JPH11326616A - Mirror and optical condensing system using the same - Google Patents

Mirror and optical condensing system using the same

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JPH11326616A
JPH11326616A JP10343295A JP34329598A JPH11326616A JP H11326616 A JPH11326616 A JP H11326616A JP 10343295 A JP10343295 A JP 10343295A JP 34329598 A JP34329598 A JP 34329598A JP H11326616 A JPH11326616 A JP H11326616A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mirror
point
intensity distribution
determined
axis
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP10343295A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoru Yamaguchi
哲 山口
Masashi Oikawa
昌志 及川
Katsuhiro Minamida
勝宏 南田
Shuji Yamamoto
修治 山本
Kazushi Maruyama
和士 丸山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH11326616A publication Critical patent/JPH11326616A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To realize efficient machining by using a mirror whose angle of inclination of the reflection face at each position of the mirror is designed corresponding to the spot shape and intensity distribution of a laser beam and to those of a beam emitted to an irradiated face. SOLUTION: A rectangular coordinate system, where an optical axis is the origin and the direction of an uniform intensity distribution to be converted is taken as a (y)-axis and the direction orthogonal to it is taken as an (x)-axis, is defined on a plane which includes a point S and is orthogonal to the optical axis of incident light. Assuming that a reflected light 4 from an arbitrary point P of a mirror 1 arrives at an irradiation position 5 and arrives at a point Q on the plane orthogonal to the optical axis in the irradiation position 5, it is sufficient if the point Q is so determined that a desired beam profile 6 which has a uniform intensity distribution with respect to a uniaxial direction be obtained in this position. In order to make the reflected light 4 of the mirror 1 arrive at a position corresponding to the point Q, it is sufficient if the normal of the curved surface at the point P of the mirror 1 divides ∠SPQ equally into two.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザビームの強
度分布を一軸方向に関して所望の強度分布に変換するミ
ラー及びそれを用いた集光光学系に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mirror for converting the intensity distribution of a laser beam into a desired intensity distribution in one axial direction, and to a focusing optical system using the mirror.

【0002】[0002]

【従来の技術】レーザ発振器を用いてレーザ加工を行う
場合、単にレーザビームを円形に集束して加工面に照射
することが一般的である。しかしながら加工する対象に
よっては、スポット形状が例えば矩形など円形以外であ
り、かつ可及的に均一な強度分布であることが望ましい
場合がある。その場合には、レーザビームを拡大した後
に矩形の開口を通し、かつレンズで集束して矩形のスポ
ットを得るようにしていた。
2. Description of the Related Art When laser processing is performed using a laser oscillator, it is general to simply focus a laser beam into a circular shape and irradiate the laser beam to a processing surface. However, depending on the object to be processed, it may be desirable that the spot shape is other than a circle such as a rectangle and the intensity distribution is as uniform as possible. In that case, a rectangular spot is obtained by enlarging the laser beam, passing through a rectangular opening, and converging with a lens.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来方法によると、ビーム中央の高強度部分のみを開口か
ら取り出すので、開口を外れた光線はエネルギの発生に
寄与しないこととなるため、効率が低いといった問題が
あった。しかも開口の形状によっては強度分布が不均一
になり易かった。
However, according to this conventional method, only the high-intensity portion at the center of the beam is taken out of the aperture, so that the light beam outside the aperture does not contribute to the generation of energy, so that the efficiency is low. There was such a problem. In addition, the intensity distribution tends to be non-uniform depending on the shape of the opening.

【0004】他方、線状のスポットを得ようとする場合
は、、シリンドリカルミラーの組み合わせでレーザビー
ムを絞って照射していた。しかし、これによると、楕円
状のスポットしか得られない上、周辺へいくに従って徐
々に強度が低くなるという欠点があった。
On the other hand, when a linear spot is to be obtained, a laser beam is narrowed down by a combination of cylindrical mirrors for irradiation. However, according to this, there is a defect that only an elliptical spot can be obtained and the intensity gradually decreases toward the periphery.

【0005】また、点状に絞ったレーザビームを線上で
走査する方法もあるが、これは機構が複雑化しがちであ
り、特に大出力のCO2レーザに適用することは困難で
あった。
There is also a method of scanning a laser beam focused on a point on a line, but the mechanism tends to be complicated, and it has been difficult to apply the method to a high-output CO 2 laser.

【0006】本発明は、かかる状況に鑑みてなされたも
のであり、その主な目的は、ある形状および強度分布を
有するレーザビームから、直線状であり、かつ所望の強
度分布を有するレーザビームに高効率に変換することの
可能なミラー及びそれを用いた集光光学系を提供するこ
とにある。
The present invention has been made in view of such circumstances, and a main object of the present invention is to convert a laser beam having a certain shape and intensity distribution into a linear laser beam having a desired intensity distribution. An object of the present invention is to provide a mirror capable of converting light with high efficiency and a condensing optical system using the mirror.

【0007】[0007]

【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、レーザビームの強度分布を一軸方向
に関して所望の強度分布に変換するためのミラーとし
て、当該ミラー上の任意の点Pに於けるミラー底面に対
する反射面の傾斜角度は、前記レーザービームの強度分
布と変換したい所望の強度分布とから照射面上に求めら
れる点Qから決まる角度であり、前記点Pに入射する光
線上の点Sを入射光軸との直交面上に、前記点Qを照射
面上に、それぞれ光軸を原点として変換したい所望の強
度分布の方向をy軸、y′軸とする直交座標(x,
y)、(x′,y′)を定義し、前記点Sを通りx軸に
平行な直線でビームの断面を二つの領域に分割し、各々
の領域に於ける強度の積分値の比で所望の強度分布の幅
を内分する点のy′座標を点Qのy′座標とし、前記点
Sのx座標を前記点Qのx′座標とするように定め、直
線SPと直線PQとを含む平面内に於いて、前記点Pに
於ける曲面の法線が∠SPQを2等分するように前記反
射面の傾斜角度を定めたことを特徴とするもの、あるい
は、レーザビームの強度分布を一軸方向に関して所望の
強度分布に変換するための2枚のミラーとして、当該2
枚のミラーのうちの発光源側に位置する第1のミラー上
の任意の点Pに於けるミラー底面に対する反射面の傾斜
角度は、前記レーザービームの強度分布と変換したい所
望の強度分布とから当該2枚のミラーのうちの照射面側
に位置する第2のミラーの反射面上に求められる点Tか
ら決まる角度であり、前記点Tに於ける前記第2のミラ
ー上の反射面の傾斜角度は、前記第1のミラー上の点P
と、照射面上に求められる点Qとから決まる角度であ
り、前記点Tが所望の強度分布のビーム幅を内分する比
と、前記点Qが所望の強度分布のビーム幅を内分する比
とは同一の値であり、直線SPと直線PTとを含む平面
内に於いて、前記点Pに於ける曲面の法線が∠SPTを
2等分するように前記第1のミラーの反射面の傾斜角度
を定め、直線PTと直線TQとを含む平面内に於いて、
前記点Tに於ける曲面の法線が∠PTQを2等分するよ
うに前記第2のミラーの反射面の傾斜角度を定めたこと
を特徴とするものを提供することとした。特に、一軸方
向に関して所望の強度分布を得る位置からの距離を焦点
距離として当該軸と直交する軸方向を集束するシリンド
リカルミラーまたは放物面ミラーを、請求項1に記載の
ミラーまたは請求項2に記載の第2のミラーの位置と所
望の強度分布を得る位置との間に配置するものとした。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a mirror for converting the intensity distribution of a laser beam into a desired intensity distribution in one axial direction is provided at an arbitrary point on the mirror. The inclination angle of the reflection surface with respect to the mirror bottom surface at P is an angle determined from a point Q obtained on the irradiation surface from the intensity distribution of the laser beam and a desired intensity distribution to be converted. The point S on the line is on a plane orthogonal to the incident optical axis, the point Q is on the irradiation plane, and the orthogonal coordinates (y and y 'axes are the directions of the desired intensity distributions to be converted with the optical axis as the origin, respectively) x,
y) and (x ', y') are defined, the beam cross section is divided into two regions by a straight line passing through the point S and parallel to the x-axis, and the ratio of the integrated values of the intensities in each region is calculated. The y 'coordinate of the point that internally divides the width of the desired intensity distribution is defined as the y' coordinate of the point Q, and the x coordinate of the point S is defined as the x 'coordinate of the point Q. Or the intensity of the laser beam is determined such that the normal of the curved surface at the point P divides ∠SPQ into two in a plane including As two mirrors for converting the distribution into a desired intensity distribution in the uniaxial direction,
The inclination angle of the reflection surface with respect to the mirror bottom surface at an arbitrary point P on the first mirror located on the light emitting source side of the mirrors is determined based on the intensity distribution of the laser beam and a desired intensity distribution to be converted. An angle determined from a point T obtained on the reflection surface of the second mirror located on the irradiation surface side of the two mirrors, and the inclination of the reflection surface on the second mirror at the point T The angle is the point P on the first mirror
And the angle determined by the point Q obtained on the irradiation surface, wherein the point T internally divides the beam width of the desired intensity distribution and the point Q internally divides the beam width of the desired intensity distribution. The ratio is the same value, and in a plane including the straight line SP and the straight line PT, the reflection of the first mirror is set so that the normal of the curved surface at the point P divides the ∠SPT into two equal parts. In the plane including the straight line PT and the straight line TQ, the inclination angle of the surface is determined,
It is provided that the inclination angle of the reflection surface of the second mirror is determined such that the normal of the curved surface at the point T divides ΔPTQ into two equal parts. In particular, a cylindrical mirror or a parabolic mirror that focuses in an axial direction perpendicular to the axis as a focal length at a distance from a position where a desired intensity distribution is obtained in a uniaxial direction, the mirror according to claim 1 or the parabolic mirror according to claim 2 The second mirror is arranged between the position of the second mirror described above and a position at which a desired intensity distribution is obtained.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下に添付の図面に示した実施例
に基づいて本発明を詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below in detail with reference to the embodiments shown in the accompanying drawings.

【0009】図1は、本発明のミラーによってレーザビ
ームを均一強度分布に変換する集光光学系の第1実施例
を模式的に示している。
FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a condensing optical system for converting a laser beam into a uniform intensity distribution by a mirror according to the present invention.

【0010】ミラー1への入射光2の光源は、平均出力
10〜20kWのレーザ加工用のCO2レーザが用いら
れ、その光軸をミラー1の中心と一致させてミラー1に
入射する。入射光2は、光軸に直交する平面に対する照
射形状がドーナツ状をなし、その強度分布I(r)は、
中心からの距離をr、係数をa、ビーム半径をωとする
と、次式に示す如き擬似的にTEM01 *リングモードの
強度分布を有するビームプロフィール3となっている。
As a light source of the light 2 incident on the mirror 1, a CO 2 laser for laser processing with an average output of 10 to 20 kW is used. The light is incident on the mirror 1 with its optical axis aligned with the center of the mirror 1. The incident light 2 has a donut shape when irradiated on a plane orthogonal to the optical axis, and its intensity distribution I (r) is
Assuming that the distance from the center is r, the coefficient is a, and the beam radius is ω, the beam profile 3 has a pseudo TEM 01 * ring mode intensity distribution as shown in the following equation.

【0011】[0011]

【数1】I(r)=a(r/ω)2exp(r2/ω2I (r) = a (r / ω) 2 exp (r 2 / ω 2 )

【0012】図2は、ミラー1への入射光2の光軸に直
交する方向から見た図である。ミラー1は、機械加工ま
たはワイヤー放電加工により、銅の母材から図2に示す
断面形状に形成される。ここでミラー1の任意の点Pか
らの反射光4が照射位置5に到達し、照射位置5に於け
る光軸に直交する平面内にて点Qに到達したと仮定する
と、一軸方向に関して均一な強度分布を有する所望のビ
ームプロフィール6がその位置で得られるように点Qを
決めれば良い。そしてミラー1の反射光4が点Qに対応
する位置に到達するためには、ミラー1の点Pに於ける
曲面の法線が、∠SPQを2等分するようにすれば良
い。
FIG. 2 is a diagram viewed from a direction perpendicular to the optical axis of the light 2 incident on the mirror 1. The mirror 1 is formed from a copper base material into a sectional shape shown in FIG. 2 by machining or wire electric discharge machining. Here, assuming that the reflected light 4 from an arbitrary point P of the mirror 1 reaches the irradiation position 5 and reaches the point Q in a plane orthogonal to the optical axis at the irradiation position 5, it is uniform in the uniaxial direction. The point Q may be determined so that a desired beam profile 6 having an appropriate intensity distribution is obtained at that position. Then, in order for the reflected light 4 of the mirror 1 to reach the position corresponding to the point Q, the normal of the curved surface at the point P of the mirror 1 may be set so as to bisect ∠SPQ.

【0013】入射面と直交する方向に関する強度分布が
照射位置5で均一なビームプロフィール6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。すなわ
ち、図2に於いて、光軸を原点として変換したい均一な
強度分布の方向をy軸とし、それと直交する方向をx軸
とする直交座標を、点Sを含み入射光の光軸と直交する
平面上に定義し、点S(x0,y0)を通り、x軸に平行
な直線でビーム断面を2つの領域に分割し、各々の領域
に於ける強度の積分値m、nを次式の比で直線を内分し
た点のy座標を、点Qを含み反射光4の光軸と直交する
平面上に光軸を原点として変換したい強度分布の方向を
y′軸とする直交座標を定義した点Qのy′座標とし、
点Sの座標を点Qのx′座標とするように決められる。
The relationship between the points P and Q for obtaining a uniform beam profile 6 at the irradiation position 5 with the intensity distribution in the direction orthogonal to the incidence plane is determined as follows. That is, in FIG. 2, the orthogonal coordinate system including the point S and orthogonal to the optical axis of the incident light including the point S is defined as a coordinate having the y-axis as the direction of the uniform intensity distribution to be converted with the optical axis as the origin and the x-axis as the direction orthogonal thereto. The beam cross section is divided into two regions by a straight line passing through the point S (x 0 , y 0 ) and parallel to the x-axis, and the integral values m and n of the intensity in each region are defined as The y coordinate of the point obtained by internally dividing the straight line with the ratio of the following formula is orthogonal to the plane including the point Q and orthogonal to the optical axis of the reflected light 4 with the direction of the intensity distribution to be transformed with the optical axis as the origin as the y 'axis. The coordinates are defined as the y 'coordinates of the defined point Q,
The coordinates of the point S are determined to be the x 'coordinates of the point Q.

【0014】[0014]

【数2】 (Equation 2)

【0015】[0015]

【数3】 (Equation 3)

【0016】即ち、点Qの座標は次式で与えられる。That is, the coordinates of the point Q are given by the following equations.

【数4】[x0,y0{m/(m+n)−1/2}][X 0 , y 0 {m / (m + n) -1/2}]

【0017】以下、ミラー1の点Pへの入射光2が反射
してその反射光4が点Qに到達するように、点Pに於け
るミラー1の反射面の傾斜角度を決めれば良い。ミラー
1の断面形状は、反射面の傾きを積分することによって
得られる。
Hereinafter, the angle of inclination of the reflecting surface of the mirror 1 at the point P may be determined so that the incident light 2 at the point P of the mirror 1 is reflected and the reflected light 4 reaches the point Q. The sectional shape of the mirror 1 is obtained by integrating the inclination of the reflection surface.

【0018】照射位置5を通過する光の強度を、y′座
標を一定に保ち、x′座標について積分したものは、
y′ 軸と平行な方向についての強度分布が均一なもの
となる。
The intensity of light passing through the irradiation position 5 integrated with respect to the x 'coordinate while keeping the y' coordinate constant is as follows:
The intensity distribution in the direction parallel to the y 'axis becomes uniform.

【0019】入射面内の方向に曲率がつき、照射位置5
までの距離を焦点距離とするシリンドリカルミラー7を
ミラー1と照射位置5との間に配置すると、その反射光
8により、y軸及びy′軸と平行な方向にラインフォー
カスされる。そして、ライン上のどの位置に於いても強
度が一定に保たれたビームプロフィール6のスポットが
得られる。
The direction of curvature in the direction of incidence in the plane of incidence is
When a cylindrical mirror 7 having a focal length of up to a distance between the mirror 1 and the irradiation position 5 is arranged, the reflected light 8 focuses the light in a direction parallel to the y-axis and the y'-axis. Then, a spot of the beam profile 6 having a constant intensity is obtained at any position on the line.

【0020】シリンドリカルミラー7に替えて放物面ミ
ラーを用いることもできる。この場合は、放物面ミラー
のy軸の方向に曲率が付いていることを考慮して点Qの
位置を定めれば良い。
A parabolic mirror can be used instead of the cylindrical mirror 7. In this case, the position of the point Q may be determined in consideration of the fact that the parabolic mirror has a curvature in the y-axis direction.

【0021】このように、ミラー1の反射面の各位置に
於ける傾斜角度を入射光2の強度分布に応じて定めるこ
とにより、シリンドリカルミラー7または放物面ミラー
と組み合わせた時に、照射位置5に於いて強度分布が均
一なビームプロフィール6でラインフォーカスさせるこ
とができる。また、このようなレーザビームを用いて表
面加工処理ができる。
As described above, by determining the angle of inclination at each position of the reflection surface of the mirror 1 in accordance with the intensity distribution of the incident light 2, the irradiation position 5 when combined with the cylindrical mirror 7 or the parabolic mirror is determined. In this case, the line profile can be focused with the beam profile 6 having a uniform intensity distribution. Surface processing can be performed using such a laser beam.

【0022】図3は、2枚のミラー1・11によってビ
ーム整形を行う本発明の第2実施例を模式的に示す。本
実施例は、入射面と直角方向のビームの幅を縮小・拡大
あるいは平行光化する第2のミラー11を、第1実施例
に於けるミラー1と照射位置5との間に配置したものに
相当し、これにより、第1のミラー1の反射光4は、第
2のミラー11の反射光12で所定幅の平行光に変換さ
れる。さらに、シリンドリカルミラー7または放物面ミ
ラーと平面ミラー13とを第2のミラー11と照射位置
5との間に配置することにより、平面ミラー13の反射
光14とシリンドリカルミラー7の反射光8とで上記と
同様にライン状にフォーカスされたビームプロフィール
6のスポットが得られる。図4に、そのときの光線の変
換の様子を示す。この場合も、第1実施例のミラー1と
同様にして第2のミラー11の反射面の傾きと形状とを
決定する。
FIG. 3 schematically shows a second embodiment of the present invention in which beam shaping is performed by two mirrors 1 and 11. In the present embodiment, a second mirror 11 for reducing, enlarging, or parallelizing the width of a beam in a direction perpendicular to the incident surface is disposed between the mirror 1 and the irradiation position 5 in the first embodiment. Accordingly, the reflected light 4 of the first mirror 1 is converted into a parallel light having a predetermined width by the reflected light 12 of the second mirror 11. Further, by disposing the cylindrical mirror 7 or the parabolic mirror and the plane mirror 13 between the second mirror 11 and the irradiation position 5, the reflected light 14 of the plane mirror 13 and the reflected light 8 of the cylindrical mirror 7 Thus, a spot of the beam profile 6 focused in a line shape is obtained in the same manner as described above. FIG. 4 shows how light rays are converted at that time. Also in this case, the inclination and the shape of the reflection surface of the second mirror 11 are determined in the same manner as in the mirror 1 of the first embodiment.

【0023】図5は、両端が高く中央が低い懸垂線型の
強度分布へのビーム変換を行うための本発明の第3実施
例を示す図1と同様な模式図であり、図6は、ミラー2
1への入射光2の光軸に直交する方向から見た図であ
る。ここでミラー21への入射光2のビームプロフィー
ル3は、前記数1に示したのと同様なTEM01 *リング
モードの強度分布I(r)を有している。
FIG. 5 is a schematic view similar to FIG. 1 showing a third embodiment of the present invention for performing beam conversion into a catenary intensity distribution having both ends high and a center low, and FIG. 6 shows a mirror. 2
FIG. 2 is a diagram viewed from a direction orthogonal to an optical axis of incident light 2 to the light source 1. Here, the beam profile 3 of the incident light 2 on the mirror 21 has the same TEM 01 * ring mode intensity distribution I (r) as shown in the above equation (1).

【0024】ミラー21の任意の点Pからの反射光24
が照射位置25に到達し、照射位置25に於ける光軸に
直交する平面内にて点Qに到達したと仮定すると、その
位置で両端が高く中央が低い強度分布を有する懸垂線型
のビームプロフィール26が得られるように点Qを決め
れば良い。それには、点Qに対応する位置に光線が到達
するためには、ミラー21の点Pに於ける曲面の法線
が、∠SPQを2等分するようにすれば良い。
The reflected light 24 from an arbitrary point P on the mirror 21
Arrives at the irradiation position 25, and reaches a point Q in a plane orthogonal to the optical axis at the irradiation position 25, it is assumed that a catenary beam profile having both ends high and a center low intensity distribution at that position. The point Q may be determined so that 26 is obtained. In order for the light beam to reach the position corresponding to the point Q, the normal of the curved surface at the point P of the mirror 21 may divide the ∠SPQ into two equal parts.

【0025】照射位置25で入射面と直交する方向に関
する強度分布が懸垂線型のビームプロフィール26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。すなわち、図6に於いて、光軸を原点として変換し
たい所望の強度分布の方向をy軸とし、それと直交する
方向をx軸とする直交座標を、点Sを含み入射光の光軸
と直交する平面上に定義し、点S(x0,y0)を通りx
軸に平行な直線でビーム断面を2つの領域に分割し、各
々の領域に於ける強度の積分値m、nを、前記第1実施
例に示したのと同様な数1、数2の比でy軸方向に関し
て懸垂線型の強度分布を内分する点のy座標y1を、点
Qを含み反射光24の光軸と直交する平面上に光軸を原
点とし変換したい所望の強度分布の方向をy′軸とする
直交座標を定義した点Qのy′座標とし、点Sの座標を
点Qのx′座標とするように決められる。すなわち、懸
垂線型の強度分布関数をI=f(y)とすると、y1は次
式を満足するように決められる。
The relationship between the points P and Q for obtaining a catenary beam profile 26 whose intensity distribution in the direction perpendicular to the plane of incidence at the irradiation position 25 is determined as follows. That is, in FIG. 6, orthogonal coordinates having the optical axis as the origin and the direction of the desired intensity distribution to be converted as the y-axis and the direction orthogonal thereto as the x-axis are orthogonal to the optical axis of the incident light including the point S. Defined on a plane that passes through the point S (x 0 , y 0 )
The beam cross section is divided into two regions by a straight line parallel to the axis, and the integrated values m and n of the intensities in each region are calculated by using the ratios of Expressions 1 and 2 as described in the first embodiment. The y coordinate y 1 of a point that internally divides the catenary intensity distribution with respect to the y-axis direction is converted into a desired intensity distribution to be converted using the optical axis as an origin on a plane including the point Q and orthogonal to the optical axis of the reflected light 24. The coordinates are determined so that the orthogonal coordinates having the direction as the y 'axis are the y' coordinates of the defined point Q, and the coordinates of the point S are the x 'coordinates of the point Q. That is, assuming that the catenary intensity distribution function is I = f (y), y 1 is determined so as to satisfy the following equation.

【0026】[0026]

【数5】 (Equation 5)

【0027】[0027]

【数6】 (Equation 6)

【0028】そして、点Qの座標は、(x0,y1)で与
えられる。
The coordinates of the point Q are given by (x 0 , y 1 ).

【0029】以下、ミラー21の点Pからの反射光24
が点Qに到達するように、ミラー21の点Pに於ける反
射面の傾斜角度を決めれば良い。ミラー21の断面形状
は、反射面の傾きを積分することによって得られる。
Hereinafter, the reflected light 24 from the point P of the mirror 21 will be described.
May be determined so that the angle of the reflection surface at the point P of the mirror 21 reaches the point Q. The cross-sectional shape of the mirror 21 is obtained by integrating the inclination of the reflection surface.

【0030】照射位置25を通過する光の強度を、y′
座標を一定に保ち、x′座標について積分したものは、
y′軸と平行な方向について懸垂線型の強度分布を与え
る。
The intensity of light passing through the irradiation position 25 is represented by y ′
Keeping the coordinates constant and integrating about the x 'coordinate,
A catenary intensity distribution is given in a direction parallel to the y 'axis.

【0031】入射面内の方向に曲率がつき、照射位置2
5までの距離を焦点距離とするシリンドリカルミラー2
7をミラー21と照射位置25との間に配置すると、そ
の反射光28により、y軸及びy′軸と平行な方向にラ
インフォーカスされる。そして、ライン上の強度分布
は、懸垂線型のビームプロフィール26が得られる。
A curvature is given in the direction in the incident plane, and the irradiation position 2
Cylindrical mirror 2 with focal length up to 5
When the mirror 7 is disposed between the mirror 21 and the irradiation position 25, the reflected light 28 focuses the line in a direction parallel to the y-axis and the y′-axis. As for the intensity distribution on the line, a catenary beam profile 26 is obtained.

【0032】シリンドリカルミラー27に替えて放物面
ミラーを用いることもできる。この場合は、放物面ミラ
ーのy軸の方向に曲率が付いていることを考慮してQの
位置を決めれば良い。
A parabolic mirror can be used in place of the cylindrical mirror 27. In this case, the position of Q may be determined in consideration of the fact that the parabolic mirror has a curvature in the y-axis direction.

【0033】このように、ミラー21の反射面の各位置
に於ける傾斜角度を入射光2の強度分布に応じて定める
ことにより、シリンドリカルミラー27または放物面ミ
ラーと組み合わせた時に、照射位置25に於いて所望の
懸垂線型の強度分布のビームプロフィール26でライン
フォーカスさせることができる。また、このようなレー
ザビームを用いて表面加工処理ができる。
As described above, the inclination angle at each position of the reflection surface of the mirror 21 is determined according to the intensity distribution of the incident light 2, so that the irradiation position 25 when combined with the cylindrical mirror 27 or the parabolic mirror is used. In this case, it is possible to perform line focus with the beam profile 26 having a desired catenary intensity distribution. Surface processing can be performed using such a laser beam.

【0034】図7は、2枚のミラー21・31によって
ビーム整形を行う本発明の第4実施例を模式的に示す。
本実施例は、入射面と直角方向のビームの幅を縮小・拡
大あるいは平行光化する第2のミラー31を、第3実施
例に於けるミラー21と照射位置25との間に配置した
ものに相当し、これにより、第1のミラー21の反射光
24は、第2のミラー31の反射光32で所定幅の平行
光に変換される。さらに、第2のミラー31と照射位置
25との間に、シリンドリカルミラー27または放物面
ミラーと平面ミラー33とを配置することにより、上記
と同様にライン状にフォーカスされたビームプロフィー
ル26の照射光スポットが得られる。図8に、そのとき
の光線の変換の様子を示す。この場合も、第1のミラー
21と同様にして第2のミラー31の反射面の傾斜角度
と形状とを決定する。
FIG. 7 schematically shows a fourth embodiment of the present invention in which beam shaping is performed by two mirrors 21 and 31.
In the present embodiment, a second mirror 31 for reducing / enlarging or parallelizing the width of a beam in a direction perpendicular to the incident surface is disposed between the mirror 21 and the irradiation position 25 in the third embodiment. Accordingly, the reflected light 24 of the first mirror 21 is converted into parallel light of a predetermined width by the reflected light 32 of the second mirror 31. Further, by arranging the cylindrical mirror 27 or the parabolic mirror and the plane mirror 33 between the second mirror 31 and the irradiation position 25, irradiation of the beam profile 26 focused in a line shape in the same manner as described above. A light spot is obtained. FIG. 8 shows how light rays are converted at that time. Also in this case, similarly to the first mirror 21, the inclination angle and the shape of the reflection surface of the second mirror 31 are determined.

【0035】[0035]

【発明の効果】上記の説明から明らかな如く、本発明に
よれば、レーザ発振器が出射するレーザビームのスポッ
ト形状及び強度分布と、照射面に照射されるビームのス
ポット形状及び強度分布とに対応してミラーの各位置に
於ける反射面の傾斜角度が設計されたミラー及びこれを
用いた集光光学系により、ライン状にフォーカスされた
強度分布が均一な、あるいは所望の懸垂線型のレーザビ
ームを、容易に且つ低エネルギー損失で得られることか
ら、レーザ加工プロセスを有利にすると共に、高効率な
加工が可能になる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, the spot shape and intensity distribution of the laser beam emitted from the laser oscillator correspond to the spot shape and intensity distribution of the beam irradiated on the irradiation surface. By using a mirror in which the inclination angle of the reflection surface at each position of the mirror is designed and a condensing optical system using the mirror, the intensity distribution focused in a linear shape is uniform or a desired catenary laser beam is provided. Can be obtained easily and with low energy loss, which makes the laser processing process advantageous and enables highly efficient processing.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の集光光学系の第1実施例を示す模式
図。
FIG. 1 is a schematic view showing a first embodiment of a condensing optical system according to the present invention.

【図2】図1のミラーによってレーザビームが反射され
る様子を入射面と直交する方向から見た模式図。
FIG. 2 is a schematic diagram showing how a laser beam is reflected by a mirror shown in FIG. 1 when viewed from a direction orthogonal to an incident surface.

【図3】本発明の集光光学系の第2実施例を示す模式
図。
FIG. 3 is a schematic view showing a second embodiment of the light collecting optical system of the present invention.

【図4】図3に於ける2つのミラーによってレーザビー
ムが反射される様子を入射面と直交する方向から見た模
式図。
FIG. 4 is a schematic diagram of a state in which a laser beam is reflected by two mirrors in FIG. 3 when viewed from a direction orthogonal to an incident surface.

【図5】本発明の集光光学系の第3実施例を示す模式
図。
FIG. 5 is a schematic view showing a third embodiment of the light collecting optical system of the present invention.

【図6】図5のミラーによってレーザビームが反射され
る様子を入射面と直交する方向から見た模式図。
FIG. 6 is a schematic diagram showing how a laser beam is reflected by a mirror shown in FIG. 5 when viewed from a direction orthogonal to an incident surface.

【図7】本発明の集光光学系の第4実施例を示す模式
図。
FIG. 7 is a schematic view showing a fourth embodiment of the light collecting optical system of the present invention.

【図8】図7に於ける2つのミラーによってレーザビー
ムが反射される様子を入射面と直交する方向から見た模
式図。
FIG. 8 is a schematic diagram showing how a laser beam is reflected by two mirrors in FIG. 7 as viewed from a direction orthogonal to the incident surface.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21 ミラー 2 ミラーへの入射光 3 入射光のビームプロフィール 4、24 ミラーからの反射光 5、25 照射位置 6、26 所望のビームプロフィール 7、27 シリンドリカルミラー 8、28 シリンドリカルミラーの反射光 11、31 第2のミラー 12、32 第2のミラーの反射光 13、33 平面ミラー 14 平面ミラーの反射光 1, 21 Mirror 2 Incident light to mirror 3 Beam profile of incident light 4, 24 Reflected light from mirror 5, 25 Irradiation position 6, 26 Desired beam profile 7, 27 Cylindrical mirror 8, 28 Reflected light from cylindrical mirror 11 , 31 second mirror 12, 32 reflected light from second mirror 13, 33 plane mirror 14 reflected light from plane mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 修治 北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新日本製 鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者 丸山 和士 北九州市戸畑区飛幡町1番1号 新日本製 鐵株式会社八幡製鐵所内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Shuji Yamamoto 1-1, Tobata-cho, Tobata-ku, Kitakyushu Nippon Steel Corporation Yawata Works (72) Inventor, Kazushi Maruyama 1st, Tobata-cho, Tobata-ku, Kitakyushu No. 1 Inside Nippon Steel Corporation Yawata Works

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザ発振器から出射されたレーザビー
ムの強度分布を一軸方向に関して所望の強度分布に変換
するためのミラーに於いて、 当該ミラー上の任意の点Pに於けるミラー底面に対する
反射面の傾斜角度は、前記レーザビームの強度分布と変
換したい所望の強度分布とから照射面上に求められる点
Qから決まる角度であり、 前記点Pに入射する光線上の点Sを入射光軸との直交面
上に、前記点Qを照射面上に、それぞれ光軸を原点とし
て変換したい所望の強度分布の方向をy軸、y′軸とす
る直交座標(x,y)、(x′,y′)を定義し、 前記点Sを通りx軸に平行な直線でビームの断面を2つ
の領域に分割し、各々の領域に於ける強度の積分値の比
で所望の強度分布の幅を内分する点のy′座標を前記点
Qのy′座標とし、前記点Sのx座標を点Qのx′座標
とするように定め、 直線SPと直線PQとを含む平面内に於いて、前記点P
に於ける曲面の法線が∠SPQ を2等分するように前
記反射面の傾斜角度を定めたことを特徴とするミラー。
1. A mirror for converting an intensity distribution of a laser beam emitted from a laser oscillator into a desired intensity distribution in a uniaxial direction, wherein a reflection surface with respect to a mirror bottom surface at an arbitrary point P on the mirror. Is an angle determined from a point Q obtained on the irradiation surface from the intensity distribution of the laser beam and a desired intensity distribution to be converted, and a point S on a light ray incident on the point P is defined as an incident optical axis. And orthogonal coordinates (x, y), (x ', y'), where the direction of the desired intensity distribution to be transformed with the optical axis as the origin is the y-axis and the y'-axis, respectively. y '), the cross section of the beam is divided into two regions by a straight line passing through the point S and parallel to the x-axis, and the width of the desired intensity distribution is determined by the ratio of the integrated value of the intensity in each region. The y ′ coordinate of the internally divided point is defined as the y ′ coordinate of the point Q, and The x-coordinate of the point S is determined to be the x'-coordinate of the point Q, and in the plane including the straight line SP and the straight line PQ, the point P
2. The mirror according to claim 1, wherein the angle of inclination of the reflecting surface is determined so that the normal of the curved surface in [1] bisects [Sigma] SPQ.
【請求項2】 レーザ発振器から出射されたレーザビー
ムの強度分布を一軸方向に関して所望の強度分布に変換
するための2枚のミラーに於いて、 当該2枚のミラーのうちの発光源側に位置する第1のミ
ラー上の任意の点Pに於けるミラー底面に対する反射面
の傾斜角度は、前記レーザビームの強度分布と変換した
い所望の強度分布とから当該2枚のミラーのうちの照射
面側に位置する第2のミラーの反射面上に求められる点
Tから決まる角度であり、 前記第2のミラー上の前記点Tに於ける反射面の傾斜角
度は、前記第1のミラー上の点Pと、照射面上に求めら
れる点Qとから決まる角度であり、 前記点Tが所望の強度分布のビーム幅を内分する比と、
前記点Qが所望の強度分布のビーム幅を内分する比とは
同一の値であり、 直線SPと直線PTとを含む平面内に於いて、前記点P
に於ける曲面の法線が∠SPTを2等分するように前記
第1のミラーの反射面の傾斜角度を定め、直線PTと直
線TQとを含む平面内に於いて、前記点Tに於ける曲面
の法線が∠PTQを2等分するように前記第2のミラー
の反射面の傾斜角度を定めたことを特徴とする2枚のミ
ラー。
2. A two-mirror for converting an intensity distribution of a laser beam emitted from a laser oscillator into a desired intensity distribution in one axial direction, wherein the two mirrors are located on a light source side of the two mirrors. The angle of inclination of the reflection surface with respect to the mirror bottom surface at an arbitrary point P on the first mirror is determined based on the intensity distribution of the laser beam and the desired intensity distribution to be converted, on the irradiation surface side of the two mirrors. Is the angle determined from the point T obtained on the reflection surface of the second mirror located at the position of the second mirror, and the inclination angle of the reflection surface at the point T on the second mirror is a point on the first mirror. P and an angle determined by a point Q obtained on the irradiation surface, and a ratio that the point T internally divides a beam width of a desired intensity distribution;
The ratio at which the point Q internally divides the beam width of the desired intensity distribution is the same value, and in the plane including the straight line SP and the straight line PT, the point P
The angle of inclination of the reflecting surface of the first mirror is determined so that the normal of the curved surface at the point divides ∠SPT into two equal parts, and at the point T in the plane including the straight line PT and the straight line TQ. The two mirrors are characterized in that the inclination angle of the reflection surface of the second mirror is determined so that the normal of the curved surface that divides it divides the PTQ into two equal parts.
【請求項3】 一軸方向に関して所望の強度分布を得る
位置からの距離を焦点距離として当該軸と直交する軸方
向を集束するシリンドリカルミラーまたは放物面ミラー
を、請求項1に記載のミラーまたは請求項2に記載の第
2のミラーの位置と所望の強度分布を得る位置との間に
配置したことを特徴とする集光光学系。
3. The mirror according to claim 1, wherein a cylindrical mirror or a parabolic mirror that focuses in an axial direction perpendicular to the axis with a focal length being a distance from a position at which a desired intensity distribution is obtained in one axial direction. 3. A condensing optical system, wherein the condensing optical system is arranged between the position of the second mirror described in item 2 and a position at which a desired intensity distribution is obtained.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014507014A (en) * 2011-02-14 2014-03-20 ヨーロピアン・モレキュラー・バイオロジー・ラボラトリー(イー・エム・ビー・エル) Light pad microscope
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