JP5981045B1 - 高出力光用減衰器、測定装置および３次元造形装置 - Google Patents

高出力光用減衰器、測定装置および３次元造形装置 Download PDF

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Abstract

高出力光用減衰器（１００）であって、入射光（１２０）を全反射し、その反射光である第１反射光（１２０Ａ）を第２反射部（１０２）へ入射させる第１反射手段（１０１）と、前記第１反射光（１２０Ａ）を反射し、その反射光である第２反射光（１２０Ｂ）を第３反射部（１０３）へ入射させる第２反射手段と、前記第２反射光（１２０Ｂ）を反射し、その反射光である第３反射光（１２０Ｃ）を第４反射部（１０４）へ入射させる第３反射手段と、前記第３反射光（１２０Ｃ）を前記入射光（１２０）と同じ光軸を有する第４反射光（１２０Ｄ）として反射する第４反射手段と、を備え、前記第２反射手段、前記第３反射手段および前記第４反射手段のうち少なくとも２つは、半透過ミラーとすることで、ビーム位置とビーム径とを変化させずにビームの出力を減衰させる。

Description

本発明は、高出力光用減衰器、測定装置および３次元造形装置に関する。
上記技術分野において、特許文献１には、フィルタを用いてレーザ光を減光する技術が開示されている。
特許第４５５１３８５号公報
しかしながら、上記文献に記載の技術では、ビーム位置とビーム径とを変化させずにビーム出力を減衰させることができなかった。
本発明の目的は、上述の課題を解決する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明に係る高出力光用減衰器は、
入射光を全反射し、その反射光である第１反射光を第２反射部へ入射させる第１反射手段と、
前記第１反射光を反射し、その反射光である第２反射光を第３反射部へ入射させる第２反射手段と、
前記第２反射光を反射し、その反射光である第３反射光を第４反射部へ入射させる第３反射手段と、
前記第３反射光を前記入射光と同じ光軸を有する第４反射光として反射する第４反射手段と、
を備え、
前記第２反射手段、前記第３反射手段および前記第４反射手段のうち少なくとも２つは、半透過ミラーであることを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る測定装置は、
上記高出力光用減衰器と光検出素子とを備えたことを特徴とする
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
上記測定装置を用いた。
上記目的を達成するため、本発明に係る測定装置は、
上記高出力光用減衰器と光検出素子とを備えたことを特徴とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る３次元造形装置は、
上記測定装置を用いた。
本発明によれば、ビーム位置とビーム径とを変化させずにビームの出力を減衰させることができる。
本発明の第１実施形態に係る高出力光用減衰器の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る測定装置の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置の構成を示す図である。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して、例示的に詳しく説明記載する。ただし、以下の実施の形態に記載されている、構成、数値、処理の流れ、機能要素などは一例に過ぎず、その変形や変更は自由であって、本発明の技術範囲を以下の記載に限定する趣旨のものではない。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態としての高出力光用減衰器１００について、図１を用いて説明する。高出力光用減衰器１００は、入射された高出力光の出力を減衰させる装置である。
図１に示すように、高出力光用減衰器１００は、反射部１０１と、反射部１０２と、反射部１０３と、反射部１０４とを備える。
反射部１０１は、入射光１２０を全反射し、その反射光である反射光１２０Ａを反射部１０２へ入射させる。反射部１０２は、反射光１２０Ａを反射し、その反射光である反射光１２０Ｂを反射部１０３へ入射させる。
反射部１０３は、反射光１２０Ｂを反射し、その反射光である反射光１２０Ｃを反射部１０４へ入射させる。反射部１０４は、反射光１２０Ｃを入射光１２０と同じ光軸１３０を有する反射光１２０Ｄとして反射する。反射部１０２、反射部１０３および反射部１０４のうち少なくとも２つは半透過ミラーである。
本実施形態によれば、ビーム位置とビーム径とを変化させずにビーム出力を減衰させることができる。
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係る高出力光用減衰器を用いた測定装置について、図２Ａおよび図２Ｂを用いて説明する。
（前提技術）
まず、本実施形態の前提技術について説明する。レーザ加工装置では、レーザ光の照射位置（ビーム位置）をガイド光により確認しているが、ガイド光ではレーザ光の出力が大きい場合などにはビーム位置およびビーム径を正確に確認するこができなかった。
このようなレーザ加工装置において、レーザ光のビーム位置（焦点位置）またはビーム径を確認するためには、試験片をワークにセットして、この試験片にレーザ光を低出力で照射する。その後、試験片をレーザ加工装置のワークから取り外して、レーザ光による加工痕を顕微鏡などで確認する作業が必要となる。
したがって、このようなレーザ加工装置において、レーザ光の焦点位置およびビーム径を所定の値に設定するためには、試験片へのレーザ光の照射と、レーザ光による加工痕を確認する作業を繰り返して行なわなければならない。
また、このような作業を、積層用光学系と加熱用光学系との両方について実施する必要があった。さらに、加熱用光学系が、加工材に対して斜めに入射する場合には、レーザ光の焦点位置およびビーム径の調整の難易度が一層高くなる。
さらに、３次元造形装置に用いられる加工用のレーザ光は、通常数１００Ｗ〜数ｋＷの出力がある。これに対して、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)センサなどの受光素子は、出力がμＷ〜ｍＷの弱い光を受光するものであるので、このような大出力の加工用レーザ光をＣＣＤセンサなどの素子で検出することはできなかった。
（本実施形態の技術）
図２Ａおよび図２Ｂは、本実施形態に係る高出力光用減衰器を用いた測定装置２００の構成を説明するための図である。図２Ａに示したように、測定装置２００は、光検出素子２０７と高出力光用減衰器２０８とを備える。高出力光用減衰器２０８は、全反射ミラー２０１、２０３と、半透過ミラー２０２、２０４と、冷却器２５０とを備える。
全反射ミラー２０１は、入射光２２０の光軸２３０上に配置され、さらに、光軸２３０と垂直な垂直面２６０上に配置されている。全反射ミラー２０１は、レーザ光２２０を反射する。全反射ミラー２０１で反射されたレーザ光２２０は、進路を９０度変えて、レーザ光２２１として全反射ミラー２０３へ向かう。
全反射ミラー２０３は、光軸２３０と平行な軸２４０上に配置され、さらに、全反射ミラー２０１が配置されている垂直面と同じ垂直面２６０上に配置されている。全反射ミラー２０３は、レーザ光２２１を反射する。全反射ミラー２０３で反射されたレーザ光２２１は、進路を９０度変えて、レーザ光２２２として半透過ミラー２０４へ向かう。
半透過ミラー２０４は、全反射ミラー２０３が配置されている軸と同じ軸２４０上に配置され、さらに、垂直面２６０と平行な垂直面２７０上に配置されている。レーザ光２２２は、半透過ミラー２０４で反射するレーザ光２２４と、半透過ミラー２０４を透過するレーザ光２２３とに分かれる。
半透過ミラー２０４で反射したレーザ光２２２は、進路を９０度変えて、レーザ光２２４として半透過ミラー２０２へ向かう。また、半透過ミラー２０４を透過したレーザ光２２２は、進路を変えずにレーザ光２２３として冷却器２５０へ到達する。
半透過ミラー２０４で反射したレーザ光２２４と半透過ミラー２０４を透過したレーザ光２２３とは、分離される前のレーザ光２２２と比較して、そのエネルギーが減衰している。
半透過ミラー２０２は、全反射ミラー２０１が配置されている光軸と同じ光軸２３０上に配置され、さらに、半透過ミラー２０４が配置されている垂直面と同じ垂直面２７０上に配置されている。レーザ光２２４は、半透過ミラー２０２で反射するレーザ光２２５と、半透過ミラー２０２を透過するレーザ光２２６とに分かれる。
半透過ミラー２０２で反射したレーザ光２２４は、進路を９０度変えて、レーザ光２２５として光検出素子２０７へと向かう。また、半透過ミラー２０２を透過したレーザ光２２４は、進路を変えずにレーザ光２２６として冷却器２５０へ到達する。
半透過ミラー２０２で反射したレーザ光２２５と半透過ミラー２０２を透過したレーザ光２２６とは、分離される前のレーザ光２２４と比較して、そのエネルギーが減衰している。
このように、２つの半透過ミラー２０２、２０４で反射（または透過）するときに、レーザ光のエネルギーが減衰される。結果として、高出力光用減衰器２０８に入射したレーザ光２２０は、高出力光用減衰器２０８から出射する際には、レーザ光２２０よりもエネルギーが減衰したレーザ光２２５として高出力光用減衰器２０８から出射される。
なお、上述の説明では、光の透過率と反射率とが等しい半透過ミラーを例に説明をしたが、これには限定されない。光の透過率と反射率とが異なる透過ミラーであってもよい。また、上述の説明では、入射光の上流側の２つのミラーが全反射ミラーで、下流側の２つのミラーが半透過ミラーである例で説明をしたが、これには限定されない。全反射ミラー２０１の位置に設けられるミラーのみ全反射ミラーであって、その他の位置に設けられるミラーは、半透過ミラーであってもよい。
光検出素子２０７は、高出力光用減衰器２０８から出射されたレーザ光２２５を検出する。光検出素子２０７は、例えば、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどであるが、光を検出できる素子であればこれらに限定されない。
ユーザは、ＣＣＤセンサなどの光検出素子２０７の表示画面を見れば、レーザ光２２０のビーム位置を確認することができ、さらに、レーザ光２２０のビームパターンからビーム径を知ることができる。
上述したように、レーザ光２２０の光軸２３０上に全反射ミラー２０１を配置して、レーザ光２２０を一旦、横の経路に迂回させる。そして、半透過ミラー２０２、２０４を用いてエネルギーを減衰させるので、レーザ光２２０の照射されるビーム位置が変わる（ずれる）ことがない。よって、レーザ光２２０のビーム位置とビーム径とを同時に検出することができる。
半透過ミラー２０２、２０４を反射または透過したレーザ光２２３〜２２６は、出力が１％〜０．１％落ちる。出力が、１００Ｗ〜数ｋＷのレーザ光２２０を光検出素子２０７で検出するためには、出力を６桁程度落とさなければならないので、半透過ミラーは、少なくとも２枚必要となるが、これには限定されない。半透過ミラーの数は、必要に応じて適宜増減することができる。
冷却器２５０は、全反射ミラー２０１、２０３を冷却する。また、冷却器２５０は、半透過ミラー２０２、２０４を透過したレーザ光２２３、２２６を冷却する。冷却器２５０には、冷却液２５１が循環している。冷却液２５１としては、例えば、水やアルコールなどがあるが、レーザ光を冷却できる物質であればこれらには限定されない。
図２Ｂに示したように、全反射ミラー２０３の配置位置を軸２４０上で下方に移動し、半透過ミラー２０４の配置位置を軸２４０上で上方に移動した配置としてもよい。これにより、全反射ミラー２０３と全反射ミラー２０１とは、垂直面２６０上での位置が異なり、半透過ミラー２０４と半透過ミラー２０２とは、垂直面２７０上での位置が異なる。
この場合、全反射ミラー２０１の角度を調整して、反射光２２１が全反射ミラー２０３へ到達するようにする。また、半透過ミラー２０４の角度を調整して反射光２２４が半透過ミラー２０２へ到達するようにする。
全反射ミラー２０１、２０３および半透過ミラー２０２、２０４の配置位置は、図２Ａおよび図２Ｂに示した配置には限定されず、様々な配置が可能である。
本実施形態によれば、レーザ光のビーム位置とビーム径とを変化させずにビームの出力を減衰させることができる。高出力光用減衰器に入射したレーザ光を一旦横方向に迂回させるので、高出力光用減衰器の厚みを増やすことなく、レーザ光の出力を減衰することができるので、高出力光用減衰器２０８を狭い場所に設置することができる。
また、本実施形態によれば、レーザ光２２０の出力を変えることなく、レーザ光２２０のエネルギーを取り除くことができる。さらに、レーザ光２２０を拡散させなくてもレーザ光２２０の出力を減衰できるので、レーザ光２２０のビーム径が変わらず、正確なビーム径を測定できる。
［第３実施形態］
次に本発明の第３実施形態に係る高出力光用減衰器を用いた測定装置について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態に係る高出力光用減衰器を用いた測定装置３００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る測定装置３００は、上記第２実施形態と比べると、半透過ミラーを１枚余分に有する点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
測定装置３００は、高出力光用減衰器３０２と光検出素子２０７とを備える。高出力光用減衰器３０２は、半透過ミラー２０２と半透過ミラー２０４との間に配置された半透過ミラー３０１を備える。半透過ミラー３０１は、軸３１０上に配置されている。
半透過ミラー２０２と半透過ミラー２０４と半透過ミラー３０１とは同じ垂直面２７０上に配置されている。なお、半透過ミラー２０２、２０４、３０１の配置はこれには限定されず、例えば、半透過ミラー３０１の配置位置が垂直面２７０からずれた位置であってもよく、様々な配置が可能である。
レーザ光２２０は、全反射ミラー２２０で反射して全反射ミラー２０３へ向かう。レーザ光２２１は、全反射ミラー２０３で反射して半透過ミラー２０４へ向かう。レーザ光２２２は、半透過ミラー２０４で、一部が反射して半透過ミラー３０１へ向かい、残部が透過して冷却器２５０へ向かう。
レーザ光２２４は、半透過ミラー３０１で、一部が反射してレーザ光３２１として冷却器２５０へ向かい、残部が透過してレーザ光３２０として半透過ミラー２０２へ向かう。なお、本実施形態では半透過ミラーの枚数を３枚で説明したが、半透過ミラーの枚数はこれに限定されず、３枚以上であってもよい。
本実施形態によれば、半透過ミラーの枚数を増やしたので、レーザ光の出力をさらに減衰させることができる。
［第４実施形態］
次に本発明の第４実施形態に係る３次元造形装置について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る３次元造形装置４００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第２実施形態で説明した高出力光用減衰器を用いた３次元造形装置である。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
３次元造形装置４００は、モニタ４０１とケーブル４０２と積層用光学系筐体４０３と加熱用光学系筐体４０４と支持治具４０５とを備える。
光検出素子２０７は、ケーブル４０２を介してモニタ４０１に接続されている。ユーザは、モニタ４０１の表示画面４１１により、レーザ光のビーム位置とビーム径とを確認することができる。
高出力光用減衰器２０８Ａは、積層光学系筐体４０３の筐体内の高出力光用減衰器２０８Ａ取り付け用のスペースに取り外し可能に設置されている。また、高出力光用減衰器２０８Ａは、積層用レーザ光４３１の光路上に配置されている。積層用レーザ光４３１は、高出力光用減衰器２０８Ａにより出力が減衰されて、光検出素子２０７に到達する。
高出力光用減衰器２０８Ｂは、加熱光学系筐体４０４の外部に配置されている。また、高出力光用減衰器２０８Ｂは、加熱用レーザ光４４１の光路上に配置されており、支持治具４０５により支持されている。加熱用レーザ光４４１は、高出力光用減衰器２０８Ｂにより出力が減衰されて、光検出素子２０７に到達する。
これらの高出力光用減衰器２０８Ａ、２０８Ｂは、積層用レーザ光４３１および加熱用レーザ光４４１のビーム位置やビーム径の測定が必要な場合のみ使用し、３次元造形物の加工を行なう場合には取り外して、使用しない。
本実施形態によれば、高出力光用減衰器２０８Ａを３次元造形装置４００へ取り外し可能とし、高出力光用減衰器２０８Ｂを加熱用レーザ光の経路上に配置可能としている。したがって、加工前や加工後などの加工時以外に積層用レーザ光４３１および加熱用レーザ光４４１のビーム位置やビーム径を測定することができる。
［第５実施形態］
次に本発明の第５実施形態に係る３次元造形装置について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係る３次元造形装置５００の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置５００は、上記第４実施形態と比べると、高出力光用減衰器２０８Ｂが、加熱光学系筐体４０４の内部に配置されている点で異なる。その他の構成および動作は、第４実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
高出力光用減衰器２０８Ｂは、加熱光学系筐体４０４の内部に設けられた設置スペースに取り外し可能に、設置されている。
本実施形態によれば、高出力光用減衰器２０８Ａ、２０８Ｂを３次元造形装置５００へ取り外し可能としているので、加工前や加工後などの加工時以外に積層用レーザ光４３１および加熱用レーザ光４４１のビーム位置やビーム径を測定することができる。
［第６実施形態］
次に本発明の第６実施形態に係る３次元造形装置について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る３次元造形装置の構成を説明するための図である。本実施形態に係る３次元造形装置は、上記第４実施形態と比べると、一体型の測定装置を用いている点で異なる。その他の構成および動作は、第２実施形態と同様であるため、同じ構成および動作については同じ符号を付してその詳しい説明を省略する。
３次元造形装置６００は、高出力光用減衰器２０８と光検出素子２０７とが一体となった測定装置６０１を用いる。なお、図６では、積層用光学系のみを図示しているが、加熱用光学系でも同様である。
３次元造形装置６００は、測定装置６０１を３次元造形装置６００のワーク６０２上に置くだけの構成となっている。このように、測定装置６０１をワーク６０２上に置くだけの構成としたので、レーザ光４３１のビーム位置およびビーム径を容易に測定できる。
本実施形態によれば、高出力光用減衰器と光検出素子とが一体となった測定装置をワーク上に置くだけなので、レーザ光のビーム位置およびビーム径を容易に測定できる。また、３次元造形装置に測定装置を取り付けるスペースを確保する必要がないので、設置スペースを有しない既存の３次元造形装置であっても、容易にレーザ光のビーム位置およびビーム径を測定できる。
［他の実施形態］
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、それぞれの実施形態に含まれる別々の特徴を如何様に組み合わせたシステムまたは装置も、本発明の範疇に含まれる。

Claims (9)

  1. 入射光を全反射し、その反射光である第１反射光を第２反射部へ入射させる第１反射手段と、
    前記第１反射光を反射し、その反射光である第２反射光を第３反射部へ入射させる第２反射手段と、
    前記第２反射光を反射し、その反射光である第３反射光を第４反射部へ入射させる第３反射手段と、
    前記第３反射光を前記入射光と同じ光軸を有する第４反射光として反射する第４反射手段と、
    を備え、
    前記第２反射手段、前記第３反射手段および前記第４反射手段のうち少なくとも２つは、半透過ミラーであることを特徴とする高出力光用減衰器。
  2. 前記第１反射手段と前記第４反射手段とは、前記入射光の光軸上に配置され、
    前記第２反射手段と前記第３反射手段とは、前記光軸と平行な軸上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の高出力光用減衰器。
  3. 前記第１反射手段と前記第２反射手段とは、前記光軸に垂直な第１垂直面上に配置され、
    前記第３反射手段と前記第４反射手段とは、前記第１垂直面と平行な第２垂直面上に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高出力光用減衰器。
  4. 前記第１反射手段と前記第２反射手段とは、全反射ミラーであり、
    前記第３反射手段と前記第４反射手段とは、半透過ミラーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高出力光用減衰器。
  5. 前記第３反射手段と前記第４反射手段との間に反射手段を少なくとも１つ備え、
    前記反射手段は、半透過ミラーであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の高出力光用減衰器。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の高出力光用減衰器と光検出素子とを備えたことを特徴とする測定装置。
  7. 前記高出力光用減衰器と前記光検出素子とが一体であることを特徴とする請求項６に記載の測定装置。
  8. 前記光検出素子は、ＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサであることを特徴とする請求項６または７に記載の測定装置。
  9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の測定装置を用いた３次元造形装置。
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