JP2000066104A - ビーム補償用光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビームの波長が変化しても光学系の再調整を
する必要がなく、また出力光束の断面形状を所望の形状
に調整することができる、歪みの少ない平行光束を得る
無収差ビーム補償光学系を提供する。 【解決手段】 回転楕円面ミラー１の第１焦点３にビー
ム源６を配置し、回転放物面ミラー２をその焦点と第２
焦点４が一致するようにして対向配置して、ビーム源６
から放射され回転楕円面ミラー１で反射して第２焦点４
を通過したビームを回転放物面ミラー２で反射させるよ
うにしたことを特徴とする。回転楕円面ミラー１と回転
放物面ミラー２はそれぞれ回転機構１１、１２や並進機
構１３を備えて出力ビームの形状を調整することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビーム輸送
光学系などに用いられるビーム補償用光学系に関し、特
に波長分布を有する光ビームに用いることができる補償
用光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のレーザビーム輸送光学系では、補
償光学系として２枚の凸レンズをレーザ光軸上に配置
し、入力側レンズで平行光線を焦点に集光し出力側レン
ズで再び平行光線に変換するようにした図６に示したよ
うなビームエキスパンダーが用いられていた。なお、細
孔を設けた空間周波数フィルタを焦点付近に配置してビ
ームの質を向上させることができる。光学レンズを用い
たビームエキスパンダーでは、レーザ波長が変わるとき
にはレンズ間距離を調整することにより発散角の変化に
対応させることができる。しかし、このように光学レン
ズを用いたビームエキスパンダーでは、レンズ間距離を
変更する度に空間周波数フィルタの位置を調整する必要
があった。また、光学ガラスの光透過率が低下するため
赤外線レーザに使用することができなかった。

【０００３】ガラスレンズを使わないで赤外線にも使用
できるものに、反射ミラーを組み合わせて発散角を変化
させるようにした補償光学系がある。図７に示した２枚
の球面ミラーを用いた補償光学系は、入力側の球面ミラ
ーにレーザビームが入射すると焦点に収束して空間周波
数フィルタの細孔を通過し出力側の球面ミラーで平行光
束に調整されて射出する。しかしこの補償光学系では、
入射するレーザビームが球面ミラーに対して斜めに入射
することから収差を生じ、ビームの発散角およびビーム
径の縦横比が変化する。この補償系の出射平行光束は１
０ｍあるいは２０ｍ離れたところまで輸送されると断面
の歪みも無視できない大きさになるので、ビームを利用
する場所が補償系から数１０ｍ離れたところにあるよう
な場合には使用できない。なお、この反射鏡を用いた補
償光学系は、レーザの波長により発散角が変化するので
焦点位置が変化するが、球面ミラー間距離を調整するこ
とにより出射光の平行性を確保することができる。しか
し、球面ミラーの位置が変化すると出射光の光軸がずれ
ることと、焦点位置の変化に伴い空間周波数フィルタの
位置を調整なければならないことが問題となる。

【０００４】このように、従来のビーム輸送系における
補償光学系では、ビーム光の波長が変化すると発散角を
一定に保つため光学系の位置を調整する必要がある。通
常補償光学系のレンズ間距離あるいはミラー間距離はビ
ーム輸送距離に対して小さいから、光学系の位置調整に
は高い精度が要求され、調整系のコストが高騰する結果
となる。また、光学系の位置を変化させればレーザ光の
横モードを改善してビームの質を高めるために用いる空
間周波数フィルタも新しい位置に適合するように位置調
整する必要があり、機構が複雑化する。なお、従来の補
償光学系では、入射するビームの縦横比が異なる場合に
出射するビームの断面が真円になるように調整すること
は困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、歪みの少ない平行光束を得る収差
のない補償光学系を提供することであり、特に波長分布
を有するビーム光に対しても平行光束を得ることがで
き、またビーム光の波長が変化しても光束の状態が変化
せず光学系および空間周波数フィルタの位置を再調整を
する必要がない補償光学系を提供することである。さら
に、出力光束の断面形状を所望の形状に調整することが
できる補償光学系を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明のビーム補償光学系は、回転楕円面ミラーと
回転放物面ミラーを備え、回転楕円面ミラーの第１焦点
にビーム源を配置し、第２焦点と回転放物面ミラーの焦
点を一致させて両ミラーが焦点を挟んで対向するように
配置して、ビーム源から放射され回転楕円面ミラーで反
射して第２焦点を通過したビームを回転放物面ミラーで
反射させるようにしたことを特徴とする。回転楕円面ミ
ラーの第２焦点位置に前記ビームが透過するように空間
周波数フィルタを配設してもよい。

【０００７】本発明のビーム補償光学系によれば、ビー
ム源から回転楕円面ミラーに向けて放射される光ビーム
は回転楕円面ミラーで反射して第２焦点に収束する。こ
のとき光ビームの各部分が走行する光路長は全て同じで
あるから、第２焦点に収束した光ビームは第１焦点位置
のビーム源における特性をそのまま再現している。しが
って、回転放物面ミラーから見たときはその焦点位置に
光を所定の角度内に放散する点状ビーム光源があるのと
等価になる。そこで、この光ビームを回転放物面ミラー
で反射すると回転放物面ミラーの軸と平行な平行光束を
得ることができる。

【０００８】このビーム補償光学系では、ビームの光波
長に分布があっても全ての要素が同じ回転楕円面ミラー
の第２焦点に集合する。また、光ビームの波長が変化し
ても光学系の位置を変更する必要がない。なお、回転楕
円面ミラーの第２焦点位置に空間周波数フィルタを配設
してある場合はビームの質が向上する効果があり、また
一旦位置調整を行っておけばビームの波長変化があって
も空間周波数フィルタの位置調整を行う必要がない。こ
のように調整後は固定して用いることができるので補償
光学系の構造が簡単になり、製作のコストも低下する。

【０００９】また、本発明のビーム補償光学系は、ビー
ム源の光軸を軸として回転する機構を備えることが好ま
しい。さらに、回転放物面ミラーの軸を焦点の周りに回
転させる機構や、回転放物面ミラーを放物面ミラーの軸
方向および軸と入射光軸に直交する方向に並進させる機
構を備えてもよい。なお、回転放物面ミラーで反射した
ビームを反射する平面ミラーを備えることができる。

【００１０】本発明のビーム補償光学系は、一旦光路上
の配設位置を調節すれば光学系素子相互間の位置調整を
する必要がないので、ビーム源の光軸を軸として補償光
学系全体を回転することができるように構成すると、相
互間調整をしないで平行光束の放射方向を自由に変更す
ることができる。また、焦点から入射し回転放物面ミラ
ーで反射して形成される平行光束は回転放物面ミラーの
軸に平行に放出されるから、回転放物面ミラー軸を焦点
の周りに回転させることにより平行光束の放射方向を簡
単に変更することができる。このような機構を付属する
ことは、たとえばロボットハンドにビーム補償光学系を
セットして放射方向を調整する場合などに便利である。

【００１１】また、回転放物面ミラーをその軸方向およ
び軸と入射光軸との直交方向に並進させる機構を備える
ことにより、回転放物面ミラー焦点と仮想的光源の位置
を僅かにずらせることができるので、入射光の縦横長に
差がある場合に縦横が等しくなるように調整したり、所
定距離離れたところにおけるビーム形状が円形になるよ
うに回転放物面ミラーにおける光束断面形状を調整する
ことができる。さらに回転放物面ミラーで反射したビー
ムを反射する平面ミラーを備えることにより、ビームの
質を低下させることなく必要なビーム使用位置まで搬送
することができる。

【００１２】なお、ビーム源としてレーザ光源を使用す
ることができる。また、本発明のレーザを用いたビーム
補償光学系は、レーザとして波長可変レーザを使用する
ことができる。なお、ビームはシンクロトロン光であっ
てもよい。本発明のビーム補償光学系はビームの波長に
係わらず回転楕円面ミラーの第２焦点位置に無収差で収
束するので、発生する光の波長に分布があるレーザ装置
や波長が変わるレーザ装置に適用するときに特に効果が
大きい。

【００１３】また、本発明のレーザを用いたビーム補償
光学系では、レーザ光源のビームウエストが回転楕円面
ミラーの第１焦点の位置に当たるように配設することが
好ましい。なお、穴あき共振器ミラーを用いたレーザ光
源の場合は、レーザ取り出し穴が第１焦点の位置に当た
るようにすることが好ましい。レーザ光源の共振器中で
はビームウエストの位置で、また穴あき共振器を用いた
場合は取り出し穴の位置でレーザ光が平面波を形成する
ので、この位置を回転楕円面ミラーの第１焦点位置に置
くことにより第２焦点位置に収束した光線が第２焦点位
置で平面波となり、回転放物面ミラーで反射して形成さ
れる平行光束の質が良くなる。

【００１４】なお、本発明の光照射装置は、上記いずれ
かのビーム補償用光学系を備えることにより良質な平行
光束を得ることができる。また本発明のレーザ加工装置
も上記いずれかのビーム補償用光学系を備えることによ
り遠隔の加工位置でも高エネルギーレーザ光を利用した
レーザ加工が可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明について実施例に基
づき図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明のビ
ーム補償光学系の１実施例の光学的配置を示す線図であ
る。また、図２から図４は本実施例における作用を説明
するグラフである。

【００１６】

【実施例】本実施例のビーム補償光学系は、図１に示す
ように、第１の焦点３と第２の焦点４を有する回転楕円
面の一部である回転楕円面ミラー１と、焦点４を有する
回転放物面の一部である回転放物面ミラー２と、複数の
平面ミラー５と空間周波数フィルタ７、およびレーザ発
振器６を備える。回転楕円面ミラー１の第１焦点３の位
置にレーザ発振器６を配設する。このときレーザ発振器
６のビームウエストの位置が第１焦点３の位置に当たる
ように位置調整し、放射されるレーザビームが回転楕円
面ミラー１に入射するようにレーザ発振器６の方向を調
整する。

【００１７】回転楕円面ミラー１で反射するレーザビー
ムは第２焦点４の位置に収束する。回転放物面ミラー２
は、その焦点が回転楕円面ミラー１の第２焦点４と同じ
位置にあって、焦点を通過するレーザビームが入射する
位置に配設される。すると、回転放物面ミラー２で反射
したレーザビームは平行光束となって回転放物面の軸と
平行な方向に放射される。この平行ビームはビーム軸に
対して４５度の傾きを与えられた平面ミラー５で次々に
垂直に偏向されて、所望の目的地まで搬送される。な
お、中心に数１０μｍの細孔を有する空間周波数フィル
タ７が回転楕円面ミラー１の第２焦点４の位置に配設さ
れ、収束したレーザ光を細孔に通してビームの質を整え
る役割を果たしている。

【００１８】レーザ発振器６内のレーザ光はビームウエ
ストの位置で平面波になっているので、ビームウエスト
の位置を第１焦点３に合わせると、ここから放散して回
転楕円面ミラー１に入射しミラーの表面で反射して第２
焦点４に収束するレーザビームはビーム中の全ての部分
が同じ光路長を走行してくるため、第２焦点４の位置で
やはり平面波になっている。また、光源６から放射され
るビームの光波長や拡散角が異なったり分布を有する場
合であっても、光源位置６から回転楕円面ミラー１で反
射して第２焦点４に到達する光ビームは全て同じ光路長
を有する。

【００１９】なお、レーザ発振器６のビームウエスト位
置を第１焦点３に合わせるということは光学的な意味に
おいて同じ位置に重ねることであって、たとえばビーム
スプリッタによる出力カップリングをする場合はビーム
ウエストの写像位置が第１焦点位置にくるように配置し
なければならない。また、炭酸ガスレーザや自由電子レ
ーザなどのようにレーザ発振器６に穴あきミラー式発振
器を用いる場合は、図２に示すように、発振器内部のビ
ームウエスト位置の代わりに出力ミラーを回転楕円面ミ
ラー１の第１焦点位置３に置くことが好ましい。この形
式のレーザ発振器では、出力ミラー面に当たるビームの
うち取り出し用細孔を透過した極く小径のビームが放射
されるので、放出された光ビームは細孔位置において平
面波になっていると考えて良いからである。

【００２０】さらに、空間周波数フィルタ７がレーザビ
ームの空間強度分布の高次の周波数成分を除去しビーム
の横モードを改善するので、焦点４の位置に仮想される
レーザ光源は良好な特性を有する。したがって、回転放
物面ミラー２の焦点４の位置に等価的に存在するビーム
光源は回転放物面ミラー２に向けて平面波を放出する点
光源と考えて良い。なお、本実施例のビーム補償光学系
ではレーザ光の焦点位置が波長によって移動しないので
空間周波数フィルタ７の設置位置はレーザ光の波長によ
り調整する必要がない。また、穴あき共振器ミラーを用
いるレーザでは取り出し穴の大きさを同じにすれば、空
間周波数フィルタの大きさも波長によらず固定すること
ができる。

【００２１】本実施例のビーム補償光学系は、点光源に
対しては幾何学的に無収差系であり、レーザビーム径が
第１焦点３から回転楕円面ミラー面までの距離に対して
十分小さければ殆ど収差が現れない。また、波長や拡散
角が変化しても光学素子の配置を変更する必要がない。
すなわち光学素子を一旦正しい位置に配置した後は相対
的な位置調整を行うことなく、常に質の高い所定の平行
ビームを発生することができる。

【００２２】なお、本実施例で、平面ミラーの傾きを４
５度とするのは平面ミラーを複数用いてビームを遠方に
輸送する場合に簡単に光学系を設計することができるか
らであり、別の角度を用いても良いことはいうまでもな
い。また、光源から入射する光ビームの光軸がミラー表
面でほぼ９０度で偏向するように回転楕円面ミラー１を
配置すると、光学系の設計、製作、調整が容易になり、
実用上の効果が大きい。回転放物面ミラー２においても
同様に入射ビームの光軸がはぼ９０度で偏向するように
設計することが好ましい。

【００２３】図３は、本実施例のビーム補償光学系にお
いて伝播距離によるビーム径の変化状態をシミュレーシ
ョンで求めた結果を表したグラフである。横軸は伝播距
離を表し、縦軸はビーム径ｒを射出位置における径ｒ０
を基準にして表したものである。図から、３０ｍ伝播し
た後でもビーム径ｒは初めの径ｒ０と変化せず平行光束
を維持することが分かる。なお、シミュレーションは回
転楕円面ミラーの焦点間距離がほぼ３０ｃｍの光学系に
ついて行った。

【００２４】図１のビーム補償光学系は、回転楕円面ミ
ラー１が第１焦点３から放射されるビーム光の光軸上に
回転軸１１を有しビーム光軸の周りに回転するように構
成されている。回転軸１１における回転動作は他の光学
素子との相対的位置を変えないようにして行われる。し
たがって、回転軸１１周りの回転により平行光束がレー
ザ発振器６の光軸を中心とする所定の円上の任意の位置
を選択することができる。このような回転は、回転駆動
機構を備えて行うようにしても良いが、たとえば汎用の
ロボットハンドに装置を搭載して簡単に行うこともでき
る。

【００２５】図１のビーム補償光学系は、また、回転放
物面ミラー２が焦点４を通るビーム光の光軸上に回転軸
１２を有しビーム光軸の周りに回転するように構成され
ている。回転軸１２における回転動作は下流の光学素子
との相対的位置を変えないようにして行われる。回転軸
１２周りの回転により回転放物面ミラー２の軸が回転す
るので、平行光束をレーザ発振器６の光軸に平行な面内
の任意の方向に放射するようにすることができる。

【００２６】なお、焦点４を通るビーム光が回転放物面
ミラー２から外れない程度に回転放物面ミラー２を傾け
る機構を付属させることができる。このような傾斜運動
は回転放物面ミラー２の焦点が回転放物面ミラー２の焦
点４からずれないようにして回転放物面ミラー２の軸の
方向を変化させるもので、平行光束をレーザ発振器６の
光軸に平行な面に対してある程度傾ける作用を有する。

【００２７】また、図１のビーム補償光学系は、回転放
物面ミラー２を回転放物面の軸方向に精密に位置調整す
る第１の並進移動機構１３を有する。回転放物面ミラー
２を軸方向に極く僅かにずらすことにより、射出位置に
おけるレーザビーム径の縦横比を調整することが可能で
ある。また、平行光束の射出方向が部位により僅かに異
なるので、所定距離伝播した位置における光束の強度分
布を所定の状態に制御することが可能となる。したがっ
て、たとえば楕円形の空間強度分布を有するレーザ光を
円形の空間強度分布を持つように調整したり、円形の強
度分布を有するものを線状に収束させたりすることがで
きる。

【００２８】図４は、回転放物面ミラー２を軸方向に
０．１２ｍｍ移動させたときに、断面形状の縦横比が１
と異なるビームが伝播する距離に従って形状が変化する
様子をシミュレーションで求めた結果を示す図面であ
る。図の横軸は伝播距離を表し、縦軸はビーム断面の縦
径ｒｘに対する横径ｒｙの割合を表したものである。図
から、ビームの縦横比ｒｙ／ｒｘが１．４あったものが
３０ｍ伝播した後では縦横比１の平行光束になることが
分かる。

【００２９】さらにまた、図１のビーム補償光学系は、
回転放物面ミラー２を入射レーザの光軸方向に精密に位
置調整する第２の並進移動機構１４を有する。回転放物
面ミラー２を入射レーザ光軸方向に極く僅かに動かす
と、回転放物面ミラー２の焦点が回転楕円面ミラー１の
第２焦点位置４と僅かにずれるため、反射後のレーザ光
束の収束と発散を調整することが可能である。

【００３０】図５は、回転放物面ミラー２を入射レーザ
光軸方向に移動させたときに、伝播距離３０ｍの位置に
おけるビーム径が変化する様子をシミュレーションで求
めた結果を示す図面である。図の横軸は回転放物面ミラ
ーの光軸方向（図ではｘ軸としている）の変位量を表
し、縦軸はビーム径ｒを射出位置における径ｒ０を基準
にして表したものである。なお、ビーム径の変化は縦方
向ｒｘと横方向ｒｙについてそれぞれ求めた結果を表し
たが、両者はグラフ上ほとんど重なって差がなかった。
図から、ビーム径ｒは回転放物面ミラーの変位量とほぼ
比例関係にあり、回転放物面ミラーが光軸方向に僅か−
１．０ｍｍから＋１．０ｍｍ変位するだけで、３０ｍ伝
播したところにおけるビームが断面形状を維持したまま
０．５から１．５まで大きく変化することが分かる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明のビーム補償
光学系は、光学ガラスを用いないため赤外線などにも使
用できて、収差がなくビームの縦横比を真円や所望の形
状に調整でき、しかも調整が容易でかつ一旦位置調整す
ればビームの光波長の変化や分布状態によっても光学素
子の配置を換える必要がなく、照明や加工など広く各種
の光輸送系に用いることができる。特に、従来困難だっ
た赤外線レーザや、波長分布型レーザ、波長変化型レー
ザに使用することが容易であり工業上利用できることの
意義が大きい。また、回転楕円面ミラーと回転放物面ミ
ラーの回転や並進を調整する駆動機構を用いることによ
り、所望の伝播距離におけるビーム形状を適当に制御す
ることが可能である。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビーム補償光学系の１実施例を示す配
置図である。

【図２】本実施例に使用する別のレーザ光源を示す図面
である。

【図３】本実施例のビーム補償光学系における伝播距離
とビーム径の関係を表したグラフである。

【図４】本実施例のビーム補償光学系における回転放物
面ミラーの移動とビーム形状の関係を示す図面である。

【図５】本実施例のビーム補償光学系における回転放物
面ミラーの位置とビーム径の関係を示す図面である。

【図６】従来のビーム補償光学系の例を示す配置図であ
る。

【図７】従来のビーム補償光学系の別の例を示す配置図
である。

【符号の説明】

１ 回転楕円面ミラー ２ 回転放物面ミラー ３ 回転楕円面ミラーの第１焦点 ４ 回転楕円面ミラーの第２焦点または回転放物面ミラ
ーの焦点 ５ 平面ミラー ６ レーザ発振器 ７ 空間周波数フィルタ １１ 回転楕円面ミラーの回転軸 １２ 回転放物面ミラーの回転軸 １３ 回転放物面ミラーの第１並進移動機構 １４ 回転放物面ミラーの第２並進移動機構

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転楕円面ミラーと回転放物面ミラーを
   備え、該回転楕円面ミラーの第１焦点にビーム源を配置
   し、該回転楕円面ミラーの第２焦点と前記回転放物面ミ
   ラーの焦点を一致させて両ミラーが該焦点を挟んで対向
   するように配置して、前記ビーム源から放射され前記回
   転楕円面ミラーで反射して前記第２焦点を通過したビー
   ムを前記回転放物面ミラーで反射させるようにしたこと
   を特徴とするビーム補償用光学系。
2. 【請求項２】 前記回転楕円面ミラーの第２焦点位置に
   前記ビームが透過するように空間周波数フィルタを配設
   したことを特徴とする請求項１記載のビーム補償用光学
   系。
3. 【請求項３】 前記ビーム源の光軸を軸として回転する
   機構を備えることを特徴とする請求項１または２記載の
   ビーム補償用光学系。
4. 【請求項４】 前記回転放物面ミラーの軸を前記回転放
   物面ミラーの焦点の周りに回転させる機構を備えたこと
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のビーム
   補償用光学系。
5. 【請求項５】 前記回転放物面ミラーを該回転放物面ミ
   ラーの軸方向および軸と入射光軸との直交方向に並進さ
   せる機構を備えたことを特徴とする請求項１から４のい
   ずれかに記載のビーム補償用光学系。
6. 【請求項６】 前記回転放物面ミラーで反射したビーム
   を反射する少なくとも１枚の平面ミラーを備えたことを
   特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のビーム補
   償用光学系。
7. 【請求項７】 前記ビーム源がレーザ光源であることを
   特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のビーム補
   償用光学系。
8. 【請求項８】 前記レーザが波長可変レーザであること
   を特徴とする請求項７記載のビーム補償用光学系。
9. 【請求項９】 前記ビームがシンクロトロン光であるこ
   とを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のビー
   ム補償用光学系。
10. 【請求項１０】 前記レーザ光源のビームウエストが前
    記回転楕円面ミラーの第１焦点の位置に当たるように配
    設されたことを特徴とする請求項７から９のいずれかに
    記載のビーム補償用光学系。
11. 【請求項１１】 前記レーザ光源の穴あき共振器ミラー
    の取り出し穴が前記回転楕円面ミラーの第１焦点の位置
    に当たるように配設されたことを特徴とする請求項７か
    ら９のいずれかに記載のビーム補償用光学系。
12. 【請求項１２】 請求項１から１１のいずれかに記載の
    ビーム補償用光学系を備えた光照射装置。
13. 【請求項１３】 請求項７から１１のいずれかに記載の
    ビーム補償用光学系を備えたレーザ加工装置。