JP2005177825A - 長距離伝送用光学系と長距離伝送用スキャンレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】伝送系の初期の段階でビームを走査し長い伝送系を通してビームを対象物に当てるようにする長距離伝送用光学系とそのためのレンズを与えること。
【解決手段】レーザ光源と、レーザ光を二次元（或いは一次元）走査するための複数のガルバノミラーと、ガルバノミラー以後の光学経路の中に設けられレーザ光を一旦集光するリレーレンズＬ_１と集光した光線を平行ビームに直すコリメートレンズＬ_２からなりＬ_１とＬ_２の距離をＬ_１、Ｌ_２の焦点距離ｆ_１、ｆ_２の和である（ｆ_１＋ｆ_２）とするスキャンレンズと、ビームを包囲する複数のガイドパイプを含む関節系の長距離伝送用光学系であってガルバノミラーから対象物までの距離Γを２（ｆ_１＋ｆ_２）より大きくしたものを与える。
【選択図】 図１１

Description

本発明はレーザビームを長い屈曲した伝送系の中に伝送させ被処理物に当て被処理物を加工するための長距離伝送用光学系と、長距離伝送用スキャンレンズに関する。特にビーム伝送系の上流側でビームを一次元、二次元走査し、ガイドパイプなどに衝突させることなく走査ビームを長距離伝送するようにしたスキャンレンズに関する。

長距離伝送用光学系の従来例をまず簡単に説明する。図１は長距離伝送用光学系の一例を示す概略構成図である。強いレーザ光源Ｓ（炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ）は平行ビームＡを発生する。ビーム径が適当であればそのままでもよいが狭すぎる場合はコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５によって所望の直径Ｗの平行ビームに直す。

第１コリメートレンズＬ_４は凹レンズでありビームを広げる（ビームＢ）。第２コリメートレンズＬ_５は凸レンズであり広がったビームを直径Ｗの平行ビームＣにする。Ｌ_４の前側焦点にＬ_５の前側焦点を一致させればそのようになる。焦点距離の比がビーム径の比率に等しいので、Ｌ_４、Ｌ_５を適当に選べば任意の直径の平行ビームが得られる。

以後ビームは平行ビームであって直径Ｗは維持される事が多い。ビームＣは第１反射ミラーＭ_１で直角に反射される。例えばｘ方向に伝搬したものがｙ方向に折れ曲がる。反射ビームＧは第１ガイドパイプ２４の中を平行ビームとして伝送され第２反射ミラーＭ_２に当たり直角反射され平行ビームＮとなる。

平行ビームＮは第２ガイドパイプ２５の中を進む。平行ビームＮは第３反射ミラーＭ_３で９０度反射されて平行ビームＱとなる。平行ビームＱは第３ガイドパイプ２６の中を進む。さらに平行ビームＱは最後の集光レンズＬ_３によって絞られ（ビームＲ）強いパワーとなって対象物（被処理物）面Ｔの一点ｗに照射される。最後の集光レンズＬ_３は対象物の種類、加工の目的によっては省くこともある。それほど強いパワー密度を必要としないとかビーム直径Ｗの部分を一様照射した方が良いというような場合である。

そのようなものが従来の関節系を利用した長距離伝送用光学系である。長距離伝送用光学系は、ここでは、ガイドパイプと関節系でレーザビームを導いて対象物に照射して溶接、穴開け、熱処理、切断、研磨、表面処理、マーキング、検査などをする装置というように広範囲の意味をもつ。

どうして関節系で導光するのか？というと炭酸ガスレーザの光は１０．６μｍの波長をもつが、そのような近赤外光を低損失で通す光ファイバが存在しないためである。通常用いられる石英系光ファイバは可視光を通すが近赤外線は通さない。炭酸ガスレーザはミラーで反射し空間伝送するしかないが、所望の部位へ導光するには複数のミラー、ガイドパイプを利用した関節系を使うしかない。

ミラーにしても誘電体多層膜の上に金を蒸着したミラーが用いられるが、それも幾分の損失がある。炭酸ガスレーザに対し吸収の少ない物質というとＺｎＳｅかＧｅしかない。炭酸ガスレーザに対してはＺｎＳｅ、Ｇｅ系のレンズを使うしかない。ＺｎＳｅでも幾分の損失がある。初めのレーザパワーが大きい場合はレンズでの損失が無視できない。熱によってレンズが膨張、変型、劣化することもあるし、レーザ損失はできるだけ小さくしなければならない。そのためにレンズの数、反射ミラーの数は最小にとどめなければならない。そのような事情がある。可視光などの光学系とは全く違う問題があるのである。

本発明は炭酸ガスレーザに限らず大パワーのレーザの全てに適用できるのであるが波長によって問題が少し違ってくる。ＹＡＧレーザの場合は可視光だから光ファイバでも導光できるが、やはりパワーが大きいと損失を減らすため、関節・ガイドパイプによる空間伝送の方が良いということもある。紫外光を出すエキシマレーザの場合は良い光ファイバがないから空間伝送になる。紫外光に対する反射ミラーは製造できるがレンズはまだ問題がある。フッ化カルシウム（ＣａＦ_２）によって低損失レンズを作ることができる。本発明はだから、反射ミラーとレンズを作ることができる波長に対する大出力レーザの全ての装置に適用することができる。

図１は光学系を同一平面に置きなおして単純化した概略の構成図であるが、レーザ光源Ｓから出た平行ビームＡがコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５で広がり平行ビームＣとなり、それが第１反射ミラーＭ_１で９０度折れ曲がった平行ビームＧとなり、第２反射ミラーＭ_２で９０度折れ曲がった平行ビームＮとなり、第３反射ミラーＭ_３で９０度折れ曲がった平行ビームＱとなる。反射ミラーの数が多いほど自由度は高くなる。

しかし先述のように反射ミラーでの損失があるから、損失を減らすためには反射ミラーは少ない方が良い。レンズについても同様である。レンズの透過損失はミラーの反射損失より大きいからレンズ数の制限はもっと厳しいといえる。最終段の集光レンズＬ_３はビームを絞る必要があれば採用するが絞らなくてよいなら省くことができる。初段のコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５はビーム直径を変える必要があるときとビームの広がりを抑制するときに用いる。

図１と同じ光学系をさらに単純化して図２に示す。ミラーによる反射はミラー面に対して面対称に起こるので、ミラー面に面対称に光学系を折り返すことによってビーム系を直線上にまとめることができる。それが図２である。レーザ光源Ｓから出たレーザ光Ａが、拡大光Ｂ、平行ビームＣとなり反射ミラーＭ_１、Ｍ_２、Ｍ_３を通り、平行ビームＧ、Ｎ、Ｑとなり、さらに集光レンズＬ_３で収束ビームＲとなり対象物（被処理物）Ｔのｗ点に集光照射される。反射ミラーは光の方向を折り曲げるために必要である。レンズは適当な直径Ｗの平行ビームを作るためにコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５を設け、集光させるためにＬ_３を用いている。集光が不要ならＬ_３を省けるし、初めから適当な直径Ｗのビームが出る場合や発散性の小さいビームならＬ_４、Ｌ_５を除去することもできる。だから基本構成は、パワーの大きいレーザ発振器Ｓと反射ミラーとガイドパイプ・関節系である。

レーザ光をスキャニングさせて被処理物に照射することによって溶接、熱処理、切断、穴開けなどを行うレーザ加工装置は幾つか実用化されている。

特許第２８２９１９２号「レーザビームスキャナ」

特許文献１は炭酸ガスレーザの強い光を鋼材に当てて溶接する場合、単に突き合わせ線に沿ってビームを動かすだけだと溶接部が弱いので突き合わせ線と直交する方向にビーム微小振幅で揺動させて堅固な溶接をするための装置である。図３にその概略構成図を示す。レーザ装置（炭酸ガスレーザ）Ｓから出たレーザビームＡをコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５で広いビームＣにし放物面鏡Ｍ_５で反射して左右に揺動するガルバノミラーＧ_６に当てている。ガルバノミラーＧ_６で反射されたビームは収束ビームＲとなって被処理物（鋼材）Ｔの突き合わせ部を横切るように往復照射される。

ガルバノミラーＧ_６は光学系の最終段にある。ここでは強烈な炭酸ガスレーザビームを左右に走査するためにガルバノミラーを用いている。ガルバノミラーはコイル磁場の中にミラーを揺動可能に設けて交番電流をコイルに流すことによってミラーを動かすものである。本来は微小電流を検出する検流計（ガルバノメータという）なのであるが小さい回転モーメントによってミラーを微小振幅で揺動できるのでレーザ光線を反射して走査するためのミラー装置として用いられている。炭酸ガスレーザを受けて強く発熱するので冷却が重要である。冷却水入口、出口が揺動軸線上にくるように工夫しており揺動の回転モーメントを小さくするようにしている。

レーザビームを走査して対象物にジグザグに当てるというものはあるが、それは常にレーザビーム伝送系の終端に走査機構を設けている。最終段にあってビーム走査して、すぐに被処理物に当てるようにする。だからビームの振れ（走査）によってビームがガイドパイプの内壁に当たったりレンズ、ミラーからそれたりするというような心配はない。それは最終段にガルバノミラーのような容積のあるものを設ける空間的な余裕がある場合に可能である。

本発明はそうではなくて最終段には空間的余裕がもはやなくてレーザ光伝送系の初期、緒段階にしか走査機構を設置できないというような場合を問題にする。伝送系の初段階に走査機構を設けたようなレーザ加工装置はこれまで存在しなかった。それは初期にビーム走査すると走査角θが小さくても長い伝送路（Γとする）では偏奇（それ量ｐ）量（ｐ＝Γθ）が大きくなりすぎてガイドパイプ内壁に当たったりレンズ、ミラーからそれたりするし走査機構の設定、調整がきわめて難しくなるからである。

特開平６−３９８７号「走査対物レンズ」

特許文献２は電子デバイスを光学的に観察し検査するための装置で８角筒ポリゴンミラーを回転させ反射光を小口径の第１レンズ（ｆ_１＝２５ｍｍ、開口数ＮＡ０．１５、走査角１６度）に入れ実像を作り、それを大口径の第２レンズ（ｆ_２＝１６０ｍｍ）で拡大し平行ビームにしている。それを大口径の第３のレンズ（ｆ_３＝４０ｍｍ、ＮＡ０．６、走査角２．５度）に入れるようにした全長６５０ｍｍの対物レンズを提案している。

可視レーザを使っておりレーザを当てるのは照明用である。電子デバイスからのレーザ反射光を走査して対象となる電子デバイスの表面像を高速度で撮像してデバイスを観察するようにしている。顕微鏡と同じ目的をもつので開口数ＮＡが大きく明るい対物レンズが必要である。ｆ_２／ｆ_１＝６．４（倍）となるのはデバイスの細かい構造を拡大して観察するためである。

拡大平行ビームの直径は４８ｍｍ以上もあってガイドパイプは直線的で装置内に固定され彎曲しないし直径６０ｍｍ以上ありレーザ光は４８ｍｍ直径の絞りで絞られる。だからレーザ光が絞りやガイドパイプ壁面に当たることは問題ではない。反射光はＣＣＤなどの撮像面に集光される。これはレーザ光は照明用であり反射光を観察しているレーザ光のパワー利用ではない。また本来は微細対象観察用の顕微鏡の応用であり高倍率顕微鏡を本体にもつから狭いガイドパイプに光がぶつかるというような心配は初めからない。ガイドパイプ・関節系をもたず屈曲導光しない。

特許第３２０１３９４号「ｆθレンズ」（特願平１１−２２６４３０号、特開２００１−５１１９１号）

特許文献３は本出願人になるｆθレンズである。パルス炭酸ガスレーザの光をガルバノミラーで走査してプリント基板へ照射し多数の穴を規則正しいピッチで穿孔するために走査角とプリント基板での距離が比例するようにしたものである。通常のレンズはｆｔａｎθレンズである。ｆθにするには複数のレンズを組み合わせる必要がある。

例えば図５に示すような組み合わせレンズとなる。Ｌ_６（第１群）は凸レンズ、Ｌ_７（第２群）は凹レンズ、Ｌ_８とＬ_９（第３群）は凸レンズである。全体の焦点距離をｆとして第２群の焦点距離をｆ_７、第３群の焦点距離をｆ_８として全系の前側焦点から後側焦点までの距離をｄとして

−２．２≦ｆ_７／ｆ≦−０．３ （１）
０．４≦ｆ_８／ｆ≦０．９ （２）
１．８≦ｄ／ｆ≦２．４ （３）

という条件がある。そのようにすると角度θの方向に出た平行ビームは、レンズの後方ｆθの位置に結像する。パルス炭酸ガスレーザをガルバノミラーで走査してｆθレンズで集光すると多数の微細穴を等間隔に規則正しく矩形領域に穿つことができる。図５にｆθレンズの一例を示している。

図５は３つの角度の異なる平行ビームを示す。どの角度のビームも互いに交差していない。被処理物面で初めて相合する。ｆθレンズは全体としては凸レンズであって、レンズは互いに接近しておりレンズの間でビームが交差することはない。交差してしまうとｆθ性やテレセントリック性がなくなる。

本発明もガルバノミラーでレーザビームを走査するのでｆθレンズを使いたいという気がする。ビーム偏向角θと対象物でのビーム偏奇量ｐが比例するからである（ｐ＝ｆθ）。しかし本発明は長いガイドパイプでレーザを対象物まで導くので前側焦点・後側焦点間距離ｄが長くて１０００ｍｍにもなる。

それに比べて特許文献３のレンズの全焦点距離は１００ｍｍ程度である。ｄ／ｆ＝１０となり上の式（３）を満足する事ができない。つまり伝送系の初期でビームを走査して長い距離を伝送しようとすると、もはやｆθ性をもつレンズの設計は不可能だということである。

本発明は強力なレーザパワーを対象物へ照射して熱処理、溶接、切断、研磨などの物理作用を行わせるレーザ応用装置であって伝送系の初期の段階でビームを走査し関節・ガイドパイプを複数本直列に組み合わせた長い伝送系を通して対象物に当てるようにした長距離伝送用光学系（多関節型光学系）とそのためのスキャンレンズを与えることを目的とする。

図２の従来の関節光学系の概略図において、ビームは静止ビームであり走査されていない。しかし最終の被処理物（対象物）面Ｔでビームを二次元的あるいは一次元的に走査したいという場合もある。その場合、最終段階の部分に空間的な余裕がある場合は図３のように最終段の収束光Ｑ、Ｒの途中にガルバノミラーを設けることができる。溶接、熱処理など工業用途の場合は大型の装置だからそのようなことは可能である。
しかしマーキング装置などの場合や工業用小型装置の場合など、被処理物の近傍、つまり伝送系の最終段階において、走査機構を設ける空間的な余裕がないということがある。そのような場合はビーム走査することがこれまで全くできなかったわけである。

それはどうしてかというと次のようなわけである。ビーム伝送系の最終に空間的余裕がないとしてもレーザ装置に近い部分には走査装置を設けるスペースがある。しかし伝送系の最初に走査してしまうと長い伝送路を伝搬するうちにビームの軸線からのずれが大きくなりガイドパイプに触れたりミラー、レンズの有効径からそれたりするからである。

図４は図２の光伝送系において、初段の反射ミラーＭ_１の前に走査機構（ガルバノミラー）を設けたという仮想例を示す光学系図である。実際には図１において、コリメートレンズＬ_５と第１反射ミラーＭ_１の間にガルバノミラーを入れたという仮想である。図１でビームを三次元的に振るとビームの偏奇が分かりにくいので単純化した図４で考える。
走査機構（ガルバノミラー）Ｇは一つでも二つでも問題は変わらないから一つだけ図示している。ガルバノミラーＧから対象物Ｔまでの距離をΓとする。ガルバノミラーによる光線の走査角をθとする。θは変数である。全振幅角をΘとする。それは最大振幅におけるθの２倍の角である。対象物での全振幅をｐとする。

ガルバノミラーで光線を左右に揺動させると実線と破線によって示すように平行ビームの全体が左右に揺れる。対象物面Ｔでの照射点がｗ、ｗ’の間を往復するようになる。つまり照射が点でなくて線分になるのである。ガルバノミラーが二つあって主走査、副走査することにすれば照射は面になる。つまり０次元的な照射から、ガルバノミラーを使うことによって一次元照射、二次元照射となるのである。
しかし、そのようなレーザ走査装置はこれまで存在しなかった。それはどうしてかというと、走査角θが小さくても伝送系Γが長いので対象物での全振幅ｐが大きくなりすぎてしまうからである。
ｐ＝ΓΘ （４）

ガイドパイプやレンズ、ミラーなどにおいてビーム広がりを妨げる最小のものの直径をＩとする。それはガイドパイプの場合が多いので以後ガイドパイプの内径と簡単にいうが、そうでない場合もある。走査機構の中心軸線の狂いの角度をε、ガイドパイプの内径をＩとすると、レーザビームがガイドパイプ内壁に接触しない条件は最適の場合でも
Ｗ＋ΓΘ＋Γε＜Ｉ （５）
である。
ここでＷは平行ビームの直径、Γは走査機構・対象物間の距離、Θは全走査角である。走査機構の中心軸線の狂いが全くない場合でも
Ｗ＋ΓΘ＜Ｉ （６）
でなければならない。レーザビーム直径Ｗが０の極限でも
ΓΘ＜Ｉ （７）
は成立しなければならない。

それは難しい条件である。たとえばガイドパイプ内径Ｉが１５ｍｍとし、ビーム径がＷ＝５ｍｍとして走査機構・対象物距離Γが１２００ｍｍとすると、（Θ＋ε）は０．４６度（２７分）以下でなければならない。それはガルバノミラーの設定誤差εだけで超えてしまいそうな微小量である。とてもビームを左右に走査するような余裕がない。だから伝送系の緒段でビームを走査するというようなことはとても難しいことなのである。

それに長距離伝送すると光は回折によって広がる。図７のようにビームがガイドパイプ中心を正しく進行している（イロ、ハニ）場合でも、回折によってイホ、ハヘというようにビーム広がりがある。
回折と走査が重なると図８のように走査の方向でビームがイリというようにガイドパイプ内壁に当たってしまう。

回折というのは図６に示すように有限口径のビームには必ず起こるものである。壁４４の開口部４５から出た平行ビームは遠くの壁面Ｔでは主ビーム５４の他に回折ビーム５２、５３、５５、５６などを伴う。つまりビームは回折によって両側に広がる。回折の存在がよけい偏奇角の余裕を奪うということになる。

本発明は次のような長距離伝送用光学系を提案する。
Ａ．レーザ光を適当な直径の平行ビームにしたあと、平行ビームを反射しｘ方向に走査する第１ガルバノミラーと、それを反射しｙ方向に走査する第２ガルバノミラーと、第２ガルバノミラーで反射された走査平行ビームをリレーレンズ（焦点距離ｆ_１）によって軸近傍で結像させ、それをリレーレンズ（焦点距離ｆ_２）から遠く離れたコリメートレンズで平行ビームにし、さらに集光レンズで集光し、ガルバノミラーから（ｆ_１＋ｆ_２）以上離れた加工面に二次元走査ビームとして照射するようにしている。

Ｂ．レーザ光を適当な直径の平行ビームにしたあと、平行ビームを反射し、ある方向に走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーで反射された走査平行ビームをリレーレンズ（焦点距離ｆ_１）によって軸近傍で結像させ、それをリレーレンズ（焦点距離ｆ_２）から遠く離れたコリメートレンズで平行ビームにし、さらに集光レンズで集光し、ガルバノミラーから（ｆ_１＋ｆ_２）以上離れた加工面に一次元走査ビームとして照射するようにしている。

Ｃ．レーザ光を適当な直径の平行ビームにしたあと、平行ビームを反射しｘ方向に走査する第１ガルバノミラーと、それを反射しｙ方向に走査する第２ガルバノミラーと、第２ガルバノミラーで反射された走査平行ビームをリレーレンズ（焦点距離ｆ_１）によって軸近傍で結像させ、それをリレーレンズ（焦点距離ｆ_２）から遠く離れたコリメートレンズで平行ビームにし、ガルバノミラーから（ｆ_１＋ｆ_２）以上離れた加工面に二次元走査ビームとして照射するようにしている。

Ｄ．レーザ光を適当な直径の平行ビームにしたあと、平行ビームを反射し、ある方向に走査するガルバノミラーと、ガルバノミラーで反射された走査平行ビームをリレーレンズ（焦点距離ｆ_１）によって軸近傍で結像させ、それをリレーレンズ（焦点距離ｆ_２）から遠く離れたコリメートレンズで平行ビームにし、ガルバノミラーから（ｆ_１＋ｆ_２）以上離れた加工面に１次元走査ビームとして照射するようにしている。

Ａ、Ｃは二次元走査の場合を、Ｂ、Ｄは一次元走査の場合を定義している。ビームを集光しない場合はＣ、Ｄによって定義し、ビームを集光する場合をＡ、Ｂによって与えている。

長距離伝送用でありレーザ光を遠くまで導光する必要があり、そのためにリレーレンズとコリメートレンズが遠く離れている（１５０ｍｍ〜３０００ｍｍ、例えば４００ｍｍ）。リレーレンズとコリメートレンズが遠く離れているということが条件になる。そこで前段のリレーレンズとコリメートレンズの間で一旦集光させてある。それはビームの全成分を集光させている点であり集光点Ｊという。リレーレンズとコリメートレンズの間を集光点のないビームとしないということである。

リレーレンズとコリメートレンズが近接していれば、そのような必要はないのであるが、長距離伝送用であってレンズ間隔が広いのでそのような必要があるのである。Ｌ_１より前で平行ビームであり、Ｌ_２より後でも平行ビームなのだから、集光点ＪはＬ_１の後ろ焦点であり、Ｌ_２の前焦点である。

動きのない静的な平行ビームを長距離伝送するのは簡単であるが、ガルバノミラーで走査された動的な平行ビームを長距離伝送するのは難しい。本発明のように二つのレンズを組み合わせ中間で集光点Ｊを一つ持たせるのがよい。

後段のコリメートレンズから出たビームは走査された平行ビームである。それは平行ビームのまま進行するのであるが平行ビームの中心線を考えると全てのビームの中心線が必ず通過する点（収束点）が存在する。収束点はガルバノミラーの後方（ｆ_１＋ｆ_２）の位置である。それをここでは収束点Ξと呼ぶ。それは集光点Ｊとは違う。収束点Ξをビーム中心が必ず通るし、そのときの傾斜角は−θなので、平行ビームはガルバノミラーでなくて収束点で実効的に走査されたようになり伝送路長が実効的に（ｆ_１＋ｆ_２）だけ短縮されたのと同じことになる。

そのまま平行ビームで被処理物の加工面Ｔに照射してもよいし平行ビームを集光レンズで絞って照射してもよい。実効的な光路長が（ｆ_１＋ｆ_２）だけ短縮されるのであるから、対象物はガルバノミラーから（ｆ_１＋ｆ_２）以上離れているのが条件となる。

本発明は、ガルバノミラーで平行ビームを走査（一次元、二次元）したのち、リレーレンズＬ_１で一旦Ｊ点に集光し、それをさらにコリメートレンズＬ_２で平行ビームにするから、平行ビームの中心ビームは、ガルバノミラーから２（ｆ_１＋ｆ_２）の距離後方にある収束点Ξで交差し傾斜角が−θとなるから、実効的にガルバノミラーの位置が２（ｆ_１＋ｆ_２）だけ後ろへずれたというのと同じことになる。

だから長い伝送路の中を平行レーザビームがガイドパイプ内壁に当たらないようにレンズ、ミラー有効径からはずれないようにして伝送することができる。走査による角度ズレだけでなく回折によるビームの広がりをも補償することができる。走査機構を設けるための空間的な余裕がない場合でもビーム走査できる機構を与えることができる。まことに優れた発明である。

光源から出た光ビームを揺動ミラーで反射走査し揺動ビームを対象物まで長い距離伝送するための装置なので光学系は単純でない。概略の構成を平面図によって示す図１０、図１１によって長距離伝送用光学系のあらましの構成を説明する。図１０は反射ミラーのない本発明の基本的な長距離伝送用光学系を示し、図１１は反射ミラーを用いる本発明の多関節光学系を示す。

図１０において、レーザ光源Ｓから小口径のレーザビームＡがある方向に（ｘ方向とする）に出射される。レーザ光源Ｓは炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザなど高出力の加工用レーザである。炭酸ガスレーザ（１０．６μｍ）は低損失のファイバがないのでミラーと空洞のガイドパイプを組み合わせた関節光学系となる。ＹＡＧは可視光であり低損失ファイバがあるがミラー光学系で導光するようにすれば本発明を適用できる。炭酸ガスレーザの場合はレンズはＺｎＳｅやＧｅを用いる。ＹＡＧの場合は可視光用のガラス、石英のレンズを使うことができる。そのほかレンズ、ミラー、ガイドパイプによって伝送するパワーレーザ光学系に用いることができる。以下の記述では主に炭酸ガスレーザの場合について述べることにする。

光源Ｓから出たレーザ光Ａの口径は小さいので所望の口径に拡大するために、レーザＳの直後にはビーム発散角補正レンズＬ_４、Ｌ_５が設けられる。これはコリメートレンズ（Collimate Lenses）であって、前方のレンズＬ_４で小ビームＡを拡大ビームＢにし後方のレンズＬ_５で直径の広い平行ビームＣにする。コリメートレンズというのは、ある平行ビームを異なる直径の平行ビームに変換するものでよく知られたものである。この例では平行ビームを拡径するのだから前のＬ_４は凹レンズ、後ろのＬ_５は凸レンズであり、Ｌ_４、Ｌ_５の前焦点が合致するように配置してあるので、平行ビームＡを平行ビームＣに変えることができる。

所望の口径になった平行ビームＣは第１ガルバノミラーＧ_１によって反射されｘ方向に走査される。さらにｘ方向走査ビームＤが第２ガルバノミラーＧ_２によってｙ方向に走査される。ｙ方向走査ビームＥはｚ方向に向かう。ｘ方向走査装置３２からｚ軸棒３３が出ており、それが第１ガルバノミラーＧ_１を揺動可能に支持している。ｘ方向走査装置３２はｚ軸棒３３を介して第１ガルバノミラーＧ_１をｘ方向に微小振幅角Θ_ｘで揺動する。ｙ方向走査装置３４からｘ軸棒３５が出ており、それが第２ガルバノミラーＧ_２を揺動可能に支持する。ｙ方向走査装置３４がｘ軸棒３５を介して第２ガルバノミラーＧ_２をｙ方向に微小振幅角Θ_ｙで揺動する。ガルバノミラーによって２回反射されたレーザ光は所望の口径を有するｚ軸方向を向く二次元（ｘ，ｙ）走査ビームＥとなる。

伝送路の初めにおいてビームを二次元（或いは一次元）走査するということが重要であってｘ，ｙ走査の順序は反対であってもよい。走査してから対象物までの伝送距離Γが長い、というのが問題である。伝送距離Γと振幅角Θを掛けたものが対象面での振幅長ｐ＝ΓΘとなる。走査振幅角Θは極わずかであるが、そのご長距離（Γ）伝送するから対象面Ｔでは有意の振幅長（ｐ＝ΓΘ）となる。振幅長ｐは目的によるが１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

多関節光学系の場合は、図１１のように幾つものミラーでたびたび反射される。ガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２で走査された平行ビームＥは第１反射ミラーＭ_１によって直角に反射される。

実際には平行ビームＥは第１ガイドパイプ２７によって囲まれる空間を通過する。図１１では平行ビームＥや第１ガイドパイプ２７は大部分を省略し一部分だけを図示している。その他のビームも同様であり、図示できないので短く書いてあるが実際には長いビームで、それを囲むガイドパイプも長いものである。

この例ではビームＥはｚ軸に平行であり、第１反射ミラーＭ_１はビームをｘｙ面の任意の方向へと反射するものである。反射ビームＧはだから元の座標系ではｘｙ面の任意の方向を向いている。そのような反射ミラーがあれば任意の方向へビームを自在に伝送することができる。ここでは３つの反射ミラーＭ_１、Ｍ_２、Ｍ_３の例を示すが、反射ミラーの数は任意である。

本発明の骨子が反射ミラーの配置にはないので、例として反射ミラーが最低の３つ組の場合を示すが、その数は任意である。
本発明の骨子はこれ以後の構造にある。
図１０の反射ミラーのない場合では、平行ビームＧはリレーレンズＬ_１によって収束され収束ビームＨとなりＪ点で一度収束したのち拡散ビームＫ、Ｎとなる。平行ビームＥ、Ｇは第１ガイドパイプ２７で囲まれ、収束ビームＨ、拡散ビームＫ、Ｎは第２ガイドパイプ２８で囲まれている。拡散ビームＮはコリメートレンズＬ_２によって平行ビームＰとなる。
図１１の多関節系では、第１反射ミラーＭ_１で反射された平行ビームＧはリレーレンズＬ_１によって収束ビームＨとなりＪ点で一旦収束する。Ｊ点を越えて拡散ビームＫとなり第２反射ミラーＭ_２に当たる。ビームＨ、Ｋは長い第２ガイドパイプ２８によって囲まれている。Ｍ_２で反射され反射ビームＮとなる。ビームＮはコリメートレンズＬ_２で平行ビームＰとなる。平行ビームＧとＰの直径は同じＷである。

リレーレンズＬ_１からコリメートレンズＬ_２の部分（ビームＨ、Ｋ、Ｎの部分）が長くて、そこが問題である。コリメートレンズＬ_２から出た平行ビームＰは第３ガイドパイプ２９の内部を通過する。

第３反射ミラーＭ_３は平行ビームＰを９０度反射するが、それによって得られた反射ビームＱは第４ガイドパイプ３０で囲まれる。第１〜第４ガイドパイプ２７、２８、２９、３０は何れも長いが図面の制約があるので短く描いている。

反射ミラーのない図１０の場合は、コリメートレンズＬ_２から出た平行ビームＰ、Ｑは第３ガイドパイプ２９の中を通り、集光レンズＬ_３によって集光されて対象物面Ｔのスポットｗに当たる。
図１１では、第３反射ミラーＭ_３によって反射された平行ビームＱは集光レンズＬ_３によって集光されて対象物の加工面Ｔのスポットｗに当たる。
そこで溶接、切断、熱処理などの作用を行う。加工面Ｔは被処理物の面であるが説明の便宜のため二次元座標系（ξ，η）を取っている。そのη、ξ座標はガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２の近傍に取った座標（ｘ，ｙ）とは全く別物であり区別しなければならない。

長距離伝送用としてビームを自由に伝送したいので、常に９０度の方向に光を反射するようにしている。第１ガイドパイプ２７、第２ガイドパイプ２８、第３ガイドパイプ２９、第４ガイドパイプ３０の長さは目的によって適当に選ぶ。つまりビームの長さ、レンズ・ミラー間の距離は目的によって適切なものに設定する。

そのようにガイドパイプと関節系によってレーザビームを導くのは、炭酸ガスレーザ（ＣＯ_２）の場合である。炭酸ガスレーザの発振波長は１０．６μｍである。もしもそのような近赤外線光を低損失で導光できる光ファイバが存在すれば、そのような関節系は不要である。

しかし残念なことに炭酸ガスレーザ用の低損失光ファイバは存在しない。だからどうしてもガイドパイプとミラーを組み合わせた関節系によってレーザ光を空間伝送しなければならない。関節系で光を伝送するから反射ミラーとレンズを使うことになる。損失をできるだけ少なくするため反射ミラーの数はできるだけ少なくし反射ミラーの材料はできるだけ反射率の高いものにしなければならない。

ミラーは誘電体多層膜と金層を組み合わせて９９％以上の反射率のものが製造可能である。レンズはもっと問題である。炭酸ガスレーザの１０．６μｍを低損失で通すのは現在実用的にはＺｎＳｅレンズしかない。ＺｎＳｅレンズはＣＶＤ法で作ったＺｎＳｅ多結晶を加工して作るからそれ自体高価である。また透過損失が０というわけにゆかない。反射ミラーよりも損失が大きい。損失が大きい場合とか汚れがある場合など、強烈な炭酸ガスレーザの光を吸収してレンズが熱膨張し破損することもある。だからレンズはできるだけ数を少なくしなければならない。

図１０、１１の関節系ではコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５、リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２、集光レンズＬ_３というように合計５枚のＺｎＳｅレンズを使っている。たとえ１枚あたりの損失がわずか１％としても５枚あれば全損失が５％というようになってしまう。だからレンズの数を増やす事は望ましい事ではない。

長距離伝送用として作業用に炭酸ガスレーザの強力なビームを使いたいのであるからビームを遠くまで任意の場所へ運ぶ必要がある。そのために関節の数は少なくとも３つ必要である。また遠方まで搬送したいのだからガイドパイプ２７、２８、２９、３０は充分に長いという条件がある。

図１に示すように、これまで静止したビームを多重反射して任意の場所へ伝送するような多関節光学系は存在した。それはガルバノミラーがなくてビームは揺動することなく常にガイドパイプの軸（筒軸と呼ぶ）に沿って伝搬するものであった。だからビームＡ〜Ｑは全て筒軸に平行でありビームの軸ズレはない。

本発明ではレーザ近傍に設置したガルバノミラーを二つ使ってビームを走査し、その後走査ビームを遠距離伝送する。対象物の近傍は狭くて余裕がなくガルバノミラーを対象物の近傍に設けることができないからである。だからレーザの近傍で（伝送初期において）ビームをガルバノミラーで走査する。走査ビームはもはやガイドパイプの軸（筒軸という）に平行とは限らない。ビームを揺動させるガルバノミラーが集光レンズＬ_３の先（関節系の終端）にあるようなビーム走査系は既に知られている。そのように伝送系の終わりにガルバノミラーＧ_６を設けたもの（図３）は問題がない。

しかし本発明のように関節系の始端にガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２を設けたものはレンズ系に対して新たな課題を課すことになる。既に述べたように光学系の始端にガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２を設け、それをレンズミラー系で遠くまで伝送するようにしたものはこれまでかつて存在したことはなかった。一つにはビーム走査を必要としない（静止ビーム）場合が多いからである。また溶接のためビーム走査する場合でも対象物の近傍に余裕空間があってガルバノミラーを設けることができたからである。走査を必要とするが対象物の近傍は余裕がないというような応用はそれまでなかった。しかし対象物が小さく空間の余裕がないのにビーム走査したいという新たな要求が現れた。本発明はそのような新たな要望に初めて応えるものである。

図１、図２など従来の炭酸ガスレーザの伝送において殆どの部分を断面積が一定の平行ビームにして伝送している。しかしビームをガルバノミラーなどで揺動してから長距離伝送するには平行ビームを維持していたのではいけないというのが本発明者の発見である。

平行ビームのままで伝送するのではなくて本発明はリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２の間のＪ点で一旦集光させるようにする。Ｊ点で一旦集光させるようにした方がビーム揺動の余裕を大きく取れて、しかも揺動角（走査角）θに対する偏奇距離Ｌの比例定数を小さくでき偏奇量が安定する。そのためリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２の二つのレンズを新たに追加し、その中間点で一旦集光し、さらに拡散ビームにして平行ビームにする。平行ビームを維持するのであれば（図１、２）リレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２は不要である。しかしリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２でビームを一旦集光（Ｊ点）反転させて平行ビームにすることにはレンズ増加という欠点を補うような利点がある。それが本発明の骨子である。

関節に設けた反射ミラーで反射しながらビームを導くのは炭酸ガスレーザを用いる長距離伝送用光学系では必須のことであり本発明の要旨ではない。本発明の着想の妙はリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２よりなる。リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２の２つのレンズをまとめてスキャンレンズと呼ぶことにする。スキャンレンズの作用が重要である。集光レンズＬ_３は従来例の図１、２にもあるのだから本発明で新規なのはＬ_１、Ｌ_２である。
リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２の屈折率をｎとすると、Ｌ_１の前後曲面の曲率半径の逆数の和は（ｎ−１）／ｆ_１（ｆ_１：Ｌ_１の焦点距離）となる。そして、Ｌ_２の前後曲面の曲率半径の逆数の和も同じく、（ｎ−１）／ｆ_２（ｆ_２：Ｌ_２の焦点距離）となる。
また、リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２を前側平面、後側凸面の平凸レンズとする場合は、焦点距離がｆ_１＝ｆ_２の時、Ｌ_１・Ｌ_２間距離をＬ_１Ｌ_２、レンズの屈折率をｎとすると凸面の曲率半径は（ｎ−１）Ｌ_１Ｌ_２／２となる。

図１１の光学系は３次元では複数のミラーを含み光路が折れ曲がって直観的に理解しにくいので、ミラーによる反射を捨象し２次元的に直線化した抽象的な光学系図を示している。

反射は必ず９０度反射（入射角４５度、反射角４５度）であるからミラー面に関して面対称にビームを折り返すと図１０、１１のような直線ビームだけの分かりやすい図になる。
図１１はミラーによる反射を直線で表現したものであるがレンズによる作用を考えるときはさらにミラーの反射を全く排除して考えるとわかりやすい。
図１１をミラー光学系を無視してたどることにすると次のようになる（図１０）。

図１０によって説明する。レーザ発振器Ｓから出た小さい直径の平行ビームＡがコリメートレンズＬ_４、Ｌ_５で一定直径ＷのビームＣになる。以後Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｇと同一口径Ｗのビームを維持する。ビームＣがガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２でｘ方向、ｙ方向に走査される。そのように伝送の初期に走査するということが本発明に新たな課題を与える。走査してからの伝送すべき距離Γが長いので振幅ｐ（＝ΓΘ）が大きい。

走査された後は軸に沿う光でなくて二次元的に揺動する平行ビームとなる。それがリレーレンズＬ_１で交差ビームＨ、Ｋ、ＮとなりコリメートレンズＬ_２によって再び平行ビームＰとなる。そのときの直径は任意であるが、簡単のため初めと同じ直径Ｗのビームとする。そしてそれが集光レンズＬ_３で絞られて被処理物加工面Ｔに当たる。スポットｗが照射点である。

ガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２による走査が初期にあるのでビームは実線で示すように下方へ走査される（照射点はｗ）こともあり破線で示すように上方に走査される（照射点はｗ’）こともある。走査を分かりやすく示すため図１０、１１ではことさら誇張しているが実際には走査角は小さく、Ｔ面での走査振幅ｐも小さいものである。

それでは本発明はどうしてＴ面での走査振幅ｐを少なくできるのか？その原理が問題になる。それはなかなか分かりにくいことである。そのような工夫はこれまで存在しなかったし専門家の常識の外にあるといえる。理解しにくいことである。それでことさら念入りに説明する必要がある。

リレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２だけでのビームの光路の変化は、図１２〜１４のようになると思われよう。走査角はθ_ｘとθ_ｙと二つあるがどちらでも同じことであるからいずれかを考えることとし、サフィックスを除いて簡単にθと書く。走査角θは光軸ｍに対するビームの傾斜角である。進行方向上向きを正と定義する。図１２は走査角θが正の場合を示す。図１３は走査角θ＝０の場合を示す。図１４は走査角θが負の場合を示す。

図１３では走査角が０だからビームＧは光軸に平行である。だからＬ_１による収束点Ｊ_０は光軸ｍ上にある。平行ビームＧの上限の幅がイハで示される。全てのビームはイハの間に存在する。だから上下端だけを考えれば全ての光線の行方がわかる。上端の光線はイルＪ_０ヲワと反転して進む。下端の光線はハカＪ_０ヨタと反転して進む。ビームＰは光軸に平行である。ビームＧの口径Ｗと、ビームＰの口径は同じでＷであり反転しているだけである。光線イルの延長上に光線ヨタがあり、光線ハカの延長上にヲワが存在する。だからＬ_１、Ｌ_２の作用はビームを反転させただけでありビームの直径も変わらず伝搬方向も変わらない。

図１２は走査角θが正の場合でありビームＧは上向きである。その場合光軸より上の点Ｊ_１で収束する。上向きビームなのでＬ_２で上向きに屈折してイレＪ_１ソツとなりビームＰとなる。下の光線ハネはＪ_１点を通り光線ナラとなる。ビームＰは相変わらず上向き平行であって進行方向は同一で、イレの延長上にナラがあり、光線ハネの延長上に光線ソツがあると考えられる。だから二つのレンズＬ_１、Ｌ_２はビームを反転させるだけであり前後の平行直線性は維持すると思われる。図１３と対比してもそのようなビーム変化になろうと容易に推測される。

図１４は走査角θが負の場合でありビームＧは下向きである。その場合平行ビームはＬ_１によって屈折し光軸より下の点Ｊ_２で収束する。下向きビームなのでＬ_２で下向きに屈折して上光線はイムＪ_２ヰノとなり、下光線はハオＪ_２クヤとなる。ビームは相変わらず平行であって光線イムの延長上に光線クヤがあり、ハオの延長上にヰノがあると考えられる。だから二つのレンズＬ_１、Ｌ_２はビームを反転させるだけであり前後の平行直線性は維持すると思われる。図１３と対比してもそのようなビーム変化になろうと容易に推測される。

しかしながら、それは全くの誤りである。そう考えてしまうと本発明の着想の妙を全く理解できない。
図１３は正しいが図１２、図１４は誤りである。本発明の理解しにくさを納得させるためにわざと誤った図１２、１４を描いているのである。図１２のように上向きビームが上向きに、図１４のように下向きビームが下向きに伝送されるというのは合理的に見える。Ｌ_１の焦点距離ｆとＬ_２の焦点距離ｇは違ってもよいのであるが簡単のため同じ（ｆ＝ｇ）であるとする。図１３でＪ_０点は丁度Ｌ_１から焦点距離ｆの光軸上の位置である（Ｌ_１の後焦点）。またＪ_０はＬ_２から丁度焦点距離ｆの光軸上の位置である（Ｌ_２の前焦点）。だから図１３において平行ビーム（イル）はＬ_１によってＪ_０点に結像し、さらにＬ_２で平行ビーム（ヲワ）となるはずである。

だから図１２においては光軸ｍから上に離れたＪ_１点で結像して、そのあとビームは上向きに進むのでＬ_２を越えて再び平行ビーム（ナラ、ソツ）になる筈だと考えられよう。それはごくごく自然な思考である。

しかし、そうではない。それは誤りである。実はそうでないのである。正しい作図を図１５、図１６、図１７に示す。図１６はθ＝０の場合で図１３と同じであるが図１５、１７と対比し易いように再記した。θが正の上向き平行ビームＧは光軸より上の点Ｊ_１点に収束する。光軸からの距離ｊは
ｊ＝ｆθ （８）
である。

この式はθがいくらでも成立する。図１２〜図１７の全てについて成り立つ。ハからの光線ネＪ_１はＬ_２のナ点にいたる。そこでの屈折が図１２のナラ（上向き）と違う。真実はナマというように下向きの屈折ビームとなる。イレＪ_１ソという光線はソ点で上向きソツ（図１２）でなく下向きソケ（図１５）のように屈折する。だから屈折光線Ｐは平行であるが、その傾斜角は＋θではなく−θなのである。ナマ、ソケは−θで下向き光線となる。つまりスキャンレンズＬ_１、Ｌ_２は平行直線性を維持するのではなくて平行であるがビームが反転し傾斜角も反転するのである。走査角がθの場合スキャンレンズはそれを−θにする。それが重要である。本発明の着想はひとえにそこにあるといってよい。

走査角が負の場合も同様である。図１７において、光線Ｇ（イム、ハオ）は光軸ｍの下の点Ｊ_２で収束する。光軸ｍからの距離ｊは（８）式ｊ＝ｆθによって与えられる。光線イムＪ_２ヰは上向きのヰフというように屈折する。光線ハオＪ_２クはクコというように上向きに屈折する。つまり−θの走査角をもつ場合それは＋θの方向へ屈折するのである。図１４と図１７を比較すると、その違いが明確になる。下向き平行光線Ｇは上向き平行光線Ｐになるのである。

二つのレンズＬ_１、Ｌ_２の組み合わせになるスキャンレンズはそのように走査角を反転する作用があるのである。走査角反転だけなら意味がないが実は光軸からのズレの方向を反対にし光軸へ近づける作用がある。つまり走査角の反転によって（θ→−θ）、光線オフセット（軸ズレを逆符号へリセット）することができる。光線オフセットを反対側へ引っ張り込む事それが重要である。そうするとビームの光軸偏奇が逆転してしまい、平行ビームがガイドパイプなどに接触しにくくなるのである。それは本発明の見事な効果である。かつて提案されたことはないというような新規斬新の比類なき工夫である。

走査角が反転するので図１０、１１のようになる。実線の上向き走査ビームはＬ_１の後でＪで収束してＬ_２に入り、そこで強く下向きの屈折を受ける。集光レンズＬ_３で絞られ対象物面Ｔの下点ｗに集光する。破線の下向き走査ビームはＬ_１の後でＪ’で収束してＬ_２に入る。そこで強く上向きに屈折され上向き破線ビームとなる。集光レンズで集光され対象物面Ｔの上側の点ｗ’に集光する。つまりビームの上下の反転がコリメートレンズＬ_２と集光レンズＬ_３の間の点（Ξとする）で起こっている。そこを新たな収束点と呼ぶ。個々の光線は平行であり収束していないのであるが個々の光線の中心線をなすビームはΞで収束している。しかもΞは光軸ｍ上の点である。だからΞを収束点と呼ぶのである。

収束点Ξを通るビームの光軸ｍに対する傾斜角は−θである。走査角が＋θの平行光線の中心ビームが光軸ｍ上の収束点Ξで−θの傾斜角をなすのであるから、実効的に収束点Ξにガルバノミラーがあってビームを走査しているのと同じことである。つまり光路の緒端（始端）にあったガルバノミラーを、スキャンレンズＬ_１、Ｌ_２の巧みな作用によって光路後方の収束点Ξへ後ろ送りできたということである。簡単にいうと、Ｌ_１＋Ｌ_２は、ガルバノミラーＧを収束点Ξへ転写したということになる。記号で書くと
Ｌ_１＋Ｌ_２： Ｇ→Ξ （９）
ということである。

本発明の要旨はこれに尽きるのである。ガルバノミラーＧから対象物Ｔまで走査ビームを長距離（Γ＝ＧＴ）伝送するから、スキャンレンズを使わない場合、僅かな走査角振幅Θでも対象物では
（Ｌ_１、Ｌ_２レンズなし） ｐ＝ΓΘ （１０）
の長い振幅をもちガイドパイプ（内径Ｉ）にビームが当たってしまう（ｐ＞Ｉ）恐れがあった。

しかし本発明では収束点Ξでビーム走査するのであるから、収束点Ξと対象物Ｔの距離Ｖ（Ｖ＝ΞＴ）が比例定数となり、対象物Ｔでの走査全振幅ｑ（最大振幅）は
（Ｌ_１、Ｌ_２あり；本発明） ｑ＝ＶΘ （１１）
となるのである。

Ξ・Ｔ間の距離Ｖは、Ｇ・Ｔの距離Γより格段に短い。だから対象物での全振幅がガイドパイプの内径Ｉよりも常に小さくすることは簡単である。
ｑ＝ＶΘ＜Ｉ （１２）

例えばガイドパイプの内径を１０ｍｍとして、対象物での全振幅（ｑ、ｐ）を６ｍｍとする（両側に２ｍｍのマージンをとる）と（６ｍｍ＝ΓΘ）、ガルバノミラーから対象物までの距離Ｇ・ＴをΓ＝１２００ｍｍとすると、スキャンレンズＬ_１、Ｌ_２がない場合、走査全振幅角Θは１／２００ラジアン＝０．２９度＝１７分となる。極めて小さい走査角である。そのようなガルバノミラーは製造が難しい。それにガルバノミラーの方位の狂いが０．１度（マージンに当たる量）以下でなければならないということも意味する。それは実際とても難しい条件である。

本発明の場合は、Ｌ_２レンズの後方に収束点Ξを形成し実効的にΞにガルバノミラーを置いているのと同じことである。そうなるとガルバノミラーの許容走査角をより大きくできる。ガルバノミラーの方位の公差（許容誤差）も大きくする事ができるのである。収束点ΞはＬ_２の後ろであり、Ｌ_２とＴの距離を２００ｍｍとすると、Ξ・Ｔ間の距離Ｖは１００ｍｍ程度にすることができる。ガイドパイプ内径Ｉを１０ｍｍ、対象物での全振幅ｐを６ｍｍとすると（６ｍｍ＝ＶΘ）、走査全振幅角Θは６／１００ラジアン＝３．４度となる。これはかなり大きい走査角（半走査角は１．７度）である。ガルバノミラーの方位の許容誤差（公差）も１度程度に広がる。そのためにガルバノミラーの設計・製造・制御が容易になる。

図１０、１１において収束点Ξができるので、そこにガルバノミラーが移動したのと同じような効果があるということを述べた。そのようにできるのはスキャンレンズＬ_１、Ｌ_２の卓越した効果である。文章と式だけでは分かりにくいので図１８、図１９によって再び述べよう。

図１８はスキャンレンズＬ_１、Ｌ_２のない場合の経路に沿った走査ビームの広がりを表す図である。ビームの進行方向は下向きにとってある。上にあるのがガルバノミラーＧである。二つのガルバノミラーＧ_１、Ｇ_２があるが同じことであるから一つのガルバノミラーＧだけで考える。縦に延びるのがビームを囲むガイドパイプ２４〜３０である。ミラーやレンズは捨象してあり下には対象物面Ｔがある。ガルバノミラーＧから対象物Ｔまでの距離ＧＴはΓである。ガイドパイプの内径をＩとする。ビーム走査全振幅角をΘとする。対象物での全振幅はｐ＝ΓΘである。

走査ビームを右から順にエ、テ、ア、サ、キ、ユ、メとする。Γが長いので光線エ、テ、メ、ユなどはガイドパイプ２４〜３０に当たって（ミ点、シ点など）しまっている。強力なレーザビームだからガイドパイプの内壁に当たるとガイドパイプを加熱破損する恐れがある。破損しないまでも劣化する。また対象物に当たらないから光線エ、テ、メ、ユは無駄になる。キサアの範囲で走査すれば良いということであるが、Γは１０００ｍｍ以上で、ｐは６ｍｍ〜１ｍｍだから走査角振幅Θは極めて小さくてそれは難しいのである。

図１９は本発明の思想に従ってスキャンレンズＬ_１、Ｌ_２を設けた場合の経路に沿った走査ビームの広がり狭まりを示す図である。ビームの進行方向は下向きに取ってある。最上点はガルバノミラーＧである。最下点に対象物Ｔがある。中間位置にリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２がある。
図１８と同じ走査ビームのエ、テ、ア、サ、キ、ユ、メを考える。中心の光線サは直進して対象物の中心点ンに至る。

最外光線エは延長線がガイドパイプにミ点でぶつかるがＬ_１で内側（左側へ）折り曲がり（ヒ）Ｌ_２でさらに左へ曲がり（モ）収束点Ξで光軸ｍを越える。収束点Ξを通り越すと最左の光線セとなってス点で対象物Ｔに当たる。それより内側の光線テやアはスとンの間で順に並んだ点に入射することになる。光線セは光線メと平行である。全ての光線は対象物面Ｔのスズ間に含まれる。

収束点Ξを出るビームの傾斜角は−θだから収束点Ξでの広がりとガルバノミラーＧでの光線広がりは同じである。だから、収束点ΞにガルバノミラーＧがあるのと同じことだということである。収束点Ξと対象物Ｔの距離Ｖは短いから対象物での走査は狭くなるということがわかる。つまり走査広がりを考える場合、対象物ＴからΓの遠距離にあるガルバノミラーを、対象物ＴからＶの近距離にある収束点Ξへもってきたのと等価だということである。Ｌ_１、Ｌ_２のスキャンレンズによって、そのような好都合な特徴が得られるのである。

それではＶはいくらなのか？ということが次の問題となる。
図１９において、ガルバノミラーを原点にとってビーム光軸をｚ軸とする。ビームの光軸からのズレの量をｘとする。一次元走査でも二次元走査でも同じことであるから、一方の方向のずれだけを考えればよい。それをｘとするのである。走査角をΘとすると、ガルバノミラーＧ・リレーレンズＬ_１間では
ｘ＝ｚΘ （１３）
である。

ガルバノミラーＧ・リレーレンズＬ_１間距離をａとすると、リレーレンズＬ_１でのビーム偏奇は
ｘ（Ｌ_１）＝ａΘ （１４）

となる。リレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２の間のＪ点で収束するので簡単のためｆ_１＝ｆ_２と仮定するとＪ点はｊ＝Θｆの高さにある。
ｘ（Ｊ）＝ｆΘ （１５）

全てのΘ方向のビームがＪ点を通り、コリメートレンズＬ_２に至るのだから、コリメートレンズＬ_２におけるビームの偏奇は
ｘ（Ｌ_２）＝（２ｆ−ａ）Θ （１６）
となる。

それは式（１４）と（１６）の平均が（１５）なのだから、すぐにわかることである。コリメートレンズＬ_２を出たビームの偏向角は−Θである。コリメートレンズＬ_２はｚ＝ａ＋２ｆであるから、コリメートレンズＬ_２を出たあとｚにある対象物Ｔまでのビームの偏奇ｘは
ｘ＝（２ｆ−ａ）Θ−Θ（ｚ−ａ−２ｆ） （１７）
となる。

その式の中でａが消えてしまい、４ｆの項だけが残る。
ｘ＝（４ｆ−ｚ）Θ （１８）

この式は走査角Θがいかなる値でも
ｚ＝４ｆ （１９）
の時に０となってしまう。

それはつまり、どのような走査角のビームでもｚ＝４ｆで中心ビームが光軸を横切るということに他ならない。それはつまりｚ＝４ｆが収束点Ξだということである。図１９において
Γ−Ｖ＝４ｆ （２０）
である。ガルバノミラーから出たのと同じことが収束点Ξで起こるのである。そしてΞはガルバノミラーより後方４ｆにあるということである。

だからスキャンレンズ（Ｌ_１、Ｌ_２）によって、ガルバノミラーを実効的に４ｆだけ後方へずらすことができたということである。上の式はＬ_１、Ｌ_２の焦点を同一としているが異なる場合でも同様なことが言えて収束点はｚ＝２（ｆ_１＋ｆ_２）となるだけのことである。つまりガルバノミラーより後方２（ｆ_１＋ｆ_２）に収束点Ξができて、そこから走査をしているのと同じ事になる。

Ｌ_１・Ｌ_２間の距離が（ｆ_１＋ｆ_２）なのであるから、その２倍分も光路長を実施的に削減できたということになる。レンズ間長の２倍も減らせるというのが本発明の思想の有利なところである。１倍だけ減らせても効果はあるが２倍も光路長を縮減できるのである。収束点Ξより後方Ｖの距離に対象物Ｔをおくとするそのｚ座標をΓとすると、

Ｖ＝Γ−４ｆ 或いは Γ−２（ｆ_１＋ｆ_２） （２１）
である。Ｖが正であるとき光路長縮減した意味がある。だから好ましくは
Γ＞４ｆ或いはΓ＞２（ｆ_１＋ｆ_２） （２２）
である。それはガルバノミラー・対象物間距離Γが、２（ｆ_１＋ｆ_２）以上であるとき光路長削減の効果が大きいということである。
それではガルバノミラーのレンズＬ_１上での振幅長と対象面での振幅長が等しくなるΓはどれだけか？ということを考える。それは
Ｖ＝ａ （２３）
によって与えられる。その場合のガルバノミラー・対象物間距離Γは
Γ＝２（ｆ_１＋ｆ_２）＋ａ （２４）
ということである。その式は光路長をｆ_１＋ｆ_２だけ削減できたということを如実に示しているわけである。
Ξ点の近傍に対象物Ｔを置くとガルバノミラーの実効振幅が減少する。しかしそれでもよいのであれば、対象物ＴをΞよりも前（Ｖ＜０）のΥ間へもってくることもできる。その場合は、コリメートレンズＬ_２より後方だという条件、
Γ＞ａ＋ｆ_１＋ｆ_２ （２５）
という条件が課される。
その場合でも、光路長を２（ｆ_１＋ｆ_２）だけ削減したという効果はある。振幅長はガルバノメータのレンズＬ_１上での振幅よりも短くなっているが、それでも差し支えないという場合は上の条件（２５）の範囲で使うこともできる。

以上によって実効的に光路長を減らせるから、走査角振幅Θを大きく取れることがわかった。ガルバノミラーの設定誤差公差も大きくできる。
また、上記の本発明においてリレーレンズＬ_１の焦点距離ｆ_１とコリメータレンズＬ_２の焦点距離ｆ_２は同程度で、ｆ_１：ｆ_２＝１：０．２〜４の範囲にあれば良い。
回折の影響も減らすことができ、図９、図２０にそれを示す。図２０において破線は回折によるビーム広がりを示す。イるをわというように回折ビームは内側へ折れ曲がるからガイドパイプ内壁に衝突することはない。

ミラーによる反射を平面上に置きなおして平面化した、レーザ光源、コリメートレンズ、複数のミラー関節・ガイドパイプからなる多関節光学系の概略構成図。 面に関して面対称に折り返すことによってミラー反射を直線化し図１の多関節光学系を単純化した構成図。 特許第２８２９１９２号「レーザビームスキャナ」（特願平４−１４８８２２号、特開平５−３１８１６１号）によって提案されたガルバノミラーを光学経路の終端においてレーザビームを走査して対象物へ照射して対象物の継ぎ目を溶接するようにしたレーザビームスキャナの概略構成図。 図１のような長距離伝送用光学系において、光学経路の緒端（始端）に走査機構であるガルバノミラーを置いてビーム走査をした場合の直線化した仮想関節光学系の想像図。ガルバノミラーからの経路が長いので対象物面Ｔでの走査振幅が大きくてガイドパイプやレンズ、ミラーからはみ出すということを示している。 本出願人が特許第３２０１３９４号「ｆθレンズ」（特願平１１−２２６４３０号、特開２００１−５１１９１号）において提案したｆθレンズの一つの例を示すレンズ構成図。 有限面積の開口部（レンズ）から出た光は完全な平面波ではなくて必ず回折し対象物面では回折による広がりをもつことを示す図。 有限寸法（直径Ｗ）のビームは回折によって必ず広がり、光学系の経路が長ければ回折によるビーム広がりが無視できないことを説明するためのガイドパイプ内部での軸線に沿う平行ビームの伝搬を示す図。 有限寸法（直径Ｗ）のビームは回折によって必ず広がり、光学系の経路が長ければ回折によるビーム広がりが無視できずビームが走査によって傾いている場合は回折のためにビームがガイドパイプ内壁に当たる可能性が高いことを説明するためのガイドパイプ内部での軸線に対して傾斜をなす平行ビームの伝搬を示す図。 有限寸法（直径Ｗ）のビームは回折によって必ず広がり、光学系の経路が長ければ回折によるビーム広がりが無視できないようになるものであるが本発明のように間に収束点をもつスキャンレンズＬ_１、Ｌ_２を経路中に追加した場合回折光は遅く収束し遅く発散するのでガイドパイプ内壁に接触することなく長距離伝搬できることを示すためのガイドパイプ内部での平行ビームの伝搬を示す図。 レーザ光源と、レーザ光を二次元走査するための二つのガルバノミラーと、ガルバノミラー以後の光学経路の中に設けられレーザ光を一旦集光するリレーレンズＬ_１と集光した光線を平行ビームに直すコリメートレンズＬ_２からなるスキャンレンズと、伝送された平行ビームを収束させ対象物に照射する集光レンズを含む本発明の長距離伝送用光学系の直線化した概略構成図。 レーザ光源と、レーザ光を二次元走査するための二つのガルバノミラーと、ガルバノミラー以後の光学経路の中に設けられレーザ光を一旦集光するリレーレンズＬ_１と集光した光線を平行ビームに直すコリメートレンズＬ_２からなるスキャンレンズと、走査光線を反射させながら任意の部位に導くための複数の反射ミラーと自在継ぎ手を含む関節と、伝送された平行ビームを収束させ対象物に照射する集光レンズを含む本発明の長距離伝送用光学系構成図を反射ミラー面に関し折り返すことにより反射を捨象し直線化した概略構成図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、正の走査角（θ＞０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍより上のＪ_１点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームの延長上に同じ傾き角θをもつ平行ビームが生ずるという誤ったビーム進行を示す仮想の２枚レンズ光学系ビーム線図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、０の走査角（θ＝０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍ上のＪ_０点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームの延長上に同じ傾き角θ＝０をもつ平行ビームが生ずるという正しいビーム進行を示す２枚レンズ光学系ビーム線図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、負の走査角（θ＜０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍより下のＪ_２点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームの延長上に同じ傾き角θをもつ平行ビームが生ずるという誤ったビーム進行を示す仮想の２枚レンズ光学系ビーム線図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、正の走査角（θ＞０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍより上のＪ_１点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームとは反対の傾き角−θをもつ平行ビームが生ずるという正しいビーム進行を示す２枚レンズ光学系ビーム線図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、０の走査角（θ＝０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍ上のＪ_０点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームの延長上に同じ傾き角θ＝０をもつ平行ビームが生ずるという正しいビーム進行を示す２枚レンズ光学系ビーム線図。 本発明において新たに設置された平行ビームをＪ点で収束させるリレーレンズＬ_１とＪ点で収束したものを平行ビームに戻すコリメートレンズＬ_２よりなるスキャンレンズ系において、負の走査角（θ＜０）をもつ平行ビームがＬ_１に入射すると光軸ｍより下のＪ_２点で結像し、さらにＬ_２レンズによって元の平行ビームと反対の傾き角−θをもつ平行ビームが生ずるという正しいビーム進行を示す２枚レンズ光学系ビーム線図。 レーザビーム伝送系の初めの部分にビームを左右に走査するガルバノミラーＧを設けた場合ガルバノミラーＧと対象物Ｔの距離Γが長いので走査角全振幅Θが小さくても対象物での全振幅長ｐ＝ΓΘが長くてガイドパイプの内径Ｉを超え（ｐ＝ΓΘ＞Ｉ）レーザビームがガイドパイプ内壁に当たりガイドパイプを加熱破損することを説明するための図。 レーザビーム伝送系の初めの部分にビームを左右に走査するガルバノミラーＧを設け本発明の思想に従ってガルバノミラーの後ろにリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２を設けた場合、Ｌ_１は走査ビームを反対側へ折り曲げＬ_２はさらに強くビームを折り曲げてＬ_２の後方にある収束点Ξに収束させ、Ξから走査角−Θで出射したのと等価となり収束点と対象物Ｔが近距離（Ｖ）にあるので、対象物での走査長さは短くてビームがガイドパイプ内壁に当たらず、ガルバノミラーと対象物の距離Γが長くても差し支えないことを説明するための図。 平行ビームを長く伝送すると回折によってビームが広がるけれども本発明のようなリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２があると回折ビームを内側へ押し込めるので回折によってビームが広がらずガイドパイプの壁面に当たることがないようになり本発明の構成が回折ビームの抑制にも効果的であることを説明するためのレンズ・ビーム図。

符号の説明

Ｌ_１ リレーレンズ
Ｌ_２ コリメートレンズ
Ｌ_３ 集光レンズ
Ｌ_４ コリメートレンズ（凹レンズ）
Ｌ_５ コリメートレンズ（凸レンズ）
Ｌ_５ コリメートレンズ（凸レンズ）
Ｌ_６ 凸レンズ
Ｌ_７ 凹レンズ
Ｌ_８、Ｌ_９ 凸レンズ
Ｇ_１ 第１ガルバノミラー
Ｇ_２ 第２ガルバノミラー
Ｇ_６ ガルバノミラー
Ｍ_１ 第１反射ミラー
Ｍ_２ 第２反射ミラー
Ｍ_３ 第３反射ミラー
Ｍ_５ 放物面鏡
Ｓ レーザ光源
Ｗ ビーム径
Ｉ ガイドパイプ内径
Ｔ 対象物面
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｇ、Ｈ、Ｋ、Ｎ、Ｐ、Ｑ、Ｒ レーザビーム
Ｊ 平行ビームのＬ_１とＬ_２の間の集光点
Ξ 平行ビームの中心光線が収束するＬ_２の後ろの収束点
ｍ 光軸
θ 走査角
Θ 走査全振幅角
ｐ 対象物面での走査全振幅（ガルバノミラーＧからみた）
ｑ 対象物面での走査全振幅（収束点Ξからみた）
Γ ガルバノミラーから対象物までの光学距離
Ｖ 収束点Ξから対象物までの光学距離
ｆ Ｌ_１とＬ_２の焦点距離
２１〜２３ 自在継ぎ手
２４〜３０ ガイドパイプ
３２ ｘ方向走査装置
３３ ｚ軸棒
３４ ｙ方向走査装置
３５ ｘ軸棒
４４ 壁
４５ 開口部

Claims (6)

1. レーザ光を対象物に当てて熱を発生させ切断、研磨、溶接、熱処理、表面処理、マーキング、穴開け、検査をするための光学系であって、レーザ光を発生するレーザ光源と、揺動するミラーを有しレーザ光を反射し一次元または二次元走査するための一つまたは二つのガルバノミラーと、ガルバノミラー以後の光学経路の中に設けられ傾斜角θの平行レーザ光を集光点Ｊに一旦集光する焦点距離ｆ_１のリレーレンズＬ_１と集光した光線を反対の傾斜角−θをもつ平行ビームに直す焦点距離ｆ_２のコリメートレンズＬ_２よりなりリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２の距離を（ｆ_１＋ｆ_２）としたスキャンレンズと、レーザ光を包囲する関節系のガイドパイプとを含み、ガルバノミラーから対象物までの距離ΓをリレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２の焦点距離ｆ_１、ｆ_２の和の２倍である２（ｆ_１＋ｆ_２）より大きくした（Γ＞２（ｆ_１＋ｆ_２））ことを特徴とする長距離伝送用光学系。
2. レーザ光を対象物に当てて熱を発生させ切断、研磨、溶接、熱処理、表面処理、マーキング、穴開け、検査をするための光学系であって、レーザ光を発生するレーザ光源と、揺動するミラーを有しレーザ光を反射し一次元または二次元走査するための一つまたは二つのガルバノミラーと、ガルバノミラー以後の光学経路の中に設けられ傾斜角θの平行レーザ光を集光点Ｊに一旦集光する焦点距離ｆ_１のリレーレンズＬ_１と集光した光線を反対の傾斜角−θをもつ平行ビームに直す焦点距離ｆ_２のコリメートレンズＬ_２よりなりリレーレンズＬ_１とコリメートレンズＬ_２の距離を（ｆ_１＋ｆ_２）としたスキャンレンズと、レーザ光を包囲する関節系のガイドパイプとを含み、ガルバノミラーから対象物までの距離Γを、ガルバノミラーからリレーレンズＬ_１までの距離ａとリレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２の焦点距離ｆ_１、ｆ_２の和より大きくした（Γ＞ａ＋ｆ_１＋ｆ_２）ことを特徴とする長距離伝送用光学系。
3. 伝送された平行ビームを収束させ対象物に照射する集光レンズＬ_３をコリメートレンズＬ_２のさらに後段に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の長距離伝送用光学系。
4. 焦点距離ｆ_１のリレーレンズＬ_１と、ｆ_１に対する比率が０．２〜４である焦点距離ｆ_２のコリメートレンズＬ_２をレンズ距離が（ｆ_１＋ｆ_２）になるように前後に配置してあり、リレーレンズＬ_１によって傾斜角θの平行レーザ光をＬ_１からｆ_１の距離の集光点Ｊに一旦集光し、コリメートレンズＬ_２によってＪ点に集光した光線を反対の傾斜角−θをもつ平行ビームに直すようにしたことを特徴とする長距離伝送用スキャンレンズ。
5. リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２の屈折率をｎとして、レンズＬ_１、Ｌ_２の前後曲面の曲率半径の逆数の和が（ｎ−１）／ｆ_１、（ｎ−１）／ｆ_２に等しい事を特徴とする請求項４に記載の長距離伝送用スキャンレンズ。
6. リレーレンズＬ_１、コリメートレンズＬ_２が平凸レンズであり焦点距離がｆ_１＝ｆ_２であって、Ｌ_１、Ｌ_２間の距離をＬ_１Ｌ_２として、凸面の曲率半径を（ｎ−１）Ｌ_１Ｌ_２／２としたことを特徴とする請求項４に記載の長距離伝送用スキャンレンズ。
   

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