特許 7399367 反射型ビーム径可変光学系、レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-07

(45)【発行日】2023-12-15

(54)【発明の名称】反射型ビーム径可変光学系、レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/064 20140101AFI20231208BHJP

   B23K 26/70 20140101ALI20231208BHJP

【ＦＩ】

B23K26/064 A

B23K26/70

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023553732

(86)(22)【出願日】2023-05-25

(86)【国際出願番号】 JP2023019519

【審査請求日】2023-09-04

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118762

【弁理士】

【氏名又は名称】高村 順

(72)【発明者】

【氏名】藤川 周一

(72)【発明者】

【氏名】熊岡 本敏

(72)【発明者】

【氏名】井上 孝

(72)【発明者】

【氏名】井上 陽子

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３２５３２５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表平１１－５０１７３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平７－１５４０１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３５７６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１３７５１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０６４

Ｂ２３Ｋ ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸の方向と同じ方向に平行光が入射される第１の軸外し放物面ミラーと、
前記第１の軸外し放物面ミラーの焦点に第２の軸外し放物面ミラーの焦点が一致するように配置される第２の軸外し放物面ミラーと、
前記第１の軸外し放物面ミラーおよび前記第２の軸外し放物面ミラーを前記第１の軸外し放物面ミラーの前記回転主軸の方向と異なる方向へ平行移動する第１の可動基台と、を備え、
前記第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光のビーム径を可変にする
ことを特徴とする反射型ビーム径可変光学系。

【請求項2】

前記第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光の光軸を折り曲げる第２の折り曲げミラーと、
前記第２の折り曲げミラーを前記第２の折り曲げミラーのミラー面に平行な方向と異なる方向に平行移動させる第２の可動基台と、を備え、
前記第２の折り曲げミラーから出射される出射光の光軸の位置および方向を一定に維持する
ことを特徴とする請求項１に記載の反射型ビーム径可変光学系。

【請求項3】

前記第１の軸外し放物面ミラーおよび前記第２の軸外し放物面ミラーの何れか一方が凸型の軸外し放物面ミラーである
ことを特徴とする請求項１に記載の反射型ビーム径可変光学系。

【請求項4】

第１の軸外し放物面ミラーと、
前記第１の軸外し放物面ミラーの焦点に第２の軸外し放物面ミラーの焦点が一致するように配置される第２の軸外し放物面ミラーと、
入射する平行光の光軸を、前記第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸の方向と同じ方向に折り曲げ、前記第１の軸外し放物面ミラーへ入射させる第１の折り曲げミラーと、
前記第１の折り曲げミラーを前記第１の折り曲げミラーのミラー面に平行な方向と異なる方向へ平行移動する第３の可動基台と、を備え、
前記第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光のビーム径を可変にする
ことを特徴とする反射型ビーム径可変光学系。

【請求項5】

前記第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光の光軸を折り曲げる第２の折り曲げミラーと、
前記第２の折り曲げミラーを前記第２の折り曲げミラーのミラー面に平行な方向と異なる方向に平行移動させる第２の可動基台と、を備え、
前記第２の折り曲げミラーから出射される出射光の光軸の位置および方向を一定に維持する
ことを特徴とする請求項４に記載の反射型ビーム径可変光学系。

【請求項6】

前記第１の軸外し放物面ミラーおよび前記第２の軸外し放物面ミラーの何れか一方が凸型の軸外し放物面ミラーである
ことを特徴とする請求項４に記載の反射型ビーム径可変光学系。

【請求項7】

第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸の方向と同じ方向に平行光が入射される第１の軸外し放物面ミラーと、
前記第１の軸外し放物面ミラーの焦点に第２の軸外し放物面ミラーの焦点が一致するように配置される第２の軸外し放物面ミラーと、
前記第１の軸外し放物面ミラーおよび前記第２の軸外し放物面ミラーを、
前記第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸と前記第２の軸外し放物面ミラーの回転主軸を含む面内において、少なくとも異なる２つの方向へ平行移動させる第４の可動基台と、を備え、
前記第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光のビーム径を可変にする
ことを特徴とする反射型ビーム径可変光学系。

【請求項8】

請求項１から７の何れか一つに記載の反射型ビーム径可変光学系と、
前記反射型ビーム径可変光学系から出射される出射光を集光する第１の非球面ミラーと、を備える
ことを特徴とするレーザ加工ヘッド。

【請求項9】

レーザ光を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバから出射されたレーザ光を平行光にして、前記反射型ビーム径可変光学系に入射させる第２の非球面ミラーと、を備える
ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工ヘッド。

【請求項10】

前記第１の非球面ミラーおよび前記第２の非球面ミラーは、軸外し放物面ミラーである
ことを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工ヘッド。

【請求項11】

請求項８に記載のレーザ加工ヘッドを備える
ことを特徴とするレーザ加工機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、反射型光学素子を使用してレーザ光のビーム径を可変とする反射型ビーム径可変光学系、レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１の反射型ビーム径可変光学系は、凸面状の第１の軸外し放物面ミラーと、凹面状の第２の軸外し放物面ミラーとを備え、基本位置においては、第１の軸外し放物面ミラーの回転対称軸と第２の軸外し放物面ミラーの回転対称軸とが一致し、かつ第１の軸外し放物面ミラーの焦点と第２の軸外し放物面ミラーの焦点とが一致するように配設されている。第１の軸外し放物面ミラーへ第１の軸外し放物面ミラーの回転対称軸と平行にレーザ光を入射させると、入射したレーザ光は第１の軸外し放物面ミラーで反射し、発散しながら第２の軸外し放物面ミラーへ入射する。第２の軸外し放物面ミラーを第１の軸外し放物面ミラーからの反射光の光軸に沿って移動させて、第１の軸外し放物面ミラーと第２の軸外し放物面ミラーとの間の距離を変化させることにより、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光のビーム径を可変としている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特表２０１６－５０２２２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１では、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光のビーム径を可変にするため、第１の軸外し放物面ミラーと第２の軸外し放物面ミラーとの間の距離を変化させているので、第１の軸外し放物面ミラーの焦点と第２の軸外し放物面ミラーの焦点とを常に一致させることができない。このため、第１の軸外し放物面ミラーの焦点と第２の軸外し放物面ミラーの焦点とが一致していない条件においては、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光に顕著な収差が発生してしまうという課題があった。

【0005】

更に、第１の軸外し放物面ミラーの焦点と第２の軸外し放物面ミラーの焦点とが一致する条件においては、第１の軸外し放物面ミラーへ平行光で入射したレーザ光は、第２の軸外し放物面ミラーから平行光として出射される。一方、第１の軸外し放物面ミラーと第２の軸外し放物面ミラーとの間の距離を長くした場合、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光は発散光となる。また、第１の軸外し放物面ミラーと第２の軸外し放物面ミラーとの間の距離を短くした場合、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光は収束光となる。従って、第１の軸外し放物面ミラーと第２の軸外し放物面ミラーとの間の距離によって、第２の軸外し放物面ミラーから出射されるレーザ光の発散角が変化してしまうという課題もあった。

【0006】

本開示は、上記に鑑みてなされたものであり、収差の発生およびビーム発散角の変化を抑制しながら、ビーム径を可変にすることができる反射型ビーム径可変光学系を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示における反射型ビーム径可変光学系は、第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸の方向と同じ方向に平行光が入射される第１の軸外し放物面ミラーと、第１の軸外し放物面ミラーの焦点に第２の軸外し放物面ミラーの焦点が一致するように配置される第２の軸外し放物面ミラーと、第１の軸外し放物面ミラーおよび第２の軸外し放物面ミラーを第１の軸外し放物面ミラーの回転主軸の方向と異なる方向へ平行移動する第１の可動基台と、を備え、第２の軸外し放物面ミラーから出射される出射光のビーム径を可変にすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本開示の反射型ビーム径可変光学系によれば、収差の発生およびビーム発散角の変化を抑制しながら、ビーム径を可変にすることができる、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図2】実施の形態１に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台を平行移動させた状態を示す模式図

【図3】実施の形態２に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図4】実施の形態２に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台を平行移動させた状態を示す模式図

【図5】実施の形態３に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図6】実施の形態３に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台を－ｚ方向へ平行移動させた状態を示す模式図

【図7】実施の形態４に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図8】実施の形態５に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図9】実施の形態６に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図10】実施の形態７に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図

【図11】実施の形態８に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図

【図12】軟鋼切断時の切断可能な集光点位置の範囲を示す加工裕度表を示す図

【図13】実施の形態９に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図

【図14】実施の形態１０に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施の形態に係る反射型ビーム径可変光学系、レーザ加工ヘッドおよびレーザ加工機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一または相当する部分については、同一符号を付して説明する。また、反射型ビーム径可変光学系およびレーザ加工ヘッドの向き、方向を明確にするため、各図には、ｘ，ｙ，ｚ方向を示す矢印を付加している。

【0011】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。反射型ビーム径可変光学系は、凹型の第１の軸外し放物面ミラー２０と、凹型の第２の軸外し放物面ミラー３０と、第１の可動基台としての可動基台４０と、を備える。第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３の位置と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３の位置とを一致させて、可動基台４０上に固定されている。可動基台４０は、矢印４１で示す可動方向に、すなわちｚ方向に移動自在な機構を備えている。

【0012】

次に動作について説明する。実施の形態１の反射型ビーム径可変光学系へ入射する入射光１０は、予め平行化（コリメート）されている。また、平行光である入射光１０は、入射光１０の光軸１１の方向を、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致させて、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する。なお、光軸方向を放物面ミラーの回転主軸の方向に一致させて放物面ミラーへ入射された光線は、原理的には、放物面ミラーの表面で反射し、放物面ミラーの焦点を通過する。従って、入射光１０は、第１の軸外し放物面ミラー２０によって第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３に集光される。

【0013】

入射光１０は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３で集光された後、発散され、第２の軸外し放物面ミラー３０へ入射する。なお、放物面ミラーの焦点を通過した後に、この放物面ミラー自身へ入射する光線は、放物面ミラーの表面で反射し、光軸方向を放物面ミラーの回転主軸の方向に一致させて放物面ミラーから出射される。第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０は、焦点の位置が一致するよう配設されているので、第２の軸外し放物面ミラー３０へ発散しながら入射した入射光１０は、第２の軸外し放物面ミラー３０での反射作用によって平行化され、出射光１２の光軸１３の方向を第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２の方向に一致させて、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する。

【0014】

従って、焦点を一致させて配設された第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０は、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に、光軸１１の方向を一致させて平行化された入射光１０に対し、アフォーカル光学系を構成している。

【0015】

ここで、第１の軸外し放物面ミラー２０への入射光１０の主光線の入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの距離をｆ１とし、第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３から第２の軸外し放物面ミラー３０への入射光の主光線の入射点３１までの距離をｆ２とすれば、アフォーカル光学系の横倍率βは、次式（１）で与えられる。
β＝ｆ２／ｆ１ ・・・（１）

【0016】

従って、入射光１０のビーム直径ｄ１と出射光１２のビーム直径ｄ２は、次式（２）の関係となる。
ｄ２=β×ｄ１＝（ｆ２／ｆ１）×ｄ１ ・・・（２）

【0017】

なお、第１の軸外し放物面ミラー２０への入射光１０の主光線の入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの距離は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点距離ｆ１に相当し、第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３から第２の軸外し放物面ミラー３０への入射光の主光線の入射点３１までの距離は、第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点距離ｆ２に相当する。

【0018】

次に出射光１２のビーム直径ｄ２の可変方法について説明する。図２は、実施の形態１に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台４０を平行移動させた状態を示す模式図である。なお、入射光１０のビーム直径ｄ１、入射光１０の光軸１１の位置および方向は、図１と同一である。

【0019】

可動基台４０を－ｚ方向へ平行移動させているので、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向は変化しない。また、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とが一致した状態が維持される。このため、光軸１１の方向が第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致して、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する平行光である入射光１０に対し、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成される光学系はアフォーカル光学系が維持される。

【0020】

一方、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された可動基台４０を－ｚ方向へ平行移動することにより、第１の軸外し放物面ミラー２０の面上において、入射光１０の主光線が入射する入射点２１の位置が変化する。この結果、第１の軸外し放物面ミラー２０への入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの焦点距離ｆ１、および第２の軸外し放物面ミラー３０への入射点３１から第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３までの焦点距離ｆ２が変化する。

【0021】

図２に示すように、可動基台４０を－ｚ方向へ平行移動させた場合、図１の状態と比較して焦点距離ｆ１は減少し、焦点距離ｆ２は増加する。従って、式（１）で与えられるアフォーカル光学系の横倍率βが増加し、図１の状態と比較して出射光１２のビーム直径ｄ２を増加させることができる。

【0022】

一方、可動基台４０を＋ｚ方向へ平行移動させれば、図１の状態と比較して焦点距離ｆ１が増加し、焦点距離ｆ２が減少するので、アフォーカル光学系の横倍率βが減少し、図１の状態と比較して出射光１２のビーム直径ｄ２を減少させることができる。

【0023】

このように実施の形態１によれば、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０という僅か２個の光学素子のみで、反射型かつ倍率可変のアフォーカル光学系を構成することができる。また、ビーム径の可変には、焦点を一致させた第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を平行移動させるだけでよいので、ビーム径の調整が容易になるばかりでなく、ビーム径を可変にするための駆動機構等も簡易になり、反射型、透過型に依らずビーム径可変光学系の製造コストの低減が可能になり、さらに光学系の信頼性も向上させることができる。なお、可動基台４０によって第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を移動する方向は、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向と異なる方向であって、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に入射光１０の光軸１１の方向を一致させることができていれば、任意の方向でよい。

【0024】

また、放物面ミラーへ放物面ミラーの回転主軸と平行に入射する入射光線は、必ず放物面ミラーの焦点を通過するという基本的な光学原理に基づく反射型のアフォーカル光学系であるため、アフォーカル光学系の倍率を変化させた際にも、コマ収差、非点収差の発生を効果的に抑制し、高いビーム品質を維持することができる。

【0025】

更にＣＯ_２レーザに代表される中赤外から遠赤外の波長域、ならびに波長２００ｎｍ以下の深紫外から極端紫外の波長域では、レーザ光の吸収率が低い透明な硝材に乏しく、透過型のビーム径可変光学系を使用した場合、レーザ光吸収にともなう熱レンズ、熱歪の発生により、ビーム品質も著しく劣化してしまうという課題があった。

【0026】

実施の形態１に示す反射型のビーム径可変光学系を使用すれば、レーザ光の吸収率が高い硝材を軸外し放物面ミラーに使用した場合であっても、レーザ光吸収にともない硝材内部で発生する熱レンズの影響を効果的に抑制し、ビーム品質を維持しながらビーム径の可変が可能になる。

【0027】

また、異物付着等により、放物面ミラー表面へ微小な焼け付き（損傷）等が発生した場合であっても、反射光学素子であるため、レーザ光吸収により硝材内部で発生する局所的な熱レンズの影響を効果的に抑制し、レンズ等を使用した透過型のビーム径可変光学系に比べ、光学素子の損傷耐性が大幅に向上し、ビーム径可変光学系の信頼性を改善することができるという効果もある。

【0028】

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態２では、第２の軸外し放物面ミラー３０に負の焦点距離を備えた凸型の軸外し放物面ミラーを使用している。また、実施の形態２においても、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させて配置していることは、実施の形態１と同様である。

【0029】

実施の形態２においても、平行光である入射光１０の光軸１１の方向を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致させて、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射させている。光軸１１の方向を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致させて放物面ミラーへ入射した入射光１０は、原理的には、第１の軸外し放物面ミラー２０の表面で反射して第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３へ向かい集光する。

【0030】

ただし、実施の形態２においては、第１の軸外し放物面ミラー２０で反射された入射光１０は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３へ到達する前に、凸型の第２の軸外し放物面ミラー３０へ入射し、第２の軸外し放物面ミラー３０によって反射する。凸型の放物面ミラーは、凸型の放物面ミラーの焦点に向かい入射した光線を、原理的に凸型の放物面ミラーの回転主軸の方向へ光軸方向を一致させた向きに反射する。

【0031】

実施の形態２においては、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させて配置しており、第１の軸外し放物面ミラー２０によって反射された入射光１０は、第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３と一致して配置された第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３に向かって集光するので、第２の軸外し放物面ミラー３０で反射された出射光１２は、第２の軸外し放物面ミラー３０により平行化され、第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２の方向へ反射される。すなわち、出射光１２の光軸１３の方向は、第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２の方向に一致する。

【0032】

実施の形態２の反射型ビーム径可変光学系においても、実施の形態１と同様、平行光である入射光１０に対し、平行光である出射光１２を出射するので、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０はアフォーカル光学系を構成している。凹型の第２の軸外し放物面ミラー３０を使用した実施の形態１のアフォーカル光学系が、光学系内部に集光点を形成するケプラー型のアフォーカル光学系であったのに対し、凸型の第２の軸外し放物面ミラー３０を使用する実施の形態２のアフォーカル光学系は、光学系内部に集光点を形成しないガリレオ型のアフォーカル光学系を構成している。

【0033】

ここで、第１の軸外し放物面ミラー２０への主光線の入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの距離をｆ１とし、第２の軸外し放物面ミラー３０への主光線の入射点３１から第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３までの距離をｆ２とすれば、アフォーカル光学系の横倍率βならびに入射光１０のビーム直径ｄ１と出射光１２のビーム直径ｄ２との関係は、実施の形態１と同じく、各々式（１）、式（２）で与えられる。

【0034】

次に、出射光１２のビーム直径ｄ２の可変方法について説明する。図４は、実施の形態２に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台４０を平行移動させた状態を示す模式図である。なお、入射光１０のビーム直径ｄ１、入射光１０の光軸１１の位置および方向は、図３と同一である。

【0035】

図４においては、図３に示す反射型ビーム径可変光学系から、可動基台４０を＋ｚ方向へ平行移動させているので、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向は変化しない。また、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とも一致した状態が維持される。このため、実施の形態１と同様、光軸１１の方向が第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致して第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する平行光である入射光１０に対し、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成される光学系はアフォーカル系が維持される。

【0036】

一方、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された可動基台４０を＋ｚ方向へ平行移動することにより、第１の軸外し放物面ミラー２０の面上において、入射光１０の主光線が入射する入射点２１の位置が変化する。この結果、第１の軸外し放物面ミラー２０への入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの焦点距離ｆ１、および第２の軸外し放物面ミラー３０への入射点３１から第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３までの焦点距離ｆ２が変化する。

【0037】

図４に示すように、可動基台４０を＋ｚ方向に平行移動させた場合、図３の状態と比較して焦点距離ｆ１は増加し、焦点距離ｆ２は減少する。従って、式（１）で与えられるアフォーカル光学系の横倍率βは減少し、図３の状態と比較して出射光１２のビーム直径ｄ２を低減させることができる。一方、可動基台４０を－ｚ方向へ平行移動させれば、図３の状態と比較して焦点距離ｆ１が減少し、焦点距離ｆ２は増加するので、アフォーカル光学系の横倍率βが増加し、図３の状態と比較して出射光１２のビーム直径ｄ２を増加させることができる。

【0038】

なお、実施の形態２に示すように、第２の軸外し放物面ミラー３０に凸型の放物面ミラーを使用した場合、幾何学的に第１の軸外し放物面ミラー２０への主光線の入射点２１から第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３までの焦点距離ｆ１の値が、第２の軸外し放物面ミラー３０への主光線の入射点３１から第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３までの焦点距離ｆ２の値よりも必ず大きくなる。従って、実施の形態２のように、入射側である第１の軸外し放物面ミラー２０に凹型の放物面ミラーを使用し、出射側である第２の軸外し放物面ミラー３０に凸型の放物面ミラーを使用する構成においては、アフォーカル光学系の横倍率βは必ず１以下となり、出射光１２のビーム直径ｄ２は、入射光１０のビーム直径ｄ１より必ず小さくなる。

【0039】

一方、入射側である第１の軸外し放物面ミラー２０に凸型の放物面ミラー、出射側である第２の軸外し放物面ミラー３０に凹型の放物面ミラーを使用し、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させて配置する構成としても、ビーム径可変のアフォーカル光学系が構成できることは言うまでもない。この場合、アフォーカル光学系の横倍率βは必ず１以上となり、出射光１２のビーム直径ｄ２は、入射光１０のビーム直径ｄ１より必ず大きくなる。

【0040】

このように実施の形態２によれば、一方の軸外し放物面ミラーに凹型の放物面ミラーを使用し、他方の軸外し放物面ミラーに凸型の放物面ミラーを使用する構成としたので、実施の形態１と同様な効果が得られるばかりでなく、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０に共に凹型の放物面ミラーを使用する場合に比べ、第１の軸外し放物面ミラー２０と第２の軸外し放物面ミラー３０との間の距離を短くすることができるので、反射型ビーム径可変光学系の小型化が可能になるという効果がある。

【0041】

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態３では、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させるとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とが一致するように、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を配置している。なお、実施の形態３では、平行光である入射光１０の光軸１１、平行光である出射光１２の光軸１３、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２、および第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２の何れの方向もｘ軸に一致するよう配置している。

【0042】

実施の形態３の反射型ビーム径可変光学系は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させて配置するとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とも一致するよう第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を配置しているので、平行光である入射光１０の光軸１１と平行光である出射光１２の光軸１３をｘ軸に沿って平行に配置することができる。

【0043】

図６は、実施の形態３に係る反射型ビーム径可変光学系において、可動基台４０を－ｚ方向へ平行移動させた状態を示す模式図である。ビーム径の可変方法については、実施の形態１および実施の形態２と同様、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させるとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とを一致させた状態を維持しながら、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を平行移動して、入射光１０が第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射点２１の位置を変化させればよい。

【0044】

なお、実施の形態３では、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０として、凹型の放物面ミラーを使用する構成を示しているが、実施の形態２と同じく、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０の何れか一方を凸型の放物面ミラーとしても良い。

【0045】

このように実施の形態３によれば、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させるとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とを一致させて配置しているので、実施の形態１および実施の形態２と同様な効果が得られるばかりでなく、入射光１０の光軸１１と出射光１２の光軸１３とが平行となるので、反射型ビーム径可変光学系の設計、設置ならびに角度調整が各段に容易になるという効果がある。

【0046】

実施の形態４．
図７は、実施の形態４に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態４においても実施の形態３と同じく、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させるとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とがｘ方向で一致するよう第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を配設している。

【0047】

実施の形態４の反射型ビーム径可変光学系では、＋ｚ方向に入射する平行光である入射光１４の光軸１５を、平面ミラーからなる第１の折り曲げミラー５によって、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に平行な－ｘ方向へ９０°折り曲げ、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射させている。第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する平行光である入射光１０は、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系を通過し、第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２に平行な＋ｘ方向へ平行光となって出射する。

【0048】

＋ｘ方向へ出射する平行光である出射光１２は、平面ミラーからなる第２の折り曲げミラー６により、＋ｚ方向へ９０°折り曲げられる。ここで第２の折り曲げミラー６は、ｚ方向に移動自在な第２の可動基台７０上に固定されている。

【0049】

なお、実施の形態４の反射型ビーム径可変光学系おいては、入射光１４は予め平行化された平行光であり、入射光１４の光軸１５は、一定の位置、方向に固定されている。また、平面ミラーからなる第１の折り曲げミラー５も、固定基台８上で一定の位置、角度に固定されている。

【0050】

第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定されｚ方向に移動自在な可動基台４０と、第２の折り曲げミラー６が固定され同じくｚ方向に移動自在な第２の可動基台７０の可動機構は何れも固定基台８上に設けられており、可動基台４０および第２の可動基台７０は、固定基台８に対し相対的にｚ方向へ平行移動する。なお、実施の形態４の反射型ビーム径可変光学系においては、光学系への入射光１４の光軸１５と出射光１６の光軸１７とが一致するように第２の可動基台７０のｚ方向位置を設定している。

【0051】

第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２のビーム直径ｄ２を変化させるため、可動基台４０をｚ方向へ平行移動させた場合、第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３の位置もｚ方向に平行シフトする。第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３の平行シフト量をΔｚとした場合、第２の可動基台７０も出射光１２の光軸１３の平行シフト量Δｚに連動し、ｚ方向へΔｚだけ平行移動させれば、光学系からの出射光１６の光軸１７を常に一定の位置、角度（方向）で維持することができる。

【0052】

ここで、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０として、主軸焦点距離２５ｍｍの放物面ミラーを使用した構成を想定し、具体例を説明する。

【0053】

第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の横倍率βが１倍となる場合、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射光１０の光軸１１と第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３との間隔は１００ｍｍとなる。

【0054】

アフォーカル光学系の横倍率βを１倍から２倍へ増加させるには、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された可動基台４０を－ｚ方向へ１４.６５ｍｍ平行移動させればよく、この場合、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射光１０の光軸１１と第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３との間隔は１０６.０７ｍｍとなる。すなわち、横倍率βが１倍の状態を基準とすれば、第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３の平行シフト量Δｚは＋ｚ方向に６.０７ｍｍとなる。従って、第２の折り曲げミラー６が固定された第２の可動基台７０を＋ｚ方向へ６.０７ｍｍ平行移動させれば、第２の折り曲げミラー６によって方向を＋ｚ方向へ９０°折り曲げられた光学系からの出射光１６の光軸１７を一定の位置および角度に維持することができる。

【0055】

なお、第２の可動基台７０の可動方向７１はｚ方向に限るものではなく、例えば第２の可動基台７０の可動方向７１をｘ方向とした場合、第２の可動基台７０を－ｘ方向へ６.０７ｍｍ平行移動させても、第２の折り曲げミラー６から出射する出射光１６の光軸１７を一定に維持することができる。すなわち、第２の可動基台７０の可動方向７１が、第２の折り曲げミラー６のミラー面に平行な方向以外であれば、原理的にアフォーカル光学系の倍率変更にともない第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸シフトの影響を補償し、第２の折り曲げミラー６から出射する光学系からの出射光１６の光軸１７を一定の位置および角度に維持することができる。

【0056】

実施の形態５．
図８は、実施の形態５に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態４では、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とを一致させるとともに、光学系からの出射光１６の光軸１７を一定に維持する反射型ビーム径可変光学系を示したが、実施の形態５の反射型ビーム径可変光学系では、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とが一致していない構成において、第２の可動基台７０上に固定された第２の折り曲げミラー６を使用し、アフォーカル光学系の倍率に応じ、第２の折り曲げミラー６を適切な位置に設置している。このような構成によれば、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２の光軸シフトの影響を補償し、第２の折り曲げミラー６を出射する光学系からの出射光１６の光軸１７の位置および方向（角度）を一定に維持することができるので、実施の形態４と同様な効果を得ることができる。

【0057】

更に、波長が１００ｎｍ以下と極めて短い極端紫外光のように、ミラーの反射率を確保するため高入射角での斜入射が必要となるようなケースでは、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とが成す角度により、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０への入射光の入射角を適切な値へ調整することによって、低収差でのビーム径可変を可能にするとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０から構成されるアフォーカル光学系の光伝送効率を高く維持することができるという効果がある。

【0058】

実施の形態６．
実施の形態１～実施の形態５では、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を同一の可動基台４０上に固定し、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を平行移動させることによって、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０から構成されるアフォーカル光学系の倍率を可変とし、出射光１２のビーム直径ｄ２を可変とする構成を示したが、ビーム径可変方法はこれに限るものではない。

【0059】

図９は、実施の形態６に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態６においては、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０は、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させて、固定基台８上に固定されている。一方、第１の折り曲げミラー５は、ｚ方向に移動自在な第３の可動基台８０上に固定されている。なお、ｚ方向に移動自在な第３の可動基台８０の可動機構は、固定基台８上に設けられており、第３の可動基台８０は固定基台８に対し、相対的にｚ方向へ平行移動する。また、第２の折り曲げミラー６は、ｚ方向に移動自在な第２の可動基台７０上に固定されている。

【0060】

実施の形態６の反射型ビーム径可変光学系のように、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を固定基台８上に固定するとともに、第１の折り曲げミラー５が固定された第３の可動基台８０を可動方向８１（ｚ方向）へ平行移動させることによって、平行光である入射光１０の光軸１１の方向を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向と一致させながら、入射光１０の主光線が第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射点２１の位置を変化させても、実施の形態１～実施の形態５と同様に、コマ収差および非点収差の発生を効果的に抑制しながら、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を変更し、出射光１２のビーム直径ｄ２を可変にすることができる。

【0061】

なお、実施の形態６では、第１の折り曲げミラー５が固定された第３の可動基台８０をｚ方向に平行移動させる構成を示したが、平行移動する可動方向８１はｚ方向に限るものではない。第３の可動基台８０の可動方向８１が第１の折り曲げミラー５のミラー面に平行な方向以外であれば、第３の可動基台８０を平行移動しながら、第１の軸外し放物面ミラー２０への入射点２１の位置を変化させることができるので、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を変更し、平行光である出射光１２のビーム直径ｄ２を可変にすることができる。

【0062】

なお、実施の形態６に示すように、焦点を一致させて配置した第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を固定し、第１の折り曲げミラー５を平行移動することにより、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を可変にする構成は、図９に示す実施の形態６の構成に限るものではなく、実施の形態２～実施の形態５で示した何れの反射型ビーム径可変光学系へも適用可能であり、実施の形態２～実施の形態５と同様な効果が得られることに加え、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射させる入射光１０の位置調整が容易になるという効果もある。

【0063】

実施の形態７．
図１０は、実施の形態７に係る反射型ビーム径可変光学系の構成を示す模式図である。実施の形態７の反射型ビーム径可変光学系においては、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を平行移動させるための第４の可動基台６０は、矢印６１で示す第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２に平行な方向と、矢印６２で示す第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に平行な方向との２方向に対し移動自在な可動機構を備えている。

【0064】

第４の可動基台６０を矢印６１で示す第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２に平行な方向へ平行移動させた場合、平行光である入射光１０の光軸１１が第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射点２１が変化するため、第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点距離ｆ１および第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点距離ｆ２が変化し、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を変更することができる。

【0065】

また、第４の可動基台６０を矢印６２で示す第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に平行な方向へ平行移動させた場合、入射光１０の光軸１１が第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射点２１は変化しないので、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率は一定に維持される。一方、第４の可動基台６０の矢印６２の方向への平行移動にともない、出射光１２の光軸１３は平行移動する。すなわち、第４の可動基台６０を矢印６２で示す第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に平行な方向へ平行移動させることによって、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を一定に維持しながら、出射光１２の光軸１３の位置調整が可能になる。

【0066】

実施の形態７の反射型ビーム径可変光学系のように、焦点を一致させて配設された第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０を平行移動させるための第４の可動基台６０に、少なくとも２つ以上の方向へ平行移動可能な可動機構を設ければ、第４の可動基台６０の平行移動によって、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率調整に加え、出射光１２の光軸１３の位置調整が可能になる。この結果、実施の形態４～実施の形態６で示した反射型ビーム径可変光学系のような第２の折り曲げミラー６または第２の可動基台７０を使用することなく、出射光１２の光軸１３を一定に維持しながらアフォーカル光学系の倍率変更が可能になる。

【0067】

特に、実施の形態７の反射型ビーム径可変光学系で示したように、第４の可動基台６０の平行移動方向の１つに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２に平行な方向を選定すれば、アフォーカル光学系の倍率を一定に維持しながら、出射光１２の光軸１３の位置を調整することが可能になるので、アフォーカル光学系の倍率と出射光１２の光軸１３の位置の調整を各々独立に実施することで、光学系の調整が格段に容易なるという効果がある。

【0068】

なお第１の軸外し放物面ミラー２０と第２の軸外し放物面ミラー３０が、焦点を一致させた状態で固定された第４の可動基台６０を平行移動させる方向はこれに限るものではない。第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と、第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２を含む面内において、任意の異なる２方向へ平行移動可能な可動機構を設ければ、第１の軸外し放物面ミラー２０と第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の横倍率の変更と、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２の光軸１３の位置調整の両方が可能になる。目的とする光学系の構成、光学系周囲の空間的な制限に合せ、適切な２方向を選択すればよい。

【0069】

実施の形態８．
実施の形態１～実施の形態７においては、反射型光学素子を使用し、収差の発生を効果的に抑制しながらビーム径を可変にするこができる反射型ビーム径可変光学系の構成について説明した。実施の形態８からは、反射型ビーム径可変光学系の具体的な実用事例として、レーザ加工機でのレーザ加工に使用するレーザ加工ヘッドの構成について記載する。

【0070】

図１１は、実施の形態８に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図である。実施の形態８のレーザ加工ヘッドは、図７で示した実施の形態４と同一構成の反射型ビーム径可変光学系を搭載している。平面ミラーからなる第１の折り曲げミラー５へ＋ｚ方向に入射する予め平行化された平行光である光学系への入射光１４は、第１の折り曲げミラー５、第１の軸外し放物面ミラー２０、第２の軸外し放物面ミラー３０、第２の折り曲げミラー６より構成される反射型ビーム径可変光学系を通過し＋ｚ方向へ平行光として出射する。

【0071】

反射型ビーム径可変光学系から＋ｚ方向へ出射した平行光である出射光１６は、平面ミラーからなる第３の折り曲げミラー９へ入射し、光軸方向を－ｘ方向へ９０°折り曲げ、集光ミラー１００へ入射する。集光ミラー１００は、－ｘ方向に入射する入射光の光軸方向を＋ｚ方向へ９０°折り曲げるとともに、＋ｚ方向に対して焦点距離ｆ３の集光性能を備えた第１の非球面ミラーである。なお、実施の形態８のレーザ加工ヘッドでは、集光ミラー１００には主軸焦点距離がｆ３／２で、反射焦点距離がｆ３の９０°軸外し放物面ミラーを使用している。集光ミラー１００で反射された照射光１８は、集光ミラー１００から焦点距離ｆ３離れた集光点１０２に向かい集光される。集光点１０２近傍に被加工材料を設置すれば、切断、穴あけ、溶接等のレーザ加工を行うことができる。

【0072】

なお、第３の折り曲げミラー９および集光ミラー１００は、ｚ方向に移動自在な第５の可動基台１１０上に固定されている。また、矢印１１１で示すｚ方向に移動自在な第５の可動基台１１０の可動機構は、固定基台８上に設けられており、第５の可動基台１１０は、固定基台８に対し相対的にｚ方向へ平行移動する。

【0073】

ビーム直径ｄ１の平行化された平行光である光学系への入射光１４は、第１の折り曲げミラー５、第１の軸外し放物面ミラー２０、第２の軸外し放物面ミラー３０、および第２の折り曲げミラー６から構成される反射型ビーム径可変光学系によって、ビーム直径ｄ２の平行光である光学系からの出射光１６へ変換される。ここで、第２の折り曲げミラー６が固定された第２の可動基台７０は、反射型ビーム径可変光学系の倍率、すなわち可動基台４０のｚ方向平行移動量に依らず、光学系からの出射光の光軸１７が常に一定の位置となるようｚ方向への平行移動量が調整される。従って、光学系からの出射光１６の主光線は、常に集光ミラー１００上の一定の位置となる集光ミラー１００への入射点１０１に入射し、照射光１８の光軸１９も常に一定の位置、方向が維持される。

【0074】

なお、集光点１０２における集光ビーム直径ｄ３は、集光ミラー１００へ入射する入射光のビーム直径ｄ２に反比例する。すなわち、入射光のビーム直径ｄ２が大きくなれば集光ビーム直径ｄ３が減少し、ビーム直径ｄ２が小さくなれば集光ビーム直径ｄ３は増加する。このため、反射型ビーム径可変光学系によって出射光１２のビーム直径ｄ２を変化させることにより、集光ビーム直径ｄ３を用途に応じ適切な値へ調整することが可能になる。

【0075】

また、第３の折り曲げミラー９および集光ミラー１００が固定された第５の可動基台１１０は矢印１１１で示すｚ方向に移動自在であり、第５の可動基台１１０をｚ方向へ平行移動することにより、集光点１０２の位置もｚ方向に対し自在に調整することが可能になる。

【0076】

一般にレーザ加工に使用するレーザ光の集光ビーム直径ｄ３が変化した場合、被加工材料に対する最適な集光点の位置も変化する。図１２は、軟鋼切断時の切断可能な集光点位置の範囲を示す加工裕度表を示す図である。図１２では、板厚９ｍｍの軟鋼切断時の集光ビーム直径に対し切断可能（加工良好）な集光点位置の範囲を実験により求めた加工裕度表を示している。図１２中、集光点位置は、被加工材料表面から集光点までの距離を示している。図１２では、白地以外のグレーの箇所が、〇の加工良好を示している。図１２の加工裕度表からも明らかなように、集光ビーム直径が大きくなるほど、最適な集光点位置は、非加工材料から離れる方向へ変化する。

【0077】

実施の形態８に示すように、第３の折り曲げミラー９および集光ミラー１００が固定された第５の可動基台１１０を設け、第５の可動基台１１０を集光ミラー１００によりレーザ光が集光されるｚ方向に対し移動自在な構成とし、反射型ビーム径可変光学系の倍率と連動して集光点１０２を最適な位置へ調整すれば、常に安定かつ良好な加工を維持することができるという効果が得られる。

【0078】

なお、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２は平行化された平行光であり、第２の可動基台７０によって、反射型ビーム径可変光学系の倍率に依らず、光学系からの出射光１６の主光線が常に集光ミラー１００の一定の入射点１０１へ入射するよう補償されるため、第５の可動基台１１０の平行移動にともなう第２の軸外し放物面ミラー３０から集光点１０２までの光路長の変化がビーム特性へ与える影響を、最小限に抑えることができる。

【0079】

これまでの反射型のビーム径可変光学系は、特定の倍率に対しては収差の抑制が可能であったものの、倍率変更にともない収差の発生が顕著になっていたため、レーザ加工ヘッドにおいて、反射型光学系とビーム径可変を両立することは困難であった。実施の形態８に示すレーザ加工ヘッドの構成とすれば、収差の発生を効果的に抑制しながら、全反射型と集光ビーム径可変を両立するレーザ加工ヘッドを提供することができる。特に実施の形態８においては、集光ミラー１００にも９０°軸外し放物面ミラーを使用しているため、非加工物へ照射する照射光１８についても収差の発生を効果的に抑制することができる。

【0080】

また、ＣＯ_２レーザに代表される中赤外から遠赤外の波長域、ならびに波長２００ｎｍ以下の深紫外から極端紫外の波長域では、レーザ光の吸収率が低い透明な硝材に乏しく、レンズ等透過型光学素子で構成されたレーザ加工ヘッドを使用した場合、透過型光学素子でのレーザ光吸収にともなう熱レンズ、熱歪の発生により、顕著な焦点シフトが発生するとともに、ビーム品質も著しく劣化し、必要となる加工性能を維持することが困難になるという課題があった。

【0081】

一方、実施の形態８に示すような反射型光学素子で構成されるレーザ加工ヘッドを使用すれば、レーザ光の吸収が高い硝材を反射型光学素子として使用しても、レーザ光吸収に伴い光学素子内部で発生する熱レンズの影響を効果的に抑制し、焦点シフトを抑えながら高い加工性能を安定に維持することができるという格別な効果がある。

【0082】

また、異物付着等により、レーザ加工ヘッドを構成する光学素子の表面へ微小な焼け付き（損傷）が発生した場合であっても、反射型光学素子であるため、レーザ光吸収により光学素子内部で発生する局所的な熱レンズの影響を効果的に抑制し、レンズ等透過型光学素子を使用するレーザ加工ヘッドに比べ、加工安定性を維持しながら、光学素子の損傷耐性、すなわち耐光強度を大幅に増加させ、レーザ加工ヘッドの信頼性を著しく向上させることができる。さらに、レーザ加工ヘッドで使用可能なレーザ出力も増加するため、レーザ加工自体の生産性を大幅に改善できるという効果もある。

【0083】

更に、実施の形態８のレーザ加工ヘッドによれば、反射型光学素子を使用しながらコマ収差および非点収差の発生を効果的に抑制し、集光ビーム径の変更も可能になるので、用途に応じて適切な集光ビーム直径の選択が可能になり、レーザ加工ヘッドの適用分野を効果的に拡大することができる。

【0084】

例えば、切断用途を例にとれば、非加工材料の種類、板厚に応じて最適な集光ビーム直径、集光点の位置は変化する。一般的に板厚が薄い材料の切断では、集光ビーム直径を小さくした方が切断速度の高速化が可能になる。一方、板厚が厚い材料の切断では、溶融物除去の観点から集光ビーム径を大きくした方が切断品質が高い。また、アシストガスに酸素を使用する軟鋼の切断では、一般に集光点の位置を材料外部に設定するのに対し、アシストガスに窒素を使用するステンレス鋼の切断では、集光点を材料内部に設定する。

【0085】

実施の形態８のレーザ加工ヘッドは、第３の折り曲げミラー９および集光ミラー１００をｚ方向に移動自在な第５の可動基台１１０上に設置しているので、第５の可動基台１１０をｚ方向へ平行移動することにより、用途あるいは被加工材料の形状に応じて、集光点１０２を適切な位置に設定することができる。

【0086】

また、実施の形態８のレーザ加工ヘッドは、主要な光学系部分を反射型光学素子であるミラーで構成しているため、不透明な金属ミラーの適用が可能になる。金属ミラーを使用する場合、ミラー内部に冷却水管を形成し、ミラーの直接水冷が容易になるため、ミラーの冷却性能を効果的に改善することにより、耐光強度の向上が可能になるとともに、ミラーの硝材に石英等誘電体材料を使用する場合に比べ、ミラーの製造コストを安価にできるという効果もある。

【0087】

なお、実施の形態８では、集光ミラー１００に９０°軸外し放物面ミラーを使用した構成を示したが、集光ミラー１００の種類はこれに限るものではなく、例えば光軸を９０°折り曲げるように設計した焦点距離ｆ３を備えたトロイダルミラーを使用してもよい。トロイダルミラーは軸外し放物面ミラーと比較した場合、コマ収差の発生が不可避になるものの、製造が容易となり廉価に入手できることに加え、集光ミラー１００を設置する際の調整裕度が緩和されるといったメリットがある。

【0088】

また、図１１には図示していないが、加工点で発生する蒸散物（ヒューム）または溶融飛散物（スパッタ）によるレーザ加工ヘッド内部の光学素子の汚損を防止するため、集光ミラー１００と集光点１０２との間に保護ガラスを設置してもよいことは言うまでもない。また、レーザ加工のアシストガスまたは被加工物の酸化を防止するシールドガスを供給するため、集光ミラー１００と集光点１０２との間にガスノズルを設置してもよい。

【0089】

実施の形態９．
図１３は、実施の形態９に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図である。実施の形態９のレーザ加工ヘッドでは、コア直径ｄ０の光ファイバ１３０を使用してレーザ光源からレーザ加工ヘッドまでレーザ光を伝送している。なお、図１３には図示していないが、実施の形態９のレーザ加工ヘッドでは、レーザ光源に波長１０７０ｎｍのファイバレーザを使用している。

【0090】

光ファイバ１３０の端部には光ファイバコネクター１３２が装着されており、光ファイバコネクター１３２は固定基台８上に固定される。光ファイバ１３０から出射したレーザ光である光学系への入射光１４は、ビーム径を拡大しながら＋ｚ方向へ進行し、平行化ミラー１２０へ入射する。平行化ミラー１２０は、固定基台８上に固定されており、＋ｚ方向に入射する入射光１４の光軸方向を－ｘ方向へ９０°折り曲げるとともに、－ｚ方向に対して焦点距離ｆ０の集光性能を備えた第２の非球面ミラーである。なお、実施の形態９のレーザ加工ヘッドでは、平行化ミラー１２０に主軸焦点距離ｆ０／２、反射焦点距離ｆ０の９０°軸外し放物面ミラーを使用している。

【0091】

光ファイバコネクター１３２の出射端面１３１は、平行化ミラー１２０の焦点１２１と一致するよう固定されており、平行化ミラー１２０で反射されたレーザ光である入射光１０は、ビーム直径がｄ１で一定になるよう平行化（コリメート）され、光軸方向を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と同一方向である－ｘ方向へ９０°折り曲げ、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する。第１の軸外し放物面ミラー２０から集光ミラー１００までの光学系構成については、実施の形態８のレーザ加工ヘッドと同様である。

【0092】

また、平行化ミラー１２０により平行化され平行光となったレーザ光（入射光１０）の光軸（入射光の光軸１１）の方向は、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致しているため、焦点を一致させて配置した第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０は、アフォーカル光学系の条件を満たす。従って、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された可動基台４０を矢印４１で示すｚ方向に平行移動することにより、アフォーカル光学系の倍率を変更し、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２のビーム直径ｄ２を可変にすることができる。

【0093】

第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０がアフォーカル光学系を構成しており、光ファイバ１３０の出射端面１３１は平行化ミラーの焦点１２１の位置に固定されていることから、光ファイバ１３０の出射端面１３１と集光ミラー１００の焦点と一致する集光点１０２は光学的に共役となり、光ファイバ１３０のコア直径ｄ０と集光ビーム直径ｄ３との関係は、次式（３）のようになる。
ｄ３＝（ｆ３／ｆ０）×（ｆ１／ｆ２）×ｄ０ ・・・（３）

【0094】

第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点距離ｆ１および第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点距離ｆ２は、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された可動基台４０を平行移動することにより変化するため、集光ビーム直径ｄ３を可変とすることができる。

【0095】

実施の形態９に示すレーザ加工ヘッドを使用しても、実施の形態８で示したレーザ加工ヘッドと同様な効果が得られることは言うまでもなく、光ファイバ１３０を使用してレーザ光源からレーザ加工ヘッドまでレーザ光を伝送する構成に対しても、光ファイバ１３０を出射する発散光を平行化し平行光にするとともに、平行光となったレーザ光（入射光１０）の光軸（入射光の光軸１１）を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と平行に第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射させることが可能になるので、主要光学系に反射型光学素子を使用した低収差かつ集光ビーム径可変のレーザ加工ヘッドを得ることができる。

【0096】

更に、実施の形態９のレーザ加工ヘッドにおいては、平行化ミラー１２０にも９０°軸外し放物面ミラーを使用し、光ファイバ１３０の出射端面１３１を平行化ミラー１２０の焦点位置に設置しているため、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射する入射光１０についても収差の発生を効果的に抑制することができる。

【0097】

なお、実施の形態９においては、レーザ光源にファイバレーザを使用する構成について説明したが、レーザ光源の種類はこれに限るものではない。固体レーザ、半導体レーザ等光ファイバで伝送可能なレーザ光源であれば、同様な効果が得られることは言うまでもない。

【0098】

また、図示はしていないが、光ファイバコネクター１３２と平行化ミラー１２０との間に保護ガラスを設置してもよい。光ファイバコネクター１３２と平行化ミラー１２０との間に保護ガラスを設置すれば、光ファイバ１３０の脱着時に発生するレーザ加工ヘッド内部への粉塵の浸入を効果的に防止することができる。

【0099】

実施の形態１０．
図１４は、実施の形態１０に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図である。実施の形態１０のレーザ加工ヘッドにおいても、実施の形態９と同様、コア直径ｄ０の光ファイバ１３０を使用してレーザ光源からレーザ加工ヘッドまでレーザ光を伝送する構成を採用している。また、光ファイバ１３０を出射したレーザ光である入射光１４を、平行化ミラー１２０を使用して平行光にするとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向へ光軸を折り曲げる構成についても実施の形態９と同様である。

【0100】

実施の形態１０のレーザ加工ヘッドでは、実施の形態７において示した反射型ビーム径可変光学系を採用している。第１の軸外し放物面ミラー２０の焦点２３と第２の軸外し放物面ミラー３０の焦点３３とを一致させるとともに、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向をｘ方向に配置し、第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２の方向をｚ方向に配置している。また、第１の軸外し放物面ミラー２０と第２の軸外し放物面ミラー３０とは、焦点を一致させ、回転主軸が９０°の角度をなした状態で第４の可動基台６０上に固定されている。なお、実施の形態１０の第４の可動基台６０は固定基台８上に設けられており、矢印６１で示すｚ方向と矢印６２で示すｘ方向の２方向に対し、移動自在な機構を備えている。

【0101】

実施の形態１０のレーザ加工ヘッドについても、第１の軸外し放物面ミラー２０と第２の軸外し放物面ミラー３０とを焦点を一致させて配置するとともに、平行化された平行光である入射光１０の光軸１１を第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致させて第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射させているので、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０はアフォーカル光学系を構成している。

【0102】

実施の形態１０のレーザ加工ヘッドにおいては、第４の可動基台６０を矢印６１に示すｚ方向へ平行移動させることにより、第１の軸外し放物面ミラー２０へ入射光１０が入射する位置を変化させ、アフォーカル光学系の倍率を可変としている。また、第４の可動基台６０を矢印６１に示すｚ方向へ平行移動させアフォーカル光学系の倍率を変化させた際には、第４の可動基台６０を矢印６２に示すｘ方向へ平行移動させることにより、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２の光軸１３が一定の位置に維持されるよう調整する。

【0103】

なお、矢印６２で示す第４の可動基台６０の平行移動方向は、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２の方向に一致しているため、第４の可動基台６０を矢印６２に示すｘ方向へ平行移動させる場合には、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を一定に維持しながら、出射光１２の光軸１３の位置調整が可能である。

【0104】

第３の折り曲げミラー９および集光ミラー１００は、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２の光軸１３と同一方向である矢印１１１で示すｚ方向に移動自在な第５の可動基台１１０上に固定されており、また集光ミラー１００による集光方向も、第２の軸外し放物面ミラー３０を出射する出射光１２の光軸１３の方向と一致しているため、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率が変化した場合であっても、照射光１８の光軸１９を一定に維持しながら、集光点１０２を最適な位置、高さに調整することが可能である。

【0105】

実施の形態１０に示すレーザ加工ヘッドの構成としても、実施の形態８～実施の形態９と同様な効果が得られるばかりでなく、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率が変化した際に発生する光軸シフトの補正に、実施の形態８、実施の形態９のレーザ加工ヘッドで使用していた第２の折り曲げミラー６、第２の可動基台７０が不要になるため、レーザ加工ヘッドの構成が簡易になり、レーザ加工ヘッドの製造コストの低減が可能になることに加え、駆動部が減ることからレーザ加工ヘッドのロバスト性、信頼性を向上させることができるという効果もある。

【0106】

なお、実施の形態１０においては、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２を９０°の角度をなして配置する構成を示したが、第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２が成す角度はこれに限るものではない。第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とを一致させることなく配置すれば、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０が固定された第４の可動基台６０に、少なくとも２つ以上の方向へ平行移動可能な可動機構を設ければ、第１の軸外し放物面ミラー２０および第２の軸外し放物面ミラー３０で構成されるアフォーカル光学系の倍率を変化させながら第２の軸外し放物面ミラー３０から出射する出射光１２の光軸１３の位置を一定に維持することが原理的に可能である。第１の軸外し放物面ミラー２０の回転主軸２２と第２の軸外し放物面ミラー３０の回転主軸３２とが成す角度は、光学系構成、空間的な制約等を勘案し、最適な値を選定すればよい。

【0107】

以上の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り、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

【符号の説明】

【0108】

５ 第１の折り曲げミラー、６ 第２の折り曲げミラー、８ 固定基台、９ 第３の折り曲げミラー、１０，１４ 入射光、１１，１３，１５，１７，１９ 光軸、１２，１６ 出射光、１８ 照射光、２０ 第１の軸外し放物面ミラー、２１，３１，１０１ 入射点、２２，３２ 回転主軸、２３，３３，１２１ 焦点、３０ 第２の軸外し放物面ミラー、４０ 可動基台（第１の可動基台）、６０ 第４の可動基台、７０ 第２の可動基台、８０ 第３の可動基台、１００ 集光ミラー、１０２ 集光点、１１０ 第５の可動基台、１２０ 平行化ミラー、１３０ 光ファイバ、１３１ 出射端面、１３２ 光ファイバコネクター。

【要約】

反射型ビーム径可変光学系は、第１の軸外し放物面ミラー（２０）の回転主軸（２２）の方向と同じ方向に平行光である入射光（１０）が入射される第１の軸外し放物面ミラー（２０）と、第１の軸外し放物面ミラー（２０）の焦点（２３）に第２の軸外し放物面ミラー（３０）の焦点（３３）が一致するように配置される第２の軸外し放物面ミラー（３０）と、第１の軸外し放物面ミラー（２０）および第２の軸外し放物面ミラー（３０）を回転主軸（２２）の方向と異なる方向へ平行移動する可動基台（４０）と、を備え、第２の軸外し放物面ミラー（３０）から出射される出射光（１２）のビーム径を可変にする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】