JPH0698508B2 - 光ビ−ム加工装置 - Google Patents

光ビ−ム加工装置

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JPH0698508B2
JPH0698508B2 JP60296557A JP29655785A JPH0698508B2 JP H0698508 B2 JPH0698508 B2 JP H0698508B2 JP 60296557 A JP60296557 A JP 60296557A JP 29655785 A JP29655785 A JP 29655785A JP H0698508 B2 JPH0698508 B2 JP H0698508B2
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JP
Japan
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light beam
reflecting
cylinder
mirror
optical system
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JP60296557A
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秀夫 久田
宮本  勇
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Komatsu Ltd
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Komatsu Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073Shaping the laser spot

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は光ビーム加工装置に関するものである。
(従来の技術と問題点) 光ビーム、例えばレーザビーム光学系中に、内周面を鉢
状に鏡面仕上げした内部反射鏡を介設し、これによりレ
ーザビームを均等なエネルギ密度で集光させるようにし
た装置が特公昭57-47249号によって明らかにされてい
る。しかしながらこのような装置によると、上記内部反
射鏡に鏡面を形成する際に高度の精度を要し、レーザビ
ームの軸心と内部反射鏡の鏡面軸心が正確に一致しにく
いことから実際には均一強度分布のレーザビームが容易
に得にくいという欠点があった。
一方、碁盤目状に分割した複数のミラーにビームを反射
させ、各ビームを同一箇所に集光させることにより照射
ビームの均一化を図ろうとする、いわゆるセグメントミ
ラー方式も公知であるが、これには次のような欠点があ
る。それはミラーの加工や取付に高い精度が要求される
ためにミラーの製作費が高く、またビーム形状が一定で
あるために、対象物毎に別のミラーが必要となるという
ことである。
この発明は上記した従来の欠点を解決するためになされ
たものであって、その目的は、反射鏡に鏡面を形成する
際に高度の精度を要せず、かつ容易に巨視的に均一強度
分布の光ビームを得ることのできる光ビーム加工装置を
提供することにある。
(問題点を解決するための手段) そこでこの発明の光ビーム加工装置においては、光ビー
ム光学系中に、この光学系を通る光ビームを多重反射さ
せて巨視的に均一強度分布の所定ビーム形状に変化させ
る内面反射筒体を介設した光ビーム加工装置であって、
上記内面反射筒体内の反射面においては、相対向して構
成される反射面対の少なくとも1組の間隔が、光ビーム
進行方向に対して次第に狭く、又は広くなるように構成
されていることを特徴としている。
(作用) このように光ビーム光学系中に内面反射筒体を介設し、
光学系を通る光ビームを多重反射させる構造であると、
上記内面反射筒体の鏡面を形成するのに高度な精度を要
せず、光学系に導入されるビームが不均一な場合であっ
ても、巨視的に均一強度分布の光ビームが容易に得られ
ることとなる。
(実施例) 次にこの発明のレーザ加工装置の具体的な実施例につい
て、図面を参照しつつ詳細に説明する。
第1図に第1実施例を示す。図に示す光ビーム、例えば
レーザビーム光学系は、与えられた任意形状の不均一分
布ビームを単一または複数領域にわたる均一分布ビーム
に変換するものであって、図において1は集光レンズ、
2は結像レンズ、3は両レンズ1、2の間に介設された
内面反射筒体である。なおこの内面反射筒体3は水冷式
とするのが好ましい。上記集光レンズ1は上記内面反射
筒体3の入口にレーザビームを導入する働きをなすもの
であり、上記結像レンズ2は内面反射筒体3の出口から
射出されたレーザビームを所定の大きさに拡大または縮
小する働きをなすものである。したがってこれらのレン
ズ1、2に代えてミラー(反射鏡)を用いても本光学系
は成立するし、また内面反射筒体3の入口の寸法がレー
ザビームよりも大きい場合には、集光レンズ1を省略す
ることもある。上記内面反射筒体3は第2図、第3図に
示すように、ビーム領域が四方形断面となるものが用い
られており、左右一対の側板4、5と、両側板4、5間
に位置変更自在に配設された上板6および下板7とから
構成されている。各板4、5、6、7の内面は導入され
たレーザビームを多重反射させるべく鏡面仕上げされて
おり、上板6と下板7に角度(θ)が付けられ、入口の
大きさ(d1×d2)より出口の大きさ(d′×d′
が小さくなるように、あるいはその逆に設定される。第
4図は側板4、5が平行である場合において、上板6と
下板7に角度θを付けて配置した場合、すなわち内面反
射筒体3をくさび状とした場合の内面反射筒体3のビー
ム領域の一側を示しており、その場合は第4図に示すよ
うに、入口が例えば所定の大きさd1×d2の正方形断面と
なり、出口が所定の大きさの矩形断面となる。つまり不
均一入射ビームが集光レンズ1を介してこの内面反射筒
体3の入口に導入されると、該ビームは内面反射筒体3
のビーム領域内で多重反射し、巨視的に均一強度分布の
所定ビーム形状に変化せしめられて出口から出て行くこ
ととなる。そして結像レンズ2を介して試料面上に均一
矩形ビーム像を描くことになる。上述のように巨視的に
というのは、この種の光学系により得られるレーザビー
ムは干渉縞を含んでいるために局所的には均一分布では
ないからである。そして上板6と下板7の位置を変化さ
せることにより、レーザビームの形状を連続的に変化さ
せることが可能となり、また内面反射筒体3の出口と結
像レンズ2間の距離a及び結像レンズ2と試料面間の距
離bを変化させることによりレーザビームのサイズを連
続的に変化させることが可能となる。
ところで上記内面反射筒体3の上板6と下板7を平行に
配置し、導入されたレーザビームを矩形断面のビームに
変化させる場合について説明する。一般に内面反射筒体
3の出口における巨視的分布は、該内面反射筒体3内で
のレーザビームの反射回数が多いほど均一になる。上板
6と下板7が平行(θ=0)で正方形断面である場合は
その長さLを次式の範囲に取ることにより内部の反射に
よって巨視的な分布を均一にすることができる。
L=(3〜5)・d・f/D…(1) ただし、d=内面反射筒体3の辺長、f=集光レンズの
焦点距離、D=入射ビームの直径である。
一方多くの干渉縞が形成される内面反射筒体3の断面が
正方形の場合、その際加工に寄与する主干渉縞数Nは、
次式で与えられる。
N=d2/λ・L…(2) したがって正方形のビームを形成するとき、次式 N=d・D/(3〜5)・λ・f…(3) によって所定の干渉縞数が与えられ、巨視的均一な強度
を有する正方形ビームを得る場合、干渉縞数は管長Lに
比例することになる。
一方矩形ビームに変化させる場合、限られた長さLの範
囲内では、巨視的均一性と長短両辺にわたる十分な干渉
縞数の確保は必ずしも両立させることはできない。すな
わち短辺側となる側板4、5からよりも長辺側である上
下の板6、7での反射回数が少ないため、巨視的均一性
の確保される筒体長さLは長辺によって決まり、次式で
与えられる。
L=(3〜5)・d1・f/d…(4) そして干渉縞数は長辺側では次式で与えられる。
N1=d1・D/(3〜5)・λ・f…(5) また一方、短辺側では N2=d1・D/(3〜5)・λ・f・(d2/d1)2…(6) となる。ただしd1=長辺の長さ、d2=短辺の長さ、N1
長辺にそって測った場合の縞数、N2=短辺にそって測っ
た場合の縞数である。それ故、縦横比(d1/d2)の大き
い矩形ビームの場合では、長辺側の干渉縞数N1が適正で
も短辺側の干渉縞数N2は縦横比の2乗に逆比例して少な
くなる。そのため、縦横比を大きくして、かつ短辺側の
縞数を十分多く確保する必要がある場合には、d1を大き
く取る必要があり、そうすると(4)式に従って、内面
反射筒体3の長さLを長くしなければならず、筒体3は
巨大なものとなる。
そこで第1図〜第3図に示したように、内面反射筒体3
の上下の板6、7に角度θを付け、出口断面は目的の大
きさ(d′×d′)のビーム形状とし、入口断面は
干渉縞数を十分確保できる大きさ(d1×d2)とすること
により、ビーム反射回数を大幅に増加させることができ
る。したがって巨視的に均一強度分布を有するビーム形
状(縦横比)を任意に変化させることができると共に、
干渉縞数を独立に変化させることができることになる。
すなわち試料面上でのビームの縦横比が大きい場合でも
側板4、5及び上下の板6、7における反射回数を同一
にすることができることになる。またこの角度付の内面
反射筒体3を用いることにより、正方形ビームでも限ら
れた筒体長さLで上記式(1)よりも反射回数を増大さ
せることが可能となる。
ところで上記角度付きの内面反射筒体3によると、上板
6と下板7とが平行な場合より反射回数が増大するが、
鏡面でのビーム吸収損失が大きくなることがあるので、
このような場合は上記集光レンズ1に代えてシリンダー
レンズ(またはシリンダー鏡)と凸レンズを使用しても
よいし、球面鏡の非点収差を利用するようにしてもよ
い。これにより、反射回数の増減が可能となる。また第
1図では入口に較べて出口の小さい内面反射筒体3を示
しているが、逆に末広がりとなるように上板6と下板7
に角度を付けることにより、必要に応じて、反射回数を
減少させたり、一方の辺に沿う干渉縞数を減少させるこ
とが可能となる。
第5図に第2実施例を示す。この実施例における内面反
射筒体3は第6図、第7図からも明らかなように、左右
一対の側板4、5間に上下四枚の板8、9、10、11が位
置変更自在に配設されて成る。すなわち上記実施例のも
のは単一のビーム領域を有していたが、これを複数に構
成したものである。したがって中間段の板9、10は上下
面共に鏡面仕上げされている。このような構成の内面反
射筒体3を用いることにより、レーザビームを複数領域
にわたって均一でかつ各々の領域間で強度の異なるビー
ムを得ることが可能となる。したがって例えば歯車等の
曲面を良好に硬化させることが可能である。
また第8図に第3実施例を示すが、図のように内面反射
筒体3の出口において各ビーム領域を必ずしも互いに隣
接させる必要はなく、目的に応じて上下5枚の板8、
9、10、11、12の距離を隔て、かつ互いに異なった形状
としてもよい。上記第2実施例のものは、内面反射筒体
3入口でのビームの占める面積割合(各ビーム領域に配
分されるドームパワーの割合)を調整するのに適し、こ
の第3実施例のものは複数の反射鏡13を用いる場合に適
している。なお上記各実施例においては内面反射筒体3
の各板体6〜11を上下方向(一次元方向)にのみ移動さ
せるものを例に挙げたが左右方向(二次元方向)に移動
させてもよいことは明らかである。
上記したように、上記第1実施例においては、内面反射
筒体3の上下の板6、7にそれぞれ角度θをつけている
ので、すなわち内面反射筒体3において上板6と下板7
とによって相対向して構成される反射面対の間隔を、光
ビームの進行方向に対して次第に狭く、又は広くなるよ
うにしているので、傾斜させない場合と比較してビーム
反射回数を大幅に増加させることができ、そのため巨視
的に均一強度分布の所定ビーム形状を得つつ、内面反射
筒体3をコンパクト化することが可能である。上記第2
及び第3実施例においても、上記同様の効果を奏し得
る。
また内面反射筒体3はそのビーム領域の断面が四角形の
ものに限られず、例えば円形のものであってもよいし、
また若干の均一性を無視すれば、多角形、楕円形及びこ
れらを合成した形状にすることも可能であり、要は内面
反射筒体3において、相対向して構成される反射面対
(例えば、断面円形においては、これら反射面対が周方
向に連続して無数に形成されている)の1組以上が、光
ビーム進行方向に対して次第に狭く、又は広くなるよう
に構成されていれば、その実施が可能である。
(発明の効果) この発明の光ビーム加工装置によれば、光学系を通る光
ビームを多重反射させて所定ビーム形状に変化させる構
成であるので、上記多重反射させるのに用いる内面反射
筒体の鏡面を形成するのに高度の精度を要せず、かつ巨
視的に均一強度分布の光ビームを容易に得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の第1実施例におけるレーザ加工装置
の光学系要部側面図、第2図は第1図のII-II矢視図、
第3図は第1図のIII-III矢視図、第4図は上記第1実
施例における内面反射筒体のビーム領域を模式的にあら
わす斜視図、第5図はこの発明の第2実施例におけるレ
ーザ加工装置の光学系要部側面図、第6図は第5図のVI
I-VII矢視図、第7図は第5図のVIII-VIII矢視図、第8
図はこの発明の第3実施例におけるレーザ加工装置の光
学系要部側面図である。 1……集光レンズ、2……結像レンズ、3……内面反射
筒体。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光ビーム光学系中に、この光学系を通る光
    ビームを多重反射させて巨視的に均一強度分布の所定ビ
    ーム形状に変化させる内面反射筒体を介設した光ビーム
    加工装置であって、上記内面反射筒体内の反射面におい
    ては、相対向して構成される反射面対の少なくとも1組
    の間隔が、光ビーム進行方向に対して次第に狭く、又は
    広くなるように構成されていることを特徴とする光ビー
    ム加工装置。
JP60296557A 1985-12-25 1985-12-25 光ビ−ム加工装置 Expired - Lifetime JPH0698508B2 (ja)

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JPH02175090A (ja) * 1988-12-27 1990-07-06 Isamu Miyamoto レーザビーム成形装置
JP3435247B2 (ja) * 1995-02-28 2003-08-11 株式会社東芝 レーザ光照射装置及びレーザ光照射方法
EP1508397B1 (de) * 2003-08-21 2006-06-07 Leister Process Technologies Verfahren und Vorrichtung zum simultanen Erwärmen von Materialien
DE102016103230B3 (de) * 2016-02-24 2017-07-06 Jenoptik Automatisierungstechnik Gmbh Vorrichtung zum Lasertransmissionsschweißen einer ringförmigen Schweißnaht

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