JPWO2020080368A1 - 温度計測システム、温度計測方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

温度計測システムは、熱輻射している測定対象物が発する光のうち第１波長を有する第１光成分を受光する第１受光部と、前記光のうち前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２光成分を受光する第２受光部と、前記光のうち前記第１波長よりも短いまたは前記第２波長よりも長い第３波長を有する第３光成分を受光する第３受光部と、前記第１受光部が受光した前記第１光成分の強度と、前記第２受光部が受光した前記第２光成分の強度とを、前記第３受光部が受光した前記第３光成分の強度に基づいて補正し、補正を行った前記第１光成分の強度および前記第２光成分の強度に基づき、二色法を用いて前記測定対象物の温度を算出する処理部と、を備える。

Description

本発明は、温度計測システム、温度計測方法およびレーザ加工装置に関する。

温度計測の方法として、二色法が知られている。二色法とは、測定対象物からの熱輻射光スペクトルの形状がその測定対象物の温度のみに依存することを利用して、２つの波長において熱輻射光の強度を測定し、その波長差と強度差とから温度を算出する方法である（特許文献１、２参照）。

特許第１６３８４７３号公報 特開２００７−１９２５７９号公報

しかしながら、二色法を用いた場合、熱輻射している測定対象物が発する光に、熱輻射以外の現象に起因して発せられた光成分が含まれるときには、温度計測の精度が低下するという問題がある。

たとえば、金属材料からなる加工対象物にレーザ光を照射してレーザ加工を行う場合、金属材料が高温となって溶融し、熱輻射光を発する。さらに、溶融した金属材料からプルームが発生する。プルームとは金属の蒸気がプラズマ状になったものである。このプルームは発光する。その結果、測定対象物である加工対象物は、熱輻射光とともにプルームが光を発する。このようなプルームの発光は、測定対象物が熱輻射以外の現象に起因して発する光の一例である。その他に熱輻射以外の現象に起因して発せられる光としては、蛍光、レーザ散乱光、燃焼による発光などがある。これらの光は、二色法を用いた温度計測においては温度の誤差要因となるので、以下では適宜、誤差要因光と記載する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、二色法を用いた温度計測の精度の低下を抑制できる温度計測システム、温度計測方法およびこれを用いたレーザ加工装置を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る温度計測システムは、熱輻射している測定対象物が発する光のうち第１波長を有する第１光成分を受光する第１受光部と、前記光のうち前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２光成分を受光する第２受光部と、前記光のうち前記第１波長よりも短いまたは前記第２波長よりも長い第３波長を有する第３光成分を受光する第３受光部と、前記第１受光部が受光した前記第１光成分の強度と、前記第２受光部が受光した前記第２光成分の強度とを、前記第３受光部が受光した前記第３光成分の強度に基づいて補正し、補正を行った前記第１光成分の強度および前記第２光成分の強度に基づき、二色法を用いて前記測定対象物の温度を算出する処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第１波長、前記第２波長および前記第３波長は、３００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲内にあることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第１受光部、前記第２受光部および前記第３受光部は、それぞれ、単一の撮像素子の互いに異なる画素領域によって構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第１受光部および前記第２受光部は、単一の撮像素子の互いに異なる画素領域によって構成されており、前記第３受光部は、前記撮像素子とは別体の受光素子によって構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第３波長は、前記第１波長よりも５０ｎｍ以上短い波長であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第３波長は、前記第２波長よりも５０ｎｍ以上長い波長であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記処理部は、前記第３受光部が受光した前記第３光成分の強度から、前記光のうち熱輻射以外の現象に起因して発せられた誤差要因光成分の前記第１波長および前記第２波長のそれぞれにおける強度を求め、各強度を前記受光した前記第１光成分の強度および前記受光した前記第２光成分の強度のそれぞれから減算することによって、前記補正を行うことを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記測定対象物は銅または銅合金を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第３波長は、５００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲内にあることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記第３波長は、５１１ｎｍ±２ｎｍ、５１６ｎｍ±２ｎｍまたは５２２．５ｎｍ±２ｎｍであることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記測定対象物はアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測システムは、前記測定対象物はレーザ光を照射されることによって熱輻射していることを特徴とする。

本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、前記温度計測システムと、前記測定対象物に照射するレーザ光を出力するレーザ装置と、を備えることを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測方法は、熱輻射している測定対象物が発する光のうち第１波長を有する第１光成分を受光し、前記光のうち前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２光成分を受光し、前記光のうち前記第１波長よりも短いまたは前記第２波長よりも長い第３波長を有する第３光成分を受光し、前記受光した前記第１光成分の強度と、前記受光した前記第２光成分の強度とを、前記受光した前記第３光成分の強度に基づいて補正し、補正を行った前記第１光成分の強度および前記第２光成分の強度に基づき、二色法を用いて前記測定対象物の温度を算出する、ことを含むことを特徴とする。

本発明の一態様に係る温度計測方法は、前記受光した前記第３光成分の強度から、前記光のうち熱輻射以外の現象に起因して発せられた誤差要因光成分の前記第１波長および前記第２波長のそれぞれにおける強度を求め、各強度を前記受光した前記第１光成分の強度および前記受光した前記第２光成分の強度のそれぞれから減算することによって、前記補正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、二色法を用いた温度計測の精度の低下を抑制できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、測定対象物を説明する図である。 図３は、測定対象物が発する光の強度スペクトルを説明する図である。 図４は、補正方法の一例を説明する図である。 図５は、実施形態２に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、実施形態３に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。 図７は、実施形態４に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。 図８は、プルームの発光の強度スペクトルの一例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付し、重複説明を適宜省略する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。温度計測システム１０は、分岐部１と、撮像素子２と、処理部３とを備えている。図１では測定対象物Ｏの温度を計測する場合を示している。

図２は、測定対象物を説明する図である。測定対象物Ｏは、金属材料からなる加工対象物であるワークＷであり、レーザ加工されている。本実施形態では、ワークＷは銅または銅合金からなるとする。また、レーザ加工としては、切断、溶接、３次元造形等が例示される。レーザ加工において、ワークＷの一部にレーザ光が照射されて溶融し、溶融池Ｍが形成されている。測定対象物Ｏの溶融池Ｍは熱輻射しており、熱輻射光ＬＲを発している。また、溶融池Ｍからは、レーザ光により発生したプラズマであるプルームＰが発生している。プルームＰは、プルーム（プラズマ）の発光である光ＬＰを発している。プルームＰから発せられる光ＬＰも測定対象物Ｏが発しているものとする。

図１に戻って、分岐部１は、測定対象物Ｏが発する光Ｌの入力を受け付ける。光Ｌは熱輻射光ＬＲと光ＬＰとを含んでいる。分岐部１は、バンドパスフィルタ等を有する分光手段を備えており、光Ｌを第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２、第３光成分Ｌ３に分岐して出力する。また、分岐部１は、光Ｌの入力を受け付けるための、レンズ等を含む入力光学系と、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２および第３光成分Ｌ３を撮像素子２に出力するための、レンズ等を含む出力光学系とを備えている。

第１光成分Ｌ１は、第１波長を有する光成分であり、第１波長をピークとした半値全幅の狭いスペクトル形状を有する。第２光成分Ｌ２は、第１波長よりも長い第２波長を有する光成分であり、第２波長をピークとした半値全幅の狭いスペクトル形状を有する。第３光成分Ｌ３は、第１波長よりも短いまたは第２波長よりも長い第３波長を有する光成分であり、第３波長をピークとした半値全幅の狭いスペクトル形状を有する。本実施形態では、第３波長は第１波長よりも短い波長であるとする。第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２および第３光成分Ｌ３のそれぞれの半値全幅は、隣接する光成分との波長間隔と比べて十分に狭いことが好ましい。

撮像素子２は、たとえばＣＣＤ（Charge-Coupled Device）等の複数の単位受光素子が２次元状に配列されて構成されている。各単位受光素子は撮像素子２の画素領域における各単位画素に対応する。撮像素子２は、第１受光部に相当し、複数の単位画素からなる第１画素領域２ａと、第２受光部に相当し、複数の単位画素からなる第２画素領域２ｂと、第３受光部に相当し、複数の単位画素からなる第３画素領域２ｃとを有する。第１画素領域２ａ、第２画素領域２ｂおよび第３画素領域２ｃは、撮像素子２の互いに異なる画素領域によって構成されている。

第１画素領域２ａは、第１光成分Ｌ１を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ１を出力する。第２画素領域２ｂは、第２光成分Ｌ２を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ２を出力する。第３画素領域２ｃは、第３光成分Ｌ３を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ３を出力する。

処理部３は、演算部と、記憶部とを備えている。演算部は、処理部３の機能の実現のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、またはＣＰＵとＦＰＧＡの両方で構成される。記憶部は、演算部が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分を備えている。また、記憶部は、演算部が演算処理を行う際の作業スペースや演算部の演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分を備えている。

また、処理部３は、電流信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の入力を受け付ける入力部を備えている。また、処理部３は、計測した温度等の各種情報を含む信号を出力する出力部や、温度計測システム１０のオペレータに対して各種情報を報知するための文字や記号などの表示を行う表示部を備えていてもよい。処理部３は、たとえばパーソナルコンピュータによって実現できる。

処理部３は、電流信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電流値に基づいて、第１画素領域２ａが受光した第１光成分Ｌ１の強度と、第２画素領域２ｂが受光した第２光成分Ｌ２の強度と、第３画素領域２ｃが受光した第３光成分Ｌ３の強度と、を求める。それぞれの強度は、所定の演算式を用いて求めてもよいし、記憶部に記憶されたテーブルデータを用いて求めてもよい。

さらに、処理部３は、求めた第１光成分Ｌ１の強度と、求めた第２光成分Ｌ２の強度とを、求めた第３光成分Ｌ３の強度に基づいて補正し、補正を行った第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度に基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの温度、具体的には溶融池Ｍの温度を算出する。これによって温度の計測がなされる。

以下、具体的に説明する。図３は、測定対象物が発する光の強度スペクトルを説明する図である。波長λ１は第１波長であり、波長λ２は第２波長であり、波長λ３は第３波長である。強度スペクトルＩＳ１は、溶融池Ｍが或る第１温度のときの輻射光の強度スペクトルの一部である。強度スペクトルＩＳ２は、溶融池Ｍが第１温度より高い第２温度のときの輻射光の強度スペクトルの一部である。強度スペクトルＩＳ３は、プルームＰの発する光ＬＰの強度スペクトルである。波長λ３は強度スペクトルＩＳ３のピーク波長またはその近傍の値である。

図示するように、より高温状態における強度スペクトルＩＳ２は強度スペクトルＩＳ１よりも波長に対する傾きが大きいが、この波長に対する傾きは、溶融池Ｍの温度のみに依存する。したがって、処理部３は、第１光成分Ｌ１の波長λ１と強度、および第２光成分Ｌ２の波長λ２と強度に基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの溶融池Ｍの温度を計測できるはずである。

しかし、本実施形態では、図示するように、光ＬＰの強度スペクトルＩＳ３は波長λ１、λ２のいずれにおいてもある程度の強度を有するので、それが誤差要因となり、二色法を用いた測定対象物Ｏの溶融池Ｍの温度計測の精度は低下する。

そこで、本実施形態では、処理部３は、第３光成分Ｌ３の強度に基づいて補正を行った第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度に基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの温度、具体的には溶融池Ｍの温度を算出する。これによって、誤差要因となる光ＬＰの影響を小さくし、温度計測の精度の低下を抑制している。

補正方法の具体的な一例を説明する。図４は、補正方法の一例を説明する図である。まず、測定対象物Ｏからの光Ｌは熱輻射光ＬＲと、誤差要因光である光ＬＰとを含む。光Ｌを分岐部１によって第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２および第３光成分Ｌ３に分岐し、それぞれを第１画素領域２ａ、第２画素領域２ｂおよび第３画素領域２ｃのそれぞれで受光する。受光した第１光成分Ｌ１は、強度がＩ１であり、熱輻射光成分Ｌ１Ｒと、誤差要因光成分である光成分Ｌ１Ｐとを含んでいる。受光した第２光成分Ｌ２は、強度がＩ２であり、熱輻射光成分Ｌ２Ｒと、誤差要因光成分である光成分Ｌ２Ｐとを含んでいる。第３光成分Ｌ３は略プルームの発光成分のみからなる。このように、第３光成分Ｌ３が略プルームの発光成分（誤差要因光成分）のみからなるようにするには、第３波長λ３が、第１波長λ１よりも５０ｎｍ以上短い波長であることが好ましい。

ここで、光ＬＰの強度スペクトルＩＳ３のスペクトル形状は、熱輻射光ＬＲの強度スペクトルとは異なり、温度等に依らず略一定であるとする。すると、第３光成分Ｌ３の強度から、第１光成分Ｌ１に含まれる光成分Ｌ１Ｐの強度を推定できる。同様に、第３光成分Ｌ３の強度から、第２光成分Ｌ２に含まれる光成分Ｌ２Ｐの強度を推定できる。

たとえば、第３光成分Ｌ３の強度をＩ３とすると、第１光成分Ｌ１に含まれる光成分Ｌ１Ｐの強度の推定値はａ×Ｉ３で表される。また、第２光成分Ｌ２に含まれる光成分Ｌ２Ｐの強度の推定値はｂ×Ｉ３で表される。ここで、ａ、ｂは比例係数である。比例係数ａ、ｂは、予備実験等で予め求めておくことができるものであり、たとえば処理部３の記憶部に記憶されている。

すると、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２のそれぞれの補正後の強度Ｉ１ｃｏｒ、Ｉ２ｃｏｒは、以下の式（１）、（２）で表される。強度Ｉ１ｃｏｒ、Ｉ２ｃｏｒは、それぞれ、熱輻射光成分Ｌ１Ｒ、Ｌ２Ｒの強度と考えることができる。
Ｉ１ｃｏｒ＝Ｉ１−ａ×Ｉ３ ・・・ （１）
Ｉ２ｃｏｒ＝Ｉ２−ｂ×Ｉ３ ・・・ （２）

このように、処理部３は、第３光成分Ｌ３の強度Ｉ３から、第１波長λ１における誤差要因光成分（光成分Ｌ１Ｐ）の強度を求め、第２波長λ２における誤差要因光成分（光成分Ｌ２Ｐ）の強度を求める。そして、各強度を第１光成分Ｌ１の強度Ｉ１および第２光成分Ｌ２の強度Ｉ２から減算することによって、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２のそれぞれの補正後の強度Ｉ１ｃｏｒ、Ｉ２ｃｏｒを求める。そして、強度Ｉ１ｃｏｒ、Ｉ２ｃｏｒ基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの溶融池Ｍの温度を算出することによって、温度計測の精度の低下を抑制できる。

なお、第３光成分Ｌ３の強度Ｉ３から光成分Ｌ１Ｐおよび光成分Ｌ２Ｐのそれぞれの強度を求める方法は、上記のように比例係数を用いる方法に限られず、たとえば強度Ｉ３と光成分Ｌ１Ｐおよび光成分Ｌ２Ｐのそれぞれの強度との対応関係を示すテーブルデータを用いてもよい。このようなテーブルデータは予備実験等で予め作成しておくことができるものであり、たとえば処理部３の記憶部に記憶されている。

以上説明したように、温度計測システム１０によれば、誤差要因となる光ＬＰの影響を小さくし、二色法を用いた温度計測の精度の低下を抑制できる。

また、温度計測システム１０では、第１画素領域２ａ、第２画素領域２ｂおよび第３画素領域２ｃが、単一の撮像素子２における互いに異なる画素領域によって構成されている。そのため、第１画素領域２ａ、第２画素領域２ｂおよび第３画素領域２ｃを近接させることができる。これにより、分岐部１において、共通の出力光学系によって、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２および第３光成分Ｌ３のそれぞれを、撮像素子２の対応する各画素領域に出力できる。また、このように共通の出力光学系を用いても、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２および第３光成分Ｌ３における出力光学系の収差の差を小さくできる。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。温度計測システム１０Ａは、分岐部１Ａと、撮像素子２Ａ、４と、処理部３とを備えている。図５も測定対象物Ｏの温度を計測する場合を示している。

分岐部１Ａは、実施形態１における分岐部１と同様に、測定対象物Ｏが発する光Ｌの入力を受け付ける。分岐部１Ａは、バンドパスフィルタ等を有する分光手段を備えており、光Ｌを第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２、第３光成分Ｌ３に分岐して出力する。また、分岐部１Ａは、光Ｌの入力を受け付けるための入力光学系と、第１光成分Ｌ１および第２光成分Ｌ２を撮像素子２Ａに出力するための出力光学系と、第３光成分Ｌ３を撮像素子４に出力するための出力光学系とを備えている。

撮像素子２Ａは、複数の単位受光素子が２次元状に配列されて構成されている。撮像素子２Ａは、第１受光部に相当し、複数の単位画素からなる第１画素領域２Ａａと、第２受光部に相当し、複数の単位画素からなる第２画素領域２Ａｂとを有する。第１画素領域２Ａａおよび第２画素領域２Ａｂは、撮像素子２Ａの互いに異なる画素領域によって構成されている。一方、撮像素子４は、複数の単位受光素子が２次元状に配列されて構成されており、第３受光部に相当する。

第１画素領域２Ａａは、第１光成分Ｌ１を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ１を出力する。第２画素領域２Ａｂは、第２光成分Ｌ２を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ２を出力する。撮像素子４は、第３光成分Ｌ３を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ３を出力する。

処理部３は、実施形態１と同様に、入力された電流信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電流値に基づいて、第１画素領域２Ａａが受光した第１光成分Ｌ１の強度と、第２画素領域２Ａｂが受光した第２光成分Ｌ２の強度と、撮像素子４が受光した第３光成分Ｌ３の強度と、を求める。さらに、処理部３は、求めた第１光成分Ｌ１の強度と、求めた第２光成分Ｌ２の強度とを、求めた第３光成分Ｌ３の強度に基づいて補正する。そして、補正を行った第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度に基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの温度を算出する。たとえば、処理部３は、第３光成分Ｌ３の強度Ｉ３から、第１波長λ１における誤差要因光成分の強度を求め、第２波長λ２における誤差要因光成分の強度を求める。そして、各強度を第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度のそれぞれから減算することによって、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２のそれぞれの補正後の強度を求め、二色法を用いて測定対象物Ｏの溶融池Ｍの温度を算出する。

温度計測システム１０Ａによれば、実施形態１に係る温度計測システム１０と同様に、誤差要因となるプルームの発光の影響を小さくし、二色法を用いた温度計測の精度の低下を抑制できる。

また、温度計測システム１０Ａでは、第１画素領域２Ａａおよび第２画素領域２Ａｂが、単一の撮像素子２Ａにおける互いに異なる画素領域によって構成されており、撮像素子４は撮像素子２Ａと別体のものである。そのため、撮像素子２Ａの画素領域を第１画素領域２Ａａおよび第２画素領域２Ａｂに割り当てることができるので、それぞれの画素領域の面積を広くできる。

（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る温度計測システムの概略構成を示す模式図である。温度計測システム１０Ｂは、分岐部１Ｂと、撮像素子２Ａと、受光素子４Ｂと、処理部３とを備えている。図６でも測定対象物Ｏの温度を計測する場合を示している。

分岐部１Ｂは、測定対象物Ｏが発する光Ｌの入力を受け付ける。分岐部１Ｂは、バンドパスフィルタ等を有する分光手段を備えており、光Ｌを第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２に分岐して出力する。また、分岐部１Ｂは、光Ｌの入力を受け付けるための入力光学系と、第１光成分Ｌ１および第２光成分Ｌ２を撮像素子２Ａに出力するための出力光学系とを備えている。

撮像素子２Ａは、第１画素領域２Ａａと第２画素領域２Ａｂとを有する。一方、受光素子４Ｂは第３受光部に相当するものであり、撮像素子２Ａとは別体のものである。受光素子４Ｂは、複数の単位受光素子が２次元状に配列されて構成されていてもよいし、たとえばフォトダイオードなどの単一の受光素子でもよい。受光素子４Ｂは、測定対象物Ｏから第３光成分Ｌ３のみを受光するように構成されている。受光素子４Ｂは、第３光成分Ｌ３を透過し、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２を透過しないバンドパスフィルタを受光面の前に備えていてもよいし、測定対象物Ｏが発する光Ｌのうち第３光成分Ｌ３が入力し、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２が入力しないように配置されていてもよい。

第１画素領域２Ａａは、第１光成分Ｌ１を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ１を出力する。第２画素領域２Ａｂは、第２光成分Ｌ２を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ２を出力する。受光素子４Ｂは、第３光成分Ｌ３を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号Ｓ３を出力する。

処理部３は、実施形態１、２と同様に、入力された電流信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３の電流値に基づいて、第１画素領域２Ａａが受光した第１光成分Ｌ１の強度と、第２画素領域２Ａｂが受光した第２光成分Ｌ２の強度と、受光素子４Ｂが受光した第３光成分Ｌ３の強度と、を求める。さらに、処理部３は、求めた第１光成分Ｌ１の強度と、求めた第２光成分Ｌ２の強度とを、求めた第３光成分Ｌ３の強度に基づいて補正する。そして、補正を行った第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度に基づき、二色法を用いて測定対象物Ｏの温度を算出する。たとえば、処理部３は、第３光成分Ｌ３の強度Ｉ３から、第１波長λ１における誤差要因光成分の強度を求め、第２波長λ２における誤差要因光成分の強度を求める。そして、各強度を第１光成分Ｌ１の強度および第２光成分Ｌ２の強度のそれぞれから減算することによって、第１光成分Ｌ１、第２光成分Ｌ２のそれぞれの補正後の強度を求め、二色法を用いて測定対象物Ｏの溶融池Ｍの温度を算出する。

温度計測システム１０Ｂによれば、実施形態１、２に係る温度計測システム１０、１０Ａと同様に、誤差要因となるプルームの発光の影響を小さくし、二色法を用いた温度計測の精度の低下を抑制できる。

（実施形態４）
図７は、実施形態４に係るレーザ加工装置の概略構成を示す模式図である。レーザ加工装置１００は、実施形態１に係る温度計測システム１０と、レーザ装置２０と、ガルバノスキャナ３０と、制御装置４０と、を備えている。レーザ加工装置１００は、ステージＳに支持された測定対象物ＯであるワークＷをレーザ加工することができる。

レーザ装置２０は、ワークＷに照射してワークＷをレーザ加工することができる諸特性を有するレーザ光ＬＬを出力する。この諸特性は、たとえばレーザ光ＬＬの波長や強度の特性を含む。レーザ光ＬＬがパルス光の場合は、たとえばパルス幅やパルス周期が含まれる。レーザ装置２０は、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ等の従来公知の加工用レーザ装置を用いて構成することができる。

ガルバノスキャナ３０は、たとえば２枚のミラーと、各ミラーを所定の軸回りに回転駆動させるモータとを備えている。ガルバノスキャナ３０は、レーザ光ＬＬを受け付け、これを各ミラーで順次反射しつつ、各ミラーの回転角度を制御することで、レーザ光ＬＬのワークＷの表面への照射位置を移動させ、レーザ光ＬＬをワークＷに対して掃引することができる。なお、本実施形態のガルバノスキャナ３０は、集光光学系を内蔵しており、レーザ光ＬＬをワークＷの表面へ集光させることもできる。レーザ装置２０からガルバノスキャナ３０へのレーザ光ＬＬの伝搬には、デリバリファイバや空間光学系を利用することができる。なお、レーザ光ＬＬのワークＷの表面への照射位置を相対的に移動させる手段としては、ステージＳを平面上で移動させる手段も適用できる。したがって、照射位置の相対的な移動は、ガルバノスキャナ３０の駆動およびステージＳの移動の一方、または両方の組み合わせによって実現することができる。

温度計測システム１０は、測定対象物Ｏが発する光Ｌの入力を受け付け、測定対象物Ｏの温度を計測する。温度計測システム１０は、計測した温度の情報を含む電気信号を、破線の矢印で示すように計測信号として制御装置４０に出力する。

制御装置４０は、たとえばマイクロコンピュータと信号入出力インターフェイス部とを備えている。温度計測システム１０から計測信号を受け付けるとともに、破線の矢印で示すように、レーザ装置２０およびガルバノスキャナ３０のそれぞれに制御信号を出力する。制御装置４０は、温度計測システム１０からの温度の情報に基づいて演算処理を行い、レーザ装置２０の出力の制御と、ガルバノスキャナ３０によるレーザ光ＬＬの照射位置や掃引速度の制御とを実行することができる。なお、照射位置の相対的な移動を、ステージＳを移動させて実行する場合は、制御装置４０がステージＳを移動させる制御を行ってもよい。

このレーザ加工装置１００は、温度計測システム１０による良好な精度の温度計測に基づいて、より好適なレーザ加工を実施することができる。

レーザ加工装置１００における温度計測システム１０は、他の実施形態に係る温度計測システム１０Ａまたは１０Ｂに置き換えてもよい。また、ガルバノスキャナ３０は、同様の機能を有する機器としての、光ファイバを内蔵したレーザ加工用のロボッターに置き換えてもよい。なお、ロボッターは、ロボットアームとも称される。

なお、第１波長λ１、第２波長λ２、第３波長λ３は３００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲内にあることが好ましい。３００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲内であれば、市販のＣＣＤを撮像素子２、２Ａ、４等として使用した場合に、受光感度の高い波長範囲を使用できる。また、本実施形態のように測定対象物Ｏが銅または銅合金からなる場合、第３波長λ３は、光ＬＰの強度が高い５００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲内にあることが好ましい。

図８は、プルームの発光の強度スペクトルの一例を示す図であって、測定対象物Ｏが銅を含む場合の強度スペクトルを示している。図示するように、この強度スペクトルは、約５１１ｎｍ、約５１６ｎｍ、および約５２２．５ｎｍの波長に、銅特有のピークを有する。なお、縦軸の強度は、約５２２．５ｎｍのピーク値で規格化してある。そこで、強度スペクトルのピーク波長またはその近傍の値として、第３波長は、５１１ｎｍ±２ｎｍ、５１６ｎｍ±２ｎｍまたは５２２．５ｎｍ±２ｎｍとすることができる。これにより、二色法による温度計測に用いる第１波長、第２波長においての誤差要因光成分の推定精度が高くなるので、温度計測の精度の低下がより一層抑制される。

また、上記実施形態によれば、二色法による温度計測に用いる第１波長、第２波長において誤差要因光である光ＬＰの光成分の強度が比較的強いとしても、その光成分による温度計測の精度の低下を抑制できる。このことは、光ＬＰの光成分が殆どない波長を第１波長および第２波長として選択する方法と比較して、第１波長および第２波長として選択できる波長範囲を広くすることができることを意味する。その結果、たとえば第１波長と第２波長との間の波長間隔を広くできるので、二色法による温度計測の精度が向上する。また、第１波長および第２波長として選択できる波長範囲を広くすることができるので、第１波長および第２波長を、二色法を用いた温度計測の精度をより高くできる波長帯域から選択することもできる。二色法を用いた温度計測の精度をより高くできる波長帯域は、たとえば、熱輻射光の強度スペクトルの波長に対する傾きが大きい波長帯域である。

また、上記実施形態では、第３波長を第１波長よりも短くしているが、たとえば誤差要因光の強度スペクトルのピーク波長が第２波長よりも長い等の場合には、第３波長を第２波長より長くしてもよい。この場合、第３波長は、第２波長よりも５０ｎｍ以上長い波長であることが好ましい。

また、上記実施形態では、誤差要因光はプルームの発光であるが、これに限定されない。熱輻射し、かつ熱輻射以外の現象に起因するその他の誤差要因光が発せられている測定対象物の温度を、二色法を用いて計測する場合についても、本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、測定対象物は銅または銅合金からなるワークであるが、これに限定されない。測定対象物はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるワークでもよいし、その他の金属材料からなるワークでもよい。また、金属材料からなるワーク以外でも、熱輻射し、かつ熱輻射しているときに熱輻射以外の現象に起因する光を発する測定対象物であれば、本発明を適用できる。

また、上記実施形態では、第３光成分の強度に基づいて補正を行っているが、さらに第３成分とは波長が異なる第４光成分の強度を測定し、第３光成分および第４光成分の強度に基づいて補正を行ってもよい。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各実施形態の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

以上のように、本発明は、温度計測に適用して好適なものである。

１、１Ａ、１Ｂ 分岐部
２、２Ａ 撮像素子
２ａ、２Ａａ 第１画素領域
２ｂ、２Ａｂ 第２画素領域
２ｃ 第３画素領域
３ 処理部
４ 撮像素子
４Ｂ 受光素子
１０、１０Ａ、１０Ｂ 温度計測システム
２０ レーザ装置
３０ ガルバノスキャナ
４０ 制御装置
１００ レーザ加工装置
ＩＳ１、ＩＳ２、ＩＳ３ 強度スペクトル
Ｌ 光
Ｌ１ 第１光成分
Ｌ１Ｐ、Ｌ２Ｐ 光成分
Ｌ１Ｒ、Ｌ２Ｒ 熱輻射光成分
Ｌ２ 第２光成分
Ｌ３ 第３光成分
ＬＰ 光
ＬＲ 熱輻射光
Ｍ 溶融池
Ｏ 測定対象物
Ｐ プルーム
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 電流信号
Ｗ ワーク

Claims (15)

1. 熱輻射している測定対象物が発する光のうち第１波長を有する第１光成分を受光する第１受光部と、
   前記光のうち前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２光成分を受光する第２受光部と、
   前記光のうち前記第１波長よりも短いまたは前記第２波長よりも長い第３波長を有する第３光成分を受光する第３受光部と、
   前記第１受光部が受光した前記第１光成分の強度と、前記第２受光部が受光した前記第２光成分の強度とを、前記第３受光部が受光した前記第３光成分の強度に基づいて補正し、補正を行った前記第１光成分の強度および前記第２光成分の強度に基づき、二色法を用いて前記測定対象物の温度を算出する処理部と、
   を備えることを特徴とする温度計測システム。
2. 前記第１波長、前記第２波長および前記第３波長は、３００ｎｍから１０００ｎｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の温度計測システム。
3. 前記第１受光部、前記第２受光部および前記第３受光部は、それぞれ、単一の撮像素子の互いに異なる画素領域によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度計測システム。
4. 前記第１受光部および前記第２受光部は、単一の撮像素子の互いに異なる画素領域によって構成されており、前記第３受光部は、前記撮像素子とは別体の受光素子によって構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度計測システム。
5. 前記第３波長は、前記第１波長よりも５０ｎｍ以上短い波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の温度計測システム。
6. 前記第３波長は、前記第２波長よりも５０ｎｍ以上長い波長であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の温度計測システム。
7. 前記処理部は、前記第３受光部が受光した前記第３光成分の強度から、前記光のうち熱輻射以外の現象に起因して発せられた誤差要因光成分の前記第１波長および前記第２波長のそれぞれにおける強度を求め、各強度を前記受光した前記第１光成分の強度および前記受光した前記第２光成分の強度のそれぞれから減算することによって、前記補正を行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の温度計測システム。
8. 前記測定対象物は銅または銅合金を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の温度計測システム。
9. 前記第３波長は、５００ｎｍから５５０ｎｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項８に記載の温度計測システム。
10. 前記第３波長は、５１１ｎｍ±２ｎｍ、５１６ｎｍ±２ｎｍまたは５２２．５ｎｍ±２ｎｍであることを特徴とする請求項９に記載の温度計測システム。
11. 前記測定対象物はアルミニウムまたはアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の温度計測システム。
12. 前記測定対象物はレーザ光を照射されることによって熱輻射していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の温度計測システム。
13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載の温度計測システムと、
    前記測定対象物に照射するレーザ光を出力するレーザ装置と、
    を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
14. 熱輻射している測定対象物が発する光のうち第１波長を有する第１光成分を受光し、
    前記光のうち前記第１波長よりも長い第２波長を有する第２光成分を受光し、
    前記光のうち前記第１波長よりも短いまたは前記第２波長よりも長い第３波長を有する第３光成分を受光し、
    前記受光した前記第１光成分の強度と、前記受光した前記第２光成分の強度とを、前記受光した前記第３光成分の強度に基づいて補正し、補正を行った前記第１光成分の強度および前記第２光成分の強度に基づき、二色法を用いて前記測定対象物の温度を算出する、
    ことを含むことを特徴とする温度計測方法。
15. 前記受光した前記第３光成分の強度から、前記光のうち熱輻射以外の現象に起因して発せられた誤差要因光成分の前記第１波長および前記第２波長のそれぞれにおける強度を求め、各強度を前記受光した前記第１光成分の強度および前記受光した前記第２光成分の強度のそれぞれから減算することによって、前記補正を行うことを特徴とする請求項１４に記載の温度計測方法。
    
    

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