(57)【要約】【課題】スポット径が大きいレーザビームを生成するレーザ照射装置の強度プロファイルを計測するための技術を提供する。【解決手段】  本発明によるレーザ装置は、レーザ加熱装置１と計測系３とを具備する。レーザ加熱装置１は、供給されたレーザビームの一部を第１光路１９に出力し、残部を第２光路２０に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を第１光路１９に出力する第２動作とを選択的に行うことができるように構成された光路切換機構１４と、光路切換機構１４から第１光路１９に出力されたレーザビームを拡大して拡大レーザビーム２を生成するビーム拡大器１６と、光路切換機構１４から第２光路２０に出力されたレーザビームの強度を計測するパワーメータ１７とを備える。計測系３は、拡大レーザビーム２が照射されるスクリーン２１と、スクリーン２１を撮像して撮像画像を得る撮像装置２２と、その撮像画像から拡大レーザビーム２の強度プロファイルを算出する演算装置２３とを備える。【選択図】図１
2007240254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射装置と、
計測系
とを具備し、
前記レーザ照射装置は、
レーザビームを供給するレーザビーム供給手段と、
前記レーザビームの一部を第１光路に出力し、残部を第２光路に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を前記第１光路に出力する第２動作とを選択的に行うことができるように構成された光路切換手段と、
前記光路切換手段から前記第２光路に出力されたレーザビームの強度を計測する強度計測手段
とを備え、
前記計測系は、
前記第１光路への出力レーザビームが照射されるスクリーンと、
前記スクリーンを撮像して撮像画像を得る撮像装置と、
前記撮像画像から、前記出力レーザビームの強度プロファイルを算出する演算装置
とを備える
レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
更に、
前記出力レーザビームの径を拡大するビーム拡大器を備える
レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うときに前記第１光路に出力されるレーザビームの強度は、前記第２光路に出力されるレーザビームの強度よりも小さい
レーザ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記光路切換手段は、
部分反射ミラーと
全反射ミラー
とを備え、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うときには、前記レーザビーム供給手段から出射される前記レーザビームの光軸に前記部分反射ミラーが挿入され、
前記光路切換手段が前記第２動作を行うときには、前記光軸に前記全反射ミラーが挿入される
レーザ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のレーザ装置であって、
前記部分反射ミラー及び前記全反射ミラーは、平面鏡、凹面鏡又は凸面鏡である
レーザ装置。
【請求項６】
請求項２に記載のレーザ装置であって、
前記光路切換手段は、部分反射ミラーを備え、
前記ビーム拡大器は、前記レーザビーム供給手段から出射される前記レーザビームの光軸の延長線上にあり、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うときには、前記レーザビーム供給手段から出射される前記レーザビームの光軸に前記部分反射ミラーが挿入され、
前記光路切換手段が前記第２動作を行うときには、前記部分反射ミラーが前記光軸から離れた位置に移動される
レーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記撮像装置は、撮像素子を含み、
前記撮像装置のシャッター速度、絞り、及び前記撮像素子の素子感度のうちの少なくとも一つは、前記スクリーンから受ける光の受光量を所定値に保つように調節される
レーザ装置。
【請求項８】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記撮像装置は、撮像素子を含み、
前記撮像装置のシャッター速度、絞り、及び前記撮像素子の素子感度のうちの少なくとも一つは、前記強度プロファイルのピーク値が所定の一定値になるように調節される
レーザ装置。
【請求項９】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記スクリーンは、光を乱反射させる材料で形成され、
前記演算装置は、前記撮像画像及び／又は前記強度プロファイルの平滑化処理を行う
レーザ装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のレーザ装置であって、
前記スクリーンは、光を乱反射させる材料で形成された、隣接して並べられた複数の部材を含んで構成されている
レーザ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ装置であって、
前記演算装置は、前記レーザ照射装置と前記スクリーンとの相対位置が異なる状態で撮像された複数の前記撮像画像から前記強度プロファイルを算出するように構成されている
レーザ装置。
【請求項１２】
レーザビームを供給するレーザビーム供給手段と、前記レーザビームの一部を第１光路に出力し、残部を第２光路に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を前記第１光路に出力する第２動作とを選択的に行うように構成された光路切換手段と、ビーム拡大器とを備えるレーザ照射装置の強度プロファイル計測方法であって、
前記光路切換手段を、前記第１動作を行うように設定するステップと、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うように設定された状態で、前記ビーム拡大器によって前記第１光路に出力されたレーザビームを拡大して拡大レーザビームを生成するステップと、
前記拡大レーザビームをスクリーンに照射するステップと、
前記スクリーンを撮像して撮像画像を得るステップと、
前記撮像画像から、前記拡大レーザビームの強度プロファイルを算出するステップ
とを具備する
強度プロファイル測定方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の強度プロファイル測定方法であって、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うときに前記第１光路に出力されるレーザビームの強度は、前記第２光路に出力されるレーザビームの強度よりも小さい
強度プロファイル測定方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の強度プロファイル測定方法であって、
更に、前記第２光路に出力されたレーザビームの強度を測定するステップを具備する
強度プロファイル測定方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の強度プロファイル測定方法であって、
前記光路切換手段は、部分反射ミラーを含み、
前記光路切換手段を、前記第１動作を行うように設定するステップは、前記部分反射ミラーを前記レーザビーム供給手段から出射される前記レーザビームの光軸に前記部分反射ミラーを挿入するステップを含む
強度プロファイル測定方法。
【請求項１６】
レーザビームを供給するレーザビーム供給手段と、前記レーザビームの一部を第１光路に出力し、残部を第２光路に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を前記第１光路に出力する第２動作とを選択的に行うように構成された光路切換手段と、ビーム拡大器とを備えるレーザ照射装置の動作方法であって、
前記光路切換手段を、前記第１動作を行うように設定するステップと、
前記光路切換手段が前記第１動作を行うように設定された状態で、前記ビーム拡大器によって前記第１光路に出力されたレーザビームを拡大して第１拡大レーザビームを生成するステップと、
前記第１拡大レーザビームをスクリーンに照射するステップと、
前記スクリーンを撮像して撮像画像を得るステップと、
前記撮像画像から、前記第１拡大レーザビームの強度プロファイルを算出するステップと、
前記光路切換手段を、前記第２動作を行うように設定するステップと、
前記光路切換手段が前記第２動作を行うように設定された状態で、前記ビーム拡大器により、前記第１光路に出力されたレーザビームを拡大して第２拡大レーザビームを生成するステップと、
前記第２拡大レーザビームをワークに照射するステップ
とを具備する
レーザ照射装置の動作方法。
【請求項１７】
レーザビームを供給するレーザビーム供給手段と、
前記レーザビームの一部を第１光路に出力し、残部を第２光路に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を前記第１光路に出力する第２動作とを選択的に行うように構成された光路切換手段と、
前記光路切換手段から前記第２光路に出力されたレーザビームの強度を計測する強度計測手段
とを具備する
レーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ装置に関し、特に、レーザ照射装置によって生成されたレーザビームの強度プロファイルを計測するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工においては、ワークの照射面におけるレーザビームの強度プロファイル（エネルギー密度分布）が加工品質に及ぼす影響が大きいため、強度プロファイルを測定し、適切に管理することが重要である。
【０００３】
強度プロファイルを測定する技術には、大きく分けて２種類ある。１つは、特開２００２−１７６００８号公報に開示されているように、測定されるレーザビームを直接にＣＣＤ等の検出器に入射する方法である。もう１つは、例えば、特開昭６４−３８６１７号公報、及び特開平４−４６６９１号公報に開示されているように、レーザビームをスクリーンに照射した上でスクリーンの撮像画像を取得し、この撮像画像から強度プロファイルを計測する方法である。特開平６−１４７９７５は、更に、エキシマレーザビームを蛍光板に照射し、その蛍光板撮像画像からエキシマレーザビームの強度プロファイルを計測する技術を開示している。
【０００４】
しかしながら、公知の強度プロファイル計測技術は、スポット径が小さい平行光、又は、平行光に近いレーザビームの強度プロファイルを計測するためのものであり、スポット径が大きなレーザビームの強度プロファイルを計測することについては考慮されていない。レーザ溶接、レーザ切断のようにスポットの径が１ｍｍ以下である場合や、表面処理のようにスポットの径が２０ｍｍ以下である場合には、このような点は重要でない。しかし、スポットの径が３０ｍｍを超えるようなレーザ処理、例えば、レーザビームによる溶接箇所の加熱処理を適切に管理するためには、スポット径が大きなレーザビームの強度プロファイルを計測するための新たな技術の提供が望ましい。
【特許文献１】特開２００２−１７６００８号公報
【特許文献２】特開昭６４−３８６１７号公報
【特許文献３】特開平４−４６６９１号公報
【特許文献４】特開平６−１４７９７５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、スポット径が大きいレーザビームを生成するレーザ照射装置の強度プロファイルを計測するための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】
上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段を構成する技術的事項の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付加されている。但し、付加された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。
【０００７】
一の観点において、本発明によるレーザ装置は、レーザ照射装置（１）（１Ａ）と計測系（３）とを具備する。レーザ照射装置（１）は、レーザビームを供給するレーザビーム供給手段（１１、１２）と、レーザビームの一部を第１光路（１９）に出力し、残部を第２光路（２０）に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を第１光路（１９）に出力する第２動作とを選択的に行うことができるように構成された光路切換手段（１４）（１４Ａ）と、光路切換手段（１４）（１４Ａ）から第２光路（２０）に出力されたレーザビームの強度を計測する強度計測手段（１７）とを備える。計測系（３）は、第１光路（１９）に出力された出力レーザビーム（２）が照射されるスクリーン（２１）と、スクリーン（２１）を撮像して撮像画像を得る撮像装置（２２）と、前記撮像画像から、前記出力レーザビーム（２）の強度プロファイルを算出する演算装置（２３）とを備える。
【０００８】
好適には、前記レーザ装置は、出力レーザビームを拡大して拡大レーザビーム（２）を生成するビーム拡大器（１６）を備えることが好ましい。
【０００９】
光路切換手段（１４）（１４Ａ）が前記第１動作を行うときに第１光路（１９）に出力されるレーザビームの強度は、第２光路（２０）に出力されるレーザビームの強度よりも小さいことが好ましい。
【００１０】
好適な実施形態では、光路切換手段（１４）は、部分反射ミラー（１５ｂ）と全反射ミラー（１５ａ）とを備える。この場合、光路切換手段（１４）が前記第１動作を行うときには、レーザビーム供給手段（１１、１２）から出射されるレーザビームの光軸（１８）に部分反射ミラー（１５ｂ）が挿入される。一方、光路切換手段（１４）が前記第２動作を行うときには、レーザビーム供給手段（１１、１２）から出射される前記レーザビームの光軸に全反射ミラー（１５ａ）が挿入される。
【００１１】
他の好適な実施形態では、光路切換手段（１４Ａ）が部分反射ミラー（１５ｃ）を備え、ビーム拡大器（１６）がレーザビーム供給手段（１１、１２）から出射されるレーザビームの光軸の延長線上にある。この場合、光路切換手段（１４）が前記第１動作を行うときには、レーザビーム供給手段（１１、１２）から出射されるレーザビームの光軸に部分反射ミラー（１５ｃ）が挿入され、前記光路切換手段（１４）が前記第２動作を行うときには、前記部分反射ミラー（１５ｃ）が前記光軸から離れた位置に移動される。
【００１２】
撮像装置（２２）のシャッター速度、絞り、及び撮像装置（２２）の撮像素子の素子感度のうちの少なくとも一つは、前記スクリーン（２１）から受ける光の受光量を所定値に保つように調節されることが好ましい。
【００１３】
また、撮像装置（２２）のシャッター速度、絞り、及び撮像装置（２２）の撮像素子の素子感度のうちの少なくとも一つは、前記強度プロファイルのピーク値が一定値になるように調節されることが好ましい。
【００１４】
スクリーン（２１）が、すりガラスのように光を乱反射させる材料で形成される場合、演算装置（２３）は、撮像画像及び／又は前記強度プロファイルの平滑化処理を行うことが好ましい。
【００１５】
一の実施形態では、スクリーン（２１）は、隣接して並べられた複数のすりガラス（３３Ａ、３３Ｂ）を含んで構成される。このような構成は、コストの面で有利である。この場合、演算装置（２３）は、レーザ照射装置（１）とスクリーン（２１）との相対位置が異なる状態で撮像された複数の前記撮像画像から前記強度プロファイルを算出するように構成されていることが好ましい。
【００１６】
他の観点において、本発明の強度プロファイル計測方法は、レーザビームを供給するレーザビーム供給手段（１１、１２）と、前記レーザビームの一部を第１光路（１９）に出力し、残部を第２光路（２０）に出力する第１動作と、レーザビームの実質的に全部を前記第１光路（１９）に出力する第２動作とを選択的に行うように構成された光路切換手段（１４）（１４Ａ）と、ビーム拡大器（１６）とを備えるレーザ照射装置（１）（１Ａ）の強度プロファイル計測方法である。本発明の強度プロファイル計測方法は、
光路切換手段（１４）（１４Ａ）を、前記第１動作を行うように設定するステップと、
光路切換手段（１４）が前記第１動作を行うように設定された状態で、前記ビーム拡大器（１６）によって前記第１光路（１９）に出力されたレーザビームを拡大して拡大レーザビーム（２）を生成するステップと、
拡大レーザビーム（２）をスクリーン（２１）に照射するステップと、
スクリーン（２１）を撮像して撮像画像を得るステップと、
前記撮像画像から、前記拡大レーザビーム（２）の強度プロファイルを算出するステップ
とを具備する。
【００１７】
光路切換手段（１４）（１４Ａ）が前記第１動作を行うときに前記第１光路（１９）に出力されるレーザビームの強度は、前記第２光路（２０）に出力されるレーザビームの強度よりも小さいことが好ましい。
【００１８】
本発明の強度プロファイル計測方法は、更に、第２光路（２０）に出力されたレーザビームの強度を測定するステップを具備することが好ましい。
【００１９】
本発明のレーザ照射装置（１）（１Ａ）は、レーザビームを供給するレーザビーム供給手段（１１、１２）と、前記レーザビームの一部を第１光路（１９）に出力し、残部を第２光路（２０）に出力する第１動作と、前記レーザビームの実質的に全部を前記第１光路（１９）に出力する第２動作とを選択的に行うように構成された光路切換手段（１４）（１４Ａ）と、光路切換手段（１４）（１４Ａ）から第２光路（２０）に出力されたレーザビームの強度を計測する強度計測手段（１７）とを具備する。
【００２０】
このような構成のレーザ照射装置（１）は、レーザを照射することによってワークを加工するレーザ加工装置、特に、ワークを広い範囲に渡って加熱するためのレーザ加熱装置に適用されることが好適である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、スポット径が大きなレーザビームの強度プロファイルを計測するために好適な技術が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における強度プロファイル測定技術を示す図である。本実施形態では、レーザ加熱装置１が発生する拡大レーザビーム２の強度プロファイルが測定される。
【００２３】
レーザ加熱装置１は、レーザ発振器（図示されない）に接続された光ファイバ１１と、光ファイバ１１に接続された出力ポート１２と、コリメートレンズ１３と、光路切換機構１４と、ビーム拡大器１６と、パワーメータ１７とを備えている。
【００２４】
レーザ発振器によって発生されたレーザビームは、光ファイバ１１を介して出力ポート１２から出射される。出力ポート１２から出射されたレーザビームは、コリメートレンズ１３によってコリメートされ（即ち、平行光に整形され）、コリメートされたレーザビームが光路切換機構１４に入射される。
【００２５】
光路切換機構１４は、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームが出力される光路を切り換えるためのものである。より具体的には、光路切換機構１４は、全反射ミラー１５ａと部分反射ミラー１５ｂとを備えており、全反射ミラー１５ａと部分反射ミラー１５ｂとの一方を、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの光軸１８に挿入可能であるような構成を有している。全反射ミラー１５ａと部分反射ミラー１５ｂの入れ替えは、アクチュエータで行われることが可能であり、また、オペレータの手によって行われることも可能である。
【００２６】
部分反射ミラー１５ｂが選択されてコリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの光軸１８に挿入されると、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームから、ビーム拡大器１６に向かうビームとパワーメータ１７に向かうビームの２つのビームが生成される。即ち、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの一部が反射されてビーム拡大器１６に向かう第１光路１９に出力され、残部が部分反射ミラー１５ｂを透過してパワーメータ１７に向かう第２光路２０に出力される。部分反射ミラー１５ｂの反射率は小さく設定されており、部分反射ミラー１５ｂが光軸１８に挿入された場合には、レーザビームの大部分がパワーメータ１７に入力される。典型的には、部分反射ミラー１５ｂの反射率は０．１％程度である。一方、全反射ミラー１５ａが光軸１８に挿入されると、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの（損失によって失われる部分を除いた）実質的に全部が、ビーム拡大器１６に向かう第１光路１９に出力される。
【００２７】
ビーム拡大器１６は、光路切換機構１４から第１光路１９に出力されたレーザビームを拡大して拡大レーザビーム２を出力する。本実施形態では、ビーム拡大器１６として、拡大光を生成する凹レンズが使用される。ビーム拡大器１６としては、ビーム径が拡大された平行光を生成するビームエキスパンダが使用されることも可能である。
【００２８】
パワーメータ１７は、光路切換機構１４から第２光路２０に出力されたレーザビームの強度を計測する。パワーメータ１７に入力されるレーザビームの強度は、レーザ発振器によって生成されるレーザビームの強度に対応している。本実施形態では、パワーメータ１７に入力されるレーザビームの強度によってレーザ発振器によって生成されるレーザビームの強度が管理される。
【００２９】
レーザ加熱装置１から出力される拡大レーザビーム２の強度プロファイルを計測するために、計測系３が使用される。計測系３は、スクリーン２１と、撮像装置２２と、演算装置２３とを備えている。スクリーン２１は、拡大レーザビーム２が照射される位置に置かれる。本実施形態では、すりガラスがスクリーン２１として使用される。撮像装置２２は、拡大レーザビーム２が照射されているスクリーン２１を撮像し、撮像画像を得る。演算装置２３は、その撮像画像から拡大レーザビーム２の強度プロファイルを算出する。
【００３０】
レーザ加熱装置１の光路切換機構１４は、拡大レーザビーム２をワークに照射してワークを加熱する場合と、拡大レーザビーム２の強度プロファイルを計測する場合とで異なる設定がなされる。拡大レーザビーム２をワーク３１に照射してワーク３１を加熱する場合、図２に示されているように、全反射ミラー１５ａが光軸１８に挿入される。コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームは、その実質的に全部が全反射ミラー１５ａによって反射されてビーム拡大器１６に入力される。ビーム拡大器１６は、入射されたレーザビームを拡大して拡大レーザビーム２を生成する。生成された拡大レーザビーム２がワーク３１に照射され、ワーク３１が加熱される。本実施形態では、ワーク３１は、溶接された板材３２Ａ、３２Ｂであり、拡大レーザビーム２により、板材３２Ａ、３２Ｂの溶接部およびその周辺が加熱される。
【００３１】
一方、拡大レーザビーム２の強度プロファイルが計測される場合、図３に示されているように、部分反射ミラー１５ｂがコリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの光軸１８に挿入される。これにより、レーザビームの一部が部分反射ミラー１５ｂによって反射されてビーム拡大器１６に出力される。
【００３２】
部分反射ミラー１５ｂからビーム拡大器１６に入射されたレーザビームは、ビーム拡大器１６によって拡大され、これにより、拡大レーザビーム２が生成される。生成された拡大レーザビーム２は、スクリーン２１に照射される。撮像装置２２は、拡大レーザビーム２が照射されているスクリーン２１を撮像し、撮像画像を得る。演算装置２３は、その撮像画像の各画素の輝度から拡大レーザビーム２の強度プロファイルを算出する。
【００３３】
一方、部分反射ミラー１５ｂを透過したレーザビームは、パワーメータ１７に入射される。パワーメータ１７は、部分反射ミラー１５ｂから入射されたレーザビームの強度を計測する。これにより、レーザ発振器によって発生されたレーザビームを知ることができる。
【００３４】
レーザ発振器によって発生されたレーザビームの一部のみが拡大レーザビーム２としてスクリーン２１に照射されるのは、レーザビームがワーク３１を加熱可能なような大きな強度を有しているからである。一実施形態では、発生されたレーザビームの全部がスクリーン２１に照射されると、撮像装置２２によって撮像される撮像画像の輝度が高くなりすぎて、撮像装置２２の撮像素子（例えば、ＣＣＤ）の出力が飽和してしまい、拡大レーザビーム２の強度プロファイルを適切に計測することができない。本実施形態では、部分反射ミラー１５ｂによって拡大レーザビーム２の強度が弱められるため、そのような問題は生じない。
【００３５】
光路切換機構１４がビーム拡大器１６の入力側に位置することは、レーザ加熱装置１の小型化の上で重要である。光路切換機構１４がビーム拡大器１６の出力側に位置している構成では、拡大レーザビームの光路を切り換える必要があり、従って、光路の切り換えに使用されるミラーの大きさが増大する。本実施形態では、光路切換機構１４がビーム拡大器１６の入力側に位置しているため、光路切換機構１４に使用される部分反射ミラー１５ｂ及び全反射ミラー１５ａの大きさは小さくてもよい。このように、第１の実施形態のレーザ加熱装置１は、拡大されたレーザビームをワークに照射するために適した構成を有している。
【００３６】
その一方で、光路切換機構１４がビーム拡大器１６の入力側に位置することは、ワーク３１を加熱する場合と強度プロファイルを測定する場合とで、使用される光学部品が異なるという点に問題があると考えられるかもしれない。しかしながら、本実施形態では、光路の切換に使用される光学部品は２枚のミラーであり、使用される光学部品の相違による誤差を実際上に問題にならない程度に抑制することは容易である。
【００３７】
スクリーン２１を撮像している間における撮像装置２２の受光量は、測定された強度プロファイルの精度に影響する。これは、撮像装置２２の撮像素子（例えば、ＣＣＤ）の特性には、一般に、非線形性が存在するからである。特に、撮像装置２２の受光量が過剰に多いこと、及び過剰に少ないことには問題がある。例えば、図４に示されているように、撮像装置２２の露出が不適切に少ない条件（露出条件３）で強度プロファイルを測定すると、測定された強度プロファイルが歪むことがある。
【００３８】
強度プロファイルの測定精度を高めるためには、露出を適切に調節する、即ち、シャッター速度、絞り、及び撮像装置２２の撮像素子の素子感度の少なくとも一つを適切に調節することが好ましい。具体的には、測定対象の拡大レーザビーム２がスクリーン２１に照射されている状態での撮像装置２２の受光量が、露出計その他の手段を用いて計測され、その受光量が一定になるように、シャッター速度と絞りとのうちの少なくとも一方が調節される。
【００３９】
その代わりに、強度プロファイルのピーク値（即ち、最も輝度が高い画素の輝度値）が所定の一定値になるように、撮像装置２２のシャッター速度、絞り、及び撮像装置２２の撮像素子の素子感度の少なくとも一つが調節されることも好適である。ピーク光強度が所定の一定値に調節されることにより、強度プロファイルの測定精度を高めることができる。
【００４０】
スクリーン２１として、すりガラスのように光を乱反射させる材料が使用される場合には、図５に示されているように、測定された強度プロファイルに雑音が重畳する。このような雑音は、強度プロファイルの測定の上で好ましくない。
【００４１】
雑音の影響を除去するためには、撮像画像から強度プロファイルを得る演算を行う際に、平滑化処理が行われることが好ましい。一実施形態では、撮像画像の平滑化処理が行われた後に、強度プロファイルが算出される。撮像画像の平滑化処理としては、例えば、平均値フィルタやメディアンフィルタのようなフィルタを用いたフィルタリング、近傍平滑化が使用され得る。その代わりに、又は、それに加えて、撮像画像から強度プロファイルが算出された後、強度プロファイルの移動平均を算出することにより、強度プロファイルの平滑化処理が行われることも可能である。
【００４２】
拡大レーザビーム２のスポット径が非常に大きい場合には、スクリーン２１として、一枚のすりガラスで構成することは、コストの面から好ましくない。このような場合には、図６に示されているように、スクリーン２１を複数のすりガラスで構成することが好ましい；図６では、スクリーン２１が２枚のすりガラス３３Ａ、３３Ｂで構成されている計測系３が図示されているが、スクリーン２１は、更に２枚より多くのすりガラスで構成することも可能である。
【００４３】
スクリーン２１が複数のすりガラスで構成される場合、拡大レーザビーム２がスクリーン２１に照射された領域にすりガラスの継ぎ目３４が存在すると、図７に示されているように、得られた強度プロファイルに不連続的な変化が現れる。この不連続的な変化は、拡大レーザビーム２の実際の強度プロファイルを現していない。
【００４４】
このような不連続的な変化の影響を排除するためには、レーザ加熱装置１とスクリーン２１との相対位置を変えながら複数回、撮像画像を取得し、それらの撮像画像から強度プロファイルを得ることが望ましい。
【００４５】
より具体的には、測定対象の拡大レーザビーム２がスクリーン２１に照射されている状態でスクリーン２１が撮像され、得られた撮像画像から第１の強度プロファイルが算出される。第１の強度プロファイルには、継ぎ目及びその周辺に対応する部分に不連続的な変化が存在する。
【００４６】
続いて、レーザ加熱装置１とスクリーン２１との相対位置が変えられた状態で、再度にスクリーン２１が撮像され、得られた撮像画像から第２の強度プロファイルが算出される。レーザ加熱装置１とスクリーン２１との相対位置は、不連続的な変化が現れる位置が、第１の強度プロファイルと第２の強度プロファイルとで相違するように選ばれる。この２つの強度プロファイルは、不連続的な変化が現れる位置が異なる以外、実質的に同一になる。
【００４７】
更に、第１の強度プロファイルのうち継ぎ目及びその周辺に対応する部分を、第２の強度プロファイルの同一の位置に対応する部分に置換することにより、最終的に求めるべき強度プロファイルが算出される。このような手法によれば、継ぎ目の影響を排除した強度プロファイルを得ることができる。
【００４８】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態における強度プロファイル測定技術を示す図である。第２の実施形態では、レーザ加熱装置の光路切換機構の構成が、第１の実施形態の光路切換機構と異なっている。それに伴い、出力ポート１２、コリメートレンズ１３の配置が第１の実施形態から変更されている。
【００４９】
具体的には、第２の実施形態のレーザ加熱装置１Ａでは、コリメートレンズ１３から出力されるレーザビームの光軸１８の延長線上にビーム拡大器１６が位置している。実施の第１形態では、コリメートレンズ１３から出力されるレーザビームの光軸１８の延長線上にパワーメータ１７が位置していたことに留意されたい。
【００５０】
光路切換機構１４Ａは、部分反射ミラー１５ｃを備えている。部分反射ミラー１５ｃは、移動可能であり、光軸１８上の位置と、又は、光軸１８から外れた位置のいずれもとることができる。部分反射ミラー１５ｃが光軸１８に挿入されると、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームから、ビーム拡大器１６に向かうビームとパワーメータ１７に向かうビームの２つのビームが生成される。即ち、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの一部が透過されてビーム拡大器１６に向かう第１光路１９に出力され、残部が部分反射ミラー１５ｂを反射してパワーメータ１７に向かう第２光路２０に出力される。
【００５１】
一方、部分反射ミラー１５ｃが光軸１８から外れた位置に移動されると、コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの全部が、そのままビーム拡大器１６に入力される。
【００５２】
部分反射ミラー１５ｃは、第１の実施形態の光路切換機構１４の部分反射ミラー１５ｂとは異なり、高い反射率を有している。しかしながら、出力ポート１２、コリメートレンズ１３の配置が第１の実施形態とは異なっているため、部分反射ミラー１５ｃが光軸１８に挿入された場合には、レーザビームの大部分がパワーメータ１７に入力される。
【００５３】
第１の実施形態と同様に、レーザ加熱装置１Ａの光路切換機構１４Ａは、拡大レーザビーム２をワークに照射してワークを加熱する場合と、拡大レーザビーム２の強度プロファイルを計測する場合とで異なる設定がなされる。拡大レーザビーム２をワークに照射してワークを加熱する場合、部分反射ミラー１５ｃが光軸１８から外される。コリメートレンズ１３から入射されたレーザビームは、その実質的に全部がビーム拡大器１６に入力される。ビーム拡大器１６は、入射されたレーザビームを拡大して拡大レーザビーム２を生成する。生成された拡大レーザビーム２がワークに照射され、ワークが加熱される。
【００５４】
一方、拡大レーザビーム２の強度プロファイルが計測される場合、部分反射ミラー１５ｃがコリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの光軸１８に挿入される。部分反射ミラー１５ｃが光軸１８に挿入されると、レーザビームのごく一部のみが部分反射ミラー１５ｃを透過してビーム拡大器１６に出力され、大部分は、部分反射ミラー１５ｃによって反射されてパワーメータ１７に入射される。
【００５５】
部分反射ミラー１５ｂからビーム拡大器１６に入射されたレーザビームは、ビーム拡大器１６によって拡大され、これにより、拡大レーザビーム２が生成される。生成された拡大レーザビーム２は、スクリーン２１に照射される。撮像装置２２は、拡大レーザビーム２が照射されているスクリーン２１を撮像し、撮像画像を得る。演算装置２３は、その撮像画像の各画素の輝度から拡大レーザビーム２の強度プロファイルを算出する。
【００５６】
一方、パワーメータ１７は、部分反射ミラー１５ｃから反射されたレーザビームの強度を計測する。これにより、レーザ発振器によって発生されたレーザビームを知ることができる。
【００５７】
第２の実施形態においても、光路切換機構１４Ａがビーム拡大器１６の入力側に位置することは、レーザ加熱装置１Ａの小型化の上で重要である。光路切換機構１４Ａがビーム拡大器１６の出力側に位置している構成では、拡大レーザビームの光路を切り換える必要があり、従って、光路の切り換えに使用されるミラーの大きさが増大する。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態でも、光路切換機構１４Ａがビーム拡大器１６の入力側に位置しているため、光路切換機構１４Ａに使用される部分反射ミラー１５ｃの大きさは小さくてもよい。
【００５８】
以上に説明されているように、第２の実施形態のレーザ加熱装置１Ａは、第１の実施形態のレーザ加熱装置１と同様に、拡大されたレーザビームをワークに照射するために適した構成を有している。
【００５９】
（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態における強度プロファイル測定技術を示す図である。第３の実施形態におけるレーザ加熱装置１Ｂでは、ビーム拡大器１６によって拡大レーザビーム２を生成する代わりに、光路切換機構１４Ｂに含まれている全反射ミラー１５ｄ及び部分反射ミラー１５ｅとして凸面鏡が使用される。これにより、全反射ミラー１５ｄ又は部分反射ミラー１５ｅに入射されたレーザビームが拡大されて拡大レーザビーム２が生成される。ビーム拡大器１６を使用しないことは、レーザ加熱装置１Ｂに組み込まれる光学部品の数を減らすために好適である。
【００６０】
第３の実施形態におけるレーザ加熱装置１Ｂの動作は、第１の実施形態と同様である。
拡大レーザビーム２をワーク３１に照射してワーク３１を加熱する場合、全反射ミラー１５ａが光軸１８に挿入される。拡大レーザビーム２の強度プロファイルが計測される場合、部分反射ミラー１５ｂがコリメートレンズ１３から入射されたレーザビームの光軸１８に挿入される。
【００６１】
本実施形態において、全反射ミラー１５ｄ及び部分反射ミラー１５ｅとして凸面鏡ではなく凹面鏡を使用することも可能である。この場合、加熱対象、及びスクリーン２１は、凹面鏡の焦点よりも、当該凹面鏡から離れて位置される必要がある。
【００６２】
また、全反射ミラー１５ｄ及び部分反射ミラー１５ｅとして平面鏡が使用されることも可能である。この場合、レーザ加熱装置１Ｂの光学系は、平行光でないレーザビームを全反射ミラー１５ｄ又は部分反射ミラー１５ｅに入射するように変更される。より具体的には、平行光でないレーザビームを全反射ミラー１５ｄ又は部分反射ミラー１５ｅに入射するようなレンズが、コリメートレンズ１３の代わりに使用される。このような光学系でも、少ない光学部品によってレーザビームを拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態において使用されるレーザ装置の構成を示す図である。
【図２】図２は、第１の実施形態においてワークを加熱する場合のレーザ加熱装置の動作を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態において強度プロファイルを測定する場合のレーザ加熱装置の動作を示す図である。
【図４】図４は、異なる露出条件で測定された強度プロファイルを示す図である。
【図５】図５は、すりガラスのような光を乱反射する材料でスクリーンが形成されている場合に得られる強度プロファイルを示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態において使用されるレーザ装置の他の構成を示す図である。
【図７】図７は、スクリーンが１枚のすりガラスで構成されているときに得られる強度プロファイルと、２枚のすりガラスで構成されているときに得られる強度プロファイルを示すグラフである。
【図８】図８は、本発明の第２の実施形態において使用されるレーザ装置の構成を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施形態において使用されるレーザ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１、１Ａ、１Ｂ：レーザ加熱装置
２：拡大レーザビーム
３：計測系
１１：光ファイバ
１２：出力ポート
１３：コリメートレンズ
１４、１４Ａ、１４Ｂ：光路切換機構
１５ａ、１５ｄ：全反射ミラー
１５ｂ、１５ｃ、１５ｅ：部分反射ミラー
１６：ビーム拡大器
１７：パワーメータ
１８：光軸
１９：第１光路
２０：第２光路
２１：スクリーン
２２：撮像装置
２３：演算装置
３１：ワーク
３２Ａ、３２Ｂ：板材
３３Ａ、３３Ｂ：すりガラス
【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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【図８】
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【図９】
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