JP2021039150A - Beam shaping device, beam shaping method, and diffraction optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ビーム整形装置、ビーム整形方法及び回折光学素子に関する。 The present invention relates to a beam shaping device, a beam shaping method and a diffractive optical element.
近年、レーザ溶接、レーザ切断等のレーザ加工を行うための様々なレーザ加工装置が開発されている。レーザ加工装置は、ビーム整形装置を備えている。ビーム成形装置は、回折光学素子を有している。ビーム成形装置は、光源（例えば、レーザ発振器）から送られた光（ビーム）を回折光学素子によって整形する。ビーム整形装置によって、対象物には、所望のパターンの光（ビーム）が照射される。 In recent years, various laser processing devices for performing laser processing such as laser welding and laser cutting have been developed. The laser processing device includes a beam shaping device. The beam forming apparatus has a diffractive optical element. The beam shaping apparatus shapes the light (beam) sent from the light source (for example, a laser oscillator) by the diffractive optical element. The beam shaping device irradiates the object with a desired pattern of light (beam).
特許文献１には、ビーム整形装置の回折光学素子の一例について記載されている。この回折光学素子は、回折格子を有し、かつ矩形形状を有する第１領域と、当該第１領域を囲み、かつ回折格子を有しない第２領域と、を備えている。特許文献１には、回折光学素子をスライドさせて、ビームのスポットが回折光学素子の第１領域と重なるようにすることと、ビームのスポットが回折光学素子の第１領域からずれて回折光学素子の第２領域と重なるようにすることが記載されている。 Patent Document 1 describes an example of a diffractive optical element of a beam shaping apparatus. This diffractive optical element includes a first region having a diffraction grating and having a rectangular shape, and a second region surrounding the first region and not having a diffraction grating. In Patent Document 1, the diffractive optical element is slid so that the spot of the beam overlaps the first region of the diffractive optical element, and the spot of the beam is deviated from the first region of the diffractive optical element. It is described that it overlaps with the second region of.
本発明者は、回折光学素子から出射される光のパターンを新規な方法によって調節することを検討した。 The present inventor has studied adjusting the pattern of light emitted from the diffractive optical element by a novel method.
本発明の目的の一例は、回折光学素子から出射される光のパターンを新規な方法によって調節することにある。本発明の他の目的は、本明細書の記載から明らかになるであろう。 An example of an object of the present invention is to adjust the pattern of light emitted from a diffractive optical element by a novel method. Other objects of the invention will become apparent from the description herein.
本発明の一態様は、
第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域と、を有する回折光学素子と、
前記回折光学素子に入射するビームのスポットの大きさを調節する光学系と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を含み、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を含まず、
前記光学系によって調節される前記スポットの前記大きさは、前記スポットが前記第１領域の少なくとも一部分と重なる第１状態と、前記スポットの前記大きさが前記第１状態における前記スポットの前記大きさより大きく、かつ前記スポットが前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部分と、重なる第２状態と、を含む、ビーム整形装置である。
One aspect of the present invention is
A diffractive optical element having a first region and a second region surrounding the first region,
An optical system that adjusts the size of the spot of the beam incident on the diffractive optical element, and
With
One of the first region and the second region contains a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not include a structure for forming diffracted light.
The size of the spot adjusted by the optical system is larger than the first state in which the spot overlaps at least a part of the first region and the size of the spot in the first state. A beam shaping apparatus that is large and includes a second state in which the spot overlaps the first region and at least a part of the second region.
本発明の他の一態様は、
第１領域と、前記第１領域を囲む第２領域と、を有し、前記第１領域及び前記第２領域の一方が回折光を形成するための構造を含み、前記第１領域及び前記第２領域の他方が回折光を形成するための構造を含まない回折光学素子に入射するビームのスポットの大きさを、光学系によって、前記スポットが前記第１領域の少なくとも一部分と重なる第１状態に調節することと、
前記ビームの前記スポットの前記大きさを、前記光学系によって、前記スポットの前記大きさが前記第１状態における前記スポットの前記大きさより大きく、かつ前記スポットが前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部分と、重なる第２状態に調節することと、
を含む、ビーム整形方法である。
Another aspect of the present invention is
It has a first region and a second region surrounding the first region, and one of the first region and the second region includes a structure for forming diffracted light, the first region and the first region. Depending on the optical system, the size of the spot of the beam incident on the diffractive optical element in which the other of the two regions does not include the structure for forming the diffracted light is set to the first state in which the spot overlaps at least a part of the first region. To adjust and
According to the optical system, the size of the spot of the beam is larger than the size of the spot in the first state, and the spot is the first region and the second region. Adjusting to a second state that overlaps with at least a part of
It is a beam shaping method including.
本発明のさらに他の一態様は、
第１領域と、
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を有し、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第１領域は、円形状を有する、回折光学素子である。
Yet another aspect of the present invention is
The first area and
A second region surrounding the first region and
With
One of the first region and the second region has a structure for forming diffracted light, and has a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not have a structure for forming diffracted light.
The first region is a diffractive optical element having a circular shape.
本発明のさらに他の一態様は、
第１領域と、
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を有し、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第１領域は、前記第１領域及び前記第２領域の少なくとも一方に入射するビームのスポットの形状と相似な形状を有する、回折光学素子である。
Yet another aspect of the present invention is
The first area and
A second region surrounding the first region and
With
One of the first region and the second region has a structure for forming diffracted light, and has a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not have a structure for forming diffracted light.
The first region is a diffractive optical element having a shape similar to the shape of a spot of a beam incident on at least one of the first region and the second region.
本発明のさらに他の一態様は、
第１領域と、
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第２領域は、回折光を形成するための構造を有する、回折光学素子である。
Yet another aspect of the present invention is
The first area and
A second region surrounding the first region and
With
The first region does not have a structure for forming diffracted light and has no structure.
The second region is a diffractive optical element having a structure for forming diffracted light.
本発明の上述した態様によれば、回折光学素子から出射される光のパターンを新規な方法によって調節することができる。 According to the above-described aspect of the present invention, the pattern of light emitted from the diffractive optical element can be adjusted by a novel method.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all drawings, similar components are designated by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置２０を説明するための図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram for explaining the laser processing apparatus 20 according to the first embodiment.
レーザ加工装置２０は、ビーム整形装置１０、光源１２及び光ファイバ１４を備えている。光源１２は、例えば、レーザ発振器であり、レーザ光を生成する。レーザ光は、例えば、近赤外線波長域の光（例えば、波長１０６４ｎｍの光）である。ただし、レーザ光は、他の波長域の光、例えば、近赤外線波長域より長波長域の光、可視光又は紫外線波長域の光であってもよい。光源１２によって生成された光は、光ファイバ１４を経由してビーム整形装置１０に送られる。ビーム整形装置１０は、光源１２から送られた光（ビームＢ）を整形する。ビーム整形装置１０によって整形されたビームＢは、対象物Ｏに向けて照射される。対象物Ｏは、ビーム整形装置１０から出射されたビームＢによって加工される。レーザ加工装置２０は、レーザ加工、例えば、レーザ溶接又はレーザ切断に用いられる。 The laser processing device 20 includes a beam shaping device 10, a light source 12, and an optical fiber 14. The light source 12 is, for example, a laser oscillator and generates a laser beam. The laser light is, for example, light in the near-infrared wavelength region (for example, light having a wavelength of 1064 nm). However, the laser light may be light in another wavelength range, for example, light in a wavelength range longer than the near infrared wavelength range, visible light, or light in an ultraviolet wavelength range. The light generated by the light source 12 is sent to the beam shaping device 10 via the optical fiber 14. The beam shaping device 10 shapes the light (beam B) sent from the light source 12. The beam B shaped by the beam shaping device 10 is irradiated toward the object O. The object O is processed by the beam B emitted from the beam shaping device 10. The laser machining apparatus 20 is used for laser machining, for example, laser welding or laser cutting.
ビーム整形装置１０は、回折光学素子１００、光学系２００、集光レンズ３００及び収容体４００を備えている。ビーム整形装置１０は、例えば、レーザヘッドである。回折光学素子１００、光学系２００及び集光レンズ３００は、収容体４００に収容されている。光ファイバ１４を経由して光源１２からビーム整形装置１０に送られた光（ビームＢ）は、光学系２００を経由して回折光学素子１００の第１面１０２に入射する。光学系２００は、回折光学素子１００に入射するビームＢのスポットＳのサイズを調節する。光学系２００は、コリメートレンズ２１０を有している。したがって、回折光学素子１００に入射する光（ビームＢ）は、コリメート光となっている。回折光学素子１００に入射した光（ビームＢ）は、回折光学素子１００を透過して、回折光学素子１００の第２面１０４（第１面１０２の反対側の面）から集光レンズ３００に送られる。つまり、回折光学素子１００は、透過型の回折光学素子である。回折光学素子１００の第２面１０４から出射されたビームＢは、集光レンズ３００によって、対象物Ｏの一部分に集光される。ビームＢの光軸ＯＡは、コリメートレンズ２１０の中心、回折光学素子１００の中心及び集光レンズ３００の中心を通過している。 The beam shaping device 10 includes a diffraction optical element 100, an optical system 200, a condenser lens 300, and an accommodating body 400. The beam shaping device 10 is, for example, a laser head. The diffractive optical element 100, the optical system 200, and the condenser lens 300 are housed in the housing body 400. The light (beam B) sent from the light source 12 to the beam shaping device 10 via the optical fiber 14 is incident on the first surface 102 of the diffractive optical element 100 via the optical system 200. The optical system 200 adjusts the size of the spot S of the beam B incident on the diffractive optical element 100. The optical system 200 has a collimating lens 210. Therefore, the light (beam B) incident on the diffractive optical element 100 is collimated light. The light (beam B) incident on the diffractive optical element 100 passes through the diffractive optical element 100 and is sent from the second surface 104 (the surface opposite to the first surface 102) of the diffractive optical element 100 to the condenser lens 300. Be done. That is, the diffractive optical element 100 is a transmission type diffractive optical element. The beam B emitted from the second surface 104 of the diffractive optical element 100 is focused on a part of the object O by the condenser lens 300. The optical axis OA of the beam B passes through the center of the collimating lens 210, the center of the diffractive optical element 100, and the center of the condenser lens 300.
図２は、実施形態１に係る回折光学素子１００の第２面１０４の平面図である。 FIG. 2 is a plan view of the second surface 104 of the diffraction optical element 100 according to the first embodiment.
回折光学素子１００は、例えば、透過性を有する基板、例えば、石英基板から形成されている。回折光学素子１００は、第１領域１１０及び第２領域１２０を有している。第１領域１１０は、例えば、第２面１０４の中心に位置している。第２領域１２０は、第１領域１１０を囲んでいる。回折光学素子１００の第２領域１２０における第２面１０４には、回折光を形成するための凹凸（レリーフ）が形成されている。すなわち、第２領域１２０は、回折光を形成するための構造を有している。これに対して、第１領域１１０は、回折光を形成するための構造を有していない。すなわち、第１領域１１０を透過した光は、回折光学素子１００によって回折されずに、回折光学素子１００を透過する。例えば、回折光学素子１００の第１領域１１０における第２面１０４は、回折光を形成するための凹凸を有しておらず、平坦になっている。 The diffractive optical element 100 is formed of, for example, a transparent substrate, for example, a quartz substrate. The diffractive optical element 100 has a first region 110 and a second region 120. The first region 110 is located, for example, in the center of the second surface 104. The second region 120 surrounds the first region 110. The second surface 104 in the second region 120 of the diffractive optical element 100 is formed with irregularities (reliefs) for forming diffracted light. That is, the second region 120 has a structure for forming diffracted light. On the other hand, the first region 110 does not have a structure for forming diffracted light. That is, the light transmitted through the first region 110 is not diffracted by the diffractive optical element 100, but is transmitted through the diffractive optical element 100. For example, the second surface 104 in the first region 110 of the diffractive optical element 100 does not have irregularities for forming diffracted light and is flat.
回折光を形成するための構造は、上述した例に限定されない。例えば、第２領域１２０は、屈折率の空間分布を有していてもよい。屈折率の空間分布によっても、回折光を形成することができる。第２領域１２０が屈折率の空間分布を有するとき、第１領域１１０は、屈折率の空間分布を有していなくてもよい。 The structure for forming the diffracted light is not limited to the above-mentioned example. For example, the second region 120 may have a spatial distribution of refractive index. Diffracted light can also be formed by the spatial distribution of the refractive index. When the second region 120 has a spatial distribution of refractive index, the first region 110 does not have to have a spatial distribution of refractive index.
図３は、図２に示した回折光学素子１００と、第１状態の大きさを有するスポットＳと、の関係の一例を示す図である。図４は、図３におけるスポットＳが形成された場合における回折光学素子１００から出射された光のパターンの一例（点パターンＰＰ）を示す図である。図５は、図２に示した回折光学素子１００と、第２状態の大きさを有するスポットＳと、の関係の一例を示す図である。図６は、図５におけるスポットＳが形成された場合における回折光学素子１００から出射された光のパターンの一例（点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰ）を示す図である。図６におけるリングパターンＲＰは、点パターンＰＰに関して回転対称に配置された８点のパターンを含んでいる。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the diffractive optical element 100 shown in FIG. 2 and the spot S having the size of the first state. FIG. 4 is a diagram showing an example (point pattern PP) of a pattern of light emitted from the diffractive optical element 100 when the spot S in FIG. 3 is formed. FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the diffractive optical element 100 shown in FIG. 2 and the spot S having the size of the second state. FIG. 6 is a diagram showing an example (point pattern PP and ring pattern RP) of the light emitted from the diffractive optical element 100 when the spot S in FIG. 5 is formed. The ring pattern RP in FIG. 6 includes an eight-point pattern arranged rotationally symmetrically with respect to the point pattern PP.
図３から図６を用いて、ビーム整形装置１０の動作の一例を説明する。 An example of the operation of the beam shaping device 10 will be described with reference to FIGS. 3 to 6.
光学系２００（図１）によって調節されるスポットＳの大きさは、第１状態（図３）及び第２状態（図５）を含んでいる。第１状態（図３）において、スポットＳは、第１領域１１０の少なくとも一部分と重なっている。第２状態（図５）におけるスポットＳの大きさは、第１状態（図３）におけるスポットＳの大きさより大きくなっている。第２状態（図５）において、スポットＳは、第１領域１１０と、第２領域１２０の少なくとも一部分と、重なっている。より詳細には、第１状態（図３）では、スポットＳは、第１領域１１０より小さくなっている。さらに、スポットＳの全体が回折光学素子１００の第１領域１１０の内側に位置している。第２状態（図５）では、スポットＳは、第１領域１１０より大きくなっている。さらに、第１領域１１０の全体がスポットＳの内側に位置している。 The size of the spot S adjusted by the optical system 200 (FIG. 1) includes a first state (FIG. 3) and a second state (FIG. 5). In the first state (FIG. 3), the spot S overlaps at least a portion of the first region 110. The size of the spot S in the second state (FIG. 5) is larger than the size of the spot S in the first state (FIG. 3). In the second state (FIG. 5), the spot S overlaps the first region 110 and at least a part of the second region 120. More specifically, in the first state (FIG. 3), the spot S is smaller than the first region 110. Further, the entire spot S is located inside the first region 110 of the diffractive optical element 100. In the second state (FIG. 5), the spot S is larger than the first region 110. Further, the entire first region 110 is located inside the spot S.
スポットＳの大きさが第１状態（図３）であるとき、図４に示すように、回折光学素子１００から出射される光は、第２領域１２０の回折光の影響を受けずに、点パターンＰＰを形成する。点パターンＰＰは、第１領域１１０の透過光によって形成される。スポットＳの大きさが第２状態（図５）であるとき、図６に示すように、回折光学素子１００から出射される光は、第２領域１２０の回折光の影響を受けて、第１状態におけるパターンと異なるパターンを形成する。図６に示す例において、回折光学素子１００から出射される光は、点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰを形成している。点パターンＰＰは、第１領域１１０の透過光及び第２領域１２０の回折の０次光によって形成される。リングパターンＲＰは、第２領域１２０の回折のｎ次光（ｎは１以上の自然数である。）によって形成される。例えば、点パターンＰＰの強度は、リングパターンＲＰに含まれる８点のパターンのいずれの強度よりも低くなっている。 When the size of the spot S is in the first state (FIG. 3), as shown in FIG. 4, the light emitted from the diffractive optical element 100 is not affected by the diffracted light in the second region 120 and is a point. Form a pattern PP. The point pattern PP is formed by the transmitted light of the first region 110. When the size of the spot S is in the second state (FIG. 5), as shown in FIG. 6, the light emitted from the diffractive optical element 100 is affected by the diffracted light in the second region 120 and is first. Form a pattern different from the pattern in the state. In the example shown in FIG. 6, the light emitted from the diffractive optical element 100 forms a point pattern PP and a ring pattern RP. The point pattern PP is formed by the transmitted light in the first region 110 and the 0th order light of diffraction in the second region 120. The ring pattern RP is formed by the nth order light of diffraction in the second region 120 (n is a natural number of 1 or more). For example, the strength of the point pattern PP is lower than the strength of any of the eight patterns included in the ring pattern RP.
図１に示した光学系２００は、スポットＳの大きさを、第１状態（図３）と第２状態（図５）との間で調節可能になっている。スポットＳの大きさに応じて、点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比を調節することができる。具体的には、スポットＳの大きさが大きくなるほど、回折光学素子１００の全透過光に対して、第２領域１２０の回折光の割合が多くなる。したがって、スポットＳの大きさが大きくなるほど、点パターンＰＰの強度に対するリングパターンＲＰの強度（例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の合計又は平均）の比が高くなる。 In the optical system 200 shown in FIG. 1, the size of the spot S can be adjusted between the first state (FIG. 3) and the second state (FIG. 5). The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP can be adjusted according to the size of the spot S. Specifically, as the size of the spot S increases, the ratio of the diffracted light in the second region 120 to the total transmitted light of the diffractive optical element 100 increases. Therefore, as the size of the spot S increases, the ratio of the intensity of the ring pattern RP to the intensity of the point pattern PP (for example, the total or average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP) increases.
図３及び図５に示す例において、第１領域１１０は、スポットＳの形状と相似な形状を有している。具体的には、スポットＳは、円形状を有している。このため、第１領域１１０も、スポットＳの円形状と相似な形状、すなわち、円形状を有している。さらに、第１領域１１０の中心とスポットＳの中心とは互いに一致している。この場合、スポットＳの大きさが第１領域１１０の大きさより大きくなったとき、第１領域１１０の外縁に沿ってほぼ一様な強度の光を第２領域１２０に照射することができる。この場合、第２領域１２０の回折光によって形成されるパターン（例えば、図６のリングパターンＲＰ）の強度分布を一様にしやすい。 In the examples shown in FIGS. 3 and 5, the first region 110 has a shape similar to the shape of the spot S. Specifically, the spot S has a circular shape. Therefore, the first region 110 also has a shape similar to the circular shape of the spot S, that is, a circular shape. Further, the center of the first region 110 and the center of the spot S coincide with each other. In this case, when the size of the spot S becomes larger than the size of the first region 110, the second region 120 can be irradiated with light having a substantially uniform intensity along the outer edge of the first region 110. In this case, it is easy to make the intensity distribution of the pattern formed by the diffracted light of the second region 120 (for example, the ring pattern RP of FIG. 6) uniform.
第１領域１１０及びスポットＳのそれぞれの形状は、図３及び図５に示す例に限定されない。例えば、スポットＳが円形状と異なる形状、例えば矩形形状を有するとき、第１領域１１０は、スポットＳの矩形形状と相似な矩形形状を有していてもよい。また、第１領域１１０の形状は、スポットＳの形状と相似でなくてもよい。例えば、スポットＳが円形状を有し、第１領域１１０が矩形形状を有していてもよい。 The shapes of the first region 110 and the spot S are not limited to the examples shown in FIGS. 3 and 5. For example, when the spot S has a shape different from the circular shape, for example, a rectangular shape, the first region 110 may have a rectangular shape similar to the rectangular shape of the spot S. Further, the shape of the first region 110 does not have to be similar to the shape of the spot S. For example, the spot S may have a circular shape and the first region 110 may have a rectangular shape.
図３から図６に示す例では、第２領域１２０の回折光は、互いに回転対称に配置された８点のパターン（図６のリングパターンＲＰ）を形成している。ただし、第２領域１２０の回折光によって形成されるパターンは、この例に限定されるものでない。第２領域１２０の回折光によって形成されるパターンは、第２領域１２０の構造の設計に応じて調節することができる。 In the example shown in FIGS. 3 to 6, the diffracted light in the second region 120 forms an eight-point pattern (ring pattern RP in FIG. 6) arranged rotationally symmetrically with each other. However, the pattern formed by the diffracted light of the second region 120 is not limited to this example. The pattern formed by the diffracted light of the second region 120 can be adjusted according to the design of the structure of the second region 120.
図３から図６に示す例では、第１状態（図４）において、点パターンＰＰのみが形成されている。ただし、第１状態においては、点パターンＰＰだけでなく、リングパターンＲＰ（図６）も形成されてもよい。例えば、スポットＳの大きさが第１状態において、スポットＳは、第１領域１１０より大きくてもよく、かつ第１領域１１０の全体がスポットＳの内側に位置してもよい。この場合においてスポットＳの大きさが一定の大きさであるとき、点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰの双方を形成することができる。 In the examples shown in FIGS. 3 to 6, only the point pattern PP is formed in the first state (FIG. 4). However, in the first state, not only the point pattern PP but also the ring pattern RP (FIG. 6) may be formed. For example, when the size of the spot S is the first state, the spot S may be larger than the first region 110, and the entire first region 110 may be located inside the spot S. In this case, when the size of the spot S is a constant size, both the point pattern PP and the ring pattern RP can be formed.
第１状態における点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比は、特に限定されない。例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度以上であってもよいし、又は点パターンＰＰの強度以下であってもよい。また、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度より圧倒的に低くてもよく、例えば、点パターンＰＰの強度に対して実質的にゼロとみなせてもよい。 The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP in the first state is not particularly limited. For example, the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP may be equal to or greater than the intensity of the point pattern PP, or may be equal to or less than the intensity of the point pattern PP. Further, the average of the intensities of the eight points included in the ring pattern RP may be overwhelmingly lower than the intensities of the point pattern PP, and may be regarded as substantially zero with respect to the intensities of the point pattern PP, for example.
第２状態における点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比は、特に限定されない。例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度以上であってもよいし、又は点パターンＰＰの強度以下であってもよい。また、点パターンＰＰの強度は、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均より圧倒的に低くてもよく、例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均に対して実質的にゼロとみなせてもよい。 The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP in the second state is not particularly limited. For example, the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP may be equal to or greater than the intensity of the point pattern PP, or may be equal to or less than the intensity of the point pattern PP. Further, the intensity of the point pattern PP may be overwhelmingly lower than the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP, and is substantially relative to the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP, for example. It may be regarded as zero.
図７から図９の各図は、図２に示した回折光学素子１００に入射するビームＢ（図１）のスポットＳの複数の大きさ（スポットＳの複数の直径φ）のそれぞれにおいて形成されたパターンの測定結果を示す図である。図７から図９では、回折光学素子１００の第１領域１１０は、直径３ｍｍの円形状を有している。スポットＳは、直径φの円形状を有している。スポットＳの中心と第１領域１１０の中心とは、互いに一致している。図７は、スポットＳの直径φが１ｍｍ（上段左側図）、２ｍｍ（上段中央図）、３ｍｍ（上段右側図）、４ｍｍ（下段左側図）、５ｍｍ（下段中央図）及び６ｍｍ（下段右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。図８は、スポットＳの直径φが７ｍｍ（上段左側図）、８ｍｍ（上段中央図）、９ｍｍ（上段右側図）、１０ｍｍ（下段左側図）、１２．５ｍｍ（下段中央図）及び１５ｍｍ（下段右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。図９は、スポットＳの直径φが１７．５ｍｍ（上段左側図）、２０ｍｍ（上段中央図）、２２．５ｍｍ（上段右側図）及び２５ｍｍ（下段図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。 Each of the figures of FIGS. 7 to 9 is formed at each of a plurality of sizes (a plurality of diameters φ of the spot S) of the spot S of the beam B (FIG. 1) incident on the diffractive optical element 100 shown in FIG. It is a figure which shows the measurement result of the pattern. In FIGS. 7 to 9, the first region 110 of the diffractive optical element 100 has a circular shape with a diameter of 3 mm. The spot S has a circular shape having a diameter of φ. The center of the spot S and the center of the first region 110 coincide with each other. In FIG. 7, the diameter φ of the spot S is 1 mm (upper left view), 2 mm (upper center view), 3 mm (upper right view), 4 mm (lower left view), 5 mm (lower center view) and 6 mm (lower right view). ) Is shown in each case. In FIG. 8, the diameter φ of the spot S is 7 mm (upper left view), 8 mm (upper center view), 9 mm (upper right view), 10 mm (lower left view), 12.5 mm (lower center view), and 15 mm (lower middle view). The pattern in each case of (right figure) is shown. FIG. 9 shows patterns when the diameter φ of the spot S is 17.5 mm (upper left view), 20 mm (upper center view), 22.5 mm (upper right view), and 25 mm (lower view). ..
図７から図９に示すように、スポットＳの直径が小さく、おおよそ１ｍｍから３ｍｍにおいては、点パターン（図４及び図６に示した点パターンＰＰに相当するパターン）のみが現れ、リングパターン（図６に示したリングパターンＲＰに相当するパターン）は現れない。これに対して、スポットＳの直径がおおよそ４ｍｍから５ｍｍまで増加すると、リングパターンが現れる。スポットＳの直径がさらに増加すると、スポットＳの直径が大きくなるほど、点パターンに対するリングパターンの強度比が大きくなっている。 As shown in FIGS. 7 to 9, when the diameter of the spot S is small and approximately 1 mm to 3 mm, only a point pattern (a pattern corresponding to the point pattern PP shown in FIGS. 4 and 6) appears, and a ring pattern (a ring pattern (a pattern corresponding to the point pattern PP shown in FIGS. 4 and 6) appears. The pattern corresponding to the ring pattern RP shown in FIG. 6) does not appear. On the other hand, when the diameter of the spot S increases from approximately 4 mm to 5 mm, a ring pattern appears. When the diameter of the spot S is further increased, the larger the diameter of the spot S, the larger the intensity ratio of the ring pattern to the point pattern.
図１０は、図７から図９に示した点パターンの強度に関する強度比と、図７から図９に示したリングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比と、を示すグラフである。図１０に示すグラフの横軸は、スポットＳの直径φ（ｍｍ）を示している。図１０に示すグラフの縦軸は、点パターンの強度に関する強度比（グラフ内の白丸及び破線で示される項目）及びリングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比（グラフ内の黒丸及び実線で示される項目）を示している。図１０において、点パターンの強度に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の合計との和に対する点パターンの強度の比を示している。リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の合計との和に対するリングパターンの８点のパターンの強度の合計の比を示している。さらに、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比とは、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比と、の和が１０となるように規格化されている。 FIG. 10 is a graph showing the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern shown in FIGS. 7 to 9 and the intensity ratio with respect to the total intensity of the eight points of the ring pattern shown in FIGS. 7 to 9. .. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 10 indicates the diameter φ (mm) of the spot S. The vertical axis of the graph shown in FIG. 10 is the intensity ratio regarding the intensity of the point pattern (items indicated by white circles and broken lines in the graph) and the intensity ratio regarding the total intensity of the eight points of the ring pattern (black circles and black circles in the graph). Items shown by solid lines) are shown. In FIG. 10, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern indicates the ratio of the intensity of the point pattern to the sum of the intensity of the point pattern and the sum of the intensities of the eight points of the ring pattern. The strength ratio for the total strength of the eight points of the ring pattern is the ratio of the total strength of the eight points of the ring pattern to the sum of the strength of the point pattern and the total strength of the eight points of the ring pattern. Shown. Further, the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength ratio regarding the total strength of the eight points of the ring pattern are the strengths of the strength ratio of the point pattern and the total strength of the eight points of the ring pattern. It is standardized so that the sum of the ratio and is 10.
図１０に示すように、点パターンの強度に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、減少している。これに対して、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、増加している。 As shown in FIG. 10, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern decreases as the diameter φ of the spot S increases. On the other hand, the intensity ratio with respect to the total intensity of the eight points of the ring pattern increases as the diameter φ of the spot S increases.
図１１は、図７から図９に示した点パターンの強度に関する強度比と、図７から図９に示したリングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比と、を示すグラフである。図１１に示すグラフの横軸は、スポットＳの直径φ（ｍｍ）を示している。図１１に示すグラフの縦軸は、点パターンの強度に関する強度比（グラフ内の白丸及び破線で示される項目）及びリングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比（グラフ内の黒丸及び実線で示される項目）を示している。図１１において、点パターンの強度に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の平均との和に対する点パターンの強度の比を示している。リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の平均との和に対するリングパターンの８点のパターンの強度の平均の比を示している。さらに、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比とは、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比と、の和が１０となるように規格化されている。 FIG. 11 is a graph showing the intensity ratio with respect to the intensity of the point patterns shown in FIGS. 7 to 9 and the intensity ratio with respect to the average of the intensities of the eight points of the ring pattern shown in FIGS. 7 to 9. .. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 11 indicates the diameter φ (mm) of the spot S. The vertical axis of the graph shown in FIG. 11 is the intensity ratio regarding the intensity of the point pattern (items indicated by white circles and broken lines in the graph) and the intensity ratio regarding the average intensity of the eight points of the ring pattern (black circles and black circles in the graph). Items shown by solid lines) are shown. In FIG. 11, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern indicates the ratio of the intensity of the point pattern to the sum of the intensity of the point pattern and the average of the intensities of the eight points of the ring pattern. The intensity ratio with respect to the average of the intensities of the eight points of the ring pattern is the ratio of the average of the intensities of the eight points of the ring pattern to the sum of the intensities of the point pattern and the average of the intensities of the eight points of the ring pattern. Shown. Further, the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength ratio regarding the average strength of the eight points pattern of the ring pattern are the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength regarding the average strength of the eight points pattern of the ring pattern. It is standardized so that the sum of the ratio and is 10.
図１１に示すように、点パターンの強度に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、減少している。これに対して、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、増加している。 As shown in FIG. 11, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern decreases as the diameter φ of the spot S increases. On the other hand, the intensity ratio with respect to the average intensity of the eight points of the ring pattern increases as the diameter φ of the spot S increases.
次に、実施形態１に係るレーザ加工装置２０の使用方法の一例を説明する。 Next, an example of how to use the laser processing apparatus 20 according to the first embodiment will be described.
実施形態１に係るレーザ加工装置２０は、例えば、レーザ切断に用いられる。例えば、対象物Ｏが比較的薄い板（例えば、金属板）であるとき、狭い範囲に弱いパワーのレーザを対象物Ｏに照射すればよい。したがって、回折光学素子１００に入射するビームＢのパワーを低くしつつ、スポットＳの大きさを第１状態にすることができる。これに対して、対象物Ｏが比較的厚い板（例えば、金属板）であるとき、広い範囲に強いパワーのレーザを対象物Ｏに照射する必要がある。したがって、回折光学素子１００に入射するビームＢのパワーを高くしつつ、スポットＳの大きさを第２状態にすることができる。 The laser processing apparatus 20 according to the first embodiment is used for laser cutting, for example. For example, when the object O is a relatively thin plate (for example, a metal plate), the object O may be irradiated with a laser having a weak power in a narrow range. Therefore, the size of the spot S can be set to the first state while reducing the power of the beam B incident on the diffractive optical element 100. On the other hand, when the object O is a relatively thick plate (for example, a metal plate), it is necessary to irradiate the object O with a laser having a strong power over a wide range. Therefore, the size of the spot S can be set to the second state while increasing the power of the beam B incident on the diffractive optical element 100.
（実施形態２）
図１２は、実施形態２に係る回折光学素子１００の第２面１０４の平面図である。実施形態２に係る回折光学素子１００は、以下の点を除いて、実施形態１に係る回折光学素子１００と同様である。
(Embodiment 2)
FIG. 12 is a plan view of the second surface 104 of the diffraction optical element 100 according to the second embodiment. The diffractive optical element 100 according to the second embodiment is the same as the diffractive optical element 100 according to the first embodiment except for the following points.
第１領域１１０は、例えば、第２面１０４の中心に位置している。第２領域１２０は、第１領域１１０を囲んでいる。実施形態２に係る回折光学素子１００の第１領域１１０は、実施形態１に係る回折光学素子１００の第２領域１２０と同様にして、回折光を形成するための構造を有している。回折光を形成するための構造は、例えば、実施形態１において説明した構造と同様である。これに対して、実施形態２に係る回折光学素子１００の第２領域１２０は、実施形態１に係る回折光学素子１００の第１領域１１０と同様にして、回折光を形成するための構造を有していない。 The first region 110 is located, for example, in the center of the second surface 104. The second region 120 surrounds the first region 110. The first region 110 of the diffractive optical element 100 according to the second embodiment has a structure for forming diffracted light in the same manner as the second region 120 of the diffractive optical element 100 according to the first embodiment. The structure for forming the diffracted light is, for example, the same as the structure described in the first embodiment. On the other hand, the second region 120 of the diffractive optical element 100 according to the second embodiment has a structure for forming diffracted light in the same manner as the first region 110 of the diffractive optical element 100 according to the first embodiment. Not done.
図１３は、図１２に示した回折光学素子１００と、第１状態の大きさを有するスポットＳと、の関係の一例を示す図である。図１４は、図１３におけるスポットＳが形成された場合における回折光学素子１００から出射された光のパターンの一例（リングパターンＲＰ）を示す図である。図１５は、図１２に示した回折光学素子１００と、第２状態の大きさを有するスポットＳと、の関係の一例を示す図である。図１６は、図１５におけるスポットＳが形成された場合における回折光学素子１００から出射された光のパターンの一例（点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰ）を示す図である。図１６におけるリングパターンＲＰは、点パターンＰＰに関して回転対称に配置された８点のパターンを含んでいる。 FIG. 13 is a diagram showing an example of the relationship between the diffractive optical element 100 shown in FIG. 12 and the spot S having the size of the first state. FIG. 14 is a diagram showing an example (ring pattern RP) of a pattern of light emitted from the diffractive optical element 100 when the spot S in FIG. 13 is formed. FIG. 15 is a diagram showing an example of the relationship between the diffractive optical element 100 shown in FIG. 12 and the spot S having the size of the second state. FIG. 16 is a diagram showing an example (point pattern PP and ring pattern RP) of the light emitted from the diffractive optical element 100 when the spot S in FIG. 15 is formed. The ring pattern RP in FIG. 16 includes a pattern of eight points arranged rotationally symmetrically with respect to the point pattern PP.
図１３から図１６を用いて、ビーム整形装置１０の動作の一例を説明する。 An example of the operation of the beam shaping device 10 will be described with reference to FIGS. 13 to 16.
光学系２００（図１）によって調節されるスポットＳの大きさは、第１状態（図１３）及び第２状態（図１５）を含んでいる。第１状態（図１３）において、スポットＳは、第１領域１１０の少なくとも一部分と重なっている。第２状態（図１５）におけるスポットＳの大きさは、第１状態（図１３）におけるスポットＳの大きさより大きくなっている。第２状態（図１５）において、スポットＳは、第１領域１１０と、第２領域１２０の少なくとも一部分と、重なっている。より詳細には、第１状態（図１３）では、スポットＳは、第１領域１１０より小さくなっている。さらに、スポットＳの全体が回折光学素子１００の第１領域１１０の内側に位置している。第２状態（図１５）では、スポットＳは、第１領域１１０より大きくなっている。さらに、第１領域１１０の全体がスポットＳの内側に位置している。 The size of the spot S adjusted by the optical system 200 (FIG. 1) includes a first state (FIG. 13) and a second state (FIG. 15). In the first state (FIG. 13), the spot S overlaps at least a portion of the first region 110. The size of the spot S in the second state (FIG. 15) is larger than the size of the spot S in the first state (FIG. 13). In the second state (FIG. 15), the spot S overlaps the first region 110 and at least a part of the second region 120. More specifically, in the first state (FIG. 13), the spot S is smaller than the first region 110. Further, the entire spot S is located inside the first region 110 of the diffractive optical element 100. In the second state (FIG. 15), the spot S is larger than the first region 110. Further, the entire first region 110 is located inside the spot S.
スポットＳの大きさが第１状態（図１３）であるとき、図１４に示すように、回折光学素子１００から出射される光は、第１領域１１０の回折光の影響を受けて、リングパターンＲＰを形成する。リングパターンＲＰは、第１領域１１０の回折のｎ次光（ｎは１以上の自然数である。）によって形成される。スポットＳの大きさが第２状態（図１５）であるとき、図１６に示すように、回折光学素子１００から出射される光は、第２領域１２０の透過光の影響を受けて、第１状態におけるパターンと異なるパターンを形成する。図１６に示す例において、回折光学素子１００から出射される光は、点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰを形成している。点パターンＰＰは、第１領域１１０の回折の０次光及び第２領域１２０の透過光によって形成される。リングパターンＲＰは、第２領域１２０の回折のｎ次光（ｎは１以上の自然数である。）によって形成される。例えば、点パターンＰＰの強度は、リングパターンＲＰに含まれる８点のパターンのいずれの強度よりも高くなっている。 When the size of the spot S is in the first state (FIG. 13), as shown in FIG. 14, the light emitted from the diffractive optical element 100 is affected by the diffracted light in the first region 110 and has a ring pattern. Form RP. The ring pattern RP is formed by the nth order light of diffraction in the first region 110 (n is a natural number of 1 or more). When the size of the spot S is in the second state (FIG. 15), as shown in FIG. 16, the light emitted from the diffractive optical element 100 is affected by the transmitted light in the second region 120 and is first. Form a pattern different from the pattern in the state. In the example shown in FIG. 16, the light emitted from the diffractive optical element 100 forms a point pattern PP and a ring pattern RP. The point pattern PP is formed by the 0th order light of diffraction in the first region 110 and the transmitted light in the second region 120. The ring pattern RP is formed by the nth order light of diffraction in the second region 120 (n is a natural number of 1 or more). For example, the strength of the point pattern PP is higher than the strength of any of the eight patterns included in the ring pattern RP.
図１に示した光学系２００は、スポットＳの大きさを、第１状態（図１３）と第２状態（図１５）との間で調節可能になっている。スポットＳの大きさに応じて、点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比を調節することができる。具体的には、スポットＳの大きさが大きくなるほど、回折光学素子１００の全透過光に対して、第２領域１２０の透過光の割合が多くなる。したがって、スポットＳの大きさが大きくなるほど、点パターンＰＰの強度に対するリングパターンＲＰの強度（例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の合計又は平均）の比が低くなる。 In the optical system 200 shown in FIG. 1, the size of the spot S can be adjusted between the first state (FIG. 13) and the second state (FIG. 15). The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP can be adjusted according to the size of the spot S. Specifically, as the size of the spot S increases, the ratio of the transmitted light in the second region 120 to the total transmitted light of the diffractive optical element 100 increases. Therefore, as the size of the spot S increases, the ratio of the intensity of the ring pattern RP to the intensity of the point pattern PP (for example, the total or average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP) decreases.
図１３及び図１５に示す例において、第１領域１１０は、スポットＳの形状と相似な形状を有している。具体的には、スポットＳは、円形状を有している。このため、第１領域１１０も、スポットＳの円形状と相似な形状、すなわち、円形状を有している。さらに、第１領域１１０の中心とスポットＳの中心とは互いに一致している。この場合、スポットＳの大きさが第１領域１１０の大きさより大きくなったとき、第１領域１１０の外縁に沿ってほぼ一様な強度の光を第１領域１１０に照射することができる。この場合、第１領域１１０の回折光によって形成されるパターン（例えば、図１４及び図１６のリングパターンＲＰ）の強度分布を一様にしやすい。 In the examples shown in FIGS. 13 and 15, the first region 110 has a shape similar to the shape of the spot S. Specifically, the spot S has a circular shape. Therefore, the first region 110 also has a shape similar to the circular shape of the spot S, that is, a circular shape. Further, the center of the first region 110 and the center of the spot S coincide with each other. In this case, when the size of the spot S becomes larger than the size of the first region 110, the first region 110 can be irradiated with light having a substantially uniform intensity along the outer edge of the first region 110. In this case, it is easy to make the intensity distribution of the pattern formed by the diffracted light of the first region 110 (for example, the ring pattern RP of FIGS. 14 and 16) uniform.
第１領域１１０及びスポットＳのそれぞれの形状は、図１３及び図１５に示す例に限定されない。例えば、スポットＳが円形状と異なる形状、例えば矩形形状を有するとき、第１領域１１０は、スポットＳの矩形形状と相似な矩形形状を有していてもよい。また、第１領域１１０の形状は、スポットＳの形状と相似でなくてもよい。例えば、スポットＳが円形状を有し、第１領域１１０が矩形形状を有していてもよい。 The shapes of the first region 110 and the spot S are not limited to the examples shown in FIGS. 13 and 15. For example, when the spot S has a shape different from the circular shape, for example, a rectangular shape, the first region 110 may have a rectangular shape similar to the rectangular shape of the spot S. Further, the shape of the first region 110 does not have to be similar to the shape of the spot S. For example, the spot S may have a circular shape and the first region 110 may have a rectangular shape.
図１３から図１６に示す例では、第１領域１１０の回折光は、互いに回転対称に配置された８点のパターン（図１３及び図１６のリングパターンＲＰ）を形成している。ただし、第１領域１１０の回折光によって形成されるパターンは、この例に限定されるものでない。第１領域１１０の回折光によって形成されるパターンは、第１領域１１０の構造の設計に応じて調節することができる。 In the example shown in FIGS. 13 to 16, the diffracted light in the first region 110 forms an eight-point pattern (ring pattern RP in FIGS. 13 and 16) arranged rotationally symmetrically with each other. However, the pattern formed by the diffracted light of the first region 110 is not limited to this example. The pattern formed by the diffracted light of the first region 110 can be adjusted according to the design of the structure of the first region 110.
図１３から図１６に示す例では、第１状態（図１４）において、リングパターンＲＰのみが形成されている。ただし、第１状態においては、リングパターンＲＰだけでなく、点パターンＰＰも形成されてもよい。例えば、点パターンＰＰは、第１領域１１０の回折の０次光によって形成されてもよい。また、例えば、スポットＳの大きさが第１状態において、スポットＳは、第１領域１１０より大きくてもよく、かつ第１領域１１０の全体がスポットＳの内側に位置してもよい。この場合においてスポットＳの大きさが一定の大きさであるとき、点パターンＰＰ及びリングパターンＲＰの双方を形成することができる。 In the example shown in FIGS. 13 to 16, only the ring pattern RP is formed in the first state (FIG. 14). However, in the first state, not only the ring pattern RP but also the point pattern PP may be formed. For example, the point pattern PP may be formed by the 0th order light of diffraction of the first region 110. Further, for example, when the size of the spot S is in the first state, the spot S may be larger than the first region 110, and the entire first region 110 may be located inside the spot S. In this case, when the size of the spot S is a constant size, both the point pattern PP and the ring pattern RP can be formed.
第１状態における点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比は、特に限定されない。例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度以上であってもよいし、又は点パターンＰＰの強度以下であってもよい。また、点パターンＰＰの強度は、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均より圧倒的に低くてもよく、例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均に対して実質的にゼロとみなせてもよい。 The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP in the first state is not particularly limited. For example, the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP may be equal to or greater than the intensity of the point pattern PP, or may be equal to or less than the intensity of the point pattern PP. Further, the intensity of the point pattern PP may be overwhelmingly lower than the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP, for example, substantially with respect to the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP. It may be regarded as zero.
第２状態における点パターンＰＰとリングパターンＲＰとの間の強度比は、特に限定されない。例えば、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度以上であってもよいし、又は点パターンＰＰの強度以下であってもよい。また、リングパターンＲＰに含まれる８点の強度の平均は、点パターンＰＰの強度より圧倒的に低くてもよく、例えば、点パターンＰＰの強度に対して実質的にゼロとみなせてもよい。 The intensity ratio between the point pattern PP and the ring pattern RP in the second state is not particularly limited. For example, the average of the intensities of the eight points contained in the ring pattern RP may be equal to or greater than the intensity of the point pattern PP, or may be equal to or less than the intensity of the point pattern PP. Further, the average of the intensities of the eight points included in the ring pattern RP may be overwhelmingly lower than the intensities of the point pattern PP, and may be regarded as substantially zero with respect to the intensities of the point pattern PP, for example.
図１７から図２０の各図は、図１２に示した回折光学素子１００に入射するビームＢ（図１）のスポットＳの複数の大きさ（スポットＳの複数の直径φ）のそれぞれにおいて形成されたパターンの測定結果を示す図である。図１７から図２０では、回折光学素子１００の第１領域１１０は、直径１２ｍｍの円形状を有している。スポットＳは、直径φの円形状を有している。スポットＳの中心と第１領域１１０の中心とは、互いに一致している。図１７は、スポットＳの直径φが１ｍｍ（上段左側図）、２ｍｍ（上段中央図）、３ｍｍ（上段右側図）、４ｍｍ（下段左側図）、５ｍｍ（下段中央図）及び６ｍｍ（下段右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。図１８は、スポットＳの直径φが７ｍｍ（上段左側図）、８ｍｍ（上段中央図）、９ｍｍ（上段右側図）、１０ｍｍ（下段左側図）、１１ｍｍ（下段中央図）及び１２ｍｍ（下段右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。図１９は、スポットＳの直径φが１３ｍｍ（上段左側図）、１４ｍｍ（上段中央図）、１５ｍｍ（上段右側図）、１６ｍｍ（下段左側図）、１８ｍｍ（下段中央図）及び２０ｍｍ（下段右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。図２０は、スポットＳの直径φが２２ｍｍ（左側図）及び２４ｍｍ（右側図）のそれぞれの場合におけるパターンを示している。 Each of the figures of FIGS. 17 to 20 is formed at each of a plurality of sizes (a plurality of diameters φ of the spot S) of the spot S of the beam B (FIG. 1) incident on the diffractive optical element 100 shown in FIG. It is a figure which shows the measurement result of the pattern. In FIGS. 17 to 20, the first region 110 of the diffractive optical element 100 has a circular shape with a diameter of 12 mm. The spot S has a circular shape having a diameter of φ. The center of the spot S and the center of the first region 110 coincide with each other. In FIG. 17, the diameter φ of the spot S is 1 mm (upper left view), 2 mm (upper center view), 3 mm (upper right view), 4 mm (lower left view), 5 mm (lower center view) and 6 mm (lower right view). ) Is shown in each case. In FIG. 18, the diameter φ of the spot S is 7 mm (upper left view), 8 mm (upper center view), 9 mm (upper right view), 10 mm (lower left view), 11 mm (lower center view), and 12 mm (lower right view). ) Is shown in each case. In FIG. 19, the diameter φ of the spot S is 13 mm (upper left view), 14 mm (upper center view), 15 mm (upper right view), 16 mm (lower left view), 18 mm (lower center view) and 20 mm (lower right view). ) Is shown in each case. FIG. 20 shows a pattern when the diameter φ of the spot S is 22 mm (left side view) and 24 mm (right side view), respectively.
図１７から図２０に示すように、スポットＳの直径が小さく、おおよそ１ｍｍから１１ｍｍにおいては、リングパターン（図１４及び図１６に示したリングパターンＲＰに相当するパターン）のみが現れ、点パターン（図１６に示した点パターンＰＰに相当するパターン）は現れない。これに対して、スポットＳの直径がおおよそ１１ｍｍまで増加すると、点パターンが現れる。スポットＳの直径がさらに増加すると、スポットＳの直径が大きくなるほど、リングパターンに対する点パターンの強度比が大きくなっている。 As shown in FIGS. 17 to 20, when the diameter of the spot S is small and approximately 1 mm to 11 mm, only a ring pattern (a pattern corresponding to the ring pattern RP shown in FIGS. 14 and 16) appears, and a point pattern (a point pattern (a pattern corresponding to the ring pattern RP shown in FIGS. 14 and 16) appears. The pattern corresponding to the point pattern PP shown in FIG. 16) does not appear. On the other hand, when the diameter of the spot S increases to about 11 mm, a point pattern appears. When the diameter of the spot S is further increased, the larger the diameter of the spot S, the larger the intensity ratio of the point pattern to the ring pattern.
図２１は、図１７から図２０に示した点パターンの強度に関する強度比と、図１７から図２０に示したリングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比と、を示すグラフである。図２１に示すグラフの横軸は、スポットＳの直径φ（ｍｍ）を示している。図２１に示すグラフの縦軸は、点パターンの強度に関する強度比（グラフ内の白丸及び破線で示される項目）及びリングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比（グラフ内の黒丸及び実線で示される項目）を示している。図２１において、点パターンの強度に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の合計との和に対する点パターンの強度の比を示している。リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の合計との和に対するリングパターンの８点のパターンの強度の合計の比を示している。さらに、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比とは、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比と、の和が１０となるように規格化されている。 FIG. 21 is a graph showing the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern shown in FIGS. 17 to 20 and the intensity ratio with respect to the total intensity of the eight points of the ring pattern shown in FIGS. 17 to 20. .. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 21 indicates the diameter φ (mm) of the spot S. The vertical axis of the graph shown in FIG. 21 is the intensity ratio regarding the intensity of the point pattern (items indicated by white circles and broken lines in the graph) and the intensity ratio regarding the total intensity of the eight points of the ring pattern (black circles and black circles in the graph). Items shown by solid lines) are shown. In FIG. 21, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern shows the ratio of the intensity of the point pattern to the sum of the intensity of the point pattern and the sum of the intensities of the eight points of the ring pattern. The strength ratio for the total strength of the eight points of the ring pattern is the ratio of the total strength of the eight points of the ring pattern to the sum of the strength of the point pattern and the total strength of the eight points of the ring pattern. Shown. Further, the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength ratio regarding the total strength of the eight points of the ring pattern are the strengths of the strength ratio of the point pattern and the total strength of the eight points of the ring pattern. It is standardized so that the sum of the ratio and is 10.
図２１に示すように、点パターンの強度に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、増加している。これに対して、リングパターンの８点のパターンの強度の合計に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、減少している。 As shown in FIG. 21, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern increases as the diameter φ of the spot S increases. On the other hand, the intensity ratio with respect to the total intensity of the eight points of the ring pattern decreases as the diameter φ of the spot S increases.
図２２は、図１７から図２０に示した点パターンの強度に関する強度比と、図１７から図２０に示したリングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比と、を示すグラフである。図２２に示すグラフの横軸は、スポットＳの直径φ（ｍｍ）を示している。図２２に示すグラフの縦軸は、点パターンの強度に関する強度比（グラフ内の白丸及び破線で示される項目）及びリングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比（グラフ内の黒丸及び実線で示される項目）を示している。図２２において、点パターンの強度に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の平均との和に対する点パターンの強度の比を示している。リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比は、点パターンの強度とリングパターンの８点のパターンの強度の平均との和に対するリングパターンの８点のパターンの強度の平均の比を示している。さらに、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比とは、点パターンの強度に関する強度比と、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比と、の和が１０となるように規格化されている。 FIG. 22 is a graph showing the intensity ratio with respect to the intensity of the point patterns shown in FIGS. 17 to 20 and the intensity ratio with respect to the average of the intensities of the eight points of the ring pattern shown in FIGS. 17 to 20. .. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 22 indicates the diameter φ (mm) of the spot S. The vertical axis of the graph shown in FIG. 22 is the intensity ratio regarding the intensity of the point pattern (items indicated by white circles and broken lines in the graph) and the intensity ratio regarding the average intensity of the eight points of the ring pattern (black circles and black circles in the graph). Items shown by solid lines) are shown. In FIG. 22, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern shows the ratio of the intensity of the point pattern to the sum of the intensity of the point pattern and the average of the intensities of the eight points of the ring pattern. The intensity ratio with respect to the average of the intensities of the eight points of the ring pattern is the ratio of the average of the intensities of the eight points of the ring pattern to the sum of the intensities of the point pattern and the average of the intensities of the eight points of the ring pattern. Shown. Further, the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength ratio regarding the average strength of the eight points pattern of the ring pattern are the strength ratio regarding the strength of the point pattern and the strength regarding the average strength of the eight points pattern of the ring pattern. It is standardized so that the sum of the ratio and is 10.
図２２に示すように、点パターンの強度に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、増加している。これに対して、リングパターンの８点のパターンの強度の平均に関する強度比は、スポットＳの直径φが増加するにつれて、減少している。 As shown in FIG. 22, the intensity ratio with respect to the intensity of the point pattern increases as the diameter φ of the spot S increases. On the other hand, the intensity ratio with respect to the average intensity of the eight points of the ring pattern decreases as the diameter φ of the spot S increases.
実施形態１及び実施形態２において、回折光学素子１００は、透過型の回折光学素子である。ただし、回折光学素子１００は、反射型の回折光学素子であってもよい。回折光学素子１００が反射型の回折光学素子であるとき、回折光学素子１００に照射された光は、回折光学素子１００によって回折され、かつ回折光学素子１００によって反射される。 In the first and second embodiments, the diffractive optical element 100 is a transmission type diffractive optical element. However, the diffractive optical element 100 may be a reflective diffractive optical element. When the diffractive optical element 100 is a reflection type diffractive optical element, the light irradiated to the diffractive optical element 100 is diffracted by the diffractive optical element 100 and reflected by the diffractive optical element 100.
（光学系）
図２３は、図１に示した光学系２００の詳細の一例を説明するための図である。図２３の上段図、中段図及び下段図は、光学系２００の異なる状態を示している。
(Optical system)
FIG. 23 is a diagram for explaining a detailed example of the optical system 200 shown in FIG. The upper, middle, and lower views of FIG. 23 show different states of the optical system 200.
光学系２００は、コリメートレンズ２１０を有している。コリメートレンズ２１０、回折光学素子１００及び集光レンズ３００を透過するビームＢの光軸ＯＡは、コリメートレンズ２１０の中心、回折光学素子１００の中心及び集光レンズ３００の中心を通過している。コリメートレンズ２１０を透過したビームは、回折光学素子１００に入射する。コリメートレンズ２１０は、光軸ＯＡに沿って移動可能になっている。回折光学素子１００に入射するビームＢのスポットＳの大きさ（光軸ＯＡに垂直な断面における大きさ）は、コリメートレンズ２１０が回折光学素子１００に近づくほど（図２３の上段図から図２３の下段図に向かうにつれて）大きくなる。すなわち、光学系２００は、コリメートレンズ２１０の位置に応じて、回折光学素子１００に入射するビームＢのスポットＳの大きさを調節可能になっている。 The optical system 200 has a collimating lens 210. The optical axis OA of the beam B transmitted through the collimating lens 210, the diffractive optical element 100, and the condensing lens 300 passes through the center of the collimating lens 210, the center of the diffractive optical element 100, and the center of the condensing lens 300. The beam transmitted through the collimating lens 210 is incident on the diffractive optical element 100. The collimating lens 210 is movable along the optical axis OA. The size of the spot S of the beam B incident on the diffractive optical element 100 (the size in the cross section perpendicular to the optical axis OA) is such that the collimating lens 210 approaches the diffractive optical element 100 (from the upper diagram of FIG. 23 to FIG. 23). It gets bigger (as you go to the lower figure). That is, the optical system 200 can adjust the size of the spot S of the beam B incident on the diffractive optical element 100 according to the position of the collimating lens 210.
図２４は、図２３の変形例を説明するための図である。図２４の上段図、中段図及び下段図は、光学系２００の異なる状態を示している。 FIG. 24 is a diagram for explaining a modification of FIG. 23. The upper, middle, and lower views of FIG. 24 show different states of the optical system 200.
光学系２００は、第１レンズ２２２、第２レンズ２２４及び第３レンズ２２６を有している。第１レンズ２２２、第２レンズ２２４、第３レンズ２２６、回折光学素子１００及び集光レンズ３００を透過するビームＢの光軸ＯＡは、第１レンズ２２２の中心、第２レンズ２２４の中心、第３レンズ２２６の中心、回折光学素子１００の中心及び集光レンズ３００の中心を通過している。第１レンズ２２２は、両凸レンズである。第２レンズ２２４は、両凹レンズである。第３レンズ２２６は、コリメートレンズである。光学系２００に送られたビームＢは、まず、第１レンズ２２２を通過する。この場合、ビームＢの直径（光軸ＯＡに垂直な断面における直径）は、第１レンズ２２２によって縮小される。次いで、ビームＢは、第２レンズ２２４を透過する。この場合、ビームＢの直径（光軸ＯＡに垂直な断面における直径）は、第１レンズ２２２によって拡大される。次いで、ビームＢは、第３レンズ２２６を通過する。この場合、ビームＢは、第３レンズ２２６によってコリメート光となる。次いで、ビームＢは、回折光学素子１００に入射する。 The optical system 200 has a first lens 222, a second lens 224, and a third lens 226. The optical axis OA of the beam B transmitted through the first lens 222, the second lens 224, the third lens 226, the diffractive optical element 100, and the condenser lens 300 is the center of the first lens 222, the center of the second lens 224, and the second lens. It passes through the center of the three lenses 226, the center of the diffractive optical element 100, and the center of the condenser lens 300. The first lens 222 is a biconvex lens. The second lens 224 is a biconcave lens. The third lens 226 is a collimating lens. The beam B sent to the optical system 200 first passes through the first lens 222. In this case, the diameter of the beam B (the diameter in the cross section perpendicular to the optical axis OA) is reduced by the first lens 222. The beam B then passes through the second lens 224. In this case, the diameter of the beam B (the diameter in the cross section perpendicular to the optical axis OA) is magnified by the first lens 222. The beam B then passes through the third lens 226. In this case, the beam B becomes collimated light by the third lens 226. Next, the beam B is incident on the diffractive optical element 100.
第２レンズ２２４は、第１レンズ２２２と第３レンズ２２６の間において、光軸ＯＡに沿って移動可能になっている。回折光学素子１００に入射するビームＢのスポットＳの大きさ（光軸ＯＡに垂直な断面における大きさ）は、第２レンズ２２４が第３レンズ２２６から離れるほど（図２４の上段図から図２４の下段図に向かうにつれて）大きくなる。すなわち、光学系２００は、第２レンズ２２４の位置に応じて、回折光学素子１００に入射するビームＢのスポットＳの大きさを調節可能になっている。 The second lens 224 is movable along the optical axis OA between the first lens 222 and the third lens 226. The size of the spot S of the beam B incident on the diffractive optical element 100 (the size in the cross section perpendicular to the optical axis OA) is such that the second lens 224 is separated from the third lens 226 (from the upper view of FIG. 24 to FIG. 24). It gets bigger (as you go to the lower figure). That is, the optical system 200 can adjust the size of the spot S of the beam B incident on the diffractive optical element 100 according to the position of the second lens 224.
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, these are examples of the present invention, and various configurations other than the above can be adopted.
１０ ビーム整形装置
１２ 光源
１４ 光ファイバ
２０ レーザ加工装置
１００ 回折光学素子
１０２ 第１面
１０４ 第２面
１１０ 第１領域
１２０ 第２領域
２００ 光学系
２１０ コリメートレンズ
２２２ 第１レンズ
２２４ 第２レンズ
２２６ 第３レンズ
３００ 集光レンズ
４００ 収容体
Ｂ ビーム
Ｏ 対象物
ＯＡ 光軸
ＰＰ 点パターン
ＲＰ リングパターン
Ｓ スポット
10 Beam shaping device 12 Light source 14 Optical fiber 20 Laser processing device 100 Diffractive optical element 102 First surface 104 Second surface 110 First area 120 Second area 200 Optical system 210 Collimating lens 222 First lens 224 Second lens 226 Third Lens 300 Condensing lens 400 Container B Beam O Object OA Optical axis PP Point pattern RP Ring pattern S Spot
Claims (10)
前記回折光学素子に入射するビームのスポットの大きさを調節する光学系と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を含み、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を含まず、
前記光学系によって調節される前記スポットの前記大きさは、前記スポットが前記第１領域の少なくとも一部分と重なる第１状態と、前記スポットの前記大きさが前記第１状態における前記スポットの前記大きさより大きく、かつ前記スポットが前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部分と、重なる第２状態と、を含む、ビーム整形装置。 A diffractive optical element having a first region and a second region surrounding the first region,
An optical system that adjusts the size of the spot of the beam incident on the diffractive optical element, and
With
One of the first region and the second region contains a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not include a structure for forming diffracted light.
The size of the spot adjusted by the optical system is larger than the first state in which the spot overlaps at least a part of the first region and the size of the spot in the first state. A beam shaping apparatus that is large and includes a second state in which the spot overlaps the first region and at least a part of the second region.
前記光学系は、前記スポットの前記大きさを、前記第１状態と前記第２状態との間で調節する、ビーム整形装置。 In the beam shaping apparatus according to claim 1,
The optical system is a beam shaping device that adjusts the size of the spot between the first state and the second state.
前記第１領域は、前記スポットの形状と相似な形状を有する、ビーム整形装置。 In the beam shaping apparatus according to claim 1 or 2.
The first region is a beam shaping device having a shape similar to the shape of the spot.
前記第１領域及び前記スポットのそれぞれは、円形状を有する、ビーム整形装置。 In the beam shaping apparatus according to any one of claims 1 to 3,
A beam shaping device in which each of the first region and the spot has a circular shape.
前記第１領域は、回折光を形成するための構造を含まず、
前記第２領域は、回折光を形成するための構造を含む、ビーム整形装置。 In the beam shaping apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The first region does not include a structure for forming diffracted light.
The second region is a beam shaping device including a structure for forming diffracted light.
前記第１領域は、回折光を形成するための構造を含み、
前記第２領域は、回折光を形成するための構造を含まない、ビーム整形装置。 In the beam shaping apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The first region includes a structure for forming diffracted light.
The second region is a beam shaping device that does not include a structure for forming diffracted light.
前記ビームの前記スポットの前記大きさを、前記光学系によって、前記スポットの前記大きさが前記第１状態における前記スポットの前記大きさより大きく、かつ前記スポットが前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部分と、重なる第２状態に調節することと、
を含む、ビーム整形方法。 It has a first region and a second region surrounding the first region, and one of the first region and the second region includes a structure for forming diffracted light, the first region and the first region. Depending on the optical system, the size of the spot of the beam incident on the diffractive optical element in which the other of the two regions does not include the structure for forming the diffracted light is set to the first state in which the spot overlaps at least a part of the first region. To adjust and
According to the optical system, the size of the spot of the beam is larger than the size of the spot in the first state, and the spot is the first region and the second region. Adjusting to a second state that overlaps with at least a part of
Beam shaping methods, including.
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を有し、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第１領域は、円形状を有する、回折光学素子。 The first area and
A second region surrounding the first region and
With
One of the first region and the second region has a structure for forming diffracted light, and has a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not have a structure for forming diffracted light.
The first region is a diffractive optical element having a circular shape.
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域及び前記第２領域の一方は、回折光を形成するための構造を有し、
前記第１領域及び前記第２領域の他方は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第１領域は、前記第１領域及び前記第２領域の少なくとも一方に入射するビームのスポットの形状と相似な形状を有する、回折光学素子。 The first area and
A second region surrounding the first region and
With
One of the first region and the second region has a structure for forming diffracted light, and has a structure for forming diffracted light.
The first region and the other of the second region do not have a structure for forming diffracted light.
The first region is a diffractive optical element having a shape similar to the shape of a spot of a beam incident on at least one of the first region and the second region.
前記第１領域を囲む第２領域と、
を備え、
前記第１領域は、回折光を形成するための構造を有さず、
前記第２領域は、回折光を形成するための構造を有する、回折光学素子。 The first area and
A second region surrounding the first region and
With
The first region does not have a structure for forming diffracted light and has no structure.
The second region is a diffractive optical element having a structure for forming diffracted light.
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