JP6821606B2 - ビーム位置センサを有する走査ヘッドおよび調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、集束光学系と、レーザビームの伝播方向において集束光学系の上流に配置され、レーザビームの位置を制御するビーム位置決めシステムとを有し、ビーム位置決めシステムは、加工面へのレーザビームの入射角を動的に調整し、レーザビームの加工位置を加工面上で２次元移動させる少なくとも２つの制御可能な可動光学素子を備えることを特徴とするレーザ材料加工用走査ヘッドに関する。さらに、本発明は、上記走査ヘッドを有する調整装置および調整方法に関する。

走査ヘッドは、特にマーキング、ラベリング、研磨および／または構造加工、切断、穿孔、焼結および溶接等、様々な目的に使用される。走査ヘッドをレーザ材料加工に用いる際、レーザ焦点の位置を所定の経路に導くとともに、被加工物へのレーザビームの入射角を制御することが好ましい。これにより、被加工物を任意の形状に加工したり、被加工物の端部を被加工物の表面に対して所望の角度傾斜させたりすることができる。レーザビームの入射角の調整は、焦点位置の調整とは独立して行われることが好ましい。これらの調整を個別に高精度かつ高速に行うことで、レーザ材料加工の高速化を図ることができる。

ドイツ特許出願公開第１０２０１３２２２８３４号には、レーザビームの案内装置および案内方法が開示されている。本装置は、被加工物上のレーザビームの横方向オフセットを調整するための集束光学系においてレーザビームの迎角を生成し、かつ被加工物上のレーザビームの入射角を調整するための集束光学系においてレーザビームの横方向オフセットを生成する可動ミラーを備えたミラー装置を有する。レーザビームの伝播方向において、レーザ光源とミラー装置の間に第１ビームスプリッタが配置されている。第１ビームスプリッタには第１センサ素子が配置されている。第１センサ素子は、ビーム形状およびビーム位置を監視する機能を有する。これにより、ミラー装置の上流におけるビーム位置を検出することができる。本装置の欠点は、レーザビームの調整が、ビームの伝播方向においてミラー装置の上流に配置された構成要素のみによって行われることである。通常、これらの構成要素は、走査ヘッドの一部ではない。そのため、調整が非常に複雑で、時間とコストを要する。

さらに、ドイツ特許出願公開第１０２００４０５３２９８号には、レーザ穿孔切断装置の一部としての走査ヘッドが開示されている。本走査ヘッドは、レーザビームの平行移動を制御するウォブルユニットと一体化された強度調整ビーム減衰ユニットと、レーザビームの断面積を増大させるビーム拡大望遠鏡と、レーザビームの焦点を案内する走査ブロックと、レーザビームを試料に集束させる作業ユニットと、任意で追加可能な検査および制御ユニットとがレーザ光路上に配列されていることを特徴とする。ビーム減衰ユニットは、光路上に連続して配列されたリターダ、第１ブリュースター窓および第２ブリュースター窓を備えており、リターダおよび／または２つのブリュースター窓の少なくとも一方は、光軸を中心に回転可能に構成されている。ウォブルユニットは、光路内に配置された２つの平行平面窓によって構成されており、第１平行平面窓の回転軸と、第２平行平面窓の回転軸と、レーザビームの伝播方向とは互いに直交している。リターダまたは平行平面窓は、ガルバノメータユニットによって適宜移動される。

本発明の課題は、レーザビームの伝播方向において走査ヘッドの上流に配置された構成要素に影響を与えることなく、オフラインで（すなわち、実際の加工プロセスに先立って）高効率および／または高精度にビームの調整を行うことができる走査ヘッド、調整装置および調整方法を提供することである。

上記課題は、独立請求項に記載の特徴を有する走査ヘッド、調整装置および調整方法によって解決される。

本発明は、集束光学系とビーム位置決めシステムとを有するレーザ材料加工用走査ヘッドを提供する。集束光学系は、レーザビームを加工位置、特に被加工物の加工面または加工位置の近傍に集束させる。ビーム位置決めシステムは、被加工物の加工面におけるレーザビームの位置を制御する。レーザビームの位置は、４つの独立した幾何学的パラメータによって決定される。幾何学的パラメータには、例えば、加工面に対するレーザビームの通過点を定義するｘ座標およびｙ座標や、第１および／または第２立体角等によって画定された空間におけるレーザビームの伝播方向が含まれる。ビーム位置決めシステムは、レーザビームの伝播方向において集束光学系の上流に配置される。さらに、ビーム位置決めシステムは、特に制御ユニットによって制御可能な少なくとも２つの可動光学素子を備える。ビーム位置決めシステムは、加工面へのレーザビームの入射角を調整可能に構成される。入射角の調整は、例えば、レーザビームを集束光学系の光軸に対して垂直方向に平行移動させることによって行われる。さらに、ビーム位置決めシステムは、レーザビームの加工位置を加工面において２次元（特にｘ-ｙ平面）移動可能に構成される。レーザビームの加工位置の移動は、例えば、レーザビームを集束光学系の光軸に対して偏向（傾斜）させることによって行われる。

本発明に係る走査ヘッドは、さらにビーム位置センサを有する。ビーム位置センサは、レーザビームの伝播方向においてビーム位置決めシステムの下流に配置される。また、ビーム位置センサは、例えばビーム位置決めシステムのオフライン調整のために、レーザビームの少なくとも４つの独立した位置パラメータ、特に、少なくとも１つの並進および／または回転位置パラメータを検出可能に構成される。また、ビーム位置センサは、間接的および／または直接的にレーザビームの実際の位置を検出できるように構成される。レーザビームの実位置は、少なくとも４つの独立した位置パラメータによって決定される。ビーム位置センサは、少なくとも４つの独立した位置パラメータ、および／または位置パラメータによって決定されるレーザビームの実位置を、走査ヘッドのハウジング内部および／またはビーム位置決めシステムの下流において検出するように構成されることが好ましい。この場合、レーザビームの実位置は、少なくとも４つの独立した位置パラメータに基づいて間接的に検出される。

ビーム位置センサによるレーザビームの位置検出は、レーザビームの伝播方向、および／または、ビーム位置決めシステムと集束光学系の間におけるビーム経路に関して行われる。レーザビームの実位置の検出がビーム位置決めシステムの下流でのみ行われる場合、ビーム位置決めシステムにおいて、走査ヘッドの上流の構成要素によって生じる外部誤差の補正が行われることが好ましい。外部誤差を走査ヘッドによって補正可能である場合、外部の構成要素に変更を加える必要がない。また、走査ヘッドにおいて、ビーム位置決めシステムを適切に再調整することで、ビームのオフライン調整を高速、高精度かつ低コストで行うことができる。

ビーム位置センサは、並進位置パラメータ（特に、２次元位置）および／または回転位置パラメータ（特に、２次元位置角度）を検出可能に構成されることが好ましい。並進位置パラメータは、ｘ-ｙ平面に対するレーザビームの理論的な通過点のｘ座標および／またはｙ座標を検出したものである。したがって、位置パラメータが検出されるｘ-ｙ平面は、ビーム経路に対して斜めに、あるいは垂直に配置されることが好ましい。また、ビーム位置センサは、レーザビームのｘ-ｚ平面における第１傾斜角および／またはｙ-ｚ平面における第２傾斜角を検出可能であることが好ましい。そのために、ビーム位置センサは、少なくとも２つのセンサ、特に２次元センサを備えることが好ましい。例えば、２つの並進位置パラメータは、２つの平面のビーム経路内に配置された２つの２次元センサによって決定される。すなわち、各センサ平面における通過点と、センサ平面間の距離とに基づいて、レーザビームの正確な実位置を決定または検出することができる。回転位置パラメータを決定するために、例えば、入射角の関数としてのレーザビームの所定の偏向を引き起こし、および／または、位置検出センサを用いて回転位置パラメータを測定することが可能なセンサレンズをビーム位置センサの２次元センサの前に配置することができる。

ビーム位置センサは、ビーム経路内の異なる位置における１つまたは複数の位置パラメータを決定可能に構成された複数（特に、２つ、３つまたは４つ）のセンサユニットを備えており、４つの独立した位置パラメータは、各センサユニットにおける測定結果の組み合わせにより決定される。この場合、各センサユニットは、別体として構成されてもよい。例えば、４つのスロットダイオードを用いて、ビーム経路内の複数のビーム位置に関する４つの１次元情報を検出し、これらをセンサの位置および測定されたビーム位置までの距離とオフセットしてもよい。

さらに、ビームの位置や伝播方向などの幾何学的情報を検出可能なビーム位置センサとしては、象限ダイオード、カメラ要素、ＰＳＤ（位置検出装置）または波面センサなどが挙げられる。

ビーム位置センサは、走査ヘッドと一体的に構成することができる。また、ビーム位置センサは、走査ヘッドに取り外し可能に設置され、および／または、走査ヘッドの調整のために走査ヘッドに取り外し可能に接続されてもよい。

レーザビームは、ビーム位置決めシステムの下流で分離された後、ビーム位置センサによって検出される。分離後のビーム位置と分離点におけるビーム位置は一定の関係にあるため、ビーム位置センサの測定結果から、分離点におけるビーム位置を検出することができる。レーザビームの分離は、レーザビームの伝播方向においてビーム位置センサの上流に配置された半透明ミラー等のビームスプリッタによって行われる。ビームスプリッタは、ビーム経路の内外に旋回可能に構成される。ビームスプリッタは、例えば、加工プロセス前の（すなわち、オフライン）調整においてはビーム経路内に旋回され、加工プロセス中の（すなわち、オンライン）調整においてはビーム経路外に旋回される。

ビーム位置センサは、ビーム位置決めシステムと集束光学系との間の領域におけるレーザビームの実位置を検出可能に構成されることが好ましい。そのため、ビームスプリッタは、ビーム位置決めシステムと集束光学系の間のビーム経路内に配置されることが好ましい。

加工位置に向かうビーム経路からビーム位置センサに向かうレーザビームを分離するために、ビーム位置センサとビームスプリッタは、ビームスプリッタを透過したレーザ光がビーム位置センサに導入され、ビームスプリッタで反射されたレーザ光が集束光学系に導入されるように配置されることが好ましい。

走査ヘッドは、センサによって検出されたデータの分析を行う演算ユニットを有することが好ましい。演算ユニットは、例えば走査ヘッドのハウジング内部に配置される。また、ビーム位置センサの演算ユニットおよび／またはビーム位置決めシステムの制御ユニットは、ビーム位置センサに接続されることが好ましい。なお、これらの接続は、有線接続によって行われることが好ましい。

走査ヘッドは、走査ヘッドの外部に設けられた外部演算ユニットをビーム位置センサおよび／または制御ユニットに接続するための外部インターフェースを有することが好ましい。外部演算ユニットが外部インターフェースを介してビーム位置センサおよび／または制御ユニットと接続可能に構成されることで、複数の走査ヘッドの間で１つの演算ユニットを流用することができるため、走査ヘッドの製造コストを低減することができる。

走査ヘッドは、レーザビームのオフライン調整を行うための調整装置を有するか、または、上記調整装置の一部として構成されることが好ましい。この場合、調整装置は、レーザビームの実位置を検出するビーム位置センサと、補正値を算出する演算ユニットと、補正値に基づいてビーム位置決めシステムに制御信号を送信する制御ユニットと、および／または、制御信号に基づいて新たなレーザビーム位置を設定するビーム位置決めシステムとを有する。演算ユニットが走査ヘッドの内部に設けられている（内部演算ユニット）場合、調整装置は走査ヘッドと完全に一体化されている。演算ユニットが走査ヘッドの外部に設けられている（外部演算ユニット）場合、走査ヘッドは調整装置の一部を構成する。このような調整装置を用いることにより、走査ヘッドの設置時に、またはドリフト誤差（例えば、温度によって引き起こされる誤差）を除去するために、各加工プロセスの前に、または所定の時間間隔で、レーザビームのビーム経路の上流側に配置されたレーザビーム源などの外部構成要素に影響を与えることなく、ビームの調整を行うことができる。

走査ヘッドまたは外部演算ユニットは、レーザビームの目標位置を記憶する記憶ユニットを有することが好ましい。記憶ユニットは、例えば、演算ユニットに接続され、または演算ユニットと一体化された別個の構成要素である。レーザビームの目標位置は、少なくとも４つの独立した目標位置パラメータとして間接的に記憶される。レーザビームの目標位置は、工場において、各走査ヘッドに対して個別に決定され、記憶ユニットに記憶される。

演算ユニットは、レーザビームの実位置と目標位置を比較することによって、ビーム位置決めシステムの少なくとも１つの補正値を算出可能に構成されることが好ましい。そのために、演算ユニットは、反復近似法または確率的探索法を使用または実行することが好ましい。また、上記補正値は、多次元であることが好ましい。すなわち、補正値は、ビーム位置決めシステムの複数の調整次元における目標位置と実位置のずれを表す。したがって、補正値は、ビーム位置決めシステムの少なくとも２つの光学素子に対する再調整値を含む。また、演算ユニットは、補正値を制御ユニットに自動的に送信するように構成されることが好ましい。

走査ヘッドは、ビーム位置センサの動作が停止している間に、材料加工プロセスを実行可能に構成されることが好ましい。これにより、ビーム位置センサを動作させることなく材料加工プロセスを行うことができる。

演算ユニットと制御ユニットは、別個の構成要素であってもよいし、演算／制御ユニットとして一体的に構成されてもよい。

ビーム位置決めシステムは、少なくとも４つの回転可能なミラーを備えることが好ましい。これらのミラーは、それぞれ単一の回転軸を中心に回転可能に構成される。各ミラーの回転軸は、少なくとも部分的に互いに異なっている（すなわち、空間内で互いに異なる方向を向いている）。各ミラーは、制御ユニットによって制御されることが好ましい。各ミラーが単一軸の周りを回転可能に配置されることで、ビーム位置を迅速に変更することが可能である。

ビーム位置決めシステムは、レーザビームの少なくとも１つの入射角を設定するための平行オフセットユニットを備えることが好ましい。また、ビーム位置決めシステムは、レーザビームを２次元移動させるための偏向ユニットを備えることが好ましい。平行オフセットユニットは、ビームの伝播方向において偏向ユニットの上流に配置される。レーザビームの位置調整を迅速に行うために、平行オフセットユニットおよび／または偏向ユニットの各々が単一の回転軸を中心に回転可能な２つのミラーを備えることが好ましい。この場合、各ミラーによって位置パラメータの調整が行われる。また、設定パラメータと位置パラメータは、工場較正プロセスにおいて決定される座標変換によって、加工領域内で互いに結合される。平行オフセットユニットによって、レーザビームを集束光学系の光軸に対して垂直方向に配置された変位軸上で変位させることができる。これにより、加工面へのレーザビームの入射角を変更することができる。

走査ヘッドは、ビーム位置センサの上流に配置された焦点設定ユニットをさらに有することが好ましい。焦点設定ユニットにより、レーザビームの焦点位置をｚ方向に移動させることができる。そのために、焦点設定ユニットは、光軸に沿って移動可能な少なくとも１つのレンズを備えたビーム拡大望遠鏡ユニットを有することが好ましい。

また、レーザビームの焦点位置をｚ方向に移動させるために、集束光学系がその光軸方向に移動可能に構成されてもよい。なお、上述の焦点設定ユニットは、制御ユニットに接続され、制御ユニットによって制御されることが好ましい。

また、本発明は、走査ヘッドをオフライン調整することが可能な調整装置を提供する。本発明に係る調整装置は、レーザ材料加工用の走査ヘッドを有する。走査ヘッドは、加工位置においてレーザビームを被加工物の加工面に集束させる集束光学系を備える。さらに、走査ヘッドは、レーザビームの位置を制御するビーム位置決めシステムを備える。ビーム位置決めシステムは、レーザビームの伝播方向において集束光学系の上流に配置される。また、ビーム位置決めシステムは、少なくとも２つの制御可能および／または可動の光学素子を備える。さらに、ビーム位置決めシステムは、制御ユニットによって制御可能な少なくとも２つの可動光学素子を備える。加工面へのレーザビームの入射角は、ビーム位置決めシステムによってレーザビームを集束光学系の光軸に垂直な方向に平行移動させることで変更することができる。また、ビーム位置決めシステムは、レーザビームの加工位置を加工面上で２次元移動させることができる。調整装置は、走査ヘッドに加えて、演算ユニットを有する。演算ユニットは、外部演算ユニットとして構成され、および／または、走査ヘッドの外部インターフェースを介して走査ヘッドのビーム位置センサおよび／または制御ユニットに接続される。走査ヘッドは、上述した個々の特徴またはこれらの組み合わせにより構成される。本発明に係る調整装置によれば、走査ヘッドのオフライン調整を高速かつ高精度に行うことができる。また、本発明に係る調整装置によれば、走査ヘッドの上流に設けられたレーザビーム源等の外部ユニットに対して何ら影響を与えることなく調整を行うことができる。すなわち、本発明に係る調整装置では、すべてのデータが走査ヘッド、特にビーム位置決めシステムによって決定、設定および／または調整される。したがって、本発明に係る走査ヘッドまたは調整装置は、使用者の環境条件に関わらず独立して設置および調整が可能である。

また、本発明は、走査ヘッドおよび／または調整装置をオフライン調整ことが可能な調整方法を提供する。走査ヘッドおよび／または調整装置は、上述した個々の特徴またはこれらの組み合わせにより構成される。調整処理が行われると、レーザビームの実際の位置がオフラインで、すなわち、加工プロセスの前に検出される。レーザビームの実位置は、レーザビームの少なくとも４つの独立した位置パラメータを検出可能なビーム位置センサによって検出または決定される。また、レーザビームの実位置の検出は、レーザビームの伝播方向において走査ヘッドのビーム位置決めシステムの下流で実行される。ビーム位置センサは、外的要因によって発生したレーザビーム位置の変化に加えて、ビーム位置決めシステムによるレーザビーム位置の変更も検出することが好ましい。ビーム位置センサによってレーザビームの実位置を検出した後、演算ユニットは、記憶ユニットに記憶された目標位置に基づき、検出されたレーザビームの実位置を補正する。実位置と目標位置の間に差がある場合、演算ユニットは、ビーム位置決めシステムに対する補正値を算出する。続いて、制御ユニットが、算出された補正値に基づいてビーム位置決めシステムを調整する。上述の調整プロセスは、１回または複数回行うことができ、調整処理が複数回行われる場合は制御ループとなる。

レーザビームの目標位置は、工場較正プロセスによって決定されることが好ましい。また、レーザビームの目標位置は、走査ヘッドの製造時に個別に決定され、記憶ユニットに記憶されることが好ましい。

本発明では、走査ヘッドの工場較正プロセスにより、レーザビームの目標位置が決定および記憶される。したがって、走査ヘッドの始動時に、較正パラメータが決定されたビーム位置を復元することができる。そのため、工場での較正時と使用時に、走査ヘッドに同じビーム位置を入力する必要がない。加えて、始動後に高精度に調整および較正された状態を実現するために、工場の較正装置または使用者のシステムにおいて特定のビーム位置が必要とされない。

例えば、工場較正プロセスを用いて、座標変換パラメータを決定することができ、この座標変換のパラメータを用いて、走査ヘッドの動作中に、加工領域内のビーム位置および焦点位置の座標からビーム位置決めシステムの可動光学素子の制御値および焦点調整システムの制御値が算出される。

調整プロセスにおいて決定された補正値は、座標変換後の制御値に加算されるオフセット値であってもよい。特に、補正値は、ビーム位置決めシステムの４つの回転可能な光学素子の４つの角度制御値に加えられる４つの角度補正値であってもよい。

ビーム位置センサと、ビーム位置の補正とを通じたビーム位置の測定に加えて、本発明に係る走査ヘッドは、適切な技術的設計に基づいて構成され、好ましくはビーム位置に加えて、レーザビームに関する追加の測定値を決定することができる１つまたは複数の適切なセンサユニットまたはビーム位置センサを介して、空間ビームプロファイルおよび／またはビーム広がり角の測定を行うことができるように構成されてもよい。レーザビームに関する追加の測定値には、例えば、レーザの強度、偏光状態またはスペクトル特性が含まれる。これらの測定値は、必要に応じ、上述の調整プロセスと併せて使用することができる。したがって、演算ユニットにおいて走査ヘッドの可動素子の設定パラメータを算出する際に、ビーム位置の補正値に加えて、ビーム位置以外の誤差を補正するための追加の情報を使用することも可能である。

例えば、演算ユニットにおいて測定されたビームの広がり角と目標広がり角との差は、焦点設定ユニットおよびビーム位置決めユニットの設定パラメータの計算方法に基づいて補正することができる。したがって、ビームの広がり角が異なる場合であっても、ビームの迎角を所定値に維持しながら、焦点を所望の加工経路に導くことができる。ビーム位置の補正値は、例えば、演算ユニットにおいてさらなる補正プロセスに導入され、他の補正値でオフセットされてもよい。

本発明のさらなる利点は、以下の実施形態の記載において説明する。

図１は、本発明に係る調整装置の第１実施形態（すべての構成要素が走査ヘッドに含まれている）を示す概略図である。 図２は、本発明に係る調整装置の第２実施形態（演算ユニットが外部インターフェースを介して走査ヘッド内部の構成要素に接続されている）を示す概略図である。 図３は、本発明に係るビーム位置センサの第１実施形態を示す概略図である。 図４は、本発明に係るビーム位置センサの第２実施形態を示す概略図である。 図５は、本発明係るビーム位置決めシステムの第１実施形態を示す概略図である。 図６は、本発明に係るビーム位置決めシステムの第２実施形態を示す概略図である。

図1は、レーザ材料加工のために走査ヘッド２のビーム位置決めシステム３を調整可能に構成された調整装置１の概略図である。調整装置１は、ビーム位置決めシステム３に加えて、ビーム位置センサ４、演算ユニット５、記憶ユニット６および／または制御ユニット７を有する。図１に示す実施形態では、調整装置１は、走査ヘッド２と完全に一体化され、スキャナハウジング８内に収容されている。

レーザビーム９の位置は、ビーム位置決めシステム３によって制御される。そのために、ビーム位置決めシステム３は、制御ユニット７によって制御可能な少なくとも２つの光学素子（不図示）を備える。これらの光学素子は、好ましくは、回転可能に設けられ、アクチュエータによって制御可能なミラーを備える。

本実施形態において、ビーム位置決めシステム３は、偏向ユニット１１を備えている。偏向ユニット１１は、レーザビーム９が被加工物１４の加工面１３に入射する加工位置１２を加工面１３上で２次元的に、すなわち、ｘ-ｙ方向に移動させることができるように構成されている。そのために、偏向ユニット１１は、好ましくは、それぞれ単一の回転軸を中心に回転可能な２つのミラーを備える。２つのミラーは、加工面１３上の加工位置１２をｘ方向に調整する第１ミラーと、ｙ方向に調整する第２ミラーとにより構成される。

さらに、ビーム位置決めシステム３は、平行オフセットユニット１０を備える。平行オフセットユニット１０は、レーザビーム９の伝播方向において、偏向ユニット１１の上流に配置されることが好ましい。平行オフセットユニット１０によって、加工面１３へのレーザビーム９の入射角を調整することができる。レーザビーム９の入射角の調整は、レーザビーム９を集束光学系１５の光軸１６に垂直な方向に平行移動することによって行われる。したがって、集束光学系１５は、レーザビーム９の伝播方向において、ビーム位置決めシステム３、特に平行オフセットユニット１０の下流に配置される。集束光学系１５は、レーザビーム９を被加工物１４の加工面１３上の加工位置１２に集束させる。

平行オフセットユニット１０は、レーザビーム９を平行移動させるために、少なくとも２つの回転可能なミラーを備える。これらのミラーを用いることにより、レーザビーム９の傾斜角αを制御することができる。したがって、例えば、ｘ-ｚ平面内の第１可動ミラーによって第１傾斜角度を調整し、ｙ-ｚ平面内の第２可動ミラーによって第２傾斜角度を調整することができる。なお、レーザビーム９の平行移動は、２つの連続した可動の（特に、回転または傾斜可能な）光ディスクによっても行うことができる。

図１に示すレーザ材料加工用走査ヘッド２は、焦点設定ユニット１７をさらに備えている。これにより、レーザビーム９をｚ方向に移動させることができる。そのために、焦点設定ユニット１７のレンズは、例えば、レーザビーム９の伝播方向において光軸方向に移動可能に構成されている。本実施形態では、焦点設定ユニット１７がビーム位置決めシステム３と集束光学系１５の間に配置されているが、他の実施形態では、焦点設定ユニット１７は集束光学系１５によって構成されてもよい。この場合、レーザビーム９の焦点位置を光軸１６に対してｚ方向に移動させるために、集束光学系１５が光軸方向に移動可能に構成される。

前述のように、走査ヘッド２は、制御ユニット７を備えている。本実施形態では、制御ユニット７は走査ヘッド２の内部に配置されている。図１に示すように、制御ユニット７は、ビーム位置決めシステム３、特に、平行オフセットユニット１０および偏向ユニット１１に接続されている。制御ユニット７により、不図示の可動光学素子（ミラー等）を制御することができる。したがって、平行オフセットユニット１０によってレーザビーム９の入射角を調整し、偏向ユニット１１によって加工位置１２をｘ-ｙ平面内で調整することができる。また、制御ユニット７は、焦点設定ユニット１７に電気的に接続されており、焦点設定ユニット１７を介して、焦点位置をｚ方向に調整可能である。

走査ヘッド２の使用を開始する際の問題点は、レーザ光源１８によって生成され、走査ヘッド２に入射するレーザビーム９が、誤差を含むことである。したがって、工場で適切に較正されたビーム位置決めシステム３であっても、このような調整誤差は、走査ヘッド２の構成要素、すなわち、平行オフセットユニット１０および偏向ユニット１１を通過するレーザビーム９の伝播方向において継続的に発生し得る。本発明では、ビーム位置決めシステム３に到達する前に生じた上記調整誤差を補正するために、調整装置１の少なくとも一部、好ましくは、図１に示す第１実施形態のように、調整装置１の全体が走査ヘッド２と一体化されている。

調整装置１は、ビーム位置センサ４を有する。ビーム位置センサ４によって、ビーム位置決めシステム３と集束光学系１５との間のビーム経路の領域におけるレーザビーム９の実位置１９を検出することができる。そのために、ビーム位置センサ４は、レーザビーム９の伝播方向において、ビーム位置決めシステム３の下流であって、集束光学系１５の上流に配置される。すなわち、ビーム位置センサ４は、ビーム位置決めシステム３と集束光学系１５の間のビーム経路におけるレーザビーム９の実位置１９を検出することができるように、走査ヘッド２の内部に配置されている。

ビーム位置決めシステム３と集束光学系１５との間には、ビームスプリッタ２０が配置される。ビームスプリッタ２０は、好ましくは、半透明ミラーにより構成される。ビームスプリッタ２０により、実位置１９を変更することなく、レーザビーム９を集束光学系１５に至るビーム経路外に分離することができる。分離されたレーザビーム９の一部は、ビーム位置センサ４によって検出される。図１に示すように、ビーム位置センサ４とビームスプリッタ２０は、ビームスプリッタ２０を透過したレーザ光がビーム位置センサ４に導導入され、ビームスプリッタ２０で反射されたレーザ光が集束光学系１５に導入されるように配置される。

レーザビーム９の実位置１９は、レーザビーム９の少なくとも４つの独立した位置パラメータによって決定される。ビーム位置センサ４は、これらの位置パラメータを検出することによって、ビーム位置決めシステム３と集束光学系１５との間のビーム経路の領域におけるレーザビーム９の実位置１９を間接的に検出することができる。レーザビーム９の実位置１９を決定するための位置パラメータには、並進および／または回転位置パラメータが含まれる。

図１に示すように、ビーム位置センサ４は、走査ヘッド２の内部に配置された演算ユニット５に接続されている。そのため、ビーム位置センサ４は、検出したレーザビーム９の位置パラメータまたは実位置１９を演算ユニット５に送信することができる。

調整装置１は、レーザビーム９の目標位置２１が記憶された記憶ユニット６をさらに備える。目標位置２１は、ビーム位置決めシステム３と集束光学系１５の間においてレーザビーム９が通過する位置を含む。目標位置２１は、調整プロセスにおいて設定および／または調整される。そのために、レーザビーム９の目標位置２１、または目標位置２１を決定する少なくとも４つの位置パラメータが、走査ヘッド２の出荷前に工場で決定される。したがって、このような工場較正プロセスでは、ビーム位置決めシステム３および／または焦点設定ユニット１７の製造公差が考慮される。工場で決定されたレーザビーム９の目標位置２１は、記憶ユニット６に記憶される。記憶ユニット６は、別体であってもよいし、演算ユニット５と一体化されていてもよい。

演算ユニット５は、ビーム位置センサ４によって検出された実位置１９と、工場で決定および／または記憶ユニット６に記憶されたレーザビーム９の目標位置２１とを比較する。ビーム位置決めシステム３の上流に調整誤差が存在する場合、演算ユニット５は、実位置１９と所望の目標位置２１との差から、補正値を算出する。上記補正値によって、ビーム位置決めシステム３、特に平行オフセットユニット１０および／または偏向ユニット１１の再調整量が決定される。演算ユニット５は、反復近似法および／または確率的探索法を用いて補正値を算出する。演算ユニット５で算出された補正値は、演算ユニット５に接続された制御ユニット７に送信される。制御ユニット７では、上記補正値を用いて、ビーム位置決めシステム３、特に平行オフセットユニット１０および／または偏向ユニット１１の少なくとも１つの光学素子の再調整が行われる。

本発明では、ビーム位置決めシステム３を適切に再調整することで、調整後の実位置１９が目標位置２１と一致するようにビーム位置決めシステム３の上流の調整誤差を補正することができる。上記調整プロセスは、制御ループとして構成されてもよく、その場合、補正値によって再調整されたレーザビーム９の実位置１９は、ビーム位置センサ４によって再検出され、演算ユニット５によって、追加の実位置／目標位置の比較に基づいて検査される。上記プロセスは、実位置１９が所定の許容範囲内になるまで実行することができる。

上記の調整プロセスは、オンライン（すなわち、加工プロセス中）ではなく、オフライン（すなわち、加工プロセスの開始前）で行われる。例えば、走査ヘッドの使用設定時に、および／または、所定の時間間隔内でオフライン調整を行うことで、温度または摩耗によって引き起こされる誤差を補正することができる。

図２は、本発明の第２実施形態に係る調整装置１を示す。なお、本実施形態では、図１に示された第１実施形態と同一のおよび／または少なくとも構造および／または機能が対応する構成要素には、同一の参照符号が使用される。すなわち、特段の説明がない限り、第１実施形態と同一の参照符号が使用された構成要素は、これらと構造および／または機能が対応している。

図２に示す調整装置１は、図１に示す第１実施形態と同様に、レーザビーム９の実際の位置１９を検出するビーム位置センサ４と、実位置／目標位置の比較および／または補正値の算出を行う演算ユニット５と、少なくとも１つの補正値とレーザビーム９の位置を制御するビーム位置決めシステム３とを考慮して、ビーム位置決めシステム３を再調整する制御ユニット７とを有する。

他方、本実施形態に係る調整装置１は、演算ユニット５が走査ヘッド２の外部に設けられている点で第１実施形態と異なる。走査ヘッド２は、演算ユニット５を走査ヘッド２、特にビーム位置センサ４および／または制御ユニット７と接続するための外部インターフェース２２を備える。外部インターフェース２２は、例えば、有線および／または無線インターフェースを備えるにより構成される。レーザビーム９の目標位置が記憶された記憶ユニット６は、図２に示すように、走査ヘッド２の内部に配置されることが好ましい。この場合、工場で決定された目標位置２１が、各走査ヘッド２について個別に決定される。なお、目標位置２１が記憶された記憶ユニット６は、走査ヘッド２の外部に設けられた外部演算ユニット５に組み込まれていてもよい。

図３および図４は、ビーム位置センサ４の２つの代替的な実施形態を示す。上述したように、ビーム位置センサ４は、レーザビーム９の少なくとも４つの位置パラメータを検出可能に構成される。したがって、ビーム位置センサ４は、４Ｄセンサと呼ぶこともできる。レーザビーム９の実位置１９は、少なくとも４つの位置パラメータによって決定される。すなわち、ビーム位置センサ４は、４つの位置パラメータによってレーザビーム９の実位置１９を間接的に検出する。この場合、位置パラメータには、並進および／または回転位置パラメータが含まれる。

図３に示す第１実施形態では、第１の２次元センサ２３によって２つの並進位置パラメータが決定される。並進位置パラメータは、例えば、ビーム位置センサ座標系におけるｘ座標およびｙ座標に相当する。ビーム位置センサ４は、空間におけるレーザビーム９の角度位置を決定する第２の２次元センサ２４を備える。すなわち、第２センサ２４によって、２つの回転位置パラメータが決定される。そのために、レーザビーム９の伝播方向における第２センサ２４の上流にセンサレンズ２５が配置される。これにより、レーザビーム９に所定の偏向が生じる。第１および第２センサ２３、２４の上流には、ビーム位置センサ４に入射したレーザビーム９を第１および第２センサ２３、２４に導入するためのセンサビームスプリッタ２６が配置されている。

図４に示す実施形態では、センサビームスプリッタ２６に対して異なる距離２７、２８に配置された第１および第２センサ２３、２４によって実位置１９が決定される。この場合、第１センサ２３によって第１のｘ座標およびｙ座標が検出され、第２センサ２４によって第２のｘ座標およびｙ座標が検出される。基準平面に対して既知の距離２７、２８に基づいて、基準平面に対するレーザビーム９のｘ座標、ｙ座標および入射角を算出することができる。

両実施形態において、第１および第２センサ２３、２４は、例えば、カメラチップなどの撮像センサにより構成される。また、第１および第２センサ２３、２４は、位置検出多面ダイオード（象限ダイオード）および／または波面センサであってもよい。

図５は、４つの回転可能な単軸ミラー２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄによってビーム位置を調整可能に構成されたビーム位置決めシステム３の第１実施形態を示す。単軸ミラー２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄは、単一の回転軸の周りを回転可能に構成されている。これらの回転軸は互いに平行ではなく、また、各ミラー（２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ）は異なる位置に配置されるため、回転軸の４つの設定自由度が、ビーム位置に対して４つの設定自由度をもたらす。本実施形態に係るビーム位置決めシステム３は、２つの別個のサブシステム（すなわち、平行オフセットユニット１０と偏向ユニット１１）ではなく、ビームの平行移動と傾斜を同時に行う単一のシステムによって構成されている。

図６は、２つの回転軸の周りで傾斜可能な２つの２軸ミラー３０ａ、３０ｂによってビーム位置を調整可能に構成されたビーム位置決めシステム３の第２実施形態を示す。傾斜ミラーの４つ（２×２）の設定自由度が、ビーム位置に対して４つの設定自由度もたらす。本実施形態に係るビーム位置決めシステム３は、２つのサブシステムではなく、ビームの平行移動と傾斜を同時に行う単一のミラーユニットによって構成されている。

前述の実施形態では、ガルバノメータを用いてミラーを駆動することで、ビーム位置をより動的かつ高精度に調整することができる。ビーム位置決めシステム３のガルバノメータは、オンライン動作、好ましくはビーム位置センサ４とは独立して実行される閉ループ位置制御によって動作する。したがって、本実施形態に係るビーム位置決めシステム３は、ビーム位置センサ４とは独立したガルバノメータによる位置測定に基づいている。

本発明は、上述の実施形態に限定されない。例えば、上述の説明、特許請求の範囲および図面に示された構成を組み合わせることで、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１：調整装置
２：走査ヘッド
３：ビーム位置決めシステム
４：ビーム位置センサ
５：演算ユニット
６：記憶ユニット
７：制御ユニット
８：ハウジング
９：レーザビーム
１０：平行オフセットユニット
１１：偏向ユニット
１２：加工位置
１３：加工面
１４：被加工物
１５：集束光学系
１６：光軸
１７：焦点設定ユニット
１８：レーザ光源
１９：実位置
２０：ビームスプリッタ
２１：目標位置
２２：外部インターフェース
２３：第１センサ
２４：第２センサ
２５：センサレンズ
２６：センサビームスプリッタ
２７：第１距離
２８：第２距離
２９：単軸ミラー
３０：２軸ミラー

Claims (14)

1. レーザ材料加工用の走査ヘッド（２）を含む走査ヘッド（２）のオフライン調整のための調整装置（１）であって、
   前記レーザ材料加工用の走査ヘッド（２）は、
   レーザビーム（９）を加工位置（１２）に集束させる集束光学系（１５）と、
   レーザビーム（９）の伝播方向において前記集束光学系（１５）の上流に配置され、前記レーザビーム（９）の位置を制御するビーム位置決めシステム（３）と、
   前記レーザビーム（９）の伝播方向において前記ビーム位置決めシステム（３）の下流に配置されたビーム位置センサ（４）とを有し、
   前記ビーム位置決めシステム（３）は、加工面（１３）への前記レーザビーム（９）の入射角を調整可能であり、前記レーザビーム（９）の前記加工面（１３）における加工位置（１２）を前記加工面（１３）内で２次元移動可能に構成された少なくとも２つの制御可能な可動光学素子を備え、
   前記調整装置（１）は、前記走査ヘッド（２）の前記ビーム位置センサ（４）および制御ユニット（７）に接続される演算ユニット（５）を備え、
   前記ビーム位置センサ（４）は、前記レーザビーム（９）の少なくとも４つの独立した位置パラメータを検出し、および／または、前記位置パラメータから前記レーザビーム（９）の実位置（１９）を検出することを特徴とする調整装置（１）。
2. 前記レーザビーム（９）の伝播方向において前記ビーム位置センサ（４）の上流にビームスプリッタ（２０）が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の調整装置（１）。
3. 前記ビームスプリッタ（２０）は、前記ビーム位置決めシステム（３）と前記集束光学系（１５）の間の前記レーザビーム（９）の経路内に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の調整装置（１）。
4. 前記ビーム位置センサ（４）と前記ビームスプリッタ（２０）は、前記ビームスプリッタ（２０）を透過した前記レーザビーム（９）が前記ビーム位置センサ（４）に導入され、前記ビームスプリッタ（２０）で反射された前記レーザビーム（９）が前記集束光学系（１５）に導入されるように配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の調整装置（１）。
5. 前記演算ユニット（５）は、前記走査ヘッド（２）の内部に配置された内部演算ユニット（５）、または、前記走査ヘッド（２）の外部に配置され、前記走査ヘッド（２）に設けられた外部インターフェース（２２）を介して前記ビーム位置センサ（４）と前記制御ユニット（７）に接続された外部演算ユニット（５）として構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の調整装置（１）。
6. 前記演算ユニット（５）が前記内部演算ユニット（５）として構成されたとき、前記ビーム位置センサ（４）、前記内部演算ユニット（５）、前記制御ユニット（７）および前記ビーム位置決めシステム（３）は、前記走査ヘッド（２）の内部に配置され、前記走査ヘッド（２）の調整装置を構成することを特徴とする請求項５に記載の調整装置（１）。
7. 前記レーザビーム（９）の目標位置（２１）を記憶する記憶ユニット（６）をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の調整装置（１）。
8. 前記演算ユニット（５）は、前記レーザビーム（９）の前記実位置（１９）と前記目標位置（２１）とを比較することで前記ビーム位置決めシステム（３）の補正値を算出し、および／または、算出した前記補正値を前記制御ユニット（７）に送信することを特徴とする請求項７に記載の調整装置（１）。
9. 前記演算ユニット（５）と前記制御ユニット（７）は、演算／制御ユニットとして一体的に構成されていることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の調整装置（１）。
10. 前記ビーム位置決めシステム（３）は、少なくとも４つの回転可能な光学素子を備え、
    前記光学素子の少なくとも１つは、ガルバノメータによって移動可能であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の調整装置（１）。
11. 前記ビーム位置決めシステム（３）は、前記レーザビーム（９）の入射角を設定する平行オフセットユニット（１０）と、前記レーザビーム（９）を２次元移動させる偏向ユニット（１１）とを備えることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の調整装置（１）。
12. 前記レーザビーム（９）の伝播方向において前記ビーム位置センサ（４）の上流に配置され、前記レーザビーム（９）の焦点位置をｚ方向に移動可能な焦点設定ユニット（１７）をさらに有し、または、前記集束光学系（１５）が、前記レーザビーム（９）の焦点位置をｚ方向に移動させるために、前記集束光学系（１５）の光軸方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の調整装置（１）。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の調整装置（１）を用いて実行される走査ヘッド（２）のオフライン調整のための調整方法であって、
    レーザビーム（９）の伝播方向における前記走査ヘッド（２）のビーム位置決めシステム（３）の下流において、前記レーザビーム（９）の少なくとも４つの独立した位置パラメータを検出することで前記レーザビーム（９）の実位置（１９）を検出するステップと、
    前記レーザビーム（９）の実位置（１９）と目標位置（２２）を比較し、補正値を算出するステップと、
    前記補正値に基づいて前記ビーム位置決めシステム（３）を再調整するステップとを含むことを特徴とする調整方法。
14. 前記レーザビーム（９）の目標位置（２２）は、前記走査ヘッド（２）の工場較正プロセスによって決定され、記憶ユニット（６）に記憶されることを特徴とする請求項１３に記載の調整方法。

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