WO1988000108A1 - Laser beam forming apparatus - Google Patents

Description

明 細 書

レ ー ザ ビ ー ム 形成装置

発明 の技術分野

こ の発明 は レ ー ザ切断、 レ ー ザ溶接、 レ ー ザ焼入れ等 の レ ー ザ加工 に用 い ら れ る レ ー ザ ビ ー ム を形成す る 装置 に関 し 、 特に、 安定 し た かつ均一な エネ ルギ分布を有す る レ ー ザ ビ ー ム の形成装置 に関す る 。

発明の背景技術

光 ビー ム 、 例え ば レ ー ザ ビー ム光学系中 に 、 円筒状円 周面に鏡面仕上 げ し た 内部反射鏡を設け、 こ れを介 し て レ ー ザ ビー ム を均等な エ ネ ルギ密度 （エ ネ ルギ分布） で 集光せ し め る よ う に し た レ ー ザ ビー ム形成装置力く 日 本特 許公告昭和 5 7 年第 4 7 2 4 9 号公報に 開示 さ れて い る こ の よ う な 従来の装置 に お い て は、 内周面に鏡面仕上げ し た前記内部反射鏡を形成す る に は、 レ ー ザ ビ ー ム の 拳由 心 と 内部反射鏡の鏡面軸心 と を正確に一致 さ せな ければ な ら な い と 云 う 高精度な加工 と 組立て と が要求 さ れ る 。 し 力、 し 、 実際に は要求 さ れ る 高精度な 加工 と 組立て は不 可能に近 く 、 そ の結果、 均一な エ ネ ルギ分布を有す る レ 一ザ ビー ム を容易 に得 る こ と は困難で あ っ た。 さ ら に 、 照射対象物に照射 さ れ る レ ー ザ ビー ム の エ ネ ルギ分布 と 集光 レ ン ズ に入射 さ れ る 集光前の レ ー ザ ビー ム の エ ネ ル ギ分布 と が相似関係を持つ こ と か ら 、 集光前の レ ー ザ ビ ー ム の エ ネ ルギ分布が不均一で あ る と 、 対象物への照射 レ ー ザ ビー ム も 不均一に な る 。 例え ば、 レ ー ザ焼入れの 場合、 エネ ルギ分布の不均一な レ ーザ ビー ムが照射 され る と 、 硬化パ タ ー ン が不均一に な っ た り 、 部分的 に表面 溶融が発生 し て し ま う と云 う 不都合があ る。

—方、 格子状に分割 し た複数の ミ ラ ー を介 し て レ ーザ ビー ム を反射 さ せ、 各反射 レ ーザ ビー ム を同一箇所に集 光さ せ る こ と に よ っ て照射 レ ーザ ビー ムの エネ ルギ分布 を均一化さ せよ う と す る 、 所謂、 セ グ メ ン ト ミ ラ ー方式 も 既に良 く 知 られてい る 。 こ れに は次の よ う な欠点があ る 。 つ ま り 、 ミ ラ ー の加工や取付け に高い精度が要求さ れる ため に、 ミ ラ ー の制作費が高 く な る と共に、 レ ーザ ビー 厶形状が一定であ る め に、 レ ー ザ ビー ム照射対象 物毎に ミ ラ ー も交換 し な ければな ら な い こ とであ る 。

さ ら に、 照射 レ ー ザ ビー ム のエネ ルギ分布をよ り 均一 化せ し め る べ く 、 前記セ グ メ ン ト ミ ラ ー を介在 さ せた複 数の反射鏡を用 い た レ ーザ ビー ム形成装置が知 ら れてい る が、 反射鏡の数が多 く なればな る ほ ど レ 一ザ ビ ー ム の 出力低下が大き く な り 、 ま た装置全体が大型化する 上に 照射 レー ザ ビ ー ム の外側の エネ ルギ分布がすそ の の広い も の にな っ て し ま う 。

さ ら に ま た、 特に リ ン グ状の エネルギ分布を有す る レ 一ザ ビー ム の成形に関 し ては、 不安定型共振器を使用 し た装置が従来一般的に知 ら れて い るが、 形成 さ れた照射 レ ー ザ ビー ムの エネ ルギ分布に は安定性 と 均一性に欠け て い た。 こ れを改良す る た め に 、 傾斜偏心軸を有す る ミ ラ 一を高速で回転 さ せて見掛け状の リ ン グモ ー ドを有す る レ ー ザ ビー ム を形成す る 装置が開発 さ れて い る o し 、 し 、 こ の 改良装置 に おい て、 （ a ) 乇 一 タ 駆動部を持 つ て い る の で モ ー ド形成の安定性に欠 け る 、 （ b ) ビ一ム サ イ ズの 設定が困難であ る 、 ま た （ c ) 形成 さ れ る レ ー ザ ビー ム の エ ネ ルギ分布の良否は集光前の レ ー ザ ビ一ム が有す る ェ ネ ルギ分布の良否 に左右 さ れ る 、 と 云 つ た 問 題点が残 っ て い 0

発明 の 開示

本発明 は前記 し た従来装置 に お け る 欠点や問題点を解 決す る た め に な さ れた も のであ っ て、 そ の 目 的 は、 反射 に鏡面を形成す る 際 に高度の精度を必要 と せず、 ま た た と え集光 さ れた入射 ビー ム が不均一で あ っ て も 、 容 に 巨視的 に均一な エネ ルギ分布を有す る レ ー ザ ビー ム を 形成す る こ と ので き る レ ー ザ ビー ム 形成装置を提供す る こ と でめ る ο

本発明 の も う 一つ の 目 的 は、 反射率が極め て高 く な る よ う に鏡面仕上げ さ れた 内面を有す る 筒体の一端力、 ら レ ― ザ ビ一ム を入射せ し め、 該筒体内で多重反射 さ せ た 後 筒体の他端側に お い て多重反射 レ ー ザ ビー ム を合成す る よ う に し た レ ー ザ ビー ム 形成装置を提供す る こ と で あ る

^発明 の さ ら に も う 一つ の 目 的 は、 鏡面加工を施 し た 内面を有す る 円筒体中 に外面を鏡面加工 し た コ ー ン 状 ミ ラ ーを同心的 に配置 し た ス コ ー プの一側か ら 集光 レ ーザ ビー ム を入射 し 、 ス コ ー プの他側に リ ン グモ ー ドの レ ー ザ ビ ー ム を得る よ う に し た レ ーザ ビー ム形成装置を提供 す る こ と であ る 。

前記 し た諸 巨的を達成する た め に、 本発明の第一態様 に よれば、 少な く と も 1 個の集光 レ ン ズ と 1 個の結像 レ ン ズ と を含む レ ーザ ビー ム光学系中に、 こ の光学系を適 過す る レ ー ザ ビー ム を多重反射 さ せ る こ と に よ り 巨視的 に均一な エネ ルギ分布を有す る 所定 ビー ム形状に変化せ し め る 内面反射筒体を前記集光 レ ン ズ と結像 レ ン ズ と の 間 に介設 し た こ と を特徵 と す る レ ーザ ビー ム形成装置が 提供さ れ る 。

さ ら に、 本発明の第二態様に よれば、 前記 し た第一態 様の レ ーザ ビー ム形成装置に おい て、 内面反射筒体が レ 一ザ ビ ー ム の入射口の断面積に対 し て異な る 断面積を有 する 出射 口 を形成 し得 る よ う に傾斜 し た 内面を備え てい る こ と を特徵と す る レ ー ザ ビー ム形成装置が提供さ れ る ま た、 本発明の第三態様によ れば、 前記 し た第一態様 の レ ー ザ ビー ム形成装置に お い て、 内面反射筒体が折曲 し た レ ーザ ビー ム反射パイ プであ る こ と を特徵と す る レ 一ザ ビー ム形成装置が提供 さ れ る 。

ま た さ ら に、 本発明の第四態様に よ れば、 前記 し た第 一態様の レ ー ザ ビー ム形成装置におい て、 内面反射筒体 が円筒であ り 、 かつ その 中に外面を鏡面仕上げさ れた コ 一 ン 状 ミ ラ ー を同心的 に配置 し て リ ン グモ ー ドの レ ー ザ ビー ム を得 る よ う に し た こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビー ム 形成装置が提供 さ れ る 。

前記な ら びに他の 本発明 の利点、 態様、 そ し て 目 的 は 本発明 の原理に合致す る 好適な 具体例が実施例 と し て示 さ れて い る 以下の記述お よ び添付の 図面に関連 し て説明 さ れ る こ と に よ り 、 当該技術の熟達者に と っ て明 ら か に な る であ ろ う 。

図面の簡単な 説明

第 1 図 は本発明 の レ ー ザ ビ ー ム 形成装置 に 係 る 第一具 体例の光学系要部を示す概略側面図であ り 、

第 2 図お よ び第 3 図は第 1 図に お け る そ れぞれ Π — Π 線お よ び in - m線に沿 っ た側力、 ら の矢視図で あ り 、

第 4 図 は本 明 の レ ー ザ ビー ム 形成装置 に 係 る 第二具 体例の光学系要部を示す概略側面図で あ り 、

第 5 図お よ び第 6 図 は第 4 図 に お け る そ れぞれ V — V 線お よ び VI— VI線に沿 っ た 側か ら の矢視図であ り 、

第 7 図 は本発明 の レ ー ザ ビー ム形成装置 に係 る 第三具 体例の光学系要部を示す概略側面図で あ り 、

第 8 図お よ び第 9 図 は本発明 の レ ー ザ ビ ー ム 形成装置 に係 る 第 四お よ び第五具体例 の光学系要部を そ れぞれ示 す概略側面図であ り 、

第 1 ◦ 図 は本発明 の レ ー ザ ビ ー ム 形成装置 に 係 る 第六 具体例の光学系要部を示す概略側面図で あ り 、 第 1 1 図 は第 1 〇 図 に示 さ れ る レ ー ザ ビー ム 形成装置 に よ っ て形成 さ れる リ ン グモ 一 ド状の レ ー ザ ビ一厶 の説 明 図であ り 、 そ し て

第 1 2 図 は リ ン ダモ ー ド状の レ ー ザ ビー ム を利用 し た レ ー ザ焼入れの説明 図であ る 。

明 の最良の態様の説明

本発明の レ ー ザ ビー ム 形成装置に係 る 幾つ か の具体例 を添付の 図面に関連 し て以下詳細に説明す る ο

第 1 図 に第一実施例を示す。 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 D を単一ま た は複数領域にわた る 均一分布 ビー ム D ₂ に変換す る も の であ つ 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 o 3し集 ~ l 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 口力、 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 たがつ て こ れ ら の レ ン ズ 1 , 2 に代えて ミ ラ ー （ R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 寸法力《 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 。 W は所定の均一分布 ビー ム D 2 が照射 さ れ る ワ ー ク であ る ό 上記内面反射筒体 3 ほ 第 2 図、 第 3 図 に示す よ う に 、 ビー ム領域が四角 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 び下扳 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 ベ く 鏡 面仕上げ さ れて お り 、 必要に応 じ て上扳 .6 と 下板 7 に 角 度 （ 0 ) が付 け ら れ、 入 口 の大 き さ （断面積 X d 2 ) よ り 出 口 の大 き さ （断面積 d ' 1 X d ' 2 ) が小 さ く な る よ う に 、 あ る い は そ の逆 に設定 さ れ る 。 第 1 図で は両 側板 4 , 5 が互に平行で あ り 、 上、 下板 6 , 7 力 レ ー ザ ビー ム入 口 力、 ら 出 口 に 向力、 う に し た力く つ て互 に接近す る よ う に そ れぞれ角度 0 で傾斜せ し め ら れて い る 。 すな わ ち 、 内面反射筒体 3 を く さ び状 に 形成 し た も の が示 さ れ て い る 。 こ の場合、 第 2 図お よ び第 3 図 に 示す よ う に 、 入 口力 < d i X d 2 ( d ι = d 2 ) の正方形断面で、 出 口 が所定の大 き さ （ d ' 1 d ' 2 ) 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 一ザ 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 て上扳 6 と 下扳 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 ィ 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 の上扳 6 と下扳 7 を互 に平行に配置 し 、 導入さ れた レ ー ザ ビー ム を正方形断面 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 と下扳 7 が平行 （ 0 - 0 ) で正方形断面で あ る 場合は そ の筒長 L を次式の範囲 に取 る こ と に よ り 内 部の反射に よ つ て 巨視的な分布を均一にする こ とがで き 0

L - ( 3 〜 5 ) * d ， f Z D ( 1 ) ただ し 、 d は内面反射筒体 3 の辺長、 f は集光 レ ン ズ の 焦点距離、 D は入射 ビ ー ム の 直径であ る 。

ま た多 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 レ ー ザ ビー ム形成に寄与する 主 干渉縞数 N は、 次式で与え ら れ る 。

N = d ² / λ · L ( 2 ) た だ し 、 λ は入射 レ ーザ ビー ム の波長であ る 。 従 っ て、 正方形の照射 レ ー ザ ビー ム を形成 し ょ う と す る と き は、 次式

N = d * D Z ( 3 〜 5 ) * ;i * f ( 3 ) に よ っ て所定の干渉縞数が与え ら れ、 巨視的 に均一な 強 度 （エ ネ ルギ分布） を有す る 正方形の照射 レ ー ザ ビー ム を得 る 場合に は、 干渉縞数 N は管長 L に逆比例す る こ と に な る 。

—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 。

^ ( ョ 〜 ：！ ， /^ ( 4 ) そ し て干渉縞数 は長辺側で は次式で与え ら れ る 。

N ！ = d 1 , D / ( 3 〜 5 ) · λ · f ( 5 ) ま た一方、 短辺側で は

N 2 = d ！ - D / ( 3-5 ) - λ · f · ( d 2 )

( 6 )

と な る 。 た だ し d は長辺の長 さ 、 d ₂ は短辺の長 さ 、 ス は入射 ビ ー ム の波長、 f は集光 レ ン ズの 焦点路離、 D は入射 ビー ム の 直径、 N i は長辺 に そ っ て測 っ た 場合の 縞数、 N ₂ は短辺 に そ っ て測 っ た場合の縞数で あ る 。 そ れ故、 縦横比 （ d i / d 2 ) の大 き い矩形 ビ ー ム の場合 で は、 長辺側の干涉鎬数 N が適正で も短辺側の干渉縞 数 N ₂ 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、 かつ短辺側の缟数を十分多 ぐ 確保す る 必要があ る 場合に は、 d i 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 'よ る 。 —

そ こ で第 1 図〜第 3 図 に示 し た よ う に、 内面反射筒体 3 の上下の扳 6 , 7 に角度 0 を付け、 出 口断面は 目的の 大 き さ （ d ' ！ X d ' ₂ ) 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 （ d X d 2 ) 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、 干渉鎬数を独立に変化 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 側扳 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 で上記角度付ぎの 内面反射筒体 3 に よ る と 、 上 板 6 と下板 7 と が互に平行な場合よ 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 に末広力《 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 4 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 5 図、 第 6 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 6 , 7 , 8 , 9 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 た力く つ て中 間段の板 8 , 9 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 0 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 7 図 に第 3 実施例を示すが、 図の よ う に 内面反 射筒体 3 1 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 6 7 , 8 1 , 8 2 , 9 ' の距離を隔て、 かつ互 い に 異 な つ 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 1 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 1 2 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 1 の 各扳体 6 〜 9 ' 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 。 ま た 内 面反射筒休 3 はそ の ビー ム領域の断面が四方形の も の に 限 ら れず、 例え ば丸形の 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 と する こ と も可能であ る 。

次に、 本発明の第四お よ び第五具体例が第 8 図およ び 第 9 図を参照 し て それぞれ説明 さ れ る。

第 8 図 にお いて筒状の本体 1 3 内 に は レ ー ザ ビー ム 1 1 を集光する入口側集光 レ ン ズ 1 が設け ら れ、 そ の 出 口側 は内面反射筒体 と な る レ ー ザ反射パイ プ 3 2 を介 し て出 口側結像 レ ン ズ 2 に対向 し 、 レ ー ザ反射パ イ プ 3 2 は内 面が鏡面仕上げ加工 さ れて反射率の極め て良い も の と な り 、 かつ略 L 字状に直角 に折曲 し てい る と 共に、 出 口側 結像 レ ン ズ 2 は ワ ー ク W の側面 S と 対向 し てい る 。

し か し て、 不均一分布 D τ を有す る 入射 レ ー ザ ビー ム 1 1 は入口 側集光 レ ン ズ 1 で集光 さ れた後に レ ーザ反射 パ イ プ 3 2 内に照射 さ れ、 レ ー ザ反射パイ プ 3 2 の 内面 で多重反射を行な い レ ー ザ反射パ イ プ 3 2 の 出 口 に て合 成 さ れてエ ネ ルギ分布が均一でかつ完全な矩形状 と な る の で 、 出 口側結像 レ ン ズ 2 よ り ワ ー ク W の側面 S に照 射 さ れ る レ ー ザ ビ ー ム の エ ネ ノレギ分布 は第 8 図 D ₂ に 示 す よ う に均一でかつ完全な矩形状 と な る 。

ま た 、 第 9 図 に示す よ う に 円筒状の ワ ー ク W ₂ の 内面 S ， に レ ー ザ ビ ー ム を照射す る 場合 は 出 口 側锆像 レ ン ズ を省略 し て レ ー ザ反射パ イ プ 3 2 の 出 口 を ワ ー ク W ₂ の 内面 S i に 直接対向 し て も 良い。

こ の よ う にすれば、 レ ー ザ反射パイ プ 3 2 の 出 口 と ヮ ー ク W ₂ の 内面 S と の距離 £ が短力、 く な る と 共 に 、 レ 一ザ ビ ー ム の エネ ルギ分布 は第 2 図 D ₂ に示す よ う に均 —で矩形状 と な る 。

な お、 各集光 レ ン ズや レ ー ザ反射パ イ プ 3 2 は必要に 応 じ て水冷等の 冷却を施 こ す も の と す る 。

上記第四お よ び第五具体例の特徵 は、 第一か ら 第三具 体例 と 同様の コ ン パ ク 卜 で安価な装置 に よ っ て均一な ェ ネ ルギ分布を有す る レ ー ザ ビー ム を照射可能 と す る ほ か に 、 所望の場所へ方向転換 し て レ ー ザ ビー ム を照射す る こ と を可能 にす る こ と であ る 。

さ ら に 、 第 1 0 図か ら 第 1 2 図を参照 し て本発明 の第 六具体例が以下 に説明 さ れ る 。

第 1 ◦ 図 に お い て、 参照数字 3 3 a は 円筒状の 内面反 射筒体で、 そ の 内面 は鏡面仕上げが施 さ れて お り 、 ま た 内部に は外周面が鏡面仕上げ さ れた コ ー ン状の ミ ラ ー 3 3 b が同心的 に配置 さ れてい る 。 内面反射筒体 3 3 a と ミ ラ ー 3 3 b と 力、 ら ス コ ー プ 3 3 が形成 さ れてい る。 ま た、 参照数字 1 はス コ ー プ 3 3 の入口側に設け た集光 レ ン ズであ り 、 2 は出 ロ側に設けた锆像 レ ン ズであ る 。 こ れ ら の集光およ び結像 レ ン ズ 1 ， 2 はそれぞれス コ ー プ 3 3 の 円筒中心軸線上にそれ ら 各々 の光軸の中心が― 致す る よ う に配置さ れてい る 。 1 1 は不均一な エネ ルギ 分布 D _¾ を有す る 入射 レ ー ザ ビー ム であ り 、 こ れが多重 反射を起 こ すス コ ー プ 3 3 を含む第六具体例の光学系を 通過せ し め ら れる こ と に よ っ て ワ ー ク W上に第 1 1 図 に 示すよ う な均一なエネ ルギ分布 D ₂ を有す る リ ン グ状の レ ーザ ビー ムが照射され得る 。

こ の第六具体例の特徵は リ ン グモ ー ドの レ ー ザ ビー ム を得 る ため に、 前記 し た通 り 内面反射円筒体 3 3 a 内 に コ ー ン状の ミ ラ ー 3 3 b を単に同心的 に配置 し た こ と で あ り 、 何の駆動部 も持た な い た め、 形成 さ れ る 均一エネ ルギ分布の レ ーザ ビー ム の安定性が良 く な る 。 そ の上、 レ ーザ ビー ム の大き さ を任意に設定で き る 利点 も 有 し て い る 。

なお第 1 2 図は こ の装置の用途と し て リ ン グモ ー ドに よ る シ ー ト 面の レ ーザ焼入れを示 し た も の であ る 。 こ の よ う に 円筒状の シ ー 面を レ ー ザ焼入れす る 場合、 例え ばス ポ ッ ト ビー ム に よ る 移動焼入れ等の従来法では、 焼 入れ終点部で軟化層 （つ な ぎ 目 ） が生 じ る が、 こ の発明 の よ う に リ ン グ状モ ー ドに よ っ て照射加熱す る と 、 軟化 層の な い 健全な焼入れが可能 と な る 。

以上の説明 は単 に本発明 の好適 な実施具体例の例証で あ り 、 本発明の範囲 は こ れに 限定 さ れ こ と は な い。 本発 明 に関す る 更に多 く の変形例や改造例が本発明 の範囲を 逸脱す る こ と な く 当該技術の熟達者 に と っ てみれ.は容易 に達成 さ れ得 る 。

Claims

請求の範囲

1 . 少な く と も 1 個の集光 レ ン ズ と 1 個の結像 レ ン ズ と を含む レ ーザ ビ ー ム光学系中の前記集光 レ ン ズ と前記結 像 レ ン ズと の 間 に設け ら れ、 前記光学系を通過す る レ 一 ザ ビ ー ム を多重反射さ せ る こ と に よ つ て 巨視的 に均一な エネ ルギ分布を有す る 所定 ビー ム形状に変化せ し め得る よ う に内面に鏡面仕上げが施 さ れた 内面反射筒体を具備 し た こ と を特徵 と する レ ー ザ ビー ム形成装置。

2 . 請求の範囲第 1 項記載の レ ー ザ ビー ム形成装置であ つ て、 前記内面反射筒体がと も に 四角形の レ ーザ ビー ム 入口 と 同出 口 と を有する こ と を特徵とす る レ ー ザ ビ一ム 形成装置。

3 . 請求の範囲第 1 項記載の レ ー ザ ビ ー ム形成装置であ つ て、 前記内面反射筒体が円筒体状を有す る こ と を特徴 と する レ ー ザ ビー ム形成装置。

4 請求の範囲第 2 項記載の レ ーザ ビー ム.形成装置であ つ て、 前記四角形の 内面反射筒体が、 互に平行.な両側扳 と 、 こ れ ら両側板の 間 に位置変更自 在に配設さ れた上 ♦ 下扳と か ら 成 る こ と を特徵と す る レ ー ザ ビー ム 形成装.置

5 . 請求の範囲第 3 項に記載の レ ー ザ ビー ム形成装置で あ っ て、 前記円筒状の 内面反射筒体が折曲 し た レ ー ザ ビ ー ム反射パ イ プであ る こ と を特徴とす る レ ー ザ ビー ム形 成装置。

6 . 請求の範囲第 3 項記載の レ ー ザ ビー ム形成装置で あ つ て、 前記円筒状の 内面反射筒体が、 そ の 中 に外面を鏡 面仕上げ さ れた コ ー ン状 ミ ラ ー を同心的 に配設 し た ス コ ー プであ り 、 そ れに よ つ て リ ン グモ ー ドの レ 一 ザ ビ ー ム を形成 し 得 る よ う に し た こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビ ー ム 形成装置。

7 . 請求の範囲第 2 項記載の レ ー ザ ビ ー ム 形成装置であ つ て、 前記四角 形の 内面反射筒体が レ ー ザ ビー ム 入 口 の 断面積 に対 し て異な る 断面積を有す る 出 口 を有す る こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビ ー ム 形成装置。

8 . 請求の範囲第 2 項記載の レ ー ザ ビー ム 形成装置で あ つ て、 前記四角 形の 内面反射筒体が、 いずれ も 位置変更 自 在な両側板な ら びに上 · 下板 と か成 る こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビー ム形成装置。

9 . 請求の範囲第 3 項記載の レ ー ザ ビー ム 形成装置で あ っ て、 前記円筒状の 内面反射筒体が レ ー ザ ビー ム 入 口 の 断面積 に対 し て異な る 断面積を有す る 出 口 を有す る こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビ ー ム 形成装置。

1 0 . 請求の範囲第 2 項記載の レ ー ザ ビ ー ム 形成装置で あ っ て、 前記出入 口 が複数の ビー ム領域を形成 し 得 る よ う に複数の板に よ っ て分割 さ れて い る こ と を特徵 と す る レ ー ザ ビ ー ム 形成装置。

1 1 . 請求の範囲第 7 項記載の レ ー ザ ビー ム 形成装置で あ っ て、 前記内面反射筒体の 出 口 断面積が入 口 断面積 よ り も 小 さ い こ と を特徴 と す る レ ー ザ ビ ー ム 形成装置。 ― 丄 8 ―

1 2 . 請求の範囲第 1 項記載の レ ーザ ビ ー ム形成装置で あ っ て、 前記集光 レ ン ズ と し て シ リ ン ダ レ ン ズま た は シ リ ン ダ鏡 と 凸 レ ン ズと の組み合わせが用 い ら れ る こ と を 特徵とす る レ ーザ ビ ー ム形成装置。

1 3 . 請求の範囲第 1 項記載の レ ーザ ビー ム形成装置で あ っ て、 前記集光 レ ン ズ と し て球面鏡が用 い ら れる こ と を特徵と す る レ ー ザ ビ ー ム形成装置。