(57)【要約】  光線分岐構造をコンパクト化して装置全体を小型化する。光加工ヘッドであって、光源からの加工用光線を加工面へと誘導する光学素子群と、前記加工面からの前記加工用光線の反射光と、前記加工面の状態を観察するための観察用光線とを分岐する光線分岐部と、を備える。前記光線分岐部は、前記加工用光線の光線経路上に配置され、前記光学素子群と前記加工面との間に、前記観察用光線を観察光学系へと誘導するハーフミラーを有する。
2017158737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの加工用光線を加工面へと誘導する光学素子群と、
前記加工面からの前記加工用光線の反射光と、前記加工面の状態を観察するための観察用光線とを分岐する光線分岐部と、
を備え、
前記光線分岐部は、前記加工用光線の光線経路上に配置され、前記光学素子群と前記加工面との間に、前記観察用光線を観察手段へと誘導するハーフミラーを有する、光加工ヘッド。
【請求項２】
前記光線分岐部は、前記光学素子群のうち前記加工面に近い下流側の光学素子に設けられ、前記加工用光線を透過し、前記観察用光線を反射する光学素子と、
前記光学素子により反射された前記観察用光線を前記観察手段へと誘導する前記ハーフミラーとである、請求項１に記載の光加工ヘッド。
【請求項３】
前記光学素子群は、少なくとも２つの光学素子を含み、
前記光学素子群のうち前記加工面に近く、下流側に配置された前記光学素子は、前記観察用光線を選択的に反射し、上流側に向かって凸である凸面を有する請求項２に記載の光加工ヘッド。
【請求項４】
前記凸面は、前記加工面からの輻射光を選択的に反射する請求項３に記載の光加工装置。
【請求項５】
前記光学素子は、平凸レンズであり、下流側に平面が位置し、上流側に凸面が位置するように配置される請求項２乃至４のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項６】
前記加工面から前記光学素子に向かう前記観察用光線が、前記光学素子によって反射集光される点である反射集光点は、前記加工点と前記光学素子との間に位置する請求項２乃至５のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項７】
前記光学素子は、前記加工用光線の光軸に対して回転対称であり、
前記加工点から前記光学素子の前記凸面までの距離Ｌは、
前記光学素子の屈折率をｎ、前記光軸と前記凸面との交点における前記光学素子の曲率半径をＲとすると、
【数１】
2017158737.tif 000009
が成立する請求項２乃至６のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項８】
前記反射集光点から前記光学素子との間に前記ハーフミラーが配置される請求項２乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項９】
前記光線経路上に配置された保護ガラスをさらに有し、
前記保護ガラス内部に前記ハーフミラーが配置される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１０】
前記観察手段は、前記ハーフミラーに対向して配置される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１１】
前記光学素子の厚みｔは、
【数２】
2017158737.tif 000010
が成立する請求項２乃至１０のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１２】
前記光学素子群のうち前記光源に近い上流側の光学素子は、前記加工用光線を平行光に変換する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光加工ヘッドを用いた光加工装置。
【請求項１４】
粉体を前記加工点に収束させるノズルをさらに備える請求項１３に記載の光加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光加工ヘッドおよび光加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野において、特許文献１には、集束レンズ間の平行光路内にハーフミラーを配置し、観察用光線と加工用光線とをハーフミラーで分岐する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０３１９９８０号明細書
【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、上記文献に記載の技術では、ハーフミラーによる光線分岐構造が装置の大型化を招くので、光線分岐構造をコンパクト化して装置全体を小型化することができなかった。【０００５】
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドは、
光源からの加工用光線を加工面へと誘導する光学素子群と、
前記加工面からの前記加工用光線の反射光と、前記加工面の状態を観察するための観察用光線とを分岐する光線分岐部と、
を備え、
前記光線分岐部は、前記加工用光線の光線経路上に配置され、前記光学素子群と前記加工面との間に、前記観察用光線を観察手段へと誘導するハーフミラーを有する。【０００７】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工装置は、
上記光加工ヘッドを用いた。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光線分岐構造をコンパクト化して装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光加工装置の全体構成の概要を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る光加工装置の光加工ヘッドの構成を示す概略断面図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の構成を示す部分拡大概略断面図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態に係る光加工装置の光線分岐部を含む光線経路の概要を示す断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る光加工装置による観察用光線の光線経路を説明する概略断面図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の備えるレンズの構成を説明する部分拡大断面図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態に係る光加工装置による観察用光線の光線経路を説明する部分拡大断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光加工装置の光線分岐部を含む光線経路の概要を示す断面図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の構成を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
【００１１】
［第１実施形態］
＜前提技術＞
光加工装置による加工状況の光学的監視について、レーザ光などの加工用光線の加工点への照射光軸に一致する方向で加工面などを観察する手法が提案されている。この手法では、加工点から帰ってくる観察光などを撮像素子へ誘導して、加工面などの画像を取得する（特許文献１参照）。特許文献１の手法は、加工点からの溶融物などの飛び散りは多いものの、レーザ光（加工光）の加工点への照射方向の光軸と、加工点からの観察光の光軸とが一致しているので、正確な観察画像を得ることができる。
【００１２】
特許文献１の手法の加工装置は、光加工用の光源、例えば、炭酸ガスレーザなどの加工用光線光源と、光加工の加工状況を光学的に検出するための可視光を発生する可視光光源と、加工されている加工点の可視光光学像を検出する観察用カメラとを有する。特許文献１では、レーザ光の加工点への照射方向の光軸と加工点からの観察光の光軸とを一致させることにより、レーザ光の照射方向から加工点に正対する観察画像を観察できることとなって、正確な観察画像を得ることができるのは、前述のとおりである。
【００１３】
特許文献１では、レーザ光光源から加工点までの距離は、加工条件などにあわせて変更可能となっているが、特許文献１に代表される前提技術の加工装置では、レーザ光光源から加工点までの距離が変更されても、レーザ光断面積（ビーム径）が変化しないように、コリメータレンズ光学系からなる平行光光線経路がレーザ光光源と加工点との間に設けられている。すなわち、レーザ光などを用いた光加工装置では、光源からの光線を平行光に変換し、その平行光を集光レンズで加工点に集光させるのが一般的である。換言すれば、光加工装置は平行光を集光する光学レンズを必要とする。
【００１４】
一方、加工点からの観察光は、レーザ光の入射方向の光軸に沿ってレーザ光源に向けて遡行伝搬するが、カメラなどの撮像素子をレーザ光光源の位置に置くことはできないので、観察光だけをレーザ光光路から所定角度だけ曲げてレーザ光光路から分岐して、観察カメラに向けて導く必要がある。特許文献１では、レーザ光は通過（または反射）させ、観察光は反射（または通過）させるハーフミラーを平行光光路内に、レーザ光光路に対して４５度傾けて配置している。このようなハーフミラーの配置により、特許文献１のハーフミラーは、観察光だけを撮像素子に導いている。
【００１５】
＜本実施形態の技術＞
本発明の第１実施形態としての光加工装置について、図１乃至図５Ｂを用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光加工装置１００の全体構成の概要を説明する図である。
【００１６】
≪装置構成≫
図１に示すように、光加工装置１００は、光源１０１と、光加工ヘッド１０２と、観察光学系１０３と、ステージ１０５と、材料収容部１０６とを含む。
【００１７】
光源１０１は、造形物１７２の造形用の光線を発生する。光源１０１としては、レーザ光源を用いることができるが、これには限定されず、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やハロゲンランプ、キセノンランプを用いることができる。なお、造形物１７２の材料である粉体材料の溶融に用いる光線はレーザ光には限られず、加工点で粉体材料を溶融することができるものであればどのような光線であってもよい。例えば、マイクロ波から紫外線領域の電磁波などの光線であってもよい。
【００１８】
光伝送部１１１は、光源１０１で発生した光線を伝送する。光伝送部１１１は、例えば、コア径がφ０．０１〜１ｍｍの光ファイバであり、光源１０１で発生した光線（レーザ光）を光加工ヘッド１０２に誘導する。光加工ヘッド１０２は、集光光学系１２１とノズル１２２とを含んで構成される。
【００１９】
集光光学系１２１は、光線としての光を集光（集束）させる集光部を内部に備える。そして、光加工ヘッド１０２は、集光光学系１２１の集光部の下流側にノズル１２２が取り付けられて構成されている。光加工ヘッド１０２に供給されたレーザ光は、集光光学系１２１の内部に設けられたレンズ等からなる光学系を介することで、加工面１７０において集光するように調整されており、ノズル１２２内部を経て加工面１７０に照射される。レーザ光の集光位置は、集光光学系１２１のレンズ間隔などを変更することで、変えることができる。
【００２０】
材料収容部１０６は、光加工ヘッド１０２のノズル１２２に対し、材料供給部１６１を介して粉体材料などを含むキャリアガスを供給する。粉体材料は、例えば、金属粒子や樹脂粒子などの粒子である。キャリアガスは、不活性ガスであり、例えば、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどでよい。
【００２１】
材料供給部１６１は、例えば、樹脂または金属のホースであり、キャリアガスに粉体材料を混入させた粉体流を光加工ヘッド１０２のノズル１２２へと導く。ただし、粉体材料が線材の場合は、キャリアガスは不要となる。
【００２２】
制御部１０８は、細書きまたは太書きなどの造形条件を入力し、入力した造形条件に応じて光源１０１からのレーザ光の出力値を変更すると共に、ノズル１２２の外側筐体をスライドさせる。これにより、ノズル１２２から射出される粉体材料による粉体スポット径を溶融プール１７１の径に合わせて制御する。
【００２３】
また、光加工ヘッド１０２には観察光学系１０３が取り付けられている。観察光学系１０３に誘導された観察用光線をディプレイなどの表示部１３１に表示することで、ユーザは、加工面１７０などの状態を観察することができる。
【００２４】
加工面１７０からの輻射光を含む観察用光線は、ノズル１２２内を介して集光光学系１２１へと到達する。集光光学系１２１に到達した観察用光線は、集光光学系１２１内に設けられた光学系により観察光学系１０３へと誘導される。そして、加工面１７０の映像が表示部１３１に表示される。なお、観察用光線には、環境光が含まれる。環境光は、光加工装置１００の設置されている場所の照明光などが含まれるが、これには限定されない。光加工ヘッド１０２の外部に観察用光線用の光源を別途設けて、この光源から発生した観察用光線を環境光としてもよい。これに対して、例えば、光源１０１から発生した加工用光線の反射光を観察用光線としてもよい。
【００２５】
≪装置動作≫
次に、光加工装置１００の動作について説明する。造形物１７２は、ステージ１０５上で造形される。光加工ヘッド１０２から射出される射出光（加工用光線）は、造形物１７２上の加工面１７０において集光される。加工面１７０は、集光によって昇温され、溶融され、加工面１７０の一部に溶融プール１７１を形成する。
【００２６】
粉体材料は、ノズル１２２から加工面１７０上の溶融プール１７１へと噴射される。そして、噴射された粉体材料は、溶融プール１７１に溶け込む。その後、溶融プール１７１が冷却され、固化することで加工面１７０に粉体材料が堆積され、３次元造形が実現される。
【００２７】
次に、本実施形態に係る光加工装置１００の光加工ヘッド１０２について、図２を用いて説明する。図２は、光加工装置１００の光加工ヘッド１０２の構成を示す概略断面図である。図２に示すとおり、光加工ヘッド１０２は、集光光学系１２１とノズル１２２とを含む。そして、光加工ヘッド１０２には観察光学系１０３が取り付けられている。観察光学系１０３は、レンズ２３１，２３２と撮像素子２３３とを含む。
【００２８】
不図示の光源１０１から光伝送部１１１を経て入射端２６０から光加工ヘッド１０２に導かれた加工用光線２５０は、光加工ヘッド１０２内部を通過して、加工面１７０に対して射出される。集光光学系１２１は、ハーフミラー２１１とレンズ２０２，２１２とを含む。
【００２９】
また、レンズ２０２とレンズ２１２とは、光学素子群を構成する。光学素子群を構成するレンズの枚数に限定はない。そして、ハーフミラー２１１とレンズ２１２とは、光線分岐部２０１を構成する。加工用光線２５０は、レンズ２０２と光線分岐部２０１とを経由して、加工面１７０へと到達する。なお、本実施形態では、光学素子としてレンズを用いた例で説明をしているが、光学素子はこれには限定されず、光線を屈折、反射および透過などできる素子であれば、いずれの素子であってもよい。
【００３０】
レンズ２０２は、加工用光線２５０の光軸２８０（中心軸）に対して回転対称な形状となっている。また、レンズ２０２は、コリメータレンズであり、光源１０１から誘導され集光光学系１２１に入射した加工用光線２５０を平行光に変更する。これにより、射出端２６１から発散して広がる加工用光線２５０を適宜平行光とすることができるので、光加工装置１００の大型化を回避できる。また、レンズ２０２を光軸２８０（光線経路）に沿って移動させることにより、加工点２７０の位置を調整することができる。
【００３１】
平行光となった加工用光線２５０は、その後、レンズ２１２などを透過して、ノズル１２２の先端の開口部から加工面１７０に対して照射される。ノズル１２２は、材料収容部１０６およびガス収容部（不図示）から、材料供給部１６１およびガス供給部（不図示）を介して、加工材料およびガスの供給を受け、ガスに混合された材料を、加工面１７０に向けて噴射する。なお、ホースなどの材料供給部１６１およびガス供給部は一体となっていてもよい。
【００３２】
加工面１７０からの輻射光などの観察用光線は、加工用光線２５０の光線経路を逆走し、レンズ２１２で反射され、レンズ２１２で反射された観察用光線は、ハーフミラー２１１でさらに反射して、観察光学系１０３へと誘導される。観察光学系１０３は、集光光学系１２１による加工状況を光軸２８０に沿った視点から観測するための機構であり、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子２３３を含む。集光光学系１２１の内部に設けられたハーフミラー（半透過ミラー；Half Mirror）２１１により、加工面１７０からの光線が撮像素子２３３へ導かれる。このように観測した加工状況に応じて、加工パラメータをフィードバック制御することにより加工精度を向上させることも可能である。
【００３３】
次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の構成を説明する。図３Ａは、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の構成を示す部分拡大概略断面図（図３Ｂの点線で囲った部分の拡大図）である。図３Ｂは、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の構成を示す概略断面図である。本実施形態に係る光加工装置の光加工ヘッド１０２内部の集光光学系１２１は、上流側（図３Ａおよび図３Ｂの上側）から順に、レンズ２０２、レンズ２１２、ハーフミラー２１１が配置されて構成されている。そして、同様に、観察光学系１０３は、図３Ａおよび図３Ｂの右側から順に、レンズ２３１、レンズ２３２、撮像素子２３３が配置されて構成されている。
【００３４】
光源１０１から発せられた加工用光線２５０は、光伝送部１１１を通り、射出端２６１から射出される。加工用光線２５０は、レンズ２０２により平行光に変換され、レンズ２１２により加工点２７０へと集光される。レンズ２０２およびレンズ２１２は、加工用光線２５０を透過する材料で構成されている。また、レンズ２０２およびレンズ２１２は、加工用光線２５０の透過率を高めるような表面処理を施されていてもよい。
【００３５】
光線分岐部２０１は、上述した集光光学系１２１を構成する要素のうち、ハーフミラー２１１とレンズ２１２とで構成される。そして、レンズ２１２の凸面側には、ミラー面２１３が形成されている。
【００３６】
なお、ハーフミラー２１１は、保護カバー２１０により保護されている。保護カバー２１０は、加工面１７０や加工面１７０上の加工点２７０から飛散するヒュームやスパッタなどの汚染物からハーフミラー２１１を保護する。保護カバー２１０は、ガラスであってもよいが、これには限定されず、例えば、透明樹脂のアクリルやポリカーボネートなどであってもよく、加工用光線２５０に対して透明であればいずれの素材であってもよい。保護カバー２１０が汚れた場合には、保護カバー２１０のみを交換すればよい。
【００３７】
また、ハーフミラー２１１は、保護カバー２１０と一体となるようにしてもよい。すなわち、例えば、ガラスなどで作った保護カバー２１０を中心付近で斜めにカットし、カット面に観察用光線を反射するコーティングを施してもよい。カット面のコーティングは、例えば、誘電多層膜などをカット面に蒸着させてもよいが、これには限定されず、例えば、フィルムなどを貼り付けてもよい。
【００３８】
ミラー面２１３は、レンズ２１２の２つの対向する面のうち一方の面に作成される。レンズ２１２は、例えば、石英などのガラスでできており、ミラー面２１３は、レンズ２１２の一方の面に誘電多層膜を蒸着させて作成される。本実施形態においては、ミラー面２１３は、レンズ２１２の凸面側に作成されている。なお、ミラー面２１３の作成は、蒸着により作成する方法には限られず、レンズ２１２の凸面形状に合わせたミラーを別パーツとして作成してレンズ２１２に接着させてミラー面２１３を作成してもよい。
【００３９】
観察光学系１０３は、レンズ２３１，２３２と撮像素子２３３とから構成される。レンズ２３１は、ハーフミラー２１１と対向するように配置されている。レンズ２３１は、ハーフミラー２１１で反射された観察用光線を平行光にする。レンズ２３２は、レンズ２３１と対向する位置に配置され、レンズ２３１で平行光に変換された観察用光線を撮像素子２３３へと誘導する。
【００４０】
なお、観察光学系１０３の構成はこれには限定されず、レンズ２３１，２３２を用いずに撮像素子２３３のみを配置する構成であってもよい。この場合、観察光学系１０３の構成をシンプルかつコンパクトにすることができる。これに対して、レンズ２３１，２３２を用いた場合、撮像素子２３３の大きさに合わせて撮像倍率を調整することが可能となる。
【００４１】
図４は、本実施形態に係る光加工装置１００による観察用光線４５０の光線経路を説明する概略断面図である。なお、図４においては、レンズ同士の間隔などは誇張して表現している。加工面１７０上の加工点２７０から、加工用光線２５０の光線経路を逆走してきた観察用光線４５０は、光線分岐部２０１において、経路を変更して、観察光学系１０３へと誘導される。すなわち、光線分岐部２０１のミラー面２１３で反射された観察用光線４５０は、ハーフミラー２１１で反射されて、経路を変更して、観察光学系１０３へと誘導される。
【００４２】
図４に示したように、観察光学系１０３では、観察用光線４５０がレンズ２３１，２３２を経由して撮像素子２３３へと誘導され、結像する。これにより、撮像素子２３３において、加工面１７０や加工点２７０の状態を撮像することができる。加工点２７０などを撮像することにより、加工点２７０などにおける金属粉体などの造形物１７２の材料の溶融状態などを把握することができる。材料の溶融状態は、造形物１７２の加工精度に影響するので、溶融状態に応じて加工用光線２５０の出力を制御すれば、造形物１７２の加工精度を向上させることが可能となる。
【００４３】
次に図５Ａおよび図５Ｂを参照して、レンズ２１２の２つのレンズ面の形状と、当該形状による作用について説明する。図５Ａは、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部の備えるレンズの構成を説明する部分拡大断面図であり、レンズ２１２の光軸２８０（中心軸）を含む平面で断面をとったときの断面図である。図５Ｂは、本実施形態に係る光加工装置による観察用光線の光線経路を説明する部分拡大断面図である。
【００４４】
レンズ２１２は、２つの対向するレンズ面を備えている。すなわち、レンズ２１２は、加工点２７０に近い側のレンズ面（下流側レンズ面２１２ａ）と、光源１０１に近い側のレンズ面（上流側レンズ面２１２ｂ）とから構成される。上流側レンズ面２１２ｂは、例えば、凸面形状となっている。上流側レンズ面２１２ｂは、加工点２７０から離れる方向（光源１０１に近づく方向）に向けて凸形状となっている。また、下流側レンズ面２１２ａの形状は、例えば、平面形状となっている。このように、レンズ２１２は、凸面形状と平面形状とを組み合わせた平凸レンズとなっている。
【００４５】
レンズ２１２の「厚さｔ」は、下流側レンズ面２１２ａと上流側レンズ面２１２ｂとの、光軸２８０に沿った離間距離で定義される。すなわち、厚さｔは、図５Ａにおいて、点Ｏと点Ｑとの間の距離である。
【００４６】
下流側レンズ面２１２ａおよび上流側レンズ面２１２ｂの「曲率」はいずれも、上流側レンズ面２１２ａおよび下流側レンズ面２１２ｂと光軸２８０とが交わる点における曲率として定義される。下流側レンズ面２１２ａは平面なので、曲率は０である。上流側レンズ面２１２ｂが球面レンズの場合、上流側レンズ面２１２ｂの曲率は一定である。一方、上流側レンズ面２１２ｂが非球面レンズの場合、上流側レンズ面２１２ｂ上の各点の曲率は変化するので、光軸２８０近傍に代表させて、光軸２８０と上流側レンズ面２１２ｂとの交点における上流側レンズ面２１２ｂの曲率として近似することができる。
【００４７】
点Ｒは、上流側レンズ面２１２ｂの曲率中心であり、上流側レンズ面２１２ｂと光軸２８０との交点Ｑから、光軸２８０に沿って曲率半径Ｒだけ離れた点である。点Ｑから曲率中心Ｒまでの距離を”Ｒ”とする。レンズ２１２の厚さｔ（ＱＯ間の距離）は、レンズ２１２の屈折率をｎとし、レンズ２１２の中心軸と上流側レンズ面２１２ｂとの交点における曲率をＲとすると、曲率Ｒ（ＱＲ間の距離）との間で、
【数１】
2017158737.tif 000003
が成立する。
【００４８】
加工用光線２５０は、レンズ２１２の上流側レンズ面２１２ｂによって屈折する。上流側レンズ面２１２ｂには、観察用光線４５０を反射して集光するミラー面２１３が設けられており、加工用光線２５０は、ミラー面２１３を透過する。
【００４９】
加工用光線２５０がレンズ２１２の上流側レンズ面２１２ｂに入射する位置を点Ｐとする。点Ｐにおける内向き法線ベクトル（レンズ２１２の内側に向いた法線ベクトル）と、点Ｐに入射する加工用光線２５０とのなす角を「光線角Θ」とする。また、点Ｐにおける内向き法線ベクトルと、点Ｐから出射直後の加工用光線２５０’とのなす角を「光線角θ」とする。
【００５０】
観察用光線４５０は、環境光（環境照明光）が加工点２７０で反射された光線、または、加工点２７０で発生した熱輻射波の光線である。加工点２７０は、加工用光線２５０が集光される点である。そのため、観察用光線４５０は、ほぼ加工用光線２５０の光線経路に沿って逆走し、レンズ２１２の上流側レンズ２１２ｂに設けられたミラー面２１３に到達する。ミラー面２１３は、図５Ａの観察用光線４５０（一点鎖線）、または、図５Ｂの観察用光線４５０ａ（破線）および観察用光線４５０ｂ（一点鎖線）を反射するように作成されている。つまり、ミラー面２１３は、加工用光線２５０および観察用光線４５０を選択的に反射する。
【００５１】
上流側レンズ面２１２ｂは、光源１０１に向かって凸形状となっているので、ミラー面２１３は、加工点２７０から入射する観察用光線４５０に対しては凹面鏡として作用する。一方、加工点２７０は、レンズ２１２により加工用光線２５０（平行光線）が集光され、略合焦された位置であるので、加工点２７０から光源１０１に向かって逆行する観察用光線４５０は、凹面鏡であるミラー面２１３入射する。ミラー面２１３（凹面鏡）に入射した観察用光線４５０は、ミラー面２１３によって反射され、ミラー面２１３の焦点位置に集光される。なお、図５Ｂには、ミラー面２１３の焦点位置にハーフミラー２１１が配置された例を示している。
【００５２】
観察用光線４５０は、ミラー面２１３によって反射され、光軸２８０上の点Ｓに集光される。点Ｑと点Ｓとの間の距離をｄ（反射集光距離）とする。距離ｄ（ＱＳ間）が、レンズ２１２の厚さｔ（ＱＯ間）よりも小さい場合、観察用光線４５０は、レンズ２１２内で集光する。点Ｓは、ｄ（ＱＳ間）＜ｔ（ＱＯ間）である集光点であるので、観察用光線４５０は、レンズ２１２内部で集光する。
【００５３】
これとは反対に、距離ｄ（ＱＳ間）がレンズ２１２の厚さｔ（ＱＯ間）よりも大きい場合、観察用光線４５０は、レンズ２１２の外部の位置、すなわち、平板状の下流側レンズ面２１２ａよりも加工点２７０に近い位置に集光される。観察用光線４５０が、レンズ２１２内に集光される場合、熱放散がされにくくなり、レンズ２１２内に熱が蓄積して、レンズ２１２内の集光点においてレンズ２１２に損傷を与える可能性がある。つまり、温度上昇による熱膨張や相変化などによって、レンズ性能が劣化する。この熱の影響を回避するために、観察用光線４５０をレンズ２１２の外部で集光させることにより、レンズ２１２の性能劣化を低減できる。
【００５４】
ミラー面２１３による反射集光点（点Ｓ）の点Ｑからの距離ｄと、レンズ２１２の曲率半径Ｒと、レンズ２１２の屈折率ｎとの間には、幾何学とスネルの法則とを用いると、
【数２】
2017158737.tif 000004
の関係がある。
【００５５】
上記で述べたように、レンズ性能の劣化を低減するためには、レンズ２１２の厚さｔは、
【数３】
2017158737.tif 000005
を満たさなければならない。式（２）と式（３）とから、
【数４】
2017158737.tif 000006
となる。この条件を満たすことにより、レンズ性能の劣化を低減できる。
【００５６】
観察用光線４５０は、ミラー面２１３で反射された後、ハーフミラー２１１により反射され観察光学系１０３へと導かれる。ここで、観察用光線４５０は、ミラー面２１３によって集光する方向に進む。つまり、観察用光線４５０は、ハーフミラー２１１に向かって収束していく。そのため、ハーフミラー２１１の大きさをコンパクトにすることができる。これにより、光加工ヘッド１０２を小型化することができるので、光加工装置１００全体をコンパクト化することができる。
【００５７】
このように観察用光線４５０を集光できるのは、ミラー面２１３が加工点２７０から離れる方向に向けて（上流側に向けて）凸形状であるからである。つまり、ミラー面２１３を凸面とすることによって、ハーフミラー２１１をコンパクトにできる。
【００５８】
観察用光線４５０の集光点にハーフミラー２１１を配置する場合、ハーフミラー２１１を最もコンパクトにできる。しかしながら、観察用光線４５０の集光点にハーフミラー２１１を配置すると、昇温によりハーフミラー２１１が損傷する場合もある。そこで、ハーフミラー２１１の損傷が懸念される場合は、ハーフミラー２１１の配置位置を集光点の近傍を避け、集光点と下流側ミラー面２１２ａとの間に配置させるとよい。ここで、集光点は、ミラー面２１３によって集光される点のことを意味する。つまり、ハーフミラー２１１などの光線経路を変化させるような光学素子が配置されていない場合の集光点のことを意味する。
【００５９】
上述のように、ハーフミラー２１１を最もコンパクトにできるのは、点Ｓ（集光点）の近傍にハーフミラー２１１を配置する場合である。これが可能となるのは、少なくとも点Ｓが、加工点２７０とミラー面２１３との間となる必要がある。つまり、加工点２７０と点Ｑとの距離をＬとしたとき、距離ｄ（反射集光距離）が、
【数５】
2017158737.tif 000007
を満たす必要がある。つまり、加工点２７０とミラー面２１３との間に点Ｓが位置するようにすることにより、ハーフミラー２１１を最もコンパクトにできる。式（５）は、式（２）を用いると、
【数６】
2017158737.tif 000008
となる。つまり、加工点２７０からミラー面２１３までの距離Ｌをレンズ２１２の曲率半径Ｒで割ったものを式（６）の右辺よりも大きくすることにより、ハーフミラー２１１を最もコンパクトにできる。
【００６０】
距離ｄ（ＱＳ間距離）が、レンズ２１２の厚さｔよりも小さい場合、つまり、点Ｓが、レンズ２１２の内側である場合、観察用光線４５０は、発散される方向でレンズ２１２から射出される。したがって、発散された観察用光線４５０を観察光学系１０３へと誘導するためには、ハーフミラー２１１を大型化しなければならない。すなわち、距離ｄ（ＱＳ間距離）が、レンズ２１２の厚さｔよりも大きい場合、つまり、点Ｓが、レンズ２１２の外側であれば、ハーフミラー２１１を小型化することができる。
【００６１】
本実施形態によれば、光線分岐部を設けた構成としたので、加工用光線を平行光とするコリメータ部分を小型化することができ、光加工装置全体をコンパクトにすることができる。
【００６２】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る光加工装置について説明する。本実施形態において、観察光学系１０３の撮像素子２３３は、赤外線または遠赤外線を感知できるフォトダイオード（ＰＤ；Photodiode）であってもよい。このとき、観察用光線４５０は、可視光ではなく、赤外線または遠赤外線となる。
【００６３】
本実施形態によれば、加工点２７０からの光線強度を感知することができる。光線強度は加工点２７０の温度によってプランク分布から計算できる。これにより、加工点２７０の温度をモニタリングすることができる。加工点２７０の温度により、加工点２７０における材料の溶融の度合いを把握でき、これに基づいて加工用光線２５０の光線強度を変化させるので、加工点２７０の温度は加工精度に影響する。そのため、加工点２７０の温度モニタリングができれば、モニタリング結果に基づいて、レーザ光などの加工用光線２５０の出力制御などをすることができる。
【００６４】
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る光加工装置について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部を含む光線経路の概要を説明するための断面図である。本実施形態に係る光加工装置は、上記第１実施形態と比べると、観察用光線光源を有する点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００６５】
本実施形態に係る光加工装置は、観察用光線光源６０１と、ハーフミラー６０２とを備える。第１実施形態に係る光加工装置１００においては、光加工装置の設置されている場所の室内光などの環境光を観察用光線４５０として利用していたが、本実施形態に係る光加工装置においては、観察用光線の光源である観察用光線光源６０１を別途設けている。そして、ハーフミラー６０２は、観察用光線光源６０１で発生した観察用光線を加工点２７０に誘導する。加工点２７０に誘導され、加工点２７０で反射された観察用光線は、光線分岐部２０１において、観察光学系１０３へと誘導される。
【００６６】
本実施形態よれば、観察用光線を発生させる光源を別途設けたので、観察用光線の輝度や強度、出力などを適宜調整することができ、加工点や加工面などの状態を精度よく把握できる。
【００６７】
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る光加工装置について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部を説明するための図である。本実施形態に係る光加工装置の光線分岐部は、上記第１実施形態と比べると、ハーフミラーにより光線分岐部を構成した点で異なる。その他の構成および動作は、第１実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
【００６８】
本実施形態に係る光加工装置は、光線分岐部６０１を備える。光線分岐部６０１は、ハーフミラー６１１を構成要素とし、ハーフミラー６１１には保護カバー６１０が取り付けられている。また、レンズ２０２とレンズ２１２とが、光学素子群を構成する。なお、光学素子群を構成するレンズの枚数に限定はない。
【００６９】
上記第１実施形態では、観察用光線は、レンズ２１２に形成されたミラー面２１３で反射し、ハーフミラー２１１により観察光学系１０３へと誘導されていた。これに対して、本実施形態の光加工装置では、不図示の加工点２７０や加工面１７０からの観察用光線６５０は、光線分岐部６０１のハーフミラー６１１により観察光学系１０３へと直接誘導される。
【００７０】
本実施形態によれば、観察用光線をハーフミラーにより観察光学系へと直接誘導するので、光線分岐部の構成をシンプルな構成とすることができる。
【００７１】
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。
【００７２】
また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用されてもよいし、単体の装置に適用されてもよい。さらに、本発明は、実施形態の機能を実現する情報処理プログラムが、システムあるいは装置に直接あるいは遠隔から供給される場合にも適用可能である。したがって、本発明の機能をコンピュータで実現するために、コンピュータにインストールされるプログラム、あるいはそのプログラムを格納した媒体、そのプログラムをダウンロードさせるＷＷＷ(World Wide Web)サーバも、本発明の範疇に含まれる。特に、少なくとも、上述した実施形態に含まれる処理ステップをコンピュータに実行させるプログラムを格納した非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）は本発明の範疇に含まれる。
【図１】
2017158737.tif 000011
【図２】
2017158737.tif 000012
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年6月19日(2017.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの加工用光線を加工面へと誘導する光学素子群と、
前記加工面からの前記加工用光線の反射光と、前記加工面の状態を観察するための観察用光線とを分岐する光線分岐部と、
を備え、
前記光線分岐部は、前記加工用光線の光線経路上に配置され、前記光学素子群と前記加工面との間に、前記観察用光線を観察手段へと誘導するハーフミラーを有し、
前記光線分岐部は、前記光学素子群のうち前記加工面に近い下流側の光学素子に設けられ、前記加工用光線を透過し、前記観察用光線を反射する光学素子と、
前記光学素子により反射された前記観察用光線を前記観察手段へと誘導する前記ハーフミラーとである、光加工ヘッド。
【請求項２】
前記光学素子群は、少なくとも２つの光学素子を含み、
前記光学素子群のうち前記加工面に近く、下流側に配置された前記光学素子は、前記観察用光線を選択的に反射し、上流側に向かって凸である凸面を有する請求項１に記載の光加工ヘッド。
【請求項３】
前記凸面は、前記加工面からの輻射光を選択的に反射する請求項２に記載の光加工装置。
【請求項４】
前記光学素子は、平凸レンズであり、下流側に平面が位置し、上流側に凸面が位置するように配置される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項５】
前記加工面から前記光学素子に向かう前記観察用光線が、前記光学素子によって反射集光される点である反射集光点は、前記加工点と前記光学素子との間に位置する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項６】
前記光学素子は、前記加工用光線の光軸に対して回転対称であり、
前記加工点から前記光学素子の前記凸面までの距離Ｌは、
前記光学素子の屈折率をｎ、前記光軸と前記凸面との交点における前記光学素子の曲率半径をＲとすると、
【数１】
2017158737.tif 000020
が成立する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項７】
前記反射集光点から前記光学素子との間に前記ハーフミラーが配置される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項８】
前記光線経路上に配置された保護ガラスをさらに有し、
前記保護ガラス内部に前記ハーフミラーが配置される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項９】
前記観察手段は、前記ハーフミラーに対向して配置される請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１０】
前記光学素子の厚みｔは、
【数２】
2017158737.tif 000021
が成立する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１１】
前記光学素子群のうち前記光源に近い上流側の光学素子は、前記加工用光線を平行光に変換する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光加工ヘッド。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光加工ヘッドを用いた光加工装置。
【請求項１３】
粉体を前記加工点に収束させるノズルをさらに備える請求項１２に記載の光加工装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る光加工ヘッドは、
光源からの加工用光線を加工面へと誘導する光学素子群と、
前記加工面からの前記加工用光線の反射光と、前記加工面の状態を観察するための観察用光線とを分岐する光線分岐部と、
を備え、
前記光線分岐部は、前記加工用光線の光線経路上に配置され、前記光学素子群と前記加工面との間に、前記観察用光線を観察手段へと誘導するハーフミラーを有し、
前記光線分岐部は、前記光学素子群のうち前記加工面に近い下流側の光学素子に設けられ、前記加工用光線を透過し、前記観察用光線を反射する光学素子と、
前記光学素子により反射された前記観察用光線を前記観察手段へと誘導する前記ハーフミラーとである。
【国際調査報告】
2017158737.tif 000022
2017158737.tif 000023
2017158737.tif 000024
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