象物１４３から遠ざかる方向へ移動量ｄだけ収差レンズ１７３が移動されている。

レーザ加工装置４１は、レーザ光１４４の発散角が変化する場合に、ｚ方向における収差レンズ１７３の位置を変化させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差を一定の横収差ΔＹ’₂に維持させることができる。レーザ加工装置４１は、横収差を維持させることによって、レーザ発振器１４１の種類ごとまたはレーザ発振器１４１の個体ごとの、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させる。これにより、レーザ加工装置４１は、安定した加工を実現できる。

なお、図１０に示す第２の例のレーザ加工装置３１は、発散角が大きくなる場合に光ファイバ１４２の出射端の方へ収差レンズ１７１を移動させ、発散角が小さくなる場合にコリメートレンズ１１２の方へ収差レンズ１７１を移動させる。これに対し、図１２に示す第３の例のレーザ加工装置４１は、発散角が大きくなる場合にコリメートレンズ１１２の方へ収差レンズ１７３を移動させ、発散角が小さくなる場合に光ファイバ１４２の出射端の方へ収差レンズ１７３を移動させる。このように、第３の例において収差レンズ１７３を移動させる方向は、第２の例において収差レンズ１７１を移動させる方向とは逆となる。

図１３は、実施の形態１の第３の例において収差レンズ１７３を移動させることによる横収差の変化について説明するための図である。図１３には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。図１３において、破線である線１９２は、図１２の（Ａ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。図１３において、実線である線１９３は、図１２の（Ｂ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。

図１２の（Ａ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ₁であるものとする。図１２の（Ｂ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ₂であるものとする。ただし、θ₁＞θ₂とする。図１２の（Ａ）に示す場合と図１２の（Ｂ）に示す場合との両方において、発生する横収差ΔＹはΔＹ’₂である。発散角θがθ₁からθ₂へ変化しても、光軸の方向において収差レンズ１７３を移動させることによって、横収差ΔＹはΔＹ’₂のまま維持される。

図１２に示すレーザ加工ヘッド１１６では、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７３が配置される。なお、収差レンズ１７３は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間の、レーザ光１４４が集光される光路上に配置されるものであっても良い。収差レンズ１７３の位置がレーザ光１４４の照射位置から離されることによって、収差レンズ１７３へのスパッタ１４６の付着が防がれる。これにより、レーザ加工装置４１は、スパッタ１４６が付着した収差レンズ１７３をレーザ光１４４が通過することによって収差レンズ１７３が損傷するといった事態を防ぐことができる。また、レーザ加工装置４１には、スパッタ１４６の付着による損傷から加工光学系１１４および収差レンズ１７１を保護するための保護板が備えられても良い。レーザ加工装置４１には、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７１との間におけるレーザ光１４４の光路上に保護板が配置されても良い。

収差レンズ１７３は、例えば、非球面であって凹面である第１の面１８３と平面である第２の面１８４とを有する平凹非球面レンズである。図１２に示すレーザ加工装置４１では、第１の面１８３はレーザ光１４４の入射面であって、第２の面１８４はレーザ光１４４の出射面である。または、第１の面１８３がレーザ光１４４の出射面であって、第２の面１８４がレーザ光１４４の入射面であっても良い。

図１４は、実施の形態１における収差光学系の構成について説明するための図である。図１４の（Ａ），（Ｂ）では、収差光学系である収差レンズ１７１，１７３の形状と、収差レンズ１７１，１７３における非球面の曲率Ｃと、収差レンズ１７１，１７３の焦点位置ｚ_fとの例を示す。図１４において、収差レンズの形状は、ｒ方向とｚ方向とを含む断面の形状を示す。曲率Ｃについては、ｒ方向位置と曲率Ｃとの関係を表すグラフを示す。焦点位置ｚ_fについては、ｒ方向位置と焦点位置ｚ_fとの関係を表すグラフを示す。なお、中心軸の位置を基準とするｒ座標により、ｒ方向位置を表すものとする。また、ｒ座標を、単に「ｒ」と称する。

焦点位置ｚ_fは、中心軸の方向へ進行した光線が、ｚ＝０の位置に配置された収差レンズに入射した場合において、収差レンズで折り曲げられた光線と中心軸とが交わるｚ方向位置とする。例えば、凸レンズである焦点距離ｆの薄肉レンズをｚ＝０の位置に配置した場合、ｚ_f＝ｆである。凹レンズである焦点距離－ｆの薄肉レンズをｚ＝０の位置に配置した場合、ｚ_f＝－ｆである。収差を生じさせるレンズでは、焦点位置ｚ_fは、中心軸に平行な光線と中心軸との間の距離によって変化する。収差を生じさせるレンズの焦点位置ｚ_ｆは、中心軸の方向の光線と中心軸との間の距離によって変化する。図１４では、焦点位置ｚ_fについて、中心軸の方向の光線が入射する位置をｒ方向において変化させた場合における焦点位置ｚ_fの変化の例を示す。

図１４の（Ａ）では、図１０に示す収差レンズ１７１についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚ_fの例を示す。図１４の（Ｂ）では、図１２に示す収差レンズ１７３についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚ_fの例を示す。図１４の（Ｃ）では、収差レンズ１７１との比較のために、平凸球面レンズ１８０についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚ_fの例を示す。平凸球面レンズ１８０の曲率Ｃは、ｒに依らず一定である。これに対し、収差レンズ１７１の曲率Ｃは、ｒの絶対値が大きくなるにつれて単調に増加する。収差レンズ１７３の曲率Ｃは、ｒの絶対値が大きくなるにつれて単調に減少する。すなわち、収差レンズ１７１では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率Ｃが単調に増加する。収差レンズ１７３では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率Ｃが単調に減少する。

収差レンズ１７１の焦点位置ｚ_fは、ｒの絶対値が小さくなるにつれて大きくなる。収差レンズ１７１において、中心軸上の光線についての焦点位置ｚ_fは、正の無限大となる。すなわち、収差レンズ１７１は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。収差レンズ１７３の焦点位置ｚ_fは、ｒの絶対値が小さくなるにつれて小さくなる。収差レンズ１７３において、中心軸上の光線についての焦点位置ｚ_fは、負の無限大となる。すなわち、収差レンズ１７３は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。なお、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。

上記内容をまとめると、各収差レンズ１７１，１７３では、ｒの絶対値｜ｒ｜が大きくなるにつれて、焦点位置ｚ_fの絶対値である｜ｚ_f｜は小さくなる。｜ｚ_f｜は、収差レンズ１７１と焦点との間の距離、または、収差レンズ１７３と焦点との間の距離である。｜ｒ｜は、中心軸と中心軸に平行な光線との間の距離を表す。換言すると、収差レンズ１７１，１７３は、中心軸に平行な光線を収差レンズ１７１，１７３へ入射させた場合において中心軸から離れた位置の光線ほど収差レンズ１７１，１７３と焦点との間の距離が短い集光特性を有する。これにより、収差レンズ１７１，１７３は、収差を生じさせる。

平凸球面レンズ１８０では、｜ｒ｜が大きくなるにつれて｜ｚ_f｜が小さくなる。ただし、平凸球面レンズ１８０は、中心軸上の光線についての焦点位置ｚ_fが有限であることが、収差レンズ１７１とは異なる。平凸球面レンズ１８０の焦点位置ｚ_fは、例えば、ｒの２次関数となる。

収差レンズ１７１，１７３を実際に作製する場合は、中心軸上における屈折力を完全にゼロにすることはできない。このため、収差レンズ１７１，１７３は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心軸上における屈折力を有しても良い。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。

コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。

このように、収差レンズ１７１，１７３の中心軸上の位置は、屈折力を持たないか、あるいは、屈折力の絶対値がコリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下または１００分の１以下である。収差レンズ１７１，１７３は、中心軸上の位置においてはレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を大きく変化させないようにできる。

図１４の（Ｄ）では、収差レンズ１７４についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚ_fの例を示す。収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率がゼロである非球面を有する点が、収差レンズ１７１とは異なる。かかる点以外は、収差レンズ１７４は、収差レンズ１７１と同様であるものとする。図１０に示すレーザ加工装置３１には、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７４が設けられても良い。収差レンズ１７４は、レーザ加工ヘッド１１６に備わる収差光学系であって、単レンズとする。

収差レンズ１７４において、中心領域１８５は、中心軸上の位置を含む領域である。周辺領域１８６は、中心領域１８５を取り囲む領域である。収差レンズ１７４のレンズ半径をｒ_d、中心領域１８５と周辺領域１８６との境界を示すｒを境界値ｒ₀とする。ｒ₀は正の実数とする。中心領域１８５は、中心軸に垂直な方向において－ｒ₀≦ｒ≦ｒ₀の範囲の領域である。周辺領域１８６は、中心軸に垂直な方向において－ｒ_d≦ｒ＜－ｒ₀またはｒ₀＜ｒ≦ｒ_dの範囲の領域である。すなわち、中心領域１８５は、中心軸からの距離が境界値ｒ₀以下の領域である。周辺領域１８６は、中心軸からの距離が境界値ｒ₀を超える領域である。

図１４の（Ａ）に示す収差レンズ１７１では中心軸上の位置において曲率がゼロであるのに対し、収差レンズ１７４では－ｒ₀≦ｒ≦ｒ₀の中心領域１８５において曲率がゼロである。収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率をゼロとすること、すなわち中心領域１８５を平面とすることによって、容易に作成することができる。周辺領域１８６の曲率は、ｒの絶対値｜ｒ｜が大きくなるにつれて単調に増加する。すなわち、周辺領域１８６では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に増加する。

境界値ｒ₀は、例えば、レンズ半径ｒ_dの５０％以下の値である。境界値ｒ₀は、レンズ半径ｒ_dの４０％以下の値、または、レンズ半径ｒ_dの３０％以下の値であっても良い。収差レンズ１７４は、収差レンズ１７１の中心領域を、曲率がゼロである中心領域１８５に置き換えたものである。収差レンズ１７４は、中心領域１８５では屈折力を持たず、周辺領域１８６では｜ｒ｜が大きくなるにつれて｜ｚ_f｜が小さくなる。なお、収差レンズ１７４は、図１４の（Ｂ）に示す収差レンズ１７３の中心領域を、曲率がゼロである中心領域１８５に置き換えたものであっても良い。

収差レンズ１７４を実際に作製する場合は、中心領域１８５における屈折力を完全にゼロにすることはできない。このため、収差レンズ１７４は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心領域１８５における屈折力を有しても良い。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。

コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。

このように、収差レンズ１７４のうち中心領域１８５は、屈折力を持たないか、あるいは、屈折力の絶対値がコリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下または１００分の１以下である。収差レンズ１７４は、中心領域１８５においてはレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を大きく変化させないようにすることができる。

収差レンズ１７４のうち周辺領域１８６は、中心軸に平行な光線を周辺領域１８６へ入射させた場合において中心軸から離れた位置の光線ほど収差レンズ１７４と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。収差レンズ１７４は、周辺領域１８６により収差を生じさせることができる。なお、収差レンズ１７１の非球面についての説明は、収差レンズ１７４の入射面または出射面のうち周辺領域１８６の部分についても同様であるものとする。

ここまで、収差レンズ１７４は、曲率がゼロである中心領域１８５を備えるように収差レンズ１７１を変形したものとした。収差レンズ１７４は、曲率がゼロである中心領域１８５を備えるように収差レンズ１７３を変形したものであっても良い。この場合、収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率がゼロである非球面を有する点が、収差レンズ１７３とは異なる。かかる点以外は、収差レンズ１７４は、収差レンズ１７３と同様であるものとする。なお、収差レンズ１７３の非球面についての説明は、収差レンズ１７４の入射面または出射面のうち周辺領域１８６の部分についても同様であるものとする。周辺領域１８６では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に減少する。

可動機構１７２は、例えば、レーザ光１４４の光軸の方向に移動可能な可動ステージである。可動ステージの移動を高精度に制御するため、可動機構１７２には、例えば、サーボモータ、ステッピングモータ等が搭載されても良い。可動機構１７２は、レーザ光１４４の光軸の方向に移動可能な機構であれば良く、可動ステージに限られない。可動機構１７２は、回転ヘリコイド構造、直進ヘリコイド構造、またはカム構造等であっても良い。

レーザ加工装置３１，４１は、可動機構１７２によって収差レンズ１７１，１７３，１７４を移動させるものに限られない。レーザ加工装置３１，４１は、レーザ光１４４の発散角に応じてレーザ光１４４の光軸上の適切な位置に収差レンズ１７１，１７３，１７４が配置されることによってレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが一定とされたものであっても良い。

収差レンズ１７１，１７３の非球面、または収差レンズ１７４のうち周辺領域１８６の部分を式（２）で示す形状とし、かつ、発散角θ₁，θ₂においてレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹが同じ値となるように、式（２）の非球面係数が決定される。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、光軸の方向へ収差レンズ１７１，１７３，１７４を移動させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を維持したまま、横収差ΔＹの発散角に対する依存性だけを変化させることができる。発散角θ₁のレーザ光１４４が入射したときには光軸の方向へ収差レンズ１７１，１７４が移動することによって、収差レンズ１７１，１７４は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じさせる横収差ΔＹをΔＹ₂からΔＹ₁へ変化させることができる。発散角θ₁のレーザ光１４４が入射したときには光軸の方向へ収差レンズ１７３が移動することによって、収差レンズ１７３は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じさせる横収差ΔＹをΔＹ’₂からΔＹ’₁へ変化させることができる。

レーザ加工装置３１，４１は、かかる性質を利用して、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じる横収差を、例えば加工対象物１４３に応じて変化させても良い。例えば、レーザ発振器１４１の波長領域における吸収率が低い加工対象物１４３を加工する場合に、レーザ加工装置３１，４１は、収差レンズ１７１，１７３，１７４をレーザ光１４４の光軸の方向へ移動させ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差をより大きくしても良い。近赤外領域のレーザ光１４４の吸収率が低い材料としては、例えば、銅またはアルミニウム等が挙げられる。レーザ加工装置３１，４１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差を大きくすることによって、レーザ光１４４の吸収率が低い加工対象物１４３を加工する場合であってもスパッタ１４６を低減できる。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、高品質な加工を実現することができる。

図１５は、実施の形態１において収差レンズ１７１の非球面形状を変化させる場合における横収差と発散角との関係の変化について説明するための図である。図１５には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。非球面形状は、例えば、式（１）の非球面係数Ａ_jを変化させることによって、変化させることができる。図１５において、実線である線１９１は、発散角θの３乗に比例する横収差ΔＹを生じさせる非球面形状を適用する場合を表す。すなわち、線１９１で示される関係において、収差レンズ１７１は、球面収差の場合と同様の横収差を生じさせる。図１５において、破線である線１９４は、横収差ΔＹの発散角に対する依存性が線１９１の場合とは異なる非球面形状を適用する場合の例を表す。線１９４により示される、横収差ΔＹの発散角に対する依存性は、次の式（４）により表される。α₂は定数、βは正の実数とする。

α₂＝α₁，β＝３のとき、式（４）はΔＹ＝α₁θ³となる。すなわち、横収差ΔＹは発散角θの３乗に比例する。以下、横収差ΔＹの発散角に対する依存性とは、式（４）により表される関係とする。横収差ΔＹの発散角に対する依存性とは、横収差ΔＹが発散角θのβ乗に比例すること、より一般的には、横収差ΔＹが発散角θのべき乗に比例すること、といえる。以下、α₂は比例定数、βはべき指数とする。線１９４は、線１９１の場合におけるべき指数βの値である３よりもべき指数βの値が小さい場合における、横収差ΔＹの発散角に対する依存性の例を示す。このように、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹは、レーザ光１４４の発散角θのべき乗に比例する。

図１５では、発散角θがθ₁である場合において線１９１と線１９４とが交わる。すなわち、発散角θがθ₁であるとき、横収差ΔＹが同じ横収差ΔＹ₁となる。発散角θがθ₁よりも小さいθ₂であるとき、線１９４で示される横収差ΔＹ₃は、線１９１で示される横収差ΔＹ₂よりも小さくなる。

図１６は、実施の形態１において収差レンズ１７１の非球面形状を変化させる場合におけるビームプロファイルの変化について説明するための図である。図１６には、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７におけるレーザ光１４４のビームプロファイルを示す。

図１６では、図１５において線１９１により示される関係の場合におけるビームプロファイルに、図１５において線１９４により示される関係の場合におけるビームプロファイルが重ね合わせられている。図１６において実線で示すプロファイル１９５は、図１５において線１９１により示される関係の場合におけるビームプロファイルである。図１６において破線で示すプロファイル１９６は、図１５において線１９４により示される関係の場合におけるビームプロファイルである。すなわち、プロファイル１９５は、べき指数βの値が３である場合におけるビームプロファイルである。プロファイル１９６は、べき指数βの値が３よりも小さい場合におけるビームプロファイルである。

各プロファイル１９５，１９６は、ウィッチハット状のビームプロファイルである。また、図１６では、各プロファイル１９５，１９６の違いを分かり易くするため、各プロファイル１９５，１９６のうち周辺ビーム１６１に相当する部分を拡大して示す。

プロファイル１９５とプロファイル１９６との大きな違いは、プロファイル１９６の方がプロファイル１９５よりも周辺ビーム１６１の強度が高いことである。この結果、プロファイル１９６の場合の方がプロファイル１９５の場合よりも、図８に示す周辺ビーム幅１６６が広がる。プロファイル１９６の場合、例えば図６のキーホール１４７の開口部１５５を、より大きくベルマウス状に拡げることができる。したがって、レーザ加工装置３１，４１は、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、高品質な加工を実現することができる。

上記のベルマウス状という表現について、図６を参照して説明する。図６に示す前壁１４８の形状、および図６に示す後壁１４９の形状は、底部１５２から開口部１５５に近づくに従って広がっている。前壁１４８のうち開口部１５５の近辺の急激に広がる部分の形状と、後壁１４９のうち開口部１５５の近辺の急激に広がる部分の形状とを、周知の構造に強いて例えるとすれば、ベルマウスを挙げることができる。なお、ベルマウス状という表現は、キーホール１４７の形状を限定するものではない。また、底部１５２から開口部１５５までの前壁１４８の全体の形状と、底部１５２から開口部１５５までの後壁１４９の全体の形状とを、周知の物に強いて例えるとすれば、広がりが緩やかな筒状の部分と筒状の部分に比べて急激に広がる端部とを有する、ホーンまたはラッパなどを挙げることができる。そのため、キーホール１４７の全体を例えるとすれば、ホーン状、またはラッパ状といった言葉を使うこともできる。この場合も、ホーン状、またはラッパ状という言葉は、キーホール１４７の形状を限定するものではない。

以上をまとめると、レーザ加工装置３１，４１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差をレーザ光１４４の発散角のべき乗に比例させ、べき指数βの値を３より小さい値とすることで、球面収差よりも大きな収差を与えることができる。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、高品質な加工を実現することができる。

式（３）において、より高次の非球面係数Ａ_jを使用することで、非球面係数としてＡ₄のみを使用する場合と比べて、横収差ΔＹを発散角θのβ乗に比例させることが容易となる。非球面係数Ａ_jを使用して、横収差ΔＹを発散角θのβ乗に比例させ易くすることができるべき指数βの値の範囲は、例えば、２．５≦β≦３．５である。したがって、例えば、べき指数βの値が２．５以上かつ３よりも小さいとき、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、より高品質な加工を実現することができる。

図１５では、べき指数βの値が３である場合、および、べき指数βの値が３よりも小さい場合について説明したが、加工対象物１４３に応じた最適な周辺ビーム１６１の強度を得るため、べき指数βの値を３よりも大きくしても良い。したがって、例えば、べき指数βの値が３よりも大きくかつ３．５以下であるとき、加工対象物１４３に応じた最適な周辺ビーム１６１の強度を得ることができる。べき指数βの値を３とする場合は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７にて球面収差の場合と同様の横収差を生じさせることができる。

図１７は、実施の形態１における非球面係数と横収差との関係の例を示す図である。図１７には、式（３）における４次の非球面係数であるＡ₄と、発散角θを一定のθ₂としたときのレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹとの関係を表すグラフを示す。図１７において、実線である線１９７は、加工光学系１１４の光学倍率Ｍ＝ｆ_f／ｆ_cを１倍とした場合における非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとの関係を表す。破線である線１９８は、光学倍率Ｍを２倍とした場合における非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとの関係を表す。一点鎖線である線１９９は、光学倍率Ｍを４倍とした場合における非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとの関係を表す。

図１８は、図１７に示す関係である特性を有する収差レンズ１７１，１７３についてのパラメータの例を示す図である。パラメータは、収差レンズ１７１，１７３の非球面係数Ａ₄，Ａ_kと、加工光学系１１４により生じる収差であるΔＹ_Oと、横収差ΔＹとする。ｋは６以上の偶数とする。横収差ΔＹは、収差レンズ１７１，１７３および加工光学系１１４をレーザ光１４４が通過した後に、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じる横収差とする。

図１８では、単純な例による説明とするために、非球面係数Ａ_kがゼロであって、かつΔＹ_Oがゼロであるものとする。ΔＹ_Oがゼロであるとは、加工光学系１１４により収差が生じないか、または、加工光学系１１４により生じる収差が無視できるほどに小さいことを指す。収差レンズ１７１における非球面係数Ａ₄の値は正の値である。収差レンズ１７１を使用する場合における横収差ΔＹは、負の横収差である。収差レンズ１７３における非球面係数Ａ₄の値は負の値である。収差レンズ１７３を使用する場合における横収差ΔＹは、正の横収差である。

図１７に示すように、非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとには比例関係が成り立つ。また、光学倍率Ｍを変化させることによって、非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとの関係を表すグラフの傾きが変化する。グラフの傾きと光学倍率Ｍの逆数とには比例関係が成り立つ。非球面係数Ａ₄と横収差ΔＹとの関係は、次の式（５）により表される。

次に、加工光学系１１４により収差が生じ得る場合、すなわちΔＹ_Oがゼロ以外の値である場合について説明する。図１９は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと非球面係数Ａ₄との関係の例を示す図である。図２０は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと収差レンズ１７１の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２１は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、非球面係数Ａ₄と収差レンズ１７１の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２２は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと非球面係数Ａ₄との関係の例を示す図である。図２３は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと収差レンズ１７３の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２４は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、非球面係数Ａ₄と収差レンズ１７３の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２５は、図１９から図２１に示す関係である特性を有する収差レンズ１７１と、図２２から図２４に示す関係である特性を有する収差レンズ１７３とについてのパラメータの例を示す図である。

図２５に示す例では、図１８の場合と同様に、非球面係数Ａ_kはゼロとする。図２５において、加工光学系１１４により生じる収差であるΔＹ_Oは、変数であるものとする。収差レンズ１７１を使用する場合における横収差ΔＹは、負の値である一定値とする。収差レンズ１７３を使用する場合における横収差ΔＹは、正の値である一定値とする。

図１９および図２２には、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと非球面係数Ａ₄との関係を表すグラフを示す。図１９に示すように、非球面係数Ａ₄がゼロであるとき、収差レンズ１７１による収差は生じず、ΔＹ_O＝ΔＹとなる。図２２に示すように、非球面係数Ａ₄がゼロであるとき、収差レンズ１７３による収差は生じず、ΔＹ_O＝ΔＹとなる。つまり、非球面係数Ａ₄がゼロであるとき、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oは、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹに等しい。

図１９に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oが大きくなるに従い、収差レンズ１７１における非球面係数Ａ₄は大きくなる。図２２に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oが大きくなるに従い、収差レンズ１７３における非球面係数Ａ₄は大きくなる。

図２０および図２３には、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oと収差レンズ１７１，１７３の移動量ｄとの関係を表すグラフを示す。ここで、発散角θがθ₁であって、かつ光軸上における収差レンズ１７１，１７３の位置がＰ₁であるときと、発散角θがθ₂であって、かつ光軸上における収差レンズ１７１，１７３の位置がＰ₂であるときとにおいて、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが等しいとする。この場合において、移動量ｄは、位置Ｐ₁と位置Ｐ₂との間の距離である。すなわち、ｄ＝｜Ｐ₁－Ｐ₂｜が成り立つ。

図２０に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oの値が横収差ΔＹの値に近づくに従い、移動量ｄは大きくなる。図２３に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oの値が横収差ΔＹの値に近づくに従い、移動量ｄは大きくなる。また、図２０に示すように横収差ΔＹが負の横収差である場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oを大きくするほど、移動量ｄを小さくすることができる。図２３に示すように横収差ΔＹが正の横収差である場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oを小さくするほど、移動量ｄを小さくすることができる。移動量ｄが小さいほど、可動機構１７２の可動範囲を小さくすることができ、可動機構１７２を小型にすることができる。

一般的な加工光学系１１４は、収差ΔＹ_Oをゼロ、または、収差ΔＹ_Oを無視できるほどに小さくする。これに対し、図２０および図２３に示す関係の場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹ_Oの符号を、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹの符号とは逆とすることによって、移動量ｄを小さくすることができる。すなわち、横収差ΔＹが正の値である場合は収差ΔＹ_Oを負の値とし、横収差ΔＹが負の値である場合は収差ΔＹ_Oを正の値とすれば良い。

図２１および図２４には、非球面係数Ａ₄と収差レンズ１７１，１７３の移動量ｄとの関係を表すグラフを示す。図２１に示す関係は、図１９に示す関係および図２０に示す関係から導き出される。図２４に示す関係は、図２２に示す関係および図２３に示す関係から導き出される。

図２１に示すように、正の値である非球面係数Ａ₄が大きくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。図２４に示すように、負の値である非球面係数Ａ₄が小さくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。すなわち、図２１および図２４によると、非球面係数Ａ₄の絶対値が大きくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。したがって、非球面係数Ａ₄の絶対値を大きくすることによって、可動機構１７２の可動範囲を小さくすることができ、可動機構１７２を小型にすることができる。

図１７から図２５では、単純な例による説明とするために非球面係数Ａ_kをゼロとしたが、実施の形態１において、非球面係数Ａ_kはゼロ以外の値でも良い。非球面係数Ａ_kがゼロ以外の値であることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが等しくなる発散角θ₁，θ₂を、より広い発散角範囲θ_r＝θ₁－θ₂で実現可能となる。非球面係数Ａ_kがゼロ以外の値である収差レンズ１７１，１７３を光軸の方向へ移動させることによって、より広い発散角範囲θ_rにおいて、レーザ光１４４の照射位置でのビーム形状を同じにすることができる。その結果、レーザ加工装置３１，４１は、より広い発散角範囲θ_rにおいて安定した加工を実現できる。発散角範囲θ_rは、例えば、光ファイバ１４２から出射するレーザ光１４４の発散角範囲と同じであっても良い。例えば、レーザ光１４４の発散角範囲が５０ｍｒａｄから１１０ｍｒａｄのとき、発散角範囲θ_r＝１１０ｍｒａｄ－５０ｍｒａｄ＝６０ｍｒａｄとしても良い。

実施の形態１では、収差光学系を、単レンズである収差レンズ１７１，１７３，１７４をとしたが、これに限られない。収差光学系は、複数のレンズにより構成されても良い。または、収差光学系は、レンズ以外の光学素子を含む光学系であっても良い。

実施の形態２．
実施の形態２では、レーザ加工装置の３つの構成例を説明する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。

図２６は、実施の形態２の第１の例にかかるレーザ加工装置５１の構成を示す図である。レーザ加工装置５１は、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７５が設けられている点が、図１０に示すレーザ加工装置３１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置５１は、レーザ加工装置３１と同様であるものとする。実施の形態２の第１の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７５とする。収差レンズ１７５は、球面である凸面を有する凸レンズである。

レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７５を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置５１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７５の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。球面を備える収差レンズ１７５は、非球面を備えるレンズに比べて容易に作成することができる。第１の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２６では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。

収差レンズ１７５は、例えば、球面であって凸面である第１の面２０１と球面であって凸面である第２の面２０２とを有する。第１の面２０１と第２の面２０２とは、互いに異なる曲率Ｃを有する。収差レンズ１７５は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。収差レンズ１７５の中心軸は、収差レンズ１７５を通過するレーザ光１４４の光軸と重なり合う。図２６に示すレーザ加工装置５１では、第１の面２０１はレーザ光１４４が入射する入射面であって、第２の面２０２はレーザ光１４４が出射する出射面である。なお、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。

収差レンズ１７５が中心軸上の光線に対する屈折力を有しないことで、可動機構１７２により収差レンズ１７５を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化は小さい。これにより、レーザ加工装置５１は、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。

第１の面２０１の曲率をＣ₁、第２の面２０２の曲率をＣ₂、収差レンズ１７５の中心厚をｔ、収差レンズ１７５の屈折率をｎとすると、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないときにおける曲率Ｃ₁，Ｃ₂の関係は、次の式（６）により表される。なお、Ｃ₁≠０、Ｃ₂≠０とする。

曲率Ｃ₁，Ｃ₂の組み合わせは、式（６）を満足し、かつ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で所望の横収差を得られるように選択できる。

図２７は、実施の形態２における収差光学系の構成について説明するための図である。図２７では、収差光学系である収差レンズ１７５の形状と、曲率Ｃ₁，Ｃ₂との例を示す。曲率Ｃ₁，Ｃ₂の各々は、ｒに依らず一定である。また、式（６）からも分かるように、Ｃ₁＜Ｃ₂が成り立つ。図２６および図２７では、曲率Ｃ₁と曲率Ｃ₂との各々が正の値である例を示したが、曲率Ｃ₁と曲率Ｃ₂との各々は、負の値であっても良い。

可動機構１７２によって光軸の方向へ収差レンズ１７５を移動させることによって、レーザ加工装置５１は、互いに異なる発散角θのレーザ光１４４に対し、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で同じ横収差ΔＹ₂を生じさせることができる。これにより、レーザ加工装置５１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。

収差レンズ１７５は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心軸上における屈折力を有しても良い。または、収差レンズ１７５は、図１４の（Ｄ）に示す収差レンズ１７４と同様に、中心領域１８５における屈折力を有しても良い。中心領域１８５における屈折力を有する場合、収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。

コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。

第１の面２０１の曲率Ｃ₁および第２の面２０２の曲率Ｃ₂は、収差レンズ１７５とコリメートレンズ１１２との組み合わせの合成焦点距離ｆ_eが、コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cと等しくなるように設定されても良い。以下、収差光学系とコリメート光学系との組み合わせを、組合せコリメート光学系と称する。ここでは、組合せコリメート光学系は、収差レンズ１７５とコリメートレンズ１１２との組み合わせである組合せコリメートレンズとする。

合成焦点距離ｆ_eは、光ファイバ１４２の出射端から組合せコリメートレンズを通過するまでについての光線追跡行列Ｆ_eを求め、光線追跡行列Ｆ_eの２行１列成分の逆数に－１を乗じることによって求まる。光線追跡行列Ｆ_eは、次の式（７）により表される。

式（７）では、コリメートレンズ１１２を、焦点距離ｆ_cの薄肉レンズと仮定する。ｄ₀は、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７５の第１の面２０１との間の距離とする。ｄ₁は、収差レンズ１７５の第２の面２０２とコリメートレンズ１１２との間の距離とする。

組合せコリメートレンズの合成焦点距離ｆ_eがコリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cと等しくなるとき、曲率Ｃ₁，Ｃ₂は、次の式（８）を満足する。なお、Ｃ₁≠０、Ｃ₂≠０とする。

この場合において、距離ｄ₁と焦点距離ｆ_cとの各々を、所望の値としても良い。レーザ加工装置５１は、ｆ_e＝ｆ_cを満足する組合せコリメート光学系を備えることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を得ることができ、安定した加工を実現できる。なお、上記説明ではコリメートレンズ１１２を薄肉レンズと仮定したが、コリメートレンズ１１２を、例えば、平凸レンズ、または球面収差を最小化したレンズと仮定しても良い。

図２６には、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面である収差レンズ１７５を例として示したが、収差レンズ１７５は、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面であるものに限られない。収差レンズ１７５は、第１の面２０１または第２の面２０２が、式（１）で表される非球面に置き換えられたものであっても良い。例えば、収差レンズ１７５が、非球面に置き換えられた第１の面２０１と球面である第２の面２０２とを備える場合、第１の面２０１の曲率が、曲率Ｃ₁から、式（１）で表される曲率Ｃ₀に置き換えられる。この場合も、レーザ加工装置５１は、可動機構１７２により収差レンズ１７５を移動させたときにおける、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化を小さくすることができ、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。

また、第１の面２０１または第２の面２０２が非球面に置き換えられることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を容易に得ることができる。例えば、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面である場合、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差の絶対値を大きくしようとすると、曲率Ｃ₁，Ｃ₂の絶対値が大きくなる。これに対し、第１の面２０１と第２の面２０２との一方が非球面に置き換えられることによって、曲率Ｃ₁，Ｃ₂の絶対値が大きくなることが防がれ、所望の収差を容易に得ることが可能となる。

図２８は、実施の形態２の第２の例にかかるレーザ加工装置６１の構成を示す図である。レーザ加工装置６１は、収差レンズ１７５に代えて収差レンズ１７６が設けられている点が、図２６に示すレーザ加工装置５１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置６１は、レーザ加工装置５１と同様であるものとする。収差レンズ１７６は、複数の球面レンズで構成される収差光学系である。

図２８に示す収差レンズ１７６は、第１のレンズ２１１と第２のレンズ２１２とを備える。第１のレンズ２１１は、球面であって凹面である入射面と平面である出射面とを有する平凹球面レンズである。第２のレンズ２１２は、球面であって凸面である入射面と平面である出射面とを有する平凸球面レンズである。第２の例では、汎用性が高い平凹球面レンズと平凸球面レンズとが収差レンズ１７６に使用されることによって、レーザ加工ヘッド１１６の光学系を容易に構築することができる。

レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７６を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置６１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７６の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。第２の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２８では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。

第１のレンズ２１１の入射面の曲率をＣ₃、第２のレンズ２１２の入射面の曲率をＣ₄として、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないときにおける曲率Ｃ₃，Ｃ₄の関係は、次の式（９）により表される。中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。なお、Ｃ₃≠０、Ｃ₄≠０とする。

ただし、ｔ₃は第１のレンズ２１１の中心厚、ｄ₂は第１のレンズ２１１の出射面と第２のレンズ２１２との間の距離とする。曲率Ｃ₃，Ｃ₄の組み合わせは、式（９）を満足し、かつ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で所望の横収差を得られるように選択できる。

収差レンズ１７６が中心軸上の光線に対する屈折力を有しないことで、可動機構１７２により収差レンズ１７６を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化は小さい。これにより、レーザ加工装置６１は、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。レーザ加工装置６１は、距離ｄ₂を一定に保ちながら収差レンズ１７６を光軸の方向に移動させることによって、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない状態を維持しながら収差レンズ１７６を移動させることができる。レーザ加工装置６１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。

第１のレンズ２１１の入射面の曲率Ｃ₃および第２のレンズ２１２の入射面の曲率Ｃ₄は、収差レンズ１７６とコリメートレンズ１１２との組み合わせの合成焦点距離ｆ_e2が、コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆ_cと等しくなるように設定されても良い。第２の例では、組合せコリメート光学系は、収差レンズ１７６とコリメートレンズ１１２との組み合わせである組合せコリメートレンズとする。

合成焦点距離ｆ_e2は、光ファイバ１４２の出射端から組合せコリメートレンズを通過するまでについての光線追跡行列Ｆ_e2を求め、光線追跡行列Ｆ_e2の２行１列成分の逆数に－１を乗じることによって求まる。光線追跡行列Ｆ_e2は、式（７）に示される光線追跡行列Ｆ_eと同様に求めることができる。ここでは、光線追跡行列Ｆ_e2を求める方法についての説明は省略する。

レーザ加工装置６１は、ｆ_e＝ｆ_cとする場合も、距離ｄ₂を一定に保ちながら収差レンズ１７６を光軸の方向に移動させることによって、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない状態を維持しながら収差レンズ１７６を移動させることができる。レーザ加工装置６１は、ｆ_e＝ｆ_cを満足する組合せコリメート光学系を備えることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を得ることができ、安定した加工を実現できる。

図２８には、凹面である入射面を有する第１のレンズ２１１と凸面である入射面を有する第２のレンズ２１２とを有する収差レンズ１７６を例として示したが、第２の例における収差レンズ１７６の構成はこれに限られない。第１のレンズ２１１の出射面が凸面であって、かつ、第２のレンズ２１２の出射面が凹面であっても良い。

図２９は、実施の形態２の第３の例にかかるレーザ加工装置７１の構成を示す図である。レーザ加工装置７１は、収差レンズ１７５に代えて収差レンズ１７７が設けられている点が、図２６に示すレーザ加工装置５１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置７１は、レーザ加工装置５１と同様であるものとする。収差レンズ１７７は、複数の球面レンズで構成される収差光学系である。

図２９に示す収差レンズ１７７は、第１のレンズ２１３と第２のレンズ２１４とを備える。第１のレンズ２１３は、平面である入射面と球面であって凹面である出射面とを有する平凹球面レンズである。第２のレンズ２１４は、平面である入射面と球面であって凸面である出射面とを有する平凸球面レンズである。第３の例では、汎用性が高い平凹球面レンズと平凸球面レンズとが収差レンズ１７７に使用されることによって、レーザ加工ヘッド１１６の光学系を容易に構築することができる。

レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７７を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置７１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７７の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。第３の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２９では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。

レーザ加工装置７１は、図２８に示すレーザ加工装置６１の場合と同様に、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。レーザ加工装置７１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。

図２９には、凹面である出射面を有する第１のレンズ２１３と凸面である出射面を有する第２のレンズ２１４とを有する収差レンズ１７７を例として示したが、第３の例における収差レンズ１７７の構成はこれに限られない。第１のレンズ２１３の入射面が凸面であって、かつ、第２のレンズ２１４の入射面が凹面であっても良い。

図２８および図２９では、収差レンズ１７６，１７７の各々を２つの球面レンズで構成した例を示したが、収差レンズ１７６，１７７の各々は、３つ以上の球面レンズで構成されたものであっても良い。収差レンズ１７６，１７７を構成するレンズは、平凹球面レンズまたは平凸球面レンズに限られない。収差レンズ１７６，１７７を構成するレンズは、球面レンズは、両凸球面レンズ、両凹球面レンズ、凸メニスカスレンズ、または凹メニスカスレンズであっても良い。

第１のレンズ２１１，２１３の曲率および第２のレンズ２１２，２１４の曲率は、第１のレンズ２１１，２１３の入射面から第２のレンズ２１２，２１４の出射面までの光線追跡行列Ｆ_e3に基づいて求めても良い。この場合、光線追跡行列Ｆ_e3が求められ、光線追跡行列Ｆ_e3の２行１列成分がゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆ_e3の２行２列成分が１となるように、第１のレンズ２１１，２１３の曲率および第２のレンズ２１２，２１４の曲率が決定される。

光線追跡行列Ｆ_e3の２行１列成分がゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆ_e3の２行２列成分が１であることによって、可動機構１７２によって光軸の方向へ収差レンズ１７６，１７７を移動させてもレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が変化せず、安定した加工を実現できる。例えば、第１のレンズ２１１，２１３または第２のレンズ２１２，２１４を、凸メニスカスレンズまたは凹メニスカスレンズとすることによって、光線追跡行列Ｆ_e3の２行１列成分をゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆ_e3の２行２列成分を１とすることができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、レーザ加工装置の２つの構成例を説明する。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。

図３０は、実施の形態３の第１の例にかかるレーザ加工装置８１の構成を示す図である。レーザ加工装置８１のレーザ加工ヘッド１１６は、図１０に示すレーザ加工装置３１のレーザ加工ヘッド１１６と同様の構成に加えて、第１のベンドミラー３０１と、第２のベンドミラー３０２と、モニタ用レンズ３０３と、光検出部３０４とを備える。第１のベンドミラー３０１と、第２のベンドミラー３０２と、モニタ用レンズ３０３と、光検出部３０４とがレーザ加工ヘッド１１６に備えられることによって、加工対象物１４３の状態と溶融金属１５１の状態との観察が可能となる。なお、図３０では、加工対象物１４３と、可動機構１７２を制御する制御装置との図示を省略する。

第１のベンドミラー３０１および第２のベンドミラー３０２は、コリメートレンズ１１２と集光レンズ１１３との間の光路上に配置されている。第１のベンドミラー３０１は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４を第２のベンドミラー３０２の方へ反射する。第２のベンドミラー３０２は、第１のベンドミラー３０１から入射するレーザ光１４４を集光レンズ１１３の方へ反射する。集光レンズ１１３には、第２のベンドミラー３０２で反射したレーザ光１４４が入射する。

第２のベンドミラー３０２の反射面には、例えば、レーザ光１４４を反射し、かつ、加工対象物１４３からレーザ加工ヘッド１１６へ入射する光３０５を透過するコーティングが施されている。第２のベンドミラー３０２は、例えば、ダイクロイックミラーである。加工対象物１４３からレーザ加工ヘッド１１６へ入射し、集光レンズ１１３を通過した光３０５は、第２のベンドミラー３０２へ入射する。第２のベンドミラー３０２を通過した光３０５は、モニタ用レンズ３０３によって光検出部３０４にて集光される。

光検出部３０４は、例えば、撮像装置である。撮像装置は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、またはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを備えるカメラである。撮像装置により加工対象物１４３を撮像することによって、加工対象物１４３の状態と溶融金属１５１の状態とを観察できる。光検出部３０４は、フォトダイオードといった光検出器でも良い。

集光レンズ１１３は、例えば、収差を生じないか、または、無視できるほどに小さい収差を生じる。光検出部３０４が撮像装置である場合、集光レンズ１１３の収差を無くすことによって、撮像装置へ収差無く光３０５を集光できる。これにより、撮像装置によってぼけまたは歪みの無い画像を得ることができる。この場合、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差ΔＹ₂は、コリメートレンズ１１２または収差レンズ１７１、あるいは、コリメートレンズ１１２および収差レンズ１７１の両方によって生じさせる。

図３０では、レーザ加工ヘッド１１６に収差レンズ１７１が備えられる例を示したが、レーザ加工ヘッド１１６には、収差レンズ１７１に代えて、上記の収差レンズ１７３，１７４，１７５，１７６，１７７のいずれが備えられても良い。

レーザ加工装置８１には、加工対象物１４３を照明する照明光源が備えられても良い。照明光源には、発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）またはレーザダイオード（Laser Diode：ＬＤ）といった光源を使用できる。照明光源によって加工対象物１４３を照明することで、加工対象物１４３の状態、または溶融金属１５１の状態をより分かり易く観察することができる。

図３１は、実施の形態３の第２の例にかかるレーザ加工装置９１の構成を示す図である。レーザ加工装置９１の制御装置３１０は、可動機構１７２を制御する。光検出部３０４が撮像装置である場合、制御装置３１０は、撮像装置から出力される画像を解析し、解析結果に基づいて可動機構１７２を制御する。制御装置３１０は、可動機構１７２を制御することによって、収差レンズ１７１を光軸上の最適な位置へ移動させる。光検出部３０４が光検出器である場合、制御装置３１０は、光検出器により検出された光信号に基づいて可動機構１７２を制御する。光信号に基づく制御方法としては、例えば、フィードバック制御を用いても良い。また、制御装置３１０は、フィードフォワード制御等が組み合わせられた制御方法によって可動機構１７２を制御しても良い。レーザ加工装置９１は、制御装置３１０によって光軸上の最適な位置へ収差レンズ１７１を移動させる制御を続けることで、安定した加工を維持することができる。

図３１では、レーザ加工ヘッド１１６に収差レンズ１７１が備えられる例を示したが、レーザ加工ヘッド１１６には、収差レンズ１７１に代えて、上記の収差レンズ１７３，１７４，１７５，１７６，１７７のいずれが備えられても良い。図３１では、レーザ光１４４と同軸上に光検出部３０４が配置される例を示したが、光検出部３０４は、レーザ光１４４とは非同軸に配置されても良い。レーザ光１４４とは非同軸に光検出部３０４が配置される場合、例えば、光検出部３０４である複数の光検出器が非同軸に配置されても良い。この場合、レーザ加工装置９１は、複数の光検出器からの光信号に基づいて可動機構１７２を制御する。

次に、実施の形態３にかかる制御装置３１０を実現するハードウェアについて説明する。制御装置３１０は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。

処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図３２に示す制御回路である。図３２は、実施の形態３にかかる制御回路３２０の構成例を示す図である。制御回路３２０は、入力部３２１、プロセッサ３２２、メモリ３２３および出力部３２４を備える。入力部３２１は、制御回路３２０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ３２２に与えるインターフェース回路である。出力部３２４は、プロセッサ３２２またはメモリ３２３からのデータを制御回路３２０の外部に送るインターフェース回路である。

処理回路が図３２に示す制御回路３２０である場合、制御装置３１０は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ３２３に格納される。処理回路では、メモリ３２３に記憶されたプログラムをプロセッサ３２２が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、制御装置３１０の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ３２３を備える。また、これらのプログラムは、制御装置３１０の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。

プロセッサ３２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital Signal Processor）ともいう）である。メモリ３２３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等が該当する。

図３２は、汎用のプロセッサ３２２およびメモリ３２３により各構成要素を実現する場合のハードウェアの例であるが、各構成要素は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図３３は、実施の形態３にかかる専用のハードウェア回路３２５の構成例を示す図である。

専用のハードウェア回路３２５は、入力部３２１、出力部３２４および処理回路３２６を備える。処理回路３２６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。制御装置３１０の各機能を機能別に処理回路３２６で実現しても良いし、各機能をまとめて処理回路３２６で実現しても良い。なお、制御装置３１０は、制御回路３２０とハードウェア回路３２５とが組み合わされて実現されても良い。

以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。

２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１ レーザ加工装置、１１１ 点光源、１１２ コリメートレンズ、１１３ 集光レンズ、１１４ 加工光学系、１１６ レーザ加工ヘッド、１１７ 近軸焦点、１１８，１１９，１４５，１６５，１６７，１９５，１９６ プロファイル、１２０ 進行方向、１２１，１２２ 光線、１４１ レーザ発振器、１４２ 光ファイバ、１４３ 加工対象物、１４４ レーザ光、１４６ スパッタ、１４７ キーホール、１４８ 前壁、１４９ 後壁、１５０ 溶融金属流、１５１ 溶融金属、１５２ 底部、１５３ 表面、１５４ 基準面、１５５ 開口部、１６０ 主ビーム、１６１ 周辺ビーム、１６２ 蒸発反力、１６３ 金属蒸気、１６６ 周辺ビーム幅、１７１，１７３，１７４，１７５，１７６，１７７ 収差レンズ、１７２ 可動機構、１８０ 平凸球面レンズ、１８１，１８３，２０１ 第１の面、１８２，１８４，２０２ 第２の面、１８５ 中心領域、１８６ 周辺領域、１９０，１９１，１９２，１９３，１９４，１９７，１９８，１９９ 線、２１１，２１３ 第１のレンズ、２１２，２１４ 第２のレンズ、３０１ 第１のベンドミラー、３０２ 第２のベンドミラー、３０３ モニタ用レンズ、３０４ 光検出部、３０５ 光、３１０ 制御装置、３２０ 制御回路、３２１ 入力部、３２２ プロセッサ、３２３ メモリ、３２４ 出力部、３２５ ハードウェア回路、３２６ 処理回路。

Claims (11)

1. 加工対象物へ向けて照射させるレーザ光の伝搬方向に向かって前記レーザ光が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、
   前記レーザ光が伝搬するコリメート光学系と、を備え、
   前記収差光学系のうち前記収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値が前記コリメート光学系の屈折力の１０分の１以下であって、
   前記収差光学系のうち前記中心軸からの距離が前記境界値を超える領域である周辺領域は、前記中心軸に平行な光線を前記周辺領域へ入射させた場合に前記中心軸から離れた位置の前記光線ほど前記収差光学系と前記光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記収差光学系と前記コリメート光学系との組み合わせの合成焦点距離は、前記コリメート光学系の焦点距離と等しいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. 前記レーザ加工ヘッドを通過した前記レーザ光の近軸焦点における横収差は、前記レーザ光の発散角のべき乗に比例し、
   前記べき乗のべき指数は、３よりも小さい値であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
4. 前記収差光学系は単レンズであって、前記単レンズのうち前記レーザ光が入射する入射面のうち前記周辺領域の部分、または、前記単レンズのうち前記レーザ光が出射する出射面のうち前記周辺領域の部分が、前記中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に増加または単調に減少する形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
5. 前記レーザ加工ヘッドを通過した前記レーザ光の近軸焦点における横収差は、前記レーザ光の発散角のべき乗に比例し、
   前記べき乗のべき指数は、３であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
6. 前記収差光学系は、複数の球面レンズで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
7. 前記加工対象物から前記レーザ加工ヘッドへ入射する光を検出する光検出部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
8. 前記収差光学系を通過する前記レーザ光の光軸の方向へ前記収差光学系を移動させる可動機構を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
9. 前記レーザ光を集光させる集光光学系を備え、
   前記レーザ光の近軸焦点における横収差の符号が、前記コリメート光学系および前記集光光学系の組み合わせにより生じる横収差の符号とは逆であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
10. レーザ光を出射するレーザ発振器と、
    請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドと、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
11. 請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッドを通過したレーザ光を第１の金属製製造物および第２の金属製製造物に照射し、前記第１の金属製製造物と前記第２の金属製製造物とを溶接することによって第３の金属製製造物を製造することを特徴とする金属製製造物の製造方法。

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