(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の所定部分を光路に沿って加工物に角度的に操縦する少なくとも１つの走査鏡を含む調節可能な焦点距離を有する改良全反射ハイパワーレーザー光走査装置であって、
レーザー光の光路にあり、レーザー光を第１焦点に焦点合わせさせるのに十分湾曲した第１鏡と、
前記第１焦点から間隔を隔てられ、レーザー光を第２焦点に焦点合わせさせるのに十分湾曲し、前記第２焦点での前記レーザー光の焦点を調節するのに十分所定方向に並進可能な軸上楕円鏡である第２鏡と、
前記第１鏡と第２鏡との間にあり、前記レーザー光を前記第２鏡に通すための孔を前記第１焦点に有する第３鏡と、を有し、
該第３鏡は、前記第２鏡に通された９５％以上の前記レーザー光を前記第２焦点に反射させる、全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【請求項２】
前記第１鏡が軸外れ放物面鏡である、請求項１に記載の改良全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【請求項３】
前記第３鏡がレーザー光を加工物に操縦するように移動できる、請求項１に記載の全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【請求項４】
レーザー光の所定部分を光路に沿って加工物に角度的に操縦する少なくとも１つの走査鏡を含む調節可能な焦点距離を有する全反射ハイパワーレーザー光走査装置であって、
レーザー光の光路にあり、レーザー光を第１焦点に焦点合わせさせるのに十分湾曲した第１鏡と、
前記第１焦点から間隔を隔てられ、レーザー光を第２焦点に焦点合わせさせるのに十分湾曲し、前記第２焦点での前記レーザー光の焦点を調節するのに十分所定方向に並進可能な軸上楕円鏡である第２鏡と、
前記第１鏡と第２鏡との間にあり、前記レーザー光を前記第２鏡に通すための孔を、前記第１焦点で反射面の面に有する第３鏡と、を有し、
該第３鏡は、前記第２鏡に通された９５％以上の前記レーザー光を前記第２焦点に反射させる、全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【請求項５】
前記孔が直径ｄを有し、レーザー光は、投射直径ＤとＤ＞４．５ｄの相互関係を有し、該レーザー光は、前記第３鏡の反射面によって受けられたレーザー光のおよそ９５％以上を前記第３鏡から前記第２焦点に反射する、請求項４に記載の全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【請求項６】
前記第３鏡がレーザー光を加工物に操縦するように移動できる、請求項５に記載の全反射ハイパワーレーザー光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、レーザー光を走査し、且つレーザー光の可変焦点距離を成し遂げるために光路を調節することができる反射光学構成要子を利用したレーザー装置に関する。
【０００２】
（背景技術）
レーザー走査装置は、代表的には、走査鏡の角度を変えるのに検流計モータを利用する。通常、Ｘ方向とＹ方向は別々のモータによって走査される。マーキング又は切断等の多くの適用では、レーザー光が加工物上で走査される。高いパワー密度を成し遂げるために、レーザー光は通常この加工物の上で焦点合わせされる。特殊な「フラットフィールド」レンズが、高い透過角度でも平面加工物上に良好な焦点を成し遂げるために開発された。しかしながら、ある適用では、輪郭面に順適するために、レーザー光を独立に焦点合わせすることができることを要求する。普通は、この焦点合わせは、可変焦点距離を成し遂げるために光学装置における１つ又は２つ以上のレンズを並進させることによって行なわれる。不幸にして、ハイパワーＣ０２レーザーは、焦点スポットサイズを増大させるレンズに熱ひずみを引き起こすことがある。従って、ハイパワーＣ０２レーザーの適用にはすべて反射光学構成素子を利用することが望ましい。本出願と同じ発明者で１９９６年１０月１日に発行され、「反射光学構成素子を用いたレーザー走査装置」と題する米国特許第５５６１５４４号は、この問題を解決する先行取り組み方を説明している。その特許をすべて引用でここに含める。
【０００３】
出願人の米国特許第５５６１５４４号特許では、軸外れ楕円鏡がレーザー光を加工物上に焦点合わせするために使用される。軸外れ楕円鏡は実際には２つの焦点を有する。この場合、一方の焦点は、楕円から長い距離であり、そして加工物上に焦点合わせするのに使用される。他方の焦点は楕円に近く、そして光学装置の内部にある。この軸外れ楕円鏡と関連した入射光と反射光を分離するために、内部焦点から来る光線と、遠い焦点に進む光線との間には、代表的には４５度の角度がある。この軸外れ形態が、外部又は遠い焦点に並進を導入しない特殊な焦点調節技術の要求のような、あまり望ましくない特性を導く。しかしながら、最も重大な欠点は、焦点距離に実質的な変化がないとき、４５度軸外れ楕円がレーザー光に非点収差を導くことである。これの他の言い方は、外部焦点までの焦点距離の調節範囲が所望範囲より小さいということである。本発明は、この焦点調節問題を克服し、出願人の米国特許第５５６１５４４号よりも少ない鏡を利用している。
【０００４】
（発明の開示）
本発明は、反射光学構成素子を利用したレーザー走査装置である。入射レーザー光は、第１凹面鏡から反射され、第１焦点（内部焦点）に焦点を結ぶ。この焦点合わせされたレーザー光は鏡の小さな孔の中を通過する。次いでレーザー光は拡がり、好ましくは軸上楕円鏡である第２凹面鏡から反射する。次にレーザー光は孔付きの鏡に向かって方向を逆転する。レーザー光が孔付きの鏡に到達するとき、光は小さな孔よりも大変大きい。次いで、レーザー光は主に、孔付きの鏡から反射し、レーザー光のわずかなパーセントだけが孔を通る。次いでレーザー光は、レーザー光を加工物に操縦する１つ又は２つ以上の可動鏡から反射する。孔付きの鏡は、光を操縦する可動鏡の１つであってもよい。また、加工物における遠い焦点までの距離を、軸上楕円鏡を並進させることによって調節することができる。
【０００５】
従って、本発明の目的は、改良された調節可能な焦点距離を有する改良全反射ハイパワーレーザー光走査装置を提供することであり、該装置は、加工物への光路に沿ってレーザー光の所定部分を斜めに操縦する少なくとも１つの走査鏡を有する。走査装置は、レーザー光の光路に、第１焦点にレーザー光を焦点合わせするのに十分湾曲した第１反射面を有する。装置は、光路に、第１焦点から間隔を隔てられ、第２焦点にレーザー光の焦点を調節するのに十分所定方向に並進可能な少なくとも１つの第２反射面を有する。装置は、操縦すべき焦点合わせされたレーザー光を反射させるために光学的に第２反射面と第２焦点との間にある第３反射面を有する。光路は、第３反射面から第２焦点まで延びる所定距離のビームセグメントを有するので、所定方向における第２反射面の並進が第３反射面から第２焦点までの光路長を変化させ、そのことによって、所定距離を変化させて加工物において操縦された光に著しい角度偏差を生じさせることなく、操縦される光の焦点を調節する。
【０００６】
前述の改良走査装置における本発明の目的は、第３反射面の孔を第１焦点に位置決めすることによって、少ない反射面を利用することにある。
【０００７】
本発明のより特定な目的は、レーザー光の所定部分を光路に沿って加工物まで角度的に操縦する少なくとも１つの走査鏡を含む調節可能な焦点距離を有する改良全反射ハイパワーレーザー光走査装置である。走査装置は、第１焦点にレーザー光を焦点合わせするのに十分湾曲した第１鏡をレーザー光の光路に有する。装置は、第１焦点から間隔を隔てられ、第２焦点でレーザー光を焦点合わせする程に湾曲した第２鏡を光路に有し、第２焦点でのレーザー光の焦点を調節するために十分所定方向に並進可能である。装置は、レーザー光を第２鏡に通すための孔を第１焦点に有する第３鏡を第１鏡と第２鏡との間に有する。第３鏡は、第２鏡に通された実質的にすべてのレーザー光を第２焦点に反射させる。
【０００８】
さらに、本発明のより特定な目的は、第１鏡が軸外れ放物面鏡であり、及び又は第２鏡が軸上楕円鏡であり、及び又は第３鏡がレーザー光を加工物に操縦するために移動できる、最後に述べた全反射ハイパワーレーザー光走査装置にある。
【０００９】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は全反射レーザー光走査装置１０の斜視図を示す。矢印２８の方向において伝搬するレーザー光２０が、凹面レフレクター１１に当たる。この図では、レフレクター１１は、好ましくは、レーザー光２０を焦点２１に焦点合わせする軸外れ放物面鏡である。好ましい実施形態では、焦点２１は鏡１５の孔１２の中心に位置する。焦点２１の好ましい位置は、鏡１５の反射面の平面内である。レーザー光は、小さな孔１２を通過した後焦点２１から発散する。次いで、レーザー光２１は、光路２０Ｃに沿って伝搬し、凹面鏡１４に当たる。好ましい実施形態では、凹面鏡１４は実質的には軸上楕円鏡である。用語「軸上楕円」は、図３と関連して後で定義される。しかしながら、概略的に言えば、軸上楕円鏡は楕円の長軸上にある。この軸上楕円鏡１４は、楕円の軸線と平行な方向２７に並進することができる。鏡１４の並進を成し遂げるために、この図は、並進される板１７に取り付けられた鏡１４を示す。レーザー光は入射光線２０Ａ及び２０Ｂで楕円鏡１４から反射され、それぞれ光線２０Ｄ及び２０Ｅで戻り、鏡１５に当たる。
【００１０】
好ましい実施形態では、鏡１４は、中心光線２０Ｃが鏡１５の孔１２の中を伝播するように整列されている。しかしながら、レーザー光のほとんどはこの帰路で鏡１５から反射する。これをさらに後述する。好ましい実施形態では、鏡１４は焦点２１に対応する２つの焦点のクローザーを有する。第２の（遠い）焦点は２１よりもずっと遠くにあり、レーザー走査装置の外部焦点までの作動距離に対応している。この楕円の第２の焦点は、レーザー光が走査鏡によって反射されているときは、１メートル以上離れたところにあり、図１の２２Ａ、Ｂ、及びＣに対応している。
【００１１】
好ましい実施形態では、鏡１５は、レーザー光を所望の焦点に偏向させる２つの走査鏡の１つとしても役立つ。従って、この鏡は軸線２５を中心に回転することができるものとして図示されている。好ましい実施形態では、軸線２５は、孔１２の並進を最小にするため、孔１２の中を通る。レーザー光は、鏡１５から反射した後軸線２６を中心に回転することができる鏡１６に当たる。これら２つの可動鏡の組合せは、焦点２２Ａ、２２Ｂ，及び２２Ｃに到達することによって示される種々の方向へのレーザー光の操縦を可能にする。
【００１２】
図１で分かるように、加工物３０の異なる部分に焦点合わせするように焦点距離を調節することが必要である。焦点距離の変化は、前述のように鏡１４を方向２７に沿って移動させることによって成し遂げられる。鏡１４は、軸上楕円であるから、楕円の軸線と平行な方向に鏡１４を移動させることによって焦点距離を変えるとき、反射レーザー光の操縦はない。この並進方向は図１の方向２７に対応する。
【００１３】
図２は図１の線２−２におけるレーザー走査装置の断面図である。図２において、入射レーザー光２０は方向２８に伝搬しており、軸外れ放物面鏡１１に当たり、次いで、２１の焦点に到達する。鏡１５は孔１２を有する。焦点合わせされたレーザー光２１は孔１２を通過し、軸上楕円鏡１４に伝搬する。鏡１４は方向２７で並進することができ、外部焦点２２までの焦点距離の変化を成し遂げる。戻りレーザー光路２０Ｄ，２０Ｅは、鏡１５に当たって反射し、最後に外部焦点２２に到達する。
【００１４】
孔１２は直径ｄを有し、外部光線２０Ｄ及び２０Ｅのレーザー光は、鏡１４の方向から見るとき、鏡１５において投射直径Ｄを有する。好ましい実施形態では、光線２０Ｄ及び２０Ｅによって定められた、レーザー光のおよそ９５％以上が、鏡１５に当たり、レーザー光のおよそ５％以下が孔１２を通過する。このことを成し遂げるには、次の式があてはまるべきである。
Ｄ＞４．５ｄ
【００１５】
実際には、この５％よりも大変小さい孔１２の中を戻るレーザー光の、透過損失をも成し遂げることが可能である。例えば、孔１２が３ｍｍの投射直径ｄを有し、鏡１５に当たるレーザー光の投射直径Ｄが５０ｍｍである場合、孔１２の中を戻るレーザー光の透過損失は０．４％以下である。しかしながら、レーザー空胴に実際に戻るレーザー光の量は０．４％よりもずっと小さい。
【００１６】
好ましい実施形態では、鏡１５が、孔を有する鏡とレーザー走査鏡の両方として二つの役割を果たしている。鏡１５がその角度を変える能力を、軸線２５を中心とする鏡１５の運動方向を示す曲線矢印２５Ａによって図示する。しかしながら、他の実施形態においては、鏡１５が定置であり、走査鏡又は鏡が、鏡１５と外部焦点２２との間に光学的に置かれることも可能であることを理解すべきである。例えば、図１では、鏡１５が定置でも良く、そして、偏向のすべてが鏡１６によって行なわれても良い。さらに他の実施形態では、鏡１６の他に追加の走査鏡があっても良い。
【００１７】
軸上楕円面を有する鏡と軸外れ楕円面を有する鏡との違いは、図３によって最もよく図示することができる。図３では、２つの焦点４１及び４２を有する楕円４０がある。また、楕円４０の「焦点軸線」である破線４３がある。この焦点軸線は焦点４１及び４２の両方を通る。鏡が「楕円面」を有すると言われるときには、この反射鏡面は、実際には図３の４０のような楕円の外側のセグメントである。例えば、図３のセグメント４４は、実際には全楕円４０の一部又はセグメントである、楕円反射面４５を有する鏡の部分断面を表す。楕円が「軸線上である」といわれる場合、これは、焦点軸線４３が鏡面を通ることを意味する。例えば、図３では、焦点軸線は鏡４４の中心を通る。
【００１８】
また、軸外れ楕円を図３に示すことができる。ここでは、鏡の部分断面４９は楕円の焦点軸線から離れるように示されている。焦点４１を通り、鏡４９から反射する光は、反射光線４６によって示すように焦点４２へ進む。この図では、入射矢印と反射矢印４６との間にほぼ４５°の角度Ａがある。出願人の先のレーザー走査装置は、軸外れ楕円面を有する焦点合わせ鏡を利用した。本発明の装置は軸上楕円面を利用している。従って、図２の鏡１４は図３の鏡４４に対応する。図２の遠い焦点２２は、一般的に図３の焦点４２に対応する。図３の鏡４４が楕円４０の表面に正確に配置されるとき、鏡４４は設計位置にあると言える。４１を去る光は、ちょうど４２の完全な焦点に来る。しかしながら、図３の鏡４４が、図３に示すよりも、焦点４１からより近く又はより遠くに置かれた（並進される）場合、４１から発する光は、焦点軸線上の焦点に達し、設計焦点４２には達しないだろう。本発明の１つの目的は、レーザー光が良好な光焦点に達する正確な楕円焦点から調節範囲を増やすことである。この利点は図４によって図示されている。
【００１９】
レーザー走査装置の目的は、加工物上に高いパワー密度を成し遂げることである。この高いパワー密度は、切断又は溶接のような有用な仕事を行うのに必要である。焦点スポットサイズが所定値よりも小さい場合、大きい焦点調節範囲を有することが望ましい。主要な焦点合わせ要素が米国特許第５５６１５４４号に使用されたような軸外れ楕円鏡であるとき、設計焦点からの距離の関数としての焦点スポットサイズのグラフを、「４５度楕円」と名称をつけた曲線６０によって図示する。これは、光焦点距離が図３で述べた楕円焦点に等しいとき、このグラフが、レーザー光の回折限界に理論的に等しい最小スポットサイズ６２を有することを示す。図４のグラフにおけるこの楕円焦点距離は、焦点からの「０」距離と名称をつけた線６４である。しかしながら、光焦点スポットが楕円設計焦点距離より短い距離６６かより長い距離６８のいずれかに作られるとき、４５度楕円曲線は、最小よりも実質的に大きなスポットサイズを作り出す。対照的に、「０度楕円」と名称をつけた曲線７０は、主として、回折限界によって制限されている焦点スポットサイズを有する。これは、実際には、レーザー光を設計焦点距離よりも短い距離で焦点合わせすることが、設計焦点で達成されるよりもいっそう小さい焦点スポットサイズを作り出すことができることを意味する。このことは、０度楕円によって導かれる幾何学的な収差がほんのわずかである事実の結果である。焦点スポットサイズは、主として回折限界によって決定される。設計焦点よりも長い焦点距離にすると、（良好なレーザー光と仮定すると）回折限界のスポットサイズを作り出すことができる。この０度曲線はついには回折限界からはずれることは事実であるが、結果として、出願人の先の光学装置よりも、ここで述べた光学装置の方がより大きなボリューム（volume）に亘ってより小さなスポットサイズを成し遂げることができる。実際に、レーザー走査装置で利用できる有用なボリューム（volume）を出願人の先の発明に比べ本発明を用いる４以上の要因によって増すことができる。
【００２０】
鏡１４の運動又は並進は、親ねじと電動機によって駆動されるスライドのような種々の並進機構を用いて成し遂げることができる。また、各軸線２５、２６まわりの鏡１５、１６の偏向は、位置フィードバックを備えた検流計モータを使用することによって成し遂げることができる。
【００２１】
本発明の説明において、光学素子１１を軸外れ放物線と称し、又、光学素子１４を軸上楕円と称した。これらは、これらの光学素子にとって好ましい曲率であることを理解すべきである。しかしながら、性能がいくらか落ちるが、他の凹面鏡面を使用することが可能である。例えば、鏡１４は球面であってもよい。これは、２２における焦点スポットサイズの直径を大きくする。しかしながら、いくつかの適用では、この拡大した焦点スポットは依然として受け入れられる。わずかに軸外れ又は波長の一部だけ楕円と異なる放物線に近い他の物がある。すなわち、それは、たとえ或る他の技術名称で呼ばれるとしても楕円に近い。
【００２２】
好ましい実施形態を図示し、及び又は説明してきたが、他の修正を本発明の精神及び範囲から逸脱せずにしても良いことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のレーザー走査装置の概略的な斜視図である。
【図２】  図１の線２−２におけるレーザー走査装置の光学素子の拡大断面図である。
【図３】  鏡の特性を図示した楕円である。
【図４】  本発明で成し遂げられる改良焦点スポットサイズを図示したグラフである。
【図１】
0004344094.tif 000002
【図２】
0004344094.tif 000003
【図３】
0004344094.tif 000004
【図４】
0004344094.tif 000005