(57)【要約】  レーザピーニング法及びそのシステムは、レーザビームの移動及び方向付けを行う一方で、工作物の固定を可能とする。レーザエネルギ供給システムは、リレーイメージングシステムを備える。レーザエネルギを受け取るよう配置された入力光学装置、入力光学装置に対する入射角が調節可能な伝送ミラー、光学組立品を含むロボット搭載加工ヘッドが、レーザエネルギを移動可能なターゲット像平面に向けるように構成されている。レーザエネルギは、伝送ミラーから受光ミラーまでの、長さ及び入力光学装置に対する角度が変更可能な基本的に一直線の区間を含む光学経路をたどる。加工ヘッドに搭載された診断用装置によって処理が容易となる。
2008520822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物の表面をレーザピーニングする方法であって、
前記工作物の表面上の第１ターゲット位置にレーザパルスエネルギを伝播させるための第１ビーム経路を構成するように一連の光学装置を位置決めする工程と、
前記工作物の表面上の前記第１ターゲット位置をピーニングするために、前記第１ビーム経路に第１レーザパルスを印加する工程と、
前記工作物の表面上の第２ターゲット位置にレーザパルスエネルギを伝播させるための、前記第１ビーム経路とは異なる第２ビーム経路を構成するように前記一連の光学装置を位置決めする工程と、
前記工作物の表面上の前記第２ターゲット位置をピーニングするために、前記第２ビーム経路に第２レーザパルスを印加する工程と、
を備えることを特徴とするレーザピーニング法。
【請求項２】
前記一連の光学装置の内、第１光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程を更に備え、前記第１光学装置は、前記一連の光学装置の内、第２光学装置に前記第１レーザパルスを向けるように配置され、前記第２光学装置は前記第１光学装置に対して位置が移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項３】
前記一連の光学装置の内、第１光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程を更に備え、前記第１光学装置は、前記一連の光学装置の内、第２光学装置に前記第１レーザパルスを向けるように位置決めされ、前記第２光学装置は、前記第１ターゲット位置及び前記第２ターゲット位置の夫々に前記第１レーザパルス及び前記第２レーザパルスを供給する光学組立品を備えたロボットに搭載されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項４】
前記一連の光学装置の内、第１光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程を更に備え、前記第１光学装置は、前記一連の光学装置の内、第２光学装置に前記第１レーザパルスを向けるように位置決めされ、前記第２光学装置は、前記第１ターゲット位置及び前記第２ターゲット位置の夫々に前記第１レーザパルス及び前記第２レーザパルスを供給する光学組立品を備えたロボットに搭載されており、
前記第１ターゲット位置及び前記第２ターゲット位置に充填層の流れを供給する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項５】
前記一連の光学装置の内、第１光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程を更に備え、前記第１光学装置は、前記一連の光学装置の内、第２光学装置に前記第１レーザパルスを向けるように位置決めされ、前記第２光学装置は、前記第１ターゲット位置及び前記第２ターゲット位置の夫々に前記第１レーザパルス及び前記第２レーザパルスを供給する光学組立品を備えたロボットに搭載されており、
前記第１ターゲット位置及び前記第２ターゲット位置に充填層の流れを、前記光学組立品を備えたロボットに搭載された供給ツールを用いて供給する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項６】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを本来の位置にある工作物に印加する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項７】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は夫々、空気中を通過する約１ｍ以上の調整可能な長さの区間を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項８】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は夫々、前記一連の光学装置の内第１光学装置と第２光学装置の間に、空気中を通過する調節可能な長さの区間を備え、前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは断面を有し、前記調節可能な長さを通過して伝播させるために、前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスの前記断面を拡大する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項９】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは断面を有し、前記第１レーザパルス及び前記第２レーザパルスの前記断面を回転させる工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１０】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は夫々、前記一連の光学装置内の、入射ビーム経路、反射ビーム経路を有する第１リフレクタから、前記一連の光学装置内の、入射ビーム経路、反射ビーム経路を有する第２リフレクタまでの区間を有し、前記第１リフレクタ上の前記入射ビーム経路、前記反射ビーム経路を含む平面と、前記第２リフレクタ上の前記入射ビーム経路、前記反射ビーム経路を含む平面との間の角度に応じて、前記第１レーザパルス及び前記第２レーザパルスの断面を回転させる工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１１】
前記一連の光学装置内の、特定の光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程と、前記一連の光学装置内の、その他複数の光学装置を移動可能な基台の上に搭載する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１２】
前記一連の光学装置内の、特定の光学装置に対して位置が固定されたレーザシステムによって前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスを発生させる工程と、前記一連の光学装置内の、その他複数の光学装置を軌道システム上の移動可能な基台の上に搭載する工程と、本来の場所にある前記工作物を含む構造物に隣接する前記軌道システムの位置決めをする工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１３】
回転式台の上に前記工作物を配置する工程と、前記第１ビーム経路を構成する前記一連の光学装置の位置決めと連携して、前記工作物を回転させる工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１４】
前記工作物は略回転対称な断面を有し、回転式台の上に前記工作物を配置する工程と、前記第１ビーム経路を構成する光学装置の位置決めと連携して、前記工作物を回転させる工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１５】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、パルス当たり約１０〜１００Ｊの範囲のエネルギを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１６】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、約１０〜３０ｎ秒の範囲のパルス幅を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１７】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、パルス当たり約１０〜１００Ｊの範囲のエネルギを有し、約１０〜３０ｎ秒の範囲のパルス幅を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１８】
ソースの近視野出力の像をターゲット像平面にリレーする工程を更に備え、前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は、第１ターゲット位置及び第２ターゲット位置の前後の距離の範囲内で前記ターゲット像平面の位置決めをすることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項１９】
ソースの近視野出力の像をターゲット像平面にリレーする工程を更に備え、前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は、第１ターゲット位置及び第２ターゲット位置の前後１ｍの範囲内で前記ターゲット像平面の位置決めをすることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項２０】
前記第１レーザパルスの一部を前記第１ビーム経路から診断部品に向ける工程を備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項２１】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは、約１．１μｍ以下の波長、及び、パルス当たり２５０ｍＪより大きいエネルギを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項２２】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは、約１．１μｍ以下の波長、及び、パルス当たり１０Ｊより大きいエネルギを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング法。
【請求項２３】
工作物の表面をレーザピーニングする装置であって、
前記工作物の表面をレーザピーニングするのに十分なエネルギを有するレーザエネルギのパルスソースと、
前記パルスソースに対して固定された位置に搭載された第１調節可能光学装置と、
第２調節可能光学装置を含むロボット搭載光学組立品と、
前記ロボット、前記第１調節可能光学装置、第２調節可能光学装置に接続され、レーザエネルギの第１パルスを前記光学組立品を経由して前記工作物の表面に供給するための第１ビーム経路と、レーザエネルギの第２パルスを前記光学組立品を経由して前記工作物の表面に供給するための、前記第１ビーム経路とは異なる第２ビーム経路を構成するために、前記第１調節可能光学装置、前記第２調節可能光学装置、及び、前記光学組立品の位置決めを行う制御システムと、
を備えることを特徴とするレーザピーニング装置。
【請求項２４】
第２ロボットに搭載された第２光学組立品と、第３調節可能光学装置を更に備え、
前記制御システムは、前記第２ロボットと前記第３調節可能光学装置に接続され、レーザエネルギの第３パルスを前記第２光学組立品を経由して前記工作物の表面に供給するための第３ビーム経路を構成するために、前記第１調節可能光学装置、前記第３調節可能光学装置、及び、前記第２光学組立品の位置決めを行うことを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項２５】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は夫々、前記第１光学装置と前記第２光学装置の間に、空気中を通過する約１ｍ以上の調節可能な長さの区間を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項２６】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は夫々、前記第１光学装置と前記第２光学装置の間に、空気中を通過する調節可能な長さの区間を備え、前記第１パルス及び前記第２パルスは断面を有し、調節可能な長さを通過して伝播させるために前記第１パルス及び前記第２パルスの前記断面を拡大する光学装置を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項２７】
前記第１パルス及び前記第２パルスは断面を有し、前記第１パルス及び前記第２パルスの前記断面を回転させる光学装置を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項２８】
前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は、前記第１光学装置における入射ビーム線と反射ビーム線、及び、前記第２光学装置における入射ビーム線と反射ビーム線を有し、前記第１光学装置上の前記入射ビーム線、前記反射ビーム線を含む平面と、前記第２光学装置上の前記入射ビーム線、前記反射ビーム線を含む平面の間の角度に応じて、前記第１パルス及び前記第２パルスの断面を回転させる制御可能な光学装置を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項２９】
移動可能な基台を備え、前記光学組立品を保持する前記ロボットと前記第２光学装置が前記移動可能な基台に搭載されることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３０】
本来の位置での前記工作物を含む構造物に隣接して配置するのに適した軌道システムと、前記軌道システム上に移動可能な基台を備え、前記光学組立品を保持する前記ロボットと前記第２光学装置が前記移動可能な基台に搭載されることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３１】
前記光学組立品に隣接する前記工作物を保持するのに適した回転式台を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３２】
前記工作物が略回転対称な断面を有し、前記光学組立品に隣接する前記工作物を保持するのに適した回転式台を備え、前記制御システムが前記回転式台の回転を制御する部品を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３３】
充填する流体の流れを前記工作物の表面に供給する流体供給容器を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３４】
充填する流体の流れを前記工作物の表面に供給する流体供給容器を前記ロボット上に備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３５】
移動可能な基台を備え、前記光学組立品を保持する前記ロボットと前記第２光学装置が前記移動可能な基台に搭載され、充填する流体の流れを前記工作物の表面に供給する機構を前記移動可能な基台上に備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３６】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、パルス当たり約１０〜１００Ｊの範囲のエネルギを有することを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３７】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、約１０〜３０ｎ秒の範囲のパルス幅を有することを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３８】
前記第１レーザパルス、及び、前記第２レーザパルスは夫々、パルス当たり約１０〜１００Ｊの範囲のエネルギを有し、約１０〜３０ｎ秒の範囲のパルス幅を有することを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項３９】
ソースの近視野出力の像をターゲット像平面にリレーする光学装置を備え、前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は、第１ターゲット位置及び第２ターゲット位置の前後の距離の範囲内で前記ターゲット像平面の位置決めをすることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項４０】
ソースの近視野出力の像をターゲット像平面にリレーする光学装置を備え、前記第１ビーム経路、及び、前記第２ビーム経路は、第１ターゲット位置及び第２ターゲット位置の前後１ｍの範囲内で前記ターゲット像平面の位置決めをすることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項４１】
前記光学組立品は、診断部品を備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項４２】
前記第１パルス、及び、前記第２パルスは、約１．１μｍ以下の波長、及び、パルス当たり２５０ｍＪより大きいエネルギを有することを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項４３】
前記第１パルス、及び、前記第２パルスは、約１．１μｍ以下の波長、及び、パルス当たり１０Ｊより大きいエネルギを有することを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【請求項４４】
前記レーザエネルギのパルスソースは、マスタオスシレータ／パワーアンプシステムを備えることを特徴とする請求項２３に記載のレーザピーニング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギレーザシステムに関し、ビーム供給システムに関し、また、対象物が静止している場合の使用に適したレーザピーニングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
金属形成及びその表面特性を改良するために機械的衝撃を与えるという方法が従来起用されてきた。現在の産業の実際場面においては、金属表面のピーニング処理は高速ショットを使用して行われている。この処理は表面特性を改良し、多くの用途に対して特に重要なことには、金属疲労欠陥及び腐食欠陥に対する耐性に一部大幅な改善が見られたことがある。航空宇宙産業や自動車産業のありとあらゆる部品で、このショット・ピーニング法が用いられてきた。しかしながら、多くの用途において、このショット・ピーニング法では、十分に強いまたは深い処理が実現できない、或いは、表面仕上げへの悪影響があるために使用できないということがあった。
【０００３】
レーザの発明により、ピーニングに必要とされる強い衝撃が、レーザ駆動の高密度プラズマという手法により達成されうることが急速に認識されるようになった。Ｂ．Ｐ．フェアランド他、「７０７５アルミニウムにおけるレーザ・ショットによるミクロ組織及びメカニカル特性の変化」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．９, ３８９３頁  １９７２年９月）。典型的には、高エネルギ密度（約２００ｊ／ｃｍ２）で短いパルス長（約３０ナノ秒）のレーザにより１０ｋＢから３０ｋＢのプラズマ衝撃が金属表面で生成される。金属表面の黒塗装または他の吸収材の薄膜層が、金属の磨耗を防ぐ衝撃吸収体として機能する。例えば、水のような、封止或いは充填物質が、強化された強い衝撃を提供して表面層をカバーする。これらの衝撃は、通常のショット・ピーニング法より深く強い圧縮応力を与えることが示されている。試験において、この処理は、金属疲労及び腐食欠陥に対して工作物を強化する点で優越していることが示されている。レーザピーニングは表面形成及び表面テクスチャリングにも用いられる。
【０００４】
この目的で利用されてきたあるレーザシステムについては、本願出願人の先願米国特許第５，２３９，４０８号「高出力・高品質ビーム再生増幅器」に開示されている。該特許に記載のレーザシステムは、誘導ブリリュアン散乱（ＳＢＳ）位相共役器／ミラーシステムに基づく波面補償構成を用いて、１０〜３０ナノ秒以下オーダーのパルス幅のパルス当り２０ジュールより大きな出力パルスを発生可能なマスタオシレータ／パワーアンプ（ＭＯＰＡ）構成の高出力アンプからなる。
【０００５】
現在商用化されている高エネルギレーザピーニングプロセスでは、レーザビームは固定された場所に保持されている。望ましい入射角、スポットサイズ、及び方向を維持しながら、処理対象の工作物をレーザビームの中を移動させ、照射されたスポットのパターンを形成する。このため、工作物を掴み、プログラムされた複数の位置へ移動させるための自動装置、及び、工作物の保持固定具が必要となる。この方法はコストがかかるだけでなく、工作物の固有性が高くなり、新しい工作物のためのプロセスの開発に相当な工学技術が必要となる。また、工作物のサイズが、利用できる自動化装置の揚げ能力、及び、取り扱い能力によって限定される。工作物の構成が、自動化装置の取り扱い能力を上回る（例えば、１ｍ超、かつ／又は、１００ｋｇ超）場合は、従来の移動方法ではレーザピーニングができない。
【０００６】
フレキシブルビーム供給システムでは、光ファイバーが使用されることが多い。しかし、グラスファイバーの透過性が通常程度に高い波長においても、レーザピーニングで使用される非常に高いパルスエネルギーと高ピーク出力がファイバーにダメージを与え、ファイバーの効果を損ねる可能性がある。例えば、２５Ｊのパルスは、１ｍｍのマルチモードのファイバーを介して供給することのできる最大パルスエネルギー（２５０ｍＪ）の１００倍である。典型的なレーザピーニング用途で用いられるような単一周波数ビームに対して、グラスファイバーの損傷閾値はかなり低い。
【０００７】
高出力な二酸化炭素（ＣＯ２）切断レーザ及び溶接レーザを供給するために、レーザビームを活発に走査する方法が開発された。遠赤外線に１０μｍの波長が含まれるために、ＣＯ２レーザの出力はグラスファイバーによって供給することができない。高出力ＣＯ２レーザ向けに、７つの切点（一般には指関節（ナックル）と呼ばれる）によって接続された中が空洞の一連の管から成る、商業用の多関節アームが開発された。各切点には４５度のミラーが格納されている。しかし、レーザピーニング用の多関節アームには幾つかの重大な欠点がある。そこで我々はこれに代わる方法を開発するに至った。
【０００８】
１．ビーム回転
レーザピーニングには、（ＣＯ２レーザとは異なり）正方形ビームを使用することが望ましく、各関節継手での面外の反射があるとある程度のビーム回転が生ずる。これは多関節アームに入る前の正方形ビームを適切に回転させることによって補うことができるが、アームの各部分の正確な方向が分かっている必要がある。所定の角度で処理対象部分にビームを供給するためのアームの位置は複数あるため、７つの回転継手の夫々が正確に符号化されている必要がある。
【０００９】
２．指向精度
ピーニングビームの伝送に必要な口径を有するアームは、典型的には、例えばレーザピーニングに用いる場合、３ｍｍのスポットの位置決めにおいて１ｍｍの誤差まで対応可能な１ｍｒａｄの指向精度を有する。
【００１０】
３．光学的損失
標準的な７関節アームには入力と出力の間に７つのミラー反射が必要であるが、それによってビーム供給中に光学的損失が生じ、システムの効率が低下する。
【００１１】
４．長さの制限
多関節アームの長さは一定であるため、工作物に対してアームを柔軟に配置できない。最大の供給長も、管状アーム部の重さと機械的な固さ、及び、各継手におけるベアリング負荷によって制限される。
【００１２】
５．プロセス開発
一般に、多関節アームはかなりの柔軟性を持つように設計されており、所定の処理スポットに対して複数の指関節構成が可能であるよう設計されている。しかし、アームを許可されていない経路へ無理やり通したり、プロセスロボットと衝突させたりすることによって、アームにダメージを与える可能性もある。このため、処理対象部品の移動プロセスと共に複雑なロボット経路の開発が今なお必要とされている。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第５，２３９，４０８号明細書
【非特許文献１】Ｂ．Ｐ．フェアランド他、「７０７５アルミニウムにおけるレーザ・ショットによるミクロ組織及びメカニカル特性の変化」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．９, ３８９３頁  １９７２年９月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従って、航空機の修理工場での航空機の部品やパイプ作業場での巨大な石油掘削部品のように、巨大な工作物、及び、顧客の設備の本来の位置にある工作物の取り扱いを可能とする十分な柔軟性を備えたシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以下、工作物を固定し、レーザビームの移動及び照射の高度な制御が可能なレーザピーニング法及びレーザピーニングシステムについて説明する。工作物の位置を固定すると、使用する保持固定具と工作物の複雑な移動を最小限にすることができ、それによって、コストの削減、工学技術の簡素化につながる。工作物を動かさずに、或いは、工作物の移動を制限して、レーザビームを動かすことによって、自動化装置の取り扱い能力を上回る大きさの工作物に対して、コスト効率の良いレーザピーニングを行うことが可能となる。
【００１６】
レーザピーニングで用いられる高出力のレーザエネルギ等のレーザエネルギの供給方法、及び、供給システムを提供する。高出力レーザエネルギのためのレーザエネルギ供給システムの一実施例としては、レーザエネルギソースから出力された像を工作物表面付近のターゲット像平面にリレーするリレーイメージングシステムがある。リレーイメージングシステムは、レーザエネルギソースの出力からレーザエネルギを受け取るよう配置された入力光学装置、入力光学装置に対する入射角が調節可能な伝送ミラー、及び、ターゲット像平面へレーザエネルギを向けるロボット搭載光学組立品を備える。ロボット搭載光学組立品は、伝送ミラーに対して調節可能な入射角を有する受光ミラー、及び、ターゲット表面へのレーザエネルギを調節する出力光学装置を備える。レーザエネルギは、伝送ミラーから受光ミラーまでの基本的に一直線な区間を含む光学経路をたどる。この区間の長さ、及び、入力光学装置に対する角度は変更可能である。ロボット搭載光学組立品は、レーザビームをターゲット表面上のターゲット位置に向けるよう位置決めされており、入力光学装置から出力光学装置まで空気中を通過してレーザエネルギを結合するために、伝送ミラー及び受光ミラーの角度は調節され、それらの間の光学経路の区間の長さと角度が変更される。入力光学装置及び出力光学装置はイメージリレーを行い、ターゲット像平面におけるレーザエネルギソースの出力の近視野像の位置決めを行う。ロボット搭載光学組立品は、ターゲット像平面が工作物のターゲット表面の範囲内にあるようにレーザビームの位置決めを行うよう操作される。その結果、ターゲット表面におけるビームの形状は、レーザエネルギーソースの出力付近のビームの形状に近似する。
【００１７】
レーザエネルギソースから工作物上のターゲット表面までレーザエネルギを供給するロボットシステムは、レーザピーニング、及び、他の用途にも適した構成となっている。本システムの一実施例は、レーザエネルギソースの出力からレーザエネルギを受け取り、光学経路に沿ってターゲット表面へレーザエネルギを向けるよう構成された調節可能な部品を有するビーム供給光学装置を備える。光学経路は、ビーム供給光学装置の部品間に長さ及び方向が可変な空気中を通る可変区間を含む。ビーム供給光学装置は、レーザエネルギの出力ビーム線を確立する。コントローラは、ビーム供給光学装置の調節可能な部品に接続し、連続して或いは段階的にターゲット表面のターゲット位置のいずれかに、レーザエネルギの出力ビーム線を移動させる。当該技術の実施例では、診断用センサにはビーム供給光学装置が備えられており、このセンサによって提供される情報を、システムの正確なロボット制御と他の診断用機能のために、コントローラにフィードバックすることが可能である。
【００１８】
本発明の実施例においては、ビーム供給光学装置は、レーザエネルギソースの出力からレーザエネルギを受け取り、第１光学経路区間にレーザエネルギを向けるよう配置された入力光学装置を備える。第１光学経路区間に対して調節可能な入射角を有する伝送ミラーは、上述のとおり可変な光学経路区間を含む第２光学経路区間にレーザエネルギを反射する。ロボット搭載光学組立品は、第２光学経路区間に配置されるよう備えられた受光ミラーを備える。受光ミラーは、第３光学経路区間にレーザエネルギを反射するように、第２光学経路区間に対して調節可能な入射角を有する。また、ロボット搭載光学組立品には、出力望遠鏡も備えられており、第３光学経路区間内に配置されている。この出力望遠鏡は、レーザエネルギを出力ビーム線上にあるターゲット表面へと方向付ける。本システムの実施例における入力光学装置は、レーザエネルギを第１光学経路に沿って発射し、長さが可変な区間を空気中を通り抜けて伝播させるために、レーザエネルギの断面を拡大するよう構成された望遠鏡を備える。
【００１９】
また、本システムの実施例では、レーザエネルギの断面を回転させて、ビーム供給光学装置によって生じた回転を補正し、ターゲット表面上でのレーザエネルギの方向を一定に保つための光学装置を設けている。従って、本システムの実施例では、レーザエネルギの断面は長方形であり、伝送ミラー及び受光ミラーで変更可能な角度で反射することによって、この長方形が回転する。一実施例において、レーザエネルギの第１及び第２パルスは、ターゲット表面に供給するために第１及び第２ビーム経路に向けられ、第１及び第２ビーム経路は夫々、伝送ミラーにおける入射ビーム線、反射ビーム線、及び、受光ミラーにおける入射ビーム線、反射ビーム線を有する。伝送ミラーにおける入射ビーム線、反射ビーム線を含む平面と、受光ミラーにおける入射ビーム線、反射ビーム線を含む平面との間の角度に従って、光学装置は第１及び第２パルスの断面を回転させる。
【００２０】
本発明の他の実施例、側面及び利点については、以下の図面、詳細な説明、及び、請求の範囲の項を参照して明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１から図７を夫々参照しつつ、本発明の実施例の詳細について説明する。ここに記載する本エネルギ供給システムの実施例では、従来のエネルギ供給システムの関節部分及び７つのミラーの代わりに、２つの高速かつ高分解能のジンバル上に支持されたミラーを用いる。ロボット搭載光学組立品を備えるレーザピーニング加工ヘッドへのレーザビームの伝播は、２つのジンバルに搭載された各ミラー間の自由空気経路を介して行われる。加工ヘッドに配置されたビーム診断装置は、レーザポインティング、ビーム回転、及び、レーザエネルギをショット毎に監視する。更に、ツールの出力に位置する加工カメラは、レーザピーニング処理面を撮像する。
【００２２】
図１は、レーザピーニングシステムの概略図である。この図は、実際のシステムの比例尺の設計図を表しているのではなく、基本的な部品とそれらの配置を図解している。図１のシステムは、図７に示すようなマスタオシレータ／パワーアンプ構成、或いは、その他のレーザエネルギソースにおけるレーザ１００を備える。レーザ１００は安定したレーザテーブル１０１上に設置されている。レーザエネルギソースからの出力は、入力光学装置１０２に入力される。入力光学装置１０２は、ビームがリレー望遠鏡１０３を経て、伝送ミラージンバル１０５上に搭載された伝送ミラー１０５Ａに供給されるようビームを調節する。伝送ミラー１０５Ａは、受光ミラージンバル１０６上に搭載された受光ミラー１０６Ａに向けてビームを反射する。受光ミラージンバル１０６上の受光ミラー１０６Ａは、ロボット１０８によって順に位置決めされるロボット搭載光学組立品１０７の一部である。ロボット搭載光学組立品１０７は、工作物１０９の表面上のターゲット位置にビームを向けるための出力光学装置を備える。本実施例では、工作物１０９は回転可能部品ホルダー１１０に載せられている。水供給ロボット１１１は、部品ホルダー１１０付近に配置されており、レーザピーニング用途で充填する流体供給用の容器１１１Ａを備える。当該技術の実施例のロボット１１１は、レーザピーニング処理で用いられる（レニショー式の）座標測定用タッチプローブの配置の制御も行う。本システムは、ロボット１１１のコントローラ１１２、ロボット１０８のコントローラ１１３、及び、各ロボットの動作、及び、ビーム供給システムとレーザ１００の調整可能な部品、その他制御可能な部品を調整するコントローラ１１４を備える。
【００２３】
入力光学装置１０２からターゲットの工作物までの基本的な光学経路は、本実施例では２度屈折する。これらの屈折は、高速かつ高分解能のジンバルを用いて制御される。光学経路には伝送ミラー１０５Ａ及び受光ミラー１０６Ａの間に区間１２０がある。この区間１２０は基本的に直線であり、空気中を変更可能な長さで、伝送ミラージンバルの角度設定によって定義される変更可能な方向に延伸している。区間１２０の長さは、工作物１０９の表面のターゲット位置にビーム線を動かす際の光学組立品１０７の位置決めに基づいて、ロボット１０８によって制御される。同様に、区間１２０の方向は、光学組立品１０７の位置決めに基づいてジンバル１０５、１０６によって設定される。図示されている実施例では、区間１２０は、管のようなもので囲まれずに自由空気中に延伸している。他の実施例として、十分に調節が可能であれば、伸縮可能な管やその他の囲いを用いることも可能である。
【００２４】
水供給ロボット１１１は透明充填層を処理対象部品の表面に供給するために用いられる。水供給容器をロボット搭載光学組立品１０７と共にロボット１０８に統合してシステムを構成することも可能である。
【００２５】
加工チャンバー１３０は、技術者用の点検口１３１、部品ホルダー１１０の点検用の部品点検口１３２、及び、レーザ照射を行うためのシャッター１０４を備える。加工チャンバー１３０によって、レーザピーニングの限られた範囲での位置決めに用いる部品ホルダー１１０と共に、ロボット１０８の動作環境の制御が可能となる。加工チャンバー１３０は、土台又は移動可能な厚板等の基台の上に搭載され、伝送ミラージンバル１０５、ロボット搭載光学組立品１０７を備えるロボット１０８、ロボット１１１、及び、回転可能部品ホルダー１１０は全て、基台の上に、固定された空間的関係で備えられている。レーザ１００と入力光学装置１０２は、加工チャンバー１３０の付近にある別々の台に備えられている。
【００２６】
図２は、大きな構造物に搭載された工作物を本来の位置でレーザピーニングで形成するといった、非常に大きな部品に処理を行う場合の構成を示している。図２に示した実施例では、ロボット搭載光学組立品２０１と水供給ロボット２０２は、共通加工基台２００の上に設置されており、この共通加工基台２００は精密トラック２１９に沿って動かすことができるため、航空機の翼の外板等の延伸部品２１８の様々な部分への接近が可能である。処理ビームは、伝送ミラージンバル２２１から受光ミラージンバル２２２までの区間２２０に沿って自由空気中を伝播するため、伝送ミラーに入力２２３を供給するレーザソースとロボット搭載光学組立品２０１との間の距離を柔軟に設定することが可能である。ねじ駆動２３０等の駆動装置が基台２００に接続されており、巨大な対象物付近で基台２００を正確に移動させることが可能である。空気、水、電気を伝える導管等のユーティリティは、トラック２１９に沿って備えられたユーティリティトラック２３１に設けられている。水供給ロボットコントローラ２３５、光学組立品２０１の位置決めに用いるロボットを制御するコントローラ２３６、及び、その他のコントロールロジック２３７がユーティリティとトラック上の装置に接続している。また、入力光学装置がレーザの出力と伝送ミラージンバル２２１間にあるシャッター２３８に接続している。
【００２７】
この場合、ロボット搭載光学組立品と水供給ロボットは共通基台に搭載されている。この共通基台は、１組の精密トラック２１９に沿った移動が可能であり、航空機の翼の外板等の延伸部品２１８の様々な部分に接近することができる。本アクティブビーム供給システムは処理ビームを自由空気中で伝播させているため、レーザソースと処理ツールとの間の距離を柔軟に設定することが可能である。２つのロボットを１つの基台に統合することによって、他の方法では届きにくい場所へレーザエネルギを供給することができる。応用例として、航空機の翼、或いは、垂直尾翼の連結隔壁の高さまで、加工基台を上昇させることも可能である。レーザソースは地面の高さにしっかりと配置されたままで、レーザ光を離れた処理箇所に供給することができる。レーザとロボット搭載光学組立品との間の伝播距離を延長（例えば５ｍ超）する際には、リレー光学装置をレーザシステム上で変更することが可能である。
【００２８】
図３は、符号Ｍ５５で示した、伝送ミラーに至るまでの入力光学装置のレイアウトを表している。レーザソース３００は、光学経路の第１区間を定義する線３０１に沿って出力ビームを供給する。ミラーＭ５０は、光学経路の第２区間を定義する線３０２に沿ってビームを、アライメントレーザＡＬ５０、１／２波長板ＷＰ５０、レンズＬ５０、偏光子Ｐ５０、レンズＬ５１、及び、カメラＣ５０から成るアクティブアライメント光学装置へ反射する。偏光子Ｐ５０を経由して伝播するビームは、光学経路の第３区間を定義する線３０３に沿って進み、波長板ＷＰ５１を経由して、ミラーＭ５１、ミラーＭ５２、及び、ミラーＭ５３から成るフィールド回転光学装置に到達する。ミラーＭ５３から、回転したビームは光学経路の第４区間を定義する線３０４に沿って、ミラーＭ５４まで伝播する。ミラーＭ５４は、ビームを屈曲させてレンズＬ５２とＬ５３から成るビーム伝送望遠鏡（リレー望遠鏡とも呼ばれる）を経由して、光学経路の第５区間を定義する線３０５に沿ってジンバル搭載伝送ミラーＭ５５へ伝播させる。ウインドウＷ５０とＷ５１は、望遠鏡用の真空槽（図示せず）の入力と出力を決定する。ここで、ビームは焦点が定まる。伝送ミラーＭ５５は、光学経路の第６区間を定義する線３０６に沿ってビームを変更可能な角度で屈曲させる。ビームは、空気中を変更可能な長さで進み、既に述べたように、上述のロボット搭載光学組立品の受光ミラーに向かって伝播する。
【００２９】
一実施例において、アライメントレーザＡＬ５０は、アライメントが正確であるかを検証し、必要ならばレーザショット間の位置合わせのフィードバック調整を可能とする連続波（ＣＷ、つまりはパルス無しの）レーザを備える。また、一実施例において、アライメントレーザＡＬ５０は比較的出力パワーの低い（５００ｍＷ未満）ダイオード励起Ｎｄ：ＹＬＦレーザを備える。アライメントレーザＡＬ５０は、ピーニングレーザ３００と同じ波長であるか、もしくは、光学装置の全てを通過するアライメントビームの反射特性と集光特性を高出力ビームのアライメントに確実に用いることができるように構成されている。
【００３０】
アライメントレーザＡＬ５０（５００ｍＷ未満）から発散する出力はレンズＬ５０によって平行化され、偏光ビームスプリッタＰ５０における高出力ビーム経路と結合される。１／２波長板ＷＰ５０を用いて、アライメントレーザがビーム線３０３上の偏光子で反射するように、アライメントレーザの偏光をＳ偏光に設定する。Ｐ偏光で伝送された高出力ビームのごく一部は偏光子Ｐ５０で反射され、アライメントビームのごく一部は偏光子Ｐ５０を経てカメラＣ５０に伝送される。診断用カメラＣ５０はアライメントビームと高出力ビームの位置を検出し、相互の正確なアライメントを行うためにフィードバックを提供する。カメラＣ５０は、レンズＬ５１の焦点に位置する。偏光子Ｐ５０の表面から反射された高出力ビームの僅かな漏れの遠視野（焦点）が、偏光子Ｐ５０を介して伝送されるアライメントビームの一部の焦点と正確に重なると、相互のアライメントが確認される。波長板ＷＰ５０は、偏光子Ｐ５０を通過したアライメントビーム伝送の一部を調整するように回転が可能である。
【００３１】
本システムの実施例では、高出力レーザの出力は円形でないため、伝送ミラー及び受光ミラーによって生じるビームの断面の回転は、フィールド回転光学装置において補われる。例えば、レーザピーニングシステムでは、ビーム断面は正方形もしくは長方形が望ましい。ジンバル搭載伝送ミラーＭ５５での入射ビーム及び反射ビームを含む平面と、ジンバル搭載受光ミラーＭ５６（図４参照）での入射ビーム及び反射ビームを含む平面との間の相対角度に基づいて、正方形のビームはロボット搭載光学組立品の座標に対して回転する。フィールド回転光学装置は、所望するスポット方向がターゲット表面に伝播されるように、ビーム断面を事前に回転させる。フィールド回転光学装置は３つのミラーＭ５１〜５３から成り、これらのミラーは共通の構造物に堅固に搭載されており、この共通の構造物は、遠隔操作される回転台で入力ビーム軸の周りを回転することが可能である。反射回数が奇数（３）であるため、この３つのミラー部を回転させることによって、正方形のビームは２倍の回転率で回転することになる。例えば、４５度でミラー部が回転すると、ビームは９０度回転する。正方形ビームの場合、フィールド回転子が±２２．５度回転することによって、全てのビームが所望する方向に回転する。フィールド回転には、他の構成の光学装置を用いても構わない。
【００３２】
例えば、軸外ピーニングには、ビームの偏光状態は、正方形のビーム形状に対して直角に調整されないことが望ましい。高出力ビーム経路に配置された波長板ＷＰ５１によって、偏光を任意の線形状態まで回転させることが可能である。フィールド回転子と同様に、波長板ＷＰ５１は遠隔操作された回転台に搭載され、偏光は回転台の回転率の２倍で回転する。
【００３３】
レンズＬ５２及びＬ５３から成る輸送望遠鏡は、正方形ビームを拡大し、自由伝播経路を通じてロボット搭載光学組立品を備える加工ヘッドへ光画像をリレーする。一実施例においては、この望遠鏡を介してビームは２３〜３２．５ｍｍ２の公称寸法から約１．４倍分拡大される。この望遠鏡には３つの機能がある。１つ目は、伝送ミラー及び受光ミラーでビーム面積を２倍増加させる機能で、これにより光学破損の危険性が減少する。２つ目は、望遠鏡のリレー距離を倍率の２乗で増加させて（例えば２倍）、離れた処理平面に明確なビーム画像を提供することができる機能である。３つ目は、ビームを拡大することによって、（共焦点パラメータの２倍として定義される）Ｒａｌｅｉｇｈ範囲を、倍率の１．４倍の２倍に増加させる機能で、これによりビームの自由空気伝播特性が向上する。加工ヘッドの光学リレー望遠鏡とビーム供給望遠鏡が単一の伝播距離に最適化されるため、この第３の機能は重要である。しかし、加工ヘッドは±４５度の範囲の加工立体角で操作されるため、ジンバル間の実際の伝播距離は±１ｍ分まで変化し得る。この変化は、図２に示した、巨大な部品を本来の場所でレーザピーニングを行う構成にした場合よりもずっと大きくなる可能性がある。
【００３４】
本システムの一実施例では、伝送ジンバルと受光ジンバルは設計、仕様ともに同じである。各軸の代表的なシステムのモーターは、２５μｒａｄ（５．２ａｒｃｓｅｃ）の分解能、５０μｒａｄ（１０．３ａｒｃｓｅｃ）の再現性、及び、１００μｒａｄ（２０．６ａｒｃｓｅｃ）の絶対精度を有する。これらの仕様は、実際の反射されたビームのためのもので、ミラー角度のための値はこれらの半分である。代表的な実施例では、伝送ミラーと受光ミラーの直径は４インチであり、１５〜５５度の範囲の入射角に対してビームを効果的に反射する高損傷閾値コーティングを有する。
【００３５】
図４は、図３の入力光学装置を含む本システムの一実施例における、受光ミラーＭ５６、及び、加工ヘッド上のロボット搭載光学組立品のその他光学装置を表している。受光ミラーＭ５６は、伝送ミラーＭ５５（図３）からビーム線３０６に沿ってビームを受け取る。受光ミラーＭ５６は、線４０７で示す光学経路の第７区間上のビームを、診断ビームスプリッタＤＳ５０に向けて屈折させるように調整される。ビームは、診断ビームスプリッタＤＳ５０を通り、レンズＬ５７及びＬ５８を備える出力望遠鏡へ伝播する。ビーム伝送望遠鏡と入力光学装置の組合せ、及び、加工ヘッド上の出力望遠鏡は、一実施例では最後のレンズとなるレンズＬ５８から７９ｃｍの場所に３ｍｍのスポットでターゲット画像面４１０を確立する。
【００３６】
図３及び図４に示したリレー画像システムは、レーザからの近視野出力ビームの正確に縮小された画像を処理部品表面付近に配置する。図７に示すような、レーザの近視野出力において非常に均一で平坦な照射特性を生むレーザソースを用いることによって、レーザソースからの伝播によって深刻な光回折構造が生じる虞もなく、非常に均一で平坦な照射特性を、工作物のターゲット表面の所定の範囲内にあるターゲット画像面に照射することができる。このターゲット画像面の所定の範囲内にある工作物のターゲット表面上の照射特性は、レーザ出力からの近視野画像とほぼ同様に維持されている。ターゲット画像面の周囲の、工作物の配置が可能な範囲は、実施される処理のパラメータに依存し、例えば、ある実施例では、ターゲット画像面の±１ｍ以内である。他の実施例では、ターゲット画像面に対して工作物上にターゲット面を配置するための最終的な範囲の大小は、レーザエネルギの特性、レーザエネルギによって行われる機能の要件、及び、その他の要因に基づいて決定される。
【００３７】
加工ヘッド上のビーム診断装置は、ショット間のエネルギ測定、アライメント診断、及び、出力ビーム特性診断を行う。診断ビームスプリッタＤＳ５０は、入射してくるビームの内少量（例えば、約０．８％）を、レンズＬ５４を介して線４０３上の診断部品、及び、診断ビームスプリッタＤＳ５１へ向ける。診断ビームスプリッタＤＳ５１を通過して伝播したビーム内に配置された目盛付焦電型エネルギメーターＥＤ５０は、加工ヘッドにおけるショット毎のエネルギ測定を行う。診断ビームスプリッタＤＳ５１は、診断ビームスプリッタＤＳ５２、光学シャッタＯＳ５０、診断ビームスプリッタＤＳ５３、レンズＬ５５、カメラＣ５１、カメラＣ５２、レンズＬ５６、ミラーＭ５７、カメラＣ５３を備えるアライメント診断装置に、当該ビームの一部を向ける。レンズＬ５４及びＬ５６から成る望遠鏡は、レーザの出力開口での正方形の高出力ビームの像をカメラＣ５３上に形成する。これもまた、対象部品表面の処理面におけるサイズが比例倍された空間プロファイルに対応している。レンズＬ５４及びＬ５５は、受光ジンバルミラーＭ５６の平面におけるビームの像をカメラＣ５１へ配置する。カメラＣ５２上のアライメントビームの位置が受光ジンバルからのポインティング角度を示すように、カメラＣ５２はレンズＬ５４の焦点（遠視野）に配置されている。Ｃ５１及びＣ５２が低出力ＣＷアライメントビームで使用されるように設定されているために、高出力ビームからアライメントカメラを保護するため、光学シャッターＯＳ５０は高エネルギピーニング処理中は閉じられている。
【００３８】
事情説明として、上記の固定された台、或いは、回転式台に配置されたレーザピーニング対象物に利用されるシステムにおいて、典型的なシステムにおける受光ジンバルとターゲット面との距離は、約０．５〜１．５ｍである。しかし、この距離は、ビーム供給システムの特定の使用や、構成部品のサイズ上の実際的な制限に基づき、上記よりも長くても短くても構わない。
【００３９】
図１に示した回転式の部品台は、例えば、加工ロボットシステムによって制御される単軸回転式台を備える。アクティブビーム供給システムの一実施例は、５０×５０×５０ｃｍ３の処理容積に対して、±４５度の立体角（０．５πステラジアン）の範囲内でビームを供給するように構成される。この処理容積は、角度範囲を制限する（例えば、垂直に近い入射角にする）ことによって、或いは、既に述べたように、ロボット基台全体を動かすことによって、更に拡張させることが可能である。所望するロボットの動きを単純化する他の方法として、処理対象の工作物を、第７軸としてロボットコントローラによって駆動される単純な回転式台に置く方法がある。水平な面上のビームに必要な角運動を、処理対象部品の回転に伝えることによって、より柔軟性が高まる。この方法においては、加工ヘッドの角運動が主に、当該処理対象部品の回転により得られる水平な角度の図４に示した平面の内外となる。これによって、複数の面を持つ部品の他の面への接近が可能となり、特に、ギアや統合された回転翼といった回転対称な断面を有する部品に適用可能である。
【００４０】
図５及び図６は、上述のように実施しているレーザエネルギ供給システムの透視図である。線５００に沿って入力されるレーザビームが、入力光学装置によって伝送ジンバル５０１上のミラーに発射される。伝送ジンバル５０１上のミラーは、線５０２に沿って空気中を変更可能な長さ及び角度で、ビームを受光ジンバル５０３上に搭載されたミラーに反射する。ビームは、診断装置及び出力望遠鏡を備えた加工ヘッド５０４を通過して、ビーム線５０７上を通り、ターゲットの工作物５０５まで伝播する。ロボット５０６は、ビームを供給するため、加工ヘッド５０４の位置決めを行う。受光ジンバル５０３と伝送ジンバル５０１は、加工ヘッド５０４にレーザ照射を供給するよう調整される。図６に示すように、ロボット５０６は加工ヘッド５０４を再配置し、伝送ジンバル５０１は受光ジンバル５０３と連携してビームをターゲット位置に向けるよう動作する。図に示すように、ビーム線５００及び５０２に沿って進むビームは、伝送ジンバル５０１上に搭載されたミラーでの入射角及び反射角によって方向が決定される平面（５０８）にある。また、ビーム線５０２及び５０７に沿って進むビームは、受光ジンバル５０３上に搭載されたミラーでの入射角及び反射角によって方向が決定される平面（５０９）にある。ロボットが加工ヘッド５０４を配置する時、これらの平面は回転し、ビーム線５０２の方向と、伝送ジンバル５０１及び受光ジンバル５０３間の距離が変化する。
【００４１】
伝送ジンバル及び受光ジンバルを含むアクティブビーム供給システムの自動化は、「担当コントローラ」として働くプログラムを含み、ビーム供給ツールを操作することによってレーザピーニング処理を実行するソフトウェア制御ロボットシステムによって実現できる。所定の処理対象部品に対して前もって定義されたプロセスマップがコントローラによって検討され、必要に応じてレーザを発射する。プロセス制御をロボットシステムから中央コントローラに転送するように構成して、更に高いレベルのシステムにすることもできる。このコントローラは、２つのプロセスロボットと同様に、レーザ（発射トリガを介して）とビーム供給ジンバルの方向付けを行う。制御システムは、例えば、本来の場所での加工の集中的作動を遠隔コンピュータで行う等、夫々の実施例に適した形であれば他の構成でも構わない。
【００４２】
処理対象部品上の各レーザスポットに対するプロセス変数として、ターゲット位置（ｘ、ｙ、ｚ）、ターゲット位置への入射角（θ、Φ）、正方形ビームの回転パラメータ、処理面から加工ヘッドまでの距離（スポットのサイズを決定する）を備える。ロボットコントローラ（或いは、より高度な中央コントローラ）は、加工ヘッドを次の加工スポットへ移動させる準備を行う際に、フィールド回転、偏光回転と共に、伝送ジンバル及び受光ジンバルの角度をロボットの動きと連携して適切に調節するため、パラメータをジンバルコントローラロジックに送信する。ロボットの較正された位置に基づき、パラメータには受光ジンバルの計算された中央位置（ｘ、ｙ、ｚ）、当該処理対象部品に対する角度（θ、Φ）、正方形ビーム回転が含まれる。ジンバルコントローラロジックは、ジンバルの配置が完了するとロボットコントローラに通知する。ロボットコントローラはレーザを発射し、次の加工スポットへ移動する。
【００４３】
高出力ビームを伝送ジンバルミラーから受光ジンバルミラーの中央に向け、加工ヘッドの光学軸上に正確にビームを供給するよう受光ジンバルミラーの方向を設定するために、ジンバルコントロールはロボットコントローラによって使われる調整システムに対して較正される。例えば、ロボットコントローラに既知の一組の較正位置を通過させることによって、自身の調整システムに基づいて調整システムのマッピングを行うことが可能である。各位置において、ビームは始め手動で、次にフィードバック制御の下で、各位置に一致するよう適切に方向付けられる。ロボットコントローラによって各ポイントに送られた位置データ、及び、これらの位置合わせに必要なジンバル角度から、一貫した調整システムをジンバルコントローラロジックに構成することができる。
【００４４】
上述の通り、加工ヘッドには４つの較正用カメラが搭載されている。これらカメラの夫々は、別々にアライメントの役割を担っている。アライメントカメラを用いた操作には２つの代表的なモードがある。１つ目のモードでは、これらのカメラは、較正処理の間に、或いは、処理対象の各部品又は一部品上の複数のスポットの加工の前に、加工ヘッド光学軸に対するビームの正確なアライメントを定期的に確認するためにのみ使用される。２つめの操作モードは、各レーザショット間におけるポインティング角度の閉ループ最適化に関する。そのため、任意の用途に適用されるプロセスには、低出力レーザを用いた１回のみの較正ステップ、各レーザショット間の連続的な較正、或いはその中間型が含まれる。
【００４５】
一実施例において、４つの診断カメラの各出力は４チャンネルのフレーム取り込み器に供給される。内蔵画像マシーンビジョン処理は、制御コンピュータからの要求をアンロードするため、処理能力を最大にすることができる。システムの一実施例において、各カメラは、駆動された動作を実行することが可能であり、次のＣＣＤリフレッシュ周期を待つことなく、要求に応じて、画像収集を即座に開始することができる。４つの各カメラの機能の例を以下で説明する。
【００４６】
ジンバル位置カメラは図４の符号Ｃ５１で示されている。Ｃ５１にレーザビームを供給する光学装置は、受光ジンバルミラーの光学平面におけるアライメントビームの画像を提供するよう設定されている。このように、カメラ上のビーム画像の較正位置は、受光ミラーＭ５６におけるビームのセンタリングについての情報を提供する。この較正位置は、（カメラの視野内においては）受光ミラーＭ５６の傾斜角による影響は受けない。ジンバルに較正された調整システムがあれば、受光ミラーＭ５６上のビーム位置が直接伝送ジンバルミラーＭ５５の供給角度にのみ対応し、伝送ジンバルミラーＭ５５からの供給角度の修正に使用できる。
【００４７】
ジンバル角度カメラは図４の符号Ｃ５２で示されている。Ｃ５２はレンズＬ５４の焦点に正確に配置されている。このように、このカメラ上のビーム画像の位置は、受光ジンバルミラーＭ５６からのビーム供給角度に関係し、受光ジンバルミラーＭ５６上のビーム位置による影響は受けない。カメラ上の画像位置は、受光ジンバルミラーＭ５６からの供給角度の修正に使用できる。
【００４８】
近視野カメラは図４の符号Ｃ５３で示されている。Ｃ５３にレーザビームを供給する光学装置は、レーザシステムの出力開口における、或いは、その近視野内における高出力正方形ビームの画像を提供するよう設定されている。この画像は、処理表面のビームの空間プロファイルも提供する。ビーム供給加工ヘッド上にカメラを配置することによって、ビーム供給列における光学損傷、アライメントのミスやビームクリッピングから生じる問題を検知することができる。各レーザショットについて、ビームのサイズ、均一性、回転方向を監視することができる。
【００４９】
プロセスカメラは図４の符号Ｃ５４で示されている。加工ヘッドの出力に搭載されており、処理面に焦点が固定された標準ビデオ撮像レンズを備えている。プロセスカメラはレーザピーニング処理の詳細な様子を表示することができる。カメラＣ５４は他にも様々な用途がある。一実施例では、このカメラで低出力赤外線のアライメントビームだけでなく、周囲の可視照明も見ることができる。また、ロボット調整システムを加工ヘッドの光学軸に対して積極的に位置合わせするために使用できる。プロセスカメラＣ５４は、マシンビジョン分析を用いる一実施例において利用でき、処理対象部品の配置や位置測定を行うことができる。これにより、（レニショー式の）タッチプローブでの座標測定の必要がなくなる。公知の寸法の較正対象、記録済みの画像寸法の分析を用いることによって、加工ヘッドと処理平面との間の距離の較正も可能である。
【００５０】
処理率はロボットの移動に必要な時間によって制限される。処理対象の部品ではなくビーム供給加工ヘッドを動かす自動プロセスによって処理速度を上げることができる。しかし、同様の根本的な機械的な制限が幾つか残されている。アクティブビーム供給システムを用いれば、２つの代表的な方法によって生産処理能力を向上させることができる。
【００５１】
まず１つ目は、出力ビーム線（加工ヘッドの移動によって）と水供給ロボットをビーム伝送ジンバルとビーム受光ジンバルと共に連続的に動かすことによって、適切に同調したレーザシステムが、各ショット間で加工ヘッドの移動を止めることなく、所望する処理パターンを生成する。各パルス間でのロボットとジンバルの機械的静置の必要性はなくなるか、或いは軽減され、処理能力が向上する。
【００５２】
別の方法としては、加工ヘッドへの入力において、受光ミラージンバルのみを走査することによって、加工ヘッドの位置からターゲット上の複数のレーザピーニングスポットにアクセスする。アクセス可能なスポットの数は、供給光学装置の視野によってのみ限られる。例えば、適切な光学部品を選択することによって１つの加工ヘッド位置から３ｍｍ平方のスポットから成る５×５の配列を決定することができる。最終的な処理の繰り返し頻度は、パルス間の水層のセットリングタイムによってのみ制限される。図７に示したような、レーザのパルス繰返し周波数ＰＲＦが、３０秒までの期間で平均化した平均ＰＲＦが５Ｈｚ以下である場合において、１回に１０〜２０ショットに対して１０Ｈｚに達することを考えれば、この方法は非常に有効な技術と言える。高速でレーザを発射し、その発射の間に加工ヘッドの再配置を行えば、大きな領域に対して処理が可能となり、レーザピーニング形成処理において非常に有用である。
【００５３】
図７は、ＳＢＳ位相共役器／ミラーシステムとバッフルを有するリレー望遠鏡を含む再生レーザ増幅器を用いた、本明細書に述べるシステムでの利用に適合したマスタオシレータ／パワーアンプ構成の基本構造である。図７の実施例は、ここで完全に開示しているように参考のために加えた特許文献１に記載の類似の増幅器の改良版である。図７の増幅器システムは、ポッケルスセルまたはファラデー回転子等の回転子７４０、第１キャビティ内リレー望遠鏡７２０、スラブ型ゲイン媒体７５０、第２キャビティ内リレー望遠鏡７７０、及び、ＳＢＳ位相共役器／ミラーシステム７６０を備えて構成されている。スラブ７５０はポンプキャビティ（図示せず）内に収容されている。また、２つの偏光子７０２、７０６が、入力パルスを捕獲し、出力パルスを抽出するために含まれる。７つの平面高反射鏡７１１、７１２、７１３、７１４、７１５、７１６、７１７が、スラブ７５０と望遠鏡７２０を通過する光学経路を規定し、偏光子７０６と望遠鏡７７０が、当該リング（光学経路）をＳＢＳ位相共役器７６０に接続する。付加的なリレー望遠鏡７８０は、リング増幅器の近視野出力の画像をターゲット供給光学装置（図示せず）にリレーする。
【００５４】
動作中は、マスタオシレータ７０８は、Ｓ偏光を有する入力パルスを供給する。該パルスは、偏光子７０２に反射して、偏光を変化させずに維持しながら分離回転子７４０を通過して進み、更に、偏光子７０６に反射して、ミラー７１１〜７１７で規定されるリング状の光学経路に入り、偏光子７０６から反時計回りの方向にこのリングを進む。
【００５５】
リング内では、ビームは、ビームを９０度回転してＰ偏光にする９０度回転子７０８に入る。パルスは、反射鏡７１１、７１２を通過し、光学経路７１９に沿ってリレー望遠鏡７２０を通過する。
【００５６】
望遠鏡７２０は、真空気密シール７２６でマウントされた第１レンズ７２４と真空気密シール７３０でマウントされた第２レンズ７２８を有する真空室７２２を含む。真空室７２２内の望遠鏡の焦点におけるバッフル７２９は角度のずれたビームとゴースト反射をブロックする。
【００５７】
ビームは、望遠鏡７２０から、反射鏡７１３を通過してスラブ７５０に入り、更に通過して、反射鏡７１４、７１５で反射して、スラブ７５０に戻って通過する。１回目のジグザグ状の通過と、伝播方向について本質的に鏡像となる２回目のジグザグ状の通過によって、ポンプ量の略単一充填量が達成される。このように、２回目のジグザグ通過により、１回目で抽出できなかった領域からゲインを抽出する。
【００５８】
ビームは、スラブ７５０から、反射鏡７１６に反射し、経路７４２に沿って望遠鏡７２０を通過し、反射鏡７１７に反射して偏光子７０６に戻る。ビームは９０度回転子７０８によってＳ偏光からＰ偏光に回転させているので、Ｐ偏光ビームは、偏光子７０６によって９０度回転子７０８に伝送され、２回目のリングを反時計回りに通過する。しかしながら、リングの２回目の通過中は、９０度回転子７０８が偏光を９０度回転させてＳ偏光に戻す。その結果、ビームがリングの２回目の通過の最後に偏光子７０６に到達すると、第２キャビティ内リレー望遠鏡７７０を通過してＳＢＳ位相共役器７６０へと反射される。
【００５９】
ＳＢＳ位相共役器７６０から逆行してくる、まだＳ偏光であるが、反転した位相誤差を有するビームは、偏光子７０６によって反射鏡７１７へ時計回りの方向へ反射され、そこでビームは経路７４２に沿って望遠鏡７２０を通過して反射鏡７１６へと進行する。ビームは、反射鏡７１６から、１回目のスラブ７５０を通過し、反射鏡７１４、７１５によって反射し、２回目のスラブ７５０を通過して戻ってくる。ビームは、スラブ７５０から進行して、反射鏡７１３に反射し、望遠鏡７２０と反射鏡７１２、７１１を通過して、９０度回転子７０８に戻る。９０度回転子７０８は、偏光を９０度回転させてＰ偏光に戻し、ビームを偏光子７０６に伝送し、リングの３回目の通過を完了するが、今回の通過は最初の２回の通過とは逆方向である。
【００６０】
ビームはＰ偏光を有しているので、偏光子７０６を通過して、４回目のリングの通過、或いは、逆方向の２回目の通過に時計回りに進行する。この４回目の通過の最後に、９０度回転子は偏光を回転させＳ偏光に戻すと、ビームは偏光子７０６で反射して、リングから分離回転子７４０に進む。この時点で、正味の累積位相誤差は本質的にゼロであり、波面補正された出力パルスが提供される。分離回転子７４０はビームを回転させＰ偏光にし、ビームを高エネルギ出力パルスとして偏光子７０２を通過させることができる。
【００６１】
従って、図７に示す増幅器を通過するビームは、位相共役器に入る前にリングを周回する２つの経路と、位相共役器を出た後にリングを周回する２つの等しく且つ逆の経路を用いることで、ビーム中の高ピーク摂動の可能性を最小化して、回折が減少したことを示す。更に、リングは、ポッケルスセルに代えて受動偏光回転子を利用する。追加的に、共振器内の全ての光学部品は、リレー望遠鏡（第１キャビティ内望遠鏡７２０及び第２キャビティ内望遠鏡７７０を通過する２つの経路）の使用によって像平面の近くに配置される。増幅器は、また、リングを通過する毎にゲインが得られ、２回のスラブの通過によってより高いゲイン対損失比を示す。ＳＢＳ位相共役器はミラーシステムとして機能し、ビーム中の位相収差を補正する。本発明の実施例では、ＳＢＳ位相共役器／ミラーシステム７６０は、パルス幅制御に用いる部品、リングの光学経路のアライメント基準として用いられる部品を備え、これらの部品はＳＢＳ媒体によって生じる自己収束やその他の収差を抑制する。
【００６２】
好適な一実施例では、図７の単一周波数マスタオシレータ７０８は、一貫した単一周波数を良好な振幅と時間的安定性と合わせて提供する緩和発振シードオシレータを備え、代表的なパルス形状は、１．２ＭＷより大きいパルス高と半値全幅約２４ナノ秒のパルス幅を有する。上述のように、他のマスタオスシレータも使用可能である。一実施例における緩和発振シードオシレータは、オプティカルリングを規定する出力カプラと幾つかの他のリフレクタ、好ましくは出力カプラを含め奇数個のリフレクタを有するレーザ共振器を備える。Ｑスイッチとゲイン媒体は、共振器内に含まれる。ディテクタが、共振器内の発振エネルギを検知するように、共振器に結合されている。コントローラは、ゲイン媒体用エネルギのソース、Ｑスイッチそしてディテクタに結合されている。共振器内の構成要素は、ゲイン対損失比が緩和発振パルスを生成するのに十分になるまで、ポンプエネルギのソースでゲイン媒体中のゲインを増加させながら損失を誘発する。緩和パルスの開始が検知されると、コントローラはＱスイッチングにより損失を低下させ、単一周波数の出力パルスが生成される。共振器中に含まれる一組のエタロンは、緩和発振パルスの開始中は単一縦キャビティモードに発振を制限する。また、横モード制限用開口をレーザ共振器中に設けている。
【００６３】
以上、工作物を固定する一方で、レーザビームの移動、及び、照射を高度に制御された方法で行うことが可能なレーザピーニングの方法、システム、及び、当該用途及び他の用途に適したレーザエネルギ供給システムについて説明した。工作物の位置を固定することで、保持固定具の使用と工作物の複雑な移動を最小限に抑えることができ、その結果、コストの低減、使用する工学技術の簡略化を図ることができる。工作物ではなくレーザを動かすことによって、自動化装置の取り扱い能力を上回る大きさの工作物や構造物に対して、コストをかけずにレーザピーニングを行うことが可能となる。
【００６４】
上述のシステムは、航空機の修理工場における航空機やパイプ作業場での巨大な石油掘削部品のように、巨大な工作物を、顧客の設備における本来の位置で扱うことが可能である柔軟性を備えている。特に、長さが数十メートルもある部品を扱うようなレーザピーニング処理に適している。
【００６５】
一般に、様々な工作物の表面での高エネルギーレーザビームパルスの移動を制御することが可能な方法、及び、機械装置では、工作物は処理の間位置を固定され、他のレーザショットに対して、レーザビームの近視野の空間プロファイル、像、ショット位置方向が維持される。当該システムでは、隣接するショットを何行にも並べて構成するといった、明確なパターンのレーザショットを用いたレーザピーニングによって、工作物の表面上と表面下に圧縮残留応力領域を生み出すことが可能である。レーザビームの入射角を慎重に制御することによって、夫々のショットは工作物の適切な位置に当てられる。ビーム画像の位置、及び、ビーム回転は、正方形或いは長方形のビームを示す。本技術を適用したシステムでは、レーザピーニング或いはその他の処理の対象となる工作物の移動を減少させる、或いは、省くことができる。
【００６６】
上記の技術の代表的な使用例には、大小の工作物及び構造物に対するレーザピーニング、レーザピーニングによる成形、及び、熱処理、テクスチュアリング、切断、溶接といったその他の表面加工のためのレーザビームの供給がある。本システムは、レーザエネルギを用いた材料加工の際のビーム供給に適用可能である。尚、ここでの材料加工の例としては、超塑性成形、塗装又は他のタイプの塗装除去、エッチング、彫刻、刻印等を含むが、これらだけには限らない。
【００６７】
本発明は、上述の詳細な好適実施例及び具体例を参照して示されたが、これら実施例は、限定的な意味ではなく説明のためのものと理解されるべきである。種々の変更及び組み合わせは当業者において容易に想到するものと考えられ、また、かかる変更及び組み合わせは、本発明の趣旨及び特許請求の範囲内に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】工作物をレーザピーニングするために構成されたエネルギ供給システムを示す図
【図２】工作物を本来の位置でレーザピーニングするために構成されたエネルギ供給システムを示す図
【図３】図１及び図２のエネルギ供給システムの入力光学装置、及び、伝送ミラーを示す図
【図４】図１及び図２のエネルギ供給システムの受光ミラー、出力光学装置を含むロボット搭載光学組立品を示す図
【図５】図１及び図２のエネルギ供給システムの簡略図
【図６】図１及び図２のエネルギ供給システムの簡略図
【図７】図１及び図２のエネルギ供給システムと組み合わせて用いるために構成されたレーザエネルギソースを示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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