JP7321843B2 - ビーム整形装置、ビーム整形方法及び回折光学素子 - Google Patents

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。

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。

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。

特開２０１７－１１３７８５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

実施形態１に係るレーザ加工装置を説明するための図である。 実施形態１に係る回折光学素子の第２面の平面図である。 図２に示した回折光学素子と、第１状態の大きさを有するスポットと、の関係の一例を示す図である。 図３におけるスポットが形成された場合における回折光学素子から出射された光のパターンの一例（点パターン）を示す図である。 図２に示した回折光学素子と、第２状態の大きさを有するスポットと、の関係の一例を示す図である。 図５におけるスポットが形成された場合における回折光学素子から出射された光のパターンの一例（点パターン及びリングパターン）を示す図である。 図２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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。 実施形態２に係る回折光学素子の第２面の平面図である。 図１２に示した回折光学素子と、第１状態の大きさを有するスポットと、の関係の一例を示す図である。 図１３におけるスポットが形成された場合における回折光学素子から出射された光のパターンの一例（リングパターン）を示す図である。 図１２に示した回折光学素子と、第２状態の大きさを有するスポットと、の関係の一例を示す図である。 図１５におけるスポットが形成された場合における回折光学素子から出射された光のパターンの一例（点パターン及びリングパターン）を示す図である。 図１２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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１２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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１２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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１２に示した回折光学素子に入射するビームのスポットの複数の大きさ（スポットの複数の直径）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１に示した光学系の詳細の一例を説明するための図である。 図２３の変形例を説明するための図である。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (9)

1. 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。
2. 請求項１に記載のビーム整形装置において、
   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。
3. 請求項１又は２に記載のビーム整形装置において、
   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。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載のビーム整形装置において、
   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。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載のビーム整形装置において、
   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。
6. 請求項１から４までのいずれか一項に記載のビーム整形装置において、
   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。
7. 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。
8. 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し、
   前記第１領域は、円形状を有し、
   ビームが前記ビームのスポットの全体が前記第１領域の内側に位置するように照射されたとき、及び前記第１領域の直径よりも大きい直径のビームが照射されたときに、点パターンの光及びリングパターンの光を含む光を形成し、
   前記ビームが前記ビームのスポットの全体が前記第１領域の内側に位置するように照射されたときよりも、前記第１領域の直径よりも大きい直径のビームが照射されたときの方が、前記点パターンの光の強度に対する前記リングパターンの光の強度が大きい、
   回折光学素子。
9. 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し、
   前記第２領域は、回折光を形成するための構造を有さず、
   前記第１領域は、円形状を有し、
   ビームが前記ビームのスポットの全体が前記第１領域の内側に位置するように照射されたとき、及び前記第１領域の直径よりも大きい直径のビームが照射されたときに、点パターンの光及びリングパターンの光を含む光を形成し、
   前記ビームが前記ビームのスポットの全体が前記第１領域の内側に位置するように照射されたときよりも、前記第１領域の直径よりも大きい直径のビームが照射されたときの方が、前記リングパターンの光の強度に対する前記点パターンの光の強度が大きい、
   回折光学素子。

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