(57)【要約】【課題】簡易な構成で対象物への光の投影パターンを変更することを目的とする。【解決手段】ビーム変換器１は、光源１１から投射された光を受光する入射端面と受光した光を出射する出射端面とを有する複数の光導波路１３１〜１３３と、出射端面から出射された光をワークＷ上に投影する対物光学系１５と、複数の光導波路１３１〜１３３のうち少なくとも一の光導波路と光源１１との相対位置を変更することで、該少なくとも一の光導波路を光源１１からの光を受光可能な位置に配置する位置決め機構１４と、を備えている。位置決め機構１４により配置された少なくとも一の光導波路の出射端面における出射光の強度分布は、他の光導波路のうち少なくとも一つの光導波路の出射端面における出射光の強度分布と異なる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射装置から投射された光を受光する入射端面と受光した光を出射する出射端面とを有する複数の光導波路と、
前記出射端面から出射された光を対象物上に投影する対物光学系と、
前記複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路と前記投射装置との相対位置を変更することで、該少なくとも一の光導波路を前記投射装置からの光を受光可能な位置に配置する位置決め機構と、
を備え、
前記位置決め機構により配置された前記少なくとも一の光導波路の出射端面における出射光の強度分布が、他の光導波路のうち少なくとも一つの光導波路の出射端面における出射光の強度分布と異なる、
ビーム変換器。
【請求項２】
前記複数の光導波路の入射端面がそれぞれ同一方向を向いており、
前記複数の光導波路の出射端面がそれぞれ同一方向を向いており、
前記位置決め機構が、前記複数の光導波路の配列方向に沿って前記少なくとも一の光導波路の位置を変更する、
請求項１に記載のビーム変換器。
【請求項３】
前記複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が、前記投射装置からの光を同時に受光及び出射する、
請求項１又は２に記載のビーム変換器。
【請求項４】
前記複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路がモードスクランブル機構を有する、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のビーム変換器。
【請求項５】
前記複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が同一の基材上で一体化されている、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のビーム変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物への光の投影パターンを変更するビーム変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ワーク（投影面）上に投影する光のスポット径や光強度分布、ビーム配列を変更するビーム変換器が知られている。このビーム変換器は、複数種類の大きさの端子の半田付けを可能にするためにレーザ半田装置に実装されたり、複数種類の大きさのドットによるマーキングを実現するためにレーザマーカに組み込まれたりしている。
【０００３】
ワーク上のスポット径の変更は、ズームレンズの位置を調整することで実現されている。具体的には、ズームレンズを構成するレンズ同士の間隔を変えて合成焦点距離を変化させるとともに、レンズ群全体の位置をシフトすることにより焦点面の変位を抑制する。このような機械補正式のズームレンズは、例えば下記特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平０６−０２７３８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２群で焦点移動のないズームレンズを作るには、２群を同時に移動させ、前群のレンズの移動量をカムで補正する必要がある。しかし、このような機械補正型のズームレンズは機構の複雑化を招き、また、機械補正型では焦点面の変位を完全にゼロにすることが難しい。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で対象物への光の投影パターンを変更することが可能なビーム変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のビーム変換器は、投射装置から投射された光を受光する入射端面と受光した光を出射する出射端面とを有する複数の光導波路と、出射端面から出射された光を対象物上に投影する対物光学系と、複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路と投射装置との相対位置を変更することで、該少なくとも一の光導波路を投射装置からの光を受光可能な位置に配置する位置決め機構と、を備え、位置決め機構により配置された少なくとも一の光導波路の出射端面における出射光の強度分布が、他の光導波路のうち少なくとも一つの光導波路の出射端面における出射光の強度分布と異なる。
【０００７】
このようなビーム変換器によれば、出射光の強度分布が互いに異なる複数の光導波路が用意され、これらの光導波路のうち少なくとも一の光導波路が投射装置からの光を受光可能な位置に適宜配置される。したがって、対象物上に光を投影する対物光学系を移動させなくても対象物への光の投影パターンを変更できる。すなわち、簡易な構成で投影パターンを変更できる。
【０００８】
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路の入射端面がそれぞれ同一方向を向いており、複数の光導波路の出射端面がそれぞれ同一方向を向いており、位置決め機構が、複数の光導波路の配列方向に沿って少なくとも一の光導波路の位置を変更することが好ましい。
【０００９】
この場合、複数の光導波路の入射端面同士及び出射端面同士がそれぞれ同一方向を向いているので、位置決め機構による位置変更は光導波路の配列方向に沿って行えば足りる。その結果、ビーム変換器の構成をより簡単にできる。
【００１０】
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が、投射装置からの光を同時に受光及び出射することが好ましい。
【００１１】
この場合、複数のスポットから成るビーム配列を対象物上に投影することが可能になる。
【００１２】
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも一の光導波路がモードスクランブル機構を有することが好ましい。
【００１３】
この場合、モードスクランブル機構を有する光導波路とそれを持たない光導波路とで出射端面における出射光の強度分布が変わるので、これらの光導波路を切り替えることにより対象物への光の投影パターンを変更することが可能になる。
【００１４】
本発明のビーム変換器では、複数の光導波路のうち少なくとも二つの光導波路が同一の基材上で一体化されていることが好ましい。
【００１５】
この場合、複数の光導波路のうち二以上の光導波路が一体化されるので、光導波路を移動させるための構成をより簡単にできる。
【発明の効果】
【００１６】
このようなビーム変換器によれば、出射光の強度分布が互いに異なる複数の光導波路が用意され、これらのうち少なくとも一の光導波路が投射装置からの光を受光可能な位置に適宜配置されるので、対物光学系を移動させる機構を組み込むことなく、簡易な構成で対象物への光の投影パターンを変更できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った光導波体の端面図である。ビーム変換器１は、ワーク（投影面、対象物）Ｗに投影する光のスポット径を変換することが可能な装置である。ビーム変換器１は、光源１１、集光光学系１２、光導波体１３、位置決め機構１４及び対物光学系１５を備えている。
【００１９】
光源１１は、光を発する投射装置である。光源１１の出射端の径は４０μｍであり、その開口数（ＮＡ）は０．１２である。
【００２０】
集光光学系１２は、光源１１から出射された光Ｌ１を集光し、後述する光導波路の入射端面に向けて光Ｌ２を出射する光部品である。集光光学系１２の焦点距離ｆは２０ｍｍであり、有効開口数（有効ＮＡ）は０．２である。集光光学系１２は、光源１１の前方４０ｍｍ（＝２ｆ）の位置に設置されている。この集光光学系１２を備えることで、後述する光導波路１３１〜１３３に入射する光の量を確保できる。もっとも、このような集光光学系を設けるか否かは任意である。
【００２１】
光導波体１３は、集光光学系１２からの光Ｌ２を受光し、後述する対物光学系１５に向けて光Ｌ３を出射する光部品である。光導波体１３は、集光光学系１２と４０ｍｍ（＝２ｆ）の距離をおいて設置されている。光導波体１３の光伝送方向に沿った長さ（図１における左右方向の長さ）は５０ｍｍである。光導波体１３は、コア径及びクラッド径が互いに異なる三本の光導波路１３１〜１３３とこれらの光導波路を固定する基材１３４とを含んで構成されている。光導波路１３１のコア径、クラッド径はそれぞれ２００μｍ、２２０μｍであり、光導波路１３２のコア径、クラッド径はそれぞれ１１２μｍ、１２５μｍであり、光導波路１３３のコア径、クラッド径はそれぞれ７２μｍ、８０μｍである。
【００２２】
光導波路１３１〜１３３は、基材１３４上に平行に形成された断面Ｖ字状の三本の溝にそれぞれ嵌まるように固定されており、その結果、これらの光導波路１３１〜１３３は一体化されている。光導波路１３１〜１３３はそれぞれ、光Ｌ２を受光する入射端面と、光Ｌ３を出射する出射端面とを有している。ここで、光導波路１３１〜１３３の入射端面をそれぞれ入射端面１３１ａ，１３２ａ，１３３ａとし、出射端面をそれぞれ入射端面１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂとする。各入射端面１３１ａ，１３２ａ，１３３ａは同一方向（図１における左方向）を向いており、各出射端面１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂも同一方向（図１における右方向）を向いている。
【００２３】
位置決め機構１４は、複数の光導波路１３１〜１３３のうち一の光導波路と光源１１との相対位置を変更することで、該一の光導波路を光源１１からの光を受光可能な位置に配置する制御装置である。位置決め機構１４は、ユーザの入力又は所定のプログラムの実行に基づいて、複数の光導波路１３１〜１３３の配列方向（図１における上下方向）に沿って光導波体１３の位置を変更する。位置決め機構１４は、例えば図１に示すように、光導波路１３３が光源１１からの光を受光するように光導波体１３の位置を変更する。
【００２４】
対物光学系１５は、一の光導波路の出射端面（図１の例では光導波路１３３の出射端面１３３ｂ）から出射された光Ｌ３をワークＷに投影する光部品である（ワークＷに投影される光を光Ｌ４とする）。対物光学系１５の光学パラメータ（焦点距離及び有効ＮＡ）は集光光学系１２のものと同じである。対物光学系１５は、光導波体１３と４０ｍｍ（＝２ｆ）の距離をおいて設置されている。また、対物光学系１５とワークＷとの距離も４０ｍｍ（＝２ｆ）であり、この距離は変わらない。
【００２５】
以上説明したように、第１実施形態によれば、複数の光導波路１３１〜１３３のコア径が互いに異なるので、出射端面１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂにおける出射光の強度分布も互いに異なる。そして、これらの光導波路１３１〜１３３のうち少なくとも一の光導波路が光源１１からの光を受光可能な位置に配置される。したがって、ワークＷ上に光を投影する対物光学系１５を移動させなくてもワークＷへの光Ｌ４の投影パターンを変更できる。特に、第１実施形態によれば光Ｌ４のスポット径を変更できる。
【００２６】
また、第１実施形態によれば、入射端面１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが同一方向を向くとともに出射端面１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂも同一方向を向いているので、位置決め機構１４は光導波体１３を光導波路の配列方向に沿って移動させれば光導波路を切り替ることが可能である。その結果、ビーム変換器１をより簡易に構成できる。
【００２７】
また、第１実施形態によれば、複数の光導波路１３１〜１３３が基材１３４により一体化されているので、これらの光導波路１３１〜１３３を移動させるための機構（例えば光導波体１３や位置決め機構１４など）を簡単にできる。
【００２８】
なお、第１実施形態では、光導波路１３１〜１３３のコア径を２００μｍ、１１２μｍ、７２μｍとしたが、ビーム変換器に用いる光導波路のコア径はこれらに限定されず、様々なコア径の光導波路を用いてよい。したがって、例えばスポット径のサイズ比が１：１０のビーム変換器や、あるいはサイズ比がそれ以上のビーム変換器も製作可能である。
【００２９】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図４（ａ）は図３のＩＶＡ−ＩＶＡ線端面図であり、図４（ｂ）は図３のＩＶＢ−ＩＶＢ線端面図である。ビーム変換器２は、第１実施形態における光導波体１３に代えて光導波体１６を有する。本実施形態の他の構成は第１実施形態と同じなので、説明を省略する。
【００３０】
光導波体１６は、集光光学系１２からの光Ｌ２を受光し、対物光学系１５に向けて光Ｌ３を出射する光部品である。光導波体１６は、集光光学系１２と４０ｍｍ（＝２ｆ）の距離をおいて設置されている。また、光導波体１６と対物光学系１５との距離も４０ｍｍ（＝２ｆ）である。光導波体１６の光伝送方向に沿った長さ（図３における左右方向の長さ）は５０ｍｍである。光導波体１６は、一本の光導波路１６１と、四本の光導波路１６２と、これら光導波路１６１，１６２を固定する基材１６３とを含んで構成されている。
【００３１】
光導波路１６１のコア径、クラッド径はそれぞれ２００μｍ、２２０μｍであり、光導波路１６２のコア径、クラッド径はそれぞれ４０μｍ、５０μｍである。基材１６３には、断面がＶ字状である溝１６４と、断面が四角形状である溝１６５とが平行に形成されている。溝１６５は、その幅が集光光学系１２側から対物光学系１５側に移るにつれて徐々に広がるように形成されている。光導波路１６１は溝１６４に嵌まるように固定されており、光導波路１６２は溝１６５に嵌まるように固定されている。その結果、光導波路１６１，１６２は一体化されている。
【００３２】
光導波路１６１の入射端面１６１ａ及び光導波路１６２の入射端面１６２ａは同一方向（図３における左方向）を向いており、光導波路１６１の出射端面１６１ｂ及び光導波路１６２の出射端面１６２ｂは同一方向（図３における右方向）を向いている。四つの入射端面１６２ａは上下に二個ずつ配置され全体として略正方形を形成しているが（図４（ａ）参照）、四つの出射端面１６２ｂは上下段にそれぞれ一個、三個ずつ配置されており全体として略三角形を形成している（図４（ｂ）参照）。四本の光導波路１６２は、光源１１からの光を同時に受光及び出射する。
【００３３】
以上説明したように、第２実施形態によれば、複数の光導波路１６２が光源１１からの光を同時に受光及び出射するので、複数のスポットから成るビーム配列をワークＷ上に投影できる。加えて、ビーム変換器２はビーム変換器１と同様の効果も奏する。
【００３４】
（第３実施形態）
図５は第３実施形態に係るビーム変換器の模式図である。図６は図５に示す光導波体の拡大平面図である。図７（ａ）及び（ｂ）は光導波路の出射端面における出射光の強度分布を示すグラフである。ビーム変換器３は、第１実施形態における光導波体１３に代えて光導波体１７を有する。本実施形態の他の構成は第１実施形態と同じなので、説明を省略する。
【００３５】
光導波体１７は、集光光学系１２からの光Ｌ２を受光し、対物光学系１５に向けて光Ｌ３を出射する光部品である。光導波体１７は、集光光学系１２と４０ｍｍ（＝２ｆ）の距離をおいて設置されている。また、光導波体１７と対物光学系１５との距離も４０ｍｍ（＝２ｆ）である。光導波体１７の光伝送方向に沿った長さ（図５における左右方向の長さ）は５０ｍｍである。
【００３６】
光導波体１７は、コア径が１００μｍである二本の光導波路１７１と、光導波路１７１を固定する基材１７２とを含んで構成されている。これらの光導波路１７１は基材１７２上に平行に形成された断面Ｖ字状の溝に嵌まるように固定されることで一体化されている。各光導波路１７１の入射端面１７１ａは同一方向（図５における左方向）を向いており、各出射端面１７１ｂも同一方向（図５における右方向）を向いている。
【００３７】
二本の光導波路１７１のうちの一方は、光散乱体１７３ａを含むモードスクランブル機構１７３を有している。なお、光散乱体の付与以外の手法でモードスクランブル機構を構成してもよい。例えば、ＧｅＯ２−ＳｉＯ２ガラスで構成されたコアを有する光ファイバや石英系平面光導波路を高圧水素雰囲気下で保持することでコアガラス内に水素分子を含浸させる。そして、その部分に対して２４８ｎｍ近辺の紫外線を斑状に照射することで、１×１０−３程度の屈折率変化が斑状に存在するモードスクランブル機構を生成できる。また、光導波路を直径数十から数百μｍ程度の光ファイバにより構成した場合には、径が数百μｍ程度の半球体、もしくは円柱体などを用いて光ファイバに対して側圧を付与することでモードスクランブル機構を構成できる。
【００３８】
モードスクランブル機構１７３の有無により、出射端面１７１ｂにおける出力光の強度分布は図７に示すように変わる。図７（ａ）はモードスクランブル機構１７３を備えない光導波路１７１についてのグラフであり、図７（ｂ）はモードスクランブル機構１７３を備える光導波路１７１についてのグラフである。図７（ａ）及び（ｂ）のグラフの縦軸及び横軸は、それぞれ出力光の強度（Ｗ／ｃｍ２）、配列方向における位置である。なお、グラフでは光導波路１７１のコア径をφとしている。モードスクランブル機構１７３を備えない場合には、コアの中心を最高点とする略釣鐘状の強度分布となるのに対し、モードスクランブル機構１７３を備えた場合には、コアの略全体にわたって高い強度が維持されている。
【００３９】
以上説明したように、第３実施形態によれば、モードスクランブル機構１７３を有する光導波路１７１とそれを持たない光導波路１７１とで出射端面１７１ｂにおける出射光の強度分布が変わる。したがって、対象物への光の投影パターンを変更することが可能になる。
【００４０】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００４１】
上記各実施形態では、複数の光導波路が基材に固定されることで一体化していたが、このような一体化を行わなくてもよい。その場合には、位置決め装置は複数の光導波路を個別に制御することで、少なくとも一の光導波路を投射装置からの光を受光可能な位置に配置する。
【００４２】
上記各実施形態では、ビーム変換器は光源から出射された光のスポット径やビーム配列を変更する機能を備えていたが、反射光のスポット径やビーム配列を変更してもよい。この場合には、反射光を生み出す光学部品（例えば反射板）が投射装置に該当する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１実施形態に係るビーム変換器の模式図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った光導波体の端面図である。
【図３】第２実施形態に係るビーム変換器の模式図である。
【図４】（ａ）は図３のＩＶＡ−ＩＶＡ線端面図であり、（ｂ）は図３のＩＶＢ−ＩＶＢ線端面図である。
【図５】第３実施形態に係るビーム変換器の模式図である。
【図６】図５に示す光導波体の拡大平面図である。
【図７】光導波路の出射端面における出射光の強度分布を示すグラフであり、（ａ）はモードスクランブル機構を備えない場合を、（ｂ）はモードスクランブル機構を備えた場合をそれぞれ示している。
【符号の説明】
【００４４】
１，２，３…ビーム変換器、１１…光源（投射装置）、１２…集光光学系、１３，１６，１７…光導波体、１４…位置決め機構、１５…対物光学系、１３１〜１３３，１６１〜１６２，１７１…光導波路、１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ，１６１ａ，１６２ａ，１７１ａ…入射端面、１３１ｂ，１３２ｂ，１３３ｂ，１６１ｂ，１６２ｂ，１７１ｂ…出射端面、１７３…モードスクランブル機構、Ｗ…ワーク（対象物）。
【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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