JP7329704B2 - レーザー加工用の加工ヘッド及び加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載の被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断に用いる加工ヘッド、更なる独立請求項に記載された加工ヘッドの使用、及び更なる独立請求項に記載された特に加工ヘッドを用いる被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断方法に関する。

プロセス監視、すなわち加工プロセス監視が、被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断において益々重要になっている。切断動作中に生成されるプロセス光を監視及び制御目的に利用可能にする試みがこれまでなされてきた。この目的のため、被加工物のプロセスゾーンとも称される加工ゾーンを、カメラ技術その他の検出器により空間的に解像して見ることができる。これはプロセス光の強度に加え、特にカーフに関する形状的情報を得ることができるため、プロセス解析に大いに役立ち得る。しかし、プロセス光は形状的情報の取得に用いられるだけでなく、追加的又は代替的にプロセスゾーンを能動的に照射することができる。

レーザー加工用の加工ヘッドの場合、加工用レーザー光及び照射光を、出射口を通過するように被加工物に誘導することができる。被加工物から反射された照射光が加工ヘッド内のカメラで検出されたならば、照射光は、照射光源からプロセスゾーンへ、及び再びカメラの方向へ出射開口部を２回通過する必要がある。出射開口部はレーザー加工の種類に応じて相対的に小さい場合がある。例えばレーザー切断動作中、切断プロセス及び使用する切断ガスに応じて、加工ヘッドの（ノズルとも称する）出射開口部のシャッター径が非常に狭い場合がある。このような場合、照射光の入射角が非常に鋭いことが望ましい。

加工ヘッドの場合、出射開口部及びカメラは同軸的に配置されていてよい。また、加工用レーザービームと照射レーザービームを、例えば１個以上の結合ミラーを介して被加工物へ同軸的に誘導することができる。図１に、出射開口部１２を有するレーザー切断ヘッド１０、出射開口部と同軸的に配置されたカメラ１４、照射光のビームスプリッタ１６、照射光源１８、加工用レーザー光源２０、加工用レーザービームを屈折させるダイクロイックミラー２２、及び処理対象である被加工物２４を模式的に示す。

米国特許第２００６／０１９６８６０Ａ１号明細書 独国特許第１０２０１１１１９４７８Ｂ４号明細書 米国特許第２０１６／０１９３６９２Ａ１号明細書 独国特許第１０２０１８２０５５４５Ａ１号明細書 独国特許第１０２０１５１２１９８８Ａ１号明細書 米国特許第２０１７／００４３４３１Ａ１号明細書 欧州特許第２８８６２３９Ａ１号明細書

典型的に、照射光の５０％を反射し、５０％を透過させる５０：５０ビームスプリッタをビームスプリッタ１６として用いる。照射光は最初にビームスプリッタで出射開口部１２及び被加工物２４の方向に屈折され、被加工物２４で反射されて再び出射開口部１２を通過した後でビームスプリッタ１６を通過してカメラ１４へ伝送されため、照射光の強度を反射光と透過光に分割することが望ましい。しかし、５０：５０ビームスプリッタでは発光された照射光の最大２５％しか利用できない。照射光が屈折された際に５０％の光が失われ、照射光が透過する際に更に５０％の光が失われる。従って加工プロセスは、照射光収率が低い状態でカメラ１４により監視される。更に、照射光ビームの不要な反射が、例えばレーザー光学部品及びシャッター等の光学素子及び加工ヘッドの他の要素の境界面及び境界層で生じ得る。図２に、照射光ビーム２８と共に、照射光ビーム２８の不要な反射が典型的に生じるレーザー切断ヘッド１０の問題となる反射点２９を示す。図３に、そのような干渉反射３２が生じた状態でカーフ３０の例示的なカメラ録画を示す。しかし、カメラにおける低い照射光収率及び／又は干渉反射に起因して、加工プロセスの監視中に得られるカメラ録画の情報価値が低下する。

例示的レーザー光学部品がＵＳ２００６／０１９６８６０Ａ１に記述されており、回転可能な加工用レーザービームが、２個のラムダ／２プレート及びそれらの間の回転可能な屈折光学部品により生成される。ＤＥ１０２０１１１１９４７８Ｂ４に中心付近が反射性で周縁部が透過性の照射光結合ミラーが提案されている。レーザー加工装置の更なる光学部品がＵＳ２０１６／０１９３６９２Ａ１、ＤＥ１０２０１８２０５５４５Ａ１、ＤＥ１０２０１５１２１９８８Ａ１、ＵＳ２０１７／００４３４３１Ａ１に記述されている。ＥＰ２８８６２３９Ａ１は、レーザー接合プロセスにおける加工経路を監視及び調節する方法及び装置に関する。ダイクロイックビームスプリッタの上方に偏光ビームスプリッタ及びλ／４板が設置されている。被加工物の表面から拡散的に散乱された照射レーザー光が円偏光されてλ／４プレートの上方で直線偏光放射に変換され、偏光ビームスプリッタにより伝送される。しかし、照射レーザー光の干渉反射が生じる可能性がある。

本発明の目的は、加工プロセスの有意味な監視を可能にする加工ヘッド及び加工方法を提供することである。

上述の目的は、請求項１に記載の加工ヘッド、請求項１０に記載の加工装置、及び請求項１１に記載の被加工物のレーザー加工方法により実現される。

本発明の第１の実施形態は、被加工物のレーザー切断に用いる加工ヘッドであって、加工用レーザービームを発光する加工用レーザー光源の第１のインターフェースと、直線偏光された照射光ビームを発光する照射光源の第２のインターフェースと、加工用レーザービーム及び照射光ビームの出射開口部と、被加工物から反射された照射光ビームを検出する検出装置の第３のインターフェースと、発光された照射光ビームを出射開口部を通過させ、且つ被加工物から反射された照射光ビームを出射開口部を通過するように第３のインターフェースへ少なくとも部分的に同軸的に誘導する導光部品を有する加工ヘッドに関する。従って導光部品には、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部を出射開口部の方向に誘導する偏光ビームスプリッタと、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部を円偏光照射光ビームに変換すべく、且つ被加工物から反射された円偏光照射光ビームの少なくとも一部を直線偏光照射光ビームに変換すべく偏光ビームスプリッタと出射開口部の間に配置された位相差板が設けられている。導光部品と出射開口部の間に配置された加工用レーザー光学部品が設けられている。

偏光ビームスプリッタと位相差板の組み合わせにより、導光部品は、照射光源により発光された照射光の偏光を有利に利用できることを意味する。加工ヘッドの動作中、発光された照射光の最大１００％、すなわち５０：５０ビームスプリッタよりも４倍多くが出射開口部の方向に誘導され、最終的に加工プロセスの検出従って監視に利用できる。従ってプロセス監視用の照射光収率が最適化される。別の利点として干渉反射が減少する。その理由は、発光された直線偏光照射光の照射光源と位相差板の間での反射により、発光された照射光の直線偏光が変化しないためである。不要な反射が生じ得る場合、照射光は最悪の場合偏光ビームスプリッタにより照射光源に戻され、検出器の録画と干渉しない。また、発光及び反射された照射光の導光部品における干渉が避けられる。また、容易に入手でき、実績があって安価な光学素子を用いることができる。

偏光ビームスプリッタ及び位相差板は各々、ある波長範囲、特に照射光ビームの波長範囲、特に照射光ビームの波長付近の波長範囲で選択できる。このように、検出装置における照射光収率を向上させることができる。

偏光ビームスプリッタは、直線偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を位相差板の方向に屈折及び／又は反射すべく設計及び／又は配置されていてよい。偏光ビームスプリッタはまた、被加工物から反射された照射光の少なくとも一部、特に８０％超、好適には８０％～１００％、より好適には９０％～９９％を、特に第３のインターフェースの方向に透過させるべく設計及び／又は配置されていてよい。これにより、偏光ビームスプリッタが照射光を出射開口部の方向に屈折させ、且つ反射された照射光を第３のインターフェースの方向に透過させることができるため、導光部品の光学素子を小さいスペースに配置することができる。

位相差板は、ラムダ／４プレートとして設計されていてよい。位相差板はまた、発光された直線偏光照射光ビーム、特に発光された直線偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を円偏光照射光ビームに変換すべく設計及び／又は配置されていてよい。位相差板は更に、被加工物から反射された円偏光照射光ビーム、特に被加工物から反射された円偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を直線偏光照射光ビームに変換すべく設計及び／又は配置されていてよい。特に、位相差板は、反射された照射光ビームを、発光された直線偏光照射光ビームの偏光面に垂直な偏光面を有する直線偏光照射光ビームに変換すべく設計されていてよい。これらの位相差板の設計により、発光された反射された照射光からの干渉を最小化又は除去することができる。

第１のインターフェースは、加工用レーザービームを発光する加工用レーザー光源と接続又は一体化されていてよい。

第２のインターフェースは、直線偏光照射光ビームを発光する照射光源と接続又は一体化されていてよい。照射光源、偏光ビームスプリッタ、及び／又は位相差板の配置、特に照射光ビームの光路の中心軸に対する各々の回転配置が互いに調整されていてよい。調整は特に、発光された直線偏光照射光ビームの偏光面に対して実行することができる。偏光ビームスプリッタにおける発光された照射光ビームの屈折及び／又は位相差板における発光された照射光ビームの変換をこのように最適化することができる。第２のインターフェース、照射光源、偏光ビームスプリッタ及び位相差板から選択された少なくとも１個の素子は、特に照射光ビームの光路の中心軸に関して回転的に調整可能及び／又は回転可能に設計されていてよい。例えば、偏光ビームスプリッタの回転配置は照射光ビームの光路の中心軸に関して指定され、照射光源及び位相差板の回転配置が照射光ビームの光路の中心軸に関して選択又は調整されているため、偏光ビームスプリッタにおける照射光ビームが位相差板の方向に少なくとも部分的に屈折され、位相差板により少なくとも部分的に円偏光照射光ビームに変換される。

更に、第３のインターフェースは、出射開口部を通過して被加工物から反射された照射光ビームを検出する、特に位相差板により直線偏光された照射光を検出する検出装置と接続又は一体化されていてよい。

位相差板は、出射開口部に最も近い導光部品の光学素子である。更に、導光部品は、照射光ビームを視準及び／又は合焦する少なくとも１個の光学素子を有していてよい。導光部品において、照射光ビームを視準及び／又は合焦する少なくとも１個の光学素子は、位相差板と偏光ビームスプリッタの間に配置されている。これにより、導光部品の少なくとも１個の光学素子が、加工ゾーンから発光されたプロセス光及び／又は加工ゾーンから反射された照射光を検出装置上に鮮明に結像させるべく設定、例えば調整されている場合に、有利な仕方で照射光ビームを被加工物の加工ゾーンに同時に誘導、特に合焦及び／又は視準することができる。これにより、照射光に対して行われる両方の結像処理（加工ゾーンへの誘導及び検出装置への結像）の同期化、両方の結像処理に必要な光学素子の数の削減、及び加工ヘッド内の導光部品のコスト削減と省スペースが実現される。

また、導光部品は、出射開口部と第３のインターフェースの間に少なくとも１個のシャッターを含んでいてよい。導光部品と出射開口部の間に配置された加工用レーザー光学部品が設けられている。更に、導光部品及び加工用レーザー光学部品は、照射レーザービーム及び加工用レーザービームを、出射開口部を通過するよう同軸的に誘導すべく設計されていてよい。

検出装置の出射開口部及び第３のインターフェースは同軸的に、特に加工用レーザービームの被加工物への入射方向に関して同軸的に配置されていてよい。出射開口部はまた円形、及び／又は０．８～６ｍｍの直径を有していてよい。

別の実施形態は、被加工物のレーザー加工を行うための前記実施形態のいずれか１項に記載の加工ヘッドを有する加工装置に関する。

別の実施形態は、上述の実施形態のいずれか１項に記載の加工ヘッドの使用、又は被加工物のレーザー加工、特にレーザー切断を行う上の実施形態に記載の加工装置を提供する。

一実施形態は、上述の実施形態の一つによる加工ヘッド又は加工装置を用いて被加工物のレーザー切断を行う方法に関し、以下のステップ、すなわち加工ヘッドの第１のインターフェースにおいて加工用レーザー光源から加工用レーザービームを発光して、加工ヘッドの出射開口部を通過する加工用レーザービームにより被加工物、特に被加工物の加工ゾーンを照射するステップと、加工ヘッドの第２のインターフェースにおいて照射光源から直線偏光照射光ビームを発光するステップと、発光された照射光ビームを加工ヘッドの導光部品により出射開口部を通過すべく誘導して被加工物を照射する、特に加工ゾーンを照射するステップと、被加工物から反射された照射光ビームを導光部品により出射開口部を通過するように加工ヘッドの第３のインターフェースの検出装置に誘導するステップを含み、発光及び反射された照射光ビームが少なくとも部分的に同軸的に誘導され、導光部品は、偏光ビームスプリッタ、及び偏光ビームスプリッタと出射開口部の間に配置された位相差板を有し、偏光ビームスプリッタにより、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部が出射開口部の方向、特に位相差板の方向に誘導され、位相差板により、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部が円偏光照射光ビームに変換され、被加工物から反射された円偏光照射光ビームの少なくとも一部が直線偏光照射光ビームに変換される。

本方法において、偏光ビームスプリッタ及び位相差板は各々、ある波長範囲、特に照射光ビームの波長範囲、特に照射光ビームの波長付近の波長範囲で選択的に選択又は調整されていてよい。位相差板と偏光ビームスプリッタの間に配置された導光部品の少なくとも１個の光学素子が、発光された直線偏光照射光ビーム及び変換された直線偏光照射光ビームを視準及び／又は合焦することができる。

更に、本方法において、偏光ビームスプリッタは、直線偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を、位相差板の方向に屈折及び／又は反射させることができる。また、偏光ビームスプリッタは、被加工物から反射された照射光の少なくとも一部、特に８０％超、好適には８０％～１００％、より好適には９０％～９９％を特に第３のインターフェースの方向に透過させることができる。更に、偏光ビームスプリッタは、発光された直線偏光照射光ビームを屈折及び／又は反射すべく位相差板の方向に配置されていてよい。代替的又は追加的に、照射光源は、偏光ビームスプリッタにより直線偏光された照射光ビームを位相差板の方向に屈折及び／又は反射すべく配置されていてよい。更に、偏光ビームスプリッタは、被加工物から反射された照射光を、偏光ビームスプリッタを通して透過させるべく配置されていてよい。

本方法において、λ／４プレートを位相差板として選択することができる。また、発光された直線偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を位相差板により円偏光照射光ビームに変換することができる。特に、位相差板は、発光された直線偏光照射光ビームの９０％超を円偏光照射光ビームに変換すべく配置されていてよい。また、位相差板により、被加工物により反射された円偏光照射光ビームの９０％超、好適には９０％～１００％、より好適には９５％～９９％を、直線偏光照射光ビームに、特に、発光された直線偏光照射光ビームの偏光面に垂直な偏光面を有する直線偏光照射光ビームに変換することができる。位相差板は、被加工物から反射された円偏光照射光ビームの９０％超を直線偏光照射光ビームに変換すべく配置されていてよい。

本方法は、加工用レーザービームにより被加工物を加工するステップ、及び／又は被加工物から反射されて出射開口部を通過した照射光ビームの少なくとも一部、特に被加工物から反射されて位相差板により直線偏光された照射光ビームに変換された円偏光照射光ビームの少なくとも一部を検出装置により検出するステップを更に含んでいてよい。本方法において、位相差板と偏光ビームスプリッタの間に配置された導光部品の少なくとも１個の光学素子を、被加工物により発光されたプロセス光の少なくとも一部及び／又は変換された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部を検出装置上に鮮明に結像すべく設定、例えば調整されていてよい。これにより、発光された直線偏光照射光ビームを被加工物の加工ゾーンに同時に誘導すること、特に合焦及び／又は視準することができる。

上述の実施形態の被加工物のレーザー加工用装置により、特に同一及び／又は同様の特徴を有する被加工物のレーザー加工方法の実施形態と同様の利点及び機能を実現することができる。

更なる特徴及び効率が例示的な実施形態、図面、及び従属請求項の以下の記述から得られる。上述の特徴及び以下に記述する特徴は、言及する各々の組み合わせだけでなく他の組み合わせ又は単独で本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

本発明について、例示的な実施形態に基づき、同様に本発明に固有の特徴を開示する添付図面を参照しながら以下により詳細に説明する。これらの例示的な実施形態は、専ら説明目的で用いるものであり、限定的に解釈すべきではない。例えば、多数の素子又は要素を含む例示的な実施形態の記述を、これらの素子又は要素の全てが実装に必要との趣旨で解釈すべきではない。むしろ、他の例示的な実施形態もまた代替的な素子及び要素、より少ない素子又は要素、或いは追加的な素子又は要素を含んでいてよい。別途明記しない限り、異なる例示的な実施形態の素子又は要素を互いに組み合わせてもよい。複数の例示的な実施形態の一つに対して記述した変更及び変形は他の複数の例示的な実施形態にも適用できる。反復を避けるべく、同一又は互いに一致する要素は異なる図面で同一参照符号により示し、重複して説明しない。
例示的な公知のレーザー切断ヘッド１０の模式図を示す。 照射光源動作中のレーザー切断ヘッド１０の模式図を示す。 レーザー切断ヘッド１０に構造的に対応する加工ヘッドで得られた、干渉反射を伴うカーフの例示的なカメラ録画の実写図を示す。 被加工物のレーザー加工用の加工ヘッド１００の模式図を示す。 照射光源動作中に被加工物をレーザー加工するための加工ヘッド１００の模式図を示す。 照射光源及び加工用レーザー光源の動作中におぇる、加工用レーザー光源１２０、ダイクロイックミラー１２２、照射光源１１８及び検出装置１１４を有する加工ヘッド１００の模式図を示す。 照射光源動作中の加工ヘッド１００の模式図を示す。 照射光源動作中の加工ヘッド１００の模式図を示す。

以下、記述された値の範囲の場合、広い範囲及びより狭い代替的又は好適な範囲を記述する本明細書が、指定された範囲の下限と指定された範囲の上限の任意の組み合わせにより得られる範囲も開示していることが理解されよう。用語「発光された」照射光又は「発光された」照射光ビーム及びそれらの変化形は、照射光源から発光された後で被加工物に至るまでの照射光又は照射光ビームを指す。用語「反射された」照射光又は「反射された」照射光ビーム及びそれらの変化形は、被加工物で反射された後で第３のインターフェース又は検出装置に至るまでの照射光又は照射光ビームを指す。

図４ａ、４ｂに、本発明の例示的な実施形態として、被加工物をレーザー加工するための加工ヘッド１００を示す。加工ヘッドは、加工用レーザービーム（図示せず）を発光する加工用レーザー光源の第１のインターフェース１０２と、直線偏光照射光ビーム１２８を発光する照射光源の第２のインターフェース１０４と、加工用レーザービーム及び照射光ビームの出射開口部１１２と、被加工物から反射された照射光ビームを検出する検出装置の第３のインターフェース１０６と、発光された照射光ビームを出射開口部を通過させ、且つ被加工物から反射された照射光ビームを出射開口部を通過するように第３のインターフェースへ少なくとも部分的に同軸的に誘導する導光部品１１６，１１７を有している。動作中に生成された照射光ビーム１２８を図４ｂに破線で示している。導光部品は、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部を出射開口部１１２の方向に誘導する偏光ビームスプリッタ１１６と、発光された直線偏光照射光ビームの少なくとも一部を円偏光照射光ビームに変換し、且つ被加工物から反射した円偏光照射光ビームの少なくとも一部を直線偏光照射光ビームに変換する、偏光ビームスプリッタ１１６と出射開口部１１２の間に配置された位相差板１１７を有している。

図５に、第１のインターフェース１０２に設けられた加工用レーザー光源１２０、加工用レーザー光１２９を屈折させるダイクロイックミラー１２２、第２のインターフェース１０４に取り付けられた照射光源１１８、検出装置として第３のインターフェース１０６に取り付けられたカメラ１１４を有する加工ヘッド１００を示す。本例において、４００～８００ｎｍの波長範囲に感応する単色ＣＭＯＳカメラを用いる。カメラ１１４の前方、すなわち第３のインターフェース１０６に、中心照射波長付近を通過帯域フィルタリングする狭帯域フィルタが設けられている。また、本実施形態では位相差板１１７と偏光ビームスプリッタ１１６の間に配置されている照射光ビームのレンズ１２４をオプションの光学素子、例えば合焦レンズ又は視準レンズとして示している。別のオプション素子はシャッター１２５であってよい。例えば、シャッター１２５は、図５に示すようにレンズ１２４の上方に、又は第３のインターフェース１０６に配置されていてよい。シャッター（絞り）は、カメラ録画の被写界深度に関して有利な場合がある。

一代替例において、カメラ１１４が第２のインターフェース１０４に設け、照射光源１１８を第３のインターフェース１０６に設けられていて、すなわち図５の例と比較してカメラ１１４と照射光源１１８を入れ替えてもよい。この場合、偏光ビームスプリッタ１１６は、光源１１８から発光された照射光ビーム１２８を透過させ、被加工物２４で反射された照射光ビーム１２８を反射させるように配置されている。偏光ビームスプリッタは従って、発光された照射光ビーム１２８を出射開口部１１２の方向に少なくとも部分的に通過させ、被加工物２４で反射された照射光ビーム１２８をカメラ１１４の方へ少なくとも部分的に屈折させることができる。

被加工物を加工するには、図５の例において、加工用レーザー光源１２０及び照射光源１１８を動作させて加工用レーザービーム１２９（図５に破線で示す）及び照射光ビーム１２８を加工ヘッド１００内へ横方向に誘導する。偏光ビームスプリッタ１１６により、又は照射光ビームを透過させるダイクロイックミラー１２２により、発光された照射光ビーム１２８及び加工用レーザービームは屈折されて出射開口部１１２に同軸的に誘導される。被加工物から反射されて出射開口部１１２を通過した照射光ビームは、加工用レーザービーム及び照射光ビームと同軸的にカメラ１１４に誘導される。

加工ヘッド１００を例えば切削加工で使用する場合、検出波長の同時フィルタリングを伴う狭帯域照射が切削加工中の最適なカメラ録画条件に有利である。このように、特にカーフ形状に関して高レベルの情報が得られる。照射光源の配置及び照射光の誘導により、出射開口部１１２を通過する照射を実行することができる。プロセスゾーンの良好な照射及び可能な最も高い照射光収率を得るには照射光の平行なビーム伝播も有利であり、これは光学素子１２４としての視準レンズにより実現できる。光学素子１２４は代替的に、調整可能であってカメラの焦点をプロセスゾーンに合わさせるべく使用可能な合焦レンズであってよい。照射光源１１８及びカメラ１１４が図５の例のようにプロセスゾーンからほぼ等距離にある場合、合焦レンズ１２４により両方で同様の合焦を有利に実現することができる。

本例における加工用レーザー光源１２０の出力は約１２ｋＷであり、中心波長が１０７０ｎｍの加工用レーザービームを生成する。狭帯域且つ空間指向性の光源、本実施形態ではダイオードレーザー（レーザーダイオードとも称される）を照射光源１１８として用いる。これは直線偏光光を送出する。本実施形態において、照射光源１１８は約１０００ｍＷの出力で動作して、６ｎｍの波長帯で中心波長が約６３８ｎｍの照射レーザービーム１２８を生成する。代替的に、波長範囲が４００～１０００ｎｍの直線偏光レーザービームを生成する照射光源を用いてもよい。照射光源の出力は調整可能であってよい。加工用レーザー光源の出力及び／又は被加工物の特性に応じて、異なる照射光出力が有利な場合がある。例えば、照射光源は、約１００ｍＷ～２０００ｍＷの間で調整可能であってよい。更なる代替方式において、光源を下流の偏光子と共に用いてもよい。本実施形態において、ダイオードレーザーにより発光された照射光ビーム１２８の偏光方向はＳ偏光である。

偏光ビームスプリッタ１１６は誘電体材料で形成されて市販されている。直線偏光光は（光伝播の）単一平面において発光され、直交する（光伝播）平面内で光を反射する。この動作モードは波長選択的である。このケースにおいて、偏光ビームスプリッタ１１６は、記述された動作モードをダイオードレーザーにより指定された波長範囲に有するように選択される。ビームスプリッタ１１６は、発光されたＳ偏光照射光の約１００％がビームスプリッタで出射開口部１１２の方向に反射されるように、照射光ビーム１２８の光路の中心軸上に、照射光ビーム１２８の偏光面に対して回転可能に配置されている。

複屈折水晶製のλ／４プレートが本実施形態において偏光ビームスプリッタ１１６と出射開口部１１２の間に配置された位相差板１１７として設けられている。本実施形態において、λ／４プレート１１７はまた、出射開口部１１２に最も近い導光部品の光学素子でもある。このように、λ／４プレート１１７は、図５に示すレンズ１２４等、導光部品のオプションとしての追加的な結像光学部品の後に、且つ導光部品の境界面の後に設置されている。ラムダ／４プレートは、ラムダ／４プレートを通過する発光されたＳ偏光照射光が円偏光照射光に変換されるように設置されている。

ラムダ／４プレートは、光学位相差板又は波長板の要素群に属している。一般に、このような光学要素は、通過する電磁波、特に光の偏光及び位相を変化させ得る。これは、偏光面の位置に応じて適切な向き置かれた複屈折材料内を光が異なる波長で伝播するという事実を利用している。

本実施形態において、ラムダ／４プレート１１７は、入射する発光されたＳ偏光照射光ビーム１２８の直線偏光が左円偏光に変換されるように選択及び配置される。ラムダ／４プレート１１７は、直線Ｓ偏光照射光の約１００％が透過して左円偏光照射光に変換されるように、照射光ビーム１２８の光路の中心軸上に、入射する発光された照射光ビームの偏光面に対して回転可能に配置されている。λ／４プレートの動作モードは波長選択的である。本実施形態において、ラムダプレート１１６は、ダイオードレーザーにより指定された波長範囲に合致させられる。

図６Ａ、６Ｂに模式的に示すように、加工ヘッド１００が動作中の場合、照射光源１１８により発光されたＳ偏光照射光ビーム１２８は、偏光ビームスプリッタ１１６においてλ／４プレート１１７及び出射開口部１１２の方向に約１００％反射及び屈折される。ラムダ／４プレート１１７は、照射光ビーム１２８のＳ偏光の約１００％を円偏光（本例では左円偏光）に変換する。左円偏光照射光ビーム１２８は出射開口部１１２を更に通過して被加工物２４まで伝播する。照射光ビーム１２８は被加工物２４で反射され、円偏光は保持された状態で左円偏光の方向だけが右円に変更される。

ラムダ／４プレート１１７は、透過した右円偏光照射光の約１００％がＰ偏光に変換されるように設計及び配置されている。更に、ビームスプリッタ１１６は、入射するＰ偏光照射光の少なくとも８０％を透過させるべく設計及び配置されている。

帰路において、被加工物２４により反射された照射光ビーム１２８は再びラムダ／４プレート１１７を通過し、その右円偏光が直線偏光に変換される。直線偏光照射光ビーム１２８の偏光面は現在、発光された直線偏光照射光ビーム１２８の偏光面に垂直である。λ／４プレート１１７の前方伝播方向における発光された照射光ビーム１２８の直線偏光は、本実施形態においてＳ偏光である。これに対応して、直交（垂直）直線偏光は、Ｐ偏光である。従って、被加工物により反射され、ラムダ／４プレートを透過した照射光ビーム１２８は、Ｐ偏光である。偏光ビームスプリッタ１１６はＰ偏光照射光ビーム１２８を少なくとも８０％透過させる。

説明のため、図６ｂに、偏光状態が照射光ビーム１２８の光路に沿って変化する様子を模式的に示す。照射光ビーム１２８の被加工物２４への伝播方向を矢印１３０で示す。矢印１３２は、被加工物からカメラ１１４へ反射された照射光ビーム１２８の伝播方向に対応している。照射光ビーム１２８は伝播方向１３０において、照射光源１１８とλ／４プレート１１７の間でＳ偏光される。ラムダ／４プレート１１７を通過した後、照射光ビーム１２８は伝播方向１３０において左円偏光される。被加工物２４で反射された後、照射光ビーム１２８は伝播方向１３２において右円偏光される。ラムダ／４プレート１１７を通過した後、照射光ビーム１２８はＰ偏光され、伝播方向１３２に偏光ビームスプリッタ１１６を通過し、最終的にカメラ１１４に到達する。

発光された照射光ビームのほぼ１００％が偏光ビームスプリッタ１１６で屈折され、発光又は反射された照射光ビームのほぼ１００％がラムダ／４プレート１１７により変換され、反射された照射光ビームの８０％超がビームスプリッタ１１６でカメラ１１４まで透過されるため、当初照射光源１１８により生成された照射光ビーム１２８の高い割合、例えば８０％～１００％を用いて加工プロセスを監視することができる。従って、加工プロセスを監視する照射光の収率が加工ヘッド１００により最大化される。

本例において、ラムダ／４プレート１１７が導光部品の最後の光学素子として、発光された照射光ビーム１２８の光路に設置されている事実は、加工プロセスの監視に極めて有意味であることを意味する。このように、ラムダ／４プレート１１７は偏光ビームスプリッタ１１６と協働して、カメラ１１４の方向における発光されたＳ偏光照射光ビームの光学インターフェースからの干渉反射を回避することができる。照射光源１１８とλ／４プレート１１７の間で照射光ビーム１２８の干渉反射が生じたとしても、その偏光は変更されない。しかし、Ｓ偏光照射光の反射は偏光ビームスプリッタ１１６により透過されず、むしろ反射されるためカメラ１１４には到達しない。

また、偏光ビームスプリッタ１１６とラムダ／４プレート１１７と合わせて導光部品が存在することにより、発光及び反射された照射光の干渉が回避される。照射ビーム１２８の偏光は、伝播方向１３０及び伝播方向１３２とは方向が異なる（Ｓ又はＰ偏光及び右／左円）ため、これらの光線の干渉は最小限に抑えられるか又は干渉が回避される。

１０ レーザー切断ヘッド
１２ 出射開口部
１４ カメラ
１６ ビームスプリッタ
１８ 照射光源
２０ 加工用レーザー光源
２２ ダイクロイックミラー
２４ 被加工物
２８ 照射光ビーム
２９ 反射点
３０ カーフ
３２ 反射
１００ 加工用ヘッド
１０２ 第１のインターフェース
１０４ 第２のインターフェース
１０６ 第３のインターフェース
１１２ 出射開口部
１１４ 検出装置、カメラ
１１６ 偏光ビームスプリッタ
１１７ 位相差板、ラムダ／４プレート
１１８ 照射光源、ダイオードレーザー
１２０ 加工用レーザー光源
１２２ ダイクロイックミラー
１２４ レンズ、光学素子
１２５ シャッター
１２８ 照射光ビーム
１２９ 加工用レーザービーム
１３０ 矢印、伝播方向
１３２ 矢印、伝播方向

Claims (15)

1. 被加工物（２４）のレーザー切断に用いる加工ヘッド（１００）であって、
   加工用レーザービーム（１２９）を発光する加工用レーザー光源（１２０）の第１のインターフェース（１０２）と、
   直線偏光された照射光ビーム（１２８）を発光する照射光源（１１８）の第２のインターフェース（１０４）と、
   前記加工用レーザービーム（１２９）及び前記照射光ビーム（１２８）の出射開口部（１１２）と、
   前記被加工物（２４）から反射された前記照射光ビーム（１２８）を検出する検出装置（１１４）の第３のインターフェース（１０６）と、
   前記発光された照射光ビーム（１２８）を前記出射開口部（１１２）を通過させ、且つ前記被加工物（２４）から反射された前記照射光ビーム（１２８）を前記出射開口部（１１２）を通過するように前記第３のインターフェース（１０６）へ少なくとも部分的に同軸的に誘導する導光部品（１１６，１１７）と、
   を備え、
   前記導光部品（１１６，１１７）が、
   前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部を前記出射開口部（１１２）の方向に誘導する偏光ビームスプリッタ（１１６）と、
   前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部を円偏光照射光ビーム（１２８）に変換すべく、且つ前記被加工物（２４）から反射された前記円偏光照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部を直線偏光照射光ビーム（１２８）に変換すべく前記偏光ビームスプリッタ（１１６）と前記出射開口部（１１２）の間に配置された位相差板（１１７）と、
   を有し、
   導光部品と出射開口部（１１２）の間に配置された加工用レーザー光学部品（１２２）が設けられていて、
   前記位相差板（１１７）が、前記出射開口部（１１２）に最も近い前記導光部品の光学素子であり、
   前記導光部品において、前記照射光ビーム（１２８）を視準及び／又は合焦する少なくとも１個の光学素子（１２４）が、前記位相差板（１１７）と前記偏光ビームスプリッタ（１１６）の間に配置されている、
   ことを特徴とする加工ヘッド（１００）。
2. 前記第２のインターフェース（１０４）が、直線偏光照射光ビーム（１２８）を発光する照射光源（１１８）に接続又は一体化されている、請求項１に記載の加工ヘッド（１００）。
3. 前記偏光ビームスプリッタ（１１６）及び前記位相差板（１１７）が各々、ある波長範囲、特に前記照射光ビーム（１２８）の波長範囲、特に前記照射光ビーム（１２８）の波長付近の波長範囲で選択的である、請求項２に記載の加工ヘッド（１００）。
4. 前記偏光ビームスプリッタ（１１６）が、前記直線偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を前記位相差板（１１７）の方向に屈折及び／又は反射すべく設計及び／又は配置されて、及び／又は
   前記偏光ビームスプリッタ（１１６）が、前記被加工物（２４）から反射された照射光の少なくとも一部、特に８０％超を、特に前記第３のインターフェース（１０６）の方向に透過させるべく設計及び／又は配置されている、
   請求項２または３に記載の加工ヘッド（１００）。
5. 前記位相差板（１１７）がラムダ／４プレートとして設計されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）。
6. 前記位相差板（１１７）が、前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）、特に前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を円偏光照射光ビーム（１２８）に変換すべく設計及び／又は配置され、及び／又は、
   前記位相差板（１１７）が、前記被加工物（２４）から反射された前記円偏光照射光ビーム（１２８）、特に前記被加工物（２４）から反射された前記円偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を直線偏光照射光ビーム（１２８）に変換すべく、特に前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の偏光面に垂直な偏光面を有する直線偏光照射光に変換すべく設計及び／又は配置されている、
   請求項２～５のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）。
7. 前記第１のインターフェース（１０２）が、加工用レーザービーム（１２９）を発光する加工用レーザー光源（１２０）に接続又は一体化され、及び／又は、
   前記第３のインターフェース（１０６）が、前記被加工物（２４）から反射されて前記出射開口部（１１２）を通過した前記照射光ビーム（１２８）を検出する、特に前記位相差板（１１７）により直線偏光された照射光を検出する検出装置（１１４）に接続又は一体化されている、
   請求項１～６のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）。
8. 前記導光部品（１１６、１１７）及び前記加工用レーザー光学部品（１２２）が、前記照射レーザービーム及び前記加工用レーザービーム（１２９）を、前記出射開口部（１１２）を通過するよう同軸的に誘導すべく設計されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）。
9. 前記検出装置（１１４）の前記出射開口部（１１２）及び前記第３のインターフェース（１０６）が同軸的に、特に前記加工用レーザービーム（１２９）の前記被加工物（２４）への入射方向に関して同軸的に配置され、及び／又は
   前記出射開口部（１１２）が円形に形成され、及び／又は０．８～６ｍｍの直径を有している、請求項１～８のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）。
10. 被加工物（２４）をレーザー切断すべく、請求項１～９のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）を有している加工装置。
11. 加工ヘッド（１００）の第１のインターフェース（１０２）において加工用レーザー光源から加工用レーザービーム（１２９）を発光して、前記加工ヘッド（１００）の出射開口部（１１２）を通過する前記加工用レーザービーム（１２９）により被加工物（２４）、特に前記被加工物の加工ゾーンを照射するステップと、
    前記加工ヘッド（１００）の第２のインターフェース（１０４）において照射光源（１１８）から直線偏光照射光ビーム（１２８）を発光するステップと、
    前記発光された照射光ビーム（１２８）を前記加工ヘッド（１００）の導光部品（１１６，１１７）により前記出射開口部（１１２）を通過すべく誘導して前記被加工物（２４）を照射する、特に前記加工ゾーンを照射するステップと、
    前記被加工物から反射された前記照射光ビーム（１２８）を前記導光部品（１１６，１１７）により前記出射開口部（１１２）を通過するように前記加工ヘッド（１００）の第３のインターフェース（１０６）の検出装置（１１４）に誘導するステップと、
    を含み、前記発光及び反射された照射光ビーム（１２８）が少なくとも部分的に同軸的に誘導され、
    前記導光部品が、偏光ビームスプリッタ（１１６）、及び前記偏光ビームスプリッタ（１１６）と前記出射開口部（１１２）の間に配置された位相差板（１１７）と、を有し、
    前記偏光ビームスプリッタ（１１６）により、前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部が出射開口部（１１２）の方向、特に前記位相差板の方向に誘導され、
    前記位相差板（１１７）と前記偏光ビームスプリッタ（１１６）の間に配置され前記導光部品の少なくとも１個の光学素子（１２４）が、前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）および前記変換された直線偏光照射光ビーム（１２８）を視準及び／又は合焦することを特徴とする、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の加工ヘッド（１００）、又は、請求項１０に記載の加工装置、を用いて被加工物（２４）をレーザー切断する方法。
12. 前記偏光ビームスプリッタ（１１６）及び前記位相差板（１１７）が各々、ある波長範囲、特に前記照射光ビーム（１２８）の波長範囲、特に前記照射光ビーム（１２８）の波長付近の波長範囲で選択的に選択又は調整されている、或いは将来的に選択又は調整される、請求項１１に記載に記載の方法。
13. 前記偏光ビームスプリッタ（１１６）が、前記直線偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を前記位相差板（１１７）の方向に屈折及び／又は反射し、及び／又は
    前記偏光ビームスプリッタ（１１６）が、前記被加工物（２４）により反射された前記照射光の少なくとも一部、特に８０％超を、特に前記第３のインターフェース（１０６）の方向に透過させる、
    請求項１１又は１２のいずれか１項に記載に記載の方法。
14. ラムダ／４プレートが前記位相差板（１１７）として将来選択されるか又は現在選択されていて、及び／又は
    前記位相差板（１１７）が、前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を円偏光照射光ビーム（１２８）に変換する、及び／又は
    前記位相差板（１１７）が、前記被加工物（２４）から反射された前記円偏光照射光ビーム（１２８）の９０％超を直線偏光照射光ビームに、特に前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）の偏光面に垂直な偏光面を有する直線偏光照射光ビームに変換する、
    請求項１１～１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記加工用レーザービーム（１２９）による前記被加工物（２４）の加工するステップ、及び／又は
    前記検出装置（１１４）により、前記被加工物（２４）から反射されて前記出射開口部（１１２）を通過した照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部、特に前記被加工物（２４）から反射されて前記位相差板（１１７）により直線偏光された照射光（１２８）に変換された前記円偏光照射光（１２８）の少なくとも一部を検出するステップを含み、及び／又は
    前記位相差板（１１７）と前記偏光ビームスプリッタ（１１６）の間に配置された前記導光部品の少なくとも１個の光学素子（１２４）が、前記被加工物（２４）により発光されたプロセス光の少なくとも一部及び／又は前記変換された直線偏光照射光ビーム（１２８）の少なくとも一部を検出装置（１１４）に鮮明に結像すべく設定されているため、前記発光された直線偏光照射光ビーム（１２８）が前記被加工物（２４）の加工ゾーンへ同時に誘導される、特に合焦及び／又は視準される、
    請求項１１～１４のいずれか１項に記載の方法。

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