CN107303625A - 激光加工机及激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明的激光加工机具备：发出加工用激光的激光振荡器，将加工用激光照射到工件上的照射光学系统，多个激光元件配置成阵列状、利用多个激光元件的输出发出照明用激光的激光器阵列，利用激光器阵列发出的照明用激光照亮工件的照明光学系统，以及拍摄照明光学系统利用照明用激光照亮的工件的拍摄部。

Description

激光加工机及激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工机及激光加工方法。

背景技术

激光加工机用于工件的切割、焊接等。在激光加工机中，从提高工件的加工品质等观点出发，存在从拍摄加工中的工件的拍摄图像掌握加工状态的技术。此时，若伴随激光加工从工件发出的强光(金属熔化产生的发光、伴随金属蒸发的等离子光等)作为干扰光而入射到镜头中的话，则该干扰光成为图像上的噪点，难以高精度地掌握加工状态。因此，摄像机的照明光源的照度与其干扰光相比相对地明亮比较合适。

但是，在经由光学系统利用照明光源的照明光照亮工件的情况下，要求沿着光学系统的光路提高平行度(增强直进性)，以便减少光路中的损失。一般来说，为了获得平行度高的光线，要求照明光源发光面积小和发散角度窄。作为满足以上条件的照明光源可以考虑激光光源。

但是，由于激光为相干光(相干特性强的光)，因此伴随光学系统(各光学部件)表面的反射或者工件表面的反射，拍摄时有时观察到干涉条纹或散斑图案。该干涉条纹或散斑图案成为摄影图像中的噪点，存在给加工状态的掌握带来不良影响的风险。作为有关这一点的技术，提出过对加工中的工件进行拍摄时的照明中使用非相干照明的技术。上述技术中作为照明用的光源之一列举了激光光源，作为降低激光的相干性的方法，列举了将多种不同的激光叠加的方法。

发明内容

但是，上述技术中并未研究将多种激光叠加的具体方法，例如若使来自多个激光振荡器的激光入射到光纤中，将多条光纤捆扎进行混合，则招致了装置结构复杂化或大型化，招致装置成本增加等。本发明就是鉴于以上情形而完成的，以能够用节省空间的结构获得加工对象工件的高品质的拍摄图像为目的。

本发明的激光加工机具备：发出加工用激光的激光振荡器，将加工用激光照射到工件上的照射光学系统，多个激光元件配置成阵列状、利用这些多个激光元件的输出发出照明用激光的激光器阵列，利用激光器阵列发出的照明用激光照亮工件的照明光学系统，以及拍摄照明光学系统利用照明用激光照亮的工件的拍摄部。

本发明的激光加工方法包含：发出加工用激光、将加工用激光照射到工件上、从多个激光元件配置成阵列状的激光器阵列中利用多个激光元件的输出发出照明用激光、利用激光器阵列发出的照明用激光照亮工件、拍摄被照明用激光照亮的工件。

根据本发明，由于将多个激光元件配置成阵列状的激光器阵列作为照明光源，因此照明光的相干性(相干特性)低，能够抑制散斑图案等成像到拍摄图像中，同时能够结构紧凑地构成照明光源。并且能够利用作为激光光源的优点的平行度高的光线抑制光路中的损失，能够确保工件表面上足够的照度。因此能够以省空间的结构对加工对象的工件获取高品质的拍摄图像。

而且，本发明适于如下地构成。即，在激光器阵列中，多个激光元件二维排列。由此，能够照明在平面状的宽阔的范围内。

而且，本发明适于如下地构成。即，在激光器阵列中，多个激光元件分别为垂直谐振器面发光型激光元件。由此，由于垂直谐振器面发光型激光能够高密度地阵列化，因此能够节省空间并且用高照度照亮工件，能够获得高品质的拍摄图像。

而且，本发明适于如下地构成。即，激光器阵列配置在激光器阵列所发出的照明用激光经由照明光学系统成像的焦点与工件表面不同的位置上。由此，来自多个激光元件的每一个的激光的光点因散焦而扩散，光点的一部分与相邻的光点重合，由此提高照度的均匀性。

而且，本发明可以如下地构成。即，还具备形成有经由照明光学系统向工件出射照明用激光的出射口的喷管，激光器阵列以焦点位于比工件表面靠喷管一侧的状态配置。而且，本发明适于如下地构成。即，还具备包含喷管的加工头，激光器阵列配置在上述焦点收纳在上述加工头内部的位置上。由此，虽然由指定的支承台支承的工件表面与喷管之间的距离关系因工件的加工条件等而变动，但由于焦点位于加工头内部，因此能够确实地从工件表面散焦。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备能够变更照明光学系统的光轴方向上激光器阵列与照明光学系统的相对位置关系的位置变更部。由此，由于能够调整散焦量，因此能够调整照明光学系统的焦点处的照度的均匀性。

而且，本发明适于如下地构成。即，照明光学系统具备：从激光器阵列入射照明用激光的准直器，以及从准直器入射照明用激光的聚光透镜；位置变更部能够变更上述激光器阵列与上述准直器的相对位置关系。由此，由于能够利用激光器阵列与准直器的相对移动调整散焦量，因此能够例如与聚光透镜的位置相独立地调整散焦量(デフォーカス量)。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备配置在激光器阵列与工件之间的光路上的散射部件。由此，能够利用散射部件将来自多个激光元件中的每一个的激光扩散，在照明光学系统的焦点上利用来自激光元件的激光产生的光点的一部分与相邻的光点重合来提高照度的均匀性。

而且，本发明适于如下地构成。即，散射部件配置在激光器阵列与照明光学系统之间的光路上。由此，由于散射部件配置在照明光学系统的入射一侧，因此能够消除例如加工用激光的光路或者从工件向着拍摄部光线的光路与散射部件之间的干涉。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备配置在散射部件与照明光学系统之间的光路上的光阑部件。由此，能够利用光阑部件遮挡被散射部件扩散的照明用激光的一部分，能够抑制因扩散的照明用激光产生杂散光。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备散热部件，该散热部件与驱动激光器阵列的驱动部和激光器阵列接触。由此，驱动部和激光器阵列能够共用散热部件，能够例如减少零部件的数量和节省空间地配置驱动部和激光器阵列。

而且，本发明适于如下地构成。即，驱动部和激光器阵列夹着散热部件地配置，利用经由贯穿散热部件的孔的布线电连接。由此，能够缩短驱动部与激光器阵列的布线，能够例如减少布线中的电力损失。

而且，本发明适于如下地构成。即，激光器阵列被脉冲驱动，拍摄部与激光器阵列的脉冲驱动同步地执行拍摄。由此，与激光器阵列连续地振荡的情况相比，能够例如减少激光器阵列的功耗、发热量。并且，通过维持激光器阵列的功耗和发热量并且增加激光器阵列的驱动电流，能够提高工件上的照度。并且，拍摄1帧图像时拍摄部接受来自工件的光的时间变短，能够减少工件与拍摄部相对移动时的抖动。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备内部存储照射光学系统的加工头，以及内部存储激光器阵列和照明光学系统的照明单元；照明单元拆装自由地与加工头连接。由此，能够例如根据随时间劣化或照明条件等更换照明单元。而且，通过使用由多个垂直谐振器面发光型激光元件构成的激光器阵列，能够使照明单元更结构紧凑或者更轻量，因此照明单元的拆装容易。

而且，本发明适于如下地构成。即，具备形成有经由照明光学系统出射照明用激光、并且经由照射光学系统出射加工用激光的出射口的喷管；以由激光器阵列的尺寸和照明光学系统的光学倍率确定的激光器阵列的投影区域包含喷管的出射口区域的方式构成激光器阵列和照明光学系统。由此，即使例如由于激光器阵列、照明光学系统或照射光学系统的位置偏差而使照明用激光的光轴与加工用激光的光轴偏离，也能够利用照明用激光照亮工件中想要观察的位置。

附图说明

图1为表示第1实施方式所涉及的激光加工机的图；

图2A和图2B为表示激光器阵列和垂直谐振器面发光型激光的图；

图3A和图3B为有关照明光学系统的光学倍率的说明图；

图4为表示波长选择滤波器的特性的图；

图5A和图5B为表示第1实施方式所涉及的激光器阵列、照明光学系统的一部分及散热部件的图；

图6为表示控制部和图像处理部的动作的时序图；

图7A和图7B为表示第2实施方式所涉及的激光器阵列、照明光学系统的一部分及散热部件的图；

图8为表示第3实施方式所涉及的激光器阵列、照明光学系统的一部分及散热部件的图；

图9为表示第4实施方式所涉及的照明用激光的焦点的图。

具体实施方式

下面参照附图说明实施方式。在以下各图中，使用XYZ坐标系说明图中的方向。在该XYZ坐标系中，以竖直方向为Z方向，以水平方向为X方向、Y方向。并且，在各方向(例如X方向)中，将箭头的方向称为+侧(例如+X一侧)，将其相反的一侧称为－侧(例如－X侧)。

[第1实施方式]

图1为表示本实施方式所涉及的激光加工机1的图。激光加工机1具备加工头2、加工头驱动部3、激光振荡器4、激光器阵列5、拍摄部6、图像处理部8、控制部9和存储部10。激光加工机1通过例如数值控制对工件W实施切割加工。控制部9依照例如数值控制程序综合控制激光加工机1的各部分。

加工头2具有喷管11，加工用激光L1和照明用激光L2通过形成在喷管11中的出射口(贯穿喷管11的通孔)的内侧而向工件W进行照射。加工头2设置为：能够在X方向、Y方向和Z方向各方向上相对于工件W移动。加工头驱动部3具备移动部12和光学系统驱动部13。加工头驱动部3由控制部9控制，利用移动部12使加工头2沿X方向、Y方向和Z方向各方向移动。并且，加工头驱动部3由控制部9控制，利用光学系统驱动部13调整从喷管11照射的光的焦点。激光加工机1边使加工头2相对于工件W移动边从加工头2的喷管11对工件W照射加工用激光L1，通过这样进行切割加工。

激光振荡器4产生例如红外激光作为加工用激光L1。在加工头2的内部设置照射光学系统15，照射光学系统15通过将激光振荡器4产生的加工用激光L1向着工件W引导来使该加工用激光L1通过喷管11的出射口对工件W进行照射。照射光学系统15具备光纤16、准直器17、光束分光器18和聚光透镜19。光纤16的一端(光入射一侧的端部)与激光振荡器4连接，其另一端(光出射一侧的端部)与加工头2连接。来自激光振荡器4的加工用激光L1经由光纤16导入加工头2。

准直器17将来自激光振荡器4的加工用激光L1变换成平行光或近似平行光。准直器17以例如使其物体侧(光入射一侧)的焦点(后述的照明侧焦点)与光纤16的光出射一侧的端部的位置一致的方式配置。光束分光器18配置在通过了准直器17的加工用激光L1入射的位置上。光束分光器18为具有反射加工用激光L1、并且透射照明用激光L2(后述)的特性的波长选择镜(例如二向色反射镜)。光束分光器18以相对于准直器17的光轴17a约45°的角度倾斜。光束分光器18越向+Z一侧越向+X一侧地倾斜。

聚光透镜19配置在来自光束分光器18的加工用激光L1入射的位置上。通过准直器17的加工用激光L1被光束分光器18反射，光路从X方向向Z方向(－Z一侧)弯折约90°，入射到聚光透镜19中。聚光透镜19聚集来自准直器17的加工用激光L1。加工头驱动部3的光学系统驱动部13使例如聚光透镜19沿聚光透镜19的光轴19a移动，通过这样能够调节照射光学系统15的工件一侧的焦点(后述工件侧焦点)。照射光学系统15的焦点离工件W的表面越远(散焦量越大)，工件W表面上加工用激光L1的光点直径越大。

若工件W表面的加工用激光L1的光点直径变化，则由加工用激光L1形成的工件W上的切割槽的宽度(切口宽度、切割宽度)变化。

实施方式所涉及的激光加工机1边用照明用激光L2对工件W进行照明边对工件W进行摄影，通过这样能够获取有关加工状态的信息。激光器阵列5发出波长与加工用激光L1不同的光作为照明用激光L2。并且，激光器阵列5与后述照明光学系统25的一部分(准直器26等)一起构成为照明单元28(存储在照明单元28的框体内)。照明单元28拆装自由地连接到加工头2上。由此，在将照明单元28连接到加工头2上的情况下，由于是包含与以往的半导体激光器相比重量轻的照明光源(激光器阵列5)的单元结构，因此减轻携带的负担。

图2(A)为表示激光器阵列5的外观的图，图2(B)为概略地表示垂直谐振器面发光型激光的构造的图。如图2(A)所示，激光器阵列5具备多个垂直谐振器面发光型激光元件(Vertical Cavity Surface Emitting LASER、以下称为“VCSEL”)，利用多个垂直谐振器面发光型激光元件的输出发出照明用激光L2。多个VCSEL21在与YZ面平行的平面上呈二维状配置在基板上。多个VCSEL21像图2(A)所示那样配置在大致圆形的区域内，但也可以排列成矩形或者线形，其排列模式是任意的。激光器阵列5所具备的VCSEL21的数量是任意的，有例如在1mm×1mm的芯片上排列512个VCSEL21的情况。并且，与端面发光型激光元件相比较，VCSEL容易高密度地阵列化，由于能够在半导体制造工序中的元件分离前在晶圆片上进行测试，因此即使不劈开也能够制造半导体激光器，能够降低成本。另外，垂直谐振器面发光型激光元件沿与安装该激光元件的基板面垂直的方向出射激光。端面发光型激光元件沿与安装该激光元件的基板面平行的方向出射激光。

如图2(B)所示，VCSEL21具备一对谐振镜22a、22b和配置在一对谐振镜22a、22b之间的发光层23。一对谐振镜22a、22b中的开孔(光出射开口)一侧的谐振镜22a具有反射预定波长的光的特性。发光层23的各部分通过提供驱动电力变成受激状态，当返回到基底状态时发出光。发光层23发出的光中上述预定波长的光被一对谐振镜22a、22b分别反射，通过这样在一对谐振镜22a、22b之间往返数次。由此，在发光层23中产生诱导发光，在其增益超过1时进行激光振荡。谐振镜22a对预定波长的光的反射率设定为在增益超过1的范围内反射率小于100％，由激光振荡生成的预定波长的照明用激光L2的一部分通过谐振镜22a从开孔向外部出射。

从多个VCSEL21中的每一个出射的激光L2a的位相在每一个VCSEL21一致，但相对于其他的VCSEL21是随机的，一般情况下偏离其他的VCSEL21的位相。即，从多个VCSEL21出射的全部照明用激光L2具有与激光器阵列5中设置的VCSEL21的数量相对应的色散，与从单一的激光元件出射的激光相比较，相干性(相干特性)低。并且，从多个VCSEL21中的每一个出射的激光L2a的波长取决于一对谐振镜22a、22b之间的光学距离、发光层23的组成等。上述光学距离、发光层23的组成等即使设计上的值在多个VCSEL21中相同，但由于制造误差等，存在偏差。因此，从多个VCSEL21出射的全部照明用激光L2与从单一的激光元件出射的激光相比，波长宽度(例如半值宽度)宽，相干性低。

回到图1的说明，在加工头2的内部设置照明光学系统25，照明光学系统25利用激光器阵列5产生的照明用激光L2照亮工件W(通过将照明用激光L2向工件W引导，使该激光通过喷管11的出射口对工件W进行照射)。照明光学系统25具备准直器26、半透半反镜27、光束分光器18和聚光透镜19。其中，照明光学系统25与照射光学系统15共用光束分光器18和聚光透镜19，经由聚光透镜19进行落射照明。照明光学系统25的光出射一侧的光轴(聚光透镜19的光轴19a)与照射光学系统15的出射一侧的光轴(聚光透镜19的光轴19a)同轴，照明用激光L2通过与加工用激光L1相同的光路照射到工件W。并且，照明光学系统25具有物体侧的焦点(以下称为“照明侧焦点”)和从照明侧焦点发出的光经由照明光学系统25聚集的图像侧的焦点(以下称为“工件侧焦点”)，这些焦点光学上具有共轭的位置关系。因此，通过例如将工件侧焦点设定在工件W的表面上，在对应的照明侧焦点的位置配置光源，能够经由照明光学系统25聚光在工件W的表面上。

准直器26配置在从激光器阵列5入射照明用激光L2的位置上。准直器26将来自激光器阵列5的照明用激光L2变换成平行光或近似平行光。在使照明光学系统25的工件侧焦点与工件的目标位置一致的情况下，准直器26以例如使其照明侧焦点与激光器阵列5(图2的VCSEL21)的位置一致的方式配置。

半透半反镜27配置在通过准直器26的照明用激光L2入射的位置上。半透半反镜27为具有反射照明用激光L2的一部分、透射一部分的特性的反射和透射部件。半透半反镜27以例如照明用激光L2中的透射光的比例为约50％、反射光为约50％的方式设定。半透半反镜27以约45°的角度倾斜于准直器26的光轴26a。半透半反镜27以越向着+Z一侧越朝向－X一侧的方式倾斜。

通过了准直器26的照明用激光L2的一部分被半透半反镜27反射，光路从X方向向Z方向(－Z一侧)弯折约90°，入射到光束分光器18。如上所述，半透半反镜27相对于聚光透镜19的光轴朝一个方向(例如越向着+Z一侧越朝向－X一侧的方向)倾斜，光束分光器18(波长选择镜)相对于聚光透镜19的光轴朝与半透半反镜27倾斜的方向相反的方向(例如越向着+Z一侧越朝向+X一侧的方向)倾斜。透过光束分光器18和半透半反镜27的光通过在光束分光器18中折射，光路移位，通过在半透半反镜27中的折射，光路移位。在光束分光器18和半透半反镜27之间相对于光轴19a的倾斜互相相反的情况下，能够利用光路在半透半反镜27中的移位来抵消光路在光束分光器18中的移位的至少一部分。

聚光透镜19配置在从光束分光器18入射照明用激光L2的位置上。聚光透镜19聚集来自光束分光器18的加工用激光L1。

在工件W上照明用激光L2照射的照明区域包含在工件W上加工用激光L1照射的照射区域地进行设定。并且，以根据激光器阵列5的尺寸和照明光学系统25的光学倍率确定的激光器阵列5的照明区域(以下称为“投影区域”)设定为包含喷管11的出射口的整个区域(与照明用激光L2的出射方向垂直的截面的整个区域)的方式构成激光器阵列5和照明光学系统25。

图3为有关照明光学系统的光学倍率的说明图。上述投影区域的尺寸D2取决于激光器阵列5的尺寸D1(排列VCSEL21的区域的尺寸)、准直器26的焦距f1和聚光透镜19的焦距f2，由以下的公式(1)决定。并且，在公式(1)中，光学倍率为f2/f1。

D2≈(f2/f1)×D1···(1)

因此，在D2大于D1的情况下，通过设定D1、f1，即使存在激光器阵列5的定位等的机械误差(位置偏差)或者光束分光器18的光轴移位，也能够利用照明用激光L2照亮工件W的想要观察的部位。图3(B)表示了变更了照明光学系统25的光学倍率时的投影区域PR1～PR5与喷管11的出射口区域AP之间的关系。另外，照明光学系统25的光学倍率通过例如选择不同f1的准直器26来变更。投影区域PR1～PR5中投影区域PR1的光学倍率最低，光学倍率依PR2、PR3、PR4、PR5的顺序为高倍率。另一方面，如果为了增大D2而将f1设定得过小，则照明不均匀变大，给工件W的观察带来不良影响。并且，如果为了增大D2而将D1设定得过大，则由于驱动电流増大，能量效率降低。因此，适于选择与f2相适应的适当的f1、D1。另外，也可以不将喷管11的出射口而将例如工件的观察部位本身作为上述投影区域的包含关系的基准。这种情况下，只要根据经验确定工件的观察部位的尺寸，能够覆盖上述投影区域就可以。

拍摄部6具备摄像光学系统31和摄像元件32。拍摄部6利用摄像元件32经由摄像光学系统31检测因照明用激光L2照明而从工件W放射的光。摄像光学系统31具备聚光透镜19、光束分光器18、半透半反镜27、波长选择滤波器33和成像透镜34。摄像光学系统31与照明光学系统25共用聚光透镜19、光束分光器18和半透半反镜27，如果使用拍摄部6的拍摄图像则能够与照明光学系统25同轴观察工件。

来自工件W的光(以下称为“返回光”)通过聚光透镜19入射到光束分光器18中。返回光包含例如照明用激光L2中的被工件W反射散射的光及加工用激光L1中被工件W反射的光。入射到光束分光器18中的返回光中的源自照明用激光L2的光通过光束分光器18入射到半透半反镜27中。并且，入射到光束分光器18中的返回光中源自加工用激光L1的光被光束分光器18反射，被从由光束分光器18向着半透半反镜27的光路中排除。

另外，在工件W的表面等存在工件W由于加工用激光L1的照射而熔化的熔融金属的情况下，返回光包含从熔融金属放射的从红色到近红外的波段的光。并且，在伴随加工用激光L1的照射引起的工件W的熔化·蒸发而产生等离子体的情况下，返回光包含从蓝色到紫外的波段的光。熔融金属或等离子体所导致的光中波长与加工用激光L1不同的光通过光束分光器18入射到半透半反镜27中。

入射到半透半反镜27中的返回光的一部分通过半透半反镜27入射到波长选择滤波器33中，一部分被半透半反镜27反射。波长选择滤波器33具有反射因照明用激光L2的照明而被工件W反射的第1波段的光的特性。并且，波长选择滤波器33具有透射因加工用激光L1的照射而从工件W放射的第2波段的光的特性。波长选择滤波器33为例如二向色反射镜或陷波滤波器。另外，也可以利用例如光量传感器等另外的检测手段检测透射的第2波段光，在与切口宽度不同的点上计测加工状态。

图4为表示波长选择滤波器33的特性的图。在图4中，横轴为波长，纵轴为波长选择滤波器33对各波长的透射率。波长选择滤波器33的反射波段R1(第1波段)设定为例如包含对照明用激光L2的波长的光强度分布中成为最大的波长的窄波段。

回到图1的说明，上述返回光中源自照明用激光L2的光被波长选择滤波器33反射，入射到成像透镜34中。由此，由于能够遮断上述返回光中包含的上述干扰光，因此提高了图像的S/N比。成像透镜34将波长选择滤波器33反射的光聚集在摄像元件32上。成像透镜34和聚光透镜19将工件W的像投影在摄像元件32上。

摄像元件32可以使用例如CCD或CMOS图像传感器，拍摄摄像光学系统31形成的像。摄像元件32中设置呈二维排列的多个像素单元，各像素单元中设置光电二极管等受光元件。摄像元件32依次读取因光入射到受光元件中而在各像素中产生的电荷(信号)，通过将该信号放大、A/D转换并排列成图像形式，生成拍摄图像的数字数据(以下称为“拍摄图像数据”)。摄像元件32将生成的拍摄图像数据输出给图像处理部8。

其中，摄像元件32保持在对准装置35上，利用对准装置35能够调整相对于摄像光学系统31的位置。例如，在与成像透镜34的光轴34a平行的方向(X方向)上摄像光学系统31的焦点(图像平面的位置)偏离摄像元件的情况下，通过利用对准装置35使摄像元件32移动，能够使摄像元件32的位置与摄像光学系统31的焦点一致。

图像处理部8能够通过有线或无线与摄像元件32通信地连接。图像处理部8对摄像元件32的拍摄结果(拍摄图像数据)进行处理。其中，图像处理部8兼作摄像元件32的控制部。图像处理部8能够通过有线或无线与控制部9通信地连接，从控制部9接收执行拍摄这一主旨的指令。图像处理部8根据来自控制部9的指令使摄像元件32执行拍摄。并且，图像处理部8从摄像元件32获取拍摄图像数据，利用使用了拍摄图像数据的图像处理生成有关加工状态的信息。例如，图像处理部8测量使用了加工用激光L1的切割加工中的切口宽度，将该测量结果作为有关加工状态的信息提供给控制部9。图像处理部8在例如检测切口宽度时对摄像元件32拍摄到的图像进行处理，在检测到相当于由激光加工形成的切割槽的边缘的边缘位置后，将图像上的边缘之间的距离(例如以像素为单位)变换成实际比例的距离(例如以mm为单位)。

在本实施方式中，由于使用排列了多个VCSEL21(参照图2)的激光器阵列5作为照明用激光L2的光源，因此照明用激光L2的相干性低，降低了干涉条纹、散斑图案写入到摄像元件32所形成的拍摄图像中。因此，图像处理部8通过使用了拍摄图像的图像处理能够高精度地检测有关加工状态的信息(例如切口宽度)。

但是，由于在VCSEL21中每单位面积的照度高、出射光狭窄(由于具有高的平行度)，因此像图2所示那样，由于排列多个VCSEL21，因此激光器阵列5中在出射照明用激光L2的端面处，光强度的分布成为按每个VCSEL21的位置而有极大的不均匀的分布。因此，若照明光学系统25的工件侧焦点与工件W表面的位置一致，则作为光源的激光器阵列5被原封不动地投影，因而工件W表面的照度变得不均匀。因此，本实施方式中将激光器阵列5配置在偏离与照明光学系统25的工件侧焦点光学共轭的照明侧焦点的位置上。换言之，将激光器阵列5配置在激光器阵列5所发出的照明用激光L2经由照明光学系统25成像的焦点与工件W的表面不同的位置上。由此，由于能够使激光器阵列5的照明用激光L2的光强度的分布变均匀，因此能够容易地观察摄像元件32的拍摄图像。

图5为表示本实施方式所涉及的激光器阵列5和照明光学系统25的一部分(作为照明单元28单元化)的图。图5(A)表示了激光器阵列5配置在了离开照明光学系统25的照明侧焦点F1的位置上的状态，图5(B)表示了激光器阵列5配置在了照明光学系统25的照明侧焦点F1的位置上的状态。准直器26固定在筒状壳体41(镜筒)上，激光器阵列5设置为：能够相对壳体41滑动。下面详细进行说明。

在本实施方式中，激光器阵列5及其驱动部42(驱动器)安装在散热部件43上。散热部件43分别与驱动部42和激光器阵列5接触。散热部件43由例如铝、铜等热传导率高、热容量小的材料构成。散热部件43具备主体部44、收容部45和散热片46。主体部44、收容部45和散热片46既可以是通过铸造等一体成型的部件，也可以是通过焊接等互相结合、不能分解的一体化部件，还可以是用螺栓等互相接合、可分解地一体化的部件。

主体部44为旋转体的形状，具有一个面44a和朝其相反方向的面44b。激光器阵列5安装在面44a上，与主体部44接触。

驱动部42由激光驱动器IC42a、印刷电路板42b和未图示的电子元器件等构成。激光驱动器IC42a为例如恒定电流脉冲驱动激光器阵列5用的IC，安装在印刷电路板42b上，与主体部44(面44b)接触。驱动部42(印刷电路板42b)利用固定部件48与主体部44固定。这样，驱动部42和激光器阵列5以例如夹着散热部件43的主体部44的方式配置。另外，为了使激光器阵列5与面44a之间以及驱动部42与面44b之间的至少一部分不出现间隙，既可以涂敷热传导性膏状物，也可以夹入散热薄片。并且，散热部件43兼作激光器阵列5的固定件和驱动部42的壳体使用，通过这样对照明单元28的小型、轻量化有效果。

在主体部44上形成有与面44a和面44b连通的通孔44c，驱动部42和激光器阵列5利用经由散热部件43的主体部44内部(通孔44c)的布线49电连接。驱动部42由图像处理部8(参照图1)进行控制，经由布线49给激光器阵列5提供电力(电流)，通过这样驱动激光器阵列5的VCSEL21。由于工件W相对于加工头2高速移动，因此为了高精度地掌握加工状态，适于以短时间的曝光进行拍摄。因此，要求以大电流脉冲驱动激光器阵列5。利用上述结构，由于能够使布线49路径最短，因此阻抗成分、电感负载成分小，激光驱动器IC42a产生的对激光器阵列5的驱动电流的提升特性变迅速，因此能够获得针对大电流的脉冲驱动的良好的性能。收容部45为将主体部44的面44b一侧的端部围起来的框形(环形)的部分。驱动部42配置在收容部45的内侧，收容部45兼作驱动部42的收容壳体。散热片46从收容部45的外周面呈放射状设置多片，通过增加散热部件43的表面积提高散热性。散热部件43为例如自然空冷，但也可以设置风扇电动机进行强制空冷。或者，散热部件43也可以水冷等那样通过热介质来散热。

主体部44以使面44a朝向准直器26的姿势插入壳体41的内侧。主体部44利用安装部件51安装到壳体41中。在壳体41上形成有沿与准直器26的光轴26a平行的方向(X方向)延伸的狭槽52，安装部件51通过狭槽52的内侧与主体部44固定。并且，安装部件51的端部(头部)比狭槽52的宽度大，抑制主体部44在与准直器26的光轴26a交叉的方向(Y方向、Z方向)上与壳体41之间的松动。散热部件43通过施加X方向的力使安装部件51在狭槽52的内侧移动。散热部件43的可动范围由狭槽52的尺寸限定。

例如，在图5(A)中，安装部件51与狭槽52的+X一侧的端部接触。在该状态下，激光器阵列5中出射照明用激光L2的位置P1与准直器26的照明侧焦点F1之间的距离(散焦量)最大。并且，在图5(B)中，激光器阵列5移动到比图5(A)靠－X一侧，安装部件51与狭槽52的－X一侧的端部接触。在该状态下，激光器阵列5中出射照明用激光L2的位置P1与准直器26的照明侧焦点F1为大致相同的位置，散焦量最小。这样，激光器阵列5(VCSEL21)以与和照明光学系统25的工件侧焦点光学共轭的焦点(照明侧焦点F1)的相对位置关系可变的方式安装。其中，使激光器阵列5(VCSEL21)经由狭槽52(位置变更部)能够相对于准直器26(照明光学系统25)移动，通过这样使激光器阵列5与照明侧焦点F1(照明光学系统25)的相对位置关系可变。另外，也可以使准直器26能够相对于激光器阵列5(VCSEL21)移动(后面用图7进行说明)。

回到图1的说明，图像处理部8兼作激光器阵列5的控制部。图像处理部8能够通过有线或无线与激光器阵列5的驱动部42(图5所示)通信地连接。图像处理部8以与摄像元件32执行拍摄的定时同步地从激光器阵列5出射照明用激光L2的方式，给激光器阵列5的驱动部42提供用来使激光器阵列5发光的控制信号(通过后述脉冲驱动来驱动激光器阵列5)。驱动部42通过仅在该控制信号有效的期间恒定电流驱动激光器阵列5使激光照射。例如，控制信号为脉冲状，图像处理部8以使有关激光器阵列5的各个脉冲的从上升到下降的期间(1个脉冲宽度的期间)中的至少一部分与摄像元件32积蓄电荷的期间(电荷积蓄期间)重复的方式，使摄像元件32执行拍摄。虽然一个脉冲宽度的期间小于电荷积蓄期间较为合适，但既可以是相同长度，也可以比电荷积蓄期间长。另外，图像处理部8也可以对摄像元件32和激光器阵列5中的至少一个不进行控制，例如，控制部9也可以替代图像处理部8控制摄像元件32和激光器阵列5中的至少一个。另外，驱动激光器阵列5的控制信号也可以从摄像元件32提供给驱动部42。

下面根据上述激光加工机1的结构说明实施方式所涉及的激光加工方法。图6为表示控制部9和图像处理部8的动作的时序图。控制部9在步骤S1中进行加工准备(预处理)。例如，控制部9装载工件W，进行辅助气体的准备。控制部9在步骤S2中给图像处理部8发送开始测量的指令。图像处理部8在步骤S3中将开始指令体现在开始检查。开始检查为例如表示是否接受了开始指令的标识。例如，开始检查的标识在没有接受开始指令的状态下为“0”，通过接受步骤S2的开始指令，切换成表示接受了开始指令的状态的“1”。

控制部9在步骤S4中使加工开始。例如，控制部9使辅助气体的喷射开始，并且从激光振荡器4输出加工用激光L1，通过这样使加工用激光L1从照射光学系统15照射到工件W上。并且，控制部9利用加工头驱动部3使加工头2移动，控制工件W中照射加工用激光L1的位置。

图像处理部8在步骤S5中判断是否开始测量。例如，在步骤S3的开始检查的标识表示是没有接受开始指令的状态的情况下，图像处理部8判定为没有开始测量(步骤S5中为否)，返回步骤S3的处理。在步骤S3的开始检查的标识表示是接受了开始指令的情况下，图像处理部8判定为开始测量(步骤S5中为是)。即，图像处理部8在从控制部9接受测量的开始指令之前反复进行步骤S5的处理，待机。

在图像处理部8判定为开始测量的情况下(步骤S5为是)，图像处理部8在步骤S6中使激光器阵列5准备成能够发光的状态。图像处理部8在步骤S7中对拍摄部6进行初始化。例如，图像处理部8在步骤S7中设定拍摄部6的快门速度等拍摄条件，使拍摄部6准备成能够拍摄的状态。

控制部9在步骤S8中将模式指定(模式指令)的信息提供给图像处理部8。模式指令为指定测量加工状态的模式的指令。这里设测量模式有2种，一种测量模式为测量切口宽度的模式(以下称为“切口宽度测量模式”)，另一种测量模式为进行其他项目的测量的模式(以下称为“其他测量模式”)进行说明。另外，测量模式既可以是1种，也可以是3种以上。

在步骤S9中，图像处理部8检查由模式指令指定的测量模式，在步骤S10中判断执行哪种测量模式。例如，图像处理部8判断模式检查所表示的测量模式是否为切口测量模式。图像处理部8在由控制部9指定的测量模式为切口测量模式的情况下判定为执行切口测量模式(步骤S10中为是)，在模式检查所表示的测量模式不是切口测量模式的情况下判定为执行其他的测量模式(步骤S10中为否)。

图像处理部8在判定为执行切口测量模式的情况下(步骤S10中为是)，在步骤S11中执行切口测量模式。在步骤S11中的步骤S12中，图像处理部8获取工件W的图像。例如，图像处理部8发送使摄像元件32执行拍摄的指令，从摄像元件32获取拍摄图像数据。图像处理部8在步骤S12中给驱动部42提供用来使激光器阵列5发光的控制信号。驱动部42仅在上述控制信号有效的期间通过恒定电流驱动激光器阵列5发出激光。在S13中，图像处理部8测量切口宽度。图像处理部8通过使用了从摄像元件32获取到的拍摄图像数据的图像处理测量切口宽度。在步骤S14中，图像处理部8输出在步骤S13中测量到的切口宽度的测量值。例如，图像处理部8将切口宽度的测量值发送给控制部9，控制部9在步骤S16中从图像处理部8获取切口宽度的测量值。控制部9例如将从图像处理部8获取到的加工状态的信息(例如切口宽度的测量值)与加工中的工件W的加工位置信息(例如加工头2的XYZ坐标值)建立关联并存储到存储部10中。

另外，图像处理部8也可以不输出测量结果，也可以例如将测量结果存储到图像处理部8内部的存储部(未图示)或存储部10等中。并且，图像处理部8在步骤S10中指定了其他的测量模式的情况，在步骤S17中执行其他的测量模式。

控制部9在步骤S18中判断是否结束加工。例如，控制部9在数值控制程序确定的所有工序结束了的情况下，判定结束加工(步骤S18中为是)，在数值控制程序确定的工序的一部分没有结束的情况下，判定为不结束加工(步骤S18中为否)。控制部9在判定为不结束加工的情况下(步骤S18中为否)，执行剩余的工序，并且返回步骤S16。控制部9在判定为结束加工的情况下(步骤S18中为是)，在步骤S19中给图像处理部8发送结束指令。图像处理部8在步骤S20中将结束指令体现在结束检查中。结束检查为例如表示是否接受了结束指令的标识。例如，结束检查的标识在没有接受到结束指令的状态下为“1”，通过接收步骤S19的结束指令切换成表示接受了结束指令的状态的“0”。

图像处理部8在步骤S21中判断是否结束测量。在步骤S20的结束检查的标识表示是没有接受结束指令的状态的情况下，判定不结束测量(步骤S21中为否)，返回步骤S10(图中用“A”表示)，反复进行步骤S10以后的处理。图像处理部8在步骤S20的结束检查的标识表示是接受了结束指令的状态的情况下，判定为结束测量(步骤S21中为是)，在步骤S22中使拍摄部6的拍摄动作结束。并且，图像处理部8在步骤S23中使照明熄灭。例如，图像处理部8给驱动部42发送使激光器阵列5的驱动停止的指令。控制部9在步骤S24中结束加工。

[第2实施方式]

说明第2实施方式。在本实施方式中，对于与上述实施方式同样的结构，添加相同的标记，省略或简化其说明。图7为表示本实施方式所涉及的激光器阵列5、照明光学系统25的一部分及散热部件43B的图。在本实施方式中，散热部件43B利用固定部件61被固定在壳体41上。即，激光器阵列5经由散热部件43B固定在壳体41上。准直器26(照明光学系统25)经由后述的狭槽64(位置变更部)能够相对于激光器阵列5移动。

准直器26保持在保持部材62上。保持部材62插入壳体41的内侧。保持部材62在与准直器26的光轴26a平行的方向(X方向)上能够相对于壳体41滑动。保持部材62利用安装部件63安装在壳体41上。在壳体41上形成有沿与准直器26的光轴26a平行的方向(X方向)延伸的狭槽64，安装部件63通过狭槽64的内侧与保持部材62固定。并且，安装部件63的端部(头部)比狭槽64的宽度大，抑制保持部材62在与准直器26的光轴26a交叉的方向(Y方向、Z方向)上与壳体41之间松动。若安装部件63在狭槽64的内侧沿X方向移动，则保持在保持部材62上的准直器26相对于壳体41沿X方向移动。准直器26的可动范围由狭槽64的尺寸限定。

例如，在图7(A)中，安装部件63与狭槽64的－X一侧的端部接触。在该状态下，激光器阵列5中出射照明用激光L2的位置P2与准直器26的照明侧焦点F1之间的距离(散焦量)最大。并且，在图7(B)中，激光器阵列5移动到比图7(A)靠+X一侧，安装部件63与狭槽64的+X一侧的端部接触。在该状态下，激光器阵列5中出射照明用激光L2的位置P2与准直器26的照明侧焦点F1位于大致相同的位置，散焦量最小。这样，激光器阵列5(VCSEL21)以例如与和照明光学系统25的工件侧焦点光学共轭的焦点(照明侧焦点F1)的相对位置关系可变的方式安装。

[第3实施方式]

说明第3实施方式。在本实施方式中，对于与上述实施方式同样的结构，添加相同的标记，省略或简化其说明。图8为表示本实施方式所涉及的激光器阵列5、照明光学系统25的一部分、散热部件43、散射部件65和光阑部件66的图。激光器阵列5、照明光学系统25的一部分和散热部件43可以与图4或图7中的同样。

在本实施方式中，在激光器阵列5与工件W(参照图1)之间的光路上配置散射部件65。散射部件65配置在激光器阵列5与照明光学系统25(准直器26)之间的光路上。散射部件65也可以例如以到激光器阵列5的距离比到准直器17的距离短的方式配置。图8中散射部件65固定在壳体41上，但也可以构成为与激光器阵列5的相对位置关系能够调整。对来自激光器阵列5的照明用激光L2进行扩散。

散射部件65既可以是例如磨砂玻璃等，也可以是衍射光栅等。

如参照图2说明过的那样，激光器阵列5排列有多个VCSEL21，在激光器阵列5中,出射照明用激光L2的端面的光强度分布成为在每个VCSEL21的位置处具有高照度部分这样的不均匀的分布。在本实施方式中，来自多个VCSEL21的照明用激光L2被散射部件65扩散，使工件W上的照度均匀化。另外，激光器阵列5(VCSEL21)与第1实施方式或第2实施方式同样，既可以相对于准直器26移动，也可以与准直器26的相对位置固定。

并且，在本实施方式中，在散射部件65与照明光学系统(准直器26)之间的光路上配置光阑部件66。光阑部件66以遮挡被散射部件65扩散的照明用激光L2中的朝向准直器26外侧的光的方式设定开口尺寸。光阑部件66例如与散射部件65一体化，固定在壳体41上。

[第4实施方式]

说明第4实施方式。在本实施方式中，对于与上述实施方式同样的结构添加相同的标记，省略或简化说明。图9为表示照明用激光的焦点的图。本实施方式中更详细地叙述照明用激光L2经由照明光学系统25成像的焦点(工件侧焦点)的散焦。

本实施方式中，激光加工机1具备利用指定的支承面支承工件W的支承部件70。如图9所示，支承部件70用多根针状棒构成，为这些针状棒的顶端成为一个整体形成指定的支承面的剑山。

其中，激光加工机1根据各种加工条件(包含例如工件W的材质等参数)对任意的工件W实施激光加工与加工条件相对应设定工件表面与加工头顶端之间的间隔(以下称为“喷管间隙”)等。因此，即使在使照明用激光F2成像的焦点离开工件表面到加工头一侧的情况下，若喷管间隙也随着加工条件的变更而变更，则存在焦点位于工件表面的风险。另外，激光加工机1具有测量喷管间隙的检测部，能够根据检测部的检测值驱动加工头以便成为任意的喷管间隙。

本实施方式中，将激光器阵列5配置在照明用激光F2的焦点收纳在加工头2的内部(包含喷管11的内部)的位置(比工件表面靠喷管一侧的位置)上。更详细为，在加工头2的内部，照明用激光F2的焦点位于喷管11的顶端与聚光透镜19之间。由此，无论喷管间隙变动与否，都能够确实地使激光器阵列5的照明用激光L2对工件的光强度分布均匀。并且，激光加工机1根据加工条件，光学系统驱动部13使聚光透镜19沿光轴19a移动。适于以照明用激光F2的焦点位于聚光透镜19的移动范围内聚光透镜19最靠近工件W一侧的靠近位置与喷管11的顶端之间的方式配置激光器阵列5。由此，不仅能够适当地使照明用激光F2经过聚光透镜19，而且能够确实地使照明用激光F2聚集在与工件表面不同的位置上。

另外，也可以用本实施方式以外的形态构成。例如，在激光加工机1中，也可以将激光器阵列5配置在加工头一侧(喷管一侧)的位置、并且没收纳在加工头2内部的位置上。尤其是可以以照明用激光F2的焦点位于根据加工条件等设定的所有的喷管间隙中最小的喷管间隙内(最靠近喷管11的工件W的表面与喷管11的顶端之间)的状态配置激光器阵列5。即使在这种情况下，无论喷管间隙变动以否，都能够稳固地使照明用激光F2的焦点相对于工件W散焦。或者，也可以以照明用激光F2的焦点位于比工件表面靠支承部件70一侧(加工头2的相反一侧)的状态配置激光器阵列5。即使在这种情况下，由于照明用激光F2的焦点越过工件W位于支承部件70一侧，因此能够稳固地对工件进行散焦。但是，由于从加工头2到支承部件70有一定的距离，因此与配置在加工头一侧的情况相比，容易受到物理上的制约。

在上述实施方式中，控制部9包含例如计算机系统。控制部9读取存储在存储部10中的控制程序，依照该控制程序执行各种处理。该控制程序例如使计算机执行：发出加工用激光并使加工用激光照射到工件上的控制，从排列了多个垂直谐振器面发光型激光元件的激光器阵列产生照明光并用照明光照亮工件的控制，以及拍摄被照明光照亮的工件的控制。该控制程序也可以记录在计算机能够读取的存储介质中以提供。

另外，虽然在上述实施方式中照明光学系统25与摄像光学系统31同轴、通过照明用激光L2进行落射照明，但也可以例如从相对于摄像光学系统31的光轴(聚光透镜19的光轴19a)从斜方向利用照明用激光L2进行照明。并且，波长选择滤波器33也可以是具有透射照明用激光L2的波段(第1波段)的光、反射其他波段(第2波段)的光的特性的器件。这种情况下，摄像元件32配置在波长选择滤波器33的透射一侧。

另外，虽然在上述实施方式中激光加工机1进行切割加工，但作为激光加工也可以用于进行焊接、进行标记加工、进行切割加工和标记加工。并且，激光加工机1也可以是进行激光加工和冲压加工的复合机的一部分。

另外，虽然在上述实施方式中，激光器阵列5为多个垂直谐振器面发光型激光元件配置成阵列状的结构，具备能够实现高的集成度等各种各样的优点，但例如激光器阵列5也可以是端面发光型激光元件配置成阵列状的结构。作为一个具体的例子，也可以通过跨多层排列线性配置了端面发光型激光元件的阵列来二维配置端面发光型激光元件。并且，也可以通过将垂直谐振器面发光型激光元件以外的面发光型激光元件配置成阵列状来构成激光器阵列5。并且，不管共振器相对于安装激光元件的基板的配置角度。

另外，本发明的技术范围并不局限于上述实施方式等说明过的方式。上述实施方式等中说明过的要素的1个以上有时省略。并且，上述实施方式等中说明过的要素能够适当组合。并且，只要法律和法规允许，援用上述实施方式等中引用的所有文献的公开内容作为本文记载的一部分。

Claims (17)

1.一种激光加工机，具备：

发出加工用激光的激光振荡器，

将上述加工用激光照射到工件上的照射光学系统，

多个激光元件配置成阵列状、利用这些多个激光元件的输出发出照明用激光的激光器阵列，

利用上述激光器阵列发出的上述照明用激光照亮上述工件的照明光学系统，以及

拍摄上述照明光学系统利用上述照明用激光照亮的上述工件的拍摄部。

2.如权利要求1所述的激光加工机，在上述激光器阵列中上述多个激光元件二维排列。

3.如权利要求1或2所述的激光加工机，在上述激光器阵列中上述多个激光元件分别为垂直谐振器面发光型激光元件。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的激光加工机，上述激光器阵列配置在该激光器阵列所发出的照明用激光经由照明光学系统成像的焦点与工件表面不同的位置上。

5.如权利要求4所述的激光加工机，还具备喷管，该喷管形成有上述照明用激光经由上述照明光学系统向上述工件出射的出射口，

上述激光器阵列以上述焦点位于比工件表面靠上述喷管一侧的状态配置。

6.如权利要求5所述的激光加工机，还具备包含上述喷管的加工头，

上述激光器阵列配置在上述焦点收纳在上述加工头内部的位置上。

7.如权利要求1至6中的任一项所述的激光加工机，具备在上述照明光学系统的光轴方向上、能够变更上述激光器阵列与上述照明光学系统的相对位置关系的位置变更部。

8.如权利要求7所述的激光加工机，上述照明光学系统具备：

从上述激光器阵列入射上述照明用激光的准直器，以及

从上述准直器入射上述照明用激光的聚光透镜；

上述位置变更部能够变更上述激光器阵列与上述准直器的相对位置关系。

9.如权利要求1至8中的任一项所述的激光加工机，具备配置在上述激光器阵列与上述工件之间的光路上的散射部件。

10.如权利要求9所述的激光加工机，上述散射部件配置在上述激光器阵列与上述照明光学系统之间的光路上。

11.如权利要求9或10所述的激光加工机，具备配置在上述散射部件与上述照明光学系统之间的光路上的光阑部件。

12.如权利要求1至11中的任一项所述的激光加工机，具备散热部件，该散热部件与驱动上述激光器阵列的驱动部和上述激光器阵列接触。

13.如权利要求12所述的激光加工机，上述驱动部和上述激光器阵列夹着上述散热部件地配置，利用经由贯穿上述散热部件的孔的布线电连接。

14.如权利要求1至13中的任一项所述的激光加工机，上述激光器阵列被脉冲驱动，

上述拍摄部与上述激光器阵列的脉冲驱动同步地执行拍摄。

15.如权利要求1至14中的任一项所述的激光加工机，具备：

内部存储上述照射光学系统的加工头，以及

内部存储上述激光器阵列和上述照明光学系统的照明单元；

上述照明单元拆装自由地与上述加工头连接。

16.如权利要求1至15中的任一项所述的激光加工机，具备喷管，该喷管形成有经由上述照明光学系统出射上述照明用激光、并且经由上述照射光学系统出射上述加工用激光的出射口；

以由上述激光器阵列的尺寸和上述照明光学系统的光学倍率确定的上述激光器阵列的投影区域包含上述喷管的出射口区域的方式、构成上述激光器阵列和上述照明光学系统。

17.一种激光加工方法，包含：

发出加工用激光，

将上述加工用激光照射到工件上，

从多个激光元件配置成阵列状的激光器阵列、利用这些多个激光元件的输出发出照明用激光，

上述激光器阵列利用上述照明用激光照亮上述工件，以及

拍摄被上述照明用激光照亮了的上述工件。