JP2015047612A - レーザ照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物に照射されるレーザ光の強度を最適化することが可能なレーザ照射装置を提供する
【解決手段】レーザ照射装置は、レーザ光を出射可能な光源と、光源から出射されたレーザ光を屈折させる為のレンズであって、焦点位置を変化させることが可能な可変焦点レンズとを備える。レーザ照射装置のＣＰＵは、光源から第１レーザ光を出射させる（Ｓ１３）。ＣＰＵは、対象物のうち、第１レーザ光が照射される照射部位を撮影する（Ｓ１５）。ＣＰＵは、撮影された照射部位の直径を特定する（Ｓ１７）。ＣＰＵは、特定された直径を補正した補正直径と、目標直径とを比較する（Ｓ２１）。ＣＰＵは、比較結果に基づいて、補正直径を目標直径に近づける為に焦点位置を変化させる制御を行う（Ｓ２７、Ｓ３１）。ＣＰＵは、焦点位置を変化させた状態で、光源から第２レーザ光を出射させる（Ｓ３５）。
【選択図】図４

Description

本発明は、対象物にレーザ光を出射することによって、対象物のうちレーザ光が照射された部位に変化を生じさせる為のレーザ照射装置に関する。

対象物にレーザ光を出射することによって、対象物のうちレーザ光が照射された部位に変化を生じさせることが可能なレーザ照射装置が知られている。レーザ照射装置の利用分野として、工業分野や医療分野等が挙げられる。装置の一例として、特許文献１は樹脂溶接装置を開示する。樹脂溶接装置は、押圧治具及びレーザヘッドを備える。押圧治具は、２つの樹脂材を外側から押圧して密着させる。レーザヘッドは、２つの樹脂材の接合部に対して中空部内からレーザ光を照射する。樹脂溶接装置は、レーザ光によって樹脂材を加熱溶融し、２つの樹脂材を密着部分で溶接する。

特開２００５−２４６６３３号公報

レーザ照射装置が対象物に照射するレーザ光の強度が適正な範囲外の場合、対象物の変化が適切に進行しない場合があるという問題点がある。特に、特許文献１に記載された樹脂溶接装置のように、２つの樹脂材の内側にレーザ光を照射する場合、照射部分をユーザが直接視認できない。この場合、ユーザはレーザの照射部分の様子や範囲（大きさ）を確認することができないので、レーザ光の強度を適正な範囲内に維持することが難しいという問題点がある。また、ユーザがレーザの照射部分の範囲を確認できたとしても、その照射範囲を適正に補正しつつレーザの強度を適正な範囲内に維持することが困難であった。

本発明の目的は、対象物に照射されるレーザ光を適正な範囲に維持し、その強度を最適化することが可能なレーザ照射装置を提供することである。

本発明に係るレーザ照射装置は、レーザ光を出射可能な光源と、前記光源から出射された前記レーザ光を屈折させ、焦点位置を変化させることが可能な焦点位置可変手段と、前記焦点位置可変手段の焦点位置を、特定の第１焦点位置とした状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させる第１出射手段と、対象物のうち、前記第１出射手段によって出射され前記焦点位置可変手段を通過した前記レーザ光が照射される部位である照射部位を撮影する撮影手段と、前記撮影手段によって撮影された前記照射部位の大きさを示すサイズパラメータを特定する第１特定手段と、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータと、所定のパラメータである目標パラメータとを比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記サイズパラメータを前記目標パラメータと一致させる為に、前記焦点位置を前記第１焦点位置から、前記第１焦点位置と異なる第２焦点位置に変化させる制御を行う制御手段と、前記制御手段によって前記焦点位置を前記第２焦点位置に変化させた状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させる第２出射手段とを備えている。

本発明によれば、レーザ照射装置は、焦点位置可変手段の焦点位置を調節することによって、レーザ光が照射される照射部位を特定するサイズパラメータ（照射面積、照射部位の直径など）を最適化できる。従ってレーザ照射装置は、焦点位置可変手段の焦点位置が調節された状態でレーザ光を対象物に出射することによって、レーザ光を適切なエネルギー密度で照射部位に照射できる。

本発明において、前記光源は、周波数及び強度の少なくとも一方が異なる第１レーザ光及び第２レーザ光を出射可能であり、前記第１出射手段は、前記光源から前記第１レーザ光を出射させ、前記第２出射手段は、前記光源から前記第２レーザ光を出射させてもよい。又、前記光源は、第１光源及び第２光源を有し、前記第１光源は前記第１レーザ光を出射可能であり、前記第２光源は前記第２レーザ光を出射可能であってもよい。又、前記サイズパラメータを補正する補正手段を備え、前記比較手段は、前記補正手段によって前記サイズパラメータが補正された場合、補正された前記サイズパラメータである補正パラメータと前記目標パラメータとを比較してもよい。又、前記サイズパラメータと前記補正パラメータとを関連付けたテーブルを記憶する記憶手段を備え、前記補正手段は、前記テーブルに基づき、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータを、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータに関連付けられた前記補正パラメータに補正してもよい。又、前記第２出射手段は、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータが所定の閾値以上の場合、前記第２レーザ光を出射させ、前記所定の閾値よりも小さい場合、前記第２レーザ光を出射させないようにしてもよい。又、前記第２出射手段は、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータが所定の閾値以上の場合、前記第２レーザ光を第１強度で出射させ、前記所定の閾値よりも小さい場合、前記第１強度よりも弱い第２強度で前記第２レーザ光を出射させてもよい。又、前記焦点位置可変手段は、焦点距離を変化させることが可能であり、前記第１出射手段は、前記焦点位置可変手段の焦点距離を、特定の第１焦点距離とした状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させ、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータに基づき、目標とする焦点距離である目標焦点距離を特定する第３特定手段を備え、前記制御手段は、前記焦点位置可変手段の焦点距離を、前記第１焦点距離から、前記第３特定手段によって特定された前記目標焦点距離に変化させるための制御を行ってもよい。

レーザ照射装置１の構成を示す図である。 対象物７１と先端部２との間の距離と、レーザ光の照射部位の大きさとの関係を示す図である。 対象物７１と先端部２との間の距離と、レーザ光の照射部位の大きさとの関係を示す図である。 メイン処理のフローチャートである。 第１レーザ光及び第２レーザ光の光強度を示すグラフである。 テーブル５４１を示す図である。 変形例におけるメイン処理のフローチャートである。

図１を参照し、レーザ照射装置１の構成を説明する。レーザ照射装置１は、対象物にレーザ光を照射することによって、レーザ光の照射部位を加熱する加工装置である。なお、本発明は、レーザ光によって対象物の照射部位を加熱する場合に限定されず、例えば、レーザ光によって対象物の物理的又は化学的な変化を促す場合も含まれる。本実施形態では、説明を容易とする為、レーザ照射装置１によるレーザ照射によって対象物が加熱される場合について説明する。

レーザ照射装置１は、先端部２、本体部３、及び制御部５を備える。先端部２と本体部３とは、ケーブル６によって接続される。ケーブル６は、光ファイバ６１、６２、及び、信号線を含む。本体部３と制御部５とは、ケーブル７（例えば、ＵＳＢ（登録商標）ケーブル等）によって接続される。

本体部３について説明する。本体部３は、フィルタ３１、ＣＣＤイメージセンサ（以下、ＣＣＤという）３２、ＣＣＤコントローラ３３、第１光源３４、第１コントローラ３５、第２光源３６、第２コントローラ３７、ダイクロイックミラー４２、ミラー４３、レンズドライバ３８、及び、Ｄ／Ａコンバータ（以下、ＤＡＣという）３９、４０、４１を備える。ＣＣＤ３４とＣＣＤコントローラ３３との間、第１光源３４と第１ドライバ３５との間、第１ドライバ３５とＤＡＣ３９との間、第２光源３６と第１ドライバ３７との間、第２ドライバ３７とＤＡＣ４０との間、及び、レンズドライバ３８とＤＡＣ４１との間は、夫々、電気的に接続される。

フィルタ３１は、光ファイバ６１を介して入力される光のうち、所定の帯域成分を通過させ、ＣＣＤ３４に出力する。フィルタ３１が取り出すことのできる帯域は、後述する第１レーザ光の周波数（６５０ｎｍ）を含む所定の帯域である。一方、フィルタ３１は、ＣＣＤ３４の各画素の特性を補完する為の所定のカットオフ周波数特性を有している。又、フィルタ３１は、赤外域をカットする。又、後述する第２レーザ光の周波数（９１５ｎｍ）をカットする。ＣＣＤ３２は、ＣＣＤコントローラ３３によって制御され、フィルタ３１を介して入力された光を電気信号に変換し、ＣＣＤコントローラ３３に出力する。ＣＣＤコントローラ３３は、ＣＣＤ３４から出力された電気信号を、撮影像を示す像信号に変換し、後述する制御部５に出力する。

ＤＡＣ３９〜４１は、夫々、制御部５から出力されたデジタル信号をアナログ信号に変換する。ＤＡＣ３９、４０、４１は、夫々、第１ドライバ３５、第２ドライバ３７、及びレンズドライバ３８にアナログ信号を出力する。第１光源３４は、波長６５０ｎｍのレーザ光（以下、第１レーザ光という。）を出射させることが可能な光源である。詳細は後述するが、第１レーザ光は、第２レンズ２２の焦点距離を調整する過程で対象物に照射される。第１光源３４は、ミラー４３に向けて第１レーザ光を出射する。第１ドライバ３５は、ＤＡＣ３９から出力されたアナログ信号に基づいて第１光源３４を駆動し、第１光源３４から第１レーザ光を照射させる。ミラー４３は、第１光源３４から出射された第１レーザ光を、ダイクロイックミラー４２に向けて反射させる。

第２光源３６は、波長９１５ｎｍのレーザ光（以下、第２レーザ光という。）を出射させることが可能な光源である。第２光源３６は、ダイクロイックミラー４２に向けて第２レーザを出射する。詳細は後述するが、第２レーザ光は、対象物を加熱する過程で対象物に照射される。第２ドライバ３７は、ＤＡＣ４０から出力されたアナログ信号に基づいて第２光源３６を駆動し、第２光源３６から第２レーザ光を照射させる。ダイクロイックミラー４２は、波長選択性ミラーである。ダイクロイックミラー４２は、第１光源３４から出射された第１レーザ光を反射させ、光ファイバ６２に第１レーザ光を導く。又、ダイクロイックミラー４２は、第２光源３６から出射された第２レーザ光を透過させ、光ファイバ６２に第２レーザ光を導く。

なお、本実施形態において、レーザ照射装置１が加工対象とする対象物は、波長９１５ｎｍの第２レーザ光の吸収率は高く、波長６５０ｎｍの第１レーザ光の吸収率は低いことを想定する。このため、同一の光強度で第１レーザ光及び第２レーザ光が対象物に照射された場合、第２レーザ光を照射した場合の方が、第１レーザ光を照射した場合よりも、対象物の加熱温度は高くなる。

レンズドライバ３８は、ＤＡＣ４１から出力されたアナログ信号に基づいて、後述する駆動部２３を駆動する為の駆動信号を駆動部２３に出力する。

先端部２について説明する。先端部２は、第１レンズ２１、第２レンズ２２、及び駆動部２３を備える。第１レンズ２１とフィルタ３１との間に、光ファイバ６１が介在する。第２レンズ２２とダイクロイックミラー４２との間に、光ファイバ６２が介在する。第２レンズと駆動部２３との間、及び、駆動部２３とレンズドライバ３８との間は電気的に接続される。

第１レンズ２１は、外界の光を光ファイバ６１に導く。第１レンズ２１は、ＣＣＤ３２に外界の光を結像させるために用いられる周知のレンズである。第１レンズ２１の光軸は、後述する第２レンズ２２から出射された第１レーザ光又は第２レーザ光が対象物に照射された場合の照射部位の方向を向く。このためＣＣＤ３２は、対象物のうち第１レーザ光又は第２レーザ光の照射部位を撮影できる。

第２レンズ２２は、屈折率を変化させることによって焦点距離を変えることが可能な可変焦点レンズである。第２レンズ２２は、光ファイバ６２を介して入力された第１レーザ光又は第２レーザ光を屈折させて発散又は収束させ、先端部２から外部に出射させる。可変焦点レンズは、駆動部２３によって印加される電圧に応じて焦点距離を変化させることによって、発散又は収束の程度を調整する。駆動部２３は、レンズドライバ３８から出力される駆動信号に基づき、第２レンズ２２に電圧を印加する。

なお、本実施例では、焦点距離を変えられる可変焦点レンズを例に挙げて説明するが、本発明は可変焦点レンズに限定されない。例えば、焦点距離を変えられるミラー（可変焦点ミラー）であってもよい。又、後述するように、レンズ等を光軸方向に移動させることによって焦点位置を変化させるものであってもよい。なお、第２レンズ２２（可変焦点レンズ）は、本発明の「焦点位置可変手段」に相当する。

制御部５について説明する。制御部５は、レーザ照射装置１の処理を司るＣＰＵ５１を備える。ＣＰＵ５１は、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）５４、出力インタフェース（Ｉ／Ｆ）５５、及び、入力Ｉ／Ｆ５６と電気的に接続する。ＲＯＭ５２には、ブートプログラム、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）等が記憶される。ＲＡＭ５２には、タイマやカウンタ、フラグ情報、一時的なデータ等が記憶される。ＨＤＤ５４には、ＣＰＵ５１に処理を実行させる為のプログラム、及びＯＳ（Operating System）が記憶される。また、ＨＤＤ５４にはテーブル５４１（図６参照）が記憶される。出力Ｉ／Ｆ５５は、本体部３にデジタル信号を出力する為のインタフェース素子である。入力Ｉ／Ｆ５６は、本体部３から出力されたデジタル信号を入力する為のインタフェース素子である。出力Ｉ／Ｆ５５及び入力Ｉ／Ｆ５６の例としてＵＳＢドライバＩＣが挙げられる。なお、制御部５は汎用ＰＣであってもよい。

以下、ＣＰＵ５１からＤＡＣ３９〜４１の夫々に出力されるデジタル信号であって、第１ドライバ３５、第２ドライバ３７、及びレンズドライバ３８の夫々を制御する為の制御信号を、夫々、第１制御信号、第２制御信号、及び、第３制御信号という。第１制御信号のうち、第１光源３４から第１レーザ光を出射させる為の信号を、第１制御信号（出射）といい、第１光源３４から第１レーザ光が出射されないようにする為の信号を、第１制御信号（停止）という。第２制御信号のうち、第２光源３６から第２レーザ光を出射させる為の信号を、第２制御信号（出射）といい、第２光源３６から第１レーザ光が出射されないようにする為の信号を、第２制御信号（停止）という。

又、ＣＰＵ５１がＤＡＣ３９に第１制御信号を出力した場合に、ＤＡＣ３９が第１制御信号をアナログ信号に変換して第１ドライバ３５に出力し、出力されたアナログ信号に基づいて第１ドライバ３５が第１光源３４を駆動することを、以下では、ＣＰＵ５１が第１制御信号を出力することによって、第１光源３４を駆動するという。ＣＰＵ５１がＤＡＣ４０に第２制御信号を出力した場合に、ＤＡＣ４０が第２制御信号をアナログ信号に変換して第２ドライバ３７に出力し、出力されたアナログ信号に基づいて第２ドライバ３７が第２光源３６を駆動することを、以下では、ＣＰＵ５１が第２制御信号を出力することによって、第２光源３６を駆動するという。ＣＰＵ５１がＤＡＣ４１に第３制御信号を出力した場合に、ＤＡＣ４１が第３制御信号をアナログ信号に変換してレンズドライバ３８に出力し、出力されたアナログ信号に基づいてレンズドライバ３８が駆動部２３に駆動信号を出力し、出力された駆動信号に基づいて駆動部２３が第２レンズ２２に電圧を印加して焦点距離を変化させることを、以下では、ＣＰＵ５１が第３制御信号を出力することよって、第２レンズ２２の焦点距離を変化させるという。

レーザ照射装置１は、先端部２を対象物７１（図２、図３参照）に近接させた状態で、第２レンズ２２からレーザ光を出射する。先端部２はケーブル６によって本体部３に接続されているので、ユーザは先端部２を対象物の中空内に挿入できる。従ってレーザ照射装置１は、中空状の対象物の内部にレーザ光を照射することで、対象物の内部を加熱することができる。

図２に示すように、対象物７１のうちレーザ光が照射された円形状の照射部位７２（図２、図３参照）の面積（以下、照射面積という。）は、第２レンズ２２の焦点距離Ｆが同一である場合、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）に応じて変化する。対象物７１と先端部２との間の距離Ｌと、レーザ光の照射部位７２の直径Ｄとの関係について説明する。対象物７１と先端部２との間の距離Ｌ、第２レンズ２２の焦点距離Ｆ、光源から第２レンズ２２を介して対象物にレーザ光が照射された場合の、第２レンズ２２の表面上におけるレーザ光の径を１ｍｍ、光ファイバ６２のうち第２レンズ２２側の端部と第２レンズ２２との間の距離を３ｍｍとした場合、照射部位７２の直径Ｄは、次式（１）の関係を満たす。
Ｄ＝１＋Ｌ×（１／３−１／Ｆ）・・・（１）

なお、照射部位７２におけるレーザ光のエネルギー密度は、光源におけるレーザ光の強度が同一である場合、照射部位７２の面積に応じて変化する。具体的には、照射部位７２におけるレーザ光のエネルギー密度は、光源におけるレーザ光の強度が同一である場合、照射部位７２の照射面積が大きくなる程、小さくなる。

例えば、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１である時に第２レンズ２２（焦点距離Ｆ１）からレーザ光が出射された場合、対象物７１の照射部位７２Ａは、直径Ｄ１（＝１＋Ｌ１×（１／３−１／Ｆ１））で示される円形状の照射面積の大きさに応じた温度に加熱されることになる。ここで、対象物７１と先端部２との間の距離は、レーザ照射装置１の使用環境や使用方法に応じて変化する。先端部２が対象物７１に近接し、対象物７１と先端部２との間の距離ＬがＬ１からＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）に変化した場合を例に挙げる。距離Ｌ１がＬ２に減少したことに伴い、照射部位７２Ｂの直径は、Ｄ２（Ｄ１＞Ｄ２）に変化する。この場合、対象物７１の照射部位７２Ｂに照射されるレーザ光のエネルギー密度は大きくなるので、照射部位７２Ｂでの加熱温度は、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１の場合と比較して高くなる。一方、先端部２が対象物７１から離隔し、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１からＬ３（Ｌ１＜Ｌ３）に変化した場合を例に挙げる。距離Ｌ１がＬ３に増加したことに伴い、照射部位７２Ｃの直径は、Ｄ３（Ｄ１＜Ｄ３）に変化する。この場合、対象物７１の照射部位７２Ｃに照射されるレーザ光のエネルギー密度は小さくなるので、照射部位７２Ｃでの加熱温度は、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１の場合と比較して低くなる。

レーザ照射装置１は、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌが変化した場合でも、対象物７１を所望の温度に加熱する必要がある。本実施例において、レーザ照射装置１は、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌに応じて、第２レンズ２２の焦点距離Ｆを変化させる。これによってレーザ照射装置１は、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌが変化した場合でも、照射部位７２を所望する温度に加熱できるように、照射部位７２の直径Ｄを調整する。詳細には以下の通りである。

図３を参照して説明する。対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１の状態から、先端部２が対象物７１に近接し、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ２（Ｌ１＞Ｌ２）に変化した場合を例に挙げる。この場合、レーザ照射装置１は、距離ＬがＬ１からＬ２に減少したことに応じて、焦点距離ＦをＦ１からＦ２（Ｆ１＞Ｆ２）に減少させる。これによってレーザ照射装置１は、照射部位７２Ｅの直径を、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１である場合の照射部位の直径と同一のＤ１とする。一方、先端部２が対象物７１から離隔し、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１からＬ３（Ｌ１＜Ｌ３）に変化した場合を例に挙げる。この場合、レーザ照射装置１は、距離がＬ１からＬ３に増加したことに応じて、焦点距離ＦをＦ１からＦ３（Ｆ１＜Ｆ３）に増加させる。これによってレーザ照射装置１は、照射部位７２Ｆの直径を、対象物７１と先端部２との間の距離がＬ１である場合の照射部位の直径と同一のＤ１とする。

レーザ照射装置１は、以上の動作を実行することによって、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌが変化した場合でも、照射部位７２に照射されるレーザ光のエネルギー密度を一定に維持できる。従ってレーザ照射装置１は、対象物７１と先端部２との間の距離Ｌが変化した場合でも、対象物７１の照射部位７２を所望する温度に加熱できる。

図４を参照し、ＣＰＵ５１によって実行されるメイン処理について説明する。メイン処理は、レーザ照射装置１の電源が投入された場合、ＨＤＤ５４に記憶されたプログラムをＣＰＵ５１が実行することによって開始される。メイン処理の概要について説明する。ＣＰＵ５１は、初めに第１レーザ光を対象物に照射し、円形状の照射部位の直径を特定する。次にＣＰＵ５１は、特定した直径に基づいて、照射部位が第２レーザ光の照射によって所望する温度に加熱されるように、第２レンズ２２の焦点距離を調整する。次にＣＰＵ５１は、第２レーザ光を対象物に照射し、対象物を加熱する。以下、詳説する。

はじめに、ＣＰＵ５１は初期化処理を行う（Ｓ１１）。初期化処理の具体的な内容は次の通りである。ＣＰＵ５１は、第１制御信号（停止）を出力することによって、第１光源３４から第１レーザ光が出力されないようにする。ＣＰＵ５１は、第２制御信号（停止）を出力することによって、第２光源３６から第２レーザ光が出力されないようにする。ＣＰＵ５１は、焦点距離の初期値（以下、初期焦点距離という。）を、ＨＤＤ５４から取得する。ＣＰＵ５１は、第３制御信号を出力することによって、第２レンズ２２の焦点距離を初期焦点距離に変化させる。

ＣＰＵ５１は、光強度、目標直径、及び照射時間の設定値を、ＨＤＤ５４から読み出す。光強度は、第１レーザ光及び第２レーザ光の夫々の光強度を示す。以下、第１レーザ光の光強度を第１強度といい、第２レーザ光の光強度を第２強度という。第１強度は第２強度よりも小さい。その理由は、対象物は第２レーザ光の照射によって加熱されることが前提であるので、第１レーザ光が対象物に照射された場合に、照射部位の温度の上昇を抑制する為である。目標直径は、対象物を加熱する過程で第２レーザ光が対象物に照射された場合の照射部位の直径の目標値である。照射時間は、対象物を加熱する過程で第２レーザ光が対象物に照射される場合の時間である。

なお、ＣＰＵ５１は、第２強度のみをＨＤＤ５４から読み出してもよい。ＣＰＵ５１は、読み出した第２強度から所定強度を減算することによって、第１強度を算出してもよい。これによって、第１強度を、第２強度よりも常に小さくすることができる。

なお、レーザ照射装置１のユーザは、制御部５に設けられた図示外の入力部を介して、光強度、目標直径、及び照射時間をレーザ照射装置１に設定する為の入力操作を行うことができる。ＣＰＵ５１は、入力された光強度、目標直径、及び照射時間を、入力部を介して検出する。ＣＰＵ５１は、検出した光強度、目標直径、及び照射時間を、ＨＤＤ５４に記憶する。従ってユーザは、複数の異なる対象物の夫々に適した光強度、目標直径、及び照射時間を、レーザ照射装置１に設定できる。

ＣＰＵ５１は、第１制御信号（出射）を出力することによって、第１光源３４から第１レーザ光を第１強度で出射させる（Ｓ１３）。第１レーザ光は、ミラー４３、ダイクロイックミラー４２、光ファイバ６２、及び第２レンズ２２（焦点距離：初期焦点距離）を介して、先端部２から外部に出射され、対象物に照射される。ＣＰＵ５１は、ＣＣＤ３２による撮影を開始する（Ｓ１５）。具体的には、ＣＰＵ５１は、ＣＣＤコントローラ３３から出力される像信号の受信を開始する。第１レンズ２１の光軸は第１レーザ光の照射部位を向いている。又、フィルタ３１は、第１レーザ光の周波数を含む所定の帯域を通過させる。従って、ＣＣＤコントローラ３３から出力される像信号によって示される像情報には、第１レーザ光の照射部位が含まれている。

ＣＰＵ５１は、受信した像信号に基づき、第１レーザ光の照射部位の直径を特定する（Ｓ１７）。具体的には、ＣＰＵ５１は、照射部位と非照射部位との境界点をエッジ検出法によって検出する。ＣＰＵ５１は、検出された複数の境界点に基づき、ハフ変換によって境界線を特定する。ＣＰＵ５１は、特定した境界線に基づいて、第１レーザ光の照射部位の形状を特定し、その直径を特定する。なお、ＣＰＵ５１は、別の方法で第１レーザ光の照射部位の直径を特定してもよい。以下、第１レーザ光の照射部位の直径を、第１直径という。

ＣＰＵ５１は、Ｓ１７で特定した第１直径を、所定閾値と比較する（Ｓ１８）。ＣＰＵ５１は、特定した第１直径が所定閾値よりも小さい場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、第２レンズ２２の焦点距離を最大限調整しても、第２レーザ光を照射した場合における照射部位のエネルギー密度を所定値よりも小さくすることができないと判断する。ＣＰＵ５１は、第１制御信号（停止）を出力することによって、第１光源３４からの第１レーザ光の出射を停止させる（Ｓ２２）。ＣＰＵ５１はメイン処理を終了させる。

ＣＰＵ５１は、Ｓ１７で特定した第１直径が所定閾値以上の場合（Ｓ１８：ＮＯ）、第１直径を補正する（Ｓ１９）。以下、補正の理由及び補正の具体的な方法について、図５を参照して説明する。図５の横軸は、対象物の照射部位を含む平面に平行な方向の位置を示す。横軸の原点は、第１レーザ光又は第２レーザ光の光軸と照射部位とが交わる点である。縦軸は、第１レーザ光又は第２レーザ光の光強度を示す。曲線Ｐ１は、Ｓ１３（図４参照）で第１光源３４から出射された第１レーザ光（光強度：第１強度）が、第２レンズ２２（焦点距離：初期焦点距離）を介して対象物に照射された場合における、対象物表面での光強度の分布を示す。曲線Ｐ２は、第２光源３６から出射された第２レーザ光（光強度：第２強度）が、第２レンズ２２（焦点距離：初期焦点距離）を介して対象物に照射された場合における、対象物表面での光強度の分布を示す。閾値Ｔｈは、ＣＰＵ５１がエッジ検出によって検出する照射部位と非照射部位との境界点での光強度を示す。

上述したように、第１強度は第２強度よりも小さい。このため、第１直径Ｄｐは、第２レーザ光（光強度：第１強度）が第２レンズ２２（焦点距離：初期焦点距離）を介して対象物に照射された場合における円形状の照射部位の直径（以下、第２直径という。）Ｄｍよりも小さくなる。このため、第１直径Ｄｐが目標直径と一致するように第２レンズ２２の焦点距離を変更した場合、この条件で第２レンズ２２を介して第２レーザ光が対象物に照射されても、第２レーザ光の照射部位の直径は目標直径とならない場合がある。そこでＣＰＵ５１は、Ｓ１７（図４参照）で特定した第１直径Ｄｐを第２直径Ｄｍに補正し、補正後の第２直径Ｄｍが目標直径となるように第２レンズ２２の焦点距離を変更する。

図６は、ＨＤＤ５４に記憶されたテーブル５４１を示す。テーブル５４１は、第１直径Ｄｐと第２直径Ｄｍとを関連付けて記憶する。図４に示すように、ＣＰＵ５１は、Ｓ１７で第１直径Ｄｐを特定した場合、テーブル５４１を参照し、特定した第１直径Ｄｐに対応する第２直径Ｄｍを、補正後の第１直径Ｄｐ（以下、補正直径という。）として特定する（Ｓ１９）。

ＣＰＵ５１は、特定した補正直径と、Ｓ１１でＨＤＤ５４から読み出した目標直径とを比較する（Ｓ２１）。ＣＰＵ５１は、補正直径と目標直径とが相違すると判断した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、補正直径の方が目標直径よりも大きいか判断する（Ｓ２３）。ＣＰＵ５１は、補正直径の方が目標直径よりも大きいと判断した場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、第２レンズ２２の焦点距離を所定距離（ΔＦ）分短くする為の第３制御信号を出力する（Ｓ２７）。第２レンズ２２の焦点距離は、ΔＦ分短くなる。ＣＰＵ５１は処理をＳ１７に戻し、処理を繰り返す。これによって第２レンズ２２の焦点距離は、補正直径が目標直径と一致するまで、ΔＦずつ徐々に小さくなる。

一方、ＣＰＵ５１は、目標直径の方が補正直径よりも大きいと判断した場合（Ｓ２３：ＮＯ）、第２レンズ２２の焦点距離を所定距離（ΔＦ）分長くする為の第３制御信号を出力する（Ｓ３１）。第２レンズ２２の焦点距離は、ΔＦ分長くなる。ＣＰＵ５１は処理をＳ１７に戻し、処理を繰り返す。これによって第２レンズ２２の焦点距離は、補正直径が目標直径と一致するまで、ΔＦずつ徐々に長くなる。

ＣＰＵ５１は、補正直径と目標直径とが一致したと判断した場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、第１制御信号（停止）を出力することによって、第１光源３４からの第１レーザ光の出射を停止させる（Ｓ３３）。以下、補正直径と目標直径とが一致した状態での第２レンズ２２の焦点距離を、補正焦点距離という。ＣＰＵ５１は、第２制御信号（出射）を出力することによって、第２光源３６から第２レーザ光を第２強度で出射させる（Ｓ３５）。第１レーザ光は、ミラー４３、ダイクロイックミラー４２、光ファイバ６２、及び第２レンズ２２（焦点距離：補正焦点距離）を介して、先端部２から外部に出射され、対象物に照射される。対象物のうち第２レーザ光が照射される照射部位の直径は、目標直径と一致する。

なお上述のＳ２１において、ＣＰＵ５１は、目標直径を含む所定範囲内に補正直径が収まるか否かを判断してもよい。ＣＰＵ５１は、補正直径が所定範囲よりも大きい場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、第２レンズ２２の焦点距離をΔＦ分短くし（Ｓ２７）、補正直径が所定範囲よりも小さい場合（Ｓ２１：ＮＯ）、第２レンズ２２の焦点距離をΔＦ分長くしてもよい（Ｓ３１）。

ＣＰＵ５１は、Ｓ３５で第２光源３６からの第２レーザ光の出射を開始させてからの経過時間が、Ｓ１１でＨＤＤ５４から読み出した照射時間と一致するか判断する（Ｓ３７）。ＣＰＵ５１は、経過時間の方が照射時間よりも小さいと判断した場合（Ｓ３７：ＮＯ）、処理をＳ３７に戻す。ＣＰＵ５１は継続して第２レーザ光を出射させ、対象物に第２レーザ光を照射する。ＣＰＵ５１は、経過時間が照射時間と一致した場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、第２制御信号（停止）を出力することによって、第２光源３６からの第２レーザ光の出射を停止させる（Ｓ３９）。ＣＰＵ５１はメイン処理を終了させる。

以上説明したように、レーザ照射装置１は、第２レンズ２２の焦点距離を調節することによって、第２レーザ光が照射される照射部位の直径を最適化できる。通常、先端部２と対象物との間の距離は、レーザ照射装置１の使用環境に応じて変化する。これによって、第２レーザ光が照射される照射部位の直径も変化し、同時に、照射部位に照射される第２レーザ光のエネルギー密度も変化する。しかしながらレーザ照射装置１は、先端部２と対象物との間の距離が変化した場合でも、第２レーザ光が照射される照射部位の直径が目標の値となるように、第２レンズ２２の焦点位置を調節できる。従ってレーザ照射装置１は、第２レンズ２２の焦点位置が調節された状態で第２レーザ光を対象物に出射することによって、第２レーザ光を適切なエネルギー密度で照射部位に照射できる。

なお、通常、照射部位に照射される第２レーザ光のエネルギー密度が大きくなると、照射部位に悪い影響を及ぼす場合が多い。しかしながらレーザ照射装置１は、照射部位のエネルギー密度が大きくなり過ぎないように、第２レンズ２２の焦点位置を調節できる。従ってレーザ照射装置１は、照射部位を適切に加工できる。

レーザ照射装置１は、第１レーザ光の周波数を、対象物における吸収率が低い周波数とし、第２レーザ光の周波数を、対象物における吸収率が高い周波数とする。又、レーザ照射装置１は、第１レーザ光の光強度（第１強度）を、第２レーザ光の光強度（第２強度）よりも小さくする。これによってレーザ照射装置１は、第１レーザ光が対象物に照射された場合に、照射部位の温度の上昇を抑制できる。従ってレーザ照射装置１は、第２レーザ光の照射によって対象物を適切に加熱できる。

レーザ照射装置１は、第１光源３４から第１レーザ光を出射させ、第２光源３６から第２レーザ光を出射させるので、先端部２から出射されるレーザ光を、第１レーザ光と第２レーザ光とに容易に切り替えることができる。

レーザ照射装置１は、第１レーザ光を照射した場合の照射部位の第１直径を、テーブル５４１に基づいて補正し、補正後の補正直径を目標直径と比較する。これによってレーザ照射装置１は、第２レーザ光が対象物に照射された場合のエネルギー密度をより適切に最適化できる。又、レーザ照射装置１は、テーブル５４１に基づいて第１直径を補正することによって、補正直径を容易に特定できる。

レーザ照射装置１は、Ｓ１７で特定した第１直径が所定閾値よりも大きい場合、第２レンズ２２の焦点距離を調整して第２レーザ光を出射させる。一方、レーザ照射装置１は、Ｓ１７で特定した第１直径が所定閾値よりも小さい場合、第２レーザ光を出射しない。これによってレーザ照射装置１は、第２レーザ光が対象物に照射された時の照射部位のエネルギー密度が強くなり過ぎて対象物が破損等することを防止できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。図７を参照し、本発明の変形例におけるメイン処理を説明する。図４のメイン処理と異なる点は、ＣＰＵ５１が第２レンズ２２の変更後の焦点距離を直接算出し、第２レンズ２２の焦点距離を、算出した焦点距離に変更する点である。以下、図４のメイン処理と同一の処理については、同一符号を付し、説明を省略する。

ＣＰＵ５１は、Ｓ１９で補正した補正直径と、Ｓ１１でＨＤＤ５４から読み出した目標直径とを比較する（Ｓ２１）。ＣＰＵ５１は、補正直径と目標直径とが相違すると判断した場合（Ｓ２１：ＮＯ）、補正直径Ｄｓ、及び、初期焦点距離Ｆｉの夫々を、（１）式のＤ及びＦの夫々に代入することによって、対象物と先端部２との間の距離Ｌａを次式（２）のように算出する。
Ｌａ＝（Ｄｓ−１）／（１／３−１／Ｆｉ）・・・（２）
次に、ＣＰＵ５１は、補正直径Ｄｓを目標直径Ｄｃとする為の焦点距離Ｆｃを、次式（３）によって算出する（Ｓ４３）。
Ｆｃ＝１／（１／３−（１／３−１／Ｆｉ）×（Ｄｃ−１）／（Ｄｓ−１））・・・（３）

ＣＰＵ５１は、第２レンズ２２の焦点距離を、Ｓ４３で算出した焦点距離Ｆｃ（以下、目標焦点距離という。）とすることが可能か判断する（Ｓ４５）。ＣＰＵ５１は、算出した目標焦点距離が、第２レンズ２２において変更可能な焦点距離の範囲外である場合、第２レンズ２２の焦点距離を目標焦点距離とすることができないと判断する（Ｓ４５：ＮＯ）。ＣＰＵ５１は、第１制御信号（停止）を出力することによって、第１光源３４からの第１レーザ光の出射を停止させる（Ｓ２２）。ＣＰＵ５１はメイン処理を終了させる。

ＣＰＵ５１は、Ｓ４３で算出した目標焦点距離が、第２レンズ２２において変更可能な焦点距離の範囲内である場合、第２レンズ２２の焦点距離を目標焦点距離とすることが可能と判断する（Ｓ４５：ＹＥＳ）。ＣＰＵ５１は、第２レンズ２２の焦点距離を目標焦点距離とする為の第３制御信号を出力する（Ｓ４７）。第２レンズ２２の焦点距離は、目標焦点距離に変更される。ＣＰＵ５１は処理をＳ３３に進める。

ＣＰＵ５１は、第１制御信号（停止）を出力することによって、第１光源３４からの第１レーザ光の出射を停止させる（Ｓ３３）。ＣＰＵ５１は、第２制御信号（出射）を出力することによって、第２光源３６から第２レーザ光を第２強度で出射させる（Ｓ３５）。第２レーザ光は、ミラー４３、ダイクロイックミラー４２、光ファイバ６２、及び第２レンズ２２（焦点距離：目標焦点距離）を介して、先端部２から外部に出射され、対象物に照射される。対象物のうち第２レーザ光が照射される照射部位の直径は、目標直径と一致する。

以上説明したように、レーザ照射装置１は、第２レーザ光を照射した場合の照射部位の直径が目標直径となるような第２レンズ２２の焦点距離（目標焦点距離）を、直接算出する。レーザ照射装置１は、第２レンズ２２の焦点距離を、算出した目標焦点距離に変更する。これによってレーザ照射装置１は、第２レーザ光が照射される照射部位の直径を、短時間で最適化できる。従ってレーザ照射装置１は、上記実施形態と同様、第２レンズ２２の焦点位置が調節された状態で第２レーザ光を対象物に出射することによって、第２レーザ光を適切なエネルギー密度で照射部位に照射できる。またレーザ照射装置１は、上記実施形態の場合と比べて、第２レーザ光を対象物に出射するまでに要する時間を短縮できる。

ＣＰＵ５１は、Ｓ１８で、第１直径が所定閾値よりも小さいと判断した場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、第２光源３６から第２レーザ光を出射させなかった。これに対し、ＣＰＵ５１は、第１直径が所定閾値よりも小さいと判断した場合、第２レーザ光の光強度を、第２強度よりも小さい第３強度とし、第２光源３６から出射させてもよい。この場合、レーザ照射装置１は、第２レーザ光が対象物に照射された時の照射部位のエネルギー密度を弱めることができるので、対象物を第２レーザ光によって加熱しつつ、対象物が第２レーザ光が破損することを防止できる。

ＣＰＵ５１は、Ｓ１７で第１直径を特定する代わりに、第１レーザ光の照射部位の面積（以下、第１面積という。）を特定してもよい。ＣＰＵ５１は、Ｓ１９で、目標とする面積（以下、目標面積という。）と、第１面積とを比較してもよい。ＣＰＵ５１は、比較結果に基づいて、第２レンズ２２の焦点距離を変化させてもよい。

上述では、第１レーザ光と第２レーザ光とで周波数が異なり、且つ、第１強度と第２強度とが異なっていた。これに対し、第１レーザ光と第２レーザ光とは同一の周波数であってもよい。第１強度と第２強度とは同一であってもよい。第１レーザ光と第２レーザ光とは、周波数及び光強度が同一であってもよい（即ち、同一のレーザ光であってもよい。）。第１光源３４と第２光源３６を、共通の光源によって実現してもよい。

図２及び図３では、第２レンズ２２から出射されるレーザ光は発散する例を挙げて説明した。これに対し、第２レンズ２２から出射されるレーザ光は、平行光であってもよいし、収束してもよい。

第２レンズ２２は、焦点距離を変化させることが可能であった。第２レンズ２２は、例えば、光学機器のフォーカス機構などに利用されるレンズ等を光軸方向に移動させ焦点位置を変化させられるものであってもよい。第２レンズ２２は、光軸に沿って移動し、光ファイバ６２のうち第２レンズ２２側の端部と第２レンズ２２との間の距離を変化させることで、焦点位置を変化させてもよい。

フィルタ３１は、第１レーザ光の周波数を含む所定の帯域を通過させ、第２レーザ光の周波数をカットした。フィルタ３１は、第２レーザ光の周波数を通過させてもよい。なお、第１レーザ光と第２レーザ光が周波数同一の場合で且つ赤外レーザの場合、フィルタ３１は、赤外レーザを通過させてもよい。又、第１レーザ光及び第２レーザ光は、ＣＣＤ３２などで照射部位近傍を色合いも含めて観察できるように、第１レーザ光及び第２レーザ光とは別に、白色光を照射できる構成であってもよい。

フィルタ３１及びＣＣＤ３２、第１光源３４、第２光源３６の少なくとも何れかは、先端部２に設けられていてもよい。

例えばレーザ照射装置１は、表示部（例えばＬＣＤ）を備えていてもよい。ＣＣＤ３１によって撮影された撮影画像を、表示部に表示してもよい。これによってレーザ照射装置１のユーザは、レーザ光の照射部位を視認することができる。又、レーザ照射装置１が撮影画像を表示部に表示することによって、ユーザは、表示部を介して対象物の様子を確認できる。

上記実施形態のレーザ照射装置１は、対象物にレーザ光を照射することによって、レーザ光の照射部位を加熱する加工装置であることを想定したが、レーザ照射装置１は他の分野に応用されてもよい。例えばレーザ照射装置１は、内視鏡に組込まれた光ファイバを使用して患部にレーザ光を照射し治療を行うような医療分野の装置であってもよい。特に、医療分野に応用された場合、レーザ光の照射部位のエネルギー密度が大きくなり過ぎないように第２レンズ２２の焦点距離を調節できるので、好ましい。

第１光源３４及び第２光源３６が本発明の「光源」に相当する。第２レンズ２２が本発明の「焦点位置可変手段」に相当する。Ｓ１３の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「第１出射手段」に相当する。ＣＣＤ３２が本発明の「撮影手段」に相当する。Ｓ１７の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「第１特定手段」に相当する。Ｓ２１の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「比較手段」に相当する。Ｓ２７、Ｓ３１の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「制御手段」に相当する。Ｓ３５の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「第２出射手段」に相当する。Ｓ１９の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「補正手段」に相当する。テーブル５４１を記憶するＨＤＤ５４が本発明の「記憶手段」に相当する。第１直径が本発明の「サイズパラメータ」に相当する。「目標直径」が本発明の「目標パラメータ」に相当する。「補正直径」が本発明の「補正パラメータ」に相当する。Ｓ４３の処理を行うＣＰＵ５１が本発明の「第３特定手段」に相当する。

１ レーザ照射装置
２ 先端部
３ 本体部
５ 制御部
２１ 第１レンズ
２２ 第２レンズ
３４ 第１光源
３６ 第２光源
７１ 対象物
７２ 照射部位
５４１ テーブル

Claims (8)

1. レーザ光を出射可能な光源と、
   前記光源から出射された前記レーザ光を屈折させ、焦点位置を変化させることが可能な焦点位置可変手段と、
   前記焦点位置可変手段の焦点位置を、特定の第１焦点位置とした状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させる第１出射手段と、
   対象物のうち、前記第１出射手段によって出射され前記焦点位置可変手段を通過した前記レーザ光が照射される部位である照射部位を撮影する撮影手段と、
   前記撮影手段によって撮影された前記照射部位の大きさを示すサイズパラメータを特定する第１特定手段と、
   前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータと、所定のパラメータである目標パラメータとを比較する比較手段と、
   前記比較手段による比較結果に基づいて、前記サイズパラメータを前記目標パラメータと一致させる為に、前記焦点位置を前記第１焦点位置から、前記第１焦点位置と異なる第２焦点位置に変化させる制御を行う制御手段と、
   前記制御手段によって前記焦点位置を前記第２焦点位置に変化させた状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させる第２出射手段と
   を備えたことを特徴とするレーザ照射装置。
2. 前記光源は、周波数及び強度の少なくとも一方が異なる第１レーザ光及び第２レーザ光を出射可能であり、
   前記第１出射手段は、前記光源から前記第１レーザ光を出射させ、
   前記第２出射手段は、前記光源から前記第２レーザ光を出射させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ照射装置。
3. 前記光源は、第１光源及び第２光源を有し、
   前記第１光源は前記第１レーザ光を出射可能であり、
   前記第２光源は前記第２レーザ光を出射可能であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ照射装置。
4. 前記サイズパラメータを補正する補正手段を備え、
   前記比較手段は、前記補正手段によって前記サイズパラメータが補正された場合、補正された前記サイズパラメータである補正パラメータと前記目標パラメータとを比較し、
   前記制御手段は、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記補正パラメータを前記目標パラメータと一致させる為に前記焦点位置を変化させる制御を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載のレーザ照射装置。
5. 前記サイズパラメータと前記補正パラメータとを関連付けたテーブルを記憶する記憶手段を備え、
   前記補正手段は、前記テーブルに基づき、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータを、前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータに関連付けられた前記補正パラメータに補正することを特徴とする請求項４に記載のレーザ照射装置。
6. 前記第１特定手段は、前記サイズパラメータとして前記照射部位の径を特定し、
   前記第２出射手段は、前記第１特定手段によって特定された前記径が所定の閾値以上の場合、前記第２レーザ光を出射させ、前記所定の閾値よりも小さい場合、前記第２レーザ光を出射させないことを特徴とする請求項２から５の何れかに記載のレーザ照射装置。
7. 前記第１特定手段は、前記サイズパラメータとして前記照射部位の径を特定し、
   前記第２出射手段は、前記第１特定手段によって特定された前記径が所定の閾値以上の場合、前記第２レーザ光を第１強度で出射させ、前記所定の閾値よりも小さい場合、前記第１強度よりも弱い第２強度で前記第２レーザ光を出射させることを特徴とする請求項２から５の何れかに記載のレーザ照射装置。
8. 前記焦点位置可変手段は、焦点距離を変化させることが可能であり、
   前記第１出射手段は、前記焦点位置可変手段の焦点距離を、特定の第１焦点距離とした状態で、前記光源から前記レーザ光を出射させ、
   前記第１特定手段によって特定された前記サイズパラメータに基づき、目標とする焦点距離である目標焦点距離を特定する第３特定手段を備え、
   前記制御手段は、前記焦点位置可変手段の焦点距離を、前記第１焦点距離から、前記第３特定手段によって特定された前記目標焦点距離に変化させるための制御を行うことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のレーザ照射装置。

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