JP4991588B2

JP4991588B2 - 集光光学系および光加工装置

Info

Publication number: JP4991588B2
Application number: JP2008029704A
Authority: JP
Inventors: 貴幸石亀; 光洋工藤
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2028-02-08
Also published as: JP2009186936A

Description

この発明は集光光学系および光加工装置に関する。

光エネルギを利用する加工（光加工）を行う光加工装置は従来から種々のものが知られている（特許文献１等）。これらのうちで、レーザ光源からの光を光ファイバにより導光し、光ファイバの射出端から射出するレーザ光を、集光光学系と２枚のウェッジプリズムとにより２光路に分割して各々を光スポットとして加工部に集光し、２枚のウェッジプリズムを「あおり機構」により光束光軸に対して傾かせ、この傾きである「あおり角」の調整により「２つの光スポットの間隔」を調整するものが特許文献１に記載されている。

このようにすることにより、被加工物の２点で同時に光加工することができ、加工する２点の間隔を調整することが可能であるところから被加工物の種類に対する自由度が大きい。しかしながら、特許文献１記載の光加工装置では「あおり機構」が複雑になり易く、また、同時に光加工できるのは２点に限られてしまう。

また、２点以上で同時に光加工を行うのに際して、被加工物に対して光加工装置を傾けることなく、加工部に集光する集光光束の照射角を調整できるようにすると、光加工の対象となる被加工物の種類を多くすることができ、また、加工作業も容易となり、作業効率も向上できる。従来、２点以上あるいは「１以上の線状領域」で同時に光加工を行い、被加工物に対して光加工装置を傾けたりすることなく、加工部に集光する集光光束の照射角を調整可能とした光加工装置は知られていない。

特許第３３１７２９０号公報

この発明は、光加工するための集光部が、２以上の点状もしくは１以上の線状に設定され、２以上の「点状の集光部」の間隔や、線状の集光部の大きさも調整可能であり、なおかつ、２点以上あるいは１以上の線状領域で同時に光加工を行い、被加工物に対して光加工装置を傾けることなく、加工部に集光する集光光束の照射角を調整可能とした光加工装置と、この光加工装置に用いられる集光光学系の実現を課題とする。

この発明の集光光学系は「微小な光放射部から放射される発散光束を、２以上の点状もしくは１以上の線状に集光させる集光光学系」であって、レンズ群と、光束変換光学素子と、光束屈曲手段とを有する。
「レンズ群」は、微小な光放射部からの発散光束を集光させる機能をもつレンズ系である。レンズ群は１以上のレンズ、好ましくは複数のレンズにより構成される。
レンズ群が「微小な光放射部からの発散光束を集光させる機能を持つ。」とは、上記光束変換素子、光束屈曲手段を用いない状態において、レンズ群が、微小な光放射部を物点として、集光機能により上記物点の像を結像する機能を持つことを意味する。
「微小な光放射部」は、レンズ群を構成する複数のレンズの共通の光軸上、もしくはその近傍に位置するように、レンズ群との位置関係が設定されるのが基本であるが、微小な光放射部を「レンズ群の光軸に直交する方向に位置調整可能」および「レンズ群の光軸に対する傾き方向にチルト可能」とすることにより、あるいはまた「レンズ群の光軸に直交する方向に位置調整可能」または「レンズ群の光軸に対する傾き方向にチルト可能」とすることにより、例えば上記２以上の点状の集光部への光エネルギの分配を調整するようにもできる。

「光束変換光学素子」は、位置的には、微小な光放射部とレンズ群との間に配設され、機能的には、微小な光放射部からの発散光束を、レンズ群の光軸に交わる１以上の光束とする。
「光束屈曲手段」は、位置的には「レンズ群と、このレンズ群による光束の集光位置との間」に配設され、機能的には「レンズ群により集光する１以上の光束を屈曲」させる。

「レンズ群と光束屈曲手段のうちの少なくとも一方」と光束変換光学素子とは、レンズ群の光軸方向に相互に独立して変位可能であり、光束屈曲手段から射出する集光光束の向きが可変である。

請求項１記載の集光光学系における「光束変換光学素子」は、レンズ群の光軸に直交する面に対して傾く２以上の平面状光学面を、物体側と像側の少なくとも一方の側に有し、光放射部からの発散光束をレンズ群の光軸に交わる２以上の光束とする透明体であることができる（請求項２）が、この場合、光束屈曲手段は「レンズ群により集光する光束を屈折もしくは反射させ、または、屈折および反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲部材」を有することができる（請求項３）。この請求項３記載の集光光学系における「光束屈曲部材」は、単体構造であることもできるし（請求項４）、「レンズ群により集光する光束を屈折もしくは反射させ、または、屈折および反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲素子」を２個以上有するように構成することもできる（請求項５）。

請求項３記載の集光光学系はまた、請求項４記載の「単体構造の光束屈曲部材」または「請求項５記載の２個以上の光束屈曲素子による光束屈曲部材」を複数組合せた構成の光束屈曲手段、または、上記「単体構造の光束屈曲部材」および「請求項５記載の２個以上の光束屈曲素子による光束屈曲部材」を複数組合せた構成の光束屈曲手段を有することができる（請求項６）。

請求項２〜６の任意の１に記載の集光光学系では、微小な光放射部から放射される発散光束は、光束変換光学素子により２以上の光束に分割される。分割された２以上の光束はレンズ群の光軸に交わるように進行してレンズ群に入射する。このことは「微小な光放射部」が、レンズ群に対して２以上の物点（光源）に分離することを意味する。このようにレンズ群に対する物点が２以上となることにより、レンズ群の集光機能は、これら物点に対して個別に作用し、集光光束を２以上の点状に集光させる。

請求項１記載の集光光学系における「光束変換光学素子」は、円錐面状光学面を、物体側と像側の少なくとも一方の側に有する透明体であることができる（請求項７）。この場合、円錐状光学面の円錐軸は「レンズ群の光軸」と実質的に一致させられる。この場合は「微小な光放射部」は光束変換光学素子により、レンズ群に対する「リング状の物体（光源）」に変換されることになる。

請求項７記載の集光光学系における「光束屈曲手段」は、レンズ群により集光する光束を屈折および反射させ、または、屈折または反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲部材を有することができるが（請求項８）、この請求項８記載の光束屈曲部材を複数組合せた構成の光束屈曲手段を有する構成とすることもできる（請求項９）。
請求項７〜９記載の集光光学系では「微小な光放射部」は光束変換光学素子により、レンズ群に対する「リング状の物体」に変換されるので、集光光学系により集光される像は基本的にはリング状であるが、光束屈曲手段の形態によっては、リング状の集光部はリングが分割された「２以上の線状の集光部」となることもある。

この発明の集光光学系では「レンズ群と光束屈曲手段のうちの少なくとも一方」と光束変換光学素子とが、レンズ群の光軸の方向に相互に独立して変位可能であるが、光束変換光学素子をレンズ群の光軸方向へ移動させることにより「レンズ群に対して分離した２以上の物点（光源）の光軸からの距離」や「リング状の物体（光源）の半径」を変化させうるので「２以上の点状の集光部」の光軸からの距離や、リング状の集光部の大きさを調整できる。

請求項２、８における「レンズ群により集光する光束を屈折および反射させ、または、屈折または反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲部材」は、例えば、１以上のレンズにより構成することもできる。光束屈曲部材を１以上のレンズにより構成する場合には「レンズ群と光束屈曲部材とが結像系を構成する」ことになるので、光束変換光学素子により変換された光束の物体（前述のリング状の物体等）と集光による像を、結像関係（共役関係）にする必要がある。

従って、この場合、光束屈曲手段とレンズ群の少なくとも一方を光軸方向へ変位させて、共役関係を実現する。このとき必要に応じ、微小な光放射部と光束を集光させる面（上記物点・物体に対する共役面）との間隔を調整する。この調整により、上記結像関係における結像倍率を変化させることができる。

また、「光束屈曲手段およびレンズ群の少なくとも一方を光軸方向へ変位させて共役関係を調整する」ことにより、光束屈曲手段から射出する集光光束の向き（照射角）を調整できる。

光束屈曲部材における「レンズ群により集光する光束を屈折および反射させ、または、屈折または反射させて屈曲させる１以上の光学面」の面形状は、光軸方向座標をｚ、光軸に直交する方向の座標をｒ（＞０）、Ｚ軸方向のデプスをｈ、Ｒを曲率半径をＲ、円錐係数をｋ、係数をｒ_０、Ａ１〜Ａｎとして表される周知の非球面形状：
ｈ＝(１／Ｒ)(ｒ−ｒ_０)^２／[１＋√{１−(１＋ｋ)(１／Ｒ)^２(ｒ−ｒ_０)^２}]
＋Ａ_１(ｒ−ｒ_０)＋Ａ_２(ｒ−ｒ_０)^２＋Ａ_３(ｒ−ｒ_０)^３＋・・＋Ａ_ｎ(ｒ−ｒ_０)^ｎ
とすることができ、レンズ群中におけるレンズ面にも適宜に非球面を用いて良い。
このように非球面を用いて、集光光学系の光学機能を最適化することにより「２以上の点状または１以上の線状の集光状態」を極めて良好に実現できる。

この発明の光加工装置は「微小な光放射部から発散光束を放射し、集光光学系により、所望の被加工面上に、２以上の点状または１以上の線状に集光させて光加工を行う光加工装置」であって、集光光学系として上記請求項１〜９の任意の１に記載の集光光学系を用いることを特徴とする。
「発散光束を放射する微小な光放射部」は、「ＬＤやＬＥＤ等、微小な発光部を持つ実体的な光源」でもよいし、適宜の光源から光束を放射させ、この光束を集光光学系により集光させた後に集光部から発散する光束とし、上記集光部を微小な光放射部とするものでも良い。

即ち、請求項１０記載の光加工装置における「微小な光放射部」は、導光路の端部であって「レーザ光源から導光路により導光した加工用光を上記端部から放射するもの」でもよいし（請求項１１）、ＬＤやＬＥＤ等の発光素子の発光部でもよい（請求項１２）。
上記「導光路」としては、光ファイバを好適に用いることができるが、それ以外にもインテグレータや導波管、導波路などを用いることができ、これらの導光路の微小な射出端を光放射部とすることができるものである。

請求項１０〜１２の任意の１に記載の光加工装置は「光加工として、樹脂構成物間の光溶接を行うもの」であり、一方の樹脂構成物に対して他方の樹脂構成物を押圧するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する押さえ手段を有するものであることができ（請求項１３）、この場合、押さえ手段と、これに最も近い単体構造の光束屈曲部材を一体化した構成とすることができる（請求項１４）。

請求項１０〜１３の任意の１に記載の光加工装置は、微小な光放射部と光束変換光学素子との間に、透明な平行平板を「光軸を含み互いに直交する３軸のうち２軸の回りに揺動可能に」に設けた構成とすることもできる。
上記光加工装置により相互に光溶着する樹脂構成物は例えば、後述する「樹脂製のレンズと樹脂製の鏡筒」などである。光加工装置による光加工としては、溶着や半田溶融、溶接・切断加工や、固着、密閉等の加工が可能である。

以上に説明したように、この発明による光加工装置は、この発明の集光光学系を用いることにより、光加工を行うための集光部を２以上の点状や１以上の線状に設定でき、点状の集光部相互の間隔や、線状の集光部の大きさも調整可能で、集光光束の「照射角の大きさ」を調整できる。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、集光光学系の実施の１形態を説明図的に示す図である。
図１（ａ）において、符号０は導光路である「光ファイバ」、符号１０は光束変換光学素子、符号１２はレンズ群、符号１４は光束屈曲手段、符号１６は変位手段をそれぞれ示している。

光ファイバ１０は、図示されないレーザ光源からのレーザ光を「加工用光」として導光し、微小な端面０１から発散光束として放射させる。即ち、微小な端面０１は「微小な光放射部」であり、以下「微小な光放射部０１もしくは光放射部０１」と称する。

光束変換光学素子１０は、この実施の形態においては、入射側の面が平面で、射出側の面は、２つの平面状の光学面１０１、１０２を屋根型に組合せた形状を有し、光学面１０１、１０２の交差する稜線部は図面に直交する方向で入射側の平面と平行である。平面１０１、１０２の形成する稜角（交差角）は１２０度〜２４０度の範囲が好適である。
レンズ群１２はこの実施の形態においては、光軸回転対称な２枚の正レンズ１２１、１２２を「光軸を共通化して配置」してなり、上記光軸は、上記微小な光放射部０１から放射される発散光束の主光線に合致するように光放射部０１に対する相対的な位置を定められている。

光束屈曲手段をなす光屈曲部材１４は、この実施の形態において「正のパワーを持つ光軸回転対称なレンズ（入射側を平レンズ面とした平凸レンズ）」であり、その光軸をレンズ群１２の光軸に合致させて配設されている。即ち、レンズ群１２の光軸と、光束屈曲部材１４の光軸とは合致し、かつ光束変換光学素子１０における平面１０１、１０２の稜線は上記光軸上に位置している。
光束変換光学素子１０、レンズ群１２、光束屈曲部材１４は、変位手段１６によりレンズ群１２の光軸方向に独立して変位可能となっている。

微小な光放射部０１から放射された発散光束は光束変換光学素子１０に入射し、光束変換光学素子１０によりレンズ群１２の光軸に交わる２光束ＬＦ１、ＬＦ２に変換される。これら２光束ＬＦ１、ＬＦ２はレンズ群１２を透過し、さらに光束屈曲部材１４を透過して、結像面Ｓ上にそれぞれが点状の集光点ＰＩ１、ＰＩ２として集光する。

レンズ群１２から見ると、光束ＬＦ１は見かけ上「物点ＬＳ２からの発散光束」であり、この発散光束はレンズ群１２と光束屈曲部材１４の結像作用により、結像面Ｓ上に集光点ＰＩ１として結像する。また、光束ＬＦ２はレンズ群１２からみて見かけ上「物点ＬＳ１からの発散光束」であり、この発散光束はレンズ群１２と光束屈曲部材１４の結像作用により、結像面Ｓ上に集光点ＰＩ２として結像する。すなわち、見かけ上の物点ＬＳ１と集光点ＰＩ１、物点ＬＳ２と集光点ＰＩ２とはそれぞれ、レンズ群１２と光束屈曲部材１４とによる結像系により「共役関係」で結ばれている。

上記の如く、光束変換光学素子１０、レンズ群１２、光束屈曲部材１４は、変位手段１６によりレンズ群１２の光軸の方向に独立して変位可能である。
ここで、図１（ａ）の状態で、光束変換光学素子１０のみをレンズ群１２の光軸方向へ変位させた場合を考えると、光束変換光学素子１０は結像機能をもたないので、これを上記光軸の方向に変位させても、２光束ＬＦ１、ＬＦ２の光束の性質は変化しない。

光束変換光学素子１０のみを上記光軸方向へ変位させると２光束ＬＦ１、ＬＦ２の見かけ上の物点ＬＳ１、ＬＳ２の間隔が変化する。即ち、光束変換光学素子１０が図１（ａ）において下方（または上方）へ変位すると、上記物点ＬＳ１、ＬＳ２の間隔は大きく（または小さく）なる。この場合、光束変換光学素子１０のみが変位され、レンズ系１２、光束屈曲手段１４は変位せず、物点ＬＳ１、ＬＳ２を共有する平面（物体面）の位置も変位しないから、物点ＬＳ１、ＬＳ２の間隔が大きく（または小さく）なると、その像点である集光点ＰＩ１、ＰＩ２の間隔：ＤＰも大きく（または小さく）なる。

即ち、光束変換光学素子１０のみをレンズ系１２の光軸方向へ変位させることにより、集光点ＰＩ１、ＰＩ２の間隔を調整できる。
図１（ａ）に示す角：βは前述の「照射角」であり、集光点ＰＩ１、ＰＩ２へ向かって集光する集束光束ＬＦ１、ＬＦ２の主光線と、結像面Ｓに立てた垂線とのなす角である。

ここで、仮に光束屈曲部材１４が無く「見かけの物点ＬＳ１、ＬＳ２と集光点ＰＩ１、ＰＩ２とがレンズ群１２のみにより共役関係になる場合」を考えると、結像面Ｓの位置は一般には図１（ａ）の位置とは異なる位置になり、レンズ群１２による結像光束ＬＦ１、ＬＦ２は「光束屈曲部材１４により光路を屈曲されることなく」進んで図１（ａ）におけるよりも「大きな照射角」で結像面Ｓに集光する。

この場合と対比すれば明らかなように、図１（ａ）の実施の形態では、結像光束ＬＦ１、ＬＦ２は光束屈曲部材１４により光路を屈曲され、照射角：βも上記間隔：ＤＰも小さくなっている。光束屈曲部材１４の位置をレンズ群１２の光軸上で調整することにより、照射角：βを調整でき、たとえば、照射角：β＝０として、結像光束ＬＦ１、ＬＦ２が結像面Ｓに直交して入射するようにできるし、あるいは、図１（ｂ）に示すように、結像光束ＬＦ１、ＬＦ２の照射角を大きくして、互いに角をなして交わる結像面Ｓ１、Ｓ２に直交入射するようにもできる。

図１の実施の形態では、上記の如く、見かけの物点ＬＳ１、ＬＳ２と集光点ＰＩ１、ＰＩ２とは、レンズ系１２と光束屈曲手段１４とにより共役関係とされており、従って、光束屈曲部材１４のみを変位させれば、集光点ＰＩ１、ＰＩ２の集光する結像面の位置も変位する。このとき、光束屈曲部材１４とともにレンズ群１２も光軸方向に変位させ、結像面Ｓの位置を不変に保つことも可能である。ただしこの場合、レンズ群１２と光束屈曲部材１４とによる結像の共役関係を保つという制限が加わるので、照射角：βの調整には、レンズ群１２の変位も影響する。
レンズ群１２を光軸方向へ変位させると、共役関係における結像倍率が変化するので、集光点ＰＩ１、ＰＩ２における「集光像の大きさ」を調整することが可能である。

図１に実施の形態を示した集光光学系は、微小な光放射部０１から放射される発散光束を、２つの点状に集光させる集光光学系であって、微小な光放射部０１からの発散光束を集光させる機能をもつレンズ群１２と、微小な光放射部０１とレンズ群１２との間に配設され、微小な光放射部０１からの発散光束を、レンズ群１２の光軸に交わる２つの光束ＬＦ１、ＬＦ２とする光束変換光学素子１０と、レンズ群１２と、このレンズ群による光束の集光位置との間に配設され、レンズ群１２により集光する２つの光束ＬＦ１、ＬＦ２を屈曲させる光束屈曲手段１４とを有し、レンズ群１２と光束屈曲手段１４と光束変換光学素子１０とが、レンズ群１２の光軸の方向に相互に独立して変位可能で、光束屈曲手段１４から射出する集光光束ＬＦ１、ＬＦ２の向きを可変としたもの（請求項１）である。

また、光束変換光学素子１０は、光軸に直交する面に対して傾く２以上の平面状光学面１０１、１０２を物体側に有し、光放射部０１からの発散光束をレンズ群１２の光軸に交わる２つの光束ＬＦ１、ＬＦ２とする透明体である（請求項２）。

光束屈曲手段１４は、レンズ群１２により集光する光束ＬＦ１、ＬＦ２を屈折して屈曲させる１以上の光学面（入射面・射出面）を有する光束屈曲部材であり（請求項３）、単体構造である（請求項４）。

図２は、光加工装置の実施の１形態を説明図的に示している。繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付してある。従って、図１におけると同一の符号を付したものに付いては図１に関する説明を援用する。
図２に示す光加工装置は「光加工」として、樹脂製のレンズＬＮと樹脂製の鏡筒４００との光溶着を行う装置である。
レンズＬＮは図２（ａ）に示すように鏡筒４００の「受け部」に落とし込まれ、レンズ周辺の平面状部分と鏡筒４００の「受け部の底面部」とが密接して溶着面４０１（図１における結像面Ｓ）となる。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の、鏡筒４００とレンズＬＮとの係合状態を、レンズＬＮの光軸方向から見た状態であり、最内部の「破線の円」はレンズ面ＬＮ１（図２（ａ）における下方のレンズ面）の輪郭、その外側の円はレンズ面ＬＮ２（図２（ａ）における上方のレンズ面）の輪郭であり、符号４０１は「溶着面」を示す。
図２（ｂ）における符号Ｐ１１〜Ｐ１４は「溶着部（溶着スポット）」を示している。即ち、レンズＬＮは４つの溶着部Ｐ１１〜Ｐ１４において鏡筒４００に光溶着される。レンズＬＮは勿論、加工用のレーザ光を透過させるが、鏡筒４００は「レーザ光を吸収する樹脂」で構成されている。このような「加工用のレーザ光を吸収する樹脂」は、黒色等の有色樹脂や「黒色等に着色された樹脂」であることができるが、加工用のレーザ光を吸収しやすい色の塗料を「レーザ光の波長の光を透過させる樹脂の表面に塗布した構成」としてもよい。

溶着用のレーザ光を溶着部Ｐ１１〜Ｐ１４に集光すると、集光したレーザ光の光エネルギが樹脂製の鏡筒４００の溶着部に吸収され、鏡筒４００を局部的に発熱させて溶解させる。発熱した熱はまた、樹脂製のレンズＬＮも溶解させ、溶解した鏡筒部分とレンズ部分とが相融して相互に強固に溶着する。

図２（ａ）において、符号１０Ａにより光束変換光学素子を示す。
図１の集光光学系における光束変換光学素子１０Ａは「入射側の面が平面状、射出側の面は２つの平面状の光学面１０１、１０２を屋根型に組合せた形状を有し、平面上の光学面１０１、１０２の交差する稜線部は図面に直交する方向であって入射側の平面と平行である光束変換光学素子」であり、結像面Ｓ上に集光する点状の集光点は２個（ＰＩ１、ＰＩ２）であるから、図２における光加工装置に「図１の集光光学系」を用いて、上記溶着ポイントＰ１１〜Ｐ１４を溶着するのであれば、２つの集光点ＰＩ１、ＰＩ２の集光点間隔：ＤＰが溶着点Ｐ１１、Ｐ１２の間隔に等しくなるように、光束変換光学素子１０の位置を調整して、図２（ｂ）の「２つの溶着点Ｐ１１、Ｐ１２」に光を集光させて溶着を行い、その後、鏡筒４００と光加工装置の位置関係を光軸の回りに相対的に９０度回転させ、２つの集光点が「溶着点Ｐ１３、Ｐ１４」に合致するようにして溶着を行えば良い。

４つの溶着点Ｐ１１〜Ｐ１４を順次に溶着する場合だと４回の溶着工程を必要とするが、２点ずつの溶着を行うことにより２回の溶着工程ですみ、溶着の作業効率が向上する。

なお、鏡筒４００の「筒長が大きく」なり、レンズＬＮが鏡筒４００の「深い部分」に溶着される場合には、集束点間隔：ＤＰを保ったまま、照射角：βを小さくして、鏡筒による光束の「蹴られ」をなくすことによりレンズＬＮを鏡筒４００に良好に溶着できる。

図２に示す光加工装置において「４つの溶着点Ｐ１１〜Ｐ１４を同時に溶着する」ようにするには、光束変換光学素子１０Ａとして、微小な光放射部０１から放射される発散光束を「レンズ群１２の光軸に交わる４つの光束」に分離すれば良い。図３に、このような光束変換光学素子の例を３例示す。
図３（ａ）に示す光束変換光学素子１０Ａ１は、光軸方向の両側（物体側と像側）ともに「２つの平面上の光学面を屋根型に組合せたもの」であり、光軸方向の一方の側で稜角（θ１とする。）、他方の側で稜角（θ２とする。）である。これら稜角：θ１、θ２も１２０度〜２４０度の範囲が好適である。
このような光束変換光学素子１０Ａ１を用いることにより、稜角：θ１、θ２を調整することにより、４個の集光点Ｐ１１〜Ｐ１４を図２（ｂ）の如くに設定できる。この場合、光束変換光学素子１０Ａ１を光軸方向に変位させると、集光点Ｐ１１〜Ｐ１４は「配列パターンを保った状態で相似的に変位」する。また、光束屈曲部材１４あるいは「光束屈曲部材１４とレンズ群１２と」を変位させて照射角を変化させたり、集光点の大きさを調整したりできる。

図３（ｂ）に示す光束変換光学素子１０Ａ２は、入射側を単一の平面とし、射出側は４つの平面上の光学面を「正４角錐状」に組合せたものであり、微小な光放射部からの発散光束をレンズ群１２の光軸方向に交わる４つの光束に分割でき、これを用いることにより図２（ｂ）に示すような「同一円周上にある４つ集光点Ｐ１１〜Ｐ１４」に集光できる。正４角錐面をなす光学面の「光軸に対する傾き角」は６０°〜１２０°の範囲が好ましい。

図３（ｃ）に示す光束変換光学素子１０Ａ３は、光源側または集光側の面が平面で、他方の側は、光路分割面として４つの光学面に形成され、これら４つの光学面が、上記平面に対して等しく傾き（傾き角は±３０度の範囲が好適である。）、傾きの方向が均等になるように組合せた形状であり、これを用いることにより、微小な光放射部からの発散光束をレンズ群１２の光軸方向に交わる４つの光束に分割し、図２（ｂ）に示す「同一円周上にある４つ集光点Ｐ１１〜Ｐ１４」に集光するようにできる。

図３には、微小な光放射部からの発散光束をレンズ系の光軸に対して傾く４つの光束に分割する光束変換光学素子の例を示したが、例えば、図３（ｂ）における角錐面の面数を３面としたり５面以上として、あるいは図３（ｃ）における光路分割面数を３としたり５以上として、入射光束を３つあるいは５以上の光束に分割することにより、３点もしくは５点以上の同時溶着が可能となる。

上に図１、図２に即して説明した実施の形態において、光束屈曲手段を成す光束屈曲部材１４は平凸レンズであり、レンズ群１２により集光する光束を屈折させて光束を屈曲させる光学面（射出側の凸レンズ面）を有するものであるが、光束屈曲手段は、反射により光束の光路を屈曲させるものであることもできる。

１例を図４に示す。図４に示す光束屈曲部材１４Ａは、入射側を４角錐形状としたものであり、４面の角錐面（光学面）は「反射面」として構成される。この光束屈曲部材１４Ａは「単体の光束屈曲手段」として図５に示すように用いることができる。図５において、図１におけると同一の符号のものは図１におけると同様のものであり、これらに対する説明は、図１に関する説明を援用する。
図５における光束変換光学素子１０Ａ２は図３（ｂ）に示す如きものであり、微小な光放射部０１から放射される発散光束を、レンズ群１２の光軸に対して傾く４つの光束に分割する。分割された４つの光束はレンズ群１２により４つの集光光束に変換される。

光束屈曲手段をなす単体の光束屈曲部材１４Ａは、４角錐面をなす４つの反射面（光学面）をレンズ群１２の側へ向け、反射面の成す４角錐の軸をレンズ群１２の光軸と合致させて設けられ、且つ、反射面相互の稜線が、光束変換光学素子１０Ａ２の４つの角錐面の稜線と対応するように位置を調整されている。

従って、レンズ群１２により集光する４つの光束は、光束屈曲部材１４Ａの各反射面により、それぞれ反射されて光路を屈曲される。図５に示されている状態では、光路を屈曲された各集光光束は「レンズ群１２の光軸に対して略直交する」ように光路を屈曲されて集光している。この実施の形態の場合、光束屈曲部材１４Ａは反射により光束の光路を屈曲させるものであり、従って、図５の状態で、光束屈曲部材１４Ａのみをレンズ群１４Ａの光軸方向へ変位させても光路屈曲の角度は不変であり、光路を屈曲された集光光束の位置が図の上下方向へ変化し、各集光光束の集光点の上記光軸からの距離が変化する。

また、光束変換光学素子１０Ａ２とレンズ群１２の少なくとも一方を、光軸方向へ変位させることにより、レンズ群１２により集光される各集光光束の「光軸に対する傾き」が変化し、光束屈曲部材１４Ａの反射面への入射角が変化するので、これにより「照射角」を変化させ、調整することができる。

図６に示す光束屈曲部材１４Ｂは、４角柱状の透明体の１つ面を截頭４角推状の光学面に形成し、この截頭４角錐面と対向する平面を入射面とした単体の光束屈曲手段である。この光束屈曲部材を、例えば図７に示すように「図５における光束屈曲手段１４Ａの代わり」に用い、上記入射面から４つの集光光束を入射させ、截頭４角錐の各反射面で「内部反射」させることにより光束の光路を屈曲させ「斜めの光照射」を実現できる。この場合も、光束変換光学素子１０Ａ２とレンズ群１２の少なくとも一方を光軸方向へ変位させることにより照射角の調整を行うことができ、光束屈曲部材１４Ｂを光軸方向に変位させることで、集光点の位置を変化させることができる。

図４に示した光束屈曲部材１４Ａは、４つの反射面（光学面）を４角錐形状に組合せて単一部材として構成しているが、同様の光束屈曲効果は、図８に示すような４つのピース１４Ａ１〜１４Ａ４を用いて、各ピースの反射面で１つの集光光束の光路を屈曲させるようにしても実施できる。４つのピース１４Ａ１〜１４Ａ４は「光束屈曲部材を構成する光束屈曲素子」である（請求項５）。

あるいは、図８に示すような「４つのピース１４Ａ１〜１４Ａ４の組合せによる光束屈曲部材」の場合、これらのピースを透明体で構成し、図９に示すように配置して内部全反射による光路屈曲を行うようにしても良い。図９に図示されないピース１４Ａ２、１４Ａ４は図面に直交する方向に配置されている。

また、図１０に示すように、図４に示した光束屈曲部材１４Ａと図８に示した４つのピース１４Ａ１〜１４Ａ４（図にはピース１４Ａ１、１４Ａ３のみが示されている。）を組合せて光束屈曲手段を構成し、各反射面の傾斜角度を適宜定めることにより「照射角や照射間隔を調整可能として光照射が可能になる。この場合、光束屈曲部材１４Ａは、図８に示した４つのピース（光束屈曲素子）１４Ａ１〜１４Ａ４とともに全体として光束屈曲手段を構成する（請求項６）。

光束屈曲部材として「光路屈曲を反射により行う」ものを用いる場合、反射面の形態は平面に限られない。例えば、図１０に示した実施の形態において、ピース１４Ａ１〜１４Ａ４の反射面を曲面としてパワーを持たせることができる。図１１は、その１例であり、４つのピースの１つであるピース１４Ａ１１を示している。このピース１４Ａ１１はその反射面Ｓ１４が凹球面である。

ピース１４Ａ１１と同様の４個のピース１４Ａ１１〜１４Ａ１４を、図１２に示すように光束屈曲部材１４Ａと組合せることにより（図にはピース１４Ａ１１、１４Ａ１３のみが示されている。）集光光束をコントロールし、図１０の場合よりも倍率を小さくでき「より小さな集光点」を実現できる。勿論、反射面Ｓ１４は非球面とすることもできる。

上には、光束変換光学素子として、微小な光放射部からの発散光束を「レンズ群の光軸に交わる複数の光束（例では２光束もしくは４光束）に変換する」ものを説明したが、光束変換光学素子は、機能として「微小な光放射部からの発散光束を、レンズ群の光軸に交わる１以上の光束とする」ものであり、変換された光束が「単一の光束」であることもできる。このような単一の光束に変換するための光束変換光学素子は種々のものが可能であるが、例えば、１例として図１３に示す光束変換光学素子１０Ｂは「透明体で、入射側の光学面が平面、射出側の光学面が円錐面」であり、円錐軸をレンズ群の光軸に合致して配置される。

このような光束変換光学素子１０Ｂを、図２に示す実施の形態において、光束変換光学素子１０Ａの代わりに用いれば、変換された光束はレンズ群１２と光束屈曲部材１４とにより集光面に「リング状の集光部」として集光することが容易に理解されるであろう。従って、この場合、図２（ｂ）に示す溶着部Ｐ１１〜Ｐ１４を「同一円周上に有するリング状の集光部」を同時に溶着できる。

即ち、図１３に示す光束変換光学素子１０Ｂは「円錐面状光学面を像側（射出側）に有する透明体」であり、これを図２の光束変換光学素子１０Ａの代わりに用いたものは、請求項７の集光光学系の実施の１形態をなす。

図５の実施の形態において、光束変換光学素子１０Ａ２に代えて図１３に示す「円錐面を反射面として光路屈曲を行う光束変換光学素子１０Ｂ」を用い、光束屈曲部材１４Ａに代えて、図１４に示すような「円錐面状の反射面を持つ単体の光束屈曲部材１４Ｄ」を用いることにより、レンズ群１２の光軸に対して略直交する方向にリング状の集光光束を屈曲させて「リング状の集光部」の照射が可能になる。

図１５に示す光束屈曲部材１４Ｅは、透明な円柱の一端を平面の入射面とし、他端を截頭円錐状に形成したものである。図７の実施の形態における光束変換光学素子１０Ａ２に代えて、図１３の光束変換光学素子１０Ｂを用い、光束屈曲部材１４Ｂに代えて光束屈曲部材１４Ｅを用い、光束屈曲部材１４Ｅの円錐状の部分での内部全反射により光路屈曲を行うことにより、照射角度を調整し、斜め方向からリング状の集光部を照射可能である。

図１６は光束屈曲部材１４Ｄ２を示している。光束屈曲部材１４Ｄ２は「中空のシリンダ状」であり、その内周面がテーパを付けられて接頭円錐状の反射面となっている。図１６に示す光束屈曲部材１４Ｄに対し、図１４の光束屈曲部材１４Ｄを「円錐軸を共有」させて組合せ、これら光束屈曲部材１４Ｄ、１４Ｄ２により「光束屈曲手段」を構成し、例えば、レンズ群の光軸を含む断面が図１０のようになるように組合せ、図１３の光束変換光学素子１０Ｂと組合せ、各々の円錐面の頂角を適宜定めることにより、照射角や照射間隔を適宜に調整してリング状の集光部を照射できる。

光束屈曲部材の屈折面や反射面を、円錐面でなく「球面や非球面」とすることにより、光束変換光学素子やレンズ群により発生する収差の補正が可能になる。また「レンズ群による全系の倍率」を適宜設定することにより、集光光束をコントロールし、正確な溶着が可能になる。

例えば、図１６の光路屈曲部材１４Ｄ２における光学面（反射面）を「凹の非球面」とすることにより図１２の実施の形態と同様の光路が可能となり、反射面が円錐面である場合に比して倍率を小さくすることができ、より細いリング状集光部を実現できる。
非球面の形状は、前述の非球面式の各パラメータを最適化して集光光束の収差を除去できるようにする。

図２には光加工装置の実施の形態を基本的な形態として示したが、図１７以下により具体化した実施の形態を示す。

溶着の対象は、レンズＬＮと鏡筒４００であり共に樹脂製である。鏡筒４００は、図４におけるよりも簡略化して描いている。

集光光学系としては、図１７に示すように、光ファイバ０の射出端を微小な光放射部０１とし、光束変換光学素子としては、図１３に示す如き光束変換光学素子１０Ｂを用い、光束屈曲手段としては、図２に示すレンズによる光束屈曲部材１４を用いている。従って、集光部の形状はリング状で、レンズＬＮと鏡筒４００は「リング状の溶着部」を溶着される。なお、図１７において、符号Ｈは集光光学系や変位手段を収納する「ハウジング」を示す。

図１７の実施の形態は、ハウジングＨと「レンズＬＮと鏡筒４００による被溶着体」とが離れた状態で溶着を行う状態を示しているが、レンズＬＮと鏡筒４００を溶着する際に「溶着面を適当な力で加圧接触」させて溶着すれば溶着加工がより容易になる。上記加圧接触は「レンズＬＮをエアーで吸引して固定」する方法もあるが、図１８に示すように、溶着対象であるレンズＬＮを透明な押さえ手段２００で押さえることにより、装置による加重または加圧が可能になり溶着をより効率よく行うことができる。

押さえ手段２００は、図１９に示すように、レンズＬＮを鏡筒４００に押圧するとき、レンズＬＮに「うまく嵌まり合う形状」になる押圧面形状とすることにより、溶着光である集光光束を「レンズＬＮと鏡筒４００を溶着する溶着面へ正確に導光」する光ガイドの機能を併せ持たせることができる（請求項１３）。

さらに、図２０に示すように、押さえ手段を「これに最も近い単体構造の光束屈曲部材である光束屈曲部材」と一体化する（一体化したものを符号１４０で示す。）ことにより光加工装置の部品点数を有効に減らすことができる（請求項１４）。

図１９に示す光加工装置は、溶着加工の光照射条件を設定することで「レンズの溶着加工を繰り返し行う」ことが可能である。光照射条件は「リング状の集光部の照射径、リング状集光部の光量バランス、照射位置」を適切に設定する条件でありこの設定を可能とする調整機能を有する。リング状の集光部の「照射径の調整」は、光束変換光学素子１０Ｄの光軸方向変位により、リング状の集光部の「光量バランスの調整」は、光束変換光学素子１０Ｄの光軸直交方向への２次元的変位により、「リング状の集光位置の調整」は、押さえ手段２００を光軸方向および光軸直交方向へ３次元的に独立して変位させることにより行うようになっている。なお、光束屈曲を反射により行う場合、前述のように全反射を利用しても良いが、反射膜を光学面に形成して良いことは言うまでも無い。

集光光学系の実施の１形態を説明するための図である。光加工装置の実施の１例を説明するための図である。光束変換光学素子の形態例を３例示す図である。光束屈曲部材の１形態を示す図である。集光光学系の実施の別の形態例を説明するための図である。光束屈曲部材の１形態を示す図である。図６の光束屈曲部材を用いた集光光学系の例を説明するための図である。光束屈曲手段を構成する光束屈曲素子の例を説明するための図である。図８の光束屈曲素子を用いる集光光学系の例を説明するための図である。集光光学系の別の例を説明するための図である。光束屈曲素子を説明するための図である。図１１の光束屈曲素子を用いた集光光学系の例を説明するための図である。光束変換光学素子の別の形態を説明するための図である。光束屈曲部材の１例を説明するための図である。光束屈曲部材の別の例を説明するための図である。光束屈曲部材の１例を説明するための図である。光加工装置の１例を説明するための図である。光加工装置の変形例を説明するための図である。図１８の光加工装置の光溶着時における状態を示す図である。光加工装置の別の形態を説明するための図である。

符号の説明

０１光ファイバの射出端（微小な光放射部）
１０光束変換光学素子
１２レンズ群
１４光束屈曲手段
Ｓ結像面
ＰＩ１、ＰＩ２集光点
β 照射角

Claims

微小な光放射部から放射される発散光束を、２以上の点状もしくは１以上の線状に集光させる集光光学系であって、
微小な光放射部からの発散光束を集光させる機能をもつレンズ群と、
上記微小な光放射部と上記レンズ群との間に配設され、上記微小な光放射部からの発散光束を、上記レンズ群の光軸に交わる１以上の光束とする光束変換光学素子と、
上記レンズ群と、このレンズ群による光束の集光位置との間に配設され、上記レンズ群により集光する１以上の光束を屈曲させる光束屈曲手段とを有し、
上記レンズ群と光束屈曲手段のうちの少なくとも一方と上記光束変換光学素子とが、上記レンズ群の光軸の方向に相互に独立して変位可能であり、上記光束屈曲手段から射出する集光光束の向きを可変としたことを特徴とする集光光学系。
請求項１記載の集光光学系において、
光束変換光学素子が、光軸に直交する面に対して傾く２以上の平面状光学面を、物体側および像側の少なくとも一方に有し、光放射部からの発散光束をレンズ群の光軸に交わる２以上の光束とする透明体であることを特徴とする集光光学系。
請求項２記載の集光光学系において、
光束屈曲手段が、レンズ群により集光する光束を屈折もしくは反射させ、または、屈折および反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲部材を有することを特徴とする集光光学系。
請求項３記載の集光光学系において、
光束屈曲部材が、単体構造であることを特徴とする集光光学系。
請求項３記載の集光光学系において、
光束屈曲部材が、レンズ群により集光する光束を屈折もしくは反射させ、または屈折および反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲素子を２個以上有することを特徴とする集光光学系。
請求項３記載の集光光学系において、
請求項４記載の単体構造の光束屈曲部材もしくは請求項５記載の２個以上の光束屈曲素子による光束屈曲部材、または、上記単体構造の光束屈曲部材および上記２個以上の光束屈曲素子による光束屈曲部材を、複数組合せた構成の光束屈曲手段を有することを特徴とする集光光学系。
請求項１記載の集光光学系において、
光束変換光学素子が、円錐面状光学面を、物体側と像側の少なくとも一方に有する透明体であることを特徴とする集光光学系。
請求項７記載の集光光学系において、
光束屈曲手段が、レンズ群により集光する光束を屈折もしくは反射させ、または屈折および反射させて屈曲させる１以上の光学面を有する光束屈曲部材を有することを特徴とする集光光学系。
請求項７記載の集光光学系において、
請求項８記載の光束屈曲部材を複数組合せた構成の光束屈曲手段を有することを特徴とする集光光学系。
微小な光放射部から発散光束を放射し、集光光学系により、所望の被加工面上に２以上の点状もしくは１以上の線状に集光させて光加工を行う光加工装置であって、
集光光学系として、請求項１〜９の任意の１に記載の集光光学系を用いることを特徴とする光加工装置。
請求項１０記載の光加工装置において、
微小な光放射部が導光路の端部であって、レーザ光源から上記導光路により導光した加工用光を上記端部から放射することを特徴とする光加工装置。
請求項１０記載の光加工装置において、
微小な光放射部がＬＤやＬＥＤ等の発光素子の発光部であることを特徴とする光加工装置。
請求項１０〜１２の任意の１に記載の光加工装置において、
光加工として、樹脂構成物間の光溶接を行うものであり、一方の樹脂構成物に対して他方の樹脂構成物を押圧するとともに、溶着光としての集束光束を溶着部へ向けて導光する導光機能を有する押さえ手段を有することを特徴とする光加工装置。
請求項１３記載の光加工装置において、
押さえ手段と、これに最も近い単体構造の光束屈曲部材を一体化したことを特徴とする光加工装置。