JP7462677B2 - ビーム結合装置、及びレーザ加工機 - Google Patents

Description

本開示は、ビーム結合装置、及びビーム結合装置を備えたレーザ加工機に関する。

特許文献１は、個々の光ビームを重ね合わせて結合ビームを形成する波長合成式のレーザシステムを開示している。特許文献１では、光出力を増大する観点より、複数のダイオードバーからの光ビームを光ファイバに集光することが開示されている。また、レーザシステムを小型化する目的から、波長合成における結合レンズの配置を焦点距離から外すための光学系を別途含めたり、ビーム回転子を回転させたりしている。

米国特許第２０１６／００４８０２８号明細書

本開示は、複数の光ビームを高密度に結合することができるビーム結合装置、及びそれを備えたレーザ加工機を提供する。

本開示に係るビーム結合装置は、光源と、複数の光学ユニットと、結合光学系とを備える。光源は、互いに交差する第１及び第２の方向に並ぶ複数の光源素子を含み、各光源素子から第１及び第２の方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する。複数の光学ユニットは、光源において第１の方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する。結合光学系は、各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する。各光学ユニットは、光源素子の組の中で、第１の方向における外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向を外向させて、各光源素子からの光ビームを結合光学系に導光する。

本開示に係るレーザ加工機は、上記のビーム結合装置と、ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える。

本開示に係るビーム結合装置及びレーザ加工機によると、ビーム結合装置において複数の光ビームを高密度に結合することができる。

本開示の実施形態１に係るレーザ加工機の構成を例示するブロック図 実施形態１に係るビーム結合装置の全体構成を示す図 ビーム結合装置における外側の主光線の外向を説明した図 ビーム結合装置における結合光学系について説明した図 結合光学系のシリンドリカルレンズの焦点距離を説明した図 ビーム結合装置における光学ユニットの基本構成を例示する図 光学ユニットにおけるビームツイスタユニットの構成例を示す斜視図 実施形態１のビーム結合装置における光学ユニットの構成例を示す図 図８の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 ビーム結合装置における外側の光学ユニットの構成例１を示す図 ビーム結合装置における外側の光学ユニットの構成例２を示す図 実施形態１のビーム結合装置の実施例を示す図 実施形態２のビーム結合装置における光学ユニットの構成例を示す図 図１３の光学ユニットにおける断面図 図１３の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 実施形態２のビーム結合装置の実施例を示す図 ビーム結合装置の変形例を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（実施形態１）
実施形態１では、空間合成型のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機について説明する。

１．レーザ加工機について
実施形態１に係るレーザ加工機について、図１を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を例示する図である。レーザ加工機１は、例えば、ビーム結合装置２と、伝送光学系１０と、加工ヘッド１１と、コントローラ１２とを備える。レーザ加工機１は、レーザ光を種々の加工対象物１５に照射して、各種レーザ加工を行う装置である。各種レーザ加工は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、及びレーザ穿孔などを含む。

本実施形態において、ビーム結合装置２は、レーザ光源３０と、複数の光学ユニット４－１～４－３と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、本実施形態において複数のＬＤバー３－１～３－３を含む。以下、ＬＤバー３－１～３－３の総称を「ＬＤバー３」といい、光学ユニット４－１～４－３の総称を「光学ユニット４」という場合がある。

ＬＤバー３は、一次元的に配列された複数のＬＤ（レーザダイオード）を含む光源素子のアレイで構成される。複数のＬＤバー３は、ビーム結合装置２において、例えば各々のＬＤの配列方向を平行に向けて、配列方向に直交する方向に並置される。ビーム結合装置２におけるＬＤバー３の個数は、３個の例を図示しているが特に限定されず、２個又は４個以上であってもよい。

以下、ＬＤバー３において複数のＬＤが配列される方向を「Ｘ方向」といい、複数のＬＤバー３－１～３－３が並ぶ方向を「Ｙ方向」といい、Ｘ，Ｙ方向に直交する方向を「Ｚ方向」という。

本実施形態のビーム結合装置２は、レーザ光源３０において空間的に配置された複数のＬＤバー３の各ＬＤが発光する多数の光ビームを結合する空間合成型のビーム結合を行って、例えばレーザ加工機１のレーザ光を供給する装置である。本実施形態では、小さいビーム径において高密度にビーム結合を行うことができるビーム結合装置２を提供する。

本実施形態のビーム結合装置２において、複数の光学ユニット４は、例えばＬＤバー３の個数分、設けられる。１つの光学ユニット４は、１つのＬＤバー３による各ＬＤからの光ビームを結合光学系２０に導光する光学系である。結合光学系２０は、ビーム結合装置２における各光学ユニット４からの光ビームを結合する光学系である。ビーム結合装置２については後述する。

レーザ加工機１において、伝送光学系１０は、例えば結合光学系２０によって結合された光ビームが入射するように配置された光ファイバを含み、ビーム結合装置２からのレーザ光を加工ヘッド１１に伝送する。加工ヘッド１１は、例えば加工対象物１５に対向して配置され、ビーム結合装置２から伝送されたレーザ光を加工対象物１５に照射する装置である。

コントローラ１２は、レーザ加工機１の全体動作を制御する制御装置である。コントローラ１２は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１２は、各種プログラム及びデータを記憶するフラッシュメモリ等の内部メモリを備える。コントローラ１２は、使用者の操作により発振条件等を入力可能な各種インタフェースを備えてもよい。また、コントローラ１２は、各種機能を実現するＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のハードウェア回路を備えてもよい。また、コントローラ１２は、レーザ光源３０の駆動回路と一体的に構成されてもよい。

２．ビーム結合装置について
本実施形態に係るビーム結合装置２について、図２を用いて説明する。

図２は、ビーム結合装置２の全体構成を示す図である。図２（Ａ）は、ビーム結合装置２をＸ方向から見た側面図を示す。図２（Ｂ）は、ビーム結合装置２をＹ方向から見た平面図を示す。

本実施形態のビーム結合装置２においては、例えば図２（Ａ）に示すように、各ＬＤバー３が別々の光学ユニット４の－Ｚ側に配置される。各光学ユニット４は、それぞれＬＤバー３に対向配置されるＢＴＵ（ビームツイスタユニット）４０と、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側に配置されるＳＡＣ（スロー軸コリメータ）４５とを含む。結合光学系２０は光学ユニット４の＋Ｚ側に配置され、軸対称の集光レンズ２１、及び集光レンズ２１と光学ユニット４間に配置されるシリンドリカルレンズ２２を含む。

図２（Ｂ）では、ＬＤバー３における５個のＬＤ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを例示している。１つのＬＤバー３に含まれるＬＤ３１ａ～３１ｅの個数は、例えば数十個から数百個である。ＬＤバー３における複数のＬＤ３１ａ～３１ｅは、本実施形態のレーザ光源３０における１組の光源素子の一例である。以下、ＬＤ３１ａ～３１ｅの総称を「ＬＤ３１」という場合がある。各ＬＤ３１は、ＬＤバー３のエミッタを構成し、それぞれ＋Ｚ側に光ビームを射出する。

図２（Ａ），（Ｂ）では、ビーム結合装置２による光ビームの結合結果とするビーム結合位置Ｐ１を例示する。ビーム結合位置Ｐ１は、例えば全てのＬＤバー３－１～３－３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅから発光する光ビームを含めたビーム径が最小となる位置に設定される。例えば、ビーム結合位置Ｐ１に、上述した伝送光学系１０の光ファイバの入射端が配置される。

図２（Ａ）では、Ｙ方向における外側のＬＤバー３－１からの光ビームの主光線Ｌ１と、中央のＬＤバー３－２からの光ビームの主光線Ｌ２とを例示している。図２（Ｂ）では、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａと、中央のＬＤ３１ｃからの光ビームの主光線Ｌｃとを例示している。本実施形態のビーム結合装置２において、例えばＸ，Ｙ方向における中央のＬＤ３１ｃは、対向する光学ユニット４及び結合光学系２０を直進し、Ｚ方向に平行な主光線Ｌｃを有する。

本実施形態では、例えば空間合成によるビーム結合装置２の高出力化の観点から、図２（Ａ）に示すように、Ｙ方向に並ぶ複数のＬＤバー３における外側のＬＤバー３－１が発光する光ビームの主光線Ｌ１を内向させるように、対応する光学ユニット４が構成される（詳細は後述）。例えば、図中で上側（＋Ｙ側）の光学ユニット４は、光ビームの主光線Ｌ１を、Ｚ方向から下側（－Ｙ側）に傾ける。この場合、ＬＤバー３間で主光線Ｌ１，Ｌ２が交わるＹ方向のビーム結合位置Ｐ１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側に位置することとなる。

一方、図２（Ｂ）に示すように、ＬＤバー３毎にＸ方向に並ぶ複数のＬＤ３１ａ～３１ｅにおいて、本実施形態のビーム結合装置２は、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させるように構成される。これにより、詳細後述するように各光ビームの結合時のビーム径自体を小さくして、結合光学系２０に入射する光ビームの密度を高くすることができる。さらに、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を合致させるために、本実施形態のビーム結合装置２は、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる。以下、ビーム結合装置２の詳細を説明する。

２－１．ビーム結合装置の詳細
まず、本実施形態のビーム結合装置２において、シリンドリカルレンズ２２を用いない場合にＸ方向外側の主光線Ｌａを外向させる作用効果について、図３を用いて説明する。

図３（Ａ）は、シリンドリカルレンズ２２がない場合のビーム結合装置２における各種光線の光路を例示する。各種光線は、図２（Ｂ）と同様の主光線Ｌａ，Ｌｃとその周辺光線を含む。

図３（Ａ）では、Ｘ方向外側の主光線Ｌａを外向させる前後の光路を例示する。また、例えばＢＴＵ４０の＋Ｚ側の面の光学像が、集光レンズ２１により結像する結像位置Ｐ２を例示している。結像位置Ｐ２では、１つのＬＤ３１当たりのビーム径は最小となる。一方、複数のＬＤ３１ａ～３１ｅ全体の光ビームのビーム径は、互いの主光線が交差する位置において最小となる。

本実施形態のビーム結合装置２によると、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させることにより、主光線Ｌａ，Ｌｃが交差する位置Ｐ１１が、焦点位置Ｐ０から＋Ｚ側となる。即ち、外側の主光線Ｌａの外向により、主光線Ｌａ，Ｌｃの交差位置Ｐ１１を、結像位置Ｐ２に近づけることができる。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０近傍の領域の拡大図を示す。集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０では、結像位置Ｐ２から離れている分、個々のＬＤ３１のビーム径Ｂ０は、結像位置Ｐ２よりも大きくなってしまう。これに対して、主光線Ｌａを外向させた際の交差位置Ｐ１１では、焦点位置Ｐ０よりも結像位置Ｐ２に近い分、小さいビーム径Ｂ１１が個々のＬＤ３１に関して得られる。

よって、本実施形態のビーム結合装置２によると、複数の光ビームの合成の観点だけでなく、個々の光ビームの観点からも、結合時のビーム径を縮小することができる。これにより、高密度のビーム結合を実現でき、ビーム品質を良くすることができる。

ここで、図３（Ａ），（Ｂ）に例示した交差位置Ｐ１１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも＋Ｚ側となり、Ｙ方向において外側の主光線を内向させた際のビーム結合位置Ｐ１（図２（Ａ）参照）からずれる、という新たな課題が考えられる。そこで、本実施形態では、Ｘ方向のみに正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ２２を結合光学系２０に用いて、Ｘ，Ｙ方向間の不整合を解消する。

２－１－１．結合光学系について
図４は、本実施形態のビーム結合装置２における結合光学系２０のシリンドリカルレンズ２２の作用効果を説明した図である。図４（Ａ），（Ｂ）は、シリンドリカルレンズ２２を含めたビーム結合装置２において、図３（Ａ），（Ｂ）と同様の主光線Ｌａ，Ｌｃの光路を例示する。

図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ２２によると、Ｘ方向において結合光学系２０全体としての焦点位置Ｐ１０が、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側となる。この場合、Ｘ方向外側の外向時の主光線Ｌａ，Ｌｃが互いに交差する位置、即ちビーム結合位置Ｐ１は、図３（Ａ），（Ｂ）の例おける集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０の代わりに、上記の焦点位置Ｐ１０から＋Ｚ側となる。よって、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側の範囲内で、ビーム結合位置Ｐ１を結像位置Ｐ２に近づけて、上記の例と同様にビーム径を縮小することが実現できる。

さらに、シリンドリカルレンズ２２は、Ｙ方向において屈折力を有していないことから、図２（Ａ）に示すように、Ｙ方向外側で内向する主光線Ｌ１に特に干渉しない。従って、Ｙ方向におけるビーム結合位置Ｐ１は、シリンドリカルレンズ２２の有無に拘わらず、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０から－Ｚ側で維持できる。よって、本実施形態の結合光学系２０によると、Ｙ方向よりも大きいＸ方向の屈折力により、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。

図５は、シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２を説明した図である。本実施形態の結合光学系２０において、シリンドリカルレンズ２２は、例えば、集光レンズ２１の焦点距離以上など、比較的に長い焦点距離Ｄ２を有する。シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２は、例えばＸ方向外側で外向させた主光線Ｌａの－Ｚ側への延長線Ｅａと、中央の主光線Ｌｃの延長線Ｅｃとの交点の位置Ｐ２０からシリンドリカルレンズ２２までの距離Ｄ１よりも短くてもよい。延長線Ｅｃは、例えば集光レンズ２１の光軸と対応する。

以上のような焦点距離Ｄ２に基づき、シリンドリカルレンズ２２の屈折力は、Ｘ方向外側の主光線Ｌａが外向した状態でシリンドリカルレンズ２２に入射してから、集光レンズ２１へ射出する際に当該主光線Ｌａを内向させる程度であってもよい。こうした屈折力によると、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側で主光線Ｌａ，Ｌｃ同士を交差させられる。なお、シリンドリカルレンズ２２とＢＴＵ４０間の間隔は、シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２に設定されてもよい。

以上の説明では、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる例を説明したが、必ずしもシリンドリカルレンズ２２が用いられなくてもよい。例えば、Ｘ方向においてＹ方向よりも大きい正の屈折力を有する種々の光学系を結合光学系２０に採用してもよい。例えば結合光学系２０全体としてＸ，Ｙ方向における屈折力が図２の構成と同じになる光学系であれば、上記と同様にＸ，Ｙ方向におけるビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。

２－２．光学ユニットについて
以下、本実施形態におけるビーム結合装置２の光学ユニット４の詳細について説明する。

２－２－１．光学ユニットの基本構成
まず、光学ユニット４の基本的な構成について、図６～７を用いて説明する。図６は、光学ユニット４の基本構成を例示する。

図６（Ａ）は、基本構成における光学ユニット４の平面図を示す。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の光学ユニット４の側面図を示す。図６（Ａ），（Ｂ）では、１つのＬＤ３１からの光ビームの光路を例示している。

光学ユニット４におけるＢＴＵ４０は、ＢＴ（ビームツイスタ）５０と、ＦＡＣ（ファスト軸コリメータ）４１とを含む。光学ユニット４では、例えばＬＤ３１近傍から＋Ｚ側へ順番に、ＦＡＣ４１、ＢＴ５０及びＳＡＣ４５が配置される。

本実施形態において、ＬＤ３１は、ファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓを有する光ビームを発光する。光ビームのファスト軸Ａｆは、スロー軸Ａｓよりも急速にビーム径を拡げ、且つ良好なビーム品質を得やすい。ＬＤ３１の光ビームが光学ユニット４に入射する前に、光ビームのファスト軸ＡｆはＹ方向に向いており、スロー軸ＡｓはＸ方向に向いている。

ＦＡＣ４１は、ファスト軸Ａｆにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＦＡＣ４１は、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて配置される。本例では、ＬＤ３１からの光ビームは、ＦＡＣ４１によりＹ方向（即ちファスト軸Ａｆ）においてコリメートされて、ＢＴ５０に入射する。

図７に、ＢＴ５０の構成例を示す。ＢＴ５０は、例えば複数の光ビームをそれぞれ回転させる光学素子であり、複数の斜行したレンズ部５１を含む。斜行レンズ部５１は、ＢＴ５０において、ＬＤ３１毎のレンズを構成する部分であり、例えばシリンドリカルレンズを構成する。ＢＴ５０は、例えば長手方向に所定のピッチで複数の斜行レンズ部５１を配列するように形成される。斜行レンズ部５１は、例えば配列方向およびＢＴ５０の厚み方向の双方に対して４５°傾斜している。斜行レンズ部５１のピッチは、例えばＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチと同じである。

図６（Ａ），（Ｂ）の例において、ＢＴ５０は、ＬＤ３１からＦＡＣ４１を介して入射する光ビームを、ＸＹ平面において回転角度９０°だけ回転させる。これにより、ＢＴ５０から射出する光ビームのスロー軸ＡｓがＹ方向に向き、ファスト軸ＡｆはＸ方向に向くこととなる。又、ＢＴ５０の射出時の光ビームは、Ｙ方向では発散光となり、Ｘ方向においては平行光となる。

ＳＡＣ４５は、スロー軸Ａｓにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＳＡＣ４５は、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて配置される。本例では、ＢＴ５０からの光ビームは、ＳＡＣ４５によりＹ方向（即ちスロー軸Ａｓ）においてコリメートされて、光学ユニット４を射出する。

以上の光学ユニット４によると、ＬＤバー３の各ＬＤ３１から発光した光ビームは、基本的にはファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓにおいてコリメートされる。但し、光の波動的な作用により、特にファスト軸ＡｆにおいてはＢＴ５０の＋Ｚ側の面等からの波の影響として結合時のビーム径が広がり得る。これに対して、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｘ方向における外側の主光線の外向と結合光学系２０によって上記の影響を低減して、ビーム径を小さくすることが可能となる。

本実施形態では、以上のような光学ユニット４の各部の基本的な機能を利用して、各種の主光線の外向および内向を実現する。以下、こうした光学ユニット４の構成例を説明する。

２－２－２．Ｘ方向外向の構成例
図８は、本実施形態のビーム結合装置２における光学ユニット４の構成例を示す。図８は、ＬＤ３１ａ～３１ｅと共に、－Ｚ側から見た光学ユニット４の前面図を示している。

本実施形態のビーム結合装置２では、Ｘ方向における外側の各主光線を外向させる観点から、例えば各光学ユニット４が図８に示すように構成される。本実施形態の光学ユニット４において、ＢＴＵ４０は、例えばＸＹ平面上で中央のＬＤ３１ｃの主光線が通過する位置を回転軸として、長手方向をＸ方向から所定の回転角度θｏだけ回転させるように配置される（例えば０．００１°≦θｏ≦１°）。回転角度θｏの向きは、図中では時計回りであり、ＢＴ５０内のシリンドリカルレンズ２２の延在方向がＸ方向に対して傾斜する角度を大きくする向きである。回転角度θｏは、複数の光学ユニット４の間で共通であってもよいし、別個に設定されてもよい。

図９（Ａ）～（Ｃ）は、本構成例の光学ユニット４における光路を例示する。図９（Ａ）は、図８の光学ユニット４におけるＡ－Ａ断面に対応する。Ａ－Ａ断面は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅが位置するＸＺ平面である。図９（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図９（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。Ｂ－Ｂ断面は、中央のＬＤ３１ｃが位置するＹＺ平面である。Ｃ－Ｃ断面は、外側のＬＤ３１ａが位置するＹＺ平面である。

本構成例の光学ユニット４においては、ＸＹ平面におけるＢＴＵ４０の回転角度θｏに応じて、Ｘ方向において中央から離れたＬＤ３１ａほど（図９（Ａ））、ＬＤ３１ａとＢＴＵ４０間の位置関係がずれる（図９（Ｂ），（Ｃ））。このため、例えば図９（Ｃ）に示すように、外側のＬＤ３１ａの主光線Ｌａは、ＦＡＣ４１から射出する際にＺ方向からＹ方向に向けた傾きを持つ。

ＬＤ３１からの光ビームはＢＴ５０中でＸＹ平面において９０°分、回転する。このためて、外側のＬＤ３１ａの主光線Ｌａの傾きは、例えば図９（Ａ）に示すように、Ｘ方向における傾きに変換される。これにより、ＢＴＵ４０の回転角度θｏに応じて、ＬＤ３１が外側に位置するほど、Ｘ方向において主光線を外向させることができる。なお、図９（Ｃ）に示すように、外側のＬＤ３１ａに関してＢＴＵ４０とＳＡＣ４５との位置関係がずれることから、主光線Ｌａは、ＳＡＣ４５から射出後にＹ方向に傾き得る。但し、こうした傾きは軽微に留めることができる。

２－２－３．Ｙ方向内向の構成例
本実施形態のビーム結合装置２においては、以上のような構成に加えて、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させる観点より、外側のＬＤバー３－１に対応する光学ユニット４－１を、上述した基本構成から一部改変する。こうした構成例について、図１０，１１を用いて説明する。

図１０は、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１の構成例１を示す。本構成例では、Ｙ方向における外側（例えば＋Ｙ側）の光学ユニット４において、ＳＡＣ４５が、中央の光学ユニット４と同様の位置から所定のシフト幅ΔＹだけ内側（例えば－Ｙ側）にシフトして配置される。これより、ＳＡＣ４５が入射する光ビームをコリメートする光軸から主光線Ｌ１をずらして、外側の光学ユニット４－１から射出する光ビームを内向させることができる。シフト幅ΔＹは、主光線Ｌ１を内向させる程度に応じて、主光線Ｌ１がＳＡＣ４５に入射する位置からＳＡＣ４５の光軸をずらす幅を規定する。

外側の光学ユニット４－１からの主光線Ｌ１を内向させることにより、図２（Ａ）に示すように、複数の光学ユニット４－１，４－２から集光レンズ２１に到った主光線Ｌ１，Ｌ２間の間隔が、光学ユニット４－１，４－２間の間隔よりも小さくなる。よって、集光レンズ２１により空間合成させる光学ユニット４ひいてはＬＤバー３の個数を増やすことができ、ビーム結合装置２において空間合成による光出力を高出力化できる。

光学ユニット４の個数を増やす際には、例えば、シフト幅ΔＹが外側の光学ユニット４ほど大きく設定される。これにより、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４ほど主光線を内向させる傾きを大きくして、各主光線が交差する位置を合致させる。

Ｙ方向外側の主光線Ｌ１を内向させる構成は上記の構成例に限定されない。図１１は、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１の構成例２を示す。本構成例では、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１は、中央の光学ユニット４と同様の向きから、ＹＺ平面において所定の傾斜角度θｉだけ内側に傾けて配置される。傾斜角度θｉは、主光線Ｌ１を内向させる程度に応じて適宜、設定される。

以上の構成例２によっても、構成例１と同様に外側の光学ユニット４－１から射出する光ビームを内向させることができる。なお、光学ユニット４－１においてＳＡＣ４５は傾けずに、ＢＴＵ４０のみ傾けてもよい。また、ＬＤバー３は、例えば対応する光学ユニット４の向きに応じて傾けられてもよいし、特に傾けなくてもよい。

２－３．実施形態１の実施例
以上のような本実施形態のビーム結合装置２の構成例に関する実施例について、以下説明する。

本実施形態のビーム結合装置２の数値的な実施例として、図１０，１１の構成例の各々の数値シミュレーションを行った。本シミュレーションにおいて、複数の光学ユニット４間の間隔は４．８ｍｍに設定し、ＳＡＣ４５の焦点距離は１５ｍｍに設定し、集光レンズ２１の焦点距離は５０ｍｍに設定した。

図１０のシミュレーションとして、ＳＡＣ４５のシフト幅ΔＹを「ΔＹ＝０．０５６０ｍｍ」に設定した。すると、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１が、結合光学系２０に到ったときに１．５ｍｍもの間隔で内向する効果が確認できた。

さらに、本シミュレーションにおいて、ＢＴ５０の回転角度θｏは「θｏ＝０．０１°」に設定した。この際、結合光学系２０に焦点距離が５００ｍｍのシリンドリカルレンズ２２を用いることで、Ｘ，Ｙ方向間でビーム結合位置Ｐ１を整合させる効果が確認できた。

また、図１１のシミュレーションとして、上記と同様のシミュレーション環境において、「ΔＹ＝０」と共に光学ユニット４の傾斜角度θｉを「θｉ＝０．１８°」に設定した。こうしたシミュレーションにおいても、上記と同様の効果が確認できた。

図１２は、本実施形態のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、上記と同様の設定においてＢＴＵ４０の回転角度θｏ（＝０．０１°）の効果を確認するべく、＋Ｘ側の主光線の数値計算を行った。図中の各行は、物体側（即ち－Ｚ側）から像側（即ち＋Ｚ側）への面番号毎に主光線がビーム結合装置２の各部を通過する際の数値計算結果を示す。数値計算結果として、「Ｘ」はＸ座標を示し、「Ｙ」はＹ座標を示し、「ＴＡＮＸ」はＸＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示し、「ＴＡＮＹ」は、ＹＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示す。なお、数値計算した主光線に対応するＬＤ３１の位置は、Ｘ座標４ｍｍであった。

図１２のシミュレーション結果によると、ＬＤ３１の射出時はゼロ値であった「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４３７」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。また、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．０００３２」は、上記の「ＴＡＮＸ」よりも充分に小さい。よって、ＢＴ５０の回転角度θｏに応じて、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の傾きを軽微に留めながら、Ｘ方向に外向できることが確認できた。なお、当該主光線は、シリンドリカルレンズ２２の射出後にＸ方向に内向していることも確認された。

３．まとめ
以上のように、本実施形態において、ビーム結合装置２は、光源の一例であるレーザ光源３０と、複数の光学ユニット４と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、第１の方向の一例であるＸ方向、及び第１方向と交差する第２の方向の一例であるＹ方向に並ぶ複数の光源素子の一例として複数のＬＤ３１を含む。レーザ光源３０は、各ＬＤ３１からＸ，Ｙ方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する。各ＬＤ３１の光線方向は、例えば各々の光ビームの主光線で規定される。複数の光学ユニット４は、レーザ光源３０においてＸ方向に並んだＬＤ３１の組の一例であるＬＤバー３毎に、各光ビームを導光する。結合光学系２０は、各光学ユニット４に導光された複数の光ビームを結合する。各光学ユニット４は、ＬＤバー３の中で、Ｘ方向における外側に位置するＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向（例えば主光線Ｌａ）を外向させて、各ＬＤ３１からの光ビームを結合光学系２０に導光する。

以上のビーム結合装置２によると、Ｘ方向において各ＬＤ３１の主光線が交差する位置を、結合光学系２０の焦点位置から結像位置に近づけることができる。これにより、結合時の光ビームのビーム径を小さくでき、複数の光ビームを高密度に結合することができる。なお、第１及び第２方向は、互いに垂直でなくてもよく、適宜許容誤差の角度範囲内で交差してもよい。

本実施形態において、結合光学系２０は、Ｘ方向においてＹ方向よりも大きい正の屈折力を有する。複数の光学ユニット４は、レーザ光源３０においてＹ方向に並んだ複数のＬＤ３１を含むＬＤバー３－１，３－２の中で、外側に位置するＬＤバー３－１のＬＤ３１からの光ビームの光線方向（例えば主光線Ｌ１）を内向させる。

これにより、Ｙ方向において光学ユニット４１間の間隔よりも狭い間隔で結合光学系２０に光ビームを供給でき、空間合成によるビーム結合装置２の高出力化を行える。又、こうした場合に、結合光学系２０の屈折力に基づいて、Ｘ，Ｙ方向のそれぞれにおいてビーム径が最小となるビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。

本実施形態において、結合光学系２０は、軸対称の集光レンズ２１と、Ｘ方向において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ２２とを含む。シリンドリカルレンズ２２の屈折力は、例えばＸ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を、入射時に外向した状態から射出時に内向させる程度に設定可能である。

例えば、シリンドリカルレンズ２２は、光学ユニット４から外向させた光ビームの主光線Ｌａをレーザ光源３０側に延長した延長線Ｅａと、集光レンズ２１の光軸の延長線Ｅｃとが交差する位置Ｐ２０からシリンドリカルレンズ２２までの距離Ｄ１よりも短い焦点距離Ｄ２を有する。これにより、シリンドリカルレンズ２２に、Ｘ方向外側のＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を射出時に内向させる程度の屈折力を持たせることができる。

本実施形態では、各光学ユニット４は、Ｙ方向において、ＬＤバー３のＬＤ３１からの各光ビームをコリメートするコリメータレンズの一例であるＳＡＣ４５を含む。例えば図１０に示すように、複数の光学ユニット４－１，４－２において、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４－１のＳＡＣ４５が、入射する光ビームを内向させる位置に配置される。これにより、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１の内向を実現できる。

本実施形態では、例えば図１０に示すように、複数の光学ユニット４において、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４が、光源から入射する光ビームを射出する向きを内向して配置されてもよい。これによっても、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１の内向を実現できる。

本実施形態において、光学ユニット４は、ＬＤバー３のＬＤ３１からの各光ビームをそれぞれ回転するＢＴＵ４０を含む。ＢＴＵ４０が、ＬＤバー３に対して、Ｘ方向における外側に位置するＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を外向させる回転角度θｏに配置される。これにより、Ｘ方向外側の主光線Ｌａの外向を実現できる。

本実施形態において、レーザ加工機１は、ビーム結合装置２と、ビーム結合装置２によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッド１１とを備える。レーザ加工機１では、ビーム結合装置２によって複数の光ビームを高密度に結合することができる。

（実施形態２）
以下、図１３～１６を用いて実施形態２を説明する。実施形態１では、光学ユニット４のＢＴ５０の回転により、Ｘ方向外側の主光線Ｌａを外向させた。実施形態２では、主光線Ｌａを外向させる構成の別例を説明する。

以下、実施形態１に係るレーザ加工機１及びビーム結合装置２と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係るビーム結合装置２を説明する。

図１３は、実施形態２における光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａの構成例を示す。本実施形態のビーム結合装置２は、実施形態１と同様の構成において、図８の光学ユニット４に代わる光学ユニット４Ａを備える。本実施形態の光学ユニット４Ａは、実施形態１の光学ユニット４において回転角度θｏを持たせたＢＴ５０に代えて、例えば図１３の構成例のＢＴ５０Ａを備える。本実施形態のＢＴ５０Ａは、ＬＤ３１からの光ビームの射出側と入射側すなわち±Ｚ側で異なる斜行レンズ部５１のピッチを有する。

図１４は、図１３のＢＴ５０ＡにおけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０Ａは、＋Ｚ側の面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の面におけるピッチＷｉよりも大きくなるように構成される。－Ｚ側のピッチＷｉは、例えば実施形態１のＢＴ５０と同様にＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチに合わせて設定される。本構成例のＢＴ５０Ａにおいて、例えば中央の斜行レンズ部５１の中心は、±Ｚ側の両面において合致する。また、＋Ｚ側の面における斜行レンズ部５１の曲面形状は、例えば－Ｚ側の曲面形状を延長するように設定できる。

図１５（Ａ）～（Ｃ）は、本実施形態の光学ユニット４Ａにおける光路を例示する。図１５（Ａ）は、図１３の構成例の光学ユニット４Ａにおいて、図８のＡ－Ａ断面と同様の断面に対応する。図１５（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図１５（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。本実施形態のＢＴ５０Ａは、実施形態１と同様に、＋Ｚ側においてＳＡＣ４５に隣接し、－Ｚ側においてＦＡＣ４１に隣接する。

本実施形態の光学ユニット４Ａによると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図１５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＦＡＣ４１に入射してからＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の面に到る前まで、Ｚ方向に沿って直進する。ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の面では、－Ｚ側の面よりも大きい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ，Ｙ方向において外向する。

各主光線Ｌａ，Ｌｃは、ＢＴ５０Ａを射出するとＳＡＣ４５に到る。ここで、ＳＡＣ４５はＹ方向における光ビームのコリメートを行うことから、図１５（Ｃ）に示すように、Ｙ方向における主光線Ｌｃの傾きはＳＡＣ４５において補正される。

以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して外向させることができる。

図１６は、実施形態２のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、実施形態１と同様の数値計算を、「θｏ＝０」と共にＢＴ５０Ａの＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも３１８ｎｍだけ大きくする設定で行った。なお、ＢＴ５０Ａの－Ｚ側のピッチＷｉ及びＬＤバー３のＬＤ間のピッチは、０．２２５０００ｍｍであった。

図１６のシミュレーション結果によると、図１２と同様に、「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４４３」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。一方、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．００００３」は、図１２の例よりも顕著に小さくなっている。よって、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、実施形態１と同様にＸ方向外側の主光線を外向でき、且つＹ方向の影響を低減できることが確認された。

以上のように、本実施形態のビーム結合装置２において、光学ユニット４Ａは、光源素子の一例であるＢＴ５０Ａを含む。ＢＴ５０Ａは、ＬＤバー３における各ＬＤ３１に対応するレンズ部である斜行レンズ部５１を複数、備える。ＢＴ５０Ａにおいて、複数の斜行レンズ部５１は、Ｙ方向に対して傾斜しながらＸ方向に並んでいる。ＢＴ５０Ａの両面のうちの、ＬＤ３１の組からの光ビームが射出する＋Ｚ側の面において複数の斜行レンズ部５１が並ぶピッチＷｏは、光ビームが入射する－Ｚ側の面において複数の斜行レンズ部５１が並ぶピッチＷｉよりも大きい。本実施形態のビーム結合装置２によると、ＢＴ５０Ａによって、実施形態１と同様にＸ方向外側の主光線Ｌａの外向を実現できる。

（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１～２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。

上記の実施形態１，２では、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させるビーム結合装置２について説明したが、当該主光線Ｌ１は内向させなくてもよく、例えば外向させてもよい。この変形例について、図１７を用いて説明する。

図１７は、本変形例におけるビーム結合装置２Ａを示す。図１７（Ａ），（Ｂ）は、それぞれビーム結合装置２Ａの側面図と平面図を示す。

本変形例のビーム結合装置２Ａは、図２と同様の構成においてシリンドリカルレンズ２２を省略した結合光学系２０Ａを備える。また、図１７（Ａ）に示すように、本変形例のビーム結合装置２Ａにおいて、Ｙ方向外側の光学ユニット４－１は、主光線Ｌ１を内向させる代わりに、外向させるように構成される。こうした光学ユニット４－１は、例えば図１０のシフト幅ΔＹ又は図１１の傾斜角度θｉを負値に、即ち逆向きに設定することで実現できる。

本変形例のビーム結合装置２Ａにおいては、図１７（Ｂ）に示すように、結合光学系２０Ａとしての集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも＋Ｚ側にある主光線Ｌａ，Ｌｃ間の交差位置Ｐ１１をビーム結合位置として採用できる。この際、特にシリンドリカルレンズ２２を用いることなく、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を外向させることにより、例えば図１７（Ａ），（Ｂ）に示すうように、Ｘ，Ｙ方向におけるビーム結合装置Ｐ１１を整合させることができる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、複数の光ビームを結合して用いる各種の用途に適用可能であり、例えば各種のレーザ加工技術に適用可能である。

Claims (9)

1. 互いに交差する第１及び第２の方向に並ぶ複数の光源素子を含み、各光源素子から前記第１及び第２の方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する光源と、
   前記光源において前記第１の方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する複数の光学ユニットと、
   各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する結合光学系と
   を備え、
   前記各光学ユニットは、前記光源素子の組の中で、前記第１の方向における外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向を外向させて、各光源素子からの光ビームを前記結合光学系に導光する
   ビーム結合装置。
2. 前記結合光学系は、前記第１の方向において前記第２の方向よりも大きい正の屈折力を有し、
   前記複数の光学ユニットは、前記光源において前記第２の方向に並んだ複数の光源素子の中で、外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向を内向させる
   請求項１に記載のビーム結合装置。
3. 前記結合光学系は、軸対称の集光レンズと、前記第１の方向において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズとを含む
   請求項２に記載のビーム結合装置。
4. 前記シリンドリカルレンズは、前記光学ユニットから前記外向させた光ビームの主光線を前記光源側に延長した延長線と、前記集光レンズの光軸の延長線とが交差する位置から前記シリンドリカルレンズまでの距離よりも短い焦点距離を有する
   請求項３に記載のビーム結合装置。
5. 前記各光学ユニットは、前記第２の方向において、前記光源素子の組からの各光ビームをコリメートするコリメータレンズを含み、
   前記複数の光学ユニットにおいて、前記第２の方向における外側に位置する光学ユニットのコリメータレンズが、入射する光ビームを内向させる位置に配置される
   請求項２～４のいずれか１項に記載のビーム結合装置。
6. 前記複数の光学ユニットにおいて、前記第２の方向における外側に位置する光学ユニットが、前記光源から入射する光ビームを射出する向きを内向して配置される
   請求項２～４のいずれか１項に記載のビーム結合装置。
7. 前記光学ユニットは、前記光源素子の組からの各光ビームをそれぞれ回転するビームツイスタユニットを含み、
   前記ビームツイスタユニットが、前記光源素子の組に対して、前記第１の方向における外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向を外向させる回転角度に配置される
   請求項１～６のいずれか１項に記載のビーム結合装置。
8. 前記光学ユニットは、前記光源素子の組における各光源素子に対応する複数のレンズ部を備える光学素子を含み、
   前記複数のレンズ部は、前記光学素子において、前記第２の方向に対して傾斜しながら前記第１の方向に並んでおり、
   前記光学素子の両面のうちの、前記光源素子の組からの光ビームが射出する面において前記複数のレンズ部が並ぶピッチは、前記光ビームが入射する面において前記複数のレンズ部が並ぶピッチよりも大きい
   請求項１～６のいずれか１項に記載のビーム結合装置。
9. 請求項１～８のいずれか１項に記載のビーム結合装置と、
   前記ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドと
   を備えるレーザ加工機。

Images