JP2005165040A - レーザ光整形装置及びレーザ光の整形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は入射光の光強度分布が一方向に傾きをもった傾斜パターンの場合でも均一化することを課題とする。
【解決手段】 レーザ光整形装置３０では、第１のアレイレンズ１６と第２のアレイレンズ２０との間に反転レンズユニット３２が設けられている。反転レンズユニット３２は、シリンドリカルレンズ１４ａ及び１８ａに対向する反転レンズ３４と、シリンドリカルレンズ１４ｃ及び１８ｃに対向する反転レンズ３６とを有する。レーザ光整形装置３０では、シリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄを通過した分散光ａ〜ｄのうち半数の分散光ａ，ｃが反転レンズ３４，３６によって再度反転される。これにより、１回反転された分散光ｂ，ｄと２回反転された分散光ａ，ｃとを合成すると、光強度分布の傾きをキャンルすることができ、入射光１２の光強度分布が一方向に傾きをもった傾斜パターンの場合でも、合成された出射光２６の光強度分布を均一化することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、レーザ光の光強度分布を均一化するよう構成されたレーザ光整形装置及びレーザ光の整形方法に関する。

従来からレーザ光整形装置としては、一対のアレイレンズを組み合わせたホモジナイザを用いてレーザ光の光強度分布を均一化する構成が知られている。例えば、図１に示す従来のレーザ光整形装置１０は、入射光１２を小さい光に分散する複数のシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄを有する第１のアレイレンズ１６と、第１のアレイレンズ１６と対向するように配置された複数のシリンドリカルレンズ１８ａ〜１８ｄを有する第２のアレイレンズ２０と、第２のアレイレンズ２０から出射された各分散光を照射面２２に結像させるフォーカスレンズ２４とから構成されている（例えば、特許文献１参照）。

入射光１２は、第１のアレイレンズ１６から第２のアレイレンズ２０に至る過程で、４つの分散光ａ〜ｄに分散され、且つ反転される。第１のアレイレンズ１６及び第２のアレイレンズ２０では、線対称な台形状の光強度分布を有する入射光１２をシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄ，１８ａ〜１８ｄによって、分散光ａ〜ｄに切り分ける。そして、フォーカスレンズ２４は、分散光ａ〜ｄをシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄ，１８ａ〜１８ｄの延在方向と直交する方向に引き伸ばす。

ここで、入射光１２の光強度分布は、両側の領域ａ，ｄの傾斜が対称であり、中間の領域ｂ，ｃが同一の水平レベルである。また、領域ａ，ｄの傾斜角度は、逆向きであるが、同じ傾斜角度である。

フォーカスレンズ２４によって引き伸ばされた各分散光ａ〜ｄのうちは、分散光ａとｄが対称であるので、合成された出射光２６は、長方形状の光強度分布になる。また、分散光ｂ，ｃの光強度分布は、領域ｂ，ｃが同一の水平レベルであるので、長方形状の光強度分布になる。そのため、各分散光ａ〜ｄを合成すると、台形状の光強度分布が幅方向で均一な長方形状の光強度分布となる。
特開２００３−１１７６７６号公報

しかしながら、上記のように構成されたレーザ光整形装置１０では、入射光１２の光強度分布が上記のように線対称な台形状のパターンを有している場合は、図１に示すように光強度分布を均一化することができるが、入射光１２の光強度分布が一方向に傾きをもった傾斜パターンの場合には、均一化することができないという問題があった。

例えば、図２に示されるように、入射光１２の光強度分布が一方向に傾斜している場合には、入射光１２をシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄ，１８ａ〜１８ｄによって、分散光ａ〜ｄに切り分けて合成しても、分散光ａ〜ｄの全てが反転され、且つ一方向に傾いた光強度分布を有しているため、合成された出射光２６の光強度分布も入射光１２と同様に均一化されていない。

そこで、本発明は上記課題を解決したレーザ光整形装置及びレーザ光の整形方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、光路上に、複数のシリンドリカルレンズを整列させた一対のアレイレンズと、該アレイレンズから出射された複数の光を所定距離の位置に収束させるフォーカスレンズとを配置したレーザ光整形装置において、
前記複数のシリンドリカルレンズを通過して前記一対のアレイレンズ間に入射された複数の光の一部を反転させる反転レンズを設けたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、一方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する一対の前段アレイレンズと、該前段アレイレンズから出射された光を所定距離の位置に収束させる前段フォーカスレンズと、前記一対の前段アレイレンズ間に設けられ、前記前段アレイレンズに設けられた複数のシリンドリカルレンズから出射された複数の光の一部を反転させる第１の反転レンズと、前記一方向と直交する他方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する一対の後段アレイレンズと、該後段アレイレンズから出射された光を所定距離の位置に収束させる後段フォーカスレンズと、前記一対の後段アレイレンズ間に設けられ、前記後段アレイレンズに設けられた複数のシリンドリカルレンズから出射された複数の光の一部を反転させる第２の反転レンズと、を備えたことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、前記反転レンズが、前記複数のシリンドリカルレンズの何れかに対向するように配置されたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、前記シリンドリカルレンズを偶数個設け、前記反転レンズを前記複数のシリンドリカルレンズの半数と対向する個数設けたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、前記反転レンズが、透明な板ガラスにより保持されたことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、複数のシリンドリカルレンズを有する一対のアレイレンズから出射された複数の光をフォーカスレンズにより所定距離の位置に収束させるレーザ光の整形方法において、
前記複数のシリンドリカルレンズを通過して前記一対のアレイレンズ間に入射された複数の光の一部を反転レンズにより反転させることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、一方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する前段アレイレンズから出射された複数の光の一部を一対の前段アレイレンズ間に配置された第１の反転レンズにより反転し、前記一方向と直交する他方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する後段アレイレンズから出射された複数の光の一部を一対の後段アレイレンズ間に配置された第２の反転レンズにより反転し、前記前段アレイレンズから出射された光を前段フォーカスレンズにより所定距離の位置に収束し、前記前段アレイレンズから出射された光を後段フォーカスレンズにより所定距離の位置に収束することを特徴とする。

本発明によれば、複数のシリンドリカルレンズを通過して一対のアレイレンズ間に入射された複数の光の一部を反転レンズにより反転させることにより、複数のシリンドリカルレンズによって切り取られた複数の分散光のうち一部の傾斜方向を反転させ、反転された分散光と反転されていない分散光とを合成することで、光強度分布の傾きを無くすことができ、合成された出射光の光強度分布を均一化することができる。

以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。

図３は本発明になるレーザ光整形装置の実施例１を示す構成図である。尚、図３において、図１、図２と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図３に示されるように、レーザ光整形装置３０では、第１のアレイレンズ１６と第２のアレイレンズ２０との間に反転レンズユニット３２が設けられている。

反転レンズユニット３２は、シリンドリカルレンズ１４ａ及び１８ａに対向する反転レンズ３４と、シリンドリカルレンズ１４ｃ及び１８ｃに対向する反転レンズ３６とを有する。反転レンズ３４，３６は、所定間隔でシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄ，１８ａ〜１８ｄと同じ延在方向に延在形成されており、透明な板ガラス３８によって一体化されている。そのため、反転レンズユニット３２は、板ガラス３８の周縁部を保持されることにより、シリンドリカルレンズ１４ａと１８ａとの間に反転レンズ３４が位置決めされ、シリンドリカルレンズ１４ｃと１８ｃとの間に反転レンズ３６が位置決めされる。

入射光１２は、アレイレンズ１６，２０のシリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄ，１８ａ〜１８ｄによって、分散光ａ〜ｄに切り分ける。シリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄを通過した４つの分散光ａ〜ｄは、上下方向（図３中）の向きを１８０度反転されるが、４つの分散光ａ〜ｄのうち半数の分散光ａ，ｃは、反転レンズ３４，３６によって上下方向（図３中）の向きを再度、１８０度反転されており、２回目の反転により入射前の状態に戻る。

また、反転レンズ３４，３６が介在しないシリンドリカルレンズ１４ｂ，１８ｂと１４ｄ，１８ｄを通過した分散光ｂ，ｄは、１回目の反転したまま第２のアレイレンズ２０からフォーカスレンズ２４に至る。従って、フォーカスレンズ２４によって引き伸ばされた分散光ａ〜ｄのうち半数の分散光ａ，ｃとｂ，ｄは、光強度分布の傾斜方向が１８０度逆向きになり、フォーカスレンズ２４によって照射面で合成された分散光ａ〜ｄは、光強度分布の傾斜がキャンセルされて幅方向で均一な長方形状の光強度分布となる。

このように、レーザ光整形装置３０では、シリンドリカルレンズ１４ａ〜１４ｄによって反転された分散光ａ〜ｄのうち半数の分散光ａ，ｃが反転レンズ３４，３６によって再度反転させ、そして、１回反転された分散光ｂ，ｄと２回反転された分散光ａ，ｃとを合成する。これにより、光強度分布の傾きをキャンルすることができ、入射光１２の光強度分布が一方向に傾きをもった傾斜パターンの場合でも、合成された出射光２６の光強度分布を均一化することができる。そのため、レーザ光整形装置３０を用いたレーザ加工機のレーザ出力を安定させることができる。

図４は本発明になるレーザ光整形装置の実施例２を示す斜視図である。
図４に示されるように、レーザ光整形装置４０は、入射光１２のＹ方向成分の光強度分布を均一化する前段整形部４２と、入射光１２のＹ方向と直交するＸ方向成分の光強度分布を均一化する後段整形部４４と、を光路上に配置した構成となっている。

前段整形部４２は、入射光１２のＹ方向成分を小さい光に分散する第１の前段アレイレンズ４６と、第１の前段アレイレンズ４６と対向するように配置された第２の前段アレイレンズ４８と、第１の前段アレイレンズ４６と第２の前段アレイレンズ４８との間に設けられた前段反転レンズユニット５０と、第２の前段アレイレンズ４８から出射されたＸ方向成分の各分散光を照射面５２に結像させる前段フォーカスレンズ５４とから構成されている。

また、後段整形部４４は、入射光１２のＸ方向成分を小さい光に分散する第１の後段アレイレンズ５６と、第１の後段アレイレンズ５６と対向するように配置された第２の後段アレイレンズ５８と、第１の後段アレイレンズ５６と第２の後段アレイレンズ５８との間に設けられた後段反転レンズユニット６０と、第２の後段アレイレンズ５８から出射されたＸ方向成分の各分散光を照射面５２に結像させる後段フォーカスレンズ６２とから構成されている。

上記第１の前段アレイレンズ４６、第２の前段アレイレンズ４８は、複数のシリンドリカルレンズ４６ａ〜４６ｅ，４８ａ〜４８ｅがＸ方向に延在するように整列されている。また、第１の後段アレイレンズ５６、第２の後段アレイレンズ５８は、複数のシリンドリカルレンズ５６ａ〜５６ｅ，５８ａ〜５８ｅがＸ方向と直交するＹ方向に延在するように整列されている。

前段反転レンズユニット５０は、シリンドリカルレンズ４６ｂ及び４８ｂに対向する反転レンズ６４と、シリンドリカルレンズ４６ｄ及び４８ｄに対向する反転レンズ６６とを有する。反転レンズ６４，６６は、シリンドリカルレンズ４６ａ〜４６ｅ，４８ａ〜４８ｅと同じＸ方向に延在形成されており、透明な板ガラス６８によって一体化されている。そのため、前段反転レンズユニット５０は、板ガラス６８の周縁部を保持されることにより、シリンドリカルレンズ４６ｂと４８ｂとの間に反転レンズ６４が位置決めされ、シリンドリカルレンズ４６ｄと４８ｄとの間に反転レンズ６６が位置決めされる。

入射光１２は、アレイレンズ４６，４８のシリンドリカルレンズ４６ａ〜４６ｅ，４８ａ〜４８ｅによって、５つの分散光ａ〜ｅに切り分ける。シリンドリカルレンズ４６ａ〜４６ｅを通過した５つの分散光ａ〜ｅは、上下方向（図４中）の向きを１８０度反転されるが、５つの分散光ａ〜ｅのうち２つの分散光ｂ，ｄは、反転レンズ６４，６６によって上下方向（図４中）の向きを再度、１８０度反転されており、２回目の反転により入射前の状態に戻る。

また、反転レンズ６４，６６が介在しないシリンドリカルレンズ４６ａ，４６ｃ，４６ｅと４８ａ，４８ｃ，４８ｅを通過した分散光ａ，ｃ，ｅは、１回目の反転したまま第２の後段アレイレンズ５８から前段フォーカスレンズ５４に至る。従って、後段フォーカスレンズ６２によってＹ方向に引き伸ばされた分散光ａ〜ｅのうち分散光ａ，ｃ，ｅとｂ，ｄは、光強度分布の傾斜方向が１８０度逆向きになり、後段フォーカスレンズ６２によって照射面５２で合成されたＹ方向成分の分散光ａ〜ｅは、光強度分布の傾斜がキャンセルされて幅方向で均一な長方形状の光強度分布となる。

後段反転レンズユニット６０は、シリンドリカルレンズ５６ｂ及び５８ｂに対向する反転レンズ７４と、シリンドリカルレンズ５６ｄ及び５８ｄに対向する反転レンズ７６とを有する。反転レンズ７４，７６は、シリンドリカルレンズ５６ａ〜５６ｅ，５８ａ〜５８ｅと同じＹ方向に延在形成されており、透明な板ガラス７８によって一体化されている。そのため、後段反転レンズユニット６０は、板ガラス７８の周縁部を保持されることにより、シリンドリカルレンズ５６ｂと５８ｂとの間に反転レンズ７４が位置決めされ、シリンドリカルレンズ５６ｄと５８ｄとの間に反転レンズ７６が位置決めされる。

入射光１２は、アレイレンズ５６，５８のシリンドリカルレンズ５６ａ〜５６ｅ，５８ａ〜５８ｅによって、５つの分散光ａ〜ｅに切り分ける。シリンドリカルレンズ５６ａ〜５６ｅを通過した５つの分散光ａ〜ｅは、前後方向（図４中）の向きを１８０度反転されるが、５つの分散光ａ〜ｅのうち２つの分散光ｂ，ｄは、反転レンズ７４，７６によって前後方向（図４中）の向きを再度、１８０度反転されており、２回目の反転により入射前の状態に戻る。

また、反転レンズ７４，７６が介在しないシリンドリカルレンズ５６ａ，５６ｃ，５６ｅと５８ａ，５８ｃ，５８ｅを通過した分散光ａ，ｃ，ｅは、１回目の反転したまま第２の後段アレイレンズ５８から後段フォーカスレンズ６２に至る。従って、後段フォーカスレンズ６２によってＹ方向に引き伸ばされた分散光ａ〜ｅのうち分散光ａ，ｃ，ｅとｂ，ｄは、光強度分布の傾斜方向が１８０度逆向きになり、後段フォーカスレンズ６２によって照射面５２で合成されたＸ方向成分の分散光ａ〜ｅは、光強度分布の傾斜がキャンセルされて幅方向で均一な長方形状の光強度分布となる。

このように、レーザ光整形装置４０では、前段整形部４２により入射光１２のＹ方向成分の光強度分布が均一化され、後段整形部４４により入射光１２のＸ方向成分の光強度分布が均一化される。

また、実施例２では、５つの分散光ａ〜ｅのうち２つの分散光ｂ，ｄが２回反転されたて他の１回反転の分散光ａ，ｃ，ｅと合成されるため、１回反転の分散光ａ，ｃ，ｅのうち２つ分の光強度分布の傾きをキャンルすることができる。そのため、入射光１２の光強度分布が一方向に傾きをもった傾斜パターンの場合でも、合成された出射光２６の光強度分布の傾きは、入射光１２の１／５となり、出射光２６の光強度分布をほぼ均一化することができる。そのため、レーザ光整形装置４０を用いたレーザ加工機のレーザ出力を安定させることができる。

尚、上記実施例では、レーザ加工機に用いられたレーザ光整形装置を一例として挙げたが、これに限らず、本発明をレーザ加工機以外の装置にも適用できるのは勿論である。

また、上記実施例では、シリンドリカルレンズの数が４個の場合と５個の場合を例示したが、シリンドリカルレンズの数はこれに限らず、反転レンズの数も２個に限らないのは勿論である。

従来のレーザ光整形装置の一例を示す構成図である。 従来のレーザ光整形装置で入射光の光強度分布が傾斜パターンの場合の出射光の光強度分布を説明するための図である。 本発明になるレーザ光整形装置の実施例１を示す構成図である。 本発明になるレーザ光整形装置の実施例２を示す斜視図である。

符号の説明

３０，４０ レーザ光整形装置
３２ 反転レンズユニット
３４，３６，６４，６６，７４，７６ 反転レンズ
３８，６８，７８ 板ガラス
４２ 前段整形部
４４ 後段整形部
４６ 第１の前段アレイレンズ
４８ 第２の前段アレイレンズ
５０ 前段反転レンズユニット
５４ 前段フォーカスレンズ
５６ 第１の後段アレイレンズ
５８ 第２の後段アレイレンズ
６０ 後段反転レンズユニット
６２ 後段フォーカスレンズ

Claims (7)

1. 光路上に、複数のシリンドリカルレンズを整列させた一対のアレイレンズと、該アレイレンズから出射された複数の光を所定距離の位置に収束させるフォーカスレンズとを配置したレーザ光整形装置において、
   前記複数のシリンドリカルレンズを通過して前記一対のアレイレンズ間に入射された複数の光の一部を反転させる反転レンズを設けたことを特徴とするレーザ光整形装置。
2. 一方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する一対の前段アレイレンズと、
   該前段アレイレンズから出射された光を所定距離の位置に収束させる前段フォーカスレンズと、
   前記一対の前段アレイレンズ間に設けられ、前記前段アレイレンズに設けられた複数のシリンドリカルレンズから出射された複数の光の一部を反転させる第１の反転レンズと、
   前記一方向と直交する他方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する一対の後段アレイレンズと、
   該後段アレイレンズから出射された光を所定距離の位置に収束させる後段フォーカスレンズと、
   前記一対の後段アレイレンズ間に設けられ、前記後段アレイレンズに設けられた複数のシリンドリカルレンズから出射された複数の光の一部を反転させる第２の反転レンズと、
   を備えたことを特徴とするレーザ光整形装置。
3. 前記反転レンズは、前記複数のシリンドリカルレンズの何れかに対向するように配置されたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光整形装置。
4. 前記シリンドリカルレンズを偶数個設け、
   前記反転レンズを前記複数のシリンドリカルレンズの半数と対向する個数設けたことを特徴とする請求項１または２記載のレーザ光整形装置。
5. 前記反転レンズは、透明な板ガラスにより保持されたことを特徴とする請求項１乃至４何れか記載のレーザ光整形装置。
6. 複数のシリンドリカルレンズを有する一対のアレイレンズから出射された複数の光をフォーカスレンズにより所定距離の位置に収束させるレーザ光の整形方法において、
   前記複数のシリンドリカルレンズを通過して前記一対のアレイレンズ間に入射された複数の光の一部を反転レンズにより反転させることを特徴とするレーザ光の整形方法。
7. 一方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する前段アレイレンズから出射された複数の光の一部を一対の前段アレイレンズ間に配置された第１の反転レンズにより反転し、
   前記一方向と直交する他方向に延在する複数のシリンドリカルレンズを有する後段アレイレンズから出射された複数の光の一部を一対の後段アレイレンズ間に配置された第２の反転レンズにより反転し、
   前記前段アレイレンズから出射された光を前段フォーカスレンズにより所定距離の位置に収束し、
   前記前段アレイレンズから出射された光を後段フォーカスレンズにより所定距離の位置に収束することを特徴とするレーザ光の整形方法。
   

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