CN104416290B - 激光加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光加工装置，能够抑制装置的设置面积变大的同时，能够对利用激光加工的加工区域的大范围区域进行观察。附属装置(112)安装在具有利用加工用激光(Lp)进行扫描的电控光束扫描镜(156)的激光头(111)的底面，用于由收容摄像头(161)、透镜(162)以及反射镜(163)构成的观察用光学系统。来自加工面(S)的光被反射镜(163)反射后入射至透镜(162)，借助透镜(162)在摄像头(161)的拍摄器件上形成加工面(S)的像。本发明例如可以适用于激光打标机。

Description

激光加工装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工装置，尤其是涉及一种具有用于观察工件的观察用光学系统的激光加工装置。

背景技术

在现有技术中，具有观察用光学系统的激光加工装置得到了普及，这样的观察用光学系统包括用于对成为加工对象的工件的定位、工件的加工状态进行确认的摄像头或透镜等。

具有观察用光学系统的激光加工装置，例如可以包括从与加工光学系统的光轴(下面称之为加工光轴)相同的方向观察工件的激光加工装置(例如，参照专利文献1)、从与加工光轴不同的方向观察工件的激光加工装置(例如，参照专利文献2、3)。

另外，从与加工光轴不同的方向观察工件的激光加工装置，可以包括从正上方观察工件的激光加工装置(例如，参照专利文献2)、从斜上方观察工件的激光加工装置(例如，参照专利文献3)。

图1示意性地示出了作为从与加工光轴相同的方向观察工件的激光加工装置的一种的激光打标机(laser marker)1的光学系统的结构例。激光打标机1的激光头11具有：激光振荡器21、作为焦点调整机构的3D光学系统22、包括分光镜(dichroic mirror)23和电控光束扫描镜(galvano mirror)24的加工光学系统、观察用光学系统25。

从激光振荡器21出射的激光Lp经由3D光学系统22、分光镜23、电控光束扫描镜24从激光头11出射，对加工面S进行照射。此时，激光Lp借助电控光束扫描镜24沿着X轴及Y轴的两轴方向对加工面S进行扫描。

观察用光学系统25能够经由分光镜23及电控光束扫描镜24对加工面S进行拍摄。另外，观察用光学系统25的分光镜23之后的光轴与加工光轴相一致。由此，观察用光学系统25的光轴借助电控光束扫描镜24能够指向激光Lp能够扫描的加工区域中的任意位置。

图2示意性地示出了作为从正上方观察工件的激光加工装置的一种的激光打标机31的光学系统的结构例。从激光头41出射的激光Lp借助激光头41内的电控光束扫描镜51沿着X轴及Y轴的两轴方向对加工面S进行扫描。

另外，包括摄像头的观察用光学系统42设置在激光头41的旁边，而且观察用光学系统42的光轴指向与加工面S垂直的方向。因此，观察用光学系统42能够从正上方对加工面S进行拍摄。另外，通过更换交换内置于观察用光学系统42内的透镜，能够以所希望的放大倍率对加工区域进行拍摄。

图3示意性地示出了作为从斜上方观察工件的激光加工装置的一种的激光打标机61的光学系统的结构例。此外，在该图中，针对与图2的激光打标机31相对应的部分，标注了相同的附图标记。

在激光打标机61中，观察用光学系统42设置在激光头41的旁边，而且观察用光学系统42的光轴指向相对于加工面S倾斜的方向。因此，观察用光学系统42能够直接对利用激光Lp加工的加工区域进行拍摄。

现有技术文献(专利文献)

专利文献1：JP特开2004-148379号公报

专利文献2：JP特开平11-156566号公报

专利文献3：JP特开2012-143785号公报

然而，如图4所示，在激光打标机1中，观察用光学系统25的对焦面F为曲面，所以只有在加工区域的中心附近才能实现对焦。另外，电控光束扫描镜24采用能够实现高速驱动的小型的反射镜，观察用光学系统25借助该小型的反射镜来对加工面S进行拍摄，所以单次无法拍摄大范围的区域。因此，在激光打标机1中，难以将加工区域上的大范围区域以清晰的图像进行观察。

另外，在激光打标机31中，无法直接借助观察用光学系统42对加工区域进行拍摄，所以在观察时和加工时需要移动工件，控制变得繁琐。

进而，在激光打标机61中，由于观察用光学系统42相对加工面S的拍摄角度变大，所以难以对整个拍摄范围进行对焦，使得所拍摄的图像容易变得模糊或容易发生畸变，例如会发生难以观察用图像周围的情形。

另外，在激光打标机31及激光打标机61中，由于将观察用光学系统42设置在激光头41的旁边，所以导致装置的大型化，设置面积(footprint)变大。

发明内容

于是，本发明提供一种在抑制装置的设置面积变大的同时，能够对利用激光加工的加工区域上的大范围区域进行观察的技术。

本发明的激光加工装置具有用于出射激光且包括扫描单元的激光头，该激光用于对成为加工对象的工件进行加工，该扫描单元利用所述激光在工件的加工面上进行扫描，该激光加工装置具有观察用光学系统，该观察用光学系统包括摄像头、用于使加工面的像成像在摄像头的拍摄器件上的透镜、用于反射来自加工面的光入射至透镜的反射镜，观察用光学系统在高度方向上设置于扫描单元和加工面之间。

在本发明的激光加工装置的设置于激光头内的扫描单元和加工面之间的观察用光学系统中，来自加工面的光被反射镜反射后入射至透镜，借助透镜成像在摄像头的拍摄器件上。

因此，能够抑制装置的设置面积变大的同时，能够对利用激光加工的加工区域的大范围区域进行观察。

该观察用光学系统可以配置于激光头的底面的下方。

由此，可以将观察用光学系统作为与激光头相独立的另外的单元来进行设置。

该反射镜可以配置于激光和透镜之间。

由此，能够实现反射镜的小型化，能够使拍摄范围变大。

可以使该激光经过透镜和反射镜之间。

由此，能够使对透镜尺寸的限定程度变低。另外，以不遮挡激光的方式设置反射镜变得容易。而且，能够从更接近于垂直的方向对工件进行拍摄。

可以将摄像头、透镜以及反射镜设置成：加工面、透镜的主面以及拍摄器件的成像面实质上相交于一条直线上。

由此，能够获得不发生畸变或变模糊现象的清晰的观察用图像。

该激光加工装置还可以具有从斜上方对加工面照射照明光的照明装置，该照明装置可以设置成：观察用光学系统的对焦面上的照明光的正反射光与观察用光学系统的光轴相一致。

由此，能够仅利用正反射光来观察工件。

该透镜可以采用远心透镜。

由此，能够获取不发生梯形畸变的观察用图像。

该激光加工装置还可以具有：图像处理部，用于对观察用图像进行图像处理，该观察用图像是摄像头拍摄得到的图像；加工控制部，基于观察用图像的图像处理结果，控制对工件的加工。

由此，能够利用对加工区域的大范围区域进行拍摄得到的观察用图像，控制对工件的加工。

例如可以通过CPU等处理器来实现该图像处理部、加工控制部。

该加工控制部可以基于观察用图像的图像处理结果，对加工位置进行设定。

由此，能够简单且正确地对加工位置进行定位。

该图像处理部可以基于观察用图像的图像处理结果，判定是否要实施加工。

由此，例如在未设置有工件的情况下，或者在工件未处于所希望状态的情况下，能够中止加工。

该图像处理部可以基于对加工后的工件进行拍摄得到的观察用图像的图像处理结果，对工件的加工状态进行检查。

由此，能够以高精度健检查工件的加工状态。

该图像处理部可以基于利用激光加工的加工区域的中心和摄像头的拍摄范围的中心之间的错位量，将观察用图像中使用的区域限定为中心与加工区域的中心相一致的区域。

由此，即使不以机械的方式进行调整，也能够使加工区域和观察区域的中心相一致。

该图像处理部可以对观察用图像的梯形畸变进行修正。

由此，能够获取不发生梯形畸变的观察用图像。

该图像处理部可以对观察用图像进行上下方向的翻转。

由此，能够以正确的方向观察被反射镜上下翻转的工件的像。

该激光加工装置还可以具有第一光源，该第一光源朝向观察用光学系统的对焦面上的利用激光加工的加工区域的中心，从斜方向出射规定的第一测定用光，该图像处理部可以在对照射有第一测定用光的加工面进行拍摄得到的观察用图像上，检测第一测定用光的照射位置，该加工控制部可以基于观察用图像上的第一测定用光的照射位置，对用于出射激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

由此，能够简单且恰当地对激光加工装置的加工高度进行调整。

该激光加工装置还可以具有第二光源，该第二光源经由扫描单元将规定的第二测定用光照射至加工面上，该图像处理部可以在对照射有第二测定用光的加工面进行拍摄得到的观察用图像上，检测第二测定用光的照射位置，该加工控制部可以基于观察用图像上的第二测定用光的照射位置，对用于出射激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

由此，能够简单且恰当地对激光加工装置的加工高度进行调整。

根据本发明，能够抑制装置的设置面积变大的同时，能够对利用激光加工的加工区域的大范围区域进行观察。

附图说明

图1是示意性地示出了现有的激光打标机的光学系统的第一结构例的图。

图2是示意性地示出了现有的激光打标机的光学系统的第二结构例的图。

图3是示意性地示出了现有的激光打标机的光学系统的第三结构例的图。

图4是用于说明现有的激光打标机中存在的问题的图。

图5是示出了本发明的激光打标机的拆卸掉第一实施方式的激光遮蔽盖后的状态的外观结构的立体图。

图6是示出了本发明的激光打标机的安装了第一实施方式的激光遮蔽盖后的状态的外观结构的立体图。

图7是示意性地示出了本发明的激光打标机的第一实施方式的光学系统的结构例的图。

图8是用于说明观察用光学系统的设置方法的变形例的图。

图9是用于说明观察用光学系统的设置方法的变形例的图。

图10是示出了控制部的功能的结构例的框图。

图11是用于说明加工处理的第一实施方式的流程图。

图12是示出了加工工艺信息(recipe)的例子的图。

图13是示出了登记图案的第一例的图。

图14是示出了观察用图像的第一例的图。

图15是示出了图案匹配的结果的例子的图。

图16是示出了加工位置的设定例的图。

图17是示出了工件的加工例的图。

图18是用于说明加工处理的第二实施方式的流程图。

图19是用于说明加工处理的第三实施方式的流程图。

图20是示出了工件的例子的图。

图21是示出了加工工艺信息的例子的图。

图22是示出了登记图案的第二例的图。

图23是示出了工件飞加工状态的正常例的图。

图24是示出了工件的加工状态的异常例的图。

图25是用于说明加工区域和观察区域的中心错位的修正方法的第一例的图。

图26是用于说明加工区域和观察区域的中心错位的修正方法的第二例的图。

图27是用于说明针对观察用图像的梯形畸变的解决对策的第一例的图。

图28是用于说明针对观察用图像的梯形畸变的解决对策的第二例的图。

图29是用于说明观察用图像的翻转处理的图。

图30是用于说明加工高度的调整方法的第一例的图。

图31是用于说明加工高度的调整方法的第一例图。

图32是用于说明加工高度的调整方法的第二例的图。

图33是用于说明加工高度的调整方法的第二例的图。

图34是用于说明在加工高度的调整方法的第二例与现有技术的区别的图。

图35是示意性地示出了本发明的激光打标机的第二实施方式的光学系统的结构例的图。

图36是示意性地示出了本发明的激光打标机的第三实施方式的光学系统的结构例的图。

图37是示意性地示出了本发明的激光打标机的第四实施方式的光学系统的结构例的图。

其中，附图标记的说明如下：

101 激光打标机

111 激光头

112 附属装置

151 激光振荡器

152 光源

154 3D光学系统

156 电控光束扫描镜

157 光源

161 摄像头

161a 拍摄器件

162 透镜

162a 主面

163 反射镜

201 控制部

211 拍摄控制部

212 图像处理部

213 加工控制部

501 激光打标机

512 照明装置

601 激光打标机

611 附属装置

621 透镜

622 反射镜

701 激光打标机

711 附属装置

721 透镜

723 照明装置

具体实施方式

下面，对本发明的具体实施方式(下面称之为“实施方式”)进行说明。还有，按照如下的顺序进行说明。

1.第一实施方式

2.第二实施方式(在第一实施方式的基础上增加了落射式照明的例子)

3.第三实施方式(使加工用激光经过透镜和反射镜之间的例子)

4.第四实施方式(在第三实施方式的基础上增加了落射式照明的例子)

5.变形例

<1.第一实施方式>

首先，参照图5至图34，对本发明的第一实施方式进行说明。

{激光打标机101的结构例}

首先，参照图5至图7，对作为本发明的激光加工装置的第一实施方式的激光打标机101的结构例进行说明。图5示出了拆卸掉激光遮蔽盖114后的状态的激光打标机101的外观结构例，图6示出了安装了激光遮蔽盖114后的状态的激光打标机101的外观结构例。图7示意性地示出了激光打标机101的光学系统的结构例。此外，以下的以图7为代表的光学系统相关的各图为示意图，就精确度要求不太高的部分而言，也有些部分可能会画成从光学的角度看不太正确的图。

此外，下面的说明中，将图5的左侧定义为激光打标机101的前方，将右侧定义为激光打标机101的后方。另外，在以下的说明中，将在图5中可看到侧面的一侧定义为激光打标机101的右侧，将其相反一侧定义为激光打标机101的左侧。而且，在下面的说明中，将激光打标机101的左右方向设定为X轴方向，将前后方向设定为Y轴方向，将上下方向设定为Z轴方向。

激光打标机101，是一种利用激光来在成为加工对象的工件的表面打上标记的激光加工装置。激光打标机101包括激光头111、附属装置112、附属装置113FR～113BL(其中，未图示附属装置113BL)。

激光头111具有箱型的形状，尺寸例如为宽140mm×进深415mm×高220mm。另外，激光头111的包括后方的风扇的进深例如为450mm。如后所述，在激光头111上设置有用于将加工用的激光(下面称之为“加工用激光”)照射至作为加工对象物的工件上的加工光学系统等。

附属装置112安装在激光头111的底面的后方。如后所述，在附属装置112内收容有用于观察激光打标机101的加工区域的观察用光学系统。

附属装置113FR～113BL安装在激光头111的底面的四个角附近，构成用于支撑激光头111的脚。另外，通过附属装置113FR～113BL能够确保用于在激光头111的下方安装附属装置112的空间。

另外，如图6所示，激光遮蔽盖114以包围附属装置112以及附属装置113FR～113BL的周围的方式安装在激光头111的下部。通过该激光遮蔽盖114能够防止从激光头111出射的加工用激光向周围泄漏。

如图7所示，在激光头111设置有激光振荡器151、光源152、分光镜153、3D光学系统154、反射镜155、电控光束扫描镜156以及光源157。其中，由激光振荡器151、分光镜153、3D光学系统154、反射镜155以及电控光束扫描镜156来构成加工光学系统。

另外，在附属装置112内收容有由摄像头161、透镜162以及反射镜163构成的观察用光学系统。因此，观察用光学系统配置在既是激光头111的底面下方又是在高度方向上位于电控光束扫描镜156和加工面S之间的位置。

激光振荡器151出射用于对工件进行加工的加工用激光。此外，就激光振荡器151而言，不特别限定其种类，可以采用任意的激光振荡器。

而且，加工用激光透过了分光镜153、3D光学系统154后，被反射镜163以及电控光束扫描镜156反射，对工件的加工面S进行照射。此时，利用作为焦点调整机构的3D光学系统154，能够对加工光学系统的Z轴方向上的焦点位置(加工用激光的Z轴方向上的聚光位置)进行调整。另外，如图7所示，借助电控光束扫描镜156，能够利用加工用激光沿着X轴及Y轴的两轴方向对加工面S进行扫描。

此外，在下面的说明中，将通过加工用激光的扫描能够进行加工的范围称为加工区域。另外，将从激光头111向垂直向下方向出射加工用激光时加工用激光所照射到的位置设定为加工区域的中心，以下称之为加工中心。

光源152出射可视光的激光(以下称之为“导向激光”)。而且，导向激光透过了分光镜153、3D光学系统154之后，被反射镜163以及电控光束扫描镜156反射，对工件的加工面S进行照射。

与加工用激光同样，导向激光也能够借助3D光学系统154来调整Z轴方向的聚光位置，或者借助电控光束扫描镜156来沿着X轴及Y轴的两轴方向对加工面S进行扫描。

导向激光用于确认加工形状。即，在利用加工用激光进行加工之前，与加工时同样地利用导向激光对加工面S进行扫描，由此能够在视觉上确认加工形状的形状。

另外，如后所述，导向激光也可以用作为了调整Z轴方向(高度方向)的加工位置(以下，也称之为“加工高度”)而对加工光学系统的焦点位置(加工用激光的聚光位置)进行测定的测定用光。

光源157出射可视光的激光(以下称之为“焦点指示光”)。此外，焦点指示光调整为从斜方向通过观察用光学系统的对焦面(以下称之为“观察系统焦平面”)上的加工中心。而且，如后所述，与导向激光同样地，焦点指示光也可以用作为了调整加工高度而对加工光学系统的焦点位置(加工用激光的聚光位置)进行测定的测定用光。

由摄像头161、透镜162以及反射镜163拍摄得到用于观察加工面S的图像(以下称之为“观察用图像”)。用户能够通过该观察用图像来对加工区域的状态等进行观察。

摄像头161沿着水平方向设置，使得拍摄器件(未图示)的成像面与加工面S相垂直。透镜162设置成光轴与摄像头161的光轴相一致。反射镜163设置成其反射面与透镜162的主面相对且朝向斜下方。

来自加工面S的光被反射镜163反射后入射至透镜162，借助透镜162成像在摄像头161的拍摄器件的成像面上。由此，摄像头161拍摄得到加工面S的像。另外，通过调整反射镜163的角度，能够对摄像头161的拍摄范围(以下，也称之为“观察区域”)以及拍摄加工面S的拍摄角度(以下称之为“拍摄角度”)进行调整。

此外，例如，也可以在激光头111上安装了附属装置112的状态下，通过手动或电动的方式机械地调整反射镜163的角度。

因此，若采用激光打标机101，则通过更换透镜162，能够自由地设定加工面S的观察倍率。另外，如图1的激光打标机1那样，能够不经由电控光束扫描镜156而直接对加工面S进行拍摄，所以不会因电控光束扫描镜156而发生黑边现象。因此，也能够利用摄像头161拍摄包括整个加工区域的大范围区域来进行观察。

而且，由于设置了反射镜163，所以无需为了对加工面S进行拍摄而使摄像头161朝向加工面S，而能够将摄像头161朝向水平方向设置。其结果，能够将由于收容观察用光学系统的附属装置112安装在激光头111的底面。由此，能够实现装置的小型化，能够防止因如图2的激光打标机31或如图3的激光打标机61那样因设置观察用光学系统而设置面积变大的现象。

还有，由于设置了反射镜163，所以能够将拍摄角度设定为比图3的激光打标机61更接近于与加工面S相垂直的方向。由此，能够使观察系统焦平面和加工面S之间的角度变得更小，所以容易对整个观察区域(拍摄范围)进行对焦。其结果，能够抑制观察用图像变模糊或发生畸变。

{摄像头161以及透镜162的设置方向的变形例}

此外，摄像头161以及透镜162的设置方向并非仅限定于图7的例子。例如，通过使摄像头161朝向斜上方，能够使反射镜163的角度更接近于水平方向。由此，能够使拍摄角度更接近于垂直方向，从而能够更加容易地对整个观察区域(拍摄范围)进行对焦。

另外，如图8所示，例如也可以将摄像头161、透镜162以及反射镜163设置成：摄像头161的拍摄器件161a的成像面、透镜162的主面162a以及加工面S实质上相交于一条直线上以满足向甫鲁条件(Scheimpflug condition)。即，也可以将摄像头161、透镜162以及反射镜163设置成：在将从加工面S到摄像头161为止的光路以不被反射镜163弯折的方式模拟延伸的情况下，摄像头161的拍摄器件161a的成像面、透镜162的主面162a以及加工面S相交于一条直线上。如图9所示，这是例如可以通过使透镜162倾斜以使其主面朝向斜上方，调整透镜162的设置角度来实现的。

由此，能够使观察用光学系统良好地对观察区域的所有区域进行对焦，从而能够获得不发生畸变或变模糊现象的清晰的观察用图像。

{激光打标机101的处理}

接下来，参照图10至图34，对激光打标机101的处理进行说明。

(控制部201的结构例)

图10是示出了激光打标机101上设置的控制部201的功能的结构例的框图。控制部201例如由CPU(Central Processing Unit：中央处理单元)等处理器构成。此外，控制部201可以设置在激光头111或附属装置112中的任一个上，或者，也可以分散设置在激光头111以及附属装置112上。

控制部201包括拍摄控制部211、图像处理部212以及加工控制部213。

拍摄控制部211用于控制摄像头161对观察用图像的拍摄。

如后所述，图像处理部212对摄像头161拍摄得到的观察用图像进行各种图像处理。另外，图像处理部212根据需要将图像处理结果输出至外部。

加工控制部213通过对激光振荡器151、3D光学系统154以及电控光束扫描镜156等进行控制，来控制激光头111对工件的加工。

(加工处理的第一实施方式)

接下来，参照图11的流程图，对激光打标机101所执行的加工处理的第一实施方式进行说明。

在步骤S1中，控制部201获取从外部输入的加工工艺信息。

这里，加工工艺信息是指，用于表示激光打标机101要打标加工的标记(例如，文字或图形等)的大小及形状、成为加工对象的工件上的加工位置等的信息。图12示出了登记有圆形的标记301的加工工艺信息的例子。

在步骤S2中，控制部201获取从外部输入的登记图案。这里，登记图案是指，用于在观察区域内通过图案匹配来检测出工件的图案。例如，可以将加工前的工件的图像、表示加工前的工件的特征的图像(例如，轮廓图)等作为登记图案。

图13示出了包括登记图案312的图案图像311的例子。在该图案图像311中示出了正方形的登记图案312。

在步骤S3中，摄像头161在拍摄控制部211的控制下对加工区域进行拍摄。然后，控制部201获取通过拍摄得到的观察用图像。此时，如上所述，能够获得包括整个加工区域或加工区域内的大范围区域且畸变或变模糊的程度低的高画质的观察用图像。

图14示出了观察用图像的例子。在该观察用图像321中，存在工件322a及工件322b的2件工件。

在步骤S4中，图像处理部212进行图案匹配。例如，图像处理部212从图14的观察用图像321中检索出与图13的登记图案312相一致的图案。然后，图15所示，例如从观察用图像321中检索出工件322a及工件322b。

此外，图像处理部212所进行的图案匹配，可以采用任意的方法。

在步骤S5中，加工控制部213设定加工位置。例如，加工控制部213基于加工工艺信息，对从观察用图像321检测出的工件322a以及工件322b上的加工位置的坐标(加工坐标)进行计算。例如，在对工件322a以及工件322b的中央进行打标加工的情况下，如图16所示，计算出观察用图像321中的图案322a的中心331a以及图案322b的中心331b的坐标，并作为加工坐标。然后，加工控制部213将观察用图像321上的加工坐标变换为激光打标机101的加工区域内的坐标，并将所求出的坐标设定为加工位置。

这里，在观察用图像321中，存在整个加工区域或加工区域内的大范围区域。因此，例如仅利用1张观察用图像321，就能够检测出加工区域内的所有工件来一次性地设定所有的加工位置。

在步骤S6中，激光头111在加工控制部213的控制下进行加工。即，激光头111在加工控制部213的控制下，对步骤S5的处理中设定好的加工位置，进行加工工艺信息所示的标记的加工。例如，如图17所示，对工件322a以及工件322b的中央，进行与图12的标记301相同形状的标记Ma以及标记Mb的加工。

然后，结束加工处理。

这样，在激光打标机101中，利用包括整个加工区域或加工区域内的大范围区域的高画质的观察用图像，能够通过图案匹配来迅速地检测出加工位置并进行打标加工。另外，不管工件的设置位置及设置方向如何，都能够高精度地对工件的所希望位置进行打标加工。

(加工处理的第二实施方式)

接下来，参照图18的流程图，对激光打标机101所执行的加工处理的第二实施方式进行说明。

在步骤S31至S34中，执行与如上所述的图11中的步骤S1至S4相同的处理。

在步骤S35中，图像处理部212基于图案匹配的结果，判定一致度是否为阈值以上。即，图像处理部212对在通过步骤S34的处理从观察用图像内检测出的图案与登记图案之间的一致度，并判定该一致度是否为规定的阈值以上。在判定为一致度为阈值以上的情况下，处理进入步骤S36。

然后，在步骤S36以及S37中执行与图11的步骤S5以及S6相同的处理，来对工件进行加工。

然后，结束加工处理。

另一方面，在步骤S35中，若判定为一致度小于阈值，则处理进入步骤S38。这例如为，观察区域内不存在工件的情形，或者工件未处于所希望状态的情形等。

在步骤S38中，图像处理部212输出异常信号。即，图像处理部212生成用于表示工件的加工未正常进行的异常信号并进行输出。然后，例如通过基于该异常信号来点亮在激光打标机101的外部设置的警告灯等的方法，来通知工件的加工发生了异常。

然后，结束加工处理。

这样，基于图案匹配的一致度来判定是否要实施加工。由此，例如，辨别是否存在工件，仅在工件存在的情况下才实施加工，或者，判定工件是否处于所希望状态，仅在处于所希望状态的情况下才执行加工。

(加工处理的第三实施方式)

接下来，参照图19的流程图，对激光打标机101所执行的加工处理的第三实施方式进行说明。下面，对如图20所示的正方形的工件351进行加工的情况进行说明。

在步骤S61中，与图11的步骤S1的处理同样地获取加工工艺信息。下面，对给出了如图21所示的加工工艺信息的情况进行说明。在图21的加工工艺信息中登记有圆形的标记361。

在步骤S62中，控制部201获取从外部输入的登记图案。这里所获取的登记图案与加工处理的第一实施方式以及第二实施方式中采用的登记图案不同，该登记图案是用于对工件的加工状态进行检查的图案。例如，可以将加工后(打标加工后)的工件的图像、用于表示加工后的工件的特征的图像(例如，轮廓图)等作为登记图案。

图22示出了包括登记图案372的图案图像371的例子。在该图案图像371中，存在在图20的工件351的中央配置有图21的标记361的登记图案372。

在步骤S63中，激光头111在加工控制部213的控制下进行加工。即，激光头111在加工控制部213的控制下，对工件的规定的位置进行加工工艺信息所示标记的加工。

在步骤S64中，与图11的步骤S3的处理同样地对加工区域进行拍摄。由此，能够获取包括加工后的工件的观察用图像。

在步骤S65中，与图11的步骤S4的处理同样地进行图案匹配。即，通过图案匹配，对工件的加工状态进行检查。更具体而言，检查工件的加工状态是否处于登记图案所示的状态。

在步骤S66中，与图18的步骤S35的处理同样地，判定一致度是否为阈值以上。例如，如图23所示，在步骤S63中对工件351的大致中央进行了与图21的标记361相同形状的标记Mc的打标加工的情况下，由工件351和标记Mc构成的图案非常接近于图22的登记图案372。因此，在这样的情况下，会判定为一致度为阈值以上，即判定为加工状态正常，并结束加工处理。

另一方面，例如，如图24所示，在标记Md的加工位置偏离工件351的中央的情况下，由工件351和标记Md构成的图案与图22的登记图案372之间的差异大。因此，在这样的情况下，在步骤S66中，判定为一致度小于阈值，即判定为加工状态异常，并进入步骤S67的处理。

在步骤S67中，图像处理部212输出异常信号。即，图像处理部212生成用于表示工件的加工状态为异常的异常信号并进行输出。然后，例如通过基于该异常信号来点亮在激光打标机101的外部设置的警告灯等的方法，通知工件的加工发生了异常。

这样，在激光打标机101中，利用包括整个加工区域或加工区域内的大范围区域的高画质的观察用图像，通过图案匹配能够高精度地进行加工状态的检查。

(加工区域和观察区域的中心错位的修正方法)

接下来，参照图25以及图26，对激光打标机101的加工区域和观察区域的中心错位的修正方法进行说明。

在向激光头111安装附属装置112时，如图25的上图所示，有时会在加工区域401的中心C1和观察区域402的中心C2之间产生错位。该错位的大小(错位量)，例如能够通过如下的方法来进行检测。

例如，首先，激光头111在加工控制部213的控制下，对加工区域401的中心C1进行加工。由此，如图25的中央图所示，在加工区域401的中心C1形成了加工点Me。

接下来，摄像头161在拍摄控制部211的控制下，对形成有加工点Me的加工区域进行拍摄。然后，图像处理部212通过边缘提取、图案匹配等的任意方法，检测出观察用图像内的加工点Me。进而，图像处理部212检测出所检测的加工点Me和观察用图像的中心C2之间的错位量ΔX及ΔY，来作为加工区域401的中心C1和观察区域402的中心C2之间的错位量。

在该错位的修正中，例如通过调整摄像头161及透镜162的位置、反射镜163的角度来调整观察区域的位置，能够以机械的方式修正错位。

此时，例如也可以基于所检测的错位量来自动调整反射镜163的角度，由此调整错位。

另外，如图26所示，也可以通过图像处理来进行错位的修正。例如，图像处理部212将观察区域402内的图像(即，观察用图像)中使用的区域限定为，中心C3与加工区域401的中心C1相一致的区域403。具体而言，例如，图像处理部212从观察用图像剪切区域403内的图像来输出至后段。然后，例如在对图像处理部212所输出的图像进行显示的情况下，所显示的图像(即，观察区域)的中心变得看上去与加工区域401的中心C1相一致。

由此，在不对摄像头161、透镜162或反射镜163的位置及角度进行调整的情况下，也能够对加工区域的中心和观察区域的中心之间的错位进行修正。

(针对观察用图像的梯形畸变的解决对策)

接下来，参照图27以及图28，说明一下针对观察用图像的梯形畸变的解决对策。

在激光打标机101中，借助反射镜163来从斜上方拍摄工件，所以在透镜162为非远心透镜(non-telecentric lens)的情况下，如图27的上图所示，观察用图像发生梯形畸变。即，例如在对矩形的工件进行拍摄的情况下，在观察用图像上的工件的像451的宽度越到上面越窄。

对此，首先可以考虑到透镜162采用远心透镜(telecentric lens)。由此，如图27的下图所示，在观察用图像中，工件的像452不会发生梯形畸变，像452的形状呈矩形。

此外，图3的激光打标机61也可以采用远心透镜。但是，与激光打标机61相比，激光打标机101相对于加工面S的拍摄角度更小，所以梯形畸变程度低，因此远心透镜所带来的效果更好。

另外，例如，也可以通过图像处理部212，对观察用图像进行用于消除梯形畸变的图像处理。例如，图像处理部212利用由下面额公式(1)以及(2)定义的仿射变换(affinetransformation)，将观察用图像内的各像素的坐标(x，y)变换为坐标(x'，y')。

x'＝a*x+b*y+c…(1)

y'＝d*x+e*y+f…(2)

其中，公式(1)以及(2)中的a～f为规定的系数。

然后，图像处理部212通过利用在原观察用图像中位于坐标(x'，y')的周围的4个像素的像素值的双线性插值算法(bilinear interpolation)等，来求出变换后的坐标(x'，y')的像素值，由此生成变换后图像。

这样，即使不使用昂贵的远心透镜，如图28所示，就能够通过消除梯形畸变来得到变为矩形的工件的像461。

(观察用图像的翻转处理)

另外，在激光打标机101中，摄像头161拍摄得到被反射镜163反射后的像。因此，如图29的上图所示，与以肉眼从拍摄方向观察时的情况相比，观察用图像中的工件的像471在上下方向上发生了翻转。因此，例如也可以由图像处理部212对观察用图像进行翻转处理，使得如图29的下图所示那样，观察用图像中的工件的像471的上下方向与以肉眼从拍摄方向观察时的情况相一致。

(加工高度的调整方法)

接下来，参照图30至图33，对激光打标机101的加工高度的调整方法进行说明。

首先，参照图30以及图31，对利用从光源157出射的焦点指示光Lf来调整加工高度的情况进行说明。此外，在下面的说明中，假设加工面S2与观察系统焦平面相一致，加工面S1位于比加工面S2更高的位置，加工面S3位于比加工面S2更低的位置。另外，将加工面S1、S2、S3上的焦点指示光Lf的照射点分别设为照射点Pf1、Pf2、Pf3。

图31示意性地示出了利用摄像头161对照射有焦点指示光Lf的加工面S1至S3进行拍摄得到观察用图像的例子。左端为拍摄加工面S1得到的观察用图像，中央为拍摄加工面S2得到的观察用图像，右端为拍摄加工面S3得到的观察用图像。

在与观察系统焦平面相一致的(最佳焦点(just focus)的)加工面S2的观察用图像中，照射点Pf2位于上下方向的大致中央。另一方面，在位于比加工面S2更高的位置的加工面S1的观察用图像中，照射点Pf1位于上下方向的中央的下方。而且，观察用图像内的照射点Pf1的位置，以与从观察系统焦平面到加工面S1的距离成正比的方式向下方偏离。另外，在位于比加工面S2更低的位置的加工面S3的观察用图像中，照射点Pf3位于上下方向的中央的上方。而且，观察用图像内的照射点Pf3的位置，以与从观察系统焦平面到加工面S3的距离成正比的方式向上方偏离。

因此，例如通过由图像处理部212检测出观察用图像内的焦点指示光Lf的照射点在上下方向上的位置，能够检测以观察系统焦平面为基准的加工面的高度。然后，例如由加工控制部213控制3D光学系统22来将加工用激光在Z轴方向上的聚光位置(加工光学系统的焦点位置)调整到所检测的加工面的高度，由此能够恰当地调整加工高度。

接下来，参照图32以及图33，对利用从光源152出射的导向激光Lg来调整加工高度的情况进行说明。此外，在下面的说明中，如图32所示，将加工面S1、S2、S3上的导向激光Lg的照射点分别设为照射点Pg1、Pg2、Pg3。此外，加工面S1、S2、S3的位置与图30相同。

另外，图33示意性地示出了利用摄像头161对照射有导向激光Lg的加工面S1至S3进行拍摄得到的观察用图像的例子。左端为拍摄加工面S1得到的观察用图像，中央为拍摄加工面S2得到的观察用图像，右端为拍摄加工面S3得到的观察用图像。

相对于加工面的高度的观察用图像中的导向激光Lg的照射点的位置，呈现与焦点指示光Lf同样的倾向。即，在与观察系统焦平面相一致的(最佳焦点的)加工面S2的观察用图像中，照射点Pg2位于上下方向的大致中央。

另一方面，在加工面S1的观察用图像中，照射点Pg1的位置以与从观察系统焦平面到加工面S1的距离成正比的方式相下方偏离。另外，在加工面S3的观察用图像中，照射点Pg3的位置以与从观察系统焦平面到加工面S3的距离成正比的方式向上方偏离。

因此，与利用焦点指示光Lf的情况同样地，通过由图像处理部212检测出观察用图像内的导向激光Lg的照射点在上下方向上的位置，能够检测以观察系统焦平面为基准的加工面的高度。然后，例如通过由加工控制部213控制3D光学系统22来将加工用激光在Z轴方向上的聚光位置(加工光学系统的焦点位置)调整到所检测的加工面的高度，能够恰当地调整加工高度。

此外，例如在图1的激光打标机1中想要利用导向激光来检测加工面的高度的情况下，经由电控光束扫描镜24来观察导向激光的像。因此，如图34所示，即使是加工面的高度改变，观察用图像中的导向激光的照射点在上下方向上的位置几乎也不会发生变化。因此，在激光打标机1中，无法仅利用导向激光来调整加工高度。此外，在激光打标机1中，例如基于导向激光和焦点指示光的照射位置是否一致，来对加工高度进行调整。

<2.第二实施方式>

接下来，参照图35，对本发明的第二实施方式进行说明。

{激光打标机501的结构例}

图35示意性地示出了本发明的激光加工装置的第二实施方式的激光打标机501的光学系统的结构例。此外，在该附图中，针对与图7的激光打标机101相对应的部分标注了相同的附图标记。

激光打标机501，是在激光打标机101上追加了固定装置511及照明装置512的装置。照明装置512通过固定装置511安装于激光头111的底面的前方。即，以加工用激光从激光头111出射的出射位置为基准，照明装置512安装于与反射镜163相反的一侧。此外，可以将固定装置511及照明装置512收容在用于收容摄像头161、透镜162以及反射镜163的附属装置，或者也可以收容在另外的附属装置内。

照明装置512用作从倾斜方向对加工面S照射照明光Le1的落射式照明。另外，照明装置512的位置以及倾斜度(照明光Le1的出射方向)被调整为：在加工面S与观察系统焦平面相一致的情况下，来自照明装置512的照明光Le1在加工面S上的正反射光的中心轴与观察用光学系统的光轴相一致。

由此，仅利用正反射光就能够观察工件，所以例如通过观察来自工件的加工面S的正反射光，能够判定工件的表面为镜面还是粗糙面。

此外，就图1的激光打标机1而言，被加工面S反射的照明光经由电控光束扫描镜24入射至观察用光学系统25。因此，在激光打标机1中，来自加工面S的正反射光不一定入射至观察用光学系统25，而且正反射光以外的反射光也会入射至观察用光学系统25。因此，例如通过如上所述的方法，无法对工件的表面进行判定。

另外，照明装置512设置于激光头111的底面，所以能够防止设置面积变大。

<3.第三实施方式>

接下来，参照图36，对本发明的第三实施方式进行说明。

{激光打标机601的结构例}

图36示意性地示出了本发明的激光加工装置的第三实施方式的激光打标机601的光学系统的结构例。此外，在该附图中，针对与图7的激光打标机101相对应的部分标注了相同的附图标记。另外，省略了关于激光头111内的光源157的图示。

激光打标机601与激光打标机101的区别点在于，在激光打标机601的激光头111的底面安装了附属装置611以替代附属装置112。

附属装置611包括摄像头161、透镜621以及反射镜622。此外，在该例子中，举例示出了将反射镜622收容在用于收容摄像头161以及透镜621的附属装置611内，但是例如可以收容在另外的附属装置内，或者也可以不收容在附属装置内而直接安装在激光头111的底面。

在激光打标机601中，以使加工用激光经过透镜621和反射镜622之间的方式设置有透镜621和反射镜622。由此，摄像头161和反射镜622之间的空间变大，所以对透镜的尺寸的限定程度变低。因此，如图36所示，例如可以设置比激光打标机101的透镜162更大型的透镜621。

由此，能够实现如使观察用图像变得更加清晰等那样的画质的提高。另外，随着观察用图像画质的提高，能够进行高精度的图像处理，所以例如能够提高加工位置的定位精度。

另外，与激光打标机101的反射镜163相比，能够将622设置成更接近于垂直的方向。因此，以不遮挡加工用激光的方式设置反射镜622变得容易。

另一方面，能够使激光打标机101的反射镜163比激光打标机601的反射镜622更加小型化。或者，在将反射镜163和反射镜622的尺寸做成相同的情况下，激光打标机101的观察区域更大，所以能够拍摄更大范围的区域。

<4.第四实施方式>

接下来，参照图37，对本发明的第四实施方式进行说明。

{激光打标机701的结构例}

图37示意性地示出了本发明的激光加工装置的第四实施方式的激光打标机701的光学系统的结构例。此外，在该附图中，针对与图36的激光打标机601相对应的部分标注了相同的附图标记。

激光打标机701，是与图35的激光打标机501同样地利用正反射光来观察工件的装置。具体而言，激光打标机701与激光打标机601的区别点在于，在激光打标机701的激光头111的底面安装有附属装置711以替代附属装置611。附属装置711与附属装置611的区别点在于，在附属装置711上安装有透镜721以替代透镜621，并追加有固定装置722以及照明装置723。

以加工用激光从激光头111出射的出射位置为基准，照明装置723在反射镜622相反的一侧通过固定装置722安装于激光头111的底面。此外，也可以采用图36的透镜621来替代透镜721，但为了使附图变得易懂而示出了设置了比透镜621小型的透镜721的例子。另外，在该例子中，示出了将反射镜622、固定装置722以及照明装置723收容在用于收容摄像头161以及透镜721的附属装置711内的例子，但例如可以收容在另外的附属装置内，或也可以不收容在附属装置内而直接安装于激光头111的底面。

与图35的激光打标机501的照明装置512同样地，照明装置723也用作从斜方向对加工面S照射照明光Le2的落射式照明。另外，照明装置723的位置以及倾斜度(照明光Le2的出射方向)被调整为：在加工面S与观察系统焦平面相一致的情况下，来自照明装置723的照明光Le2在加工面S上的正反射光的中心轴与观察用光学系统的光轴相一致。

由此，与图35的激光打标机501同样地，能够利用正反射光来观察工件，所以例如通过观察来自工件的加工面S的正反射光，能够评定工件的表面为镜面还是粗糙面。

另外，由于照明装置723设置于激光头111的底面，能够防止设置面积变大。

<5.变形例>

下面，对上述的本发明的实施方式的变形例进行说明。

在以上的说明中，示出了将本发明适用于激光打标机的例子，但也可以将本发明适用于具有观察用光学系统的激光打标机以外的各种激光加工装置(例如，用于进行打孔加工、切断加工、二维加工、三维加工、激光修补(Laser Repair)等的装置)中。

另外，在以上的说明中，举例示出了利用图案匹配来检测出观察区域内的工件的例子，但也可以检测出工件内的规定的图案并以检测出的图案为基准设定加工位置。而且，例如，也可以通过边缘提取、特征点提取等的图案匹配以外的图像处理的方法，来检测出工件或工件内的图案。

另外，例如，可以将观察用光学系统的一部分或整个观察用光学系统设置于激光头111。但是，即使是这样的情况下，也优选将观察用光学系统在高度方向上配置于电控光束扫描镜156和加工面S之间。

而且，例如，也可以将激光振荡器151设置于激光头111的外部。

另外，例如，可以省略激光头111的光源152及光源157中的一个或两个。

而且，例如，也可以通过设置在激光打标机外部的计算机等，来实现控制部201的一部分功能或全部功能。

另外，上述的控制部201的一系列的处理，可以通过硬件来执行，也可以通过软件来执行。在通过软件来执行一系列的处理的情况下，在计算机内安装用于构成该软件的程序。这里，计算机包括嵌入于专用硬件内的计算机、能够通过安装各种程序来执行各种功能的例如通用的个人计算机等。

另外，在提供计算机所执行的程序时，例如可以存储于作为套装存储介质(package-media)等的可移动存储介质中来提供。另外，在提供程序时，也可以通过局域网、因特网、数字卫星广播(Digital Satellite Broadcasting)等有线或无线的传送介质来提供。

此外，计算机所执行的程序，可以是按照本说明书中的说明顺序沿着时间顺序进行处理的程序，也可以是并列进行处理的程序或者在被呼出时等的需要的时刻进行处理的程序。

另外，本发明的实施方式并不仅限定于此上述的实施方式，而在不脱离本公开内容的宗旨的范围内，能够进行各种变更。

Claims (20)

1.一种激光加工装置，具有用于出射激光且包括扫描单元的激光头，该激光用于对成为加工对象的工件进行加工，该扫描单元利用所述激光在所述工件的加工面上进行扫描，该激光加工装置的特征在于，

该激光加工装置具有观察用光学系统；

该观察用光学系统包括：

摄像头，

透镜，用于使所述加工面的像成像在所述摄像头的拍摄器件上，以及

反射镜，用于反射来自所述加工面的光入射至所述透镜；

所述观察用光学系统安装于所述激光头的底面，

所述反射镜配置于所述激光和所述透镜之间，

所述激光加工装置具有：

图像处理部，用于对作为由所述摄像头拍摄的图像的观察用图像进行图像处理，以及

加工控制部，基于对所述观察用图像的图像处理结果，控制对所述工件的加工，

所述图像处理部基于利用所述激光加工的加工区域的中心和所述摄像头的拍摄范围的中心之间的错位量，将所述观察用图像中使用的区域限定为中心与所述加工区域的中心相一致的区域。

2.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有从斜上方对所述加工面照射照明光的照明装置，

所述照明装置设置成：在所述观察用光学系统的对焦面上的所述照明光的正反射光与所述观察用光学系统的光轴相一致。

3.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述透镜为远心透镜。

4.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述加工控制部基于对所述观察用图像的图像处理结果，设定加工位置。

5.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部基于对所述观察用图像的图像处理结果，判定是否要实施加工。

6.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部基于对加工后的所述工件进行拍摄得到的所述观察用图像的图像处理结果，对所述工件的加工状态进行检查。

7.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部对所述观察用图像的梯形畸变进行修正。

8.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部对所述观察用图像进行上下方向的翻转。

9.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有第一光源，该第一光源朝向所述观察用光学系统的对焦面上的利用所述激光加工的加工区域的中心，从斜方向出射规定的第一测定用光，

所述图像处理部在对照射有所述第一测定用光的所述加工面进行拍摄得到的所述观察用图像上，检测所述第一测定用光的照射位置，

所述加工控制部基于所述观察用图像上的所述第一测定用光的照射位置，对用于出射所述激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

10.如权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有第二光源，该第二光源经由所述扫描单元将规定的第二测定用光照射至所述加工面上，

所述图像处理部在对照射有所述第二测定用光的所述加工面进行拍摄得到的所述观察用图像上，检测所述第二测定用光的照射位置，

所述加工控制部基于所述观察用图像上的所述第二测定用光的照射位置，对用于出射所述激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

11.一种激光加工装置，具有用于出射激光且包括扫描单元的激光头，该激光用于对成为加工对象的工件进行加工，该扫描单元利用所述激光在所述工件的加工面上进行扫描，该激光加工装置的特征在于，

该激光加工装置具有观察用光学系统；

该观察用光学系统包括：

摄像头，

透镜，用于使所述加工面的像成像在所述摄像头的拍摄器件上，以及

反射镜，用于反射来自所述加工面的光入射至所述透镜；

所述观察用光学系统安装于所述激光头的底面，

所述激光经过所述透镜和所述反射镜之间，

所述激光加工装置具有：

图像处理部，用于对作为由所述摄像头拍摄的图像的观察用图像进行图像处理，以及

加工控制部，基于对所述观察用图像的图像处理结果，控制对所述工件的加工，

所述图像处理部基于利用所述激光加工的加工区域的中心和所述摄像头的拍摄范围的中心之间的错位量，将所述观察用图像中使用的区域限定为中心与所述加工区域的中心相一致的区域。

12.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有从斜上方对所述加工面照射照明光的照明装置，

所述照明装置设置成：在所述观察用光学系统的对焦面上的所述照明光的正反射光与所述观察用光学系统的光轴相一致。

13.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述透镜为远心透镜。

14.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述加工控制部基于对所述观察用图像的图像处理结果，设定加工位置。

15.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部基于对所述观察用图像的图像处理结果，判定是否要实施加工。

16.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部基于对加工后的所述工件进行拍摄得到的所述观察用图像的图像处理结果，对所述工件的加工状态进行检查。

17.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部对所述观察用图像的梯形畸变进行修正。

18.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

所述图像处理部对所述观察用图像进行上下方向的翻转。

19.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有第一光源，该第一光源朝向所述观察用光学系统的对焦面上的利用所述激光加工的加工区域的中心，从斜方向出射规定的第一测定用光，

所述图像处理部在对照射有所述第一测定用光的所述加工面进行拍摄得到的所述观察用图像上，检测所述第一测定用光的照射位置，

所述加工控制部基于所述观察用图像上的所述第一测定用光的照射位置，对用于出射所述激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

20.如权利要求11所述的激光加工装置，其特征在于，

该激光加工装置还具有第二光源，该第二光源经由所述扫描单元将规定的第二测定用光照射至所述加工面上，

所述图像处理部在对照射有所述第二测定用光的所述加工面进行拍摄得到的所述观察用图像上，检测所述第二测定用光的照射位置，

所述加工控制部基于所述观察用图像上的所述第二测定用光的照射位置，对用于出射所述激光的加工光学系统的焦点的位置进行调整。

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