(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限の大きさの光源から出射された光束を平行光束に変換するコリメーターと、
前記平行光束を複数の部分光束に分割すると共に該複数の部分光束の進行方向を互いに平行であってかつ同一方向に反射させる複数の第１反射面を有する第１の光学素子と、
前記複数の部分光束を前記進行方向に直交しかつ前記平行光束の進行方向に一列に並べて反射させる複数の第２反射面を有する第２の光学素子と、
前記第２の光学素子により一列に並べられた前記複数の部分光束を集光して前記光源の像を結像させる集光光学系と、を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学装置において、
前記第１の光学素子は、前記平行光束の進行方向に所定間隔で配設されるとともに前記進行方向と直交する方向に階段状にずらして配設され、前記平行光束の異なる部分を前記部分光束として前記進行方向と異なる方向に反射させる互いに平行な前記複数の第１反射面を備え、
前記第２の光学素子は、前記部分光束を受光する位置に前記複数の第１反射面の各々と対応して設けられ、受光した部分光束を前記集光光学系へそれぞれ反射させる互いに平行な前記複数の第２反射面を備えることを特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学装置を備えたレーザー加工機において、前記第２の光学素子により反射された前記複数の部分光束の配列方向をレーザー光による加工方向と一致するように請求項１または２に記載の光学装置を配備し、レーザー光源からの前記レーザー光を前記光学装置を介して被加工物上に照射することを特徴とするレーザー加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束断面形状を変換する光学装置および、その光学装置を備えたレーザー加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くのレーザー加工機では、安全性や機能性を考慮して加工場所から離れた場所にレーザー発振器を設置し、レーザー発振器から加工ヘッドへはオプティカルファイバーによってレーザー光を導くようにしている。このレーザー光を導くオプティカルファイバーがある程度以上の長さになると、オプティカルファイバーから射出される光束のＮＡ（開口数）は入射光束のＮＡと同じにならず、オプティカルファイバーの臨界角度程度まで広がってしまう。オプティカルファイバーの臨界角度は、例えば、石英ファイバーの場合、ＮＡで０．２程度が普通である。
【０００３】
このように、オプティカルファイバーからは臨界角度いっぱいに円錐状に広がった光束が出射される。加工ヘッドには集光光学系が設けられており、オプティカルファイバーから出射されたレーザー光は集光光学系により集光され、ワークの加工部分にオプティカルファイバーの射出面像が形成される。この集光光束も円錐状に集光され、その集光ＮＡは加工部に形成された射出面像の投影倍率によって決まる。例えば、ＮＡ＝０．２のオプティカルファイバーにより等倍投影すると、集光ＮＡは０．２となる。このような円錐状に集光されたレーザー光をワークに照射すると、加工部はレーザー光照射中心について回転対称状に溶融され、また、円錐状光束のために射出面像よりも大きな領域が溶融されてしまうことになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、鋼板などを直線上に切断するような場合に、切断部の溶融幅をなるべく狭くシャープにしたいという要求がある。しかし、上述したようにワークに照射される光束は下方にすぼまるような円錐状をしているため、溶融幅は投影像の直径より大きくなり、板厚が厚くなるほどその傾向が大きくなる。
【０００５】
本発明の目的は、投影倍率に異方性を生じさせることなく光束の断面形状を円形から細長い形状に変換できるとともに、集光ＮＡに異方性を与えることができる光学装置、およびその光学装置を備えるレーザー加工機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１の発明による光学装置は、有限の大きさの光源から出射された光束を平行光束に変換するコリメーターと、前記平行光束を複数の部分光束に分割すると共に該複数の部分光束の進行方向を互いに平行であってかつ同一方向に反射させる複数の第１反射面を有する第１の光学素子と、前記複数の部分光束を前記進行方向に直交しかつ前記平行光束の進行方向に一列に並べて反射させる複数の第２反射面を有する第２の光学素子と、前記第２の光学素子により一列に並べられた前記複数の部分光束を集光して前記光源の像を結像させる集光光学系と、を備えることを特徴とする。
（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の光学装置において、前記第１の光学素子は、前記平行光束の進行方向に所定間隔で配設されるとともに前記進行方向と直交する方向に階段状にずらして配設され、前記平行光束の異なる部分を前記部分光束として前記進行方向と異なる方向に反射させる互いに平行な前記複数の第１反射面を備え、前記第２の光学素子は、前記部分光束を受光する位置に前記複数の第１反射面の各々と対応して設けられ、受光した部分光束を前記集光光学系へそれぞれ反射させる互いに平行な前記複数の第２反射面を備えることを特徴とする。
（３）請求項３の発明によるレーザー加工機は、請求項１または２に記載の光学装置を備えたレーザー加工機において、前記第２の光学素子により反射された前記複数の部分光束の配列方向をレーザー光による加工方向と一致するように請求項１または２に記載の光学装置を配備し、レーザー光源からの前記レーザー光を前記光学装置を介して被加工物上に照射することを特徴とする。
【０００７】
なお、本発明の構成を説明する上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明によるレーザー加工機の一実施の形態を示す図であり、レーザー加工機の光学系の概略構成を模式的に示した図である。１はレーザー発振器であり、レーザー加工機にはＣＯ2レーザーやＹＡＧレーザーなどが一般的に用いられる。レーザー発振器１で発生したレーザー光はオプティカルファイバー２により加工機の加工ヘッド部３に導かれ、加工ヘッド部３に設けられた光学装置４を介してワークＷ上に照射される。
【０００９】
図２は光学装置４の概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はオプティカルファイバー２方向から見た左側面図である。光学装置４は、コリメーター１０、第１光学素子Ｍ１、第２光学素子Ｍ２および集光光学系１１で構成される。オプティカルファイバー２から出射されるレーザー光は円錐状光束Ｌ１となっているが、この光束Ｌ１はコリメーター１０によって円形断面形状を有する平行光束Ｌ２に変換される。なお、本実施の形態では、光学装置４は等倍の倍率を有しており、オプティカルファイバー２の出射端面像がワークＷ上に結像される。
【００１０】
図３は第１光学素子Ｍ１の詳細を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はｙ軸負方向（コリメーター１０方向）から見た図である。第１光学素子Ｍ１には、互いに平行な位置関係にある３つの反射面Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３が形成されている。各反射面Ｍ１１，Ｍ１２，Ｍ１３の法線は、それぞれｘ軸（負方向）、ｙ軸（負方向）に対して４５度の角度を成している。また、各反射面Ｍ１２，Ｍ１３は、反射面Ｍ１１に対してそれぞれｘ方向にｘ１，２・ｘ１、ｙ方向にｙ１，２・ｙ１だけずらして形成されている。
【００１１】
図３（ｂ）の斜線部分は、第１光学素子Ｍ１に入射する平行光束Ｌ２の断面を示したものである。第１光学素子Ｍ１に入射した平行光束Ｌ２は、Ｌ２１で示す部分光束が反射面Ｍ１１で反射され、Ｌ２２で示す部分光束が反射面Ｍ１２で反射され、Ｌ２３で示す部分光束が反射面Ｍ１３で反射される。図３（ａ）に示すように、各反射面Ｍ１１〜Ｍ１３で反射された部分光束Ｌ２１〜２３は、それぞれＪ１〜Ｊ３で示すように光路がｙ軸正方向に９０度曲げられて図２に示す第２光学素子Ｍ２に入射する。
【００１２】
上述したように、反射面Ｍ１１に対して、反射面Ｍ１２はｘ方向にｘ１、反射面Ｍ１３はｘ方向に２・ｘ１だけそれぞれずらして形成されているので、反射後の光路Ｊ２，Ｊ３は、反射後の光路Ｊ２に対してｘ方向にｘ１および２・ｘ１だけそれぞれずれている。なお、反射面Ｍ１１〜Ｍ１３は互いに平行なので、分割された部分光束Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３も互いに平行となっている。このように、平行光束Ｌ２は、３つの反射面Ｍ１１〜Ｍ１３を有する第１光学素子Ｍ１により３つの部分光束Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３に分割され、第２光学素子Ｍ２に入射する。
【００１３】
図４は第２光学素子Ｍ２の詳細を示す図であり、（ａ）は第２光学素子Ｍ２の斜視図、（ｂ）は第２光学素子Ｍ２をｚ方向から見た平面図である。第２光学素子Ｍ２には、互いに平行な位置関係にある３つの反射面Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３が形成されている。各反射面Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３の法線は、それぞれｙ軸（正方向）、ｚ軸（負方向）に対して４５度の角度を成している。また、各反射面Ｍ２２，Ｍ２３は、反射面Ｍ２１に対してそれぞれｘ方向にｘ１，２・ｘ１、ｙ方向にｙ１，２・ｙ１だけずらして形成されている。
【００１４】
そのため、第１光学素子Ｍ１の反射面Ｍ１１により反射分割されてｙ軸負方向に進行する部分光束Ｌ２１は、反射面Ｍ２１によりｚ軸負方向に反射される。同様に、部分光束Ｌ２２，Ｌ２３も、それぞれ反射面Ｍ２２，Ｍ２３によりｚ軸負方向に反射される。なお、図４の斜線部は、反射面Ｍ２１，Ｍ２２，Ｍ２３で反射された部分光束Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３の光束断面を示したものである。第２光学素子Ｍ２の反射面Ｍ２１〜Ｍ２３はｘ軸方向に一列に並んでいるので、反射面Ｍ２１〜Ｍ２３で反射された部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３も図４（ｂ）に示すようにｘ軸方向に一列に並ぶことになる。
【００１５】
すなわち、コリメーター１０から射出された平行光束Ｌ２の断面は図３（ｂ）に示すように円形であったが、平行光束Ｌ２が第１光学素子Ｍ１で３分割された後に第２光学素子Ｍ２で再配置されることにより、図４（ｂ）に示すような細長い形状の断面を有する光束（部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３を合わせたもの）に変換される。この場合、レーザー光による加工方向は図２（ａ）に示すようにｘ軸方向であり、部分光束Ｌ２１〜Ｌ２２は加工方向に一列に配列される。その後、第２光学素子Ｍ２からｚ軸負方向に出射された各部分光束Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は、図２（ａ）に示すように集光光学系１１によってワークＷの加工部に集光され、オプティカルファイバー１の出射端面像が結像される。集光光学系１１としては、屈折式、反射式、屈折式と反射式の複合など種々のものが可能である。
【００１６】
次に、ワークＷ上に集光されるレーザー光の集光ＮＡについて述べる。ここでは、平行光束Ｌ２を断面分割幅が等しくなるようにＮ分割する場合について説明する。Ｎ分割された部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３は加工方向（ｘ方向）に一列に配列され、ＮＡが最大になる方向はｘ方向であり、これをＮＡｘと記す。一方、ｙ方向ではＮＡが最小となり、これをＮＡｙと記す。これらＮＡｘ、ＮＡｙの値は集光光学系１１の具体的な方式によって若干異なるが、大まかな目安は次式（１）、（２）で与えられる。なお、ＮＡ０はオプティカルファイバー１からの射出ＮＡであり、ＭはワークＷ上に結像されたオプティカルファイバー１の出射端面像の投影倍率である。
【数１】
ＮＡｘ＝ＮＡ０×Ｎ／Ｍ            …（１）
ＮＡｙ＝ＮＡ０×（１／Ｎ）／Ｍ    …（２）
【００１７】
例えば、上述した３分割の例で等倍の場合には、加工方向のＮＡｘは従来の３倍となり、加工方向に直行する方向のＮＡｙは従来の１／３となる。図５はＮＡと加工断面との関係を示す図であり、（ａ）は切断幅方向の断面図、（ｂ）は切断方向に沿った断面図である。図５において、破線はＮＡ０の光束を、実線はＮＡｘ，ＮＡｙの光束を示している。図５（ａ）に示したように、本実施の形態ではＮＡｙがＮＡ０のほぼ１／３と小さくなるため、切断幅方向（ｙ方向）の溶融幅を従来より小さくできるとともに、切断切り口をより垂直に鋭くすることができる。
【００１８】
従来、シリンドリカルレンズなどを組み合わせたアナモルフィック光学系（anamorphic optical system）を用いることによって、集光ＮＡに異方性を持たせることができることが知られているが、このような光学系を用いた場合、ワーク上に投影されたオプティカルファイバーコア像にも異方性が生ずる。図６の（ａ）、（ｂ）はシリンドリカルレンズ５１，５２を用いた光学系の一例を概念的に示す図であり、（ａ）はレーザー光の走査方向（ｘ軸方向）から光学系を見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向から見た断面図であり、（ｃ）はワークＷ上のビームスポットの形状を示す図で、（ｄ）は本実施の形態の場合のビームスポット形状を示す図である。
【００１９】
このような光学系を用いると、オプティカルファイバー２からの出射ＮＡ０に対して、集光ＮＡｘをＮＡ０に等しくしたまま、集光ＮＡｙをＮＡ０より小さくすることができる。ところで、光学系の投影倍率は集光ＮＡにほぼ反比例するので、ＮＡｙ方向の投影倍率は最大になり、ＮＡｘ方向の投影倍率は最小になる。その結果、ワークＷ上のビームスポットの形状は、図６（ｃ）に示すように切断幅方向（ｙ方向）に最長となるような長円形状になってしまい、集光ＮＡを小さくした効果が低減または打ち消されてしまうという欠点があった。
【００２０】
しかし、本実施の形態では、光束断面形状の変換を平面反射面を有する光学素子Ｍ１，Ｍ２により行っているので、オプティカルファイバー出射端面像のワークＷへの投影倍率に異方性は発生しない。すなわち、集光ＮＡが異方性を有するように変換しても、ワークＷ上のビームスポット形状は図６（ｄ）のような円形となる。そのため、上述したような溶融幅が拡大するのを防止できる。
【００２１】
上述した実施の形態では、レーザー加工機に関して説明したが、光学装置４は光束断面を変換する光学装置としてレーザー加工機以外にも用いることができる。また、上述した光学装置４を逆の光路で用いると、細長い断面を有する光束を円錐状の光束に変換することができる。なお、光学素子Ｍ１，Ｍ２の反射面Ｍ１１〜Ｍ１３，Ｍ２１〜Ｍ２３は反射鏡で構成しても、全反射プリズムを用いて構成しても良い。
【００２２】
《光学素子Ｍ１，Ｍ２の説明》
図７は光学素子Ｍ１，Ｍ２にプリズムを用いた場合の具体例を示す図であり、プリズムＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が光学素子Ｍ１を構成し、プリズムＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３が光学素子Ｍ２を構成している。図８は光学素子Ｍ１，Ｍ２の分解斜視図であり、（ａ）は光学素子Ｍ１に関するもので、（ｂ）は光学素子Ｍ２に関するものである。
【００２３】
光学素子Ｍ１を構成する各プリズムＰ１１〜Ｐ１３は、それぞれ図８（ａ）に示すような形状を有している。プリズムＰ１１の反射面Ｍ１１は、互いに直交する端面Ｓ１１，Ｓ１４のそれぞれと４５度の角度を成している。同様に、プリズムＰ１２の反射面Ｍ１２は互いに直交する端面Ｓ１２，Ｓ１５に対して４５度の角度を成しており、プリズムＰ１３の反射面Ｍ１３は互いに直交する端面Ｓ１３，Ｓ１６に対して４５度の角度を成している。このようなプリズムＰ１１〜Ｐ１３を、平行光束Ｌ２の入射面である端面Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３が同一平面となるように貼り合わせて一体の光学素子Ｍ１を形成する。
【００２４】
一方、光学素子Ｍ２を構成するプリズムＰ２１，Ｐ２２，Ｐ２３は、図８（ｂ）に示すような形状を有している。プリズムＰ２１の反射面Ｍ２１は、互いに直交する端面Ｓ２１，Ｓ２４のそれぞれと４５度の角度を成している。同様に、プリズムＰ２２の反射面Ｍ２２は互いに直交する端面Ｓ２２，Ｓ２５に対して４５度の角度を成しており、プリズムＰ２３の反射面Ｍ２３は互いに直交する端面Ｓ２３，Ｓ２６に対して４５度の角度を成している。そして、各プリズムＰ２１〜Ｐ２３の各端面Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２６を光学素子Ｍ１の端面Ｓ１４〜Ｓ１６に貼り合わせることにより、光学素子Ｍ２が形成される。
【００２５】
光学素子Ｍ１，Ｍ２は、端面Ｓ１１〜Ｓ１３がｘ軸と直交し、端面Ｓ２１〜Ｓ２３がｚ軸と直交するように配設される。平行光束Ｌ２は図７に示すように端面Ｓ１１〜Ｓ１３に垂直に入射し、反射面Ｍ１１〜Ｍ１３で反射されることにより部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３に３分割される。部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３はそれぞれ異なるプリズムＰ２１〜Ｐ２３に入射して反射面Ｍ２１〜Ｍ２３で反射され、部分光束Ｌ２１は端面Ｓ２１から、部分光束Ｌ２２は端面Ｓ２２から、部分光束Ｌ２３は端面Ｌ２３からそれぞれ出射される。出射された部分光束Ｌ２１〜Ｌ２３は図２に示す集光光学系１１に入射する。
【００２６】
《集光光学系１１の説明》
次に、集光光学系１１について説明する。図９は集光光学系１１の一例を示す図であり、（ａ）は集光光学系１１をｙ軸負方向から見た断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た断面図である。集光光学系１１はレンズ１１１〜１１６と防塵窓ガラス１１７とを有している。例えば、波長＝１０６４ｎｍのＹＡＧレーザーを使用し、オプティカルファイバー２にはコア径φ０．８ｍｍ、ＮＡ＝０．２のものを用いるとともに、コリメーター１０および集光光学系１１の焦点距離をｆ＝８０ｍｍとする。
【００２７】
このとき、コリメーター１０から出射される平行光束Ｌ２の径はφ３２．７ｍｍとなり、ワークＷ上のオプティカルファイバーコア像はφ０．８ｍｍの円形スポットとなる。なお、防塵窓ガラス１１７からワークＷまでの距離、すなわち、集光光学系１１のワーキングディスタンスは１００ｍｍとした。また、レンズ１１１〜１１６および防塵窓ガラス１１７の材質は石英ガラスとした。図９においてＬ２０１は光軸上の光束を、Ｌ２０２およびＬ２０３は周辺光束を示したものである。
【００２８】
上述した実施の形態では、光学素子Ｍ１，Ｍ２に反射鏡を用いたもの、およびプリズムを用いたものについて説明した。光学素子Ｍ１，Ｍ２にプリズムを用いた場合、プリズムＰ１１〜Ｐ１３，Ｐ２１〜Ｐ２３は接着等により貼り合わされ、光学素子Ｍ１と光学素子Ｍ２とは一体となる。そのため、光学素子Ｍ１，Ｍ２全体を小型化できるという利点を有する。また、光学素子Ｍ１，Ｍ２が一体とされるため、組立後に光学素子Ｍ１，Ｍ２同士がずれたりすることが無く、精度低下を防止できる。一方、光学素子Ｍ１，Ｍ２に反射鏡を用いた場合、レーザー光の光量減衰を非常に低く抑えることができるとともに、高エネルギーレーザーを用いたときでもプリズムを用いる場合に比べて熱的負荷が小さいという利点がある。
【００２９】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、反射面Ｍ１１〜Ｍ１３は第１反射面を、反射面Ｍ２１〜Ｍ２３は第２反射面を、レーザー発振器１はレーザー光源を、ワークＷは被加工物をそれぞれ構成する。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、投影倍率が等方的で異方的集光ＮＡを有する光束を得ることができる。
請求項２および３の発明によれば、コリメーターに入射する光束の入射ＮＡが等方的なものであっても、コリメーターから出射される平行光束を第１の光学素子で複数の部分光束に分割するとともに、複数の部分光束を第２の光学素子により一列に並べたものを集光光学系で集光することによって、細長い断面を有し、かつ、断面幅の狭い方向の集光ＮＡが小さな光束を得ることができる。
請求項４の発明では、光学素子から出射されるレーザー光束は細長い断面形状を有しており、その断面の長手方向を加工方向とすることにより加工部の溶融幅を小さくすることができる。また、断面幅の小さい方向の集光ＮＡを小さくできるので、切り口断面が鋭くなるように加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザー加工機の一実施の形態を示す図であり、加工機の光学系の概略構成を模式的に示した図である。
【図２】光学装置４の概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）はオプティカルファイバー２方向から見た左側面図である。
【図３】第１光学素子Ｍ１の詳細を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はｘ軸負方向から見た図である。
【図４】第２光学素子Ｍ２の詳細を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図５】ＮＡと加工断面のとの関係を示す図であり、（ａ）は切断幅方向の断面図、（ｂ）は切断方向に沿った断面図である。
【図６】アナモルフィック光学系の一例を説明する図であり、（ａ）は光学系をｘ軸方向から見た断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ方向から見た断面図であり、（ｃ）はビームスポットの形状を示し、（ｄ）は本実施の形態の場合のビームスポット形状を示す図である。
【図７】プリズムを用いた光学素子Ｍ１，Ｍ２を示す図である。
【図８】図７に示す光学素子Ｍ１，Ｍ２の分解斜視図であり、（ａ）は光学素子Ｍ１に関するもので、（ｂ）は光学素子Ｍ２に関するものである。
【図９】集光光学系１１の一例を示す図であり、（ａ）は集光光学系１１をｙ軸負方向から見た断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ方向から見た断面図である。
【符号の説明】
１  レーザー発振器
２  オプティカルファイバー
３  加工ヘッド部
４  光学装置
１０  コリメーター
１１  集光光学系
Ｌ２  平行光束
Ｌ２１〜Ｌ２３  部分光束
Ｍ１，Ｍ２  光学素子
Ｍ１１〜Ｍ１３，Ｍ２１〜Ｍ２３  反射面
Ｗ  ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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