(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をそれぞれ射出する第１および第２の光源と、
前記第１の光源からのレーザ光を実質的な第１平行光束に変換する第１のコリメートレンズ系と、
前記第２の光源からのレーザ光を実質的な第２平行光束に変換する第２のコリメートレンズ系と、
前記第１および第２のコリメートレンズ系からの第１および第２平行光束を集光して光ファイバの入射端へ導く集光レンズ系と
前記第１平行光束の径を前記集光レンズ系の瞳位置近傍で最も小さくするために、前記第１の光源と前記第１のコリメートレンズ系との間に配置される第１のフィールドレンズ系と、
前記第２平行光束の径を前記集光レンズ系の瞳位置近傍で最も小さくするために、前記第２の光源と前記第２のコリメートレンズ系との間に配置される第２のフィールドレンズ系と、
を備えたことを特徴とする結合光学系。
【請求項２】
前記第１のコリメートレンズ系と前記集光レンズ系との間であって、前記第２のコリメートレンズ系と前記集光レンズ系との間の光路中には、前記第１平行光束と前記第２平行光束とを互いに重ねることなく前記集光レンズ系へ導くための折曲げミラーが配置されることを特徴とする請求項１記載の結合光学系。
【請求項３】
前記第１またば第２の光源から前記第１または第２のフィールドレンズ系までの距離をｄ１、前記第１または第２のコリメートレンズ系から前記集光レンズ系の瞳位置までの距離をｄ３、前記第１のフィールドレンズ系と前記第１のコリメートレンズ系との合成焦点距離または前記第２のフィールドレンズ系と前記第２のコリメートレンズ系との合成焦点距離をｆ、前記第１または第２のフィールドレンズ系の焦点距離をｆＬとしたとき、
０＜ｄ１＜０．６ｆ
０＜ｄ３＜０．６ｆ
ｆ＜ｆＬ＜３ｆ
の条件を満足することを特徴とする請求項１または２記載の結合光学系。
【請求項４】
前記第１および第２の光源と、前記第１および第２のフィールドレンズ系と、前記第１および第２のコリメートレンズ系とは、それぞれ同じものであることを特徴とする請求項１、２または３記載の結合光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として金属製品の溶接や切断などのレーザ加工用に、複数の光源から出射されたレーザー光を一本の光ファイバーに入射させる結合光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属製品の溶接や切断などのレーザ加工では、大きなパワーを必要とする場合がある。そこで、従来は複数の光源からのレーザ光を光ファイバで伝達したのち、ｌ本の光ファイバに結合し、レーザー出力を向上させることが行われている。
【０００３】
特願平６−１５４０４７号公報に開示された従来の結像光学系を図４に示す。複数のレーザー光を結合する場合には、光ファイバの中心部コアと周辺部のクラッド層、保護層などの光ファイバの構造に起因する近接の制約を回避する必要がある。
【０００４】
２つのレーザ発振器１０１，１０４から発振されたレーザ光をそれぞれ光ファイバ１０２，１０５で伝達し、各々コリメートレンズ系１０３，１０６により平行光束とされる。ここで、コリメートレンズ系１０３の光軸Ｐｌは入射側ファイバ１０９の軸と平行であると同時に、コリメートレンズ系１０６の光軸Ｐ２は反射ミラー１０７により光軸Ｐｌと平行となるように配置されている。反射ミラー１０７の前方には第１の光ファイバ１０２から出射されたレーザ光と、反射ミラー１０７で反射された第２の光ファイバ１０５から出射されたレーザ光とをそれぞれ集光し入射側光ファイバ１０９に入射させる集光レンズ系１０８が配置されている。入射側ファイバ１０９に結合された２つの光源からのレーザー光は加工用集光光学系１１０により、加工面１１１に集光・照射され金属面などの溶接や切断などのレーザ加工を行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図４に示す光学系では、複数のレーザ光を結合し小径の光ファイバに入射するために入射光学系を用いているので、光学系および光ファイバを透過することによる光学的損失が生じ、レーザー光源の出力を有効に使用できず問題である。
【０００６】
また、図５（ａ）に示すように、光源からのレーザー光を光ファイバを使用せずにコリメートレンズなどに導く場合であって、光源２０１および２０３の大きさが十分小さい場合を考える。レーザー光源２０１，２０３の射出角度を各々α、コリメートレンズ系２０２，２０４の焦点距離を各々ｆｃとすると、コリメートレンズ系透過後の平行光束の直径φｃｏｌは
φｃｏｌ＝２ｆｃ・α
となる。したがって、２つの平行光束を集光する集光レンズ系２０６の直径φは、
φ＝４ｆｃ・α
となる。上式からもわかるように、集光レンズ系２０６は、少なくとも平行光の径の２倍の大きさを有する必要がある。
【０００７】
他方、図５（ｂ）に示すように、光源２０８，２１０の大きさが有限Ｓである場合は、コリメートレンズ系２０９，２１１の直径φｃｏｌは、
φｃｏｌ＝２ｆｃ・α＋Ｓ
となるので、集光レンズ系２１３の直径φは、
φ＝４ｆｃ・α＋２Ｓ
となる。
【０００８】
したがって、光源の大きさが大きい場合には、光源の各点からのレーザー光の拡がりに加えて光源の面積を加算した大きな集光レンズ系が必要となり、かかるレンズ系の作製、費用の観点からも問題である。
【０００９】
また、このとき、光源２０８，２１０とファイバ２０７の入口とは共役の位置関係にあるが、大きな光源像を小径のファイバに入射するために、結像倍率が小さくなり、集光レンズ系の像側（光ファイバ２０７が存在する空間側）の開口数ＮＡは大きくなる。さらに、ＮＡに有効口径を加味した実質的なＮＡ’は、集光レンズ系２１３の焦点距離をｆｏとすると、
ＮＡ’＝（２ｆｃ・α＋Ｓ）／ｆｏ
となる。集光レンズ系の像側の実質的な開口数ＮＡ’が、光ファイバ２０７の入射側開口数よりも大きくなると、集光レンズ系で集光したレーザー光を有効に光ファイバ２０７に入射させることが出来ずパワー損失が発生する。
【００１０】
以上述べたように、複数の光源からのレーザー光を結合しようとすると、フィールドレンズ系、集光レンズ系ともに口径が増大し、レンズ系の構成枚数の増加など光学系の複雑化を招くという問題が生じる。また、集光レンズ系の像側の実質的なＮＡが大きくなり、レーザー光を結合し入射させる光ファイバのＮＡを越える場合には光量の損失となり、さらに強力な出力のレーザ光源を用いた場合には、ファイバを損傷するなどの事故につながる恐れもあった。
【００１１】
本発明は、かかる問題を解決するものであって、複数の光源より各々発せられたレーザー光同士を結合する場合で、光源面積が大きい光束であっても、コリメートレンズ系、集光レンズ系などの径を増大させることなく、比較的簡単な構成で複数のレーザ光を効果的に結合しうる光学系を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の結合光学系は、レーザ光をそれぞれ射出する第１および第２の光源と、
前記第１の光源からのレーザ光を実質的な第１平行光束に変換する第１のコリメートレンズ系と、
前記第２の光源からのレーザ光を実質的な第２平行光束に変換する第２のコリメートレンズ系と、
前記第１および第２のコリメートレンズ系からの第１および第２平行光束を集光して光ファイバの入射端へ導く集光レンズ系と
前記第１平行光束の径を前記集光レンズ系の瞳位置近傍で最も小さくするために、前記第１の光源と前記第１のコリメートレンズ系との間に配置される第１のフィールドレンズ系と、
前記第２平行光束の径を前記集光レンズ系の瞳位置近傍で最も小さくするために、前記第２の光源と前記第２のコリメートレンズ系との間に配置される第２のフィールドレンズ系と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
かかる構成により、各々の光源部より射出されたレーザ光を、コリメートレンズ系でコリメートすると同時に、フィ一ルドレンズ系により集光レンズ系の瞳位置付近でコリメート光の光束の径が最も小さくなるように偏向される。したがって、直接光源より発せられた光同士を結合する場合であって光源の面積が大きいときでも、コリメートレンズ系、集光レンズ系の径を増大させることなく、比較的簡単な構成で複数のレーザ光を効果的に結合することができる。
【００１４】
図１に示すように、光源Ｓ１より出射されたレーザ光は、一定の拡がり角αを保ちつつ光軸に平行に進行するが、フィールドレンズ系ＦＬ１により集光レンズ系Ｌ１の瞳位置付近で最もその光束の径が小さくなるように入射するように偏向される。また、コリメートレンズ系ＣＬ１により平行にされた光束は光ファイバＦＢの光軸（光ファイバＦＢの入射端面の中心に垂直な軸をいう。以下同様である。）に平行に配置された集光レンズ系Ｌ１に入射する。同時に、光源Ｓ２より出射されたレーザ光は光源Ｓ１からのレーザー光と同様に、フィールドレンズ系ＦＬ２により集光レンズ系Ｌ１の瞳位置付近で最もその光束の径が小さくなるように入射するように偏向され、コリメートレンズ系ＣＬ２により平行にされた後、ミラーＭ１により直角方向に反射され、光ファイバＦＢの光軸に平行に配置された集光レンズ系Ｌ１に光源Ｓ１からのレーザー光と干渉すること無く入射する。
【００１５】
このときのコリメートレンズ系ＣＬ１の径は２ｆα＋Ｓ×ｄ３／ｆで与えられ、フィールドレンズ系ＦＬ１から集光レンズ系Ｌ１の瞳までの距離ｄ３が小さいほど、小さなコリメートレンズ系でよいことがわかる。
【００１６】
このようにして２つの光源Ｓ１，Ｓ２から出射されたレーザ光を、コリメートレンズ系，集光レンズ系のレンズ径を増大させることなしに結合することができ、一つの光ファイバに入射させることが可能になる。
【００１７】
次に、フィールドレンズ系とコリメートレンズ系の関係を図６（ａ），（ｂ）に基づいて説明する。有限な大きさの光源のあらゆる領域からの光は一定の拡がり角で射出され、その各々の主光線は図６（ａ）に示すように光軸ＡＸに平行と考えられる。したがって、次式（４）、
１／ｆＬ＝ｌ／ｄｌ−ｌ／（ｆｃ−ｄ２）      （４）
が成立する。ここで、ｆＬはフィールドレンズ系の焦点距離、ｆｃはコリメートレンズ系の焦点距離、ｄ１は光源とフィールドレンズ系の軸上間隔、ｄ２はフィールドレンズ系とコリメートレンズ系の軸上間隔をそれぞれ示している。
【００１８】
一方、光源ＬＳの光軸上の一点から発せられた周縁光線は図６（ｂ）に示すようにコリメートレンズ系ＣＬ通過後に光軸ＡＸに平行に進むことより
ｌ／ｆｃ＝ｌ／ｄ３−ｌ／（ｆＬ−ｄ２）      （５）
が成立する。ここで、ｄ３はコリメートレンズ系と集光レンズ系の瞳との軸上間隔を表している。
【００１９】
式（４）および（５）を変形すると、
ｆＬ＝（ｆ2−ｄ１・ｄ３）／（ｆ−ｄ３）      （６）
ｆｃ＝（ｆ2−ｄｌ・ｄ３）／（ｆ−ｄｌ）      （７）
となる。ただし、式（６）、（７）において、ｆはフィールドレンズ系とコリメートレンズ系の合成焦点距離を表し、以下の式（８）、
１／ｆ＝１／ｆＬ＋１／ｆｃ−ｄ２／ｆＬ・ｆｃ      （８）
で表される。
【００２０】
式（６）、（７）より明らかなように、フィールドレンズ系の焦点距離ｆＬとコリメートレンズ系の焦点距離ｆｃは、ｄｌ、ｄ３の値、即ち各レンズ系の配置と密接な関係があり、適切に選択することが重要である。
【００２１】
式（６）、（７）において、ｄ１＝ｄ３＝０のときｆＬ＝ｆｃ＝ｆ、ｄ２＝ｆとなり、図１の光源Ｓ１から集光レンズ系Ｌ１の瞳Ｐまでの距離（ｄ１＋ｄ２＋ｄ３）は最小値ｆとなる。
【００２２】
さらに、金属加工用のレーザ光源は光強度が大きいので、大パワーなレーザー光によるレンズ系の発熱、損傷などの問題が懸念される。特にフィールドレンズ系は最も光源側にあるので、その配置にはかかる問題を配慮する必要がある。図１の光源Ｓ１とフィールドレンズ系ＦＬの軸上間隔ｄ１の値を大きくとると光学系の全長が増加するが、コリメートレンズ系の焦点距離ｆｃが長くなる、すなわち屈折力が弱まるためコリメートレンズ系の収差補正が容易となり比較的簡素な構成で成立することが可能になる。
【００２３】
したがって、以上の問題点を考慮すると本発明では、以下の条件式（１）、
０＜ｄ１＜０．６ｆ    （１）
を満足する事が望ましい。条件式（１）は光源からフィールドレンズ系までの距離の適切な範囲を定めている。ここで、ｄ１は光源からフィールドレンズ系までの距離、ｆはフィールドレンズ系とコリメ−トレンズ系との合成焦点距離を表している。
【００２４】
ｆ、ｄ３が一定の条件の下でｄ１の値を大きくすると、これに比例してコリメートレンズ系の焦点距離ｆｃも増大する。条件式（１）の上限を越えると、コリメートレンズ系の焦点距離ｆｃが、全系の焦点距離の３倍以上に達し光学系全長が大型化し問題である。
【００２５】
また、本発明では、下記の条件式（２）、
０＜ｄ３＜０．６ｆ    （２）
を満足することが望ましい。条件式（２）はコリメートレンズ系と集光レンズ系の瞳との軸上間隔の適切な範囲を定めている。ここで、ｄ３はコリメートレンズ系と集光レンズ系の瞳との軸上間隔を表している。
【００２６】
図１に示すように、複数の光束を結合するため配置したミラーＭ１で互いの光束が干渉し合わないように空間的なスペースを確保できるように、コリメートレンズ系と集光レンズ系の瞳との軸上間隔ｄ３についても決定する必要がある。
【００２７】
ｆ、ｄ１が一定の条件の下でｄ３の値を大きくすると、これに比例してフィールドレンズ系の焦点距離ｆＬも増大し、逆にｄ３の値が条件式（２）の上限を越えると、フィールドレンズ系の屈折力を弱めることができフィールドレンズ系の構成を簡素化できるが、光学系の全長大型化につながり問題である。また、このときのコリメートレンズ系の径は２ｆα＋Ｓ×ｄ３／ｆとなるので、ｄ３が小さいほどコリメートレンズ系は小型化できる事となる。
【００２８】
また、本発明では、以下の条件式（３）、
ｆ＜ｆＬ＜３ｆ    （３）
を満足することが望ましい。
【００２９】
条件式（３）は、フィールドレンズ系の焦点距離ｆＬの適切な範囲を定めている。全系の焦点距離ｆが一定であるという条件の下では、ｆＬとｆｃとの間には式（８）の関係がある。したがって、条件式（３）の上限値あるいは下限値を越えると、光学系の全長が長くなり、また構成も複雑となり問題である。
【００３０】
さらに、本発明では、
ｆ＜ｆｃ＜３ｆ    （９）
ｄ２＞０．５ｆ      （１０）
の条件を満足する事が望ましい。条件式（９）、（１０）を満足することで、光学系全長をおさえることが可能となる。特に、条件式（１０）を満足することで、フィールドレンズ系とコリメートレンズ系の間隔を大きくとることができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００３２】
図２に本発明の第１実施例の光学系の構成図を示す。第１の光源１１はその光軸Ｐ１が光ファイバ３３の光軸と平行で、かつ一定の値δだけシフトして配置されている。フィールドレンズ系１２は、光源１１から出射されたレーザ光を集光レンズ系３２の瞳位置付近で光束の径が最も小さくなるように配置されている。フィールドレンズ系１２から距離ｄ２の位置に光束をコリメートするための第１のコリメートレンズ系１３が配置されている。
【００３３】
一方、第２の光源２２は、その光軸Ｐ２が光ファイバ３３の光軸と直交する向きに配置されている。第２のフィールドレンズ系２２と第２のコリメートレンズ系２３により集光レンズ系３２の瞳位置付近で光束の径が最も小さくなるようにコリメートされる。そして、反射ミラー３１により、第１の光源からの光束と平行になるように反射された後、集光レンズ系３２を透過し、光ファイバ３３の入射側端面に集光される。
【００３４】
このように、光源１１からのレーザ光と光源２１からのレーザー光を有効に結合させて、光ファイバ３３に入射させることが出来る。なお、２つの光路において、各々の光源１１と２１、フィールドレンズ系１２と２２、コリメートレンズ系１３と２３は同じもので構成されている。また、フィールドレンズ系１２および２２は単レンズである。
【００３５】
第１実施例の光学系の諸元値を表１に掲げる。
【００３６】
【表１】
0003956030.tif 000002
【００３７】
次に、第２実施例を説明する。第２実施例は、光源にＹＡＧレーザ（発振波長１０６４ｎｍ）を使用したものである。可視域での調整を容易とするために、可視光と色消しになるようにフィールドレンズ系を２群２枚の色消しダブレットで構成した。また、ｄ３の値を０．４３ｆにし、スペースに余裕を持たせている。なお、２つの光路は同一で、同じフィールドレンズ系、コリメートレンズ系により構成されている。その他の基本的構成は第１実施例と同様である。
【００３８】
第２実施例の諸元値を表２に掲げる。
【００３９】
【表２】
0003956030.tif 000003
【００４０】
第３実施例は、光学系のレンズ構成は第１実施例とほぼ同様であるが、光源１１と光源２１の大きさが異なるものである。表３に数値例を示す。表３において（ａ）欄は光源１１側の光学系の諸元値を、（ｂ）欄は光源２１側の光学系の諸元値を示している。
【００４１】
0003956030.tif 000004
【００４２】
第４実施例を図３に基づいて説明する。光源である２つのレーザを水平面内で平行に配置し、ミラーにより光路を折り曲げ、２つの光束の光路を合成するものである。
【００４３】
第４実施例の諸元値を表４に掲げる。
【００４４】
【表４】
0003956030.tif 000005
【００４５】
また、各実施例におけるコリメートレンズ系における光束の拡がりの数値例を表５に掲げる。
【００４６】
【表５】
0003956030.tif 000006
【００４７】
表５において、２ｆ・α＋Ｓは従来光学系（すなわち、本発明のフィールドレンズ系が無い時の光学系）で光源の大きさがＳの場合の光束の拡がりを、２ｆ・αは光源の大きさが無限小の場合の光束の拡がりを、２ｆ・α＋Ｓ・ｄ３／ｆは本発明による光学系で光源の大きさがＳの場合の光束の拡がりを各々示している。
【００４８】
コリメートレンズ系における光束の拡がりは、集光レンズ系における光束の拡がりとほぼ同じか、または比例している。したがって、コリメートレンズ系における光束の拡がりを比較すれば、集光レンズ系における光束の拡がりを把握する事が出来る。
【００４９】
表５から明らかなように、本発明によれば、光源の大きさが有限Ｓであっても、コリメートレンズ系における光束の拡がりが従来光学系に比較して約半分近くにまで小さくなっている。したがって、光源の大きさが大きくなっても、光学系の径を大きくすることなく、すべての光束を光ファイバに集光することが出来る。
【００５０】
また、集光レンズ系の像側（すなわち、光ファイバ側）の光束の開口数を表６に掲げる。表６において、「従来光学系」の欄は、フィールドレンズ系が無い光学系で光源の大きさがＳの場合、「点光源」の欄は本発明の光学系で光源の大きさが無限小の場合、「本発明」の欄は本発明の光学系で光源の大きさが有限Ｓの場合の集光レンズ系の像側の開口数を示している。
【００５１】
【表６】
0003956030.tif 000007
【００５２】
表６から明らかなように、本発明では光源の大きさが有限でも、集光レンズ系の像側の開口数が従来光学系に比較して小さくなっている。したがって、光ファイバの入射側開口数よりも小さな開口数の光束とすることができ、光ファイバに対して有効にすべての光束を入射させることが可能となる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、各々の光源部分に光ファイバ光学系を使用することなしに、複数のレーザ光を光源面積が大きい場合でも、結合用の光ファイバに効率良く集光させることができる。また、コリメートレンズ系、集光レンズ系等のレンズ径を増大させることがないので小型かつ簡素な光学系で、結合用の光ファイバに複数の光束を入射させることができる。さらに、本発明ではレーザ出力を高めるためことが容易なので、金属製品の溶接や切断などのレーザ加工をより効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学系を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施例の光学系を示す図である。
【図３】本発明の第４実施例の光学系を示す図である。
【図４】従来の結合光学系を示す図である。
【図５】（ａ）は従来の光学系において光源の大きさが無限小の場合、（ｂ）は従来の光学系において光源の大きさが有限の場合を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）はフィールドレンズ系とコリメートレンズ系における光線の様子を示す図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ２，１１，２１    光源
１０１，１０４    レーザー発振器
ＦＬ、ＦＬ１，ＦＬ２，１２，２２    フィールドレンズ系
ＣＬ、ＣＬ１，ＣＬ２，１３，２３，１０３，１０６    コリメートレンズ系
Ｌ１，３２，１０８，２０６，２１３    集光レンズ系
ＦＢ、３３，１０２，１０５，１０９，２０７，２１４    光ファイバ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４，３１，１０７    反射ミラー
１１１  加工面
【図１】
0003956030.tif 000008
【図２】
0003956030.tif 000009
【図３】
0003956030.tif 000010
【図４】
0003956030.tif 000011
【図５】
0003956030.tif 000012
【図６】
0003956030.tif 000013