WO2023243086A1 - レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法 - Google Patents

レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法 Download PDF

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WO2023243086A1
WO2023243086A1 PCT/JP2022/024350 JP2022024350W WO2023243086A1 WO 2023243086 A1 WO2023243086 A1 WO 2023243086A1 JP 2022024350 W JP2022024350 W JP 2022024350W WO 2023243086 A1 WO2023243086 A1 WO 2023243086A1
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WO
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aberration
lens
optical system
laser
laser processing
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Application number
PCT/JP2022/024350
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English (en)
French (fr)
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譲 田所
一樹 久場
洋介 松井
裕樹 長柄
Original Assignee
三菱電機株式会社
多田電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing head of a laser processing apparatus that processes a workpiece by locally melting the workpiece by irradiation with a laser beam, a laser processing apparatus, and a method for manufacturing a metal product.
  • near-infrared lasers that output laser light in the near-infrared region
  • fiber lasers YAG (Yttrium Aluminum Garnet) lasers
  • DDL direct diode lasers
  • Patent Document 1 discloses a laser processing head that includes an optical system that includes a first lens that focuses laser light and a second lens that is arranged on the same optical axis as the first lens. .
  • a first region of the second lens located on the optical axis does not have lens characteristics, and a second region of the second lens surrounding the first region has a laser characteristic. emit light.
  • the energy intensity of the peripheral portion of the laser beam which is the portion away from the optical axis, may change due to changes in the divergence angle of the laser beam incident on the optical system, etc. .
  • the energy intensity in the peripheral area changes, processing becomes unstable due to problems such as destabilization of keyholes formed in the workpiece or generation of spatter. For this reason, conventional laser processing heads have a problem in that processing may become unstable.
  • the present disclosure has been made in view of the above, and aims to provide a laser processing head that enables stable processing.
  • a laser processing head is arranged at a position within a range where the laser light spreads in the propagation direction of the laser light irradiated toward the workpiece.
  • an aberration optical system that produces an aberration
  • a collimating optical system through which laser light propagates.
  • the central region of the aberration optical system where the distance from the central axis of the aberration optical system is less than the boundary value, has no refractive power, or the absolute value of the refractive power is 10 times smaller than the refractive power of the collimating optical system. 1 or less.
  • the laser processing head according to the present disclosure has the effect that stable processing can be realized.
  • First diagram for explaining the definition of lateral aberration in Embodiment 1 Second diagram for explaining the definition of lateral aberration in Embodiment 1
  • a first diagram for explaining the relationship between the state of laser processing and aberrations in Embodiment 1 A second diagram for explaining the relationship between the state of laser processing and aberrations in Embodiment 1
  • Third diagram for explaining the relationship between laser processing and aberrations in Embodiment 1 Diagram showing the beam shape of the laser light shown in Figure 4 Diagram showing the beam shape of the laser light shown in Figure 5 Diagram showing the beam shape of the laser light shown in FIG. 6
  • a diagram for explaining a change in lateral aberration caused by moving an aberration lens in the second example of Embodiment 1. A diagram showing the configuration of a laser processing apparatus according to a third example of Embodiment 1.
  • Diagram for explaining the configuration of the aberration optical system in Embodiment 1 A diagram for explaining a change in the relationship between lateral aberration and divergence angle when changing the aspherical shape of an aberration lens in Embodiment 1.
  • a diagram for explaining a change in beam profile when changing the aspherical shape of an aberration lens in Embodiment 1. A diagram showing an example of the relationship between aspherical coefficients and lateral aberrations in Embodiment 1.
  • Diagram for explaining the configuration of the aberration optical system in Embodiment 2 A diagram showing the configuration of a laser processing apparatus according to a second example of Embodiment 2.
  • a diagram showing a configuration example of a control circuit according to Embodiment 3 A diagram showing a configuration example of a dedicated hardware circuit according to Embodiment 3
  • Embodiment 1 Prior to explaining the laser processing apparatus according to the first embodiment, the definition of lateral aberration in the first embodiment will be explained. It is assumed that the definition of lateral aberration explained here is common to each of the first embodiment and the second and third embodiments described later.
  • FIG. 1 is a first diagram for explaining the definition of lateral aberration in the first embodiment.
  • FIG. 1 schematically shows how a light beam emitted from a light source passes through a collimating optical system and a condensing optical system and is condensed.
  • the light source is a point light source 111.
  • FIGS. 1A and 1B show differences in the behavior of light rays when light rays with different divergence angles are emitted from the point light source 111.
  • FIG. 1A shows a case where a light beam with a divergence angle ⁇ 1 is emitted from a point light source 111.
  • FIG. 1B shows a case where a light beam with a divergence angle ⁇ 2 is emitted from a point light source 111.
  • the divergence angle is expressed by a half-angle.
  • the collimating optical system is assumed to be the collimating lens 112, which is a single lens.
  • the condensing optical system is a condensing lens 113 which is a single lens.
  • the collimating lens 112 is a lens that does not cause aberrations.
  • the collimating lens 112 may be a lens that causes negligible aberration.
  • the condensing lens 113 is a spherical lens that produces spherical aberration.
  • Collimating lens 112 is placed at a distance f c from point light source 111 .
  • the distance f c is the focal length of the collimating lens 112.
  • the distance f f is the focal length of the condensing lens 113.
  • the z direction is the direction of the central axis of each of the collimating optical system and the condensing optical system.
  • the optical axis of the laser beam overlaps the central axis.
  • the r direction is one of the directions perpendicular to the central axis, and is the radial direction of each of the collimating lens 112 and the condensing lens 113.
  • the light ray 121 is a light ray that is emitted from the point light source 111 at a divergence angle ⁇ 1 .
  • the light ray 122 is assumed to be a light ray emitted from the point light source 111 at a divergence angle ⁇ 2 .
  • the light ray 121 that has passed through the collimating lens 112 becomes a light ray whose height from the optical axis is h 1 due to collimation.
  • the light ray 122 that has passed through the collimating lens 112 becomes a light ray whose height from the optical axis is h 2 due to collimation.
  • the height of the light ray from the optical axis will be referred to as the light ray height.
  • the collimated light rays 121 and 122 are condensed by a condensing lens 113.
  • a divergence angle ⁇ 1 the collimated light ray 121 is focused by the condenser lens 113 and produces a transverse aberration ⁇ Y 1 at the paraxial focus 117 .
  • a divergence angle ⁇ 2 the collimated light ray 122 is focused by the condenser lens 113 and produces a transverse aberration ⁇ Y 2 at the paraxial focus 117 .
  • FIG. 2 is a second diagram for explaining the definition of lateral aberration in the first embodiment.
  • FIG. 2 shows a graph showing the relationship between the lateral aberration ⁇ Y and the beam height h.
  • the lateral aberration ⁇ Y i caused by spherical aberration is proportional to the cube of the ray height h i ( ⁇ Y i ⁇ h i 3 ).
  • the lateral aberration ⁇ Y i is proportional to the cube of the divergence angle ⁇ i ( ⁇ Y i ⁇ i 3 ) due to h i ⁇ f c ⁇ i .
  • the r direction which is the radial direction, is defined such that the ray height h i is positive when the divergence angle ⁇ i is positive.
  • ⁇ Y i shown in FIG. 1 is a negative transverse aberration because it occurs in the negative direction of r. From this result, when ⁇ 1 > ⁇ 2 , ⁇ Y 1 ⁇ Y 2 and
  • a lateral aberration occurring in the negative direction of r will be defined as a negative lateral aberration
  • a lateral aberration occurring in the positive direction of r will be defined as a positive lateral aberration.
  • a light ray 121 is emitted from the point light source 111 with a divergence angle ⁇ 1
  • a light ray 122 is emitted from the point light source 111 with a divergence angle ⁇ 2 .
  • the lateral aberration of a laser beam is defined for a ray of laser light that is emitted from an output part such as an output end of an optical fiber at an angle corresponding to the divergence angle
  • the lateral aberration defined for the ray of light is is referred to as lateral aberration, as in the case of the point light source 111.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the laser processing apparatus 21 according to the first example of the first embodiment.
  • the laser processing device 21 processes the workpiece by locally melting the workpiece by irradiating the workpiece with laser light.
  • the laser processing device 21 performs laser processing such as cutting, welding, or heat treatment.
  • the laser processing device 21 includes a laser oscillator 141 that is a light source, an optical fiber 142 that is a transmission path for laser light 144, and a laser processing head 116.
  • the laser processing head 116 includes a collimating lens 112 and a condensing lens 113 through which laser light propagates.
  • the optical system composed of the collimating lens 112 and the condensing lens 113 will be referred to as a processing optical system 114.
  • the laser oscillator 141 is a laser that outputs a laser beam 144 in the near-infrared region, such as a fiber laser, a YAG laser, or a DDL.
  • the YAG laser may be a disk laser using a disk-shaped medium.
  • the laser oscillator 141 has, for example, a kilowatt-level output that can process metal and the like.
  • the laser output of the laser oscillator 141 is typically 1 kW, and preferably 4 kW or more when processing thick metal or the like.
  • the laser output of the laser oscillator 141 may be 10 kW or more.
  • Laser light 144 output from laser oscillator 141 propagates through optical fiber 142 .
  • the optical fiber 142 is, for example, an optical fiber through which a kilowatt class laser beam 144 can be propagated.
  • the intensity distribution of the beam at the output end of the optical fiber 142 is, for example, top-hat shaped.
  • the core diameter ⁇ 0 of the optical fiber 142 is, for example, 50 ⁇ m, 100 ⁇ m, 150 ⁇ m, 200 ⁇ m, or 300 ⁇ m.
  • Profile 118 is the beam profile of laser light 144 at the output end of optical fiber 142.
  • Profile 119 is a beam profile of laser light 144 incident on workpiece 143.
  • Beam parameter products are expressed as ⁇ 0 ⁇ by the divergence angle ⁇ of the laser beam 144 and the beam waist radius ⁇ 0 .
  • the BPP of the laser beam 144 output from the optical fiber 142 may differ depending on the type of laser oscillator 141. Further, the BPP of the laser beam 144 output from the optical fiber 142 may differ depending on the individual laser oscillators 141 even if the laser oscillators 141 are of the same type.
  • the BPP When the core diameter ⁇ 0 is 100 ⁇ m, the BPP is, for example, about 2.5 mm ⁇ mrad to 5.5 mm ⁇ mrad. When the core diameter ⁇ 0 is 200 ⁇ m, the BPP is, for example, about 5.0 mm ⁇ mrad to 11.0 mm ⁇ mrad.
  • the range of these BPPs corresponds to a divergence angle ⁇ of 50 mrad to 110 mrad.
  • the processing optical system 114 shown in FIG. 3 produces aberrations.
  • the collimating lens 112 is arranged at a distance f c from the output end of the optical fiber 142 .
  • the laser beam 144 that has passed through the collimating lens 112 passes through the condensing lens 113 and is condensed on the workpiece 143 .
  • Each of the distance f c which is the focal length of the collimating lens 112 and the distance f f which is the focal length of the condensing lens 113 is, for example, about 50 mm to 600 mm.
  • the refractive powers of the collimating lens 112 and the condensing lens 113 are each about 1.67D to 20D.
  • D is a diopter, which is a unit of refractive power, and is m ⁇ 1 when expressed in SI basic units.
  • the processing optical system 114 having an optical magnification of 1 is configured.
  • the distance f c is 200 mm and the distance f f is 400 mm
  • a processing optical system 114 with twice the optical magnification is configured.
  • each of the collimating lens 112 and the condensing lens 113 is not limited to a single lens, and may be composed of two or more lenses.
  • the focal length of the collimating lens 112 is a composite focal length of a combination of two or more lenses.
  • the focal length of the condensing lens 113 is a composite focal length of a combination of two or more lenses.
  • the workpiece 143 is, for example, a metal product made of a metal such as mild steel, copper, aluminum, stainless steel, or galvanized steel.
  • the metal product may be a metal component, a metal plate, or the like.
  • the laser processing device 21 that performs laser welding, for example, irradiates a first metal product and a second metal product with a laser beam 144, and performs conventional welding such as butt welding, fillet welding, or lap welding. Laser welding may be performed using a welded joint.
  • Each of the first metal product and the second metal product is a workpiece 143 in laser welding.
  • the laser processing device 21 is a third metal product in which the first metal product and the second metal product are joined by laser welding the first metal product and the second metal product. Can manufacture metal products.
  • FIG. 4 is a first diagram for explaining the relationship between laser processing and aberrations in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a second diagram for explaining the relationship between laser processing and aberrations in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a third diagram for explaining the relationship between the state of laser processing and aberrations in the first embodiment.
  • FIGS. 4 to 6 schematically show how the workpiece 143 is being processed by irradiating the workpiece 143 with a laser beam 144.
  • FIG. 4 shows an example in which the laser beam 144 is focused using the processing optical system 114 that does not produce aberrations.
  • the processing optical system 114 may be an optical system that produces negligibly small aberrations.
  • 5 and 6 show an example in which the laser beam 144 is focused using the processing optical system 114 that causes aberration.
  • FIG. 6 shows a state where the absolute value of the lateral aberration is smaller than the state shown in FIG. Note that illustration of the processing optical system 114 is omitted in FIGS. 4 to 6.
  • the x direction and the y direction are perpendicular to each other and perpendicular to the z direction.
  • the advancing direction 120 is the advancing direction of machining on the workpiece 143.
  • the traveling direction 120 can also be said to be the scanning direction of the laser beam 144 on the workpiece 143. In FIGS.
  • FIG. 7 is a diagram showing the beam shape of the laser beam 144 shown in FIG. 4.
  • the beam shape shown in FIG. 7 is the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143, and is the beam shape in the xy plane.
  • the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143 is circular as shown in FIG.
  • each of the front wall 148 and the rear wall 149 of the keyhole 147 is nearly perpendicular to the reference plane 154 from the bottom 152 of the keyhole 147 to the opening 155 in the surface 153 of the workpiece 143.
  • the front wall 148 is the front wall of the keyhole 147 in the traveling direction 120.
  • the rear wall 149 is the rear wall of the keyhole 147 in the traveling direction 120.
  • the surface 153 is the surface of the workpiece 143 on which the laser beam 144 is incident.
  • the reference plane 154 is a plane perpendicular to the central axis of the processing optical system 114, and is, for example, a plane on which the workpiece 143 is placed. It is assumed that when the workpiece 143 is placed on the reference surface 154, the surface 153 is parallel to the reference surface 154.
  • molten metal flow 150 which is a flow of molten metal 151, rises at a high velocity along rear wall 149 from bottom 152 toward opening 155. Due to the molten metal flow 150, a part of the molten metal 151 becomes spatter 146 and scatters. For this reason, as shown in FIG. 4, when using a processing optical system 114 that does not produce aberrations, the processing may become unstable due to the occurrence of spatter 146.
  • the profile 119 at the irradiation position of the laser beam 144 of the workpiece 143 consists of a main beam 160 at the center and a peripheral beam surrounding the main beam 160. 161, and a witch hat-shaped profile 165 having 161.
  • FIG. 8 is a diagram showing the beam shape of the laser beam 144 shown in FIG. 5.
  • the beam shape shown in FIG. 8 is the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143, and is the beam shape in the xy plane.
  • the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143 is a concentric circle of the circular main beam 160 and the circular circle of the peripheral beam 161.
  • the peripheral beam width 166 is the width between the circular shape of the peripheral beam 161 and the circular shape of the main beam 160.
  • the absolute value of the lateral aberration that occurs at the paraxial focus 117 of the laser beam 144 that has passed through the processing optical system 114 is, for example, 0.2 mm or more.
  • the paraxial focus 117 of the laser beam 144 that has passed through the processing optical system 114 will be simply referred to as the paraxial focus 117 of the processing optical system 114.
  • the paraxial focus 117 of the laser beam 144 that has passed through the laser processing head 116 is simply referred to as the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • the intensity I of the laser beam 144 having a witch hat-shaped profile 165 is, for example, 200 kW/cm 2 or more, the workpiece 143 is melted by the irradiated main beam 160, and a keyhole 147 is formed in the workpiece 143.
  • the intensity I of the peripheral beam 161 is, for example, about 50 kW/cm 2 to 200 kW/cm 2 .
  • the intensity I of the peripheral beam 161 may be an intensity that does not form the keyhole 147.
  • the widening of the opening 155 into a horn shape directs the molten metal flow 150 from the surface 153 into the interior of the workpiece 143 .
  • This molten metal flow 150 stabilizes the keyhole 147 and reduces the possibility that a portion of the molten metal 151 becomes spatter 146 and scatters.
  • the metal vapor 163 can easily escape from the front wall 148 to the opening 155 in the keyhole 147.
  • the keyhole 147 is stabilized, and scattering of a portion of the molten metal 151 as spatter 146 is reduced. In this way, in the case of the processing shown in FIG. 5, stable processing is possible by stabilizing the keyhole 147 and reducing spatter 146.
  • a profile 119 at the irradiation position of the laser beam 144 of the workpiece 143 is a witch hat-shaped profile 167 having a main beam 160 at the center and peripheral beams 161 surrounding the main beam 160.
  • FIG. 9 is a diagram showing the beam shape of the laser beam 144 shown in FIG. 6.
  • the beam shape shown in FIG. 9 is the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143, and is the beam shape in the xy plane.
  • the beam shape of the laser beam 144 incident on the workpiece 143 is a concentric circle of the circular main beam 160 and the circular circle of the peripheral beam 161.
  • the peripheral beam width 166 shown in FIG. 9 is smaller than the peripheral beam width 166 shown in FIG.
  • the absolute value of the lateral aberration that occurs at the paraxial focus 117 of the laser beam 144 that has passed through the processing optical system 114 is smaller than 0.2 mm, for example.
  • the peripheral beam width 166 is smaller than that shown in FIG. 5, so the aperture 155 cannot be widened into a horn shape. Therefore, in the case shown in FIG. 6, although aberrations are generated by the processing optical system 114 and a peripheral beam 161 is formed, scattering of the spatter 146 cannot be reduced compared to the case shown in FIG. In this way, as shown in FIG. 6, when the absolute value of the resulting transverse aberration is smaller than that shown in FIG. 5, processing may become unstable due to the occurrence of spatter 146.
  • the beam shape of the laser beam 144 at the irradiation position changes, which may change the stability of processing. . Therefore, if it is possible to generate a certain amount of aberration, the beam shape will be stable and stable processing can be achieved.
  • the divergence angle of the laser beam 144 at the output end of the optical fiber 142 is, for example, 50 mrad to 100 mrad. Further, the divergence angle of the laser beam 144 may differ depending on the type of laser oscillator 141, and even among the laser oscillators 141 of the same type, the divergence angle may differ depending on the individual laser oscillators 141. As shown in FIG. 1, the lateral aberration caused by spherical aberration changes depending on the divergence angle of the laser beam 144. Therefore, even if the same processing optical system 114 is used, the beam shape at the irradiation position may change due to changes in lateral aberration for each type of laser oscillator 141 or for each individual laser oscillator 141. . Due to such a change in the beam shape, the processing state of the laser processing device 21 changes, and the processing quality of the laser processing device 21 may also change.
  • FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a laser processing apparatus 31 according to a second example of the first embodiment.
  • the laser processing device 31 includes an aberration optical system that produces an aberration.
  • the aberration optical system is an aberration lens 171 that is a single lens.
  • the aberration lens 171 is a convex lens having an aspherical convex surface.
  • the laser processing head 116 includes an aberration lens 171, a collimating lens 112, and a condensing lens 113. Further, the laser processing head 116 includes a movable mechanism 172 that moves the aberration lens 171 in the direction of the optical axis.
  • the laser processing device 31 includes a control device that controls the movable mechanism 172.
  • the processing optical system 114 is an optical system that does not produce aberrations. The processing optical system 114 may be an optical system that produces negligibly small aberrations. Note that in FIG. 10, illustration of the workpiece 143 and the control device is omitted.
  • the aberration lens 171 is arranged on the optical path of the laser beam 144 between the output end of the optical fiber 142 and the collimating lens 112.
  • the aberration lens 171 is arranged at a position within a range in which the laser beam 144 spreads in the propagation direction of the laser beam 144 irradiated toward the workpiece 143, that is, in the direction toward the workpiece 143.
  • the aberration lens 171 causes lateral aberration.
  • FIGS. 10A and 10B show differences in behavior of laser light 144 when laser light 144 having different divergence angles is emitted from the output end of optical fiber 142.
  • FIG. 10B shows a case where the divergence angle of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is smaller than that shown in FIG. 10A.
  • the laser processing device 31 moves the aberration lens 171 by a moving amount d in the direction closer to the workpiece 143 than in the state shown in FIG. 10(A). There is.
  • the laser processing device 31 changes the lateral aberration occurring at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 into a constant lateral aberration by changing the position of the aberration lens 171 in the z direction when the divergence angle of the laser beam 144 changes. ⁇ Y 2 can be maintained.
  • the laser processing device 31 reduces changes in the beam shape at the irradiation position for each type of laser oscillator 141 or for each individual laser oscillator 141 by maintaining the lateral aberration. Thereby, the laser processing device 31 can realize stable processing.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining changes in lateral aberration caused by moving the aberration lens 171 in the second example of the first embodiment.
  • FIG. 11 shows a graph showing the relationship between the lateral aberration ⁇ Y and the divergence angle ⁇ .
  • a broken line 190 represents the relationship between the lateral aberration and the divergence angle in the case shown in FIG. 10(A).
  • a solid line 191 represents the relationship between the lateral aberration and the divergence angle in the case shown in FIG. 10(B).
  • the divergence angle ⁇ of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is ⁇ 1 .
  • the divergence angle ⁇ of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is ⁇ 2 .
  • ⁇ 1 > ⁇ 2 is satisfied.
  • the lateral aberration ⁇ Y occurring in both the case shown in FIG. 10(A) and the case shown in FIG. 10(B) is ⁇ Y 2 .
  • the lateral aberration ⁇ Y is proportional to the cube of the divergence angle ⁇ .
  • the proportionality constant is ⁇ 1
  • the dependence of the lateral aberration ⁇ Y generated by the aberration lens 171 on the divergence angle ⁇ is similar to that of spherical aberration.
  • the proportionality constant ⁇ 1 changes.
  • the lateral aberration ⁇ Y becomes the same ⁇ Y 2 regardless of whether the divergence angle ⁇ is ⁇ 1 or ⁇ 2 . That is, even if the divergence angle ⁇ changes from ⁇ 1 to ⁇ 2 , the lateral aberration ⁇ Y remains ⁇ Y 2 .
  • an aberration lens 171 is arranged on the optical path where the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is diverged.
  • the collimating lens 112 is placed on the optical path of the laser beam 144 that has passed through the aberration lens 171.
  • the condensing lens 113 is placed on the optical path of the laser beam 144 that has passed through the collimating lens 112.
  • the aberration lens 171 is not limited to being placed on the optical path between the output end of the optical fiber 142 and the collimating lens 112, where the laser beam 144 is diverging.
  • the aberration lens 171 may be placed on the optical path between the condensing lens 113 and the workpiece 143 on which the laser beam 144 is condensed.
  • the collimating lens 112 is placed on the optical path where the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is diverging.
  • the condensing lens 113 is placed on the optical path of the laser beam 144 that has passed through the collimating lens 112.
  • the aberration lens 171 is placed on the optical path of the laser beam 144 that has passed through the condenser lens 113.
  • the laser processing head 116 changes the lateral aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 by moving the aberration lens 171 in the direction of the optical axis on the optical path of the laser beam 144 that is diverging or condensed. Can be done.
  • divergence refers to the beam diameter expanding as the laser light 144 propagates.
  • Focusing refers to the beam diameter decreasing as the laser beam 144 propagates.
  • the position of the aberration lens 171 is separated from the irradiation position of the laser beam 144.
  • the laser processing device 31 can prevent a situation where the aberration lens 171 is damaged due to the laser beam 144 passing through the aberration lens 171 to which the sputter 146 has adhered.
  • the laser processing device 31 may be equipped with a protection plate for protecting the processing optical system 114 and the aberration lens 171 from damage caused by adhesion of the sputter 146.
  • the protection plate is arranged on the optical path of the laser beam 144 between the condenser lens 113 and the workpiece 143.
  • the protection plate is made of a material that is transparent to the laser beam 144 and allows the laser beam 144 to pass therethrough.
  • a protection plate may be placed on the optical path of the laser beam 144 between the output end of the optical fiber 142 and the aberration lens 171.
  • the aberration lens 171 is, for example, a plano-convex aspherical lens having a first surface 181 that is an aspherical convex surface and a second surface 182 that is a flat surface.
  • the first surface 181 is an entrance surface on which the laser beam 144 enters
  • the second surface 182 is an exit surface from which the laser beam 144 is emitted.
  • the first surface 181 may be the exit surface of the laser beam 144
  • the second surface 182 may be the entrance surface of the laser beam 144.
  • the shape of an aspherical surface is defined by the amount of sag, which is the amount of cutting in the direction of the central axis of the lens.
  • the sag amount z(r) is expressed by the following equation (1).
  • C 0 is the curvature C on the central axis
  • k is the conic constant
  • a j is the aspheric coefficient.
  • j is an even number of 4 or more.
  • the curvature C is defined by the following equation (2).
  • the aberration lens 171 is moved in the direction of the optical axis. Even if the laser processing head 116 is moved, the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 does not move.
  • the laser processing device 31 can keep the irradiation position of the laser beam 144 constant by not moving the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • the aspherical shape of the sixth order or higher is set to zero in equation (3), and the terms up to A4 , which is the fourth order term, are used on the left side of equation (3), the aspherical shape in the aberration lens 171
  • the value of the coefficient A4 is a positive value.
  • FIG. 12 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 41 according to the third example of the first embodiment.
  • the laser processing head 116 includes an aberration lens 173, a collimating lens 112, and a condensing lens 113. Further, the laser processing head 116 includes a movable mechanism 172 that moves the aberration lens 173 in the direction of the optical axis.
  • the laser processing device 41 includes a control device that controls the movable mechanism 172. Note that in FIG. 12, illustration of the workpiece 143 and the control device is omitted.
  • the laser processing device 41 differs from the laser processing device 31 shown in FIG. 10 in that an aberration lens 173 is provided instead of the aberration lens 171. Other than this point, the laser processing device 41 is the same as the laser processing device 31.
  • the aberration optical system is an aberration lens 173 that is a single lens.
  • the aberration lens 173 is a concave lens having an aspherical concave surface. For example, if the aspherical shape of the sixth order or higher is set to zero in equation (3), and up to the fourth order term A 4 is used on the left side of equation (3), the value of A 4 in the aberration lens 173 is a negative value.
  • FIGS. 12A and 12B show differences in behavior of laser light 144 when laser light 144 having different divergence angles is emitted from the output end of optical fiber 142.
  • FIG. 12B shows a case where the divergence angle of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is smaller than that shown in FIG. 12A.
  • the aberration lens 173 is moved by a moving amount d in the direction farther from the workpiece 143 than in the state shown in FIG. 12(A). There is.
  • the laser processing device 41 changes the lateral aberration occurring at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 to a constant lateral aberration by changing the position of the aberration lens 173 in the z direction when the divergence angle of the laser beam 144 changes. ⁇ Y′ 2 can be maintained.
  • the laser processing device 41 reduces changes in the beam shape at the irradiation position for each type of laser oscillator 141 or for each individual laser oscillator 141 by maintaining the lateral aberration. Thereby, the laser processing device 41 can realize stable processing.
  • the laser processing device 31 of the second example shown in FIG. 10 moves the aberration lens 171 toward the output end of the optical fiber 142 when the divergence angle becomes large, and moves the collimating lens 112 when the divergence angle becomes small.
  • the aberration lens 171 is moved toward.
  • the laser processing device 41 of the third example shown in FIG. The aberration lens 173 is moved toward the output end.
  • the direction in which the aberration lens 173 is moved in the third example is opposite to the direction in which the aberration lens 171 is moved in the second example.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining changes in lateral aberration caused by moving the aberration lens 173 in the third example of the first embodiment.
  • FIG. 13 shows a graph showing the relationship between the lateral aberration ⁇ Y and the divergence angle ⁇ .
  • a broken line 192 represents the relationship between the lateral aberration and the divergence angle in the case shown in FIG. 12(A).
  • a solid line 193 represents the relationship between the lateral aberration and the divergence angle in the case shown in FIG. 12(B).
  • the divergence angle ⁇ of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is ⁇ 1 .
  • the divergence angle ⁇ of the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 is ⁇ 2 .
  • ⁇ 1 > ⁇ 2 is satisfied.
  • the generated lateral aberration ⁇ Y is ⁇ Y′ 2 . Even if the divergence angle ⁇ changes from ⁇ 1 to ⁇ 2 , the lateral aberration ⁇ Y is maintained at ⁇ Y' 2 by moving the aberration lens 173 in the direction of the optical axis.
  • an aberration lens 173 is placed on the optical path where the laser beam 144 emitted from the output end of the optical fiber 142 diverges.
  • the aberration lens 173 may be placed on the optical path between the condenser lens 113 and the workpiece 143 on which the laser beam 144 is condensed.
  • the laser processing device 41 may be provided with a protection plate for protecting the processing optical system 114 and the aberration lens 171 from damage caused by adhesion of the sputter 146.
  • a protection plate may be disposed on the optical path of the laser beam 144 between the output end of the optical fiber 142 and the aberration lens 171.
  • the aberration lens 173 is, for example, a plano-concave aspherical lens having a first surface 183 that is an aspherical concave surface and a second surface 184 that is a flat surface.
  • the first surface 183 is the incident surface of the laser beam 144
  • the second surface 184 is the exit surface of the laser beam 144.
  • the first surface 183 may be the exit surface of the laser beam 144
  • the second surface 184 may be the entrance surface of the laser beam 144.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the configuration of the aberration optical system in the first embodiment.
  • the shapes of the aberration lenses 171 and 173 which are aberration optical systems, the curvature C of the aspheric surface in the aberration lenses 171 and 173, and the focal position z f of the aberration lenses 171 and 173 are shown.
  • the shape of the aberration lens shows the shape of a cross section including the r direction and the z direction.
  • the curvature C a graph showing the relationship between the r-direction position and the curvature C is shown.
  • a graph showing the relationship between the r-direction position and the focus position z f is shown. Note that the r-direction position is expressed by the r coordinate with the position of the central axis as a reference. Further, the r coordinate is simply referred to as "r".
  • a thin convex lens with a focal length f f.
  • the focal position z f changes with the distance between a ray parallel to the central axis and the central axis.
  • the focal position z f of the lens that causes the aberration changes depending on the distance between the ray of light in the direction of the central axis and the central axis.
  • FIG. 14 shows an example of a change in the focal position z f when the position where a light beam in the direction of the central axis is incident is changed in the r direction.
  • FIG. 14A shows an example of the shape, curvature C, and focal position z f of the aberration lens 171 shown in FIG. 10 .
  • FIG. 14B shows an example of the shape, curvature C, and focal position z f of the aberration lens 173 shown in FIG. 12 .
  • FIG. 14C shows an example of the shape, curvature C, and focal position z f of the plano-convex spherical lens 180 for comparison with the aberration lens 171.
  • the curvature C of the plano-convex spherical lens 180 is constant regardless of r.
  • the curvature C of the aberration lens 171 increases monotonically as the absolute value of r increases.
  • the curvature C of the aberration lens 173 monotonically decreases as the absolute value of r increases. That is, in the aberration lens 171, the curvature C monotonically increases as the distance from the central axis increases in the radial direction. In the aberration lens 173, the curvature C monotonically decreases as it moves away from the central axis in the radial direction.
  • the focal position z f of the aberration lens 171 increases as the absolute value of r decreases.
  • the focal position z f for the ray on the central axis becomes positive infinity. That is, the aberration lens 171 does not have refractive power for light rays on the central axis.
  • the focal position z f of the aberration lens 173 becomes smaller as the absolute value of r becomes smaller.
  • the focal position z f for the ray on the central axis becomes negative infinity. That is, the aberration lens 173 does not have refractive power for light rays on the central axis.
  • “having no refractive power for light rays on the central axis" includes that the refractive power for light rays on the central axis is negligibly small.
  • each aberration lens 171, 173 As the absolute value of r
  • represents the distance between the central axis and a ray parallel to the central axis.
  • the distance between the aberration lens 171, 173 and the focal point becomes smaller as the ray is farther away from the central axis.
  • the aberration lenses 171 and 173 produce aberrations.
  • plano-convex spherical lens 180 In the plano-convex spherical lens 180,
  • the plano-convex spherical lens 180 differs from the aberrational lens 171 in that the focal position z f for a ray on the central axis is finite.
  • the focal position z f of the plano-convex spherical lens 180 is, for example, a quadratic function of r.
  • the aberration lenses 171 and 173 may have refractive power on the central axis within a range where the position of the paraxial focal point 117 of the laser processing head 116 does not change significantly.
  • the absolute value of the refractive power of the aberration lenses 171 and 173 on the central axis is, for example, one-tenth or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the absolute value of the refractive power of the aberration lenses 171 and 173 on the central axis may be 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the refractive power of the collimating lens 112 corresponds to 5D, so the absolute value of the refractive power on the central axis of the aberration lenses 171 and 173 is, for example, 1/10 of 5D. It is 0.5D or less, which corresponds to:
  • the absolute value of the refractive power of the aberration lenses 171 and 173 on the central axis may be 0.05 D or less, which corresponds to 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the aberration lenses 171 and 173 have no refractive power, or the absolute value of the refractive power is less than or equal to 1/10 or less than 1/100 of the refractive power of the collimating lens 112. It is.
  • the aberration lenses 171 and 173 can prevent the position of the paraxial focal point 117 of the laser processing head 116 from changing significantly on the central axis.
  • FIG. 14(D) shows an example of the shape, curvature C, and focal position z f of the aberration lens 174.
  • the aberration lens 174 differs from the aberration lens 171 in that it has an aspheric surface in which the curvature of the center region 185 is zero. Except for this point, the aberration lens 174 is the same as the aberration lens 171.
  • the laser processing device 31 shown in FIG. 10 may be provided with an aberration lens 174 instead of the aberration lens 171.
  • the aberration lens 174 is an aberration optical system provided in the laser processing head 116, and is a single lens.
  • the central region 185 is a region including a position on the central axis.
  • Peripheral area 186 is an area surrounding central area 185.
  • the lens radius of the aberration lens 174 be r d
  • r indicating the boundary between the central region 185 and the peripheral region 186 be the boundary value r 0 .
  • r 0 be a positive real number.
  • the central region 185 is a region in the range of ⁇ r 0 ⁇ r ⁇ r 0 in the direction perpendicular to the central axis.
  • the peripheral region 186 is a region in the range of -r d ⁇ r ⁇ -r 0 or r 0 ⁇ r ⁇ r d in the direction perpendicular to the central axis. That is, the central region 185 is a region whose distance from the central axis is less than or equal to the boundary value r 0 . The peripheral region 186 is a region whose distance from the central axis exceeds the boundary value r 0 .
  • the curvature is zero at a position on the central axis
  • the curvature is zero in the central region 185 where -r 0 ⁇ r ⁇ r 0 .
  • the aberration lens 174 can be easily created by making the curvature of the central region 185 zero, that is, by making the central region 185 a flat surface.
  • the curvature of the peripheral region 186 increases monotonically as the absolute value of r
  • the boundary value r 0 is, for example, a value of 50% or less of the lens radius r d .
  • the boundary value r 0 may be a value of 40% or less of the lens radius r d or a value of 30% or less of the lens radius r d .
  • the aberration lens 174 is obtained by replacing the center region of the aberration lens 171 with a center region 185 having zero curvature.
  • the aberration lens 174 has no refractive power in the central region 185, and in the peripheral region 186,
  • the aberration lens 174 may be one in which the center region of the aberration lens 173 shown in FIG. 14(B) is replaced with a center region 185 having zero curvature.
  • the aberration lens 174 may have refractive power in the central region 185 within a range where the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 does not change significantly.
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 174 is, for example, one-tenth or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 174 may be 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the refractive power of the collimating lens 112 corresponds to 5D, so the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 174 is, for example, one-tenth or less of 5D.
  • the corresponding value is 0.5D or less.
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 174 may be 0.05 D or less, which corresponds to 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the central region 185 of the aberration lens 174 has no refractive power, or the absolute value of the refractive power is less than 1/10 or less than 1/100 of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the aberration lens 174 can prevent the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 from changing significantly in the central region 185.
  • the distance between the aberration lens 174 and the focal point of the ray is shorter as the ray is farther away from the central axis.
  • Aberrant lens 174 may cause aberrations due to peripheral region 186. Note that the explanation regarding the aspherical surface of the aberration lens 171 also applies to the portion of the peripheral region 186 of the entrance surface or exit surface of the aberration lens 174.
  • the aberration lens 174 has been modified from the aberration lens 171 so that it has a center region 185 with zero curvature.
  • the aberration lens 174 may be a modification of the aberration lens 173 so as to include a center region 185 with zero curvature.
  • the aberration lens 174 differs from the aberration lens 173 in that it has an aspheric surface in which the curvature of the center region 185 is zero.
  • the aberration lens 174 is the same as the aberration lens 173.
  • the explanation regarding the aspherical surface of the aberration lens 173 also applies to the portion of the peripheral region 186 of the entrance surface or exit surface of the aberration lens 174. In the peripheral region 186, the curvature decreases monotonically as it moves away from the central axis in the radial direction.
  • the movable mechanism 172 is, for example, a movable stage movable in the direction of the optical axis of the laser beam 144.
  • the movable mechanism 172 may be equipped with, for example, a servo motor, a stepping motor, or the like.
  • the movable mechanism 172 may be any mechanism that can move in the direction of the optical axis of the laser beam 144, and is not limited to a movable stage.
  • the movable mechanism 172 may have a rotating helicoid structure, a linear helicoid structure, a cam structure, or the like.
  • the laser processing devices 31 and 41 are not limited to those in which the aberration lenses 171, 173, and 174 are moved by the movable mechanism 172.
  • the laser processing devices 31 and 41 have a paraxial focus of the laser processing head 116 by arranging aberration lenses 171, 173, and 174 at appropriate positions on the optical axis of the laser light 144 according to the divergence angle of the laser light 144.
  • the transverse aberration ⁇ Y at 117 may be constant.
  • the aspherical surfaces of the aberration lenses 171 and 173 or the peripheral region 186 of the aberration lens 174 are shaped as shown in equation (2), and the paraxial focal point 117 of the laser processing head 116 is formed at the divergence angles ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the aspherical coefficient in equation (2) is determined so that the lateral aberrations ⁇ Y of are the same value.
  • the laser processing devices 31, 41 move the aberration lenses 171, 173, 174 in the direction of the optical axis, thereby reducing the divergence of the transverse aberration ⁇ Y while maintaining the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116. Only the dependence on the angle can be changed.
  • the aberration lenses 171 and 174 move in the direction of the optical axis, so that the aberration lenses 171 and 174 correct the transverse aberration ⁇ Y caused at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116. can be changed from ⁇ Y 2 to ⁇ Y 1 .
  • the aberration lens 173 moves in the direction of the optical axis, so that the aberration lens 173 changes the transverse aberration ⁇ Y caused at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 to ⁇ Y′ 2 can be changed from ⁇ Y′ 1 to ⁇ Y′ 1 .
  • the laser processing devices 31 and 41 may utilize this property to change the lateral aberration occurring at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116, depending on the object to be processed 143, for example. For example, when processing a workpiece 143 that has a low absorption rate in the wavelength region of the laser oscillator 141, the laser processing devices 31, 41 move the aberration lenses 171, 173, 174 in the direction of the optical axis of the laser beam 144. , the lateral aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 may be made larger. Examples of materials that have a low absorption rate for the laser beam 144 in the near-infrared region include copper, aluminum, and the like.
  • the laser processing devices 31 and 41 By increasing the lateral aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116, the laser processing devices 31 and 41 reduce spatter 146 even when processing a workpiece 143 with a low absorption rate of the laser beam 144. can. Thereby, the laser processing devices 31 and 41 can realize high-quality processing.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining a change in the relationship between the transverse aberration and the divergence angle when the aspherical shape of the aberration lens 171 is changed in the first embodiment.
  • FIG. 15 shows a graph showing the relationship between the lateral aberration ⁇ Y and the divergence angle ⁇ .
  • the aspherical shape can be changed, for example, by changing the aspherical coefficient A j in equation (1).
  • a solid line 191 represents the case where an aspherical shape that produces a lateral aberration ⁇ Y proportional to the cube of the divergence angle ⁇ is applied. That is, in the relationship shown by line 191, aberration lens 171 produces a transverse aberration similar to that of spherical aberration.
  • FIG. 15 shows a graph showing the relationship between the lateral aberration ⁇ Y and the divergence angle ⁇ .
  • a broken line 194 represents an example of applying an aspherical shape in which the dependence of the lateral aberration ⁇ Y on the divergence angle is different from that of the line 191.
  • the dependence of the lateral aberration ⁇ Y on the divergence angle, indicated by the line 194, is expressed by the following equation (4).
  • ⁇ 2 is a constant and ⁇ is a positive real number.
  • the dependence of the lateral aberration ⁇ Y on the divergence angle is defined as the relationship expressed by equation (4).
  • the dependence of the lateral aberration ⁇ Y on the divergence angle can be said to mean that the lateral aberration ⁇ Y is proportional to the ⁇ power of the divergence angle ⁇ , or more generally, that the lateral aberration ⁇ Y is proportional to the power of the divergence angle ⁇ .
  • ⁇ 2 is a proportionality constant and ⁇ is a power exponent.
  • a line 194 shows an example of the dependence of the transverse aberration ⁇ Y on the divergence angle when the value of the power exponent ⁇ is smaller than 3, which is the value of the power exponent ⁇ in the case of the line 191.
  • the lateral aberration ⁇ Y at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 is proportional to the power of the divergence angle ⁇ of the laser beam 144.
  • line 191 and line 194 intersect when the divergence angle ⁇ is ⁇ 1 . That is, when the divergence angle ⁇ is ⁇ 1 , the lateral aberration ⁇ Y becomes the same lateral aberration ⁇ Y 1 .
  • the lateral aberration ⁇ Y 3 shown by line 194 is smaller than the lateral aberration ⁇ Y 2 shown by line 191.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining changes in the beam profile when changing the aspherical shape of the aberration lens 171 in the first embodiment.
  • FIG. 16 shows the beam profile of the laser beam 144 at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • the beam profile in the case of the relationship shown by line 191 in FIG. 15 is superimposed on the beam profile in the case of the relationship shown by line 194 in FIG.
  • a profile 195 shown by a solid line in FIG. 16 is a beam profile in the case of the relationship shown by line 191 in FIG.
  • Profile 196 shown in dashed line in FIG. 16 is the beam profile for the relationship shown by line 194 in FIG. That is, the profile 195 is a beam profile when the value of the power exponent ⁇ is 3.
  • Profile 196 is a beam profile when the value of power index ⁇ is smaller than 3.
  • Each of the profiles 195 and 196 is a witch hat-shaped beam profile. Further, in FIG. 16, in order to make it easier to understand the difference between the profiles 195 and 196, a portion of each of the profiles 195 and 196 that corresponds to the peripheral beam 161 is shown in an enlarged manner.
  • profile 195 and profile 196 has a higher intensity of peripheral beam 161 than profile 195.
  • the peripheral beam width 166 shown in FIG. 8 is wider for profile 196 than for profile 195.
  • the opening 155 of the keyhole 147 in FIG. 6 can be enlarged into a larger bellmouth shape. Therefore, the laser processing devices 31 and 41 can obtain a higher effect of reducing spatter 146, and can realize high-quality processing.
  • bellmouth shape will be explained with reference to FIG. 6.
  • the shape of the front wall 148 shown in FIG. 6 and the shape of the rear wall 149 shown in FIG. 6 widen as they approach the opening 155 from the bottom 152. If we were to compare the shape of the rapidly expanding portion of the front wall 148 near the opening 155 and the shape of the rapidly expanding portion of the rear wall 149 near the opening 155 to well-known structures, they would be like a bell. I can name the mouse. Note that the expression “bellmouth shape” does not limit the shape of the keyhole 147.
  • the laser processing devices 31 and 41 make the transverse aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 proportional to the power of the divergence angle of the laser beam 144, and set the value of the power exponent ⁇ to a value smaller than 3. By doing so, it is possible to provide an aberration larger than spherical aberration. Thereby, the laser processing devices 31 and 41 can obtain a higher effect of reducing spatter 146, and can realize high-quality processing.
  • the lateral aberration ⁇ Y can be made proportional to the ⁇ power of the divergence angle ⁇ , compared to the case where only A 4 is used as the aspherical coefficient. becomes easier.
  • the range of values of the exponent ⁇ that can easily make the lateral aberration ⁇ Y proportional to the ⁇ power of the divergence angle ⁇ using the aspheric coefficient A j is, for example, 2.5 ⁇ 3.5. . Therefore, for example, when the value of the power exponent ⁇ is 2.5 or more and smaller than 3, a higher effect of reducing spatter 146 can be obtained, and higher quality processing can be realized.
  • the value of the power exponent ⁇ may be larger than 3. Therefore, for example, when the value of the power exponent ⁇ is greater than 3 and less than or equal to 3.5, it is possible to obtain the optimum intensity of the peripheral beam 161 according to the workpiece 143.
  • the value of the power exponent ⁇ is set to 3
  • a lateral aberration similar to that of spherical aberration can be generated at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • FIG. 17 is a diagram showing an example of the relationship between the aspherical coefficient and the lateral aberration in the first embodiment.
  • FIG. 17 shows the relationship between the fourth-order aspherical coefficient A4 in equation (3) and the transverse aberration ⁇ Y at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 when the divergence angle ⁇ is constant ⁇ 2 .
  • a graph representing the relationship is shown.
  • a broken line 198 represents the relationship between the aspheric coefficient A 4 and the lateral aberration ⁇ Y when the optical magnification M is doubled.
  • a line 199 which is a dashed-dotted line, represents the relationship between the aspherical coefficient A 4 and the lateral aberration ⁇ Y when the optical magnification M is set to 4 times.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of parameters for aberration lenses 171 and 173 having characteristics having the relationship shown in FIG. 17.
  • the parameters are aspheric coefficients A 4 and A k of the aberration lenses 171 and 173, ⁇ Y O which is an aberration caused by the processing optical system 114, and lateral aberration ⁇ Y. k is an even number of 6 or more.
  • the lateral aberration ⁇ Y is a lateral aberration that occurs at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 after the laser beam 144 passes through the aberration lenses 171 and 173 and the processing optical system 114.
  • the aspheric coefficient A k is zero and ⁇ Y O is zero.
  • ⁇ Y O being zero means that no aberration is caused by the processing optical system 114, or that the aberration caused by the processing optical system 114 is negligibly small.
  • the value of the aspheric coefficient A 4 in the aberration lens 171 is a positive value.
  • the lateral aberration ⁇ Y when using the aberration lens 171 is a negative lateral aberration.
  • the value of the aspheric coefficient A 4 in the aberration lens 173 is a negative value.
  • the lateral aberration ⁇ Y when using the aberration lens 173 is a positive lateral aberration.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the aspherical coefficient A 4 when the convex aberration lens 171 is used in the first embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the movement amount d of the aberration lens 171 when the convex aberration lens 171 is used in the first embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the aspherical coefficient A 4 when the convex aberration lens 171 is used in the first embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram illustrating an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the movement amount d of the aberration lens 171 when the convex aberration lens 171 is used in the first embodiment.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of the relationship between the aspheric coefficient A 4 and the movement amount d of the aberration lens 171 in the case where the convex aberration lens 171 is used in the first embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the aspherical coefficient A 4 when the concave aberration lens 173 is used in the first embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the movement amount d of the aberration lens 173 in the case where the concave aberration lens 173 is used in the first embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the aspherical coefficient A 4 when the concave aberration lens 173 is used in the first embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing an example of the relationship between the aberration ⁇
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of the relationship between the aspheric coefficient A 4 and the movement amount d of the aberration lens 173 in the case where the concave aberration lens 173 is used in the first embodiment.
  • FIG. 25 is a diagram showing an example of parameters for an aberration lens 171 having characteristics having the relationships shown in FIGS. 19 to 21 and an aberration lens 173 having characteristics having the relationships shown in FIGS. 22 to 24.
  • the aspheric coefficient A k is set to zero.
  • ⁇ Y O which is an aberration caused by the processing optical system 114, is a variable.
  • the lateral aberration ⁇ Y when using the aberration lens 171 is a constant negative value.
  • the lateral aberration ⁇ Y when using the aberration lens 173 is a constant positive value.
  • 19 and 22 are graphs showing the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the aspheric coefficient A 4 .
  • the aspheric coefficient A 4 in the aberration lens 171 increases.
  • the aspheric coefficient A 4 in the aberration lens 173 increases.
  • 20 and 23 are graphs showing the relationship between the aberration ⁇ Y O caused by the processing optical system 114 and the amount of movement d of the aberration lenses 171 and 173.
  • the divergence angle ⁇ is ⁇ 1 and the position of the aberration lenses 171 and 173 on the optical axis is P 1
  • the divergence angle ⁇ is ⁇ 2 and the position of the aberration lenses 171 and 173 on the optical axis is
  • the lateral aberration ⁇ Y at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 is the same when the positions of the laser beams 171 and 173 are P 2 .
  • the amount of movement d increases.
  • the amount of movement d increases.
  • the lateral aberration ⁇ Y is a negative lateral aberration
  • the lateral aberration ⁇ Y is a positive lateral aberration
  • a typical processing optical system 114 reduces the aberration ⁇ Y O to zero or to a negligible value.
  • the amount of movement d can be reduced. That is, when the lateral aberration ⁇ Y is a positive value, the aberration ⁇ Y O may be set to a negative value, and when the lateral aberration ⁇ Y is a negative value, the aberration ⁇ Y O may be set to a positive value.
  • FIG. 21 and 24 are graphs showing the relationship between the aspherical coefficient A 4 and the amount of movement d of the aberration lenses 171 and 173.
  • the relationship shown in FIG. 21 is derived from the relationship shown in FIG. 19 and the relationship shown in FIG. 20.
  • the relationship shown in FIG. 24 is derived from the relationship shown in FIG. 22 and the relationship shown in FIG. 23.
  • the amount of movement d decreases.
  • the aspherical coefficient A 4 which is a negative value, becomes smaller, the amount of movement d becomes smaller. That is, according to FIGS. 21 and 24, as the absolute value of the aspheric coefficient A 4 increases, the amount of movement d decreases. Therefore, by increasing the absolute value of the aspheric coefficient A 4 , the movable range of the movable mechanism 172 can be reduced, and the movable mechanism 172 can be made smaller.
  • the aspherical coefficient A k is set to zero in order to provide a simple explanation, but in the first embodiment, the aspherical coefficient A k may have a value other than zero.
  • the beam shape at the irradiation position of the laser beam 144 can be made the same in a wider divergence angle range ⁇ r . can do.
  • the laser processing devices 31 and 41 can realize stable processing in a wider divergence angle range ⁇ r .
  • the divergence angle range ⁇ r may be the same as the divergence angle range of the laser beam 144 emitted from the optical fiber 142, for example.
  • the aberration optical system includes the aberration lenses 171, 173, and 174, which are single lenses, but is not limited to this.
  • the aberrational optical system may be composed of a plurality of lenses.
  • the aberrational optical system may be an optical system including optical elements other than lenses.
  • Embodiment 2 three configuration examples of a laser processing apparatus will be described.
  • Embodiment 2 the same components as in Embodiment 1 described above are given the same reference numerals, and configurations that are different from Embodiment 1 will be mainly explained.
  • FIG. 26 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 51 according to the first example of the second embodiment.
  • the laser processing device 51 differs from the laser processing device 31 shown in FIG. 10 in that an aberration lens 175 is provided instead of the aberration lens 171. Other than this point, it is assumed that the laser processing device 51 is the same as the laser processing device 31.
  • the aberration optical system is an aberration lens 175 that is a single lens.
  • the aberration lens 175 is a convex lens having a spherical convex surface.
  • the laser processing head 116 includes a movable mechanism 172 that moves the aberration lens 175 in the direction of the optical axis.
  • the laser processing device 51 includes a control device that controls the movable mechanism 172.
  • the operation of the aberration lens 175 by the movable mechanism 172 is similar to that of the aberration lens 171.
  • the aberration lens 175 having a spherical surface can be created more easily than a lens having an aspherical surface.
  • the processing optical system 114 is an optical system that does not produce aberrations.
  • the processing optical system 114 may be an optical system that produces negligibly small aberrations. Note that in FIG. 26, illustration of the workpiece 143 and the control device is omitted.
  • the aberration lens 175 has, for example, a first surface 201 that is a spherical surface and a convex surface, and a second surface 202 that is a spherical surface and a convex surface.
  • the first surface 201 and the second surface 202 have different curvatures C from each other.
  • the aberration lens 175 has no refractive power for light rays on the central axis.
  • the central axis of the aberration lens 175 overlaps with the optical axis of the laser beam 144 passing through the aberration lens 175.
  • the first surface 201 is an entrance surface on which the laser beam 144 enters
  • the second surface 202 is an exit surface from which the laser beam 144 is emitted. Note that "having no refractive power for light rays on the central axis" includes that the refractive power for light rays on the central axis is negligibly small.
  • the laser processing device 51 can stabilize the irradiation position of the laser beam 144.
  • the refractive power for light rays on the central axis is The relationship between the curvatures C 1 and C 2 when they do not have is expressed by the following equation (6). Note that C 1 ⁇ 0 and C 2 ⁇ 0.
  • the combination of curvatures C 1 and C 2 can be selected so as to satisfy equation (6) and obtain a desired lateral aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • FIG. 27 is a diagram for explaining the configuration of the aberration optical system in the second embodiment.
  • FIG. 27 shows an example of the shape and curvatures C 1 and C 2 of an aberration lens 175 that is an aberration optical system.
  • Each of the curvatures C 1 and C 2 is constant regardless of r. Furthermore, as can be seen from equation (6), C 1 ⁇ C 2 holds true.
  • FIGS. 26 and 27 show an example in which each of the curvature C 1 and the curvature C 2 is a positive value, each of the curvature C 1 and the curvature C 2 may be a negative value.
  • the laser processing device 51 can produce the same lateral aberration ⁇ Y at the paraxial focal point 117 of the laser processing head 116 for the laser beams 144 having mutually different divergence angles ⁇ . 2 can be generated. Thereby, the laser processing device 51 can reduce changes in the beam shape at the irradiation position and realize stable processing.
  • the aberration lens 175 may have refractive power on the central axis within a range where the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 does not change significantly.
  • the aberration lens 175 may have refractive power in the central region 185, similar to the aberration lens 174 shown in FIG. 14(D).
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 175 is, for example, one-tenth or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 175 may be 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the refractive power of the collimating lens 112 corresponds to 5D, so the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 175 is, for example, one-tenth or less of 5D.
  • the corresponding value is 0.5D or less.
  • the absolute value of the refractive power in the central region 185 of the aberration lens 175 may be 0.05 D or less, which corresponds to 1/100 or less of the refractive power of the collimating lens 112.
  • the curvature C 1 of the first surface 201 and the curvature C 2 of the second surface 202 are such that the combined focal length f e of the combination of the aberration lens 175 and the collimating lens 112 is equal to the focal length f c of the collimating lens 112 It may be set as follows.
  • the combination of an aberration optical system and a collimating optical system will be referred to as a combined collimating optical system.
  • the combined collimating optical system is a combined collimating lens that is a combination of the aberration lens 175 and the collimating lens 112.
  • the composite focal length f e is obtained by finding the ray tracing matrix F e from the output end of the optical fiber 142 to passing through the combined collimating lens, and multiplying the reciprocal of the 2nd row and 1st column component of the ray tracing matrix F e by -1. It is determined by The ray tracing matrix F e is expressed by the following equation (7).
  • the collimating lens 112 is a thin lens with a focal length f c .
  • d 0 be the distance between the output end of the optical fiber 142 and the first surface 201 of the aberration lens 175 .
  • d 1 be the distance between the second surface 202 of the aberration lens 175 and the collimating lens 112 .
  • each of the distance d 1 and the focal length f c may be set to desired values.
  • the collimating lens 112 is assumed to be a thin lens, but the collimating lens 112 may be assumed to be, for example, a plano-convex lens or a lens with minimized spherical aberration.
  • FIG. 26 shows an example of an aberration lens 175 in which both the first surface 201 and the second surface 202 are spherical. It is not limited to those in which both are spherical.
  • the first surface 201 or the second surface 202 may be replaced with an aspheric surface expressed by formula (1).
  • the curvature of the first surface 201 is calculated from the curvature C 1 by formula (1). It is replaced by the curvature C 0 expressed as .
  • the laser processing device 51 can reduce the change in the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 when the aberration lens 175 is moved by the movable mechanism 172, and the irradiation position of the laser beam 144 can be reduced. can be stabilized.
  • the first surface 201 or the second surface 202 with an aspheric surface, a desired aberration can be easily obtained at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • the curvatures C 1 and C 2 when both the first surface 201 and the second surface 202 are spherical surfaces, when trying to increase the absolute value of the transverse aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116, the curvatures C 1 and C 2 The absolute value becomes larger.
  • the absolute values of the curvatures C 1 and C 2 are prevented from increasing, and the desired aberration can be easily reduced. It becomes possible to obtain
  • FIG. 28 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 61 according to a second example of the second embodiment.
  • the laser processing device 61 differs from the laser processing device 51 shown in FIG. 26 in that an aberration lens 176 is provided instead of the aberration lens 175. Other than this point, it is assumed that the laser processing device 61 is the same as the laser processing device 51.
  • the aberration lens 176 is an aberration optical system composed of a plurality of spherical lenses.
  • the aberration lens 176 shown in FIG. 28 includes a first lens 211 and a second lens 212.
  • the first lens 211 is a plano-concave spherical lens having a spherical concave entrance surface and a flat exit surface.
  • the second lens 212 is a plano-convex spherical lens having a spherical convex entrance surface and a flat exit surface.
  • the optical system of the laser processing head 116 can be easily constructed by using a highly versatile plano-concave spherical lens and a plano-convex spherical lens for the aberration lens 176.
  • the laser processing head 116 includes a movable mechanism 172 that moves the aberration lens 176 in the direction of the optical axis.
  • the laser processing device 61 includes a control device that controls the movable mechanism 172.
  • the operation of the aberration lens 176 by the movable mechanism 172 is similar to that of the aberration lens 171.
  • the processing optical system 114 is an optical system that does not produce aberrations.
  • the processing optical system 114 may be an optical system that produces negligibly small aberrations. Note that in FIG. 28, illustration of the workpiece 143 and the control device is omitted.
  • t 3 is the center thickness of the first lens 211
  • d 2 is the distance between the exit surface of the first lens 211 and the second lens 212.
  • the combination of curvatures C 3 and C 4 can be selected so as to satisfy equation (9) and to obtain a desired lateral aberration at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116.
  • the laser processing device 61 can stabilize the irradiation position of the laser beam 144.
  • the laser processing device 61 moves the aberration lens 176 in the direction of the optical axis while keeping the distance d2 constant, thereby moving the aberration lens 176 while maintaining a state in which it does not have refracting power for the light beam on the central axis. be able to.
  • the laser processing device 61 can reduce changes in the beam shape at the irradiation position, and can realize stable processing.
  • the curvature C 3 of the entrance surface of the first lens 211 and the curvature C 4 of the entrance surface of the second lens 212 are such that the combined focal length f e2 of the combination of the aberration lens 176 and the collimating lens 112 is the focal point of the collimating lens 112.
  • the distance may be set equal to the distance f c .
  • the combined collimating optical system is a combined collimating lens that is a combination of an aberration lens 176 and a collimating lens 112.
  • the composite focal length f e2 is obtained by finding the ray tracing matrix F e2 from the output end of the optical fiber 142 to passing through the combined collimating lens, and multiplying the reciprocal of the 2nd row and 1st column component of the ray tracing matrix F e2 by -1. It is determined by The ray tracing matrix F e2 can be obtained in the same manner as the ray tracing matrix F e shown in equation (7). Here, a description of how to obtain the ray tracing matrix F e2 will be omitted.
  • the laser processing device 61 moves the aberration lens 176 in the direction of the optical axis while keeping the distance d 2 constant, so that the laser processing device 61 has no refractive power for the light ray on the central axis.
  • the aberration lens 176 can be moved while maintaining the following.
  • FIG. 28 shows as an example an aberration lens 176 having a first lens 211 having a concave entrance surface and a second lens 212 having a convex entrance surface.
  • the configuration of 176 is not limited to this.
  • the exit surface of the first lens 211 may be a convex surface
  • the exit surface of the second lens 212 may be a concave surface.
  • FIG. 29 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 71 according to a third example of the second embodiment.
  • the laser processing device 71 differs from the laser processing device 51 shown in FIG. 26 in that an aberration lens 177 is provided in place of the aberration lens 175. Other than this point, it is assumed that the laser processing device 71 is the same as the laser processing device 51.
  • the aberration lens 177 is an aberration optical system composed of a plurality of spherical lenses.
  • the aberration lens 177 shown in FIG. 29 includes a first lens 213 and a second lens 214.
  • the first lens 213 is a plano-concave spherical lens having a flat entrance surface and a spherical concave exit surface.
  • the second lens 214 is a plano-convex spherical lens having a flat entrance surface and a spherical convex exit surface.
  • the optical system of the laser processing head 116 can be easily constructed by using a highly versatile plano-concave spherical lens and a plano-convex spherical lens for the aberration lens 177.
  • the laser processing head 116 includes a movable mechanism 172 that moves an aberration lens 177 in the direction of the optical axis.
  • the laser processing device 71 includes a control device that controls the movable mechanism 172.
  • the operation of the aberration lens 177 by the movable mechanism 172 is similar to that of the aberration lens 171.
  • the processing optical system 114 is an optical system that does not produce aberrations.
  • the processing optical system 114 may be an optical system that produces negligibly small aberrations. Note that in FIG. 29, illustration of the workpiece 143 and the control device is omitted.
  • the laser processing device 71 can stabilize the irradiation position of the laser beam 144, as in the case of the laser processing device 61 shown in FIG.
  • the laser processing device 71 can reduce changes in beam shape at the irradiation position, and can realize stable processing.
  • FIG. 29 shows as an example an aberration lens 177 having a first lens 213 having a concave exit surface and a second lens 214 having a convex exit surface
  • the aberration lens 177 in the third example The configuration of 177 is not limited to this.
  • the entrance surface of the first lens 213 may be a convex surface
  • the entrance surface of the second lens 214 may be a concave surface.
  • FIGS. 28 and 29 show an example in which each of the aberration lenses 176 and 177 is composed of two spherical lenses, each of the aberration lenses 176 and 177 may be composed of three or more spherical lenses. It's okay.
  • the lenses constituting the aberration lenses 176 and 177 are not limited to plano-concave spherical lenses or plano-convex spherical lenses.
  • the spherical lenses constituting the aberration lenses 176 and 177 may be biconvex spherical lenses, biconcave spherical lenses, convex meniscus lenses, or concave meniscus lenses.
  • the curvature of the first lens 211, 213 and the curvature of the second lens 212, 214 are determined by the ray tracing matrix F e3 from the entrance surface of the first lens 211, 213 to the exit surface of the second lens 212, 214. You can also find it based on In this case, the ray tracing matrix F e3 is obtained, and the first lens is The curvatures of lenses 211, 213 and second lenses 212, 214 are determined.
  • the movable mechanism 172 moves the aberration lenses 176 and 177 in the direction of the optical axis. Even if the laser processing head 116 is moved, the position of the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 does not change, and stable processing can be realized.
  • the 2nd row, 1st column component of the ray tracing matrix F e3 is set to zero, and the ray tracing matrix
  • the 2nd row, 2nd column component of F e3 can be set to 1.
  • Embodiment 3 two configuration examples of a laser processing apparatus will be described.
  • the same components as in Embodiment 1 or 2 described above are given the same reference numerals, and configurations that are different from Embodiment 1 or 2 will be mainly explained.
  • FIG. 30 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 81 according to the first example of the third embodiment.
  • the laser processing head 116 of the laser processing device 81 has the same configuration as the laser processing head 116 of the laser processing device 31 shown in FIG. It includes a lens 303 and a photodetector 304.
  • the state of the workpiece 143 and the state of the molten metal 151 can be monitored. It becomes possible to observe Note that in FIG. 30, illustration of the workpiece 143 and a control device that controls the movable mechanism 172 is omitted.
  • the first bend mirror 301 and the second bend mirror 302 are arranged on the optical path between the collimating lens 112 and the condensing lens 113.
  • the first bend mirror 301 reflects the laser beam 144 that has passed through the collimating lens 112 toward the second bend mirror 302 .
  • the second bend mirror 302 reflects the laser beam 144 incident from the first bend mirror 301 toward the condenser lens 113 .
  • the laser beam 144 reflected by the second bend mirror 302 is incident on the condenser lens 113 .
  • the reflective surface of the second bend mirror 302 is coated, for example, with a coating that reflects the laser beam 144 and transmits the light 305 incident on the laser processing head 116 from the workpiece 143.
  • the second bend mirror 302 is, for example, a dichroic mirror.
  • Light 305 that enters the laser processing head 116 from the workpiece 143 and passes through the condenser lens 113 enters the second bend mirror 302 .
  • the light 305 that has passed through the second bend mirror 302 is focused on the photodetector 304 by the monitor lens 303.
  • the light detection unit 304 is, for example, an imaging device.
  • the imaging device is, for example, a camera equipped with a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor.
  • CCD Charge Coupled Device
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • the photodetector 304 may be a photodetector such as a photodiode.
  • the condensing lens 113 does not produce aberrations or produces negligibly small aberrations.
  • the light detection unit 304 is an imaging device, by eliminating the aberration of the condensing lens 113, the light 305 can be focused onto the imaging device without aberration. Thereby, an image without blur or distortion can be obtained by the imaging device.
  • the lateral aberration ⁇ Y 2 occurring at the paraxial focus 117 of the laser processing head 116 is caused by the collimating lens 112 or the aberration lens 171, or by both the collimation lens 112 and the aberration lens 171.
  • FIG. 30 shows an example in which the laser processing head 116 is equipped with the aberration lens 171
  • the laser processing head 116 may include any of the above aberration lenses 173, 174, 175, 176, and 177 instead of the aberration lens 171. may be provided.
  • the laser processing device 81 may be equipped with an illumination light source that illuminates the workpiece 143.
  • a light source such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) can be used as the illumination light source.
  • LED light emitting diode
  • LD laser diode
  • FIG. 31 is a diagram showing the configuration of a laser processing device 91 according to a second example of the third embodiment.
  • the control device 310 of the laser processing device 91 controls the movable mechanism 172.
  • the control device 310 analyzes the image output from the imaging device, and controls the movable mechanism 172 based on the analysis result.
  • the control device 310 moves the aberration lens 171 to an optimal position on the optical axis by controlling the movable mechanism 172.
  • the photodetector 304 is a photodetector
  • the control device 310 controls the movable mechanism 172 based on the optical signal detected by the photodetector. For example, feedback control may be used as the control method based on the optical signal.
  • control device 310 may control the movable mechanism 172 using a control method that combines feedforward control or the like.
  • the laser processing device 91 can maintain stable processing by continuing control by the control device 310 to move the aberration lens 171 to an optimal position on the optical axis.
  • FIG. 31 shows an example in which the laser processing head 116 is equipped with the aberration lens 171
  • the laser processing head 116 may include any of the above aberration lenses 173, 174, 175, 176, and 177 instead of the aberration lens 171.
  • FIG. 31 shows an example in which the photodetector 304 is placed coaxially with the laser beam 144
  • the photodetector 304 may be placed non-coaxially with the laser beam 144.
  • a plurality of photodetectors that are the photodetector 304 may be arranged non-coaxially.
  • the laser processing device 91 controls the movable mechanism 172 based on optical signals from a plurality of photodetectors.
  • Control device 310 is realized by a processing circuit.
  • the processing circuit may be a circuit on which a processor executes software, or may be a dedicated circuit.
  • FIG. 32 is a diagram showing a configuration example of control circuit 320 according to the third embodiment.
  • the control circuit 320 includes an input section 321, a processor 322, a memory 323, and an output section 324.
  • the input unit 321 is an interface circuit that receives data input from outside the control circuit 320 and provides it to the processor 322.
  • the output unit 324 is an interface circuit that sends data from the processor 322 or memory 323 to the outside of the control circuit 320.
  • the control device 310 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware.
  • Software or firmware is written as a program and stored in memory 323.
  • each function is realized by the processor 322 reading and executing a program stored in the memory 323. That is, the processing circuit includes a memory 323 for storing a program by which the processing of the control device 310 is executed as a result. It can also be said that these programs cause the computer to execute the procedures and methods of the control device 310.
  • the processor 322 is a CPU (Central Processing Unit, also referred to as a central processing unit, processing unit, arithmetic unit, microprocessor, microcomputer, processor, or DSP (Digital Signal Processor)).
  • the memory 323 includes, for example, RAM (Random Access Memory), ROM (Read Only Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), and EEPROM (registered trademark) (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). ory), etc., non-volatile Alternatively, volatile semiconductor memory, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, DVD (Digital Versatile Disc), etc. are applicable.
  • FIG. 32 is an example of hardware in which each component is implemented by a general-purpose processor 322 and memory 323, each component may also be implemented by a dedicated hardware circuit.
  • FIG. 33 is a diagram showing a configuration example of the dedicated hardware circuit 325 according to the third embodiment.
  • the dedicated hardware circuit 325 includes an input section 321, an output section 324, and a processing circuit 326.
  • the processing circuit 326 is a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a combination thereof.
  • Each function of the control device 310 may be realized by the processing circuit 326 for each function, or each function may be realized by the processing circuit 326 collectively. Note that the control device 310 may be realized by combining the control circuit 320 and the hardware circuit 325.

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Abstract

レーザ加工ヘッド（１１６）は、加工対象物へ向けて照射させるレーザ光（１４４）の伝搬方向に向かってレーザ光（１４４）が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、レーザ光（１４４）が伝搬するコリメート光学系と、を備える。収差光学系のうち収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値がコリメート光学系の屈折力の１０分の１以下である。収差光学系のうち中心軸からの距離が境界値を超える領域である周辺領域は、中心軸に平行な光線を周辺領域へ入射させた場合に中心軸から離れた位置の光線ほど収差光学系と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。

Description

レーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法
　本開示は、レーザ光の照射により加工対象物を局所的に溶融させて加工対象物を加工するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法に関する。
　近年、ファイバレーザ、ＹＡＧ（Yttrium　Aluminum　Garnet）レーザ、またはダイレクトダイオードレーザ（Direct　Diode　Laser：ＤＤＬ）といった、近赤外領域のレーザ光を出力する近赤外レーザの高集束化および高出力化が進み、近赤外レーザを光源として使用するレーザ加工装置が開発されている。
　特許文献１には、レーザ光を集光する第１レンズと、第１レンズと同一の光軸上に配置される第２レンズとにより構成される光学系を備えるレーザ加工ヘッドが開示されている。特許文献１に記載される光学系において、第２レンズのうち光軸上に位置する第１領域はレンズ特性を有さず、かつ、第２レンズのうち第１領域を囲む第２領域はレーザ光を発散させる。
特開２０１４－７３５２６号公報
　特許文献１に記載される従来のレーザ加工ヘッドでは、光学系へ入射するレーザ光の発散角の変化等によって、レーザ光のうち光軸から離れた部分である周辺部分のエネルギー強度が変化し得る。周辺部分のエネルギー強度が変化する場合、加工対象物に形成されるキーホールの不安定化またはスパッタの発生といった不具合によって、加工が不安定になる。このため、従来のレーザ加工ヘッドでは、加工が不安定になる場合があるという問題があった。
　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、安定した加工を実現可能とするレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ加工ヘッドは、加工対象物へ向けて照射させるレーザ光の伝搬方向に向かってレーザ光が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、レーザ光が伝搬するコリメート光学系と、を備える。収差光学系のうち収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値がコリメート光学系の屈折力の１０分の１以下である。収差光学系のうち中心軸からの距離が境界値を超える領域である周辺領域は、中心軸に平行な光線を周辺領域へ入射させた場合に中心軸から離れた位置の光線ほど収差光学系と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。
　本開示にかかるレーザ加工ヘッドは、安定した加工の実現が可能となるという効果を奏する。
実施の形態１における横収差の定義について説明するための第１の図 実施の形態１における横収差の定義について説明するための第２の図 実施の形態１の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第１の図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第２の図 実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第３の図 図４に示すレーザ光のビーム形状を示す図 図５に示すレーザ光のビーム形状を示す図 図６に示すレーザ光のビーム形状を示す図 実施の形態１の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１の第２の例において収差レンズを移動させることによる横収差の変化について説明するための図 実施の形態１の第３の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１の第３の例において収差レンズを移動させることによる横収差の変化について説明するための図 実施の形態１における収差光学系の構成について説明するための図 実施の形態１において収差レンズの非球面形状を変化させる場合における横収差と発散角との関係の変化について説明するための図 実施の形態１において収差レンズの非球面形状を変化させる場合におけるビームプロファイルの変化について説明するための図 実施の形態１における非球面係数と横収差との関係の例を示す図 図１７に示す関係である特性を有する収差レンズについてのパラメータの例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹOと非球面係数Ａ4との関係の例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹOと収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凸状の収差レンズを使用する場合における、非球面係数Ａ4と収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹOと非球面係数Ａ4との関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、加工光学系により生じる収差ΔＹOと収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 実施の形態１において凹状の収差レンズを使用する場合における、非球面係数Ａ4と収差レンズの移動量ｄとの関係の例を示す図 図１９から図２１に示す関係である特性を有する収差レンズと、図２２から図２４に示す関係である特性を有する収差レンズとについてのパラメータの例を示す図 実施の形態２の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態２における収差光学系の構成について説明するための図 実施の形態２の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態２の第３の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３の第１の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３の第２の例にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態３にかかる制御回路の構成例を示す図 実施の形態３にかかる専用のハードウェア回路の構成例を示す図
　以下に、実施の形態にかかるレーザ加工ヘッド、レーザ加工装置および金属製製造物の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。
実施の形態１．
　実施の形態１にかかるレーザ加工装置についての説明に先立ち、実施の形態１における横収差の定義について説明する。ここで説明する横収差の定義は、実施の形態１と後述する実施の形態２および３との各々において共通であるものとする。
　図１は、実施の形態１における横収差の定義について説明するための第１の図である。図１には、光源から出射される光線がコリメート光学系および集光光学系を通過して集光する様子を模式的に示す。図１において、光源は点光源１１１である。図１の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角の光線が点光源１１１から出射される場合における光線の振る舞いの違いを表す。図１の（Ａ）には、発散角θ1の光線が点光源１１１から出射される場合の様子を示す。図１の（Ｂ）には、発散角θ2の光線が点光源１１１から出射される場合の様子を示す。ただし、θ1＞θ2＞０とする。発散角は、半角により表す。
　以下の説明では、コリメート光学系は、単レンズであるコリメートレンズ１１２とする。集光光学系は、単レンズである集光レンズ１１３とする。コリメートレンズ１１２は、収差を生じさせないレンズとする。コリメートレンズ１１２は、無視できるほどに小さい収差を生じさせるレンズでも良い。集光レンズ１１３は、球面収差を生じる球面レンズとする。コリメートレンズ１１２は、点光源１１１からの距離がｆcである位置に配置される。距離ｆcは、コリメートレンズ１１２の焦点距離である。距離ｆfは、集光レンズ１１３の焦点距離である。ｚ方向は、コリメート光学系および集光光学系の各々の中心軸の方向とする。レーザ光の光軸は、中心軸と重なる。ｒ方向は、中心軸に垂直な方向の１つであって、コリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３の各々の径方向とする。
　光線１２１は、点光源１１１から発散角θ1で出射する光線とする。光線１２２は、点光源１１１から発散角θ2で出射する光線とする。コリメートレンズ１１２を通過した光線１２１は、平行化により、光軸からの高さがｈ1である光線となる。コリメートレンズ１１２を通過した光線１２２は、平行化により、光軸からの高さがｈ2である光線となる。ｈi＝ｆcｔａｎθi（i＝１，２）が成り立つ。θiが十分に小さく、ｔａｎθi≒θiの近似が成り立つ場合、ｈi≒ｆcθiが成り立つ。なお、以下の説明では、光軸からの光線の高さを、光線高さと称する。
　平行化された光線１２１，１２２は、集光レンズ１１３によって集光される。発散角θ1の場合、平行化された光線１２１が集光レンズ１１３によって集光され、近軸焦点１１７において横収差ΔＹ1を生じる。発散角θ2の場合、平行化された光線１２２が集光レンズ１１３によって集光され、近軸焦点１１７において横収差ΔＹ2を生じる。
　図２は、実施の形態１における横収差の定義について説明するための第２の図である。図２には、横収差ΔＹと光線高さｈとの関係を表すグラフを示す。球面収差によって生じる横収差ΔＹiは、光線高さｈiの３乗に比例する（ΔＹi∝ｈi ３）。ｔａｎθi≒θiの近似が成り立つ場合、ｈi≒ｆcθiにより、横収差ΔＹiは、発散角θiの３乗に比例する（ΔＹi∝θi ３）。
　図１において、発散角θiが正であるときにおける光線高さｈiが正であるように、径方向であるｒ方向が定義される。図１に示されるΔＹiは、ｒの負方向に生じることから、負の横収差である。この結果から、θ1＞θ2であるとき、ΔＹ1＜ΔＹ2であって、かつ、｜ΔＹ1｜＞｜ΔＹ2｜が成り立つ。以下、ｒの負方向に生じる横収差を負の横収差、ｒの正方向に生じる横収差を正の横収差と定義する。
　なお、図１では、横収差と発散角との関係を簡易的に説明するため、点光源１１１から発散角θ1で出射する光線１２１と、点光源１１１から発散角θ2で出射する光線１２２とを説明に用いた。以下の各実施の形態では、光ファイバの出射端といった出射部から出射するレーザ光のうち発散角に相当する角度で出射する光線についてレーザ光の横収差を定義し、当該光線について定義した横収差を、点光源１１１の場合と同様に横収差と称する。
　次に、実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成について説明する。実施の形態１では、３つの構成例を説明する。図３は、実施の形態１の第１の例にかかるレーザ加工装置２１の構成を示す図である。レーザ加工装置２１は、レーザ光の照射により加工対象物を局所的に溶融させて加工対象物を加工する。レーザ加工装置２１は、切断、溶接、または熱処理といったレーザ加工を行う。
　レーザ加工装置２１は、光源であるレーザ発振器１４１と、レーザ光１４４の伝送路である光ファイバ１４２と、レーザ加工ヘッド１１６とを備える。レーザ加工ヘッド１１６は、レーザ光が伝搬するコリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３を備える。以下、コリメートレンズ１１２および集光レンズ１１３で構成される光学系を、加工光学系１１４と称する。
　レーザ発振器１４１は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、またはＤＤＬといった、近赤外領域のレーザ光１４４を出力するレーザである。ＹＡＧレーザは、ディスク状の媒体を用いたディスクレーザであっても良い。レーザ発振器１４１は、例えば、金属等を加工できるキロワット級の出力を有する。レーザ発振器１４１のレーザ出力は、典型的には１ｋＷであって、厚い金属等を加工する場合は４ｋＷ以上が望ましい。レーザ発振器１４１のレーザ出力は、１０ｋＷ以上でも良い。
　レーザ発振器１４１から出力されたレーザ光１４４は、光ファイバ１４２を伝搬する。光ファイバ１４２は、例えば、キロワット級のレーザ光１４４が伝搬可能な光ファイバである。光ファイバ１４２の出射端におけるビームの強度分布は、例えばトップハット状である。光ファイバ１４２のコア直径φ0は、例えば、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、または３００μｍ等である。プロファイル１１８は、光ファイバ１４２の出射端におけるレーザ光１４４のビームプロファイルである。プロファイル１１９は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビームプロファイルである。
　光ファイバ１４２から出射したレーザ光１４４は、発散する。レーザ光１４４の発散角θとビームウェスト半径ω0とによって、ビームパラメータ積（Beam　Parameter　Products：ＢＰＰ）は、ω0θと表される。光ファイバ１４２の出射端におけるビームプロファイルがトップハット状であるとき、ビームウェスト半径ω0はφ0／２である。したがって、ＢＰＰ＝φ0θ／２と表せる。
　光ファイバ１４２から出力されるレーザ光１４４のＢＰＰは、レーザ発振器１４１の種類ごとに異なる場合がある。また、光ファイバ１４２から出力されるレーザ光１４４のＢＰＰは、同じ種類のレーザ発振器１４１であっても、レーザ発振器１４１の個体ごとに異なる場合がある。コア直径φ0が１００μｍである場合、ＢＰＰは、例えば、２．５ｍｍ・ｍｒａｄから５．５ｍｍ・ｍｒａｄ程度である。コア直径φ0が２００μｍである場合、ＢＰＰは、例えば、５．０ｍｍ・ｍｒａｄから１１．０ｍｍ・ｍｒａｄ程度である。これらのＢＰＰの範囲は、５０ｍｒａｄから１１０ｍｒａｄの発散角θに対応する。
　図３に示す加工光学系１１４は、収差を生じる。コリメートレンズ１１２は、光ファイバ１４２の出射端からの距離がｆcである位置に配置される。コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４は、集光レンズ１１３を通過し、加工対象物１４３にて集光される。
　コリメートレンズ１１２の焦点距離である距離ｆc、および集光レンズ１１３の焦点距離である距離ｆfの各々は、例えば、５０ｍｍから６００ｍｍ程度である。かかる距離ｆcおよび距離ｆfを焦点距離の逆数である屈折力に換算すると、コリメートレンズ１１２の屈折力および集光レンズ１１３の屈折力の各々は、１．６７Ｄから２０Ｄ程度である。Ｄは、屈折力の単位であるディオプトリであり、ＳＩ基本単位で表すとｍ-1である。例えば、距離ｆcが２００ｍｍであって、かつ距離ｆfが２００ｍｍである場合、光学倍率が１倍である加工光学系１１４が構成される。距離ｆcが２００ｍｍであって、かつ距離ｆfが４００ｍｍである場合、光学倍率が２倍である加工光学系１１４が構成される。さらに、コリメートレンズ１１２の焦点距離と集光レンズ１１３の焦点距離との組み合わせを変えることで、その他の光学倍率の加工光学系１１４も構成できる。
　なお、コリメートレンズ１１２と集光レンズ１１３との各々は、単レンズに限られず、２つ以上のレンズで構成されても良い。この場合、コリメートレンズ１１２の焦点距離は、２つ以上のレンズの組み合わせの合成焦点距離である。集光レンズ１１３の焦点距離は、２つ以上のレンズの組み合わせの合成焦点距離である。
　加工対象物１４３は、例えば、軟鋼、銅、アルミニウム、ステンレス、または亜鉛メッキ鋼といった金属を材料とする金属製製造物である。金属製製造物は、金属製の部品であっても良く、金属板等であっても良い。レーザ溶接を行うレーザ加工装置２１は、例えば、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物との各々にレーザ光１４４を照射し、突合せ溶接、隅肉溶接、または重ね溶接といった既存の溶接継手によってレーザ溶接を行っても良い。第１の金属製製造物と第２の金属製製造物との各々は、レーザ溶接における加工対象物１４３である。レーザ加工装置２１は、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物とのレーザ溶接によって、第１の金属製製造物と第２の金属製製造物とが接合された第３の金属製製造物を製造できる。
　次に、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明する。図４は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第１の図である。図５は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第２の図である。図６は、実施の形態１におけるレーザ加工の様子と収差との関係について説明するための第３の図である。
　図４から図６では、加工対象物１４３へのレーザ光１４４の照射によって加工対象物１４３の加工が行われている様子を模式的に表す。図４には、収差を生じない加工光学系１１４を用いてレーザ光１４４を集光する場合の例を示す。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。図５および図６には、収差を生じる加工光学系１１４を用いてレーザ光１４４を集光する場合の例を示す。図６には、図５に示す状態と比べて横収差の絶対値が小さい場合の状態を示す。なお、図４から図６では、加工光学系１１４の図示を省略する。ｘ方向およびｙ方向は、互いに垂直な方向であって、かつｚ方向に垂直な方向とする。進行方向１２０は、加工対象物１４３における加工の進行方向とする。進行方向１２０は、加工対象物１４３におけるレーザ光１４４の走査方向ともいえる。図４から図６において、進行方向１２０は、ｘ方向である。
　図４に示すように、収差を生じない加工光学系１１４を用いる場合、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、光ファイバ１４２の出射端におけるプロファイル１１８を光学倍率Ｍ＝ｆf／ｆcで拡大したトップハット状のプロファイル１４５である。
　図７は、図４に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図７に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、図７に示すように円形である。
　トップハット状のプロファイル１４５を持つレーザ光１４４の強度Ｉが例えば２００ｋＷ／ｃｍ2以上のとき、照射したレーザ光１４４によって加工対象物１４３が溶融され、加工対象物１４３にキーホール１４７が形成される。このとき、キーホール１４７の前壁１４８および後壁１４９の各々は、キーホール１４７の底部１５２から加工対象物１４３の表面１５３における開口部１５５まで、基準面１５４に対して垂直に近い状態となる。前壁１４８は、キーホール１４７のうち進行方向１２０における前方の壁である。後壁１４９は、キーホール１４７のうち進行方向１２０における後方の壁である。表面１５３は、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４が入射する表面である。基準面１５４は、加工光学系１１４の中心軸に垂直な面であって、例えば、加工対象物１４３が置かれる面である。基準面１５４に加工対象物１４３が置かれた状態において、表面１５３は、基準面１５４と平行であるものとする。
　図４において、溶融金属１５１の流れである溶融金属流１５０は、底部１５２から開口部１５５の方へ、後壁１４９に沿って速い速度で上昇する。かかる溶融金属流１５０によって、溶融金属１５１の一部は、スパッタ１４６となって飛散する。このため、図４に示すように、収差を生じない加工光学系１１４を用いる場合、スパッタ１４６の発生によって加工が不安定となり得る。
　図５に示すように、収差を生じる加工光学系１１４を用いる場合、加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、中心部の主ビーム１６０と、主ビーム１６０を取り囲む周辺ビーム１６１とを有するウィッチハット状のプロファイル１６５である。
　図８は、図５に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図８に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、主ビーム１６０の円形と周辺ビーム１６１の円形との同心円である。周辺ビーム幅１６６は、周辺ビーム１６１の円形と主ビーム１６０の円形との間の幅とする。
　図５に示す場合において、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７において生じる横収差の絶対値は、例えば、０．２ｍｍ以上である。以下の説明では、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７を、単に、加工光学系１１４の近軸焦点１１７と称する。レーザ加工ヘッド１１６を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７を、単に、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７と称する。
　ウィッチハット状のプロファイル１６５を持つレーザ光１４４の強度Ｉが例えば２００ｋＷ／ｃｍ2以上のとき、照射した主ビーム１６０によって加工対象物１４３が溶融され、加工対象物１４３にキーホール１４７が形成される。この場合において、周辺ビーム１６１の強度Ｉは、例えば、５０ｋＷ／ｃｍ2から２００ｋＷ／ｃｍ2程度である。なお、周辺ビーム１６１の強度Ｉは、キーホール１４７を形成しない程度の強度であれば良い。
　周辺ビーム１６１の照射によって溶融金属１５１の表面から溶融金属１５１が蒸発することで、金属蒸気１６３が発生する。金属蒸気１６３の発生による蒸発反力１６２は、キーホール１４７の開口部１５５において、溶融金属１５１の表面から加工対象物１４３の内部へ向けて作用する。蒸発反力１６２の作用によって、進行方向１２０における後方において、後壁１４９を上昇する溶融金属流１５０は、表面１５３に垂直な方向から表面１５３に平行な方向へ変化する。溶融金属流１５０のこのような変化によって、開口部１５５がホーン状に拡げられる。開口部１５５がホーン状に拡げられることによって、溶融金属流１５０は、表面１５３から加工対象物１４３の内部へ向けられる。かかる溶融金属流１５０によって、キーホール１４７が安定化され、かつ、溶融金属１５１の一部がスパッタ１４６となって飛散することが低減される。
　また、開口部１５５がホーン状に拡げられることによって、キーホール１４７では前壁１４８から開口部１５５へ金属蒸気１６３が逃げ易くなる。金属蒸気１６３が逃げ易くなることによって、キーホール１４７が安定化され、かつ、溶融金属１５１の一部がスパッタ１４６となって飛散することが低減される。このようにして、図５に示す加工の場合、キーホール１４７の安定化とスパッタ１４６の低減とによって、安定した加工が可能となる。
　図６に示す場合では、収差を生じる加工光学系１１４を用いるが、生じる横収差の絶対値が、図５に示す場合に比べて小さい。加工対象物１４３のうちレーザ光１４４の照射位置におけるプロファイル１１９は、中心部の主ビーム１６０と、主ビーム１６０を取り囲む周辺ビーム１６１とを有するウィッチハット状のプロファイル１６７である。
　図９は、図６に示すレーザ光１４４のビーム形状を示す図である。図９に示すビーム形状は、加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状であって、ｘｙ面におけるビーム形状である。加工対象物１４３へ入射するレーザ光１４４のビーム形状は、主ビーム１６０の円形と周辺ビーム１６１の円形との同心円である。図９に示す周辺ビーム幅１６６は、図８に示す周辺ビーム幅１６６に比べて小さい。
　図６に示す場合において、加工光学系１１４を通過したレーザ光１４４の近軸焦点１１７において生じる横収差の絶対値は、例えば、０．２ｍｍよりも小さい。図６に示すウィッチハット状のプロファイル１６７を持つレーザ光１４４では、図５に示す場合に比べて周辺ビーム幅１６６が小さいため、開口部１５５をホーン状に拡げることができない。このため、図６に示す場合では、加工光学系１１４によって収差が生じて周辺ビーム１６１が形成されるものの、図５に示す場合と比べてスパッタ１４６の飛散を低減させることができない。このように、図６に示すように、生じる横収差の絶対値が図５に示す場合に比べて小さい場合、スパッタ１４６の発生によって加工が不安定となり得る。
　図４から図６を参照して説明するように、加工光学系１１４によって生じる収差の量が変化すると、照射位置におけるレーザ光１４４のビーム形状が変化することによって、加工の安定性が変化し得る。したがって、一定の量の収差を生じさせることが可能であれば、ビーム形状が安定し、安定した加工を実現することが可能となる。
　上述するように、光ファイバ１４２の出射端におけるレーザ光１４４の発散角は、例えば、５０ｍｒａｄから１００ｍｒａｄである。また、レーザ光１４４の発散角は、レーザ発振器１４１の種類ごとに異なる場合があり、同じ種類のレーザ発振器１４１であっても個体ごとに異なる場合がある。図１に示すように、球面収差に起因する横収差は、レーザ光１４４の発散角によって変化する。このため、同じ加工光学系１１４を用いても、レーザ発振器１４１の種類ごとに、またはレーザ発振器１４１の個体ごとに横収差が変化することによって、照射位置におけるビーム形状が変化してしまう場合がある。このようなビーム形状の変化によって、レーザ加工装置２１の加工状態が変化し、さらにレーザ加工装置２１の加工品質も変化する場合がある。
　図１０は、実施の形態１の第２の例にかかるレーザ加工装置３１の構成を示す図である。レーザ加工装置３１は、図３に示すレーザ加工装置２１と同様の構成に加えて、収差を生じさせる収差光学系を備える。第２の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７１とする。収差レンズ１７１は、非球面である凸面を有する凸レンズである。
　レーザ加工ヘッド１１６は、収差レンズ１７１、コリメートレンズ１１２、および集光レンズ１１３を備える。また、レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７１を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置３１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。第２の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図１０では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。
　収差レンズ１７１は、光ファイバ１４２の出射端とコリメートレンズ１１２との間におけるレーザ光１４４の光路上に配置される。収差レンズ１７１は、加工対象物１４３へ向けて照射させるレーザ光１４４の伝搬方向、すなわち加工対象物１４３へ近づく方向へ向かってレーザ光１４４が拡がる範囲内の位置に配置される。収差レンズ１７１は、横収差を生じさせる。
　図１０の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角のレーザ光１４４が光ファイバ１４２の出射端から出射される場合におけるレーザ光１４４の振る舞いの違いを表す。図１０の（Ｂ）には、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角が図１０の（Ａ）に示す場合に比べて小さい場合における様子を示す。レーザ加工装置３１は、図１０の（Ｂ）に示す状態では、図１０の（Ａ）に示す状態のときよりも、加工対象物１４３へ近づく方向へ移動量ｄだけ収差レンズ１７１を移動させている。
　レーザ加工装置３１は、レーザ光１４４の発散角が変化する場合に、ｚ方向における収差レンズ１７１の位置を変化させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差を一定の横収差ΔＹ2に維持させることができる。レーザ加工装置３１は、横収差を維持させることによって、レーザ発振器１４１の種類ごとまたはレーザ発振器１４１の個体ごとの、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させる。これにより、レーザ加工装置３１は、安定した加工を実現できる。
　図１１は、実施の形態１の第２の例において収差レンズ１７１を移動させることによる横収差の変化について説明するための図である。図１１には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。図１１において、破線である線１９０は、図１０の（Ａ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。図１１において、実線である線１９１は、図１０の（Ｂ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。
　図１０の（Ａ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ1であるものとする。図１０の（Ｂ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ2であるものとする。ただし、θ1＞θ2とする。図１０の（Ａ）に示す場合と図１０の（Ｂ）に示す場合との双方において発生する横収差ΔＹはΔＹ2である。
　図２を参照して説明したように、横収差ΔＹは、発散角θの３乗に比例する。比例定数をα1として、ΔＹ＝α1θ３が成り立つ。つまり、収差レンズ１７１によって発生する横収差ΔＹの発散角θに対する依存性は、球面収差の場合と同様である。光軸の方向において収差レンズ１７１を移動させることによって、比例定数α1が変化する。比例定数α1が変化することによって、発散角θがθ1およびθ2のいずれである場合も、横収差ΔＹは同じΔＹ2となる。すなわち、発散角θがθ1からθ2へ変化しても、横収差ΔＹはΔＹ2のまま維持される。
　図１０に示すレーザ加工ヘッド１１６では、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７１が配置される。コリメートレンズ１１２は、収差レンズ１７１を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。集光レンズ１１３は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。
　収差レンズ１７１は、光ファイバ１４２の出射端とコリメートレンズ１１２との間の、レーザ光１４４が発散している光路上に配置されるものに限られない。収差レンズ１７１は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間の、レーザ光１４４が集光される光路上に配置されるものであっても良い。この場合、コリメートレンズ１１２は、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に配置される。集光レンズ１１３は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。収差レンズ１７１は、集光レンズ１１３を通過したレーザ光１４４の光路上に配置される。
　レーザ加工ヘッド１１６は、発散または集光されているレーザ光１４４の光路上において光軸の方向に収差レンズ１７１を移動させることで、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差を変化させることができる。ここで、発散とは、レーザ光１４４が伝搬するに従ってビーム径が拡大することを指す。集光とは、レーザ光１４４が伝搬するに従ってビーム径が縮小することを指す。
　図１０に示すようにレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７１が配置されることによって、収差レンズ１７１の位置はレーザ光１４４の照射位置から離される。収差レンズ１７１の位置がレーザ光１４４の照射位置から離されることによって、加工対象物１４３からスパッタ１４６が飛散する場合において収差レンズ１７１へのスパッタ１４６の付着が防がれる。これにより、レーザ加工装置３１は、スパッタ１４６が付着した収差レンズ１７１をレーザ光１４４が通過することによって収差レンズ１７１が損傷するといった事態を防ぐことができる。
　レーザ加工装置３１には、スパッタ１４６の付着による損傷から加工光学系１１４および収差レンズ１７１を保護するための保護板が備えられても良い。保護板は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間におけるレーザ光１４４の光路上に配置される。保護板は、レーザ光１４４に対して透明な材料により作られ、レーザ光１４４を通過させる。また、加工光学系１１４および収差レンズ１７１の保護のために、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７１との間におけるレーザ光１４４の光路上に保護板が配置されても良い。
　収差レンズ１７１は、例えば、非球面であって凸面である第１の面１８１と平面である第２の面１８２とを有する平凸非球面レンズである。図１０に示すレーザ加工装置３１では、第１の面１８１はレーザ光１４４が入射する入射面であって、第２の面１８２はレーザ光１４４が出射する出射面である。または、第１の面１８１がレーザ光１４４の出射面であって、第２の面１８２がレーザ光１４４の入射面であっても良い。
　一般に、非球面の形状は、レンズの中心軸の方向の切削量であるサグ量により定義される。サグ量ｚ（ｒ）は、次の式（１）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　Ｃ0は中心軸上での曲率Ｃ、ｋはコーニック定数、Ａjは非球面係数とする。ｊは４以上の偶数とする。曲率Ｃは、次の式（２）により定義される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ただし、ｚ’（ｒ）＝ｄｚ／ｄｒ、およびｚ’’（ｒ）＝ｄ2ｚ／ｄｒ2が成り立つ。Ｃ0は、ｒ＝０の場合における曲率Ｃである。第１の面１８１が、ゼロ以外の値であるＣ0を持つ非球面であって、かつ第２の面１８２が平面である場合、光軸の方向における収差レンズ１７１の移動に伴って、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置も光軸の方向において移動する。そこで、収差レンズ１７１の第１の面１８１は、Ｃ0＝０である非球面としても良い。式（１）より、Ｃ0＝０である場合のサグ量ｚ（ｒ）は、次の式（３）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　第１の面１８１を、Ｃ0＝０であって式（３）に示される形状の非球面とし、かつ、第２の面１８２を平面とすれば、光軸の方向において収差レンズ１７１を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置は移動しない。レーザ加工装置３１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が移動しないことによって、レーザ光１４４の照射位置を一定に保つことができる。また、例えば、式（３）において６次以上の非球面形状をゼロとし、式（３）の左辺には４次の項であるＡ4の項までを使用する場合、収差レンズ１７１における非球面係数Ａ4の値は正の値となる。
　図１２は、実施の形態１の第３の例にかかるレーザ加工装置４１の構成を示す図である。レーザ加工ヘッド１１６は、収差レンズ１７３、コリメートレンズ１１２、および集光レンズ１１３を備える。また、レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７３を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置４１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。なお、図１２では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。
　レーザ加工装置４１は、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７３が設けられている点が、図１０に示すレーザ加工装置３１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置４１は、レーザ加工装置３１と同様であるものとする。第３の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７３とする。収差レンズ１７３は、非球面である凹面を有する凹レンズである。例えば、式（３）において６次以上の非球面形状をゼロとし、式（３）の左辺には４次の項であるＡ4の項までを使用する場合、収差レンズ１７３におけるＡ4の値は負の値となる。
　図１２の（Ａ）および（Ｂ）では、互いに異なる発散角のレーザ光１４４が光ファイバ１４２の出射端から出射される場合におけるレーザ光１４４の振る舞いの違いを表す。図１２の（Ｂ）には、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角が図１２の（Ａ）に示す場合に比べて小さい場合における様子を示す。レーザ加工装置４１は、図１２の（Ｂ）に示す状態では、図１２の（Ａ）に示す状態のときよりも、加工対象物１４３から遠ざかる方向へ移動量ｄだけ収差レンズ１７３が移動されている。
　レーザ加工装置４１は、レーザ光１４４の発散角が変化する場合に、ｚ方向における収差レンズ１７３の位置を変化させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差を一定の横収差ΔＹ’2に維持させることができる。レーザ加工装置４１は、横収差を維持させることによって、レーザ発振器１４１の種類ごとまたはレーザ発振器１４１の個体ごとの、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させる。これにより、レーザ加工装置４１は、安定した加工を実現できる。
　なお、図１０に示す第２の例のレーザ加工装置３１は、発散角が大きくなる場合に光ファイバ１４２の出射端の方へ収差レンズ１７１を移動させ、発散角が小さくなる場合にコリメートレンズ１１２の方へ収差レンズ１７１を移動させる。これに対し、図１２に示す第３の例のレーザ加工装置４１は、発散角が大きくなる場合にコリメートレンズ１１２の方へ収差レンズ１７３を移動させ、発散角が小さくなる場合に光ファイバ１４２の出射端の方へ収差レンズ１７３を移動させる。このように、第３の例において収差レンズ１７３を移動させる方向は、第２の例において収差レンズ１７１を移動させる方向とは逆となる。
　図１３は、実施の形態１の第３の例において収差レンズ１７３を移動させることによる横収差の変化について説明するための図である。図１３には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。図１３において、破線である線１９２は、図１２の（Ａ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。図１３において、実線である線１９３は、図１２の（Ｂ）に示す場合における横収差と発散角との関係を表す。
　図１２の（Ａ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ1であるものとする。図１２の（Ｂ）に示す場合において、光ファイバ１４２の出射端から出射されるレーザ光１４４の発散角θはθ2であるものとする。ただし、θ1＞θ2とする。図１２の（Ａ）に示す場合と図１２の（Ｂ）に示す場合との両方において、発生する横収差ΔＹはΔＹ’2である。発散角θがθ1からθ2へ変化しても、光軸の方向において収差レンズ１７３を移動させることによって、横収差ΔＹはΔＹ’2のまま維持される。
　図１２に示すレーザ加工ヘッド１１６では、光ファイバ１４２の出射端から出射したレーザ光１４４が発散している光路上に収差レンズ１７３が配置される。なお、収差レンズ１７３は、集光レンズ１１３と加工対象物１４３との間の、レーザ光１４４が集光される光路上に配置されるものであっても良い。収差レンズ１７３の位置がレーザ光１４４の照射位置から離されることによって、収差レンズ１７３へのスパッタ１４６の付着が防がれる。これにより、レーザ加工装置４１は、スパッタ１４６が付着した収差レンズ１７３をレーザ光１４４が通過することによって収差レンズ１７３が損傷するといった事態を防ぐことができる。また、レーザ加工装置４１には、スパッタ１４６の付着による損傷から加工光学系１１４および収差レンズ１７１を保護するための保護板が備えられても良い。レーザ加工装置４１には、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７１との間におけるレーザ光１４４の光路上に保護板が配置されても良い。
　収差レンズ１７３は、例えば、非球面であって凹面である第１の面１８３と平面である第２の面１８４とを有する平凹非球面レンズである。図１２に示すレーザ加工装置４１では、第１の面１８３はレーザ光１４４の入射面であって、第２の面１８４はレーザ光１４４の出射面である。または、第１の面１８３がレーザ光１４４の出射面であって、第２の面１８４がレーザ光１４４の入射面であっても良い。
　図１４は、実施の形態１における収差光学系の構成について説明するための図である。図１４の（Ａ），（Ｂ）では、収差光学系である収差レンズ１７１，１７３の形状と、収差レンズ１７１，１７３における非球面の曲率Ｃと、収差レンズ１７１，１７３の焦点位置ｚfとの例を示す。図１４において、収差レンズの形状は、ｒ方向とｚ方向とを含む断面の形状を示す。曲率Ｃについては、ｒ方向位置と曲率Ｃとの関係を表すグラフを示す。焦点位置ｚfについては、ｒ方向位置と焦点位置ｚfとの関係を表すグラフを示す。なお、中心軸の位置を基準とするｒ座標により、ｒ方向位置を表すものとする。また、ｒ座標を、単に「ｒ」と称する。
　焦点位置ｚfは、中心軸の方向へ進行した光線が、ｚ＝０の位置に配置された収差レンズに入射した場合において、収差レンズで折り曲げられた光線と中心軸とが交わるｚ方向位置とする。例えば、凸レンズである焦点距離ｆの薄肉レンズをｚ＝０の位置に配置した場合、ｚf＝ｆである。凹レンズである焦点距離－ｆの薄肉レンズをｚ＝０の位置に配置した場合、ｚf＝－ｆである。収差を生じさせるレンズでは、焦点位置ｚfは、中心軸に平行な光線と中心軸との間の距離によって変化する。収差を生じさせるレンズの焦点位置ｚｆは、中心軸の方向の光線と中心軸との間の距離によって変化する。図１４では、焦点位置ｚfについて、中心軸の方向の光線が入射する位置をｒ方向において変化させた場合における焦点位置ｚfの変化の例を示す。
　図１４の（Ａ）では、図１０に示す収差レンズ１７１についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚfの例を示す。図１４の（Ｂ）では、図１２に示す収差レンズ１７３についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚfの例を示す。図１４の（Ｃ）では、収差レンズ１７１との比較のために、平凸球面レンズ１８０についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚfの例を示す。平凸球面レンズ１８０の曲率Ｃは、ｒに依らず一定である。これに対し、収差レンズ１７１の曲率Ｃは、ｒの絶対値が大きくなるにつれて単調に増加する。収差レンズ１７３の曲率Ｃは、ｒの絶対値が大きくなるにつれて単調に減少する。すなわち、収差レンズ１７１では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率Ｃが単調に増加する。収差レンズ１７３では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率Ｃが単調に減少する。
　収差レンズ１７１の焦点位置ｚfは、ｒの絶対値が小さくなるにつれて大きくなる。収差レンズ１７１において、中心軸上の光線についての焦点位置ｚfは、正の無限大となる。すなわち、収差レンズ１７１は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。収差レンズ１７３の焦点位置ｚfは、ｒの絶対値が小さくなるにつれて小さくなる。収差レンズ１７３において、中心軸上の光線についての焦点位置ｚfは、負の無限大となる。すなわち、収差レンズ１７３は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。なお、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。
　上記内容をまとめると、各収差レンズ１７１，１７３では、ｒの絶対値｜ｒ｜が大きくなるにつれて、焦点位置ｚfの絶対値である｜ｚf｜は小さくなる。｜ｚf｜は、収差レンズ１７１と焦点との間の距離、または、収差レンズ１７３と焦点との間の距離である。｜ｒ｜は、中心軸と中心軸に平行な光線との間の距離を表す。換言すると、収差レンズ１７１，１７３は、中心軸に平行な光線を収差レンズ１７１，１７３へ入射させた場合において中心軸から離れた位置の光線ほど収差レンズ１７１，１７３と焦点との間の距離が短い集光特性を有する。これにより、収差レンズ１７１，１７３は、収差を生じさせる。
　平凸球面レンズ１８０では、｜ｒ｜が大きくなるにつれて｜ｚf｜が小さくなる。ただし、平凸球面レンズ１８０は、中心軸上の光線についての焦点位置ｚfが有限であることが、収差レンズ１７１とは異なる。平凸球面レンズ１８０の焦点位置ｚfは、例えば、ｒの２次関数となる。
　収差レンズ１７１，１７３を実際に作製する場合は、中心軸上における屈折力を完全にゼロにすることはできない。このため、収差レンズ１７１，１７３は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心軸上における屈折力を有しても良い。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。
　コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７１，１７３の中心軸上における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。
　このように、収差レンズ１７１，１７３の中心軸上の位置は、屈折力を持たないか、あるいは、屈折力の絶対値がコリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下または１００分の１以下である。収差レンズ１７１，１７３は、中心軸上の位置においてはレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を大きく変化させないようにできる。
　図１４の（Ｄ）では、収差レンズ１７４についての形状、曲率Ｃ、および焦点位置ｚfの例を示す。収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率がゼロである非球面を有する点が、収差レンズ１７１とは異なる。かかる点以外は、収差レンズ１７４は、収差レンズ１７１と同様であるものとする。図１０に示すレーザ加工装置３１には、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７４が設けられても良い。収差レンズ１７４は、レーザ加工ヘッド１１６に備わる収差光学系であって、単レンズとする。
　収差レンズ１７４において、中心領域１８５は、中心軸上の位置を含む領域である。周辺領域１８６は、中心領域１８５を取り囲む領域である。収差レンズ１７４のレンズ半径をｒd、中心領域１８５と周辺領域１８６との境界を示すｒを境界値ｒ0とする。ｒ0は正の実数とする。中心領域１８５は、中心軸に垂直な方向において－ｒ0≦ｒ≦ｒ0の範囲の領域である。周辺領域１８６は、中心軸に垂直な方向において－ｒd≦ｒ＜－ｒ0またはｒ0＜ｒ≦ｒdの範囲の領域である。すなわち、中心領域１８５は、中心軸からの距離が境界値ｒ0以下の領域である。周辺領域１８６は、中心軸からの距離が境界値ｒ0を超える領域である。
　図１４の（Ａ）に示す収差レンズ１７１では中心軸上の位置において曲率がゼロであるのに対し、収差レンズ１７４では－ｒ0≦ｒ≦ｒ0の中心領域１８５において曲率がゼロである。収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率をゼロとすること、すなわち中心領域１８５を平面とすることによって、容易に作成することができる。周辺領域１８６の曲率は、ｒの絶対値｜ｒ｜が大きくなるにつれて単調に増加する。すなわち、周辺領域１８６では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に増加する。
　境界値ｒ0は、例えば、レンズ半径ｒdの５０％以下の値である。境界値ｒ0は、レンズ半径ｒdの４０％以下の値、または、レンズ半径ｒdの３０％以下の値であっても良い。収差レンズ１７４は、収差レンズ１７１の中心領域を、曲率がゼロである中心領域１８５に置き換えたものである。収差レンズ１７４は、中心領域１８５では屈折力を持たず、周辺領域１８６では｜ｒ｜が大きくなるにつれて｜ｚf｜が小さくなる。なお、収差レンズ１７４は、図１４の（Ｂ）に示す収差レンズ１７３の中心領域を、曲率がゼロである中心領域１８５に置き換えたものであっても良い。
　収差レンズ１７４を実際に作製する場合は、中心領域１８５における屈折力を完全にゼロにすることはできない。このため、収差レンズ１７４は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心領域１８５における屈折力を有しても良い。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。
　コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７４の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。
　このように、収差レンズ１７４のうち中心領域１８５は、屈折力を持たないか、あるいは、屈折力の絶対値がコリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下または１００分の１以下である。収差レンズ１７４は、中心領域１８５においてはレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を大きく変化させないようにすることができる。
　収差レンズ１７４のうち周辺領域１８６は、中心軸に平行な光線を周辺領域１８６へ入射させた場合において中心軸から離れた位置の光線ほど収差レンズ１７４と光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有する。収差レンズ１７４は、周辺領域１８６により収差を生じさせることができる。なお、収差レンズ１７１の非球面についての説明は、収差レンズ１７４の入射面または出射面のうち周辺領域１８６の部分についても同様であるものとする。
　ここまで、収差レンズ１７４は、曲率がゼロである中心領域１８５を備えるように収差レンズ１７１を変形したものとした。収差レンズ１７４は、曲率がゼロである中心領域１８５を備えるように収差レンズ１７３を変形したものであっても良い。この場合、収差レンズ１７４は、中心領域１８５の曲率がゼロである非球面を有する点が、収差レンズ１７３とは異なる。かかる点以外は、収差レンズ１７４は、収差レンズ１７３と同様であるものとする。なお、収差レンズ１７３の非球面についての説明は、収差レンズ１７４の入射面または出射面のうち周辺領域１８６の部分についても同様であるものとする。周辺領域１８６では、径方向において中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に減少する。
　可動機構１７２は、例えば、レーザ光１４４の光軸の方向に移動可能な可動ステージである。可動ステージの移動を高精度に制御するため、可動機構１７２には、例えば、サーボモータ、ステッピングモータ等が搭載されても良い。可動機構１７２は、レーザ光１４４の光軸の方向に移動可能な機構であれば良く、可動ステージに限られない。可動機構１７２は、回転ヘリコイド構造、直進ヘリコイド構造、またはカム構造等であっても良い。
　レーザ加工装置３１，４１は、可動機構１７２によって収差レンズ１７１，１７３，１７４を移動させるものに限られない。レーザ加工装置３１，４１は、レーザ光１４４の発散角に応じてレーザ光１４４の光軸上の適切な位置に収差レンズ１７１，１７３，１７４が配置されることによってレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが一定とされたものであっても良い。
　収差レンズ１７１，１７３の非球面、または収差レンズ１７４のうち周辺領域１８６の部分を式（２）で示す形状とし、かつ、発散角θ1，θ2においてレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹが同じ値となるように、式（２）の非球面係数が決定される。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、光軸の方向へ収差レンズ１７１，１７３，１７４を移動させることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置を維持したまま、横収差ΔＹの発散角に対する依存性だけを変化させることができる。発散角θ1のレーザ光１４４が入射したときには光軸の方向へ収差レンズ１７１，１７４が移動することによって、収差レンズ１７１，１７４は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じさせる横収差ΔＹをΔＹ2からΔＹ1へ変化させることができる。発散角θ1のレーザ光１４４が入射したときには光軸の方向へ収差レンズ１７３が移動することによって、収差レンズ１７３は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じさせる横収差ΔＹをΔＹ’2からΔＹ’1へ変化させることができる。
　レーザ加工装置３１，４１は、かかる性質を利用して、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じる横収差を、例えば加工対象物１４３に応じて変化させても良い。例えば、レーザ発振器１４１の波長領域における吸収率が低い加工対象物１４３を加工する場合に、レーザ加工装置３１，４１は、収差レンズ１７１，１７３，１７４をレーザ光１４４の光軸の方向へ移動させ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差をより大きくしても良い。近赤外領域のレーザ光１４４の吸収率が低い材料としては、例えば、銅またはアルミニウム等が挙げられる。レーザ加工装置３１，４１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差を大きくすることによって、レーザ光１４４の吸収率が低い加工対象物１４３を加工する場合であってもスパッタ１４６を低減できる。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、高品質な加工を実現することができる。
　図１５は、実施の形態１において収差レンズ１７１の非球面形状を変化させる場合における横収差と発散角との関係の変化について説明するための図である。図１５には、横収差ΔＹと発散角θとの関係を表すグラフを示す。非球面形状は、例えば、式（１）の非球面係数Ａjを変化させることによって、変化させることができる。図１５において、実線である線１９１は、発散角θの３乗に比例する横収差ΔＹを生じさせる非球面形状を適用する場合を表す。すなわち、線１９１で示される関係において、収差レンズ１７１は、球面収差の場合と同様の横収差を生じさせる。図１５において、破線である線１９４は、横収差ΔＹの発散角に対する依存性が線１９１の場合とは異なる非球面形状を適用する場合の例を表す。線１９４により示される、横収差ΔＹの発散角に対する依存性は、次の式（４）により表される。α2は定数、βは正の実数とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　α2＝α1，β＝３のとき、式（４）はΔＹ＝α1θ3となる。すなわち、横収差ΔＹは発散角θの３乗に比例する。以下、横収差ΔＹの発散角に対する依存性とは、式（４）により表される関係とする。横収差ΔＹの発散角に対する依存性とは、横収差ΔＹが発散角θのβ乗に比例すること、より一般的には、横収差ΔＹが発散角θのべき乗に比例すること、といえる。以下、α2は比例定数、βはべき指数とする。線１９４は、線１９１の場合におけるべき指数βの値である３よりもべき指数βの値が小さい場合における、横収差ΔＹの発散角に対する依存性の例を示す。このように、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹは、レーザ光１４４の発散角θのべき乗に比例する。
　図１５では、発散角θがθ1である場合において線１９１と線１９４とが交わる。すなわち、発散角θがθ1であるとき、横収差ΔＹが同じ横収差ΔＹ1となる。発散角θがθ1よりも小さいθ2であるとき、線１９４で示される横収差ΔＹ3は、線１９１で示される横収差ΔＹ2よりも小さくなる。
　図１６は、実施の形態１において収差レンズ１７１の非球面形状を変化させる場合におけるビームプロファイルの変化について説明するための図である。図１６には、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７におけるレーザ光１４４のビームプロファイルを示す。
　図１６では、図１５において線１９１により示される関係の場合におけるビームプロファイルに、図１５において線１９４により示される関係の場合におけるビームプロファイルが重ね合わせられている。図１６において実線で示すプロファイル１９５は、図１５において線１９１により示される関係の場合におけるビームプロファイルである。図１６において破線で示すプロファイル１９６は、図１５において線１９４により示される関係の場合におけるビームプロファイルである。すなわち、プロファイル１９５は、べき指数βの値が３である場合におけるビームプロファイルである。プロファイル１９６は、べき指数βの値が３よりも小さい場合におけるビームプロファイルである。
　各プロファイル１９５，１９６は、ウィッチハット状のビームプロファイルである。また、図１６では、各プロファイル１９５，１９６の違いを分かり易くするため、各プロファイル１９５，１９６のうち周辺ビーム１６１に相当する部分を拡大して示す。
　プロファイル１９５とプロファイル１９６との大きな違いは、プロファイル１９６の方がプロファイル１９５よりも周辺ビーム１６１の強度が高いことである。この結果、プロファイル１９６の場合の方がプロファイル１９５の場合よりも、図８に示す周辺ビーム幅１６６が広がる。プロファイル１９６の場合、例えば図６のキーホール１４７の開口部１５５を、より大きくベルマウス状に拡げることができる。したがって、レーザ加工装置３１，４１は、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、高品質な加工を実現することができる。
　上記のベルマウス状という表現について、図６を参照して説明する。図６に示す前壁１４８の形状、および図６に示す後壁１４９の形状は、底部１５２から開口部１５５に近づくに従って広がっている。前壁１４８のうち開口部１５５の近辺の急激に広がる部分の形状と、後壁１４９のうち開口部１５５の近辺の急激に広がる部分の形状とを、周知の構造に強いて例えるとすれば、ベルマウスを挙げることができる。なお、ベルマウス状という表現は、キーホール１４７の形状を限定するものではない。また、底部１５２から開口部１５５までの前壁１４８の全体の形状と、底部１５２から開口部１５５までの後壁１４９の全体の形状とを、周知の物に強いて例えるとすれば、広がりが緩やかな筒状の部分と筒状の部分に比べて急激に広がる端部とを有する、ホーンまたはラッパなどを挙げることができる。そのため、キーホール１４７の全体を例えるとすれば、ホーン状、またはラッパ状といった言葉を使うこともできる。この場合も、ホーン状、またはラッパ状という言葉は、キーホール１４７の形状を限定するものではない。
　以上をまとめると、レーザ加工装置３１，４１は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差をレーザ光１４４の発散角のべき乗に比例させ、べき指数βの値を３より小さい値とすることで、球面収差よりも大きな収差を与えることができる。これにより、レーザ加工装置３１，４１は、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、高品質な加工を実現することができる。
　式（３）において、より高次の非球面係数Ａjを使用することで、非球面係数としてＡ4のみを使用する場合と比べて、横収差ΔＹを発散角θのβ乗に比例させることが容易となる。非球面係数Ａjを使用して、横収差ΔＹを発散角θのβ乗に比例させ易くすることができるべき指数βの値の範囲は、例えば、２．５≦β≦３．５である。したがって、例えば、べき指数βの値が２．５以上かつ３よりも小さいとき、スパッタ１４６のより高い低減効果を得ることができ、より高品質な加工を実現することができる。
　図１５では、べき指数βの値が３である場合、および、べき指数βの値が３よりも小さい場合について説明したが、加工対象物１４３に応じた最適な周辺ビーム１６１の強度を得るため、べき指数βの値を３よりも大きくしても良い。したがって、例えば、べき指数βの値が３よりも大きくかつ３．５以下であるとき、加工対象物１４３に応じた最適な周辺ビーム１６１の強度を得ることができる。べき指数βの値を３とする場合は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７にて球面収差の場合と同様の横収差を生じさせることができる。
　図１７は、実施の形態１における非球面係数と横収差との関係の例を示す図である。図１７には、式（３）における４次の非球面係数であるＡ4と、発散角θを一定のθ2としたときのレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹとの関係を表すグラフを示す。図１７において、実線である線１９７は、加工光学系１１４の光学倍率Ｍ＝ｆf／ｆcを１倍とした場合における非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとの関係を表す。破線である線１９８は、光学倍率Ｍを２倍とした場合における非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとの関係を表す。一点鎖線である線１９９は、光学倍率Ｍを４倍とした場合における非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとの関係を表す。
　図１８は、図１７に示す関係である特性を有する収差レンズ１７１，１７３についてのパラメータの例を示す図である。パラメータは、収差レンズ１７１，１７３の非球面係数Ａ4，Ａkと、加工光学系１１４により生じる収差であるΔＹOと、横収差ΔＹとする。ｋは６以上の偶数とする。横収差ΔＹは、収差レンズ１７１，１７３および加工光学系１１４をレーザ光１４４が通過した後に、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で生じる横収差とする。
　図１８では、単純な例による説明とするために、非球面係数Ａkがゼロであって、かつΔＹOがゼロであるものとする。ΔＹOがゼロであるとは、加工光学系１１４により収差が生じないか、または、加工光学系１１４により生じる収差が無視できるほどに小さいことを指す。収差レンズ１７１における非球面係数Ａ4の値は正の値である。収差レンズ１７１を使用する場合における横収差ΔＹは、負の横収差である。収差レンズ１７３における非球面係数Ａ4の値は負の値である。収差レンズ１７３を使用する場合における横収差ΔＹは、正の横収差である。
　図１７に示すように、非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとには比例関係が成り立つ。また、光学倍率Ｍを変化させることによって、非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとの関係を表すグラフの傾きが変化する。グラフの傾きと光学倍率Ｍの逆数とには比例関係が成り立つ。非球面係数Ａ4と横収差ΔＹとの関係は、次の式（５）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　次に、加工光学系１１４により収差が生じ得る場合、すなわちΔＹOがゼロ以外の値である場合について説明する。図１９は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと非球面係数Ａ4との関係の例を示す図である。図２０は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと収差レンズ１７１の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２１は、実施の形態１において凸状の収差レンズ１７１を使用する場合における、非球面係数Ａ4と収差レンズ１７１の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２２は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと非球面係数Ａ4との関係の例を示す図である。図２３は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと収差レンズ１７３の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２４は、実施の形態１において凹状の収差レンズ１７３を使用する場合における、非球面係数Ａ4と収差レンズ１７３の移動量ｄとの関係の例を示す図である。図２５は、図１９から図２１に示す関係である特性を有する収差レンズ１７１と、図２２から図２４に示す関係である特性を有する収差レンズ１７３とについてのパラメータの例を示す図である。
　図２５に示す例では、図１８の場合と同様に、非球面係数Ａkはゼロとする。図２５において、加工光学系１１４により生じる収差であるΔＹOは、変数であるものとする。収差レンズ１７１を使用する場合における横収差ΔＹは、負の値である一定値とする。収差レンズ１７３を使用する場合における横収差ΔＹは、正の値である一定値とする。
　図１９および図２２には、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと非球面係数Ａ4との関係を表すグラフを示す。図１９に示すように、非球面係数Ａ4がゼロであるとき、収差レンズ１７１による収差は生じず、ΔＹO＝ΔＹとなる。図２２に示すように、非球面係数Ａ4がゼロであるとき、収差レンズ１７３による収差は生じず、ΔＹO＝ΔＹとなる。つまり、非球面係数Ａ4がゼロであるとき、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOは、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７での横収差ΔＹに等しい。
　図１９に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOが大きくなるに従い、収差レンズ１７１における非球面係数Ａ4は大きくなる。図２２に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOが大きくなるに従い、収差レンズ１７３における非球面係数Ａ4は大きくなる。
　図２０および図２３には、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOと収差レンズ１７１，１７３の移動量ｄとの関係を表すグラフを示す。ここで、発散角θがθ1であって、かつ光軸上における収差レンズ１７１，１７３の位置がＰ1であるときと、発散角θがθ2であって、かつ光軸上における収差レンズ１７１，１７３の位置がＰ2であるときとにおいて、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが等しいとする。この場合において、移動量ｄは、位置Ｐ1と位置Ｐ2との間の距離である。すなわち、ｄ＝｜Ｐ1－Ｐ2｜が成り立つ。
　図２０に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOの値が横収差ΔＹの値に近づくに従い、移動量ｄは大きくなる。図２３に示すように、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOの値が横収差ΔＹの値に近づくに従い、移動量ｄは大きくなる。また、図２０に示すように横収差ΔＹが負の横収差である場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOを大きくするほど、移動量ｄを小さくすることができる。図２３に示すように横収差ΔＹが正の横収差である場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOを小さくするほど、移動量ｄを小さくすることができる。移動量ｄが小さいほど、可動機構１７２の可動範囲を小さくすることができ、可動機構１７２を小型にすることができる。
　一般的な加工光学系１１４は、収差ΔＹOをゼロ、または、収差ΔＹOを無視できるほどに小さくする。これに対し、図２０および図２３に示す関係の場合、加工光学系１１４により生じる収差ΔＹOの符号を、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹの符号とは逆とすることによって、移動量ｄを小さくすることができる。すなわち、横収差ΔＹが正の値である場合は収差ΔＹOを負の値とし、横収差ΔＹが負の値である場合は収差ΔＹOを正の値とすれば良い。
　図２１および図２４には、非球面係数Ａ4と収差レンズ１７１，１７３の移動量ｄとの関係を表すグラフを示す。図２１に示す関係は、図１９に示す関係および図２０に示す関係から導き出される。図２４に示す関係は、図２２に示す関係および図２３に示す関係から導き出される。
　図２１に示すように、正の値である非球面係数Ａ4が大きくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。図２４に示すように、負の値である非球面係数Ａ4が小さくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。すなわち、図２１および図２４によると、非球面係数Ａ4の絶対値が大きくなるに従い、移動量ｄは小さくなる。したがって、非球面係数Ａ4の絶対値を大きくすることによって、可動機構１７２の可動範囲を小さくすることができ、可動機構１７２を小型にすることができる。
　図１７から図２５では、単純な例による説明とするために非球面係数Ａkをゼロとしたが、実施の形態１において、非球面係数Ａkはゼロ以外の値でも良い。非球面係数Ａkがゼロ以外の値であることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差ΔＹが等しくなる発散角θ1，θ2を、より広い発散角範囲θr＝θ1－θ2で実現可能となる。非球面係数Ａkがゼロ以外の値である収差レンズ１７１，１７３を光軸の方向へ移動させることによって、より広い発散角範囲θrにおいて、レーザ光１４４の照射位置でのビーム形状を同じにすることができる。その結果、レーザ加工装置３１，４１は、より広い発散角範囲θrにおいて安定した加工を実現できる。発散角範囲θrは、例えば、光ファイバ１４２から出射するレーザ光１４４の発散角範囲と同じであっても良い。例えば、レーザ光１４４の発散角範囲が５０ｍｒａｄから１１０ｍｒａｄのとき、発散角範囲θr＝１１０ｍｒａｄ－５０ｍｒａｄ＝６０ｍｒａｄとしても良い。
　実施の形態１では、収差光学系を、単レンズである収差レンズ１７１，１７３，１７４をとしたが、これに限られない。収差光学系は、複数のレンズにより構成されても良い。または、収差光学系は、レンズ以外の光学素子を含む光学系であっても良い。
実施の形態２．
　実施の形態２では、レーザ加工装置の３つの構成例を説明する。実施の形態２では、上記の実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１とは異なる構成について主に説明する。
　図２６は、実施の形態２の第１の例にかかるレーザ加工装置５１の構成を示す図である。レーザ加工装置５１は、収差レンズ１７１に代えて収差レンズ１７５が設けられている点が、図１０に示すレーザ加工装置３１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置５１は、レーザ加工装置３１と同様であるものとする。実施の形態２の第１の例では、収差光学系は、単レンズである収差レンズ１７５とする。収差レンズ１７５は、球面である凸面を有する凸レンズである。
　レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７５を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置５１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７５の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。球面を備える収差レンズ１７５は、非球面を備えるレンズに比べて容易に作成することができる。第１の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２６では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。
　収差レンズ１７５は、例えば、球面であって凸面である第１の面２０１と球面であって凸面である第２の面２０２とを有する。第１の面２０１と第２の面２０２とは、互いに異なる曲率Ｃを有する。収差レンズ１７５は、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない。収差レンズ１７５の中心軸は、収差レンズ１７５を通過するレーザ光１４４の光軸と重なり合う。図２６に示すレーザ加工装置５１では、第１の面２０１はレーザ光１４４が入射する入射面であって、第２の面２０２はレーザ光１４４が出射する出射面である。なお、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。
　収差レンズ１７５が中心軸上の光線に対する屈折力を有しないことで、可動機構１７２により収差レンズ１７５を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化は小さい。これにより、レーザ加工装置５１は、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。
　第１の面２０１の曲率をＣ1、第２の面２０２の曲率をＣ2、収差レンズ１７５の中心厚をｔ、収差レンズ１７５の屈折率をｎとすると、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないときにおける曲率Ｃ1，Ｃ2の関係は、次の式（６）により表される。なお、Ｃ1≠０、Ｃ2≠０とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　曲率Ｃ1，Ｃ2の組み合わせは、式（６）を満足し、かつ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で所望の横収差を得られるように選択できる。
　図２７は、実施の形態２における収差光学系の構成について説明するための図である。図２７では、収差光学系である収差レンズ１７５の形状と、曲率Ｃ1，Ｃ2との例を示す。曲率Ｃ1，Ｃ2の各々は、ｒに依らず一定である。また、式（６）からも分かるように、Ｃ1＜Ｃ2が成り立つ。図２６および図２７では、曲率Ｃ1と曲率Ｃ2との各々が正の値である例を示したが、曲率Ｃ1と曲率Ｃ2との各々は、負の値であっても良い。
　可動機構１７２によって光軸の方向へ収差レンズ１７５を移動させることによって、レーザ加工装置５１は、互いに異なる発散角θのレーザ光１４４に対し、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で同じ横収差ΔＹ2を生じさせることができる。これにより、レーザ加工装置５１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。
　収差レンズ１７５は、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が大きく変化しない範囲で、中心軸上における屈折力を有しても良い。または、収差レンズ１７５は、図１４の（Ｄ）に示す収差レンズ１７４と同様に、中心領域１８５における屈折力を有しても良い。中心領域１８５における屈折力を有する場合、収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、コリメートレンズ１１２の屈折力の１０分の１以下である。収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下であっても良い。
　コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcを２００ｍｍとするとコリメートレンズ１１２の屈折力は５Ｄに相当するため、収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、例えば、５Ｄの１０分の１以下に相当する０．５Ｄ以下である。収差レンズ１７５の中心領域１８５における屈折力の絶対値は、コリメートレンズ１１２の屈折力の１００分の１以下に相当する０．０５Ｄ以下であっても良い。
　第１の面２０１の曲率Ｃ1および第２の面２０２の曲率Ｃ2は、収差レンズ１７５とコリメートレンズ１１２との組み合わせの合成焦点距離ｆeが、コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcと等しくなるように設定されても良い。以下、収差光学系とコリメート光学系との組み合わせを、組合せコリメート光学系と称する。ここでは、組合せコリメート光学系は、収差レンズ１７５とコリメートレンズ１１２との組み合わせである組合せコリメートレンズとする。
　合成焦点距離ｆeは、光ファイバ１４２の出射端から組合せコリメートレンズを通過するまでについての光線追跡行列Ｆeを求め、光線追跡行列Ｆeの２行１列成分の逆数に－１を乗じることによって求まる。光線追跡行列Ｆeは、次の式（７）により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　式（７）では、コリメートレンズ１１２を、焦点距離ｆcの薄肉レンズと仮定する。ｄ0は、光ファイバ１４２の出射端と収差レンズ１７５の第１の面２０１との間の距離とする。ｄ1は、収差レンズ１７５の第２の面２０２とコリメートレンズ１１２との間の距離とする。
　組合せコリメートレンズの合成焦点距離ｆeがコリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcと等しくなるとき、曲率Ｃ1，Ｃ2は、次の式（８）を満足する。なお、Ｃ1≠０、Ｃ2≠０とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　この場合において、距離ｄ1と焦点距離ｆcとの各々を、所望の値としても良い。レーザ加工装置５１は、ｆe＝ｆcを満足する組合せコリメート光学系を備えることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を得ることができ、安定した加工を実現できる。なお、上記説明ではコリメートレンズ１１２を薄肉レンズと仮定したが、コリメートレンズ１１２を、例えば、平凸レンズ、または球面収差を最小化したレンズと仮定しても良い。
　図２６には、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面である収差レンズ１７５を例として示したが、収差レンズ１７５は、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面であるものに限られない。収差レンズ１７５は、第１の面２０１または第２の面２０２が、式（１）で表される非球面に置き換えられたものであっても良い。例えば、収差レンズ１７５が、非球面に置き換えられた第１の面２０１と球面である第２の面２０２とを備える場合、第１の面２０１の曲率が、曲率Ｃ1から、式（１）で表される曲率Ｃ0に置き換えられる。この場合も、レーザ加工装置５１は、可動機構１７２により収差レンズ１７５を移動させたときにおける、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化を小さくすることができ、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。
　また、第１の面２０１または第２の面２０２が非球面に置き換えられることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を容易に得ることができる。例えば、第１の面２０１と第２の面２０２との両方が球面である場合、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７における横収差の絶対値を大きくしようとすると、曲率Ｃ1，Ｃ2の絶対値が大きくなる。これに対し、第１の面２０１と第２の面２０２との一方が非球面に置き換えられることによって、曲率Ｃ1，Ｃ2の絶対値が大きくなることが防がれ、所望の収差を容易に得ることが可能となる。
　図２８は、実施の形態２の第２の例にかかるレーザ加工装置６１の構成を示す図である。レーザ加工装置６１は、収差レンズ１７５に代えて収差レンズ１７６が設けられている点が、図２６に示すレーザ加工装置５１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置６１は、レーザ加工装置５１と同様であるものとする。収差レンズ１７６は、複数の球面レンズで構成される収差光学系である。
　図２８に示す収差レンズ１７６は、第１のレンズ２１１と第２のレンズ２１２とを備える。第１のレンズ２１１は、球面であって凹面である入射面と平面である出射面とを有する平凹球面レンズである。第２のレンズ２１２は、球面であって凸面である入射面と平面である出射面とを有する平凸球面レンズである。第２の例では、汎用性が高い平凹球面レンズと平凸球面レンズとが収差レンズ１７６に使用されることによって、レーザ加工ヘッド１１６の光学系を容易に構築することができる。
　レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７６を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置６１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７６の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。第２の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２８では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。
　第１のレンズ２１１の入射面の曲率をＣ3、第２のレンズ２１２の入射面の曲率をＣ4として、中心軸上の光線に対する屈折力を有しないときにおける曲率Ｃ3，Ｃ4の関係は、次の式（９）により表される。中心軸上の光線に対する屈折力を有しないとは、中心軸上の光線に対する屈折力が無視し得るほどに小さいことを含むものとする。なお、Ｃ3≠０、Ｃ4≠０とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ただし、ｔ3は第１のレンズ２１１の中心厚、ｄ2は第１のレンズ２１１の出射面と第２のレンズ２１２との間の距離とする。曲率Ｃ3，Ｃ4の組み合わせは、式（９）を満足し、かつ、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７で所望の横収差を得られるように選択できる。
　収差レンズ１７６が中心軸上の光線に対する屈折力を有しないことで、可動機構１７２により収差レンズ１７６を移動させても、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置の変化は小さい。これにより、レーザ加工装置６１は、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。レーザ加工装置６１は、距離ｄ2を一定に保ちながら収差レンズ１７６を光軸の方向に移動させることによって、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない状態を維持しながら収差レンズ１７６を移動させることができる。レーザ加工装置６１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。
　第１のレンズ２１１の入射面の曲率Ｃ3および第２のレンズ２１２の入射面の曲率Ｃ4は、収差レンズ１７６とコリメートレンズ１１２との組み合わせの合成焦点距離ｆe2が、コリメートレンズ１１２の焦点距離ｆcと等しくなるように設定されても良い。第２の例では、組合せコリメート光学系は、収差レンズ１７６とコリメートレンズ１１２との組み合わせである組合せコリメートレンズとする。
　合成焦点距離ｆe2は、光ファイバ１４２の出射端から組合せコリメートレンズを通過するまでについての光線追跡行列Ｆe2を求め、光線追跡行列Ｆe2の２行１列成分の逆数に－１を乗じることによって求まる。光線追跡行列Ｆe2は、式（７）に示される光線追跡行列Ｆeと同様に求めることができる。ここでは、光線追跡行列Ｆe2を求める方法についての説明は省略する。
　レーザ加工装置６１は、ｆe＝ｆcとする場合も、距離ｄ2を一定に保ちながら収差レンズ１７６を光軸の方向に移動させることによって、中心軸上の光線に対する屈折力を有しない状態を維持しながら収差レンズ１７６を移動させることができる。レーザ加工装置６１は、ｆe＝ｆcを満足する組合せコリメート光学系を備えることによって、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において所望の収差を得ることができ、安定した加工を実現できる。
　図２８には、凹面である入射面を有する第１のレンズ２１１と凸面である入射面を有する第２のレンズ２１２とを有する収差レンズ１７６を例として示したが、第２の例における収差レンズ１７６の構成はこれに限られない。第１のレンズ２１１の出射面が凸面であって、かつ、第２のレンズ２１２の出射面が凹面であっても良い。
　図２９は、実施の形態２の第３の例にかかるレーザ加工装置７１の構成を示す図である。レーザ加工装置７１は、収差レンズ１７５に代えて収差レンズ１７７が設けられている点が、図２６に示すレーザ加工装置５１とは異なる。かかる点以外は、レーザ加工装置７１は、レーザ加工装置５１と同様であるものとする。収差レンズ１７７は、複数の球面レンズで構成される収差光学系である。
　図２９に示す収差レンズ１７７は、第１のレンズ２１３と第２のレンズ２１４とを備える。第１のレンズ２１３は、平面である入射面と球面であって凹面である出射面とを有する平凹球面レンズである。第２のレンズ２１４は、平面である入射面と球面であって凸面である出射面とを有する平凸球面レンズである。第３の例では、汎用性が高い平凹球面レンズと平凸球面レンズとが収差レンズ１７７に使用されることによって、レーザ加工ヘッド１１６の光学系を容易に構築することができる。
　レーザ加工ヘッド１１６は、光軸の方向へ収差レンズ１７７を移動させる可動機構１７２を備える。レーザ加工装置７１は、可動機構１７２を制御する制御装置を備える。可動機構１７２による収差レンズ１７７の動作は、収差レンズ１７１の場合と同様とする。第３の例において、加工光学系１１４は、収差を生じない光学系である。加工光学系１１４は、無視できるほどに小さい収差を生じる光学系でも良い。なお、図２９では、加工対象物１４３と制御装置との図示を省略する。
　レーザ加工装置７１は、図２８に示すレーザ加工装置６１の場合と同様に、レーザ光１４４の照射位置を安定させることができる。レーザ加工装置７１は、照射位置におけるビーム形状の変化を低減させることができ、安定した加工を実現できる。
　図２９には、凹面である出射面を有する第１のレンズ２１３と凸面である出射面を有する第２のレンズ２１４とを有する収差レンズ１７７を例として示したが、第３の例における収差レンズ１７７の構成はこれに限られない。第１のレンズ２１３の入射面が凸面であって、かつ、第２のレンズ２１４の入射面が凹面であっても良い。
　図２８および図２９では、収差レンズ１７６，１７７の各々を２つの球面レンズで構成した例を示したが、収差レンズ１７６，１７７の各々は、３つ以上の球面レンズで構成されたものであっても良い。収差レンズ１７６，１７７を構成するレンズは、平凹球面レンズまたは平凸球面レンズに限られない。収差レンズ１７６，１７７を構成するレンズは、球面レンズは、両凸球面レンズ、両凹球面レンズ、凸メニスカスレンズ、または凹メニスカスレンズであっても良い。
　第１のレンズ２１１，２１３の曲率および第２のレンズ２１２，２１４の曲率は、第１のレンズ２１１，２１３の入射面から第２のレンズ２１２，２１４の出射面までの光線追跡行列Ｆe3に基づいて求めても良い。この場合、光線追跡行列Ｆe3が求められ、光線追跡行列Ｆe3の２行１列成分がゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆe3の２行２列成分が１となるように、第１のレンズ２１１，２１３の曲率および第２のレンズ２１２，２１４の曲率が決定される。
　光線追跡行列Ｆe3の２行１列成分がゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆe3の２行２列成分が１であることによって、可動機構１７２によって光軸の方向へ収差レンズ１７６，１７７を移動させてもレーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７の位置が変化せず、安定した加工を実現できる。例えば、第１のレンズ２１１，２１３または第２のレンズ２１２，２１４を、凸メニスカスレンズまたは凹メニスカスレンズとすることによって、光線追跡行列Ｆe3の２行１列成分をゼロ、かつ、光線追跡行列Ｆe3の２行２列成分を１とすることができる。
実施の形態３．
　実施の形態３では、レーザ加工装置の２つの構成例を説明する。実施の形態３では、上記の実施の形態１または２と同一の構成要素には同一の符号を付し、実施の形態１または２とは異なる構成について主に説明する。
　図３０は、実施の形態３の第１の例にかかるレーザ加工装置８１の構成を示す図である。レーザ加工装置８１のレーザ加工ヘッド１１６は、図１０に示すレーザ加工装置３１のレーザ加工ヘッド１１６と同様の構成に加えて、第１のベンドミラー３０１と、第２のベンドミラー３０２と、モニタ用レンズ３０３と、光検出部３０４とを備える。第１のベンドミラー３０１と、第２のベンドミラー３０２と、モニタ用レンズ３０３と、光検出部３０４とがレーザ加工ヘッド１１６に備えられることによって、加工対象物１４３の状態と溶融金属１５１の状態との観察が可能となる。なお、図３０では、加工対象物１４３と、可動機構１７２を制御する制御装置との図示を省略する。
　第１のベンドミラー３０１および第２のベンドミラー３０２は、コリメートレンズ１１２と集光レンズ１１３との間の光路上に配置されている。第１のベンドミラー３０１は、コリメートレンズ１１２を通過したレーザ光１４４を第２のベンドミラー３０２の方へ反射する。第２のベンドミラー３０２は、第１のベンドミラー３０１から入射するレーザ光１４４を集光レンズ１１３の方へ反射する。集光レンズ１１３には、第２のベンドミラー３０２で反射したレーザ光１４４が入射する。
　第２のベンドミラー３０２の反射面には、例えば、レーザ光１４４を反射し、かつ、加工対象物１４３からレーザ加工ヘッド１１６へ入射する光３０５を透過するコーティングが施されている。第２のベンドミラー３０２は、例えば、ダイクロイックミラーである。加工対象物１４３からレーザ加工ヘッド１１６へ入射し、集光レンズ１１３を通過した光３０５は、第２のベンドミラー３０２へ入射する。第２のベンドミラー３０２を通過した光３０５は、モニタ用レンズ３０３によって光検出部３０４にて集光される。
　光検出部３０４は、例えば、撮像装置である。撮像装置は、例えば、ＣＣＤ（Charge　Coupled　Device）イメージセンサ、またはＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）イメージセンサを備えるカメラである。撮像装置により加工対象物１４３を撮像することによって、加工対象物１４３の状態と溶融金属１５１の状態とを観察できる。光検出部３０４は、フォトダイオードといった光検出器でも良い。
　集光レンズ１１３は、例えば、収差を生じないか、または、無視できるほどに小さい収差を生じる。光検出部３０４が撮像装置である場合、集光レンズ１１３の収差を無くすことによって、撮像装置へ収差無く光３０５を集光できる。これにより、撮像装置によってぼけまたは歪みの無い画像を得ることができる。この場合、レーザ加工ヘッド１１６の近軸焦点１１７において生じる横収差ΔＹ2は、コリメートレンズ１１２または収差レンズ１７１、あるいは、コリメートレンズ１１２および収差レンズ１７１の両方によって生じさせる。
　図３０では、レーザ加工ヘッド１１６に収差レンズ１７１が備えられる例を示したが、レーザ加工ヘッド１１６には、収差レンズ１７１に代えて、上記の収差レンズ１７３，１７４，１７５，１７６，１７７のいずれが備えられても良い。
　レーザ加工装置８１には、加工対象物１４３を照明する照明光源が備えられても良い。照明光源には、発光ダイオード（Light　Emitting　Diode：ＬＥＤ）またはレーザダイオード（Laser　Diode：ＬＤ）といった光源を使用できる。照明光源によって加工対象物１４３を照明することで、加工対象物１４３の状態、または溶融金属１５１の状態をより分かり易く観察することができる。
　図３１は、実施の形態３の第２の例にかかるレーザ加工装置９１の構成を示す図である。レーザ加工装置９１の制御装置３１０は、可動機構１７２を制御する。光検出部３０４が撮像装置である場合、制御装置３１０は、撮像装置から出力される画像を解析し、解析結果に基づいて可動機構１７２を制御する。制御装置３１０は、可動機構１７２を制御することによって、収差レンズ１７１を光軸上の最適な位置へ移動させる。光検出部３０４が光検出器である場合、制御装置３１０は、光検出器により検出された光信号に基づいて可動機構１７２を制御する。光信号に基づく制御方法としては、例えば、フィードバック制御を用いても良い。また、制御装置３１０は、フィードフォワード制御等が組み合わせられた制御方法によって可動機構１７２を制御しても良い。レーザ加工装置９１は、制御装置３１０によって光軸上の最適な位置へ収差レンズ１７１を移動させる制御を続けることで、安定した加工を維持することができる。
　図３１では、レーザ加工ヘッド１１６に収差レンズ１７１が備えられる例を示したが、レーザ加工ヘッド１１６には、収差レンズ１７１に代えて、上記の収差レンズ１７３，１７４，１７５，１７６，１７７のいずれが備えられても良い。図３１では、レーザ光１４４と同軸上に光検出部３０４が配置される例を示したが、光検出部３０４は、レーザ光１４４とは非同軸に配置されても良い。レーザ光１４４とは非同軸に光検出部３０４が配置される場合、例えば、光検出部３０４である複数の光検出器が非同軸に配置されても良い。この場合、レーザ加工装置９１は、複数の光検出器からの光信号に基づいて可動機構１７２を制御する。
　次に、実施の形態３にかかる制御装置３１０を実現するハードウェアについて説明する。制御装置３１０は、処理回路により実現される。処理回路は、プロセッサがソフトウェアを実行する回路であっても良いし、専用の回路であっても良い。
　処理回路がソフトウェアにより実現される場合、処理回路は、例えば、図３２に示す制御回路である。図３２は、実施の形態３にかかる制御回路３２０の構成例を示す図である。制御回路３２０は、入力部３２１、プロセッサ３２２、メモリ３２３および出力部３２４を備える。入力部３２１は、制御回路３２０の外部から入力されたデータを受信してプロセッサ３２２に与えるインターフェース回路である。出力部３２４は、プロセッサ３２２またはメモリ３２３からのデータを制御回路３２０の外部に送るインターフェース回路である。
　処理回路が図３２に示す制御回路３２０である場合、制御装置３１０は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ３２３に格納される。処理回路では、メモリ３２３に記憶されたプログラムをプロセッサ３２２が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、制御装置３１０の処理が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ３２３を備える。また、これらのプログラムは、制御装置３１０の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。
　プロセッサ３２２は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、またはＤＳＰ（Digital　Signal　Processor）ともいう）である。メモリ３２３は、例えば、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically　Erasable　Programmable　Read　Only　Memory）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスクまたはＤＶＤ（Digital　Versatile　Disc）等が該当する。
　図３２は、汎用のプロセッサ３２２およびメモリ３２３により各構成要素を実現する場合のハードウェアの例であるが、各構成要素は、専用のハードウェア回路により実現されても良い。図３３は、実施の形態３にかかる専用のハードウェア回路３２５の構成例を示す図である。
　専用のハードウェア回路３２５は、入力部３２１、出力部３２４および処理回路３２６を備える。処理回路３２６は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）、またはこれらを組み合わせた回路である。制御装置３１０の各機能を機能別に処理回路３２６で実現しても良いし、各機能をまとめて処理回路３２６で実現しても良い。なお、制御装置３１０は、制御回路３２０とハードウェア回路３２５とが組み合わされて実現されても良い。
　以上の各実施の形態に示した構成は、本開示の内容の一例を示すものである。各実施の形態の構成は、別の公知の技術と組み合わせることが可能である。各実施の形態の構成同士が適宜組み合わせられても良い。本開示の要旨を逸脱しない範囲で、各実施の形態の構成の一部を省略または変更することが可能である。
　２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９１　レーザ加工装置、１１１　点光源、１１２　コリメートレンズ、１１３　集光レンズ、１１４　加工光学系、１１６　レーザ加工ヘッド、１１７　近軸焦点、１１８，１１９，１４５，１６５，１６７，１９５，１９６　プロファイル、１２０　進行方向、１２１，１２２　光線、１４１　レーザ発振器、１４２　光ファイバ、１４３　加工対象物、１４４　レーザ光、１４６　スパッタ、１４７　キーホール、１４８　前壁、１４９　後壁、１５０　溶融金属流、１５１　溶融金属、１５２　底部、１５３　表面、１５４　基準面、１５５　開口部、１６０　主ビーム、１６１　周辺ビーム、１６２　蒸発反力、１６３　金属蒸気、１６６　周辺ビーム幅、１７１，１７３，１７４，１７５，１７６，１７７　収差レンズ、１７２　可動機構、１８０　平凸球面レンズ、１８１，１８３，２０１　第１の面、１８２，１８４，２０２　第２の面、１８５　中心領域、１８６　周辺領域、１９０，１９１，１９２，１９３，１９４，１９７，１９８，１９９　線、２１１，２１３　第１のレンズ、２１２，２１４　第２のレンズ、３０１　第１のベンドミラー、３０２　第２のベンドミラー、３０３　モニタ用レンズ、３０４　光検出部、３０５　光、３１０　制御装置、３２０　制御回路、３２１　入力部、３２２　プロセッサ、３２３　メモリ、３２４　出力部、３２５　ハードウェア回路、３２６　処理回路。

Claims (11)

  1. 　加工対象物へ向けて照射させるレーザ光の伝搬方向に向かって前記レーザ光が拡がる範囲内の位置に配置され、収差を生じさせる収差光学系と、
    　前記レーザ光が伝搬するコリメート光学系と、を備え、
    　前記収差光学系のうち前記収差光学系の中心軸からの距離が境界値以下の領域である中心領域は、屈折力を持たないか、または屈折力の絶対値が前記コリメート光学系の屈折力の１０分の１以下であって、
    　前記収差光学系のうち前記中心軸からの距離が前記境界値を超える領域である周辺領域は、前記中心軸に平行な光線を前記周辺領域へ入射させた場合に前記中心軸から離れた位置の前記光線ほど前記収差光学系と前記光線の焦点との間の距離が短い集光特性を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
  2. 　前記収差光学系と前記コリメート光学系との組み合わせの合成焦点距離は、前記コリメート光学系の焦点距離と等しいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
  3. 　前記レーザ加工ヘッドを通過した前記レーザ光の近軸焦点における横収差は、前記レーザ光の発散角のべき乗に比例し、
    　前記べき乗のべき指数は、３よりも小さい値であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
  4. 　前記収差光学系は単レンズであって、前記単レンズのうち前記レーザ光が入射する入射面のうち前記周辺領域の部分、または、前記単レンズのうち前記レーザ光が出射する出射面のうち前記周辺領域の部分が、前記中心軸から遠ざかるに従って曲率が単調に増加または単調に減少する形状であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
  5. 　前記レーザ加工ヘッドを通過した前記レーザ光の近軸焦点における横収差は、前記レーザ光の発散角のべき乗に比例し、
    　前記べき乗のべき指数は、３であることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
  6. 　前記収差光学系は、複数の球面レンズで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工ヘッド。
  7. 　前記加工対象物から前記レーザ加工ヘッドへ入射する光を検出する光検出部を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のレーザ加工ヘッド。
  8. 　前記収差光学系を通過する前記レーザ光の光軸の方向へ前記収差光学系を移動させる可動機構を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のレーザ加工ヘッド。
  9. 　前記レーザ光を集光させる集光光学系を備え、
    　前記レーザ光の近軸焦点における横収差の符号が、前記コリメート光学系および前記集光光学系の組み合わせにより生じる横収差の符号とは逆であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載のレーザ加工ヘッド。
  10. 　レーザ光を出射するレーザ発振器と、
    　請求項１から９のいずれか１つに記載のレーザ加工ヘッドと、
    　を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
  11. 　請求項１から９のいずれか１つに記載のレーザ加工ヘッドを通過したレーザ光を第１の金属製製造物および第２の金属製製造物に照射し、前記第１の金属製製造物と前記第２の金属製製造物とを溶接することによって第３の金属製製造物を製造することを特徴とする金属製製造物の製造方法。
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