WO2021106256A1 - ビーム結合装置、及びレーザ加工機 - Google Patents

ビーム結合装置、及びレーザ加工機 Download PDF

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light
optical
coupling device
light beam
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陽介 淺井
市橋　宏基
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パナソニック株式会社
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    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the present disclosure relates to a beam coupling device and a laser machine equipped with a beam coupling device.
  • Patent Document 1 discloses a wavelength synthesis type laser system in which individual light beams are superposed to form a coupled beam. Patent Document 1 discloses that light beams from a plurality of diode bars are focused on an optical fiber from the viewpoint of increasing the light output. Further, for the purpose of miniaturizing the laser system, an optical system for removing the arrangement of the coupling lens in wavelength synthesis from the focal length is separately included, and the beam rotor is rotated.
  • the present disclosure provides a beam coupling device capable of coupling a plurality of light beams at high density, and a laser processing machine including the beam coupling device.
  • the beam coupling device includes a light source, a plurality of optical units, and a coupling optical system.
  • the light source includes a plurality of light source elements arranged in the first and second directions intersecting with each other, and emits a plurality of light beams having a ray direction intersecting the first and second directions from each light source element.
  • the plurality of optical units guide each light beam for each set of light source elements arranged in the first direction in the light source.
  • the coupled optical system couples a plurality of light beams guided to each optical unit.
  • Each optical unit directs the light beam from each light source element to the coupled optical system by outwardly directing the light beam direction from the light source element located outside in the first direction in the set of light source elements. To do.
  • the laser processing machine includes the above-mentioned beam coupling device and a processing head that irradiates a processing object with a light beam coupled by the beam coupling device.
  • a plurality of light beams can be coupled at high density in the beam coupling device.
  • Block diagram illustrating the configuration of the laser processing machine according to the first embodiment of the present disclosure The figure which shows the whole structure of the beam coupling apparatus which concerns on Embodiment 1.
  • the figure explaining the outward direction of the outer main ray in a beam coupling device The figure explaining the coupling optical system in a beam coupling apparatus
  • the figure explaining the focal length of the cylindrical lens of the coupling optical system The figure which illustrates the basic structure of the optical unit in a beam coupling apparatus Perspective view showing a configuration example of a beam twister unit in an optical unit
  • the figure which shows the structural example 2 of the outer optical unit in a beam coupling apparatus The figure which shows the Example of the beam coupling apparatus of Embodiment 1.
  • Sectional drawing of the optical unit of FIG. An optical path diagram illustrating a main ray in the optical unit of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the laser processing machine 1 according to the present embodiment.
  • the laser machining machine 1 includes, for example, a beam coupling device 2, a transmission optical system 10, a machining head 11, and a controller 12.
  • the laser processing machine 1 is a device that irradiates various processing objects 15 with laser light to perform various laser processing.
  • Various laser processes include, for example, laser welding, laser cutting, and laser perforation.
  • the beam coupling device 2 includes a laser light source 30, a plurality of optical units 4-1 to 4-3, and a coupling optical system 20.
  • the laser light source 30 includes a plurality of LD bars 3-1 to 3-3 in the present embodiment.
  • the LD bars 3-1 to 3-3 may be collectively referred to as “LD bar 3”
  • the optical units 4-1 to 4-3 may be collectively referred to as "optical unit 4".
  • the LD bar 3 is composed of an array of light source elements including a plurality of LDs (laser diodes) arranged one-dimensionally.
  • the plurality of LD bars 3 are juxtaposed in the beam coupling device 2 in a direction orthogonal to the arrangement direction, for example, with the arrangement direction of each LD oriented in parallel.
  • the number of LD bars 3 in the beam coupling device 2 is shown in the example of three, but is not particularly limited, and may be two or four or more.
  • the direction in which a plurality of LDs are arranged in the LD bar 3 is referred to as an "X direction”
  • the direction in which the plurality of LD bars 3-1 to 3-3 are arranged is referred to as a “Y direction” and is orthogonal to the X and Y directions.
  • the direction to do is called "Z direction”.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment performs space synthesis type beam coupling in which a large number of light beams emitted by each LD of a plurality of LD bars 3 spatially arranged in the laser light source 30 are coupled, for example, a laser.
  • This is a device that supplies the laser beam of the processing machine 1.
  • a beam coupling device 2 capable of performing beam coupling at a high density with a small beam diameter is provided.
  • a plurality of optical units 4 are provided, for example, as many as the number of LD bars 3.
  • One optical unit 4 is an optical system that guides a light beam from each LD by one LD bar 3 to the coupling optical system 20.
  • the coupling optical system 20 is an optical system that couples the light beams from each optical unit 4 in the beam coupling device 2. The beam coupling device 2 will be described later.
  • the transmission optical system 10 includes, for example, an optical fiber arranged so that a light beam coupled by the coupling optical system 20 is incident, and transmits the laser light from the beam coupling device 2 to the processing head 11.
  • the processing head 11 is, for example, a device that is arranged to face the processing object 15 and irradiates the processing object 15 with laser light transmitted from the beam coupling device 2.
  • the controller 12 is a control device that controls the overall operation of the laser processing machine 1.
  • the controller 12 includes, for example, a CPU or MPU that cooperates with software to realize a predetermined function.
  • the controller 12 includes an internal memory such as a flash memory for storing various programs and data.
  • the controller 12 may be provided with various interfaces capable of inputting oscillation conditions and the like by the operation of the user. Further, the controller 12 may be provided with a hardware circuit such as an ASIC or FPGA that realizes various functions. Further, the controller 12 may be integrally configured with the drive circuit of the laser light source 30.
  • Beam coupling device 2 The beam coupling device 2 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of the beam coupling device 2.
  • FIG. 2A shows a side view of the beam coupling device 2 as viewed from the X direction.
  • FIG. 2B shows a plan view of the beam coupling device 2 as viewed from the Y direction.
  • each LD bar 3 is arranged on the ⁇ Z side of a separate optical unit 4.
  • Each optical unit 4 includes a BTU (beam twister unit) 40 arranged to face the LD bar 3, and a SAC (slow axis collimator) 45 arranged on the + Z side of the BTU 40.
  • the coupled optical system 20 is arranged on the + Z side of the optical unit 4, and includes an axisymmetric condensing lens 21 and a cylindrical lens 22 arranged between the condensing lens 21 and the optical unit 4.
  • FIG. 2B illustrates the five LD31a, 31b, 31c, 31d, and 31e in the LD bar 3.
  • the number of LDs 31a to 31e contained in one LD bar 3 is, for example, tens to hundreds.
  • the plurality of LDs 31a to 31e in the LD bar 3 are an example of a set of light source elements in the laser light source 30 of the present embodiment.
  • the generic name of LD31a to 31e may be referred to as "LD31".
  • Each LD 31 constitutes an emitter of the LD bar 3 and emits a light beam to the + Z side.
  • FIGS. 2A and 2B exemplify the beam coupling position P1 which is the result of coupling the light beam by the beam coupling device 2.
  • the beam coupling position P1 is set to a position where the beam diameter including the light beam emitted from each of the LDs 31a to 31e of all the LD bars 3-1 to 3-3 is minimized, for example.
  • the incident end of the optical fiber of the transmission optical system 10 described above is arranged at the beam coupling position P1.
  • FIG. 2A illustrates the main ray L1 of the light beam from the outer LD bar 3-1 in the Y direction and the main ray L2 of the light beam from the central LD bar 3-2.
  • FIG. 2B illustrates the main ray La of the light beam from the outer LD31a in the X direction and the main ray Lc of the light beam from the central LD31c.
  • the central LD31c in the X and Y directions travels straight through the opposing optical unit 4 and the coupling optical system 20 and has a main ray Lc parallel to the Z direction.
  • the outer LD bars 3-1 of the plurality of LD bars 3 arranged in the Y direction emit light.
  • the corresponding optical unit 4 is configured so as to direct the main ray L1 of the light beam to be inward (details will be described later).
  • the optical unit 4 on the upper side (+ Y side) in the drawing tilts the main ray L1 of the light beam from the Z direction to the lower side ( ⁇ Y side).
  • the beam coupling position P1 in the Y direction where the main rays L1 and L2 intersect between the LD bars 3 is located on the ⁇ Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment transmits the main ray La of the light beam from the outer LD31a. It is configured to be extroverted. As a result, as will be described in detail later, the beam diameter itself at the time of coupling of each light beam can be reduced, and the density of the light beam incident on the coupled optical system 20 can be increased. Further, in order to match the beam coupling position P1 in the X direction and the Y direction, the beam coupling device 2 of the present embodiment uses a cylindrical lens 22 for the coupling optical system 20. The details of the beam coupling device 2 will be described below.
  • FIG. 3A illustrates the optical paths of various light rays in the beam coupling device 2 when the cylindrical lens 22 is not provided.
  • the various light rays include the main light rays La and Lc and their peripheral light rays as in FIG. 2 (B).
  • FIG. 3A exemplifies an optical path before and after directing the main ray La on the outside in the X direction.
  • the optical image of the surface on the + Z side of the BTU 40 illustrates the imaging position P2 imaged by the condenser lens 21.
  • the beam diameter per LD31 is minimized.
  • the beam diameters of the light beams of the plurality of LDs 31a to 31e are minimized at the positions where the main rays intersect with each other.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment by directing the main ray La of the light beam from the outer LD31a outward, the position P11 where the main rays La and Lc intersect becomes the + Z side from the focal position P0. That is, the crossing position P11 of the main rays La and Lc can be brought closer to the imaging position P2 by the outward direction of the outer main ray La.
  • FIG. 3B shows an enlarged view of a region near the focal position P0 of the condenser lens 21 in FIG. 3A.
  • the beam diameter B0 of each LD31 becomes larger than the imaging position P2 because it is far from the imaging position P2.
  • a smaller beam diameter B11 is obtained for each LD 31 because it is closer to the imaging position P2 than the focal position P0.
  • the beam diameter at the time of coupling can be reduced not only from the viewpoint of synthesizing a plurality of light beams but also from the viewpoint of individual light beams.
  • high-density beam coupling can be realized and beam quality can be improved.
  • intersection position P11 illustrated in FIGS. 3A and 3B is on the + Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21, and the beam coupling position when the outer main ray is directed inward in the Y direction.
  • a new problem of deviating from P1 can be considered. Therefore, in the present embodiment, a cylindrical lens 22 having a positive refractive power only in the X direction is used in the coupling optical system 20 to eliminate the mismatch between the X and Y directions.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the action and effect of the cylindrical lens 22 of the coupled optical system 20 in the beam coupling device 2 of the present embodiment.
  • 4 (A) and 4 (B) exemplify the optical paths of the main rays La and Lc similar to those in FIGS. 3 (A) and 3 (B) in the beam coupling device 2 including the cylindrical lens 22.
  • the focal position P10 of the coupling optical system 20 as a whole is ⁇ Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21 in the X direction. ..
  • the position where the main rays La and Lc when outward in the X direction intersect with each other, that is, the beam coupling position P1 is replaced with the focal position P0 of the condenser lens 21 in the examples of FIGS. 3A and 3B.
  • it is on the + Z side from the above focal position P10. Therefore, it is possible to bring the beam coupling position P1 closer to the imaging position P2 within the range on the ⁇ Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21 and reduce the beam diameter in the same manner as in the above example.
  • the cylindrical lens 22 does not have a refractive power in the Y direction, it does not particularly interfere with the main ray L1 inward in the Y direction as shown in FIG. 2 (A). Therefore, the beam coupling position P1 in the Y direction can be maintained on the ⁇ Z side from the focal position P0 of the condenser lens 21 regardless of the presence or absence of the cylindrical lens 22. Therefore, according to the coupling optical system 20 of the present embodiment, due to the refractive power in the X direction larger than the Y direction, the beam coupling position P1 in the X direction and the Y direction as shown in FIGS. Can be matched.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the focal length D2 of the cylindrical lens 22.
  • the cylindrical lens 22 has a relatively long focal length D2, for example, equal to or greater than the focal length of the condenser lens 21.
  • the focal length D2 of the cylindrical lens 22 is, for example, from the position P20 at the intersection of the extension line Ea of the main ray La outwardly directed outward in the X direction toward the ⁇ Z side and the extension line Ec of the central main ray Lc to the cylindrical lens 22.
  • Distance to D1 may be shorter.
  • the extension line Ec corresponds to, for example, the optical axis of the condenser lens 21.
  • the refractive power of the cylindrical lens 22 is applied to the cylindrical lens 22 in a state where the main ray La outside in the X direction is directed outward, and then when it is emitted to the condenser lens 21. It may be such that the light ray La is directed inward. According to such a refractive power, the main rays La and Lc can be intersected with each other on the ⁇ Z side of the focal position P0 of the condenser lens 21.
  • the distance between the cylindrical lens 22 and the BTU 40 may be set to the focal length D2 of the cylindrical lens 22.
  • the cylindrical lens 22 is used for the coupling optical system 20 has been described, but the cylindrical lens 22 does not necessarily have to be used.
  • various optical systems having a positive refractive power larger than that in the Y direction in the X direction may be adopted in the coupling optical system 20.
  • the coupling optical system 20 as a whole has the same refractive power in the X and Y directions as the configuration of FIG. 2, the beam coupling position P1 in the X and Y directions can be matched in the same manner as described above.
  • FIG. 6 illustrates the basic configuration of the optical unit 4.
  • FIG. 6A shows a plan view of the optical unit 4 in the basic configuration.
  • FIG. 6B shows a side view of the optical unit 4 of FIG. 6A.
  • 6 (A) and 6 (B) illustrate the optical path of the light beam from one LD31.
  • the BTU 40 in the optical unit 4 includes a BT (beam twister) 50 and a FAC (fast axis collimator) 41.
  • FAC41, BT50, and SAC45 are arranged in order from the vicinity of LD31 to the + Z side.
  • the LD31 emits a light beam having a fast axis Af and a slow axis As.
  • the fast-axis Af of the light beam expands the beam diameter more rapidly than the slow-axis As, and it is easy to obtain good beam quality.
  • the fast axis Af of the light beam is oriented in the Y direction and the slow axis As is oriented in the X direction.
  • the FAC 41 is provided for collimating a light beam on the fast axis Af, and is composed of, for example, a cylindrical lens having a positive refractive power.
  • the FAC 41 is arranged with the longitudinal direction facing the X direction, for example, as shown in FIGS. 6A and 6B.
  • the light beam from the LD 31 is collimated by the FAC 41 in the Y direction (that is, the fast axis Af) and is incident on the BT 50.
  • FIG. 7 shows a configuration example of the BT50.
  • the BT 50 is, for example, an optical element that rotates a plurality of light beams, and includes a plurality of oblique lens portions 51.
  • the oblique lens portion 51 is a portion of the BT50 that constitutes a lens for each LD31, and constitutes, for example, a cylindrical lens.
  • the BT 50 is formed so as to arrange a plurality of oblique lens portions 51 at a predetermined pitch in the longitudinal direction, for example.
  • the oblique lens portion 51 is inclined by 45 ° with respect to both the arrangement direction and the thickness direction of the BT50, for example.
  • the pitch of the oblique lens unit 51 is, for example, the same as the pitch between the LDs 31 in the LD bar 3.
  • the BT50 rotates the light beam incident from the LD31 via the FAC41 by a rotation angle of 90 ° in the XY plane.
  • the slow axis As of the light beam emitted from the BT50 is oriented in the Y direction
  • the fast axis Af is oriented in the X direction.
  • the light beam at the time of emission of the BT50 becomes divergent light in the Y direction and parallel light in the X direction.
  • the SAC 45 is provided to collimate the light beam on the slow axis As, and is composed of, for example, a cylindrical lens having a positive refractive power.
  • the SAC 45 is arranged with the longitudinal direction facing the X direction, for example, as shown in FIGS. 6A and 6B.
  • the light beam from the BT50 is collimated by the SAC45 in the Y direction (that is, the slow axis As) and emits the optical unit 4.
  • the light beam emitted from each LD 31 of the LD bar 3 is basically collimated in the fast axis Af and the slow axis As.
  • the beam diameter at the time of coupling can be widened as an effect of waves from the + Z side surface of the BT50, especially in the fast axis Af.
  • the optical unit 4 of the present embodiment it is possible to reduce the above-mentioned influence and reduce the beam diameter by the outward direction of the outer main ray in the X direction and the coupling optical system 20.
  • the outward and inward directions of various main rays are realized by utilizing the basic functions of each part of the optical unit 4 as described above.
  • a configuration example of such an optical unit 4 will be described.
  • FIG. 8 shows a configuration example of the optical unit 4 in the beam coupling device 2 of the present embodiment.
  • FIG. 8 shows a front view of the optical unit 4 as seen from the ⁇ Z side together with the LD31a to 31e.
  • each optical unit 4 is configured as shown in FIG. 8 from the viewpoint of directing each of the outer main rays in the X direction.
  • the BTU 40 is arranged so as to rotate the longitudinal direction from the X direction by a predetermined rotation angle ⁇ o with the position where the main ray of the central LD31c passes on the XY plane as the rotation axis. (For example, 0.001 ° ⁇ ⁇ o ⁇ 1 °).
  • the direction of the rotation angle ⁇ o is clockwise in the drawing, and is a direction in which the extending direction of the cylindrical lens 22 in the BT50 increases the angle of inclination with respect to the X direction.
  • the rotation angle ⁇ o may be common among the plurality of optical units 4 or may be set separately.
  • 9 (A) to 9 (C) exemplify the optical path in the optical unit 4 of this configuration example.
  • 9 (A) corresponds to the AA cross section of the optical unit 4 of FIG.
  • the AA cross section is an XZ plane in which each of the LDs 31a to 31e of the LD bar 3 is located.
  • 9 (B) and 9 (C) correspond to the BB sectional view and the CC sectional view in FIG. 9 (A), respectively.
  • the BB cross section is the YZ plane where the central LD31c is located.
  • the CC cross section is the YZ plane on which the outer LD31a is located.
  • the positional relationship between the LD31a and the BTU40 shifts as the LD31a moves away from the center in the X direction according to the rotation angle ⁇ o of the BTU40 in the XY plane (FIG. 9A).
  • 9 (B), (C) Therefore, for example, as shown in FIG. 9C, the main ray La of the outer LD31a has an inclination from the Z direction to the Y direction when ejected from the FAC 41.
  • the light beam from the LD31 rotates in the BT50 by 90 ° in the XY plane. Therefore, the inclination of the main ray La of the outer LD31a is converted into the inclination in the X direction, for example, as shown in FIG. 9A.
  • the more the LD31 is located on the outer side the more the main ray can be directed outward in the X direction according to the rotation angle ⁇ o of the BTU 40.
  • FIG. 9C since the positional relationship between the BTU 40 and the SAC 45 is displaced with respect to the outer LD31a, the main ray La can be inclined in the Y direction after being emitted from the SAC 45. However, such an inclination can be kept slight.
  • Example of configuration inward in the Y direction In the beam coupling device 2 of the present embodiment, in addition to the above configuration, it corresponds to the outer LD bar 3-1 from the viewpoint of inwarding the outer main ray L1 in the Y direction.
  • the optical unit 4-1 is partially modified from the above-mentioned basic configuration. Such a configuration example will be described with reference to FIGS. 10 and 11.
  • FIG. 10 shows a configuration example 1 of the outer optical unit 4-1 in the Y direction.
  • the SAC 45 shifts inward (for example, ⁇ Y side) by a predetermined shift width ⁇ Y from the same position as the central optical unit 4. Be placed.
  • the main ray L1 can be shifted from the optical axis collimating the light beam incident on by the SAC 45, and the light beam emitted from the outer optical unit 4-1 can be directed inward.
  • the shift width ⁇ Y defines a width that shifts the optical axis of the SAC 45 from the position where the main ray L1 is incident on the SAC 45, depending on the degree to which the main ray L1 is directed inward.
  • the distance between L1 and L2 is smaller than the distance between the optical units 4-1 and 4-2. Therefore, the number of optical units 4 and LD bars 3 that are spatially combined by the condenser lens 21 can be increased, and the light output by spatial composition can be increased in the beam coupling device 2.
  • the shift width ⁇ Y is set as large as the outer optical unit 4.
  • the inclination of the optical unit 4 located on the outer side in the Y direction to inward the main ray is increased so that the positions where the main rays intersect are matched.
  • FIG. 11 shows a configuration example 2 of the outer optical unit 4-1 in the Y direction.
  • the outer optical unit 4-1 in the Y direction is arranged so as to be tilted inward by a predetermined inclination angle ⁇ i in the YZ plane from the same direction as the central optical unit 4.
  • the inclination angle ⁇ i is appropriately set according to the degree to which the main ray L1 is directed inward.
  • the light beam emitted from the outer optical unit 4-1 can be directed inward as in the configuration example 1.
  • the SAC 45 may not be tilted and only the BTU 40 may be tilted.
  • the LD bar 3 may or may not be tilted according to, for example, the orientation of the corresponding optical unit 4.
  • Example 1 Example An embodiment relating to the configuration example of the beam coupling device 2 of the present embodiment as described above will be described below.
  • the effect of matching the beam coupling position P1 between the X and Y directions was confirmed.
  • FIG. 12 shows the simulation results of the beam coupling device 2 of the present embodiment.
  • the numerical calculation of the main ray on the + X side was performed.
  • Each row in the figure shows the numerical calculation result when the main ray passes through each part of the beam coupling device 2 for each surface number from the object side (that is, -Z side) to the image side (that is, + Z side).
  • the beam coupling device 2 includes a laser light source 30 which is an example of a light source, a plurality of optical units 4, and a coupling optical system 20.
  • the laser light source 30 includes a plurality of LD31s as an example of a plurality of light source elements arranged in the X direction which is an example of the first direction and the Y direction which is an example of the second direction intersecting the first direction.
  • the laser light source 30 emits a plurality of light beams having light directions intersecting the X and Y directions from each LD 31.
  • the ray direction of each LD31 is defined by, for example, the main ray of each light beam.
  • the plurality of optical units 4 guide each light beam for each LD bar 3, which is an example of a set of LD 31s arranged in the X direction in the laser light source 30.
  • the coupling optical system 20 couples a plurality of light beams guided to each optical unit 4.
  • Each optical unit 4 directs the light beam direction (for example, the main light ray La) of the light beam from the LD 31a located outside in the X direction in the LD bar 3, and combines the light beam from each LD 31 with the coupling optical system 20. Guide light to.
  • the position where the main rays of each LD 31 intersect in the X direction can be brought closer to the imaging position from the focal position of the coupling optical system 20.
  • the beam diameter of the light beam at the time of coupling can be reduced, and a plurality of light beams can be coupled at high density.
  • the first and second directions do not have to be perpendicular to each other, and may intersect within an angle range of the margin of error as appropriate.
  • the coupled optical system 20 has a positive refractive power larger in the X direction than in the Y direction.
  • the plurality of optical units 4 are the light beams from the LD 31 of the LD bar 3-1 located on the outer side of the LD bars 3-1 and 3-2 including the plurality of LD 31s arranged in the Y direction in the laser light source 30.
  • the ray direction (for example, the main ray L1) is directed inward.
  • the light beam can be supplied to the coupling optical system 20 at a narrower interval than the interval between the optical units 41 in the Y direction, and the output of the beam coupling device 2 can be increased by spatial synthesis. Further, in such a case, the beam coupling position P1 having the minimum beam diameter can be matched in each of the X and Y directions based on the refractive power of the coupling optical system 20.
  • the coupling optical system 20 includes an axisymmetric condensing lens 21 and a cylindrical lens 22 having a positive refractive power in the X direction.
  • the refractive power of the cylindrical lens 22 can be set, for example, so that the light beam direction of the light beam from the outer LD31a in the X direction is directed from the outward direction at the time of incident to the inward direction at the time of emission.
  • the cylindrical lens 22 can be provided with a refractive power that causes the light beam direction of the light beam from the LD 31a outside the X direction to be directed inward at the time of emission.
  • each optical unit 4 includes a SAC 45, which is an example of a collimator lens that collimates each light beam from the LD 31 of the LD bar 3 in the Y direction.
  • SAC 45 is an example of a collimator lens that collimates each light beam from the LD 31 of the LD bar 3 in the Y direction.
  • the SAC 45 of the optical unit 4-1 located on the outer side in the Y direction is arranged at a position where the incident light beam is directed inward.
  • the inward direction of the main ray L1 on the outer side in the Y direction can be realized.
  • the optical unit 4 includes a BTU 40 that rotates each light beam from the LD 31 of the LD bar 3.
  • the BTU 40 is arranged at a rotation angle ⁇ o that makes the light beam direction of the light beam from the LD 31a located outside in the X direction outward with respect to the LD bar 3.
  • the laser processing machine 1 includes a beam coupling device 2 and a processing head 11 that irradiates an object to be processed with a light beam coupled by the beam coupling device 2.
  • a plurality of light beams can be coupled at high density by the beam coupling device 2.
  • the beam coupling device 2 according to the present embodiment will be described by omitting the description of the same configuration and operation as the laser processing machine 1 and the beam coupling device 2 according to the first embodiment as appropriate.
  • FIG. 13 shows a configuration example of the BT50A of the optical unit 4A in the second embodiment.
  • the beam coupling device 2 of the present embodiment includes an optical unit 4A that replaces the optical unit 4 of FIG. 8 in the same configuration as that of the first embodiment.
  • the optical unit 4A of the present embodiment includes, for example, the BT50A of the configuration example of FIG. 13 instead of the BT50 having the rotation angle ⁇ o in the optical unit 4 of the first embodiment.
  • the BT50A of the present embodiment has different pitches of the oblique lens portion 51 on the emission side and the incident side, that is, the ⁇ Z side of the light beam from the LD31.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional view of the XZ plane in the BT50A of FIG.
  • the BT50A of this configuration example is configured so that the pitch Wo between the oblique lens portions 51 on the + Z side surface is larger than the pitch Wi on the ⁇ Z side surface.
  • the pitch Wi on the ⁇ Z side is set according to the pitch between the LDs 31 in the LD bar 3 as in the BT50 of the first embodiment, for example.
  • the center of the central oblique lens portion 51 matches on both sides on the ⁇ Z side.
  • the curved surface shape of the oblique lens portion 51 on the surface on the + Z side can be set so as to extend the curved surface shape on the ⁇ Z side, for example.
  • FIG. 15A corresponds to a cross section similar to the cross section AA of FIG. 8 in the optical unit 4A of the configuration example of FIG. 15 (B) and 15 (C) correspond to the BB sectional view and the CC sectional view in FIG. 15 (A), respectively.
  • the BT50A of the present embodiment is adjacent to the SAC45 on the + Z side and adjacent to the FAC41 on the ⁇ Z side, as in the first embodiment.
  • the main light beam of the light beam from each LD31 reaches the + Z side surface of the BT50A after being incident on the FAC41. Go straight along the Z direction until you reach the front.
  • the principal ray La is outward in the X and Y directions as the LD31a located outside in the X direction is due to the pitch Wo of the oblique lens portion 51 which is larger than the ⁇ Z side surface.
  • Each main ray La, Lc reaches SAC45 when BT50A is emitted.
  • the SAC 45 collimates the light beam in the Y direction
  • the inclination of the main ray Lc in the Y direction is corrected in the SAC 45 as shown in FIG. 15C.
  • the main ray Lc of the outer LD31c in the X direction can be restricted in the X direction and directed outward.
  • FIG. 16 shows the simulation result of the beam coupling device 2 of the second embodiment.
  • the pitch between the pitch Wi on the ⁇ Z side of the BT50A and the LD of the LD bar 3 was 0.225000 mm.
  • the optical unit 4A includes the BT50A which is an example of the light source element.
  • the BT50A includes a plurality of oblique lens portions 51, which are lens portions corresponding to each LD 31 in the LD bar 3.
  • the plurality of oblique lens portions 51 are aligned in the X direction while being inclined with respect to the Y direction.
  • the pitch Wo in which the plurality of oblique lens portions 51 are lined up on the + Z side surface from which the light beam from the LD31 set is emitted has a plurality of oblique angles on the ⁇ Z side surface on which the light beam is incident. It is larger than the pitch Wi in which the lens portions 51 are lined up.
  • the BT50A can realize the outward direction of the main ray La outside in the X direction as in the first embodiment.
  • Embodiments 1 and 2 have been described as examples of the techniques disclosed in this application. However, the technique in the present disclosure is not limited to this, and can be applied to embodiments in which changes, substitutions, additions, omissions, etc. are made as appropriate. It is also possible to combine the components described in each of the above embodiments into a new embodiment. Therefore, other embodiments will be illustrated below.
  • the beam coupling device 2 for inwardly directing the outer main ray L1 in the Y direction has been described, but the main ray L1 may not be inwardly directed, for example, may be outwardly directed. This modification will be described with reference to FIG.
  • FIG. 17 shows the beam coupling device 2A in this modified example.
  • 17 (A) and 17 (B) show a side view and a plan view of the beam coupling device 2A, respectively.
  • the beam coupling device 2A of this modified example includes a coupling optical system 20A in which the cylindrical lens 22 is omitted in the same configuration as in FIG. Further, as shown in FIG. 17A, in the beam coupling device 2A of the present modification, the optical unit 4-1 outside in the Y direction is configured to direct the main ray L1 outward instead of inward.
  • Such an optical unit 4-1 can be realized, for example, by setting the shift width ⁇ Y in FIG. 10 or the tilt angle ⁇ i in FIG. 11 to a negative value, that is, in the opposite direction.
  • P11 can be adopted as the beam coupling position.
  • the beam coupling device in the X and Y directions P11 can be matched.
  • the present disclosure is applicable to various applications in which a plurality of light beams are combined and used, and is applicable to, for example, various laser processing technologies.

Landscapes

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Abstract

ビーム結合装置（２）は、光源（３０）と、複数の光学ユニット（４）と、結合光学系（２０）とを備える。光源は、第１の方向（Ｘ）及び第２の方向（Ｙ）に並ぶ複数の光源素子（３１）を含み、各光源素子から第１及び第２の方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する。複数の光学ユニット（４）は、光源において第１の方向に並んだ光源素子の組（３）毎に、各光ビームを導光する。結合光学系は、各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する。各光学ユニットは、光源素子の組の中で、第１の方向における外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向（Ｌａ）を外向させて、各光源素子からの光ビームを結合光学系に導光する。

Description

ビーム結合装置、及びレーザ加工機
　本開示は、ビーム結合装置、及びビーム結合装置を備えたレーザ加工機に関する。
　特許文献１は、個々の光ビームを重ね合わせて結合ビームを形成する波長合成式のレーザシステムを開示している。特許文献１では、光出力を増大する観点より、複数のダイオードバーからの光ビームを光ファイバに集光することが開示されている。また、レーザシステムを小型化する目的から、波長合成における結合レンズの配置を焦点距離から外すための光学系を別途含めたり、ビーム回転子を回転させたりしている。
米国特許第２０１６／００４８０２８号明細書
　本開示は、複数の光ビームを高密度に結合することができるビーム結合装置、及びそれを備えたレーザ加工機を提供する。
　本開示に係るビーム結合装置は、光源と、複数の光学ユニットと、結合光学系とを備える。光源は、互いに交差する第１及び第２の方向に並ぶ複数の光源素子を含み、各光源素子から第１及び第２の方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する。複数の光学ユニットは、光源において第１の方向に並んだ光源素子の組毎に、各光ビームを導光する。結合光学系は、各光学ユニットに導光された複数の光ビームを結合する。各光学ユニットは、光源素子の組の中で、第１の方向における外側に位置する光源素子からの光ビームの光線方向を外向させて、各光源素子からの光ビームを結合光学系に導光する。
　本開示に係るレーザ加工機は、上記のビーム結合装置と、ビーム結合装置によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッドとを備える。
　本開示に係るビーム結合装置及びレーザ加工機によると、ビーム結合装置において複数の光ビームを高密度に結合することができる。
本開示の実施形態１に係るレーザ加工機の構成を例示するブロック図 実施形態１に係るビーム結合装置の全体構成を示す図 ビーム結合装置における外側の主光線の外向を説明した図 ビーム結合装置における結合光学系について説明した図 結合光学系のシリンドリカルレンズの焦点距離を説明した図 ビーム結合装置における光学ユニットの基本構成を例示する図 光学ユニットにおけるビームツイスタユニットの構成例を示す斜視図 実施形態１のビーム結合装置における光学ユニットの構成例を示す図 図８の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 ビーム結合装置における外側の光学ユニットの構成例１を示す図 ビーム結合装置における外側の光学ユニットの構成例２を示す図 実施形態１のビーム結合装置の実施例を示す図 実施形態２のビーム結合装置における光学ユニットの構成例を示す図 図１３の光学ユニットにおける断面図 図１３の光学ユニットにおける主光線を例示する光路図 実施形態２のビーム結合装置の実施例を示す図 ビーム結合装置の変形例を示す図
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
（実施形態１）
　実施形態１では、空間合成型のビーム結合装置及びそれを備えたレーザ加工機について説明する。
１．レーザ加工機について
　実施形態１に係るレーザ加工機について、図１を用いて説明する。
　図１は、本実施形態に係るレーザ加工機１の構成を例示する図である。レーザ加工機１は、例えば、ビーム結合装置２と、伝送光学系１０と、加工ヘッド１１と、コントローラ１２とを備える。レーザ加工機１は、レーザ光を種々の加工対象物１５に照射して、各種レーザ加工を行う装置である。各種レーザ加工は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、及びレーザ穿孔などを含む。
　本実施形態において、ビーム結合装置２は、レーザ光源３０と、複数の光学ユニット４－１～４－３と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、本実施形態において複数のＬＤバー３－１～３－３を含む。以下、ＬＤバー３－１～３－３の総称を「ＬＤバー３」といい、光学ユニット４－１～４－３の総称を「光学ユニット４」という場合がある。
　ＬＤバー３は、一次元的に配列された複数のＬＤ（レーザダイオード）を含む光源素子のアレイで構成される。複数のＬＤバー３は、ビーム結合装置２において、例えば各々のＬＤの配列方向を平行に向けて、配列方向に直交する方向に並置される。ビーム結合装置２におけるＬＤバー３の個数は、３個の例を図示しているが特に限定されず、２個又は４個以上であってもよい。
　以下、ＬＤバー３において複数のＬＤが配列される方向を「Ｘ方向」といい、複数のＬＤバー３－１～３－３が並ぶ方向を「Ｙ方向」といい、Ｘ，Ｙ方向に直交する方向を「Ｚ方向」という。
　本実施形態のビーム結合装置２は、レーザ光源３０において空間的に配置された複数のＬＤバー３の各ＬＤが発光する多数の光ビームを結合する空間合成型のビーム結合を行って、例えばレーザ加工機１のレーザ光を供給する装置である。本実施形態では、小さいビーム径において高密度にビーム結合を行うことができるビーム結合装置２を提供する。
　本実施形態のビーム結合装置２において、複数の光学ユニット４は、例えばＬＤバー３の個数分、設けられる。１つの光学ユニット４は、１つのＬＤバー３による各ＬＤからの光ビームを結合光学系２０に導光する光学系である。結合光学系２０は、ビーム結合装置２における各光学ユニット４からの光ビームを結合する光学系である。ビーム結合装置２については後述する。
　レーザ加工機１において、伝送光学系１０は、例えば結合光学系２０によって結合された光ビームが入射するように配置された光ファイバを含み、ビーム結合装置２からのレーザ光を加工ヘッド１１に伝送する。加工ヘッド１１は、例えば加工対象物１５に対向して配置され、ビーム結合装置２から伝送されたレーザ光を加工対象物１５に照射する装置である。
　コントローラ１２は、レーザ加工機１の全体動作を制御する制御装置である。コントローラ１２は、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵ又はＭＰＵを備える。コントローラ１２は、各種プログラム及びデータを記憶するフラッシュメモリ等の内部メモリを備える。コントローラ１２は、使用者の操作により発振条件等を入力可能な各種インタフェースを備えてもよい。また、コントローラ１２は、各種機能を実現するＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等のハードウェア回路を備えてもよい。また、コントローラ１２は、レーザ光源３０の駆動回路と一体的に構成されてもよい。
２．ビーム結合装置について
　本実施形態に係るビーム結合装置２について、図２を用いて説明する。
　図２は、ビーム結合装置２の全体構成を示す図である。図２（Ａ）は、ビーム結合装置２をＸ方向から見た側面図を示す。図２（Ｂ）は、ビーム結合装置２をＹ方向から見た平面図を示す。
　本実施形態のビーム結合装置２においては、例えば図２（Ａ）に示すように、各ＬＤバー３が別々の光学ユニット４の－Ｚ側に配置される。各光学ユニット４は、それぞれＬＤバー３に対向配置されるＢＴＵ（ビームツイスタユニット）４０と、ＢＴＵ４０の＋Ｚ側に配置されるＳＡＣ（スロー軸コリメータ）４５とを含む。結合光学系２０は光学ユニット４の＋Ｚ側に配置され、軸対称の集光レンズ２１、及び集光レンズ２１と光学ユニット４間に配置されるシリンドリカルレンズ２２を含む。
　図２（Ｂ）では、ＬＤバー３における５個のＬＤ３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅを例示している。１つのＬＤバー３に含まれるＬＤ３１ａ～３１ｅの個数は、例えば数十個から数百個である。ＬＤバー３における複数のＬＤ３１ａ～３１ｅは、本実施形態のレーザ光源３０における１組の光源素子の一例である。以下、ＬＤ３１ａ～３１ｅの総称を「ＬＤ３１」という場合がある。各ＬＤ３１は、ＬＤバー３のエミッタを構成し、それぞれ＋Ｚ側に光ビームを射出する。
　図２（Ａ），（Ｂ）では、ビーム結合装置２による光ビームの結合結果とするビーム結合位置Ｐ１を例示する。ビーム結合位置Ｐ１は、例えば全てのＬＤバー３－１～３－３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅから発光する光ビームを含めたビーム径が最小となる位置に設定される。例えば、ビーム結合位置Ｐ１に、上述した伝送光学系１０の光ファイバの入射端が配置される。
　図２（Ａ）では、Ｙ方向における外側のＬＤバー３－１からの光ビームの主光線Ｌ１と、中央のＬＤバー３－２からの光ビームの主光線Ｌ２とを例示している。図２（Ｂ）では、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａと、中央のＬＤ３１ｃからの光ビームの主光線Ｌｃとを例示している。本実施形態のビーム結合装置２において、例えばＸ，Ｙ方向における中央のＬＤ３１ｃは、対向する光学ユニット４及び結合光学系２０を直進し、Ｚ方向に平行な主光線Ｌｃを有する。
　本実施形態では、例えば空間合成によるビーム結合装置２の高出力化の観点から、図２（Ａ）に示すように、Ｙ方向に並ぶ複数のＬＤバー３における外側のＬＤバー３－１が発光する光ビームの主光線Ｌ１を内向させるように、対応する光学ユニット４が構成される（詳細は後述）。例えば、図中で上側（＋Ｙ側）の光学ユニット４は、光ビームの主光線Ｌ１を、Ｚ方向から下側（－Ｙ側）に傾ける。この場合、ＬＤバー３間で主光線Ｌ１，Ｌ２が交わるＹ方向のビーム結合位置Ｐ１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側に位置することとなる。
　一方、図２（Ｂ）に示すように、ＬＤバー３毎にＸ方向に並ぶ複数のＬＤ３１ａ～３１ｅにおいて、本実施形態のビーム結合装置２は、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させるように構成される。これにより、詳細後述するように各光ビームの結合時のビーム径自体を小さくして、結合光学系２０に入射する光ビームの密度を高くすることができる。さらに、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を合致させるために、本実施形態のビーム結合装置２は、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる。以下、ビーム結合装置２の詳細を説明する。
２－１．ビーム結合装置の詳細
　まず、本実施形態のビーム結合装置２において、シリンドリカルレンズ２２を用いない場合にＸ方向外側の主光線Ｌａを外向させる作用効果について、図３を用いて説明する。
　図３（Ａ）は、シリンドリカルレンズ２２がない場合のビーム結合装置２における各種光線の光路を例示する。各種光線は、図２（Ｂ）と同様の主光線Ｌａ，Ｌｃとその周辺光線を含む。
　図３（Ａ）では、Ｘ方向外側の主光線Ｌａを外向させる前後の光路を例示する。また、例えばＢＴＵ４０の＋Ｚ側の面の光学像が、集光レンズ２１により結像する結像位置Ｐ２を例示している。結像位置Ｐ２では、１つのＬＤ３１当たりのビーム径は最小となる。一方、複数のＬＤ３１ａ～３１ｅ全体の光ビームのビーム径は、互いの主光線が交差する位置において最小となる。
　本実施形態のビーム結合装置２によると、外側のＬＤ３１ａからの光ビームの主光線Ｌａを外向させることにより、主光線Ｌａ，Ｌｃが交差する位置Ｐ１１が、焦点位置Ｐ０から＋Ｚ側となる。即ち、外側の主光線Ｌａの外向により、主光線Ｌａ，Ｌｃの交差位置Ｐ１１を、結像位置Ｐ２に近づけることができる。
　図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０近傍の領域の拡大図を示す。集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０では、結像位置Ｐ２から離れている分、個々のＬＤ３１のビーム径Ｂ０は、結像位置Ｐ２よりも大きくなってしまう。これに対して、主光線Ｌａを外向させた際の交差位置Ｐ１１では、焦点位置Ｐ０よりも結像位置Ｐ２に近い分、小さいビーム径Ｂ１１が個々のＬＤ３１に関して得られる。
　よって、本実施形態のビーム結合装置２によると、複数の光ビームの合成の観点だけでなく、個々の光ビームの観点からも、結合時のビーム径を縮小することができる。これにより、高密度のビーム結合を実現でき、ビーム品質を良くすることができる。
　ここで、図３（Ａ），（Ｂ）に例示した交差位置Ｐ１１は、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも＋Ｚ側となり、Ｙ方向において外側の主光線を内向させた際のビーム結合位置Ｐ１（図２（Ａ）参照）からずれる、という新たな課題が考えられる。そこで、本実施形態では、Ｘ方向のみに正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ２２を結合光学系２０に用いて、Ｘ，Ｙ方向間の不整合を解消する。
２－１－１．結合光学系について
　図４は、本実施形態のビーム結合装置２における結合光学系２０のシリンドリカルレンズ２２の作用効果を説明した図である。図４（Ａ），（Ｂ）は、シリンドリカルレンズ２２を含めたビーム結合装置２において、図３（Ａ），（Ｂ）と同様の主光線Ｌａ，Ｌｃの光路を例示する。
　図４（Ａ），（Ｂ）に示すように、シリンドリカルレンズ２２によると、Ｘ方向において結合光学系２０全体としての焦点位置Ｐ１０が、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側となる。この場合、Ｘ方向外側の外向時の主光線Ｌａ，Ｌｃが互いに交差する位置、即ちビーム結合位置Ｐ１は、図３（Ａ），（Ｂ）の例おける集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０の代わりに、上記の焦点位置Ｐ１０から＋Ｚ側となる。よって、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側の範囲内で、ビーム結合位置Ｐ１を結像位置Ｐ２に近づけて、上記の例と同様にビーム径を縮小することが実現できる。
　さらに、シリンドリカルレンズ２２は、Ｙ方向において屈折力を有していないことから、図２（Ａ）に示すように、Ｙ方向外側で内向する主光線Ｌ１に特に干渉しない。従って、Ｙ方向におけるビーム結合位置Ｐ１は、シリンドリカルレンズ２２の有無に拘わらず、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０から－Ｚ側で維持できる。よって、本実施形態の結合光学系２０によると、Ｙ方向よりも大きいＸ方向の屈折力により、図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、Ｘ方向とＹ方向とにおいてビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。
　図５は、シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２を説明した図である。本実施形態の結合光学系２０において、シリンドリカルレンズ２２は、例えば、集光レンズ２１の焦点距離以上など、比較的に長い焦点距離Ｄ２を有する。シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２は、例えばＸ方向外側で外向させた主光線Ｌａの－Ｚ側への延長線Ｅａと、中央の主光線Ｌｃの延長線Ｅｃとの交点の位置Ｐ２０からシリンドリカルレンズ２２までの距離Ｄ１よりも短くてもよい。延長線Ｅｃは、例えば集光レンズ２１の光軸と対応する。
　以上のような焦点距離Ｄ２に基づき、シリンドリカルレンズ２２の屈折力は、Ｘ方向外側の主光線Ｌａが外向した状態でシリンドリカルレンズ２２に入射してから、集光レンズ２１へ射出する際に当該主光線Ｌａを内向させる程度であってもよい。こうした屈折力によると、集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも－Ｚ側で主光線Ｌａ，Ｌｃ同士を交差させられる。なお、シリンドリカルレンズ２２とＢＴＵ４０間の間隔は、シリンドリカルレンズ２２の焦点距離Ｄ２に設定されてもよい。
　以上の説明では、結合光学系２０にシリンドリカルレンズ２２を用いる例を説明したが、必ずしもシリンドリカルレンズ２２が用いられなくてもよい。例えば、Ｘ方向においてＹ方向よりも大きい正の屈折力を有する種々の光学系を結合光学系２０に採用してもよい。例えば結合光学系２０全体としてＸ，Ｙ方向における屈折力が図２の構成と同じになる光学系であれば、上記と同様にＸ，Ｙ方向におけるビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。
２－２．光学ユニットについて
　以下、本実施形態におけるビーム結合装置２の光学ユニット４の詳細について説明する。
２－２－１．光学ユニットの基本構成
　まず、光学ユニット４の基本的な構成について、図６～７を用いて説明する。図６は、光学ユニット４の基本構成を例示する。
　図６（Ａ）は、基本構成における光学ユニット４の平面図を示す。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の光学ユニット４の側面図を示す。図６（Ａ），（Ｂ）では、１つのＬＤ３１からの光ビームの光路を例示している。
　光学ユニット４におけるＢＴＵ４０は、ＢＴ（ビームツイスタ）５０と、ＦＡＣ（ファスト軸コリメータ）４１とを含む。光学ユニット４では、例えばＬＤ３１近傍から＋Ｚ側へ順番に、ＦＡＣ４１、ＢＴ５０及びＳＡＣ４５が配置される。
　本実施形態において、ＬＤ３１は、ファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓを有する光ビームを発光する。光ビームのファスト軸Ａｆは、スロー軸Ａｓよりも急速にビーム径を拡げ、且つ良好なビーム品質を得やすい。ＬＤ３１の光ビームが光学ユニット４に入射する前に、光ビームのファスト軸ＡｆはＹ方向に向いており、スロー軸ＡｓはＸ方向に向いている。
　ＦＡＣ４１は、ファスト軸Ａｆにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＦＡＣ４１は、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて配置される。本例では、ＬＤ３１からの光ビームは、ＦＡＣ４１によりＹ方向（即ちファスト軸Ａｆ）においてコリメートされて、ＢＴ５０に入射する。
　図７に、ＢＴ５０の構成例を示す。ＢＴ５０は、例えば複数の光ビームをそれぞれ回転させる光学素子であり、複数の斜行したレンズ部５１を含む。斜行レンズ部５１は、ＢＴ５０において、ＬＤ３１毎のレンズを構成する部分であり、例えばシリンドリカルレンズを構成する。ＢＴ５０は、例えば長手方向に所定のピッチで複数の斜行レンズ部５１を配列するように形成される。斜行レンズ部５１は、例えば配列方向およびＢＴ５０の厚み方向の双方に対して４５°傾斜している。斜行レンズ部５１のピッチは、例えばＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチと同じである。
　図６（Ａ），（Ｂ）の例において、ＢＴ５０は、ＬＤ３１からＦＡＣ４１を介して入射する光ビームを、ＸＹ平面において回転角度９０°だけ回転させる。これにより、ＢＴ５０から射出する光ビームのスロー軸ＡｓがＹ方向に向き、ファスト軸ＡｆはＸ方向に向くこととなる。又、ＢＴ５０の射出時の光ビームは、Ｙ方向では発散光となり、Ｘ方向においては平行光となる。
　ＳＡＣ４５は、スロー軸Ａｓにおいて光ビームをコリメートするために設けられ、例えば正の屈折力を有するシリンドリカルレンズで構成される。ＳＡＣ４５は、例えば図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、長手方向をＸ方向に向けて配置される。本例では、ＢＴ５０からの光ビームは、ＳＡＣ４５によりＹ方向（即ちスロー軸Ａｓ）においてコリメートされて、光学ユニット４を射出する。
　以上の光学ユニット４によると、ＬＤバー３の各ＬＤ３１から発光した光ビームは、基本的にはファスト軸Ａｆ及びスロー軸Ａｓにおいてコリメートされる。但し、光の波動的な作用により、特にファスト軸ＡｆにおいてはＢＴ５０の＋Ｚ側の面等からの波の影響として結合時のビーム径が広がり得る。これに対して、本実施形態の光学ユニット４によると、Ｘ方向における外側の主光線の外向と結合光学系２０によって上記の影響を低減して、ビーム径を小さくすることが可能となる。
　本実施形態では、以上のような光学ユニット４の各部の基本的な機能を利用して、各種の主光線の外向および内向を実現する。以下、こうした光学ユニット４の構成例を説明する。
２－２－２．Ｘ方向外向の構成例
　図８は、本実施形態のビーム結合装置２における光学ユニット４の構成例を示す。図８は、ＬＤ３１ａ～３１ｅと共に、－Ｚ側から見た光学ユニット４の前面図を示している。
　本実施形態のビーム結合装置２では、Ｘ方向における外側の各主光線を外向させる観点から、例えば各光学ユニット４が図８に示すように構成される。本実施形態の光学ユニット４において、ＢＴＵ４０は、例えばＸＹ平面上で中央のＬＤ３１ｃの主光線が通過する位置を回転軸として、長手方向をＸ方向から所定の回転角度θｏだけ回転させるように配置される（例えば０．００１°≦θｏ≦１°）。回転角度θｏの向きは、図中では時計回りであり、ＢＴ５０内のシリンドリカルレンズ２２の延在方向がＸ方向に対して傾斜する角度を大きくする向きである。回転角度θｏは、複数の光学ユニット４の間で共通であってもよいし、別個に設定されてもよい。
　図９（Ａ）～（Ｃ）は、本構成例の光学ユニット４における光路を例示する。図９（Ａ）は、図８の光学ユニット４におけるＡ－Ａ断面に対応する。Ａ－Ａ断面は、ＬＤバー３の各ＬＤ３１ａ～３１ｅが位置するＸＺ平面である。図９（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図９（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。Ｂ－Ｂ断面は、中央のＬＤ３１ｃが位置するＹＺ平面である。Ｃ－Ｃ断面は、外側のＬＤ３１ａが位置するＹＺ平面である。
　本構成例の光学ユニット４においては、ＸＹ平面におけるＢＴＵ４０の回転角度θｏに応じて、Ｘ方向において中央から離れたＬＤ３１ａほど（図９（Ａ））、ＬＤ３１ａとＢＴＵ４０間の位置関係がずれる（図９（Ｂ），（Ｃ））。このため、例えば図９（Ｃ）に示すように、外側のＬＤ３１ａの主光線Ｌａは、ＦＡＣ４１から射出する際にＺ方向からＹ方向に向けた傾きを持つ。
　ＬＤ３１からの光ビームはＢＴ５０中でＸＹ平面において９０°分、回転する。このためて、外側のＬＤ３１ａの主光線Ｌａの傾きは、例えば図９（Ａ）に示すように、Ｘ方向における傾きに変換される。これにより、ＢＴＵ４０の回転角度θｏに応じて、ＬＤ３１が外側に位置するほど、Ｘ方向において主光線を外向させることができる。なお、図９（Ｃ）に示すように、外側のＬＤ３１ａに関してＢＴＵ４０とＳＡＣ４５との位置関係がずれることから、主光線Ｌａは、ＳＡＣ４５から射出後にＹ方向に傾き得る。但し、こうした傾きは軽微に留めることができる。
２－２－３．Ｙ方向内向の構成例
　本実施形態のビーム結合装置２においては、以上のような構成に加えて、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させる観点より、外側のＬＤバー３－１に対応する光学ユニット４－１を、上述した基本構成から一部改変する。こうした構成例について、図１０，１１を用いて説明する。
　図１０は、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１の構成例１を示す。本構成例では、Ｙ方向における外側（例えば＋Ｙ側）の光学ユニット４において、ＳＡＣ４５が、中央の光学ユニット４と同様の位置から所定のシフト幅ΔＹだけ内側（例えば－Ｙ側）にシフトして配置される。これより、ＳＡＣ４５が入射する光ビームをコリメートする光軸から主光線Ｌ１をずらして、外側の光学ユニット４－１から射出する光ビームを内向させることができる。シフト幅ΔＹは、主光線Ｌ１を内向させる程度に応じて、主光線Ｌ１がＳＡＣ４５に入射する位置からＳＡＣ４５の光軸をずらす幅を規定する。
　外側の光学ユニット４－１からの主光線Ｌ１を内向させることにより、図２（Ａ）に示すように、複数の光学ユニット４－１，４－２から集光レンズ２１に到った主光線Ｌ１，Ｌ２間の間隔が、光学ユニット４－１，４－２間の間隔よりも小さくなる。よって、集光レンズ２１により空間合成させる光学ユニット４ひいてはＬＤバー３の個数を増やすことができ、ビーム結合装置２において空間合成による光出力を高出力化できる。
　光学ユニット４の個数を増やす際には、例えば、シフト幅ΔＹが外側の光学ユニット４ほど大きく設定される。これにより、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４ほど主光線を内向させる傾きを大きくして、各主光線が交差する位置を合致させる。
　Ｙ方向外側の主光線Ｌ１を内向させる構成は上記の構成例に限定されない。図１１は、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１の構成例２を示す。本構成例では、Ｙ方向における外側の光学ユニット４－１は、中央の光学ユニット４と同様の向きから、ＹＺ平面において所定の傾斜角度θｉだけ内側に傾けて配置される。傾斜角度θｉは、主光線Ｌ１を内向させる程度に応じて適宜、設定される。
　以上の構成例２によっても、構成例１と同様に外側の光学ユニット４－１から射出する光ビームを内向させることができる。なお、光学ユニット４－１においてＳＡＣ４５は傾けずに、ＢＴＵ４０のみ傾けてもよい。また、ＬＤバー３は、例えば対応する光学ユニット４の向きに応じて傾けられてもよいし、特に傾けなくてもよい。
２－３．実施形態１の実施例
　以上のような本実施形態のビーム結合装置２の構成例に関する実施例について、以下説明する。
　本実施形態のビーム結合装置２の数値的な実施例として、図１０，１１の構成例の各々の数値シミュレーションを行った。本シミュレーションにおいて、複数の光学ユニット４間の間隔は４．８ｍｍに設定し、ＳＡＣ４５の焦点距離は１５ｍｍに設定し、集光レンズ２１の焦点距離は５０ｍｍに設定した。
　図１０のシミュレーションとして、ＳＡＣ４５のシフト幅ΔＹを「ΔＹ＝０．０５６０ｍｍ」に設定した。すると、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１が、結合光学系２０に到ったときに１．５ｍｍもの間隔で内向する効果が確認できた。
　さらに、本シミュレーションにおいて、ＢＴ５０の回転角度θｏは「θｏ＝０．０１°」に設定した。この際、結合光学系２０に焦点距離が５００ｍｍのシリンドリカルレンズ２２を用いることで、Ｘ，Ｙ方向間でビーム結合位置Ｐ１を整合させる効果が確認できた。
　また、図１１のシミュレーションとして、上記と同様のシミュレーション環境において、「ΔＹ＝０」と共に光学ユニット４の傾斜角度θｉを「θｉ＝０．１８°」に設定した。こうしたシミュレーションにおいても、上記と同様の効果が確認できた。
　図１２は、本実施形態のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、上記と同様の設定においてＢＴＵ４０の回転角度θｏ（＝０．０１°）の効果を確認するべく、＋Ｘ側の主光線の数値計算を行った。図中の各行は、物体側（即ち－Ｚ側）から像側（即ち＋Ｚ側）への面番号毎に主光線がビーム結合装置２の各部を通過する際の数値計算結果を示す。数値計算結果として、「Ｘ」はＸ座標を示し、「Ｙ」はＹ座標を示し、「ＴＡＮＸ」はＸＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示し、「ＴＡＮＹ」は、ＹＺ平面における傾きをｔａｎ関数で示す。なお、数値計算した主光線に対応するＬＤ３１の位置は、Ｘ座標４ｍｍであった。
　図１２のシミュレーション結果によると、ＬＤ３１の射出時はゼロ値であった「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４３７」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。また、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．０００３２」は、上記の「ＴＡＮＸ」よりも充分に小さい。よって、ＢＴ５０の回転角度θｏに応じて、Ｘ方向外側の主光線を、Ｙ方向の傾きを軽微に留めながら、Ｘ方向に外向できることが確認できた。なお、当該主光線は、シリンドリカルレンズ２２の射出後にＸ方向に内向していることも確認された。
３．まとめ
　以上のように、本実施形態において、ビーム結合装置２は、光源の一例であるレーザ光源３０と、複数の光学ユニット４と、結合光学系２０とを備える。レーザ光源３０は、第１の方向の一例であるＸ方向、及び第１方向と交差する第２の方向の一例であるＹ方向に並ぶ複数の光源素子の一例として複数のＬＤ３１を含む。レーザ光源３０は、各ＬＤ３１からＸ，Ｙ方向と交差する光線方向をそれぞれ有する複数の光ビームを発光する。各ＬＤ３１の光線方向は、例えば各々の光ビームの主光線で規定される。複数の光学ユニット４は、レーザ光源３０においてＸ方向に並んだＬＤ３１の組の一例であるＬＤバー３毎に、各光ビームを導光する。結合光学系２０は、各光学ユニット４に導光された複数の光ビームを結合する。各光学ユニット４は、ＬＤバー３の中で、Ｘ方向における外側に位置するＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向（例えば主光線Ｌａ）を外向させて、各ＬＤ３１からの光ビームを結合光学系２０に導光する。
　以上のビーム結合装置２によると、Ｘ方向において各ＬＤ３１の主光線が交差する位置を、結合光学系２０の焦点位置から結像位置に近づけることができる。これにより、結合時の光ビームのビーム径を小さくでき、複数の光ビームを高密度に結合することができる。なお、第１及び第２方向は、互いに垂直でなくてもよく、適宜許容誤差の角度範囲内で交差してもよい。
　本実施形態において、結合光学系２０は、Ｘ方向においてＹ方向よりも大きい正の屈折力を有する。複数の光学ユニット４は、レーザ光源３０においてＹ方向に並んだ複数のＬＤ３１を含むＬＤバー３－１，３－２の中で、外側に位置するＬＤバー３－１のＬＤ３１からの光ビームの光線方向（例えば主光線Ｌ１）を内向させる。
　これにより、Ｙ方向において光学ユニット４１間の間隔よりも狭い間隔で結合光学系２０に光ビームを供給でき、空間合成によるビーム結合装置２の高出力化を行える。又、こうした場合に、結合光学系２０の屈折力に基づいて、Ｘ，Ｙ方向のそれぞれにおいてビーム径が最小となるビーム結合位置Ｐ１を整合させることができる。
　本実施形態において、結合光学系２０は、軸対称の集光レンズ２１と、Ｘ方向において正の屈折力を有するシリンドリカルレンズ２２とを含む。シリンドリカルレンズ２２の屈折力は、例えばＸ方向における外側のＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を、入射時に外向した状態から射出時に内向させる程度に設定可能である。
　例えば、シリンドリカルレンズ２２は、光学ユニット４から外向させた光ビームの主光線Ｌａをレーザ光源３０側に延長した延長線Ｅａと、集光レンズ２１の光軸の延長線Ｅｃとが交差する位置Ｐ２０からシリンドリカルレンズ２２までの距離Ｄ１よりも短い焦点距離Ｄ２を有する。これにより、シリンドリカルレンズ２２に、Ｘ方向外側のＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を射出時に内向させる程度の屈折力を持たせることができる。
　本実施形態では、各光学ユニット４は、Ｙ方向において、ＬＤバー３のＬＤ３１からの各光ビームをコリメートするコリメータレンズの一例であるＳＡＣ４５を含む。例えば図１０に示すように、複数の光学ユニット４－１，４－２において、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４－１のＳＡＣ４５が、入射する光ビームを内向させる位置に配置される。これにより、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１の内向を実現できる。
　本実施形態では、例えば図１０に示すように、複数の光学ユニット４において、Ｙ方向における外側に位置する光学ユニット４が、光源から入射する光ビームを射出する向きを内向して配置されてもよい。これによっても、Ｙ方向外側の主光線Ｌ１の内向を実現できる。
　本実施形態において、光学ユニット４は、ＬＤバー３のＬＤ３１からの各光ビームをそれぞれ回転するＢＴＵ４０を含む。ＢＴＵ４０が、ＬＤバー３に対して、Ｘ方向における外側に位置するＬＤ３１ａからの光ビームの光線方向を外向させる回転角度θｏに配置される。これにより、Ｘ方向外側の主光線Ｌａの外向を実現できる。
　本実施形態において、レーザ加工機１は、ビーム結合装置２と、ビーム結合装置２によって結合された光ビームを加工対象物に照射する加工ヘッド１１とを備える。レーザ加工機１では、ビーム結合装置２によって複数の光ビームを高密度に結合することができる。
（実施形態２）
　以下、図１３～１６を用いて実施形態２を説明する。実施形態１では、光学ユニット４のＢＴ５０の回転により、Ｘ方向外側の主光線Ｌａを外向させた。実施形態２では、主光線Ｌａを外向させる構成の別例を説明する。
　以下、実施形態１に係るレーザ加工機１及びビーム結合装置２と同様の構成、動作の説明は適宜、省略して、本実施形態に係るビーム結合装置２を説明する。
　図１３は、実施形態２における光学ユニット４ＡのＢＴ５０Ａの構成例を示す。本実施形態のビーム結合装置２は、実施形態１と同様の構成において、図８の光学ユニット４に代わる光学ユニット４Ａを備える。本実施形態の光学ユニット４Ａは、実施形態１の光学ユニット４において回転角度θｏを持たせたＢＴ５０に代えて、例えば図１３の構成例のＢＴ５０Ａを備える。本実施形態のＢＴ５０Ａは、ＬＤ３１からの光ビームの射出側と入射側すなわち±Ｚ側で異なる斜行レンズ部５１のピッチを有する。
　図１４は、図１３のＢＴ５０ＡにおけるＸＺ平面の断面図を示す。本構成例のＢＴ５０Ａは、＋Ｚ側の面における斜行レンズ部５１間のピッチＷｏが、－Ｚ側の面におけるピッチＷｉよりも大きくなるように構成される。－Ｚ側のピッチＷｉは、例えば実施形態１のＢＴ５０と同様にＬＤバー３におけるＬＤ３１間のピッチに合わせて設定される。本構成例のＢＴ５０Ａにおいて、例えば中央の斜行レンズ部５１の中心は、±Ｚ側の両面において合致する。また、＋Ｚ側の面における斜行レンズ部５１の曲面形状は、例えば－Ｚ側の曲面形状を延長するように設定できる。
　図１５（Ａ）～（Ｃ）は、本実施形態の光学ユニット４Ａにおける光路を例示する。図１５（Ａ）は、図１３の構成例の光学ユニット４Ａにおいて、図８のＡ－Ａ断面と同様の断面に対応する。図１５（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ図１５（Ａ）におけるＢ－Ｂ断面図とＣ－Ｃ断面図に対応する。本実施形態のＢＴ５０Ａは、実施形態１と同様に、＋Ｚ側においてＳＡＣ４５に隣接し、－Ｚ側においてＦＡＣ４１に隣接する。
　本実施形態の光学ユニット４Ａによると、各ＬＤ３１からの光ビームの主光線は、図１５（Ａ）～（Ｃ）に示すように、ＦＡＣ４１に入射してからＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の面に到る前まで、Ｚ方向に沿って直進する。ＢＴ５０Ａの＋Ｚ側の面では、－Ｚ側の面よりも大きい斜行レンズ部５１のピッチＷｏにより、Ｘ方向において外側に位置するＬＤ３１ａほど、主光線ＬａがＸ，Ｙ方向において外向する。
　各主光線Ｌａ，Ｌｃは、ＢＴ５０Ａを射出するとＳＡＣ４５に到る。ここで、ＳＡＣ４５はＹ方向における光ビームのコリメートを行うことから、図１５（Ｃ）に示すように、Ｙ方向における主光線Ｌｃの傾きはＳＡＣ４５において補正される。
　以上のように、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、Ｘ方向における外側のＬＤ３１ｃの主光線Ｌｃを、Ｘ方向に制限して外向させることができる。
　図１６は、実施形態２のビーム結合装置２のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションでは、実施形態１と同様の数値計算を、「θｏ＝０」と共にＢＴ５０Ａの＋Ｚ側のピッチＷｏを、－Ｚ側のピッチＷｉよりも３１８ｎｍだけ大きくする設定で行った。なお、ＢＴ５０Ａの－Ｚ側のピッチＷｉ及びＬＤバー３のＬＤ間のピッチは、０．２２５０００ｍｍであった。
　図１６のシミュレーション結果によると、図１２と同様に、「ＴＡＮＸ」が、ＳＡＣ４５の射出後に正値「０．００４４３」になっており、＋Ｘ側の主光線が外向している。一方、この際の「ＴＡＮＹ」の値「０．００００３」は、図１２の例よりも顕著に小さくなっている。よって、本実施形態の光学ユニット４Ａによると、実施形態１と同様にＸ方向外側の主光線を外向でき、且つＹ方向の影響を低減できることが確認された。
　以上のように、本実施形態のビーム結合装置２において、光学ユニット４Ａは、光源素子の一例であるＢＴ５０Ａを含む。ＢＴ５０Ａは、ＬＤバー３における各ＬＤ３１に対応するレンズ部である斜行レンズ部５１を複数、備える。ＢＴ５０Ａにおいて、複数の斜行レンズ部５１は、Ｙ方向に対して傾斜しながらＸ方向に並んでいる。ＢＴ５０Ａの両面のうちの、ＬＤ３１の組からの光ビームが射出する＋Ｚ側の面において複数の斜行レンズ部５１が並ぶピッチＷｏは、光ビームが入射する－Ｚ側の面において複数の斜行レンズ部５１が並ぶピッチＷｉよりも大きい。本実施形態のビーム結合装置２によると、ＢＴ５０Ａによって、実施形態１と同様にＸ方向外側の主光線Ｌａの外向を実現できる。
（他の実施形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施形態１～２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施形態を例示する。
　上記の実施形態１，２では、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を内向させるビーム結合装置２について説明したが、当該主光線Ｌ１は内向させなくてもよく、例えば外向させてもよい。この変形例について、図１７を用いて説明する。
　図１７は、本変形例におけるビーム結合装置２Ａを示す。図１７（Ａ），（Ｂ）は、それぞれビーム結合装置２Ａの側面図と平面図を示す。
　本変形例のビーム結合装置２Ａは、図２と同様の構成においてシリンドリカルレンズ２２を省略した結合光学系２０Ａを備える。また、図１７（Ａ）に示すように、本変形例のビーム結合装置２Ａにおいて、Ｙ方向外側の光学ユニット４－１は、主光線Ｌ１を内向させる代わりに、外向させるように構成される。こうした光学ユニット４－１は、例えば図１０のシフト幅ΔＹ又は図１１の傾斜角度θｉを負値に、即ち逆向きに設定することで実現できる。
　本変形例のビーム結合装置２Ａにおいては、図１７（Ｂ）に示すように、結合光学系２０Ａとしての集光レンズ２１の焦点位置Ｐ０よりも＋Ｚ側にある主光線Ｌａ，Ｌｃ間の交差位置Ｐ１１をビーム結合位置として採用できる。この際、特にシリンドリカルレンズ２２を用いることなく、Ｙ方向における外側の主光線Ｌ１を外向させることにより、例えば図１７（Ａ），（Ｂ）に示すうように、Ｘ，Ｙ方向におけるビーム結合装置Ｐ１１を整合させることができる。
　以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
　したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
　また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、複数の光ビームを結合して用いる各種の用途に適用可能であり、例えば各種のレーザ加工技術に適用可能である。

Claims (9)

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