JPH0961610A - バイナリーオプティクス及びそれを用いた集光光学系並びにレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビーム形状が円形で、強度分布が山型の、ま
たは高次モードのレーザ光からビーム形状が矩形、線状
図形などの所望の形状をなし、強度分布が均一なレーザ
ビームを効率良く得ることが可能なバイナリーオプティ
クス、または集光光学系を提供すること及びこれらを用
いて効果的なレーザ加工を可能とするレーザ加工装置を
提供する。 【解決手段】 素子内の各位置に於ける回折格子の配列
方向とピッチとが、入射光の形状及び強度分布と、変換
したい出射光の形状及び強度分布とに対応させて設計さ
れたバイナリーオプティクス及びこれを用いた光学系に
より、所望の断面形状を有するレーザビームを容易に、
かつエネルギーの損失なく変換することができることか
ら、レーザ加工プロセスを有利にすると共に、効率の高
い加工が可能になる。更に、かかる構成のレーザ装置
は、レーザ加工プロセスを有利にすると共に、効率の高
い加工が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光の強度分
布を平均化して所望の形状にビーム整形する光学素子及
びそれを用いた集光光学系及びそれを用いてより望まし
い加工を施すことを可能とするレーザ加工装置に関し、
またレーザ光を三本のビームに分割し、各々のビームの
強度分布を平均化し所望の図形の形状にビーム整形する
光学素子及びそれを用いて前照射、後照射を施すことを
可能とするレーザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】バイナリーオプティクスはガラス基板の
表面に刻まれた回折格子により集光する光学素子である
（G. J. Swanson et al., US Patent 4895790, (199
0)）。図４４（ａ）及び図４４（ｂ）に示すように、バ
イナリーオプティクス１０１の断面の構造は光の波長オ
ーダーの階段状になっており、進行する光の波面は階段
の厚みの違いによりその進行方向が変えられる。即ち、
光の透過長が隣の階段と異なるために、光の位相がず
れ、光の干渉効果により回折して光路が曲げられる。階
段の繰り返しピッチは光路長を一波長だけ違える幅とし
て与えられる。ＹＡＧレーザ光を集光する目的のバイナ
リーオプティクスはその階段構造として幅が数μｍ、厚
さが１μｍ程度のものである。通常のバイナリーオプテ
ィクス１０１は図４４（ａ）のように同心円状のパター
ンからなり、凸レンズのような単レンズの機能を有して
いる。凸レンズ機能のバイナリーオプティクスは、入射
した平行光線を一点につまり焦点に集めるように働く。
このような機能を有するバイナリーオプティクスのピッ
チｐ(ｒ)と中心からの距離ｒとの関係は、例えば、

【数９】ｐ(ｒ)＝λ√（１＋ｆ²／ｒ²） として表される。ここで、λはレーザ光の波長、ｆは焦
点距離である。このようなバイナリーオプティクスにビ
ームの断面形状が円形のレーザ光を入射すると、バイナ
リーオプティクスからの出射光はどの位置においてもビ
ーム形状が円形であり、強度分布はやはりガウス型であ
る。

【０００３】レーザ発振器を用いてレーザ加工を行う場
合、単にレーザ光を集束して照射することが一般的であ
る。この場合、通常は集束されたビームスポット形状は
円形であるが、加工する対象によってはビーム形状が円
形以外の所望の形状、例えば矩形であり、かつその強度
分布が可及的に均一になっていることが望ましいことが
ある。その場合にはレーザ光をビーム拡大した後、矩形
の形状をした開口を通し、レンズで集束して矩形のビー
ムスポット形状を得ていた。

【０００４】しかしながら、この方法では開口を通して
ビームの中央部分の強度の高い部分のみを取り出してい
たため、開口から外れた光線はロスとなり効率の面で問
題があった。しかも開口の形状によっては強度が不均一
になり易い。

【０００５】また、例えばレーザ光によるマーキングを
行う場合にもビームを拡大してマスクを通す際に各部分
に光強度むらを生じ、中央の強度の高い部分のみマスク
に通すと光の損失が著しく大きくなり、効率が低下しが
ちであった。

【０００６】更に、インテグレーションミラーと呼ばれ
る多数の矩形の形状をしたミラーをマトリクス状に配列
し、レーザ光をビーム拡大した後、入射して、各ミラー
による反射光の光軸が全て一箇所に重なり合うように
し、矩形のビームスポット形状を得ることも考えられる
が、各ミラーの光軸合わせが難しいという問題があっ
た。

【０００７】加えて、レーザ光強度の空間分布を表す横
モードはこのようなきれいなガウシアン分布を有するＴ
ＥＭ₀₀モードばかりではない。特に、レーザ出力が大き
くなると、高次のモードで発振しやすく、マトリックス
状の斑点模様の形状を有するＴＥＭ_nnモードやドーナツ
状のリングモードであるＴＥＭ₀₁ ^*モードになりがちで
ある。このようなモードのレーザ光はうまく集束させる
ことが困難であった。

【０００８】一方、一般にレーザ発振器を用いてレーザ
加工を行う方法としては単にレーザ光を集束して照射す
る方法が用いられていた。また、通常は集束されたビー
ムスポット形状は円形であり、しかも、強度分布が均一
ではないので、照射中あるいは走査中に、場所によって
照射強度にムラが生じ、効率性や仕上がりに影響して、
溶接箇所が波を打ったようになりがちであった。このよ
うに、溶接加工に於てはビーム形状が矩形で均一に照射
できることが望ましい。更に、前照射により予め加熱し
ておき本照射で溶接し、後照射で焼きなましができるレ
ーザ溶接加工が望ましい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる状況
に鑑みなされたものであり、ビーム形状が円形で、強度
分布が山型の、または高次モードのレーザ光からビーム
形状が矩形、線状図形などの所望の形状をなし、強度分
布が均一なレーザビームを効率良く得ることが可能なバ
イナリーオプティクス、または集光光学系を提供するこ
と及び上記バイナリーオプティクス、または集光光学系
を用いて効果的なレーザ加工を可能とするレーザ加工装
置を提供することを第１の目的とする。また、レーザ光
を３本のビームに分割し、各々のビームを強度分布が均
一でビーム形状が所望の図形のレーザビームを効率良く
得ることができるバイナリーオプティクスを提供するこ
と及び前照射、本照射、後照射により効果的なレーザ溶
接加工を可能とするレーザ加工装置を提供することを第
２の目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、回折格子よりなるバイナリーオプテ
ィクスに於て、当該バイナリーオプティクス上の各位置
に於ける回折格子の配列方向とピッチとが、入射光の形
状及び強度分布と、変換したい出射光の形状及び強度分
布とに対応させて設計されていることを特徴とするバイ
ナリーオプティクス及びこれを用いた集光光学系並びに
レーザ加工装置を提供する。

【００１１】レーザ発振器から出射したレーザ光は細い
ので、例えば焦点距離の異なる２枚のレンズを組合せる
ことにより構成されるビーム拡大器を通じて拡大され、
平行光に変換された後、バイナリーオプティクスに到達
して回折される。その回折格子のピッチをｐとすると、
平行光線が通過したときに、

【数１０】ｃｏｔ^-1√（（ｐ／λ）²−１） の回折角だけ、進行方向を回折格子の配列方向、即ち格
子の延在方向と直交する方向にに変えたビームに変換さ
れる。いま、レーザビームがガウス型の強度分布を持つ
とすると、バイナリーオプティクスを通過したとき、中
央部で高く周辺部で低い強度分布からなるレーザビーム
は、バイナリーオプティクスに刻まれたパターンによ
り、各位置でそれぞれの方向に光の進行方向が変えら
れ、バイナリーオプティクスから距離ｈだけ離れた所望
の図形を得る位置Ｆでは、変換したい出射光の形状及び
強度分布のレーザビームスポットが得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、実施例に基づいて本発明を
詳細に説明する。図１に本発明の第１の実施例に於ける
バイナリーオプティクスによる光路変換の模式図を示
す。このバイナリーオプティクス１は半導体微細加工技
術を利用し、石英基板（直径１００ｍｍ）にマスクをか
け露光した後、エッチングして図１に示すような断面形
状に作製される。

【００１３】このようなバイナリーオプティクス１に入
射する光源としては平均出力１００Ｗのレーザ加工用の
Ｎｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光はビーム形
状が円形をなし、バイナリーオプティクス１に入射する
前にビーム拡大器で拡大されその光軸がバイナリーオプ
ティクス１の中心Ｏと一致するように入射する。その入
射光強度分布Ｉ(ｒ)は、ｒを中心からの距離、ａ及びｂ
を係数として、次式に示すようなガウス型強度分布とな
っている。

【００１４】

【数１１】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００１５】バイナリーオプティクス１上の点Ｐ（図２
（ａ））に入射した光線は、回折されて、バイナリーオ
プティクス１から距離ｈだけ離れた位置（図１の所望の
図形を得る位置Ｆ）に到達し、その基準面内にて、バイ
ナリーオプティクス１上の点Ｑ（図２（ａ））を光軸と
平行に距離ｈだけ並進した位置に到達したとする。その
位置でビーム形状が任意の図形でありパワー密度分布が
平均化され、しかも均一なビームプロフィールを得るよ
うに点Ｑを決めてやれば良い。光線が面Ｆ上の点Ｑに対
応する位置に到達するためには、バイナリーオプティク
スの点Ｐに於ける回折格子の配列方向、即ち格子の延在
方向を線分ＰＱの方向に一致させ、回折格子のピッチｐ
を、

【数１２】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱである。

【００１６】また、照射基準面の位置でビーム形状が矩
形であり強度分布が平均化され均一なビームプロフィー
ルを得るための点Ｐと点Ｑの関係は次のように決められ
る。すなわち、図２（ａ）に於て、

【００１７】１．レーザビームの光軸と垂直な面内に、
光軸Ｏを中心として、Ｐを通る円Ｃを描く。 ２．中心強度を１として光の強度分布（図２（ｂ）参
照）を規格化し、円Ｃ内の光の強度の積分値と等しい面
積を有し、変換したい出射光の縦横比を有する矩形Ｂ₁
Ｂ₂Ｂ₃Ｂ₄を、光軸Ｏを中心として描く。 ３．光軸Ｏを中心として、矩形Ｂ₁Ｂ₂Ｂ₃Ｂ₄と辺が平行
で、円Ｃに内接する正方形Ａ₁Ａ₂Ａ₃Ａ₄を描き、その各
頂点により円Ｃを４等分する。 ４．上記正方形の各された点Ｐを含む１／４円Ａ₁Ａ
₄が、点Ｐで内分される比（ｍ：ｎ）と同じ比で、点Ｐ
に対する矩形の辺Ｂ₁Ｂ₄を内分した点をＱとする。

【００１８】以下、式ｐ＝λ√（１＋ｈ²/ｄ²）に従っ
て、点Ｐに入射した光線が点Ｑに到達するよう、バイナ
リーオプティクス１の点Ｐに於ける回折格子の配列方向
を線分ＰＱの方向に一致させ、回折格子のピッチｐを決
めてやれば良い。１／４円の扇型ＯＡ₁Ａ₄内の任意の点
について同様に回折格子の配列方向とピッチを決めてや
れば、１／４円の扇型ＯＡ₁Ａ₄内に入射したレーザ光
を、形状が三角形ＯＢ₁Ｂ₄で強度分布が平均化された均
一なビームスポットに変換できる。他の１／４円につい
ても同様に変換されるので、結局、円Ｃ内に入射した強
度分布がガウス型（図２（ｂ）参照）のレーザ光は、形
状が矩形Ｂ₁Ｂ₂Ｂ₃Ｂ₄で強度分布が平均化され均一（図
２（ｂ）参照）なビームスポットに変換される。

【００１９】このように、バイナリーオプティクスの回
折格子のピッチを、入射光線の強度分布とバイナリーオ
プティクス上の位置に応じて定めてやることにより、所
望の図形を得る位置Ｆの位置に於て均一な強度分布のビ
ームプロフィールが得られる。また、このようなレーザ
光を用いて表面処理加工ができる。

【００２０】図３に本発明の第２の実施例に於ける２枚
のバイナリーオプティクス１、２による光路変換の状態
を模式的に示す。本実施例は図２に於ける所望の図形を
得る位置Ｆの位置に第２のバイナリーオプティクス２を
配置するものであり、第２のバイナリーオプティクス２
に入射した光線はこれにより平行光に戻される。第２の
バイナリーオプティクス２の点Ｑの位置（図２（ａ））
には対応する第１のバイナリーオプティクス１の点Ｐの
位置（図２（ａ））のピッチｐと同じピッチであり回折
格子の配列方向が線分ＱＰの向きに一致する回折格子を
作っておけば、平行光に戻すことができる。ここで、第
２のバイナリーオプティクス２の階段の傾きは第１のバ
イナリーオプティクス１とは反対向きであることに注意
する必要がある。こうして、第２のバイナリーオプティ
クス２からの出射光としてそのビームプロフィールの強
度分布が均一でビーム形状が矩形のものが得られる。

【００２１】このように構成されたバイナリーオプティ
クスに、図４のように平行光線を集束するレンズ３を組
み合わせた光学系を備えたレーザ加工装置により、スポ
ット溶接加工ができる。

【００２２】尚、図４の第２のバイナリーオプティクス
２の出射光の位置には別の形状の開口を設けることもで
きる。これをレンズ３で絞ってパワー密度（強度）分布
が均一な別の形状を与えるビームスポットが得られる。
このようなレーザ光を用いて焼き入れ加工やリペア加工
ができる。また、矩形の形状や、各種形状の開口によ
り、異形の模様を与えるレーザダル加工ができる。更に
図４の第２のバイナリーオプティクス２の出射光の位置
にマスク（図示せず）を置いて、マスクに描かれた模様
を対象物にマーキングすることもできる。

【００２３】図５（ａ）及び図５（ｂ）に本発明に基づ
く第３の実施例に於けるバイナリーオプティクス１１の
模式図を示す。このバイナリーオプティクス１１には直
線パターンからなる回折格子が設けられ、そのピッチ
が、図の上下方向に延在する中心軸Ｌ１から両辺（左
右）へ向けて徐々に狭くなっており、かつ中心軸Ｌ１に
ついて軸対称となっている。この結果、左右方向に延在
する中心軸Ｌ２についても軸対称となる。格子ピッチｐ
(ｒ)と中心軸からの距離ｒとの関係は、

【数１３】ｐ(ｒ)＝λ√（１＋ｆ²／ｒ²） として与えられている。

【００２４】このバイナリーオプティクス１１に入射す
る光源としても上記同様平均出力１００Ｗのレーザ加工
用のＮｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光はバイ
ナリーオプティクス１１に入射する前にビーム拡大器で
拡大されその光軸がバイナリーオプティクス１１の中心
Ｏと一致するように入射する。その入射光強度分布Ｉ
(ｒ)も、ｒを中心からの距離、ａ及びｂを係数として、
以下に示すようなガウス型強度分布となっている。

【００２５】

【数１４】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００２６】これをバイナリーオプティクス１１を通過
させることによりその出射光として円形断面のビームが
線対称の楕円または長円断面に変換されたビームスポッ
トが得られる。即ち、バイナリーオプティクス１１をレ
ーザ光が通過したとき、ビームの光軸を通る（中心軸Ｌ
１と一致する）中心軸からの距離に応じて、両辺部の光
をより中央に引き寄せるように回折させれば、中心軸と
垂直な方向についてはより均一な強度分布からなるレー
ザビームに変換されることとなる。そのために、バイナ
リーオプティクス１１の回折格子のピッチｐ(ｒ)を、

【数１５】ｐ(ｒ)＝λ√（１＋ｈ²／（ｒ²（１−√Ｉ
(ｒ)）²）） として回折格子のピッチを、中心軸Ｌ１から両辺へ入射
光線の強度分布に応じて徐々に狭くする。

【００２７】図６は、本発明に基づく第４の実施例に於
けるバイナリーオプティクス１２の模式図である。本実
施例ではバイナリーオプティクス１２の回折格子が、図
の上下方向に延在する中心軸Ｌ１に向けて凸状に湾曲す
る曲線パターンからなる。そのピッチｐ(ｒ)と中心軸か
らの距離ｒピッチとの関係は、第３の実施例と同様に与
えられ、中心軸Ｌ１から両辺（左右）へ向けて徐々に狭
くなっており、かつ中心軸Ｌ１について軸対称となって
いる。この結果、左右方向に延在する中心軸Ｌ２につい
ても軸対称となる。また、回折格子のパターン幅は中心
軸Ｌ２から離れるに従って連続的に拡大している。実際
には曲線パターンは特に共焦点双曲線群となっていると
きが効果的に円形断面のビームを線対称の楕円または長
円断面に変換できる。

【００２８】図７は一対のバイナリーオプティクス１
４、１５を用いた集光光学系の配置を示す模式的斜視図
であり、図の下側をレーザ光の入射側とし入射側上方か
ら出射側を見たものである。これらバイナリーオプティ
クス１４、１５は共に上記第４の実施例で示したバイナ
リーオプティクスと同様な構造を有し、中心軸Ｌ１同士
が互いに直交すると共に中心Ｏが共に入射レーザ光の光
軸と一致するように前後配置され、集光光学系を構成し
ている。

【００２９】この集光光学系に入射したレーザ光はバイ
ナリーオプティクス１４に入射して中心縦軸Ｌ１に向か
って横軸の向きに回折され、即ち図における縦長の円に
変形される。ついで、バイナリーオプティクス１５に入
射して今度は中心横軸Ｌ２に向かって縦軸の向きに回折
され、矩形状のスポット１６が得られる。更に、本光学
系を備えた図示されないレーザ加工装置により、スポッ
ト溶接加工や焼き入れ加工、リペア加工等が効率良くで
きる。

【００３０】図８に本発明に基づく第５の実施例に於け
るバイナリーオプティクス２１の光路変換の状態を模式
的に示す。このバイナリーオプティクス２１には同心円
パターンからなる回折格子が設けられ、そのピッチが、
図の上下方向に延在する中心Ｏから外周へ向けて徐々に
狭くなっている。

【００３１】このようなバイナリーオプティクス２１に
入射する光源としては上記同様平均出力１００Ｗのレー
ザ加工用のＮｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光
はバイナリーオプティクス２１に入射する前にビーム拡
大器で拡大されその光軸がバイナリーオプティクス２１
の中心Ｏと一致するように入射する。その入射光強度分
布Ｉ(ｒ)は、ｒを中心（光軸）からの距離、ａ及びｂを
係数として、下記に示すようなガウス型強度分布となっ
ている。

【００３２】

【数１６】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００３３】これをバイナリーオプティクス２１に通過
させることによりその出射光として或る位置で均一な強
度分布となるビームを得る。ここで、バイナリーオプテ
ィクス２１から光軸に沿って距離ｈだけ離間した位置Ｓ
に於て中心（光軸）からの距離をｒ′とすると、この位
置Ｓで均一な強度のビームを得るためには、

【数１７】ｒ′＝ｒ√（ａexp(−ｂｒ²)） となっていれば良い。そのためには、バイナリーオプテ
ィクス２１の回折格子のピッチｐ(ｒ)を、

【数１８】ｐ(ｒ)＝λ√（１＋ｈ²／（ｒ²（１−√Ｉ
(ｒ)）²）） として回折格子のピッチを、中心Ｏから外周に向けて入
射光線の強度分布に応じて徐々に狭くすれば良い。尚、
図８の符号２２は位置Ｓに於けるビームプロフィールで
ある。

【００３４】図９は、上記第６の実施例に於ける一対の
バイナリーオプティクス２３、２４を用いた集光光学系
の配置を示す模式的斜視図であり、図の下側をレーザ光
の入射側としている。バイナリーオプティクス２３は上
記実施例で示したバイナリーオプティクスと同様な構造
を有している。また、バイナリーオプティクス２４は、
バイナリーオプティクス２３の出射側にバイナリーオプ
ティクス２３からｈだけ離間した位置、即ち上記Ｓの位
置にその中心Ｏが共に入射レーザ光の光軸と一致するよ
うに設けられており、バイナリーオプティクス２３で集
光した光を再び平行光に戻すべく、バイナリーオプティ
クス２３のｒの位置に対応するバイナリーオプティクス
２４のｒ′の位置での階段のピッチが同じで傾斜方向が
逆のコリメータの役割を有している。

【００３５】この集光光学系に入射したレーザ光はバイ
ナリーオプティクス２３に入射して中心Ｏに向かって回
折される。ついで、均一な強度のビームとなる位置Ｓに
配置されたバイナリーオプティクス２４に入射して平行
光にされる。その後任意の位置で集光させる光学系と組
み合わせて例えばスポット溶接加工用のレーザ加工装置
に用いることができる。尚、図９の符号２５は位置Ｓに
於けるビームプロフィールである。

【００３６】一方、上記構成ではビームの断面形状が円
形であるが、図１０に示すように矩形の開口２６ａを有
するマスク２６及び集光レンズ２７を組み合わせること
により、矩形ビームが得られる。これを備えた図示され
ないレーザ加工装置により、スポット溶接加工や焼き入
れ加工、リペア加工等が効率良くできる。

【００３７】また、図１１に示すようなマスク２８及び
集光レンズ２９を組み合わせることにより、マスク２８
の開口２８ａの形状に応じた模様を図示されない対称物
に効率的にマーキングすることが容易にできる。

【００３８】図１２（ａ）、図１２（ｂ）に本発明に基
づく第７の実施例に於けるバイナリーオプティクス３１
の構造及びその光路変換の状態を模式的に示す。また、
図１３（ａ）、図１３（ｂ）にバイナリーオプティクス
３１の各要素３１ａの光路変換の状態を模式的に示す。
バイナリーオプティクス３１はｍ個（本実施例では７
個）の繰り返し要素３１ａを有し、各繰り返し要素３１
ａには同一のパターンが刻まれている。

【００３９】バイナリーオプティクス３１の各要素３１
ａには直線パターンからなる回折格子が設けられてい
る。そのピッチは、図の上下方向に延在する中心軸Ｌか
ら両辺（左右）へ向けて徐々に狭くなっており、かつ中
心軸Ｌについて軸対称となっている。格子ピッチｐ(ｄ)
と中心線軸からの距離ｄとの関係は、

【数１９】ｐ(ｄ)＝λ√（１＋ｆ²／ｄ²） として与えられている。

【００４０】図１４に上記同様な２枚のバイナリーオプ
ティクス３１、３２を、光軸に対して前後に互いに平行
に、かつ各バイナリーオプティクス同士の上記中心線Ｏ
が互いに直交するように９０度回転させて配した図であ
る。この場合、平行光線が入射すると、ｍ×ｍ本のビー
ムに拡がって出射する。

【００４１】このような一対のバイナリーオプティクス
３１、３２に入射する光源としては上記同様な平均出力
１００Ｗのレーザ加工用のＮｄ:ＹＡＧレーザが用いら
れる。レーザ光はバイナリーオプティクス３１に入射す
る前にビーム拡大器で拡大されその光軸がバイナリーオ
プティクス３１の中心Ｏと一致するように入射する。そ
のビーム形状は円形であり（図１５（ｂ））、入射光強
度分布Ｉ(ｒ)は、ｒを中心からの距離、ａ及びｂを係数
として、次式に示すようなガウス型強度分布となってい
る。

【００４２】

【数２０】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００４３】そして、図１５（ａ）に示すように、バイ
ナリーオプティクス３１、３２の後方に集束レンズ３３
を配し、ｍ×ｍ本（図１５では５×５本）の光軸がレン
ズ３３の焦点Ｐで交わるようにする。従って、ｍ×ｍ個
に分割されたビームは重なり合って、強度が平均化さ
れ、かつビーム形状も矩形のビームスポットが得られ
る。ここで、レーザ光はバイナリーオプティクスを通過
するとビームの大きさに応じた５×５個の要素ごとに拡
がり、各々が５×５本のマルチビームに変換される。各
ビーム要素はビーム形状が矩形であり、各々光軸を持つ
ことになる。

【００４４】更に、集束レンズ３３を用いて絞ると、各
ビーム要素の光軸はレンズの焦点Ｐに集まり、その位置
に５×５個のビーム要素を重畳させることができる。そ
の位置におけるビームスポットの形状はビーム要素の形
状を反映して矩形であり、ビームプロフィールは、各ビ
ーム要素が重ね合わされた結果均等に平均化されて強度
分布が均一なものが得られている。２枚のバイナリーオ
プティクスの繰り返し要素の幅を違えることにより、任
意の形状の長方形の形状のビームを作製することができ
ている。本光学系を備えたレーザ加工装置により、容易
に、効率良くスポット溶接加工や焼き入れ加工、リペア
加工ができる。

【００４５】図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に本発明に
基づく第８の実施例に於けるバイナリーオプティクス４
１の構造及び光の変換の状態を模式的に示し、図１７
（ａ）及び図１７（ｂ）には図１６のバイナリーオプテ
ィクス４１の各分割マトリクス要素４１ａの構造及び光
の変換の状態を模式的に示す。このバイナリーオプティ
クス４１はｍ×ｎ個（本実施例ではｍ＝ｎ＝１０）のマ
トリクス要素４１ａに分割されており、各マトリクス要
素４１ａにはそれぞれ同一ピッチの直線パターンの回折
格子が刻まれている。各マトリクス要素４１ａの回折格
子の各格子は、各マトリクス要素４１ａの中心Ｐ_ijとｍ
×ｎの格子の中心、即ちバイナリーオプティクス４１の
中心Ｏとを結ぶ線と直交する方向に延在するように形成
されている。

【００４６】尚、図１７（ｂ）には、簡単のためにｍ＝
ｎ＝７として図示し、図１８（ｂ）にはｍ＝ｎ＝５とし
て図示した。各マトリクス要素４１ａの回折格子は図１
６（ａ）に示すように、格子ピッチが一定の平行な直線
パターンからなり、かつ各要素４１ａの格子ピッチｐ
(ｄ)と要素１ａの中心Ｐ_ijとバイナリーオプティクスの
中心Ｏとの距離ｄとの関係が、

【数２１】ｐ(ｄ)＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） となるように形成されている（図１７（ａ））。

【００４７】このようなバイナリーオプティクス４１に
入射する光源としては上記同様平均出力１００Ｗのレー
ザ加工用のＮｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光
はビーム形状が円形をなし、バイナリーオプティクス４
１に入射する前にビーム拡大器で拡大されその光軸がバ
イナリーオプティクス４１の中心Ｏと一致するように入
射する。その入射光強度分布Ｉ(ｒ)は、ｒを中心からの
距離、ａ及びｂを係数として、次式に示すようなガウス
型強度分布となっている。

【００４８】

【数２２】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００４９】図１８（ｂ）には、説明のため、入射ビー
ムの大きさに係わる分割要素１ａの数を少なくし、５×
５個としたバイナリーオプティクス４１の平面図を示し
た。レーザ光はバイナリーオプティクス４１を通過する
とビームの大きさに応じた５×５個の要素ごとに進行方
向を変え、各々が５×５本のマルチビームに変換され
る。各ビーム要素はビーム形状が矩形であり、各々光軸
を持つことになる。

【００５０】各ビーム要素の光軸は所望の図形を得る位
置Ｆ上の集束位置に集まり、その位置に５×５個のビー
ム要素を重畳させることができる。その位置におけるビ
ームスポットの形状はビーム要素の形状を反映して矩形
であり、ビームプロフィールは、各ビーム要素が重ね合
わされた結果均等に平均化されて強度分布が均一なもの
が得られる。

【００５１】尚、ｍとｎとの比を変えてマトリックス要
素の幅の縦横の比を違えることにより、任意の形状の長
方形の形状のビームを作製することができる。また、上
記光学系を備えたレーザ加工装置により、矩形の断面形
状を有するレーザビームを容易に、かつエネルギーの損
失なく変換することができることから、レーザ装置の加
工プロセスを有利にするとともに、効率の高いスポット
溶接加工や焼き入れ加工、リペア加工が可能となる。

【００５２】図１９に本発明の第９の実施例に於けるバ
イナリーオプティクス５１による光路変換の模式図を示
す。このバイナリーオプティクス５１に入射する光源と
しては上記同様平均出力１００Ｗのレーザ加工用のＮ
ｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。レーザ光はビーム形状
が円形をなす。レーザ発振器から出射したレーザ光は細
いので、図示されていないが、焦点距離の異なる２枚の
レンズの組合せで構成されるビーム拡大器で拡大されて
その光軸がバイナリーオプティクス５１の中心Ｏと一致
するようにバイナリーオプティクス５１に入射する。こ
のレーザ光は、バイナリーオプティクス５１に刻まれた
パターンにより、各位置でそれぞれの方向に光の進行方
向が変えられ、バイナリーオプティクス５１から距離ｈ
だけ離れた位置Ｆでは、変換したい出射光の形状及び強
度分布のレーザビームスポットが得られる。ここで、バ
イナリーオプティクス５１への入射光強度分布Ｉ(ｒ)
は、ｒを中心からの距離、ａ及びｂを係数として、次式
に示すようなガウス型強度分布が一般的であるのでこれ
を用いる。

【００５３】

【数２３】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００５４】バイナリーオプティクス１上の点Ｐ（図２
０（ａ））に入射した光線は、回折されて、バイナリー
オプティクス５１から距離ｈだけ離れた位置（図１９の
所望の図形を得る照射基準面Ｆ）に到達し、その面内に
て、バイナリーオプティクス５１上の点Ｑ（図２０
（ａ））を光軸と平行に距離ｈだけ並進した位置に到達
したとする。その位置でビーム形状が所望の形状であり
強度分布が平均化され、しかも均一なビームプロフィー
ルを得るように点Ｑを決めてやれば良い。光線が上記面
Ｆ上の点Ｑに対応する位置に到達するためには、バイナ
リーオプティクス５１の点Ｐに於ける回折格子の配列方
向、即ち格子の延在方向を線分ＰＱの方向に一致させ、
回折格子のピッチｐを、

【数２４】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱである。尚、バイ
ナリーオプティクス５１の基板の屈折率により制限され
るピッチｐに対応して、ｈは一定距離以上に制限され
る。本実施例ではｈは２００ｍｍとした。

【００５５】また、所望の図形を得る位置でビーム形状
が形状であり、かつ強度分布が平均化され均一なビーム
プロフィールを得るための点Ｐと点Ｑとの関係は次のよ
うに決められる。

【００５６】１．図２０（ａ）に於て、バイナリーオプ
ティクス５１上、即ちレーザビームの光軸と垂直な面上
に光軸を原点Ｏとする極座標を定義する。 ２．レーザ光のビーム半径（通常は１／ｅ²強度半径）
を半径とする円Ｌ１内の入射光を所望の図形を得る位置
（照射基準面）Ｆで図形Ｓ１（ｒ＝ｆ（θ））の形状
で、強度が一定ｕであるビームプロフィールの出射光に
変換しようとすると、円Ｌ１内に於ける入射光強度の積
分値（底面が円Ｌ１であり、断面が図２０（ｂ）に示す
Ｃ₅Ｃ₆Ｃ₁₀Ｃ₁₅Ｃ₁₆の立体の体積に相当）と、所望の形
状（図形Ｓ１）内に於ける出射光強度の積分値（底面が
図形Ｓ１であり、断面が図２０（ｂ）に示すＣ₃Ｃ₈Ｃ₁₃
Ｃ₁₈の体積に相当）とは等しくなる。 ３．バイナリーオプティクス５１上に、原点Ｏを中心と
して、点Ｐを通る円Ｌ２を描く。 ４．点Ｐを通る円Ｌ２内の光の強度の積分値（底面が円
Ｌ２であり、断面が図２０（ｂ）に示すＣ₄Ｃ₇Ｃ₁₀Ｃ₁₄
Ｃ₁₇の立体の体積に相当）を、強度が平均化された変換
したい出射光の強度ｕで割った値と等しい面積を有し、
かつ所望の出射光の図形Ｓ１を、原点Ｏを中心とする極
座標の動径を縮小または拡大して得られる図形Ｓ１と相
似な図形Ｓ２（ｒ＝ｋｆ（θ））を描く。ここで、ｋは
定数であり、上記した積分値と等しい面積という条件か
ら決定される。 ５．点Ｐと原点Ｏとを結ぶ直線と極座標軸ＯＸと円Ｌ２
とに挟まれる扇形ＯＰＡ内の光の強度の積分値（底面が
扇形ＯＰＡであり、断面が図２０（ｂ）に示すＣ₄Ｃ₇Ｃ
₁₀Ｃ₁の立体の体積に相当）と、上記式ｒ＝ｋｆ（θ）
を満足する相似図形Ｓ２の辺上の点Ｑと原点Ｏとを結ぶ
直線ＯＱと極座標軸ＯＸと上記相似図形Ｓ２の辺とに挟
まれる変換したい出射光の部分図形ＯＱＢ内の光の強度
の積分値（底面が部分図形ＯＱＢであり、断面が図２０
（ｂ）に示すＣ2Ｃ9Ｃ1₁Ｃ₁の立体の体積に相当）が一
致するように点Ｑを決める。

【００５７】以下、点Ｐに入射した光線が面Ｆ上で点Ｑ
に対応する点に到達するように、バイナリーオプティク
ス５１の点Ｐに於ける回折格子の配列方向を線分ＰＱの
方向に一致させ、上記ピッチを求める式ｐ＝λ√（１＋
ｈ²/ｄ²）に従って回折格子のピッチｐを決めてやれば
良い。円Ｓ１内の任意の点について同様に回折格子の配
列方向とピッチを決めてやれば、円Ｓ１内に入射したレ
ーザ光を、所望の形状で強度分布が平均化され均一なビ
ームスポットに変換できる。結局、円Ｓ１内に入射した
強度分布がガウス型のレーザ光は、形状が所望の図形で
強度分布が平均化され均一なビームスポットに変換され
る。円Ｓ１外に入射したレーザ光線についても強度分布
が平均化された延長上に変換される。尚、所望の図形と
して矩形や三角形、星形、楕円形など各種の形状にビー
ムを変換することが可能である。

【００５８】このように、バイナリーオプティクスの回
折格子のピッチを、入射光線の強度分布とバイナリーオ
プティクス上の位置とに応じて定めることにより、レー
ザ光を所望の形状にでき、しかもその形状が得られる位
置Ｆに於て均一な強度分布のビームプロフィールが得ら
れる。また、このようなレーザ光を用いて大面積表面処
理加工ができる。

【００５９】図２１に本発明の第１０の実施例に於ける
２枚のバイナリーオプティクス５１、５２による光路変
換の模式図を示す。上記第９の実施例と同様なバイナリ
ーオプティクス５１を第１のバイナリーオプティクスと
し、図１９に於ける所望の図形を得る位置Ｆに第２のバ
イナリーオプティクス５２を配置したものであり、この
第２のバイナリーオプティクス５２に入射した光線は平
行光に戻されるようになっている。

【００６０】図２０（ａ）に於て、第２のバイナリーオ
プティクス５２の点Ｑの位置には対応する第１のバイナ
リーオプティクス５１の点Ｐの位置のピッチｐと同じピ
ッチであり回折格子の配列方向が線分ＱＰの向きに一致
する回折格子を作っておけば、平行光に戻すことができ
る。ここで、第２のバイナリーオプティクス５２の階段
の傾きは第１のバイナリーオプティクス５１とは逆向き
であることに注意する必要がある。こうして、図２１に
示されるように、第２のバイナリーオプティクス５２か
らの出射光はそのビームプロフィールの強度分布が均一
でビーム形状が所望の形状をなし、しかも平行光として
得られる。更に、図２２のように平行光線を集束するレ
ンズ５３を組み合わせた光学系を備えたレーザ加工装置
により、焼き入れ加工やリペア加工、マイクロエレクト
ロニクス分野に於ける穴開け、切断加工ができる。本構
成は各種形状のパターンの照射を多数繰り返し行うのに
適しており、通常の円形とは違った異形の連続模様を板
に与えるレーザダル加工やロールダル加工に適用でき
る。表面の微細模様が従来のものとは異なるので、新鮮
な感覚を人々に与え付加価値を高めることができる。

【００６１】図２２の第２のバイナリーオプティクス５
２とレンズ５３との間の位置には、図２３に示すよう
に、別の形状の開口５４ａを有するプレート５４を設
け、ビームのエッジを鋭くすることもできる。これをレ
ンズ５３で絞って強度分布が均一な別の形状を与えるビ
ームスポットが得られる。この場合もビームの中心部分
の強度の高い部分のみを開口に通していた従来法に比べ
て高効率の光結合を実現できる。

【００６２】また、図２２の第２のバイナリーオプティ
クス５２とレンズ５３との間の位置に、図２４に示すよ
うに、マスク５５を設けても良い。この場合も強度分布
が均一であるため高効率で、マスクに描かれた文字列な
どの複雑な模様を効率的に対象物にマーキングすること
ができる。

【００６３】図２５に本発明に基づく第１１の実施例に
於けるバイナリーオプティクス６１による光路変換の模
式図を示す。このバイナリーオプティクス６１は上記同
様平均出力１００Ｗのレーザ加工用のＮｄ:ＹＡＧレー
ザが用いられる。実際にはレーザ発振器から出射したレ
ーザ光は細いので、図示されていないが、焦点距離の異
なる２枚のレンズの組合せで構成されるビーム拡大器で
拡大され、平行光に変換された後、本発明のバイナリー
オプティクス６１に入射するようになっている。このレ
ーザ光はビーム形状が円形をなし、バイナリーオプティ
クス６１に入射する前にビーム拡大器で拡大されその光
軸がバイナリーオプティクス６１の中心Ｏと一致するよ
うに入射するものとする。その入射光強度分布Ｉ(ｒ)
は、ｒを中心からの距離、ａ及びｂを係数として、次式
に示すようなガウス型強度分布となっている一般的に使
用されるものを想定する。

【００６４】

【数２５】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²)

【００６５】このレーザ光は、バイナリーオプティクス
６１に刻まれたパターンにより、各位置でそれぞれの方
向に光の進行方向が変えられ、該バイナリーオプティク
ス６１から距離ｈだけ離れた位置（照射基準面）Ｆで
は、変換したい出射光の形状及び強度分布のレーザビー
ムスポットが得られる。

【００６６】バイナリーオプティクス６１上の点Ｐ（図
２６（ａ））に入射した光線は、回折されて、バイナリ
ーオプティクス６１から距離ｈだけ離れた位置（図２５
の所望の図形を得る位置Ｆ）に到達し、その面内にて、
バイナリーオプティクス１上の点Ｑ（図２６（ａ））を
光軸と平行に距離ｈだけ並進した位置に到達したとす
る。その位置でビーム形状が所望の閉じた線状図形であ
り、その線上では強度が平均化され均一になるように点
Ｑを決めてやれば良い。光線が点Ｑに到達するために
は、バイナリーオプティクス６１の点Ｐに於ける回折格
子の配列方向、即ち格子の延在方向を線分ＰＱの方向に
一致させ、回折格子のピッチｐを、

【数２６】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱである。尚、バイ
ナリーオプティクス６１の基板の屈折率から制限される
ピッチｐに対応して、ｈは一定距離以上に制限される。
本実施例ではｈは２００ｍｍとした。

【００６７】また、所望の図形を得る位置Ｆでビーム形
状が閉じた線状をなし強度が一定の図形Ｍを得るための
点Ｐと点Ｑとの関係は次のように決められる。即ち、図
２６（ａ）に於て、 １．レーザビームの光軸Ｌと垂直な面内に、光軸を原点
Ｏとする極座標を定義する。 ２．原点Ｏを中心として、点Ｐを通る円Ｃ１を描く。 ３．変換したい出射光の閉じた線状図形Ｍを原点Ｏを取
り囲んで描く。 ４．上記線状図形Ｍ上の座標軸ＯＸから点Ｑまでの線Ｂ
Ｑの長さと線状図形Ｍの線の全長との比と、点Ｐと中心
Ｏとを結ぶ線分ＰＯと座標軸ＯＸとに挟まれる扇形ＯＰ
Ａ内の光の強度の積分値と円Ｃ１内の光の強度の積分値
との比が一致するように点Ｑを決める。

【００６８】以下、点Ｐに入射した光線が点Ｑに到達す
るように、バイナリーオプティクス６１の点Ｐに於ける
回折格子の配列方向を線分ＰＱの方向に一致させ、上記
式ｐ＝λ√（１＋ｈ²/ｄ²）に従って、回折格子のピッ
チｐを決めてやれば良い。半径がビーム半径（通常１／
ｅ²強度半径）の円Ｃ２内の任意の点について同様に回
折格子の配列方向とピッチとを決めてやれば、円Ｃ２内
に入射したレーザ光を、線上に於ける強度が一定の所望
の閉じた線状図形Ｍをなすビームスポットに変換でき
る。結局、円Ｃ２内に入射した強度分布がガウス型のレ
ーザ光は、形状が所望の閉じた線状図形であり線上に於
けるピーク強度が一定のビームスポットに変換される。
円Ｃ２外に入射したレーザ光線についても同様に変換さ
れる。

【００６９】一方、例えば矩形の線状図形を得るには、
図２７に示されるように、点Ｐと点Ｑとの関係を規定す
る上記１〜４の条件のうち、条件３及び４を、 ３．矩形の中心を原点Ｏに置き、矩形Ｍ′を描く。 ４．上記矩形Ｍ′上の座標軸ＯＸとの交点Ｂから点Ｑま
での線分ＢＱの長さと線状矩形Ｍ′の線の全長との比
と、点Ｐと中心Ｏとを結ぶ直線ＰＯと座標軸ＯＸとに挟
まれる扇形ＯＰＡ内の光の強度の積分値と円Ｃ２内の光
の強度の積分値との比を一致させる。 とすれば良い。

【００７０】また、例えば円形の線状図形を得るには、
図２８に示されるように、点Ｐと点Ｑとの関係を規定す
る上記１〜４の条件のうち、条件３及び４を、 ３．円形の中心を原点Ｏに置いて、円Ｍ″を描く。 ４．原点Ｏと点Ｐとを結ぶ直線ＯＰと円Ｍ″との交点を
点Ｑとする。 とすれば良い。

【００７１】この他に、所望の閉じた線状図形として、
三角形や星形、楕円形など、各種形状にビームを変換す
ることができる。

【００７２】このように、バイナリーオプティクスの回
折格子のピッチを、入射光線の強度分布とバイナリーオ
プティクス上の位置とに応じて定めることにより、所望
の線状図形を得る位置Ｓに於て線上の各位置で均一なピ
ーク強度を持つ閉じた線状のビームスポットが得られる
ようになる。また、このような例えば６ｍｍ×８ｍｍの
矩形の図形を与えるレーザ光を用いて打ち抜き加工がで
きる。

【００７３】図２９に本発明に基づく第１２の実施例に
於けるバイナリーオプティクス６３による光路変換の状
態を模式的に示す。入射光の強度分布は第１１の実施例
と同じとする。バイナリーオプティクス６３上の点Ｐに
入射した光線は、回折されてバイナリーオプティクス６
３から距離ｈだけ離れた位置（所望の図形を得る位置
Ｆ）に到達しその位置に於ける光軸Ｌに垂直な面内にあ
って、点Ｑ（図３０（ａ））を光軸と平行に距離ｈだけ
並進した位置に到達したとする。その位置でビーム形状
が所望の閉じた帯状の図形であり強度分布が平均化され
て均一なビームプロフィールを得るように点Ｑを決めて
やれば良い。光線が点Ｑに到達するためには、第１１の
実施例と同様に、バイナリーオプティクス６３の点Ｐに
於ける回折格子の配列方向を線分ＰＱの方向に一致さ
せ、回折格子のピッチｐを上記同様に決めてやれば良
い。

【００７４】また、所望の図形を得る位置Ｆで強度分布
が平均化された均一なビームプロフィールを有し、かつ
ビーム形状が閉じた帯状図形Ｎを得るための点Ｐと点Ｑ
との関係は次のように決められる。即ち、図３０（ａ）
に於て、 １．レーザビームの光軸Ｌと垂直な面内に、光軸を原点
Ｏとする極座標を定義する。 ２．原点Ｏを中心として、開口円Ｃ１を描く。 ３．変換したい出射光の閉じた帯状図形Ｎ（閉じた線Ｎ
１と線Ｎ２とに囲まれる図形）を、原点Ｏを取り囲んで
描く。 ４．原点Ｏから点Ｐを通り開口円Ｃ１に達する線分ＯＧ
を引く。 ５．開口円Ｃ１内の光の強度の積分値を閉じた帯状図形
Ｎの面積で割った値を均一化された強度とする。 ６．開口円Ｃ１と、点Ｐと中心Ｏとを結ぶ直線と、座標
軸ＯＸとに挟まれる扇形ＯＧＥ内の光の強度の積分値
と、点Ｑを通り帯状図形Ｎの外形線Ｎ１と中心Ｏとを結
ぶ線分ＯＨと座標軸ＯＸとに挟まれる変換したい出射光
の部分図形ＤＨＦＣの面積と平均化された強度の積とし
て与えられる部分図形ＤＨＦＣ内の光の強度の積分値と
を一致させる。 ７．部分図形ＤＨＦＣの点Ｑによる辺ＤＨの内分比と、
点Ｐと中心Ｏとを結ぶ線分ＯＰ上の光の強度の積分値と
該線分ＯＰの延長線と開口円Ｃ１との交点Ｇと点Ｐとを
結ぶ線分ＰＧ上の光の強度の積分値との比が一致するよ
うに点Ｑを決める。

【００７５】以下、点Ｐに入射した光線が点Ｑに到達す
るように、バイナリーオプティクス６３の点Ｐに於ける
回折格子の配列方向を線分ＰＱの方向に一致させ、上記
式ｐ＝λ√（１＋ｈ²/ｄ²）に従って、回折格子のピッ
チｐを決めてやれば良い。円Ｃ１内の任意の点について
同様に回折格子の配列方向とピッチとを決めてやれば、
円Ｃ１内に入射したレーザ光を、所望の帯状形状で強度
分布が平均化された均一なビームスポットに変換でき
る。結局、円Ｃ１内に入射した強度分布がガウス型のレ
ーザ光は、形状が所望の閉じた帯状をなし、強度分布が
平均化された均一なビームプロフィールを有するビーム
スポットに変換される。円Ｃ１外に入射したレーザ光線
についても同様に変換される。

【００７６】一方、例えば矩形の閉じた帯状図形を得る
には、図３１に示されるように、点Ｐと点Ｑとの関係を
規定する上記１〜６の条件のうち、条件３〜６を、 ３．変換したい出射光の閉じた帯状矩形Ｎ′を、矩形の
中心を原点Ｏに置いて描く。 ４．原点Ｏから点Ｐを通り開口円Ｃ１に達する直線ＯＧ
を引く。 ５．開口円Ｃ１内の光の強度の積分値を閉じた帯状矩形
Ｎ′の面積で割った値を均一化された強度とする。 ６．開口円Ｃ１と、点Ｐと中心Ｏとを結ぶ直線と、座標
軸ＯＸとに挟まれる扇形ＯＧＥ内の光の強度の積分値
と、点Ｑを通り帯状矩形Ｎ′の外形線Ｎ１′と中心とを
結ぶ直線ＯＨと座標軸ＯＸとに挟まれる変換したい出射
光の部分図形ＤＨＦＣの面積と平均化された強度の積と
して与えられる部分図形ＤＨＦＣ内の光の強度の積分値
とを一致させる。 ７．部分図形の点Ｑによる辺ＤＨの内分比と、点Ｐと中
心Ｏを結ぶ線分ＯＰ上の光の強度の積分値と該線分ＯＰ
の延長線と開口円Ｃ１との交点ＧとＰを結ぶ線分ＰＧ上
の光の強度の積分値との比が一致するように点Ｑを決め
る。 とすれば良い。

【００７７】また、例えば円形の閉じた帯状図形を得る
には、図３２に示されるように、点Ｐと点Ｑとの関係を
規定する上記１〜６の条件のうち、条件３〜６を、 ３．変換したい出射光の閉じた帯状円形Ｎ″を、中心を
原点Ｏに置いて描く。 ４．原点Ｏから点Ｐを通り開口円Ｃ１に達する直線ＯＧ
を引く。 ５．開口円Ｃ１内の光の強度の積分値を閉じた帯状図形
Ｎ″の面積で割った値を平均化された強度とする。 ６．開口円Ｃ１と、点Ｐへ向けて中心Ｏから延びる線分
ＯＧと、座標軸ＯＸとに挟まれる扇形ＯＧＥ内の光の強
度の積分値と、上記帯状円形Ｎ″と、点Ｑと中心Ｏとを
通る直線ＯＨと、座標軸ＯＸとに挟まれる変換したい出
射光の部分図形ＤＨＦＣ内の光の強度の積分値とを一致
させる。 ７．部分図形ＤＨＦＣの点Ｑによる辺ＤＨの内分比と、
点Ｐと中心Ｏとを結ぶ線分ＯＰ上の光の強度の積分値と
該線分ＯＰの延長線と開口円Ｃ１との交点Ｇと中心Ｏと
を結ぶ線分ＰＧ上の光の強度の積分値との比が一致する
ように点Ｑを決める。 とすれば良い。この他に、所望の閉じた帯状図形とし
て、三角形、星形、楕円形など、各種形状にビームを変
換することができる。

【００７８】このように、バイナリーオプティクスの回
折格子のピッチを、入射光線の強度分布とバイナリーオ
プティクス上の位置とに応じて定めてやることにより、
所望の図形を得る位置Ｆに於て閉じた帯状の図形で均一
な強度分布のビームプロフィールを持つビームスポット
が得られる。例として、帯の幅が３ｍｍで、１２ｍｍ×
１５ｍｍの矩形のビームスポットが得られる。

【００７９】図３３に本発明に基づく第１３の実施例と
して２枚のバイナリーオプティクスを用いた光路変換の
状態を模式的に示す。本実施例は図２９に於ける所望の
図形を得る位置Ｆに第２のバイナリーオプティクス６５
を配置するものであり、第２のバイナリーオプティクス
６５に入射した光線はこれにより平行光に戻される。図
３３に於て、第２のバイナリーオプティクス６５の点Ｑ
の位置には対応する第１のバイナリーオプティクス６３
の点Ｐの位置のピッチｐと同じピッチであり回折格子の
配列方向が線分ＱＰの向きに一致する回折格子を作って
おけば、平行光に戻すことができる。ここで、第２のバ
イナリーオプティクス６５の階段の傾きは第１のバイナ
リーオプティクス６３とは逆向きであることに注意する
必要がある。こうして、図３４に示されるように、第２
のバイナリーオプティクス６５からの出射光としてその
ビームプロフィールの強度分布が均一でビーム形状が所
望の平行光が得られる。更に、図３４のように平行光線
を集束するレンズ６７を組み合わせた光学系を備えたレ
ーザ加工装置により、スポット打ち抜き加工が容易にで
きる。本構成は各種形状のパターンの照射を多数繰り返
して行うのに適しており、通常の円形とは違った異形の
連続模様を板に与えるレーザダル加工やロールダル加工
ができる。表面の微細模様が従来のものとは異なるの
で、新鮮な感覚を与えることができ、付加価値を高める
ことができる。尚、所望の図形として、特に閉じた図形
である必要はなく、単に線状図形や、帯状図形について
同様に変換することができる。

【００８０】図３５に本発明に基づく第１４の実施例に
於けるバイナリーオプティクス７１による光路変換の模
式図を示す。このバイナリーオプティクス７１に入射す
る光源としては上記同様平均出力１００Ｗのレーザ加工
用のＮｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。実際にはレーザ
発振器から出射したレーザ光は細いので、図示されてい
ないが、焦点距離の異なる２枚のレンズの組合せで構成
されるビーム拡大器で拡大され、平行光に変換された
後、本発明のバイナリーオプティクス７１に入射するよ
うになっている。このレーザ光はビーム形状が円形をな
し、バイナリーオプティクス７１に入射する前にビーム
拡大器で拡大されその光軸がバイナリーオプティクス７
１の中心Ｏと一致するように入射するものとする。

【００８１】レーザビームは、バイナリーオプティクス
７１に刻まれたパターンにより、各位置でそれぞれの方
向に光の進行方向が変えられ、バイナリーオプティクス
７１から距離ｈだけ離れた位置Ｆでは、変換したい出射
光の形状及び強度分布のレーザビームスポットが得られ
る。

【００８２】ｉ）リングモードの場合：入射光は強度分
布が点対称であるリングモードとしてＴＥＭ₀₁ ^*にＴＥ
Ｍ₀₀が混じった円形分布２として近似的に、

【数２７】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂ(ｒ−ｃ)²−ｄｒ²) を仮定する。ここで、ｒは中心からの距離、ａ、ｂ、
ｃ，及びｄは係数である。図３６に於て、バイナリーオ
プティクス７１上の点Ｐに入射した光線は回折されて、
図３５に於けるバイナリーオプティクス７１から距離ｈ
だけ離れた所望の図形を得る位置（照射基準面）Ｆに到
達し、その位置に於ける光軸Ｌに垂直な面内にあって、
図３６に於ける点Ｑを光軸Ｌと平行に距離ｈだけ並進し
た位置に到達したとする。その位置でビーム形状が所望
の図形であり強度分布が平均化され均一なビームプロフ
ィールを得るように点Ｑを決めてやれば良い。光線が点
Ｑに到達するためには、バイナリーオプティクス７１上
の点Ｐに於ける回折格子の配列方向を直線ＰＱの方向に
一致させ、回折格子のピッチｐを、

【数２８】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱである。バイナリ
ーオプティクス７１の基板の屈折率から制限されるピッ
チｐに対応して、ｈは一定距離以上に制限される。本実
施例ではｈは２００ｍｍとした。

【００８３】また、所望の図形を得る位置Ｆでビーム形
状が図形Ｍ１であり強度分布が平均化され均一なビーム
プロフィールを得るための点Ｐと点Ｑとの関係は次のよ
うに決められる。即ち、図３６に於て、 １．レーザビームの光軸と垂直な面内に、光軸を原点Ｏ
とする極座標を定義する。 ２．レーザのモードと同じ対称性を持つ図形として円を
考え、レーザのビーム半径（通常は１／ｅ²強度半径）
を半径とする円Ｒ１内の入射光を所望の図形を得る位置
Ｆで図形Ｍ１（ｒ＝ｆ（θ））の形状で、強度が一定ｕ
であるビームプロフィールＢＰ１の出射光に変換される
とすると、円Ｒ１内に於ける入射光強度の積分値（底面
が円Ｒ１、断面がＣ₅Ｃ₆Ｃ₁₀Ｃ₁₅Ｃ₁₆の体積に相当）
と、所望の図形Ｍ１内に於ける出射光強度ＢＰ１の積分
値（底面が図形Ｍ１、断面がＣ₃Ｃ₈Ｃ₁₃Ｃ₁₈の体積に相
当）とは等しい。 ３．上記面内に、原点Ｏを中心として、点Ｐを通る円Ｒ
２を描く。 ４．点Ｐを通る円Ｒ２内の光の強度の積分値（底面が円
Ｒ２、断面がＣ₄Ｃ₇Ｃ₁₀Ｃ₁₄Ｃ₁₇の体積に相当）を強度
が平均化された変換したい出射光の強度ｕで割った値と
等しい面積を有し、所望の出射光の形状Ｍ１を原点Ｏを
中心とした極座標の動径を縮小または拡大して得られる
Ｍ１と相似な図形Ｍ２（ｒ＝ｋｆ（θ））を描く。ここ
で、ｋは定数であり、上記した積分値と等しい面積とい
う条件から決定される。 ５．点Ｐと中心Ｏとを結ぶ直線と極座標軸ＯＸとに挟ま
れる扇形ＯＰＡ内の光の強度の積分値（底面が扇形ＯＰ
Ａ、断面がＣ₄Ｃ₇Ｃ₁₀Ｃ₁の体積に相当）と、上記ｒ＝
ｋｆ（θ）を満足する上記相似形Ｍ２の辺上の点Ｑと中
心Ｏとを結ぶ直線と極座標軸ＯＸと前記相似図形Ｍ２の
辺とに挟まれる変換したい出射光の部分図形ＯＱＢ内の
光の強度の積分値（底面が部分図形ＯＱＢ、断面がＣ₂
Ｃ₉Ｃ₁₁Ｃ₁の体積に相当）が一致するように点Ｑを決め
る。

【００８４】ｉｉ）ＴＥＭ_mnモードの場合：入射光は強
度分布がマトリクス状の斑点模様であるＴＥＭ₂₂モード
を仮定する。図３７に於て、バイナリーオプティクス上
の点Ｐに入射した光線は回折されて、図３５に於けるバ
イナリーオプティクス７１から距離ｈだけ離れた所望の
図形を得る位置Ｆに到達し、その位置に於ける光軸Ｌに
垂直な面内にあって、図３７に於ける点Ｑを光軸と平行
に距離ｈだけ並進した位置に到達したとする。その位置
でビーム形状が所望の図形であり強度分布が平均化され
均一なビームプロフィールを得るように点Ｑを決めてや
れば良い。光線が点Ｑに到達するためには、バイナリー
オプティクス１の点Ｐに於ける回折格子の配列方向を直
線ＰＱの方向に一致させ、回折格子のピッチｐを、

【数２９】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱである。バイナリ
ーオプティクス１の基板の屈折率から制限されるピッチ
ｐに対応して、ｈは一定距離以上に制限される。本実施
例ではｈは２００ｍｍとした。

【００８５】また、所望の図形を得る位置Ｆでビーム形
状が図形Ｍであり強度分布が平均化され均一なビームプ
ロフィールを得るための点Ｐと点Ｑとの関係は次のよう
に決められる。即ち、図３７に於て、 １．レーザビームの光軸と垂直な面内に、光軸を原点Ｏ
とする極座標を定義する。 ２．レーザのモードと同じ対称性を持つ図形として矩形
を考え、レーザビームを包絡する矩形Ｓ１内の入射光を
所望の図形を得る位置Ｆで図形Ｍ１（ｒ＝ｆ（θ））の
形状で、強度が一定ｕであるビームプロフィールＢＰ１
の出射光に変換されるとすると、矩形Ｓ１内に於ける入
射光強度の積分値（底面が矩形Ｓ１、断面がＣ’₅Ｃ’₆
Ｃ’₁₀Ｃ’₁₅Ｃ’₁₆の体積に相当）と、所望の図形Ｍ１
内に於ける出射光強度ＢＰ１の積分値（底面が図形Ｍ
１、断面がＣ₃Ｃ₈Ｃ₁₃Ｃ₁₈の体積に相当）とは等しい。 ３．上記面内に、原点Ｏを中心として、点Ｐを通る矩形
Ｓ１を縮小した矩形Ｓ２を描く。 ４．点Ｐを通る矩形Ｓ２内の光の強度の積分値（底面が
矩形Ｓ２、断面がＣ'₄Ｃ'₇Ｃ'₁₀Ｃ'₁₄Ｃ'₁₇の体積に相
当）を、強度が平均化された変換したい出射光の強度ｕ
で割った値と等しい面積を有し、所望の出射光の原点Ｏ
を中心とした極座標の動径を縮小または拡大して得られ
る形状Ｍ１と相似な図形Ｍ２（ｒ＝ｋ’ｆ（θ））を描
く。ここで、ｋ’は定数であり、上記の、積分値と等し
い面積という条件から決定される。 ５．点Ｐと中心Ｏとを結ぶ直線と極座標軸ＯＸと矩形Ｓ
２とに囲まれる図形ＯＰＡ内の光の強度の積分値（底面
が図形ＯＰＡ、断面がＣ'₄Ｃ'₇Ｃ'₁₀Ｃ'₁の体積に相
当）と、式ｒ＝ｋ’ｆ（θ）を満足する上記相似形Ｍ２
の辺上の点Ｑと中心Ｏとを結ぶ直線と極座標軸ＯＸと前
記相似図形Ｍ２の辺とに挟まれる変換したい出射光の部
分図形ＯＱＢ内の光の強度の積分値（底面が部分図形Ｏ
ＱＢ、断面がＣ₂Ｃ₉Ｃ₁₁Ｃ₁の体積に相当）が一致する
よう点Ｑを決める。

【００８６】以下、点Ｐに入射した光線が点Ｑに到達す
るよう、バイナリーオプティクス１の点Ｐに於ける回折
格子の配列方向を直線ＰＱの方向に一致させ、式ｐ＝λ
√（１＋ｈ²／ｄ²）に従って、回折格子のピッチｐを決
めてやれば良い。円Ｒ１または矩形Ｓ１内の任意の点に
ついて同様に回折格子の配列方向とピッチを決めてやれ
ば、円Ｒ１または矩形Ｓ１内に入射したレーザ光を、所
望の形状で強度分布が平均化され均一なビームスポット
に変換できる。結局、円Ｒ１または矩形Ｓ１内に入射し
た強度分布がガウス型のレーザ光は、形状が所望の図形
で強度分布が平均化され均一なビームスポットに変換さ
れる。円Ｒ１または矩形Ｓ１外に入射したレーザ光線に
ついても強度分布が平均化された延長上に変換される。
所望の図形として矩形や三角形、星形、楕円形など各種
の形状にビームを変換することができる。

【００８７】このように、バイナリーオプティクス７１
の回折格子のピッチを、入射光線の強度分布とバイナリ
ーオプティクス７１上の位置に応じて定めてやれば、所
望の図形が得られる位置Ｆに於て均一な強度分布のビー
ムプロフィールが得られる。また、このようなレーザ光
を用いて大面積表面処理加工ができる。

【００８８】図３８に本発明の２枚のバイナリーオプテ
ィクスによる光路変換の模式図を示す。図３８に於ける
所望の図形を得る位置Ｆに第２のバイナリーオプティク
ス７２を配置するものであり、第２のバイナリーオプテ
ィクス７２に入射した光線はこれにより平行光に戻され
る。図３６または図３７に於て、第２のバイナリーオプ
ティクス７２の点Ｑの位置には対応する第１のバイナリ
ーオプティクス７１の点Ｐの位置のピッチｐと同じピッ
チであり回折格子の配列方向が直線ＱＰの向きに一致す
る回折格子を作っておけば、平行光に戻すことができ
る。ここで、第２のバイナリーオプティクス７２の階段
の傾きは第１のバイナリーオプティクス７１とは逆向き
であることに注意する必要がある。こうして、図３８に
示されるように、第２のバイナリーオプティクス７２か
らの出射光としてそのビームプロフィールの強度分布が
均一でビーム形状が任意のものが得られる。更に、図３
９のように平行光線を集束するレンズ７３を組み合わせ
た光学系を備えたレーザ加工装置により、焼き入れ加工
やリペア加工、マイクロエレクトロニクス分野に於ける
穴開け、切断加工ができる。本構成は各種形状のパター
ンの照射を多数繰り返し行うのに適しており、通常の円
形とは違った異形の連続模様を板に与えるレーザダル加
工やロールダル加工ができる。表面の微細模様が従来の
ものとは異なるので、新鮮な感覚を与え付加価値を高め
ることができる。

【００８９】図３９の出射光の位置には、図４０に示す
ように、別の形状の開口７４を設け、ビームのエッジを
鋭くすることもできる。これをレンズ７５で絞って強度
分布が均一な別の形状を与えるビームスポットが得られ
る。これによりビームの中心部分の強度の高い部分のみ
を開口に通していた従来法に比べて高効率の光結合を実
現できる。

【００９０】また、同じように、図３９の出射光の位置
に、図４１に示すように、マスク７６を置いて、マスク
７６に描かれた文字列などの複雑な模様を、強度分布が
均一な高効率のマーキングを対象物Ａに施すこともでき
る。

【００９１】図４２に本発明の第１５の実施例に於ける
バイナリーオプティクス８１による光路変換の模式図を
示す。このバイナリーオプティクス８１に入射する光源
としては上記同様平均出力１００Ｗのレーザ加工用のＮ
ｄ:ＹＡＧレーザが用いられる。実際にはレーザ発振器
から出射したレーザ光は細いので、図示されていない
が、焦点距離の異なる２枚のレンズの組合せで構成され
るビーム拡大器で拡大され、平行光に変換された後、本
発明のバイナリーオプティクス８１に入射するようにな
っている。このレーザ光はビーム形状が円形をなし、バ
イナリーオプティクス８１に入射する前にビーム拡大器
で拡大されその光軸がバイナリーオプティクス８１の原
点Ｏと一致するように入射するものとする。その入射光
強度分布Ｉ(ｒ)は、ｒを原点Ｏからの距離、ａ及びｂを
係数として、次式に示すようなガウス型強度分布となっ
ている一般的に使用されるものを想定する。

【００９２】

【数３０】Ｉ(ｒ)＝ａexp(−ｂｒ²) レーザビームは、バイナリーオプティクス１に刻まれた
パターンにより、各位置でそれぞれの方向に光の進行方
向が変えられ、バイナリーオプティクス８１から距離ｈ
だけ離れた位置Ｆでは、変換したい３分割された出射光
の形状及び強度分布のレーザビームスポットが得られ
る。

【００９３】図４３に於て、バイナリーオプティクス８
１上の３つの領域内にある点Ｐ、Ｐ’、Ｐ”に入射した
光線は回折されて、図４２に於けるバイナリーオプティ
クス８１から距離ｈだけ離れた位置（３分割された所望
の図形を得る位置）Ｆに到達し、その位置に於ける光軸
Ｌに垂直な面内にあって、図４３に於ける点Ｑ、Ｑ’、
Ｑ”を光軸Ｌと平行に距離ｈだけ並進した位置に到達し
たとする。その位置でビーム形状が３つに分かれた矩形
であり、かつその強度分布が平均化され均一なビームプ
ロフィールを得るように点Ｑ、Ｑ’、Ｑ”を決めてやれ
ば良い。光線が点Ｑ、Ｑ’、Ｑ”に到達するためには、
バイナリーオプティクス８１上の点Ｐ、Ｐ’、Ｐ”に於
ける回折格子の配列方向を線分ＰＱ、Ｐ’Ｑ’、Ｐ”
Ｑ”の方向に一致させ、回折格子のピッチｐを、

【数３１】ｐ＝λ√（１＋ｈ²/ｄ²） とすれば良い。ここで、ｄは距離ＰＱまたはＰ’Ｑ’ま
たはＰ”Ｑ”である。バイナリーオプティクス１の基板
の屈折率から制限されるピッチｐに対応して、ｈは一定
距離以上に制限される。本実施例ではｈは２００ｍｍと
した。

【００９４】また、３分割された所望の図形を得る位置
Ｆでビーム形状が図形Ｍであり強度分布が平均化され均
一なビームプロフィールを得るための点Ｐと点Ｑとの関
係は次のように決められる。即ち、図４３に於て、

【００９５】１．レーザビームの光軸と垂直な面内に、
光軸を原点Ｏとする第１の極座標を定義する。 ２．第１の極座標軸Ｘと垂直に原点Ｏを中心とする対称
な平行線を引き、レーザビームの断面を３分割する。 ３．平行線の外側の極座標軸Ｘ上に第２及び第３の極座
標を定義する。 ４．レーザのビーム半径（通常は１／ｅ²強度半径）を
半径とする円Ｒ１及び上記平行線とで囲まれる領域内の
入射光が３分割された所望の図形を得る位置Ｆで図形Ｓ
１（ｒ＝ｆ（θ））の形状で、強度が一定ｕであるビー
ムプロフィールＢＰ１の出射光に変換されるとすると、
円Ｒ１内であって、かつ上記平行線内の領域に於ける入
射光強度の積分値（底面が円Ｒ１と平行線とで囲まれる
太鼓型、断面がＣ₅Ｃ₆Ｃ₁₀Ｃ₁₅Ｃ₁₆の立体の体積に相
当）と、所望の図形Ｓ１内に於ける出射光強度の積分値
（底面が図形Ｓ１、断面がＣ₃Ｃ₈Ｃ₁₃Ｃ₁₈の立体の体積
に相当）とは等しい。 ５．上記面内に、原点Ｏを中心として、点Ｐを通るよう
に円Ｒ１及び上記平行線で囲まれる太鼓型の図形を縮小
して描く。 ６．点Ｐを通る太鼓型図形内の光の強度の積分値（底面
が該縮小太鼓型図形、断面がＣ₄Ｃ₇Ｃ₁₀Ｃ₁₄Ｃ₁₇の体積
に相当）を強度が平均化された変換したい出射光の強度
ｕで割った値と等しい面積を有し、かつ所望の出射光の
図形Ｓ１を原点Ｏを中心とした極座標の動径を縮小また
は拡大して得られる図形Ｓ１と相似な図形Ｓ２（ｒ＝ｋ
ｆ（θ））を描く。ここで、ｋは定数であり、上記した
積分値と等しい面積という条件から決定される。 ７．点Ｐと原点Ｏとを結ぶ直線と極座標軸Ｘ（横軸）と
に挟まれる鼓型図形内の光の強度の積分値（底面が該図
形、断面がＣ₄Ｃ₇Ｃ₁₀Ｃ₁の体積に相当）と、式ｒ＝ｋ
ｆ（θ）を満足する上記相似形の辺上の点Ｑと原点Ｏと
を結ぶ直線と極座標軸Ｘ（横軸）と上記相似図形Ｓ２の
辺とに挟まれる変換したい出射光の部分図形（線分Ｏ
Ｑ、相似図形及び極座標軸Ｘ（横軸）で囲まれる図形）
内の光の強度の積分値（底面が該部分図形、断面がＣ₂
Ｃ₉Ｃ₁₁Ｃ₁の体積に相当）が一致するような点Ｑを決め
る。 ８．第２、第３の領域に対しても原点を点Ｏ’、Ｏ”と
して同様の操作を施し、点Ｐ’、Ｐ”に対して点Ｑ’、
Ｑ”を決める。

【００９６】以下、点Ｐに入射した光線が点Ｑに到達す
るよう、バイナリーオプティクス８１の点Ｐに於ける回
折格子の配列方向を線分ＰＱの方向に一致させ、式ｐ＝
λ√（１＋ｈ²/ｄ²）に従って、回折格子のピッチｐを
決めてやれば良い。円Ｒ１と上記平行線とに囲まれた領
域にある任意の点について同様に回折格子の配列方向と
ピッチとを決めてやれば、円Ｒ１と平行線とに囲まれた
領域に入射したレーザ光が、所望の図形の形状で強度分
布が平均化され均一なビームスポットに変換される。結
局、円Ｒ１と平行線とに囲まれた領域に入射した強度分
布がガウス型をなすレーザ光は、形状が所望の図形で強
度分布が平均化され均一なビームスポットに変換され
る。平行線外にある第２、第３の領域の任意の点Ｐ’及
びＰ”に入射した光線についても各々点Ｑ’及びＱ”に
到達するよう、回折格子の配列方向とピッチとを決めて
やれば良い。各々、所望の図形の形状で強度分布が平均
化され均一なビームスポットに変換される。

【００９７】以上の例のみならず、入射光としてはどの
様な形状、どの様な強度分布のものでも良く、また回折
により得られる所望のビームとして均一強度ビームだけ
でなく任意の形状、強度分布のものでも構わない。

【００９８】また、上記のように透過型の回折効果を利
用するばかりでなく、バイナリーオプティックスの表面
をミラーコーティングして反射型の回折素子として利用
しても良い。これはＣＯ₂レーザに適用する場合に有利
である。

【００９９】このように、３分割して変換されたレーザ
光は第１のビーム（原点Ｏ’を含む第２の領域のビー
ム）で前照射して予備加熱し、第２のビーム（原点Ｏを
含む第１の領域のビーム）で本照射して溶接、第３のビ
ーム（原点Ｏ”を含む第３の領域のビーム）で焼きなま
すことにより、仕上がりが波打つことなくムラなくきれ
いにしかも効率的な溶接加工ができる。

【０１００】

【発明の効果】上記した説明により明らかなように、本
発明によれば、素子内の各位置に於ける回折格子の配列
方向とピッチとが、入射光の形状及び強度分布と、変換
したい出射光の形状及び強度分布とに対応させて設計さ
れたバイナリーオプティクス及びこれを用いた光学系に
より、所望の断面形状を有するレーザビームを容易に、
かつエネルギーの損失なく変換することができることか
ら、レーザ加工プロセスを有利にすると共に、効率の高
い加工が可能になる。更に、かかる構成のレーザ装置
は、レーザ加工プロセスを有利にすると共に、効率の高
い加工が可能になる。また、一枚でレーザ光を前処理
用、本処理用、後処理用の３本のビームに分け、かつ各
々強度が均一な所望の矩形のビームスポットを作ること
を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく第１の実施例に於けるバイナリ
ーオプティクスの断面及び光路変換の状態を模式的に示
す図。

【図２】（ａ）は本発明に基づくバイナリーオプティク
スの構造を説明する模式的平面図、（ｂ）は入射光の強
度分布状態及び（ａ）のバイナリーオプティクスの光路
変換について説明する図。

【図３】本発明に基づく第２の実施例に於ける第１及び
第２のバイナリーオプティクスの断面及び光路変換の状
態を模式的に示す図。

【図４】第２の実施例の応用実施例を示す図３と同様な
図。

【図５】（ａ）は本発明に基づく第３の実施例を示す直
線状の回折格子パターンを有するバイナリーオプティク
スの構造を示す模式的平面図、（ｂ）はその断面図。

【図６】本発明に基づく第４の実施例を示す曲線状の回
折格子パターンを有するバイナリーオプティクスの構造
を示す模式的平面図。

【図７】第４の実施例のバイナリーオプティクスを一対
用いたレーザ光の集光光学系を示す模式的斜視図。

【図８】本発明に基づく第５の実施例に於けるバイナリ
ーオプティクスの光路変換の状態を模式的に示す図。

【図９】第５の実施例に於ける一対のバイナリーオプテ
ィクスを用いた集光光学系の配置を示す模式的斜視図。

【図１０】第６の実施例の集光光学系を一対用いたレー
ザ加工装置の要部を示す模式的構成図。

【図１１】第６の実施例の集光光学系を一対用いたレー
ザ加工装置の要部を示す模式的構成図。

【図１２】（ａ）は本発明に基づく第７の実施例に於け
る集光光学系を構成するバイナリーオプティクスの構造
を示す平面図、（ｂ）はその断面及び光路変換の状態を
模式的に示す図。

【図１３】（ａ）は図１２のバイナリーオプティクスの
各繰り返し要素の構造を示す平面図、（ｂ）はその断面
及び光路変換の状態を模式的に示す図。

【図１４】（ａ）は本発明に基づく第７の実施例に於け
る集光光学系の構成要素である２枚のバイナリーオプテ
ィクスを相対配置した状態を示す平面図、（ｂ）は
（ａ）の側面図。

【図１５】（ａ）は本発明に基づく第７の実施例に於け
る集光光学系の構成及び配置を示す側面図、（ｂ）は光
源からのレーザ光を分割した状態を示す（ａ）のバイナ
リーオプティクスの平面図。

【図１６】（ａ）は本発明に基づく第８の実施例に於け
るバイナリーオプティクスの構造を示す平面図、（ｂ）
はその断面及び光路変換の状態を模式的に示す図。

【図１７】（ａ）は図１６のバイナリーオプティクスの
各マトリクス要素の構造を示す平面図、（ｂ）はその断
面及び光路変換の状態を模式的に示す図。

【図１８】（ａ）は本発明に基づく第８の実施例のバイ
ナリーオプティクスを配した状態を示す側面図、（ｂ）
は光源からのレーザ光を分割した状態を示す（ａ）のバ
イナリーオプティクスの平面図。

【図１９】本発明に基づく第９の実施例に於けるバイナ
リーオプティクスの断面及び光路変換の状態を模式的に
示す図。

【図２０】（ａ）は本発明に基づく第９の実施例に於け
るバイナリーオプティクスの構造を説明する模式的平面
図、（ｂ）は入射光の強度分布状態及び（ａ）のバイナ
リーオプティクスの光路変換について説明する図。

【図２１】本発明に基づく第１０の実施例に於ける第１
及び第２のバイナリーオプティクスの断面及び光路変換
の状態を模式的に示す図。

【図２２】第１０の実施例の応用実施例を示す図２１と
同様な図。

【図２３】第１０の実施例の応用実施例を示す図２１と
同様な図。

【図２４】第１０の実施例の応用実施例を示す図２１と
同様な図。

【図２５】本発明に基づく第１１の実施例に於けるバイ
ナリーオプティクスの断面及び光路変換の状態を模式的
に示す図。

【図２６】（ａ）は第１１の実施例のバイナリーオプテ
ィクスの構造を説明する模式的平面図、（ｂ）は入射光
の強度分布状態及び（ａ）のバイナリーオプティクスの
光路変換について説明する図。

【図２７】（ａ）は第１１の実施例の変形実施例のバイ
ナリーオプティクスの構造を説明する模式的平面図、
（ｂ）は入射光の強度分布状態及び（ａ）のバイナリー
オプティクスの光路変換について説明する図。

【図２８】（ａ）は第１１の実施例の変形実施例のバイ
ナリーオプティクスの構造を説明する模式的平面図、
（ｂ）は入射光の強度分布状態及び（ａ）のバイナリー
オプティクスの光路変換について説明する図。

【図２９】本発明に基づく第１２の実施例に於けるバイ
ナリーオプティクスの断面及び光路変換の状態を模式的
に示す図。

【図３０】（ａ）は第１２の実施例のバイナリーオプテ
ィクスの構造を説明する模式的平面図、（ｂ）は入射光
の強度分布状態及び（ａ）のバイナリーオプティクスの
光路変換について説明する図。

【図３１】（ａ）は第１２の実施例の変形実施例のバイ
ナリーオプティクスの構造を説明する模式的平面図、
（ｂ）は入射光の強度分布状態及び（ａ）のバイナリー
オプティクスの光路変換について説明する図。

【図３２】（ａ）は第１２の実施例の変形実施例のバイ
ナリーオプティクスの構造を説明する模式的平面図、
（ｂ）は入射光の強度分布状態及び（ａ）のバイナリー
オプティクスの光路変換について説明する図。

【図３３】本発明に基づく第１３の実施例に於ける２枚
のバイナリーオプティクスにより集光し所望の閉じた帯
状の形状で強度分布が均一な平行光として取り出す様子
を説明するための図。

【図３４】図３３の２枚のバイナリーオプティクスによ
り集光し所望の閉じた帯状の形状で強度分布が均一な平
行光として取り出し、更にレンズで集束し均一強度分布
を保ったまま所望の図形の微小スポットを得る様子を説
明するため図。

【図３５】本発明に基づく第１４の実施例に於けるバイ
ナリーオプティクスによる集光の様子を説明するための
模式図。

【図３６】回折格子の配列の向きを決めるための点Ｑを
決める方法の説明図であり、上部は入出射光のビーム形
状、下部は入出射光のビームプロィールを示す。

【図３７】回折格子の配列の向きを決めるための点Ｑを
決める方法の説明図であり、上部は入出射光のビーム形
状、下部は入出射光のビームプロィールを示す。

【図３８】第１４の実施例の２枚のバイナリーオプティ
クスを有する集光光学系によりレーザビームを集光し所
望の形状で強度分布が均一な平行光として取り出す様子
を説明するための模式図。

【図３９】図３６で取り出した平行光をレンズで集束し
均一強度分布を保ったまま所望図形の微小スポットを得
る様を示す模式図。

【図４０】図３９のビーム出射位置に更に開口を組み合
わせた様を示す模式図。

【図４１】図３９のビーム出射位置に更にマスクを組み
合わせた様を示す模式図。

【図４２】本発明に基づく第１５の実施例に於けるバイ
ナリーオプティクスによる集光の様子を説明するための
模式図。

【図４３】回折格子の配列の向きを決めるための点Ｑを
決める方法の説明図であり、上部は入出射光のビーム形
状、下部は入出射光のビームプロィールを示す。

【図４４】（ａ）は従来のバイナリーオプティクスの構
造を示す模式的平面図、（ｂ）はその断面図。

【符号の説明】

１、２ バイナリーオプティクス １１ 直線状パターンの回折格子を有するバイナリーオ
プティクス １２ 曲線状パターンの回折格子を有するバイナリーオ
プティクス １４、１５ 曲線状パターンの回折格子を有するバイナ
リーオプティクス １６ ビームスポット ２１ バイナリーオプティクス ２２ 位置Ｓに於けるビームプロフィール ２３、２４ バイナリーオプティクス ２５ ビームプロフィール ２６ マスク ２６ａ 開口 ２７ 集光レンズ ２８ マスク ２８ａ 開口 ２９ 集光レンズ ３１、３２ バイナリーオプティクス ３１ａ 繰り返し要素 ３３ 集束レンズ ４１ バイナリーオプティクス ４１ａ マトリクス要素 ５１、５２ バイナリーオプティクス ５３ レンズ ５４ プレート ５４ａ 開口 ５５ マスク ６１、６３、６５ バイナリーオプティクス ６７ 集束レンズ ７１、７２ バイナリーオプティクス ７３ 集光レンズ ７４ 開口 ７５ 集光レンズ ７６ マスク ８１ バイナリーオプティクス １０１ 従来のバイナリーオプティクス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平6−304290 (32)優先日 平６(1994)11月14日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平6−315946 (32)優先日 平６(1994)11月24日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平6−315947 (32)優先日 平６(1994)11月24日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−18582 (32)優先日 平７(1995)１月10日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−174442 (32)優先日 平７(1995)６月16日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (31)優先権主張番号 特願平7−174443 (32)優先日 平７(1995)６月16日 (33)優先権主張国 日本（ＪＰ） (72)発明者 坂井 辰彦 富津市新富20−１ 新日本製鐵株式会社技 術開発本部内

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回折格子よりなるバイナリーオプティク
   スに於て、 当該バイナリーオプティクス上の各位置に於ける回折格
   子の配列方向とピッチとが、入射光の形状及び強度分布
   と、変換したい出射光の形状及び強度分布とに対応させ
   て設計されていることを特徴とするバイナリーオプティ
   クス。
2. 【請求項２】 中心部で強度が高く点対称となっている
   レーザビームを、強度が平均化された矩形のビームに変
   換するための回折格子よりなるバイナリーオプティクス
   に於て、 当該バイナリーオプティクス上の位置Ｐに於ける回折格
   子の配列方向は、 前記点Ｐの位置と、点対称の入射光の半径方向の強度分
   布と、変換したい出射光の矩形の縦横比とから、レーザ
   ビームの光軸と垂直な面内の前記光軸を中心とし、かつ
   前記点Ｐを通る円の中心強度を１として光の強度分布を
   規格化し、 前記円内の光の強度の積分値と等しい面積及び変換した
   い出射光の縦横比を有し、かつ光軸を中心とする矩形と
   辺が平行であり、更に前記円に内接する正方形の各頂点
   により４等分された前記円の前記点Ｐを含む１／４円が
   前記点Ｐで内分される比と同じ比で、前記矩形の前記点
   Ｐと前記光軸との間に位置する辺を内分した点Ｑと前記
   点Ｐとを結ぶ方向となっており、 前記回折格子のピッチｐが、線分ＰＱの長さをｄ、光の
   波長をλ、当該バイナリーオプティクスから所望の図形
   を得る位置までの距離をｈとして、 【数１】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
   ス。
3. 【請求項３】 中心部で強度の高い円形のビームを強度
   が平均化された矩形の平行ビームに変換するための集光
   光学系に於て、 請求項１または請求項２に記載のバイナリーオプティク
   スを第１のバイナリーオプティクスとし、 所望の図面を得る位置に、前記点Ｑに於ける回折格子の
   配列方向が前記点Ｐと前記点Ｑとを結ぶ方向であり、か
   つ回折格子のピッチが前記第１のバイナリーオプティク
   スの点Ｐに於ける回折格子のピッチに等しい第２のバイ
   ナリーオプティクスを配置したことを特徴とする集光光
   学系。
4. 【請求項４】 ビームの断面形状が円形のレーザビーム
   を集光して線対称の楕円形、長円形または矩形のビーム
   断面形状に変換するための回折格子からなるバイナリー
   オプティクスに於て、 前記回折格子が直線パターンからなり、そのピッチが中
   心軸から両辺へ向けて対称的に、かつ徐々に狭くなって
   いることを特徴とするバイナリーオプティクス。
5. 【請求項５】 ビームの断面形状が円形のレーザビーム
   を集光して線対称の楕円形、長円形または矩形のビーム
   断面形状に変換するための回折格子からなるバイナリー
   オプティクスに於て、 前記回折格子が中心軸に向けて凸状に湾曲する曲線パタ
   ーンからなり、そのピッチが該中心軸から両辺へ向けて
   対称的に、かつ徐々に狭くなっていることを特徴とする
   バイナリーオプティクス。
6. 【請求項６】 断面形状が円形をなすレーザビームの光
   軸と直交する面での強度分布を均一化するための回折格
   子からなるバイナリーオプティクスに於て、 前記回折格子が同心円パターンからなり、そのピッチが
   中心軸から両辺へ向けて対称的に、かつ徐々に狭くなっ
   ていることを特徴とするバイナリーオプティクス。
7. 【請求項７】 複数の繰り返し要素から構成され、これ
   ら各繰り返し要素は直線パターンの回折格子からなり、
   その格子ピッチが前記各要素の互いに平行な中心線に対
   して対称であり、かつ前記中心線から各要素両辺に向け
   て徐々に狭くなっているバイナリーオプティクスを、光
   軸に対して前後に平行となるように、かつ互いの前記中
   心線が直角になるように配し、その後方に集光レンズを
   配したことを特徴とする集光光学系。
8. 【請求項８】 レーザビームを一箇所に重畳させて強度
   分布が平均化された矩形のビームスポットに集光するた
   めのバイナリーオプティクスであって、 ｍ×ｎ（ｍ，ｎは正の整数で２以上）の格子状に配され
   たマトリクス要素からなり、 前記各マトリクス要素は長方形をなすと共に回折格子が
   設けられ、 前記回折格子の各格子が、前記各マトリクス要素の中心
   と前記ｍ×ｎの格子の中心とを結ぶ線と直交する方向に
   延在すると共に格子のピッチｐ(ｄ)が、前記各マトリク
   ス要素の中心と前記ｍ×ｎの格子の中心との距離をｄ、
   光の波長をλ、バイナリーオプティクスから照射基準面
   までの距離をｈとして、 【数２】ｐ(ｄ)＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
   ス。
9. 【請求項９】 中心部で強度が高く点対称のビームを、
   強度が平均化された所望の形状のビームに変換するべく
   前記ビームの光軸を中心として該光軸に直交する面に形
   成された回折格子からなるバイナリーオプティクスに於
   て、 当該バイナリーオプティクス上の或る点Ｐの位置に於け
   る回折格子の配列方向は、前記点対称の入射光の半径方
   向の強度分布と、変換したい出射光の形状とから当該バ
   イナリーオプティクス上に求められる点Ｑと前記点Ｐと
   を結ぶ方向であり、 前記点Ｑは、当該バイナリーオプティクス上に光軸を原
   点とする極座標を定義し、 前記面内に原点Ｏを中心として前記点Ｐを通る円内の光
   の強度の積分値を平均化した強度で割った値と等しい面
   積を有し、かつ前記原点Ｏを中心として縮小または拡大
   して得られる前記所望の出射光の形状と相似な図形を描
   き、 前記点Ｐと前記原点Ｏとを結ぶ直線と座標軸と前記円と
   に挟まれる扇形内の光の強度の積分値と、前記相似図形
   の辺上の求めるべき点Ｑと前記原点Ｏとを結ぶ直線と座
   標軸と前記相似図形とに挟まれる部分図形内の光の強度
   の積分値とが一致するように決められており、 当該バイナリーオプティクスの前記回折格子のピッチｐ
   が、線分ＰＱの長さをｄ、光の波長λ、当該バイナリー
   オプティクスから所望の図形を得る位置までの距離ｈと
   して、 【数３】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
   ス。
10. 【請求項１０】 中心部で強度が高く点対称のレーザビ
    ームを、強度が平均化された所望の閉じた線状のビーム
    に変換するべく前記ビームの光軸を中心として該光軸に
    直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオ
    プティクスに於て、 当該バイナリーオプティクス上の或る点Ｐの位置に於け
    る回折格子の配列方向は、前記点対称の入射光の半径方
    向の強度分布と、変換したい出射光の形状とから当該バ
    イナリーオプティクス上に求められる点Ｑと前記点Ｐと
    を結ぶ方向であり、 前記点Ｑは、当該バイナリーオプティクス上に光軸を原
    点Ｏとする極座標を定義して前記面内に原点Ｏを取り囲
    むように前記変換したい出射光の図形を描き、前記図形
    上の座標軸から前記点Ｑまでの距離と前記線状図形の全
    長との比と、前記点Ｐと前記原点Ｏとを結ぶ直線と前記
    座標軸とに挟まれる扇形内の光の強度の積分値と前記原
    点Ｏを中心として前記点Ｐを通る円内の光の強度の積分
    値との比が一致するように決められており、 当該バイナリーオプティクスの前記回折格子のピッチｐ
    が、線分ＰＱの長さをｄ、光の波長λ、当該バイナリー
    オプティクスから所望の図形を得る位置までの距離ｈと
    して、 【数４】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
    ス。
11. 【請求項１１】 中心部で強度が高く点対称のレーザビ
    ームを、強度が平均化された所望の閉じた帯状のビーム
    に変換するべく前記ビームの光軸を中心として該光軸に
    直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオ
    プティクスに於て、 当該バイナリーオプティクス上の或る点Ｐの位置に於け
    る回折格子の配列方向は、前記点対称の入射光の半径方
    向の強度分布と、変換したい出射光の形状とから当該バ
    イナリーオプティクス上に求められる点Ｑと前記点Ｐと
    を結ぶ方向であり、 前記点Ｑは、当該バイナリーオプティクス上に光軸を原
    点Ｏとする極座標を定義して前記原点Ｏを中心とする開
    口円Ｃを描き、変換したい出射光の閉じた帯状図形を前
    記原点Ｏを取り囲んで描き、該原点Ｏから前記点Ｐを通
    り、かつ前記開口円Ｃに達する直線を引き、前記開口円
    Ｃ内の光の強度の積分値を前記閉じた帯状図形の面積で
    割った値を均一化された強度として前記開口円Ｃと前記
    点Ｐと前記中心Ｏとを結ぶ直線と座標軸とに挟まれる扇
    形内の光の強度の積分値と、前記閉じた帯状図形と前記
    点Ｑと前記中心Ｏとを結ぶ直線と座標軸とに挟まれる変
    換したい出射光の部分図形の面積と均一化された強度の
    積として与えられる前記部分図形内の光の強度の積分値
    とが一致し、 かつ前記部分図形の前記点Ｑによる内分比と、前記点Ｐ
    と中心Ｏとを結ぶ線分上の光の強度の積分値と、該線分
    の延長線と前記開口円Ｃとの交点と前記点Ｐとを結ぶ線
    分上の光の強度の積分値との比が一致するように決めら
    れており、 当該バイナリーオプティクスの前記回折格子のピッチｐ
    が、線分ＰＱの長さをｄ、光の波長λ、当該バイナリー
    オプティクスから所望の図形を得る位置までの距離ｈと
    して、 【数５】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
    ス。
12. 【請求項１２】 高次モードのレーザビームを、強度が
    平均化された所望の形状のビームに変換するべく前記ビ
    ームの光軸を中心として該光軸に直交する面に形成され
    た回折格子よりなるバイナリーオプティクスに於て、 当該バイナリーオプティクス上の或る点Ｐの位置に於け
    る回折格子の配列方向は、前記点対称の入射光の半径方
    向の強度分布と、変換したい出射光の形状とから当該バ
    イナリーオプティクス上に求められる点Ｑと前記点Ｐと
    を結ぶ方向であり、 前記点Ｑは、当該バイナリーオプティクス上に光軸を原
    点Ｏとする極座標を定義して前記面内に原点Ｏを中心と
    して、前記点Ｐを通り、かつレーザのモードの対称性と
    同じ対称性を有する図形を描き、更に前記点Ｐを通る該
    図形内の光の強度の積分値を平均化した強度で割った値
    と等しい面積を有し、かつ前記所望の出射光の形状を、
    前記原点Ｏを中心として縮小または拡大して得られる相
    似図形を描き、前記点Ｐと前記中心Ｏとを結ぶ直線と、
    座標軸と、前記図形とに囲まれる部分図形内の光の強度
    の積分値と、前記相似図形の辺上の点Ｑと前記中心Ｏと
    を結ぶ直線と座標軸と、前記相似図形とに囲まれる部分
    図形内の光の強度の積分値とが一致するように決められ
    ており、 当該バイナリーオプティクスの前記回折格子のピッチｐ
    が、直線ＰＱの長さをｄ、光の波長λ、当該バイナリー
    オプティクスから所望の図形を得る位置までの距離ｈと
    して、 【数６】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
    ス。
13. 【請求項１３】 中心部で強度が高く点対称のビーム
    を、三分割し、強度が平均化された所望の図形のビーム
    に変換するべく前記ビームの光軸を中心として該光軸に
    直交する面に形成された回折格子よりなるバイナリーオ
    プティクスに於て、 当該バイナリーオプティクス上の或る点Ｐの位置に於け
    る回折格子の配列方向は、前記点対称の入射光の半径方
    向の強度分布と、変換したい出射光の形状とから当該バ
    イナリーオプティクス上に求められる点Ｑと前記点Ｐと
    を結ぶ方向であり、 前記点Ｑは、該点Ｑが前記第１の原点Ｏを含む第１の領
    域内にある場合には、当該バイナリーオプティクス上に
    光軸を第１の原点Ｏとする第１の極座標を定義し、該第
    １の極座標の座標軸と垂直に、前記第１の原点Ｏを中心
    に対称な平行線を引き、レーザビームの断面を三分割
    し、前記平行線の外側の前記座標軸上に第２の原点Ｏ’
    及び第３の原点Ｏ”を定義し、前記面内に前記第１の原
    点Ｏを中心として、前記点Ｐを通る円を描き、前記点Ｐ
    を通る円内に前記平行線内の光の強度の積分値を平均化
    した強度で割った値と等しい面積を有し、かつ所望の図
    形の出射光の形状を、前記第１の原点Ｏを中心として縮
    小または拡大して得られる相似な図形を描くと共に前記
    第２の原点Ｏ’及び第３の原点Ｏ”を中心として前記同
    様な所望の図形の出射光の形状を縮小または拡大して得
    られる相似な図形を描き、前記点Ｐと前記中心とを結ぶ
    直線、前記座標軸、前記円及び前記平行線に囲まれる領
    域内の光の強度の積分値と、前記相似図形の辺上の点Ｑ
    と前記中心とを結ぶ直線、前記座標軸及び前記相似図形
    に囲まれる部分図形内の光の強度の積分値とが一致する
    ように決められており、 前記点Ｑが前記第２の原点Ｏ’を含む第２の領域内にあ
    る場合には、前記第１の原点Ｏと前記第２の原点Ｏ’と
    を入れ代えて前記同様に決められており、 前記点Ｑが前記第３の原点Ｏ”を含む第３の領域内にあ
    る場合には、前記第１の原点Ｏと前記第３の原点Ｏ”と
    を入れ代えて前記同様に決められており、 当該バイナリーオプティクスの前記回折格子のピッチｐ
    が、線分ＰＱの長さをｄ、光の波長λ、当該バイナリー
    オプティクスから所望の図形を得る位置までの距離ｈと
    して、 【数７】ｐ＝λ√（１＋ｈ²／ｄ²） として表されることを特徴とするバイナリーオプティク
    ス。
14. 【請求項１４】 前記曲線パターンが共焦点双曲線群
    となっていることを特徴とする請求項５に記載のバイナ
    リーオプティクス。
15. 【請求項１５】 前記回折格子のピッチが、中心軸か
    ら両辺に向けて入射光線の強度分布に応じて徐々に狭く
    なっていることを特徴とする請求項４乃至請求項６のい
    ずれかに記載のバイナリーオプティクス。
16. 【請求項１６】 前記回折格子の各格子間のピッチｐ
    (ｒ)が、λを光の波長、ｈを照射基準面までの距離、ｒ
    を中心からの距離として入射光強度分布Ｉ(ｒ)に対し
    て、 【数８】ｐ(ｒ)＝λ√（１＋ｈ²／（ｒ²（１−√（Ｉ
    (ｒ)））²）） として表されることを特徴とする請求項６若しくは請求
    項１５に記載のバイナリーオプティクス。
17. 【請求項１７】 請求項９乃至請求項１２のいずれかに
    記載のバイナリーオプティクスを第１のバイナリーオプ
    ティクスとし、 所望の図形を得る位置に、前記点Ｑに於ける回折格子の
    配列方向が前記点Ｐと前記点Ｑとを結ぶ方向であり、か
    つ回折格子のピッチが前記第１のバイナリーオプティク
    スの点Ｐに於ける回折格子のピッチに等しい第２のバイ
    ナリーオプティクスを配置したことを特徴とする集光光
    学系。
18. 【請求項１８】 請求項１乃至請求項１７のいずれかに
    記載のバイナリーオプティクス若しくは集光光学系を集
    光光学系として備えたことを特徴とするレーザ加工装
    置。
19. 【請求項１９】 請求項４、請求項５、請求項１４乃
    至請求項１６のいずれかに記載のバイナリーオプティク
    スを一対、前記中心軸が互いに直交する方向に延在する
    ように入射光軸に対して前後配置した集光光学系を備え
    ることを特徴とするレーザ加工装置。
20. 【請求項２０】 請求項６若しくは請求項１６に記載
    のバイナリーオプティクスが、入射端側にその中心と光
    軸とが一致するように配置され、 前記バイナリーオプティクスにより回折されたレーザ光
    の光軸と直交する面での強度分布が均一となる位置に該
    レーザ光を平行光線に変換する別のバイナリーオプティ
    クスが配置された集光光学系を備えることを特徴とする
    レーザ加工装置。
21. 【請求項２１】 前記各バイナリーオプティクス同士
    は、その回折方向が逆であり、かつそのピッチが前記各
    バイナリーオプティクス間を結ぶ同じ光線の通過する位
    置にて互いに等しくなっていることを特徴とする請求項
    ２０に記載のレーザ加工装置。