JP2016068131A - 集光径を拡大できるレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集光光学部を備えるレーザ加工装置において、レーザ加工の種類やワークの材質、厚み等に応じた最適な集光径を有するレーザ光をワークに照射できるようにする。
【解決手段】レーザ加工装置１０は、加工ヘッド１８に設けられ、レーザ光源から加工ヘッドに入射した拡散角αを有するレーザ光Ｌを集光して、集光角βを有するレーザ光Ｌとして加工ヘッドから出射させる集光光学部３２と、加工ヘッド１８に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側に配置されて拡散角αを透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させる透過光学部材４４とを備える。透過光学部材４４は、レーザ光の集光径を拡大する集光径拡大部分として機能する円錐板部分４６を備える。円錐板部分４６は、円錐板部分４６を透過したレーザ光Ｌの集光径を、円錐板部分４６を透過せずに集光光学部３２で集光された場合のレーザ光の集光径に比べて拡大する。
【選択図】図２

Description

本発明は、集光径を拡大できるレーザ加工装置に関する。

レーザ光を用いてワークを加工するレーザ加工装置は、一般に、レーザ光源から加工ヘッドに入射したレーザ光を集光して加工ヘッドから出射させる集光光学部を備える。集光光学部は、所要個数の光学レンズを有し、入射したレーザ光に所定の絞り込み角度（本願で集光角とも称する）を与える。集光角を与えられたレーザ光は、集光光学部の主点から所定距離の位置に、結像点に相当する集光点を形成する。集光点におけるビーム径を、本願で集光径と称する。レーザ加工に際しては、ワーク上の加工部位に集光点を一致させたり、意図的に集光点を加工部位から光軸方向へずらしたりして、加工を実施する。集光角は加工部位におけるレーザ光の焦点深度に影響し、集光径は加工部位におけるレーザ光のエネルギー密度に影響する。したがって、溶接、切断、マーキング等のレーザ加工の種類や、ワークの材質、厚み等に応じて、集光角及び集光径のそれぞれの最適寸法を定めることができる。

レーザ加工に用いられるレーザ光の品質は、レーザ光の集光性能（Ｍ^２）に依存し、集光角と集光径との積で表すことができる。集光角と集光径との積はレーザ光の種類（媒体等）に応じて決まる一定値であり、この積が小さいほどレーザ光の品質が高いと言える。レーザ加工装置において、加工ヘッドに入射するレーザ光が最小ビーム径と拡がり角度（本願で拡散角とも称する）とを有している場合、一般に集光光学部は、出射するレーザ光の集光角と集光径との積が入射するレーザ光の拡散角と最小ビーム径との積と同一になる（つまり集光光学部がレーザ光の品質や集光性能に影響を及ぼさない）ように設計される。ここで、集光径は、入射レーザ光の最小ビーム径と集光光学部の結像倍率とによって決まり、集光角は、入射レーザ光の拡散角と集光光学部の結像倍率とによって決まる。したがって例えば、加工種類やワーク種類の変更に対応して集光径を調整したい場合に、集光光学部の結像倍率を変化させると、それに伴い集光角も変化することになり、集光径のみを調整することが困難である。

レーザ加工装置において、集光光学部によりレーザ光に与えられる集光角や集光径を調整可能な構成を有したものが知られている。例えば特許文献１は、レーザ発振器からフィーディングファイバにより伝送されたレーザ光を、コア径の異なる複数のプロセスファイバから選択した１つのプロセスファイバに通すか、或いはプロセスファイバを通さずに、レーザ加工ユニット（集光光学部）に入射させるレーザ加工装置を開示する。このレーザ加工装置では、必要に応じて、レーザ加工ユニットの直前に位置する光ファイバのコア径（つまりレーザ加工ユニットに入射するレーザ光の最小ビーム径）を変更でき、以って、レーザ加工ユニットの結像倍率を変化させることなく、レーザ加工ユニットにより集光されるレーザ光の集光径をワークの厚み等に応じて調整することができる、と記載されている。

特許文献２は、レーザ発振器から射出されたレーザ光を光ファイバにより光学ヘッド（集光光学部）に伝送してワークに照射するレーザ加工装置において、光ファイバの入射側直前に、レーザ発振器からのレーザ光の拡がり角を光ファイバの許容開口数以下となるように調整する調整手段を設けた構成を開示する。このレーザ加工装置では、光ファイバの入射側でレーザ光の拡がり角（つまり光ファイバに入射するレーザ光の絞り込み角度）を調整することで、光ファイバから出射されるレーザ光の拡がり角のばらつき（つまり光学ヘッドで集光されるレーザ光の集光角や集光径のばらつき）を排除でき、以って、一定の加工結果を得ることができる、と記載されている。

レーザ加工装置において、集光角や集光径の調整とは異なる目的で、集光光学部に入射するレーザ光のビーム径やビーム形状を調整する手段を備えたものが知られている。例えば特許文献３は、レーザ発振器から加工ヘッドに入射した円形レーザビームを、凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとの組合せからなるビーム変換部によりリング状レーザビームに変換した後に、投射レンズにより集光してワークの加工点にリング状に投射するレーザ式はんだ付け装置を開示する。また特許文献４は、レーザ光源からのレーザ光を一対のアキシコンレンズの組合せからなるレーザ成形手段により円環状に成形し、この円環状のレーザ光を収束レンズで１点に収束させて加工を行うことで、収束レンズの球面収差を抑制するようにしたレーザ加工装置を開示する。

特開２０１２−０２４７８２号公報 特開２００９−０５６４８１号公報 特開２００８−１６８３３３号公報 特開２００９−１７８７２５号公報

集光光学部を備えるレーザ加工装置においては、集光光学部の結像倍率を変化させる手法とは別の手法で、レーザ加工の種類やワークの材質、厚み等に応じた最適な集光径を有するレーザ光をワークに照射できるようにすることが望まれている。

本発明の一態様は、レーザ光をワークに照射する加工ヘッドと、加工ヘッドに設けられ、レーザ光源から加工ヘッドに入射した拡散角を有するレーザ光を集光して、集光角を有するレーザ光として加工ヘッドから出射させる集光光学部と、加工ヘッドに設けられ、レーザ光の進行方向に見て集光光学部の上流側に配置されて拡散角を透過前後で一定に維持しながらレーザ光を透過させるか、又はレーザ光の進行方向に見て集光光学部の下流側に配置されて集光角を透過前後で一定に維持しながらレーザ光を透過させる透過光学部材とを具備し、透過光学部材は、レーザ光の集光径を拡大する集光径拡大部分を備え、集光径拡大部分は、集光径拡大部分を透過したレーザ光の集光径を、集光径拡大部分を透過せずに集光光学部で集光された場合のレーザ光の集光径に比べて拡大する、レーザ加工装置である。

一態様に係るレーザ加工装置によれば、集光光学部の結像倍率を増加させる構成に代えて、透過光学部材が有する集光径拡大部分にレーザ光を透過させる構成を採用したことにより、集光光学部の主点から集光点までの距離及びレーザ光の集光角を実質的に変化させることなく、集光径を拡大することができる。したがって、レーザ加工装置の全体寸法に影響を及ぼすことなく、レーザ加工の種類やワークの材質、厚み等に応じた最適な集光径を有するレーザ光をワークに照射することが可能になる。透過光学部材は、拡散角又は集光角を透過前後で一定に維持しながらレーザ光を透過させるものであるから、透過光学部材が集光時の幾何収差に影響を及ぼすことを抑制できる。しかも透過光学部材は、レーザ光の進行方向に見て集光光学部の上流側又は下流側に配置されるので、一般に幾何収差を低減するべく設計されている集光光学部に対し、透過光学部材を配置したことで幾何収差が悪化することを防止できる。

レーザ加工装置を含むレーザ加工システムの構成の一例を概略で示す斜視図である。 一実施形態によるレーザ加工装置の構成を概略で示す断面図である。 一実施形態によるレーザ加工装置が備える透過光学部材の図で、（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。 図３の透過光学部材のレーザ光透過作用を説明する概念図で、透過光学部材を（ａ）一方向に向けた場合、（ｂ）逆方向に向けた場合を示す。 透過光学部材を備えないレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）一部の光線の経路を示す図、（ｃ）ｂに示す光線経路の任意部分を抽出した図、（ｄ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 図３の透過光学部材を備えたレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）一部の光線の経路を示す図、（ｃ）ｂに示す光線経路の任意部分を抽出した図、（ｄ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 形状の異なる透過光学部材を備えたレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）一部の光線の経路を示す図、（ｃ）ｂに示す光線経路の任意部分を抽出した図、（ｄ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 変形例によるレーザ加工装置の構成を概略で示す断面図である。 他の変形例によるレーザ加工装置の構成を概略で示す断面図である。 他の実施形態によるレーザ加工装置が備える透過光学部材の図で、（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。 図１０の透過光学部材のレーザ光透過作用を説明する概念図で、（ａ）透過光学部材を一方向に向けた場合、（ｂ）他の形状の透過光学部材を一方向に向けた場合、（ｃ）ｂの透過光学部材を逆方向に向けた場合、（ｄ）透過光学部材の中心部分に光線を透過させた場合を示す。 図１０の透過光学部材を備えたレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）幾つかの光線の代表的経路を示す図、（ｂ）１つの光線経路の拡大図、（ｃ）他の１つの光線経路の拡大図である。 図１０の透過光学部材を所望位置に配置したレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）光線経路の任意部分を抽出して示す図、（ｃ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 図１０の透過光学部材を他の所望位置に配置したレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）光線経路の任意部分を抽出して示す図、（ｃ）集光点における光線経路を示す図である。 図１０の透過光学部材をさらに他の所望位置に配置したレーザ加工装置におけるレーザ光集光作用を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）光線経路の任意部分を抽出して示す図、（ｃ）集光点における光線経路を示す図である。 透過光学部材の変形例の図で、（ａ）斜視図、（ｂ）断面図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置の構成を説明する図で、（ａ）透過光学部材の断面図、（ｂ）部品配置図、（ｃ）集光点における光線経路を示す図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置の構成を説明する図で、（ａ）透過光学部材の断面図、（ｂ）他の透過光学部材の断面図、（ｃ）部品配置図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置の構成を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）一部の光線の経路を示す図、（ｃ）ｂに示す光線経路の任意部分を抽出した図、（ｄ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 図１９のレーザ加工装置の変形例の構成を説明する図で、（ａ）部品配置図、（ｂ）一部の光線の経路を示す図、（ｃ）ｂに示す光線経路の任意部分を抽出した図、（ｄ）集光点における光線経路を示す拡大図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置を示す図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置の構成を説明する図で、（ａ）透過光学部材の断面図、（ｂ）部品配置図、（ｃ）集光点における光線経路を示す図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工装置を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置１０を含むレーザ加工システム１２の構成の一例を概略で示す。レーザ加工システム１２は、レーザ加工装置１０と、レーザ光源１４と、レーザ加工装置１０及びレーザ光源１４の動作を制御する制御装置１６とを備える。レーザ加工装置１０は、加工ヘッド１８と、レーザ光源１４からレーザ光を伝送して加工ヘッド１８に供給する伝送手段２０と、加工ヘッド１８とワークＷとを相対移動させる駆動機構２２とを備える。

レーザ光源１４は、例えばファイバレーザ方式の発振器（図示せず）を備え、発振器で発振されたレーザ光が伝送手段２０を介して加工ヘッド１８に導入される。伝送手段２０は、レーザ光源１４に接続される第１の光ファイバ２４と、加工ヘッド１８に接続される第２の光ファイバ２６と、第１の光ファイバ２４と第２の光ファイバ２６とを互いに光結合するファイバカプラ２８とを備える。例えば、レーザ光源１４に付設された所定のコア径を有する第１の光ファイバ２４を、ファイバカプラ２８を用いて、異なる所望のコア径を有する第２の光ファイバ２６に光結合することにより、第２の光ファイバ２６のコア径を最小ビーム径とするレーザ光を、第２の光ファイバ２６の出射端から加工ヘッド１８に出射させることができる。なお図示構成に限らず、レーザ光源１４は、ＣＯ_２レーザ等の様々な発振器を備えることができ、伝送手段２０は、導光管や反射鏡等を用いた様々な構成を有することができる。

加工ヘッド１８は、伝送手段２０から入射されたレーザ光を集光する集光光学部（図示せず）を備え、ヘッド先端に設けた加工ノズル３０からワークＷの表面の狭小領域にレーザ光を照射してレーザ加工を実施する。レーザ加工中、ワークＷの加工点及びその周辺には、酸素、窒素、空気、アルゴン等を成分とするアシストガスが吹き付けられる。アシストガスは、外部のガス供給源（図示せず）から加工ヘッド１８に供給される。加工ヘッド１８には、アシストガスをワークＷに吹き付けるための圧縮空気も供給される。

駆動機構２２は、加工ヘッド１８とワークＷとを、ワーク表面に沿った方向へ相対移動させることができる。また駆動機構２２は、加工ヘッド１８とワークＷとを、互いに接近及び離反する方向へ択一的に移動させることができる。例えば、駆動機構２２は、直交３軸座標系における指令値に従い、３個の制御軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）がそれぞれに動作することで、加工ヘッド１８とワークＷとを３次元的に相対移動させることができる。この場合、駆動機構２２は、各制御軸にサーボモータ及び動力伝達機構を備えることができる。個々の制御軸は、加工ヘッド１８とワークＷとのいずれか一方又は双方に設定できる。例えば、加工ヘッド１８をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸で駆動して、ワークＷを固定したワークテーブル（図示せず）に対し水平方向及び鉛直方向へ移動させる構成や、加工ヘッド１８をＺ軸で駆動する一方でワークテーブルをＸ軸及びＹ軸で駆動する構成を採用できる。

制御装置１６は、例えば数値制御装置の構成を有する。制御装置１６は、与えられたレーザ加工プログラムを解釈して、レーザ加工装置１０やレーザ光源１４を含む制御対象に操作指令を出力し、駆動機構２２に加工ヘッド１８やワークＷを移動させたり、レーザ光源１４にレーザ光を発振、出射させたり、ガス供給源にアシストガスを加工ヘッド１８へ供給させたりすることができる。

図２は、本発明の一実施形態によるレーザ加工装置１０の主要部の構成を概略で示す。レーザ加工装置１０は、レーザ光ＬをワークＷに照射する加工ヘッド１８と、加工ヘッド１８に設けられ、レーザ光源１４（図１）から加工ヘッド１８に入射した拡散角αを有するレーザ光Ｌを集光して、集光角βを有するレーザ光Ｌとして加工ヘッド１８から出射させる集光光学部３２とを備える。加工ヘッド１８は中空筒状のハウジング３４を備え、ハウジング３４の後端（図で上端）に、光ファイバ２６の出射端２６ａが固定される。光ファイバ２６は、少なくとも出射端２６ａにおいて集光光学部３２の光軸３２ａに同軸に配置され、出射端２６ａのコア径を最小ビーム径とする拡散角αを有するレーザ光Ｌを、出射端２６ａから集光光学部３２に向けてハウジング３４の内部に出射する。したがってレーザ光Ｌの光束の中心を通る軸線は、光軸３２ａに一致する。なお拡散角αは、光ファイバ２６の入射端（図示せず）に入射するレーザ光の集光角と、光ファイバ２６自体の特性とによって実質的に決まる。

集光光学部３２は、所要個数の光学レンズ３６を有する。光学レンズ３６として例えば種々の球面レンズを複数個組み合わせることで、球面収差等の幾何収差を可及的に低減することができる。集光光学部３２は、幾何収差を可及的に低減する等の対策を施すことにより、集光光学部３２に入射するレーザ光Ｌの拡散角αと最小ビーム径との積と、集光光学部３２から出射されるレーザ光Ｌの集光角βと集光径との積とが、互いに同一になる（つまり集光光学部３２がレーザ光Ｌの品質や集光性能に影響を及ぼさない）ように設計される。

ここで、集光光学部３２による集光作用の一例を説明する。光ファイバ２６のコア径（直径）を５０μｍとし、レーザ光Ｌの拡散角αを半角で０．１ｒａｄとする。集光光学部３２を一枚の仮想的なレンズと見なして、光ファイバ２６の出射端２６ａのコア端面から集光光学部（仮想レンズ）３２の主点までを１００ｍｍとし、集光光学部３２の焦点距離を５０ｍｍとする。光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間には他の光学要素が存在しないものとする。この条件の下で、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点（結像点）までの距離は１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は１．０、集光角βは半角で０．１ｒａｄ、集光点における集光径（直径）は５０μｍとなる。この条件に対し、レーザ光Ｌの拡散角αを変えずに光ファイバ２６の出射端２６ａから集光光学部３２の主点までの距離を９０ｍｍに変更すると、主点から集光点までの距離は１１２．５ｍｍ、結像倍率は１．２５、集光角βは半角で０．０８ｒａｄ、集光径は６２．５μｍに変化する。このように、集光光学部３２単体の作用としては、結像倍率が変化すると、集光角βと集光径とが互いに連関して変化する。なお結像倍率の変更等のために、集光光学部３２を光軸３２ａに沿って移動可能にハウジング３４に設置することができる。

ハウジング３４の前端（図で下端）には、銅等を素材とする加工ノズル３０が設置される。加工ノズル３０の先端は通常、レーザ光Ｌの集光点に近接して配置される。加工ノズル３０と集光光学部３２との間は、ノズル開口及び後述するアシストガス導入口を除いて気密構造の室３８とすることができる。集光光学部３２と加工ノズル３０の間に、透明な板からなる隔壁４０を設け、隔壁４０と加工ノズル３０との間を気密構造の室３８とすることもできる。隔壁４０は、ワークＷの加工点で発生したスパッタ等が集光光学部３２に到達することを防止する。隔壁４０が汚損したときには隔壁４０のみを交換すればよく、この交換を可能にするべく隔壁４０をハウジング３４に着脱自在な構成とすることができる。ハウジング３４の側面には、アシストガスＧを室３８に導入する導入口４２が形成され、外部のガス供給源（図示せず）から所定圧力のアシストガスＧが導入口４２を介して室３８に導入される。アシストガスＧは圧縮空気と共に加工ノズル３０からワークＷに吹き付けられる。アシストガスＧは加工ノズル３０から光軸３２ａと同軸の流れを維持して吹き出すことが望ましく、これを実現するために、加工ノズル３０の位置を光軸３２ａに直交する方向へ微調整する機構（図示せず）を備えることができる。また、光軸３２ａ（したがって集光光学部３２）を加工ノズル３０の軸心に対して位置合わせする機構（図示せず）を備えることもできる。

一例として、加工ノズル３０の開口径は約０．８ｍｍ〜約６ｍｍに設定でき、加工ノズル３０の軸位置調整範囲は約２ｍｍ〜約５ｍｍに設定でき、加工ノズル３０内のアシストガスＧの圧力は約０．０１ＭＰａ〜約３ＭＰａの範囲内で調整でき、加工ノズル３０とワークＷとの間の距離は約０．５ｍｍ〜約４ｍｍの範囲内で制御できる。なお、室３８はアシストガスＧの圧力を一定値に維持するべく気密構造としているが、光ファイバ２６の出射端２６ａの取付箇所を含むハウジング３４の他の部分も、外気がハウジング３４の内部に侵入しない構造とすることができる。これにより、外部からハウジング３４内への塵埃や湿気等の侵入を阻止し、光ファイバ出射端２６ａや集光光学部３２等の光学要素の汚損を未然に防止することができる。

レーザ加工装置１０はさらに、加工ヘッド１８に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側（図で上方）に配置される透過光学部材４４を備える。透過光学部材４４は、ハウジング３４の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置に、その中心軸線４４ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される光学要素である。透過光学部材４４は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌを、その拡散角αを透過前後で一定に維持しながら透過させることができる。

図３及び図４を参照して、本実施形態における透過光学部材４４の具体的構成及びレーザ光透過作用を説明する。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、透過光学部材４４は、回転対称形状で対称軸４６ａに対し傾斜する均一厚みの円錐板部分４６を備える。換言すると、円錐板部分４６は、円錐形の凸面である第１面４６ｂと、第１面４６ｂの反対側の第２面４６ｃであって、第１面４６ｂの円錐の頂角θと等しい頂角θを有するとともに第１面４６ｂと同一の寸法及び形状を有する円錐形の凹面である第２面４６ｃとを有する。第１面４６ｂと第２面４６ｃとは互いに平行に延び、第１面４６ｂ及び第２面４６ｃに直交する方向の円錐板部分４６の寸法（すなわち厚み）ｔは全体に均一である。円錐板部分４６の対称軸４６ａは、透過光学部材４４の中心軸線４４ａと一致する。本実施形態では、図示のように透過光学部材４４の全体が円錐板部分４６である。

透過光学部材４４は、石英ガラス、ＢＫ７等の、レーザ光Ｌの吸収や散乱を生じない又は生じ難い材料から作製できる。また、透過光学部材４４の第１面４６ｂ及び第２面４６ｃには、光学多層膜からなる無反射コーティングを施すことができる。このような構成により、レーザ光Ｌは、そのエネルギーを減耗せずに透過光学部材４４を透過できる。レーザ光Ｌは、透過光学部材４４に入るとき及び透過光学部材４４から出るときに、透過光学部材４４と周囲空気との屈折率の違いにより、入射角に応じて光路が傾く。この現象を、図４を参照して説明する。

図４（ａ）、（ｂ）に概念図として示すように、透過光学部材４４は、加工ヘッド１８のハウジング３４（図２）の内部で、円錐板部分４６の対称軸４６ａが集光光学部３２（図２）の光軸３２ａに一致する位置に配置される。また透過光学部材４４は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの全体が、円錐板部分４６を透過する位置に配置される（図２）。図４（ａ）では、透過光学部材４４は、円錐板部分４６の第２面４６ｃを光ファイバ２６に対向させて配置されている。図４（ｂ）では、透過光学部材４４は、円錐板部分４６の第１面４６ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されている。

ここで、レーザ光Ｌの光束内の１つの光線Ｌ１に着目する。図４（ａ）の構成において、光線Ｌ１は、円錐板部分４６の第２面４６ｃに鋭角な入射角γを成して入射するものとする。光線Ｌ１は、透過光学部材４４に入るときに、屈折率の差と入射角γとで決まる方向に屈曲され、透過光学部材４４から出るときに、屈折率の差と出射角とで決まる方向に再び屈曲される。このとき、第２面（入射面）４６ｃと第１面（出射面）４６ｂとが互いに平行であるから、出射角は入射角γに等しくなり、光線Ｌ１の進行方向は、透過光学部材４４に入る前と出た後とで同一の方向となる。また２回の屈折の結果、透過光学部材４４から出た後の光線Ｌ１の経路は、透過光学部材４４に入る前の光線Ｌ１の経路（破線で示す）に対し、所定方向（図では光軸３２ａに接近する方向）へ平行移動したものとなる。光線Ｌ１の平行移動距離は、透過光学部材４４の円錐板部分４６の厚みｔ（図３）、頂角θ（図３）、透過光学部材４４と周囲空気との屈折率差、円錐板部分４６への入射角γ等によって決まる。この現象は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束の全体に同様に生じ、結果として透過光学部材４４は、レーザ光Ｌの拡散角α（図２）を透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させることができる。また後述するように、光線が透過光学部材４４の円錐板部分４６を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、全光線を集光した集光点における集光径が拡大する。

図４（ａ）の構成に対し透過光学部材４４を逆向きに配置した図４（ｂ）の構成においても、同様に、透過光学部材４４から出た後の光線Ｌ１の経路を、透過光学部材４４に入る前の光線Ｌ１の経路（破線で示す）に対し、所定方向（図では光軸３２ａに接近する方向）へ平行移動させることができる。したがってこの構成でも、透過光学部材４４は、レーザ光Ｌの拡散角α（図２）を透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させることができる。但しこの構成では、図４（ａ）の光線Ｌ１と同じ光線Ｌ１は、円錐板部分４６の第１面４６ｂに、図４（ａ）の入射角γよりも小さな入射角γで入射する。その結果、光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離は、図４（ａ）の光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離よりも大きくなっている。

透過光学部材４４の円錐板部分４６は、レーザ光Ｌの集光径を拡大する集光径拡大部分を構成する。以下、図５〜図７を参照して、透過光学部材４４を備えるレーザ加工装置１０におけるレーザ光集光作用を説明する。なお図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）では、レーザ加工装置１０の全体構成が示されているが、簡略化のために、図２に示すハウジング３４、加工ノズル３０及び隔壁４０を省略するとともに、集光光学部３２を１つの仮想レンズに置き換えている。

まず図５を参照して、レーザ加工装置１０から透過光学部材４４を除去した構成におけるレーザ光集光作用を検証する。検証した構成は、図５（ａ）に示すように、加工ヘッド１８内のレーザ光Ｌの光路に透過光学部材４４を備えないものである。光ファイバ２６の出射端２６ａから出射された拡散角αを有するレーザ光Ｌは、透過光学部材４４を透過することなく集光光学部（仮想レンズ）３２で集光されて、集光角βを有するレーザ光ＬとしてワークＷに照射される。各部寸法は、光ファイバ２６のコア径（直径）を５０μｍ、レーザ光Ｌの拡散角αを半角で０．１ｒａｄ、光ファイバ２６の出射端２６ａのコア端面から集光光学部３２の主点までを１００ｍｍ、集光光学部３２の焦点距離を５０ｍｍとした。また、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点までの距離は１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で０．１ｒａｄ、集光点における集光径（直径）は５０μｍであった。

図５（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を示す。図５（ｃ）は、理解を助けるべく（ｂ）に示す光線経路の任意部分のみを抽出したものである。例えば、図５（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら集光光学部３２に入射し、集光光学部３２から集光角βで出射されて、集光点Ｉの図で下端位置に集光（結像）する。他方、図５（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら集光光学部３２に入射し、集光光学部３２から集光角βで出射されて、集光点Ｉの図で上端位置に集光（結像）する。したがって、光ファイバ出射端２６ａのコア端面全体から出射されるレーザ光Ｌの全光線は、図５（ｄ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径Ｄの円形領域Ｓ（コア端面の外周形状及び直径に対応する領域）に集光される。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に集光径Ｄの円形スポットで照射される。

次に図６を参照して、透過光学部材４４を備えたレーザ加工装置１０におけるレーザ光集光作用を検証する。検証した構成は、図６（ａ）に示すように、透過光学部材４４が、円錐板部分４６の第１面４６ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されるものである。光ファイバ２６の出射端２６ａから出射された拡散角αを有するレーザ光Ｌは、透過光学部材４４を透過した後に集光光学部（仮想レンズ）３２で集光されて、集光角βを有するレーザ光ＬとしてワークＷに照射される。各部寸法は、図５の構成と同様に、光ファイバ２６のコア径（直径）を５０μｍ、レーザ光Ｌの拡散角αを半角で０．１ｒａｄ、光ファイバ２６の出射端２６ａのコア端面から集光光学部３２の主点までを１００ｍｍ、集光光学部３２の焦点距離を５０ｍｍとした。また透過光学部材４４は、円錐板部分４６の頂角θを１７７．１４°（つまり対称軸４６ａに直交する面に対する傾斜角度を１．４３°）、厚みｔを３ｍｍとし、光ファイバ出射端２６ａのコア端面から円錐板部分４６の頂点までの距離が４４ｍｍの位置に配置した。

図６（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を示す。図６（ｃ）は、理解を助けるべく（ｂ）に示す光線経路の任意部分のみを抽出したものである。例えば、図６（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材４４の円錐板部分４６に入射し、入射角に応じて図４（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材４４を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で中心位置及び下端位置のそれぞれに集光（結像）する。他方、図６（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材４４の円錐板部分４６に入射し、入射角に応じて図４（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材４４を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で中心位置及び上端位置のそれぞれに集光（結像）する。光線が透過光学部材４４の円錐板部分４６を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、図示のように光線が集光点Ｉで２箇所に分かれて結像する。

したがって、光ファイバ出射端２６ａのコア端面全体から出射されるレーザ光Ｌの全光線は、図６（ｄ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径Ｄの円形領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約２倍の直径を有する領域）に集光される。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に集光径Ｄの円形スポットで照射される。検証の結果、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離は約１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は約１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で約０．１ｒａｄ、集光点Ｉにおける集光径Ｄは約１００μｍとなった。

図５の構成と図６の構成との比較から理解されるように、透過光学部材４４の円錐板部分（集光径拡大部分）４６は、円錐板部分（集光径拡大部分）４６を透過したレーザ光Ｌの集光径Ｄを、円錐板部分（集光径拡大部分）４６を透過せずに集光光学部３２で集光された場合のレーザ光Ｌの集光径Ｄに比べて拡大するように作用する。しかもこのとき、検証結果の通り、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離、集光光学部３２の結像倍率、及びレーザ光Ｌの集光角βのいずれをも実質的に変化させることなく、集光径Ｄを拡大する（図６の例では約２倍）ことができる。

レーザ加工装置１０から透過光学部材４４を除去した構成（図５）において、集光光学部３２の結像倍率の増加により集光径Ｄを拡大する場合、前述したように、図５（ａ）の位置から例えば集光光学部３２を光ファイバ出射端２６ａに接近する方向へ１０ｍｍ移動して、結像倍率を１．２５に増加させることで、集光径Ｄが６２．５μｍに拡大するが、その一方、集光光学部３２の主点から集光点Ｉまでの距離が１１２．５ｍｍに増加し、集光角βが半角で０．０８ｒａｄに減少する。集光光学部３２の結像倍率を２に増加させて集光径Ｄを２倍に拡大するためには、集光光学部３２から集光点Ｉまでの距離及び集光角βの変化量がさらに大きなものとなり、レーザ加工装置１０の全体寸法に影響を及ぼしたり、レーザ加工の種類やワークの材質、厚み等に応じた最適なレーザ加工を実施することが困難になったりする懸念がある。

これに対し、透過光学部材４４を備えるレーザ加工装置１０（図２、図６）では、集光光学部３２の結像倍率を増加させる（つまり集光光学部３２を光軸３２ａ方向へ移動させる）構成に代えて、透過光学部材４４が有する円錐板部分（集光径拡大部分）４６にレーザ光Ｌの全体を透過させる構成を採用したことにより、集光光学部３２の主点から集光点Ｉまでの距離及びレーザ光Ｌの集光角βを実質的に変化させることなく、集光径Ｄを拡大することができる。集光径Ｄを所望寸法に拡大することに加えて、集光角βも所望寸法に変化させたい場合は、集光光学部３２を光軸３２ａ方向へ適当な距離だけ移動させることで対応できる。したがってレーザ加工装置１０によれば、レーザ加工装置１０の全体寸法に影響を及ぼすことなく、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に応じた最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射することが可能になる。透過光学部材４４は、拡散角αを透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させるものであるから、集光光学部３２のレーザ光進行方向上流側に透過光学部材４４を配置した構成であっても、集光時の幾何収差への影響を最小限にすることができる。しかも透過光学部材４４は、集光光学部３２のレーザ光進行方向上流側に配置されるので、幾何収差を低減するべく予め設計されている集光光学部３２に対し、透過光学部材４４を配置したことで幾何収差が悪化することは回避される。仮に集光光学部３２の複数の光学レンズ３６の間に透過光学部材４４を配置したとすると、光学レンズ３６同士の距離が変わって幾何収差が変化するので集光光学部３２の再設計が必要になる。しかしレーザ加工装置１０では、透過光学部材４４の配置に起因する集光光学部３２の再設計は不要である。

次に図７を参照して、図６の透過光学部材４４とは異なる透過光学部材４４′を備えたレーザ加工装置１０におけるレーザ光集光作用を検証する。透過光学部材４４′は、円錐板部分４６の頂角θが異なる以外は、透過光学部材４４と同一の構成を有する。検証した構成は、図７（ａ）に示すように、透過光学部材４４′が、円錐板部分４６の第１面４６ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されるものである。光ファイバ２６の出射端２６ａから出射された拡散角αを有するレーザ光Ｌは、透過光学部材４４′を透過した後に集光光学部（仮想レンズ）３２で集光されて、集光角βを有するレーザ光ＬとしてワークＷに照射される。透過光学部材４４′は、円錐板部分４６の頂角θを１７４．２８°（つまり対称軸４６ａに直交する面に対する傾斜角度を２．８６°（透過光学部材４４の傾斜角度の２倍））とした。その他の各部寸法は、図６の構成と同様である。

図７（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を示す。図７（ｃ）は、理解を助けるべく（ｂ）に示す光線経路の任意部分のみを抽出したものである。例えば、図７（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材４４′の円錐板部分４６に入射し、入射角に応じて図４（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材４４′を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で上から２つ目の位置及び下端位置のそれぞれに集光（結像）する。他方、図７（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材４４′の円錐板部分４６に入射し、入射角に応じて図４（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材４４′を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で下から２つ目の位置及び上端位置のそれぞれに集光（結像）する。光線が透過光学部材４４′の円錐板部分４６を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、図示のように光線が集光点Ｉで２箇所に分かれて結像する。

したがって、光ファイバ出射端２６ａのコア端面全体から出射されるレーザ光Ｌの全光線は、図７（ｄ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径（外径）Ｄの環状領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約３倍の外径を有する円環状の領域）に集光される。透過光学部材４４′の円錐板部分４６の頂角θが、図６の透過光学部材４４の円錐板部分４６の頂角θよりも小さいので、透過光学部材４４′の円錐板部分４６を透過する光線に対する見かけの光軸のずれが大きくなり、その結果、集光点Ｉの中心にレーザ光Ｌが結像しない領域が生じると考えられる。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に集光径（外径）Ｄの環状スポットで照射される。検証の結果、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離は約１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は約１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で約０．１ｒａｄ、集光点Ｉにおける集光径（外径）Ｄは約１５０μｍとなった。

図６の構成と図７の構成との比較から理解されるように、透過光学部材４４の円錐板部分（集光径拡大部分）４６の構成を変えることで、円錐板部分４６によって拡大される集光径Ｄの寸法を変更することができる。例えば、円錐板部分４６の頂角θ、厚みｔ、屈折率等のパラメータのうち所望のパラメータを変えることにより、集光径Ｄの寸法を変更できる。異なるパラメータを採用した複数種類の透過光学部材４４をそれぞれに装備した複数種類の加工ヘッド１８を用意し、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に対応する透過光学部材４４を備える加工ヘッド１８を適宜選択して用いるようにすることができる。

或いは、レーザ加工装置１０は、加工ヘッド１８の予め定めた位置に透過光学部材４４が着脱自在に取り付けられる構成とすることができる。例えば、レーザ光Ｌに干渉しない箇所で適当な取付具（図示せず）を用いて、透過光学部材４４をハウジング３４の内面に着脱自在に取り付けることができる。この構成によれば、円錐板部分４６の頂角θ、厚みｔ、屈折率等が異なる複数種類の透過光学部材４４を用意し、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に対応する透過光学部材４４を適宜選択して加工ヘッド１８に取り付けることで、最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。また、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等が変更される都度、最適な透過光学部材４４に適宜交換してレーザ加工を実施できる。

透過光学部材４４を加工ヘッド１８に着脱自在とすることで、１台のレーザ加工装置１０において、透過光学部材４４を備えない構成（例えば図５参照）と、透過光学部材４４を備える構成（例えば図６、図７参照）とを、適宜選択して切り替えることができる。透過光学部材４４を備えない構成では、光ファイバ２６から出射されたレーザ光Ｌは、幾何収差を可及的に低減する等の対策を施した集光光学部３２で集光されることにより、本来有する集光性能を劣化させることなく加工ヘッド１８から出射される。これに対し、透過光学部材４４を備える構成では、光ファイバ２６から出射されたレーザ光Ｌは、対称軸４６ａに対し傾斜する円錐板部分４６を透過することにより、本来有する集光性能が若干劣化した状態で、集光光学部３２で集光されて加工ヘッド１８から出射される。したがってレーザ加工装置１０は、透過光学部材４４を備えない構成と透過光学部材４４を備える構成とを切り替えることにより、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等の変更に応じるだけでなく、加工に要求されるレーザ光Ｌの集光性能の変更に応じて、最適なレーザ加工を実施することができる。

着脱自在な透過光学部材４４を備えたレーザ加工装置１０において、例えば、高エネルギー密度の小さな集光径Ｄを必要とするレーザ加工を行う際は、透過光学部材４４を加工ヘッド１８から取り外した状態とし、低エネルギー密度の大きな集光径Ｄを必要とするレーザ加工を行う際は、透過光学部材４４を加工ヘッド１８に取り付けた状態とすることで、最適な集光径Ｄによるレーザ加工を実施できる。一例を挙げると、軟鋼製の板状ワークＷの切断加工に際し、厚み１６ｍｍ程度の厚板ワークＷに対しては、円錐板部分４６の頂角θが比較的小さい（つまり傾斜が大きい）透過光学部材４４を加工ヘッド１８に取り付けて、集光径Ｄ（直径）１５０μｍのレーザ光Ｌ（図７）により切断し、厚み６ｍｍ程度の中厚ワークＷに対しては、円錐板部分４６の頂角θが比較的大きい（つまり傾斜が小さい）透過光学部材４４を加工ヘッド１８に取り付けて、集光径Ｄ（直径）１００μｍのレーザ光Ｌ（図６）により切断し、厚み１ｍｍ程度の薄板ワークＷに対しては、透過光学部材４４を加工ヘッド１８から取り外した状態で、集光径Ｄ（直径）５０μｍのレーザ光Ｌ（図５）により切断することができる。

レーザ加工装置１０においては、透過光学部材４４を、図６及び図７に示す向きとは逆向きに配置したり、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の下流側に配置したりすることができる。透過光学部材４４を図６及び図７に示す向きとは逆向きに配置した場合、図４を参照して説明したように、レーザ光の光線の透過光学部材４４を透過する前後での平行移動距離が小さくなり、集光径Ｄが若干変化する。よって、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に応じて、透過光学部材４４の向きを選択することができる。

図８は、加工ヘッド１８に設けられる透過光学部材４４（図３）を、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の下流側（図で下方）に配置した変形例によるレーザ加工装置１０′を示す。レーザ加工装置１０′では、透過光学部材４４は、ハウジング３４の内部で集光光学部３２と加工ノズル３０との間の所定位置に、その中心軸線４４ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される。透過光学部材４４は、集光光学部３２で集光されたレーザ光Ｌを、その集光角βを透過前後で一定に維持しながら透過させることができる。またレーザ加工装置１０′では、透過光学部材４４は、円錐板部分４６の第１面４６ｂをノズル３０側に向けて、円錐板部分４６の対称軸４６ａが集光光学部３２の光軸３２ａに一致する位置に配置される。レーザ加工装置１０′の他の構成は、図２に示すレーザ加工装置１０と同様である。

図８に示すレーザ加工装置１０′は、透過光学部材４４を備えたことにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同等の格別の効果を奏する。特にレーザ加工装置１０′では、集光光学部３２で集光角βに集光された後のレーザ光Ｌを、透過光学部材４４の円錐板部分４６への入射角に応じて図４（ｂ）に示したように屈折及び平行移動させることで、集光径を拡大することができる。したがって、透過光学部材４４を除去した構成（例えば図５）と比較して、集光角βの変化量を零にすることができる。

またレーザ加工装置１０′は、透過光学部材４４を加工ヘッド１８の予め定めた位置に着脱自在に取り付ける構成とすることができる。これにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同様に、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等の変更や、加工に要求されるレーザ光Ｌの集光性能の変更に応じて、最適種類の透過光学部材４４を適宜選択して用いたり、透過光学部材４４を備えない構成に切り替えたりすることで、最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。さらに、集光光学部３２と加工ノズル３０との間に着脱自在に取り付けられる透過光学部材４４は、隔壁４０（図２）と同様に集光光学部３２の汚損防止機能を発揮できるので、隔壁４０を省略して部品点数を削減することができる。

図９は、レーザ光源１４（図１）が有するＣＯ_２レーザ等の発振器で発振されたレーザ光Ｌが、導光管や反射鏡等を用いた伝送手段２０（図１）を介して加工ヘッド１８に導入される他の変形例によるレーザ加工装置１０″を示す。レーザ加工装置１０″では、加工ヘッド１８のハウジング３４がその後端（図で上端）に開口４８を有し、その後方（図で上方）に、空気中を伝播したレーザ光Ｌを集光させる集光レンズ５０が設置される。集光レンズ５０を通ったレーザ光Ｌは集光されてビームウエストＥを形成し、ビームウエストＥの進行方向下流側で拡散角αを有するレーザ光Ｌとして加工ヘッド１８に入射する。レーザ加工装置１０″の他の構成は、図２に示すレーザ加工装置１０と同様である。

図９に示すレーザ加工装置１０″においても、透過光学部材４４を備えたことにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同等の格別の効果が奏される。また、レーザ加工装置１０″においても、透過光学部材４４を集光光学部３２のレーザ光進行方向の上流側又は下流側の所定位置に着脱自在に取り付ける構成とすることができる。これにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同様に、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等の変更や、加工に要求されるレーザ光Ｌの集光性能の変更に応じて、最適種類の透過光学部材４４を適宜選択して用いたり、透過光学部材４４を備えない構成に切り替えたりすることで、最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。

本発明に係るレーザ加工装置は、上記した透過光学部材４４とは形状や構造が異なる様々な構成の透過光学部材を備えることができる。以下、図１０〜図１５を参照して、透過光学部材４４とは形状が異なる透過光学部材５２の構成、及び透過光学部材５２を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置５４の構成を説明する。なお、透過光学部材５２を備えたレーザ加工装置５４は、透過光学部材４４を透過光学部材５２に置換した点以外は、図２及び図５〜図７のレーザ加工装置１０、図８のレーザ加工装置１０′、図９のレーザ加工装置１０″と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置１０、１０′、１０″の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、透過光学部材５２は、回転対称形状で対称軸５６ａに対し直交する均一厚みの中心平板部分５６と、中心平板部分５６の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸５８ａに対し傾斜する均一厚みの環状の円錐板部分５８とを備える。換言すると、中心平板部分５６は、円形の平坦面である第１面５６ｂと、第１面５６ｂの反対側の第２面５６ｃであって、第１面５６ｂと同一の寸法及び形状を有する円形の平坦面である第２面５６ｃとを有する。第１面５６ｂと第２面５６ｃとは互いに平行に延び、第１面５６ｂ及び第２面５６ｃに直交する方向の中心平板部分５６の寸法（すなわち厚み）ｔ１は全体に均一である。環状の円錐板部分５８は、円錐台形の凸面である第１面５８ｂと、第１面５８ｂの反対側の第２面５８ｃであって、第１面５８ｂを延長した仮想円錐の頂角θと等しい頂角θを対応の仮想円錐に有するとともに第１面５８ｂと同一の寸法及び形状を有する円錐台形の凹面である第２面５８ｃとを有する。第１面５８ｂと第２面５８ｃとは互いに平行に延び、第１面５８ｂ及び第２面５８ｃに直交する方向の円錐板部分５８の寸法（すなわち厚み）ｔ２は全体に均一である。中心平板部分５６の厚みｔ１と円錐板部分５８の厚みｔ２とは、互いに同一でも異なってもよい。中心平板部分５６の対称軸５６ａと円錐板部分５８の対称軸５８ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材５２の中心軸線５２ａと一致する。

透過光学部材５２は、石英ガラス、ＢＫ７等の、レーザ光Ｌの吸収や散乱を生じない又は生じ難い材料から作製できる。また、透過光学部材５２の第１面５６ｂ、５８ｂ及び第２面５６ｃ、５８ｃには、光学多層膜からなる無反射コーティングを施すことができる。このような構成により、レーザ光Ｌは、そのエネルギーを減耗せずに透過光学部材５２を透過できる。レーザ光Ｌは、透過光学部材５２に入るとき及び透過光学部材５２から出るときに、透過光学部材５２と周囲空気との屈折率の違いにより、入射角に応じて光路が傾く。この現象を、図１１を参照して説明する。なお、図１１に示す透過光学部材５２は、図２に示す透過光学部材４４と同様に、加工ヘッド１８のハウジング３４の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置（図２）に、その中心軸線５２ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置されるものとする。

図１１（ａ）〜（ｄ）に概念図として示すように、透過光学部材５２は、加工ヘッド１８のハウジング３４（図２）の内部で、中心平板部分５６及び円錐板部分５８の対称軸５６ａ、５８ａが集光光学部３２（図２）の光軸３２ａに一致する位置に配置される。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｄ）では、透過光学部材５２は、中心平板部分５６及び円錐板部分５８の第２面５６ｃ、５８ｃを光ファイバ２６に対向させて配置されている。図１１（ｃ）では、透過光学部材５２は、中心平板部分５６及び円錐板部分５８の第１面５６ｂ、５８ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されている。また図１１（ａ）は、円錐板部分５８の頂角θ（図１０（ｂ））が小さい（すなわち傾斜が大きい）透過光学部材５２を示し、図１１（ｂ）、（ｃ）は、円錐板部分５８の頂角θが大きい（すなわち傾斜が小さい）透過光学部材５２を示す。図１１（ｄ）は、透過光学部材５２を光ファイバ２６に近接した位置に配置して、図１１（ａ）〜（ｃ）と同じ光線を中心平板部分５６に透過させた状態を示す。

ここで、レーザ光Ｌの光束内の１つの光線Ｌ１に着目する。図１１（ａ）の構成において、光線Ｌ１は、円錐板部分５８の第２面５８ｃに垂直に入射するものとする。この場合、光線Ｌ１は、第２面５８ｃで屈折せずに円錐板部分５８に入り、第１面５８ｂで屈折せずに円錐板部分５８から出るので、円錐板部分５８の透過前後で屈曲及び平行移動を生じることなく全体として直進する。

図１１（ａ）の構成よりも円錐板部分５８の頂角が大きい図１１（ｂ）の構成において、（ａ）と同じ光線Ｌ１は、円錐板部分５８の第２面５８ｃに鋭角な入射角γを成して入射する。光線Ｌ１は、透過光学部材５２に入るときに、屈折率の差と入射角γとで決まる方向に屈曲され、透過光学部材５２から出るときに、屈折率の差と出射角とで決まる方向に再び屈曲される。このとき、第２面（入射面）５８ｃと第１面（出射面）５８ｂとが互いに平行であるから、出射角は入射角γに等しくなり、光線Ｌ１の進行方向は、透過光学部材５２に入る前と出た後とで同一の方向となる。また２回の屈折の結果、透過光学部材５２から出た後の光線Ｌ１の経路は、透過光学部材５２に入る前の光線Ｌ１の経路（破線で示す）に対し、所定方向（図では光軸３２ａに接近する方向）へ平行移動したものとなる。光線Ｌ１の平行移動距離は、透過光学部材５２の円錐板部分５８の厚みｔ２（図１０）、頂角θ（図１０）、透過光学部材５２と周囲空気との屈折率差、円錐板部分５８への入射角γ等によって決まる。この現象は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束のうち、円錐板部分５８を透過する光束部分の全体に同様に生じ、結果として透過光学部材５２は、レーザ光Ｌの拡散角α（図２）を透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させることができる。また後述するように、光線が透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、全光線を集光した集光点における集光径が拡大する。

図１１（ｂ）の構成に対し透過光学部材５２を逆向きに配置した図１１（ｃ）の構成においても、同様に、透過光学部材５２から出た後の光線Ｌ１の経路を、透過光学部材５２に入る前の光線Ｌ１の経路（破線で示す）に対し、所定方向（図では光軸３２ａに接近する方向）へ平行移動させることができる。したがってこの構成でも、透過光学部材５２は、レーザ光Ｌの拡散角α（図２）を透過前後で一定に維持しながらレーザ光Ｌを透過させることができる。但しこの構成では、図１１（ｂ）の光線Ｌ１と同じ光線Ｌ１は、円錐板部分５８の第１面５８ｂに、図１１（ｂ）の入射角γよりも小さな入射角γで入射する。その結果、光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離は、図１１（ｂ）の光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離よりも大きくなっている。

図１１（ｄ）に示すように、透過光学部材５２を、図１１（ａ）〜（ｃ）の位置から光ファイバ２６に接近させて、同じ光線Ｌ１を中心平板部分５６に透過させた場合も、透過光学部材５２から出た後の光線Ｌ１の経路は、透過光学部材５２に入る前の光線Ｌ１の経路（破線で示す）に対し、所定方向（図では光軸３２ａに接近する方向）へ平行移動したものとなる。この場合、中心平板部分５６に入射する光線Ｌ１の入射角γは、図１１（ｂ）の入射角γよりも小さく、かつ図１１（ｃ）の入射角γよりも大きくなる。その結果、光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離は、図１１（ｂ）の光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離よりも大きく、かつ図１１（ｃ）の光線Ｌ１の透過前後での平行移動距離よりも小さくなっている。なお、光線が透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過するときには、当該光線に対し光軸が斜めにずれるような作用は生じない。光軸がずれないので、中心平板部分５６を透過した全光線の集光点における集光径は、透過光学部材５２を透過しない場合の集光径と比べて変化しない。

光線Ｌ１が透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過する図１１（ｄ）の構成を基準に考えると、同じ光線Ｌ１を図１１（ｂ）の円錐板部分５８に透過させたときには、円錐板部分５８から出た後の光線Ｌ１の経路は図１１（ｄ）の光線Ｌ１の経路に対し光軸３２ａから離反する方向へ平行移動したものになり、また、同じ光線Ｌ１を図１１（ｃ）の円錐板部分５８に透過させたときには、円錐板部分５８から出た後の光線Ｌ１の経路は図１１（ｄ）の光線Ｌ１の経路に対し光軸３２ａに接近する方向へ平行移動したものになる。また、前述の説明から類推されるように、図１１（ａ）の円錐板部分５８よりもさらに頂角の小さい（すなわち傾斜の大きい）円錐板部分５８に光線Ｌ１を透過させると、光線Ｌ１の入射角γは鈍角になり、円錐板部分５８から出た後の光線Ｌ１の経路は円錐板部分５８に入る前の光線Ｌ１の経路に対し光軸３２ａから離反する方向へ平行移動することになる。

透過光学部材５２の円錐板部分５８は、レーザ光Ｌの集光径を拡大する集光径拡大部分を構成する。以下、図１２〜図１５を参照して、透過光学部材５２を備えるレーザ加工装置５４におけるレーザ光集光作用を説明する。なお図１２（ａ）、図１３（ａ）、図１４（ａ）、図１５（ａ）では、レーザ加工装置５４の全体構成が示されているが、簡略化のために、図２に示すハウジング３４、加工ノズル３０及び隔壁４０を省略するとともに、集光光学部３２を１つの仮想レンズに置き換えている。

図１２（ａ）に示すように、レーザ加工装置５４は、加工ヘッド１８（図２）に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側（図で上方）に配置される透過光学部材５２を備える。透過光学部材５２は、ハウジング３４（図２）の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置に、その中心軸線５２ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される。また透過光学部材５２は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束の中心部分が、中心平板部分５６を透過するとともに、同光束の残りの外周部分が、円錐板部分５８を透過する位置に配置される。また透過光学部材５２は、中心平板部分５６及び円錐板部分５８の第１面５６ｂ、５８ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されている。図１１を参照して説明したように、透過光学部材５２は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌを、その拡散角αを透過前後で一定に維持しながら透過させることができる。

図１２（ａ）は、光ファイバ出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束における３つの光線Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４の代表的経路を示している。光ファイバ出射端２６ａの中心領域から出射された光線Ｌ２は、透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過し、図１１（ｄ）を参照して説明したように、中心平板部分５６の透過前後で平行移動した光線経路を通る（図１２（ｂ））。しかしこの光線Ｌ２は、光軸が斜めにずれるような作用を受けないので、集光光学部３２で集光された後、集光点Ｉにおいて、光ファイバ出射端２６ａにおける出射位置に対応する位置に集光（結像）する。これに対し、光ファイバ出射端２６ａの外縁近傍領域から出射された光線Ｌ３は、透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過し、図１１（ｃ）を参照して説明したように、円錐板部分５８の透過前後で、光線Ｌ２の平行移動距離よりも大きな距離だけ平行移動した光線経路を通る（図１２（ｃ））。この光線Ｌ３は、円錐板部分５８を透過するときに、光軸が斜めにずれたような作用を受け、その結果、集光光学部３２で集光された後、集光点Ｉにおいて、光ファイバ出射端２６ａにおける出射位置に対し、光軸３２ａから離れる方向へずれた位置に集光（結像）する。また、光軸３２ａを挟んで光線Ｌ３の反対側に位置する光線Ｌ４は、透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過することにより、光線Ｌ３の経路に対し軸対称の経路を通り、集光点Ｉにおいて、光軸３２ａから光線Ｌ３とは反対側へ離れる方向へずれた位置に集光（結像）する。その結果、集光点Ｉにおける集光径は、光ファイバ出射端２６ａにおけるビーム最小径に比べて拡大する。

上記したように、光ファイバ出射端２６ａの中心領域から出射されて透過光学部材５２の中心平板部分５６を通る光線群は、集光点Ｉにおいてもその中心領域に集光する。また、光ファイバ出射端２６ａの外縁近傍領域から出射されて透過光学部材５２の円錐板部分５８を通る光線群は、集光点Ｉにおいてもその外縁近傍領域に集光する。したがって、透過光学部材５２の円錐板部分（集光径拡大部分）５８の構成を変えることで、円錐板部分５８によって拡大される集光径の寸法を変更することができる。例えば、円錐板部分４６の頂角θ、厚みｔ２、屈折率、内径（つまり中心平板部分５６の外径）等のパラメータのうち所望のパラメータを変えることにより、集光径の寸法を変更できる。また、同様に円錐板部分５８の所望パラメータを変えることで、集光点Ｉの中心領域に集光する光線群の照射強度と、集光点Ｉの外縁近傍領域に集光する光線群の照射強度との比率を調整できる。異なるパラメータを採用した複数種類の透過光学部材５２をそれぞれに装備した複数種類の加工ヘッド１８（図２）を用意し、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に対応する透過光学部材５２を備える加工ヘッド１８を適宜選択して用いるようにすることができる。

レーザ加工装置５４は、円錐板部分（集光径拡大部分）５８を有する透過光学部材５２を備えたことにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同等の格別の効果を奏する。さらに、透過光学部材５２を備えたレーザ加工装置５４では、円錐板部分５８の所望パラメータを変えることに代えて、光ファイバ２６と集光光学部３２との間における透過光学部材５２の、光軸３２ａに沿った方向の位置を変えることで、集光径の寸法を変更したり、集光点Ｉの中心領域と外縁近傍領域との照射強度の比率を調整したりすることができる。以下、図１３〜図１５を参照して、透過光学部材５２をそれぞれ異なる光軸方向位置に配置したレーザ加工装置５４におけるレーザ光集光作用を検証する。

まず図１３を参照して、透過光学部材５２を光ファイバ２６の出射端２６ａに近接させて配置した構成におけるレーザ光集光作用を検証する。検証した構成は、図１３（ａ）に示すように、透過光学部材５２を、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの全てが中心平板部分５６を透過する位置に配置したものである。また透過光学部材５２は、中心平板部分５６及び円錐板部分５８の第１面５６ｂ、５８ｂを光ファイバ２６に対向させて配置されている。光ファイバ出射端２６ａから出射された拡散角αを有するレーザ光Ｌは、中心平板部分５６を透過した後に集光光学部（仮想レンズ）３２で集光されて、集光角βを有するレーザ光ＬとしてワークＷに照射される。各部寸法は、光ファイバ２６のコア径（直径）を５０μｍ、レーザ光Ｌの拡散角αを半角で０．１ｒａｄ、光ファイバ２６の出射端２６ａのコア端面から集光光学部３２の主点までを１００ｍｍ、集光光学部３２の焦点距離を５０ｍｍとした。また透過光学部材５２は、中心平板部分５６の厚みｔ１（図１０）を３ｍｍ、直径を５ｍｍとし、円錐板部分５８の頂角θ（図１０）を１７１．９８°（つまり対称軸５８ａに直交する面に対する傾斜角度を４．０１°）、厚みｔ２を３ｍｍとし、光ファイバ出射端２６ａのコア端面から中心平板部分５６の第１面５６ａまでの距離が５ｍｍの位置に配置した。

図１３（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を、抽出した任意部分の経路によって示す。例えば、図１３（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の中心平板部分５６に入射し、入射角に応じて図１２（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で下端位置に集光（結像）する。他方、図１３（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の中心平板部分５６に入射し、入射角に応じて図１２（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で上端位置に集光（結像）する。

光線が透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過するときには、前述したように当該光線に対し光軸が斜めにずれるような作用は生じない。したがって、集光点Ｉにおける集光態様は、図５を参照して説明した透過光学部材４４を除去した構成における集光態様と実質的に同一となる。つまり、光ファイバ出射端２６ａのコア端面全体から出射されるレーザ光Ｌの全光線は、図１３（ｃ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径Ｄの円形領域Ｓ（コア端面の外周形状及び直径に対応する領域）に集光される。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に集光径Ｄの円形スポットで照射される。検証の結果、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離は１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で０．１ｒａｄ、集光点における集光径（直径）は約５０μｍとなった。

次に図１４を参照して、透過光学部材５２を図１３の位置よりも集光光学部３２に近い位置に配置した構成におけるレーザ光集光作用を検証する。検証した構成は、図１４（ａ）に示すように、透過光学部材５２を、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの一部分が中心平板部分５６を透過する一方で、同レーザ光Ｌの残りの部分が円錐板部分５８を透過する位置に配置したものである。具体的には、光ファイバ出射端２６ａのコア端面から中心平板部分５６の第１面５６ａまでの距離が４５ｍｍの位置に透過光学部材５２を配置した。それ以外の構成は、図１３の構成と同一である。

図１４（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を、抽出した任意部分の経路によって示す。例えば、図１４（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の円錐板部分５８に入射し、入射角に応じて図１２（ｃ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で上から２つ目の位置及び下端位置のそれぞれに集光（結像）する。他方、図１４（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の円錐板部分５８に入射し、入射角に応じて図１２（ｃ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で下から２つ目の位置及び上端位置のそれぞれに集光（結像）する。光線が透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、図示のように光線が集光点Ｉで２箇所に分かれて結像する。さらに、図１４（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の中心領域から出射された光線群は、透過光学部材５２の中心平板部分５６に入射し、入射角に応じて図１２（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２で集光されて、集光点Ｉの図で中心領域に集光（結像）する。

したがって、光ファイバ出射端２６ａのコア端面の外縁近傍領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、図１４（ｃ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径（外径）Ｄの環状領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約３倍強の外径を有する円環状の領域）に集光される。他方、光ファイバ出射端２６ａのコア端面の中心領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、図１４（ｃ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて、環状領域Ｓの内側の集光径（外径）Ｄ′の円形領域Ｓ′（コア端面の外周形状及び直径に対応する領域）に集光される。透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過する光線量と円錐板部分５８を透過する光線量とに依存して、集光点Ｉの中心の円形領域Ｓ′の照射強度と外縁近傍の環状領域Ｓの照射強度とが決まる。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に、中心領域と外縁近傍領域とでそれぞれ任意の照射強度を有する集光径Ｄの実質的円形スポットとして照射される。検証の結果、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離は約１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は約１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で約０．１ｒａｄ、集光点Ｉにおける集光径Ｄは約１５０μｍとなった。

次に図１５を参照して、透過光学部材５２を図１４の位置よりもさらに集光光学部３２に近い位置に配置した構成におけるレーザ光集光作用を検証する。検証した構成は、図１５（ａ）に示すように、透過光学部材５２を、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの一部分が中心平板部分５６を透過する一方で、同レーザ光Ｌの残りの部分が円錐板部分５８を透過する位置に配置したものである。具体的には、光ファイバ出射端２６ａのコア端面から中心平板部分５６の第１面５６ａまでの距離が８５ｍｍの位置に透過光学部材５２を配置した。それ以外の構成は、図１４の構成と同一である。

図１５（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を、抽出した任意部分の経路によって示す。例えば、図１５（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の円錐板部分５８に入射し、入射角に応じて図１２（ｃ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で上から２つ目の位置及び下端位置のそれぞれに集光（結像）する。他方、図１５（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材５２の円錐板部分５８に入射し、入射角に応じて図１２（ｃ）に示したように屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射され、集光点Ｉの図で下から２つ目の位置及び上端位置のそれぞれに集光（結像）する。光線が透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過するときに、当該光線に対し光軸が斜めにずれたような作用が生じ、その結果、図示のように光線が集光点Ｉで２箇所に分かれて結像する。さらに、図１５（ｂ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の中心領域から出射された光線群は、透過光学部材５２の中心平板部分５６に入射し、入射角に応じて図１２（ｂ）に示したように屈折及び平行移動して透過光学部材５２を透過し、その後に集光光学部３２で集光されて、集光点Ｉの図で中心領域に集光（結像）する。

したがって、光ファイバ出射端２６ａのコア端面の外縁近傍領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、図１５（ｃ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて集光径（外径）Ｄの環状領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約３倍強の外径を有する円環状の領域）に集光される。他方、光ファイバ出射端２６ａのコア端面の中心領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、図１５（ｃ）に拡大して示すように、集光点Ｉにおいて、環状領域Ｓの内側の集光径（外径）Ｄ′の円形領域Ｓ′（コア端面の外周形状及び直径に対応する領域）に集光される。図１４の構成に比較して、透過光学部材５２をさらに集光光学部３２に近接させたことで、図１５の構成では、中心平板部分５６を透過する光線量が少なくなり、円錐板部分５８を透過する光線量が多くなっている。その結果、図１４（ｃ）に比較して、図１５（ｃ）に示すように、集光点Ｉの中心の円形領域Ｓ′の照射強度が弱くなり、外縁近傍の環状領域Ｓの照射強度が強くなっている。集光点ＩをワークＷの表面に位置決めすると、レーザ光Ｌはワーク表面に、中心領域の照射強度よりも外縁近傍領域の照射強度が強い集光径Ｄの実質的円形スポットとして照射される。検証の結果、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点Ｉまでの距離は約１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率は約１．０、レーザ光Ｌの集光角βは半角で約０．１ｒａｄ、集光点Ｉにおける集光径Ｄは約１５０μｍとなった。

図１３〜図１５の構成の比較から理解されるように、透過光学部材５２の円錐板部分５８の所望パラメータを変えることに代えて、光ファイバ２６と集光光学部３２との間における透過光学部材５２の光軸方向の位置を変えることで、集光径の寸法を変更したり、集光点Ｉの中心領域と外縁近傍領域との照射強度の比率を調整したりすることができる。同一種類の透過光学部材５２をそれぞれ異なる位置に配置した複数種類の加工ヘッド１８（図２）を用意し、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に対応する位置に配置された透過光学部材５２を備える加工ヘッド１８を適宜選択して用いるようにすることができる。なお、レーザ光Ｌの一部分が必ず透過光学部材５２の円錐板部分５８を透過することを前提とした場合には、透過光学部材５２の光軸方向の位置を変えるだけでは集光径を変更することはできない。この前提において集光径を変更するためには、透過光学部材５２を、円錐板部分５８の頂角θ、厚みｔ２、屈折率、内径等のパラメータが異なる別の透過光学部材５２と交換することが必要である。

或いは、レーザ加工装置５４は、透過光学部材５２が加工ヘッド１８（図２）に、集光光学部３２の光軸３２ａに沿った方向へ移動可能に取り付けられる構成とすることができる。例えば、レーザ光Ｌに干渉しない箇所で適当な駆動機構（図示せず）を用いて、透過光学部材５２をハウジング３４の内部に光軸方向へ無段階に移動可能に設置することができる。この構成によれば、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に対応して、透過光学部材５２を駆動機構により適宜位置に配置することで、最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。なお、レーザ光Ｌの全てが透過光学部材５２の中心平板部分５６を透過する構成（図１３）は、前述したように、レーザ加工装置５４において透過光学部材５２を備えない構成と実質的に同一のレーザ光集光作用を果たす。つまり、レーザ光Ｌの全てが中心平板部分５６を透過する構成では、光ファイバ２６から出射されたレーザ光Ｌは、幾何収差を可及的に低減する等の対策を施した集光光学部３２で集光されることにより、本来有する集光性能を劣化させることなく加工ヘッド１８から出射される。したがって、透過光学部材５２が光軸方向へ移動可能に取り付けられるレーザ加工装置５２は、透過光学部材５２を適宜位置に移動させることにより、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等の変更に応じるだけでなく、加工に要求されるレーザ光Ｌの集光性能の変更に応じて、最適なレーザ加工を実施することができる。

さらにレーザ加工装置５４は、加工ヘッド１８（図２）の予め定めた複数の位置に透過光学部材５２が着脱自在に取り付けられる構成とすることができる。例えば、レーザ光Ｌに干渉しない箇所で適当な取付具（図示せず）を用いて、透過光学部材５２をハウジング３４（図２）の内面に着脱自在に取り付けることができる。この構成によれば、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み、要求されるレーザ光の集光性能等に対応して、予め定めた複数の位置から適宜選択した位置に透過光学部材５２を取り付けることで、最適な集光径Ｄ及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。また、円錐板部分５８の頂角θ、厚みｔ、屈折率、内径（中心平板部分５６の外径）等が異なる複数種類の透過光学部材５２を用意し、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み、要求されるレーザ光の集光性能等に対応して、透過光学部材５２を適宜選択して加工ヘッド１８の所望の位置に取り付けることもできる。さらに、１台のレーザ加工装置５４において、透過光学部材５２を備えない構成と備える構成とを適宜選択して切り替えることもできる。透過光学部材５２を備えない構成では、光ファイバ２６から出射されたレーザ光Ｌを、その本来の集光性能を劣化させることなく加工ヘッド１８から出射させることができる。

レーザ加工装置５４においても、レーザ加工装置１０と同様に、透過光学部材５２を、図１２〜図１５に示す向きとは逆向きに配置したり、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の下流側に配置したりすることができる。レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等に応じて、透過光学部材５２の向きや集光光学部３２に対する配置を選択することができる。

レーザ加工装置５４においては、透過光学部材５２の中心平板部分５６と円錐板部分５８との境界付近で、中心平板部分５６に入射した光線が円錐板部分５８から出射されたり、円錐板部分５８に入射した光線が中心平板部分５６から出射されたりする場合がある。この場合、透過光学部材５２を透過する前後の光線経路が互いに非平行になることが懸念されるので、透過光学部品５２をレーザ光Ｌの拡散角αや集光角βに応じて設計することが望ましい。

またレーザ加工装置５４においては、レーザ光の集光点における照射強度の、要求される分布に応じて、透過光学部材５２の光軸方向の位置を決定することができる。例えば、光ファイバ２６のコア径（直径）が５０μｍ、レーザ光Ｌの拡散角αが半角で０．１ｒａｄ、光ファイバ２６の出射端２６ａから集光光学部３２の主点までが１００ｍｍ、集光光学部３２の主点からレーザ光Ｌの集光点までが１００ｍｍ、集光光学部３２の結像倍率が１．０の条件で、透過光学部材５２を図１３（ａ）に示すような光ファイバ出射端２６ａの近傍位置に配置した場合、集光径（直径）は光ファイバ２６のコア径に等しい５０μｍとなる。透過光学部材５２の円錐板部分５８の頂角を１７６．６°（つまり傾斜角度１．７°）、厚みを５ｍｍとすると、円錐板部分５８を通過して集光光学部３２で集光された光線群は、内径が約５０μｍ、外径が約１５０μｍ、幅が約５０μｍの環状領域に集光する。環状領域の内側には、透過光学部材５２の中心平板部分５６を通過した光線群が、直径約５０μｍの円形領域に集光する。環状領域の面積は、円形領域の面積の約８倍である。よって、中心平板部分５６を通過する光線群の８倍の光線群が円錐板部分５８を透過する位置に透過光学部材５２を配置することで、直径１５０μｍの集光点の全体に均等な照射強度でレーザ光を照射できる。透過光学５２の中心平板部分５６の直径が５ｍｍであれば、レーザ光が外径１５ｍｍで円錐板部分５８を透過する位置に透過光学部材５２を配置すれば、照射強度が均等な直径１５０μｍの集光点が得られる。

レーザ加工装置５４においては、透過光学部材５２に代えて、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、環状の円錐板部分５８の内側に対称軸５８ａを中心とした円形の穴６０を有する透過光学部材６２を用いることができる。透過光学部材６２は、透過光学部材５２の中心平板部分５６を穴６０に置換したものであって、透過するレーザ光に及ぼす作用は、透過光学部材５２と実質的に同一である。なお透過光学部材６２では、穴６０を画定する円錐板部分５８の環状内周面がその形状に起因してレーザ光を吸収し易くなる場合があるので、光ファイバ２６の出射端２６ａに極めて近い位置や、レーザ光におけるエネルギー強度の強い部分が環状内周面を照射するような位置に、透過光学部材６２を配置しないようにすることが望ましい。

なお、透過光学部材５２、６２が集光光学部３２の上流側に配置される場合、環状の円錐板部分５８は、拡散角αを有するレーザ光Ｌの最小ビーム径（光ファイバ２６の出射端２６ａのコア径）よりも大きな内径を有することが好ましい。他方、透過光学部材５２、６２が集光光学部３２の下流側に配置される場合、環状の円錐板部分５８は、集光角βを有するレーザ光Ｌの集光径Ｄよりも大きな内径を有することが好ましい。

図１７を参照して、透過光学部材４４、５２、６２とは形状が異なる透過光学部材６４の構成、及び透過光学部材６４を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置６６の構成を説明する。なお、透過光学部材６４を備えたレーザ加工装置６６は、透過光学部材５２、６２を透過光学部材６４に置換した点以外は、図１２〜図１５のレーザ加工装置５４と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置５４の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

図１７（ａ）に示すように、透過光学部材６４は、回転対称形状で対称軸６８ａに対し直交する均一厚みの中心平板部分６８と、中心平板部分６８の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸７０ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第１円錐板部分７０と、第１円錐板部分７０の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸７２ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第２円錐板部分７２とを備える。中心平板部分６８の対称軸６８ａと第１円錐板部分７０の対称軸７０ａと第２円錐板部分７２の対称軸７２ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材６４の中心軸線６４ａと一致する。第１円錐板部分７０と第２円錐板部分７２とは、互いに同心円状に配置される。対称軸７２ａに直交する面に対する第２円錐板部分７２の傾斜角度は、対称軸７０ａに直交する面に対する第１円錐板部分７０の傾斜角度よりも大きくなっている。換言すると、透過光学部材６４は、前述した透過光学部材５２の円錐板部分５８を、互いに傾斜角度の異なる第１円錐板部分７０及び第２円錐板部分７２に置換したものであって、その他の構成は透過光学部材５２と同様とすることができる。

図１７（ｂ）に示すレーザ加工装置６６は、透過光学部材６４を、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの一部分が中心平板部分６８を透過し、同レーザ光Ｌの他の一部分が第１円錐板部分７０を透過し、同レーザ光Ｌの残りの部分が第２円錐板部分７２を透過する位置に配置したものである。図１１を参照して説明したように、透過光学部材６４の中心平板部分６８、第１円錐板部分７０及び第２円錐板部分７２のそれぞれを透過する光線は、透過前後の光線経路の平行移動距離が互いに異なるものとなる。その結果、図１７（ｂ）の構成では、図１７（ｃ）に拡大して示すように、光ファイバ出射端２６ａのコア端面の外縁近傍領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、集光点Ｉにおいて集光径（外径）Ｄの環状領域Ｓに集光され、コア端面の外縁近傍領域の内側の環状領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、集光点Ｉにおいて、環状領域Ｓの内側の集光径（外径）Ｄ′の環状領域Ｓ′に集光され、コア端面の中心領域から出射されたレーザ光Ｌの光線群は、集光点Ｉにおいて、環状領域Ｓ′の内側の集光径（外径）Ｄ″の円形領域Ｓ″に集光される。

レーザ加工装置６６においては、前述したレーザ加工装置５４と同様に、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み、要求されるレーザ光の集光性能等に対応して、集光光学部３２の光軸３２ａ（図１２）に沿った所望位置に透過光学部材６４を配置できる。またレーザ加工装置６６においては、レーザ加工装置５４と同様に、レーザ光の集光点における照射強度の、要求される分布に応じて、透過光学部材６４の光軸方向の位置を決定することができる。なお、透過光学部材６４を、対称軸に対し互いに異なる角度で傾斜して同心円状に配置される３個以上の円錐板部分を備える構成とすることで、種々の要求に対しさらに緻密に対応することができる。また、透過光学部材６４の中心平板部分６８を穴に置換したり、中心平板部分６８を省略して、第１円錐板部分７０を、図３に示す透過光学部材４４の円錐板部分４６と同様の円錐形状にしたりすることもできる。このようにレーザ加工装置６６は、第１及び第２円錐板部分７０、７２（集光径拡大部分）を有する透過光学部材６４を備えたことにより、図１２に示すレーザ加工装置５４と同等の効果を少なくとも奏するものである。

図１８を参照して、透過光学部材４４、５２、６２、６４とは形状が異なる透過光学部材７４の構成、及び透過光学部材７４を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置７６の構成を説明する。なお、透過光学部材７４を備えたレーザ加工装置７６は、透過光学部材５２、６２を透過光学部材７４に置換した点以外は、図１２〜図１５のレーザ加工装置５４と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置５４の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

透過光学部材７４は、前述した互いに異なる傾斜角度を有する複数の円錐板部分の構成を、対称軸に対し互いに絶対値の等しい角度で反対方向へ傾斜する一対の円錐板部分を含む構成によって実現したものである。例えば図１８（ａ）に示すように、透過光学部材７４は、回転対称形状で対称軸７８ａに対し直交する均一厚みの中心平板部分７８と、中心平板部分７８の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸８０ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第１円錐板部分８０と、第１円錐板部分８０の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸８２ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第２円錐板部分８２とを備える。中心平板部分７８の対称軸７８ａと第１円錐板部分８０の対称軸８０ａと第２円錐板部分８２の対称軸８２ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材７４の中心軸線７４ａと一致する。第１円錐板部分８０と第２円錐板部分８２とは、互いに同心円状に配置される。対称軸８０ａに直交する面に対する第１円錐板部分８０の傾斜角度と、対称軸８２ａに直交する面に対する第２円錐板部分８２の傾斜角度とは、互いに絶対値が等しくかつ反対方向に傾斜するものとなっている。

透過光学部材７４はさらに、図１８（ｂ）に示すように、第２円錐板部分８２の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸８４ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第３円錐板部分８４と、第３円錐板部分８４の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸８６ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第４円錐板部分８６とを備えることができる。第３円錐板部分８４の対称軸８４ａと第４円錐板部分８６の対称軸８６ａとは、中心平板部分７８の対称軸７８ａと一致するとともに、透過光学部材７４の中心軸線７４ａと一致する。第３円錐板部分８４と第４円錐板部分８６とは、互いに同心円状に配置されるとともに、第１円錐板部分８０及び第２円錐板部分８２に対し同心円状に配置される。対称軸８４ａに直交する面に対する第３円錐板部分８４の傾斜角度と、対称軸８６ａに直交する面に対する第４円錐板部分８６の傾斜角度とは、互いに絶対値が等しくかつ反対方向に傾斜するものとなっている。また、第３円錐板部分８４の傾斜角度は第１円錐板部分８０の傾斜角度よりも大きく、第４円錐板部分８６の傾斜角度は第２円錐板部分８２の傾斜角度よりも大きくなっている。

図１８（ｃ）に示すように、透過光学部材７４を備えたレーザ加工装置７６は、集光光学部３２の光軸３２ａに沿った所望位置に透過光学部材７４を配置できるように構成される。図１８（ｃ）では、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されるレーザ光Ｌの全てが中心平板部分７８を透過する位置（図で上端位置）と、同レーザ光の一部分が中心平板部分７８を透過し、同レーザ光Ｌの残りの部分が第１円錐板部分８０及び第２円錐板部分８２を透過する位置（図で中間位置）と、同レーザ光の一部分が中心平板部分７８を透過し、同レーザ光Ｌの他の一部分が第１円錐板部分８０及び第２円錐板部分８２を透過し、同レーザ光Ｌの残りの部分が第３円錐板部分８４及び第４円錐板部分８６を透過する位置（図で下端位置）とのそれぞれに、透過光学部材７４を配置した状態を示す。図で上端位置に透過光学部材７４を配置した場合は、図１３に示すレーザ加工装置５４と同様に、レーザ光Ｌの本来の集光性能を維持して集光点の集光径を最小にすることができる。図で中間位置に透過光学部材７４を配置した場合は、図１４に示すレーザ加工装置５４と同様に、第１円錐板部分８０及び第２円錐板部分８２の作用により集光点の集光径を拡大することができる。図で下端位置に透過光学部材７４を配置した場合は、第１円錐板部分８０及び第２円錐板部分８２よりも傾斜角度の大きな第３円錐板部分８４及び第４円錐板部分８６の作用により集光点の集光径をさらに拡大することができる。このようにレーザ加工装置７６は、一対以上の円錐板部分８０、８２、８４、８６（集光径拡大部分）を有する透過光学部材７４を備えたことにより、図１２に示すレーザ加工装置５４と同等の効果を少なくとも奏するものである。

図１９及び図２０を参照して、透過光学部材４４、５２、６２、６４、７４とは形状が異なる透過光学部材８８の構成、及び透過光学部材８８を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置９０の構成を説明する。なお、透過光学部材８８を備えたレーザ加工装置９０は、透過光学部材４４を透過光学部材８８に置換した点以外は、図５〜図７のレーザ加工装置１０と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置１０の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

透過光学部材８８は、前述した透過光学部材７４の中心平板部分７８を省略したものに相当する構成を有する。図１９（ａ）に示すように、透過光学部材８８は、回転対称形状で対称軸９２ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第１円錐板部分９２と、第１円錐板部分９２の外周に沿って設けられ、回転対称形状で対称軸９４ａに対し傾斜する均一厚みの環状の第２円錐板部分９４とを備える。第１円錐板部分９２の対称軸９２ａと第２円錐板部分９４の対称軸９４ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材８８の中心軸線８８ａと一致する。第１円錐板部分９２と第２円錐板部分９４とは、互いに同心円状に配置される。対称軸９２ａに直交する面に対する第１円錐板部分９２の傾斜角度と、対称軸９４ａに直交する面に対する第２円錐板部分９４の傾斜角度とは、互いに絶対値が等しくかつ反対方向に傾斜するものとなっている。

図１９（ａ）に示すように、レーザ加工装置９０は、加工ヘッド１８（図２）に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側に配置される透過光学部材８８を備える。透過光学部材８８は、ハウジング３４（図２）の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置に、その中心軸線８８ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される。また透過光学部材８８は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束の中心部分が、第１円錐板部分９２を透過するとともに、同光束の残りの外周部分が、第２円錐板部分９４を透過する位置に配置される。図４を参照して説明したように、透過光学部材８８は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌを、その拡散角αを透過前後で一定に維持しながら透過させることができる。

光ファイバ２６の出射端２６ａから出射された拡散角αを有するレーザ光Ｌは、透過光学部材８８を透過した後に集光光学部（仮想レンズ）３２で集光されて、集光角βを有するレーザ光ＬとしてワークＷに照射される。各部寸法は、図５の構成と同様に、光ファイバ２６のコア径（直径）を５０μｍ、レーザ光Ｌの拡散角αを半角で０．１ｒａｄ、光ファイバ２６の出射端２６ａのコア端面から集光光学部３２の主点までを１００ｍｍ、集光光学部３２の焦点距離を５０ｍｍとした。また透過光学部材４４は、第１円錐板部分９２の頂角を１７７．１４°（つまり対称軸９２ａに直交する面に対する傾斜角度を１．４３°）、厚みを３ｍｍとし、第２円錐板部分９４の頂角を−１７７．１４°（つまり対称軸９４ａに直交する面に対する傾斜角度を−１．４３°）、厚みを３ｍｍとし、光ファイバ出射端２６ａのコア端面から第１円錐板部分９２の頂点までの距離が６４ｍｍの位置に配置した。

図１９（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を示す。図１９（ｃ）は、理解を助けるべく（ｂ）に示す光線経路の任意部分のみを抽出したものである。例えば、図１９（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材８８の第２円錐板部分９４に入射し、入射角に応じて屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材８８を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射される。また、図１９（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材８８の第２円錐板部分９４に入射し、入射角に応じて屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材８８を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射される。これら光線の経路は、図６（ｂ）、（ｃ）に示す光線の経路に実質的に対応する。

他方、光ファイバ２６の出射端２６ａの中心領域から出射された光線群は、第１円錐板部分９２を透過する際に、透過前後で、第２円錐板部分９４を透過する光線とは異なる距離だけ平行移動し、その後に集光光学部３２で集光されて出射される。結果としてレーザ光Ｌは、集光点Ｉにおいて、図６（ｄ）の集光形状と同様の集光径Ｄの円形領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約２倍の直径を有する領域）に集光される。しかもこのとき、レーザ光Ｌが、対称軸９２ａ、９４ａに対し互いに絶対値の等しい角度で反対方向へ傾斜する一対の第１及び第２円錐板部分９２、９４を透過することにより、集光点Ｉを中心として光軸方向前後の所定範囲における光線群の経路の態様は、図５（ｄ）に示す透過光学部材４４を透過しないときの光線群の経路の態様に類似したもの（集光点Ｉを中心とした鏡像的態様）となっている。したがって、透過光学部材８８を備えたレーザ加工装置９０によって、例えばワーク表面から意図的に集光点Ｉを光軸方向へずらしてレーザ加工を行う際に、レーザ光Ｌの集光点Ｉにおける集光径Ｄを拡大する一方で、透過光学部材８８を備えない場合に得られる加工品質と同等の加工品質を得ることが期待できる。なおレーザ加工装置９０は、一対以上の円錐板部分９２、９４（集光径拡大部分）を有する透過光学部材８８を備えたことにより、図２に示すレーザ加工装置１０と同等の効果を少なくとも奏するものである。

図２０（ａ）は、透過光学部材８８とは各円錐板部分の頂角が異なる円錐板部分を有する透過光学部材８８′を、透過光学部材８８と同じ位置に配置したレーザ加工装置９０を示す。透過光学部材８８′は、第１円錐板部分９２の頂角を１７４．２８°（つまり対称軸９２ａに直交する面に対する傾斜角度を２．８６°）とし、第２円錐板部分９４の頂角を−１７４．２８°（つまり対称軸９４ａに直交する面に対する傾斜角度を−２．８６°）とした。その他の各部寸法は、図１９の構成と同様である。

図２０（ｂ）は、シミュレーションにより得られたレーザ光Ｌの一部の光線の経路を示す。図２０（ｃ）は、理解を助けるべく（ｂ）に示す光線経路の任意部分のみを抽出したものである。例えば、図２０（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の上端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材８８の第２円錐板部分９４に入射し、入射角に応じて屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材８８を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射される。また、図２０（ｂ）、（ｃ）において光ファイバ出射端２６ａのコア端面の下端から出射された光線は、拡散角αで拡がりながら透過光学部材８８の第２円錐板部分９４に入射し、入射角に応じて屈折及び平行移動して、拡散角αを維持しながら透過光学部材８８を透過し、その後に集光光学部３２に入射して、集光光学部３２から集光角βで出射される。これら光線の経路は、図７（ｂ）、（ｃ）に示す光線の経路に実質的に対応する。

他方、光ファイバ２６の出射端２６ａの中心領域から出射された光線群は、第１円錐板部分９２を透過する際に、透過前後で、第２円錐板部分９４を透過する光線とは異なる距離だけ平行移動し、その後に集光光学部３２で集光されて出射される。結果としてレーザ光Ｌは、集光点Ｉにおいて、図７（ｄ）の集光形状と同様の集光径Ｄ（外径）Ｄの環状領域Ｓ（コア端面の外周形状に対応し、約３倍の外径を有する円環状の領域）に集光される。しかもこのとき、レーザ光Ｌが、対称軸９２ａ、９４ａに対し互いに絶対値の等しい角度で反対方向へ傾斜する一対の第１及び第２円錐板部分９２、９４を透過することにより、集光点Ｉを中心として光軸方向前後の所定範囲における光線群の経路の態様は、図５（ｄ）に示す透過光学部材４４を透過しないときの光線群の経路の態様に類似したもの（集光点Ｉを中心とした鏡像的態様）となっている。このように、透過光学部材８８′を備えたレーザ加工装置９０においても、透過光学部材８８を備えたレーザ加工装置９０と同等の効果が奏される。

図２１を参照して、透過光学部材４４、５２、６２、６４、７４、８８とは形状が異なる透過光学部材９６の構成、及び透過光学部材９６を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置９８の構成を説明する。なお、透過光学部材９６を備えたレーザ加工装置９８は、透過光学部材５２、６２を透過光学部材９６に置換した点以外は、図１２〜図１５のレーザ加工装置５４と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置５４の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

透過光学部材９６は、前述した透過光学部材５２の中心平板部分５６及び円錐板部分５８を、対称軸５６ａ、５８ａに直交する分割面で分割したものに相当する形状を有する第１部材１００及び第２部材１０２を備える。第１部材１００と第２部材１０２とは、それぞれの分割面１００ａ、１０２ａを互いに対向させて同軸に配置される。これら第１部材１００と第２部材１０２との間の距離を変更することにより、透過光学部材９６を透過したレーザ光Ｌの集光点における集光径及び照射強度分布を調整できる。

レーザ加工装置９８は、第１部材１００と第２部材１０２とを有する透過光学部材９６が加工ヘッド１８（図２）に、集光光学部３２の光軸３２ａに沿った方向へ移動可能に取り付けられる構成とすることができる。例えば、レーザ光Ｌに干渉しない箇所で適当な駆動機構（図示せず）を用いて、第１部材１００と第２部材１０２との少なくとも一方をハウジング３４の内部に光軸方向へ無段階に移動可能に設置することができる。この構成によれば、レーザ加工の種類やワークＷの材質、厚み等、また要求されるレーザ光の集光性能に対応して、第１部材１００又は第２部材１０２を駆動機構により適宜位置に配置することで、最適な集光径及び集光角βを有するレーザ光ＬをワークＷに照射してレーザ加工を実施できる。このようにレーザ加工装置９８は、円錐板部分５８（集光径拡大部分）に相当する部分を含む透過光学部材９６を備えたことにより、図１２に示すレーザ加工装置５４と同等の効果を少なくとも奏するものである。

特にレーザ加工装置９６では、第１部材１００と第２部材１０２との組合せからなる円錐板部分を、レーザ光Ｌの一部が必ず透過することを前提とした場合であっても、前述したレーザ加工装置５４と異なり、透過光学部材９６をパラメータの異なる別の透過光学部材９６と交換するのではなく、第１部材１００と第２部材１０２との間の距離を変更することで、レーザ光Ｌの集光点における集光径を変更できる。なお、第１部材１００と第２部材１０２とを、それぞれの分割面１００ａ、１０２ａを互いに反対側に向けて配置した場合にも、同等の効果が奏される。

図２２を参照して、透過光学部材４４、５２、６２、６４、７４、８８、９６とは形状が異なる透過光学部材１０４の構成、及び透過光学部材１０４を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置１０６の構成を説明する。なお、透過光学部材１０４を備えたレーザ加工装置１０６は、透過光学部材５２、６２を透過光学部材１０４に置換した点以外は、図１２〜図１５のレーザ加工装置５４と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置５４の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

透過光学部材１０４は、前述した透過光学部材４４、５２、６２、６４、７４、８８、９６と異なり、集光径拡大部分として機能する円錐板部分を備えない。図２２（ａ）に示すように、透過光学部材１０４の集光径拡大部分は、透過光学部材１０４が備える回転対称形状の中心平板部分１０８であって、対称軸１０８ａに対し直交する均一厚みの中心平板部分１０８と、透過光学部材１０４が備える回転対称形状の環状平板部分１１０であって、対称軸１１０ａに対し直交する均一厚みの環状平板部分１１０とから構成される。環状平板部分１１０は、中心平板部分１０８の外周に沿って設けられる。中心平板部分１０８の厚みと環状平板部分１１０の厚みとは互いに異なる。中心平板部分１０８の対称軸１０８ａと環状平板部分１１０の対称軸１１０ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材１０４の中心軸線１０４ａと一致する。

図２２（ｂ）に示すように、レーザ加工装置１０６は、加工ヘッド１８（図２）に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側に配置される透過光学部材１０４を備える。透過光学部材１０４は、ハウジング３４（図２）の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置に、その中心軸線１０４ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される。また透過光学部材１０４は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束の中心部分が、中心平板部分１０８を透過するとともに、同光束の残りの外周部分が、環状平板部分１１０を透過する位置に配置される。図１１を参照して説明したように、透過光学部材１１０は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌを、その拡散角αを透過前後で一定に維持しながら透過させることができる。

中心平板部分１０８を透過した光線群と環状平板部分１１０を透過した光線群とは、いずれも、透過光学部材１０４を透過しない場合のレーザ光の集光径と同じ集光径に集光する。但し、中心平板部分１０８の厚みと環状平板部分１１０の厚みとが互いに異なるので、中心平板部分１０８及び環状平板部分１１０を透過することによる光線経路の平行移動距離が互いに異なる。その結果、図２２（ｃ）に拡大して示すように、中心平板部分１０８を透過した光線群と環状平板部分１１０を透過した光線群とは、光軸方向へ互いにずれた位置で円形領域Ｓ１、Ｓ２に集光することになる。集光したレーザ光Ｌの光束の外径が最小となる位置は、円形領域Ｓ１と円形領域Ｓ２との間の位置である。この位置がレーザ光Ｌの集光点Ｉであり、その集光径Ｄは、透過光学部材１０４を透過しない場合のレーザ光の集光径よりも大きくなっている。

このようにレーザ加工装置１０６は、中心平板部分１０８及び環状平板部分１１０（集光径拡大部分）を有する透過光学部材１０４を備えたことにより、図１２に示すレーザ加工装置５４と同等の効果を少なくとも奏するものである。レーザ加工装置１０６においても、中心平板部分１０８及び環状平板部分１１０のそれぞれの厚み、屈折率等のパラメータのうち所望のパラメータを変えることにより、集光径Ｄの寸法を変更できる。また、中心平板部分１０８の外径（つまり環状平板部分１１０の内径）を変えることにより、集光点Ｉの中心領域と外縁近傍領域との照射強度の比率を調整できる。

レーザ加工装置１０６においても、加工ヘッド１８の予め定めた位置に透過光学部材１０４が着脱自在に取り付けられる構成や、透過光学部材１０４が集光光学部３２の光軸３２ａに沿った方向へ移動可能に取り付けられる構成を採用できる。透過光学部材１０４の光軸３２ａに沿った方向の位置を変えることで、集光径Ｄの寸法を変更したり、集光点Ｉの中心領域と外縁近傍領域との照射強度の比率を調整したりすることができる。また、透過光学部材１０４を、光ファイバ出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの全てが中心平板部分１０８を透過する位置に配置したり、透過光学部材１０４を取り外したりすることで、レーザ光Ｌが本来有する集光性能を劣化させることなく加工ヘッド１８から出射することができる。

図２３を参照して、透過光学部材４４、５２、６２、６４、７４、８８、９６、１０４とは形状が異なる透過光学部材１１２の構成、及び透過光学部材１１２を備えた他の実施形態によるレーザ加工装置１１４の構成を説明する。なお、透過光学部材１１２を備えたレーザ加工装置１１４は、透過光学部材５２、６２を透過光学部材１１２に置換した点以外は、図１２〜図１５のレーザ加工装置５４と同様の構成を有することができる。以下の説明において、レーザ加工装置５４の構成に対応する構成については、共通する参照符号を付すことでその説明を省略する。

透過光学部材１１２は、前述した透過光学部材１０４と同様、集光径拡大部分として機能する円錐板部分を備えない。図２３（ａ）に示すように、透過光学部材１１２の集光径拡大部分は、透過光学部材１１２が備える回転対称形状の中心平板部分１１６であって、対称軸１１６ａに対し直交する均一厚みの中心平板部分１１６と、透過光学部材１１２が備える回転対称形状の環状平板部分１１８であって、対称軸１１８ａに対し直交する均一厚みの環状平板部分１１８とを備える。環状平板部分１１８は、中心平板部分１１６の外周に沿って設けられる。中心平板部分１１６の厚みと環状平板部分１１８の厚みとは互いに同一である一方、中心平板部分１１６の屈折率と環状平板部分１１８の屈折率とは互いに異なる。中心平板部分１１６の対称軸１１６ａと環状平板部分１１８の対称軸１１８ａとは、互いに一致するとともに、透過光学部材１１２の中心軸線１１２ａと一致する。

図２３（ａ）に示すように、レーザ加工装置１１４は、加工ヘッド１８（図２）に設けられ、レーザ光Ｌの進行方向に見て集光光学部３２の上流側に配置される透過光学部材１１２を備える。透過光学部材１１２は、ハウジング３４（図２）の内部で光ファイバ２６の出射端２６ａと集光光学部３２との間の所定位置に、その中心軸線１１２ａを集光光学部３２の光軸３２ａに一致させて配置される。また透過光学部材１１２は、光ファイバ２６の出射端２６ａから出射されたレーザ光Ｌの光束の中心部分が、中心平板部分１１６を透過するとともに、同光束の残りの外周部分が、環状平板部分１１８を透過する位置に配置される。

レーザ加工装置１１４は、透過光学部材１１２を備えたことにより、レーザ加工装置１０６と同様に、レーザ光Ｌの集光点における集光径や照射強度分布を調整することができる。また、レーザ加工装置１０６、１１４においては、透過光学部材１０４、１１２に代えて、図２３（ｂ）に示すように、環状平板部分１１８の内側に対称軸１１８ａを中心とした円形の穴１２０を有する透過光学部材１２２を用いることができる。透過光学部材１２２は、透過光学部材１０４、１１２の中心平板部分１０８、１１６を穴１２０に置換したものであって、透過するレーザ光に及ぼす作用は、透過光学部材１０４、１１２と実質的に同一である。

なお、透過光学部材１０４、１１２、１２２が集光光学部３２の上流側に配置される場合、環状平板部分１１０、１１８は、拡散角αを有するレーザ光Ｌの最小ビーム径（光ファイバ２６の出射端２６ａのコア径）よりも大きな内径を有することが好ましい。他方、透過光学部材１０４、１１２、１２２が集光光学部３２の下流側に配置される場合、環状平板部分１１０、１１８は、集光角βを有するレーザ光Ｌの集光径Ｄよりも大きな内径を有することが好ましい。

１０、５４、６６、７６、９０、９８、１０６、１１４ レーザ加工装置
１４ レーザ光源
１８ 加工ヘッド
３２ 集光光学部
４４、５２、６２、６４、７４、８８、９６、１０４、１１２、１２２ 透過光学部材
４６、５８ 円錐板部分
５６、６８、７８、１０８、１１６ 中心平板部分
６０、１２０ 穴
７０、８０、９２ 第１円錐板部分
７２、８２、９４ 第２円錐板部分
１００ 第１部材
１０２ 第２部材
１１０、１１８ 環状平板部分

Claims (15)

1. レーザ光をワークに照射する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドに設けられ、レーザ光源から前記加工ヘッドに入射した拡散角を有するレーザ光を集光して、集光角を有するレーザ光として前記加工ヘッドから出射させる集光光学部と、
   前記加工ヘッドに設けられ、前記レーザ光の進行方向に見て前記集光光学部の上流側に配置されて前記拡散角を透過前後で一定に維持しながら前記レーザ光を透過させるか、又は前記レーザ光の進行方向に見て前記集光光学部の下流側に配置されて前記集光角を透過前後で一定に維持しながら前記レーザ光を透過させる透過光学部材とを具備し、
   前記透過光学部材は、前記レーザ光の集光径を拡大する集光径拡大部分を備え、該集光径拡大部分は、該集光径拡大部分を透過した前記レーザ光の前記集光径を、該集光径拡大部分を透過せずに前記集光光学部で集光された場合の前記レーザ光の集光径に比べて拡大する、
   レーザ加工装置。
2. 前記集光径拡大部分は、前記透過光学部材が備える回転対称形状の円錐板部分であって、対称軸に対し傾斜する均一厚みの円錐板部分を備え、前記透過光学部材は、該円錐板部分の該対称軸が前記集光光学部の光軸に一致する位置に配置される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記透過光学部材の全体が前記円錐板部分である、請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記透過光学部材は、回転対称形状で前記対称軸に対し直交する均一厚みの中心平板部分を備え、該中心平板部分の外周に沿って環状の前記円錐板部分が設けられる、請求項２に記載のレーザ加工装置。
5. 前記透過光学部材は、環状の前記円錐板部分の内側に前記対称軸を中心とした円形の穴を有する、請求項２に記載のレーザ加工装置。
6. 前記透過光学部材が前記上流側に配置される場合、環状の前記円錐板部分は、前記拡散角を有する前記レーザ光の最小ビーム径よりも大きな内径を有し、前記透過光学部材が前記下流側に配置される場合、環状の前記円錐板部分は、前記集光角を有する前記レーザ光の前記集光径よりも大きな内径を有する、請求項４又は５に記載のレーザ加工装置。
7. 前記透過光学部材は、前記対称軸に対し互いに異なる角度で傾斜して同心円状に配置される複数の前記円錐板部分を備える、請求項２〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記複数の円錐板部分は、前記対称軸に対し互いに絶対値の等しい角度で反対方向へ傾斜する一対の円錐板部分を含む、請求項７に記載のレーザ加工装置。
9. 前記透過光学部材は、前記円錐板部分を前記対称軸に直交する分割面で分割した形状の第１部材及び第２部材を備え、該第１部材と該第２部材とが、それぞれの該分割面を互いに対向させるか又は互いに反対側に向けて同軸に配置される、請求項２〜８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
10. 前記集光径拡大部分は、前記透過光学部材が備える回転対称形状の中心平板部分であって、対称軸に対し直交する均一厚みの中心平板部分と、前記透過光学部材が備える回転対称形状の環状平板部分であって、対称軸に対し直交する均一厚みの環状平板部分とを備え、該中心平板部分の外周に沿って該環状平板部分が設けられるとともに、該中心平板部分の厚みと該環状平板部分の厚みとが互いに異なり、前記透過光学部材は、該中心平板部分の該対称軸と該環状平板部分の該対称軸とが前記集光光学部の光軸に一致する位置に配置される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
11. 前記集光径拡大部分は、前記透過光学部材が備える回転対称形状の中心平板部分であって、対称軸に対し直交する均一厚みの中心平板部分と、前記透過光学部材が備える回転対称形状の環状平板部分であって、対称軸に対し直交する均一厚みの環状平板部分とを備え、該中心平板部分の外周に沿って該環状平板部分が設けられるとともに、該中心平板部分の屈折率と該環状平板部分の屈折率とが互いに異なり、前記透過光学部材は、該中心平板部分の該対称軸と該環状平板部分の該対称軸とが前記集光光学部の光軸に一致する位置に配置される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
12. 前記集光径拡大部分は、前記透過光学部材が備える回転対称形状の環状平板部分であって、対称軸に対し直交する均一厚みの環状平板部分を備え、前記透過光学部材は、該環状平板部分の内側に該対称軸を中心とした円形の穴を有し、前記透過光学部材は、該環状平板部分の該対称軸が前記集光光学部の光軸に一致する位置に配置される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記透過光学部材が前記上流側に配置される場合、前記環状平板部分は、前記拡散角を有する前記レーザ光の最小ビーム径よりも大きな内径を有し、前記透過光学部材が前記下流側に配置される場合、前記環状平板部分は、前記集光角を有する前記レーザ光の前記集光径よりも大きな内径を有する、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
14. 前記透過光学部材は、前記加工ヘッドの予め定めた位置に着脱自在に取り付けられる、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
15. 前記透過光学部材は、前記加工ヘッドに前記集光光学部の光軸の方向へ移動可能に取り付けられる、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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