DE19503675A1 - Optisches Übertragungssystem und Verfahren zur Lichtausstrahlung - Google Patents

Optisches Übertragungssystem und Verfahren zur Lichtausstrahlung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Übertragungssystem zur Verwendung in einer Laserbear­ beitungsvorrichtung zum Bearbeiten solcher Materia­ lien wie Metalle, Keramiken und Harze, insbesondere ein optisches Übertragungssystem für die Übertragung von Laserstrahlen, um eine Bearbeitung oder Oberflä­ chenbehandlung zu bewirken.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches optisches Übertra­ gungssystem, das beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 55157/90 offenbart ist. Fig. 1 zeigt einen Laseroszillator 1, eine Kondensor­ linse 2 zum Sammeln des vom Laseroszillator 1 emit­ tierten Lichts und Leiten des gesammelten Strahls zu einer Faser 3, eine Bestrahlungslinse 4 zum Bestrah­ len eines Gegenstands 5 mit dem aus der Faser 3 her­ austretenden Lichtstrahl, sowie die Laserstrahl 11, 12, 13 und 16. Die Brennweite der Kondensorlinse 2 und die der Bestrahlungslinse 4 sowie die Positions­ beziehung der verwendeten optischen Systeme sind op­ timiert für eine wirksame Ausnutzung der Laserener­ gie.
Es wird nun Bezug genommen auf die Arbeitsweise des vorbeschriebenen herkömmlichen optischen Übertra­ gungssystems. Der von dem Laseroszillator 1 emittier­ te Laserstrahl 11 wird von der Kondensorlinse 2 ge­ sammelt (Laserstrahl 12) und in die optische Faser 3 eingeführt. Der auftreffende Lichtstrahl tritt am entgegengesetzten Ende der optischen Faser 3 aus (La­ serstrahl 13) und der ausgetretene Laserstrahl 13 wird durch die Bestrahlungslinse 4 auf den Gegenstand 5 fokussiert.
Das herkömmliche optische Übertragungssystem ist wie vorstehend ausgebildet. Die in den herkömmlichen op­ tischen Systemen verwendeten Linsen sind sphärische Linsen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und der übertrage­ ne Laserstrahl ist in axialer Symmetrie mit Bezug auf seine Fortpflanzungsrichtung. Daher ist die Gestalt des auf den zu bestrahlenden Gegenstand gestrahlten Laserstrahls auf die Form eines kreisförmigen Flecks begrenzt. Um den Strahldurchmesser auf den kleinsten Wert herabzusetzen, wird außerdem gewöhnlich eine Konstruktion verwendet, in der die Strahlverteilung am Ausgangsende der Faser durch die Bestrahlungslinse 4 einer Reduktionstranskription unterzogen wird, so daß die auf den Gegenstand gestrahlte Strahlvertei­ lung auf eine Zylinderhutform begrenzt ist, reflek­ tierend die üblicherweise zylinderhutförmige Intensi­ tätsverteilung am Ausgangsende der Fasern. Gemäß ei­ nem weiteren beim herkömmlichen optischen Übertra­ gungssystem auftretenden Problem hat der von einem Brennpunkt fortschreitende Lichtstrahl noch eine zu große Ausdehnung bei Verwendung eines optischen Fo­ kussiersystems mit einer einzigen Linsengruppe, so daß, wenn er auf ein Werkstück gestrahlt wird, es unmöglich ist, eine Bearbeitung mit einer großen Brenntiefe zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der vorerwähnten Probleme gemacht und es ist die Aufgabe der Erfindung, ein optisches Übertragungssystem vor­ zusehen, bei dem ein Lichtstrahl eine optimale Licht­ intensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse oder in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse hat, wodurch es möglich ist, jede gewünschte Bearbei­ tung zu bewirken, das in der Lage ist, ein Bild auf einen zu bestrahlenden Gegenstand zu bilden, das eine gewünschte Lichtintensitätsverteilung in einer Rich­ tung senkrecht zur optischen Achse hat, wodurch es möglich ist, eine gewünschte Bearbeitung zu bewirken, das verschiedene Formen von Strahlen ermöglicht, die leicht durch bloßes Ändern des Abstands zwischen er­ sten und zweiten Linsen zu erhalten sind, das in der Lage ist, verschiedene Formen von Bearbeitungsstrah­ len entsprechend Maskenformen zu liefern, das in der Lage ist, eine Kreisform eines Bearbeitungsstrahls zu liefern und eine Bestrahlung mit einem gleichförmigen Licht zu ermöglichen, das in der Lage ist, eine zy­ lindrische Form eines Bearbeitungsstrahls zu liefern und eine gleichförmige Bestrahlung auch für den Fall, daß eine Bearbeitung durch Abtastung eines Licht­ strahls durchgeführt wird, zu ermöglichen, das in der Lage ist, verschiedene Formen und Bearbeitungsstrah­ len zu liefern, das in der Lage ist, nur den Auf­ treffwinkel zu ändern, während ein Laserstrahl auf die Mitte des Einlasses einer optischen Faser auf­ rechterhalten wird, das in der Lage ist, die Änderung des Auftreffwinkels einfach zu steuern, das in der Lage ist, einen Laserstrahl mit einer höheren Ge­ schwindigkeit als der Bewegung des Einlasses der op­ tischen Faser zu treiben, das einen einfachen Aufbau hat, das in der Lage ist, die Lichtintensitätsvertei­ lung mit hoher Geschwindigkeit zu ändern, das in der Lage ist, eine glattere und schnellere Änderung der Lichtintensitätsverteilung zu realisieren, das in der Lage ist, die durch die Grenze der Substratkeile zur Zeit der Änderung der Lichtintensitätsverteilung be­ wirkte Störung der Lichtintensitätsverteilung zu ver­ hindern, das einen einfachen Aufbau hat, wobei die Anzahl von Antriebselementen klein ist und der Auf­ treffwinkel mit hoher Geschwindigkeit geändert werden kann, das in der Lage ist, einen hinsichtlich der axialen Symmetrie überlegenen Bearbeitungsstrahl zu liefern, das in der Lage ist, den Energieverlust beim Gebrauch einer Lichtabschirmplatte zu verhindern, das in der Lage ist, einen Lichtstrahl von länglicher oder jeder anderen gewünschten Form für die Bestrah­ lung eines Gegenstands zu liefern, das in der Lage ist, die Lichtintensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse so einzustellen, daß eine große Brenntiefe gegeben ist, das in der Lage ist, die Brenntiefe größer zu machen, das in der Lage ist, den Abstand zwischen Linse und einem zu bestrahlenden Gegenstand zu vergrößern und dadurch die Gefahr der Ablagerung von zerstäubtem Material des Gegenstands auf der Linsenoberfläche während der Bearbeitung, die eine Verschlechterung der Lichtdurchlässigkeit bewir­ ken würde, herabzusetzen, und das ermöglicht, daß die Brenntiefe groß genommen wird selbst bei der herkömm­ lichen Ausbildung eines gleichartigen Systems.
Es ist auch die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Lichtbestrahlung anzugeben, das die gleichzeitige Durchführung eines Schweiß-, Schneid-, Markiervorganges und dergleichen in einer einzigen Operation ermöglicht und verschiedene Dicken und Ma­ terialien zwischen Flächen bewältigt und daß weiter­ hin die Einstellung der Energiedichte für das zu be­ arbeitende Material ermöglicht und hierdurch einen Schweiß-, Schneid- und Stanzvorgang hoher Qualität erzielen kann.
Zur Lösung der genannten Aufgabe ist gemäß einem er­ sten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das eine Einstellvor­ richtung zum Einstellen der Lichtintensitätsvertei­ lung in Richtung der optischen Achse oder in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse auf eine vorbe­ stimmte Lichtintensitätsverteilung in der Nähe eines zu bestrahlenden Gegenstands zur Zeit der Fortpflan­ zung eines Laserstrahls von einem Laseroszillator über einen vorbestimmten Abstand und Strahlung des fortgepflanzten Lichts auf den zu bestrahlenden Ge­ genstand enthält.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorbe­ schrieben das System eine Vorrichtung zum Einstellen der Lichtintensitätsverteilung in Richtung einer op­ tischen Achse oder in einer Ebene senkrecht zur opti­ schen Achse auf eine bestimmte Lichtintensitätsver­ teilung in der Nähe eines zu bestrahlenden Gegen­ stands enthält, ist es möglich, eine gewünschte Form eines Bearbeitungsstrahls zu erhalten, die Brenntiefe auf eine gewünschte Tiefe einzustellen und damit eine gewünschte Bearbeitung zu ermöglichen.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das ein optisches Bestrahlungssystem und eine Einstell­ vorrichtung enthält, wobei das optische Bestrahlungs­ system und die Einstellvorrichtung eine erste Linse, die Bilder mit einer Aberration erzeugt, und eine zweite Linse, die auf einem zu bestrahlenden Gegen­ stand ein Bild in einer Position mit einer vorbe­ stimmten Lichtintensitätsverteilung aus den von der ersten Linse erzeugten Bildern erzeugt, aufweisen.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung das System wie vorerwähnt mit einer ersten Linse versehen ist, die Bilder mit Aberration erzeugt, haben die von der ersten Linse erzeugten Bilder verschiedene Lichtin­ tensitätsverteilungen in der Richtung senkrecht zur optischen Achse. Und da die zweite Achse auf einem zu bestrahlenden Gegenstand ein Bild in einer Position mit einer vorbestimmten Intensitätsverteilung aus diesen Bildern erzeugt, ist es möglich, ein Bild mit einer gewünschten Lichtintensitätsverteilung auf dem zu bestrahlenden Gegenstand zu erzeugen und damit eine gewünschte Bearbeitung zu bewirken.
Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optisches Übertragungssystem vorgesehen, das einen Einstellmechanismus enthält, der in der Lage ist, den Abstand zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse einzustellen.
Bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem drit­ ten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wie vor­ erwähnt, der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse durch den Einstellmechanismus geändert, wodurch ein Bild mit einer gewünschten Lichtintensi­ tätsverteilung aus den Bildern mit verschiedener Lichtintensitätsverteilung ausgewählt und auf dem zu bestrahlenden Gegenstand erzeugt werden kann, und somit können verschiedene Formen von Bearbeitungs­ strahlen auf einfache Weise erhalten werden, indem bloß der genannte Abstand verändert wird.
Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das eine in der Abbildungsposition durch die erste Linse angeordnete Maske enthält. Da bei dem optischen Über­ tragungssystem gemäß dem vierten Aspekt der vorlie­ genden Erfindung wie vorerwähnt eine Maske in der Abbildungsposition durch die erste Linse angeordnet ist und das durch die Maske hindurchgehende Licht auf den zu bestrahlenden Gegenstand fokussiert ist, kön­ nen verschiedene Formen von Bearbeitungsstrahlen ent­ sprechend den Maskenformen auf leichte Weise erhalten werden.
Gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das die vorgenannte Maske verwendet, wobei die Maske eine Kreisform aufweist und das Licht nur durch den kreis­ förmigen Bereich hindurchgeht.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung die Masken­ form wie vorerwähnt kreisförmig gemacht ist, wird ein kreisförmiger Bearbeitungsstrahl erhalten, wodurch es möglich ist, eine gleichförmige Bestrahlung zu errei­ chen.
Gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das die vorgenannte Maske verwendet, wobei die Maske eine ringförmige Gestalt hat und daß Licht nur den ring­ förmigen Bereich hindurchgeht. Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem sechsten Aspekt der vor­ liegenden Erfindung die Maske wie vorerwähnt ringför­ mig gemacht ist, wird ein ringförmiger Bearbeitungs­ strahl erhalten, wodurch es möglich ist, eine gleich­ förmige Bestrahlung für den Fall, daß eine Bearbei­ tung durchgeführt wird, während ein Lichtstrahl abge­ tastet wird, zu bewirken.
Gemäß dem siebenten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das in Kombination mit dem optischen Übertragungssystem nach dem ersten Aspekt ein optisches Fortpflanzungs­ system enthält, wobei das optische Fortpflanzungssy­ stem eine optische Faser und eine Kondensorlinse zum Sammeln eines Laserstrahls von einem Laseroszillator und Einführen des gesammelten Strahls in die optische Faser, ein optisches Bestrahlungssystem gebildet durch ein optisches Übermittlungssystem, das ein Bild auf einen zu bestrahlenden Gegenstand in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse übermittelt, und in einem vorbestimmten Abstand von der Auslaß-Endfläche der optischen Faser angeordnet, und eine Einstellvor­ richtung zum Einstellen des Auftreffwinkels des von der Kondensorlinse gesammelten Laserstrahls auf die optische Faser aufweist.
Bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem sie­ benten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist wie vor­ erwähnt das optische Fortpflanzungssystem aus einer optischen Faser und einer Kondensorlinse, die den Laserstrahl vom Laseroszillator sammelt und den ge­ sammelten Strahl in die optische Faser einführt, zu­ sammengesetzt, der Auftreffwinkel des von der Konden­ sorlinse gesammelten Laserstrahls auf die optische Faser und die Lichtintensitätsverteilung in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse und in einem vor­ bestimmten Abstand von der Auslaß-Endfläche der opti­ schen Faser werden eingestellt, und ein Bild in der genannten Ebene wird zum zu bestrahlenden Gegenstand übermittelt, wodurch verschiedene Formen von Bearbei­ tungsstrahlen erhalten werden können.
Gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das die vorgenannte Einstellvorrichtung enthält, wobei die Einstellung durch die Einstellvorrichtung durch Änderung des Winkels der Einlaß-Endfläche der opti­ schen Faser realisiert wird, während die Einlaß-End­ fläche in Ausrichtung mit der optischen Achse gehal­ ten wird.
Da bei dem optischen Übertragungssystem nach dem ach­ ten Aspekt der vorliegenden Erfindung der Winkel der Einlaß-Endfläche der optischen Faser geändert wird, während die Einlaß-Endfläche in Ausrichtung mit der optischen Achse gehalten wird, kann nur der Auftreff­ winkel geändert werden, während der Laserstrahl auf der Mitte des Eingangs der optischen Faser gehalten wird.
Gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem enthaltend die genannte Einstellvorrichtung vorgesehen, bei der die von der Einstellvorrichtung bewirkte Einstellung durch Bewegen eines festen optischen Systems in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in einen ausge­ richteten Zustand der optischen Achse der Kondensor­ linse mit der optischen Faser in einem festen Zustand der Einlaß-Endfläche der optischen Faser zur Brenn­ punktposition der Kondensorlinse realisiert wird, wobei die optische Achse des Laserstrahls vom Lase­ roszillator parallel mit der optischen Achse des ge­ nannten festen optischen Systems gehalten wird.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorer­ wähnt das feste optische System in einer Ebene senk­ recht zur optischen Achse in einen ausgerichteten Zustand der optischen Achse der Kondensorlinse mit der optischen Faser bewegt wird, wobei ein fester Zustand der Einlaß-Endfläche der optischen Faser zur Brennpunktposition der Kondensorlinse besteht und die optische Achse des Laserstrahls vom Laseroszillator parallel mit der optischen Achse des festen optischen Systems gehalten wird, kann die Änderung des Auf­ treffwinkels leicht gesteuert werden.
Gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem enthaltend die genannte Einstellvorrichtung vorgesehen, bei der die Einstellung durch die Einstellvorrichtung realisiert wird durch Verschieben des Laserstrahls vom Laseros­ zillator in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bei einem festen Zustand der Einlaß-Endfläche der optischen Faser zur Brennpunktposition der Kondensor­ linse, wobei die optische Achse des Laserstrahls par­ allel mit der optischen Achse der Kondensorlinse ge­ halten wird.
Da bei dem optischen Übertragungssystem nach dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorer­ wähnt der Laserstrahl vom Laseroszillator in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse verschoben wird bei einem festen Zustand der Einlaß-Endfläche der optischen Faser zur Brennpunktposition der Kondensor­ linse, wobei die optische Achse des Laserstrahls par­ allel zu der optischen Achse der Kondensorlinse ge­ halten wird, ist es möglich, einen höheren Geschwin­ digkeitsantrieb als die Bewegung des Einlasses der optischen Faser zu bewirken.
Gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei dem ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Ach­ se geändert werden kann, und ein Keilsubstrat zwi­ schen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse an­ geordnet sind, wobei die Verschiebung des Laser­ strahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Änderung des Winkels des Planspiegels und zur selben Zeit durch Ersetzen des Keilsubstrats durch ein anderes Keilsubstrat mit einem unterschiedlichen Keilwinkel durchgeführt wird.
Das bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorer­ wähnt ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse verändert werden kann, und ein Keilsubstrat zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und die Verschiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zu optischen Achse durch Ersetzen des Keilsubstrats durch ein anderes Keilsub­ strat mit unterschiedlichem Keilwinkel gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durch­ geführt wird, ist es möglich, eine einfachere Kon­ struktion zu erhalten.
Gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei dem ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Ach­ se geändert werden kann, und ein besonderes Keilsub­ strat mit mehreren Arten von Keilwinkeln zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind, wobei das Verschieben des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Änderung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vor­ erwähnt ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und ein besonderes Keil­ substrat mit mehreren Arten von Keilwinkeln vorgese­ hen sind und die Verschiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Ände­ rung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird, ist es möglich, eine Änderung der Lichtintensitäts­ verteilung mit hoher Geschwindigkeit zu bewirken.
Gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei dem zwischen dem Laseroszillator und der Konden­ sorlinse ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und besondere scheiben­ artige Keilsubstrate mit unterschiedlichen Keilwin­ keln, die aufeinanderfolgend in Umfangsrichtung an­ geordnet sind, vorgesehen, und die Verschiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse wird durch Drehen der besonderen Substrate gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Plan­ spiegels durchgeführt.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt ein Planspiegel, dessen Winkel zur op­ tischen Achse geändert werden kann, und besondere scheibenartige Teilsubstrate mit unterschiedlichen Keilwinkeln, die aufeinanderfolgend in Umfangsrich­ tung angeordnet sind, zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und die Ver­ schiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen der genannten beson­ deren Keile gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird, kann ein glattere und schnellere Änderung der Lichtintensitätsvertei­ lung realisiert werden.
Gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei welchem zwischen dem Laseroszillator und der Kon­ densorlinse ein Planspiegel, dessen Winkel zur opti­ schen Achse veränderbar ist, und ein besonderes Sub­ strat mit einem konstanten Keilwinkel in radialer Richtung und sich fortlaufend veränderndem Keilwinkel in Umfangsrichtung angeordnet sind, und die Verschie­ bung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse wird durch Drehen des besonderen Sub­ strats gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durchgeführt.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt ein Planspiegel, dessen Winkel zur op­ tischen Achse veränderbar ist, und ein besonderes Substrat mit einem konstanten Keilwinkel in radialer Richtung und sich fortlaufend veränderndem Keilwinkel in Umfangsrichtung zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und die Verschie­ bung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen des besonderen Substrats gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Plan­ spiegels durchgeführt wird, ist es möglich, die durch die Grenze von Substratkeilen bewirkte Störung der Lichtintensitätsverteilung zu verhindern.
Gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei welchem ein Parabolspiegel zwischen dem Laseros­ zillator und der Kondensorlinse und ein Planspiegel mit veränderbarem Winkel in der Brennpunktposition des Parabolspiegels angeordnet sind und die Verschie­ bung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Änderung des Winkels des Plan­ spiegels durchgeführt wird. Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt ein Parabol­ spiegel zwischen dem Laseroszillator und der Konden­ sorlinse und ein Planspiegel mit veränderbarem Winkel in der Brennpunktposition des Parabolspiegels ange­ ordnet sind und die Verschiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Ände­ rung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird, ist es möglich, eine einfache Konstruktion, eine her­ abgesetzte Anzahl von Treibelementen und eine Ände­ rung des Auftreffwinkels mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen.
Gemäß dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, das die vorgenannte Einstellvorrichtung enthält und bei dem die Einstellung durch die Einstellvorrichtung realisiert wird durch Ausbildung der Lichtintensi­ tätsverteilung des auf die Kondensorlinse fallenden Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in einer Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurchmesser.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie erwähnt die Lichtintensitätsverteilung des auf die Kondensorlinse fallenden Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in einer Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurchmesser ausgebildet ist und der Auftreffwinkel auf die optische Faser durch Änderung dieser Durchmesser eingestellt wird, wird die axiale Symmetrie des sich ergebenden Bear­ beitungsstrahls verbessert.
Gemäß dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem vorgesehen, bei dem zwei Axicon-Linsen einander gegenüberliegend zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und die Ausbildung des Laserstrahls in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außen­ durchmesser wird durch Veränderung des Abstands zwi­ schen den beiden Axicon-Linsen durchgeführt.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt die Ausbildung des Laserstrahls in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurchmesser durch Änderung des Abstands zwischen zwei einander gegenüberliegend zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordneten Axicon-Linsen durchge­ führt wird, ist es möglich, den Energieverbrauch bei Verwendung einer Lichtabschirmplatte zu vermeiden.
Gemäß dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem enthaltend die vorgenannte Einstellvorrichtung vorgesehen, bei der ein elliptischer Spiegel zwischen der Kondensor­ linse und der Einlaß-Endfläche der optischen Faser, ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, in einer ersten Brennpunktposi­ tion des elliptischen Spiegels und die Einlaß-Endflä­ che der optischen Faser in einer zweiten Brennpunkt­ position des elliptischen Spiegels angeordnet sind, wobei die Einstellung durch die Einstellvorrichtung durch Änderung des Winkels des Planspiegels reali­ siert wird.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß acht­ zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorer­ wähnt ein elliptischer Spiegel zwischen der Konden­ sorlinse und der Einlaß-Endfläche der optischen Fa­ ser, ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, in einer ersten Brenn­ punktposition des elliptischen Spiegels und die Ein­ laß-Endfläche der optischen Faser in einer zweiten Brennpunktposition des elliptischen Spiegels angeord­ net sind und der Auftreffwinkel auf die optische Fa­ ser durch Änderung des Winkels des Planspiegels ein­ gestellt wird, ist es möglich, eine einfache Kon­ struktion, eine verringerte Anzahl von Treiberelemen­ ten und eine Änderung des Auftreffwinkels mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen.
Gemäß dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem enthaltend ein optisches Bestrahlungssystem vorgesehen, wobei das optische Bestrahlungssystem ein optisches Fokus­ siersystem aufweist, welches zwei Gruppen von zylin­ drischen Linsen mit Krümmungsradien umfaßt, deren Richtungen senkrecht zueinander stehen.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung das optische Bestrahlungssystem ein optisches Fokussier­ system enthält, welches zwei Gruppen von zylindri­ schen Linsen mit Krümmungsradien, deren Richtungen senkrecht zueinander stehen, aufweist, kann der auf einen zu bestrahlenden Gegenstand gestrahlte Licht­ strahl in eine längliche oder jede andere gewünschte Gestalt gebracht werden, indem die Brennweite jeder Linse geeignet ausgewählt wird.
Gemäß dem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ist ein optisches Übertragungssystem enthaltend ein optisches Bestrahlungssystem vorgesehen, wobei das optische Bestrahlungssystem ein optisches Fokus­ siersystem mit zwei Linsengruppen aufweist und wobei, wenn der Abstand von einer zweiten Hauptebene der ersten Linsengruppe zu einer ersten Hauptebene der zweiten Linsengruppe gleich d ist, die Brennweite der ersten Linsengruppe gleich f₁ ist, die Brennweite der zweiten Linsengruppe gleich f₂ ist, der Abstand von einer vorbestimmten Position von fortgepflanztem Licht zu einer gegenstandsseitigen Brennpunktposition der ersten Linsengruppe gleich z₁ ist und der Abstand von einer bildseitigen Brennpunktposition der zweiten Linsengruppe zum zu bestrahlenden Gegenstand z₂ ist, den folgenden Bedingungen genügt wird:
d = f₁ + f₂ + Δd
z₁ = f₁f₂z₂/(z₁Δd + f₁²).
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem zwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt das optische Fokussiersystem in dem opti­ schen Bestrahlungssystem zwei Linsengruppen aufweist und in der Weise ausgebildet ist, daß, wenn der Ab­ stand von einer zweiten Hauptebene der ersten Linsen­ gruppe zu einer ersten Hauptebene der zweiten Linsen­ gruppe gleich d ist, die Brennweiten der ersten und der zweiten Linsengruppe f₁ bzw. f₂ sind, der Abstand von einer vorbestimmten Position von fortgepflanzten Licht zu einer gegenstandsseitigen Brennpunktposi­ tion der ersten Linsengruppe gleich z₁ ist und der Abstand von einer bildseitigen Brennpunktposition der zweiten Linsengruppe zum zu bestrahlenden Gegenstand z₂ ist, so daß den folgenden Bedingungen genügt ist:
d = f₁ + f₂ + Δd
z₁ = f₁f₂z₂/(z₁Δd + f₁²),
ist es möglich, die Lichtintensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse einzustellen, wodurch der Lichtstrahl nahezu senkrecht auf den zu bestrah­ lenden Gegenstand gestrahlt wird, so daß die Konver­ genzfähigkeit der Strahlenergie verbessert und eine große Brenntiefe erhalten wird.
Gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem ent­ haltend das genannte optische Fokussiersystem vorge­ sehen, wobei das optische Fokussiersystem weiterhin den folgenden Bedingungen genügt:
-f₁²/(f₂ + Δds) < z₁ < f₁
f₁ < 0, f₂ < 0
Δd < 0.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt das optische Fokussiersystem weiterhin den folgenden Bedingungen genügt:
-f₁²/(f₂ + Δd) < z₁ < f₁
f₁ < 0, f₂ < 0
Δd < 0,
ist es möglich, die Brenntiefe größer zu machen.
Gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem ent­ haltend das genannte optische Fokussiersystem vorge­ sehen, bei dem die zweite Linsengruppe ein Satz aus einer Konkavlinse und einer Konvexlinse ist, wobei, wenn die Brennweite der Verbundlinse gleich f₂ ist, die Brennweite der Konkavlinse gleich fA ist, die Brennweite der Konvexlinse gleich fB ist, der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konkavlinse und einer ersten Hauptebene der Konvexlinse gleich d₃ ist, die Länge zwischen einer ersten Hauptebene der Konkavlinse und einer ersten Hauptebene der Verbund­ linse gleiche zA ist und der Abstand zwischen einer Hauptebene der Konvexlinse und einer zweiten Haupt­ ebene der Verbundlinse gleich zB ist, den folgenden Bedingungen genügt wird:
f₂ = fAfB/(fA + fB - d₃)
zB = -d₃f₂/fA (ZB, wenn positiver Wert, nach rechts)
zA = -d₃f₂/fB (ZA, wenn negativer Wert, nach rechts).
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt die zweite Linsengruppe aus einem Satz aus einer Konkavlinse und einer Konvexlinse zusammen­ gesetzt ist und, wenn die Brennweite der Verbundlinse gleich f₂ ist, die Brennweiten der Konkav- und Kon­ vexlinse gleich fA bzw. fB sind, der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konkavlinse und einer ersten Hauptebene der Konvexlinse gleich d₃ ist, der Abstand zwischen einer ersten Hauptebene der Konkav­ linse und einer ersten Hauptebene der Verbundlinse zA ist und der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konvexlinse und einer zweiten Hauptebene der Ver­ bundlinse gleich zB ist, den folgenden Bedingungen genügt wird:
f₂ = fAfB/(fA + fB - d₃)
zB = -d₃f₂/fA (ZB, wenn positiver Wert, nach rechts)
zA = -d₃f₂/fB (ZA, wenn negativer Wert, nach rechts),
kann die zweite Hauptebene der Verbundlinse auf der Gegenstandsseite positioniert werden und daher kann der Abstand zwischen den Linsen und dem zu bestrah­ lenden Gegenstand größer gemacht werden im Vergleich mit der Verwendung einer einzelnen Linse der Brenn­ weite f₂.
Gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein optisches Übertragungssystem in Kombination mit dem obigen optischen Bestrahlungssy­ stem vorgesehen, bei dem die vorbestimmte Position des fortgepflanzten Lichts der Auslaß-Endfläche der optischen Faser entspricht.
Da bei dem optischen Übertragungssystem gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt die Auslaß-Endfläche der optischen Faser als die vorbestimmte Position des fortgepflanz­ ten Lichts verwendet wird, ist es möglich, eine große Brenntiefe anzunehmen nicht nur bei dem optischen Übertragungssystem, bei dem die Lichtintensitätsver­ teilung in der Richtung senkrecht zur optischen Achse eingestellt ist, sondern auch bei der herkömmlichen Ausbildung eines optischen Übertragungssystems.
Gemäß dem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Lichtbestrahlung vor­ gesehen, welches die Lichtintensitätsverteilung von Bestrahlungslicht für jeden bestimmten Bereich eines zu bestrahlenden Gegenstands zur Zeit der Strahlung eines Laserstrahls auf den Gegenstand ändert, wobei jedes der obigen optischen Übertragungssysteme ver­ wendet wird.
Da gemäß dem Verfahren zur Lichtbestrahlung nach dem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt die Lichtintensitätsverteilung von Bestrahlungslicht für jeden bestimmten Bereich eines zu bestrahlenden Gegenstands zur Zeit der Strahlung eines Laserstrahls auf den Gegenstand unter Verwen­ dung irgendeines der obigen optischen Übertragungs­ systeme geändert wird, ist es möglich, gleichzeitig einen Schweiß-, Schneid-, Markiervorgang und so wei­ ter in einer einzigen Operation zu bewirken, und es ist auch möglich, den Fall, in welchem Dicken und die Materialqualität zwischen Flächen unterschiedlich sind, zu bewältigen.
Gemäß dem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Lichtbestrahlung vor­ gesehen, bei welchem ein Laseroszillator eines Im­ pulsoszillationstyps bei jedem der vorgenannten opti­ schen Übertragungssysteme verwendet wird, und die Lichtintensitätsverteilung wird in einem Impuls des Laserstrahls geändert zur Zeit der Strahlung des La­ serstrahls auf einen zu bestrahlenden Gegenstand, wobei diese Änderung in einem Impuls für jeden Impuls wiederholt wird.
Da bei dem Verfahren zur Lichtbestrahlung gemäß dem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wie vorerwähnt die Lichtintensitätsverteilung in ei­ nem Impuls des Laserstrahls von einem Laseroszillator vom Impulsoszillationstyp in jedem der vorgenannten optischen Übertragungssysteme zur Zeit der Strahlung des Laserstrahls auf einen zu bestrahlenden Gegen­ stand geändert wird und diese Änderung in einem Im­ puls für jeden Impuls wiederholt wird, kann die Ener­ giedichte für das Material veränderbar gemacht wer­ den, wodurch es möglich ist, Schweißen, Schneiden oder Stanzen in einem zufriedenstellenden Ausmaß in bezug auf die Qualität zu bewirken.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines herkömmlichen opti­ schen Übertragungssystems,
Fig. 2 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung,
Fig. 3 eine die Funktion einer im ersten Aus­ führungsbeispiel verwendeten ersten Linse erläuternde Darstellung,
Fig. 4(a) und 4(b) die Funktion eines optischen Übertragungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläu­ ternde Darstellungen,
Fig. 5(a) bis 5(c) die Funktion eines anderen opti­ schen Übertragungssystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläuternde Darstellungen,
Fig. 6 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung,
Fig. 7 eine die Steuerung des Auftreffwinkels im Ausführungsbeispiel 2 erläuternde Darstellung,
Fig. 8(a) bis 8(d) die Beziehung zwischen dem Auf­ treffwinkel des Laserstrahls und der Intensitätsverteilung des austretenden oder übertragenen Laserstrahls erläuternde Darstel­ lungen,
Fig. 9 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem dritten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung mit den wesentlichen Komponenten,
Fig. 10 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem vierten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung mit den wesentlichen Komponenten,
Fig. 11 eine die Beziehung zwischen dem Keil­ winkel und dem Drehwinkel eines Plan­ spiegels erläuternde Darstellung,
Fig. 12(a) und 12(b) den Aufbau eines optischen Über­ tragungssystems gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung mit den wesent­ lichen Komponenten,
Fig. 13(a) bis 13(c) den Aufbau eines optischen Über­ tragungssystems gemäß dem sech­ sten Ausführungsbeispiel der Er­ findung mit den wesentlichen Kom­ ponenten,
Fig. 14(a) bis 14(c) den Aufbau eines optischen Über­ tragungssystems gemäß dem sieben­ ten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung mit den we­ sentlichen Komponenten,
Fig. 15 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem achten Ausfüh­ rungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung mit den wesentlichen Kompo­ nenten,
Fig. 16 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem neunten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung mit den wesentlichen Komponenten,
Fig. 17 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem zehnten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung mit den wesentlichen Komponenten,
Fig. 18 den Aufbau eines optischen Übertra­ gungssystems gemäß dem elften Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung mit den wesentlichen Komponenten,
Fig. 19(a) und 19(b) den Aufbau eines optischen Über­ tragungssystems gemäß dem zwölf­ ten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung mit den we­ sentlichen Elementen,
Fig. 20 eine erläuternde Darstellung eines geformten, von einem Laseroszillator emittierten Laserstrahls,
Fig. 21 eine erläuternde Darstellung eines geformten, aus einer optischen Faser austretenden Laserstrahls,
Fig. 22 eine Darstellung zur Erläuterung eines Wechsels der Intensitätsverteilung eines aus der optischen Faser austre­ tenden Laserstrahls,
Fig. 23 eine erläuternde Darstellung eines herkömmlichen optischen Übertragungs­ systems,
Fig. 24 eine Darstellung zur Erläuterung eines optischen Fokussiersystems mit zwei Gruppen von Linsen gemäß dem dreizehn­ ten Ausführungsbeispiel der vorliegen­ den Erfindung,
Fig. 25 eine Darstellung zur Erläuterung eines anderen optischen Fokussiersystems mit zwei Gruppen von Linsen nach dem drei­ zehnten Ausführungsbeispiel,
Fig. 26 eine Darstellung zur Erläuterung noch eines anderen optischen Fokussiersy­ stems mit zwei Gruppen von Linsen nach dem dreizehnten Ausführungsbeispiel,
Fig. 27 eine Darstellung zur Erläuterung eines weiteren optischen Fokussiersystems mit zwei Gruppen von Linsen nach dem dreizehnten Ausführungsbeispiel,
Fig. 28 ein Diagramm zur Erläuterung eines optischen Fokussiersystems mit einer Gruppe von Linsen nach dem dreizehnten Ausführungsbeispiel,
Fig. 29 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zur Lichtbestrahlung gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 30 ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Lichtbestrahlung gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiel 1
Das erste Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Hierin ist ein Laseroszillator 1 gezeigt. Ein von dem Laseroszillator 1 emittierter Laserstrahl 11 wird in eine optische Faser 3 eingeführt (Laserstrahl 12) mittels einer Kondensorlinse 2 und tritt (Laserstrahl 13) aus dem entgegengesetzten Ende der optischen Fa­ ser 3 aus. Der austretende Laserstrahl 13 wird nahe einer Maske 7 mittels einer ersten Linse 6 mit einer sphärischen Aberration fokussiert (Laserstrahl 14). Ein Teil der sich ergebenden Lichtintensitätsvertei­ lung wird durch die Maske 7 entfernt und die Licht­ intensitätsverteilung wird hiernach mittels einer zweiten Linse 4 mit hoher Auflösung zu einem zu be­ strahlenden Gegenstand übertragen. Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Laserstrahl nach der teilweisen Entfernung in der Maske 7 und das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Abbildungsstrahl für den Gegenstand 5.
Dieses Ausführungsbeispiel wird nachfolgend im ein­ zelnen beschrieben gemäß einem optischen Pfad des optischen Systems.
Gemäß Fig. 2 wird bezüglich der optischen Faser 3 der Radius der Kreisdrehung einer Zwischenbiegung einge­ stellt. Da dieser Radius der Kreisdrehung verändert wird, wird der Zustand der Reflexion im Inneren der optischen Faser kompliziert, wodurch eine zufällige Überlagerung auftreten kann, so daß die Kohärenz des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls geändert werden kann. In dem Fall, in dem der Laser­ strahl durch mehrere reflektierende Spiegel oder der­ gleichen ohne Verwendung der optischen Faser 3 fort­ gepflanzt wird, tritt der von dem Laseroszillator 1 emittierte und eine hohe Kohärenz aufweisende Laser­ strahl in die Linse 6 ein, so wie er ist. Da die er­ ste Linse 6 eine Aberration hat, ändert sich das auf die erste Linse 6 auftreffende Fokussiermuster des Laserstrahls 13 mit Bezug auf die Richtung der op­ tischen Achse in der Nähe der Fokussierposition, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Genauer gesagt, es erfolgt eine Änderung von der Form A mit einer scharfen Spit­ ze in eine ringartige Form B und eine zylinderhutar­ tige Form C.
Es folgt nun mit Bezug auf die Fig. 4(a) und 4(b) die Beschreibung des Falles, in welchem die Lichtintensi­ tätsverteilung, die in Abhängigkeit von der Defokus­ sierung der ersten Linse 6 unterschiedlich ist, zum zu bestrahlenden Gegenstand 5 übertragen wird. In Fig. 4(a) nimmt der auf die Linse 6 auftreffende La­ serstrahl 13 gemäß einer Defokussierungsposition ent­ weder die Spitzenform A, die Ringform B oder die Zy­ linderhutform C an. Wenn zum Beispiel eine gewünschte Verteilung auf den Gegenstand gestrahlt werden soll, die Form eines Zylinderhutes hat, wird eine Kreismaske 7 wie in Fig. 4(b) gezeigt an der Defokus­ sierungsposition entsprechend der Zylinderhutform C angeordnet, damit der Fuß der Strahlverteilung ge­ schnitten und die Verteilung in eine gewünschte Form gebracht wird. Als nächstes wird die so durch die Maske 7 geformte Strahlverteilung durch die zweite Linse 4 mit einem reduzierten Maßstab zum Gegenstand übertragen, um eine sehr kleine zylinderhutförmige Verteilung zu erhalten. In gleicher Weise kann durch Änderung der Position der ersten Linse 6 oder der Position der zweiten Linse 4 und der Maske 7 und durch Änderung der Defokussierung der ersten Linse 6 die von der zweiten Linse 4 erhaltene Endverteilung in eine Ringform oder eine Spitzenform gebracht wer­ den.
In den Fig. 4(a) und 4(b) ist es nicht immer erfor­ derlich, die Maske 7 zu verwenden. Ein Laserstrahl mit einer gewünschten Form eines Fokussiermusters kann durch Einstellen des Abstandes zwischen der er­ sten und der zweiten Linse 6, 4 erhalten werden.
In jeder der Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) wird die Maske 7 zum Formen des Fußbereichs der Strahlverteilung wie im vorhergehenden Fall an der Position angeordnet, an der die von der ersten Linse 6 erhaltene Lichtinten­ sitätsverteilung die Gestalt eines Zylinderhuts an­ nimmt, und der aus der Maske 7 austretende Licht­ strahl wird mittels der zweiten Linse zum Gegenstand übertragen. Als Maskenform kann eine feine Kreisform oder Ringform angenommen werden, wie in den Fig. 5(b) und 5(c) gezeigt ist. Obgleich der Energiever­ lust größer ist als in Fig. 4, kann in diesem Fall ein feiner Punktstrahl oder eine ringförmige Intensi­ tätsverteilung leicht erhalten werden, indem einfach die Maske 7 ausgetauscht wird, ohne daß der Abstand zwischen den Linsen eingestellt wird.
Obgleich in dem obigen Ausführungsbeispiel eine Linse mit sphärischer Aberration als erste Linse 6 verwen­ det wird, kann auch eine Linse mit einer Koma-Aberra­ tion oder einem Astigmatismus zur Realisierung ver­ schiedener Formen von Fokussiermustern verwendet wer­ den.
Ausführungsbeispiel 2
Es wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
In einem herkömmlichen optischen, eine optische Faser als ein optisches Fortpflanzungssystem verwendenden Übertragungssystem trifft ein Lichtstrahl parallel mit der optischen Achse der optischen Faser auf, wäh­ rend in diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Win­ kel zur optischen Achse einer optischen Faser einge­ führt wird, um die Gestalt der Lichtintensitätsver­ teilung des aus der optischen Faser austretenden Lichtstrahls in eine von verschiedenen Formen zu steuern und zu verändern, einschließlich der Zylin­ derhutform und der Ringform.
Fig. 6 zeigt den Aufbau eines optischen Übertragungs­ systems nach diesem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierin sind ein Laseroszillator 1, eine Kondensorlin­ se 2, eine optische Faser 3, ein Auftreffwinkel-Steu­ ermechanismus 9 mit einem Einlaß 32 der optischen Faser 3 und einer XYθ-Stufe 8 und ein Auslaß 33 der optischen Faser gezeigt.
Dieses Ausführungsbeispiel wird nachfolgend im ein­ zelnen beschrieben gemäß einem optischen Pfad des darin verwendeten optischen Systems.
Gemäß Fig. 6 geht ein von dem Laseroszillator 1 emit­ tierter Laserstrahl 11 durch die Kondensorlinse 2 hindurch und wird hierdurch (Laserstrahl 12) zum Ein­ laß 32 der optischen Faser 3 hin gebündelt. Der Ein­ laß 32 der optischen Faser befindet sich in einer Brennpunktposition der Kondensorlinse 2. Weiterhin ist der Einlaß 32 mit der XYθ-Stufe 8 verbunden, die zusammen den Auftreffwinkel-Steuermechanismus 9 bil­ den. Durch den Mechanismus 9 erfolgt eine Steuerung derart, daß nur der Winkel zwischen der Endfläche der optischen Faser und der optischen Achse geändert wird ohne Abweichung der mittleren Position des Einlasses 32 von einem Sammelpunkt 18 des Laserstrahls 12. Fig. 7 zeigt einen Bewegungsort der XYθ-Stufe 8. Hierin bewegt sich ein Verbindungspunkt 81 der XYθ-Stufe 8 mit dem Einlaß 32 der optischen Faser, während er einen Ort beschreibt, der durch die folgenden Glei­ chungen mit Bezug auf den Sammelpunkt 18 als dem Ur­ sprung des durch die Kondensorlinse 2 gebündelten Laserstrahls dargestellt wird:
X (θ) = R × cos θ
Y (θ) = R × sin θ,
worin R den Abstand zwischen der Mitte 18 des Einlaß­ endes und der Mitte 81 der Verbindung zwischen der XYθ-Stufe 8 und der optischen Faser 3 sowie θ einen Winkel zwischen der optischen Achse und der mittleren Achse der optischen Faser darstellen.
Wenn die optische Faser 3 einen Auftreffwinkel hat, ändert sich somit die Intensitätsverteilung des La­ serstrahls in eine Position 20 (nachfolgend als die "Modusumwandlungsebene" bezeichnet), die in einem bestimmten Abstand oder weiter von der Auslaß-Endflä­ che der optischen Faser angeordnet ist. Die Ergebnis­ se eines mit einem Helium-Neon-Laser durchgeführten Experiments werden nachfolgend gezeigt.
Fig. 8(a) zeigt den Aufbau einer Laborvorrichtung. Hierin sind ein Helium-Neon-Laser 50, eine plankon­ vexe Linse 60 mit 40 mm Brennweite, eine XYθ-Stufe 8, eine optische Faser 70 vom Kern-Mantel-Typ mit einem 40 µm-Kern, 5 m Länge, N.A. (neutrale Achse) = 0,2, und eine CCD-Kamera 90 gezeigt.
Der Laserstrahl 51 vom Helium-Neon-Laser 50 wurde in einem gebündelten Zustand (Auftreffstrahl 52) in eine Einlaß-Endfläche 72 der optischen Faser 70 mittels der plankonvexen Linse 60 mit einer Brennweite von 40 mm eingeführt, und die Intensitätsverteilung eines austretenden oder übertragenen Strahls 53 wurde ge­ messen unter Verwendung der CCD-Kamera 90 in einer Position mit einem Abstand von etwa 20 mm von einer Auslaß-Endfläche 73. Die erhaltenen Ergebnisse sind wie in den Fig. 8(b), 8(c) und 8(d) gezeigt. Es ist ersichtlich, daß, wenn der Auftreffwinkel in kleinen Schritten von 0°, wie in Fig. 8(b) gezeigt ist, in kleinen Schritten größer gemacht wird bis zum in Fig. 8(d) gezeigten Winkel, die Intensitätsverteilung des Laserstrahls sich von einer im wesentlichen Gaußschen Form in eine im wesentlichen rechteckige Form und weiter in eine im wesentlichen Ringform ändert. Somit kann die Intensitätsverteilung des austretenden La­ serstrahls durch Änderung des Auftreffwinkels auf die optische Faser geändert werden.
Gemäß Fig. 6 geht der aus der optischen Faser 3 aus­ tretende Laserstrahl 13 durch die erste Linse 6 hin­ durch, wodurch das Bild mit der Lichtintensitätsver­ teilung in der Modusumwandlungsebene 20 nahe der Mas­ ke 7 gebildet wird. Ein Teil der gebildeten Lichtin­ tensitätsverteilung wird durch die Maske 7 entfernt und danach wird die Lichtintensitätsverteilung zu einem durch eine zweite Linse 4 mit hoher Auflösung zu bestrahlenden Gegenstand 5 übertragen, um eine Bearbeitung oder Behandlung wie Schweißen, Schneiden oder Oberflächenveränderung zu bewirken.
Obgleich in diesem Ausführungsbeispiel das Bild mit der Lichtintensitätsverteilung in der Modusumwand­ lungsebene 20 durch die erste Linse 6 einmal nahe der Maske 7 gebildet ist, ein Teil der gebildeten Licht­ intensitätsverteilung durch die Maske 7 entfernt wird und die Lichtintensitätsverteilung danach durch die zweite Linse 4 mit hoher Auflösung zum Gegenstand 5 übertragen wird, kann als optisches Bestrahlungssy­ stem zum Strahlen des fortgepflanzten Lichtstrahls auf den Gegenstand 5 ein optisches System verwendet werden, das eine einzige Linse zum Übertragen des Bildes der Lichtintensitätsverteilung in der Modus­ umwandlungsebene 20 zum Gegenstand 5 benutzt.
Ausführungsbeispiel 3
Es wird nachfolgend noch ein anderes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Auftreffwin­ kel-Steuermechanismus mit der in Fig. 9 gezeigten Ausbildung verwendet. Hierin ist die Kondensorlinse 2 durch einen Rahmen 100 befestigt, um auf die Einlaß- Endfläche der optischen Faser 3 zu fokussieren, wäh­ rend ihre optische Achse in Ausrichtung mit der des Einlasses 32 der optischen Faser ist. Der Rahmen 100 ist an einem Tisch 101 befestigt, der ihn in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegen kann. Wenn der Rahmen 100 in einer Ebene senkrecht zur op­ tischen Achse mit Hilfe des Tisches 101 bewegt wird, während die optische Achse des Laserstrahls in Aus­ richtung mit der des optischen Systems gehalten wird, ist es bei dem optischen System dieser Ausbildung möglich, nur den Auftreffwinkel zu ändern, während der Sammelpunkt des Laserstrahls in der Mitte des Einlasses 32 der optischen Faser aufrechterhalten wird. Die anderen Teile sind dieselben wie beim vor­ hergehenden Ausführungsbeispiel 2, so daß auf deren Erläuterung hier verzichtet wird. Durch Verwendung der obigen Ausbildung ist es möglich, die Änderung des Auftreffwinkels leichter zu steuern als beim zweiten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsbeispiel 4
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beglei­ tenden Zeichnungen beschrieben. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird ein Auftreffwinkel-Steuermechanis­ mus der in Fig. 10 gezeigten Ausbildung verwendet.
Hierin sind ein Planspiegel 110 und Keilsubstrate 111 und 112 gezeigt. Der Winkel des Planspiegels 110 wird gemäß der folgenden Gleichung in einer solchen Weise eingestellt, daß der Laserstrahl nach dem Passieren des Keilsubstrats 111 parallel zur optischen Achse wird. Unter Bezug auf Fig. 11 genauer ausgedrückt, wird, wenn der Keilwinkel des Keilsubstrats 112 gleich θW, der Brechungsindex des den Keil bildenden Materials gleich nW und der Auftreffwinkel des Laser­ strahls gleich θL sind, der Winkel des Planspiegels 110 wie folgt dargestellt:
rL = (π/2 + sin-1 (nW × sin θW) - θW)/2,
wobei die Einheit des Winkels der Radiant ist. In Fig. 11 bezeichnen die Bezugszahl 113 einen Pfad des Laserstrahls und die Bezugszahl 110a die mittlere Drehachse des Planspiegels 110.
Beispielsweise wird der Auftreffwinkel geändert durch Ersetzen des Keilsubstrats durch ein Keilsubstrat 112 mit einem unterschiedlichen Keilwinkel, und zur sel­ ben Zeit durch Einstellung des Winkels des Planspie­ gels auf einen durch die obige Gleichung erhaltenen Winkel.
Die anderen Teile sind dieselben wie im zweiten Aus­ führungsbeispiel, so daß auf deren Erläuterung hier verzichtet wird. Durch Verwendung der obigen Kon­ struktion ist es möglich, eine einfachere Ausbildung als bei den Ausführungsbeispielen 2 und 3 zu erhalten und einen höheren Geschwindigkeitsantrieb als die Bewegung des Einlasses der optischen Faser zu erzie­ len.
Ausführungsbeispiel 5
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beglei­ tenden Zeichnungen beschrieben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Auftreffwin­ kel-Steuermechanismus der in den Fig. 12(a) und 12(b) gezeigten Ausbildung verwendet. In Fig. 12(a) ist ein besonderer Keil 120 mit beispielsweise zwei Keilwinkeln (siehe Fig. 12(b)) dargestellt. Der Win­ kel eines Planspiegels 110 wird gemäß den folgenden Gleichungen in einer solchen Weise eingestellt, daß der den besonderen Keil 120 passierende Laserstrahl parallel zur optischen Achse wird. Genauer gesagt, wenn wie im vorhergehenden Beispiel 4 das besondere Keilsubstrat 120 Keilwinkel gleich θW1 und θW2 hat, der Brechungsindex des den Keil bildenden Materials gleich nW und die Laserauftreffwinkel gleich θL1 und θL2 sind, dann wird der Planspiegel 110 auf einen Win­ kel mit der Einheit Radiant eingestellt, der durch die folgenden Gleichungen dargestellt ist:
θL1 = (π/2 + sin-1 (nW × sin θW1) - θW1)/2
θL2 = (π/2 + sin-1 (nW × sin θW2) - θW2/2.
Die Keilwinkel des besonderen Keilsubstrats sind nicht auf zwei wie im obigen Beispiel beschränkt. Es kann eine Struktur verwendet werden, die drei oder mehr Keilwinkel hat. Mit der Bezugszahl 110a in Fig. 11 wird eine mittlere Drehachse des Planspiegels 110 bezeichnet.
Der Auftreffwinkel wird geändert, indem der Winkel des Planspiegels entsprechend jedem Keilwinkel des besonderen Keilsubstrats entsprechend einem durch die obigen Gleichungen erhaltenen Winkel eingestellt wird.
Die anderen Teile sind dieselben wie im zweiten Aus­ führungsbeispiel, so daß auf deren Erläuterung hier verzichtet wird. Durch Verwendung der obigen Kon­ struktion ist es möglich, die Lichtintensitätsvertei­ lung mit einer größeren Geschwindigkeit als beim vierten Ausführungsbeispiel zu ändern.
Ausführungsbeispiel 6
Nachfolgend wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beglei­ tenden Zeichnungen beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Auftreffwin­ kel-Steuermechanismus der in den Fig. 13(a) bis 13(c) gezeigten Ausbildung verwendet. In Fig. 13(a) sind ein besonderes Substrat 130 aus Keilsubstraten mit unterschiedlichen Keilwinkeln, die fortlaufend in Umfangsrichtung angeordnet sind, und ein Motor 131 dargestellt. Fig. 13(b) ist eine Draufsicht auf das besondere Substrat 130 und Fig. 13(c) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 13(b). Der Winkel des einzustellenden Planspiegels 110 wird gemäß derselben Gleichung wie im Ausführungsbeispiel 4 gesteuert, so daß der Laserstrahl nach dem Hin­ durchgehen durch das besondere Keilsubstrat 130 par­ allel zur optischen Achse wird. Die Bezugszahl 110a bezeichnet eine mittlere Drehachse. Der Auftreffwin­ kel wird durch miteinander synchrone Drehung des Planspiegels und des besonderen Substrats verändert.
Auf die Erläuterung der anderen Teile wird hier ver­ zichtet, da sie dieselben wie beim zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel sind. Durch Verwendung der obigen Aus­ bildung ist es möglich, eine größere Anzahl von Win­ keln zu verwenden und damit eine glattere und schnel­ lere Änderung der Lichtintensitätsverteilung zu be­ wirken.
Ausführungsbeispiel 7
Nachfolgend wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Auftreffwinkel-Steuerme­ chanismus der in den Fig. 14(a) bis 14(c) gezeigten Ausbildung verwendet.
In Fig. 14(a) ist ein besonderes Keilsubstrat 140 dargestellt, bei dem der Keilwinkel in radialer Rich­ tung konstant ist und sich in Umfangsrichtung fort­ laufend ändert. Fig. 14(b) ist eine Draufsicht auf das besondere Keilsubstrat 140 und Fig. 14(c) ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 14(b). Der Winkel eines einzustellenden Planspiegels 110 wird gemäß derselben Gleichung wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel 4 in der Weise gesteuert, daß der La­ serstrahl nach dem Hindurchgehen durch das besondere Keilsubstrat 140 parallel zur optischen Achse wird. Die Bezugszahl 110a in Fig. 14(a) bezeichnet eine mittlere Drehachse des Planspiegels 110. Der Auf­ treffwinkel wird durch zueinander synchrone Drehung des Planspiegels und des besonderen Keilsubstrats verändert.
Auf eine Erläuterung der anderen Teile wird hier ver­ zichtet, da sie dieselben wie beim Ausführungsbei­ spiel 2 sind. Durch Verwendung der obigen Ausbildung ist es möglich, die durch die Keilgrenzen im Ausfüh­ rungsbeispiel 6 bewirkte Störung der Lichtintensi­ tätsverteilung zu vermeiden.
Ausführungsbeispiel 8
Es wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel wird ein Auftreffwinkel-Steuermechanismus der in Fig. 15 gezeigten Ausbildung verwendet.
Fig. 15 zeigt einen Parabolspiegel 150 mit einer obe­ ren Öffnung und einen Planspiegel 110. Die mittlere Drehachse 110a des Planspiegels 110 befindet sich an einem Brennpunkt des Parabolspiegels 150. Der Auf­ treffwinkel wird durch Änderung des Winkels des Plan­ spiegels 110 verändert.
Auf eine Erläuterung der anderen Teile wird hier ver­ zichtet, da sie dieselben wie beim Ausführungsbei­ spiel 2 sind. Durch Verwendung der obigen Ausbildung ist es möglich, eine einfachere Konstruktion, eine verringerte Anzahl von Antriebselementen und eine Änderung des Auftreffwinkels mit höherer Geschwindig­ keit im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungs­ beispielen zu erzielen.
Ausführungsbeispiel 9
Es folgt die Beschreibung noch eines anderen Ausfüh­ rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel wird ein Auftreffwinkel-Steuermechanis­ mus der in Fig. 16 gezeigten Ausbildung verwendet.
Fig. 16 zeigt ein optisches Zoomsystem zur Ausdehnung des Laserstrahls, welches beispielsweise aus zwei Linsen gebildet ist, und eine Lichtabschirmplatte 170. Der Durchmesser des Laserstrahls wird durch das optische Zoomsystem 160 erweitert. Der aus dem opti­ schen Zoomsystem 160 austretende Laserstrahl wird durch die Lichtabschirmplatte 170 in seinem mittleren Bereich kreisförmig abgeschirmt, wodurch er eine Ringform erhält. Der so geformte Laserstrahl wird dann durch die Kondensorlinse 2 zur Mitte der Einlaß- Endfläche der optischen Faser gebündelt.
Der Auftreffwinkel wird geändert, indem die Lichtab­ schirmplatte 170 durch eine andere mit unterschiedli­ chem Innen- und Außendurchmesser ersetzt wird. Die Ausbildung des optischen Zoomsystems ist nicht auf das dargestellte beschränkt. Es kann jedes andere optische Zoomsystem verwendet werden, wenn es nur die Funktion der Erweiterung des Strahldurchmessers hat. Es kann auch auf das optische Zoomsystem verzichtet werden, wenn der Strahldurchmesser ausreichend groß ist.
Auf die Erläuterung der anderen Teile wird hier ver­ zichtet, da sie dieselben wie beim Ausführungsbei­ spiel 2 sind. Durch Verwendung der obigen Ausbildung wird die axiale Symmetrie des erhaltenen Bearbei­ tungsstrahls verbessert.
Ausführungsbeispiel 10
Es wird nun noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Bei diesem Ausführungsbei­ spiel wird ein Auftreffwinkel-Steuermechanismus der in Fig. 17 dargestellten Ausbildung verwendet.
Gemäß Fig. 17 bewirkt ein optisches Zoomsystem 160 die Erweiterung des Laserstrahls, welches beispiels­ weise aus zwei Linsen zusammengesetzt ist. Weiterhin sind zwei Axicon-Linsen 180 und 181 sowie ein in Richtung der optischen Achse bewegbarer Tisch 182 gezeigt.
Der Durchmesser des Laserstrahls wird durch das opti­ sche Zoomsystem 160 erweitert. Der aus dem optischen Zoomsystem austretende Laserstrahl geht durch die beiden Axicon-Linsen 180 und 181 hindurch, die ein­ ander gegenüber angeordnet sind und von denen die eine auf dem in Richtung der optischen Achse beweg­ baren Tisch 182 angeordnet ist. Die Gestalt des durch die Axicon-Linsen hindurchgehenden Laserstrahls wird in eine Ringform umgewandelt. Der Durchmesser des so ringförmig gewordenen Laserstrahls wird dann verän­ dert, indem eine Axicon-Linse in Richtung der opti­ schen Achse bewegt wird, um hierdurch dessen Auf­ treffwinkel auf die optische Faser zu steuern. Die Ausbildung des optischen Zoomsystems ist nicht auf die dargestellte begrenzt. Jedes andere optische Zoomsystem kann verwendet werden, wenn es nur die Funktion der Erweiterung des Strahldurchmessers hat.
Auf eine Erläuterung der anderen Teile wird hier ver­ zichtet, da sie dieselben wie beim Ausführungsbei­ spiel 2 sind. Durch Verwendung der obigen Ausbildung ist es möglich, den Energieverlust im Vergleich zum Ausführungsbeispiel 9, bei dem eine Lichtabschirm­ platte verwendet wird, zu vermeiden.
Ausführungsbeispiel 11
Es wird nachfolgend noch ein anderes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel wird ein Auftreffwinkel-Steuermecha­ nismus der in Fig. 18 dargestellten Ausbildung ver­ wendet.
In Fig. 18 sind ein elliptischer Spiegel 190 mit ei­ ner oberen Öffnung und ein Planspiegel 110 gezeigt. Die mittlere Drehachse 110a des Planspiegels 110 be­ findet sich an einem ersten Brennpunkt des ellipti­ schen Spiegels 190, während die Einlaß-Endfläche 32 der optischen Faser sich an einem zweiten Brennpunkt des elliptischen Spiegels befindet. Da der Laser­ strahl vom ersten Brennpunkt des elliptischen Spie­ gels die Eigenschaft hat, sich zum zweiten Brennpunkt hin zu bündeln, kann der Auftreffwinkel durch Ände­ rung des Winkels des Planspiegels gesteuert werden.
Die anderen Teile sind dieselben wie beim Ausfüh­ rungsbeispiel 2, so daß auf ihre Erläuterung hier verzichtet wird. Durch Verwendung der obigen Ausbil­ dung ist es wie beim Ausführungsbeispiel 8 möglich, eine einfache Konstruktion, eine verringerte Anzahl von Antriebselementen und eine Änderung des Auftreff­ winkels mit hoher Geschwindigkeit zu erreichen.
Ausführungsbeispiel 12
Es wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung nachfolgend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die sphärische Linse im optischen Bestrahlungssystem durch zwei der­ artige zylindrische Linsen ersetzt, wie in den Fig. 19(a) und 19(b) gezeigt ist, wodurch eine elliptische Form des Strahls realisiert werden kann.
Gemäß Fig. 19(a) tritt ein Laserstrahl 15 aus einer Maske 7 aus, hat eine zylindrische Linse 41 eine Brechkraft in X-Richtung in der Figur und hat eine zylindrische Linse 42 eine Brechkraft in Y-Richtung in dieser Figur. Die Brennweiten f₁ und f₂ der beiden Linsen haben einander unterschiedliche Werte. Beide Linsen 41 und 42 fokussieren in der Position A′. Die Vergrößerungen sind unterschiedlich zwischen der X- und der Y-Richtung, die durch M₁ bzw. M₂ wiedergegeben sind. Für gewünschte Vergrößerungen M₁ und M₂ können solche Linsen verwendet werden, deren Brennweiten durch die folgenden Gleichungen gegeben sind:
f₁ = L·M₁/(1 + 1/M₁)²
f₂ = L·M₂/(1 + 1/M₂)²,
worin L der Abstand zwischen der Maske 7 und einem zu bestrahlenden Gegenstand 5 sowie M₁ und M₂ die Ver­ stärkungen in X- bzw. Y-Richtung sind. Daher kann die Gestalt des auf den Gegenstand 5 zu strahlenden Strahls in eine elliptische Form durch Auswahl geeig­ neter Werte von f₁ und f₂ gebracht werden.
Fig. 19(b) zeigt ein Beispiel, bei dem M₁ ≈ M₂ ist. Wie hierin dargestellt ist, ist im Fall von M₁ ≈ M₂ die Verteilung auf der Maskenfläche im wesentlichen in der Fokussierposition A′ wiedergegeben, und es ist auch möglich, eine quadratische Intensitätsverteilung an der Position des Defokussierungspunktes C zu er­ halten.
Obgleich gemäß der in den Fig. 19(a) und 19(b) illu­ strierten Ausbildung die Gestalt des Strahls in der Maskenposition im Ausführungsbeispiel 1 beispielswei­ se übertragen wird wie sie ist oder nach der Ände­ rung, kann die Maske weggelassen werden. Weiterhin kann auch in einem derartigen herkömmlichen System wie gemäß Fig. 1 der aus der optischen Faser austre­ tende Laserstrahl durch zwei zylindrische Linsen wie in der obigen Ausbildung fokussiert werden, um die Lichtintensitätsverteilung in der Richtung senkrecht zur optischen Achse einzustellen.
Ausführungsbeispiel 13
Es wird nachfolgend noch ein anderes Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf das in den vor­ hergehenden Ausführungsbeispielen verwendete optische Fokussiersystem 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Lichtintensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse eingestellt, und insbesondere wird die Brenntiefe unter Berücksichtigung der Bearbeitung verbessert.
Fig. 20 zeigt einen geformten Zustand des Laser­ strahls 11. In dieser Figur hat der Laserstrahl 11, welcher ein Strahl vom gewöhnlichen Typ ist, eine sehr große Kohärenz, und selbst wenn der vom Laseros­ zillator 1 emittierte Strahl 11 endlich ist, kann es so angesehen werden, daß der Strahl von einer Punkt­ quelle 1a emittiert ist, die sich in der Krümmungs­ mitte der Wellenoberfläche auf der Laser-Austritts­ seite befindet. Auf der anderen Seite muß der Laser­ strahl von der Auslaß-Endfläche der optischen Faser oder vom Fokussierungspunkt hiervon als eine Gruppe von Punktquellen angesehen werden, nämlich als Licht­ strahl von einer Lichtquellen-Oberfläche 200. Diese Bedingung kann in Form von Lichtstrahlen wie in Fig. 21 ausgedrückt werden.
In diesem Fall ist die Lichtintensitätsverteilung wie in Fig. 22 dargestellt. Das heißt, die Lichtintensi­ tätsverteilung ändert sich von einer Rechteckform an einer Endfläche der optischen Faser in eine Chevron- Form mit einem leicht steigenden Fußbereich, wenn der Lichtstrahl sich fortpflanzt.
Ein derartiges herkömmliches optisches System, wel­ ches den Lichtstrahl auf den zu bestrahlenden Gegen­ stand 5 fokussiert, ist in Fig. 23 gezeigt. Dieses optische System verwendet eine einzelne Linse 4 oder einen Satz von Linsen mit derselben Funktion. Wenn die Brennweite der Linse 4 oder der kombinierten Lin­ sen gleich f, der Abstand von einem Ende 200 der op­ tischen Faser zu einer ersten Hauptebene der Linse 4 oder der kombinierten Linsen gleich a und der Abstand zu einer zweiten Hauptebene hiervon gleich b sind, wird der folgenden Beziehung genügt:
1/f = 1/a + 1/b.
In diesem Fall ist der Zustand der Lichtstrahlen wie in Fig. 23 gezeigt. Das heißt, der Strahl expandiert, wenn er sich von einer Fokussierposition A′ von A am Faserende 200 entfernt, wodurch das Problem auftritt, daß die Brenntiefe klein ist.
Auf der anderen Seite wird in diesem Ausführungsbei­ spiel 13, wie in Fig. 24 gezeigt ist, ein zwei Grup­ pen von Linsen aufweisendes optisches System 4 ver­ wendet zum Strahlen des Laserstrahls 13 von der opti­ schen Faser auf den zu bestrahlenden Gegenstand 5. In Fig. 24 sind eine erste Linsengruppe 401, eine zweite Linsengruppe 402 und der Laserstrahl 415 dargestellt. Die erste und die zweite Linsengruppe 401, 402 sind so angeordnet, daß eine bildseitige Brennpunktposi­ tion f₁′ der ersten Linsengruppe und eine gegen­ standsseitige Brennpunktposition f₂ der zweiten Lin­ sengruppe miteinander zusammenfallen. Genauer gesagt, bei Verwendung der Brennweiten f₁ und f₂ der ersten bzw. zweiten Linsengruppe wird der Abstand d₁ zwi­ schen einer zweiten Hauptebene der ersten Linsengrup­ pe 401 und einer ersten Hauptebene der zweiten Lin­ sengruppe 402 auf d₁ = f₁ + f₂ eingestellt. Weiterhin sind beide Linsengruppen so angeordnet, daß der fol­ genden Beziehung genügt wird:
z₂ = M²z₁, M = f₂/f₁,
worin z₁ den Abstand zwischen einer gegenstandsseiti­ gen Brennpunktposition f₁ der ersten Linsengruppe 401 und dem Faserende A und z₂ den Abstand zwischen einer bildseitigen Brennpunktposition f₂′ der zweiten Lin­ sengruppe und der Position A′ des zu bestrahlenden Gegenstands darstellen.
In diesem Fall ist der Zustand der Lichtstrahlen wie in Fig. 24 dargestellt. Wenn in die Richtung, die sich von der Fokussierposition A′ des Faserendes A weg erstreckt, gesehen wird, ist ersichtlich, daß der Lichtstrahl 16 nahezu senkrecht zum Gegenstand 5 ge­ strahlt wird und daß daher die Konvergenzfähigkeit der Strahlenergie hoch ist und eine große Brenntiefe erhalten wird im Vergleich mit dem vorhergehenden, eine Linsengruppe aufweisenden Fokussiersystem.
Es ist die in Fig. 25 gezeigte Ausbildung, die eine weitere Verbesserung gegenüber der obigen Ausbildung mit sich bringt. Gemäß Fig. 25 wird der Abstand von der zweiten Hauptebene der ersten Linsengruppe 401 zur ersten Hauptebene der zweiten Linsengruppe 402 wie folgt eingestellt:
d₂ = f₁ + f₂ + Δd, (Δd < 0).
In diesem Fall wird eine Fokussierbeziehung wie folgt ausgedrückt:
z₂ = M (f₂/f₁)z₁,
M = f₁f₂/(z₁Δd + f₁²).
Diese Gleichungen können wie folgt geschrieben wer­ den:
z₁ = f₁f₂z₂/(z₁Δd + f₁²).
Durch Änderung von Δd ist es möglich, die Fortpflan­ zungsbedingung des Strahls in seiner Position A′ auf dem Gegenstand und den folgenden Positionen zu än­ dern. Im Vergleich mit dem einfachen Fall von Δd = 0 kann die Brenntiefe noch größer gemacht werden. Ins­ besondere wird die obige Wirkung vergrößert, wenn den folgenden Bedingungen genügt wird:
f₁ < 0, f₂ < 0, Δd < 0 und
-f₁²/(f₂ + Δd) < z₁ < f₁.
Das optische System, das die Brenntiefe vergrößert, wurde vorstehend beschrieben, doch wird bei der tat­ sächlichen Bearbeitung Staub von dem Gegenstand 5 erzeugt, so daß, wenn sich die Linse 4 in der Nähe des Gegenstands 5 befindet, der Staub sich auf der Linsenoberfläche absetzt und beispielsweise solche Probleme wie die Verschlechterung der Durchlässigkeit von Licht auftreten. Es ist daher wünschenswert, daß der Abstand (Arbeitsabstand) zwischen dem Gegenstand 5 und der Linse 4 groß ist. So ist es in diesem Aus­ führungsbeispiel notwendig, als eine einzelne Linsen­ gruppe einen Satz von Linsen mit einem großen Ar­ beitsabstand zu verwenden, wie nachfolgend beschrie­ ben wird.
In der Ausbildung von Konkavlinse 403/Konvexlinse 404 gemäß Fig. 2 zeigt die Kombination von zwei Linsen dieselbe Funktion wie eine einzelne Linse 402. In diesem Fall ist es durch geeignete Einstellung der Brennweite der Konkavlinse und der Konvexlinse sowie des Abstands zwischen beiden Linsen möglich, die er­ ste und die zweite Hauptebene dieser Verbundlinse auf der rechten Seite der Konvexlinse 404 auszubilden. Genauer gesagt, wenn die Brennweite der Konkavlinse 403 gleich fA, die der Konvexlinse 404 gleich fB und der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konkavlinse 403 und einer ersten Hauptebene der Kon­ vexlinse 404 gleich d₃ sind, dann wird die Brennweite f₂ der Verbundlinse durch die folgende Gleichung ge­ geben:
f₂ = fAfB/ (fA + fB - d₃).
Wenn weiterhin der Abstand zwischen einer ersten Hauptebene der Konkavlinse 403 und der Verbundlinse gleich zA und der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konvexlinse 404 und der Verbundlinse gleich zB sind, sind beide durch die folgenden Glei­ chungen gegeben:
zB = -d₃f₂/fA (zB, wenn positiver Wert, nach rechts),
zA = -d₃f₂/fA (zA, wenn positiver Wert, nach rechts).
Da fA die Brennweite der Konkavlinse 403 ist, besteht die Bedingung fA < 0, und da die Brennweite f₂ der Verbundlinse und d₃ beide größer als 0 sind, besteht die Bedingung zB < 0. Durch geeignete Auswahl der Werte von d₃, fA und f₂ wird es möglich, die zweite Hauptebene der Verbundlinse auf der Gegenstandsseite zu positionieren, so daß es möglich ist, den Linsen- Gegenstand-Abstand im Vergleich zu der Verwendung einer einzelnen Linse mit der Brennweite f₂ zu ver­ größern.
In dem Fall eines derartigen optischen Fokussiersy­ stems mit zwei Gruppen von Linsen, wie in den Fig. 24 oder 25 gezeigt ist, ist die Brennweite groß, aber es besteht das Problem, daß der Arbeitsabstand kurz ist im Vergleich mit dem optischen Fokussiersystem, das eine einzelne Gruppe von Linsen verwendet.
Um dieses Problem zu bewältigen, kann der Arbeitsab­ stand ausgedehnt werden durch Verwendung eines der­ artigen Satzes von Linsen, der eine Verschiebung der zweiten Hauptebene von der Linsenposition bewirkt, wie vorstehend erläutert ist. Fig. 27 zeigt ein Bei­ spiel, bei dem die zweite Linsengruppe 402 in dem optischen Fokussiersystem mit zwei Gruppen von Linsen gemäß Fig. 24 oder 25 aus einem Satz aus der Konkav­ linse 403 und der Konvexlinse 404 gebildet ist, um den Arbeitsabstand zu vergrößern. Wie die Abstände berechnet werden, ist bereits vorstehend beschrieben worden.
Auch im Fall des optischen Fokussiersystems mit einer einzelnen Linsengruppe 4, das vorstehend in Verbin­ dung mit Fig. 23 erläutert wurde, kann, wie in Fig. 28 gezeigt ist, ein optisches System mit einem großen Arbeitsabstand durch Verwendung eines Satzes aus Kon­ kav- und Konvexlinse gebildet werden.
Obgleich in dem obigen Ausführungsbeispiel das Licht von der Auslaß-Endfläche der optischen Faser als Licht von der Lichtquellen-Oberfläche 200 angesehen wurde, kann das Licht vom Fokussierpunkt oder das Licht von der Maskenposition beispielsweise im Aus­ führungsbeispiel 1 als das Licht von der Lichtquel­ len-Oberfläche angesehen werden, wobei die gleiche Ausbildung wie vorstehend verwendet wird.
Auch in bezug auf das zwei Gruppen von zylindrischen Linsen verwendete optische System, das in den Fig. 19(a) und 19(b) gezeigt ist, kann die Brennweite grö­ ßer gemacht werden durch Verwendung eines optischen Systems, das zwei Gruppen von Linsen für jede der zylindrischen Linsen aufweist.
Ausführungsbeispiel 14
Wenn eine Bearbeitung durchgeführt wird unter Verwen­ dung irgendeines der in den obigen Ausführungsbei­ spielen beschriebenen optischen Übertragungssysteme nach der Erfindung, dann kann die Intensitätsvertei­ lung des bestrahlenden Lichts für jeden bestimmten Bereich des zu bestrahlenden Gegenstands verändert werden.
Fig. 29 illustriert ein Konzept des Bestrahlungsver­ fahrens. Wie darin gezeigt ist, wird eine Bestrahlung durchgeführt unter Verwendung einer flachen Intensi­ tätsverteilung, einer konkaven Intensitätsverteilung und einer Intensitätsverteilung mit großer Spitze für die Bereiche A, B bzw. C. Dieses Verfahren erlaubt die Durchführung eines Schweiß-, Schneid-, Markiervor­ ganges und so weiter gleichzeitig in einer einzigen Operation und erlaubt auch die Behandlung von Dicken und Materialien, die zwischen den einzelnen Bereichen unterschiedlich sind.
Ausführungsbeispiel 15
Bei dem optischen Übertragungssystem nach der vorlie­ genden Erfindung kann eine Ausbildung verwendet wer­ den, in der als Laseroszillator ein solcher vom Im­ pulsoszillationstyp eingesetzt wird und in der die Lichtintensitätsverteilung in einem Impuls des Laser­ strahls verändert wird und diese Veränderung in einem Impuls für jeden Impuls wiederholt wird.
Das Konzept dieses Bestrahlungsverfahrens ist in Fig. 30 gezeigt. Wenn der Ausgangsimpuls "EIN" ist (Laser­ strahl wird emittiert), dann wird im Bereich A eine große Spitzenintensitätsverteilung verwendet, während im Bereich B eine flache Intensitätsverteilung mit kleiner Spitze verwendet wird, wie in Fig. 30 gezeigt ist. Auf diese Weise kann die Energiedichte für das verwendete Material verändert werden, so daß es mög­ lich ist, einen Schweiß-, Schneid- und Stanzvorgang mit hoher Qualität durchzuführen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswahl der Intensitätsverteilung in einem Impuls nicht auf das vorbeschriebene Beispiel beschränkt. Es kann jede geeignete Kombination verwendet werden.
Da, wie dargestellt ist, nach dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der Lichtintensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse oder in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse auf eine vorbestimmte Lichtintensi­ tätsverteilung in der Nähe eines zu bestrahlenden Gegenstands zur Zeit der Fortpflanzung des Laser­ strahls vom Laseroszillator um einen vorbestimmten Weg und Strahlen des fortgepflanzten Lichtstrahls auf den zu bestrahlenden Gegenstand, verwendet wird, ist es möglich, jede gewünschte Bearbeitung durchzufüh­ ren.
Da gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung das optische Bestrahlungssystem und die Ein­ stellvorrichtung aus einer ersten Linse, die Bilder mit Aberration erzeugt, und einer zweiten Linse, die auf dem zu bestrahlenden Gegenstand ein Bild an einer Position mit einer vorbestimmten Lichtintensitätsver­ teilung aus den von der ersten Linse erzeugten Bil­ dern erzeugt, zusammengesetzt sind, ist es möglich, auf dem Gegenstand ein Bild mit einer gewünschten Lichtintensitätsverteilung in der Richtung senkrecht zur optischen Achse zu erzeugen, wodurch es möglich ist, jede gewünschte Bearbeitung durchzuführen.
Da gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ein Einstellmechanismus verwendet wird, der in der Lage ist, den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse einzustellen, können verschiedenen For­ men von Bearbeitungsstrahlen leicht erhalten werden durch bloße Änderung dieses Abstandes.
Da gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung eine Maske in der Fokussierposition der ersten Linse angeordnet ist, können leicht verschiedene For­ men von Bearbeitungsstrahlen entsprechend den Masken­ formen erhalten werden.
Da gemäß dem fünften Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung die Gestalt der obigen Maske kreisförmig ist, um Licht nur durch den kreisförmigen Bereich durchzulas­ sen, wird ein kreisförmiger Bearbeitungsstrahl erhal­ ten und daher ist es möglich, eine gleichförmige Be­ strahlung zu bewirken.
Da gemäß dem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung die Form der obigen Maske ringförmig ist, um Licht nur durch den ringförmigen Bereich hindurchzu­ lassen, wird ein ringförmiger Bearbeitungsstrahl er­ halten, wodurch eine gleichförmige Bestrahlung selbst für den Fall möglich ist, daß eine Bearbeitung wäh­ rend der Abtastung des Strahls durchgeführt wird.
Da gemäß dem sieben 11704 00070 552 001000280000000200012000285911159300040 0002019503675 00004 11585ten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung in dem optischen Übertragungssystem nach dem ersten Aspekt das optische Fortpflanzungssystem aus einer optischen Faser und einer Kondensorlinse zum Bündeln des Laserstrahls vom Laseroszillator in die optische Faser zusammengesetzt ist, das optische Be­ strahlungssystem durch ein optisches Übermittlungs­ system, das ein in einer Ebene senkrecht zur op­ tischen Achse und in einem vorbestimmten Abstand von der Auslaß-Endfläche der optischen Faser vorhandenes Bild auf den zu bestrahlenden Gegenstand übermittelt, gebildet ist, und die Einstellvorrichtung den Auf­ treffwinkel des durch die Kondensorlinse gebündelten Laserstrahls auf die optische Faser einstellt, ist es möglich, verschiedene Formen von Bearbeitungsstrahlen zu erhalten.
Da gemäß dem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung die Einstellung durch die obige Einstellvorrichtung durch Veränderung des Winkels der Einlaß-Endfläche der optischen Faser realisiert wird, während die Mit­ te dieser Einlaß-Endfläche in Ausrichtung mit der optischen Achse gehalten wird, kann nur der Auftreff­ winkel verändert werden, während der Laserstrahl auf der Mitte des Einlasses der optischen Faser aufrech­ terhalten wird.
Da gemäß dem neunten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung die Einstellung durch die obige Einstellvorrich­ tung durch Bewegen eines festen optischen Systems in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in einen ausgerichteten Zustand der optischen Achse der Kon­ densorlinse mit der optischen Faser realisiert wird, wobei die Einlaß-Endfläche der optischen Faser auf die Brennpunktposition der Kondensorlinse fixiert ist, und während die optische Achse des Laserstrahls vom Laseroszillator parallel zu der des festen opti­ schen Systems gehalten wird, kann der Auftreffwinkel leicht gesteuert werden.
Da gemäß dem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung die Einstellung durch die obige Einstellvorrich­ tung durch Bewegen des Laserstrahls vom Laseroszilla­ tor in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in einen festen Zustand der Einlaß-Endfläche der opti­ schen Faser zur Brennpunktposition der Kondensorlinse realisiert wird, während die optische Achse des La­ serstrahls parallel zu der Kondensorlinse gehalten wird, ist es möglich, einen Antrieb mit höherer Ge­ schwindigkeit als die Bewegung des Einlasses der op­ tischen Faser zu bewirken.
Da gemäß dem elften Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und ein Keilsubstrat zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und die Verschiebung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Ersetzen des Keilsubstrats durch ein anderes Keilsubstrat mit einem unterschiedlichen Keilwinkel gleichzeitig mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durchge­ führt wird, wird eine Vereinfachung der Konstruktion erzielt.
Da gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfin­ dung ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und ein besonderes Keil­ substrat mit mehreren Keilwinkeln zwischen dem Lase­ roszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind und das Verschieben des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Änderung des Win­ kels des Planspiegels durchgeführt wird, ist es mög­ lich, die Lichtintensitätsverteilung mit großer Ge­ schwindigkeit zu ändern.
Da gemäß dem dreizehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und ein besonderes schei­ benartiges Substrat, das fortlaufend in Umfangsrich­ tung angeordnete Keilsubstrate mit unterschiedlichen Keilwinkeln aufweist, zwischen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse angeordnet sind, und das Ver­ schieben des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen des besonderen Sub­ strats synchron mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird, ist es möglich, eine glattere und schnellere Änderung der Lichtintensi­ tätsverteilung zu erhalten.
Da gemäß dem vierzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, und ein besonderes Sub­ strat mit einem konstanten Keilwinkel in radialer Richtung und einem sich in Umfangsrichtung fortlau­ fend ändernden Keilwinkel zwischen dem Laseroszilla­ tor und der Kondensorlinse angeordnet sind und das Verschieben des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen des besonderen Sub­ strats synchron mit der Änderung des Winkels des Planspiegels durchgeführt wird, ist es möglich, die durch die Grenze der Keile zur Zeit der Veränderung der Lichtintensitätsverteilung bewirkte Störung der Lichtintensitätsverteilung zu vermeiden.
Da gemäß dem fünfzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung ein Parabolspiegel zwischen dem Laseroszilla­ tor und der Kondensorlinse und ein Planspiegel, des­ sen Winkel geändert werden kann, in der Brennpunkt­ position des Parabolspiegels angeordnet sind und das Verschieben des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Änderung des Winkels des parabolischen Spiegels durchgeführt wird, ist es mög­ lich, eine einfache Konstruktion, eine verringerte Anzahl von Antriebselementen und eine Änderung des Auftreffwinkels mit hoher Geschwindigkeit zu erzie­ len.
Da gemäß dem sechzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung die Einstellung durch die obige Einstellvor­ richtung durch Formen der Intensitätsverteilung des auf die Kondensorlinse auftreffenden Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurchmesser, wird die axiale Symmetrie des erhaltenen Bearbei­ tungsstrahls verbessert.
Da gemäß dem siebzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung zwei Axicon-Linsen einander gegenüber zwi­ schen dem Laseroszillator und der Kondensorlinse an­ geordnet sind und die Formung des Laserstrahls in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurch­ messer durch Änderung des Abstands zwischen den bei­ den Axicon-Linsen durchgeführt wird, ist es möglich, den Energieverlust bei der Verwendung einer Lichtab­ schirmplatte zu vermeiden.
Da gemäß dem achtzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung ein elliptischer Spiegel zwischen der Konden­ sorlinse und der Einlaß-Endfläche der optischen Fa­ ser, ein Planspiegel, dessen Winkel zur optischen Achse geändert werden kann, in einer ersten Brenn­ punktposition des elliptischen Spiegels und die Ein­ laß-Endfläche der optischen Faser in einer zweiten Brennpunktposition des elliptischen Spiegel angeord­ net sind und die Einstellung durch die obige Ein­ stellvorrichtung durch Änderung des Winkels des Plan­ spiegels realisiert wird, ist es möglich, eine ein­ fache Konstruktion, eine verringerte Anzahl von An­ triebselementen und eine Änderung des Auftreffwinkels mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen.
Da gemäß dem neunzehnten Aspekt der vorliegenden Er­ findung das optische Bestrahlungssystem ein optisches Fokussiersystem enthält, welches zwei Gruppen von zylindrischen Linsen mit zueinander senkrecht stehen­ den Krümmungsradien aufweist, ist es möglich, eine längliche und jede andere gewünschte Form für den Laserstrahl zur Bestrahlung des zu bestrahlenden Ge­ genstands zu erhalten.
Gemäß dem zwölften Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das optische Fokussiersystem in dem optischen Bestrahlungssystem zwei Linsengruppen auf, und wenn der Abstand von einer zweiten Hauptebene der ersten Linsengruppe zu einer ersten Hauptebene der zweiten Linsengruppe gleich d, die Brennweite der ersten und der zweiten Linsengruppe gleich f₁ bzw. f₂, der Ab­ stand von einer vorbestimmten Position des übertrage­ nen Lichts zu einer gegenstandsseitigen Brennpunkt­ position der ersten Linsengruppe gleich z₁ und der Abstand von einer bildseitigen Brennpunktposition der zweiten Linsengruppe zum zu bestrahlenden Gegenstand gleich z₂ sind, ist den folgenden Bedingungen genügt:
d = f₁ + f₂ + Δd
z₁ = f₁f₂z₂/(z₁Δd + f₁²).
Daher ist es möglich, die Lichtintensitätsverteilung in Richtung der optischen Achse einzustellen und es wird eine große Brenntiefe erhalten.
Gemäß dem einundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Brennweite noch größer gemacht werden, da das optische Fokussiersystem den folgenden Bedingungen genügt:
-f₁² (f₂ + Δd) < z₁ < f₁
f₁ < 0, f₂ < 0
Δd < 0.
Gemäß dem zweiundzwanzigsten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die obige zweite Linsengruppe ein Satz aus Konkavlinse und Konvexlinse, und wenn die Brenn­ weite dieser Verbundlinse gleich f₂, die der Konkav­ linse gleich fA, die der Konvexlinse gleich fB, der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konkav­ linse und einer ersten Hauptlinse der Konvexlinse gleich d₃, der Abstand zwischen einer ersten Haupt­ ebene der Konkavlinse und einer ersten Hauptebene der Verbundlinse gleich zA und der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konvexlinse und einer zweiten Hauptebene der Verbundlinse gleich zB sind, wird den folgenden Bedingungen genügt:
f₂ = fAfB/ (fA + fB -d₃)
zB = -d₃f₂/fA (zB, wenn positiver Wert, nach rechts)
zA = -d₃f₂/fB (zA, wenn negativer Wert, nach rechts.
Daher ist es möglich, den Linsen-Gegenstand-Abstand zu vergrößern, wodurch die Gefahr, daß sich Staub von dem Gegenstand während der Bearbeitung auf der Lin­ senoberfläche absetzt und eine Verschlechterung der Durchlässigkeit von Licht bewirkt, reduziert wird.
Da gemäß dem dreiundzwanzigsten Aspekt der vorliegen­ den Erfindung die vorbestimmten Position des übertra­ genen Lichts in dem obigen optischen Übertragungssy­ stem an die Auslaß-Endfläche des optischen Faser ge­ setzt ist, ist es möglich, eine große Brenntiefe auch bei dem optischen Übertragungssystem nach der her­ kömmlichen Ausbildung zu nehmen.
Da gemäß dem vierundzwanzigsten Aspekt der vorliegen­ den Erfindung die Intensitätsverteilung des Bestrah­ lungslichts für jeden bestimmten Bereich des zu be­ strahlenden Gegenstands zur Zeit der Strahlung des Laserstrahls auf den Gegenstand bei jedem der obigen optischen Übertragungssysteme geändert wird, ist es möglich, gleichzeitig einen Schweiß-, Schneid-, Mar­ kiervorgang, und so weiter in einer einzigen Opera­ tion zu bewirken, und es ist auch möglich, verschie­ dene Dicken und Materialien zwischen den Bereichen zu bewältigen.
Da gemäß dem fünfundzwanzigsten Aspekt der vorliegen­ den Erfindung ein Laseroszillator vom Impulsoszilla­ tionstyp bei jedem der obigen optischen Übertragungs­ systeme verwendet wird, die Lichtintensität in einem Impuls des Laserstrahls zur Zeit der Strahlung des Laserstrahls auf den zu bestrahlenden Gegenstand ge­ ändert wird und diese Änderung in einem Impuls für jeden Impuls wiederholt wird, kann die Energiedichte für das Material geändert werden und daher ist es möglich, einen Schweiß-, Schneid- und Stanzvorgang mit hoher Qualität durchzuführen.

Claims (25)

1. Optisches Übertragungssystem, enthaltend:
einen Laseroszillator (1),
ein optisches Fortpflanzungssystem zum Fort­ pflanzen eines von dem Laseroszillator (1) emit­ tierten Laserstrahls über einen vorbestimmten Weg,
ein optisches Bestrahlungssystem zum Strahlen des fortgepflanzten Laserstrahls auf einen zu bestrahlenden Gegenstand (5), und
eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der Lichtintensitätsverteilung in Richtung einer optischen Achse oder in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse und in der Nähe des zu be­ strahlenden Gegenstands (5).
2. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Be­ strahlungssystem und die Einstellvorrichtung eine erste Linse (6) zur Erzeugung von Bildern mit einer Aberration und eine zweite Linse (4) zur Erzeugung eines auf den Gegenstand (5) zu strahlenden Bildes befindlich in einer Position mit einer vorbestimmten Lichtintensitätsvertei­ lung aus den von der ersten Linse (6) erzeugten Bildern aufweist.
3. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Einstellmechanismus, der zum Einstellen des Abstandes zwischen der ersten (6) und der zweiten (4) Linse in der Lage ist.
4. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Maske (7) in einer Brennpunktposition der ersten Linse (6) angeordnet ist.
5. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (7) eine Kreisform hat, um den Laserstrahl nur durch den kreisförmigen Bereich hindurchzulassen.
6. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (7) ring­ förmig ist, um den Laserstrahl nur durch den ringförmigen Bereich hindurchzulassen.
7. Optisches Übertragungssystem, enthaltend:
einen Laseroszillator (1),
eine optische Faser (3) zum Fortpflanzen eines von dem Laseroszillator (1) emittierten Laser­ strahls über einen vorbestimmten Weg,
eine Kondensorlinse (2) zum Bündeln des Laser­ strahls vom Laseroszillator (1) in die optische Faser (3),
ein optisches Übermittlungssystem zum Übermit­ teln eines in einer Ebene mit einem vorbestimm­ ten Abstand von einer Auslaß-Endfläche (33) der optischen Faser (3) und senkrecht zu einer opti­ schen Achse angeordneten Bildes zu einem zu be­ strahlenden Gegenstand (5), und
eine Einstellvorrichtung zum Einstellen des Auf­ treffwinkels des durch die Kondensorlinse (2) gebündelten Laserstrahls (12) auf die optische Faser (3).
8. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich­ tung den Auftreffwinkel des durch die Kondensor­ linse (2) gebündelten Laserstrahls (12) auf die optische Faser (3) einstellt durch Ändern des Winkels einer Einlaß-Endfläche (32) der opti­ schen Faser (3) in einen ausgerichteten Zustand der Mitte der Einlaß-Endfläche (32) der opti­ schen Faser (3) mit der optischen Achse der Kon­ densorlinse (2).
9. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich­ tung den Auftreffwinkel des durch die Kondensor­ linse (2) gebündelten Laserstrahls (12) auf die optische Faser (3) einstellt durch Bewegen eines festen optischen Systems in einer Ebene senk­ recht zu der optischen Achse in einen ausgerich­ teten Zustand der optischen Achse der Kondensor­ linse (2) mit der optischen Faser (3), wobei eine Einlaß-Endfläche (32) der optischen Faser (3) zu einer Brennpunktposition der Kondensor­ linse (2) befestigt ist, und während die opti­ sche Achse des von dem Laseroszillator (1) emit­ tierten Laserstrahls und die des befestigten optischen Systems parallel zueinander gehalten werden.
10. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich­ tung den Auftreffwinkel des von der Kondensor­ linse (2) gebündelten Laserstrahls (12) auf die optische Faser (3) einstellt durch Bewegen des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur opti­ schen Achse in einen festen Zustand einer Ein­ laß-Endfläche (32) der optischen Faser (3) zu einer Brennpunktposition der Kondensorlinse (2), und während die optische Achse des von dem La­ seroszillator (1) emittierten Laserstrahls und die der Kondensorlinse (2) parallel zueinander gehalten werden.
11. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planspiegel (110), dessen Winkel zur optischen Achse geän­ dert werden kann, und ein Keilsubstrat (111) zwischen dem Laseroszillator (1) und der Konden­ sorlinse (2) angeordnet sind und die Bewegung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durchgeführt wird durch Auswech­ seln des Keilsubstrats (111) gegen ein anderes Keilsubstrat (112) mit einem unterschiedlichen Keilwinkel gleichzeitig mit einer Änderung des Winkels des Planspiegels (110).
12. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planspiegel (110), dessen Winkel zur optischen Achse geän­ dert werden kann, und ein besonderes Keilsub­ strat (120) mit mehreren Keilwinkeln zwischen dem Laseroszillator (1) und der Kondensorlinse (2) angeordnet sind und die Bewegung des Laser­ strahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Ändern des Winkels des Planspiegels (110) durchgeführt wird.
13. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planspiegel (110), dessen Winkel zur optischen Achse geän­ dert werden kann, und ein besonderes scheiben­ artiges Substrat (130), welches in Umfangsrich­ tung fortlaufend Keilsubstrate mit unterschied­ lichen Keilwinkeln aufweist, zwischen dem Laser­ oszillator (1) und der Kondensorlinse (2) ange­ ordnet sind und die Bewegung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen des besonderen Substrats (130) synchron mit einer Änderung des Winkels des Planspiegels (110) durchgeführt wird.
14. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planspiegel (110), dessen Winkel zur optischen Achse geän­ dert werden kann, und ein besonderes scheiben­ artiges Substrat (140) mit einem konstanten Keilwinkel in radialer Richtung und sich fort­ laufend änderndem Keilwinkel in Umfangsrichtung zwischen dem Laseroszillator (1) und der Konden­ sorlinse (2) angeordnet sind und die Bewegung des Laserstrahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Drehen des besonderen Sub­ strats (140) synchron mit einer Änderung des Winkels des Planspiegels (110) durchgeführt wird.
15. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Parabolspiegel (150) zwischen dem Laseroszillator (1) und der Kondensorlinse (2) sowie ein Planspiegel (110), dessen Winkel verändert werden kann, in einer Brennpunktposition des Parabolspiegels (150) angeordnet sind, und daß die Bewegung des Laser­ strahls in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse durch Ändern des Winkels des Planspiegels (110) durchgeführt wird.
16. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrich­ tung den Auftreffwinkel des durch die Kondensor­ linse (2) gebündelten Laserstrahls auf die opti­ sche Faser (3) einstellt durch Formen der Inten­ sitätsverteilung des auf die Kondensorlinse (2) auftreffenden Laserstrahls in einer Ebene senk­ recht zur optischen Achse in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außendurchmesser.
17. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Axicon-Linsen (180, 181) einander gegenüber zwischen dem Laser­ oszillator (1) und der Kondensorlinse (2) ange­ ordnet sind und das Formen des Laserstrahls in eine Ringform mit gewünschtem Innen- und Außen­ durchmesser durch Ändern des Abstands zwischen den Axicon-Linsen (180, 181) durchgeführt wird.
18. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elliptischer Spiegel (190) zwischen der Kondensorlinse (2) und der Einlaß-Endfläche (32) der optischen Fa­ ser (3), ein Planspiegel (110), dessen Winkel zur optischen Achse verändert werden kann, in einer ersten Brennpunktposition des elliptischen Spiegels (190) und die Einlaß-Endfläche (32) der optischen Faser (3) in einer zweiten Brennpunkt­ position des elliptischen Spiegels (190) ange­ ordnet sind, und daß die Einstellvorrichtung den Auftreffwinkel des durch die Kondensorlinse (2) gebündelten Laserstrahls auf die optische Faser (3) durch Ändern des Winkels des Planspiegels (110) einstellt.
19. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Be­ strahlungssystem ein optisches Fokussiersystem enthält, welches zwei Gruppen von zylindrischen Linsen (41, 42) mit Krümmungsradien in zueinander senkrechten Richtungen aufweist.
20. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Be­ strahlungssystem ein optisches Fokussiersystem enthält zum Fokussieren eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle mit einer vorbestimmten Ver­ größerung auf einen zu bestrahlenden Gegenstand (5), wobei das optische Fokussiersystem zwei Linsengruppen (401, 402) aufweist, und wenn der Abstand von einer zweiten Hauptebene der ersten Linsengruppe (401) zu einer ersten Hauptebene der zweiten Linsengruppe (402) gleich d, die Brennweiten der ersten (401) und der zweiten (402) Linsengruppe gleich f₁ bzw. f₂, der Abstand von einer vorbestimmten Position des fortge­ pflanzten Laserstrahls zu einer gegenstandssei­ tigen Brennpunktposition der ersten Linsengruppe (401) gleich z₁ und der Abstand von einer bild­ seitigen Brennpunktposition der zweiten Linsen­ gruppe (402) zum zu bestrahlenden Gegenstand (5) gleich z₂ sind, dann ist den folgenden Bedingun­ gen genügt: d = f₁ + f₂ + Δd
z₁ = f₁f₂z₂/(z₁Δd + f₁²).
21. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Fokus­ siersystem zwei Linsengruppen (401, 402) auf­ weist, und wenn die Brennweiten der ersten und zweiten Gruppe gleich f₁ bzw. f₂ und der Abstand von der vorbestimmten Position des fortgepflanz­ ten Laserstrahls zu einer gegenstandsseitigen Brennpunktposition der ersten Linsengruppe (401) gleich z₁ sind, dann ist den folgenden Bedingun­ gen genügt: -f₂/(f₂ + Δd) < z₁ < f₁
f₁ < 0, f₂ < 0
Δd < 0.
22. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsen­ gruppe (402) ein Satz aus Konkavlinse (403) und Konvexlinse (404) ist, und wenn die Brennweite dieser Verbundlinse gleich f₂, die der Konkav­ linse (403) gleich fA, die der Konvexlinse (404) gleich fB, der Abstand zwischen einer zweiten Hauptebene der Konkavlinse (403) und einer er­ sten Hauptebene der Konvexlinse (404) gleich d₃, der Abstand zwischen einer ersten Hauptebene der Konkavlinse (403) und einer ersten Hauptebene der Verbundlinse gleich zA und der Abstand zwi­ schen einer zweiten Hauptebene der Konvexlinse (404) und einer zweiten Hauptebene der Verbund­ linse gleich zB sind, ist den folgenden Bedin­ gungen genügt: f₂ = fAfB/(fA + fB - d₃)
zB = -d₃f₂/fA (zB, wenn positiver Wert, nach rechts)
zA = -d₃f₂/fA (zA, wenn negativer Wert, nach rechts).
23. Optisches Übertragungssystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Position des fortgepflanzten Laserstrahls eine Auslaß-Endfläche (33) der optischen Faser (3) ist.
24. Laserstrahl-Bestrahlungsverfahren, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung des Laserstrahls für jeden bestimmten Bereich eines zu bestrahlenden Gegenstands (5) verändert wird.
25. Laserstrahl-Bestrahlungsverfahren, bei dem der Laserstrahl von einem Laseroszillator vom Im­ pulsoszillationstyp emittiert wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in einem Impuls des Strahls geän­ dert wird und diese Änderung in einem Impuls für jeden Impuls wiederholt wird.
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