(57)【要約】  このカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置では、照明用光源（１８）は、加工用レーザ光（１０）の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を有し、光学フィルタ（２２）は、それぞれ集光レンズ（７）、レーザ光反射ミラー（８，８Ａ）を透過してカメラ（６）に指向した、加工点発光（２１）、加工点反射レーザ光（２０）及び撮像用撮像用照明光（４Ａ）のうち、加工点発光（２１）及び加工点反射レーザ光（２０）の透過を阻止し、撮像用撮像用照明光（４Ａ）を透過するようになっている。
2015137179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工用レーザ光を反射して変向させるレーザ光反射ミラーと、  このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、  前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられたカメラと、  このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、  前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、  この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、  前記撮像光学系の前記レーザ光反射ミラー側に設けられた光学フィルタと、を備え、  前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、  前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズ、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項２】
加工用レーザ光を反射して変向させるレーザ光反射ミラーと、  このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、  前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光と同軸上に設けられたカメラと、  このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、  前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、  この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、を備え、  前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、  前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、  前記レーザ光反射ミラーは、それぞれ前記集光レンズを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項３】
前記レーザ光反射ミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上反射し、また前記撮像用照明光を８０％以上透過する請求項１または２に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項４】
加工用レーザ光が透過するダイクロックミラーと、  前記加工用レーザ光の光軸上に設けられ前記加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、  前記ダイクロックミラーの前記集光レンズ側であって前記光軸から径方向に離れて設けられたカメラと、  このカメラと前記ダイクロックミラーとの間に設けられた撮像光学系と、  前記ダイクロックミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、  この照明光学系を透過し、前記ダイクロックミラーで反射して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、  前記撮像光学系の前記ダイクロックミラー側に設けられた光学フィルタと、を備え、  前記ダイクロックミラーを透過した前記加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、  前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、  前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズを透過して前記ダイクロックミラーで反射した前記カメラに指向した、前記加工点発光及び前記撮像用照明のうち、前記加工点発光を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項５】
前記ダイクロックミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上透過し、前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上反射する請求項４に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項６】
前記撮像光学系と前記レーザ光反射ミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記レーザ光反射ミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられている請求項１〜３の何れか１項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項７】
前記撮像光学系と前記ダイクロックミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記ダイクロックミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられている請求項４または５に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項８】
前記照明光反射ミラーは、半円形上であって、前記撮像光路内で偏倚して設けられている請求項６または７に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項９】
前記照明光反射ミラーは、中央部に開口部を有する円環形状であって、前記照明光反射ミラーの面上には、周方向に沿って複数の前記照明光が別個照射される請求項６または７に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１０】
前記照明光反射ミラーは、中央部に開口部を有する円環形状であって、前記照明光反射ミラーの面上には、周方向に沿った円環状の単一の照明光が照射される請求項６または７に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１１】
前記照明光学系は、円環状の前記照明光を形成するためのアクシコンレンズを含む請求項１０記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１２】
前記照明光反射ミラーは、周囲が中空であって前記撮像光路の中央部に配置されている請求項６または７に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１３】
前記照明光反射ミラーは、前記撮像光路の中央部あって、前記撮像用照明光が透過する誘電体基板の中央部に設けられている請求項６または７に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１４】
前記照明用光源は、異なる発光点を有する複数の前記近赤外レーザダイオードを有し、それぞれの発光点からの前記近赤外レーザ光は前記照明光学系に光学的に接続された伝送ファイバで重畳させる請求項１〜１３の何れか１項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１５】
各前記近赤外レーザダイオードは、スペクトル間隔が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下離れている請求項１４に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１６】
前記照明用光源は、前記照明光学系に直接光学的に接続されている請求項１〜１５の何れか１項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１７】
前記撮像光学系の前記カメラと反対側に設けられ、前記カメラに指向した前記加工点発光を反射するビームスプリッターと、このビームスプリッターで反射した前記加工点発光を検知する光センサと、を備えた請求項１〜１６の何れか１項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項１８】
カメラは、ＣＭＯＳカメラである請求項１〜１７の何れか１項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、加工用レーザ光を加工材の加工点に集光してレーザ加工を行い、その加工点とその周辺部の状態をカメラを用いて撮像するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  レーザ加工時、加工点とその周辺部の画像をリアルタイムに観察することは、加工現象の解明および、加工品質のモニタ、さらには加工の適応制御の観点から重要であり、潜在ニーズは高い。  従来、レーザ光をビームスプリッターで直角に変向させて加工材の加工点に照射し、ビームスプリッターの背面側に加工材へ向かうレーザ光と同軸に配置したカメラを用いて加工点及びその周辺を撮像したカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。  この装置では、カメラの横に、高輝度パルス光源からの照明光を加工材表面の加工点に照明ヘッドを少なくとも２個所設置されている。  この照明ヘッドからは、加工点に、加工用レーザ加工により発生したプラズマを含む加工点発光や、加工点反射レーザ光よりも高い輝度の短パルスレーザ照明光をアクティブに与え、その部分をカメラにより真上から見て、加工点及びその周辺部を可視化して観察している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８７０６４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、この装置では、上記加工点発光において、可視〜近赤外域の広い波長範囲に渡って強い黒体輻射様の発光を示し、特に可視光域の加工点発光では高強度となるため、可視域での撮像に必要な照明光のピーク強度は高くなる。  そのため、高価なパルスレーザ光を照明用光源として用いなければならないという問題点があった。  また、この装置の場合、照明光源としてパルスレーザ光を用いているので、照明光源のパルスに同期してカメラ撮像を行う必要があり、システム制御が複雑になるとともに、照明光源とカメラとの相互の選択に制約を受けざるを得ないという問題点があった。  また、加工点発光、加工点反射レーザ光が加工点で依然強烈にハレーションを起こし、加工点とその周辺部を、画像を通じて認識できないおそれがあるという問題点もあった。【０００５】  この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、安価で、加工点とその周辺部の状態をハレーションの影響を低減して撮像できる等のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  この発明に係るカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置は、  加工用レーザ光を反射して変向させるレーザ光反射ミラーと、  このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、  前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられたカメラと、  このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、  前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、  この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、  前記撮像光学系の前記レーザ光反射ミラー側に設けられた光学フィルタと、を備え、  前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となるカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置であって、  前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、  前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズ、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するようになっている。
【発明の効果】
【０００７】  この発明に係るカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置によれば、加工点とその周辺部の状態を、近赤外レーザダイオードを有する照明用光源から発生する近赤外レーザ光による照明で撮像し、またカメラに指向した加工点発光及び加工点反射レーザ光の侵入を光学フィルタで阻止したので、安価で、加工点とその周辺部の状態をハレーションの影響を低減して撮像できる。  また、撮像光学系、照明光学系は、レーザ光反射ミラーの集光レンズと反対側に設けられており、集光レンズと加工材との間にないので、コンパクトとなり、さらにこれら撮像光学系、照明光学系のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図２】図１のＣＭＯＳカメラの分光感度特性を示す特性図である。
【図３】図３（ａ）は加工材のレーザ溶接の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の上面図である。
【図４】図４（ａ）は加工材のレーザ切断の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の上面図である。
【図５】加工点発光のスペクトル分布図である。
【図６】図１のレーザ光反射ミラーの反射特性を示す特性図である
【図７】図７（ａ）はこの発明の実施の形態２によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図８】図８（ａ）はこの発明の実施の形態３によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図８（ｂ）は図８（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図９】図９（ａ）はこの発明の実施の形態４によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図１０】図１０（ａ）はこの発明の実施の形態５によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図、図１０（ｃ）は照明光反射ミラーの変形例を示す上面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｄ）はこの発明の実施の形態６によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置の各照明用光源を示す概略図である。
【図１２】この発明の実施の形態７によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図１３】図１２のレーザ光反射ミラーの反射特性を示す特性図である。
【図１４】図１４（ａ）はこの発明の実施の形態８によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図１５】この発明の実施の形態９によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図１６】この発明の実施の形態１０によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  以下、この発明の各実施の形態のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置について説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
【００１０】  実施の形態１．  図１は、この発明の実施の形態１による、カメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置（以下、レーザ加工ヘッド装置と略称する。）を示す概略図である。  このレーザ加工ヘッド装置は、加工材３の直上に設けられた加工ヘッド本体１と、この加工ヘッド本体１の加工材３と反対側に設けられ加工材３を照明する照明光４が透過する照明光学系２と、この照明光学系２の加工材３と反対側に設けられた撮像光学系５と、この撮像光学系５の照明光学系２と反対側に設けられたＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ（以下、カメラと略称する。）５と、を備えている。  加工ヘッド本体１は、集光レンズ７と、この集光レンズ７の照明光学系２側に設けられたレーザ光反射ミラー８と、を備えている。  カメラ６は、シリコン系の半導体であり、この分光感度特性は、図２に示すように赤色にピークを持ち可視〜１１００ｎｍの近赤外に感度を有しており、画像はカメラ６の撮像面９に結像される。
【００１１】  このレーザ加工ヘッド装置は、図１の右側矢印で示すようにレーザ光反射ミラー８に入射した加工用レーザ光１０は、レーザ光反射ミラー８の表面８ａで直角に変向して全反射し、集光レンズ７を介して加工材３に集光する。  加工用レーザ光１０は、波長が１０００〜１１００ｎｍ付近の固体レーザやファイバレーザにより発生する。  なお、加工用レーザ光１０には、波長が８００〜１１００ｎｍの近赤外レーザダイオード（ＬＤ）や波長が１０μｍのＣＯ2レーザ等も適用することができる。
【００１２】  図３（ａ）は、加工材３をレーザ溶接した場合の断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の上面図、図３（ａ）は、加工材３をレーザ切断した場合の断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の上面図である。  加工材３上に集光した加工点１１の周辺である撮像領域１７には、加工穴１２、溶融池１３が形成される。また、レーザ溶接の場合には、溶接ビード１４が形成され、レーザ切断の場合には、切断溝１５が形成される。  この加工材３の表面１６に形成された、撮像領域１７内の、加工穴１２、溶融池１３、溶接ビード１４及び切断溝１５は、レーザ光反射ミラー８の集光レンズ７と反対側であって、レーザ光反射ミラー８で全反射した反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と同軸上に配置されたカメラ６により撮像される。  加工用レーザ光１０の照射ビーム直径は０.１〜１ｍｍ、溶接ビード１４の幅は０.１〜３ｍｍ程度であり、撮像領域１７は、縦横１〜２０ｍｍ程度となる。  撮像光学系５は、撮像する範囲、加工ヘッド本体１の集光レンズ７の焦点距離の変化に対応するため、倍率可変のズーム機能を有していても構わない。  このレーザ加工ヘッド装置では、加工点１１とその周辺の撮像領域１７の照明光４による画像は、ＣＭＯＳ撮像光学系５と集光レンズ７によって、ＣＭＯＳカメラ撮像面９で結像される。
【００１３】  照明光学系２には照明用光源１８で発生した照明光４が伝送ファイバ１９を通じて伝送される。  この照明用光源１８は、波長７００〜１０００ｎｍの近赤外で連続発振する近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を有している。  伝送ファイバ１９を通じて伝送された照明光４は、照明光学系２よって発散角が低減された後、レーザ光反射ミラー８、集光レンズ７を介して、加工点１１とその周辺の撮像領域１７を照明する。  照明光４の光軸は、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と略平行に配置され、径方向の変位量によらず、集光レンズ７の焦点位置を通過する。従って、照明光４は、集光レンズ７の焦点位置である加工点１１を中心に照射される。
【００１４】  加工点１１を照射し、反射した反射加工用レーザ光１０Ａの加工点反射レーザ光２０は、レーザ光反射ミラー８に向けて直進する。  また、反射加工用レーザ光１０Ａが照射された加工点１１では、プラズマを含む加工点発光２１が発生する。  図５はそのときの加工点発光２１の発光スペクトルであり、この図から分かるように、可視〜近赤外域の広い波長範囲に渡って強い黒体輻射様の発光を示している。  また、加工点１１に照射して反射した照明光４の撮像用撮像用照明光４Ａは、レーザ光反射ミラー８に向けて直線する。
【００１５】  レーザ光反射ミラー８の表面８ａでは、図６に示すように、波長が１０３０〜１０７０ｎｍの加工点反射レーザ光２０を９９％以上反射し、加工点反射レーザ光２０に重畳した、波長が６５０ｎｍ前後のガイド用の赤色レーザ光を５０％以上反射し、波長が７００〜１０００ｎｍの近赤外の撮像用撮像用照明光４Ａを８０％以上透過する光学コーティングが施されている。  レーザ光反射ミラー８の裏面には、撮像光である撮像用撮像用照明光４Ａの透過性を上げるため、紫外から近赤外の光に対し低損失な反射防止コーティングを施しても構わない。  また、撮像光学系５の前面には、撮像用撮像用照明光４Ａを透過し、加工点反射レーザ光２０及び加工点発光２１の透過を阻止する光学フィルタ２２が設けられている。
【００１６】  上記レーザ加工ヘッド装置によれば、照明用光源１８では波長７００〜１０００ｎｍの範囲の何れかの値の近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を用いており、この値は、加工用レーザ光１０の波長範囲である１０３０ｎｍ〜１０７０ｎｍの値よりも短い。  カメラ６は、図２に示すように可視〜１１００ｎｍの近赤外に感度を有するＣＭＯＳカメラ６であり、このカメラ６は、加工用レーザ光１０の上記波長範囲と異なり、７００〜１０００ｎｍの近赤外の波長域の照明光４よって照射された加工材３の表面１６の撮像領域１７を撮像する。  従って、照明光４を発生させるための照明用光源１８には、輝度確保のためのパルス発振は必須ではなく、連続発振する安価な近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。  また、撮像用のカメラ６を照明用光源１８に同期させる必要がなく、フレームレート、露光時間など、撮像条件の設定範囲が大幅に広がり、明るさとコントラストに優れた加工点１１の画像を得ることができる。  また、システム制御が簡単になり、さらには照明用光源１８とカメラ６との相互の選択に制約を受けない。
【００１７】  また、レーザ光反射ミラー８の表面８ａでは、加工点１１の撮像の阻害要因である加工点反射レーザ光２０を９９％以上反射し、また加工点反射レーザ光２０に重畳した、波長が６５０ｎｍ前後のガイド用の赤色レーザ光を５０％以上反射し、さらには波長が７００〜１０００ｎｍの近赤外の撮像用撮像用照明光４Ａを８０％以上透過する光学コーティングが施されており、さらに加工点９の撮像の最大の阻害要因である、加工点発光２１や加工点反射レーザ光２０は、光学フィルタ２２により阻止される。  従って、画像モニタからは、ハレーションの発生が低減されるとともに、全体ノイズ光によるコントラストの低下が大幅に軽減された画像を認識することができる。  このため、レーザ加工時には、加工材３の撮像領域１７の表面１６に形成された、加工穴１２、溶融池１３、溶接ビード１４及び切断溝１５を明確に撮像することができる。  また、カメラ６は、レーザ光反射ミラー８の背面側であって、レーザ光反射ミラー８で全反射した反射加工用レーザ光１０Ａと同軸上に配置されているので、加工穴１２、切断溝１５は、その内部まで観測できる。
【００１８】  また、照明光学系２、撮像光学系５は、レーザ光反射ミラー８の集光レンズ７と反対側設けたので、集光レンズ７と加工材３との間がコンパクトなレーザ加工ヘッド装置を実現するとともに、これら照明光学系２、撮像光学系５のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【００１９】  実施の形態２．  図７（ａ）は、この発明の実施の形態２による、レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）の照明光反射ミラー２３を示す上面図である。  この実施の形態では、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間の撮像光路内の一部に、照明用光源１８で発生した近赤外レーザ光である照明光４を全反射する照明光反射ミラー２３が設けられている。この半円形上の照明光反射ミラー２３で全反射した照明光４は、その後加工点１１の照明を行う。照明光反射ミラー２３の表面は、全反射する金属面である。  また、照明光学系２は、撮像光学系５の投影面から径方向に偏倚して設けられている。  他の構成は、実施の形態１のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２０】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光反射ミラー２３に指向した照明光１７を照明光反射ミラー２３のエッジ２６に接して配置できるので、図７（ｂ）の照明光反射ミラー２３の上半分は撮像領域２５となり、下半分は照明光反射領域２６となる。  このように、図７（ａ）においてレーザ光反射ミラー８の中心から左半分が撮像光路で、右半分が照明光路となり、撮像光路と照明光路との間に無駄な隙間をなくし、撮像光路の開口を大幅に低減することなく、撮像に必要な光量の照明光４を確保でき、鮮明な加工点１１の画像を得ることができる。
【００２１】  また、照明光学系２が撮像光路外にあるので、照明光学系２の光軸方向および径方向のサイズが大きくても、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間隔を広げる必要はなく、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸方向の長さが短いレーザ加工ヘッド装置を実現することができる。  なお、照明光学系２により、照明光反射ミラー２３での照明光４のビーム径を小さくすれば、照明光反射ミラー２３の面積を小さくでき、それだけ撮像光路の横断面を大きく取ることが可能となり、光量が大きな撮像用撮像用照明光４Ａでより鮮明な画像を得ることができる。  また、この実施の形態では、ＬＤ照明光反射ミラー２３を金属面としたので、ガラスなど誘電体基板と誘電体多層膜による部分反射ミラー（反射面全体が一様な部分透過率を有する反射ミラー）に較べ、照明光４の多重反射、散乱をなくすことができ、コントラストに優れた鮮明な画像を得ることができる。
【００２２】  実施の形態３．  図８（ａ）は、この発明の実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図８（ｂ）は図８（ａ）の照明光反射ミラー２３Ａを示す上面図である。  この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ａは、中央部に開口部を有する環状形状であり、この光反射ミラー２３Ａの面上に複数の照明光４が周方向に等分間隔で別個に照明光反射領域２６Ａが形成される。  また、各照明光４に対応してそれぞれ複数の照明用光源１８、伝送ファイバ１９及び照明光学系２が設けられている。  他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２３】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光反射ミラー２３Ａ上に多数の照明光４を配置できるので、照明光４が単一の照明光４に較べて、それぞれに照明光反射ミラー２３Ａに照射される照明光の光量、ひいては反射される光量を大きくでき、より明るく鮮明な撮像を行うことが可能である。  特に、カメラ６による撮像では、撮像時間が通常フレームレートでの撮像より短時間に制限されるため、照明光量の確保は重用であり、この実施の形態による効果は大である。  また、加工点１１付近での照明光４の光軸は、僅かではあるが加工用レーザ光１０の光軸に対して傾斜しており、単一の照明光１７では、ほぼ垂直な加工穴１２の内壁の一部に照明光４の影ができる。  しかし、この実施の形態では、多数の照明光４による加工穴１２の全周からの照明となるため、加工穴１２の内壁全周を照明でき、加工穴１２の内部も鮮明に撮像することができる。  レーザ加工の状況は、加工用レーザ光１０の照射によって形成された加工穴１２と、この加工穴１２の加熱によって形成される溶融池１３によって決定されるが、加工穴１２とその内部の状態を把握することは、レーザ加工の状況を把握する上で最も重要であり、加工穴１２を内部まで観察できる、この実施の形態の効果は大きい。
【００２４】  実施の形態４．  図９（ａ）は、この発明の実施の形態４のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｂを示す上面図である。  この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｂは、中央部に開口部を有する環状形状であり、この光反射ミラー２３Ｂの面上に円環状の照明光４が照射される照明光反射領域２６Ｂが形成される。  この円環状の照明光４は、照明光学系２の凸レンズ２７によって略平行化した後、対向する一対の凸型のアクシコンレンズ２８を透過させることで、中空円錐化と平行化を行い、形成される。  他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２５】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、円環状の照明光反射ミラー２３Ｂの面上に円環状の照明光４を配置し、加工点１１と周辺の撮像領域１７が、光軸を中心に等方な照明となるので、画像ムラを低減させることができるとともに、加工材３の表面１６にほぼ垂直な加工穴１２の全周からの照明となるため、加工穴１２の内壁に影がなく、内部まで照明光４が到達し、加工穴１２の内部も鮮明に撮像することができる。  また、円環状の照明光４の形成を、単一の照明用光源１８、伝送ファイバ１９、及び凸レンズ２７、一対のアクシコンレンズ２８を用いて行うので、照明用光源１８からの光をロスなく円環状ビームに変換することができ、かつ周方向に分布のない照明光４を形成できる。  これにより、加工点１１の撮像が照明ムラや影のない鮮明な画像となる。  また、照明用光源１８、伝送ファイバ１９、照明光学系２をそれぞれ単一で実現できる。  なお、円環状の照明光４を形成するに当たり、螺旋状にレーザ光を伝播した伝送ファイバを用いてもよい。  レーザ光の伝送ファイバへの入射を、ファイバ中心からずらし、かつファイバ軸に対し周方向にやや傾斜させると、ファイバ内部での光伝播が螺旋状となり、出口端からは円環状ビームが出射される。  この伝送ファイバを用いた場合には、一対のアクシコンレンズ２８は不要になり、コリメートレンズのみで円環状照明ビームを形成でき、それだけ安価になる。
【００２６】  実施の形態５．  図１０（ａ）は、この発明の実施の形態５のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｃを示す上面図である。  この実施の形態では、支持体２８を介してミラーホルダ（図示せず）で支持された照明光反射ミラー２３Ｃは、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間に設けられている。この照明光反射ミラー２３Ｃは、その周囲が照明光反射領域となり、その周囲空間は、カメラ撮像のための光路空間を形成している。  他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２７】  このレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光４の光軸を、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と完全に同軸にすることができ、照明光４を加工点１１の正面から照射できるので、実施の形態３及び４のレーザ加工ヘッド装置と比較して、加工穴１２の内部への照明を更に奥深くまで行うことができる。  これにより、加工穴１２が小さく加工深さの深い加工においても加工穴１２の状況を奥深くまで観察することができる。  なお、照明光学系２を調整することで、照明光反射ミラー２３Ｃに向かう照明光４のビーム径を小さくすることで、照明光反射ミラー２３Ｃの径寸法を小さくすることができ、それだけ撮像開口を大きく取ることが可能で、撮像用撮像用照明光４Ａの光量が増大し、より鮮明な画像を得ることができる。  また、この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｃを金属面反射としたので、ガラスなど誘電体基板と誘電体多層膜による半透過ミラーに較べ、照明光の多重反射・散乱をなくすことができ、コントラストに優れた鮮明な画像を得ることができる。
【００２８】  なお、図１０（ｃ）に示すように、照明光４に対し透明なガラス等の誘電体基板３０の表面中央に円形の全反射する金属板３１を接着してもよい。また、誘電体基板３０の表面中央に全反射コートを施してもよい。  この誘電体基板３０を用いた場合には、支持体２９は不要となり、支持体２９による撮像用の光量損失をなくすことができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００２９】  実施の形態６．  図１１はこの発明の実施の形態６によるレーザ加工ヘッド装置の照明用光源１８を示す概略図である。  ＣＭＯＳカメラ等を用いた画像撮像を、干渉性の強いレーザ光を照明用光源として用いて行うと、撮像画像に、細かなギラツキ、スペックルが発生し、画像品質が低下する。  従来のアークランプやハロゲンランプ等のスペクトル範囲が広域で干渉性が極めて少ない光源を用いれば、スペックルの発生はなく高品質な画像が撮像できる。  しかしながら、加工点発光のハレーションを低減するためにはスペクトル範囲の制限が必要で、ランプ出力も１００Ｗ以上の高出力化が必要になり、照明用光源が大型になる。  また、ランプは等方性発光であり、指向性は皆無であるため、直径７０ｍｍ以下のレーザ光反射ミラーの背面からランプ光の広がり角を少なく、また高効率に照射することは困難である。
【００３０】  この実施の形態では、複数のレーザダイオード（ＬＤ）発光をファイバ伝送して混合して照明用光源１８としているため、可干渉性が低減し、画像のスペックルが低減する。  また、空間による単なる光重畳とは異なり、ファイバ伝送による混合を実施しているため、ファイバ出口での光強度は均一になり、かつ各ＬＤ発光点からの混合状態も均一になるため、照明用光源として強度むらがなく、残存する低減されたスペックルの度合いも均一なり理想的照明用光源を実現できる。
【００３１】  図１１（ａ） は複数の発光点を有するＬＤバー４０を整形・集光光学系４１に光学的に結合した例で、各発光点の発振波長は比較的狭い範囲の１ｎｍ以内で発振している。  しかし、個々のＬＤ発光点は独立しているため、発振波長は異なり、位相も同期していないため、個々の発光点の可干渉性は単一発光点のＬＤに比較して低減し、スペックル発生も抑制される。  また、この例は、伝送ファイバ１９への整形・集光光学系４１の接続が簡単で、ＬＤデバイスもＬＤバー４０として単一であり、出力当りの単価は、下述する図１１（ｂ）〜図１１（ｄ）のものと比較して安価である。
【００３２】  図１１（ｂ） は複数のＬＤチップ４２を単一の伝送ファイバ１９に光学的に結合した例である。  個々のＬＤチップ４２の波長を任意に選択できるため、波長間隔を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下離すことが可能で、可干渉性はＬＤバー４０より大きく低減でき、スペックル発生も強く抑制できる。  伝送ファイバ１９への集光光学系は、図１１（ａ）のＬＤバー４０と同等で、出力当りの単価は、下述する図１１（ｃ）、図１１（ｄ）のものと比較して安価である。
【００３３】  図１１（ｃ）は、２個のＬＤチップ４２を偏光ビームスプリッター４３で、偏光結合した例である。  結合数は２個に限定され、ビームスプリッター４３でのロス低減ため波長間隔を１０ｎｍ以上離すことは困難であるが、結合に際しての集束性低下はなく、高集束なファイバ結合光源を実現できる。  照明用光源１８を高集束にすることで伝送ファイバ１９出射後の照明光学系２を小型化でき、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間の撮像光路への照明光路の割り込みを低減でき、明るい画像取得することが可能になる。  この例では、整形光学系４４、集光光学系４５以外に、一方のＳ偏光を回転する光学素子（図示せず）と偏光ビームスプリッター４３が必要になり図１１（ａ）、図１１（ｂ）のものと比較して高価になる。
【００３４】  図１１（ｄ） は、複数のＬＤチップ４２をダイクロックミラー４６で波長結合した例である。結合するＬＤ数（波長）に応じた異なるダイクロックミラー４６が必要となるためやや高価になるが、集束性を低下させることなく、結合数を多く取れるため、高出力・高集束で、可干渉性を大きく低減した照明用光源１８を実現でき、コンパクトなレーザ加工ヘッド装置で、スペックルの少ない明るく鮮明な加工点画像撮像することが可能となる。
【００３５】  実施の形態７．  図１２は、この発明の実施の形態７のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１３は、図１２のレーザ光反射ミラー８の分光反射特性を示す特性図である。  この実施の形態では、レーザ光反射ミラー８Ａの表面８Ａａが、図１３ に示さるように、加工用レーザ光１０の波長を９９.５％以上反射し、照明光４の波長域は高透過で、照明光４の波長の可視を含む短波長域は高反射となる特性を有している。  また、撮像光学系５のカメラ６と反対側に別途設けた実施の形態１〜６の光学フィルタ２２は削除されている。  他の構成は、実施の形態１のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００３６】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、加工点１１の近傍から、レーザ光反射ミラー８Ａを経てカメラ６に至る撮像用撮像用照明光４Ａのうち、強烈なハレーションを起こす、可視から近赤外の加工点発光２１等の撮像のノイズ光がカメラ６に入射するのをレーザ光反射ミラー８Ａで阻止することができ、鮮明な画像を得ることができる。  また、レーザ光反射ミラー８Ａでのノイズ光の反射率を９９％以上であり、撮像光学系５の前側に別途設けた実施の形態１の光学フィルタ２２は不要となり、それだけコンパクトで安価になる。
【００３７】  実施の形態８．  図１４は、この発明の実施の形態８のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。  この実施例では、照明用光源１８は、実施の形態１〜７の伝送ファイバ結合型のレーザ加工ヘッド装置と異なり、照明光学系２に直接結合されている。  他の構成は、実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００３８】  この実施の形態によるレーザ加工ヘッド装置によれば、伝送ファイバ結合型に較べ、異なるＬＤ光の混合性やビーム断面の均一性は低下するが、照明対象である加工材３の表面１６でのビームの重畳は１００％程度であり、均一照明とスペックル低減の効果が得られる。  また、伝送ファイバ１９を有しないので、それだけコンパクトで安価になる。
【００３９】  実施の形態９．  図１５は、この発明の実施の形態９のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。  実施の形態１〜８では、加工用レーザ光１０をレーザ光反射ミラー８，８Ａで折り曲げ、撮像光学系５及び照明光学系２をレーザ光反射ミラー８の集光レンズ７の反対側に設置していた。  これに対して、この実施の形態では、加工用レーザ光１０の光路にダイクロックミラー５０を配置し、撮像光学系５及び照明光学系２は、ダイクロックミラー５０の集光レンズ７側であって、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０の光軸から径方向に離れて配置されている。  ダイクロックミラー５０は、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０を９９％以上透過し、８０％以上の照明光４及び撮像用撮像用照明光４Ａ、並びに加工点発光２１を反射する。また、加工用レーザ光１０と重畳したガイド用の可視レーザ光を５０％以上透過する。  他の構成は、実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００４０】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、加工用レーザ光１０の光路に、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０を透過し、照明光４、撮像用撮像用照明光４Ａ、加工点発光２１を反射するダイクロックミラー５０を配置したことで、加工用レーザ光１０の光路を囲ったハウジング５５が直線状となり、水冷を必要とする加工ヘッド本体１がスリムとなることから、レーザ加工ヘッド装置を走査機構に搭載するのが容易になる。  なお、ハウジング５５に対して径方向に配置された、照明光学系２及び撮像光学系５を透過する照明光４は、実施の形態１〜８のものと同様に数１０Ｗ以下の低出力光の伝送となるため、周囲を水冷する必要はなく、ハウジング５５より小さな断面でよい。  なお、カメラ６については、撮像光学系５を透過する撮像用照明光４Ａの光軸に対して直角に折曲することで、レーザ加工ヘッド装置の径方向の寸法を小さくすることができる。
【００４１】  実施の形態１０．  図１６（ａ）は、この発明の実施の形態１０のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１６（ｂ）は、図１５（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｂを示す上面図である。  この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｂとカメラ６との間の撮像光路にビームスプリッター６０を設け、ビームスプリッター６０で反射した加工点１１からの加工点発光２１の一部を光センサ６１でモニタしている。モニタする加工点発光２１の波長域は、一部または全域である。  他の構成は、実施の形態４のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００４２】  この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、紫外線〜赤外線の加工点発光２１を、レーザ光反射ミラー８の撮像光学系５側に設けた光センサ６１でモニタできるので、レーザ加工の状態の良否に相関のある、特定波長の光強度など、発光スペクトル状態をモニタすることができ、加工点１１及びその近傍の撮像領域１７の画像情報と合わせて、レーザ加工状態の良否をより正確に判断することができる。  また、照明光学系２、撮像光学系５及び光センサ６１を、全てレーザ光反射ミラー８の背面に、加工ヘッド本体１と一体で、配置できるので、集光レンズ７と加工材３との間がコンパクトとなり、コンパクトなレーザ加工ヘッド装置が実現できるとともに、これら照明光学系２、撮像光学系５のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【００４３】  なお、上記各実施の形態では、カメラとしてＣＭＯＳカメラ６を用いたが、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを用いてもよい。  また、レーザ加工状態の良否をより正確に判断するのに光センサ６１を用いることは実施の形態４以外のレーザ加工ヘッド装置にも適用することができる。  また、実施の形態７のレーザ加工ヘッド装置において、撮像光学系５とレーザ光反射ミラー８Ａとの間の撮像光路の一部に、照明用光源１８で発生した照明光４をレーザ光反射ミラー８Ａ側に反射させる照明光反射ミラーを設けてもよい。
【符号の説明】
【００４４】  １  加工ヘッド本体、２  照明光学系、３  加工材、４  照明光、４Ａ  撮像用照明光、  ５  撮像光学系、５  撮像光学系、６  ＣＭＯＳカメラ、７  集光レンズ、８，８Ａ  レーザ光反射ミラー、８ａ，８Ａａ  表面、９  撮像面、１０  加工用レーザ光、１０Ａ  反射加工用レーザ光、１１  加工点、１２  加工穴、１３  溶融池、１４  溶接ビード、１５  切断溝、１６  表面、１７  撮像領域、１８  照明用光源、１９  伝送ファイバ、２０  加工点反射レーザ光、２１  加工点発光、２２  光学フィルタ、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ  照明光反射ミラー、２４  エッジ、２５  撮像領域、２６，２６Ａ，２６Ｂ  照明光反射領域、２７  凸レンズ、２８  アクシリコンレンズ、２９  支持体、３０  誘電体基板、３１  金属板、４０  ＬＤバー、４１  整形・集光光学系、４２  ＬＤチップ、４３  偏光ビームスプリッター、４４  整形光学系、４５  集光光学系、４６，５０  ダイクロックミラー、５５  ハウジング、６０  ビームスプリッター、６１  光センサ。
【図１】
2015137179.tif 000003
【図２】
2015137179.tif 000004
【図３】
2015137179.tif 000005
【図４】
2015137179.tif 000006
【図５】
2015137179.tif 000007
【図６】
2015137179.tif 000008
【図７】
2015137179.tif 000009
【図８】
2015137179.tif 000010
【図９】
2015137179.tif 000011
【図１０】
2015137179.tif 000012
【図１１】
2015137179.tif 000013
【図１２】
2015137179.tif 000014
【図１３】
2015137179.tif 000015
【図１４】
2015137179.tif 000016
【図１５】
2015137179.tif 000017
【図１６】
2015137179.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月26日(2016.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、加工用レーザ光を加工材の加工点に集光してレーザ加工を行い、その加工点とその周辺部の状態をカメラを用いて撮像するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工時、加工点とその周辺部の画像をリアルタイムに観察することは、加工現象の解明および、加工品質のモニタ、さらには加工の適応制御の観点から重要であり、潜在ニーズは高い。
従来、レーザ光をビームスプリッターで直角に変向させて加工材の加工点に照射し、ビームスプリッターの背面側に加工材へ向かうレーザ光と同軸に配置したカメラを用いて加工点及びその周辺を撮像したカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この装置では、カメラの横に、高輝度パルス光源からの照明光を加工材表面の加工点に照明ヘッドを少なくとも２個所設置されている。
この照明ヘッドからは、加工点に、加工用レーザ加工により発生したプラズマを含む加工点発光や、加工点反射レーザ光よりも高い輝度の短パルスレーザ照明光をアクティブに与え、その部分をカメラにより真上から見て、加工点及びその周辺部を可視化して観察している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８７０６４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、この装置では、上記加工点発光において、可視〜近赤外域の広い波長範囲に渡って強い黒体輻射様の発光を示し、特に可視光域の加工点発光では高強度となるため、可視域での撮像に必要な照明光のピーク強度は高くなる。
そのため、高価なパルスレーザ光を照明用光源として用いなければならないという問題点があった。
また、この装置の場合、照明光源としてパルスレーザ光を用いているので、照明光源のパルスに同期してカメラ撮像を行う必要があり、システム制御が複雑になるとともに、照明光源とカメラとの相互の選択に制約を受けざるを得ないという問題点があった。
また、加工点発光、加工点反射レーザ光が加工点で依然強烈にハレーションを起こし、加工点とその周辺部を、画像を通じて認識できないおそれがあるという問題点もあった。
【０００５】
この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、安価で、加工点とその周辺部の状態をハレーションの影響を低減して撮像できる等のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置は、
加工用レーザ光を反射して前記加工用レーザ光の進行方向を変更させるレーザ光反射ミラーと、
このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、
前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられたカメラと、
このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、
前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、
この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、
前記撮像光学系の前記レーザ光反射ミラー側に設けられた光学フィルタと、
を備え、
前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、
前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、
前記照明光の光路と、前記撮像用照明光の光路である撮像光路とは、互いに接した異なる光路であり、
前記照明光は、直接、前記加工用レーザ光の光路である加工用レーザ光路へ導光されるか、もしくは、
前記撮像光学系と前記レーザ光反射ミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記レーザ光反射ミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられ、前記照明光反射ミラーを介して加工用レーザ光路へ導光され、
前記照明光反射ミラーは、全反射ミラーもしくは金属ミラーであり、
前記レーザ光反射ミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上反射し、また前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上透過し、
前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズ、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するようになっている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係るカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置によれば、加工点とその周辺部の状態を、近赤外レーザダイオードを有する照明用光源から発生する近赤外レーザ光による照明で撮像し、またカメラに指向した加工点発光及び加工点反射レーザ光の侵入を光学フィルタで阻止したので、安価で、加工点とその周辺部の状態をハレーションの影響を低減して撮像できる。
また、撮像光学系、照明光学系は、レーザ光反射ミラーの集光レンズと反対側に設けられており、集光レンズと加工材との間にないので、コンパクトとなり、さらにこれら撮像光学系、照明光学系のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図２】図１のＣＭＯＳカメラの分光感度特性を示す特性図である。
【図３】図３（ａ）は加工材のレーザ溶接の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の上面図である。
【図４】図４（ａ）は加工材のレーザ切断の断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の上面図である。
【図５】加工点発光のスペクトル分布図である。
【図６】図１のレーザ光反射ミラーの反射特性を示す特性図である
【図７】図７（ａ）はこの発明の実施の形態２によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図８】図８（ａ）はこの発明の実施の形態３によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図８（ｂ）は図８（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図９】図９（ａ）はこの発明の実施の形態４によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図１０】図１０（ａ）はこの発明の実施の形態５によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図、図１０（ｃ）は照明光反射ミラーの変形例を示す上面図である。
【図１１】図１１（ａ）〜図１１（ｄ）はこの発明の実施の形態６によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置の各照明用光源を示す概略図である。
【図１２】この発明の実施の形態７によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図１３】図１２のレーザ光反射ミラーの反射特性を示す特性図である。
【図１４】図１４（ａ）はこの発明の実施の形態８によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１４（ｂ）は図１４（ａ）の照明光反射ミラーを示す上面図である。
【図１５】この発明の実施の形態９によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【図１６】この発明の実施の形態１０によるＣＭＯＳカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の各実施の形態のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置について説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
【００１０】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による、カメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置（以下、レーザ加工ヘッド装置と略称する。）を示す概略図である。
このレーザ加工ヘッド装置は、加工材３の直上に設けられた加工ヘッド本体１と、この加工ヘッド本体１の加工材３と反対側に設けられ加工材３を照明する照明光４が透過する照明光学系２と、この照明光学系２の加工材３と反対側に設けられた撮像光学系５と、この撮像光学系５の照明光学系２と反対側に設けられたＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）カメラ（以下、カメラと略称する。）６と、を備えている。
加工ヘッド本体１は、集光レンズ７と、この集光レンズ７の照明光学系２側に設けられたレーザ光反射ミラー８と、を備えている。
カメラ６は、シリコン系の半導体であり、この分光感度特性は、図２に示すように赤色にピークを持ち可視〜１１００ｎｍの近赤外に感度を有しており、画像はカメラ６の撮像面９に結像される。
【００１１】
このレーザ加工ヘッド装置は、図１の右側矢印で示すようにレーザ光反射ミラー８に入射した加工用レーザ光１０は、レーザ光反射ミラー８の表面８ａで直角に変向して全反射し、集光レンズ７を介して加工材３に集光する。
加工用レーザ光１０は、波長が１０００〜１１００ｎｍ付近の固体レーザやファイバレーザにより発生する。
なお、加工用レーザ光１０には、波長が８００〜１１００ｎｍの近赤外レーザダイオード（ＬＤ）や波長が１０μｍのＣＯ２レーザ等も適用することができる。
【００１２】
図３（ａ）は、加工材３をレーザ溶接した場合の断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の上面図、図３（ａ）は、加工材３をレーザ切断した場合の断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の上面図である。
加工材３上に集光した加工点１１の周辺である撮像領域１７には、加工穴１２、溶融池１３が形成される。また、レーザ溶接の場合には、溶接ビード１４が形成され、レーザ切断の場合には、切断溝１５が形成される。
この加工材３の表面１６に形成された、撮像領域１７内の、加工穴１２、溶融池１３、溶接ビード１４及び切断溝１５は、レーザ光反射ミラー８の集光レンズ７と反対側であって、レーザ光反射ミラー８で全反射した反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と同軸上に配置されたカメラ６により撮像される。
加工用レーザ光１０の照射ビーム直径は０.１〜１ｍｍ、溶接ビード１４の幅は０.１〜３ｍｍ程度であり、撮像領域１７は、縦横１〜２０ｍｍ程度となる。
撮像光学系５は、撮像する範囲、加工ヘッド本体１の集光レンズ７の焦点距離の変化に対応するため、倍率可変のズーム機能を有していても構わない。
このレーザ加工ヘッド装置では、加工点１１とその周辺の撮像領域１７の照明光４による画像は、撮像光学系５と集光レンズ７によって、ＣＭＯＳカメラ撮像面９で結像される。
【００１３】
照明光学系２には照明用光源１８で発生した照明光４が伝送ファイバ１９を通じて伝送される。
この照明用光源１８は、波長７００〜１０００ｎｍの近赤外で連続発振する近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を有している。
伝送ファイバ１９を通じて伝送された照明光４は、照明光学系２よって発散角が低減された後、レーザ光反射ミラー８、集光レンズ７を介して、加工点１１とその周辺の撮像領域１７を照明する。
照明光４の光軸は、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と略平行に配置され、径方向の変位量によらず、集光レンズ７の焦点位置を通過する。従って、照明光４は、集光レンズ７の焦点位置である加工点１１を中心に照射される。
【００１４】
加工点１１を照射し、反射した反射加工用レーザ光１０Ａの加工点反射レーザ光２０は、レーザ光反射ミラー８に向けて直進する。
また、反射加工用レーザ光１０Ａが照射された加工点１１では、プラズマを含む加工点発光２１が発生する。
図５はそのときの加工点発光２１の発光スペクトルであり、この図から分かるように、可視〜近赤外域の広い波長範囲に渡って強い黒体輻射様の発光を示している。
また、加工点１１に照射して反射した照明光４の撮像用照明光４Ａは、レーザ光反射ミラー８に向けて直線する。
【００１５】
レーザ光反射ミラー８の表面８ａでは、図６に示すように、波長が１０３０〜１０７０ｎｍの加工点反射レーザ光２０を９９％以上反射し、加工点反射レーザ光２０に重畳した、波長が６５０ｎｍ前後のガイド用の赤色レーザ光を５０％以上反射し、波長が７００〜１０００ｎｍの近赤外の撮像用照明光４Ａを８０％以上透過する光学コーティングが施されている。
レーザ光反射ミラー８の裏面には、撮像光である撮像用照明光４Ａの透過性を上げるため、紫外から近赤外の光に対し低損失な反射防止コーティングを施しても構わない。
また、撮像光学系５の前面には、撮像用照明光４Ａを透過し、加工点反射レーザ光２０及び加工点発光２１の透過を阻止する光学フィルタ２２が設けられている。
【００１６】
上記レーザ加工ヘッド装置によれば、照明用光源１８では波長７００〜１０００ｎｍの範囲の何れかの値の近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を用いており、この値は、加工用レーザ光１０の波長範囲である１０３０ｎｍ〜１０７０ｎｍの値よりも短い。
カメラ６は、図２に示すように可視〜１１００ｎｍの近赤外に感度を有するＣＭＯＳカメラ６であり、このカメラ６は、加工用レーザ光１０の上記波長範囲と異なり、７００〜１０００ｎｍの近赤外の波長域の照明光４よって照射された加工材３の表面１６の撮像領域１７を撮像する。
従って、照明光４を発生させるための照明用光源１８には、輝度確保のためのパルス発振は必須ではなく、連続発振する安価な近赤外レーザダイオード（ＬＤ）を用いることができる。
また、撮像用のカメラ６を照明用光源１８に同期させる必要がなく、フレームレート、露光時間など、撮像条件の設定範囲が大幅に広がり、明るさとコントラストに優れた加工点１１の画像を得ることができる。
また、システム制御が簡単になり、さらには照明用光源１８とカメラ６との相互の選択に制約を受けない。
【００１７】
また、レーザ光反射ミラー８の表面８ａでは、加工点１１の撮像の阻害要因である加工点反射レーザ光２０を９９％以上反射し、また加工点反射レーザ光２０に重畳した、波長が６５０ｎｍ前後のガイド用の赤色レーザ光を５０％以上反射し、さらには波長が７００〜１０００ｎｍの近赤外の撮像用照明光４Ａを８０％以上透過する光学コーティングが施されており、さらに加工点９の撮像の最大の阻害要因である、加工点発光２１や加工点反射レーザ光２０は、光学フィルタ２２により阻止される。
従って、画像モニタからは、ハレーションの発生が低減されるとともに、全体ノイズ光によるコントラストの低下が大幅に軽減された画像を認識することができる。
このため、レーザ加工時には、加工材３の撮像領域１７の表面１６に形成された、加工穴１２、溶融池１３、溶接ビード１４及び切断溝１５を明確に撮像することができる。
また、カメラ６は、レーザ光反射ミラー８の背面側であって、レーザ光反射ミラー８で全反射した反射加工用レーザ光１０Ａと同軸上に配置されているので、加工穴１２、切断溝１５は、その内部まで観測できる。
【００１８】
また、照明光学系２、撮像光学系５は、レーザ光反射ミラー８の集光レンズ７と反対側設けたので、集光レンズ７と加工材３との間がコンパクトなレーザ加工ヘッド装置を実現するとともに、これら照明光学系２、撮像光学系５のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【００１９】
実施の形態２．
図７（ａ）は、この発明の実施の形態２による、レーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図７（ｂ）は図７（ａ）の照明光反射ミラー２３を示す上面図である。
この実施の形態では、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間の撮像光路内の一部に、照明用光源１８で発生した近赤外レーザ光である照明光４を全反射する照明光反射ミラー２３が設けられている。この半円形状の照明光反射ミラー２３で全反射した照明光４は、その後加工点１１の照明を行う。照明光反射ミラー２３の表面は、全反射する金属面である。
また、照明光学系２は、撮像光学系５の投影面から径方向に偏倚して設けられている。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２０】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光反射ミラー２３に指向した照明光１７を照明光反射ミラー２３のエッジ２６に接して配置できるので、図７（ｂ）の照明光反射ミラー２３の上半分は撮像領域２５となり、下半分は照明光反射領域２６となる。
このように、図７（ａ）においてレーザ光反射ミラー８の中心から左半分が撮像光路で、右半分が照明光路となり、撮像光路と照明光路との間に無駄な隙間をなくし、撮像光路の開口を大幅に低減することなく、撮像に必要な光量の照明光４を確保でき、鮮明な加工点１１の画像を得ることができる。
【００２１】
また、照明光学系２が撮像光路外にあるので、照明光学系２の光軸方向および径方向のサイズが大きくても、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間隔を広げる必要はなく、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸方向の長さが短いレーザ加工ヘッド装置を実現することができる。
なお、照明光学系２により、照明光反射ミラー２３での照明光４のビーム径を小さくすれば、照明光反射ミラー２３の面積を小さくでき、それだけ撮像光路の横断面を大きく取ることが可能となり、光量が大きな撮像用照明光４Ａでより鮮明な画像を得ることができる。
また、この実施の形態では、ＬＤ照明光反射ミラー２３を金属面としたので、ガラスなど誘電体基板と誘電体多層膜による部分反射ミラー（反射面全体が一様な部分透過率を有する反射ミラー）に較べ、照明光４の多重反射、散乱をなくすことができ、コントラストに優れた鮮明な画像を得ることができる。
【００２２】
実施の形態３．
図８（ａ）は、この発明の実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図８（ｂ）は図８（ａ）の照明光反射ミラー２３Ａを示す上面図である。
この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ａは、中央部に開口部を有する環状形状であり、この光反射ミラー２３Ａの面上に複数の照明光４が周方向に等分間隔で別個に照明光反射領域２６Ａが形成される。
また、各照明光４に対応してそれぞれ複数の照明用光源１８、伝送ファイバ１９及び照明光学系２が設けられている。
他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２３】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光反射ミラー２３Ａ上に多数の照明光４を配置できるので、照明光４が単一の照明光４に較べて、それぞれに照明光反射ミラー２３Ａに照射される照明光の光量、ひいては反射される光量を大きくでき、より明るく鮮明な撮像を行うことが可能である。
特に、カメラ６による撮像では、撮像時間が通常フレームレートでの撮像より短時間に制限されるため、照明光量の確保は重用であり、この実施の形態による効果は大である。
また、加工点１１付近での照明光４の光軸は、僅かではあるが加工用レーザ光１０の光軸に対して傾斜しており、単一の照明光１７では、ほぼ垂直な加工穴１２の内壁の一部に照明光４の影ができる。
しかし、この実施の形態では、多数の照明光４による加工穴１２の全周からの照明となるため、加工穴１２の内壁全周を照明でき、加工穴１２の内部も鮮明に撮像することができる。
レーザ加工の状況は、加工用レーザ光１０の照射によって形成された加工穴１２と、この加工穴１２の加熱によって形成される溶融池１３によって決定されるが、加工穴１２とその内部の状態を把握することは、レーザ加工の状況を把握する上で最も重要であり、加工穴１２を内部まで観察できる、この実施の形態の効果は大きい。
【００２４】
実施の形態４．
図９（ａ）は、この発明の実施の形態４のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図９（ｂ）は図９（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｂを示す上面図である。
この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｂは、中央部に開口部を有する環状形状であり、この光反射ミラー２３Ｂの面上に円環状の照明光４が照射される照明光反射領域２６Ｂが形成される。
この円環状の照明光４は、照明光学系２の凸レンズ２７によって略平行化した後、対向する一対の凸型のアクシコンレンズ２８を透過させることで、中空円錐化と平行化を行い、形成される。
他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２５】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、円環状の照明光反射ミラー２３Ｂの面上に円環状の照明光４を配置し、加工点１１と周辺の撮像領域１７が、光軸を中心に等方な照明となるので、画像ムラを低減させることができるとともに、加工材３の表面１６にほぼ垂直な加工穴１２の全周からの照明となるため、加工穴１２の内壁に影がなく、内部まで照明光４が到達し、加工穴１２の内部も鮮明に撮像することができる。
また、円環状の照明光４の形成を、単一の照明用光源１８、伝送ファイバ１９、及び凸レンズ２７、一対のアクシコンレンズ２８を用いて行うので、照明用光源１８からの光をロスなく円環状ビームに変換することができ、かつ周方向に分布のない照明光４を形成できる。
これにより、加工点１１の撮像が照明ムラや影のない鮮明な画像となる。
また、照明用光源１８、伝送ファイバ１９、照明光学系２をそれぞれ単一で実現できる。
なお、円環状の照明光４を形成するに当たり、螺旋状にレーザ光を伝播した伝送ファイバを用いてもよい。
レーザ光の伝送ファイバへの入射を、ファイバ中心からずらし、かつファイバ軸に対し周方向にやや傾斜させると、ファイバ内部での光伝播が螺旋状となり、出口端からは円環状ビームが出射される。
この伝送ファイバを用いた場合には、一対のアクシコンレンズ２８は不要になり、コリメートレンズのみで円環状照明ビームを形成でき、それだけ安価になる。
【００２６】
実施の形態５．
図１０（ａ）は、この発明の実施の形態５のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｃを示す上面図である。
この実施の形態では、支持体２９Ａ，２９Ｂを介してミラーホルダ（図示せず）で支持された照明光反射ミラー２３Ｃは、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間に設けられている。この照明光反射ミラー２３Ｃは、その周囲が照明光反射領域となり、その周囲空間は、カメラ撮像のための光路空間を形成している。
他の構成は、実施の形態２のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００２７】
このレーザ加工ヘッド装置によれば、照明光４の光軸を、反射加工用レーザ光１０Ａの光軸と完全に同軸にすることができ、照明光４を加工点１１の正面から照射できるので、実施の形態３及び４のレーザ加工ヘッド装置と比較して、加工穴１２の内部への照明を更に奥深くまで行うことができる。
これにより、加工穴１２が小さく加工深さの深い加工においても加工穴１２の状況を奥深くまで観察することができる。
なお、照明光学系２を調整することで、照明光反射ミラー２３Ｃに向かう照明光４のビーム径を小さくすることで、照明光反射ミラー２３Ｃの径寸法を小さくすることができ、それだけ撮像開口を大きく取ることが可能で、撮像用照明光４Ａの光量が増大し、より鮮明な画像を得ることができる。
また、この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｃを金属面反射としたので、ガラスなど誘電体基板と誘電体多層膜による半透過ミラーに較べ、照明光の多重反射・散乱をなくすことができ、コントラストに優れた鮮明な画像を得ることができる。
【００２８】
なお、図１０（ｃ）に示すように、照明光４に対し透明なガラス等の誘電体基板３０の表面中央に円形の全反射する金属板３１を接着してもよい。また、誘電体基板３０の表面中央に全反射コートを施してもよい。
この誘電体基板３０を用いた場合には、支持体２９は不要となり、支持体２９による撮像用の光量損失をなくすことができ、より鮮明な画像を得ることができる。
【００２９】
実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６によるレーザ加工ヘッド装置の照明用光源１８を示す概略図である。
ＣＭＯＳカメラ等を用いた画像撮像を、干渉性の強いレーザ光を照明用光源として用いて行うと、撮像画像に、細かなギラツキ、スペックルが発生し、画像品質が低下する。
従来のアークランプやハロゲンランプ等のスペクトル範囲が広域で干渉性が極めて少ない光源を用いれば、スペックルの発生はなく高品質な画像が撮像できる。
しかしながら、加工点発光のハレーションを低減するためにはスペクトル範囲の制限が必要で、ランプ出力も１００Ｗ以上の高出力化が必要になり、照明用光源が大型になる。
また、ランプは等方性発光であり、指向性は皆無であるため、直径７０ｍｍ以下のレーザ光反射ミラーの背面からランプ光の広がり角を少なく、また高効率に照射することは困難である。
【００３０】
この実施の形態では、複数のレーザダイオード（ＬＤ）発光をファイバ伝送して混合して照明用光源１８としているため、可干渉性が低減し、画像のスペックルが低減する。
また、空間による単なる光重畳とは異なり、ファイバ伝送による混合を実施しているため、ファイバ出口での光強度は均一になり、かつ各ＬＤ発光点からの混合状態も均一になるため、照明用光源として強度むらがなく、残存する低減されたスペックルの度合いも均一なり理想的照明用光源を実現できる。
【００３１】
図１１（ａ） は複数の発光点を有するＬＤバー４０を整形・集光光学系４１に光学的に結合した例で、各発光点の発振波長は比較的狭い範囲の１ｎｍ以内で発振している。
しかし、個々のＬＤ発光点は独立しているため、発振波長は異なり、位相も同期していないため、個々の発光点の可干渉性は単一発光点のＬＤに比較して低減し、スペックル発生も抑制される。
また、この例は、伝送ファイバ１９への整形・集光光学系４１の接続が簡単で、ＬＤデバイスもＬＤバー４０として単一であり、出力当りの単価は、下述する図１１（ｂ）〜図１１（ｄ）のものと比較して安価である。
【００３２】
図１１（ｂ） は複数のＬＤチップ４２を単一の伝送ファイバ１９に光学的に結合した例である。
個々のＬＤチップ４２の波長を任意に選択できるため、波長間隔を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下離すことが可能で、可干渉性はＬＤバー４０より大きく低減でき、スペックル発生も強く抑制できる。
伝送ファイバ１９への集光光学系は、図１１（ａ）のＬＤバー４０と同等で、出力当りの単価は、下述する図１１（ｃ）、図１１（ｄ）のものと比較して安価である。
【００３３】
図１１（ｃ）は、２個のＬＤチップ４２を偏光ビームスプリッター４３で、偏光結合した例である。
結合数は２個に限定され、ビームスプリッター４３でのロス低減ため波長間隔を１０ｎｍ以上離すことは困難であるが、結合に際しての集束性低下はなく、高集束なファイバ結合光源を実現できる。
照明用光源１８を高集束にすることで伝送ファイバ１９出射後の照明光学系２を小型化でき、カメラ６とレーザ光反射ミラー８との間の撮像光路への照明光路の割り込みを低減でき、明るい画像取得することが可能になる。
この例では、整形光学系４４、集光光学系４５以外に、一方のＳ偏光を回転する光学素子（図示せず）と偏光ビームスプリッター４３が必要になり図１１（ａ）、図１１（ｂ）のものと比較して高価になる。
【００３４】
図１１（ｄ） は、複数のＬＤチップ４２をダイクロイックミラー４６で波長結合した例である。結合するＬＤ数（波長）に応じた異なるダイクロイックミラー４６が必要となるためやや高価になるが、集束性を低下させることなく、結合数を多く取れるため、高出力・高集束で、可干渉性を大きく低減した照明用光源１８を実現でき、コンパクトなレーザ加工ヘッド装置で、スペックルの少ない明るく鮮明な加工点画像撮像することが可能となる。
【００３５】
実施の形態７．
図１２は、この発明の実施の形態７のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１３は、図１２のレーザ光反射ミラー８の分光反射特性を示す特性図である。
この実施の形態では、レーザ光反射ミラー８Ａの表面８Ａａが、図１３ に示さるように、加工用レーザ光１０の波長を９９.５％以上反射し、照明光４の波長域は高透過で、照明光４の波長の可視を含む短波長域は高反射となる特性を有している。
また、撮像光学系５のカメラ６と反対側に別途設けた実施の形態１〜６の光学フィルタ２２は削除されている。
他の構成は、実施の形態１のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００３６】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、加工点１１の近傍から、レーザ光反射ミラー８Ａを経てカメラ６に至る撮像用照明光４Ａのうち、強烈なハレーションを起こす、可視から近赤外の加工点発光２１等の撮像のノイズ光がカメラ６に入射するのをレーザ光反射ミラー８Ａで阻止することができ、鮮明な画像を得ることができる。
また、レーザ光反射ミラー８Ａでのノイズ光の反射率を９９％以上であり、撮像光学系５の前側に別途設けた実施の形態１の光学フィルタ２２は不要となり、それだけコンパクトで安価になる。
【００３７】
実施の形態８．
図１４は、この発明の実施の形態８のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
この実施例では、照明用光源１８は、実施の形態１〜７の伝送ファイバ結合型のレーザ加工ヘッド装置と異なり、照明光学系２に直接結合されている。
他の構成は、実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００３８】
この実施の形態によるレーザ加工ヘッド装置によれば、伝送ファイバ結合型に較べ、異なるＬＤ光の混合性やビーム断面の均一性は低下するが、照明対象である加工材３の表面１６でのビームの重畳は１００％程度であり、均一照明とスペックル低減の効果が得られる。
また、伝送ファイバ１９を有しないので、それだけコンパクトで安価になる。
【００３９】
実施の形態９．
図１５は、この発明の実施の形態９のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図である。
実施の形態１〜８では、加工用レーザ光１０をレーザ光反射ミラー８，８Ａで折り曲げ、撮像光学系５及び照明光学系２をレーザ光反射ミラー８の集光レンズ７の反対側に設置していた。
これに対して、この実施の形態では、加工用レーザ光１０の光路にダイクロイックミラー５０を配置し、撮像光学系５及び照明光学系２は、ダイクロイックミラー５０の集光レンズ７側であって、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０の光軸から径方向に離れて配置されている。
ダイクロイックミラー５０は、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０を９９％以上透過し、８０％以上の照明光４及び撮像用照明光４Ａ、並びに加工点発光２１を反射する。また、加工用レーザ光１０と重畳したガイド用の可視レーザ光を５０％以上透過する。
他の構成は、実施の形態３のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００４０】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、加工用レーザ光１０の光路に、加工用レーザ光１０及び加工点反射レーザ光２０を透過し、照明光４、撮像用照明光４Ａ、加工点発光２１を反射するダイクロイックミラー５０を配置したことで、加工用レーザ光１０の光路を囲ったハウジング５５が直線状となり、水冷を必要とする加工ヘッド本体１がスリムとなることから、レーザ加工ヘッド装置を走査機構に搭載するのが容易になる。
なお、ハウジング５５に対して径方向に配置された、照明光学系２及び撮像光学系５を透過する照明光４は、実施の形態１〜８のものと同様に数１０Ｗ以下の低出力光の伝送となるため、周囲を水冷する必要はなく、ハウジング５５より小さな断面でよい。
なお、カメラ６については、撮像光学系５を透過する撮像用照明光４Ａの光軸に対して直角に折曲することで、レーザ加工ヘッド装置の径方向の寸法を小さくすることができる。
【００４１】
実施の形態１０．
図１６（ａ）は、この発明の実施の形態１０のレーザ加工ヘッド装置を示す概略図、図１６（ｂ）は、図１５（ａ）の照明光反射ミラー２３Ｂを示す上面図である。
この実施の形態では、照明光反射ミラー２３Ｂとカメラ６との間の撮像光路にビームスプリッター６０を設け、ビームスプリッター６０で反射した加工点１１からの加工点発光２１の一部を光センサ６１でモニタしている。モニタする加工点発光２１の波長域は、一部または全域である。
他の構成は、実施の形態４のレーザ加工ヘッド装置と同じである。
【００４２】
この実施の形態のレーザ加工ヘッド装置によれば、紫外線〜赤外線の加工点発光２１を、レーザ光反射ミラー８の撮像光学系５側に設けた光センサ６１でモニタできるので、レーザ加工の状態の良否に相関のある、特定波長の光強度など、発光スペクトル状態をモニタすることができ、加工点１１及びその近傍の撮像領域１７の画像情報と合わせて、レーザ加工状態の良否をより正確に判断することができる。
また、照明光学系２、撮像光学系５及び光センサ６１を、全てレーザ光反射ミラー８の背面に、加工ヘッド本体１と一体で、配置できるので、集光レンズ７と加工材３との間がコンパクトとなり、コンパクトなレーザ加工ヘッド装置が実現できるとともに、これら照明光学系２、撮像光学系５のスパッタ等による汚損を回避することができる。
【００４３】
なお、上記各実施の形態では、カメラとしてＣＭＯＳカメラ６を用いたが、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを用いてもよい。
また、レーザ加工状態の良否をより正確に判断するのに光センサ６１を用いることは実施の形態４以外のレーザ加工ヘッド装置にも適用することができる。
また、実施の形態７のレーザ加工ヘッド装置において、撮像光学系５とレーザ光反射ミラー８Ａとの間の撮像光路の一部に、照明用光源１８で発生した照明光４をレーザ光反射ミラー８Ａ側に反射させる照明光反射ミラーを設けてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  加工ヘッド本体、２  照明光学系、３  加工材、４  照明光、４Ａ  撮像用照明光、  ５  撮像光学系、５  撮像光学系、６  ＣＭＯＳカメラ、７  集光レンズ、８，８Ａ  レーザ光反射ミラー、８ａ，８Ａａ  表面、９  撮像面、１０  加工用レーザ光、１０Ａ  反射加工用レーザ光、１１  加工点、１２  加工穴、１３  溶融池、１４  溶接ビード、１５  切断溝、１６  表面、１７  撮像領域、１８  照明用光源、１９  伝送ファイバ、２０  加工点反射レーザ光、２１  加工点発光、２２  光学フィルタ、２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ  照明光反射ミラー、２４  エッジ、２５  撮像領域、２６，２６Ａ，２６Ｂ  照明光反射領域、２７  凸レンズ、２８  アクシリコンレンズ、２９  支持体、３０  誘電体基板、３１  金属板、４０  ＬＤバー、４１  整形・集光光学系、４２  ＬＤチップ、４３  偏光ビームスプリッター、４４  整形光学系、４５  集光光学系、４６，５０  ダイクロイックミラー、５５  ハウジング、６０  ビームスプリッター、６１  光センサ。
【手続補正２】
【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】
加工用レーザ光を反射して前記加工用レーザ光の進行方向を変更させるレーザ光反射ミラーと、
このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、
前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられたカメラと、
このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、
前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、
この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、
前記撮像光学系の前記レーザ光反射ミラー側に設けられた光学フィルタと、
を備え、
前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、
前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、
前記照明光の光路と、前記撮像用照明光の光路である撮像光路とは、互いに接した異なる光路であり、
前記照明光は、直接、前記加工用レーザ光の光路である加工用レーザ光路へ導光されるか、もしくは、
前記撮像光学系と前記レーザ光反射ミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記レーザ光反射ミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられ、前記照明光反射ミラーを介して加工用レーザ光路へ導光され、
前記照明光反射ミラーは、全反射ミラーもしくは金属ミラーであり、
前記レーザ光反射ミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上反射し、また前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上透過し、
前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズ、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項２】
加工用レーザ光を反射して前記加工用レーザ光の進行方向を変更させるレーザ光反射ミラーと、
このレーザ光反射ミラーで反射した反射加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、
前記レーザ光反射ミラーの前記集光レンズと反対側であって前記反射加工用レーザ光と同軸上に設けられたカメラと、
このカメラと前記レーザ光反射ミラーとの間に前記反射加工用レーザ光の光軸と同軸上に設けられた撮像光学系と、
前記レーザ光反射ミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、
この照明光学系、前記レーザ光反射ミラーを透過して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、を備え、
前記反射加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、
前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、
前記照明光の光路と、前記撮像用照明光の光路である撮像光路とは、互いに接した異なる光路であり、
前記照明光は、直接、前記加工用レーザ光の光路である加工用レーザ光路へ導光されるか、もしくは、
前記撮像光学系と前記レーザ光反射ミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記レーザ光反射ミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられ、前記照明光反射ミラーを介して加工用レーザ光路へ導光され、
前記照明光反射ミラーは、全反射ミラーもしくは金属ミラーであり、
前記レーザ光反射ミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上反射し、また前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上透過し、
前記レーザ光反射ミラーは、それぞれ前記集光レンズを透過して前記カメラに指向した、前記加工点発光、前記加工点反射レーザ光及び前記撮像用照明光のうち、前記加工点発光及び前記加工点反射レーザ光の透過を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項３】
加工用レーザ光が透過するダイクロイックミラーと、
前記加工用レーザ光の光軸上に設けられ前記加工用レーザ光を加工材の加工点に集光させる集光レンズと、
前記ダイクロイックミラーの前記集光レンズ側であって前記光軸から径方向に離れて設けられたカメラと、
このカメラと前記ダイクロイックミラーとの間に設けられた撮像光学系と、
前記ダイクロイックミラーの前記撮像光学系側に設けられた照明光学系と、
この照明光学系を透過し、前記ダイクロイックミラーで反射して前記加工点を照射する照明光を発生させる照明用光源と、
前記撮像光学系の前記ダイクロイックミラー側に設けられた光学フィルタと、を備え、
前記ダイクロイックミラーを透過した前記加工用レーザ光は、前記加工点を照射することで、プラズマを含む加工点発光を発生し、また前記加工点で反射して加工点反射レーザ光となり、前記照明光は、前記加工点で反射して撮像用照明光となり、
前記照明用光源は、前記加工用レーザ光の波長を上限値とした近赤外レーザ光を発生させる近赤外レーザダイオードを有し、
前記照明光の光路と、前記撮像用照明光の光路である撮像光路とは、互いに接した異なる光路であり、
前記照明光は、直接、前記加工用レーザ光の光路である加工用レーザ光路へ導光されるか、もしくは、
前記撮像光学系と前記ダイクロイックミラーとの間の撮像光路の一部に、前記照明用光源で発生した前記照明光を前記ダイクロイックミラー側に反射させる照明光反射ミラーが設けられ、前記ダイクロイックミラーを介して加工用レーザ光路へ導光され、
前記照明光反射ミラーは、全反射ミラーもしくは金属ミラーであり、
前記ダイクロイックミラーは、前記加工用レーザ光を９９％以上透過し、前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上反射し、また前記照明光及び前記撮像用照明光を８０％以上透過し、
前記光学フィルタは、それぞれ前記集光レンズを透過して前記ダイクロイックミラーで反射した前記カメラに指向した、前記加工点発光及び前記撮像用照明のうち、前記加工点発光を阻止し、前記撮像用照明光を透過するカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項４】
前記照明光反射ミラーは、半円形状であって、前記撮像光路内で偏倚して設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項５】
前記照明光反射ミラーは、中央部に開口部を有する円環形状であって、前記照明光反射ミラーの面上には、周方向に沿って複数の前記照明光が別個照射される請求項１〜３のいずれか一項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項６】
前記照明光反射ミラーは、中央部に開口部を有する円環形状であって、前記照明光反射ミラーの面上には、周方向に沿った円環状の単一の照明光が照射される請求項１〜３のいずれか一項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項７】
前記照明光学系は、円環状の前記照明光を形成するためのアクシコンレンズを含む請求項６記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項８】
前記照明光反射ミラーは、前記撮像光路の中央部に支持リング及び支持柱からなる支持体によって設置され、
前記支持体と前記照明光反射ミラーとの間にカメラ撮像のための光路空間の一部が形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【請求項９】
前記照明光反射ミラーは、前記撮像光路の中央部あって、前記撮像用照明光が透過する誘電体基板の中央部に設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載のカメラモニタ付レーザ加工ヘッド装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
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【国際調査報告】
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2015137179.tif 000021
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