JPWO2016132554A1 - 光加工ヘッド、光加工装置およびその制御方法ならびに制御プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
光源からの射出光を第1平行光に変換する第1光学素子と、
前記第1光学素子の下流側に配置され、前記第1平行光を第1発散光に変換する第2光学素子と、
前記第2光学素子の下流側に配置され、前記第1発散光を第2平行光に変換する第3光学素子と、
前記第3光学素子の下流側に配置され、前記第2平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第4光学素子と、を備えたことを特徴とする。
前記光加工ヘッドと、光源と、前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
を備えたことを特徴とする。
上記光加工ヘッドを制御する制御方法であって、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第2光学素子および前記第3光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、を含むことを特徴とする。
加工面での光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
デフォーカス値に応じて、前記第2光学素子および前記第3光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
をコンピュータに実行させることを特徴とする。
本発明の第1実施形態としての光加工ヘッド(Optical Processing Head)100について、図1を用いて説明する。図1は、光加工ヘッド100の光学系(Optical System)を抽出した図であり、図1に示すとおり、光加工ヘッド100は、光学素子(Optical Element)101〜104を備えている。
本発明の第2実施形態としての光加工ヘッド200について、図2を用いて説明する。図2は、光加工ヘッド200の内部構成を示すための図であり、図2に示すとおり、光加工ヘッド200は、集光光学系装置201と観察装置202とノズル203とを含む。
図3は、光加工ヘッド200内部の光学系300のレンズ構成を表わす図である。光加工ヘッド200の光学系300は、光学素子としてレンズ301〜304を備えている。レンズは、他の種類の光学素子に比べて吸収ロスが小さく、エネルギー効率がよい。また、レンズに反射防止膜を塗布することにより、光の反射ロスを数%以下に低減でき、さらにエネルギー効率を向上させることもできる。さらに、吸収ロスが少ないことにより、昇温しにくく、昇温による熱レンズ効果(熱によるレンズ形状の変形、屈折率変化によるレンズ特性の劣化)および光加工ヘッド200全体の劣化を防ぐことができる。
平凸レンズ301の焦点距離をf1とし、平凹レンズ302の焦点距離をf2とし、平凸レンズ303の焦点距離をf3とし、平凸レンズ304の焦点距離をf4とし、光学系300全体の拡大倍率をmとする。
f2/f3≦1・・・(1)
つまり、f2≦f3となるように、平凹レンズ302および平凸レンズ303を選択することにより、平凹レンズ302の虚像集光点の位置と平凸レンズ303の焦点位置とを一致させることができる。これにより、実際に装置内に集光点を設ける必要がなくエネルギーロスを抑えることができる。また、本構成は、虚像集光点が平凹レンズ302の上流側に位置し、リアルな集光点を作る必要がないため、光学系の全長を短くできるという効果もある。
この式の第2項が負の値になっていることに注意されたい。これは、凹レンズの特性であり、この項があることにより、全体の値を小さくできる。もし、凹レンズの代わりに凸レンズを用いると、第2項が正になるため、全体の収差が大きくなる。つまり、本実施形態では、2つめの光学素子として凹レンズを用いたことによって収差を最小にすることができる。
これより、収差が最小のとき、つまりδが0のとき、次の関係を導くことができる。
この式(4)と式(1)より、下記の関係を導くことができる。
この式(5)は変形すると、以下のようになる。
以上より、式(6)を満たせば収差は最小にすることが可能となる。
図6に示すように、平凹レンズ302は、光軸に沿って移動可能に設けられている。例えば平凹レンズ302は、スライド機構607に沿ってスライド可能である。すなわち、スライド機構607は、平凹レンズ302を光軸に沿ってスライド可能に支持している。平凹レンズ302のスライドは、手動で行なってもよいし、モータなどの駆動機構を用いて行なってもよい。デフォーカス値に応じて不図示の制御部が平凹レンズ302の位置を自動制御してもよい。
次に本発明の第3実施形態に係る光学加工ヘッド800について、図8を用いて説明する。図8は、本実施形態に係る光学加工ヘッド800の光学系を説明するための図である。本実施形態に係る光学加工ヘッド800は、上記第2実施形態と比べると、平凸レンズ301、303、304を放物線ミラー801、803、804に置き換え、その光路に応じて全体のレイアウトを変更した点で異なる。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。
本発明の第4実施形態としての光加工装置(Optical Machining apparatus)900について、図9を用いて説明する。光加工装置900は、上述の実施形態で説明した光加工ヘッド100、200、800のいずれかを含み、集光した光が生み出す熱で材料を溶融することにより三次元的な造形物(あるいは肉盛溶接)を生成する装置である。ここでは一例として、光加工ヘッド200を備えた光加工装置900について説明する。
光加工装置900は、光加工ヘッド200以外に、光源901、光伝送部210、冷媒供給装置903、冷媒供給部904、ステージ905、材料供給装置906、材料供給部230、ガス供給装置908およびガス供給部240を備えている。
次に、光加工装置900の動作について説明する。造形物910は、ステージ905の上で作成される。
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、本願発明の技術思想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 (12)
- 光源からの射出光を第1平行光に変換する第1光学素子と、
前記第1光学素子の下流側に配置され、前記第1平行光を第1発散光に変換する第2光学素子と、
前記第2光学素子の下流側に配置され、前記第1発散光を第2平行光に変換する第3光学素子と、
前記第3光学素子の下流側に配置され、前記第2平行光を、加工面に向けて集光する収束光に変換する第4光学素子と、
を備えた光加工ヘッド。 - 前記第2光学素子および前記第3光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動可能に設けた請求項1に記載の光加工ヘッド。
- 前記第1光学素子、前記第3光学素子および前記第4光学素子は平凸レンズであり、
前記第2光学素子は平凹レンズである請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光加工ヘッド。 - 前記第2光学素子は、下流側に凹面を有する平凹レンズである請求項5に記載の光加工ヘッド。
- 前記第2光学素子の焦点距離を前記第3光学素子の焦点距離以下としたことを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の光加工ヘッド。
- 前記第1平行光を入射した前記第2光学素子の虚像焦点と前記第2平行光を入射した前記第3光学素子の焦点とが一致するように、前記第2光学素子および前記第3光学素子を配置した請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光加工ヘッド。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光加工ヘッドと、
光源と、
前記光源から射出された光を前記光加工ヘッドに伝送する光伝送部と、
を備えた光加工装置。 - 請求項1に記載の光加工ヘッドを制御する制御方法であって、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力する入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第2光学素子および前記第3光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動する移動ステップと、
を含む光加工ヘッドの制御方法。 - 前記移動ステップは、入力した前記デフォーカス値が現状の集光スポット径より大きい場合に、前記第2光学素子を上流側に移動させる請求項10に記載の光加工装置の制御方法。
- 請求項1に記載の光加工ヘッドを制御する制御プログラムであって、
前記加工面での前記光のデフォーカス値を入力させる入力ステップと、
前記デフォーカス値に応じて、前記第2光学素子および前記第3光学素子の少なくともいずれか一方を光軸に沿って移動させる移動ステップと、
をコンピュータに実行させる光加工装置の制御プログラム。
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